JP7327367B2 - 燃料電池ユニット - Google Patents

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Description

本開示は燃料電池ユニットに関する。
燃料電池ユニットは、燃料電池スタック及び電力変換器を有して構成され、これらはそれぞれスタックケース、電力変換器ケースを具備し、その内側に必要な部材が収納されている。特許文献1には、その図1、図5等からわかるように、スタックケース、エンドプレート、及び、電力変換器ケースをそれぞれ結合した筐体の構造が開示されており、この筐体内において、バスバーにより燃料電池と電力変換部品とが電気的に接続されている。
また、特許文献2には、燃料電池収容ケースにおいて、燃料電池セル積層体および昇圧コンバータを収容するスタックケースと、燃料電池セル積層体の積層方向両端部に配される一対のスタックバスバーとを備え、さらに、スタックケースの内部を燃料電池セル積層体が収容される空間と昇圧コンバータが収容される空間とに仕切る第1の仕切板および第2の仕切板を備え、第1の仕切板および第2の仕切板は、それぞれスタックバスバーが挿通されるスリット14b,15bと、互いに重複する重複部14a,15aを有することが開示されている。
特開2017-073199号公報 特開2019-145413号公報
燃料電池から出力される電流が大きい場合には、バスバーの断面積を大きくして、発熱を抑制することが好ましい。バスバーの断面積を大きくするには、バスバーの板厚及び板幅の少なくとも一方を大きくする必要がある。しかしながら、板厚を大きくするとバスバーの成型性が悪化し、板幅を大きくするためにはスタックケースの壁の開口(スリット)の幅を広げる必要がある。一方、スタックケースの壁は、燃料電池の積層体への圧縮荷重を保持するための梁として機能する。従って、壁の開口の幅を広げると、壁の強度の低下により梁としての機能が低下し、荷重を適切に保持することが困難となる。
本開示は、以上の問題点に鑑み、スタックケースの強度を維持しつつ、バスバーにおける発熱を抑制することができる燃料電池ユニットを提供することを目的とする。
本願は、燃料電池スタック、電力変換器、及び、燃料電池スタックと電力変換器とを電気的に接続するバスバーを有する燃料電池ユニットであって、燃料電池スタックは、スタックケースと、スタックケースの内側に配置され、全体として板状である燃料電池が複数積層された燃料電池積層体と、燃料電池積層体の燃料電池が積層された方向の両端に配置された集電板と、集電板から電力変換器に向けて延びるタブと、を備え、電力変換器は、スタックケースに結合された電力変換器ケースと、電力変換器ケースの内側に配置された電力変換部品と、を備え、バスバーは、その一部がスタックケースの壁に設けられたスリットに配置され、第一の面でタブに接続する集電板接続部と、第一の面が属する平面に交差する平面に属する第二の面で電力変換部品に接続する電力変換部品接続部と、集電板接続部と電力変換部品接続部とを連結する板状の複数の連結部と、を備え、連結部は、その少なくとも一部において第一の面に属する平面及び第二の面に属する平面に交差する板面を有する、燃料電池ユニットを開示する。
前記バスバーは、さらに、その少なくとも一部において第一の面に属する面に平行な板面を有する連結部を備えてもよい。
連結部には屈曲部が設けられてもよい。
本開示の燃料電池ユニットによれば、バスバーの板厚及び幅を大きくせずに電流が通るための断面積を大きくして電気抵抗を下げることができる。これによりスタックケースの強度を損なうことなく、大電流でもバスバーからの発熱を抑制することが可能である。
図1は、燃料電池ユニット10の外観斜視図である。 図2は、燃料電池ユニット10の分解斜視図である。 図3は、燃料電池ユニット10の断面図である。 図4は、燃料電池ユニット10の分解断面図である。 図5は、バスバー40の斜視図である。 図6は、バスバー40の配置を示す図である。 図7は、変形例1にかかるバスバーの斜視図である。 図8は、変形例2にかかるバスバーの斜視図である。
1.燃料電池ユニットの構造
図1~図4に燃料電池ユニット10を説明する図を示した。図1は燃料電池ユニット10の外観斜視図、図2は燃料電池ユニット10の分解斜視図、図3は燃料電池ユニット10の断面図(XZ平面により切断した断面図)、及び、図4は燃料電池ユニット10の分解断面図(XZ平面により切断した断面図)である。なお、図3、図4は断面であるが、見易さのため燃料電池23には切断面にハッチングを付していない。各図には3次元直交座標系(X、Y、Z座標系)の方向を表した。
これら図からわかるように、燃料電池ユニット10は燃料電池スタック20、電力変換器30、及び、バスバー40を備えている。以下各構成について説明する。
1.1.燃料電池スタック
図1~図4よりわかるように、燃料電池スタック20は、スタックケース21、エンドプレート22、燃料電池23、集電板24、絶縁シート25、及び付勢部材26を有している。
[スタックケース]
スタックケース21は、重ねられた複数の燃料電池23、集電板24、絶縁シート25、及び付勢部材26をその内側に収納する筐体である。本形態でスタックケース21は直方体の筐体であり、その1つの壁部が無く、開口部21aを有しているとともに、その開口部21aが形成された部分のスタックケース21の縁に沿って開口部21aとは反対側に板状の片が張り出し、フランジ21bを形成している。このフランジ21bでエンドプレート22がスタックケース21に結合される。
さらに、スタックケース21のうち、電力変換器30が配置される壁部にはスリット21cが設けられている。このスリット21cに、後述するようにバスバー40が配置されることで集電板24と電力変換器30の電力変換部品32とを電気的に接続する。
従ってスリット21cはスタックケース21の内外を連通するように壁厚方向(本形態でZ方向)に貫通している。またスリット21cは燃料電池23が積層される方向(本形態ではX方向)に長く延びるように細長く形成されている。
スリット21cの幅(本形態ではY方向大きさ)はバスバー40が挿入できる大きさとされており、燃料電池23の幅(本形態ではY方向の大きさ)に対して10%以上40%以下であることが好ましい。スリット21cの幅がこれより狭いとバスバーを小さくする必要があり、電気抵抗が増して発熱等の不具合が生じる虞がある。一方、スリット21cの幅がこれよりも広いとスリット21cの位置で燃料電池23がたわみやすくなり、燃料電池23の積層体への均一な面圧付与が難しくなる虞がある。
また、スリット21cが設けられた壁のスタックケース21の縁に沿ってスリット21cとは反対側に片が張り出し、フランジ21dを形成している。このフランジ21dで電力変換器30の電力変換器ケース31がスタックケース21にボルト等により結合される。
スタックケース21は燃料電池23を外部から保護する機能を有する観点から、所定の強度を有しており、厚さ2mm以上5mm以下程度の金属により構成されていることが好ましい。
[エンドプレート]
エンドプレート22は板状の部材であり、その外周端部の一部が張り出すように設けられており、フランジ22aを形成している。
エンドプレート22はスタックケース21の開口部21aを塞ぐとともに、フランジ22aがスタックケース21のフランジ21bに重なるように配置される。そして例えばフランジ21bとフランジ22aとを貫通するように配置したボルト及びナット等によりスタックケース21の開口部21aにフタをするようにエンドプレート22がスタックケース21に結合される。
このようにエンドプレート22は、スタックケース21のフタとして機能する。エンドプレート22は、燃料電池23のたわみを抑制するため、高い強度を有することが好ましい。そのため、エンドプレート22は金属であるとともに、その板厚はスタックケース21を構成する壁、フランジ21bの板厚と同等以上であることが好ましい。エンドプレート22の厚さは、例えば10mm以上30mm以下である。
[燃料電池]
燃料電池23は公知の通りであるが、膜-電極接合体(MEA)が2つのセパレータで挟まれて構成されている。MEAは固体高分子膜、負極触媒層、正極触媒層、負極ガス拡散層、正極ガス拡散層等による積層体である。そして燃料電池スタック20では、このような燃料電池23が複数重ねられ、燃料電池積層体とされている。
燃料電池23は全体として板状であり、本形態ではYZ平面を板面として配置され、X方向に複数の燃料電池23が重ねられている。
[集電板]
集電板24は燃料電池が発電した電力を取り出すための集電板であり、燃料電池積層体に対して燃料電池23の積層方向(X方向)の一方側及び他方側のそれぞれに配置される。一方側の集電板24が+(プラス)側の集電板であり、他方側の集電板24がー(マイナス)側の集電板である。本形態ではエンドプレート22に近い集電板24がー側の集電板であり、その反対側に+側の集電板24が配置されている。
また、集電板24からはスリット21cに向けてタブ24aが延びており、後述するようにタブ24aがバスバー40に接続される。図3、図4からわかるように、本形態ではタブ24aはその先端がXY平面に平行になるように曲げられている。
その他、集電板の材質や形態は公知の通りである。
[絶縁シート]
絶縁シート25は燃料電池積層体及び集電板24による積層体と、スタックケース21及びエンドプレート22と、の電気的絶縁を図るシートである。絶縁シート25は必要な絶縁性能を有するシートであれば特に限定されることはなく公知のものを用いることができる。従って、絶縁シート25は、それぞれの集電板24に対して燃料電池23が配置された側とは反対側に積層されている。
[付勢部材]
付勢部材26は、複数の燃料電池23、集電板24、及び、絶縁シート25とともにスタックケース21の内側に収まり、複数の燃料電池23、集電板24、及び、絶縁シート25による積層体(電池積層体)をその積層方向(X方向)に押圧し、燃料電池23に対して面圧を付与する。
付勢部材26は、燃料電池23に対してできるだけ均等に面圧を付与することができればその態様は特に限定されることはないが、例えば皿バネを複数配列する形態を挙げることができる。
1.2.電力変換器
電力変換器30は燃料電池スタック20からの電力を変換する装置であり、コンバータやインバータを挙げることができる。コンバータは燃料電池スタックの出力電圧を昇圧または降圧するものであり、インバータは燃料電池スタックからの電力を直流から交流に変換するものである。
本形態では、電力変換器30は電力変換器ケース31及び電力変換部品32を有している。
[電力変換器ケース]
電力変換器ケース31は、その内側に電力変換部品32、及びバスバー40を収納する筐体である。本形態で電力変換器ケース31は直方体の筐体であり、その1つの壁部が無く、開口部31aを有しているとともに、その開口部31aが形成された部分の電力変換器ケース31の縁に沿って開口部31aとは反対側に板状の片が張り出し、フランジ31bを形成している。このフランジ31bで電力変換器30がスタックケース21にボルト等で結合される。
さらに、電力変換器ケース31にはバスバー40が配置される部位の壁部に穴31cが設けられている。この穴31cを通じて外部からバスバー40を電力変換部品32の端子に接続することが可能となる。
電力変換器ケース31はスタックケース21と同様に、所定の強度を有していることが好ましく、厚さ2mm以上5mm以下程度の金属により構成されていることが好ましい。
[電力変換部品]
電力変換部品32は、燃料電池スタック20からの電力を変換する部位で、コンバータやインバータとしての機能を有する部材であり、公知のものを適用することができる。
1.3.バスバー
バスバー40は、燃料電池スタック20の集電板24と電力変換器30の電力変換部品32とを電気的に接続する部材である。本形態では、2つの集電板24のそれぞれに同じ形態のバスバー40が用いられている。ただし、これに限らず、いずれか一方にのみ本形態のバスバー40が用いられ、他方には公知のバスバーが用いられてもよい。図2~図4にもバスバー40が表れているが、図5にバスバー40を拡大した斜視図を表した。
これら図からもわかるように、バスバー40は、集電板接続部41、電力変換部品接続部42、第一連結部43、及び第二連結部44を備えている。
[集電板接続部]
集電板接続部41は、集電板24のタブ24aに接続する部位である。集電板接続部41は第一の面(本形態ではXY平面)でタブ24aに接続されている。すなわち本形態ではタブ24aの先端がXY平面に平行となるように形成されており、集電板接続部41はタブ24aに重なるようにXY平面に平行な板面を有する板状とされている。
[電力変換部品接続部]
電力変換部品接続部42は、電力変換部品32の不図示の端子に接続する部位である。電力変換部品接続部42は、上記第一の面が属する平面(本形態ではXY平面)に交差する平面(本形態ではYZ平面)に属する面で電力変換部品32に接続されている。
ここで「属する平面」とは、対象とされる面を含む平面を意味する。
本形態では、電力変換部品32の端子はYZ平面に平行な面を有しており、電力変換部品接続部42は当該端子に重なるようにYZ平面に平行な板面を有する板状とされている。
[連結部]
連結部は、集電板接続部41と電力変換部品接続部42とを連結して電気的に両者を導通する板状の部位である。本形態では第一連結部43及び第二連結部44の2種類の連結部を有している。
第一連結部43は、少なくとも一部においてその板面は、上記した第一の面が属する平面(本形態ではXY平面)及び第二の面が属する平面(本形態ではYZ平面)の両方に交差する平面(本形態ではXZ平面)とされている。従って本形態では第一連結部43は少なくとも一部においてXZ平面に平行な板面を有する板状であり、Y方向を板厚とする。これにより集電板接続部41と電力変換部品接続部42とを電気的に導通するための断面積を大きくしつつバスバー40のY方向(幅方向)の大きさが抑えられている。
ここで「板面」は通常のように考えればよく、板状の部材における板厚を構成する面以外の面である。
本形態で第一連結部43は、集電板接続部41及び電力変換部品接続部42のY方向端部同士を連結する。従って本形態では集電板接続部41及び電力変換部品接続部42のY方向端部のそれぞれに第一連結部43が設けられており、合わせて2つの第一連結部43を有している。より大きな断面積を確保して電気抵抗を下げて発熱を抑制する観点から第一連結部43は3つ以上設けてもよい。
第二連結部44は、少なくとも一部においてその板面は、上記した第一の面が属する平面に平行な面(本形態ではXY平面)とされている。
本形態では第二連結部44はXY平面に平行な板面を有する板状であり、Z方向を板厚とする。すなわち第二連結部44は、該第二連結部44の板面が属する平面が、集電板接続部41の板面が属する平面と概ね同じ、または平行で、電力変換部品接続部42の板面が属する平面に交差する板面を有し、Z方向を板厚とする。
[バスバーの作製等]
本形態で第一連結部43、第二連結部44は、集電板接続部41に接続する第一部43a、44a、電力変換部品接続部42に接続する第二部43b、44b、及び、第一部43a、43aと第二部43b、44bを連結する第三部43c、44cを有している。このような構造とすれば、集電板接続部41及び第一部43aを曲げ加工により作製し、電力変換部品接続部42及び第二部43b、44bを曲げ加工により作製し、この2つの部品を第三部43c、44cにより接合することによりバスバー40を作製することができる。これは、単純な曲げ加工及び接合で容易にバスバー40を作製することを可能とする。
ただし、これに限らず例えば深絞り等により1枚の板からプレス成型によりバスバー40を接合部なく一体に形成してもよいし、連結部を第一部、第二部、及び第三部に分けることなく、一体として集電板接続部41及び電力変換部品接続部42に接合してもよい。
バスバー40を構成する各部位の板厚は特に限定されることはなく、流れる電流の大きさに鑑みて適宜決めることができるが、1mm以上5mm以下程度とすることができる。また、バスバー40を構成する各部位の材料は特に限定されることはないが、性質上電気抵抗が小さい材料であることが好ましく、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を用いることができる。
1.4.燃料電池ユニットを構成する各部材の組み合わせ
以上のような燃料電池スタック20、電力変換器30、及びバスバー40が図1~図4に示したように組み合わされて燃料電池ユニット10とされている。
複数の燃料電池23がX方向に重ねられて燃料電池積層体が形成されており、この燃料電池積層体における燃料電池23の積層方向(X方向)の両端のそれぞれに集電板24が配置されている。さらに集電板24の外側のそれぞれに絶縁シート25が重ねられている。これにより、燃料電池積層体、集電板24、及び絶縁シート25による積層体(電池積層体)となっている。
この電池積層体の積層方向(X方向)の一方の面に付勢部材26が重ねられている。そして、電池積層体に付勢部材26が重ねられた積層体がスタックケース21の内側に収納されている。このとき、付勢部材26がスタックケース21の開口部21aとは反対側となり、付勢部材26が積層された側とは反対側がスタックケース21の開口部21a側となる。また、集電板24のタブ24aがスタックケース21のスリット21c(電力変換器30)に向けて延びるように配置されている。
エンドプレート22がスタックケース21の開口部21aを塞ぐとともに、スタックケース21のフランジ21bが、エンドプレート22のフランジ22aに重なるように配置される。そして例えばフランジ21bとフランジ22aとを貫通するように配置したボルト及びナット等によりスタックケース21の開口部21aにフタをするようにエンドプレート22がスタックケース21に結合される。このとき、エンドプレート22は電池積層体の面に接触するように配置され、エンドプレート22がスタックケース21に配置された姿勢で、付勢部材26が電池積層体を押圧し、電池積層体に付勢力を与え、燃料電池23に面圧がかかる状態となるように構成されている。この付勢力はエンドプレート22のスタックケース21への取り付け(ボルト及びナットでの結合等)の際に付与されればよい。
バスバー40は、その集電板接続部41がスタックケース21のスリット21cの内側に挿入され集電板24のタブ24aに重ねられる。上記のように両者は第一の面(本形態ではXY平面に平行な面)を有しているので当該面が重ねられ、ボルト等により両者が結合される。これによりバスバー40の電力変換部品接続部42がスタックケース21から立ち上がるように配置され、その板面が第二の面(本形態ではYZ平面に平行な面)となる。従ってバスバー40の第一連結部43はその板面が第一の面が属する平面(XY平面)及び第二の面が属する平面(YZ平面)に交差するように配置され、本形態では板面がXZ平面に平行となりY方向が板厚方向となる。
電力変換器30は、電力変換器ケース31の内側に電力変換部品32が配置された状態で、スタックケース21のうちスリット21cが設けられた面に重ねられる。このとき、電力変換器ケース31の開口部31aがスタックケース21側に向けられ、電力変換器ケース31のフランジ31bがスタックケース21のフランジ21dに重なるように配置されている。これにより電力変換器ケース31の開口部31aがスタックケース21により塞がれる。そして例えばフランジ21dとフランジ31bとがボルト等により結合され、スタックケース21に電力変換器30が固定される。
バスバー40は、その電力変換部品接続部42が電力変換部品32の端子に重ねられる。上記のように両者は第二の面(本形態ではYZ平面に平行な面)を有しているので当該面が重ねられ、ボルト等により両者が結合される。この結合は穴31cを通じて行うことができる。これにより集電板24と電力変換部品32とが電気的に接続される。なお穴31cは不図示のカバーにより封止される。
2.効果等
本開示の燃料電池ユニット10は例えばZ方向が上下方向となるように車両に搭載される。すなわち、燃料電池23の積層方向が略水平となるように配置される。ただし、燃料電池ユニット10の向きは特に限定されることはない。
図6には説明のために燃料電池ユニット10の斜視図を表した。ただしわかりやすさのため図6では電力変換器30を省略して表している。
本開示の燃料電池ユニット10によれば、バスバー40が複数の第一連結部43を備えることにより、第二連結部44のみにより集電板接続部41と電力変換部品接続部42とが連結された場合に比べ、複数の第一連結部43が配置された分、集電板接続部41と電力変換部品接続部42とを導通する断面積が増えるため電気抵抗を下げることができ、発熱の抑制が可能となる。
そしてこのように断面積を増やして電気抵抗を下げたにもかかわらず図5にY1で示したバスバー40の幅が、第二連結部44のみによるバスバーに比べてほとんど変わらない。従って、図2にY2で示したスリット21cの幅を大きくすることなくバスバー40の電気抵抗を下げることができる。これにより、スタックケース21の強度が下がらないため燃料電池23のひずみが少なく、燃料電池23に付加される面圧の均一性の高さを維持することが可能である。
さらにバスバーを構成する各部位の板厚を厚くする必要もないため加工性が良好であり、生産性にも優れている。
なお、上記では説明及び理解容易の観点から3次元直交座標系(X、Y、Z)を用い、各部材の向きや関係(例えば第一の面、第二の面、板厚等)が当該座標系の軸(X、Y、Z)や平面(XY平面、XZ平面、YZ平面)に一致した例を説明した。しかし、各部材の向きや関係は厳密である必要はなく、X、Y、Z、XY平面、XZ平面、及び、YZ平面に対して角度を有していてもよい。要するにバスバーにおいて、バスバーの幅やバスバーを構成する部材の板厚を大きく変化させることなく集電板接続部と電力変換部品接続部とを連結する第一連結部を設けて断面積を増やして電気抵抗を減らすことができればよい。
3.変形例
3.1.変形例1
図7は、上記したバスバーに対して第二連結部44が具備されず、第一連結部43のみが2つ設けられた例である。これによっても上記と同様の効果を奏するものとなる。一方、電気抵抗をさらに下げる観点から第一連結部43を3つ以上設けてもよい。
3.2.変形例2
図8には変形例2の燃料電池ユニットに備えられるバスバー40’の斜視図を示した。バスバー40’では、上記したバスバー40の第三部43c、44cに対して、第三部43c’、44c’が適用されている。他の部位はバスバー40と同様に考えることができるので同じ符号を付して説明を省略する。
上記した第三部43c、44cは集電体接続部41から電力変換部品接続部42に向けて板面がまっすぐに延びる板状であるが、第三部43c’、44c’ではその一部が板厚方向に突出するような屈曲部を有する形態である。なお屈曲部による部材の突出はその方向がバスバーの幅を広げない向きであることが好ましい。従って2つの第一連結部43に備えられる屈曲部はその突出方向が互いに向かい合うことが好ましい。
本形態のように燃料電池スタック21に付勢部材26が配置され、これにより燃料電池23を押圧する場合、燃料電池23の厚さが湿度や温度等の運転条件によって変化し、燃料電池ユニットの作動中に集電板24がX方向(燃料電池の積層方向)に移動することがある。第三部43c’、44c’を備えたバスバー40’によればこのような燃料電池の積層方向への集電板24の移動に対しても追従し易く、集電体接続部、電力変換部品接続部への負荷を低減することが可能である。
10 燃料電池ユニット
20 燃料電池スタック
21 スタックケース
22 エンドプレート
23 燃料電池
24 集電板
25 絶縁シート
26 付勢部材
30 電力変換器
31 電力変換器ケース
32 電力変換部品
40 バスバー
41 集電板接続部
42 電力変換部品接続部
43 第一連結部
44 第二連結部

Claims (3)

  1. 燃料電池スタック、電力変換器、及び、前記燃料電池スタックと前記電力変換器とを電気的に接続するバスバーを有する燃料電池ユニットであって、
    前記燃料電池スタックは、
    スタックケースと、
    前記スタックケースの内側に配置され、全体として板状である燃料電池が複数積層された燃料電池積層体と、
    前記燃料電池積層体の前記燃料電池が積層された方向の両端に配置された集電板と、
    前記集電板から前記電力変換器に向けて延びるタブと、を備え、
    前記電力変換器は、
    前記スタックケースに結合された電力変換器ケースと、
    前記電力変換器ケースの内側に配置された電力変換部品と、を備え、
    前記バスバーは、
    その一部が前記スタックケースの壁に設けられたスリットに配置され、
    第一の面で前記タブに接続する集電板接続部と、
    前記第一の面が属する平面に交差する平面に属する第二の面で前記電力変換部品に接続する電力変換部品接続部と、
    前記集電板接続部と前記電力変換部品接続部とを連結する板状の複数の連結部と、を備え、
    前記連結部は、その少なくとも一部において前記第一の面に属する平面及び前記第二の面に属する平面に交差する板面を有する、
    燃料電池ユニット。
  2. 前記バスバーは、さらに、その少なくとも一部において前記第一の面に属する平面に平行な板面を有する連結部を備える、請求項1に記載の燃料電池ユニット。
  3. 前記連結部には屈曲部が設けられている、請求項1又は2に記載の燃料電池ユニット。
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