(57)【要約】【課題】良好な集電性能を発揮し得る燃料電池スタック、および燃料電池スタックを有する車両を提供する。【解決手段】燃料電池スタック１００は、積層した複数の単セル１４０、１５０、１６０と、単セルの積層方向に配置され、単セルが備えるセパレータ１４２、１４３、１６２に電気的に接続して単セルの電力を取り出すための集電体１２０と、を有する。集電体では、セパレータの表面の金属と異なる金属によって表面が形成されている。また燃料電池スタックは、複数の単セルのうち積層方向の端に位置する単セル１４０、１６０に備えられたセパレータ１４２、１６２、および集電体によって挟まれ、セパレータおよび集電体における異種金属同士の接触を防ぐ緩衝部材１３０を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層した複数の単セルと、
前記単セルの積層方向に配置され、前記単セルが備えるセパレータに電気的に接続して前記単セルの電力を取り出すための、前記セパレータの表面の金属と異なる金属によって表面が形成された集電体と、
当該集電体、および前記複数の単セルのうち前記積層方向の端に位置する単セルに備えられたセパレータによって挟まれ、当該セパレータおよび前記集電体における異種金属同士の接触を防ぐ緩衝部材と、を有する燃料電池スタック。
【請求項２】
前記緩衝部材において前記セパレータに接する第１接触部の標準電極電位と、当該第１接触部に接するセパレータ表面の標準電極電位とが等しく、前記緩衝部材において前記集電体に接する第２接触部の標準電極電位と、当該第２接触部に接する集電体表面の標準電極電位とが等しい請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第１接触部および当該第１接触部に接するセパレータ表面に硬質炭素皮膜を有し、前記第２接触部および当該第２接触部に接する集電体表面が金を含む請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記セパレータおよび前記緩衝部材が、表面の少なくとも一部が被覆された基材を有し、前記セパレータの基材の材質と、前記緩衝部材の基材の材質とが同一である請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記基材がアルミニウムによって形成される請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池スタックを有する車両。
【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、および燃料電池スタックを有する車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、クリーンなエネルギー供給源として固体高分子型燃料電池に注目が集まっている。固体高分子型燃料電池は、触媒層およびガス拡散層を電解質膜の両面に配し、ガスの流路を備えたセパレータによってこれらを挟んだ単セルを構成の基本単位としている。高電圧を得るため、単セルを複数積層し電気的に接続して燃料電池スタックとして用いるのが一般的である。
【０００３】
セパレータが、水素やメタノール等の燃料ガス、または空気等の酸化剤ガスを燃料電池スタック内に流すとともに、単セル同士を電気的に接続する。このため、耐食性および強度ならびに導電性に優れたセパレータが好ましく、例えば特許文献１の発明者らは、アルミニウム合金等の金属によって形成した基材に、ダイヤモンド様カーボン（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ、以下、単にＤＬＣと称す）膜を形成することによって、セパレータを作製している。
【０００４】
セパレータによって電気的に接続した複数の単セルの電力は、燃料電池スタックが備える集電体を介して取り出される。集電体は一般的に単セルの積層方向に位置し、複数の単セルのうち積層方向の端に位置する単セルに備えられたセパレータに接している。導電性向上のため、集電体は例えば金メッキを表面に有する
【特許文献１】国際公開第ＷＯ０１／００６５８５号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし例えば上で挙げたようなアルミニウムの基材にＤＬＣ膜を形成したセパレータと金メッキを有する集電体とが接する、つまり異種金属同士が接すると一方が他方に対して卑となって腐食が生じ、燃料電池スタックが良好な集電性能を発揮できない虞がある。
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、良好な集電性能を発揮し得る燃料電池スタック、およびそのような燃料電池スタックを有する車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池スタックは、積層した複数の単セルと、単セルの積層方向に配置され、単セルが備えるセパレータに電気的に接続して単セルの電力を取り出すための集電体と、を有する。集電体では、セパレータの表面の金属と異なる金属によって表面が形成されている。また燃料電池スタックは、複数の単セルのうち積層方向の端に位置する単セルに備えられたセパレータ、および集電体によって挟まれ、セパレータおよび集電体における異種金属同士の接触を防ぐ緩衝部材を有する。
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の車両は、前述の燃料電池スタックを有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、緩衝部材によって集電体およびセパレータにおける異種金属同士の接触を防いで両者の腐食を抑制し、良好な集電性能を発揮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下で説明する実施形態および変形例において、共通する機能を有する部材については、類似の符号を付し、また、重複する説明は省略する。
【００１１】
＜燃料電池スタック＞
図１は燃料電池スタックを示す概略断面図、図２は図１の符号２によって囲んだ部分を拡大して示す断面図、図３は燃料電池スタックの他の例を示す概略断面図である。
【００１２】
図１において概説すると、燃料電池スタック１００は、積層した複数の単セル１４０、１５０、１６０を有する。燃料電池スタック１００はまた、単セル１４０、１５０、１６０の積層方向に配置され、単セル１４０、１５０、１６０が備えるセパレータ１４２、１４３、１６２に電気的に接続して単セル１４０、１５０、１６０の電力を取り出すための集電板１２０（集電体に相当する）を有する。集電板１２０では、セパレータ１４２、１４３、１６２の表面の金属と異なる金属によって表面が形成されている。
【００１３】
燃料電池スタック１００はまた、セパレータ１４２、１６２および集電板１２０における異種金属同士の接触を防ぐ緩衝部材１３０を有する。複数の単セル１４０、１５０、１６０のうち積層方向の端に位置する単セル１４０、１６０に備えられたセパレータ１４２、１６２、および集電板１２０が、緩衝部材１３０を挟んでいる。
【００１４】
燃料電池スタック１００はさらに、単セル１４０、１５０、１６０、緩衝部材１３０、および集電板１２０を積層方向から挟持するエンドプレート１１０を有する。エンドプレート１１０を形成する材料は、例えば絶縁性の樹脂である。
【００１５】
単セル１４０は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学的反応を進行させる膜電極接合体１４１と、膜電極接合体１４１を挟むセパレータ１４２、１４３と、を有する。膜電極接合体１４１は、高分子電解質からなる電解質膜１４４、および電解質膜１４４の両面に配した電極１４５、１４６を有する。電極１４５、１４６は、燃料ガスまたは酸化剤ガスを拡散させるガス拡散層と、触媒を含んだ触媒層と、を有する。
【００１６】
セパレータ１４２は、燃料ガスを流す流路１４８および冷却水を流す流路１４７を有する。セパレータ１４３は、酸化剤ガスを流す流路１４９および冷却水を流す流路１４７を有する。
【００１７】
流路１４８は燃料ガスが流れるマニホールド（不図示）に連通している。流路１４９は酸化剤ガスが流れるマニホールド（不図示）に連通している。流路１４７は冷却水が流れるマニホールド（不図示）に連通している。燃料ガスは、例えば、水素、メタノールである。酸化剤ガスは、例えば、空気である。
【００１８】
図２に示すようにセパレータ１４２、１４３は、アルミニウムによって形成された基材２０と、基材２０の表面全体を覆う硬質炭素皮膜２２と、を有する。アルミニウムは、重量、汎用性、コストパフォーマンスまたは加工容易性などの観点から好ましい。硬質炭素皮膜２２は硬質炭素を含む。単セル１５０、１６０は、単セル１４０と略同様である。
【００１９】
集電板１２０は、アルミニウムによって形成された基材１２１と、基材１２１の表面全体を覆う層１２２と、を有する。層１２２は金メッキである（以下、層１２２を金メッキ層１２２と称す）。金は導電性に優れ、好ましい。
【００２０】
緩衝部材１３０は、アルミニウムによって形成された基材１３１、ならびに基材１３１の表面を覆う硬質炭素および金を有する。緩衝部材１３０においてセパレータ１４２に接する層１３３（第１接触部に相当する）が、硬質炭素を含む。緩衝部材１３０において集電板１２０に接する層１３２（第２接触部に相当する）が、金を含む。
【００２１】
つまり、層１３３、および層１３３に接するセパレータ１４２の表面に硬質炭素皮膜を有する。また、層１３２、および層１３２に接する集電板１２０の表面が金を含む（以下、層１３３を硬質炭素皮膜１３３と称し、層１３２を金メッキ層１３２と称す）。
【００２２】
このため、硬質炭素皮膜１３３の標準電極電位と、硬質炭素皮膜１３３に接するセパレータ表面の標準電極電位とが等しく、金メッキ層１３２の標準電極電位と、金メッキ層１３２に接する集電板表面の標準電極電位とが等しい。標準電極電位が等しいとは、標準電極電位が全く同一の状態だけでなく、標準電極電位が近似する状態を含み、全く同一の金属でなくとも腐食を抑制できればよい。
【００２３】
硬質炭素皮膜２２および硬質炭素皮膜１３３はグラファイト化ＤＬＣを含むため、導電性を確保しつつ、基材２０、１２１のみの場合と比較して耐食性が改善され得る。
【００２４】
硬質炭素皮膜２２および硬質炭素皮膜１３３は、ラマン散乱分光分析によって測定される、Ｄバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）によって規定される。具体的には、強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）が１．３以上である。
【００２５】
炭素材料をラマン分光法によって分析すると、通常１３５０ｃｍ−１付近および１５８４ｃｍ−１付近にピークが生じる。結晶性の高いグラファイトは、１５８４ｃｍ−１付近にシングルピークを有し、このピークは通常、「Ｇバンド」と称される。一方、結晶性が低くなる（結晶構造欠陥が増す）につれて、１３５０ｃｍ−１付近のピークが現れてくる。このピークは通常、「Ｄバンド」と称される（なお、ダイヤモンドのピークは厳密には１３３３ｃｍ−１であり、上記Ｄバンドとは区別される）。Ｄバンドピーク強度（ＩＤ）とＧバンドピーク強度（ＩＧ）との強度比Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）は、炭素材料のグラファイトクラスターサイズやグラファイト構造の乱れ具合（結晶構造欠陥性）、ｓｐ２結合比率などの指標として用いられる。すなわち、本発明においては、硬質炭素皮膜２２および硬質炭素皮膜１３３の接触抵抗の指標とすることができ、硬質炭素皮膜２２および硬質炭素皮膜１３３の導電性を制御する膜質パラメータとして用いることができる。
【００２６】
Ｒ（ＩＤ／ＩＧ）値は、顕微ラマン分光器を用いて、炭素材料のラマンスペクトルを計測することにより算出される。具体的には、Ｄバンドと呼ばれる１３００〜１４００ｃｍ−１のピーク強度（ＩＤ）と、Ｇバンドと呼ばれる１５００〜１６００ｃｍ−１のピーク強度（ＩＧ）との相対的強度比（ピーク面積比（ＩＤ／ＩＧ））を算出することにより求められる。
【００２７】
上述したように、本実施形態において、Ｒ値は１．３以上である。また、好ましい実施形態において、当該Ｒは、好ましくは１．４〜２．０であり、より好ましくは１．４〜１．９であり、さらに好ましくは１．５〜１．８である。このＲ値が１．３以上であれば、積層方向の導電性が十分に確保できる。また、Ｒ値が２．０以下であれば、グラファイト成分の減少を抑制できる。さらに、硬質炭素皮膜２２および硬質炭素皮膜１３３自体の内部応力の増大をも抑制でき、下地である基材２０、１３１との密着性を一層向上できる。
【００２８】
緩衝部材１３０、セパレータ１４２、１４３、および集電板１２０の面方向の大きさは略等しく、緩衝部材１３０は、セパレータ１４２と集電板１２０との間に介在してこれらを直接接触させない。
【００２９】
これと異なり、例えば図３に示すように集電板１２０Ａがセパレータ１４２Ａより小さいとき、緩衝部材１３０Ａの面方向の大きさは、セパレータ１４２Ａより小さく、集電板１２０Ａと略等しくてもよい。このような構成によって、緩衝部材１３０Ａはセパレータ１４２Ａと集電板１２０Ａとを直接接触させない。集電板１２０Ａは、エンドプレート１１０Ａが備える凹部１１５Ａに嵌っている。
【００３０】
燃料電池スタック１００の作用効果を述べる。
【００３１】
燃料電池スタック１００は、緩衝部材１３０によって集電板１２０およびセパレータ１４２、１６２における異種金属同士の接触を防いでおり、硬質炭素皮膜１３３の標準電極電位と、セパレータ１４２、１６２の表面の標準電極電位とが等しい。また、金メッキ層１３２の標準電極電位と集電板１２０の表面の標準電極電位とが等しい。よって燃料電池スタック１００は、集電板１２０およびセパレータ１４２、１６２の腐食（ガルバニック腐食）を抑制し、良好な集電性能を発揮し得る。
【００３２】
緩衝部材１３０を用いず、セパレータ１４２、１６２において集電板１２０と接する表面を金メッキとすることによっても、腐食の抑制を図れる。
【００３３】
しかし、多数あるセパレータの一部だけを他と異なるセパレータとすると、例えば生産性の向上等、同一のセパレータを多数作製する効果が薄れる。また、複数の単セルを積層したモジュールを形成し、このモジュールを積層することによって燃料電池スタック１００を形成するときも、多数のモジュールのうちの一部だけを他と変えなければならず、同様である。
【００３４】
しかし燃料電池スタック１００では、セパレータとは別部材の緩衝部材１３０によって腐食の抑制を図るため、同一のセパレータ、または同一のモジュールを積層すればよく、同一のものを多数作製することによる効果を得られる。
【００３５】
燃料電池スタック１００では、緩衝部材１３０の基材１３１と、セパレータ１４２の基材２０とが同じ材質である。このため、硬質炭素皮膜１３３、およびセパレータ１４２、１６２の表面の硬質炭素皮膜２２に欠陥が生じても、燃料電池スタック１００は、緩衝部材１３０およびセパレータ１４２、１６２の腐食を抑制できる。
【００３６】
＜変形例１＞
図４は変形例１の燃料電池スタックの要部を拡大して示す斜視図である。
【００３７】
変形例１の燃料電池スタック２００は、燃料電池スタック１００と略同様であるが、緩衝部材２３０、集電板２２０、およびエンドプレート２１０が燃料電池スタック１００と異なる。
【００３８】
エンドプレート２１０が緩衝部材２３０に対向する面に凹部を有する点で、エンドプレート２１０はエンドプレート１１０と異なる。また集電板２２０がエンドプレート２１０の凹部に嵌っている点で、集電板２２０は集電板１２０と異なる。
【００３９】
エンドプレート２１０は、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却水が流れるマニホールド２１１を有する。エンドプレート２１０は、ガスまたは冷却水の漏出を防止するためのシール材２１２を、マニホールド２１１の周囲に有する。
【００４０】
緩衝部材２３０は緩衝部材１３０と略同様であり、セパレータ（不図示）に対向する表面２３３が硬質炭素を含み、集電板に対向する表面２３２が金を含む。一方で緩衝部材２３０は、硬質炭素を含む層２３５をエンドプレート２１０に対向する側に有する点で、緩衝部材１１０と異なる。
【００４１】
緩衝部材２３０は、層２３５を燃料ガス等が流れるマニホールド２３４の周囲に有する。すなわち、緩衝部材２３０における、エンドプレート２１０に対向する側の表面では、マニホールド２３４の周囲の層２３５が硬質炭素を含み、その他の部分は金メッキである。
【００４２】
燃料電池スタック２００は、燃料電池スタック１００と略同様の構成を有し、燃料電池スタック１００と同様の効果を奏する。また燃料電池スタック２００は、硬質炭素を含む層２３５をマニホールド２３４の周囲に有するため、燃料電池スタック１００の効果に加え、マニホールド２３４を流れる燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却水に対する耐食性を向上できる。
【００４３】
＜変形例２＞
図５は変形例２の燃料電池スタックの要部を拡大して示す斜視図である。
【００４４】
変形例２の燃料電池スタック３００は、燃料電池スタック１００と略同様であるが、緩衝部材３３０、集電板３２０、およびエンドプレート３１０が燃料電池スタック１００と異なる。
【００４５】
エンドプレート３１０が緩衝部材３３０に対向する面に凹部を有する点で、エンドプレート３１０はエンドプレート１１０と異なる。また集電板３２０がエンドプレート３１０の凹部に嵌っている点で、集電板３２０は集電板１２０と異なる。
【００４６】
エンドプレート３１０は、燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却水が流れるマニホールド３１１を有する。エンドプレート３１０は、ガスまたは冷却水の漏出を防止するためのシール材３１２を、マニホールド３１１の周囲および集電板３２０の周囲に有する。
【００４７】
緩衝部材３３０は緩衝部材１３０と略同様であり、セパレータ（不図示）に対向する表面３３３が硬質炭素を含む。一方で、金を含む層３３２だけでなく、硬質炭素を含む層３３５をエンドプレート３１０に対向する側に有する点で、緩衝部材３３０は緩衝部材１３０と異なる。
【００４８】
層３３２の面方向の大きさは、集電板３２０の面方向の大きさと略等しい。緩衝部材３３０におけるエンドプレート３１０に対向する側の表面では、層３３２以外の部分が、硬質炭素を含む層３３５である。
【００４９】
変形例２の燃料電池スタック３００は、燃料電池スタック１００と略同様の構成を有し、燃料電池スタック１００と同様の効果を奏する。緩衝部材３３０におけるエンドプレート３１０に対向する側の表面では、層３３２以外の部分が硬質炭素を含む。このため、燃料電池スタック３００は、燃料電池スタック１００の効果に加え、マニホールド３３４を流れる燃料ガス、酸化剤ガス、または冷却水に対する耐食性を向上できる。
【００５０】
＜車両＞
図６は燃料電池スタックを有する車両の概略図である。
【００５１】
図６に示すように車両４００は、燃料電池スタック１００を駆動用電源とし、燃料電池スタック１００が生成する電力によってモータを駆動して走行する。車両４００は、燃料電池スタック２００または燃料電池スタック３００を搭載してもよい。車両４００は、燃料電池スタック１００を搭載するため、良好な集電性能を発揮できる。
【００５２】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変できる。
【００５３】
例えば実施形態では、緩衝部材１３０が、アルミニウムによって形成した基材１３１、金メッキの層１３２、および硬質炭素を含む層１３３を有するが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
【００５４】
すなわち本発明は異種金属同士の接触を防いで腐食の抑制を図るものを含み、セパレータ１４２、１６２および集電板１２０の構成に合わせて、緩衝部材１３０における基材１３１、層１３２、層１３３を適宜設計できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】燃料電池スタックを示す概略断面図である。
【図２】図１の符号２によって囲んだ部分を拡大して示す断面図である。
【図３】燃料電池スタックの他の例を示す概略断面図である。
【図４】変形例１の燃料電池スタックの要部を拡大して示す斜視図である。
【図５】変形例２の燃料電池スタックの要部を拡大して示す斜視図である。
【図６】燃料電池スタックを有する車両の概略図である。
【符号の説明】
【００５６】
１００、２００、３００    燃料電池スタック、
１１０、１１０Ａ、２１０、３１０    エンドプレート、
１２０、１２０Ａ、２２０、３２０    集電板（集電体）、
１２１    基材、
１２２    金メッキ層、
１３０、１３０Ａ、２３０、３３０    緩衝部材、
１３１    基材、
１３２、２３２、３３２    金メッキ層（第２接触部）、
１３３、２３３、３３３    硬質炭素皮膜（第１接触部）、
１４０、１４０Ａ、１５０、１６０    単セル、
１４１    膜電極接合体、
１４２、１４３、１６２    セパレータ、
２１１、２３４、３１１、３３４    マニホールド、
２３５、３３５    硬質炭素皮膜、
４００    車両。
【図１】
2010129462.tif 000003
【図２】
2010129462.tif 000004
【図３】
2010129462.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010129462.tif 000007
【図６】
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