(57)【要約】【課題】  本発明は燃料電池スタック用エンドプレート及びその製造方法に関し、更に詳しくは、燃料電池スタックの両端に締結されるサンドイッチ構造のエンドプレートにハニカムとフォーム構造を有するハイブリッド形態の芯材を適用することで、重量当りの曲げ剛性を高め、破断まで耐えることができる変形率を向上させることができ、熱伝達を減少させることができる燃料電池スタック用エンドプレート及びその製造方法に関する。【解決手段】  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スタックに均一な面圧を与えるように適切な剛性を有する構造、そして軽量化のために重量を減らすことのできる構造、更に、低温始動性を向上させることができる構造からなる。  低温始動性はフォームフィルドハニカム芯材のフォームに熱伝導係数が非常に小さい二酸化炭素を注入するなどの方法で向上させている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハニカムの各セル内にフォームが内在した芯材と、この芯材を囲み、接着した面材を含む燃料電池スタック用エンドプレートにおいて、
前記ハニカムの各セル内に内在するフォームは発泡したフォームまたは閉鎖型セルからなるフォームであり、前記ハニカムまたはフォームに断熱手段を含ませ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】
前記断熱手段は、前記ハニカムまたはフォームの外面に塗布されて硬化させた熱可塑性樹脂であることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック用エンドプレート。
【請求項３】
前記断熱手段は、前記ハニカムの各セル内でフォームが発泡する時、フォームに注入される二酸化炭素であることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック用エンドプレート。
【請求項４】
前記断熱手段は、前記ハニカムの各セルの内部でその上部及び下部に閉鎖型セルからなるフォームが内在される時、上部及び下部に内在されるフォームの間に入れる二酸化炭素層またはエアロゲルシートであることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック用エンドプレート。
【請求項５】
前記断熱手段は、前記ハニカムの各セルの壁面に形成される多数の小さい穴と、前記穴を通してハニカム内のフォームに提供される真空提供手段と、加熱により溶けながら前記穴に詰められる熱可塑性プラスチック物質からなることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池スタック用エンドプレート。
【請求項６】
ハニカムの上に発泡された状態のフォーム材料を載せた後、プレスを利用して前記フォームに圧力を加えると同時に、ハニカムの各セル内にフォームが圧入されるようにするか、前記ハニカムの各セル内でフォーム材料を発泡させ、前記ハニカムの各セル内にフォームが発泡された状態で詰められるようにしてからなる芯材製作段階と、
前記芯材の全体表面または一部表面を囲む面材接着段階
を含むことを特徴とする燃料電池スタック用エンドプレートの製造方法。
【請求項７】
前記ハニカムまたはフォームに樹脂を塗布して硬化させる段階を更に含むことを特徴とする、請求項６記載の燃料電池スタック用エンドプレートの製造方法。
【請求項８】
前記フォーム材料の発泡時、二酸化炭素をフォーム材料に注入する段階を更に含むことを特徴とする、請求項６記載の燃料電池スタック用エンドプレートの製造方法。
【請求項９】
前記プレスによりハニカムの各セル空間に圧入されるフォームは閉鎖型セルからなるフォームであり、この閉鎖型セルからなるフォームはハニカムの各セル空間に上下に配置され、その間に二酸化炭素ガス層を形成させるか、エアロゲルシートを挿入して断熱層を作る段階を更に含むことを特徴とする、請求項６記載の燃料電池スタック用エンドプレートの製造方法。
【請求項１０】
前記芯材はハニカムの各セル内にフォームが内在すると同時に、各セルの壁面に多数の小さい穴が形成され、角部分のセル壁面に熱可塑性プラスチック物質が配置された構造であり、この芯材を真空包装して芯材のフォーム内部を真空にする段階を更に含むことを特徴とする、請求項６記載の燃料電池スタック用エンドプレートの製造方法。
【請求項１１】
前記熱可塑性プラスチック物質が溶けながら、前記ハニカムに形成された小さい穴を塞ぐように、前記真空包装された芯材を加熱する段階が更に進められることを特徴とする、請求項１０記載の燃料電池スタック用エンドプレートの製造方法。
【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及びその製造方法に関し、更に詳しくは、燃料電池スタックの両端に締結されるサンドイッチ構造のエンドプレートにハニカムとフォーム構造を有するハイブリッド形態の芯材を適用することで、重量当りの曲げ剛性を高め、破断まで耐えることができる変形率を向上させることができ、熱伝達を減少させることができる燃料電池スタック用エンドプレート及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もしくはプロトン交換膜燃料電池は水素と酸素を電気化学的に反応させて水を生成しながら、電気を発生させる装置であり、別の形態の燃料電池に比べて効率が高く、電流密度及び出力密度が大きく、更に、始動時間が短く負荷変化に早い応答性を有する。
【０００３】
このような特性を有する燃料電池スタックの最も内側には主要構成部品である電極膜（ＭＥＡ）が位置しており、この電極膜は水素プロトン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ことができるように塗布された触媒層、即ち空気極及び燃料極とで構成されている。
【０００４】
更に、前記電極膜の外側部分、即ち空気極及び燃料極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、前記ガス拡散層の外側には燃料を供給し、反応により発生された水を排出するように流路が形成された分離板が位置し、最も外側には前記各構成を支持するためのエンドプレートが結合される。
【０００５】
従って、燃料電池の燃料極では水素の酸化反応が行われ、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空気極に移動する。
【０００６】
この時、空気極では燃料極から移動した水素イオンと電子、空気中の酸素が参与する電気化学反応を通して水を生成し、このような電子の流れから電気エネルギーを生成する。
【０００７】
このような構成及び作用をする燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートはスタック内で均一な面圧が維持されるように各構成品を支持することが主な機能であるが、外部への熱損失を最小化し、燃料電池スタック内の温度を早い時間内に一定に維持させ、燃料電池が良好な低温始動性を持たせることもまた、重要な機能の一つである。
【０００８】
即ち、前記エンドプレートはスタック内で均一な面圧が維持されるように、各構成を支持する機能はスタック内の流体の漏洩防止、セル間の電気接触抵抗の増加防止と係り、スタック性能を左右する重要な因子である。
【０００９】
更に、エンドプレートはスタックの熱損失を防ぎ、燃料電池内のスタックの温度を一定に維持させることができるように、熱伝導率が小さいほど有利である。
【００１０】
既存のエンドプレートは均一な面圧を維持させるために、ステンレス鋼で製作されていたが、１個当りの質量が７〜８ｋｇもあり、その重量が重いため、扱いが容易ではなく、金属であるため、断熱性能が低く、低温始動性が良くない。
【００１１】
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が軽量でありながら、適切な曲げ剛性を有し、特に熱伝導度が低く低温始動性を向上させることができるように、その材料及び設計、そして製造方法に対する様々な研究が行われている。
【００１２】
その対案として、サンドイッチ構造で製作されるエンドプレートが提示されており、このエンドプレートの芯材制作方法としては、圧縮または衝撃緩和構造のために、ハニカム部材にフォームを発泡させる方法がある。
【００１３】
しかし、この方法はフォームフィルドハニカム（Ｆｏａｍ  ｆｉｌｌｅｄ  ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ）という芯材を製造するための専用の追加装備が必要であり、製作において様々な工程が必要であり、費用がかかるという制約が伴う。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は前記のような問題点を勘案し、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スタックに均一な面圧を与えるように適切な剛性を有する構造、そして軽量化のために重量を減らすことのできる構造、更に、低温始動性を向上させることができる構造に新しく改善しようとしたものであり、従って、本発明の目的は、フォームフィルドハニカム（Ｆｏａｍ  ｆｉｌｌｅｄ  ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ）芯材を熱伝導係数が非常に小さい二酸化炭素をフォームに注入する方式、または真空を利用して全体を遮断するなどの方法で容易に製造してエンドプレートに適用することで、低温始動のための断熱性を更に向上させることができる燃料電池スタック用エンドプレート及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成するための本発明は、ハニカムの各セル内にフォームが内在した芯材と、この芯材を囲み、接着した面材を含む燃料電池スタック用エンドプレートにおいて、前記ハニカムの各セル内に内在するフォームは発泡したフォームまたは閉鎖型セルからなるフォームであり、前記ハニカムまたはフォームに断熱手段を含ませ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を提供する。
【００１６】
前記断熱手段はハニカムまたはフォームの外面に塗布されて硬化させた熱可塑性樹脂であることが好ましい。
【００１７】
前記断熱手段は前記ハニカムの各セル内でフォームが発泡する時、フォームに注入される二酸化炭素であることが好ましい。
【００１８】
前記断熱手段はハニカムの各セル内部でその上部及び下部に閉鎖型セルからなるフォームが内在される時、上部及び下部に内在されるフォームとの間に生成された二酸化炭素層またはエアロゲルシートであることが好ましい。
【００１９】
前記断熱手段は前記ハニカムの各セルの壁面に形成される多数の小さい穴と、前記穴を通してハニカム内のフォームに提供される真空提供手段と、加熱により溶けながら前記穴に詰められる熱可塑性プラスチック物質からなることが好ましい。
【００２０】
前記目的を達成するための本発明は、ハニカムの上に発泡された状態のフォーム材料を載せた後、プレスを利用して前記フォームに圧力を加えると同時に、ハニカムの各セル内にフォームが圧入されるようにするか、ハニカムの各セル内でフォーム材料を発泡させ、前記ハニカムの各セル内にフォームが発泡された状態で詰められるようにしてからなる芯材製作段階と；前記芯材の全体表面または一部表面を囲む面材接着段階；を含むことを特徴とする燃料電池スタック用エンドプレートの製造方法を提供する。
【００２１】
更に、前記ハニカムまたはフォームに樹脂を塗布して硬化させる段階を更に含むことを特徴とする。
【００２２】
また、前記フォーム材料の発泡時、二酸化炭素をフォーム材料に注入する段階を更に含むことを特徴とする。
【００２３】
特に、前記プレスによりハニカムの各セル空間に圧入されるフォームは閉鎖型セルからなるフォームであり、この閉鎖型セルからなるフォームはハニカムの各セル空間に上下に配置され、その間に二酸化炭素ガス層を形成させるか、エアロゲルシートを挿入して断熱層を作る段階を更に含むことを特徴とする。
【００２４】
一方、前記芯材はハニカムの各セル内にフォームが内在すると同時に、各セルの壁面に多数の小さい穴が形成され、角部分のセル壁面に熱可塑性プラスチック物質が配置された構造であり、この芯材を真空包装して芯材のフォーム内部を真空にしてやる段階を更に含むことを特徴とする。
【００２５】
更に、前記熱可塑性プラスチック物質が溶けながら、前記ハニカムに形成された小さい穴を塞ぐように、前記真空包装された芯材を加熱する段階が更に進められることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る燃料電池スタック用エンドプレート及びその製造方法によると、ハニカムとフォーム、２つの素材を重ね合わせ、一定な圧力を与えてフォームがハニカムに挿入される方法、またはハニカム内でフォームを発泡させる方法などでエンドプレート用芯材を容易に製造し、サンドイッチ複合材料エンドプレートを採択することで、軽量化を図ることができ、特に、燃料電池スタックに締結された時、適切な曲げ剛性を発揮しながらスタックに対する均一な面圧を維持させることができる。
【００２７】
更に、別途の断熱手段をハニカムまたはフォームに付加し、断熱性が強化され、断熱性の強化により低温始動にも燃料電池スタックの作動が容易に行われ、結局燃料電池の効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付図面を参照にし、本発明に係る燃料電池スタック用エンドプレート及びその製造方法について説明する。
【００２９】
図１（ａ）は本発明による燃料電池スタック用エンドプレート構造を説明する縦断面図であり、（ｂ）は横断面図である。
【００３０】
本発明によるエンドプレートは芯材２０と、この芯材２０の上下に配置される面材１０からなるサンドイッチ構造であり、前記芯材２０をハニカム２１とフォーム２２が組み合わされた構造を適用した点に主眼点がある。
【００３１】
前記エンドプレートの面材１０には金属材料、充填材が添加された複合材料、繊維強化複合材料、ポリマー材料などが使用される。
【００３２】
特に、前記芯材２０はハニカム２１とフォーム２２からなり、前記ハニカム２１はアルミニウムハニカム、ガラス繊維ハニカム、各種プラスチックハニカムなどが使用され、前記フォーム２２としては熱伝導度が低いＰＶＣ、ＰＥＴ、ＰＳ、ＰＵなどが使用される。
【００３３】
この時、前記面材１０と芯材２０はその境界面に接着された接着剤４０により互いに接合される。
【００３４】
図６及び図７に図示するように、ハニカム構造のみを芯材として使用すると、エンドプレートの曲げ剛性が大きくなり、フォーム材料のみを芯材として使用すると、破断変形率が大きくなることが知られているが、本発明によるハニカム−フォームハイブリッド芯材は２つの長所を全て収容する水準の物性値を有する。
【００３５】
ここで、本発明によるエンドプレートの製造方法に対する各実施例を順序通りに説明すると下記の通りである。
【実施例１】
【００３６】
本発明の実施例１によるエンドプレートの製造方法は、芯材を圧入方式で製造する点に主眼点がある。
【００３７】
サンドイッチ構造のエンドプレート、即ち、芯材及びこの芯材の両面に接合される面材で構成されたエンドプレートを製造するのに、前記芯材は下記のような方法で作られる。
【００３８】
図２は本発明の実施例１によるエンドプレートの芯材を製造する方法を説明する概略図である。
【００３９】
前記芯材２０は、ハニカム２１とフォーム２２が組み合わされた構造を有し、前記ハニカム２１は薄板が六角形を成し、垂直に立てられた多数のセル構造に製作されるため、圧縮に強い特性を有し、前記フォームは密度が低い性質を有する。
【００４０】
このようなハニカム及びフォームの特性を利用すれば、ハニカムの各セルにフォームを容易に圧入させることができる。
【００４１】
即ち、上部が開放されたボックス形態の面材１０内にハニカム２１を安着させた後、このハニカム２１の上に密度が低い発泡された状態のフォーム２２材料（４０〜５０ｋｇ／ｍ３）を載せた後、プレス（図示せず）を利用してフォーム２２材料に圧力を加えれば、ハニカム２１の各セル空間２３内にフォーム２２材料が容易に挿入できる。
【００４２】
このように、ハニカム２１とフォーム２２を別々に製作し、互いに重ね置いた状態で、フォーム材料をプレス圧力で押してやると、ハニカムとフォームの長所を同時に有するサンドイッチ構造の芯材を容易に製作することができる。
【００４３】
このように製作された芯材２０の上面、即ち、ハニカム２１の各セル空間２３にフォーム２２が圧入された芯材２０の上面に面材１０を接着剤を使用して接着すると、芯材２０の全体が面材１０に囲まれた形態のエンドプレートに製作され、このエンドプレートはハニカム２１とフォーム２２で構成されているため、質量が小さいだけでなく、断熱性を保有して低温始動性が向上され、適切な曲げ剛性を有する。
【００４４】
一方、前記芯材２０の厚さ方向だけでなく、面方向の剛性を更に増加させるために、フォーム２２またはハニカム２１の部材を樹脂に浸けて取り除いた後、前記のようにフォーム２２がハニカム２１の各セル空間２３に挿入されるようにプレスを利用して圧力を加えた後、樹脂を硬化させることで、ハニカムとフォームの長所を同時に持ちながら、面方向の剛性が増加された芯材を製作することができる。
【００４５】
この時、前記フォームやハニカム部材の外面に塗布された樹脂は、フォーム２２がハニカム２１の各セル空間内に挿入されるようにする潤滑の役割を行うだけでなく、硬化後にはハニカムとフォームを互いに上部に接着させる役割も行い、特に一種の断熱手段となるため断熱効果を発揮することができる。
【実施例２】
【００４６】
本発明の実施例２によるエンドプレートの製造方法は、ハニカムの各セル内にフォームを内在させて直接発泡させた点に主眼点がある。
【００４７】
図３は本発明に実施例２によるエンドプレートの芯材を製造する方法を説明する概略図である。
【００４８】
図３に図示するように、ハニカム２１の各セル空間２３内にフォーム２２材料を内在させた後、発泡装置（図示せず）でフォーム材料を発泡させることで、ハニカム２１の各セル空間２３内にフォーム２２が発泡された状態で詰められた芯材２０に製造される。
【００４９】
この時、エンドプレートの熱伝達係数を下げるためには、フォーム２２材料を発泡する時、二酸化炭素をフォーム２２の材料に注入して発泡させるか、発泡された後、フォーム２２の表面に断熱手段となる二酸化炭素を注入して別途の二酸化炭素層を持つようにする。
【００５０】
この時、２つの場合全て、フォームから二酸化炭素が抜けないようにしてこそ、初期の断熱性能が持続される。
【００５１】
そこで、前記芯材２０の前面はハニカムのセル空間の壁面であるため、二酸化炭素の気体透過が外部に遮断されるが、芯材２０の上、下面は開放されている状態であるため、図３に図示するように、ボックス型の面材１０を芯材２０の全体表面に接着して密閉させることで、二酸化炭素発泡気体または二酸化炭素断熱層の気体がゆっくりと空気中に抜けていくことを防ぐことができる。
【００５２】
前記二酸化炭素は下記の表１に記載するように、熱伝導度が低い特性を有するため、断熱性を向上させる役割を行う。
【表１】
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【実施例３】
【００５３】
本発明の実施例３によるエンドプレートの製造方法は実施例１と同様な方法であるが、ドライアイスまたはエアロゲルシートなどを利用して断熱効果を向上させた点に主眼点がある。
【００５４】
図４は本発明の実施例３によるエンドプレートの芯材を製造する方法を説明する概略図である。
【００５５】
上部が開放されたボックス形態の面材１０内にハニカム２１を安着させた後、このハニカム２１の上に密度が高い閉鎖型セルからなるフォーム２２を載せた後、このフォーム２２にプレス圧力を加えることで、ハニカム２１の各セル空間に閉鎖型セルからなるフォーム２２が容易に挿入されるようにする。
【００５６】
この時、前記ハニカム２１の各セル空間に閉鎖型セルからなるフォーム２２が半分詰められた後、このフォーム２２上に断熱層２４として、ドライアイスを注入して二酸化炭素層を生成させるか、エアロゲルシートを挿入した後、再びその上に閉鎖型セルからなるフォーム２２をプレスで圧入させる。
【００５７】
前記エアロゲルシートは上の表１のように、熱伝導度が低い特性を有するため、断熱性を向上させる役割を行う。
【００５８】
もちろん、このように製作された芯材２０の全体表面をボックス型の面材１０に接着して密閉させることで、二酸化炭素層のガスが空気中に抜けていくことを防ぐことができる。
【実施例４】
【００５９】
本発明の実施例４によるエンドプレートの製造方法は実施例１と同様の方法であり、エンドプレートの熱伝導係数を真空を利用して更に下げるようにした点に主眼点がある。
【００６０】
図５は本発明の実施例４によるエンドプレートの芯材を製造する方法を説明する概略図である。
【００６１】
先ず、上部が開放されたボックス形態の面材１０内にハニカム２１を安着させた後、このハニカム２１の上に密度が低い発泡された状態のフォーム２２材料（４０〜５０ｋｇ／ｍ３）を載せた後、プレスを利用してフォーム２２材料に圧力を加えると、ハニカム２１の各セル空間内にフォーム２２材料が容易に挿入された芯材２０として製作される。
【００６２】
この時、前記ハニカム２１の各セル空間の壁面には多数の小さい穴２６が貫通形成されており、角部分のハニカムセルの壁面には熱可塑性プラスチック物質２８が挿入される。
【００６３】
次に、前記芯材２０の全体表面に面材１０を接着させた後、真空バッグ３０で包装をし、その内部を真空にすると、前記ハニカム２１の小さい穴２６を通して芯材２０の内部のフォームに真空が形成される。
【００６４】
このような真空状態を維持させるために、前記真空包装されたエンドプレートを加熱すると、前記熱可塑性プラスチック物質２８が溶けながら、角部分のハニカムに形成された小さい穴２６を塞ぎ、芯材２０の内部が真空状態に維持され続け、このような真空状態により断熱効果を得ることができる。
【００６５】
このように、本発明によるエンドプレートがその芯材が軽いフォームフィルドハニカムを使用すると共に、各種断熱手段を付加して製作することで、軽量化を実現しながら、熱抵抗を高めて低温始動性を向上させることができ、適切な剛性を保有して均一なスタック面圧を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１（ａ）、及び（ｂ）は本発明による燃料電池スタック用エンドプレート構造を説明する縦断面図及び横断面図である。
【図２】本発明の実施例１によるエンドプレートの製造方法を説明する概略図である。
【図３】本発明の実施例２によるエンドプレートの製造方法を説明する概略図である。
【図４】本発明の実施例３によるエンドプレートの製造方法を説明する概略図である。
【図５】本発明の実施例４によるエンドプレートの製造方法を説明する概略図である。
【図６】ハニカム−フォーム芯材の物性値を説明するグラフである。
【図７】ハニカム−フォーム芯材の物性値を説明するグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
１０  面材
２０  芯材
２１  ハニカム
２２  フォーム
２３  セル空間
２４  断熱層（二酸化炭素層またはエアロゲルシート）
２６  穴
２８  熱可塑性プラスチック物質
３０  真空バッグ
４０  接着剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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