JP7056507B2 - バスバー - Google Patents

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Description

本発明は、バスバーに関する。
燃料電池で発電した電力を補機に供給するために、燃料電池スタックの端子と補機の端子とをバスバーで接続することが知られている。例えば、燃料電池スタックの端子と機器の端子とに対して回転可能なバスバーを燃料電池スタックの端子と電子部品の端子とに接続する構成が知られている(例えば、特許文献1)。これにより、温度変化などによって燃料電池スタックの高さが変化した場合でも、バスバーの回転によって、燃料電池スタックの端子と機器の端子との電気的接続を維持することができる。また、その他のバスバーの例として、燃料電池スタックの高さの変化に対応するために、バスバー自身が弾性構造部を有して弾性変形する構成が知られている(例えば、特許文献2、3)。
米国特許出願公開第2011/0008984号明細書 特開2018-60772号公報 米国特許出願公開第2010/0012345号明細書
特許文献1に記載のバスバーは、端子に対して回転可能となるために、接触ディスクを介して端子に接続されている。このため、接触ディスクと端子及びバスバーとの間で接触抵抗が発生し、燃料電池スタックの端子と機器の端子との間の電気抵抗が大きくなってしまう。特許文献2及び3に記載のバスバーでは、大電流化に伴ってバスバーの断面積が大きくなった場合に、燃料電池スタックの端子と機器の端子との相対位置の変化に追従できる程度の弾性変形が得られないことがある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池スタックの端子と機器の端子との相対位置の変化に追従可能で且つ燃料電池スタックの端子と機器の端子との良好な導通状態を維持することが可能なバスバーを提供することを目的とする。
本発明は、燃料電池スタックの端子と前記燃料電池スタックから供給される電流が流れる機器の端子とを接続するバスバーであって、前記燃料電池スタックの端子に一端側が固定される第1バスバーと、前記機器の端子に一端側が固定される第2バスバーと、前記第1バスバーと前記第2バスバーとが前記燃料電池スタックの積層方向に相対的に平行移動可能となるように前記第1バスバーの他端側と前記第2バスバーの他端側とを接続する1又は複数の接続部材と、前記第1バスバーの他端側と前記第2バスバーの他端側とを直接接触させる弾性部材と、を備える、バスバーである。
本発明によれば、燃料電池スタックの端子と機器の端子との相対位置の変化に追従可能で且つ燃料電池スタックの端子と機器の端子との良好な導通状態を維持することができる。
図1は、燃料電池システムを示す図である。 図2(a)及び図2(b)は、複数の単セルを含む積層体の積層方向の長さ寸法が変化した場合を示す図である。 図3(a)は、実施例1に係るバスバーの斜視図、図3(b)は、断面図である。 図4(a)及び図4(b)は、第1バスバーと第2バスバーの組み付けを説明するための断面図である。 図5は、組付け前のピンの斜視図である。 図6(a)から図6(d)は、実施例1に係るバスバーの効果を説明する図である。 図7(a)及び図7(b)は、実施例2に係るバスバーの上面図、図7(c)は、図7(a)のA-A間の断面図である。 図8は、実施例3に係るバスバーの分解斜視図である。 図9は、実施例3に係るバスバーの断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図1は、燃料電池システムを示す図である。燃料電池システムは、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10から供給される電流が流れる補機12と、を備える。補機12は、例えば昇圧コンバータなどである。燃料電池スタック10のターミナルプレート22a及び22bと補機12の接続端子34a及び34bとは、バスバー14によって電気的に接続されている。
燃料電池スタック10は、複数の単セル20と、一対のターミナルプレート22a及び22bと、一対の絶縁プレート24a及び24bと、プレッシャプレート26と、一対のエンドプレート28a及び28bと、一対のテンションプレート30a及び30bと、1又は複数のばね32と、を備える。燃料電池スタック10は、複数の単セル20がターミナルプレート22a及び22bと絶縁プレート24a及び24bとプレッシャプレート26とばね32とエンドプレート28a及び28bとで積層方向に挟持された構造をしている。
ターミナルプレート22a及び22bは、金属製であり、複数の単セル20で発電した電力を取り出すために用いられる。絶縁プレート24a及び24bは、ターミナルプレート22a及び22bと、絶縁プレート24a及び24bよりも外側の部品であるプレッシャプレート26、エンドプレート28a及び28b、テンションプレート30a及び30bとの間の絶縁を取るために用いられる。プレッシャプレート26は、ばね32を介して単セル20に圧縮荷重を付与するために用いられる。テンションプレート30a及び30bがエンドプレート28a及び28bにボルト40で締結固定されることで、エンドプレート28a及び28bの間に複数の単セル20とターミナルプレート22a及び22bと絶縁プレート24a及び24bとプレッシャプレート26とが積層される。
プレッシャプレート26とエンドプレート28bとの間にばね32が配置されていることで、ばね32の反力によって、複数の単セル20を含む積層体には積層方向に圧縮荷重が付与される。ばね32が備わることで、複数の単セル20を含む積層体にかかる圧縮荷重が一定の範囲内に収まり易くなり、発電性能及びシール性能が良好となる。
単セル20は、反応ガスとして水素(アノードガス)と空気(カソードガス)の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。単セル20は、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備える。電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。電極は、カーボン担体を含んで構成されている。電極中のカーボン担体には、発電反応を促進させるための触媒(例えば白金又は白金-コバルト合金)が担持されている。単セル20には、反応ガスを流すためのマニホールドが設けられている。マニホールドを流れる反応ガスは、セパレータのガス流路を介して発電領域に供給される。
複数の単セル20を含む積層体は、環境に応じて積層方向の長さ寸法が変化する。例えば、複数の単セル20を含む積層体は、高温時では各部材が熱膨張することで積層方向の長さ寸法が長くなり、低温時では各部材が収縮することで積層方向の長さ寸法が短くなる。例えば、複数の単セル20を含む積層体は、相対湿度が高い場合では単セル20内の電解質膜が吸水して膨張するために積層方向の長さ寸法が長くなる。例えば、複数の単セル20を含む積層体は、圧縮荷重が長期間付与され続けることで積層体中の樹脂部材がクリープ変形して積層方向の長さ寸法が短くなる。
図2(a)及び図2(b)は、複数の単セルを含む積層体の積層方向の長さ寸法が変化した場合を示す図である。図2(a)は、複数の単セル20を含む積層体の積層方向の長さ寸法が長くなった場合の図であり、図2(b)は、積層方向の長さ寸法が短くなった場合の図である。図2(a)のように、複数の単セル20を含む積層体の積層方向の長さ寸法が長くなると、ばね32は圧縮方向に変形する。図2(b)のように、複数の単セル20を含む積層体の積層方向の長さ寸法が短くなると、ばね32は伸長方向に変形する。
複数の単セル20を含む積層体の積層方向の長さ寸法が変化した場合、ターミナルプレート22a及び22bの間の間隔が変化する。一方で、補機12の接続端子34a及び34bの間の間隔は変化し難い。このため、ターミナルプレート22aと接続端子34aとの間隔及び/又はターミナルプレート22bと接続端子34bとの間隔が変化する。よって、バスバー14は、ターミナルプレート22a及び22bと接続端子34a及び34bとの相対位置の変化に追従可能であることが望まれる。なお、図2(a)及び図2(b)では、ターミナルプレート22bと接続端子34bとの間隔が変化した場合を図示している。
図3(a)は、実施例1に係るバスバーの斜視図、図3(b)は、断面図である。なお、図3(a)及び図3(b)では、燃料電池スタック10のターミナルプレート22bと補機12の接続端子34bとの間を接続するバスバー14について説明するが、ターミナルプレート22aと接続端子34aとの間を接続するバスバー14についても同じ構造とすることができる。
図3(a)及び図3(b)のように、バスバー14は、第1バスバー50と、第2バスバー52と、ピン54と、皿ばね56と、を備える。ピン54は、特許請求の範囲に記載の接続部材の一例である。皿ばね56は、特許請求の範囲に記載の弾性部材の一例である。第1バスバー50及び第2バスバー52は、例えば銅又はアルミニウムなどの導電率が高い金属で形成されていて、L字状に折れ曲がった形状をしている。第1バスバー50の一端側は、ボルト40とナット42によって、燃料電池スタック10のターミナルプレート22bに締結固定されている。第2バスバー52の一端側は、ボルト40とナット42によって、補機12の接続端子34bに締結固定されている。
第1バスバー50の他端側と第2バスバー52の他端側とは、第1バスバー50を貫通する貫通孔58と第2バスバー52を貫通する貫通孔60とに挿入されたピン54によって接続されている。ピン54は、貫通孔58及び60に挿入される直径の小さな円柱部分62と、円柱部分62の一端に接続し、貫通孔58及び60の外側に位置する直径の大きな円盤部分64と、円柱部分62の他端に位置し、貫通孔58及び60の外側に位置する折返部分66と、を有する。ピン54には、ねじ山は設けられていない。ピン54は、例えばステンレス鋼などの金属で形成されている。ピン54の折返部分66と第1バスバー50との間には皿ばね56が配置されている。第1バスバー50と第2バスバー52とは、皿ばね56の反力によって直接接触するように押し付けられている。
ピン54が挿入された貫通孔58及び60のうちの少なくとも一方は、ピン54の円柱部分62の直径よりも十分に大きな長径を有し且つ円柱部分62の直径よりも僅かに大きな短径を有する長円孔となっている。例えば、長円孔の長径は、ピン54の円柱部分62の直径の3倍以上の長さでもよいし、4倍以上の長さでもよいし、5倍以上の長さでもよい。図3(a)及び図3(b)では、貫通孔60が長円孔で、貫通孔58はピン54の円柱部分62よりも僅かに大きな直径を有する円孔である場合を示している。貫通孔60が長円孔であることで、第2バスバー52は第1バスバー50に対して相対的に移動可能となっている。なお、第1バスバー50と第2バスバー52とが相対的に移動した場合、皿ばね56によってバスバーの座面が摩耗することが考えられる。このため、皿ばね56の上下に平ワッシャを備え、バスバーとの接触面積を大きくすることで摩耗を抑制するようにしてもよい。
図4(a)及び図4(b)は、第1バスバーと第2バスバーの組み付けを説明するための断面図である。図5は、組付け前のピンの斜視図である。図4(a)のように、第2バスバー52の貫通孔60、第1バスバー50の貫通孔58、及び皿ばね56の中央の孔68にピン54の円柱部分62を挿入する。図4(a)及び図5のように、円柱部分62の円盤部分64とは反対側の端部には切り込み70が設けられている。図4(b)のように、皿ばね56に圧縮荷重をかけた状態で、円柱部分62の切り込み70を開いて、第1バスバー50と第2バスバー52とを折返部分66によってかしめ固定する。皿ばね56に圧縮荷重をかけた状態で円柱部分62の切り込み70を開いて第1バスバー50と第2バスバー52とを折返部分66によってかしめ固定することで、第1バスバー50と第2バスバー52とは皿ばね56の反力によって直接接触するように押し付けられる。
図6(a)から図6(d)は、実施例1に係るバスバーの効果を説明する図である。図6(a)及び図6(b)は、図2(a)のような、燃料電池スタック10のターミナルプレート22bと補機12の接続端子34bとの間隔が広くなった場合のバスバー14の断面図及び上面図である。図6(c)及び図6(d)は、図2(b)のような、ターミナルプレート22bと接続端子34bとの間隔が狭くなった場合のバスバー14の断面図及び上面図である。なお、図6(b)及び図6(d)では、図の明瞭化のために、ピン54は円柱部分62を図示している。
図6(a)から図6(d)のように、第1バスバー50と第2バスバー52を接続させるピン54が挿入する貫通孔60が長円孔であることで、第2バスバー52が第1バスバー50に対して相対的に移動することが可能となっている。このため、ターミナルプレート22bと接続端子34bとの間隔の変化に追従するように、第1バスバー50と第2バスバー52とが相対的に移動することができる。
実施例1によれば、図3(a)及び図3(b)のように、燃料電池スタック10のターミナルプレート22bと補機12の接続端子34bとを接続するバスバー14は、第1バスバー50と第2バスバー52に分割されている。第1バスバー50の一端側はターミナルプレート22bに固定され、第2バスバー52の一端側は接続端子34bに固定されている。第1バスバー50の他端側と第2バスバー52の他端側とは、第1バスバー50と第2バスバー52とが相対的に移動可能となるようにピン54で接続されている。これにより、ターミナルプレート22bと接続端子34bとの間隔が変化した場合でも、バスバー14はターミナルプレート22bと接続端子34bとの相対位置の変化に追従することが可能となる。また、第1バスバー50の他端側と第2バスバー52の他端側とは、皿ばね56によって直接接触している。これにより、第1バスバー50と第2バスバー52の相対位置が変化した場合でも、ターミナルプレート22bと接続端子34bとの良好な導通状態を維持することができる。また、特許文献1に記載のバスバーのような、端子に対して回転可能とするための高価な接触ディスクを用いなくて済むため、コストの低減を図ることができる。
また、図4(a)から図5のように、第1バスバー50と第2バスバー52とは、第1バスバー50の貫通孔58と第2バスバー52の貫通孔60とに挿入されたピン54に設けられた切り込み70を開くことで、ピン54によって接続されている。例えば、第1バスバー50と第2バスバー52とがボルトによって接続されている場合では、第1バスバー50と第2バスバー52が相対的に移動することで、ボルトが緩むことが懸念される。しかしながら、実施例1では、第1バスバー50と第2バスバー52とが、ねじ山のないピン54を用いて接続されているため、緩みの懸念が抑制される。
なお、実施例1では、第1バスバー50の他端側と第2バスバー52の他端側とを直接接触させる弾性部材として皿ばね56の場合を例に示したが、この場合に限られず、板ばね又はコイルばねなどのその他の弾性部材の場合でもよい。
なお、実施例1では、燃料電池スタック10にばね32が備わる場合を例に示したが、ばね32が備わっていない場合でもよい。ばね32が備わっていない場合でも、複数の単セル20を含む積層体の長さは変化するため、ターミナルプレート22bと接続端子34bとの間隔が変化することが起こる。なお、ばね32が備わる場合では、ターミナルプレート22bと接続端子34bとの間隔の変化量が大きくなり易いため、実施例1のバスバー14を用いることが好ましい。
図7(a)及び図7(b)は、実施例2に係るバスバーの上面図、図7(c)は、図7(a)のA-A間の断面図である。図7(a)は、図2(a)のような、燃料電池スタック10のターミナルプレート22bと補機12の接続端子34bとの間隔が広くなった場合のバスバー14aの上面図である。図7(b)は、図2(b)のような、ターミナルプレート22bと接続端子34bとの間隔が狭くなった場合のバスバー14aの上面図である。なお、図の明瞭化のために、図7(a)及び図7(b)では、第1バスバー50a及び第2バスバー52aはL字型形状のうちの互いに接続する平板部分のみを図示している。
図7(a)から図7(c)のように、実施例2のバスバー14aでは、ピン54が挿入される第1バスバー50aの貫通孔58及び第2バスバー52aの貫通孔60が共に、ピン54の円柱部分62よりも僅かに大きな直径を有する円孔となっている。また、燃料電池スタック10のターミナルプレート22bと補機12の接続端子34bとの間隔が最も広くなった場合でも、第1バスバー50aと第2バスバー52aとは一直線上にならずに斜めに交差するように、第1バスバー50a及び第2バスバー52aの長さなどが設定されている。その他の構成は、実施例1と同じであるため説明を省略する。
実施例2によれば、第1バスバー50aと第2バスバー52aとを接続させるピン54が挿入する貫通孔58及び60が共に円孔となっている。また、燃料電池スタック10のターミナルプレート22bと補機12の接続端子34bとの間隔が最も広くなった場合でも、第1バスバー50aの延在方向と第2バスバー52aの延在方向とは斜めに交差している。これにより、図7(a)及び図7(b)のように、ターミナルプレート22bと接続端子34bとの間隔が変化した場合でも、第1バスバー50aと第2バスバー52aがピン54を中心に回転して交差角度が変化することで、バスバー14aはターミナルプレート22bと接続端子34bとの相対位置の変化に追従することが可能となる。すなわち、実施例2においても、第1バスバー50aと第2バスバー52aとが相対的に移動可能となるように第1バスバー50aと第2バスバー52aとがピン54で接続されているため、バスバー14aはターミナルプレート22bと接続端子34bとの相対位置の変化に追従することが可能となる。
図8は、実施例3に係るバスバーの分解斜視図である。図9は、実施例3に係るバスバーの断面図である。図8及び図9のように、実施例3のバスバー14bは、第1バスバー50b、第2バスバー52b、ピン55、コイルばね57、支持プレート72、及び固定プレート74を備える。ピン55、支持プレート72、及び固定プレート74は、特許請求の範囲における接続部材の一例である。コイルばね57は、特許請求の範囲における弾性部材の一例である。第1バスバー50b及び第2バスバー52bは、実施例1と同じく、燃料電池スタック10のターミナルプレート22b及び補機12の接続端子34bに固定される。
第1バスバー50bは、ピン55の直径よりも僅かに大きな直径を有する円孔である貫通孔58を有する。第2バスバー52bは、長円孔である貫通孔60に加えて、第1バスバー50bが接触する面とは反対側の面のうちの側面と貫通孔60との間に、側面に沿って延びたガイド溝76を有する。貫通孔60の短径は、ピン55の直径よりも僅かに大きくなっている。支持プレート72は、一方の面に円柱形状をしたピン55が接触し、他方の面にはガイド溝78が設けられている。支持プレート72及びピン55は、例えばステンレス鋼などの金属で形成されている。ピン55が、コイルばね57の中心の空洞部、第1バスバー50bの貫通孔58、及び第2バスバー52bの貫通孔60に挿入されることで、コイルばね57と第1バスバー50bと第2バスバー52bの位置決めが行われる。固定プレート74は、例えばステンレス鋼などの金属で形成され、U字型形状をしていて、内面の上下部分にガイド溝76及び78に嵌め込まれた突起部80が形成されている。
第2バスバー52b、第1バスバー50b、コイルばね57、ピン55、及び支持プレート72は、固定プレート74の突起部80が第2バスバー52bのガイド溝76及び支持プレート72のガイド溝78に嵌め込まれることで拘束されている。バスバー14bの製造方法は、第2バスバー52b、第1バスバー50b、コイルばね57、ピン55、及び支持プレート72を積層し且つコイルばね57に圧縮荷重をかけた状態で、固定プレート74のガイド溝76及び78に対応する部分を変形させてガイド溝76及び78に嵌め込まれる突起部80を形成することで行われる。これにより、第1バスバー50bと第2バスバー52bとはコイルばね57の反力によって直接接触するように押し付けられる。
実施例3によれば、第1バスバー50bはピン55が挿入される円孔である貫通孔58を有し、第2バスバー52bはピン55が挿入される長円孔である貫通孔60を有する。第2バスバー52b及び支持プレート72は、固定プレート74に形成される突起部80が嵌め込まれるガイド溝76及び78を有する。第2バスバー52bのガイド溝76は、第2バスバー52bの側面に沿って延びて形成されている。これにより、ターミナルプレート22bと接続端子34bとの間隔が変化した場合、バスバー14bは、第2バスバー52bが第1バスバー50bに対して相対的に移動することで、ターミナルプレート22bと接続端子34bとの相対位置の変化に追従することができる。すなわち、実施例3においても、第1バスバー50bと第2バスバー52bとが相対的に移動可能となるように第1バスバー50bと第2バスバー52bとが支持プレート72、ピン55、及び固定プレート74で接続されているため、バスバー14bはターミナルプレート22bと接続端子34bとの相対位置の変化に追従することが可能となる。
なお、実施例3では、第1バスバー50bの他端側と第2バスバー52bの他端側とを直接接触させる弾性部材としてコイルばね57の場合を例に示したが、この場合に限られず、板ばね又は皿ばねなどのその他の弾性部材の場合でもよい。
なお、実施例1から実施例3において、燃料電池スタック10の端子にバスバー14によって接続される機器として昇圧コンバータなどの燃料電池を稼働させるための補機12である場合を例に説明したが、この場合に限られる訳ではない。例えば、複数の燃料電池スタックを備え、複数の燃料電池スタックが電気的に直列に接続される燃料電池システムの場合であって、複数の燃料電池スタックのうちの第1の燃料電池スタックの端子と第2の燃料電池スタックの端子とがバスバー14で接続されている場合でもよい。すなわち、第1バスバー50が第1の燃料電池スタックの端子に接続され、第2バスバー52が第2の燃料電池スタックの端子に接続されている場合でもよい。このように、燃料電池スタック10の端子にバスバー14によって接続される機器は、補機でもよいし、他の燃料電池スタックでもよいし、その他の機器の場合でもよい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10 燃料電池スタック
12 補機
14、14a、14b バスバー
20 単セル
22a、22b ターミナルプレート
24a、24b 絶縁プレート
26 プレッシャプレート
28a、28b エンドプレート
30a、30b テンションプレート
32 ばね
34a、34b 接続端子
40 ボルト
42 ナット
50、50a、50b 第1バスバー
52、52a、52b 第2バスバー
54、55 ピン
56 皿ばね
57 コイルばね
58、60 貫通孔
62 円柱部分
64 円盤部分
66 折返部分
68 孔
70 切り込み
72 支持プレート
74 固定プレート
76、78 ガイド溝
80 突起部

Claims (1)

  1. 燃料電池スタックの端子と前記燃料電池スタックから供給される電流が流れる機器の端子とを接続するバスバーであって、
    前記燃料電池スタックの端子に一端側が固定される第1バスバーと、
    前記機器の端子に一端側が固定される第2バスバーと、
    前記第1バスバーと前記第2バスバーとが前記燃料電池スタックの積層方向に相対的に平行移動可能となるように前記第1バスバーの他端側と前記第2バスバーの他端側とを接続する1又は複数の接続部材と、
    前記第1バスバーの他端側と前記第2バスバーの他端側とを直接接触させる弾性部材と、を備える、バスバー。
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