JP6784207B2

JP6784207B2 - 燃料電池用のターミナルプレート

Info

Publication number: JP6784207B2
Application number: JP2017059317A
Authority: JP
Inventors: 尚実梅田; 知勇芳住; 卓也栗原; 研二佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2020-11-11
Anticipated expiration: 2037-03-24
Also published as: JP2018163752A

Description

本開示は、燃料電池用のターミナルプレートに関する。

従来、中央プレート部と端子部を有する導電性の集電プレートと、集電プレートの中央プレート部を挟持する一対のセパレータと、一対のセパレータによる集電プレートの挟持状態を維持するとともに集電プレートを保護する接着シール材と、を備える燃料電池スタック用のターミナルプレートが知られている（例えば、特許文献１）。集電プレートは、反応ガスなどを流通させるマニホールドを構成する貫通孔を有する。

特開２０１５−８８２９４公報

しかしながら、マニホールドを流通する流体（例えば、反応ガス）は、集電プレートの腐食の原因となる。従来のターミナルプレートにおいては、集電プレートの腐食を低減するために、集電プレートおよびセパレータの一部（例えば、マニホールドを構成する貫通孔）を接着シール材によって覆っている。このため、構造が複雑化していた。構造の複雑化は、ターミナルプレートの製造に要する時間およびコストを増加させる要因となり得るため、燃料電池用のターミナルプレートにおいて、構造の複雑化を抑制できる技術が望まれている。

本開示は、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。

本開示の一形態によれば、マニホールドを有する燃料電池用のターミナルプレートが提供される。このターミナルプレートは、中央プレート部と、中央プレート部の外縁に形成された端子部と、を有する集電プレートと、前記集電プレートの面に沿った方向において、前記中央プレート部と並んで配置されている外側部プレートであって、前記マニホールドを構成するプレート貫通孔を有する外側部プレートと、前記中央プレート部と前記外側部プレートとを前記集電プレートの面と直交する方向に挟持する一対のセパレータであって、前記マニホールドを構成するセパレータ貫通孔を有する一対のセパレータと、を備える。前記外側部プレートは、弾性部材によって形成されている。
この形態のターミナルプレートによれば、マニホールドを構成する貫通孔（プレート貫通孔やセパレータ貫通孔）が外側部プレートとセパレータとに形成されているため、集電プレートにマニホールドを構成する貫通孔を形成する必要がない。このため、集電プレートの腐食を低減するために、マニホールドを構成する貫通孔を接着シール材によって覆う必要がない。したがって、燃料電池用のターミナルプレートにおいて、構造の複雑化を抑制できる。また、構造の複雑化に起因するターミナルプレートの製造に要する時間とコストの増加を抑制できる。

本開示は、上記のターミナルプレート以外の種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ターミナルプレートを備えた燃料電池や燃料電池システム等の形態で実現することが可能である。

実施形態に係るターミナルプレートが適用される燃料電池の概略図。実施形態に係るターミナルプレートの概略図。集電プレートと外側部プレートの模式図。ターミナルプレートの４−４部分断面図。従来例に係るターミナルプレートの断面図。

Ａ．実施形態
図１は、実施形態に係るターミナルプレート１１０が用いられる燃料電池２００を示す概略図である。燃料電池２００は、例えば車両等の移動体に搭載され、移動体の動力源として使用される。また、燃料電池２００は、定置型の家庭用電源としても使用されてもよい。燃料電池２００は、一対のエンドプレート１３０、１３１と、一対の絶縁板１２０、１２１と、一対のターミナルプレート１１０、１１１と、複数の単セル１００と、を備えている。燃料電池２００は、スタック構造を有し、第１のエンドプレート１３０と、第１の絶縁板１２０と、第１のターミナルプレート１１０と、複数の単セル１００と、第２のターミナルプレート１１１と、第２の絶縁板１２１と、第２のエンドプレート１３１とが、この順に積層されている。単セル１００は、燃料ガスである水素ガス及び酸化ガスである空気の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。単セル１００において電気化学反応により発生した電力は、ターミナルプレート１１０、１１１から取り出される。絶縁板１２０、１２１は、合成樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。エンドプレート１３０、１３１は、鋼等の金属によって形成され、剛性を有している。

燃料電池２００は、さらに、単セル１００への燃料ガス等の供給に用いられる供給マニホールドＭｉｎと、燃料ガス等の排出に用いられる排出マニホールドＭｏｕｔと、を有している。供給マニホールドＭｉｎは、燃料ガス供給マニホールドＭ１ｉｎと、酸化ガス供給マニホールドＭ２ｉｎと、冷媒供給マニホールドＭ３ｉｎと、を含む。排出マニホールドＭｏｕｔは、燃料ガス排出マニホールドＭ１ｏｕｔと、酸化ガス排出マニホールドＭ２ｏｕｔと、冷媒排出マニホールドＭ３ｏｕｔと、を含む。燃料ガス供給マニホールドＭ１ｉｎは、外部から単セル１００へと燃料ガス、例えば水素ガスを供給する。燃料ガス排出マニホールドＭ１ｏｕｔは、単セル１００の流路を通過した燃料ガスを外部へと排出する。酸化ガス供給マニホールドＭ２ｉｎは、単セル１００へと酸化ガス、例えば空気を供給する。酸化ガス排出マニホールドＭ２ｏｕｔは、単セル１００の流路を通過した酸化ガスを外部へと排出する。冷媒供給マニホールドＭ３ｉｎは、単セル１００へと冷媒、例えば水を供給する。冷媒排出マニホールドＭ３ｏｕｔは、単セル１００の流路を通過した冷媒を外部へと排出する。冷媒として用いられる水は、冷却水とも記載する。酸化ガスおよび燃料ガスは、反応ガスとも記載する。

ターミナルプレート１１０、１１１は、単セル１００の発電電力を集電する集電板であり、端子部１２、５２から集電した電力を外部へ出力する。第１のターミナルプレート１１０は、マニホールドＭ１ｉｎ〜Ｍ３ｏｕｔを構成する貫通孔Ｐｈ１〜Ｐｈ６（後述する図２）を備える。一方、第２のターミナルプレート１１１は、貫通孔Ｐｈ１〜Ｐｈ６を有さない。

図２は、第１のターミナルプレート１１０の概略図である。第１のターミナルプレート１１０（以下では、ターミナルプレート１１０と呼ぶ）は、積層された際にマニホールドＭ１ｉｎ〜Ｍ３ｏｕｔ（図１）を構成する貫通孔Ｐｈ１〜Ｐｈ６を有する。ターミナルプレート１１０は、集電プレート１０と、一対の外側部プレート２０、２１と、一対のセパレータ３０、３１と、を備える。貫通孔Ｐｈ１〜Ｐｈ６は、外側部プレート２０、２１に形成されたプレート貫通孔Ｐｈｐ１〜Ｐｈｐ６と、セパレータ３０、３１に形成されたセパレータ貫通孔Ｐｈｓ１〜Ｐｈｓ６と、によって構成されている。

集電プレート１０は、略矩形状の中央プレート部１１と、中央プレート部１１の外縁１５に形成された端子部１２と、を有する。集電プレート１０は、ターミナルプレート１１０において、貫通孔Ｐｈ１〜Ｐｈ６が形成されていない中央部ＣＡに配置されている。集電プレート１０は、集電した電力を端子部１２から外部へと出力する。集電プレート１０が集電した電力を出力する際には、端子部１２に電力が集中する。中央プレート部１１より断面積が小さい端子部１２は、中央プレート部１１と比べて発熱しやすい。集電プレート１０は、通常の使用において端子部１２が高温にならない程度の導電性を有する金属によって構成されている。高温とは、例えば、端子部１２と隣接する部材が劣化する温度以上の温度である。導電性が高い金属として、例えば、アルミニウムや銅を用いることができる。本実施形態において、集電プレート１０は、一対のセパレータ３０、３１に挟持されることによってターミナルプレート１１０の中央部ＣＡに固定されている。

外側部プレート２０、２１は、ターミナルプレート１１０において貫通孔Ｐｈ１〜Ｐｈ６が形成されている端部ＴＡ側に配置されている。外側部プレート２０、２１は、板状の弾性部材によって形成されており、シール性を有する。シール性は、例えば、貫通孔Ｐｈ１〜Ｐｈ６を通過する冷却水および反応ガスがターミナルプレート内部に侵入しない程度のシール性である。シール性を有する弾性部材としては、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）や、フッ素ゴム（ＦＫＭ）などの合成ゴムを用いることができる。外側部プレート２０、２１は、さらに、マニホールドＭ１ｉｎ〜Ｍ３ｏｕｔを構成するプレート貫通孔Ｐｈｐ１〜Ｐｈｐ６を有する。

図３は、集電プレート１０と外側部プレート２０、２１の模式図である。外側部プレート２０、２１は、集電プレート１０の面に沿った方向において、中央プレート部１１の両側に配置されている。具体的には、集電プレート１０の厚み方向と直交する幅方向（図３の左右方向）において、外側部プレート２０、中央プレート部１１、外側部プレート２１の順に並んで配置されている。本実施形態において、集電プレート１０と中央プレート部１１との境界ＲＬは、接着されていない。なお、厚み方向と幅方向に直交する方向が、集電プレート１０の高さ方向（図３の上下方向）であり、端子部１２は、中央プレート部１１の上側の外縁１５に形成されている。また、中央プレート部１１の幅方向は、ターミナルプレート１１０の長手方向と平行である。

セパレータ３０、３１（図２）は、略矩形状の金属板であり、長手方向の端部ＴＡにマニホールドＭ１ｉｎ〜Ｍ３ｏｕｔ（図１）を構成する貫通孔Ｐｈｓ１〜Ｐｈｓ６を有する。一対のセパレータ３０、３１は、中央プレート部１１と外側部プレート２０、２１とを集電プレート１０の面と直交する方向（厚み方向）に挟持する。セパレータ３０、３１は、耐食性を有する金属によって構成されていることが好ましい。耐食性は、セパレータ３０、３１が冷却水等に晒され、かつ、電流を印加された場合であっても腐食による燃料電池２００の性能の低下を防止または抑制できる程度の耐食性である。耐食性を有する金属としては、例えば、チタンやステンレス鋼を採用できる。セパレータ３０、３１による中央プレート部１１の挟持状態は、外側部プレート２０、２１とセパレータ３０、３１が接着されることによって維持されている。外側部プレート２０、２１とセパレータ３０、３１との接着には、例えば、接着剤による接着や加硫による接着を用いることができる。

以下では、図４および図５を用いて、実施形態に係るターミナルプレート１１０の構造と従来例に係るターミナルプレート２１０の構造とを比較する。図４は、図２のターミナルプレート１１０の４−４部分断面図である。図５は、従来例に係るターミナルプレート２１０の断面図である。

図４に示すように、実施形態に係るターミナルプレート１１０の貫通孔Ｐｈ１、Ｐｈ２の周辺では、弾性部材によって形成された外側部プレート２０が一対のセパレータ３０、３１によって挟持された構造を有する。これにより、外側部プレート２０によって貫通孔Ｐｈ１、Ｐｈ２の周辺の隙間がシールされている。

図５に示すように、従来例に係る第１のターミナルプレート２１０の貫通孔ｐｈ１、ｐｈ２の周辺では、集電プレート７１が一対のセパレータ８０、８１によって挟持された構造を有する。貫通孔ｐｈ１、ｐｈ２は、セパレータ８０、８１に形成されたセパレータ貫通孔ｐｈｓ１、ｐｈｓ２と、集電プレート７１に形成された集電プレート貫通孔ｐｈｃ１、ｐｈｃ２と、によって構成されている。このため、従来例では、集電プレート７１が反応ガス、もしくは冷媒と直接接触しないように、貫通孔ｐｈ１、ｐｈ２が、接着シール材６０によってシールされている。また、接着シール材によって、セパレータ８０、８１による集電プレート７１の挟持状態が維持されている。したがって、ターミナルプレート２１０は、実施形態に係るターミナルプレート１１０と比べて構造が複雑化する。

以上説明した実施形態のターミナルプレート１１０によれば、マニホールドＭ１ｉｎ〜Ｍ３ｏｕｔを構成する貫通孔Ｐｈ１〜Ｐｈ６が外側部プレート２０、２１とセパレータ３０、３１とによって形成されている。よって、集電プレート１０は反応ガス等が流通する貫通孔を有さない中実の部材である。このため、集電プレート１０の腐食を低減するために、貫通孔Ｐｈ１〜Ｐｈ６を接着シール材によって覆う必要がない。この結果、燃料電池用のターミナルプレート１１０において、構造の複雑化を抑制できる。また、構造の複雑化に起因するターミナルプレート１１０の製造に要する時間とコストの増加を低減できる。

また上記実施形態の集電プレート１０によれば、貫通孔Ｐｈ１〜Ｐｈ６が形成されていない中央部ＣＡに配置されている。また、中央プレート部１１は、セパレータ３０、３１によって挟持されている。したがって、集電プレート１０は、冷却水および反応ガスに直接接触しないように配置されている。これにより、集電プレート１０が冷却水および反応ガスによって腐食することを抑制できる。

また上記実施形態の集電プレート１０によれば、外側部プレート２０、２１は、弾性部材によって構成されている。このため、外側部プレート２０、２１が弾性を有さない部材（例えば、ステンレス鋼）によって構成されている場合と比べて、集電プレート１０が図２において矢印ＷＤによって示す方向に膨張する際の境界ＲＬへの応力を低減できる。したがって、集電プレート１０が収縮と膨張を繰り返すことによる、外側部プレート２０、２１および集電プレート１０の劣化を抑制できる。

また、ターミナルプレート１１０では、中央プレート部１１の厚みＴｈにばらつきがある場合でも、弾性部材によって構成された外側部プレート２０、２１の形状が変化するため、セパレータ３０、３１による集電プレート１０の挟持が可能である。したがって、ターミナルプレート１１０は、外側部プレート２０、２１が弾性を有していない場合と比べて、製造時における集電プレート１０の厚みＴｈの公差を大きくすることができる。

Ｂ．変形例
上記の実施形態において、中央プレート部１１と一対の外側部プレート２０、２１は接触しているが、接触しないように間隔を開けて配置してもよい。本変形例によれば、実施形態と同様の効果を得られる。

本開示は、上述の実施形態や変形例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例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、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。

１０、７１…集電プレート
１１…中央プレート部
１２、５２…端子部
１５…外縁
２０、２１…外側部プレート
３０、３１、８０、８１…セパレータ
６０…接着シール材
１００…単セル
１１０、１１１、２１０…ターミナルプレート
１２０、１２１…絶縁板
１３０、１３１…エンドプレート
２００…燃料電池
ＣＡ…中央部
ＴＡ…端部
Ｍｉｎ、Ｍ１ｉｎ〜Ｍ３ｉｎ…供給マニホールド
Ｍｏｕｔ、Ｍ１ｏｕｔ〜Ｍ３ｏｕｔ…排出マニホールド
Ｐｈ１〜Ｐｈ６、ｐｈ１、ｐｈ２…貫通孔
Ｐｈｐ１〜Ｐｈｐ６…プレート貫通孔
Ｐｈｓ１〜Ｐｈｓ６、ｐｈｓ１、ｐｈｓ２…セパレータ貫通孔
ｐｈｃ１、ｐｈｃ２…集電プレート貫通孔

Claims

マニホールドを有する燃料電池用のターミナルプレートであって、
中央プレート部と、前記中央プレート部の外縁に形成された端子部と、を有する集電プレートと、
前記集電プレートの面に沿った方向において、前記中央プレート部と並んで配置されている外側部プレートであって、前記マニホールドを構成するプレート貫通孔を有する外側部プレートと、
前記中央プレート部と前記外側部プレートとを前記集電プレートの面と直交する方向に挟持する一対のセパレータであって、前記マニホールドを構成するセパレータ貫通孔を有する一対のセパレータと、を備え、
前記外側部プレートは、弾性部材によって形成されている、
燃料電池用のターミナルプレート。