(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる熱膨張係数を有する母材と複数個の補強材で構成され、締結される前ではねじれが発生した形態を維持し、締結された後では平板形態に変形されるハイブリッド構造の燃料電池スタック用エンドプレートであって、
前記母材が複合材料で、前記補強材がスチールであり、前記補強材が、前記母材の内部で前記母材の長さ方向に沿って一定間隔をなして配置されることを特徴とする燃料電池スタック用エンドプレート。
【請求項２】
互いに異なる熱膨張係数を有する母材と複数個の補強材で構成され、締結される前ではねじれが発生した形態を維持し、締結された後では平板形態に変形されるハイブリッド構造の燃料電池スタック用エンドプレートの製造方法であって、
前記母材が複合材料で、前記補強材がスチールであり、前記補強材を、前記母材の内部で、前記母材の長さ方向に沿って一定間隔をなして配置し、金型内で１２５℃で高温硬化させることにより平板形態に成形する段階と、
硬化後、常温である２５℃まで冷却させて、前記エンドプレートがねじれの発生した形態に製作される段階と、
を有することを特徴とする燃料電池スタック用エンドプレート製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック用エンドプレートおよびその製造方法に係り、更に詳しくは、燃料電池スタックの両端に締結されるエンドプレートを互いに異なる熱膨張係数を有する２種類の材質で構成されたハイブリッド構造に製造し、既存の締結力による弾性変形によりエンドプレート中央部が浮くため、スタックにおいて不均等の面圧となることを防止することができる燃料電池スタック用エンドプレートおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質燃料電池は、水素と酸素を電気化学的に反応させ、水を生成しつつ電気を発生させる装置であり、異なる形態の燃料電池に比べて効率が高く、電流密度および出力密度が大きく、更に、始動時間が短く、負荷変化に対して応答が速い特性を有することにより、無公害車両の動力源、自家発電用、移動用および軍事用電源など多様な分野で応用することができる。
【０００３】
以下、図１を参照して、燃料電池スタックの各構成を説明する。
燃料電池スタックにおいて、最内側に主要構成部品である電極膜（ＭＥＡ）が位置し、この電極膜３０は水素陽イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）を移動させる固体高分子電解質膜と、この電解質膜の両面に水素と酸素が反応するように塗布された触媒層、即ち、カソードおよびアノードで構成されている。
また、電極膜３０の外側部分、即ち、カソードおよびアノードが位置した外側部分にガス拡散層（ＧＤＬ）、ガスケットなどが積層されて位置し、ガス拡散層４０の外側には燃料を供給し、反応により発生する水を排出するように流路が形成された分離板が位置し、最外側には前記した各構成を支持するための金属材質のエンドプレート１００が結合される。
【０００４】
従って、燃料電池のアノードでは水素の酸化反応が進行し、水素イオンと電子が発生し、この時生成された水素イオンと電子は各々電解質膜と分離板を通してカソード極に移動する。
この時、カソード極ではアノード極から移動した水素イオンと電子、空気中の酸素が関与する電気化学反応を通して水が生成され、このような電子の流れから電気エネルギーが生成される。
このような燃料電池スタックにおいて、エンドプレートは、スタック内で均等な面圧が維持されるように、各構成を支持する機能を有する。均等な面圧を維持することはスタック内の流体の漏れ防止、セル間の電気接触抵抗の減少と関連し、スタック性能を左右する重要な因子である。
【０００５】
既存のエンドプレートチャンネル方式は、図２に示すように、両端部に配置されたエンドプレート１００を長ボルト（長い電線ネジ）５０を利用して締結する方式を採択するか、図３に示すように、両端部に配置されたエンドプレート１００をストリップ（バンド）６０を利用して互いに締結する方式を採択している。
しかし、従来のエンドプレート締結方式には下記のような問題点がある。
前記のように、エンドプレートはスタックの漏れ防止のために非常に高い締結力（約３０００〜４０００ｋｇｆ）で締結されるが、これによってエンドプレートは弾性変形により、図４に示すように、変形前には水平状態を維持し、変更後に中央部位が浮くという問題点があった。
【０００６】
即ち、エンドプレートは締結力による弾性変形により中央部分が浮き上がる一方、その締結部（長ボルト締結部位またはストリップ締結部位）から近い端には高い面圧がかかり、相対的に遠いエンドプレートの中央部位には面圧が小さくかかる現象が発生した。
このようにエンドプレートの中央部分が浮くと、スタックの中央部の低い面圧部位で、電気的接触抵抗が多くなり、流体漏れが発生する問題がある。
このような点を勘案し、燃料電池スタックの両端部に締結されるエンドプレートの内側面を曲面にＮＣ加工し、図５に示すように、ＮＣ加工による曲面が弾性変形時に平面になるようにする技術が提案されたが、これは球面形状のＮＣ加工のための費用がかなりかかり、エンドプレートの変形部位に合わせて加工する作業が非常に難しい短所がある。
そこで、燃料電池スタックの分離板と接触するエンドプレートの内側面が締結後にも浮かず、平板状態を維持するようにする対策が要求される。
【特許文献１】特開２００７−２４２４８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、エンドプレートを互いに異なる熱膨張係数を有する複合材料の母材とスチール補強材で構成し、燃料電池スタックに締結することにより、熱膨張係数によるねじれ変形と、締結力による弾性変形が互いに相殺され、常に平板状態を維持することができる燃料電池スタック用エンドプレートおよびその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するための本発明に係る燃料電池スタック用エンドプレートは、互いに異なる熱膨張係数を有する母材と複数個の補強材で構成され、締結される前ではねじれが発生した形態を維持し、締結された後では平板形態に変形されるハイブリッド構造の燃料電池スタック用エンドプレートであって、母材が複合材料で、補強材がスチールであり、補強材が、母材の内部で母材の長さ方向に沿って一定間隔をなして配置されることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、互いに異なる熱膨張係数を有する母材と複数個の補強材で構成され、締結される前ではねじれが発生した形態を維持し、締結された後では平板形態に変形されるハイブリッド構造の燃料電池スタック用エンドプレートの製造方法であって、
母材が複合材料で、補強材がスチールであり、補強材を母材の内部で、母材の長さ方向に沿って一定間隔をなして配置し、金型内で１２５℃で高温硬化させることにより平板形態に成形する段階と、硬化後、常温である２５℃まで冷却させて、前記エンドプレートがねじれの発生した形態に製作される段階と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、互いに異なる熱膨張係数を有する複合材料の母材とスチール補強材を利用してエンドプレートを製作し、燃料電池スタックに締結することにより、熱膨張係数によるねじれ変形と締結力による弾性変形が互いに相殺され、エンドプレートを常に平板状態に維持させることができ、これにスタックに対する均等な面圧を維持してスタック内の流体の漏れ防止、セル間電気接触抵抗の減少などを防止し、燃料電池スタック性能を最適に維持させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して、詳しく説明する。
【実施例】
【００１４】
図６は本発明によるエンドプレート構造を説明する斜視図であり、図７は本発明によるエンドプレート構造を説明する断面図である。
本発明による燃料電池スタック用エンドプレート１００は、互いに異なる熱膨張係数を有する母材１０と複数個の補強材２０で構成され、燃料電池スタックに締結された後、常温である２５℃で互いに異なる熱膨張係数（ＣＴＥ；Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）により中央部分が内側に、縁部分が外側にねじれるようにしたものである。
【００１５】
より詳しくは、本発明のエンドプレート１００は、所定面積の複合材料の母材１０と、この複合材料の母材１０の内部にその長さ方向に沿って内在する複数個のスチール補強材２０で構成され、この時、複合材料の母材１０は、熱膨張係数が１０μｍ／ｍ℃であるものを、スチール補強材２０は熱膨張係数が１６．５μｍ／ｍ℃であるものを適用する。
複合材料の母材１０とスチール補強材２０は、燃料電池スタックを構成するに最適なものを使用するのは勿論のことであるが、本発明ではその材料に限定せず、ただ相互間の熱膨張係数が異なるものであればよい。
【００１６】
以下、本発明のエンドプレート製造法を具体的に説明する。
本発明のエンドプレート１００は、複合材料の母材１０を約１２５℃の温度で硬化させて製作するが、スチール補強材２０を内部に挿入し、同時に硬化させる方法で製作する。
まず、複合材料の母材１０をプリプレグ（ｐｒｅｐｒｅｇ）積相するが、その内部に複数個のスチール補強材２０を挿入し、１２５℃の高温で硬化させることにより、平板形態に成形し、その後、常温である２０℃まで冷却する。
このように複合材料の母材１０とスチール補強材２０からなるハイブリッド型エンドプレート１００を硬化させた後、常温２５℃まで冷却させると、互いに異なる熱膨張係数を有する材料特性によってねじれが発生し、この時、スチール補強材の位置または複合材料の種類などを異にして選択することによってそのねじれ程度を調節することができる。
【００１７】
この時、母材１０と補強材２０には、ポリマー、補強材料、金属などの多様な材料が使用され、選択された材料の種類によって射出成形、プレス成形、反応射出成形（ＲＩＭ；Ｒｅａｃｔｉｏｎ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）、ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）など多様な製造工法が適用される。但し、母材と補強材は異なる熱膨張係数でなければならず、製造時の温度と燃料電池作動時の温度差を考慮して材料の選択と設計を行わなければならない。
【００１８】
次に、このように製造された本発明のエンドプレートが平板状態を持続的に維持する作用を説明する。
図８は、本発明によるエンドプレートの平板維持作用を説明する断面図である。
本発明のエンドプレート１００、即ち、複合材料の母材１０の内部にその長さ方向に沿って複数個のスチール補強材２０を内在させたエンドプレートを燃料電池スタックの両端部に、長ボルトまたはバンドなどを利用して締結する。
【００１９】
この時、エンドプレート１００は高い張力（約３０００〜４０００ｋｇｆ）で締結されるが、これによる弾性変形により中央部位が浮き上がり、これと同時に約２５℃でエンドプレート１００は複合材料の母材１０とスチール補強材２０の互いに異なる熱膨張係数により、中央部分が内側に、縁部分が外側にねじれ、エンドプレート１００の中央部分が弾性変形により浮き上がるのを防止する。
従って、本発明のエンドプレートは、全体的に均等な面圧を維持し、スタック内の流体の漏れ防止、セル間の電気接触抵抗の減少などを防止し、燃料電池スタック性能を最適に維持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料電池スタックの構成を説明する概略図である。
【図２】既存の燃料電池スタックのエンドプレート締結方式を説明する概略図である。
【図３】既存の燃料電池スタックのエンドプレート締結方式を説明する概略図である。
【図４】既存のエンドプレートの締結力による弾性変形を説明するデータである。
【図５】エンドプレートの弾性変形を勘案し、既存のエンドプレートの内表面を曲面に加工したことを説明する概略図である。
【図６】本発明によるエンドプレート構造を説明する斜視図である。
【図７】本発明によるエンドプレート構造を説明する断面図である。
【図８】本発明によるエンドプレートの平板維持作用を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００２１】
１０  複合材料の母材              
２０  スチール補強材
３０  電極膜                      
４０  ガス拡散層
５０  長ボルト                    
６０  ストリップ
１００  エンドプレート
【図１】
0005263927.tif 000002
【図２】
0005263927.tif 000003
【図３】
0005263927.tif 000004
【図４】
0005263927.tif 000005
【図５】
0005263927.tif 000006
【図６】
0005263927.tif 000007
【図７】
0005263927.tif 000008
【図８】
0005263927.tif 000009