JP6434941B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

従来の燃料電池スタックは、例えば、特許文献１に記載されているように、燃料電池セル積層体と、燃料電池セル積層体の端部に配置されたエンドプレートと、を有する。エンドプレートの燃料電池セル積層体側の面には、冷却媒体や反応ガスの流路が形成されており、これら流路を含む範囲に樹脂層が形成されている。樹脂層は、金属製のエンドプレートにおける冷却媒体や反応ガスと接する面の絶縁性、および耐薬品性を保つためのものである。

特開２０１５−８０８６号公報 特開２０１３−１２３８４４号公報 特開２０１４−１００８１５号公報

前記先行技術の燃料電池スタックでは、エンドプレートの冷却媒体用の流路に冷却媒体を流した場合に、金属製のエンドプレートと樹脂との熱膨張差に起因して、樹脂層がエンドプレートから剥がれ易かった。樹脂層が剥がれると、エンドプレートと燃料電池セル積層体との間の絶縁性を確保できない問題と、耐薬品性を確保できず金属の腐食が進行してしまう問題と、が発生した。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態は、燃料電池スタックである。この燃料電池スタックは、燃料電池セル積層体と、前記燃料電池セル積層体の端部に配置されたエンドプレートと、を備える。前記エンドプレートは、金属製の板状本体と、前記板状本体の面に形成された樹脂層と、を有する。前記板状本体は、反応ガスおよび冷却媒体用の流路孔と、前記板状本体の前記面から隆起する筋形状の凸部であって、前記流路孔を含む内側領域と、前記内側領域の外側の外側領域と、に区画する凸部と、を有する。前記凸部は、前記板状本体の前記面から隆起した垂直部と、前記垂直部の先端から前記内側領域側に張り出した出っ張り部と、を有する。前記樹脂層は、前記内側領域に形成され、前記垂直部における前記内側領域側の面と、前記出っ張り部の少なくとも一部と、を覆う。

この形態の燃料電池スタックによれば、エンドプレートに形成した凸部の出っ張り部が、樹脂層に入り込んだ状態となる。このため、エンドプレートと樹脂層との間に大きな熱膨張差が発生しても、出っ張り部によって樹脂層の伸縮が抑制されることになり、樹脂層がエンドプレートから剥がれることを抑制できる。したがって、エンドプレートと燃料電池セル積層体との間の絶縁性および耐薬品性を確保できる効果を奏する。

本発明の一実施形態としての燃料電池スタックの一部分を示す説明図である。 エンドプレートの裏面を示す平面図である。 図２におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。 樹脂層が形成されたエンドプレートの裏面を示す平面図である。 図４におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。 凸部と樹脂層の成形方法を示す工程図である。 工程１によって板状本体が成形型にセットされた様子を示す説明図である。 工程２によって成形された板状本体を示す説明図である。 工程３によって樹脂層が射出成形された後の板状本体を示す説明図である。 成形方法の変形例１を示す説明図である。 成形方法の変形例２を示す説明図である。

次に、本発明の実施形態を説明する。
Ａ．燃料電池ユニットの全体構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池スタックの一部分を示す説明図である。燃料電池スタック１００は、燃料電池セル積層体１０と、ケース２０と、エンドプレート３０と、締結ボルト４０と、を備える。

燃料電池セル積層体１０は、複数の燃料電池セルＣＬの積層体である。燃料電池セルＣＬは、アノード、カソード、電解質、セパレータ等から構成され、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う。燃料電池セルＣＬは、数々の型を適用可能であるが、本実施形態では、固体高分子型を用いるものとした。なお、図中には、互いに直交するｘ、ｙ、ｚ方向を規定した。ｚ方向は、燃料電池セル積層体１０の積層方向と一致する。ｚ方向のうちの上側を＋ｚ方向と呼び、ｚ方向のうちの下側を−ｚ方向と呼ぶ。

ケース２０は、燃料電池セル積層体１０を収容する筒状の容器である。ケース２０は、燃料電池セル積層体１０の積層方向（ｚ方向）をケース２０の中心軸の方向に一致させて、燃料電池セル積層体１０を収容する。

エンドプレート３０は、燃料電池セル積層体１０の−ｚ方向の端部（図中の下側端部）１０ａに配置される。エンドプレート３０は、耐食性、剛性を備えた種々の金属部材で形成することができるが、本実施形態では、アルミニウムからなる。エンドプレート３０の燃料電池セル積層体１０が配置されている面（以下、「裏面」と呼ぶ）３０ｂとは反対の面（以下、「表面」と呼ぶ）３０ａには、水素ポンプ、気液分離器、排気排水弁といった補機類（図示せず）が設けられている。

ケース２０の−ｚ方向の側の端部の全周には、外向きに張り出したフランジ２２が形成されており、このフランジ２２にエンドプレート３０が、締結ボルト４０によって固定される。締結ボルト４０を締めることによって、エンドプレート３０は、燃料電池セル積層体１０を締結する。

Ｂ．エンドプレートの構成：
図２は、エンドプレート３０の裏面３０ｂを示す平面図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。図２および図３に示すように、エンドプレート３０は、金属製の板状本体３２を備える。板状本体３２の周縁には、複数のボルト孔３４が設けられている。各ボルト孔３４に、締結ボルト４０（図１）が貫挿される。

板状本体３２の燃料電池セル積層体１０側の面、すなわちエンドプレート３０の裏面３０ｂにおいて、ボルト孔３４より内側には、ガスケット５０（図１）を収容するガスケット溝３６（図１）が備えられている。ここで、「内側」とは、エンドプレート３０の裏面３０ｂにおいて、裏面３０ｂの中心の側である。ガスケット溝３６は、連続した閉じた筋形状となっており、エンドプレート３０の裏面３０ｂを内側領域と外側領域とに区画する。

エンドプレート３０の裏面３０ｂにおいて、ガスケット溝３６より内側には、裏面３０ｂから隆起した凸部３８が備えられている。凸部３８は、連続した閉じた筋形状となっており、ガスケット溝３６によって区画された内側領域を、さらに、内側領域と外側領域とに区画する。

凸部３８によって区画された内側領域に、孔状の流路３９（図２）が形成されている。流路３９は、酸化剤ガスとしての空気（酸素）、水素ガス、さらには冷却媒体の流路として機能する。

図４は、樹脂層が形成されたエンドプレート３０の裏面３０ｂを示す平面図である。図５は、図４におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。図４および図５に示すように、凸部３８によって区画された内側領域に、樹脂層６０が形成されている。図４においては、ハッチされた部分が樹脂層６０である。樹脂層６０は、凸部３８によって区画された内側領域を覆っており、これによって、エンドプレート３０は、裏面３０ｂにおける流路３９において流体と接する部分の絶縁性、および耐薬品性が向上したものとなる。樹脂層６０の樹脂は、絶縁性と耐薬品性とを有していれば特に限定されるものではないが、本実施形態では、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）が用いられている。

図５における右上の拡大図は、凸部３８およびその周辺を拡大したものである。この拡大図に示すように、凸部３８は、裏面３０ｂから隆起した垂直部３８ａと、垂直部３８ａの先端から内側領域（凸部３８によって区画された内側領域）側に張り出した出っ張り部３８ｂと、を有する。

凸部３８の出っ張り部３８ｂは、樹脂層６０に入り込んでいる。具体的には、樹脂層６０は、垂直部３８ａにおける内側領域側の面３８ａｓと、出っ張り部３８ｂの少なくとも一部と、を覆うようにして、凸部３８によって区画された内側領域を覆っており、この結果、凸部３８の出っ張り部３８ｂは、樹脂層６０に入り込んでいる。

Ｃ．金型による成形方法：
図６は、凸部３８と樹脂層６０の成形方法を示す工程図である。図示するように、この方法は、工程１から工程３までの３つの工程によって構成される。各工程１〜３はこの順に実行される。各工程１〜３について、順に説明する。

［工程１］
工程１では、板状本体３２を成形型にセットする。成形型は下金型と上金型とを有しており、具体的には、工程１では、下金型と上金型との間に板状本体３２をセットする。

図７は、工程１によって板状本体３２が成形型にセットされた様子を示す説明図である。図中のｘｙｚ方向は、他の図のｘｙｚ方向と一致している。この成形方法を行う際には、ｘ−ｙ平面が水平面に、ｚ方向が鉛直方向となっている。図示するように、板状本体３２は、凸部Ｔ１が隆起した側の面を上側にした状態で、下方に下金型（図示せず）が、上方に上金型Ｐ１が位置するようにセットされる。凸部Ｔ１は、凸部３８（図５等）の元となる部分で、凸部３８と同様、連続した閉じた線形状となっている。本実施形態では、凸部Ｔ１の上面Ｔ１ｕは、図中において左上から右下に向かって傾斜している。なお、本実施形態では、上金型Ｐ１の下金型側の面は、ｘ−ｙ平面、すなわち、水平面に沿った平らな面となっている。

［工程２］
工程２では、上金型Ｐ１を駆動することで、上金型Ｐ１を下方、すなわち下金型に向けて移動する。すなわち、図７においては、上金型Ｐ１を矢印Ａに示すように、−ｚ方向に移動する。この結果、板状本体３２の凸部Ｔ１は、上金型Ｐ１によって押圧され、成形される。

図８は、工程２によって成形された板状本体３２を示す説明図である。凸部Ｔ１の上面Ｔ１ｕは、左上から右下に向かって傾斜していることから、上金型Ｐ１によって押圧されると、凸部Ｔ１の上面Ｔ１ｕは、平らとなり、図中の左側に出っ張った状態となる。この結果、板状本体３２には図５の拡大図に示した形状の凸部３８、すなわち、出っ張り部３８ｂを有する凸部３８が成形される。なお、左側は、凸部３８によって区画された領域の内側でもある。

本実施形態では、上金型Ｐ１の横幅（ｙ方向の幅）は、上金型Ｐ１のｙ方向の左側の端面Ｐ１Ｌが出っ張り部３８ｂの先端３８ｂＴよりも右側となる、大きさである。なお、変形例として、上金型Ｐ１のｙ方向の左側の端面Ｐ１Ｌと出っ張り部３８ｂの先端３８ｂＴとが、ｙ方向において同一の位置となる大きさとしてもよい。

［工程３］
工程３では、樹脂層６０を射出成形する。

図９は、工程３によって樹脂層６０が射出成形された後の板状本体３２を示す説明図である。工程３では、具体的には、凸部３８の左側面、すなわち出っ張り部３８ｂを有する側の面と、上金型Ｐ１のｙ方向の左側の端面Ｐ１Ｌとに向けて、樹脂材料を射出することによって、樹脂層を成形する。樹脂材料は、軟化する温度に加熱された状態で、射出圧を加えて押し込まれる。この結果、図９に示すように、樹脂層６０は、凸部３８の垂直部３８ａにおける図中の左側の面と、出っ張り部３８ｂの少なくとも一部と、を覆うようにして成形される。

Ｄ．実施形態の効果：
以上のように構成された燃料電池スタック１００によれば、エンドプレート３０に形成した凸部３８の出っ張り部３８ｂが、樹脂層６０に入り込んだ状態となる。このため、エンドプレート３０と樹脂層６０との間に大きな熱膨張差が発生しても、出っ張り部３８ｂによって樹脂層６０の伸縮が抑制されることになり、樹脂層６０がエンドプレート３０から剥がれることを抑制できる。したがって、エンドプレート３０と燃料電池セル積層体１０との間の絶縁性および耐薬品性を確保できる効果を奏する。

Ｅ．変形例：
前記実施形態では、成形方法において、凸部Ｔ１（図７）の上面Ｔ１ｕを傾斜した形状とすることで、出っ張り部３８ｂが形成される構成としたが、この構成に限る必要はない。例えば、変形例１として、凸部Ｔ２を図１０に示す形状とすることで、出っ張り部３８ｂが形成される構成としてもよい。すなわち、図１０に示すように、凸部Ｔ２は、上面Ｔ２ｕが水平面に沿い、ｙ方向の右側の角部のアールＲｂがｙ方向の左側の角部のアールＲａよりも大きくなっている。板状本体３２をこの形状として、上金型Ｐ１で押圧することによって、凸部３８を出っ張り部３８ｂを有した形状に成形することができる。

また、図１１に示すように、凸部Ｔ２は上面Ｔ２ｕが水平面に沿った形状とし、上金型Ｐ２の下金型（図示せず）側に、図中の左上から右下に向かって傾斜した面Ｐ２ｓを有する形状としてもよい。この変形例２によれば、上金型Ｐ２を鉛直下方に移動することによって、凸部３８を出っ張り部３８ｂを有した形状に成形することができる。

１０…燃料電池セル積層体
２０…ケース
２２…フランジ
３０…エンドプレート
３０ｂ…裏面
３２…板状本体
３４…ボルト孔
３６…ガスケット溝
３８…凸部
３８ａ…垂直部
３８ｂ…出っ張り部
３９…流路
４０…締結ボルト
５０…ガスケット
６０…樹脂層
１００…燃料電池スタック
ＣＬ…燃料電池セル
Ｐ１…上金型
Ｐ２…上金型
Ｔ１…凸部
Ｔ１ｕ…上面
Ｔ２…凸部
Ｔ２ｕ…上面

Claims (1)

1. 燃料電池スタックであって、
   燃料電池セル積層体と、
   前記燃料電池セル積層体の端部に配置されたエンドプレートと、
   を備え、
   前記エンドプレートは、
   金属製の板状本体と、
   前記板状本体の面に形成された樹脂層と、
   を有し、
   前記板状本体は、
   反応ガスおよび冷却媒体用の流路孔と、
   前記板状本体の前記面から隆起する筋形状の凸部であって、前記流路孔を含む内側領域と、前記内側領域の外側の外側領域と、に区画する凸部と、
   を有し、
   前記凸部は、
   前記板状本体の前記面から隆起した垂直部と、
   前記垂直部の先端から前記内側領域側に張り出した出っ張り部と、
   を有し、
   前記樹脂層は、前記内側領域に形成され、前記垂直部における前記内側領域側の面と、前記出っ張り部の少なくとも一部と、を覆う、
   燃料電池スタック。

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