JP5214281B2 - 燃料電池スタック及び燃料電池スタック用ターミナルの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを設け、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に電力取り出し用ターミナルが配設される燃料電池スタック及び燃料電池スタック用ターミナルの製造方法に関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
この種の燃料電池スタックでは、通常、発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設されている。ターミナルプレートは、積層体からの発電電力を外部に取り出すために電力取り出し端子を備えており、この電力取り出し端子は、コンタクタ（又はリレー）に接続されてモータ等の外部負荷に対して電力の供給制御（ＯＮ／ＯＦＦ制御）を行っている。
例えば、特許文献１に開示された燃料電池の端子装置では、図７に示すように、単位セル１とバイポーラプレート２とが交互に積層されるとともに、積層方向両端には、それぞれハーフプレート２ａ、ターミナルプレート３及び絶縁板４を介装してエンドプレート５が配置されている。
ターミナルプレート３には、極柱（電力取り出し端子）６が電気的に接続され、この極柱６が絶縁板４及びエンドプレート５を貫通して外部に突出している。極柱６は、絶縁スリーブ７に挿入されるとともに、ナット８を介して固定されている。
しかしながら、上記の構成では、極柱６がターミナルプレート３に接触しているだけであり、接触状態にばらつきが発生し易い。従って、極柱６による集電性能が低下するという問題がある。しかも、極柱６は、絶縁スリーブ７に挿入されてナット８を介し固定されており、組み付け作業が煩雑化するとともに、部品数が増加するという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程及び構成で、集電性能に優れるターミナルを効率的且つ経済的に製造することが可能な燃料電池スタック及び燃料電池スタック用ターミナルの製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを設け、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に電力取り出し用ターミナルが配設される燃料電池スタックに関するものである。
ターミナルは、導電性プレート部材と、前記導電性プレート部材の平面に一体に接合される導電性棒状端子とを備えるとともに、前記導電性プレート部材と前記導電性棒状端子との接合部位は、摩擦撹拌接合により形成されている。
しかも、導電性プレート部材の平面とは反対の内側平面は、接合部位に対応する部分が他の内側平面から段差を介して前記導電性プレート部材の厚さ方向に入り込んで形成されている。
さらに、接合部位は、回転するプローブを導電性プレート部材に押し付けて導電性棒状端子の外周形状に沿って移動させた後、前記導電性棒状の中央部で前記導電性プレート部材から離脱することにより形成されることが好ましい。
さらにまた、導電性棒状端子の周面には、摩擦撹拌接合時に前記導電性棒状端子の回転を阻止するための平面部が設けられることが好ましい。
また、本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを設け、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に電力取り出し用ターミナルが配設される燃料電池スタックにおいて、前記ターミナルを製造するための燃料電池スタック用ターミナルの製造方法に関するものである。
この製造方法では、ターミナルは、導電性プレート部材と、前記導電性プレート部材の平面に一体に接合される導電性棒状端子とを有し、前記導電性プレート部材の前記平面とは反対の内側平面は、前記導電性棒状端子との接合部位に対応する部分が他の内側平面から段差を介して前記導電性プレート部材の厚さ方向に入り込んで形成されるとともに、摩擦撹拌接合により、前記導電性プレート部材の前記平面に前記導電性棒状端子を一体に接合することによってターミナルを製造している。
さらにまた、回転するプローブを導電性プレート部材に押し付けて導電性棒状端子の外周形状に沿って移動させた後、前記導電性棒状端子の中央部で前記導電性プレート部材から離脱することが好ましい。
本発明によれば、導電性プレート部材と導電性棒状端子とが、摩擦撹拌接合により接合されている。摩擦撹拌接合とは、ワーク（物体）に回転するプローブを挿入する際に発生する摩擦熱を利用して、２つのワークを固相接合する摩擦撹拌溶接（Friction Stir Welding ：以下、ＦＳＷともいう）による接合をいう。
この摩擦撹拌接合により、接合部位の平面度を小さく抑えることができ、導電性プレート部材と導電性棒状端子とを良好且つ確実に一体化することが可能になる。これにより、ターミナルの接合状態を良好に保持し、接触抵抗を下げることができる。
しかも、部品数の削減を図ることが可能になり、ターミナルを経済的に製造することができる。さらに、例えば、切削により導電性プレート部材と導電性棒状端子とを一体形状に作成する場合に比べてコストが大幅に削減されるとともに、例えば、プレス成形する場合に比べて損傷の発生が可及的に抑制される。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の断面説明図である。
燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を設ける。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナル１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって配設される。積層体１４の積層方向の他端には、ターミナル１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって配設される。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、複数のタイロッド（図示せず）を介して締め付け保持される。
図２に示すように、各発電セル１２は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１及び第２セパレータ２４、２６とを備える。第１及び第２セパレータ２４、２６は、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
発電セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。
発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂが設けられる。
電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極３８とを備える。
アノード側電極３６及びカソード側電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。
第１セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとを連通する燃料ガス流路４０が形成される。この燃料ガス流路４０は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１セパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路４２が形成される。この冷却媒体流路４２は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。
第２セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路４４が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４４は、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとに連通する。第２セパレータ２６の面２６ｂには、第１セパレータ２４の面２４ｂと重なり合って冷却媒体流路４２が一体的に形成される。第１及び第２セパレータ２４、２６には、図示しないガスケット等が配設される。
図１に示すように、ターミナル１６ａ、１６ｂは、導電性プレート部材４６と、前記導電性プレート部材４６の平面４６ａに一体に接合される導電性棒状端子４８とを備える。導電性プレート部材４６と導電性棒状端子４８との接合部位５０は、摩擦撹拌接合により形成される。
図３に示すように、導電性プレート部材４６の平面４６ａとは反対の内側平面４６ｂは、接合部位５０に対応する部分４６ｃが他の内側平面４６ｂから段差４６ｄを介して前記導電性プレート部材４６の厚さ方向に入り込んで形成される。
導電性棒状端子４８には、図示しないが、バスバー等を固定するためにねじ穴５２が形成されるとともに、前記導電性棒状端子４８の周面には、摩擦撹拌接合時に該導電性棒状端子４８の回転を阻止するための平面部５４が２面に設けられる（図４参照）。この導電性棒状端子４８は、絶縁スリーブ５６を介装してエンドプレート２０ａ、２０ｂに挿入される。
次に、ターミナル１６ａ、１６ｂの製造方法について説明する。なお、ターミナル１６ａ、１６ｂは、同様に製造されるものであり、以下、前記ターミナル１６ａについてのみ説明する。
図４に示すように、導電性プレート部材４６に導電性棒状端子４８を接合するための摩擦攪拌装置６０は、接合ツール６２と治具６４とを備える。接合ツール６２は、円柱形状を有し、先端部にプローブ６６が設けられる。治具６４は、裏当て金を構成しており、導電性棒状端子４８の外周形状に対応する嵌合孔６８を設ける。
そこで、図５に示すように、導電性棒状端子４８が治具６４の嵌合孔６８に挿入されて回転不能に支持されるとともに、前記導電性棒状端子４８と導電性プレート部材４６とが互いに密着された状態で支持される。
次いで、接合ツール６２は、所定の回転数で回転しながら、プローブ６６を導電性プレート部材４６の接合部位５０に対応する部分４６ｃに押し付ける（矢印Ａ方向）。
そして、接合ツール６２は、回転しながら所定のツールパス７０（後述する）に沿って移動することにより、前記接合ツール６２と導電性プレート部材４６及び導電性棒状端子４８との間に摩擦熱が発生し、前記導電性プレート部材４６と前記導電性棒状端子４８とが摩擦攪拌接合される。なお、この摩擦攪拌接合のパラメータは、ワークの材質や板厚に応じて設定され、例えば、接合ツール６２の回転数が５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍ、この接合ツール６２の押圧力が５ＫＮ〜５０ＫＮ及び接合速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ〜５００ｍｍ／ｍｉｎに設定される。
ここで、本実施形態では、接合ツール６２は、図６に示すツールパス７０に沿って移動する。具体的には、先ず、接合ツール６２は、回転しながらプローブ６６を導電性棒状端子４８の外周形状に沿った円形状パス７０ａの接合開始点Ｐ１に押し付け、この接合開始点Ｐ１から前記円形状パス７０ａに沿って矢印方向に移動する。
プローブ６６は、円形状パス７０ａを周回して接合開始点Ｐ１に戻った後、この接合開始点Ｐ１から導電性棒状端子４８の直径方向に延在する直線状パス７０ｂに沿って移動する。プローブ６６は、一旦円形状パス７０ａに合流する折り返し点Ｐ２まで移動した後、この折り返し点Ｐ２で直線状パス７０ｂ側に折り返す。そして、プローブ６６は、導電性棒状端子４８の中央部の接合終了点Ｐ３に至った際、導電性プレート部材４６から離脱する。これにより、導電性プレート部材４６と導電性棒状端子４８とは、摩擦攪拌接合により一体化される。
上記のように製造されたターミナル１６ａ、１６ｂは、図１に示すように、燃料電池スタック１０に組み込まれる。
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
燃料電池スタック１０を構成する発電セル１２では、図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。一方、冷却媒体供給連通孔３０ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから第２セパレータ２６の酸化剤ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第１セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３６に沿って移動する。
従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに排出される。同様に、アノード側電極３６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに排出される。
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３０ａから第１及び第２セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂに排出される。
この場合、本実施形態では、導電性プレート部材４６と導電性棒状端子４８とが摩擦攪拌接合により接合されることにより、ターミナル１６ａ、１６ｂが製造されている。このため、導電性プレート部材４６と導電性棒状端子４８との接合部位５０の平面度を小さく抑えることができ、前記導電性プレート部材４６と前記導電性棒状端子４８とを良好且つ確実に一体化することができる。これにより、ターミナル１６ａ、１６ｂの集電性能を有効に向上させることが可能になるという効果が得られる。
しかも、例えば、ボルトやナットを用いることがなく、部品数の削減を図ることができ、ターミナル１６ａ、１６ｂを経済的に製造することが可能になる。
さらに、例えば、切削によりターミナル１６ａ、１６ｂを一体成形する場合に比べ、製造コストが大幅に削減されるとともに、例えば、プレス成形する場合に比べて損傷等の発生が可及的に抑制される。
さらにまた、溶接の場合に比べて、安定した品質を確保することができるとともに、溶接よりも温度を低く抑えることが可能になる。従って、熱による導電性プレート部材４６の歪み等を抑制し、溶接よりも集電性能の向上を図ることが可能になる。
また、導電性プレート部材４６では、接合部位５０に対応する部分４６ｃが、内側平面４６ｂから段差４６ｄを介して前記導電性プレート部材４６の厚さ方向に入り込んで形成されている。このため、接合ツール６２が移動する範囲である部分４６ｃにばり等が発生しても、内側平面４６ｂから積層体１４側に突出することがなく、前記積層体１４への接合面の影響が回避することができる。
さらに、接合ツール６２は、図６に示すように、ツールパス７０に沿って移動し、導電性棒状端子４８の中央部に対応する接合終了点Ｐ３で摩擦攪拌接合が終了している。従って、プローブ６６の抜き跡がねじり応力の少ない中央部に設定され、接合部位５０における接合強度を良好に確保することが可能になるという利点がある。
１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナル
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体 ２４、２６…セパレータ
３４…固体高分子電解質膜 ３６…アノード側電極
３８…カソード側電極 ４０…燃料ガス流路
４２…冷却媒体流路 ４４…酸化剤ガス流路
４６…導電性プレート部材 ４６ａ…平面
４６ｃ…部分 ４８…導電性棒状端子
５０…接合部位
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナル
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体 ２４、２６…セパレータ
３４…固体高分子電解質膜 ３６…アノード側電極
３８…カソード側電極 ４０…燃料ガス流路
４２…冷却媒体流路 ４４…酸化剤ガス流路
４６…導電性プレート部材 ４６ａ…平面
４６ｃ…部分 ４８…導電性棒状端子
５０…接合部位
Claims (5)
- 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを設け、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に電力取り出し用ターミナルが配設される燃料電池スタックであって、
前記ターミナルは、導電性プレート部材と、
前記導電性プレート部材の平面に一体に接合される導電性棒状端子と、
を備えるとともに、
前記導電性プレート部材と前記導電性棒状端子との接合部位は、摩擦撹拌接合により形成される一方、前記導電性プレート部材の前記平面とは反対の内側平面は、前記接合部位に対応する部分が他の内側平面から段差を介して前記導電性プレート部材の厚さ方向に入り込んで形成されることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記接合部位は、回転するプローブを前記導電性プレート部材に押し付けて前記導電性棒状端子の外周形状に沿って移動させた後、該導電性棒状端子の中央部で前記導電性プレート部材から離脱することにより形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
- 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記導電性棒状端子の周面には、前記摩擦撹拌接合時に該導電性棒状端子の回転を阻止するための平面部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
- 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを設け、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に電力取り出し用ターミナルが配設される燃料電池スタックにおいて、前記ターミナルを製造するための燃料電池スタック用ターミナルの製造方法であって、
前記ターミナルは、導電性プレート部材と、前記導電性プレート部材の平面に一体に接合される導電性棒状端子とを有し、
前記導電性プレート部材の前記平面とは反対の内側平面は、前記導電性棒状端子との接合部位に対応する部分が他の内側平面から段差を介して前記導電性プレート部材の厚さ方向に入り込んで形成されるとともに、
摩擦撹拌接合により、前記導電性プレート部材の前記平面に前記導電性棒状端子を一体に接合することによって前記ターミナルを製造することを特徴とする燃料電池スタック用ターミナルの製造方法。 - 請求項４記載の製造方法において、回転するプローブを前記導電性プレート部材に押し付けて前記導電性棒状端子の外周形状に沿って移動させた後、該導電性棒状端子の中央部で前記導電性プレート部材から離脱することを特徴とする燃料電池スタック用ターミナルの製造方法。
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