(57)【要約】【課題】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する。また、プレート部の耐食性を向上し、端子部の発熱を低減する。【解決手段】ターミナルプレートは、燃料電池を構成する単セルと面する第１の金属によって構成されたプレート部と、プレート部の外縁部に接合され、燃料電池の発電電力を外部に出力する第２の金属によって構成された端子部と、を備える。第１の金属は、第２の金属よりも耐食性が高く、第２の金属は、第１の金属よりも導電性が高く、プレート部と端子部は、ボルト接合と、溶接と、のいずれか１つにより接合されている。【選択図】図２
2018147716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用のターミナルプレートであって、
前記燃料電池を構成する単セルと面する第１の金属によって構成されたプレート部と、
前記プレート部の外縁部に接合され、前記燃料電池の発電電力を外部に出力する第２の金属によって構成された端子部と、
を備え、
前記第１の金属は、前記第２の金属よりも耐食性が高く、
前記第２の金属は、前記第１の金属よりも導電性が高く、
前記プレート部と前記端子部は、ボルト接合と、溶接と、のいずれか１つにより接合されている、
ターミナルプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池用のターミナルプレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
端子部を有する導電性のコアプレートと、コアプレートを挟持する一対の耐食性プレートと、耐食性プレートによるコアプレートの挟持状態を維持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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−８８２９４公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のターミナルプレートは、コアプレートおよび耐食性プレートの一部を接着シール材によって覆う必要があり、構造が複雑化していた。そのため、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。また、従来からターミナルプレートにおいて耐食性の向上と、端子部の発熱を低減できる技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
本発明の一形態によれば、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、前記燃料電池を構成する単セルと面する第１の金属によって構成されたプレート部と、前記プレート部の外縁部に接合され、前記燃料電池の発電電力を外部に出力する第２の金属によって構成された端子部と、を備える。前記第１の金属は、前記第２の金属よりも耐食性が高く、前記第２の金属は、前記第１の金属よりも導電性が高く、前記プレート部と前記端子部は、ボルト接合と、溶接と、のいずれか１つにより接合されている。
上記形態のターミナルプレートによれば、プレート部は第１の金属によって構成され、端子部は第２の金属によって構成されている。また、プレート部と端子部は、ボルト接合と、溶接と、のいずれか１つにより接合されている。したがって、従来と比べて、接着シール材を用いる必要がないので、ターミナルプレートにおける構造の複雑化を抑制できる。また、上記形態に係るターミナルプレートは、液水による腐食が発生しやすいプレート部が第２の金属よりも耐食性の高い第１の金属で構成され、電流集中による発熱が発生しやすい端子部が第１の金属よりも導電性の高い第２の金属で構成されている。したがって、接着シール材を用いない簡素な構造により、プレート部の耐食性の向上と、端子部の発熱の低減が可能である。
【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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。
【図２】実施形態に係るターミナルプレートの概略図。
【図３】実施形態に係るターミナルプレートの断面図。
【図４】従来例に係るターミナルプレートの断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１の実施形態
図１は、本開示の実施形態に係るターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂ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、一対のエンドプレート１３０ａ、１３０ｂと、一対の絶縁板１２０ａ、１２０ｂと、一対のターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂ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１３０ａと、第１の絶縁板１２０ａと、第１のターミナルプレート１１０ａと、複数の単セル１００と、第２のターミナルプレート１１０ｂと、第２の絶縁板１２０ｂと、第２のエンドプレート１３０ｂ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１１０ａ、１１０ｂから取り出される。絶縁板１２０ａ、１２０ｂは、ゴムや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１３０ａ、１３０ｂは、鋼等の金属から成り、剛性を有している。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、定置型の家庭用電源としても使用される。
【００１０】
燃料電池２００は、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Ｍ１ｉｎ〜Ｍ３ｉｎと、燃料ガス等の排出に用いられる排出マニホールドＭ１ｏｕｔ〜Ｍ３ｏｕｔと、を有している。供給マニホールドＭ１ｉｎ〜Ｍ３ｉｎには、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、が含まれる。排出マニホールドＭ１ｏｕｔ〜Ｍ３ｏｕｔには、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、が含まれる。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。
【００１１】
ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂは、プレート部１０ａ、１０ｂと、プレート部１０ａ、１０ｂの外縁部１５に接合された端子部２０ａ、２０ｂと、を有する。ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂは、単セル１００の発電電力を集電する集電板であり、端子部２０ａ、２０ｂから集電した電力を外部へ出力する。以下では、第１のターミナルプレート１１０ａと第２のターミナルプレート１１０ｂの共通する特徴および効果を説明する際には、ターミナルプレート１１０と記載する。ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂの構成要素であるプレート部１０ａ、１０ｂおよび端子部２０ａ、２０ｂについても、第１のターミナルプレート１１０ａと第２のターミナルプレート１１０ｂの共通する特徴および効果を説明する際には、プレート部１０および端子部２０と記載する。
【００１２】
図２は、ターミナルプレート１１０ａ、１１０ｂの概略図である。第１のターミナルプレート１１０ａは、積層された際にマニホールドＭ１ｉｎ〜Ｍ３ｏｕｔ（図１）を構成するマニホールド形成部１１ａ〜１３ｂを有する。マニホールド形成部１１ａ〜１３ｂは、１１０ａを貫通する開口を形成する。一方、第２のターミナルプレート１１０ｂは、マニホールド形成部を有さない。外部から供給される燃料ガスおよび酸化ガスは、第１のターミナルプレート１１０ａからそれぞれの単セル１００に供給され、反応に用いられなかった燃料ガスおよび酸化ガスは、折り返して第１のターミナルプレート１１０ａに戻る。冷却水も同様に、第１のターミナルプレート１１０ａからそれぞれの単セル１００に供給され、第１のターミナルプレート１１０ａに戻る。
【００１３】
プレート部１０の外形は、略矩形状である。端子部２０は、プレート部１０の外縁部１５に接合されている。端子部２０は、外縁部１５から突出した部材である。プレート部１０と端子部２０との接合には、例えば、接着シール材を用いない接合方法である、ボルトを用いて接合するボルト接合や、溶接、を用いることができる。溶接としては、例えば、摩擦圧接や、摩擦攪拌接合（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）や、レーザー溶接がある。本実施形態では、溶接による接合を採用している。
【００１４】
第１のターミナルプレート１１０ａの外形は、略矩形状である。第１のターミナルプレート１１０ａの長手方向の一方の端部には、燃料ガス入口マニホールド形成部１１ａと、酸化ガス入口マニホールド形成部１２ａと、冷却媒体入口マニホールド形成部１３ａと、が設けられている。第１のターミナルプレート１１０ａの長手方向の他方の端部には、燃料ガス出口マニホールド形成部１１ｂと、酸化ガス出口マニホールド形成部１２ｂと、冷却媒体出口マニホールド形成部１３ｂと、が設けられている。
【００１５】
第２のターミナルプレート１１０ｂの外形は、略矩形である。図２において、プレート部１０ｂに示す一点鎖線ＳＬ１〜ＳＬ５は、対向する単セル１００に配置されたガスケットが当接する位置を表している。プレート部１０ｂの一点鎖線ＳＬ１〜ＳＬ５によって囲まれた領域は、各マニホールドＭ１ｉｎ〜Ｍ３ｏｕｔの端部となるマニホールド後端部１４として機能する。
【００１６】
マニホールド形成部１３ａから供給される冷却水の一部は、プレート部１０と隣接する単セル１００とによって形成される冷媒流路（図示しない）へと流入し、ターミナルプレート１１０の単セル１００に面する側は、冷却水に晒される。また、マニホールド形成部１１ｂおよびマニホールド後端部１４は、単セル１００における化学反応によって生成された生成水を含む燃料ガスに晒されている。プレート部１０は、冷却水や生成水に晒された状態であるため、端子部２０と比べ腐食が起こりやすい環境にある。
【００１７】
単セル１００によって発電された電力が集電され外部へと出力される際には、端子部２０に電力が集中する。プレート部１０より断面積が小さい端子部２０は、プレート部１０と比べて発熱しやすい。
【００１８】
プレート部１０と端子部２０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。プレート部１０は、第１の金属によって構成されている。端子部２０は、第１の金属とは異なる種類の第２の金属によって構成されている。第１の金属は、第２の金属より耐食性が高い金属である。第２の金属は、第１の金属と比べて導電性（導電率）の高い金属である。
【００１９】
上記のごとく、プレート部１０は、第２の金属よりも耐食性が高い第１の金属によって構成されている。したがって、プレート部１０は、冷却水等に晒される際に、プレート部１０が端子部２０と同様に第２の金属によって構成されている場合と比べて、プレート部１０の腐食を抑制することができる。ここで、プレート部１０を構成する第１の金属は、ターミナルプレート１１０が冷却水等に晒され、かつ、電流が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を有していてもよい。耐食性を有する第１の金属としては、例えば、チタンやステンレス鋼がある。耐食性の程度は、例えば、フッ酸等に浸積した試料に電流を流す電気化学試験に基づいて評価することができる。本実施形態では、第１の金属としてチタンを採用している。
【００２０】
上記のごとく、端子部２０は、第１の金属よりも導電性の高い第２の金属で構成されている。したがって、端子部２０は、電力が集中した際に、プレート部１０と同様に第１の金属で構成されている場合と比べて、発熱を抑制できる。ここで、端子部２０を構成する第２の金属は、ターミナルプレート１１０に燃料電池２００の通常の使用において想定される最大の電流が印加された際に端子部２０が高温にならない程度の導電性を有していてもよい。高温とは、ターミナルプレート１１０に隣接する部材が劣化する等の問題が発生する温度を意味する。導電性を有する第２の金属として、例えば、アルミニウムや銅がある。本実施形態では、第２の金属としてアルミニウムを採用している。
【００２１】
以下では、図３および図４を用いて、実施形態に係る第１のターミナルプレート１１０ａの構造と従来例に係る第１のターミナルプレート２１０の構造とを比較する。図３は、実施形態に係る第１のターミナルプレート１１０ａの断面図である。図４は、従来例に係る第１のターミナルプレート２１０の断面図である。
【００２２】
図３に示すように、実施形態に係る第１のターミナルプレート１１０ａは、プレート部１０ａと端子部２０ａとが接合された構造を有する。ターミナルプレート１１０ａの単セル１００に対向する側には、燃料ガス、酸化ガス、もしくは冷媒の漏洩を防止するためのガスケットＧＫａがマニホールド形成部１１ａ〜１３ｂの外周に配置されている。ガスケットＧＫａは、対面する単セル１００と当接し、第１のターミナルプレート１１０ａと単セル１００との面圧によって設置位置に保持される。
【００２３】
図４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は、コアプレート４０が一対の耐食性プレート５０によって挟持された構造を有し、コアプレート４０の一部が耐食性プレート５０から露出することによって端子部８０が形成されている。マニホールド形成部７１ａ、７３ａは、コアプレート４０が燃料ガス、酸化ガス、もしくは冷媒と直接接触しないように、接着シール材６０によってシールされている。従来例では、コアプレート４０を接着シール材６０および耐食性プレート５０によって覆う必要がある。したがって、実施形態に比べて構造が複雑化する。
【００２４】
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、プレート部１０と端子部２０はそれぞれ単一の金属（第１の金属又は第２の金属）によって構成されている。プレート部１０と端子部２０は、ボルト接合と、溶接と、のいずれか１つにより接合されている。接着シール材を用いる必要がないので、従来と比べて、ターミナルプレート１１０における構造の複雑化を抑制できる。また、ターミナルプレート１１０は、生成水や冷却水に晒され腐食しやすいプレート部１０が耐食性の高い第１の金属で構成され、電流集中による発熱が発生しやすい端子部２０が導電性の高い第２の金属で構成されている。耐食性が高く導電性が低い金属、例えば第１の金属のみで構成されたターミナルプレートと比べて、端子部２０の発熱を抑制することができる。また、導電性が高く耐食性が低い金属、例えば第２の金属のみで構成されたターミナルプレートと比べて、プレート部１０の腐食を抑制することができる。したがって、接着シール材を用いない簡素な構造により、プレート部１０の耐食性の向上と、端子部２０の発熱の低減が可能である。
【００２５】
本開示は、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。
【符号の説明】
【００２６】
１０、１０ａ、１０ｂ、７０…プレート部
１１ａ、７１ａ…燃料ガス入口マニホールド形成部
１１ｂ…燃料ガス出口マニホールド形成部
１２ａ…酸化ガス入口マニホールド形成部
１２ｂ…酸化ガス出口マニホールド形成部
１３ａ、７３ａ…冷却媒体入口マニホールド形成部
１３ｂ…冷却媒体出口マニホールド形成部
１４…マニホールド後端部
１５…外縁部
２０、２０ａ、２０ｂ、８０…端子部
４０…コアプレート
５０…耐食性プレート
６０…接着シール材
１００…単セル
１１０、１１０ａ、１１０ｂ、２１０…ターミナルプレート
１２０ａ、１２０ｂ…絶縁板
１３０ａ、１３０ｂ…エンドプレート
ＧＫａ、ＧＫｂ…ガスケット
【図１】
2018147716.tif 000003
【図２】
2018147716.tif 000004
【図３】
2018147716.tif 000005
【図４】
2018147716.tif 000006