(57)【要約】【課題】この発明は、燃料電池のエンドプレートに関し、セル積層体の要求に応じて設計することができる燃料電池のエンドプレートを提供することを目的とする。【解決手段】膜電極接合体を積層したセル積層体の端面に配置され、複数の金属薄板を積層してなることを特徴とするエンドプレート。前記金属薄板のそれぞれは、その表面から裏面までを貫通する貫通孔を備え、隣接する金属薄板の貫通孔が、互いに重なり合うように配置されるとともに、前記端面に隣接する金属薄板の貫通孔が、前記端面に備えられた流路開口部と重なり合うように配置されることが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体を積層したセル積層体の端面に配置され、複数の金属薄板を積層してなることを特徴とするエンドプレート。
【請求項２】
前記金属薄板の夫々は、その表面から裏面までを貫通する貫通孔を備え、
隣接する金属薄板の貫通孔が、互いに重なり合うように配置されるとともに、前記端面に隣接する金属薄板の貫通孔が、前記端面に備えられた流路開口部と重なり合うように配置されることを特徴とする、請求項１に記載のエンドプレート。
【請求項３】
前記貫通孔は、前記金属薄板の端縁の近傍に配置され、
前記金属薄板の夫々の端縁が揃うように積層する場合に、前記端面までの距離が最も長い金属薄板の端縁からその貫通孔の端縁までの最短距離が、前記端面までの距離が最も短い金属薄板の端縁からその貫通孔の端縁までの最短距離よりも長いことを特徴とする、請求項２に記載のエンドプレート。
【請求項４】
前記端面までの距離が長い金属薄板ほど、金属薄板の端縁からその貫通孔の端縁までの最短距離が長いことを特徴とする、請求項３に記載のエンドプレート。
【請求項５】
長手方向の垂直断面が波状であることを特徴とする、請求項１〜４いずれか１項に記載のエンドプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、より詳細には、燃料電池のエンドプレートの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特許文献１に開示されているように、燃料電池に用いられる一般的なエンドプレートとして、１枚のエンドプレートの内部に斜めの流路が設けられたエンドプレートが知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４３４０６号公報
【特許文献２】特開２００５−２６８１８４号公報
【特許文献３】特開２００７−０３５５５８号公報
【特許文献４】特開２００６−２６０８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池は、セル積層体の積層枚数、積層状態や、セル積層体を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の物性といった、セル積層体が持つ様々な要求に応じて設計されることが望ましい。このため、燃料電池を構成するエンドプレートの設計にあたっても、セル積層体が持つ様々な要求に応じて設計されることが望ましい。この観点に立てば、エンドプレートそれ自体に設計自由度を持たせることが考えられる。しかしながら、特許文献１のエンドプレートは１枚であり、設計自由度がない。このため、セル積層体の要求に応じて設計をしようとすると、セル積層体ごとにエンドプレートを選択する必要があった。
【０００５】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたものである。すなわち、セル積層体の要求に応じて設計することができる燃料電池のエンドプレートを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、エンドプレートであって、膜電極接合体を積層したセル積層体の端面に配置され、複数の金属薄板を積層してなることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記金属薄板の夫々は、その表面から裏面までを貫通する貫通孔を備え、
隣接する金属薄板の貫通孔が、互いに重なり合うように配置されるとともに、前記端面に隣接する金属薄板の貫通孔が、前記端面に備えられた流路開口部と重なり合うように配置されることを特徴とする。
【０００８】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記貫通孔は、前記金属薄板の端縁の近傍に配置され、
前記金属薄板の夫々の端縁が揃うように積層する場合に、前記端面までの距離が最も長い金属薄板の端縁からその貫通孔の端縁までの最短距離が、前記端面までの距離が最も短い金属薄板の端縁からその貫通孔の端縁までの最短距離よりも長いことを特徴とする。
【０００９】
また、第４の発明は、第３の発明において、
前記端面までの距離が長い金属薄板ほど、金属薄板の端縁からその貫通孔の端縁までの最短距離が長いことを特徴とする。
【００１０】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明において、
長手方向の垂直断面が波状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、エンドプレートが、複数の金属薄板を積層することで形成される。この複数の金属薄板は、枚数を調整して積層することができる。枚数を調整して積層することができるとは、言い換えれば、積層方向に設計自由度を備える、ということになる。積層方向に設計自由度を備えることができれば、セル積層体の要求に応じて設計をすることができる。このため、第１の発明によれば、セル積層体の要求に応じて設計することができるエンドプレートを提供できる。
【００１２】
第２の発明によれば、複数の金属薄板を積層したときに、それぞれの金属薄板に備えられた貫通孔を、１つの流路を形成するように配置することができる。また、セル積層体に隣接する金属薄板の貫通孔は、このセル積層体に備えられた流路開口部と１つの流路を形成するように配置することができる。このため、第２の発明によれば、この流路を介して、セル積層体の内部に流体を導入または排出することができる。
【００１３】
第３の発明によれば、セル積層体の端面から最も長い金属薄板において、金属薄板の端縁からその貫通孔の端縁までにスペースを確保することができる。また、同時に、セル積層体の端面から最も短い金属薄板において、セル積層体への流体の導入または排出を、このセル積層体の端縁に近い流路開口部から行うことができる。
【００１４】
第４の発明によれば、積層方向断面から見たときに、それぞれの金属薄板に備えられた貫通孔の端縁が斜めとなった流路を形成することができる。
【００１５】
第５の発明によれば、エンドプレートの長手方向の剛性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１のエンドプレートを含む、燃料電池スタックの構成を説明するための模式図である。図１に示す燃料電池スタックは、エンドプレート１０を含む。エンドプレート１０は、セル積層体２０の端面と隣接するように配置されている。セル積層体２０は、他端面においてエンドプレート３０と隣接するように配置されている。燃料電池スタックは、エンドプレート１０およびエンドプレート３０でセル積層体２０を挟持することにより構成されている。
【００１８】
また、これら金属薄板１２、１４、１６、１８は、それぞれの端縁が揃うように積層されている。エンドプレート１０は、金属薄板１２、１４、１６、１８の端縁が揃うように積層された結果、１枚の金属板を形成するように構成される。また、金属薄板１２、１４、１６、１８は、セル積層体２０の端面と平行となるように配置されている。ここで、セル積層体２０の端面からの距離は、金属薄板１２が最も長く、金属薄板１４、１６の順に短くなり、金属薄板１８が最も短い。
【００１９】
セル積層体２０は、膜電極接合体を積層したものである。燃料電池は、この膜電極接合体の両側に備えられた集電板を介して電子が移動し、この結果、電流が流れることにより発電する。そして、この発電のためには、燃料、冷却媒体等の流体が、膜電極接合体に供給または排出される。そこで、セル積層体２０の端面には、これらの流体を供給または排出するための流路開口部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈが設けられている。
【００２０】
図２は、図１に示すエンドプレート１０の構造を説明するための図である。金属薄板１２、１４、１６、１８は、その表面から裏面までを貫通する貫通孔を備えている。図２では、このうち、金属薄板１２の表面から裏面までを貫通する貫通孔１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆ、１２Ｇ、１２Ｈを示す。金属薄板１４、１６、１８は、金属薄板１２と同様に、その表面から裏面までを貫通する貫通孔１４Ａ〜１４Ｈ、１６Ａ〜１６Ｈ、１８Ａ〜１８Ｈをそれぞれ備えている。
【００２１】
また、これらの貫通孔は、互いに重なり合うように配置されている。具体的には、貫通孔１２Ａは、隣接する貫通孔１４Ａと重なり合うように配置され、貫通孔１４Ａは、隣接する貫通孔１６Ａと重なり合うように配置され、貫通孔１６Ａは、隣接する貫通孔１８Ａと重なり合うように配置される。貫通孔１２Ｂ〜１２Ｈまでも同様に、隣接する貫通孔と重なり合うように配置される。また、貫通孔１８Ａ〜１８Ｈは、セル積層体２０の端面に設けられた流路開口部２０Ａ〜２０Ｈと重なり合うように配置されている。
【００２２】
言い換えると、貫通孔１２Ａ〜１２Ｈは、対応する流路開口部２０Ａ〜２０Ｈと、これまた対応する貫通孔１８Ａ〜１８Ｈを介して連通している。この結果、エンドプレート１０およびセル積層体２０の間で流路が形成されている。そして、この流路には、燃料、冷却媒体等の流体が供給されまたは排出される。図２においては、貫通孔１２Ａ、１２Ｈがカソード極の流体供給口、貫通孔１２Ｂがアノード極の流体供給口、貫通孔１２Ｃが冷却溶媒の供給口、貫通孔１２Ｄ、１２Ｅがカソード極の流体排出口、貫通孔１２Ｆがアノード極の流体排出口、貫通孔１２Ｇが冷却溶媒の排出口にそれぞれ対応する。
【００２３】
また、金属薄板１２に備えられた貫通孔１２Ａ〜１２Ｈは、この金属薄板１２の端縁の近傍に配置されている。また、貫通孔１４Ａ〜１４Ｈ、１６Ａ〜１６Ｈ、１８Ａ〜１８Ｈは、貫通孔１２Ａ〜１２Ｈと同様に、それぞれの金属薄板１４、１６、１８の端縁の近傍に配置されている。
【００２４】
図３は、図２の（III−III）線での切断断面図である。この（III−III）線は、図２の金属薄板１２、１４、１６、１８のそれぞれの端縁から、貫通孔１２Ａ、１４Ａ、１６Ａ、１８Ａのそれぞれの端縁までの最短経路を通るように引かれている。同時に、この（III−III）線は、図２の金属薄板１２、１４、１６、１８のそれぞれの端縁から、貫通孔１２Ｄ、１４Ｄ、１６Ｄ、１８Ｄのそれぞれの端縁までの最短経路を通るように引かれている。
【００２５】
図３に示すように、金属薄板１２の端縁から貫通孔１２Ａの端縁までの最短経路（距離）をｄ１２Ａとし、金属薄板１８の端縁から貫通孔１８Ａの端縁までの最短経路（距離）をｄ１８Ａとすると、ｄ１２Ａ＞ｄ１８Ａの関係が成立する。また、上述したように、金属薄板１２は、セル積層体２０の端面からの距離が最も長く、金属薄板１８は、セル積層体２０の端面からの距離が最も短く設計されている。つまり、セル積層体２０の端面からの距離が最も長いｄ１２Ａは、セル積層体２０の端面からの距離が最も短いｄ１８Ａよりも長く設計されている。
【００２６】
また、貫通孔１４Ａの端縁から金属薄板１４の端縁までの最短経路（距離）をｄ１４Ａとし、貫通孔１６Ａの端縁から金属薄板１６の端縁までの最短経路（距離）をｄ１６Ａとし、貫通孔１８Ａの端縁から金属薄板１８の端縁までの最短経路（距離）をｄ１８Ａとすると、ｄ１２Ａ＞ｄ１４Ａ＞ｄ１６Ａ＞ｄ１８Ａの関係が成立する。すなわち、セル積層体２０の端面からの距離が長い金属薄板ほど、金属薄板の端縁からその貫通孔の端縁までの最短距離が長く設計されている。
【００２７】
同様に、貫通孔１２Ｄの端縁から金属薄板１２の端縁までの最短経路（距離）をｄ１２Ｄとし、貫通孔１４Ｄの端縁から金属薄板１４の端縁までの最短経路（距離）をｄ１４Ｄとし、貫通孔１６Ｄの端縁から金属薄板１６の端縁までの最短経路（距離）をｄ１６Ｄとし、貫通孔１８Ｄの端縁から金属薄板１８の端縁までの最短経路（距離）をｄ１８Ｄとすると、ｄ１２Ｄ＞ｄ１４Ｄ＞ｄ１６Ｄ＞ｄ１８Ｄの関係が成立する。
【００２８】
図４は、エンドプレート１０の端面に分配管４０を設置したときの図である。また、図４は、図３の貫通孔１２Ａに分配管４０を接続したときの図である。図４に示すように、貫通孔１２Ａ、１４Ａ、１６Ａ、１８Ａは１つの流路を形成する。分配管４０は、この流路にフランジ４２を介して接続される。こうすることで、カソード極用の流体は、分配管４０、貫通孔１２Ａ、１４Ａ、１６Ａ、１８Ａを通じてセル積層体２０に供給される。また、分配管４０は、フランジ４２でエンドプレート１０に固定される。また、フランジ４２は、ボルト４４、４６を用いてエンドプレート１０に締結される。また、ボルト４４、４６は、金属薄板１２の端縁よりも金属薄板１２の中心側に配置される。金属薄板１２の端縁から貫通孔１２Ａの端縁の最短経路（距離）ｄ１２Ａにボルト４４が配置されるため、この最短経路（距離）ｄ１２Ａは、金属薄板１２の端縁よりも金属薄板１２の中心側にボルト４４を配置することができる距離となっている。
【００２９】
ところで、金属薄板１２、１４、１６、１８は、チタン金属薄板が用いられている。金属チタンは、軽量性、耐食性において優れた材料であり、金属チタンとしては、汎用の純チタンや汎用のチタン合金のいずれも用いることができる。金属薄板１２、１４、１６、１８は、これらの金属チタンのうち、組成が同じ金属チタンが用いられることが好ましい。組成が同じ金属チタンを金属薄板に用いることで、例えば、接合が容易となることから好ましい。さらに、金属薄板１２、１４、１６、１８は、その厚さが同一の厚さであることが好ましい。厚さを同一にすることで、例えば、剛性の調整が容易となることから好ましい。
【００３０】
また、貫通孔１２Ａ〜１２Ｈ、１４Ａ〜１４Ｈ、１６Ａ〜１６Ｈ、１８Ａ〜１８Ｈは、その断面積が同一であることが好ましい。これらの貫通孔は、それぞれが重なり合うように配置され、計８つの流路を形成する。流路を形成するこれらの貫通孔の断面積が同一面積であれば、内部を流れる流体が、流路から受ける抵抗（流路抵抗）を少なくすることができる。
【００３１】
次に、実施の形態１のエンドプレートの製造方法を説明する。この製造方法は、まず、貫通孔を備えるチタン金属薄板を作製する。次に、セル積層体の特性に合わせた剛性を設定し、この剛性に基づいて、積層するチタン金属薄板の枚数を決定する。最後に、これらのチタン金属薄板を積層して接合する。
【００３２】
チタン金属薄板の作製は、チタン薄板をプレス加工して成形することで行う。まず、金属チタンを、プレス加工により一定の厚さを有する薄板に成形する。同時に、チタン金属薄板の表面から裏面を貫通する貫通孔が形成される。これにより、チタン金属薄板が作製される。なお、これらの貫通孔は、プレス加工前にその位置が設計されている。
【００３３】
次に、セル積層体の積層枚数、積層状態、および単セルの特性に合わせたチタン金属薄板の剛性を設定する。この剛性は、その端面に配置されるセル積層体に対して、一定以上の面圧を与えるための剛性であればよい。そして、設定した剛性を満たすようにチタン金属薄板の積層枚数を決定する。
【００３４】
積層枚数を決定した後には、これらのチタン金属薄板を積層して接合する。積層に際しては、隣接する金属薄板の貫通孔が互いに重なり合うとともに、金属薄板の端縁が揃うように配置する。また、積層に際しては、セル積層体の端面からの距離に応じて貫通孔の配置をずらす。具体的には、セル積層体の端面から最も遠い位置に配置される金属薄板の貫通孔は、その貫通孔からその金属薄板の端縁までの最短距離を最も長くする。また、セル積層体の端面からの最も近い位置に配置される金属薄板の貫通孔は、その貫通孔からその金属薄板の端縁までの最短距離を最も短くする。さらに、積層に際しては、セル積層体の端面からの距離が長い金属薄板ほど、金属薄板の端縁からその貫通孔の端縁までの最短距離が長くなる順番に配置する。
【００３５】
接合は、積層したこれらのチタン金属薄板を抵抗溶接またはろう付けにより行う。この抵抗溶接またはろう付けは、公知の方法で行うことができる。
【００３６】
以上説明したように、実施の形態１のエンドプレートによれば、このエンドプレートを構成する複数の金属薄板が、枚数を調整して積層されている。枚数を調整して積層されているということは、言い換えると、積層方向に設計自由度が備えられているということである。そして、積層方向に設計自由度が備えられていることで、セル積層体が要求する剛性を確保できる。
【００３７】
また、実施の形態１のエンドプレートによれば、複数の金属薄板を積層したときに、それぞれの金属薄板に備えられた貫通孔が、１つの流路を形成するように配置され、また、セル積層体に隣接する金属薄板の貫通孔は、このセル積層体に備えられた流路開口部と１つの流路を形成するように配置される。したがって、流路を介して、セル積層体の内部に流体を導入または排出することができる。
【００３８】
また、実施の形態１のエンドプレートによれば、セル積層体の端面から最も長い金属薄板において、金属薄板の端縁からその貫通孔の端縁までにスペースを確保することができる。こうすることで、フランジでボルト締結した流体分配管をエンドプレートに接続する際に、このフランジをボルト締めするためのボルトスペースを確保することができる。また、セル積層体の端面から最も短い金属薄板において、セル積層体への流体の導入または排出を、このセル積層体の端縁に近い流路開口部から行うことができる。こうすることで、セル積層体の電池機能を効率的に発揮させることができる。
【００３９】
また、実施の形態１のエンドプレートによれば、積層方向断面から見たときに、それぞれの金属薄板に備えられた貫通孔が、斜めになった流路を形成することができる。流体の流路による抵抗は、流路が直線であるほど少なく、屈曲するほど流路抵抗が増す。そこで、斜めの流路を形成することで、流路抵抗がより少ない流路を設計することができる。
【００４０】
なお、実施の形態１においては、金属薄板にチタン金属薄板を用いたが、この金属薄板は、プレス加工が可能な金属薄板を用いてもよい。チタン金属薄板はプレス加工で作製するため、プレス加工が可能な金属材料であれば、金属チタンの代わりに用いることが可能である。プレス加工が可能な金属材料としては、鉄、アルミニウムといった金属や、例えばステンレスといったこれらの金属を主成分とした合金を挙げることができる。これらの金属材料を金属薄板に用いた場合には、プレス加工後または接合後に、それぞれの金属薄板の貫通孔部分に金やニッケル等でめっきを施す、または、樹脂等の耐食材で被覆する。これらの貫通孔部分は、金属薄板を積層したときに１つの流路を形成する。このため、流路部分を覆うように耐食加工を施す。こうすることで、金属チタンを用いた場合と変わらない耐食性を流路部分に備えさせることができる。
【００４１】
なお、実施の形態１においては、板状の金属薄板を用いたが、この板状の金属薄板は、長手方向の垂直断面が波状に設計されていてもよい。図５は、長手方向の垂直断面が波状に設計されている場合のエンドプレートの構造を示す図である。このエンドプレートは、その表面から裏面までを貫通する貫通孔を備えている。図５では、金属薄板５２の表面から裏面までを貫通する貫通孔５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ、５２Ｅ、５２Ｆ、５２Ｇ、５２Ｈを示す。金属薄板５４、５６、５８は、金属薄板５２と同様、その表面から裏面までを貫通する貫通孔５４Ａ〜５４Ｈ、５６Ａ〜５６Ｈ、５８Ａ〜５８Ｈをそれぞれ備えている。
【００４２】
図６は、図５の（VI−VI）線での切断断面図である。この（VI−VI）線は、図５のエンドプレートを長手方向に垂直に切断する。また、この（VI−VI）線は、図５の金属薄板５２、５４、５６、５８のそれぞれの端縁から、貫通孔５２Ａ、５４Ａ、５６Ａ、５８Ａのそれぞれの端縁までの最短経路を通るように引かれている。同時に、この（VI−VI）線は、図５の金属薄板５２、５４、５６、５８のそれぞれの端縁から、貫通孔５２Ｄ、５４Ｄ、５６Ｄ、５８Ｄのそれぞれの端縁までの最短経路を通るように引かれている。
【００４３】
つまり、金属薄板５２、５４、５６、５８は、長手方向の垂直断面が波状になるように積層されている。このため、長手方向の剛性を確保することができる。また、金属薄板５２、５４、５６、５８の積層方向の厚さ（ｔ１）は、板状の金属薄板を積層した場合の積層方向の厚さ（ｔ２）よりも厚く設計することもできる。すなわち、板状の金属薄板を積層した場合の積層方向の厚さよりも厚みを持たせることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施の形態１のエンドプレートを含む、燃料電池スタックの構成を説明するための模式図である。
【図２】図１に示すエンドプレートの構造を説明するための図である。
【図３】図２の（III−III）線での切断断面図である。
【図４】図３のエンドプレートに分配管を設置した場合の図である。
【図５】長手方向の垂直断面が波状に設計されている場合のエンドプレートの構造を示す図である。
【図６】図５の（VI−VI）線での切断断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０  エンドプレート
１２、１４、１６、１８  金属薄板
１２Ａ〜１２Ｈ、１４Ａ〜１４Ｈ、１６Ａ〜１６Ｈ、１８Ａ〜１８Ｈ  貫通孔
２０  セル積層体
２０Ａ〜２０Ｈ  流路開口部
３０  エンドプレート
４０  分配管
４２  フランジ
４４、４６  ボルト
５０  エンドプレート
５２、５４、５６、５８  金属薄板
５２Ａ〜５２Ｈ、５４Ａ〜５４Ｈ、５６Ａ〜５６Ｈ、５８Ａ〜５８Ｈ  貫通孔
【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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