JP2017073199A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの体格が大きくならずに、ターミナルから電力を取り出すことを可能とする。
【解決手段】積層方向に積層された複数の燃料電池セルを含む積層体と、前記積層体の前記積層方向の端部にターミナルを介在させて配置されるプレートと、前記ターミナルに接続されるバスバーと、を備える燃料電池スタックである。この燃料電池スタックにおいて、前記ターミナルは、前記積層方向に垂直な平面方向における端部から前記プレート側に向けて突出する接続端子を備え、前記バスバーは、先端部において前記積層方向の前記プレート側に向けて延びるバスバー端子部を備える。前記接続端子と前記バスバー端子部とは、締結部材により接合される。前記接続端子は、前記プレートに形成された切欠部内に配置される。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

従来の燃料電池スタックは、例えば、特許文献１に記載されているように、燃料電池セルの積層体とエンドプレートとの間にターミナルを介在させ、このターミナルから電力を外部へ取り出す構造を有している。詳しくは、ターミナルの形状を、端部から外側に突出した部分を有する形状とし、その突出した部分を折り曲げて出力端子とし、電力を外部へ取り出すための配線が前記出力端子に接続される構造となっている。

特開２０１１−２２８１９２号公報 特開２００７−０５９１２７号公報 特開２００６−２９４２７４号公報

前記先行技術の燃料電池スタックでは、折り曲げられた出力端子を積層体側に配置する場合、積層体と出力端子との間の絶縁を担保するために、ある程度の隙間を設ける必要があり、燃料電池スタックの体格が大きくなった。このために、燃料電池スタックの体格が大きくならずに、ターミナルから電力を取り出すことのできる技術が望まれていた。

本発明は、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。

（１）本発明の一形態は、積層方向に積層された複数の燃料電池セルを含む積層体と、前記積層体の前記積層方向の端部にターミナルを介在させて配置されるプレートと、前記ターミナルに接続されるバスバーと、を備える燃料電池スタックである。この燃料電池スタックにおいて、前記ターミナルは、前記積層方向に垂直な平面方向における端部から前記プレート側に向けて突出する接続端子を備え、前記バスバーは、先端部において前記積層方向の前記プレート側に向けて延びるバスバー端子部を備える。前記接続端子と前記バスバー端子部とは、締結部材により接合される。前記接続端子は、前記プレートに形成された切欠部内に配置される。

この形態の燃料電池スタックによれば、ターミナルの端部からプレート側に向けて突出した接続端子がプレートの切欠部内に収まることから、接続端子が、積層体の側面に沿った面より外側に突出することがない。このために、燃料電池スタックの体格を拡げることがない。したがって、この形態の燃料電池スタックによれば、ターミナルから電力を取り出す構成であるにもかかわらず、燃料電池スタックの体格が大きくなることを抑制できる。

本発明の一実施形態としての燃料電池スタックとその周辺を示す概略図である。 エンドプレートを取り外した状態の燃料電池スタックの＋ｘ方向側の模式図である。 第１ターミナル側の接続端子とその周辺を拡大して示す説明図である。 接続端子の斜視図である。 参考例の燃料電池スタックとその周辺を示す概略図である。 参考例におけるエンドプレートを取り外した状態の燃料電池スタックの＋ｘ方向側の模式図である。 変形例における接続端子の斜視図である。

次に、本発明の実施形態を説明する。
Ａ．燃料電池ユニットの全体構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池スタックとその周辺を示す概略図である。燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するユニットである。本実施形態では、昇圧コンバータなどの高電圧部品を収納する高電圧部品ケース２００が、燃料電池スタック１００に隣接して設けられている。

燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池セルＣＬを積層した積層体１０を備える。燃料電池セルＣＬは、アノード、カソード、電解質、セパレータ等から構成される。燃料電池セルＣＬは、数々の型を適用可能であるが、本実施形態では、固体高分子型を用いるものとした。なお、図中には、互いに直交するｘ、ｙ、ｚ方向を規定した。ｘ方向は、積層体１０の積層方向と一致する。ｘ方向のうちの右側を＋ｘ方向と呼び、ｘ方向のうちの左側を−ｘ方向と呼び、ｙ方向のうちの上側を＋ｙ方向と呼び、ｙ方向のうちの下側を−ｙ方向と呼び、ｚ方向のうちの奥側を＋ｚ方向と呼び、ｚ方向のうちの手前側を−ｚ方向と呼ぶ。

燃料電池スタック１００において、積層体１０の＋ｘ方向の端部（図中の右側端部）には、第１ターミナル２０を介在してエンドプレート３０が配置される。積層体１０の−ｘ方向の端部（図中の左側端部）には、第２ターミナル２５を介在してプレッシャプレート３５が配置される。すなわち、燃料電池スタック１００は、ｘ方向に沿って、エンドプレート３０、第１ターミナル２０、積層体１０、第２ターミナル２５、プレッシャプレート３５がこの順に積層されたスタック構造を有する。

第１および第２ターミナル２０，２５は、燃料電池セルＣＬの積層体１０で発生した電気を集める集電板である。第１および第２ターミナル２０，２５は、種々の導電性部材を用いて形成することができるが、本実施形態では、板状に形成された銅またはアルミニウム製部材を用いている。

エンドプレート３０とプレッシャプレート３５は、積層体１０をｘ方向の両端から加圧するための部材である。エンドプレート３０とプレッシャプレート３５における積層体１０と接する面の外形は、積層体１０の面方向（積層方向ｘに垂直な面方向）の外形とほぼ一致するように形成されている。エンドプレート３０とプレッシャプレート３５は、耐食性、剛性を備えた種々の金属部材あるいは金属と樹脂を組み合わせた構成によって形成することができるが、本実施例では、ステンレスからなる。なお、第１ターミナル２０とエンドプレート３０との間、第２ターミナル２５とプレッシャプレート３５との間には、図示しないインシュレータがそれぞれ配置される。各インシュレータは、第１ターミナル２０とエンドプレート３０との間、第２ターミナル２５とプレッシャプレート３５との間を絶縁する絶縁部材である。プレッシャプレート３５は、後述の荷重調整ネジ５０からの締結力を受けて、積層体１０に対して＋方向の押圧力を与える。

燃料電池スタック１００は、スタックケース４０を備える。スタックケース４０は、有底円筒型であり、積層体１０の＋ｙ方向側を覆うための第１側壁４１と、積層体１０の＋ｚ方向側を覆うための第２側壁４２（図２参照）と、積層体１０の−ｙ方向側を覆うための第３側壁４３と、積層体１０の−ｚ方向側を覆うための第４側壁４４（図２参照）と、積層体１０の−ｘ方向側を覆うための底壁４５とを有する。スタックケース４０の＋ｘ方向側は開口しており、この開口部４０ａにエンドプレート３０が配置されている。

図２は、エンドプレート３０を取り外した状態の燃料電池スタック１００の＋ｘ方向側の模式図である。図２からも、スタックケース４０の＋ｘ方向側に開口部４０ａが備えられていることが判る。符号４０ｂは、スタックケース４０に設けられたボルト穴であり、このボルト穴に螺合される図示しないボルトによって、スタックケース４０の＋ｘ方向側にエンドプレート３０（図１）が固定される。

図１に示すように、スタックケース４０の底壁４５には複数（例えば６つ、図示されているのは２つ）のねじ穴４５ａが設けられており、ねじ穴４５ａに荷重調整ネジ５０がねじ込まれている。荷重調整ネジ５０についての底壁４５からの＋方向の突出長さを調整することによって、荷重調整ネジ５０はプレッシャプレート３５を＋方向側に押圧する。

Ｂ．ターミナルから電力を取り出す構成：
第１および第２ターミナル２０，２５のそれぞれは、おおまかには、矩形形状の平板であり、その矩形形状の平板に、各ターミナル２０，２５から電力を取り出すための接続端子２０Ｔ，２５Ｔが備え付けられている。

図３は、第１ターミナル２０側の接続端子２０Ｔとその周辺を拡大して示す説明図である。図４は、接続端子２０Ｔの斜視図である。両図に示すように、接続端子２０Ｔは、積層方向ｘに垂直な平面方向（特に、本実施形態では、＋ｙ方向）の端部２０ａから積層体１０とは反対の方向、すなわち、エンドプレート３０の方向（＋ｘ方向）に突出している。本実施形態では、接続端子２０Ｔは、端部２０ａから突出した矩形形状の部分を、＋ｘ方向に折り曲げることで形成されている。すなわち、接続端子２０Ｔは、第１ターミナル２０と一体となった部分であり、折り曲げることで形成され、＋ｘ方向に向けて延びている。接続端子２０Ｔは、第１ターミナル２０と同じ銅製である。接続端子２０Ｔには、貫通孔２０Ｔｈが形成されており、貫通孔２０Ｔｈに連通するように、接続端子２０Ｔの−ｙ方向の面にウエルドナット２２が溶接されている。

図３において、符号３８が前述したインシュレータである。インシュレータ３８は、例えば樹脂製である。インシュレータ３８は、エンドプレート３０と一体に形成された樹脂であってもよい。エンドプレート３０の上記接続端子２０Ｔが対応する部位には、接続端子２０Ｔの形状に対応した形状の切欠部３０ａが形成されている。第１ターミナル２０に対してエンドプレート３０を積層した際に、接続端子２０Ｔは切欠部３０ａに配置される。これにより、接続端子２０Ｔは切欠部３０ａ内に収まり、ｙ方向において、接続端子２０Ｔは積層体１０の側面１０ｓより＋ｙ方向側に突出することがない。

図１に示すように、第１ターミナル２０の接続端子２０Ｔには、バスバー６０の一端が接続されている。バスバー６０は、スタックケース４０の第１側壁４１に形成された穴部４１ａを通って、バスバー６０の他端は、高電圧部品ケース２００内の図示しない高電圧部分と接続されている。

図３に示すように、バスバー６０の一端は、積層方向ｘにおける図中の右方向、すなわち、＋方向に折り曲げられている。この折り曲げられた部分を、以下、「バスバー曲折部」と呼ぶ。バスバー曲折部６０Ｔは、接続端子２０Ｔと接触し易いように板状となっており、貫通孔６０Ｔｈが形成されている。バスバー曲折部６０Ｔは、［発明の概要］の欄に記載した本発明の一形態における「バスバー端子部」に相当する。

バスバー曲折部６０Ｔは接続端子２０Ｔに重ね合わされ、バスバー曲折部６０Ｔの貫通孔６０Ｔｈと接続端子２０Ｔの貫通孔２０Ｔｈを挿通してボルト２４が差し込まれた上で、ウエルドナット２２に対してボルト２４がねじ止めされる。この結果、バスバー曲折部６０Ｔと接続端子２０Ｔとは、ボルト２４によって接合される。

図１に示すように、第２ターミナル２５の接続端子２５Ｔおよびその周辺の構成は、第１ターミナル２０の接続端子２０Ｔおよびその周辺の構成と同一である。ただし、接続端子２０Ｔの突出方向と、第２バスバー６５の一端に形成されたバスバー曲折部６５Ｔの突出方向とは、第１ターミナル２５側とは相違し、−ｘ方向となっている。第２バスバー６２は、第２ターミナル２５の接続端子２５Ｔと接続されるバスバーであり、第１ターミナル２０側の接続端子２０Ｔに接続されたバスバー６０とは極性が相違する。接続端子２５Ｔは、第１ターミナル２０側と同様に、プレッシャプレート３５に形成された切欠部（図示の都合で符号なし）に配置される。第２ターミナル２５の接続端子２５Ｔと第２バスバー６２のバスバー曲折部６２Ｔとの間は、第１ターミナル２０側と同様に、ボルト２９によって接合されている。

Ｃ．実施形態の作用、効果：
以上のように構成された燃料電池スタック１００によれば、第１ターミナル２０の端部２０ａからエンドプレート３０側（＋ｘ方向側）に折り曲げられた接続端子２０Ｔが、エンドプレート３０の切欠部３０ａ内に収まることから、接続端子２０Ｔが、積層体１０の側面１０ｓに沿った面より＋ｙ方向側に突出することがない。同様に、第２ターミナル２５側においても、接続端子２５Ｔが燃料電池スタック１００の体格を拡げることがない。したがって、この燃料電池スタック１００によれば、第１および第２ターミナル２０，２５から電力を取り出す構成であるにもかかわらず、燃料電池スタック１００の体格が大きくなることを抑制できる。

図５は、参考例の燃料電池スタックとその周辺を示す概略図である。図中には、前記実施形態における図１と同様に、ｘ、ｙ、ｚ方向を規定した。参考例の燃料電池スタック３００では、第１および第２ターミナル３２０，３２５の接続端子３２０Ｔ，３２５Ｔは、ｙ方向において積層体３１０の側面３１０ｓよりも外側（＋ｙ方向側）３２０ａに突出した部分に付設されており、しかも、積層体３１０側、すなわち、接続端子３２０Ｔにあっては−ｘ方向側、接続端子３２５Ｔにあっては＋ｘ方向側に折り曲げられた構成となっている。

このために、積層体３１０と接続端子３２０Ｔ，３２５Ｔとの間の絶縁を担保するために、両者の間はｙ方向において所定の隙間を設ける必要があり、接続端子３２０Ｔ，３２５Ｔの＋ｙ方向の面は、積層体３１０の側面３１０ｓよりも所定の距離Ｄだけ離れた位置となっている。したがって、前記実施形態の燃料電池スタック１００と比べて、参考例の燃料電池スタック３００のｙ方向の高さは、距離Ｄだけ大きい。

図６は、参考例におけるエンドプレート３３０（図５）を取り外した状態の燃料電池スタック３００の＋ｘ方向側の模式図である。この図と、前記実施形態における図２と比較しても、参考例の燃料電池スタック３００のｙ方向の高さは、距離Ｄだけ大きいことがわかる。

Ｄ．変形例：
前記実施形態では、図４に示すように、接続端子２０Ｔは、第１ターミナル２０の端部２０ａから突出した矩形形状の部分を折り曲げることで形成されていた。これに対して、変形例として、図７に示すように、接続端子２２０Ｔは、第１ターミナル２２０とは別体で作製し、溶接あるいはロウ付けによって、第１ターミナル２２０に接着するように構成してもよい。接続端子２２０Ｔは、第１ターミナル２０と同じ銅製である。接続端子２２０Ｔは、前記実施形態と同様に、端部２２０ａからエンドプレートの方向、すなわち、＋ｘ方向に突出している。接続端子２２０Ｔには、雌ねじ２２０Ｔｈが形成されている。この雌ねじ２２０Ｔｈに図示しないボルトを螺合することによって、接続端子２２０Ｔに対して図示しないバスバー曲折部が接合される。この変形例は、第１実施形態と同様の効果を奏する。

本発明は、上述の実施形態や変形例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、変形例中の技術的特徴は、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、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…積層体
１０ｓ…側面
２０…第１ターミナル
２０Ｔ…接続端子
２０Ｔｈ…貫通孔
２０ａ…端部
２２…ウエルドナット
２４…ボルト
２５…第２ターミナル
２５Ｔ…接続端子
２９…ボルト
３０…エンドプレート
３０ａ…切欠部
３５…プレッシャプレート
３８…インシュレータ
４０…スタックケース
４０ａ…開口部
４０ｂ…ボルト穴
４１…第１側壁
４１ａ…穴部
４２…第２側壁
４３…第３側壁
４４…第４側壁
４５…底壁
４５ａ…ねじ穴
５０…荷重調整ネジ
６０，６５…バスバー
６０Ｔ，６５Ｔ…バスバー曲折部
１００…燃料電池スタック
２００…高電圧部品ケース
２２０…第１ターミナル
２２０Ｔ…接続端子
２２０ａ…端部
ＣＬ…燃料電池セル
ｘ…積層方向

Claims (1)

1. 積層方向に積層された複数の燃料電池セルを含む積層体と、
   前記積層体の前記積層方向の端部にターミナルを介在させて配置されるプレートと、
   前記ターミナルに接続されるバスバーと、
   を備える燃料電池スタックであって、
   前記ターミナルは、前記積層方向に垂直な平面方向における端部から前記プレート側に向けて突出する接続端子を備え、
   前記バスバーは、先端部において前記積層方向の前記プレート側に向けて延びるバスバー端子部を備え、
   前記接続端子と前記バスバー端子部とは、締結部材により接合され、
   前記接続端子は、前記プレートに形成された切欠部内に配置される、燃料電池スタック。

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