JP6939522B2

JP6939522B2 - 燃料電池用のターミナルプレート

Info

Publication number: JP6939522B2
Application number: JP2017247260A
Authority: JP
Inventors: 壮矩山崎; 研二佐藤; 卓也栗原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2037-12-25
Also published as: JP2019114430A

Description

本発明は、燃料電池用のターミナルプレートに関する。

燃料電池は、一般に、単セルを複数積層したスタック構造を有しており、発電電力を外部に取り出すために、端子部を有するターミナルプレートを備えている。このようなターミナルプレートの一例として、従来、金属製の第１のプレートを、当該第１のプレートよりも耐食性の高い第２および第３の金属プレートで挟持した構造を有するターミナルプレートが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１５−０８８２９４号公報

しかしながら、上記従来のターミナルプレートを製造するためには、複数のプレートを積層する必要があり、構造が複雑である。そこで、本願発明者らは、ターミナルプレートの構造を、より簡素化するため、ターミナルプレートの一部に端子部を重ね合わせて接合する構造を考案した。しかし、このような構造では、接合部に電流が集中して流れることにより、接合部が発熱し、接合部の周辺に配置された部材に影響が及ぶという問題を、本願発明者らは見出した。

本発明は、上述の課題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。

本発明の一形態によれば、単セルが複数積層された積層体を備える燃料電池において、前記積層体の積層方向の端部に配置される燃料電池用のターミナルプレートが提供される。ターミナルプレートは；前記積層体の積層面に対向するように配置され、第１金属によって構成されるプレート部と；前記燃料電池の発電電力を外部に出力するために前記プレート部の外周部に接合され、第２金属によって構成される端子部と；を備え；前記ターミナルプレートにおいて、前記積層体に対向する第１面には、前記プレート部の外周に沿ってガスケットが配置される位置であるガスケットラインが存在し、前記第１面とは異なる第２面には、前記プレート部と前記端子部とを接合する接合部が設けられ；前記第２金属は、前記第１金属よりも導電性が高く；前記接合部は、前記ターミナルプレートの平面方向において、前記ガスケットラインから離間した位置に設けられている。
この形態のターミナルプレートによれば、接合部とガスケットとの間でより大きな距離を確保できるため、接合部が発熱しても、ガスケットが高温になることを抑えることができる。その結果、接合部の発熱に起因するガスケットの劣化を抑制し、ガスケットにおけるシール性の低下を抑えることができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池用のターミナルプレートの製造方法や、ターミナルプレートを備える燃料電池等の形態で実現することができる。

燃料電池の概略構成を表わす斜視図である。ターミナルプレートの概略構成を表わす斜視図である。接続部の配置を表わす説明図である。接続部の配置を表わす説明図である。接続部の配置を表わす説明図である。接続部の配置を表わす説明図である。接続部の配置を表わす説明図である。接続部の配置を表わす説明図である。

Ａ．第１実施形態：
（Ａ−１）燃料電池の全体構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池２００の概略構成を表わす斜視図である。燃料電池２００は、スタック構造を有し、単セル１００を複数積層して成る積層体１５０と、一対のターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂ、一対の絶縁板（インシュレータ）１２０ａ、１２０ｂ、および一対のエンドプレート１３０ａ、１３０ｂを備える。燃料電池２００では、エンドプレート１３０ａ、絶縁板１２０ａ、ターミナルプレート１１０ａ、積層体１５０、ターミナルプレート１１０ｂ、絶縁板１２０ｂ、およびエンドプレート１３０ｂが、この順に積層されている。すなわち、ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂは、積層体１５０の積層方向の端部に配置される。なお、図１では、絶縁板１２０ａはエンドプレート１３０ａの裏面側に隠れているため、絶縁板１２０ａは破線で示している。燃料電池２００は、図示しない保持部材によって、単セル１００の積層方向に締結圧がかかった状態で保持される。

燃料電池２００は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとの供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池２００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１１０ａ、１１０ｂにおいて集電されて、ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂから取り出される。ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂの詳しい構成については、後述する。絶縁板１２０ａ、１２０ｂは、ゴムや樹脂等の絶縁性材料によって形成されている。絶縁板１２０ａ、１２０ｂにおいて、ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂと接する側の表面には、冷媒を流通させる流路を形成するための凹凸形状を形成してもよい。エンドプレート１３０ａ、１３０ｂは、ステンレス鋼等の金属によって形成されている。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、定置型の電源として使用してもよい。

燃料電池２００の内部には、積層体１５０、ターミナルプレート１１０ａ、絶縁板１２０ａ、およびエンドプレート１３０ａを積層方向に貫通する複数（本実施形態では６つ）のマニホールドＭ１ｉｎ〜Ｍ３ｉｎおよびＭ１ｏｕｔ〜Ｍ３ｏｕｔが形成されている。マニホールドＭ１ｉｎは、各単セル１００に燃料ガスを分配するための燃料ガス供給マニホールドである。マニホールドＭ２ｉｎは、各単セル１００に酸化ガスを分配するための酸化ガス供給マニホールドである。マニホールドＭ３ｉｎは、単セル１００間に形成される各冷媒流路に冷媒を分配するための冷媒供給マニホールドである。マニホールドＭ１ｏｕｔは、各単セル１００から燃料ガスが排出される燃料ガス排出マニホールドである。マニホールドＭ２ｏｕｔは、各単セル１００から酸化ガスが排出される酸化ガス排出マニホールドである。マニホールドＭ３ｏｕｔは、単セル１００間に形成される各冷媒流路から冷媒が排出される冷媒排出マニホールドである。エンドプレート１３０ａにおいて、上記した各マニホールドが開口する。エンドプレート１３０ａにおける各マニホールドの開口部には、燃料ガス、酸化ガス、あるいは冷媒を、燃料電池２００に供給または排出するための配管が接続される。

なお、図１に示すように、本実施例では、燃料電池２００の一方の端部側（エンドプレート１３０ａ側）において、全てのマニホールドが開口しているが、異なる構成としても良い。例えば、上記した６つのマニホールドのうちの少なくとも一部が、エンドプレート１３０ｂ側で開口することとしてもよい。また、燃料電池２００内において、例えば、一方の端部側（例えば、図１では、マニホールドの開口部を有しないエンドプレート１３０ｂ側）に、締結圧の変動を吸収する部材（例えば板バネ）を設けるなど、異なる部材をさらに配置することとしてもよい。

（Ａ−２）ターミナルプレートの構成：
図２は、ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂの概略構成を表わす斜視図である。ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂは、それぞれ、プレート部１０ａ、１０ｂと、端子部２０ａ、２０ｂと、を有する。プレート部１０ａ、１０ｂは、積層体１５０の積層面に対向するように配置される部分である。端子部２０ａ、２０ｂは、燃料電池２００の発電電力を外部に出力するために、プレート部１０ａ、１０ｂの外周部から上方に突出するように設けられており、プレート部１０ａ、１０ｂの外周部に接合されている。なお、図２に示すように、ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂでは、端子部２０ａ、２０ｂの一部が、プレート部１０ａ、１０ｂの一方の面上に配置されて、両者が重なる部位において、両者が接合されている。そのため、ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂでは、端子部２０ａ、２０ｂとプレート部１０ａ、１０ｂとが重なる部位は、他の部位よりも、積層方向の厚みが厚くなっている。燃料電池２００では、ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂに隣接する絶縁板１２０ａ、１２０ｂにおいて、上記厚みが厚い部分の形状に応じた切り欠きや凹凸が形成されている。これにより、上記厚みが厚い部分に起因して、燃料電池２００内で部分的に面圧が上昇することが抑えられている。

図２、および後述する図３Ａ〜図５Ｂでは、燃料電池２００における積層方向に対応する方向を、Ｘ方向として示している。本実施形態では、Ｘ方向は水平方向であり、水平方向のうち、Ｘ方向に垂直な方向をＹ方向として示している。また、図２では、鉛直方向を、Ｚ方向として示している。本実施形態では、＋Ｚ方向が、鉛直方向上方を表わす。

プレート部１０ａ、１０ｂの外形は、略矩形形状である。本実施形態では、端子部２０ａ、２０ｂは、それぞれ、略矩形形状のプレート部１０ａ、１０ｂにおける上辺部分から上方に突出するように設けられている。

ターミナルプレート１１０ａのプレート部１０ａには、マニホールドＭ１ｉｎ〜Ｍ３ｏｕｔ（図１）を構成する貫通孔である孔部１１ａ〜１３ａおよび１１ｂ〜１３ｂが形成されている。具体的には、プレート部１０ａにおける鉛直方向の２辺のうちの一方の辺に沿って、孔部１１ａ、１３ａ、１２ａがこの順で設けられており、他方の辺に沿って、孔部１１ｂ、１３ｂ、１２ｂがこの順で設けられている。一方、ターミナルプレート１１０ｂは、マニホールドを形成するための孔部を有さない。燃料電池２００内において、ターミナルプレート１１０ｂは、各マニホールドＭ１ｉｎ〜Ｍ３ｏｕｔの閉塞された端部を形成する。

ターミナルプレート１１０ａと積層体１５０との間、および、ターミナルプレート１１０ｂと積層体１５０との間には、シール部材であるガスケットが配置される。ガスケットは、ゴムや樹脂により形成することができる。図２では、ターミナルプレート１１０ｂ上においてガスケットが配置される位置であるガスケットラインＳＬ１〜ＳＬ３を、一点鎖線で示す。ガスケットラインＳＬ１は、プレート部１０ｂの外周に沿って、孔部１１ａ〜１３ａと孔部１１ｂ〜１３ｂ、および、各単セルで発電反応が進行する領域と積層方向に重なる領域全体を囲むように、設けられている。ガスケットラインＳＬ２、ＳＬ３は、孔部１１ａ〜１３ａおよび孔部１１ｂ〜１３ｂの一部を囲むように形成されている。なお、ターミナルプレート１１０ａにおいても、図２に表われる面の裏面において、ターミナルプレート１１０ｂと同様の形状のガスケットラインＳＬ１〜ＳＬ３が形成される。

プレート部１０ａ、１０ｂと端子部２０ａ、２０ｂとは、それぞれ異なる種類の金属によって構成されている。すなわち、プレート部１０ａ、１０ｂは、第１金属によって構成されており、端子部２０ａ、２０ｂは、第１金属とは異なる第２金属によって構成されている。第２金属は、第１金属と比べて導電性（導電率）の高い金属である。

既述したように、プレート部１０ａ、１０ｂは、マニホールドＭ１ｉｎ〜Ｍ３ｏｕｔの一部を構成する孔部１１ａ〜１３ａおよび１１ｂ〜１３ｂを有しており、また、プレート部１０ｂは、マニホールドＭ１ｉｎ〜Ｍ３ｏｕｔの閉塞された端部を構成する。また、プレート部１０ａ、１０ｂにおける積層体１５０に対向する面上には、冷媒の流路が形成される場合がある。このように、プレート部１０ａ、１０ｂは、燃料ガス、生成水を含む酸化ガス、あるいは冷媒に曝されるため、端子部２０ａ、２０ｂに比べて腐食が進行し易い。このようなプレート部１０ａ、１０ｂを構成する第１金属は、要求される耐食性やコスト等を考慮して、適宜選択すればよい。第１金属としては、例えばチタンやステンレスを用いることができ、耐食性の観点から特にチタンが好ましい。本実施形態では、第１金属としてチタンを用いている。

また、既述したように、本実施形態では、端子部２０ａ、２０ｂを、プレート部１０ａ、１０ｂを構成する第１金属よりも導電性の高い第２金属により構成している。第２金属は、第１金属よりも導電性が高ければよく、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、および貴金属から選択される金属とすることができる。本実施形態では、第２金属としてアルミニウム（Ａｌ）を用いている。そのため、本実施形態では、第１金属は、第２金属よりも耐食性が高い。ただし、第２金属として貴金属を用いる場合のように、第２金属の方が第１金属よりも耐食性が高くてもよい。

（Ａ−３）プレート部と端子部との接合部：
図３Ａおよび図３Ｂは、ターミナルプレート１１０ａにおけるプレート部１０ａと端子部２０ａとを接合する接合部１１５の配置を表わす説明図である。図３Ａは、平面図であり、図３Ｂは、図２に示す３Ｂ−３Ｂ断面における断面図である。図３Ａでは、プレート部１０ａにおいて図３Ａに表われる面の裏面側に形成されるガスケットラインＳＬ１〜ＳＬ３を、点線で示している。なお、ターミナルプレート１１０ｂも、ターミナルプレート１１０ａと同様の構成を有している。

図３Ａおよび図３Ｂに示すように、ターミナルプレート１１０ａにおいて、積層体１５０に対向する第１面（図３Ａに表われる面の裏面）には、ガスケットラインＳＬ１〜ＳＬ３が存在し、第１面とは異なる第２面（図３Ａに表われる面）には、端子部２０ａの−Ｚ方向の端部が配置されて、プレート部１０ａと端子部２０ａとを接合する接合部１１５が設けられている。図３Ａおよび図３Ｂに示すように、接合部１１５は、ターミナルプレート１１０ａの平面方向において、ガスケットラインＳＬ１から離間した位置に設けられている。ここで、ターミナルプレート１１０ａの平面方向とは、ターミナルプレート１１０ａの積層面に平行な方向であり、本実施形態ではＹ−Ｚ平面に平行な方向を指す。本実施形態では、接合部１１５は、ガスケットラインＳＬ１に対して−Ｚ方向に離間する位置に設けられている。

プレート部１０ａ、１０ｂと端子部２０ａ、２０ｂとの接合には、種々の方法を採用可能である。例えば、レーザ溶接、アーク溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接等の溶接により接合することができる。あるいは、摩擦圧接や摩擦攪拌接合により、上記接合を行なってもよい。また、ボルト接合を採用してもよい。本実施形態では、摩擦攪拌接合による接合を採用している。

なお、ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂでは、接合部１１５の面積が大きいほど、特に、接合部１１５におけるＹ方向の長さが長いほど、接合部における発熱の程度を抑えることができるため望ましい。本実施形態では、図３Ａに示すように、端子部２０ａ、２０ｂを平面視したときの外周形状を逆Ｔ字型にして、接合部１１５におけるＹ方向の長さを、より長く確保している。

以上のように構成された第１実施形態の燃料電池２００のターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂによれば、接合部１１５が、ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂの平面方向において、ガスケットラインＳＬ１から離間した位置に設けられている。そのため、接合部１１５に電流が集中して流れることにより接合部１１５が発熱する場合であっても、接合部１１５とガスケットとの間でより大きな距離を確保することができる。その結果、接合部１１５の発熱によってガスケットが高温になることを抑え、ガスケットの劣化を抑制することができる。ガスケットが劣化すると、ガスケットを設けた部位におけるシール性が低下するが、ガスケットの劣化を抑制することで、シール性の低下に起因する燃料電池２００の耐久性の低下を抑えることができる。

図４Ａおよび図４Ｂは、比較例としてのターミナルプレート１１０ａ_０の構成を、図３Ａおよび図３Ｂと同様にして示す説明図である。ターミナルプレート１１０ａ_０は、第１実施形態の燃料電池２００において、ターミナルプレート１１０ａに代えて用いられる。第１実施形態のターミナルプレート１１０ａと共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。ターミナルプレート１１０ａ_０では、接合部１１５は、ターミナルプレート１１０ａ_０の積層方向（Ｘ方向）において、ガスケットラインＳＬ１と重なる位置に設けられている。このような場合には、燃料電池２００の発電時に接合部１１５が発熱するときには、ガスケットは、より高温になり、ガスケットの劣化が進行しやすくなる。

さらに、本実施形態では、端子部２０ａ、２０ｂを構成する第２金属は、プレート部１０ａ、１０ｂを構成する第１金属よりも導電性が高いため、端子部２０ａ、２０ｂの発熱を抑えることができる。そのため、接合部１１５の発熱に起因するガスケットの昇温だけでなく、端子部２０ａ、２０ｂ全体の発熱に起因するガスケットの昇温も抑制することができる。

また、本実施形態では、プレート部１０ａ、１０ｂは、プレート部１０ａ、１０ｂ内における他の部分とは金属の組成が異なる部分（被覆層等）を有することなく、単一の金属（合金を含む）である第１金属によって構成される。そのため、ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂの構成を簡素化できる。

Ｂ．第２実施形態：
図５Ａおよび図５Ｂは、第２実施形態のターミナルプレート１１０ａ_１の構成を、図３Ａおよび図３Ｂと同様にして示す説明図である。ターミナルプレート１１０ａ_１は、第１実施形態の燃料電池２００において、ターミナルプレート１１０ａに代えて用いられる。第１実施形態のターミナルプレート１１０ａと共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明は省略する。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ターミナルプレート１１０ａ_１では、接合部１１５は、ガスケットラインＳＬ１に対して、＋Ｚ方向に離間する位置に設けられている。

このような構成としても、接合部１１５とガスケットとの間でより大きな距離を確保することができるため、第１実施形態と同様に、接合部１１５の発熱によってガスケットが高温になることを抑え、ガスケットの劣化を抑制することができる。上記のように、接合部１１５は、ガスケットラインＳＬ１に対していずれの方向に離間していてもよい。すなわち、接合部は、ターミナルプレートの平面方向において、ガスケットラインから離間する位置に設けられていればよい。

Ｃ．他の実施形態：
第１および第２実施形態では、端子部２０ａ、２０ｂは、矩形形状のプレート部１０ａ、１０ｂにおける上辺部分から上方に突出するように設けたが、異なる構成としてもよい。例えば、プレート部１０ａ、１０ｂにおけるＺ方向に平行な辺のいずれかにおいて、端子部２０ａ、２０ｂを設けることとしてもよい。この場合であっても、接合部１１５が、ターミナルプレートの平面方向において、ガスケットラインＳＬ１から離間していればよい。なお、端子部２０ａ、２０ｂを、プレート部１０ａ、１０ｂにおけるＺ方向に平行な辺に設ける場合には、接合部１１５は、ガスケットラインＳＬ１に加えて、ガスケットラインＳＬ２またはＳＬ３からも離間するように設ければよい。

また、ターミナルプレートにおけるプレート部を平面視したときの外周形状は、矩形形状以外であってもよい。接合部が、ターミナルプレートの平面方向において、ガスケットラインから離間していればよい。

第１および第２実施形態では、一対のターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂを同様の構成としたが、異なる構成としてもよい。具体的には、一対のターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂのうちの一方についてのみ、本願発明を適用することとしてもよい。例えば、耐食性に対する要求が比較的低いターミナルプレートは、全体をアルミニウム（Ａｌ）で形成することとしてもよい。

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中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、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。

１０ａ，１０ｂ…プレート部
１１ａ〜１３ａ，１１ｂ〜１３ｂ…孔部
２０ａ，２０ｂ…端子部
１００…単セル
１１０ａ，１１０ａ_０，１１０ａ_１…ターミナルプレート
１１０ｂ…ターミナルプレート
１１５…接合部
１２０ａ，１２０ｂ…絶縁板
１３０ａ，１３０ｂ…エンドプレート
１５０…積層体
２００…燃料電池
Ｍ１ｉｎ〜Ｍ３ｉｎ…マニホールド
Ｍ１ｏｕｔ〜Ｍ３ｏｕｔ…マニホールド
ＳＬ１〜ＳＬ３…ガスケットライン

Claims

単セルが複数積層された積層体を備える燃料電池において、前記積層体の積層方向の端部に配置される燃料電池用のターミナルプレートであって、
前記積層体の積層面に対向するように配置され、第１金属によって構成されるプレート部と、
前記燃料電池の発電電力を外部に出力するために前記プレート部の外周部に接合され、第２金属によって構成される端子部と、
を備え、
前記ターミナルプレートにおいて、前記積層体に対向する第１面には、前記プレート部の外周に沿ってガスケットが配置される位置であるガスケットラインが存在し、前記第１面とは異なる第２面には、前記プレート部と前記端子部とを接合する接合部が設けられ、
前記第２金属は、前記第１金属よりも導電性が高く、
前記接合部は、前記ターミナルプレートの平面方向において、前記ガスケットラインから離間した位置に設けられている
ターミナルプレート。