JP6185448B2 - 燃料電池用のターミナルプレートと燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用のターミナルプレートと燃料電池に関する。
燃料電池は、発電単位となる燃料電池セルを複数積層したスタック構造とされ、発電電力を外部へ取り出すためのターミナルプレートを備えている。ターミナルプレートは、燃料電池セルスタックの両端に装着され、プレート外周縁から突出する集電用の集電端子を備えている（例えば、特許文献１）。
ターミナルプレートの集電端子は、それぞれの燃料電池セルにおいて得られた発電電力を外部に出力ために用いられ、電流の通過経路となる。よって、集電端子では、電流の流れに伴いジュール熱が発生するので、集電端子は発熱する。こうした集電端子の発熱は、流れる電流が大きくなるほど高まるので、集電端子の周辺に配設されたガスケット等のシール材の熱劣化をもたらしかねない。上記した特許文献のターミナルプレートは、こうした集電端子の発熱に対して何の対処もなされていないのが実情である。よって、集電端子の発熱を抑制することが要請されるに到った。
上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。本発明の第１の形態は、燃料電池用のターミナルプレートである。この燃料電池用のターミナルプレートは、集電用の集電端子を有する導電性の第１の金属プレートと、該第１の金属プレートより高い耐食性を有し前記第１の金属プレートを挟持する第２と第３の金属プレートとを備えたプレート積層体と、該プレート積層体を積層体外周縁の内側において貫通したガス通過孔と、該ガス通過孔と干渉しないように前記プレート積層体を積層体外周縁の内側において貫通した冷却水通過孔と、前記第２の金属プレートに装着されたガスケットであって、前記第２の金属プレートの側で前記ガス通過孔と繋がるガス流通領域を取り囲む第１のガスケット、および前記第２の金属プレートに装着されたガスケットであって、前記第２の金属プレートの側で前記冷却水通過孔と繋がる冷却水流通領域を取り囲む第２のガスケットのうち、少なくともいずれか一方のガスケットとを備え、前記集電端子は、ガス供給に用いられる前記ガス通過孔と冷却水供給に用いられる前記冷却水通過孔のいずれか一方の通過孔であって、前記ガスケットが設けられた通過孔から前記第１の金属プレートのプレート外周縁に向かう方向に沿って、前記プレート外周縁から突出して設けられている。
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池用のターミナルプレートが提供される。この燃料電池用のターミナルプレートは、集電用の集電端子を有する導電性の第１の金属プレートと、該第１の金属プレートより高い耐食性を有し前記第１の金属プレートを挟持する第２と第３の金属プレートとを備えたプレート積層体と、該プレート積層体を積層体外周縁の内側において貫通したガス通過孔と、該ガス通過孔と干渉しないように前記プレート積層体を積層体外周縁の内側において貫通した冷却水通過孔と、前記第２の金属プレートに装着されたガスケットであって、前記第２の金属プレートの側で前記ガス通過孔と繋がるガス流通領域を取り囲む第１のガスケットと、前記第２の金属プレートに装着されたガスケットであって、前記第２の金属プレートの側で前記冷却水通過孔と繋がる冷却水流通領域を取り囲む第２のガスケットとを備える。そして、前記集電端子は、ガス供給に用いられる前記ガス通過孔と冷却水供給に用いられる前記冷却水通過孔のいずれか一方の通過孔から前記第１の金属プレートのプレート外周縁に向かう方向に沿って、前記プレート外周縁から突出して設けられている。
上記形態の燃料電池用のターミナルプレートは、第２の金属プレートに装着された第１のガスケットで、ガス供給に用いられるガス通過孔と繋がるガス流通領域を第２の金属プレートの側で取り囲む。ガス供給に用いられるガス通過孔を通過するガスは、第１のガスケットで取り囲まれたガス流通領域からガス通過孔の領域を除いた範囲で、第２の金属プレートに直に接する。このように第２の金属プレートに直に接するガスは、ガス供給側のガスであることから、ガス温度が低い状態であり、第２の金属プレートを直接冷却すると共に、第２の金属プレートで挟持された第１の金属プレートを第２の金属プレートを介して確実に冷却する。また、上記形態の燃料電池用のターミナルプレートは、第２の金属プレートに装着された第２のガスケットで、冷却水供給に用いられる冷却水通過孔と繋がる冷却水流通領域を第２の金属プレートの側で取り囲む。冷却水供給に用いられる冷却水通過孔を通過する冷却水は、第２のガスケットで取り囲まれた冷却水流通領域から冷却水通過孔の領域を除いた範囲で、第２の金属プレートに直に接する。このように第２の金属プレートに直に接する冷却水は、冷却水供給側の冷却水であることから、冷却水温度が低い状態であり、第２の金属プレートを直接冷却すると共に、第２の金属プレートで挟持された第１の金属プレートを第２の金属プレートを介して確実に冷却する。そして、上記形態の燃料電池用のターミナルプレートは、第１の金属プレートの集電端子を、第２の金属プレートを介して第１の金属プレートを冷却するガス通過孔と冷却水通過孔のいずれか一方の通過孔から第１の金属プレートのプレート外周縁に向かう方向に沿って、プレート外周縁から突出させている。この結果、上記形態の燃料電池用のターミナルプレートによれば、第１の金属プレートのプレート外周縁から突出した集電端子にあっても、低温のガス或いは低温の冷却水により、確実に冷却できるので、集電端子の発熱を高い実効性で抑制可能となる。
（２）上記形態の燃料電池用のターミナルプレートにおいて、前記ガス通過孔と前記冷却水通過孔は、それぞれの孔周壁面がシール材によりシールされているようにしてもよい。こうすれば、第１から第３の金属プレートという異種金属のプレートが積層したプレート端面（孔周壁面）に、ガスに含まれる水分或いは冷却水を接触させない。よって、上記形態の燃料電池用のターミナルプレートによれば、第１の金属プレートを第２と第３の金属プレートで挟持したプレート積層体における電食を抑制できる。
（３）上記形態の燃料電池用のターミナルプレートにおいて、前記第１の金属プレートが前記集電端子を突出して設けた前記一方の通過孔は、複数の通過孔に分割されており、該複数の通過孔の間に存在するブリッジのブリッジ壁においてもシール材によりシールされ、前記集電端子は、前記ブリッジから前記第１の金属プレートのプレート外周縁に向かう方向に沿って、前記プレート外周縁から突出して設けられているようにしてもよい。こうすれば、ガス供給に用いられるガス通過孔を通過する低温のガス、或いは冷却水供給に用いられる冷却水通過孔を通過する低温の冷却水は、第１の金属プレートをブリッジにおいても第２の金属プレートを介して冷却するので、集電端子の発熱抑制の実効性がより高まる。
（４）本発明の他の形態によれば、燃料電池が提供される。この燃料電池は、発電単位となる燃料電池セルを複数積層したセルスタックと、該セルスタックの積層方向一端の側と他端の側とに配設される上記の形態の燃料電池用のターミナルプレートとを備える。上記形態の燃料電池では、集電端子の発熱抑制と金属プレートの電食抑制とが可能なターミナルプレートを有するので、燃料電池としての耐久性の向上や電池寿命の長寿命化を可能とする。また、上記形態の燃料電池によれば、既存の燃料電池においてターミナルプレートを置き換えればよいので、その製造コストの低減が可能である。
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池用のターミナルプレートの製造方法や燃料電池の製造方法としての形態で実現することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は本発明の実施形態としての燃料電池１０の構成を示す概略斜視図である。燃料電池１０は、燃料電池セルたるユニットセル１００をＺ方向（以下、「積層方向」とも呼ぶ）に複数積層し、一対のエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅで挟持したスタック構造を有している。燃料電池１０は、その一端側のエンドプレート１７０Ｆとユニットセル１００との間に、絶縁板１６５Ｆを介在させてターミナルプレート１６０Ｆを有する。以下、エンドプレート１７０Ｆが配設された燃料電池１０の一端側を、便宜上、前端側と称し、図における紙面奥側の他端側を後端側と称する。
燃料電池１０は、後端側のエンドプレート１７０Ｅとユニットセル１００との間にも、同様に、後端側の絶縁板１６５Ｅを介在させて後端側のターミナルプレート１６０Ｅを有する。ユニットセル１００と、ターミナルプレート１６０Ｆ，１６０Ｅと、絶縁板１６５Ｆ，１６５Ｅおよびエンドプレート１７０Ｆ，１７０Ｅは、それぞれ、略矩形状の外形を有するプレート構造を有しており、長辺がＸ方向（水平方向）で短辺がＹ方向（垂直方向，鉛直方向）に沿うように配置されている。
前端側におけるエンドプレート１７０Ｆと絶縁板１６５Ｆとターミナルプレート１６０Ｆは、燃料ガス供給孔１７２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１７２ＯＴと、酸化剤ガス供給孔１７４ＩＮおよび酸化剤ガス排出孔１７４ＯＴと、冷却水供給孔１７６ＩＮおよび冷却水排出孔１７６ＯＴとを有する。これらの給排孔は、各ユニットセル１００の対応する位置に設けられているそれぞれの孔（不図示）と連通して、それぞれに対応するガス或いは冷却水の給排マニホールドを構成する。その一方、後端側におけるエンドプレート１７０Ｅと絶縁板１６５Ｅとターミナルプレート１６０Ｅには、これらの給排孔は設けられていない。これは、反応ガス（燃料ガス，酸化剤ガス）および冷却水を前端側のエンドプレート１７０Ｆからそれぞれのユニットセル１００に対して供給マニホールドを介して供給しつつ、それぞれのユニットセル１００からの排出ガスおよび排出水を前端側のエンドプレート１７０Ｆから外部に対して排出マニホールドを介して排出するタイプの燃料電池であることによる。ただし、これに限定されるものではなく、例えば、前端側のエンドプレート１７０Ｆから反応ガスおよび冷却水を供給し、後端側のエンドプレート１７０Ｅから排出ガスおよび排出水が外部へ排出されるタイプ等の種々のタイプとすることができる。
酸化剤ガス供給孔１７４ＩＮは、前端側のエンドプレート１７０Ｆの下端の外縁部にＸ方向（長辺方向）に沿って配置されており、酸化剤ガス排出孔１７４ＯＴは、上端の外縁部にＸ方向に沿って配置されている。燃料ガス供給孔１７２ＩＮは、前端側のエンドプレート１７０Ｆの右端の外縁部のＹ方向（短辺方向）の上端部に配置されており、燃料ガス排出孔１７２ＯＴは、左端の外縁部のＹ方向の下端部に配置されている。冷却水供給孔１７６ＩＮは、燃料ガス供給孔１７２ＩＮの下側にＹ方向に沿って配置されており、冷却水排出孔１７６ＯＴは、燃料ガス排出孔１７２ＯＴの上側にＹ方向に沿って配置されている。なお、上記した各給排孔は、ユニットセル１００においては、複数の給排孔に分けられている。
前端側のターミナルプレート１６０Ｆおよび後端側のターミナルプレート１６０Ｅは、各ユニットセル１００の発電電力の集電板であり、集電端子１６１から集電した電力を外部へ出力する。両ターミナルプレートについては、後述する。
図２はターミナルプレート１６０Ｆとユニットセル１００とターミナルプレート１６０Ｅの配置の様子を概略的に示す説明図である。図２に示すように、ユニットセル１００は、アノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０と接着シール１４０とを備え、接着シール１４０は、図に示すセパレーター中央領域１０１に亘って膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）１１０を保持し、ＭＥＧＡ１１０の外周縁をシールする。そして、ユニットセル１００は、ＭＥＧＡ１１０を保持済みの接着シール１４０をアノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０とで挟持することにより、セパレーター中央領域１０１において、ＭＥＧＡ１１０を挟持し、セパレーター中央領域１０１の周囲の外縁部１０３においては、両セパレーター間を接着シール１４０にてシールする。
ＭＥＧＡ１１０は、電解質膜の両面に一対の触媒電極層が形成された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を含み、このＭＥＡをガス拡散透過を図るガス拡散層（Gas Diffusion Layer／ＧＤＬ）で挟持して構成される発電体である。なお、ＭＥＧＡをＭＥＡと呼ぶ場合もある。
アノード側セパレーター１２０およびカソード側セパレーター１３０は、ガス遮断性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成型したステンレスやチタンなどの金属部材によって形成されている。本実施形態では、アノード側セパレーター１２０については、ステンレス鋼をプレス成型して作製した。
アノード側セパレーター１２０は、ＭＥＧＡ１１０と対向する面に、複数筋の溝状の燃料ガス流路を備え、反対側の面に、複数筋の溝状の冷却水流路を備え、燃料ガス・冷却水の両流路を、セパレーター表裏面で交互に並べている。ユニットセル１００は、アノード側セパレーター１２０と接着シール１４０およびカソード側セパレーター１３０を貫通する燃料ガス供給孔１０２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１０２ＯＴと、複数の酸化剤ガス供給孔１０４ＩＮおよび酸化剤ガス排出孔１０４ＯＴと、複数の冷却水供給孔１０６ＩＮおよび冷却水排出孔１０６ＯＴとを備える。これら給排孔は、エンドプレート１７０Ｆにおける燃料ガス供給孔１７２ＩＮ等と繋がり、セル内において上述したマニホールドとして機能する。なお、アノード側セパレーター１２０における流路は、本発明の要旨と直接関係しないので、その詳細な説明については、これを省略する。
接着シール１４０は、シール性と絶縁性を有する樹脂或いはゴム等から形成され、その中央に、ＭＥＧＡ１１０の矩形形状に適合した図示しない発電領域窓を有し、この発電領域窓にＭＥＧＡ１１０が組み込み装着される。この接着シール１４０は、ＭＥＧＡ１１０を発電領域窓に組み込んだ状態で、アノード側セパレーター１２０とカソード側セパレーター１３０とを、それぞれの給排孔回りを含めてシールする。なお、アノード側およびセパレーター側の両セパレーターは、ユニットセル１００が積層された際の燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水ごとの給排孔のシール性をセパレーター同士の接合面で確保すべく、燃料ガス用シール材３００と、酸化剤用シール材３０１と、冷却水用シール材３０２とを備える。
燃料電池１０における前端側のターミナルプレート１６０Ｆと後端側のターミナルプレート１６０Ｅとは、給排孔の有無において相違し、他の構成については、ほぼ同様である。図３はターミナルプレート１６０Ｆを構成する各パーツを斜視にて示す説明図、図４は図２における４−４線にてターミナルプレート１６０Ｆを断面視した断面図、図５は図２における５−５線にてターミナルプレート１６０Ｆを集電端子１６１の延在方向に沿って断面視した断面図、図６は図２における６−６線にてターミナルプレート１６０Ｅを断面視した断面図である。
図示するように、ターミナルプレート１６０Ｆは、集電端子１６１（図１−２参照）を有するコアプレート１８１と、セル側プレート１８２と、エンドプレート側プレート１８３と、プレート接着シール材１８４と、プレート間ピン１８５とを有する。またターミナルプレート１６０Ｆは、上記の各プレートを貫通する燃料ガス供給孔１６２ＩＮおよび燃料ガス排出孔１６２ＯＴと、酸化剤ガス供給孔１６４ＩＮおよび酸化剤ガス排出孔１６４ＯＴと、冷却水供給孔１６６ＩＮおよび冷却水排出孔１６６ＯＴとを備える。これら給排孔は、エンドプレート１７０Ｆにおける燃料ガス供給孔１７２ＩＮ等やユニットセル１００の燃料ガス供給孔１０２ＩＮ等と繋がり、ユニットセルへのガス・冷却水マニホールドとして機能する。
コアプレート１８１は、導電性を備える金属製のプレート、例えば、金、銀、銅、アルミ等の金属製のプレートであり、本実施形態では、低コスト化と軽量化の観点から、コアプレート１８１を、１．０〜５．０ｍｍ程度の厚みのアルミプレートとした。セル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３の両プレートは、コアプレート１８１に比して耐食性の高い性状のチタン等の金属プレート（厚み０．１〜１．０ｍｍ）であり、コアプレート１８１より大きな外郭形状とされている。よって、セル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３の両プレートは、そのプレート外周縁をコアプレート１８１の外周縁より外側に延ばした状態で、コアプレート１８１の両プレート面に面接触して当該プレートを挟持する。また、コアプレート１８１は、後述のプレート接着シール材１８４が形成する冷却水供給孔１６６ＩＮより大径のプレート貫通孔１８１ｈを備え、セル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３の両プレートは、冷却水供給孔１６６ＩＮより大径でコアプレート１８１のプレート貫通孔１８１ｈよりは小径のプレート貫通孔１８２ｈ、１８３ｈをそれぞれ備える。
プレート接着シール材１８４は、シール性と弾性を有するゴム、例えばエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）や、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）等から形成され、コアプレート１８１がセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３の両プレートにて挟持した状態において、図４に示すように、それぞれの各プレートの外周縁を被覆して、既述した挟持状態を維持する。この他、プレート接着シール材１８４は、冷却水供給孔１６６ＩＮを形成し、当該供給孔の回りにおいても、コアプレート１８１とこれを挟持するセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３の両プレートの上記の各プレート貫通孔１８１ｈ〜１８３ｈの孔周壁面と、プレート貫通孔１８２ｈ〜１８３ｈの周囲のセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３のプレート面とを被覆する（図４，図５参照）。換言すれば、冷却水供給孔１６６ＩＮは、燃料ガス供給孔１６２ＩＮ等のガス給排のための貫通孔と異なる位置に貫通して形成され、ガス給排のための貫通孔と干渉しないようにされている。そして、この冷却水供給孔１６６ＩＮは、ターミナルプレート１６０Ｆをプレート外周縁より内側において貫通形成された上記各プレートのプレート貫通孔１８１ｈ〜１８３ｈの孔周壁面がプレート接着シール材１８４によりシールされた冷却水通過孔となる。この冷却水供給孔１６６ＩＮの回りのプレート接着シール材１８４による被覆は、他の給排孔たる燃料ガス供給孔１６２ＩＮ、燃料ガス排出孔１６２ＯＴ、酸化剤ガス供給孔１６４ＩＮ、酸化剤ガス排出孔１６４ＯＴおよび冷却水排出孔１６６ＯＴの回りについても同様である。
ターミナルプレート１６０Ｆは、ユニットセル１００と同様、燃料ガス用シール材３００と、酸化剤用シール材３０１と、冷却水用シール材３０２とを備える。図２と図３に示すように、燃料ガス用シール材３００は、燃料ガス供給孔１６２ＩＮと燃料ガス排出孔１６２ＯＴとを個別に取り囲む軌跡で形成され、酸化剤用シール材３０１は、酸化剤ガス供給孔１６４ＩＮと酸化剤ガス排出孔１６４ＯＴとを個別に取り囲む軌跡で形成される。冷却水用シール材３０２は、冷却水供給孔１６６ＩＮと冷却水排出孔１６６ＯＴとを、ユニットセル１００のアノード側セパレーター１２０が形成する複数筋の溝状の冷却水流路（図２参照）に繋げるように、取り囲む軌跡で形成される。本実施形態のターミナルプレート１６０Ｆは、上記した各シール材を、ユニットセル１００と接合するセル側プレート１８２の側に備え、ユニットセル１００との間でのシールを図る。そして、ターミナルプレート１６０Ｆにおけるエンドプレート側プレート１８３と絶縁板１６５Ｆ（図１参照）との間のシールは、絶縁板１６５Ｆが備える上記の各シール材にてシールを図る。なお、上記の各シール材をターミナルプレート１６０Ｆにおけるセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３とに設けて、ユニットセル１００との間のシール、絶縁板１６５Ｆとの間のシールを図るようにしてもよい。
コアプレート１８１は、図３に示すように、集電端子１６１を、冷却水供給側の冷却水供給孔１６６ＩＮの側からプレート外周縁の側に向かうように、プレート外周縁から突出して有する。よって、この集電端子１６１は、図５に示すように、セル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３とで挟持されたコアプレート１８１のプレート外周縁領域に繋がって、このプレート外周縁から外方に延在することになる。
プレート間ピン１８５は、鍔付きピン形状とされ、エンドプレート側プレート１８３の側から打ち込まれ、小径ピン部にて、コアプレート１８１とエンドプレート側プレート１８３とを係合し、両プレートのズレを機械的に抑制する。なお、エンドプレート１７０Ｆは、プレート間ピン１８５と干渉しないようにして、ターミナルプレート１６０Ｆと重なる。エンドプレート１７０Ｅにおいても、プレート間ピン１８５と干渉しないようにして、ターミナルプレート１６０Ｅと重なる。
次に、ターミナルプレート１６０Ｆにおけるプレート接着シール材１８４によるプレート被覆の様子を、ターミナルプレート１６０Ｆの製造手順を含めて説明する。まず、コアプレート１８１については、その両プレート面と外周縁端面およびプレート貫通孔１８１ｈの孔周壁面に、金メッキを施す。プレート面に施した金メッキにより、コアプレート１８１とセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３の３枚のプレートが積層されたターミナルプレート１６０Ｆは、プレート面全域に亘って耐食性と良導電性を発揮する。
次いで、金メッキ済みのコアプレート１８１をエンドプレート側プレート１８３に載置する。この際、上記両プレートは、コアプレート１８１のプレート貫通孔１８１ｈとエンドプレート側プレート１８３のプレート貫通孔１８３ｈとがほぼ同心となるようにされる。この状態で、プレート接着シール材１８４を装着する。プレート接着シール材１８４は、コアプレート１８１をその外周縁で取り囲む枠状シール部と、燃料ガス供給孔１６２ＩＮ、冷却水供給孔１６６ＩＮ等が形成済みの給排孔を包囲する枠状シール部とに分けられているので、これらシール部がコアプレート１８１の外周縁とプレート貫通孔に嵌め込まれたような形態となる。その後、セル側プレート１８２を、そのプレート貫通孔１８２ｈがコアプレート１８１のプレート貫通孔１８１ｈと同心になるように、コアプレート１８１に重ねる。この状態で、各プレートを押圧状況下に置き、燃料ガス供給孔１６２ＩＮ、冷却水供給孔１６６ＩＮ等の給排孔の周囲において、セル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３の側からプレート接着シール材１８４を所定時間加熱し、冷却養生を図る。その後、プレート間ピン１８５にて、コアプレート１８１とエンドプレート側プレート１８３とを係合する。
これにより、プレート接着シール材１８４は、コアプレート１８１がセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３の両プレートにて挟持した状態において、それぞれの各プレートの外周縁を被覆して、プレート挟持状態を維持すると共に、冷却水供給孔１６６ＩＮ等の給排孔の回りにおいても、コアプレート１８１とこれを挟持するセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３の両プレートの上記の各プレート貫通孔１８１ｈ〜１８３ｈの孔周壁面と、プレート貫通孔１８２ｈ〜１８３ｈの周囲のセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３のプレート面とを被覆する。こうした被覆状態において、プレート接着シール材１８４は、熱溶融を経て、図４と図５においてドットで示す領域、即ち、プレート貫通孔１８２ｈ〜１８３ｈの周囲のセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３のプレート面において、これらプレートと接着する。ところが、コアプレート１８１は、金メッキ処理済みであることから、プレート接着シール材１８４との界面であるプレート外周縁の端面においては、メッキされた金により低活性となり、プレート接着シール材１８４と非接着状態にある。これに加え、コアプレート１８１は、金メッキ済みのプレート貫通孔１８１ｈの孔周壁面１８１ｈｓにおいも、当該壁面にメッキ済みの金により低活性となり、プレート接着シール材１８４と非接着状態にある。
ターミナルプレート１６０Ｅにあっては、燃料ガス供給孔１６２ＩＮ等を有しないことから、図６に示すように、コアプレート１８１がセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３の両プレートにて挟持した状態において、プレート接着シール材１８４がそれぞれの各プレートの外周縁を被覆して、プレート挟持状態を維持する。そして、コアプレート１８１は、金メッキ処理済みであることから、プレート接着シール材１８４との界面であるプレート外周縁の端面において、プレート接着シール材１８４と非接着状態にある。
次に、上記したターミナルプレート１６０Ｆを備える燃料電池１０の運用状況下における冷却水の挙動について説明する。図７は燃料電池１０の運用状況下における冷却水供給孔１６６ＩＮの周辺での冷却水の状況を示す説明図である。
ターミナルプレート１６０Ｆなどの各部材が組み込み済みの燃料電池１０では、図７に示すように、ターミナルプレート１６０Ｆは、絶縁板１６５Ｆとユニットセル１００との間に位置し、冷却水供給孔１６６ＩＮの周辺においては、冷却水用シール材３０２にてシールされている。こうした運用状況下において、ターミナルプレート１６０Ｆは、セル側プレート１８２に冷却水供給孔１６６ＩＮを取り囲むように設けた冷却水用シール材３０２により、セル側プレート１８２の側に冷却水の流通領域１８２ｒを形成する。また、ターミナルプレート１６０Ｆは、エンドプレート側プレート１８３の側においても、絶縁板１６５Ｆが冷却水供給孔１６７ＩＮを取り囲むように備える冷却水用シール材３０２により、冷却水の流通領域１８３ｒを形成する。この流通領域１８２ｒと流通領域１８３ｒとは、ターミナルプレート１６０Ｆの冷却水供給孔１６６ＩＮで繋がる。そして、エンドプレート１７０Ｆ（図１参照）の冷却水供給孔１７６ＩＮから供給された冷却水は、冷却水供給孔１６７ＩＮから、流通領域１８３ｒに行き渡った上で、冷却水供給孔１６６ＩＮを通過し、その後にあっては、流通領域１８２ｒに行き渡って、ユニットセル１００の冷却水流路（図視略）および冷却水供給孔１０６ＩＮを通過する。このように供給される冷却水は、プレート接着シール材１８４によりシールされて、コアプレート１８１のプレート貫通孔１８１ｈの孔周壁面１８１ｈｓや、セル側プレート１８２のプレート貫通孔１８２ｈ、およびエンドプレート側プレート１８３のプレート貫通孔１８３ｈに接触することはない。その一方、流通領域１８２ｒおよび流通領域１８３ｒに行き渡った冷却水は、セル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３に直に接触する。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池１０が有するターミナルプレート１６０Ｆとターミナルプレート１６０Ｅとは、集電端子１６１を有する導電性のアルミプレートたるコアプレート１８１を、耐食性の高いチタン製のセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３とで挟持する。セル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３の両プレートは、そのプレート外周縁をコアプレート１８１の外周縁より外側に延ばしており、プレート接着シール材１８４は、コアプレート１８１を含む各プレートの外周縁を被覆して、上記プレートの挟持状態を維持する。この際、コアプレート１８１は、その外周縁の端面を金メッキで処理済みとしているので、プレート接着シール材１８４と非接着状態にあり、セル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３とは、コアプレート１８１の外周縁より外側に延びたプレート面とその外周縁の端面において、プレート接着シール材１８４と接着している。
今、上記したターミナルプレート１６０Ｆとターミナルプレート１６０Ｅとを組み込んだユニットセル１００において、燃料電池１０の発電運転に伴って、および／または外気温の高低推移に伴って、セル温度が高低推移したと仮定する。そうすると、ターミナルプレート１６０Ｆとターミナルプレート１６０Ｅでは、コアプレート１８１とその上下のセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３（以下、セル側・エンドプレート側の両プレートを外側プレートと称する）とは、その線膨張係数の相違により異なる程度で膨張と収縮を繰り返し、線膨張係数の大きいコアプレート１８１は、膨張と収縮の程度が大きくなる。しかしながら、外側プレートで挟持されたコアプレート１８１にあっては、その外周縁端面において金メッキ処理によりプレート接着シール材１８４と非接着状態であるため、コアプレート１８１の収縮に追従したプレート接着シール材１８４の引き寄せを招かない。よって、本実施形態の燃料電池用のターミナルプレート１６０Ｆとターミナルプレート１６０Ｅによれば、プレート挟持状態を維持するプレート接着シール材１８４の劣化を抑制して、ターミナルプレート、延いてはこれを組み込んだ燃料電池１０の耐久性を高めることができる。
本実施形態の燃料電池１０が有するターミナルプレート１６０Ｆは、プレート外周縁より内側に、ユニットセル１００の燃料ガスと酸化剤ガスと冷却水の給排にそれぞれ関与する燃料ガス供給孔１６２ＩＮ、燃料ガス排出孔１６２ＯＴ等の給排貫通孔を備える。そして、これら給排貫通孔の回りにおいて、本実施形態の燃料電池１０が有するターミナルプレート１６０Ｆでは、コアプレート１８１は、燃料ガス供給孔１６２ＩＮ、燃料ガス排出孔１６２ＯＴ等の給排貫通孔より大径のプレート貫通孔１８１ｈを備え、外側プレートは、燃料ガス供給孔１６２ＩＮ、燃料ガス排出孔１６２ＯＴ等の給排貫通孔より大径でプレート貫通孔１８１ｈよりは小径のプレート貫通孔１８２ｈ〜１８３ｈを備える。そして、本実施形態のターミナルプレート１６０Ｆでは、プレート接着シール材１８４は、燃料ガス供給孔１６２ＩＮ、燃料ガス排出孔１６２ＯＴ等の給排貫通孔を形成した上で外側プレートの間に介在し、各金属プレートのプレート貫通孔１８１ｈ〜１８３ｈの孔周壁面を被覆する。この際、コアプレート１８１は、プレート貫通孔１８１ｈの孔周壁面１８１ｈｓを金メッキで処理済みとしているので、プレート接着シール材１８４と非接着状態にあり、セル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３の外側プレートは、プレート貫通孔１８１ｈの孔周壁面からプレート貫通孔１８１ｈ〜１８３ｈまでのプレート面とプレート貫通孔１８１ｈ〜１８３ｈの孔周壁面および既述したプレート外周縁の端面において、プレート接着シール材１８４と接着している。そうすると、既述したようにセル温度が高低推移したとしても、ターミナルプレート１６０Ｆでは、コアプレート１８１のプレート外周縁端面でのプレート接着シール材１８４の引き寄せ回避に加え、燃料ガス供給孔１６２ＩＮ、燃料ガス排出孔１６２ＯＴ等の給排貫通孔の周囲においても、コアプレート１８１の大きな収縮に追従したプレート接着シール材１８４の引き寄せを招かないようにできる。この結果、本実施形態の燃料電池用のターミナルプレート１６０Ｆによれば、プレート接着シール材１８４の劣化を高い実効性で抑制できると共に、燃料電池１０の耐久性の向上の観点から好適となる。
本実施形態の燃料電池１０が有するターミナルプレート１６０Ｆとターミナルプレート１６０Ｅとは、プレート間ピン１８５にてコアプレート１８１とエンドプレート側プレート１８３とのズレを機械的に抑制する。よって、燃料電池１０を例えば車両等に搭載した場合に、万一、衝突による衝撃が燃料電池１０の各部に掛かっても、コアプレート１８１とエンドプレート側プレート１８３とを不用意にズレないようにできる。
本実施形態の燃料電池１０では、発電単位となる燃料電池セルたるユニットセル１００を複数積層した上で、積層方向一端の側と他端の側とにターミナルプレート１６０Ｆとターミナルプレート１６０Ｅとを配設して備える。本実施形態の燃料電池１０によれば、プレート接着シール材１８４の劣化抑制を通して耐久性の向上したターミナルプレート１６０Ｆとターミナルプレート１６０Ｅを組み込むことで、燃料電池１０としての耐久性の向上や電池寿命の長寿命化を図ることができる。また、本実施形態の燃料電池１０によれば、既存の燃料電池におけるターミナルプレートをターミナルプレート１６０Ｆとターミナルプレート１６０Ｅに置き換えればよいので、その製造コストを低減できる。
本実施形態の燃料電池１０が有するターミナルプレート１６０Ｆは、図７に示すように、セル側プレート１８２の側に冷却水用シール材３０２で取り囲んだ冷却水の流通領域１８２ｒを形成し、エンドプレート側プレート１８３の側にも冷却水用シール材３０２で取り囲んだ冷却水の流通領域１８３ｒを形成し、両流通領域１８２ｒ，１８３ｒを冷却水供給孔１６６ＩＮで繋ぐ。エンドプレート１７０Ｆ（図１参照）の冷却水供給孔１７６ＩＮから供給された冷却水は、流通領域１８２ｒと流通領域１８３ｒとに行き渡り、それぞれの流通領域から冷却水供給孔１６６ＩＮの領域を除いた範囲で、セル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３とに直に接触する。こうしてセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３とに直に接する冷却水は、冷却水供給側であるエンドプレート１７０Ｆから供給されたばかりの冷却水であることから、冷却水温度が低い状態である。よって、本実施形態の燃料電池１０が有するターミナルプレート１６０Ｆは、低温度の冷却水により、セル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３とを直接冷却すると共に、セル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３で挟持したコアプレート１８１についても、これをセル側プレート１８２およびエンドプレート側プレート１８３を介して確実に冷却する。そして、本実施形態の燃料電池１０が有するターミナルプレート１６０Ｆは、コアプレート１８１の集電端子１６１を、セル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３とを介してコアプレート１８１を冷却する冷却水供給側の冷却水供給孔１６６ＩＮから、図７に示すように、プレート外周縁の側に向けて突出させている。この結果、本実施形態の燃料電池１０が有するターミナルプレート１６０Ｆによれば、コアプレート１８１のプレート外周縁から突出した集電端子１６１についても、低温度の冷却水により、確実に冷却できるので、集電端子１６１の発熱を高い実効性で抑制できる。
本実施形態の燃料電池１０が有するターミナルプレート１６０Ｆは、冷却水供給孔１６６ＩＮにおいて、コアプレート１８１とこれを挟持するセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３の両プレートの上記の各プレート貫通孔１８１ｈ〜１８３ｈの孔周壁面をプレート接着シール材１８４によりシールする。こうしたシールにより、アルミ製のコアプレート１８１とチタン製のセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３という異種金属のプレートが積層したプレート端面（プレート貫通孔１８１ｈ〜１８３ｈの孔周壁面）に、冷却水を接触させない。よって、本実施形態の燃料電池１０によれば、コアプレート１８１をセル側プレート１８２とエンドプレート側プレート１８３で挟持したターミナルプレート１６０Ｆにおける電食を、高い実効性で抑制できる。
本実施形態の燃料電池１０は、発電単位となる燃料電池セルたるユニットセル１００を複数積層した上で、積層方向一端の側と他端の側とにターミナルプレート１６０Ｆとターミナルプレート１６０Ｅとを配設して備える。本実施形態の燃料電池１０によれば、集電端子１６１の発熱抑制と電食抑制とが可能なターミナルプレート１６０Ｆを組み込むことで、燃料電池１０としての耐久性の向上や電池寿命の長寿命化を図ることができる。また、本実施形態の燃料電池１０によれば、既存の燃料電池においてターミナルプレートをターミナルプレート１６０Ｆに置き換えればよいので、その製造コストを低減できる。
次に、他の実施形態について説明する。図８は第２の実施形態のターミナルプレート１６０Ｆａの概略斜視図、図９は図８における９−９線にてターミナルプレート１６０Ｆａを集電端子１６１の延在方向に沿って断面視した断面図、図１０は図８における１０−１０線にてターミナルプレート１６０Ｆａを断面視した断面図である。
図示するように、このターミナルプレート１６０Ｆａにあっても、集電端子１６１を、冷却水供給側の冷却水供給孔１６６ＩＮの側からプレート外周縁の側に向かうように、プレート外周縁から突出して有する。その一方、ターミナルプレート１６０Ｆａは、冷却水供給孔１６６ＩＮをブリッジ１６６ｖにより２分割して備え、このブリッジ１６６ｖのブリッジ周壁においても、図１０に示すように、シール材１８４によりシールする。そして、集電端子１６１は、ブリッジ１６６ｖからプレート外周縁の側に向かうように、プレート外周縁から突出している。つまり、ブリッジ１６６ｖで区画された冷却水供給孔１６６ＩＮのそれぞれは、孔周壁においてシール材１８４にてシールされていることになる。
この実施形形態のターミナルプレート１６０Ｆａは、図９と図１０に示すように、冷却水供給孔１６７ＩＮを経て流通領域１８２ｒと流通領域１８３ｒとに行き渡った冷却水は、供給側である故に低温のまま、セル側プレート１８２のブリッジ１６６ｖとエンドプレート側プレート１８３のブリッジ１６６ｖに直に接してこれらブリッジを冷却すると共に、両ブリッジで挟持された領域において、ブリッジ１６６ｖを介してコアプレート１８１、延いては集電端子１６１を冷却する。よって、この実施形態のターミナルプレート１６０Ｆａによれば、集電端子１６１の発熱をより高い実効性で抑制できる。
図１１は第３の実施形態のターミナルプレート１６０Ｆｂの概略斜視図、図１２は第４の実施形態のターミナルプレート１６０Ｆｃの概略斜視図である。これら実施形態では、集電端子１６１を、燃料ガスの供給側である燃料ガス供給孔１６２ＩＮの側からプレート外周縁の側に向かうように、或いは、酸化剤ガスの供給側である酸化剤ガス供給孔１６４ＩＮからプレート外周縁の側に向かうように、プレート外周縁から突出して有する。各図における５−５線に沿った断面は、既述した図５で表される。これら実施形態であっても、燃料ガス或いは酸化剤ガスは、供給側である故に低温であるので、これら低温のガスにより、集電端子１６１の発熱を抑制できる。
図１３は第５の実施形態のターミナルプレート１６０Ｆｄの概略斜視図、図１４は第６の実施形態のターミナルプレート１６０Ｆｅの概略斜視図である。これら実施形態では、矩形の外郭形状における長辺の一端側に、燃料ガス供給孔１６２ＩＮと冷却水供給孔１６６ＩＮと酸化剤ガス供給孔１６４ＩＮとをこの順に上端側から並べて備え、長辺の他端側に、酸化剤ガス排出孔１６４ＯＴと冷却水排出孔１６６ＯＴと燃料ガス排出孔１６２ＯＴとをこの順に上端側から並べて備える。このように供給孔・排出孔の位置が相違するものの、ターミナルプレート１６０Ｆｄは、ターミナルプレート１６０Ｆと同様に、集電端子１６１を、冷却水の供給側である冷却水供給孔１６６ＩＮからプレート外周縁の側に向かうように、プレート外周縁から突出して有し、５−５線に沿った断面は、既述した図５で表される。ターミナルプレート１６０Ｆｅにあっては、ターミナルプレート１６０Ｆａと同様に、ブリッジ１６６ｖにて冷却水供給孔１６６ＩＮを区画した上で、集電端子１６１を、ブリッジ１６６ｖからプレート外周縁の側に向かうように、プレート外周縁から突出して有し、９−９線に沿った断面と１０−１０線に沿った断面図は、既述した図９と図１０で表される。よって、これら実施形態によっても、供給側である故に低温の冷却水による冷却により、集電端子１６１の発熱を抑制できる。
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、或いは、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。
上記した実施形態のターミナルプレート１６０Ｆとターミナルプレート１６０Ｅでは、一つのプレート間ピン１８５によりコアプレート１８１とエンドプレート側プレート１８３とのズレを機械的に抑制したが、二つのプレート間ピン１８５にて、コアプレート１８１とエンドプレート側プレート１８３とを係合してもよい。こうすれば、二つのプレート間ピン１８５により、両プレートの機械的なズレを抑制できるほか、両プレートの回転ズレと云ったズレについても、抑制できる。
上記した実施形態のターミナルプレート１６０Ｆにおいて、積層されるユニットセル１００との関係で、当該ユニットの側で冷却水流路を形成する必要がある場合には、当該流路形成のための金属プレートをセル側プレート１８２に設ければよい。
上記した実施形態のターミナルプレート１６０Ｆとターミナルプレート１６０Ｅでは、コアプレート１８１に金メッキを施すことで、外周縁端面と孔周壁面１８１ｈｓにおいてプレート接着シール材１８４と非接着としたが、金メッキに限らず、低活性化をもたらすクロム等のメッキ処理や、酸化皮膜形成処理を採るようにしてもよい。
１０…燃料電池
１００…ユニットセル
１０１…セパレーター中央領域
１０２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１０２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１０３…外縁部
１０４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１０４ＯＴ…酸化剤ガス排出孔
１０６ＩＮ…冷却水供給孔
１０６ＯＴ…冷却水排出孔
１１０…ＭＥＧＡ
１２０…アノード側セパレーター
１３０…カソード側セパレーター
１４０…接着シール
１６０Ｅ…ターミナルプレート
１６０Ｆ…ターミナルプレート
１６０Ｆａ〜１６０Ｆｅ…ターミナルプレート
１６１…集電端子
１６２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１６２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１６４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１６４ＯＴ…酸化剤ガス排出孔
１６５Ｅ…絶縁板
１６５Ｆ…絶縁板
１６６ｖ…ブリッジ
１６６ＩＮ…冷却水供給孔
１６６ＯＴ…冷却水排出孔
１６７ＩＮ…冷却水供給孔
１７０Ｅ…エンドプレート
１７０Ｆ…エンドプレート
１７２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１７２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１７４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１７４ＯＴ…酸化剤ガス排出孔
１７６ＩＮ…冷却水供給孔
１７６ＯＴ…冷却水排出孔
１８１…コアプレート
１８１ｈ…プレート貫通孔
１８１ｈｓ…孔周壁面
１８２…セル側プレート
１８２ｈ…プレート貫通孔
１８２ｒ…流通領域
１８３…エンドプレート側プレート
１８３ｈ…プレート貫通孔
１８３ｒ…流通領域
１８４…プレート接着シール材（シール材）
１８５…プレート間ピン
３００…燃料ガス用シール材
３０１…酸化剤用シール材
３０２…冷却水用シール材
１００…ユニットセル
１０１…セパレーター中央領域
１０２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１０２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１０３…外縁部
１０４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１０４ＯＴ…酸化剤ガス排出孔
１０６ＩＮ…冷却水供給孔
１０６ＯＴ…冷却水排出孔
１１０…ＭＥＧＡ
１２０…アノード側セパレーター
１３０…カソード側セパレーター
１４０…接着シール
１６０Ｅ…ターミナルプレート
１６０Ｆ…ターミナルプレート
１６０Ｆａ〜１６０Ｆｅ…ターミナルプレート
１６１…集電端子
１６２ＩＮ…燃料ガス供給孔
１６２ＯＴ…燃料ガス排出孔
１６４ＩＮ…酸化剤ガス供給孔
１６４ＯＴ…酸化剤ガス排出孔
１６５Ｅ…絶縁板
１６５Ｆ…絶縁板
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３００…燃料ガス用シール材
３０１…酸化剤用シール材
３０２…冷却水用シール材
Claims (4)
- 燃料電池用のターミナルプレートであって、
集電用の集電端子を有する導電性の第１の金属プレートと、該第１の金属プレートより高い耐食性を有し前記第１の金属プレートを挟持する第２と第３の金属プレートとを備えたプレート積層体と、
該プレート積層体を積層体外周縁の内側において貫通したガス通過孔と、
該ガス通過孔と干渉しないように前記プレート積層体を積層体外周縁の内側において貫通した冷却水通過孔と、
前記第２の金属プレートに装着されたガスケットであって、前記第２の金属プレートの側で前記ガス通過孔と繋がるガス流通領域を取り囲む第１のガスケット、および前記第２の金属プレートに装着されたガスケットであって、前記第２の金属プレートの側で前記冷却水通過孔と繋がる冷却水流通領域を取り囲む第２のガスケットのうち、少なくともいずれか一方のガスケットとを備え、
前記集電端子は、ガス供給に用いられる前記ガス通過孔と冷却水供給に用いられる前記冷却水通過孔のいずれか一方の通過孔であって、前記ガスケットが設けられた通過孔から前記第１の金属プレートのプレート外周縁に向かう方向に沿って、前記プレート外周縁から突出して設けられている、
燃料電池用のターミナルプレート。 - 前記ガス通過孔と前記冷却水通過孔は、それぞれの孔周壁面がシール材によりシールされている請求項１に記載の燃料電池用のターミナルプレート。
- 請求項１または請求項２に記載の燃料電池用のターミナルプレートであって、
前記第１の金属プレートが前記集電端子を突出して設けた前記一方の通過孔は、複数の通過孔に分割されており、該複数の通過孔の間に存在するブリッジのブリッジ壁においてもシール材によりシールされ、
前記集電端子は、前記ブリッジから前記第１の金属プレートのプレート外周縁に向かう方向に沿って、前記プレート外周縁から突出して設けられている、
燃料電池用のターミナルプレート。 - 燃料電池であって、
発電単位となる燃料電池セルを複数積層したセルスタックと、
該セルスタックの積層方向一端の側と他端の側とに配設される請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池用のターミナルプレートとを備える、
燃料電池。
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