JP5865685B2 - サンドイッチインサートを有する燃料電池用エンドプレート - Google Patents

Description

本発明は、サンドイッチインサートを有する燃料電池用エンドプレートに係り、より詳しくは、金属インサートを複数のプレートが積層されたサンドイッチインサート構造に製作して剛性を確保し、軽量化を実現できるサンドイッチインサートを有する燃料電池用エンドプレートに関する。

燃料電池車両に搭載される燃料電池スタックのセル単位構成を図７を参照して説明する。最も内側に電極膜アセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が位置しており、この電極膜アセンブリは、水素イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）を移動させる固体高分子電解質膜１０と、この電解質膜の両面に水素と酸素が反応するように塗布された触媒電極層、すなわちカソード１２（空気極（ｃａｔｈｏｄｅ））及びアノード１４（燃料極（ａｎｏｄｅ））で構成される。

また、カソード１２及びアノード１４の外側部分には、ガス拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）１６及びガスケット（Ｇａｓｋｅｔ）１８が順に積層され、ガス拡散層１６の外側には燃料を供給し、反応により発生した水を排出するための流路（Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ）が形成された分離板２０が位置している。
上述のスタックの単位セルが数百個以上積層された後、最も外側には各単位セルを支持し、固定するためのエンドプレート３０（Ｅｎｄ ｐｌａｔｅ）が結合される。
この時、エンドプレート３０の内側にはスタックから発生した電気を集めて外部に送る集電板が装着される。

したがって、前記スタックのアノード１４では、水素の酸化反応により水素イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）と電子（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）が発生し、この時に生成された水素イオンと電子は、それぞれ電解質膜１０と分離板２０を介してカソード１２に移動し、カソード１２では、アノード１４から移動してきた水素イオンと電子、空気中の酸素による電気化学反応を用いて水を生成し、このような電子の流れから最終的に生成された電気エネルギーは、エンドプレート３０の集電板を介して電気エネルギーを必要とする負荷に供給される。
エンドプレート３０は、上述の通り複数積層された分離板、電極膜アセンブリ（ＭＥＡ）、ガス拡散層（ＧＤＬ）などを締結すると共に、スタックの両側に位置して各単位セルに一定の面圧を加える。

この時、図６に示すように、エンドプレート３０は、軽量化及び電気的絶縁のために、一体型金属インサート３１、プラスチック射出物３２、集電板３３で構成される。
すなわち、金属インサート３１を射出金型内に配置し、射出金型内にプラスチック射出材料を充填することにより、金属インサート３１がプラスチック射出物３２により囲まれたエンドプレート３０が完成される。
一方、集電板３３は、金属インサート３１と共に射出金型内に配置され、プラスチック射出物３２により共に射出されるか、後でプラスチック射出物３２の内面に別に組み立てられる。

このようなエンドプレートの金属インサートは、内部面圧に耐えるために高剛性が求められるため、一般的に金属材質を機械加工して製作し、また、スタックでの生成電気を集電してスタックを締結するため、複雑な形状に製作される。
しかしながら、従来のエンドプレートの金属インサートは一体型構造に製作されるため、次のような問題がある。
第１に、金属インサートに軽量化のための肉抜き構造に加工する場合、射出成形が困難となる。
すなわち、エンドプレート射出後、樹脂表面が、漏気を防止するためのガスケットに接触するためには、表面に溝や凹凸が生じてはならないが、金属インサートに肉抜き構造を適用する際、プラスチック射出物を形成する樹脂の肉厚が一定でないと樹脂の収縮により表面に溝や凹凸が発生することがある。

特に、一体型金属インサートの場合、重量を減少するための肉抜き構造を製造するためにポケット加工をする場合、射出物の肉厚を一定に維持しにくい短所がある。
第２に、一体型金属インサートは、金属あるいは非金属素材のプレートを機械加工により切削して製作するため、１個当り製作時間が長くかかり、大量生産及び原価低減が困難である。
第３に、一体型金属インサートは１つの素材のみ使用しなければならないため、軽量化及び剛性を改善するための異種素材の適用が困難である。

特開２００９−３０１８８９号公報

本発明は、上記問題点を考慮してなされたものであり、剛性を確保し、軽量化を実現できるサンドイッチインサートを有する燃料電池用エンドプレートを提供することにその目的がある。

上記のような目的を達成するための本発明によるサンドイッチインサートを有する燃料電池用エンドプレートは、２枚以上のプレートを結合手段（５００）により接着したサンドイッチ構造のサンドイッチインサート（１００）を備え、前記サンドイッチインサート（１００）の表面は射出されたプラスチックにより囲まれていることを特徴とする。

前記サンドイッチインサート（１００）は、長手方向の中央部に第１集電板結合孔（１１２）が形成された第１プレート（１１０）と、長手方向の中央部に２つ以上の第１肉抜き空間（２１２）が形成された第２プレート（２１０）と、長手方向の中央部に第３集電板結合孔（３１２）が形成された第３プレート（３１０）と、長手方向の中央部に第２肉抜き空間（４１２）が形成された第４プレート（４１０）と、から構成されることを特徴とする。

前記第２プレート（２１０）の第１肉抜き空間（２１２）には、サンドイッチインサート（１００）の反りを防止するために、第２集電板結合孔（２１３）を有する反り防止用プレート（２１４）が挿入されることを特徴とする。

前記結合手段（５００）は、液状またはフィルムタイプの接着剤を含む接着手段と、ボルト、リベット、ダウエルピンを含む機械的接合手段から採択されることを特徴とする。

前記サンドイッチインサート（１００）は、スチール素材、非金属素材、カーボン系素材、または複合素材の何れか１つ以上の材質からなることを特徴とする。

本発明によれば、エンドプレートのインサートを複数のプレートが積層された構造に製作することにより、所望する剛性が得られるだけでなく、プレートに肉抜き空間を形成して重量減少に伴う軽量化を実現することができる。
また、複数のプレートを異種素材（例えば、カーボン系の軽い素材とスチールのような剛性に優れた素材）で製作して混用することにより、軽量化及び剛性をさらに改善させることができる。
特に、複数のプレートのうち、中間に積層されるプレートの肉抜き空間に別の反り防止用プレートを挿入することにより、射出工程時に作用する樹脂圧力により金属インサートが曲がる現象を防止すると共に、サンドイッチインサートの断面２次モーメントの増加により曲げ剛性を高めることができる。

本発明の一実施例による燃料電池用エンドプレートのサンドイッチインサートを示す分離斜視図である。 本発明の一実施例による燃料電池用エンドプレートのサンドイッチインサートを接着する方法を示す分離斜視図である。 本発明の一実施例による燃料電池用エンドプレートのサンドイッチインサートを示す組立斜視図である。 本発明の一実施例による燃料電池用エンドプレートの射出後の状態を説明する斜視図である。 本発明の他の実施例による燃料電池用エンドプレートのサンドイッチインサートを示す分離斜視図である。 従来のエンドプレートを示す斜視図である。 燃料電池スタックの構成を説明するための概略図である。

以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明は、両端部に水素／空気／冷却水が流れるマニフォールド形成領域部が形成された２枚以上のプレートを結合手段５００により接着したサンドイッチインサート１００と、このインサート１００をプラスチック射出材で囲んで射出したプラスチック射出物２００と、から構成して軽量化及び剛性保持を図ることを特徴とする。
図１〜４に示すように、本発明の好ましい一実施例によるサンドイッチインサート１００は、第１プレート１１０、第２プレート２１０、第３プレート３１０、第４プレート４１０が結合手段５００により順次積層され、接合される。

第１プレート１１０は、最も内側（燃料電池スタック側）に配置されるものであり、長手方向の両端部に第１マニホールド形成領域部１１１が、また長手方向中央部に第１集電板結合孔１１２が形成され、通常の機械加工及びプレス加工により約４〜５ｔの厚さを有する矩形板体に形成される。
第２プレート２１０は、第１プレート１１０の外側に積層されるものであり、長手方向の両端部に第２マニホールド形成領域部２１１が形成され、長手方向の中央部に２つ以上の第１肉抜き空間２１２が形成され、通常の機械加工及びプレス加工法により約４〜５ｔの厚さを有する矩形板体構造に形成される。
この時、第２プレート２１０の第１肉抜き空間２１２は、軽量化のために矩形孔状に貫通形成された空間である。

第３プレート３１０は、第２プレート２１０の外側に積層され、第１プレート１１０と同じ形状に製作される。
すなわち、第３プレート３１０は、長手方向の両端部に第３マニフォールド形成領域部３１１が形成され、長手方向の中央部に第３集電板結合孔３１２が貫通形成され、通常の機械加工及びプレス加工法により約４〜５ｔの厚さを有する矩形板体構造に形成される。
第４プレート４１０は、第３プレート３１０に積層され、最も外側に位置するものであり、長手方向の両端部に第４マニフォールド形成領域部４１１が形成され、長手方向の中央部に第２肉抜き空間４１２が形成され、通常の機械加工及びプレス加工法により約４〜５ｔの厚さを有する矩形板体構造に形成される。

この時、第１及び第３プレート１１０，３１０は、集電板結合孔１１２，３１２が貫通形成されたことを除き、全体的に平たい面を有する構造に製作されており、軽量化のために、第１肉抜き空間２１２を有する第２プレート２１０の上下に位置して全体金属インサートとエンドプレートの肉厚を均一にする役割を有する。
一方、第１〜第４プレートを接着する結合手段５００は、第１〜第４プレートの間に塗布される接着剤であって、耐熱温度１５０℃を耐える液状またはフィルムタイプの接着剤のような接着手段を使用してもよく、または第１〜第４プレートの周縁部分をボルト締結／リベット締結／ダウエルピンなどの機械的接合手段により締結して積層してもよい。

また、サンドイッチインサート１００を構成する第１〜第４プレートは、スチール素材、非金属素材、カーボン系素材の何れか１つで製作されてもよく、さらに軽量化を達成するために第１〜第４プレートが異種材質で製作されてもよい。
例えば、第１プレートだけをスチールで製作し、残り第２〜第４プレートは軽いカーボン系材質で製作することにより、軽量化と共に剛性保持を図ることができる。

以下、本発明の他の実施例によるエンドプレートについて説明する。
本発明の他の実施例によるエンドプレートは、両端部に水素／空気／冷却水が流れるマニフォールド形成領域部が形成された２枚以上のプレートを結合手段５００により接着したサンドイッチインサート１００と、このサンドイッチインサート１００をプラスチック射出材で囲んで射出したプラスチック射出物２００と、からなる点、そしてサンドイッチインサート１００において、第１プレート１１０、第２プレート２１０、第３プレート３１０、第４プレート４１０が結合手段５００により順次積層され、接合される構造に製作される点は前記一実施例と同様であるが、プラスチック射出工程時、樹脂圧によりサンドイッチインサート１００が曲がる現象を防止する構造にさらに特徴がある。

すなわち、図５に示すように、第２プレート２１０の第１肉抜き空間２１２は軽量化のために貫通した空いた空間であるが、第１肉抜き空間２１２内にサンドイッチインサート１００の反り防止のために、非常に軽い材質で製作された反り防止用プレート２１４が挿入される。
具体的には、反り防止用プレート２１４は、第２集電板結合孔２１３を有する矩形板体であって、第２プレート２１０と同一平面をなし、第１肉抜き空間２１２内に挿入されるように第２プレート２１０と同じ厚さに製作され、特に軽量化を図るためにプラスチック、軽金属類の材質で製作される。
したがって、反り防止用プレート２１４を含む第２プレート２１０と共に、第１〜第４プレートが積層接合されたサンドイッチインサート１００を射出金型内に配置してプラスチック射出樹脂を注入すると、樹脂圧が金属インサート１００の一表面に作用しても、反り防止用プレート２１４により剛性が高くなっているため、金属インサート１００が樹脂圧力により曲がる現象を容易に防止することができる。

１００ サンドイッチインサート
１１０ 第１プレート
１１１ 第１マニホールド形成領域部
１１２ 第１集電板結合孔
２００ プラスチック射出物
２１０ 第２プレート
２１１ 第２マニホールド形成領域部
２１２ 第１肉抜き空間
２１３ 第２集電板結合孔
２１４ 反り防止用プレート
３１０ 第３プレート
３１１ 第３マニフォールド形成領域部
３１２ 第３集電板結合孔
４１０ 第４プレート
４１１ 第４マニフォールド形成領域部
４１２ 第２肉抜き空間
５００ 結合手段

Claims (5)

1. ２枚以上のプレートを結合手段（５００）により接着したサンドイッチ構造のサンドイッチインサート（１００）を備え、前記サンドイッチインサート（１００）の表面は射出されたプラスチックにより囲まれていることを特徴とするサンドイッチインサートを有する燃料電池用エンドプレート。
   
2. 前記サンドイッチインサート（１００）は、
   長手方向の中央部に第１集電板結合孔（１１２）が形成された第１プレート（１１０）と、
   長手方向の中央部に２つ以上の第１肉抜き空間（２１２）が形成された第２プレート（２１０）と、
   長手方向の中央部に第３集電板結合孔（３１２）が形成された第３プレート（３１０）と、
   長手方向の中央部に第２肉抜き空間（４１２）が形成された第４プレート（４１０）と、
   から構成されることを特徴とする請求項１に記載のサンドイッチインサートを有する燃料電池用エンドプレート。
3. 前記第２プレート（２１０）の第１肉抜き空間（２１２）には、サンドイッチインサート（１００）の反りを防止するために、第２集電板結合孔（２１３）を有する反り防止用プレート（２１４）が挿入されることを特徴とする請求項２に記載のサンドイッチインサートを有する燃料電池用エンドプレート。
4. 前記結合手段（５００）は、液状またはフィルムタイプの接着剤を含む接着手段と、ボルト、リベット、ダウエルピンを含む機械的接合手段から採択されることを特徴とする請求項１に記載のサンドイッチインサートを有する燃料電池用エンドプレート。
5. 前記サンドイッチインサート（１００）は、スチール素材、非金属素材、カーボン系素材、または複合素材の何れか１つ以上の材質からなることを特徴とする請求項１または２に記載のサンドイッチインサートを有する燃料電池用エンドプレート。

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