KR101811506B1 - 연료 전지용 터미널 플레이트, 연료 전지용 터미널 플레이트의 제조 방법 및 연료 전지 - Google Patents

연료 전지용 터미널 플레이트, 연료 전지용 터미널 플레이트의 제조 방법 및 연료 전지 Download PDF

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Abstract

터미널 플레이트(160F)는, 집전 단자(161)를 갖는 도전성 알루미늄제의 코어 플레이트(181)를 내식성이 높은 티타늄제의 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)로 끼움 지지한다. 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 양 플레이트는, 그 플레이트 외주연을 코어 플레이트(181)의 외주연보다 외측으로 연장시키고 있고, 플레이트 접착 시일재(184)는 코어 플레이트(181)를 포함하는 각 플레이트의 외주연을 피복하여, 플레이트 끼움 지지 상태를 유지한다. 코어 플레이트(181)는, 그 외주연의 단부면을 금 도금으로 처리 완료로 하고 있으므로, 당해 외주연 단부면에서, 플레이트 접착 시일재(184)와 비접착 상태로 되어 있다.

Description

연료 전지용 터미널 플레이트, 연료 전지용 터미널 플레이트의 제조 방법 및 연료 전지 {FUEL CELL TERMINAL PLATE, FUEL CELL TERMINAL PLATE MANUFACTURING METHOD, AND FUEL CELL}
본 발명은, 연료 전지용 터미널 플레이트, 연료 전지용 터미널 플레이트의 제조 방법 및 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는, 발전 단위로 되는 연료 전지 셀이 복수 적층된 스택 구조를 구비하고, 발전 전력을 외부로 취출하기 위해, 복수 적층된 연료 전지 셀의 양단부에 터미널 플레이트를 구비하고 있다. 최근, 터미널 플레이트를 내식성의 금속 플레이트와 도전성이 양호한 금속 플레이트의 층 구조에 의해 구성하여, 터미널 플레이트의 내구성을 높이는 방법이, 예를 들어 일본 특허 공개 제2009-187729호 공보에 제안되어 있다.
상기 특허문헌에 제안되어 있는 터미널 플레이트는, 이종 금속의 플레이트의 층 구조를 채용하는 것에 있어서, 플레이트 평면(표면) 뿐만 아니라, 플레이트 단부면에 대해서도 내식성 도전 재료층, 예를 들어 도전성 금속 분말을 혼입한 열경화 수지로 피복되어 있다. 플레이트 단부면이 내식성 도전 재료층으로 피복되고, 터미널 플레이트는 그 외주연에서 고정되어 있으므로, 각 플레이트의 선팽창 계수의 상이에 의한 플레이트간의 어긋남이나 플레이트끼리의 접촉면에서의 전식을 피할 수 있다.
그러나, 터미널 플레이트를 구성하는 이종 금속 플레이트는, 선팽창 계수가 상이하므로, 연료 전지의 발전 운전 중에, 팽창과 수축의 정도가 다르고, 이종 금속 플레이트의 플레이트 단부면에서는, 플레이트 단부면에 접착하고 있는 내식성 도전 재료층이 플레이트의 팽창·수축에 추종한 압박이나 당김을 반복하여 받으므로, 내식성 도전 재료층이 열화될 우려가 있었다. 상기 문헌에서는, 이러한 플레이트의 팽창·수축에 대한 대처가 충분히 고려되어 있지 않으므로, 연료 전지, 이종 금속의 플레이트층 구조를 구비하는 터미널 플레이트의 내구성의 향상에 대한 개선의 여지가 지적되기에 이르렀다. 이 밖에, 내구성의 향상을 도모하는 데 있어서의 간편한 대처나, 연료 전지의 제조 비용의 저감 등을 가능하게 하는 것도 요청되고 있다.
상기한 과제의 적어도 일부를 달성하기 위해, 본 발명은 이하의 형태로 하여 실시할 수 있다.
제1 형태는 연료 전지용 터미널 플레이트를 제공한다. 제1 형태에 관한 연료 전지용 터미널 플레이트는, 단자부를 갖는 도전성의 제1 금속 플레이트와, 상기 제1 금속 플레이트보다 높은 내식성을 갖고, 상기 제1 금속 플레이트의 표면 및 이면에 각각 배치되어 있는 제2 및 제3 금속 플레이트이며, 상기 제1 금속 플레이트의 외주연보다 외측으로 연신되어 있는 외측 테두리부를 갖는 제2와 제3 금속 플레이트와, 상기 제2 및 제3 금속 플레이트의 상기 외측 테두리부와 접착하고, 상기 제1, 제2 및 제3 금속 플레이트의 상기 외주연을 시일하는 탄성 시일재를 구비한다.
제1 형태에 관한 연료 전지용 터미널 플레이트는, 선팽창 계수의 상이에 의해 각 금속 플레이트가 서로 다른 정도로 팽창과 수축을 반복해도, 제2와 제3 금속 플레이트 사이에 끼워져 있는 제1 금속 플레이트에 대해서는, 탄성 시일재와 접착되어 있지 않으므로, 제1 금속 플레이트의 수축에 추종하는 탄성 시일재의 당김을 초래하지 않는다. 따라서, 제1 형태에 관한 연료 전지용 터미널 플레이트에 의하면, 탄성 시일재의 열화를 억제하여, 내구성의 향상에 기여할 수 있다.
제1 형태에 관한 터미널 플레이트에 있어서, 상기 탄성 시일재는, 상기 제1 금속 플레이트의 표면 및 이면에 배치되어 있는 상태에서 대향하는 상기 제2 및 제3 금속 플레이트의 상기 외측 테두리부와 접착해도 된다. 또, 상기 탄성 시일재는 또한, 상기 제2 및 제3 금속 플레이트의 상기 외주연의 단부면과 접착해도 된다. 이들 제1 형태에 관한 터미널 플레이트에 의하면, 시일 성능을 유지하면서, 탄성 시일재의 열화를 억제할 수 있다.
제1 형태에 관한 연료 전지용 터미널 플레이트에 있어서, 상기 각 금속 플레이트의 외측 테두리부에, 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각수를 공급하기 위해 공급 관통 구멍 및 배출하기 위한 배출 관통 구멍을 각각에 대해 구비하고, 상기 제1 금속 플레이트는, 상기 공급 관통 구멍 및 배출 관통 구멍보다 대직경의 플레이트 관통 구멍을 구비하고, 상기 제2와 제3 금속 플레이트는, 상기 공급 관통 구멍 및 배출 관통 구멍보다 대직경이고 상기 제1 금속 플레이트의 상기 플레이트 관통 구멍보다는 소직경의 플레이트 관통 구멍을 각각 구비한다. 상기 탄성 시일재는, 대향하는 상기 제2 및 제3 금속 플레이트에 있어서의 상기 플레이트 관통 구멍의 구멍 주연부와 접착하고, 상기 공급 관통 구멍 및 배출 관통 구멍을 형성해도 된다. 제1 형태에 관한 터미널 플레이트에 의하면, 공급 관통 구멍 및 배출 관통 구멍의 주위인 구멍 주연부에 있어서도, 탄성 시일재는 제1 금속 플레이트와 접착하지 않으므로, 제1 금속 플레이트의 수축에 추종한 탄성 시일재의 당김을 초래하지 않도록 할 수 있어, 탄성 시일재의 열화 억제, 내구성의 향상의 관점에서 적합하게 된다.
제1 형태에 관한 터미널 플레이트에 있어서, 상기 탄성 시일재는 또한, 상기 제2 및 제3 금속 플레이트의 상기 플레이트의 관통 구멍의 구멍 내주벽과 접착해도 된다. 제1 형태에 관한 터미널 플레이트에 의하면, 관통 구멍에 있어서의 시일성을 유지하면서, 탄성 시일재의 열화를 억제할 수 있다.
제1 형태에 관한 터미널 플레이트에 있어서, 상기 제1 금속 플레이트의 적어도 외측 테두리부에 있어서의 표면 및 이면, 상기 외주연의 단부면에는 금 도금 처리가 실시되어 있어도 된다. 제1 형태에 관한 터미널 플레이트에 의하면, 제1 금속 플레이트와 탄성 시일재의 접착을 보다 용이하게 억제 또는 방지할 수 있다.
제2 형태는, 연료 전지를 제공한다. 제2 형태에 관한 연료 전지는, 발전 단위로 되는 연료 전지 셀을 복수 적층한 셀 스택과, 상기 셀 스택의 적층 방향의 일단부와 타단부에 배치되는 상기 제1 형태에 관한 터미널 플레이트 중 어느 하나를 구비한다. 제2 형태에 관한 연료 전지에서는, 탄성 시일재의 열화 억제를 통해 내구성이 향상된 터미널 플레이트를 가지므로, 연료 전지로서의 내구성의 향상이나 전지 수명의 장수명화를 가능하게 한다. 또한, 제2 형태에 관한 연료 전지에 의하면, 기존의 연료 전지에 있어서 터미널 플레이트 세퍼레이터를 치환하면 되므로, 그 제조 비용의 저감이 가능하다.
제3 형태는, 연료 전지용 터미널 플레이트의 제조 방법을 제공한다. 제3 형태에 관한 연료 전지용 터미널 플레이트의 제조 방법은, 제1 금속 플레이트의 표면 및 이면에 있어서의 적어도 외측 테두리부 및 외주연의 단부면에 금 도금 처리를 실시하고, 상기 금 도금 처리가 실시된 제1 금속 플레이트를 제2 금속 플레이트에 적재하고, 상기 금 도금 처리가 실시된 제1 금속 플레이트의 상기 외주연의 단부면을 덮도록 탄성 시일재를 배치하고, 제3 금속 플레이트를 상기 금 도금 처리가 실시된 제1 금속 플레이트에 적재하여, 상기 제1, 제2 및 제3 금속 플레이트의 적층체를 형성하고, 상기 적층체를 가열하는 것을 구비한다. 제3 형태에 관한 연료 전지용 터미널 플레이트의 제조 방법에 의하면, 선팽창 계수의 상이에 의해 각 금속 플레이트가 서로 다른 정도로 팽창과 수축을 반복해도, 제2 및 제3 금속 플레이트 사이에 끼워져 있는 제1 금속 플레이트에 대해서는, 탄성 시일재와 접착되어 있지 않으므로, 제1 금속 플레이트의 수축에 추종하는 탄성 시일재의 당김을 초래하지 않는다. 따라서, 탄성 시일재의 열화를 억제하여, 내구성의 향상에 기여할 수 있는 연료 전지용 터미널 플레이트를 제조할 수 있다.
제3 형태에 관한 제조 방법에 있어서, 상기 제1 금속 플레이트는 관통 구멍을 갖고 있고, 상기 금 도금 처리는, 상기 관통 구멍의 구멍 내주벽에 대해서도 실시되고, 상기 탄성 시일재의 배치는 또한, 상기 관통 구멍의 구멍 내주벽을 덮도록 실행되어도 된다. 이 제3 형태에 관한 제조 방법에 의하면, 관통 구멍 주위의 시일성을 유지하면서, 탄성 시일재의 열화를 억제하여, 내구성의 향상에 기여할 수 있는 연료 전지용 터미널 플레이트를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하고, 예를 들어 연료 전지용 터미널 플레이트의 제조 방법이나 연료 전지 셀로서의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태로서의 연료 전지(10)의 구성을 도시하는 개략 사시도이다.
도 2는 터미널 플레이트(160F)와 유닛 셀(100)과 터미널 플레이트(160E)의 배치 상태를 개략적으로 도시하는 설명도이다.
도 3은 도 2에 있어서의 3-3선에서 터미널 플레이트(160F)를 단면으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 2에 있어서의 4-4선에서 터미널 플레이트(160E)를 단면으로 도시한 단면도이다.
도 5는 실시 형태에 관한 터미널 플레이트의 제조 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 다른 실시 형태의 터미널 플레이트(160F)를 도시하는 개략 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해, 도면에 기초하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 형태로서의 연료 전지(10)의 구성을 도시하는 개략 사시도이다. 연료 전지(10)는, 연료 전지 셀인 유닛 셀(100)을 Z방향(이하, 「적층 방향」이라고도 칭함)으로 복수 적층하고, 한 쌍의 엔드 플레이트(170F, 170E)로 끼움 지지한 스택 구조를 갖고 있다. 연료 전지(10)는, 전단부측의 엔드 플레이트(170F)와 유닛 셀(100) 사이에, 전단부측의 절연판(165F)을 개재시켜 전단부측의 터미널 플레이트(160F)를 갖는다. 연료 전지(10)는, 후단부측의 엔드 플레이트(170E)와 유닛 셀(100) 사이에도, 마찬가지로, 후단부측의 절연판(165E)을 개재시켜 후단부측의 터미널 플레이트(160E)를 갖는다. 유닛 셀(100)과, 터미널 플레이트(160F, 160E)와, 절연판(165F, 165E) 및 엔드 플레이트(170F, 170E)는, 각각 대략 직사각 형상의 외형을 갖는 플레이트 구조를 갖고 있고, 긴 변이 X방향(수평 방향)이고 짧은 변이 Y방향(수직 방향, 연직 방향)을 따르도록 배치되어 있다. 또한, 전단부측 및 후단부측이라 함은, 연료 전지(10)의 길이 방향의 각각 일단부측을 의미한다.
전단부측에 있어서의 엔드 플레이트(170F)와 절연판(165F)과 터미널 플레이트(160F)는, 연료 가스 공급 구멍(172IN) 및 연료 가스 배출 구멍(172OT)과, 산화제 가스 공급 구멍(174IN) 및 산화제 가스 배출 구멍(174OT)과, 냉각수 공급 구멍(176IN) 및 냉각수 배출 구멍(176OT)을 갖는다. 이들 각 공급 구멍 및 배출 구멍은, 각 유닛 셀(100)의 대응하는 위치에 형성되어 있는 각 공급 구멍 및 배출 구멍(도시하지 않음)이 적층 연결됨으로써, 각각에 대응하는 가스 혹은 냉각수의 공급 매니폴드 및 배출 매니폴드를 구성한다. 그 한편, 후단부측에 있어서의 엔드 플레이트(170E)와 절연판(165E)과 터미널 플레이트(160E)에는, 이들 급배 구멍은 형성되어 있지 않다. 이것은, 반응 가스(연료 가스, 산화제 가스) 및 냉각수를 전단부측의 엔드 플레이트(170F)로부터 각각의 유닛 셀(100)에 대해 공급 매니폴드를 통해 공급하면서, 각각의 유닛 셀(100)로부터의 배출 가스 및 배출수를 전단부측의 엔드 플레이트(170F)로부터 외부에 대해 배출 매니폴드를 통해 배출하는 타입의 연료 전지인 것에 의한다. 단, 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 전단부측의 엔드 플레이트(170F)로부터 반응 가스 및 냉각수를 공급하고, 후단부측의 엔드 플레이트(170E)로부터 배출 가스 및 배출수가 외부로 배출되는 타입 등의 다양한 타입으로 할 수 있다.
산화제 가스 공급 구멍(174IN)은, 전단부측의 엔드 플레이트(170F)의 하단부의 외측 테두리부에 X방향(긴 변 방향)을 따라 배치되어 있고, 산화제 가스 배출 구멍(174OT)은, 상단부의 외측 테두리부에 X방향을 따라 배치되어 있다. 연료 가스 공급 구멍(172IN)은, 전단부측의 엔드 플레이트(170F)의 우측 단부의 외측 테두리부 Y방향(짧은 변 방향)의 상단부에 배치되어 있고, 연료 가스 배출 구멍(172OT)은, 좌측 단부의 외측 테두리부의 Y방향의 하단부에 배치되어 있다. 냉각수 공급 구멍(176IN)은, 연료 가스 공급 구멍(172IN)의 하측에 Y방향을 따라 배치되어 있고, 냉각수 배출 구멍(176OT)은, 연료 가스 배출 구멍(172OT)의 상측에 Y방향을 따라 배치되어 있다. 또한, 상기한 각 급배 구멍은, 유닛 셀(100)에 있어서는, 복수의 급배 구멍에 후술하는 바와 같이 나뉘어져 있다. 또한, 본 실시예에 있어서, 외측 테두리부라 함은, 각 플레이트의 외주연과 중앙 영역 사이에 위치하는 외측 테두리의 영역을 의미한다.
전단부측의 터미널 플레이트(160F) 및 후단부측의 터미널 플레이트(160E)는, 각 유닛 셀(100)의 발전 전력의 집전판이며, 집전 단자(161)로부터 집전한 전력을 외부로 출력한다. 양 터미널 플레이트에 대해서는, 후술한다.
도 2는 터미널 플레이트(160F)와 유닛 셀(100)과 터미널 플레이트(160E)의 배치 모습을 개략적으로 도시하는 설명도이다. 도시하는 바와 같이, 유닛 셀(100)은, 애노드측 세퍼레이터(120)와 캐소드측 세퍼레이터(130)와 접착 시일(140)을 구비하고, 접착 시일(140)은 도면에 도시하는 세퍼레이터 중앙 영역(101)에 걸쳐 막 전극 가스 확산층 접합체(MEGA: Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)(110)를 보유 지지하고, MEGA(110)의 외주연을 시일한다. 유닛 셀(100)은, MEGA(110)를 보유 지지 완료의 접착 시일(140)을 애노드측 세퍼레이터(120)와 캐소드측 세퍼레이터(130) 사이에 끼움 지지함으로써, 세퍼레이터 중앙 영역(101)에 있어서, MEGA(110)를 끼움 지지하고, 세퍼레이터 중앙 영역(101)의 주위의 외측 테두리부(103)에 있어서는, 양 세퍼레이터 사이를 접착 시일(140)로 시일한다.
MEGA(110)는, 전해질막의 양면에 한 쌍의 촉매 전극층이 형성된 막 전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)를 포함하고, 이 MEA를 가스 확산 투과를 도모하는 가스 확산층(Gas Diffusion Layer/GDL)으로 끼움 지지하여 구성되는 발전체이다. 또한, MEGA를 MEA라 칭하는 경우도 있다.
애노드측 세퍼레이터(120) 및 캐소드측 세퍼레이터(130)는, 가스 차단성 및 전자 전도성을 갖는 부재에 의해 구성되어 있고, 예를 들어 카본 입자를 압축하여 가스 불투과로 한 치밀질 카본 등의 카본제 부재나, 프레스 성형한 스테인리스강이나 티타늄강 등의 금속 부재에 의해 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 스테인리스강을 프레스 성형함으로써, 애노드측 세퍼레이터(120)를 제작하였다.
애노드측 세퍼레이터(120)는, MEGA(110)측의 면에, 복수의 홈 형상의 연료 가스 유로를 구비하고, 반대측의 면에, 복수의 홈 형상의 냉각수 유로를 구비하고, 이 양 유로를, 세퍼레이터 표리면에서 교대로 배열하고 있다. 유닛 셀(100)은, 애노드측 세퍼레이터(120)와 접착 시일(140) 및 캐소드측 세퍼레이터(130)를 관통하는 연료 가스 공급 구멍(102IN) 및 연료 가스 배출 구멍(102OT)과, 복수의 산화제 가스 공급 구멍(104IN) 및 산화제 가스 배출 구멍(104OT)과, 복수의 냉각수 공급 구멍(106IN) 및 냉각수 배출 구멍(106OT)을 구비한다. 이들 급배 구멍은, 엔드 플레이트(170F)에 있어서의 연료 가스 공급 구멍(172IN) 등과 연결되어, 셀 내에 있어서 상술한 매니폴드로서 기능한다. 또한, 애노드측 세퍼레이터(120)에 있어서의 유로는, 본 발명의 요지와 직접 관계되지 않으므로, 그 상세한 설명에 대해서는, 이것을 생략한다.
접착 시일(140)은, 시일성과 절연성을 갖는 수지 혹은 고무 등으로 형성되고, 그 중앙에, MEGA(110)의 직사각 형상에 적합한 도시하지 않은 발전 영역 창을 갖고, 이 발전 영역 창에 MEGA(110)가 조립되어 장착된다. 접착 시일(140)은, MEGA(110)를 발전 영역 창에 조립한 상태에서, 애노드측 세퍼레이터(120)와 캐소드측 세퍼레이터(130)를 각각의 급배 구멍 주위를 포함하여 시일한다. 또한, 애노드측 및 세퍼레이터측의 양 세퍼레이터는, 유닛 셀(100)이 적층된 때의 연료 가스, 산화제 가스, 냉각수마다의 급배 구멍의 시일성을 세퍼레이터끼리의 접합면에서 확보하기 위해, 연료 가스용 시일재(300)와, 산화제용 시일재(301)와, 냉각수용 시일재(302)를 구비한다.
연료 전지(10)에 있어서의 전단부측의 터미널 플레이트(160F)와 후단부측의 터미널 플레이트(160E)는, 급배 구멍의 유무에 있어서 상이하고, 다른 구성에 대해서는, 거의 마찬가지이다. 도 3은 도 2에 있어서의 3-3선에서 터미널 플레이트(160F)를 단면으로 도시한 단면도, 도 4는 도 2에 있어서의 4-4선에서 터미널 플레이트(160E)를 단면으로 도시한 단면도이다.
도시하는 바와 같이, 터미널 플레이트(160F)는, 집전 단자(161)(도 1-2 참조)를 갖는 코어 플레이트(181)와, 셀측 플레이트(182)와, 엔드 플레이트측 플레이트(183)와, 플레이트 접착 시일재(184)와, 플레이트간 핀(185)을 갖는다. 또한 터미널 플레이트(160F)는, 상기한 각 플레이트를 관통하는 연료 가스 공급 구멍(162IN) 및 연료 가스 배출 구멍(162OT)과, 산화제 가스 공급 구멍(164IN) 및 산화제 가스 배출 구멍(164OT)과, 냉각수 공급 구멍(166IN) 및 냉각수 배출 구멍(166OT)을 구비한다. 이들 급배 구멍은, 엔드 플레이트(170)에 있어서의 연료 가스 공급 구멍(172IN) 등이나 유닛 셀(100)의 연료 가스 공급 구멍(102IN) 등과 연결되어, 유닛 셀에의 가스·냉각수 매니폴드로서 기능한다.
코어 플레이트(181)는, 도전성을 구비하는 금속제의 플레이트, 예를 들어 금, 은, 구리, 알루미늄 등의 금속제의 플레이트이며, 본 실시 형태에서는, 저비용화와 경량화의 관점에서, 코어 플레이트(181)를 1.0∼5.0㎜ 정도의 두께의 알루미늄 플레이트로 하였다. 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 양 플레이트는, 코어 플레이트(181)에 비해 내식성이 높은 성상의 티타늄 등의 금속 플레이트(두께 0.1∼1.0㎜)이며, 코어 플레이트(181)보다 큰 외곽 형상으로 되어 있다. 따라서, 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 양 플레이트의 외주연인 플레이트 외주연은, 코어 플레이트(181)의 외주연보다도 외측으로 연신되어 있다. 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)는, 코어 플레이트(181)의 외주연보다도 외측 방향으로 밀려나온 상태에서 코어 플레이트(181)의 표면 및 이면에 배치된다. 코어 플레이트(181)는 후술하는 플레이트 접착 시일재(184)에 의해 형성되는 냉각수 공급 구멍(166IN)보다 대직경의 플레이트 관통 구멍(181h)을 구비한다. 셀측 플레이트(182) 및 엔드 플레이트측 플레이트(183)는 냉각수 공급 구멍(166IN)보다 대직경이고 코어 플레이트(181)의 플레이트 관통 구멍(181h)보다는 소직경의 플레이트 관통 구멍(182h, 183h)을 각각 구비한다.
플레이트 접착 시일재(184)는, 시일성과 탄성을 갖는 고무, 예를 들어 에틸렌·프로필렌·디엔 고무(EPDM)나, 니트릴 고무(NBR), 불소 고무(FKM) 등으로 형성된다. 플레이트 접착 시일재(184)는, 코어 플레이트(181)가 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)에 의해 끼워진 상태에 있어서, 셀측 플레이트(182)의 외주연과 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 외측 테두리부와 접착하고, 각 플레이트의 외주연을 피복, 시일한다. 보다 구체적으로는, 플레이트 접착 시일재(184)는 코어 플레이트(181)의 외주연으로부터 밀려나와 있는 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 외측 테두리부이며, 대향하고 있는 외측 테두리부와 접착하고, 각 플레이트의 외주연을 피복, 시일한다. 이 결과, 코어 플레이트(181)는 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(186)에 의해 끼움 지지된 상태로 유지된다고 할 수도 있다. 이 밖에, 플레이트 접착 시일재(184)는 냉각수 공급 구멍(166IN)을 형성하고, 당해 공급 구멍의 주위에 있어서도, 코어 플레이트(181)와 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 양 플레이트에 있어서의 각 플레이트 관통 구멍(181h∼183h)의 구멍 내주벽과, 플레이트 관통 구멍(182h∼183h)의 구멍 주연부에 상당하는 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 플레이트면과 접착하고, 이들의 단부면을 피복한다. 이 냉각수 공급 구멍(166IN)의 주위의 플레이트 접착 시일재(184)에 의한 피복은, 다른 급배 구멍인 연료 가스 공급 구멍(162IN), 연료 가스 배출 구멍(162OT), 산화제 가스 공급 구멍(164IN), 산화제 가스 배출 구멍(164OT) 및 냉각수 배출 구멍(166OT)의 주위에 대해서도 마찬가지이다.
플레이트간 핀(185)은, 플랜지를 구비한 핀 형상으로 되고, 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 측으로부터 타입되고, 소직경 핀부에서, 코어 플레이트(181)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)를 결합하여, 양 플레이트의 어긋남을 기계적으로 억제한다. 또한, 엔드 플레이트(170F)는, 플레이트간 핀(185)과 간섭하지 않도록 하여, 터미널 플레이트(160F)와 겹친다. 엔드 플레이트(170E)에 있어서도 마찬가지이다.
다음으로, 터미널 플레이트(160F)에 있어서의 플레이트 접착 시일재(184)에 의한 플레이트 피복의 상태를, 터미널 플레이트(160F)의 제조 순서를 포함하여 설명한다. 도 5는 터미널 플레이트의 제조 공정을 나타내는 흐름도이다. 먼저, 코어 플레이트(181)의 표면 및 이면과 외주연 단부면 및 플레이트 관통 구멍(181h)을 규정하는 구멍 내주벽에, 금 도금이 실시된다(스텝 S10). 표면 및 이면에 실시된 금 도금에 의해, 코어 플레이트(181)와 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 3매의 플레이트가 적층된 터미널 플레이트(160F)는, 플레이트면 전역에 걸쳐 내식성과 양호 도전성을 발휘한다. 또한, 금 도금 처리는, 코어 플레이트(181)의 적어도 외측 테두리부에 있어서의 표면 및 이면, 외주연 단부면 및 플레이트 관통 구멍의 구멍 내주벽에 실시되어 있어도 된다.
이어서, 금 도금 완료의 코어 플레이트(181)를 엔드 플레이트측 플레이트(183)에 적재한다(스텝 S20). 이때, 상기 양 플레이트는, 코어 플레이트(181)의 플레이트 관통 구멍(181h)과 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 플레이트 관통 구멍(183h)이 거의 동심으로 되도록 된다. 이 상태에서, 플레이트 접착 시일재(184)를 장착한다(스텝 S30). 플레이트 접착 시일재(184)는, 코어 플레이트(181)의 외주연 단부면을 둘러싸는 프레임 형상 시일부와, 연료 가스 공급 구멍(162IN), 냉각수 공급 구멍(166IN) 등이 형성 완료의 급배 구멍의 구멍 내주벽을 덮는 프레임 형상 시일부를 구비한다. 이들 시일부는, 코어 플레이트(181)의 외주연과 플레이트 관통 구멍에 끼움 삽입된 것과 같은 형태로 된다. 그 후, 셀측 플레이트(182)를 그 플레이트 관통 구멍(182h)이 코어 플레이트(181)의 플레이트 관통 구멍(181h)과 동심으로 되도록, 코어 플레이트(181)에 겹친다(스텝 S40). 이 상태에서, 각 플레이트를 가압 상황하에 두고, 연료 가스 공급 구멍(162IN), 냉각수 공급 구멍(166IN) 등의 급배 구멍의 구멍 주연부에 있어서, 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 측으로부터 플레이트 접착 시일재(184)를 소정 시간 가열하여, 냉각 양생을 도모한다(스텝 S50). 그 후, 플레이트간 핀(185)으로, 코어 플레이트(181)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)를 결합한다.
이에 의해, 플레이트 접착 시일재(184)는, 코어 플레이트(181)가 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 양 플레이트 사이에 끼워진 상태에 있어서, 각각의 각 플레이트의 외주연을 피복하여, 플레이트 끼움 지지 상태를 유지한다. 플레이트 접착 시일재(184)는, 또한 냉각수 공급 구멍(166IN) 등의 급배 구멍의 주위에 있어서도, 코어 플레이트(181), 셀측 플레이트(182) 및 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 양 플레이트에 있어서의 각 플레이트 관통 구멍(181h∼183h)의 구멍 내주벽과, 플레이트 관통 구멍(182h∼183h)의 구멍 주연부에 있어서의 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 플레이트면을 피복한다. 이러한 피복 상태에 있어서, 플레이트 접착 시일재(184)는 열용융을 거쳐, 도 3에 있어서 도트로 나타내는 영역, 즉, 플레이트 관통 구멍(182h∼183h)의 구멍 주연부에 있어서 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)와 접착한다. 그런데, 코어 플레이트(181)는, 금 도금 처리 완료이므로, 플레이트 접착 시일재(184)와의 계면인 플레이트 외주연의 단부면에 있어서는, 도금된 금에 의해 저활성으로 되어, 플레이트 접착 시일재(184)와는 접착하지 않고, 비접착 상태에 있다. 이것에 추가하여, 코어 플레이트(181)는 금 도금 완료의 플레이트 관통 구멍(181h)의 구멍 내주벽(181hs)에 있어서도, 당해 내주벽에 도금된 금에 의해 저활성으로 되어, 플레이트 접착 시일재(184)과는 접착하지 않는 비접착 상태에 있다. 또한, 도 3 및 도 4에 있어서는, 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 플레이트 외주연 단부가 플레이트 접착 시일재(184)와 접착되어 있는 모습이 명시되어 있지 않지만, 도 3에 도트로 나타내는 것과 마찬가지로, 대향하는 셀측 플레이트(182)의 외측 테두리부와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 외측 테두리부, 및 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 외주연 단부면은, 플레이트 접착 시일재(184)와 접착되어 있다.
터미널 플레이트(160E)에 있어서는, 연료 가스 공급 구멍(162IN) 등을 갖지 않으므로, 도 4에 도시하는 바와 같이, 코어 플레이트(181)가 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 양 플레이트 사이에 끼워진 상태에 있어서, 플레이트 접착 시일재(184)가 각각의 각 플레이트의 외주연을 피복하여, 플레이트 끼움 지지 상태를 유지한다. 그리고, 코어 플레이트(181)는, 금 도금 처리 완료이므로, 플레이트 접착 시일재(184)와의 계면인 플레이트 외주연의 단부면에 있어서, 플레이트 접착 시일재(184)와 접착하지 않는, 비접착 상태에 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지(10)가 갖는 터미널 플레이트(160F)와 터미널 플레이트(160E)는, 집전 단자(161)를 갖는 도전성의 알루미늄 플레이트인 코어 플레이트(181)를 내식성이 높은 티타늄제의 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183) 사이에 끼움 지지한다. 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 양 플레이트의 플레이트 외주연은 코어 플레이트(181)의 외주연보다 외측으로 연신되어 있고, 플레이트 접착 시일재(184)는 코어 플레이트(181)를 포함하는 각 플레이트의 외주연을 피복하여, 상기 플레이트의 끼움 지지 상태를 유지한다. 이때, 코어 플레이트(181)는 그 외주연의 단부면에 금 도금 처리가 실시되어 있으므로, 플레이트 접착 시일재(184)와는 접착하지 않는 비접착 상태에 있고, 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)는, 코어 플레이트(181)의 외주연보다 외측으로 연신되어, 대향하는 외측 테두리부와 외주연의 단부면에 있어서, 플레이트 접착 시일재(184)와 접착하고 있다.
상기한 터미널 플레이트(160F)와 터미널 플레이트(160E)를 조립한 유닛 셀(100)에 있어서, 연료 전지(10)의 발전 운전에 수반하여, 그리고/또는 외기온의 고저 추이에 수반하여, 셀 온도가 고저 추이되었다고 가정한다. 터미널 플레이트(160F)와 터미널 플레이트(160E)에서는, 코어 플레이트(181)와 그 상하의 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)(이하, 셀측·엔드 플레이트측의 양 플레이트를 외측 플레이트라 칭함)는, 그 선팽창 계수의 상이에 의해 서로 다른 정도로 팽창과 수축을 반복하고, 특히 선팽창 계수가 큰 코어 플레이트(181)는, 팽창과 수축의 정도가 커진다. 그러나, 외측 플레이트 사이에 끼움 지지된 코어 플레이트(181)는, 그 외주연 단부면에 있어서 금 도금 처리에 의해 플레이트 접착 시일재(184)와 비접착 상태에 있으므로, 코어 플레이트(181)의 수축에 추종한 플레이트 접착 시일재(184)의 당김, 되밀기를 초래하지 않는다. 따라서, 본 실시 형태의 연료 전지용 터미널 플레이트(160F)와 터미널 플레이트(160E)에 의하면, 플레이트 끼움 지지 상태를 유지하는 플레이트 접착 시일재(184)의 열화를 억제하여, 터미널 플레이트, 나아가서는 이것을 조립한 연료 전지(10)의 내구성을 높일 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지(10)가 갖는 터미널 플레이트(160F)는, 플레이트 외주연보다 내측에, 유닛 셀(100)의 연료 가스와 산화제 가스와 냉각수의 급배에 각각 관여하는 연료 가스 공급 구멍(162IN), 연료 가스 배출 구멍(162OT) 등의 공급 관통 구멍 및 배출 관통 구멍(이하, 양자를 총칭하여 「급배 관통 구멍」이라고도 칭함)을 구비한다. 그리고, 이들 급배 관통 구멍의 주위에 있어서, 본 실시 형태의 연료 전지(10)가 갖는 터미널 플레이트(160F)에서는, 코어 플레이트(181)는 연료 가스 공급 구멍(162IN), 연료 가스 배출 구멍(162OT) 등의 급배 관통 구멍보다 대직경의 플레이트 관통 구멍(181h)을 구비하고, 외측 플레이트는, 연료 가스 공급 구멍(162IN), 연료 가스 배출 구멍(162OT) 등의 급배 관통 구멍보다 대직경이고 플레이트 관통 구멍(181h)보다는 소직경의 플레이트 관통 구멍(182h∼183h)을 구비한다. 그리고, 본 실시 형태의 터미널 플레이트(160F)에서는, 플레이트 접착 시일재(184)는, 외측 플레이트의 사이에 개재되고, 연료 가스 공급 구멍(162IN), 연료 가스 배출 구멍(162OT) 등의 급배 관통 구멍을 형성하고, 각 금속 플레이트의 플레이트 관통 구멍(181h∼183h)의 구멍 내주벽을 피복한다. 이때, 코어 플레이트(181)는 플레이트 관통 구멍(181h)의 구멍 내주벽(181hs)을 금 도금으로 처리 완료로 하고 있으므로, 플레이트 접착 시일재(184)와 비접착 상태에 있다. 셀측 플레이트(182)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 외측 플레이트는, 플레이트 관통 구멍(182h, 183h)의 구멍 주연부에 있어서의 대향하는 각 플레이트면과 플레이트 관통 구멍(182h 및 183h)의 구멍 내주벽, 및 앞서 서술한 플레이트 외주연의 단부면에 있어서, 플레이트 접착 시일재(184)와 접착하고 있다. 그렇게 하면, 전술한 바와 같이 셀 온도가 고저 추이되었다고 해도, 터미널 플레이트(160F)에서는, 코어 플레이트(181)의 플레이트 외주연 단부면에서의 플레이트 접착 시일재(184)의 당김 회피에 추가하여, 연료 가스 공급 구멍(162IN), 연료 가스 배출 구멍(162OT) 등의 급배 관통 구멍의 주위에 있어서도, 코어 플레이트(181)의 큰 수축에 추종한 플레이트 접착 시일재(184)의 당김을 초래하지 않도록 할 수 있다. 이 결과, 본 실시 형태의 연료 전지용 터미널 플레이트(160F)에 의하면, 플레이트 접착 시일재(184)의 열화를 높은 실효성으로 억제할 수 있음과 함께, 연료 전지(10)의 내구성의 향상의 관점에서 적합하게 된다.
본 실시 형태의 연료 전지(10)가 갖는 터미널 플레이트(160F)와 터미널 플레이트(160E)는, 플레이트간 핀(185)으로 코어 플레이트(181)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 어긋남을 기계적으로 억제한다. 따라서, 연료 전지(10)를 예를 들어 차량 등에 탑재한 경우에, 만일, 충돌에 의한 충격이 연료 전지(10)의 각 부에 가해져도, 코어 플레이트(181)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)를 부주의하게 어긋나지 않도록 할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지(10)에서는, 발전 단위로 되는 연료 전지 셀인 유닛 셀(100)을 복수 적층한 후, 적층 방향 일단부의 측과 타단부의 측에 터미널 플레이트(160F)와 터미널 플레이트(160E)를 배치하여 구비한다. 본 실시 형태의 연료 전지(10)에 의하면, 플레이트 접착 시일재(184)의 열화 억제를 통해 내구성이 향상된 터미널 플레이트(160F)와 터미널 플레이트(160E)를 조립함으로써 연료 전지(10)로서의 내구성의 향상이나 전지 수명의 장수명화를 도모할 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 연료 전지(10)에 의하면, 기존의 연료 전지에 있어서의 터미널 플레이트를 터미널 플레이트(160F)와 터미널 플레이트(160E)로 치환하면 되므로, 그 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 내용의 란에 기재된 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 혹은 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 적절히 교체나, 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히 삭제하는 것이 가능하다.
상기한 실시 형태의 터미널 플레이트(160F)와 터미널 플레이트(160E)에서는, 1개의 플레이트간 핀(185)에 의해 코어 플레이트(181)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)의 어긋남을 기계적으로 억제하였지만, 다음과 같이 할 수 있다. 도 6은 다른 실시 형태의 터미널 플레이트(160F)를 도시하는 개략 사시도이다. 도시하는 바와 같이, 이 실시 형태의 터미널 플레이트(160F)는, 2개의 플레이트간 핀(185)으로, 코어 플레이트(181)와 엔드 플레이트측 플레이트(183)를 결합하고(도 3 참조), 양 플레이트의 어긋남을 기계적으로 억제한다. 이와 같이 하면, 양 플레이트의 회전 어긋남과 같은 어긋남에 대해서도, 억제할 수 있다.
상기한 실시 형태의 터미널 플레이트(160F)에 있어서, 적층되는 유닛 셀(100)과의 관계에서, 당해 유닛의 측에서 냉각수 유로를 형성할 필요가 있는 경우에는, 당해 유로 형성을 위한 금속 플레이트를 셀측 플레이트(182)에 설치하면 된다.
상기한 실시 형태의 터미널 플레이트(160F)와 터미널 플레이트(160E)에서는, 코어 플레이트(181)에 금 도금을 실시함으로써, 외주연 단부면과 구멍 내주벽(181hs)에 있어서 플레이트 접착 시일재(184)와 비접착으로 하였지만, 금 도금에 한정되지 않고, 저활성화를 초래하는 크롬 등의 도금 처리나, 산화 피막 형성 처리를 채용하도록 해도 된다.
본원은, 그 모든 개시가 참조에 의해 포함되는, 2013년 10월 30일에 출원된, 발명의 명칭을 「연료 전지용 터미널 플레이트와 연료 전지」로 하는 일본 특허 출원(출원 번호 2013-224967)에 기초하는 우선권을 주장한다.

Claims (10)

  1. 연료 전지용 터미널 플레이트이며,
    단자부를 갖는 도전성의 제1 금속 플레이트와,
    상기 제1 금속 플레이트보다 높은 내식성을 갖고, 상기 제1 금속 플레이트의 표면 및 이면에 각각 배치되어 있는 제2 및 제3 금속 플레이트이며, 상기 제1 금속 플레이트의 외주연보다 외측으로 연신되어 있는 외측 테두리부를 갖는 제2 및 제3 금속 플레이트와,
    상기 제2 및 제3 금속 플레이트의 외측 테두리부와 접착하고, 상기 제1, 제2 및 제3 금속 플레이트의 상기 외주연을 시일하는 탄성 시일재를 포함하는, 터미널 플레이트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 시일재는, 상기 제1 금속 플레이트의 표면 및 이면에 배치되어 있는 상태에서 대향하는 상기 제2 및 제3 금속 플레이트의 상기 외측 테두리부와 접착하는, 터미널 플레이트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄성 시일재는 또한, 상기 제2 및 제3 금속 플레이트의 상기 외주연의 단부면과 접착하는, 터미널 플레이트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1, 제2 및 제3 금속 플레이트의 외측 테두리부에, 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각수를 공급하기 위한 공급 관통 구멍 및 배출하기 위한 배출 관통 구멍을 각각에 대해 구비하고,
    상기 제1 금속 플레이트는, 상기 공급 관통 구멍 및 배출 관통 구멍보다 대직경의 플레이트 관통 구멍을 구비하고,
    상기 제2 및 제3 금속 플레이트는, 상기 공급 관통 구멍 및 배출 관통 구멍보다 대직경이고 상기 제1 금속 플레이트의 상기 플레이트 관통 구멍보다는 소직경의 플레이트 관통 구멍을 각각 구비하고,
    상기 탄성 시일재는, 대향하는 상기 제2 및 제3 금속 플레이트에 있어서의 상기 플레이트 관통 구멍의 구멍 주연부와 접착하고, 상기 공급 관통 구멍 및 배출 관통 구멍을 형성하는, 터미널 플레이트.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄성 시일재는 또한, 상기 제2 및 제3 금속 플레이트의 상기 플레이트 관통 구멍의 구멍 내주벽과 접착하는, 터미널 플레이트.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트의 적어도 외측 테두리부에 있어서의 표면 및 이면, 상기 외주연의 단부에는 금 도금 처리가 실시되어 있는, 터미널 플레이트.
  7. 연료 전지이며,
    발전 단위로 되는 연료 전지 셀을 복수 적층한 셀 스택과,
    상기 셀 스택의 적층 방향의 일단부와 타단부에 배치되는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 터미널 플레이트를 구비하는, 연료 전지.
  8. 연료 전지이며,
    발전 단위로 되는 연료 전지 셀을 복수 적층한 셀 스택과,
    상기 셀 스택의 적층 방향의 일단부와 타단부에 배치되는 제6항에 기재된 터미널 플레이트를 구비하는, 연료 전지.
  9. 연료 전지용 터미널 플레이트의 제조 방법이며,
    제1 금속 플레이트의 표면 및 이면에 있어서의 적어도 외측 테두리부 및 외주연의 단부면에 금 도금 처리를 실시하고,
    상기 금 도금 처리가 실시된 제1 금속 플레이트를 제2 금속 플레이트에 적재하고,
    상기 금 도금 처리가 실시된 제1 금속 플레이트의 상기 외주연의 단부면을 덮도록 탄성 시일재를 배치하고,
    제3 금속 플레이트를 상기 금 도금 처리가 실시된 제1 금속 플레이트에 적재하여, 상기 제1, 제2 및 제3 금속 플레이트의 적층체를 형성하고,
    상기 적층체를 가열하는 것을 포함하는, 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 금속 플레이트는 관통 구멍을 갖고 있고, 상기 금 도금 처리는, 상기 관통 구멍의 구멍 내주벽에 대해서도 실시되고,
    상기 탄성 시일재의 배치는 또한, 상기 탄성 시일재에 의해 상기 관통 구멍의 구멍 내주벽을 덮도록 실행되는, 제조 방법.
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