(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの単セルのセパレータの電食を抑制する。【解決手段】燃料電池スタックは、冷却液用の開口を有する金属製のセパレータを含む複数の単セルが積層されたセル積層体と、セル積層体の一の側に配置され、燃料電池スタックの正極としての第１の集電板と、セル積層体の他の側に配置され、燃料電池スタックの負極としての第２の集電板と、第１の集電板とセル積層体との間に配置され、セパレータよりも活性が高い金属によって形成された防錆材と、を備える。防錆材は、第１の集電板とセル積層体との間に配置された本体部と、セル積層体において冷却液用の開口によって形成された冷却液マニホールドの内部に第２の集電板に向けて突出する突出部とを有する。【選択図】図３
2020047409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
冷却液用の開口を有する金属製のセパレータを含む複数の単セルが積層されたセル積層体と、
前記セル積層体の一の側に配置され、前記燃料電池スタックの正極としての第１の集電板と、
前記セル積層体の他の側に配置され、前記燃料電池スタックの負極としての第２の集電板と、
前記第１の集電板と前記セル積層体との間に配置され、前記セパレータよりも活性が高い金属によって形成された防錆材と、
を備え、
前記防錆材は、前記第１の集電板と前記セル積層体との間に配置された本体部と、前記セル積層体において前記冷却液用の開口によって形成された冷却液マニホールドの内部に前記第２の集電板に向けて突出する突出部とを有する、
燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池において、外部電源から高電位部材を介して単セルのセパレータに電流を流すことによって、セパレータの電食を抑制する技術が開示されている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０１６２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術では、電流を流すための外部電源を設ける必要があるので、部品の点数が増加してしまい、燃料電池の製造が煩雑になる虞がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池スタックが提供される。この燃料電池スタックは、冷却液用の開口を有する金属製のセパレータを含む複数の単セルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体の一の側に配置され、前記燃料電池スタックの正極としての第１の集電板と、前記セル積層体の他の側に配置され、前記燃料電池スタックの負極としての第２の集電板と、前記第１の集電板と前記セル積層体との間に配置され、前記セパレータよりも活性が高い金属によって形成された防錆材と、を備える。前記防錆材は、前記第１の集電板と前記セル積層体との間に配置された本体部と、前記セル積層体において前記冷却液用の開口によって形成された冷却液マニホールドの内部に前記第２の集電板に向けて突出する突出部とを有する。
この形態の燃料電池スタックによれば、燃料電池スタックは、防錆材を備えるので、外部電源を設けることなく、単セルのセパレータの電食を抑制することができ、燃料電池スタックの製造を簡易化できる。加えて、防錆材の突出部は、本体部と一体に形成されているので、突出部を他の部材に設けることなく、燃料電池スタックの製造を更に簡易化できる。また、防錆材の突出部は本体部より単セルに近いので、突出部によって腐食電流を抑制でき、単セルのセパレータの電食を更に抑制することができる。
【０００７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池スタックの製造方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態における燃料電池スタック１００の側面図。
【図２】腐食電流と燃料電池スタックの正極側−負極側との関係を例示する図。
【図３】燃料電池スタックの上面透視図。
【図４】腐食電流と防錆材から発電セルまでの距離との関係を例示する図。
【図５】第２実施形態における燃料電池スタックの上面透視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
・第１実施形態：
図１は、第１実施形態における燃料電池スタック１００の側面図と単セル１４０の斜視分解図である。燃料電池スタック１００は、固体高分子形の燃料電池スタックである。燃料電池スタック１００は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電気化学反応によって発電する。
【００１０】
燃料電池スタック１００は、積層された複数の単セル１４０と、４つの非発電セル１４５と、防錆材１３１と、２つの集電板１２１，１２２と、２つのエンドプレート１１１，１１２とを有する。これらの部材は、第１のエンドプレート１１１、第１の集電板１２１、防錆材１３１、２枚の非発電セル１４５、複数の単セル１４０、２枚の非発電セル１４５、第２の集電板１２２、第２のエンドプレート１１２の順に積層されている。積層された複数の単セル１４０は、セル積層体１４０ｓである。
【００１１】
単セル１４０は、膜電極接合体とガス拡散層とによって構成された膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｇａｓｓ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−ｌａｙｅｒ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）３２とＭＥＧＡ３２の周囲に接合されたフレーム部材３１とを有するＭＥＧＡプレート３０と、ＭＥＧＡプレート３０の一の面と他の面のそれぞれに配置されたセパレータ４０，５０と、を備える。ＭＥＧＡ３２は、電解質膜（図示せず）と、カソード電極（図示せず）と、アノード電極（図示せず）と、２枚のガス拡散層（図示せず）とを有する。電解質膜の両面には、それぞれカソード電極とアノード電極が配置され、さらにその両面には、それぞれ１枚のガス拡散層が配置されている。フレーム部材３１は、例えば熱可塑性樹脂やゴム等によって形成されている。セパレータ４０，５０は、金属製であり、例えばプレス成形したステンレス鋼やチタン等によって形成されている。
【００１２】
セパレータ４０，５０のそれぞれの一端縁部には、燃料ガスマニホールド開口６２と、冷却液マニホールド開口（冷却液用の開口）８４と、酸化ガスマニホールド開口７２とが並んで形成されている。上記一端縁部の対辺である他端縁部には、酸化ガスマニホールド開口７４と、冷却液マニホールド開口（冷却液用の開口）８２と、燃料ガスマニホールド開口６４とが並んで形成されている。ＭＥＧＡプレート３０のフレーム部材３１には、セパレータ４０，５０の燃料ガスマニホールド開口６２と対応する開口部６２ｐが設けられ、冷却液マニホールド開口８４と対応する開口部８４ｐ、酸化ガスマニホールド開口７２と対応する開口部７２ｐ、酸化ガスマニホールド開口７４と対応する開口部７４ｐ、冷却液マニホールド開口８２と対応する開口部８２ｐ、燃料ガスマニホールド開口６４と対応する開口部６４ｐが設けられている。複数の単セル１４０が積層されると、これらのマニホールド開口６２，６４，７２，７４，８２，８４によって燃料ガスマニホールド（図示せず）と酸化ガスマニホールド（図示せず）と冷却液マニホールド（図示せず）が形成される。これらのマニホールドのそれぞれには燃料ガスと酸化ガスと冷却液が流れる。各単セル１４０は、燃料ガスマニホールド及び酸化ガスマニホールドに流れる燃料ガスと酸化ガスを利用して発電する。
【００１３】
非発電セル１４５は、膜電極接合体を有せず、他の構成は単セル１４０と同様である。すなわち、非発電セル１４５のフレーム部材３１には、ガス拡散層が配置されている。非発電セル１４５は、膜電極接合体を有しないため、発電を行わない。非発電セル１４５は、例えば寒冷地での始動等の氷点下始動時に複数の単セル１４０の昇温を促進する。また、非発電セル１４５は、ガスラインで発生した結露水が複数の単セル１４０に流入することを抑制するように設けられている。非発電セル１４５は、省略されてもよい。なお、膜電極接合体を有し発電に利用さる複数の単セル１４０は、「発電セル１４０」と呼ぶ場合もある。
【００１４】
防錆材１３１は、第１の集電板１２１とセル積層体１４０ｓとの間に配置されている。防錆材１３１は、発電セル１４０のセパレータ４０，５０よりも活性が高い金属によって形成されている。「セパレータ４０，５０よりも活性が高い金属」とは、冷却液中でセパレータ４０，５０よりも電子を失い易い金属、又は、セパレータ４０，５０よりも冷却液中の水を電気分解させ易い金属のことである。防錆材１３１は、自分自身が電子を失うことで、又は、水に電子を失わせることで、防食電流を生じさせることによってセパレータ４０，５０の電食を抑制する。防錆材１３１がセパレータ４０，５０よりも電子を失い易い金属によって形成される場合には、例えば、セパレータ４０，５０がステンレス鋼で形成されている場合、防錆材１３１は亜鉛によって形成されてもよいし、セパレータ４０，５０がチタンで形成されている場合、防錆材１３１はアルミニウムによって形成されてもよい。一方、防錆材１３１がセパレータ４０，５０よりも水を電気分解させ易い金属によって形成される場合には、例えば金や白金等の貴金属によって形成されてもよい。この場合は、防錆材１３１自体が電子を失わず電食されないため、耐久性に優れるので、防錆材１３１がセパレータ４０，５０よりも水を電気分解させ易い金属によって形成されることが好ましい。
【００１５】
集電板１２１，１２２は、燃料電池スタック１００の発電によって生じた電子を集約する金属板である。第１の集電板１２１は、セル積層体１４０ｓの一の側に配置され、燃料電池スタック１００の全体としての正極を形成する。第２の集電板１２２は、セル積層体１４０ｓの他の側に配置され、燃料電池スタック１００の全体としての負極を形成する。なお、燃料電池スタック１００の第１の集電板１２１側を正極側と呼び、第２の集電板１２２側を負極側と呼ぶ場合がある。
【００１６】
エンドプレート１１１，１１２は、板状の形状を有する。エンドプレート１１１，１１２は、エンドプレート１１１，１１２に設けられた締結ボルト（図示せず）によって、セル積層体１４０ｓの中心に向かって各集電板１２１，１２２に押圧力を加えて、燃料電池スタック１００全体を締結している。
【００１７】
図２は、腐食電流と燃料電池スタック１００の正極側−負極側との関係を例示する図である。腐食電流とは、単セル１４０のセパレータ４０，５０が電子を失って生じる電流のことである。複数の単セル１４０が積層することによって形成された冷却液マニホールドには、冷却液が流れるので、各セパレータ４０，５０の冷却液マニホールド開口８２，８４（図１）の周囲では、例えばセパレータ４０，５０がステンレス鋼で形成されている場合、鉄イオンが溶出して腐食電流を形成する可能性がある。腐食電流は、腐食の発生量と正比例する。図２から分かるように、腐食は正極側で発生しやすいと考えられる。
【００１８】
図３は、燃料電池スタック１００の上面透視図であり、冷却液マニホールド８２ｍ付近の図である。冷却液マニホールド８２ｍは、複数の単セル１４０が積層することにより、複数の冷却液マニホールド開口８２（図１）によって形成される。冷却液マニホールド８２ｍには、冷却液が流れている。図示の便宜上、冷却液を点状のハッチングで示している。なお、図示の便宜上、複数の単セル１４０の二つのセパレータ４０，５０でＭＥＧＡ３２を挟む構成や、非発電セル１４５の二つのセパレータ４０，５０でガス拡散層を挟む構成を簡略化している。発電セル１４０と非発電セル１４５の断面は冷却液マニホールド８２ｍに近付くと狭くなる。なお、複数の単セル１４０の積層方向は矢印ＡＷ１の方向である。
【００１９】
防錆材１３１は、板状の本体部９１と、突出部９０とを有する。本体部９１は、第１の集電板１２１とセル積層体１４０ｓとの間に配置されている。本体部９１は、非発電セル１４５を介して複数の単セル１４０と電気的に接続されている。突出部９０は、本体部９１と一体に形成され、冷却液マニホールド８２ｍの内部に第２の集電板１２２に向けて突出している。この例では、冷却液中で防錆材１３１自身が電子を失う。この結果、防錆材１３１の突出部９０から単セル１４０に向けて第１の防食電流Ｉ１が発生し、防錆材１３１の本体部９１から単セル１４０に向けて第２の防食電流Ｉ２が発生する。第１の防食電流Ｉ１は、冷却液を介して単セル１４０に流れるので、冷却液の抵抗に影響される。第２の防食電流Ｉ２は、冷却液及び非発電セル１４５を介して単セル１４０に流れるので、冷却液の抵抗及び非発電セル１４５の抵抗に影響される。防食電流Ｉ１，Ｉ２が大きいほど、腐食電流が小さくなり、単セル１４０のセパレータ４０，５０の腐食量が少なくなる。
【００２０】
図４は、腐食電流と防錆材１３１から発電セル１４０までの距離との関係を例示する図である。図４から分かるように、防錆材１３１から発電セル１４０までの距離が近いほど腐食電流が小さくなる。これは、防錆材１３１から発電セル１４０までの距離が近いと、冷却液等の抵抗が防食電流Ｉ１，Ｉ２に与える影響が小さくなり、防食電流Ｉ１，Ｉ２が大きくなるからである。図３の例では、防錆材１３１の突出部９０から発電セル１４０までの距離Ｌ１が、本体部９１から発電セル１４０までの距離Ｌ２より小さいので、第１の防食電流Ｉ１は、第２の防食電流Ｉ２よりも大きく、防食効果が高い。
【００２１】
以上説明したように、第１実施形態では、燃料電池スタック１００は、防錆材１３１を備えるので、外部電源を設けることなく、単セル１４０のセパレータ４０，５０の電食を抑制することができ、燃料電池スタック１００の製造を簡易化できる。加えて、防錆材１３１の突出部９０は、本体部９１と一体に形成されているので、突出部９０を他の部材に設けることなく、燃料電池スタック１００の製造を更に簡易化できる。また、防錆材１３１の突出部９０は本体部９１より単セル１４０に近いので、突出部９０によって腐食電流を抑制でき、単セル１４０のセパレータ４０，５０の電食を更に抑制することができる。
【００２２】
・第２実施形態：
図５は、第２実施形態における燃料電池スタック１００ａの上面透視図であり、図３に対応する図である。図５において、図３に示す第１実施形態との違いは、防錆材１３１ａの突出部９０ａの形状であり、他の構成は第１実施形態と同様である。
【００２３】
図５では、防錆材１３１ａの突出部９０ａは、単セル１４０に向けて延伸した凸部９０１，９０２を有する。凸部９０１，９０２によって、防錆材１３１ａから単セル１４０までの距離が第１実施形態と比べて短縮される。図５の例では、凸部９０１から単セル１４０までの距離Ｌ１ａは、図３に示す突出部９０から単セル１４０までの距離Ｌ１よりも小さい。こうすれば、第１の防食電流Ｉ１ａが冷却液の抵抗に影響されることが抑制され、第１の防食電流Ｉ１ａが図３に示す第１の防食電流Ｉ１よりも大きくなり、単セル１４０のセパレータ４０，５０の電食を更に抑制することができる。なお、第２実施形態においても、燃料電池スタック１００ａは、防錆材１３１ａを備えるので、外部電源を設けることなく、単セル１４０のセパレータ４０，５０の電食を抑制することができ、燃料電池スタック１００ａの製造を簡易化できる。
【００２４】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２５】
３０…ＭＥＧＡプレート、３１…フレーム部材、３２…膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）、４０，５０…セパレータ、６２…燃料ガスマニホールド開口、６４…燃料ガスマニホールド開口、７２…酸化ガスマニホールド開口、７４…酸化ガスマニホールド開口、８２…冷却液マニホールド開口、８２ｍ…冷却液マニホールド、８４…冷却液マニホールド開口、６２ｐ，６４ｐ，７２ｐ，７４ｐ，８２ｐ，８４ｐ…開口部、９０…突出部、９０ａ…突出部、９１…本体部、１００…燃料電池スタック、１００ａ…燃料電池スタック、１１１，１１２…エンドプレート、１２１，１２２…集電板、１３１…防錆材、１３１ａ…防錆材、１４０…単セル（発電セル）、１４０ｓ…セル積層体、１４５…非発電セル、９０１，９０２…凸部
【図１】
2020047409.tif 000003
【図２】
2020047409.tif 000004
【図３】
2020047409.tif 000005
【図４】
2020047409.tif 000006
【図５】
2020047409.tif 000007