KR20160056800A - 연료 전지용 엔드 플레이트와 그 제조 방법 및 연료 전지 - Google Patents

연료 전지용 엔드 플레이트와 그 제조 방법 및 연료 전지 Download PDF

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Abstract

연료 전지의 단부에 배치되는 연료 전지용 엔드 플레이트는, 이 엔드 플레이트를 관통하고, 상기 연료 전지 셀로의 연료 가스, 산소 함유 가스 및 냉각수 중 적어도 하나가 유통되는 관통 구멍과, 상기 관통 구멍의 내주면과 관통 구멍 주위의 주연면을 덮는 시일을 구비한다. 이 관통 구멍의 내주면으로부터 주연면에 연결되는 코너부의 절삭 가공흔은, 상기 내주면 혹은 주연면 중 어느 한쪽 면으로부터 다른 쪽 면측을 향해 곡면에서 형성된 곡면 가공흔과, 상기 곡면 가공흔으로부터 다른 쪽 면에 걸쳐서 형성된, 상기 관통 구멍의 축 방향 단면에 있어서 직선으로 되는 직선 가공흔이 연속되는 가공흔으로 되어 있다.

Description

연료 전지용 엔드 플레이트와 그 제조 방법 및 연료 전지{FUEL CELL END PLATE, METHOD OF MANUFACTURING SAME, AND FUEL CELL}
본원은, 2014년 11월 12일에 출원된 출원번호 제2014-229377호의 일본 특허 출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시의 전부가 참조에 의해 본원에 도입된다.
본 발명은, 연료 전지용 엔드 플레이트와 그 제조 방법 및 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는, 발전 단위로 되는 연료 전지 셀을 복수 적층한 스택 구조로 되고, 스택 양단부에 엔드 플레이트를 구비한다. 이 엔드 플레이트는, 연료 전지 셀에서의 전기 화학 반응을 일으키기 위해, 연료 전지로의 가스의 급배에 관여하는 외에, 냉각수의 급배에도 관여한다. 이로 인해 엔드 플레이트에는, 가스나 냉각수가 유통하는 관통 구멍이 형성되어 있다. 엔드 플레이트는, 알루미늄과 같은 금속제이기 때문에, 가스 중의 수분이나 냉각수가 직접 접촉하지 않도록, 가스 급배용 관통 구멍 및 냉각수 급배용 관통 구멍에 시일재를 배치하는 것이 제안되어 있다(예를 들어, 일본 특허공개 제2006-49129호 공보 참조).
관통 구멍에 배치한 시일재가, 연료 전지의 사용에 수반하여, 특히 관통 구멍 주연부의 R부 부근에서, 열화된다는 문제를 발견하였다. 본 발명은, 엔드 플레이트에 있어서의 가스 혹은 냉각수의 급배 관통 구멍을 시일하는 시일재의 손상 회피를 도모하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 과제의 적어도 일부를 달성하기 위해서, 본 발명은 이하의 형태로서 실시할 수 있다.
(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지용 엔드 플레이트가 제공된다. 이 연료 전지용 엔드 플레이트는, 연료 전지의 단부에 배치되는 연료 전지용 엔드 플레이트이며, 상기 엔드 플레이트를 관통하고, 상기 연료 전지에서 사용되는 연료 가스, 산소 함유 가스 및 냉각수 중 적어도 하나가 유통되는 관통 구멍과, 상기 관통 구멍의 내주면과 관통 구멍 주위의 주연면을 덮는 시일을 구비하여도 된다. 그리고, 상기 관통 구멍의 내주면으로부터 주연면에 연결되는 코너부는, 절삭 가공흔을 갖고, 상기 절삭 가공흔은, 상기 내주면 혹은 주연면 중 어느 한쪽 면으로부터 다른 쪽 면측을 향해 곡면에서 형성된 곡면 가공흔과, 상기 곡면 가공흔으로부터 다른 쪽 면에 걸쳐서 형성된, 상기 관통 구멍의 축 방향 단면에 있어서 직선으로 되는 직선 가공흔이 연속되는 가공흔으로 되어 있다.
상기 형태의 연료 전지용 엔드 플레이트는, 관통 구멍의 내주면과 관통 구멍 주위의 주연면에 걸쳐서 시일재로 시일한다. 이 시일재가 접촉하는 코너부에는 절삭 가공흔이 존재한다. 이 절삭 가공흔을, 내주면 혹은 주연면 중 어느 한쪽 면으로부터 다른 쪽 면측을 향해 곡면에서 형성된 곡면 가공흔과, 이 곡면 가공흔으로부터 다른 쪽 면에 걸쳐서 형성된, 관통 구멍의 축 방향 단면에 있어서 직선으로 되는 직선 가공흔이 연속되는 가공흔으로 하면, 직선 가공흔은, 관통 구멍의 내주면과 비스듬히 교차하고, 관통 구멍의 내주면에 단차를 남기지 않는다. 이 직선 가공흔은, 관통 구멍 주위의 주연면이 관통 구멍의 축 측에 근접하거나 멀어지거나 해도, 혹은, 절삭 가공흔을 남기는 공구의 이송이 소정의 공차 내에서 변동하여도, 관통 구멍 주위의 주연면에 단차를 남기지 않은 채, 곡면 가공흔에 연속해서 연장되도록 형성 가능하다. 이 결과, 상기 형태의 연료 전지용 엔드 플레이트에 의하면, 온도 강하에 수반하여 시일재가 크게 수축되어도, 관통 구멍의 내주면과 관통 구멍 주위의 주연면을 연결하는 연결 부위에 있어서 응력 집중이 일어나지 않도록 할 수 있으므로, 시일재의 손상 회피가 가능하게 된다.
이러한 발명의 작용·효과를 도면을 이용하여 설명한다. 도 8a에 도시한 바와 같이, 금속제의 엔드 플레이트에 형성된 관통 구멍을, 구멍 상하의 주연부를 포함해서 시일재가 덮는 구조를 상정한다. 이때, 엔드 플레이트와 시일재에서는 열 팽창률이 상이하기 때문에, 연료 전지의 운전이 진행되어 승온한 후에 전지 온도가 강하하는 등의 열 사이클이 가해지면, 시일재는 큰 팽창과 수축을 반복한다. 이에 반하여, 엔드 플레이트에서는 온도 변화에 따라서는 그렇게까지 팽창·수축을 일으키지 않는다. 이러한 승온과 온도 강하가 반복되면, 엔드 플레이트의 관통 구멍 주연부의 R부에 있어서, 시일재의 손상이 일어나는 경우가 있다. 이러한 시일 손상은, 다음과 같이 하여 일어나는 것을 해명해서 본 발명은 완성되었다. 엔드 플레이트의 관통 구멍은, 도 8b에 모식적으로 나타낸 바와 같이, 치수 정밀도 등의 요청을 만족하는 가공 방법, 예를 들어 절삭 등의 가공에 의해 형성된다. 가공 전의 엔드 플레이트는, 주물, 다이캐스트 등의 방법에 의해 형성된다. 이로 인해, 관통 구멍 주연부의 R부와 이것에 이어지는 관통 구멍 주위벽의 실제 외형 형상은, 가공 전의 엔드 플레이트의 형성 상황의 영향을 받는다. 따라서, 코너 곡면, 소위 코너 R부와 이것에 이어지는 구멍 주위벽의 형상은, 가공 전의 엔드 플레이트의 형상마다 상이하며, 경우에 따라서는 관통 구멍마다 상이할 수 있다. 절삭 공구에 의해 엔드 플레이트의 코너부를 R 형상으로 가공할 때, 엔드 플레이트 형상의 변동에 의해, 가공한 후의 관통 구멍의 내주면에 단차가 발생하는 경우가 있을 수 있다. 이러한 단차가 존재하면, 온도 강하에 수반하여 시일재가 크게 수축될 때, 단차에 대응한 부위에 응력이 집중되는 경우가 있다. 이 결과, 이 단차를 기점으로 시일재의 손상이 일어날 수 있는 것이 판명되었다. 상기 형태에 의하면, 관통 구멍에 있어서의 가공흔에 단차가 발생하기 어렵기 때문에, 시일재의 손상이 억제되어, 엔드 플레이트의 내구성이 개선된다.
(2) 상기 형태의 연료 전지용 엔드 플레이트에 있어서, 상기 직선 가공흔은, 상기 관통 구멍의 축 방향 단면에 있어서, 상기 역 ㄷ자 곡면으로부터의 상기 관통 구멍의 축 방향으로의 접선인 직선의 가공흔으로 되어 있도록 하여도 된다. 이렇게 하면, 곡면 가공흔과 직선 가공흔이 굴곡하지 않고 원활하게 연속되므로, 양 가공흔의 연속 개소에 있어서도 시일재에 응력 집중을 일으키지 않는다. 따라서, 시일재의 손상을 높은 실효성으로 회피 가능하게 된다.
(3) 상기 형태의 연료 전지용 엔드 플레이트에 있어서, 상기 절삭 가공흔을 남기는 절삭 가공을 받기 전의 상기 관통 구멍을 포함해서 주조 형성되어 있도록 해도 된다. 이렇게 하면, 생산성 향상이나 비용 저감도 가능하게 된다.
(4) 상기 중 어느 한 형태의 연료 전지용 엔드 플레이트에 있어서, 상기 직선 가공흔은, 상기한 직선이 상기 관통 구멍의 축과 교차해서 이루는 각도가 5 내지 45°로 되는 가공흔으로 되어 있도록 해도 된다. 이렇게 하면, 직선 가공흔은, 관통 구멍의 내주면과 5 내지 45°의 각도로 접함으로써 이루어지고, 내주면에 연결되어 주연면과의 연속성도 높아지고, 보다 확실하게 응력 집중을 피할 수 있으므로, 시일재의 손상 회피의 실효성이 높아진다.
(5) 본 발명의 다른 형태에 의하면, 연료 전지가 제공된다. 이 연료 전지는, 복수의 연료 전지 셀을 적층한 셀 스택과, 상기 셀 스택의 셀 적층 방향의 단부에 배치된 상기 중 어느 한 형태의 엔드 플레이트를 구비한다. 상기 형태의 연료 전지에서는, 시일재의 손상 회피가 가능한 엔드 플레이트를 가지므로, 연료 전지로서의 내구성의 향상이나 전지 수명의 장수명화를 가능하게 한다. 또한, 상기 형태의 연료 전지에 의하면, 기존의 연료 전지에 있어서 엔드 플레이트를 치환하면 되므로, 그 제조 비용의 저감이 가능하다.
(6) 본 발명의 또 다른 형태에 의하면, 연료 전지용 엔드 플레이트의 제조 방법이 제공된다. 이 제조 방법은, 연료 전지의 단부에 배치되는 연료 전지용 엔드 플레이트의 제조 방법이며, 상기 엔드 플레이트를 관통하고, 상기 연료 전지에서 사용되는 연료 가스, 산소 함유 가스 및 냉각수 중 적어도 하나가 유통하는 관통 구멍을 형성하는 공정과, 상기 관통 구멍의 내주면으로부터 관통 구멍 주위의 주연면에 연결되는 코너부를 절삭 가공하는 절삭 공정과, 상기 절삭 가공된 코너부, 관통 구멍의 내주면 및 주연면에 시일 부재를 배치하는 공정을 구비하여도 된다. 그리고, 상기 절삭 공정에 사용되는 절삭 공구로서, 상기 내주면 혹은 주연면 중 어느 한쪽 면으로부터 다른 쪽 면측을 향해 곡면 가공흔을 형성하는 곡면 가공부와, 상기 곡면 가공부로부터 다른 쪽 면에 걸쳐서 직선 가공흔을 형성하는, 직선 가공부를 구비하는 절삭 공구에 의해, 연료 전지용 엔드 플레이트를 절삭한다. 상기 형태의 연료 전지용 엔드 플레이트의 제조 방법에 의하면, 관통 구멍의 내주면과 관통 구멍 주위의 주연면을 연결하는 연결 부위에 있어서의 응력 집중을 억제하여 시일재의 손상 회피가 가능한 엔드 플레이트를, 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하며, 예를 들어 연료 전지용 엔드 플레이트의 제조 방법이나 연료 전지의 제조 방법, 혹은 엔드 플레이트 제조용 절삭날 도구로서의 형태로 실현할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태로서의 연료 전지의 구성을 나타내는 개략 사시도이다.
도 2a는, 도 1에 있어서의 2-2선을 따라 단면에서 볼 때 나타내는 설명도이며, 도 2b는 그 R부 확대도이다.
도 3a는, 엔드 플레이트의 절삭 모습을 냉각수 공급 구멍의 주변에 대하여 나타내는 설명도이며, 도 3b는 그 R부 확대도이다.
도 4는, 코너 절삭 공구에 의한 각 급배 관통 구멍의 절삭 모습을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 5는, 시일재의 형성 모습을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 6a는, 제2 실시 형태의 엔드 플레이트에 있어서의 제2 가공흔의 형성 모습을 도 2에 따라 나타내는 설명도이며, 도 6b는, 그 R부 확대도이다.
도 7a는, 제3 실시 형태의 엔드 플레이트에 있어서의 제2 가공흔의 형성 모습을 도 2에 따라 나타내는 설명도이며, 도 7b는, 그 R부 확대도이다.
도 8a는, 엔드 플레이트의 급배 관통 구멍을 구멍 상하의 주연부를 포함해서 시일하는 경우의 문제점을 설명하기 위한 설명도이며, 도 8b는, 그 R부 확대도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면에 기초하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 형태로서의 연료 전지(10)의 구성을 나타내는 개략 사시도, 도 2a, 도 2b는 엔드 플레이트(170F)를 도 1에 있어서의 2-2선을 따라 단면에서 볼 때 나타내는 설명도이다. 연료 전지(10)는, 연료 전지 셀된 유닛 셀(100)을 일 방향(이하, 「적층 방향」이라고도 함)으로 복수 적층하고, 한 쌍의 엔드 플레이트(170F, 170E)에서 끼움 지지한 스택 구조를 갖고 있다. 연료 전지(10)는, 그 일단부의 가장 외측에 엔드 플레이트(170F)를 구비한다. 적층된 유닛 셀(100)의 종단부에 접합하여 집전하는 터미널 플레이트(160F)와 엔드 플레이트(170F)의 사이에는, 절연판(165F)이 개재되어 있다. 이하, 엔드 플레이트(170F)가 배치된 연료 전지(10)의 일단부측을, 편의상 전단부측이라고 부르고, 도면에 있어서의 지면 안쪽의 타단부측을 후단부측이라고 부른다.
연료 전지(10)는, 후단부측에도, 전단부측과 마찬가지로, 후단부측의 엔드 플레이트(170E), 절연판(165E), 터미널 플레이트(160E)가 이 순서로 제공되어 있다. 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 있다. 각 플레이트에 있어서, 말미의 부호 「F」는 전단부측의 부재임을 나타내고, 부호 「E」는 후단부측의 부재임을 나타낸다. 또한, 각 플레이트의 긴 변 방향을 x 방향(수평 방향), 짧은 변 방향을 y 방향(수직 방향, 연직 방향), 유닛 셀(100)의 적층 방향을 z 방향이라고도 부른다.
전단부측의 터미널 플레이트(160F) 및 후단부측의 터미널 플레이트(160E)는, 각 유닛 셀(100)의 발전 전력의 집전판이며, 집전한 전력을, 집전 단자(161)로부터 외부로 출력한다.
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. 이 급배 관통 구멍은, 각 유닛 셀(100)이 대응하는 위치에 형성되어 있는 각각의 공급용 및 배출용 연통 구멍(도시생략)과 연결하여, 각각에 대응하는 가스 혹은 냉각수의 급배 매니폴드를 구성한다. 그 한편, 후단부측에 있어서의 엔드 플레이트(170E)와 절연판(165E)과 터미널 플레이트(160E)에는, 이들 급배 관통 구멍은 형성되지 않는다. 이것은, 반응 가스(연료 가스, 산화제 가스) 및 냉각수를 전단부측의 엔드 플레이트(170F)로부터, 유닛 셀(100)에 형성된 공급용 연통 구멍을 통하여, 유닛 셀(100)에 공급하면서, 각각의 유닛 셀(100)로부터의 배출 가스 및 배출수를, 각 유닛 셀(100)에 형성된 배출용 연통 구멍을 통하여, 전단부측의 엔드 플레이트(170F)로부터 외부에 대하여 배출 매니폴드를 통해 배출되는 타입의 연료 전지임에 의한다. 단, 이에 한정되는 것이 아니라, 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 x 방향(긴 변 방향)을 따라 배치되어 있으며, 산화제 가스 배출 구멍(174OT)은, 상단부의 외측 테두리부에 x 방향을 따라서 배치되어 있다. 연료 가스 공급 구멍(172IN)은, 전단부측의 엔드 플레이트(170F)의 우측 단부의 외측 테두리부 y 방향(짧은 변 방향)의 상단부에 배치되어 있으며, 연료 가스 배출 구멍(172OT)은, 좌측 단부의 외측 테두리부 y 방향의 하단부에 배치되어 있다. 냉각수 공급 구멍(176IN)은, 연료 가스 공급 구멍(172IN)의 하측에 y 방향을 따라서 배치되어 있으며, 냉각수 배출 구멍(176OT)은, 연료 가스 배출 구멍(172OT)의 상측에 y 방향을 따라서 배치되어 있다. 엔드 플레이트(170F)에 있어서의 연료 가스 공급 구멍(172IN)과 연료 가스 배출 구멍(172OT)은, 유닛 셀(100)로의 연료 가스의 급배에 관여한다. 동일하게, 산화제 가스 공급 구멍(174IN)과 산화제 가스 배출 구멍(174OT)은 산화제 가스의 급배에, 냉각수 공급 구멍(176IN)과 냉각수 배출 구멍(176OT)은 냉각수의 급배에 관여한다. 이들 급배 관통 구멍의 각각은, 엔드 플레이트(170F)의 평면에서 볼 때 각이 둥글게 되는, 소위 라운드 형상을 하고 있으며, 그 내측에는, 도 2a에 예시하는 냉각수 공급 구멍(176IN)과 같이, 시일재(200)를 구비한다. 각 급배 관통 구멍은, 냉각수 공급 구멍(176IN)과 같이, 관통 구멍의 양 개구부가 넓어지게 되어 있으며, 시일재(200)는, 이 개구부로부터 관통 구멍의 내주면을 덮도록 배치된다. 급배 관통 구멍에 배치된 이 시일재(200)는, 시일성과 절연성을 갖는 수지 혹은 고무, 예를 들어 에틸렌·프로필렌·디엔 고무(EPDM)나, 니트릴 고무(NBR), 실리콘계 고무, 부틸 고무, 아크릴 고무, 불소계 고무, 에틸렌·프로필렌계 고무, 스티렌계 엘라스토머, 불소계 엘라스토머 등으로 형성되고, 냉각수 공급 구멍(176IN)의 일단부의 구멍 주연부(210)로부터 타단부의 구멍 주연부(212)까지의 구멍 주위벽(176H)을, 구멍 주연부(210) 및 구멍 주연부(212)를 포함해서 시일한다. 즉, 시일재(200)는, 구멍 주위벽(176H)의 표면인 내주면과 구멍 주연부(210)의 표면인 주연면 및 구멍 주연부(212)의 표면인 주연면을 덮게 된다. 또한, 상기한 각 급배 관통 구멍은, 유닛 셀(100)에 있어서는, 복수의 급배 관통 구멍으로 나뉘어져 있다.
상기한 바와 같이 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각수의 급배에 관여하는 급배 관통 구멍을 갖는 엔드 플레이트(170F)는, 알루미늄의 주조 플레이트이며, 주조 시에는, 상기한 각각의 급배 관통 구멍을, 상세하게는 시일재(200)의 장착을 위한 절삭 가공 전의 급배 관통 구멍을 포함해서 주조 형성되어 있다.
본 실시 형태의 엔드 플레이트(170F)는, 냉각수 공급 구멍(176IN)에 시일재(200)를 배치함에 있어서, 구멍 주연부(210)로부터 구멍 주위벽(176H)에 연결되는 코너부인 급배 관통 구멍 일단부측 부위(211)와 구멍 주연부(212)로부터 구멍 주위벽(176H)에 연결되는 코너부인 급배 관통 구멍 타단부측 부위(213)에 절삭 가공흔을 갖는다. 이 절삭 가공흔은, R부를 확대해서 나타낸 도 2에 도시되어 있으며, 급배 관통 구멍 일단부측 부위(211)에 있어서, 도시 단면에 있어서, 구멍 주연부(210)의 측으로부터 코너 곡면으로 하는 제1 가공흔(215)과, 이 코너 곡면으로부터 냉각수 공급 구멍(176IN)의 축(176c)의 방향으로 연장되어 이 축(176c)과 비스듬히 교차하는 직선의 제2 가공흔(216)이 연속되는 가공흔으로 되어 있다. 제1 가공흔(215)은, 본원에 있어서의 곡면 가공흔에 해당하고, 제2 가공흔(216)은, 직선 가공흔에 해당한다. 본 실시 형태의 엔드 플레이트(170F)에서는, 제1 가공흔(215)은, 설계 형상을 따른 코너 곡면 형상으로 되고, 구멍 주연부(210)의 일부 표면에도 남는다. 제2 가공흔(216)은, 제1 가공흔(215)의 코너 곡면이 임의의 접점(215s)으로부터의 접선으로서 냉각수 공급 구멍(176IN)의 축(176c)의 방향으로 연장된다. 또한, 본 실시 형태의 엔드 플레이트(170F)에서는, 제2 가공흔(216)을, 냉각수 공급 구멍(176IN)의 축(176c)과 약 5 내지 10°범위의 각도 216s로 교차하도록 제1 가공흔(215)으로부터 연장시킨 형상으로 하고 있다. 이와 같이 절삭 가공흔이 남아 있다는 것은, 주조 형성된 엔드 플레이트(170F)가 주물 표면 상태 그대로였던 냉각수 공급 구멍(176IN)의 코너부(176R)는, 구멍 주위벽(176H)의 일부를 포함하고, 절삭 제거되어 있음을 의미한다.
이러한 절삭 가공흔은, 후술하는 코너 절삭 공구 Rs에 의해, 소정의 절삭 표면 조도로 형성되고, 도 2b에 있어서는 JISB0031(1992)을 따른 마무리 기호(삼각 기호)가 부여되어 있다. 기호 「▽」는 거친 마무리를 의미하고, 산술 평균 조도 Ra25에 상당한다. 또한, 도 2b에 있어서, 절삭 가공이 되지 않은 원래 표면에는, 표면 조도를 특별히 규정하지 않은 파형 기호(∼)가 부여되어 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는 엔드 플레이트(170F)는 주조 형성품이기 때문에, 표면 조도를 특별히 규정하지 않은 기호가 부여된 원래 표면은, 주물 표면으로 된다. 관통 구멍 주위의 가공과 그 표면 조도는, 구멍 주연부(212)의 측도 마찬가지이며, 냉각수 배출 구멍(176OT)을 비롯한 그 밖의 급배 관통 구멍에 대해서도 마찬가지이다.
시일재(200)는, 상기한 절삭 가공흔이 남은 냉각수 공급 구멍(176IN)을 비롯한 각 급배 관통 구멍에 형 성형되고, 급배 관통 구멍 일단부측 부위(211)와 급배 관통 구멍 타단부측 부위(213)에 있어서는, 절삭 가공흔의 절삭면에 밀착하고, 이들 부위를 제외한 구멍 주연부(210)와 구멍 주연부(212)와 구멍 주위벽(176H)에 있어서는, 주물 표면에 밀착한다.
다음으로, 엔드 플레이트(170F)의 절삭의 모습과 시일재(200)의 형성 모습을 설명한다. 도 3a, 도 3b는 엔드 플레이트(170F)의 절삭 모습을 냉각수 공급 구멍(176IN)의 주변에 대하여 나타내는 설명도, 도 4는 코너 절삭 공구 Rs에 의한 각 급배 관통 구멍의 절삭 모습을 개략적으로 나타내는 설명도, 도 5는 시일재(200)의 형성 모습을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 주조 형성된 엔드 플레이트(170F)가 절연판(165F)(도 1 참조)과 접합하는 측의 플레이트면을, 절삭 가공하고, 이 가공면을 후술하는 급배 관통 구멍 가공 시의 기준면으로 한다. 엔드 플레이트(170F)는, 도 1에 도시한 바와 같이 평면 형상에 한하지 않고, 도시하지 않은 셀 주변 기기의 장착이나 가스·냉각수의 공급 기기의 관계로부터, 하우징 형상을 이루는 경우도 있을 수 있다. 이러한 경우이더라도, 냉각수 공급 구멍(176IN)을 비롯한 급배 관통 구멍의 구멍 주연부(210)와 구멍 주연부(212)의 측에서의 절삭 가공을 가능하게 하기 위해, 전술한 바와 같이 엔드 플레이트(170F)의 일면이 절삭 가공된다. 또한, 평판 형상은, 양면 모두 절삭 가공을 실시하여, 각각의 면을 급배 관통 구멍 가공 시의 기준면으로 하여도 된다.
냉각수 공급 구멍(176IN)에 있어서의 구멍 주연부(210) 및 구멍 주연부(212)의 절삭 가공에 사용하는 코너 절삭 공구 Rs는, 도 3b의 확대도로 나타낸 바와 같이, 원통 형상 절단날 본체의 하단부에 코너 가공용 절삭 절단날을 대략 원추 형상으로 구비한다. 그리고, 원추 형상 절삭 절단날은 고속 회전되어, 가공을 행한다. 원추 형상 절삭 절단날은 도 2b에 도시한 제1 가공흔(215)과 제2 가공흔(216)이 연속된 가공흔을 남길 수 있는 원호 절단날(215c)과 경사면 절단날(216c)을 구비하고, 경사면 절단날(216c)을 원호 절단날(215c)의 절단날 궤적으로부터 접선으로서 연장되도록 하고 있다. 이 코너 절삭 공구 Rs는, 회전 구동한 상태에서, 엔드 플레이트(170F)에 있어서의 냉각수 공급 구멍(176IN)에 절단날 선단이 삽입되고, 구멍 주연부(210)의 측으로 절삭된다. 이에 의해, 주물 표면 상태 그대로였던 코너부(176R)와 이것에 이어지는 구멍 주위벽(176H)의 일부는, 코너 절삭 공구 Rs의 원통 형상 절단날 본체 및 원호 절단날(215c) 및 경사면 절단날(216c)로 절삭 제거되고, 구멍 주연부(210)에, 앞서 설명한 제1 가공흔(215)과 제2 가공흔(216)이 연속된 절삭 가공흔이 남는다. 이러한 절삭을, 냉각수 공급 구멍(176IN)의 구멍 주연부 주위에서 행한다. 예를 들어, 도 4에 도시한 바와 같이, 엔드 플레이트(170F)를, 도시하지 않은 턴테이블에 세워 설치하고 보유 지지하여, 코너 절삭 공구 Rs를, 엔드 플레이트(170F)의 뒤쪽과 앞쪽 각각의 면의 측으로부터, 냉각수 공급 구멍(176IN)을 비롯한 각 급배 관통 구멍의 개구 형상에 대응한 절삭 이송 궤적 CK를 따라서 구동한다. 이렇게 함으로써, 구멍 주연부(210) 및 구멍 주연부(212)에, 제1 가공흔(215)과 제2 가공흔(216)이 연속된 절삭 가공흔을 갖는 냉각수 공급 구멍(176IN)이나, 다른 급배 관통 구멍이 얻어진다. 또한, 엔드 플레이트(170F)가 평판 형상이면, 엔드 플레이트(170F)의 양면을 가공하고, 엔드 플레이트(170F)를 뒤쪽과 앞쪽에서 절삭 장치에 다시 적재하여, 한 면씩 제1 가공흔(215)과 제2 가공흔(216)을 형성하여도 된다.
이렇게 해서 각 급배 관통 구멍에 있어서 제1 가공흔(215)과 제2 가공흔(216)의 형성이 완료되면, 도 5에 도시한 바와 같이, 엔드 플레이트(170F)를, 맞댐형 k1, k2에 세트하고, 시일재(200)의 형성용 캐비티(200k)에, 시일재(200)의 형성 재료인 수지나 고무를 주입한다. 냉각·양생을 거쳐 틀에서 빼내면, 시일재(200)로 각 급배 관통 구멍이 시일된 엔드 플레이트(170F)가 얻어진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지(10)가 갖는 엔드 플레이트(170F)는, 냉각수 공급 구멍(176IN)을 비롯한 가스·냉각수의 각 급배 관통 구멍의 일단부 구멍 주연부(210)로부터 타단부의 구멍 주연부(212)까지의 구멍 주위벽(176H)을 시일재(200)로 시일함에 있어서, 이 시일재(200)가 접촉하는 구멍 주연부(210) 측의 급배 관통 구멍 일단부측 부위(211)와 구멍 주연부(212) 측의 급배 관통 구멍 타단부측 부위(213)를 코너 절삭 공구 Rs로 절삭하고, 각 부위에 절삭 가공흔을 형성한다. 이 절삭 가공흔은, 관통 구멍의 단면에서 볼 때, 구멍 주연부(210)와 구멍 주위벽(176H)을 연결하는 급배 관통 구멍 일단부측 부위(211) 및 구멍 주연부(212)와 구멍 주위벽(176H)을 연결하는 구멍 주연부(212)에 있어서, 구멍 주연부(210) 혹은 구멍 주연부(212)의 측으로부터 코너 곡면으로 하는 제1 가공흔(215)과, 이 코너 곡면의 접점(215s)으로부터의 접선으로서 냉각수 공급 구멍(176IN)의 축(176c)의 방향으로 연장되어 이 축(176c)과 비스듬히 교차하는 직선 형상의 제2 가공흔(216)이 연속되는 가공흔으로 되어 있다. 따라서, 제2 가공흔(216)은, 도 2b에 도시한 바와 같이, 구멍 주위벽(176H)과 비스듬히 교차하고, 구멍 주위벽(176H)에 단차를 남기지 않는다.
엔드 플레이트(170F)는, 냉각수 공급 구멍(176IN)을 포함해서 주조된 주조품이기 때문에, 냉각수 공급 구멍(176IN)의 구멍 주위벽(176H)이 축(176c)의 측에 근접하거나 멀어지거나 하는 경우가 있다. 이와 같이 구멍 주위벽(176H)의 위치가 일정하지 않았다고 해도, 코너 절삭 공구 Rs가 갖는 원호 절단날(215c)이 코너부(176R)에, 경사면 절단날(216c)이 구멍 주위벽(176H)에 걸리도록, 코너 절삭 공구 Rs가 절삭 이송되면, 제2 가공흔(216)은, 구멍 주위벽(176H)에 단차를 남기지 않은 채, 제1 가공흔(215)으로부터의 접선으로서 연속해서 연장된다. 또한, 가령, 코너 절삭 공구 Rs의 절삭 이송이 과잉되어도, 코너 절삭 공구 Rs가 경사면 절단날(216c)을 구멍 주위벽(176H)에 걸고 있는 한은, 제2 가공흔(216)은, 구멍 주위벽(176H)에 단차를 남기지 않은 채, 제1 가공흔(215)으로부터의 접선으로서 연속해서 연장된다. 이 결과, 본 실시 형태의 연료 전지(10)가 갖는 엔드 플레이트(170F)에 의하면, 온도 강하에 수반하여 시일재(200)가 크게 수축되어도, 구멍 주연부(210)와 구멍 주위벽(176H)을 연결하는 급배 관통 구멍 일단부측 부위(211) 및 구멍 주연부(212)와 구멍 주위벽(176H)을 연결하는 급배 관통 구멍 타단부측 부위(213)에 있어서 응력 집중이 일어나지 않게 가능하므로, 시일재(200)의 손상을 회피할 수 있다.
또한, 도 2b에 도시한 바와 같이, 구멍 주연부(210)에 있어서, 코너 절삭 공구 Rs의 원통 형상 절단날 본체의 절삭흔으로서 단차가 남지만, 시일재(200)는, 온도 강하에 수반하여 수축될 때 이 단차로부터 이격되는 측으로 수축된다. 따라서, 구멍 주연부(210)에 있어서의 단차는, 구멍 주연부(210)에 가령 남았다고 해도, 시일재 손상에 영향을 미치지 않는다. 구멍 주연부(212)에 대해서도 마찬가지이다.
본 실시 형태의 연료 전지(10)가 갖는 엔드 플레이트(170F)는, 제2 가공흔(216)과 제1 가공흔(215)을, 이 제2 가공흔(216)이, 제1 가공흔(215)의 코너 곡면에 있어서의 접점(215s)으로부터 냉각수 공급 구멍(176IN)의 축(176c)의 방향으로 연장되는 직선 형상의 가공흔으로 되도록 절삭하였다. 관통 구멍의 단면에서 볼 때의 가공흔은, 직선 부분이 곡선 부분의 접선으로 되어 있다. 따라서, 제1 가공흔(215)과 제2 가공흔(216)은, 굴곡하지 않고 원활하게 연속되므로, 양 가공흔의 연속 개소에 있어서도 시일재(200)에 응력 집중을 일으키지 않는다. 이 결과, 본 실시 형태의 연료 전지(10)가 갖는 엔드 플레이트(170F)에 의하면, 시일재(200)의 손상을 보다 확실하게 회피할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지(10)가 갖는 엔드 플레이트(170F)는, 엔드 플레이트 자체를 절삭 가공을 받기 전의 냉각수 공급 구멍(176IN)을 비롯한 각 급배 관통 구멍을 포함해서 주조 형성하였다. 따라서, 본 실시 형태의 연료 전지(10)가 갖는 엔드 플레이트(170F)에 의하면, 생산성 향상이나 비용 저감을 도모할 수 있다.
본 실시 형태의 연료 전지(10)가 갖는 엔드 플레이트(170F)는, 제2 가공흔(216)을 제1 가공흔(215)으로부터 냉각수 공급 구멍(176IN)의 축(176c)을 향해서 연장시킴에 있어서, 제2 가공흔(216)을, 코너 곡면에, 관통 구멍 단면에서 볼 때 연결되는 직선이 축(176c)과 교차해서 이루는 각도 216s가 5 내지 45°로 되는 가공흔으로 하였다. 따라서, 제2 가공흔(216)은, 구멍 주위벽(176H)과 5 내지 45°의 각도로 교차한다. 이로 인해, 구멍 주위벽(176H)과의 연속성도 높아진다. 이 결과, 본 실시 형태의 연료 전지(10)가 갖는 엔드 플레이트(170F)에 의하면, 그 온도의 상승·하강이 반복되어도, 시일재(200)에 응력 집중이 발생하기 어려우므로, 시일재(200)의 손상 회피의 실효성이 보다 더 높아진다.
본 실시 형태의 연료 전지(10)에서는, 발전 단위로 되는 연료 전지 셀인 유닛 셀(100)을 복수 적층한 다음에, 적층 방향 일단부의 측과 타단부의 측에 터미널 플레이트(160F)와 터미널 플레이트(160E)를 배치해서 구비한다. 본 실시 형태의 연료 전지(10)에 의하면, 시일재(200)의 손상 회피가 가능한 엔드 플레이트(170F)를 내장함으로써 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 엔드 플레이트를 엔드 플레이트(170F)로 치환하면 되므로, 그 제조 비용을 저감할 수 있다.
다음으로, 다른 실시 형태에 대하여 설명한다. 도 6a, 도 6b는 제2 실시 형태의 엔드 플레이트(170F)에 있어서의 제2 가공흔(216)의 형성 모습을 도 2a, 도 2b에 따라 나타낸 설명도, 도 7a, 도 7b는 제3 실시 형태의 엔드 플레이트(170F)에 있어서의 제2 가공흔(216)의 형성 모습을 도 2a, 도 2b에 따라 나타낸 설명도이다.
도 6a, 도 6b 및 도 7a, 도 7b에 도시한 제2 가공흔(216)은, 제1 가공흔(215)에 있어서의 임의의 변곡 포인트(211h)로부터 변곡되고, 관통 구멍의 단면에서 볼 때, 도면에 도시한 변곡 포인트(211h)에 있어서의 접선 SL과 상이한 직선에서 축(176c)을 향해서 연장되는 직선형 형상으로 되어 있다. 관통 구멍 단면에서 볼 때, 이러한 직선 형상의 제2 가공흔(216)으로 되도록 관통 구멍을 절삭하여도, 제2 가공흔(216)은, 구멍 주위벽(176H)에 단차를 남기는 일은 없으며, 제1 가공흔(215)에 있어서의 변곡 포인트(211h)로부터 구멍 주위벽(176H)에 이르기까지를, 각도 216s로 경사진 경사면으로 한다. 따라서, 이들 실시 형태이더라도 시일재(200)의 손상을 회피할 수 있다.
본 발명은 전술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 구성으로 실현할 수 있다. 예를 들어, 발명의 내용의 란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태의 기술적 특징은, 전술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해서, 혹은, 전술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해서, 적절히 바꾸기나, 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히 삭제하는 것이 가능하다.
상기한 실시 형태에서는, 엔드 플레이트(170F)를, 냉각수 공급 구멍(176IN)을 비롯한 절삭 가공 전의 각 급배 관통 구멍을 포함해서 주조 형성된 주조품으로 하였지만, 알루미늄제의 금속 플레이트로부터, 플레이트의 외형 형상을 따라서 절삭한 절삭 가공품(절삭 플레이트)으로 하여도 된다. 엔드 플레이트는, 알루미늄 이외의 금속, 예를 들어 티타늄, 스테인리스강이나 포금 등의 합금제로 하여도 된다. 이와 같은 절삭 플레이트이더라도, 시일재(200)로 각 급배 관통 구멍을 시일함에 있어서는, 도 1에 도시한 바와 같은 직사각 형상의 냉각수 공급 구멍(176IN)을 비롯한 각 급배 관통 구멍을 형성하기 위해서는, 설계 형상의 급배 관통 구멍의 외형 형상보다 작은 직사각 형상의 하부 구멍을 드릴, 엔드밀 등의 기존의 절삭 공구로 일단 절삭할 필요가 있다. 그렇게 하면, 하부 구멍 형성이 완료된 절삭 플레이트로서의 엔드 플레이트(170F)는, 절삭 가공 전의 각 급배 관통 구멍을 포함해서 주조 형성된 엔드 플레이트(170F)와 동등하기 때문에, 도 3b에 도시한 코너 절삭 공구 Rs로, 제1 가공흔(215)과 제2 가공흔(216)을 형성하면 된다. 또한, 관통 구멍 가공 전의 엔드 플레이트는, 주물에 의해 형성하는 이외에, 다이캐스트나 단조에 의해 성형하여도 된다. 관통 구멍 가공 전의 플레이트는, 주물 표면 상태 그대로 하여도 되고, 간이한 절삭 등에 의해 일정한 형상으로 조정한 것이어도 된다.
10: 연료 전지
100: 유닛 셀
160E: 터미널 플레이트
160F: 터미널 플레이트
161: 집전 단자
165E: 절연판
165F: 절연판
170E: 엔드 플레이트
170F: 엔드 플레이트
172IN: 연료 가스 공급 구멍
172OT: 연료 가스 배출 구멍
174IN: 산화제 가스 공급 구멍
174OT: 산화제 가스 배출 구멍
176IN: 냉각수 공급 구멍
176OT: 냉각수 배출 구멍
176H: 구멍 주위벽
176R: 코너부
176c: 축
200: 시일재
200k: 캐비티
210: 구멍 주연부
211: 급배 관통 구멍 일단부측 부위
211h: 변곡 포인트
212: 구멍 주연부
213: 급배 관통 구멍 타단부측 부위
215: 제1 가공흔
215c: 원호 절단날
215s: 접점
216: 제2 가공흔
216c: 경사면 절단날
216s: 각도
k1, k2: 맞댐형
CK: 절삭 이송 궤적
SL: 직선
Rs: 코너 절삭 공구

Claims (6)

  1. 연료 전지의 단부에 배치되는 연료 전지용 엔드 플레이트이며,
    상기 엔드 플레이트를 관통하고, 상기 연료 전지에서 사용되는 연료 가스, 산소 함유 가스 및 냉각수 중 적어도 하나가 유통되는 관통 구멍과,
    상기 관통 구멍의 내주면과 관통 구멍 주위의 주연면을 덮는 시일
    을 구비하고,
    상기 관통 구멍의 내주면으로부터 주연면에 연결되는 코너부는, 절삭 가공흔을 갖고,
    상기 절삭 가공흔은, 상기 내주면 혹은 주연면 중 어느 한쪽 면으로부터 다른 쪽 면측을 향해 곡면에서 형성된 곡면 가공흔과,
    상기 곡면 가공흔으로부터 다른 쪽 면에 걸쳐서 형성된, 상기 관통 구멍의 축 방향 단면에 있어서 직선으로 되는 직선 가공흔
    이 연속되는 가공흔으로 되어 있는, 연료 전지용 엔드 플레이트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직선 가공흔은, 상기 관통 구멍의 축 방향 단면에 있어서, 상기 곡면으로부터 상기 관통 구멍의 축 방향으로의 접선인 직선의 가공흔으로 되어 있는, 연료 전지용 엔드 플레이트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 절삭 가공흔을 남기는 절삭 가공을 받기 전의 상기 관통 구멍을 포함해서 주조 형성되어 있는, 연료 전지용 엔드 플레이트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직선 가공흔은, 상기 직선이 상기 관통 구멍의 축과 교차해서 이루는 각도가 5 내지 45°로 되는 가공흔으로 되어 있는, 연료 전지용 엔드 플레이트.
  5. 연료 전지이며,
    복수의 연료 전지 셀을 적층한 셀 스택과,
    상기 셀 스택의 셀 적층 방향의 단부에 배치된 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 엔드 플레이트를 구비하는, 연료 전지.
  6. 연료 전지의 단부에 배치되는 연료 전지용 엔드 플레이트의 제조 방법이며,
    상기 엔드 플레이트를 관통하고, 상기 연료 전지에서 사용되는 연료 가스, 산소 함유 가스 및 냉각수 중, 적어도 하나가 유통되는 관통 구멍을 형성하는 공정과,
    상기 관통 구멍의 내주면으로부터 관통 구멍 주위의 주연면에 연결되는 코너부를 절삭 가공하는 절삭 공정과,
    상기 절삭 가공된 코너부, 관통 구멍의 내주면 및 주연면에 시일 부재를 배치하는 공정
    을 구비하고,
    상기 절삭 공정에 사용되는 절삭 공구로서,
    상기 내주면 혹은 주연면 중 어느 한쪽 면으로부터 다른 쪽 면측을 향해 곡면 가공흔을 형성하는 곡면 가공부와, 상기 곡면 가공부로부터 다른 쪽 면에 걸쳐서 직선 가공흔을 형성하는, 직선 가공부
    를 구비하는 절삭 공구에 의해, 연료 전지용 엔드 플레이트를 절삭하는 공정
    을 구비하는, 연료 전지용 엔드 플레이트의 제조 방법.
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