KR101834043B1

KR101834043B1 - 연료 전지용 집전판, 연료 전지 스택, 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제조 방법

Info

Publication number: KR101834043B1
Application number: KR1020150141471A
Authority: KR
Inventors: 후미시게 시즈쿠; 히데아키 다나카
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2018-03-02
Also published as: DE102015116878A1; CA2907281C; US20160111733A1; KR20160044419A; DE102015116878B4; CN105529481B; JP2016081667A; CA2907281A1; US9882225B2; CN105529481A; JP6112092B2

Abstract

본 발명의 과제는, 연료 전지 스택으로부터 집전한 전력을 취출할 때의 도전 저항의 증대를 억제하는 기술을 제공하는 것이다.
연료 전지가 발전한 전력을 집전하는 집전부와, 집전부에서 집전한 전력을 출력하기 위한 단자부이며, 버스 바가 장착되는 단자부를 구비하는 연료 전지용 집전판이며, 단자부는, 집전부와 전기적으로 접속된 단자부 본체와, 단자부 본체에 고정된 제1 나사부와, 제1 나사부에 나사 결합되어 버스 바의 일단부를 단자부에 고정하는 제2 나사부와, 단자부 본체의 제1 나사부가 설치된 면과 동일한 면에 설치되는 돌기부를 구비하고, 돌기부는, 버스 바의 타단부가 다른 기기에 고정된 상태에서 버스 바의 일단부를 단자부에 고정하는 경우에, 돌기부가 버스 바에 접촉함으로써 제2 나사부의 조임에 수반되는 단자부 본체의 회전을 억제하는 위치에 배치되어 있다.

Description

연료 전지용 집전판, 연료 전지 스택, 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 제조 방법 {CURRENT COLLECTOR FOR FUEL CELL, FUEL CELL STACK, FUEL CELL SYSTEM, AND METHOD OF MANUFACTURING FUEL CELL SYSTEM}

본원은, 2014년 10월 15일에 출원된 출원 번호 제2014-210560호의 일본 특허 출원에 기초하는 우선권을 주장하고, 그 개시 내용 전부가 참조에 의해 본원에 포함된다.

본 발명은, 연료 전지에 관한 것이다.

연료 전지(이하, 단셀이라고도 칭함)를 복수 적층하여 구성되는 연료 전지 스택에서는, 각 단셀에서 발전된 전력을 집전하여 외부에 공급하기 위한 집전판을 구비하고 있다. 이 집전판은, 단셀에서 발전한 전력을 집전하는 집전부와, 집전된 전력을 출력하는 단자부를 구비한다(JP2011-228192A).

연료 전지 스택에서 발전된 전력을 출력하는 경우에는, 집전판의 단자부에, 예를 들어 버스 바 등의 배선이 접속되고, 버스 바를 통해 릴레이 등의 기기가 접속된다. 집전판의 단자부에 버스 바 등을 접속하는 경우, 볼트와 너트 등의 나사에 의해 체결하는 경우가 많다. 이 나사에 의한 체결에 수반되는 과대 토크가 집전판의 단자부에 작용하면, 단자부의 버스 바와의 접촉면이 변형될 우려가 있다. 그렇게 되면, 단자부와 버스 바의 접촉 불량에 의해, 도전 저항이 커져, 연료 전지 스택으로부터 집전된 전력을 효율적으로 취출할 수 없을 가능성이 있었다.

본 발명은, 상술한 과제 중 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 이하의 형태로서 실현하는 것이 가능하다.

본 발명의 일 형태는, 연료 전지에 사용되는 집전판이 제공된다. 이 집전판은, 연료 전지가 발전한 전력을 집전하는 집전부와, 상기 집전부에서 집전한 전력을 출력하기 위한 단자부이며, 버스 바가 장착되는 단자부를 구비하는 연료 전지용 집전판이며, 상기 단자부는, 상기 집전부와 전기적으로 접속된 단자부 본체와, 상기 단자부 본체에 고정된 제1 나사부와, 상기 제1 나사부에 나사 결합되어 상기 버스 바의 일단부를 상기 단자부에 고정하는 제2 나사부와, 상기 단자부 본체의 상기 제1 나사부가 설치된 면과 동일한 면에 설치되는 돌기부를 구비하고, 상기 돌기부는, 상기 버스 바의 타단부가 다른 기기에 고정된 상태에서 상기 버스 바의 상기 일단부를 상기 단자부에 고정하는 경우에, 상기 돌기부가 상기 버스 바에 접촉함으로써 상기 제2 나사부의 조임에 수반되는 상기 단자부 본체의 회전을 억제하는 위치에 배치되어 있다. 그 밖에, 본 발명은 이하와 같은 형태로서 실현하는 것도 가능하다.

(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지에 사용되는 집전판이 제공된다. 이 집전판은, 연료 전지가 발전한 전력을 집전하는 집전부와, 상기 집전부에서 집전한 전력을 출력하기 위한 단자부이며, 버스 바가 장착되는 단자부를 구비하고, 상기 단자부는, 상기 집전부와 전기적으로 접속된 단자부 본체와, 상기 단자부 본체에 고정된 제1 나사부와, 상기 제1 나사부에 나사 결합되어 상기 버스 바의 일단부를 상기 단자부에 고정하는 제2 나사부와, 상기 단자부 본체의 상기 제1 나사부가 설치된 면과 동일한 면에 설치되는 돌기부를 구비하고, 상기 돌기부는, 상기 버스 바의 상기 일단부가 상기 단자부에 고정되고, 상기 버스 바의 타단부가 다른 기기에 고정된 경우에, 상기 버스 바에 대해 상기 제2 나사부를 조일 때의 상기 제2 나사부의 회전 방향 후방측에 배치된다.

이 형태의 집전판에 의하면, 단자부가 제1 나사부와 돌기부를 구비하므로, 단자부에 버스 바를 접속하여 연료 전지 스택에 의한 발전 전력을 출력시키는 경우에, 버스 바의 타단부를 다른 기기에 고정한 상태에서, 버스 바의 일단부를 단자부에 고정하면, 제2 나사부의 조임에 수반되는 과대 토크가 단자부에 작용해도, 고정된 버스 바에 돌기부가 접촉하여, 단자부 본체의 회전(변형)이 억제된다. 그 결과, 단자부와 버스 바의 접촉 불량에 의한 도전 저항의 증대가 억제되어, 연료 전지 스택이 발전한 전력의 취출 효율의 저하를 억제할 수 있다.

(2) 상기 형태의 집전판에 있어서, 돌기부는, 상기 버스 바의 상기 일단부가 상기 단자부에 고정되고, 상기 버스 바의 타단부가 다른 기기에 고정된 경우에, 상기 제1 나사부의 중심에 대해, 상기 버스 바의 길이 방향 내측에 배치되어도 된다. 이와 같이 하면, 제1 나사부의 중심에 대해 버스 바의 길이 방향 외측에 돌기부를 배치하는 경우와 비교하여, 제1 나사부의 중심으로부터 돌기부까지의 거리를 길게 취할 수 있는 경우가 많다. 그 결과, 보다 확실하게, 돌기부에 의해, 단자부 본체의 회전(변형)을 억제할 수 있다.

(3) 상기 형태의 집전판에 있어서, 받침대에 상기 제1 나사부가 형성된 나사 유닛과, 상기 받침대를 상기 단자부 본체에 장착하는 장착 부재를 구비하고, 상기 돌기부는, 상기 장착 부재에 의해 형성되어도 된다. 이와 같이 하면, 제1 나사부를 용접 등에 의해 직접 단자부 본체에 형성하는 경우와 비교하여, 단자부 본체의 변형을 억제할 수 있으므로 바람직하다. 또한, 장착부에 의해, 돌기부를 구성하고 있으므로, 별도로 돌기부를 설치하는 경우와 비교하여, 부품 개수를 저감시킬 수 있어, 비용 저감에 이바지한다.

(4) 본 발명의 다른 형태에 의하면, 연료 전지 스택이 제공된다. 이 연료 전지 스택은 복수의 연료 전지를 적층한 적층체와, 상기한 집전판을 구비해도 된다. 이 연료 전지 스택에 의하면, 집전판의 단자부가 제1 나사부와 돌기부를 구비하므로, 단자부에 버스 바를 접속하여 연료 전지 스택에 의한 발전 전력을 출력시키는 경우에, 버스 바의 타단부를 고정한 상태에서, 버스 바의 일단부를 단자부에 고정하면, 제2 나사의 조임에 수반되는 과대 토크가 단자부 본체에 작용해도, 고정된 버스 바에 돌기부가 접촉하여, 단자부 본체의 회전(변형)이 억제된다. 그 결과, 단자부와 버스 바의 접촉 불량에 의한 도전 저항의 증대가 억제되어, 연료 전지 스택이 발전한 전력의 취출 효율의 저하를 억제할 수 있다.

(5) 본 발명의 다른 형태에 의하면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 이 연료 전지 시스템은, 상기한 연료 전지 스택과,

상기 일단부가 상기 연료 전지 스택의 상기 집전판에 고정되는 상기 버스 바와, 상기 버스 바의 상기 타단부에 고정되는 기기를 구비해도 된다. 이 연료 전지 시스템에 의하면, 버스 바의 타단부를 기기에 고정하여, 기기를 소정의 위치에 고정한 상태에서, 버스 바의 일단부를 단자부에 고정하면, 제2 나사의 조임에 수반되는 과대 토크가 단자부 본체에 작용해도, 고정된 버스 바에 돌기부가 접촉하여, 단자부 본체의 회전(변형)이 억제된다. 그 결과, 단자부와 버스 바의 접촉 불량에 의한 도전 저항의 증대가 억제되어, 연료 전지 스택이 발전한 전력의 취출 효율의 저하를 억제할 수 있다.

(6) 본 발명의 다른 형태에 의하면, 연료 전지 시스템의 제조 방법이 제공된다. 이 연료 전지 시스템은 상기한 연료 전지 시스템이며, 연료 전지 시스템의 제조 방법은,

(A) 상기 연료 전지 스택을 미리 정해진 위치에 배치하는 공정과, (B) 상기 기기를 미리 정해진 위치에 고정하는 공정과, (C) 상기 버스 바를 상기 기기에 고정하는 공정과, (D) 상기 기기에 고정된 상기 버스 바를, 상기 연료 전지 스택의 상기 집전판의 상기 단자부에 고정하는 공정을 구비해도 된다. 이와 같이 하면, 제2 나사의 조임에 수반되는 과대 토크가 단자부 본체에 작용해도, 고정된 버스 바에 돌기부가 접촉하여, 단자부 본체의 회전(변형)이 억제된다. 그 결과, 단자부와 버스 바의 접촉 불량에 의한 도전 저항의 증대가 억제되어, 연료 전지 스택이 발전한 전력의 취출 효율의 저하를 억제할 수 있다.

또한, 본 발명은 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하다. 예를 들어, 연료 전지 시스템을 탑재한 이동체 등의 형태로 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 스택의 구성을 도시하는 개략 사시도.
도 2는 집전판과 연료 전지와 집전판의 배치 모습을 개략적으로 도시하는 설명도.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태로서의 집전판의 단자부를 확대하여 비스듬히 본 부분 확대도.
도 4는 단자부의 도 3에 있어서의 A에서 본 모습을 도시하는 개략 측면도.
도 5는 단자부의 도 4에 있어서의 B에서 본 모습을 도시하는 개략 평면도.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태의 연료 전지 시스템의 개략 구성을 도시하는 설명도.
도 7은 연료 전지 시스템의 제조 방법의 일부를 도시하는 공정도.
도 8은 제2 실시 형태의 집전판의 단자부를 확대하여 비스듬히 본 부분 확대도.
도 9는 제2 실시 형태의 단자부의 도 8에 있어서의 A에서 본 모습을 도시하는 개략 측면도.
도 10은 변형예 1의 단자부(163A)를 도시하는 개략 사시도.
도 11은 변형예 2의 단자부(163B)를 도시하는 개략 사시도.

A. 제1 실시 형태:

A1. 연료 전지 스택의 구성:

도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 스택의 구성을 도시하는 개략 사시도이다. 연료 전지 스택(10)은, 하나의 발전 단위로서의 연료 전지(100)를 도 1에 도시하는 z방향(이하, 「적층 방향」이라고도 칭함)으로 복수 적층한 적층체(12)를, 집전판(160F, 160E), 절연판(165F, 165E)을 개재하여 엔드 플레이트(170F, 170E)로 끼움 지지한 스택 구조를 갖고 있다. 연료 전지(100)와, 집전판(160F, 160E)과, 절연판(165F, 165E) 및 엔드 플레이트(170F, 170E)는, 각각, 대략 직사각 형상의 외형을 갖는 플레이트 구조를 갖고 있고, 긴 변이 도 1에 도시하는 x방향(수평 방향)이고 짧은 변이 도 1에 도시하는 y방향(수직 방향, 연직 방향)을 따르도록 배치되어 있다. 이하의 설명에 있어서, 도 1에 있어서의 z축 플러스 방향을 전방, z축 마이너스 방향을 후방으로 표현한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지 스택(10)은 일반적으로, 단순히 「연료 전지」라고도 칭해진다.

전단부측에 있어서의 엔드 플레이트(170F)와 절연판(165F)과 집전판(160F)은, 연료 가스 공급 구멍(172IN) 및 연료 가스 배출 구멍(172OT)과, 산화제 가스 공급 구멍(174IN) 및 산화제 가스 배출 구멍(174OT)과, 냉각수 공급 구멍(176IN) 및 냉각수 배출 구멍(176OT)을 갖는다. 이하, 이들 공급 구멍 및 배출 구멍을 통합하여, 「급배 구멍」이라고도 칭한다. 이들 급배 구멍은, 각 연료 전지(100)의 대응하는 위치에 형성되어 있는 각각의 구멍(도시하지 않음)과 연결하여, 각각에 대응하는 가스 혹은 냉각수의 공급 매니폴드 및 배출 매니폴드를 구성한다. 한편, 후단부측에 있어서의 엔드 플레이트(170E)와 절연판(165E)과 집전판(160E)에는, 이들 급배 구멍은 형성되어 있지 않다. 이것은, 반응 가스(연료 가스, 산화제 가스) 및 냉각수를 전단부측의 엔드 플레이트(170F)로부터 각각의 연료 전지(100)에 대해 공급 매니폴드를 통해 공급하면서, 각각의 연료 전지(100)로부터의 배출 가스 및 배출수(냉각수)를 전단부측의 엔드 플레이트(170F)로부터 외부에 대해 배출 매니폴드를 통해 배출하는 타입의 연료 전지인 것에 의한다. 단, 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 전단부측의 엔드 플레이트(170F)로부터 반응 가스 및 냉각수를 공급하고, 후단부측의 엔드 플레이트(170E)로부터 배출 가스 및 배출수(냉각수)가 외부로 배출되는 타입 등의 다양한 타입으로 할 수 있다. 본 실시 형태에 있어서, 냉각수는, 연료 전지(100)를 냉각 혹은 가열하여 목적의 온도로 제어하는 열매체이다.

산화제 가스 공급 구멍(174IN)은, 전단부측의 엔드 플레이트(170F)의 하단부의 외연부에 x방향(긴 변 방향)을 따라 배치되어 있고, 산화제 가스 배출 구멍(174OT)은, 상단부의 외연부에 x방향을 따라 배치되어 있다. 연료 가스 공급 구멍(172IN)은, 전단부측의 엔드 플레이트(170F)의 도면 우측 단부의 외연부의 y방향(짧은 변 방향)의 상단부에 배치되어 있고, 연료 가스 배출 구멍(172OT)은, 도면 좌측 단부의 외연부의 y방향의 하단부에 배치되어 있다. 냉각수 공급 구멍(176IN)은, 산화제 가스 공급 구멍(174IN)의 하측에 y방향을 따라 배치되어 있고, 냉각수 배출 구멍(176OT)은, 산화제 가스 배출 구멍(174OT)의 상측에 y방향을 따라 배치되어 있다. 또한, 상기한 각 급배 구멍은, 연료 전지(100)에 있어서는, 후술하는 바와 같이 복수의 급배 구멍으로 나뉘어져 있다.

도 2는 집전판(160F)과 연료 전지(100)와 집전판(160E)의 배치 상태를 개략적으로 도시하는 설명도이다. 전단부측의 집전판(160F) 및 후단부측의 집전판(160E)은, 각 연료 전지(100)의 발전 전력을 집전하고, 단자부(163F, 163E)를 통해 외부로 출력한다. 이하, 집전판(160F, 160E)을 구별할 필요가 없는 경우에는, 집전판(160)이라 칭한다. 집전판(160)의 구성에 대해서는, 이후에 상세하게 설명한다.

연료 전지(100)는, 티타늄제의 애노드측 세퍼레이터(120)와 티타늄제의 캐소드측 세퍼레이터(130)와 시일 부재 일체형 MEA(Membrane Electrode Assembly: 막 전극 접합체)(140)를 구비한다. 연료 전지(100)는, 그 주연에, 연료 가스 공급 구멍(102IN) 및 연료 가스 배출 구멍(102OT)과, 6개의 산화제 가스 공급 구멍(104IN) 및 7개의 산화제 가스 배출 구멍(104OT)과, 3개의 냉각수 공급 구멍(106IN) 및 3개의 냉각수 배출 구멍(106OT)을 구비한다. 이들 급배 구멍은, 엔드 플레이트(170F)에 있어서의 연료 가스 공급 구멍(172IN) 등과 연결된다. 연료 전지(100)를 복수 적층하여, 연료 전지 스택(10)을 구성하면, 이들 급배 구멍에 의해, 각 연료 전지(100)에 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각수를 공급하는 매니폴드나, 각 연료 전지(100)로부터 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각수를 배출시키는 매니폴드가 형성된다. 또한, 상술한 급배 구멍의 주위에는, 도시하지 않는 시일부가 형성되어 있어, 시일부에 의해, 연료 전지(100)가 적층되었을 때의 세퍼레이터 사이 및 세퍼레이터와 집전판 사이에 있어서의 매니폴드의 시일성이 확보되어 있다.

애노드측 세퍼레이터(120) 및 캐소드측 세퍼레이터(130)는, 가스 차단성 및 전자 전도성을 갖는 부재에 의해 구성되어 있으면 되고, 구성 재료는, 본 실시 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 카본 입자를 압축하여 가스 불투과로 한 치밀질 카본 등의 카본제 부재나, 스테인리스강, 알루미늄, 그들의 합금 등의 금속 부재에 의해 형성되어도 된다. 또한, 이들 각 플레이트는, 냉각수에 노출되므로, 내식성이 높은 금속을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 도 1, 도 2에 있어서, 연료 전지 스택(10)에 있어서 발전된 전력을 출력하기 위한 단자부(163F, 163E)에 접속되는 버스 바(50)를 파선으로 나타내고 있다.

A2. 집전판의 구성:

도 2에 도시하는 바와 같이, 집전판(160F)은, 각 연료 전지(100)에서 발전된 전력을 집전하는 집전부(161F)와, 집전부(161F)에서 집전된 전력을 외부에 출력하기 위한 단자부(163F)를 구비한다. 본 실시 형태에 있어서, 집전부(161F)는, 알루미늄제의 금속판의 양면에, 티타늄제의 금속판을 적층한 금속판이다. 집전부(161F)의 주연부에는, 연료 가스 공급 구멍(162IN) 및 연료 가스 배출 구멍(162OT)과, 산화제 가스 공급 구멍(164IN) 및 산화제 가스 배출 구멍(164OT)과, 냉각수 공급 구멍(166IN) 및 냉각수 배출 구멍(166OT)이 형성되어 있다. 이들 급배 구멍은, 복수의 연료 전지를 적층하여 연료 전지 스택을 구성하는 경우에, 엔드 플레이트나 연료 전지의 대응하는 각 급배 구멍과 연결되어, 연료 전지에 각 반응 가스·냉각수를 공급 또는 배출하는 매니폴드의 일부로서 기능한다. 본 실시 형태에 있어서의 복수의 연료 전지(100)가 적층된 적층체(12)가, 청구항 1에 있어서의 집전부가 집전하는 전력을 발전하는 연료 전지에 상당한다.

도 3은, 본 발명의 일 실시 형태로서의 집전판(160F)의 단자부(163F)를 확대하여 비스듬히 본 부분 확대도이다. 도 4는, 단자부(163F)의 도 3에 있어서의 A에서 본 모습을 도시하는 개략 측면도이다. 도 5는, 단자부(163F)의 도 4에 있어서의 B에서 본 모습을 도시하는 개략 평면도이다. 도 3∼도 5에서는, 단자부(163F)에 접속되는 버스 바(50)도 도시하고 있다. 도 3∼도 5에 도시하는 바와 같이, 단자부(163F)는, 단자부 본체(20)와, 수나사 유닛(30)과, 리벳(40)과, 너트(60)를 구비한다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 단자부 본체(20)는 집전부(161F)의 한쪽의 짧은 변에 설치되고, 집전부(161F)의 판면[연료 전지(100)(도 2) 또는 절연판(165F)(도 1)과 접촉하는 면]과, 대략 직각으로 적층 방향 후방(z축 마이너스 방향)으로 굴곡된 후, 집전부(161)의 긴 변(x축)과 평행하게 외측으로 굴곡되어 있다. 단자부 본체(20)는, 알루미늄제의 금속판으로 이루어지고, 집전부(161F)를 구성하는 알루미늄제의 금속판과 일체적으로 형성되어 있다. 수나사 유닛(30)은 받침대(32)와 볼트(34)를 구비하고, 볼트(34)의 수나사가 깎인 축부(342)가 받침대(32)를 관통한 상태에서, 볼트(34)가 받침대(32)에 프로젝션 용접에 의해 접합되어 있다. 또한, 스폿 용접 등, 다른 기술에 의해 볼트(34)를 받침대(32)에 접합해도 된다. 본 실시 형태에 있어서, 받침대(32)는, 스테인리스강에 의해 형성되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 알루미늄, 티타늄, 그들의 합금 등, 다양한 금속판을 사용할 수 있다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 단자부 본체(20)에는, 볼트(34)의 축부(342)가 관통하는 관통 구멍(22)이 형성되어 있다. 수나사 유닛(30)의 받침대(32)와, 단자부 본체(20)에는, 대응하는 위치에, 리벳(40)이 관통하는 관통 구멍(322, 24)이 각각 형성되어 있다. 볼트(34)의 축부(342)를, 단자부 본체(20)의 관통 구멍(22)에 관통시킴과 함께, 리벳(40)을 받침대(32) 및 단자부 본체(20)의 관통 구멍(24)에 삽입 관통하여, 리벳(40)의 선단을 가압 변형시킴으로써, 수나사 유닛(30)이 단자부 본체(20)에 장착된다. 본 실시 형태에서는, 리벳(40)의 선단을, 단자부 본체(20)로부터 소정의 길이 돌출되도록 가압 변형시켜, 단자부 본체(20)의 볼트(34)가 돌출되는 면에 돌기부(42)를 형성하고 있다.

도 5에 도시하는 바와 같이, 단자부(163F)에 버스 바(50)를 장착하면, 돌기부(42)는, 버스 바(50)에 대해 너트(60)의 조임시의 회전 방향 RD의 후방측이며, 축부(342)에 대해 버스 바(50)의 길이 방향 내측에 배치되어 있다. 본 실시 형태에 있어서의 축부(342)가 청구항에 있어서의 제1 나사부에 상당하고, 너트(60)가 청구항에 있어서의 제2 나사부에 상당하고, 수나사 유닛(30)이 청구항에 있어서의 나사 유닛에 상당하고, 리벳(40)이 청구항에 있어서의 장착 부재에 상당한다.

후단부측의 집전판(160E)은, 상술한 바와 같이, 급배 구멍의 유무에 있어서 전단부측의 집전판(160F)과 다르지만, 다른 구성에 대해서는, 거의 마찬가지이다. 즉, 집전판(160E)도, 집전판(160F)과 마찬가지로, 집전부(161E)와, 단자부(163E)를 구비한다. 단자부(163E)의 구성은, 집전판(160F)의 단자부(163F)와 마찬가지이다. 단자부(163F)와 단자부(163E)를 구별할 필요가 없을 때에는, 단자부(163)라고 칭한다.

A3. 연료 전지 시스템:

도 6은, 본 발명의 일 실시 형태의 연료 전지 시스템의 개략 구성을 도시하는 설명도이다. 도시하는 바와 같이, 연료 전지 시스템(500)은, 연료 전지 스택(10)과, 연료 가스 공급계(310)와, 애노드 배기 가스 배출계(320)와, 산화제 가스 공급계(330)와, 캐소드 배기 가스 배출계(340)와, 냉각수 순환계(350)와, 버스 바(50)와, 릴레이(210)와, 연료 전지 스택 케이스(220)와, DC/DC 컨버터(230)와, 인버터(240)와, 외부 부하(250)를 주로 구비한다. 연료 가스 공급계(310)와, 애노드 배기 가스 배출계(320)와, 산화제 가스 공급계(330)와, 캐소드 배기 가스 배출계(340)와, 냉각수 순환계(350)는, 펌프, 급배 밸브 등을 구비하지만, 그 도시는 생략한다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 연료 전지 스택(10)에 있어서 발전된 전력은, 릴레이(210)를 통해 DC/DC 컨버터(230)에 출력되고, 외부 부하(250)의 요구에 따른 직류 전력으로 변환되고, 인버터(240)에 의해 교류 전력으로 변환되어, 외부 부하(250)에 공급된다. 본 실시 형태에 있어서, 연료 전지 스택(10) 및 릴레이(210)는 연료 전지 스택 케이스(220) 내에 수납되어 있고, 버스 바(50)를 통해 접속되어 있다. 본 실시 형태에 있어서의 릴레이(210)가, 청구항에 있어서의 기기에 상당한다.

도 7은, 연료 전지 시스템(500)의 제조 방법의 일부를 나타내는 공정도이다. 도 7에서는, 연료 전지 스택(10)에 릴레이(210)를 장착하는 공정을 나타내고 있다. 우선, 연료 전지 스택(10)을 연료 전지 스택 케이스(220) 내에 배치한다(스텝 S102). 그 후, 릴레이(210)를 연료 전지 스택 케이스(220) 내에 장착한다(스텝 S106). 연료 전지 스택(10)의 단자부(163)와 릴레이(210)의 거리에 따른 버스 바(50)를 선택하고, 버스 바(50)를 릴레이(210)에 고정한다(스텝 S108). 이때, 버스 바(50)의 한쪽의 관통 구멍(54)(도 4)을 단자부(163)의 축부(342)에 걸고, 다른 관통 구멍(52)(도 3)을 릴레이(210)측의 접속 단자의 관통 구멍에 맞추어, 볼트(56)(도 5)와 너트(도시하지 않음)로 고정한다. 릴레이(210)는, 스텝 S106에 있어서, 연료 전지 스택 케이스(220)에 고정되어 있으므로, 스텝 S108에 의해, 버스 바의 관통 구멍(52)측의 단부가 고정된다. 그 후, 너트(60)를 축부(342)에 나사 결합시켜, 버스 바(50)를 연료 전지 스택(10)의 단자부(163)에 고정한다(스텝 S110).

A4. 제1 실시 형태의 효과:

제1 실시 형태의 집전판(160)은, 집전한 전력을 출력하기 위한 단자부(163)를 구비하고, 단자부(163)는 수나사가 깎인 축부(342)와, 축부(342)와 동일한 면에 돌기부(42)를 구비한다. 본 실시 형태의 연료 전지 스택(10)은 집전판(160)을 구비한다. 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(500)은 연료 전지 스택(10)을 구비하고, 상기한 공정에서 연료 전지 스택(10)에 릴레이(210)를 장착한다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 너트(60)를 조여 버스 바(50)를 고정하는 경우에, 너트(60)를 완전히 조인 후에 여전히 너트(60)를 조임 방향으로 회전시키려고 하면, 단자부(163)의 단자부 본체(20)에 너트(60)의 조임에 수반되는 과대 토크가 작용한다(도 5중 화살표 RD 방향). 단자부(163)는, 돌기부(42)를 구비하므로, 도 5에 도시하는 바와 같이 단자부 본체(20)에 과대 토크가 작용해도, 타단부가 고정된 버스 바(50)에, 돌기부(42)가 접촉하여, 단자부 본체(20)의 회전(변형)이 억제된다. 그 결과, 단자부 본체(20)와 버스 바(50)의 접촉 불량에 의한 도전 저항의 증대가 억제되어, 연료 전지 스택(10)이 발전한 전력의 취출 효율의 저하를 억제할 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 집전판(160)에서는, 볼트(34)를 받침대(32)에 접합한 수나사 유닛(30)을 리벳(40)에 의해 단자부 본체(20)에 고정하고 있다. 그로 인해, 볼트(34)를 단자부 본체(20)에 용접 등에 의해, 직접 접합하는 경우에 비해, 단자부 본체(20)의 변형을 억제할 수 있어, 버스 바(50)와의 접촉 불량을 억제할 수 있다.

또한, 수나사 유닛(30)을 단자부 본체(20)에 고정하는 리벳(40)의 선단을 가압 변형시킬 때, 단자부 본체(20)로부터 돌출시키는 부분을 약간 길게 함으로써, 리벳(40)의 선단을 단자부 본체(20)의 회전 방지 돌기부(42)로서 이용하고 있다. 따라서, 단자부 본체(20)의 회전 방지용으로, 다른 돌기를 형성하는 경우와 비교하여, 부품 개수를 저감시킬 수 있어, 비용 저감에 이바지한다.

B. 제2 실시 형태:

도 8은, 제2 실시 형태의 집전판(160FA)의 단자부를 확대하여 비스듬히 본 부분 확대도이다. 도 8에서는, 전단부측에 배치되는 집전판(160FA)을 도시하고 있다. 도 9는, 단자부(163FA)의 도 8에 있어서의 A에서 본 모습을 도시하는 개략 측면도이다. 제2 실시 형태의 집전판(160FA)은, 단자부(163FA)의 구성이 제1 실시 형태의 단자부(163F)와 다르지만, 그 밖의 구성은 동일하므로, 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 집전판(160FA)은, 집전부(161F)와, 단자부(163FA)를 구비한다. 도 7, 도 8에 나타내는 바와 같이, 단자부(163FA)는, 단자부 본체(20)와, 볼트(34)와, 돌기부(26)와, 너트(60)를 구비한다. 본 실시 형태의 집전판(160FA)에서는, 제1 실시 형태와 달리, 볼트(34)가 단자부 본체(20)에, 직접, 프로젝션 용접에 의해 접합되어 있다. 돌기부(26)는, 알루미늄에 의해 대략 원기둥 형상으로 형성되고, 단자부 본체(20)의 면에 있어서, 볼트(34)의 축부(342)가 돌출되는 면에, 프로젝션 용접에 의해 접합되어 있다. 돌기부(26)는, 제1 실시 형태에 있어서의 돌기부(42)에 대응하는 위치에 형성되어 있다. 후단부측의 집전판에 있어서도, 단자부를 마찬가지의 구성으로 할 수 있다.

본 실시 형태의 집전판(160FA)의 단자부(163FA)는, 수나사가 깎인 축부(342)와, 축부(342)와 동일한 면에 돌기부(26)를 구비한다. 그로 인해, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 너트(60)를 조여 버스 바(50)를 고정하는 경우에, 단자부 본체(20)에 너트(60)의 조임에 수반되는 과대 토크가 작용해도, 돌기부(26)가 버스 바(50)에 접촉하여, 단자부 본체(20)의 회전(변형)이 억제된다. 본 실시 형태의 집전판(160FA)을 사용한 연료 전지 스택을 사용하여 연료 전지 시스템을 구성하면, 단자부 본체(20)와 버스 바(50)의 접촉 불량에 의한 도전 저항의 증대가 억제되어, 연료 전지 스택이 발전한 전력의 취출 효율의 저하를 억제할 수 있다.

C. 변형예:

또한, 본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 형태에 있어서 실시하는 것이 가능하다. 예를 들어, 발명의 내용의 란에 기재한 각 형태 중의 기술적 특징에 대응하는 실시 형태의 기술적 특징은, 상술한 과제의 일부 또는 전부를 해결하기 위해, 혹은 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해, 적절하게 바꾸거나, 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절하게 삭제하는 것이 가능하다. 예를 들어, 다음과 같은 변형도 가능하다.

(1) 상기 실시 형태에 있어서, 볼트(34)를 사용하여 단자부(163)에 수나사부를 형성하는 예를 나타냈지만, 수나사부의 형성 방법은 상기 실시 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 수나사가 깎인 막대를, 단자부 본체(20)에 용접 등에 의해 접합해도 된다. 또한, 상기 실시 형태에 있어서, 단자부 본체(20)는 집전부(161)를 구성하는 알루미늄제의 금속판과 일체적으로 형성되는 예를 나타냈지만, 각각을 별체로서 구성하여, 접합해도 된다. 단자부 본체(20)는, 집전부(161)와 전기적으로 접속되어 있으면 된다. 단자부 본체(20)와 수나사부를 주조에 의해 일체적으로 형성해도 된다.

(2) 상기 실시 형태에 있어서, 돌기부는, 버스 바(50)에 대해 너트(60)를 조일 때의 너트(60)의 회전 방향 후방측이며, 축부(342)에 대해, 버스 바(50)의 길이 방향 내측에 배치되는 예를 나타냈지만, 돌기부의 배치는 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 버스 바(50)와 접촉함으로써, 너트(60)의 조임 토크에 의한 단자부 본체(20)의 회전을 억제 가능한 위치에 배치되면 된다. 예를 들어, 버스 바(50)에 대해, 너트(60)를 조일 때의 너트(60)의 회전 방향 후방측이면 되고, 축부(342)에 대해, 버스 바(50)의 길이 방향 외측에 배치되어도 된다. 또한, 돌기부의 형상은, 상기 실시 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 단자부 본체(20)의 단부를 절곡하여 돌기부를 형성해도 된다. 돌기부를, 압출(타출)에 의해 형성해도 된다.

(3) 집전판을 형성하는 재료는, 상기 실시 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 알루미늄 대신에, 금, 은, 구리 등의 금속을 사용해도 된다. 저비용화와 경량화의 관점에서, 알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 티타늄 대신에, 내식성이 높은 다른 금속을 사용해도 된다. 또한, 상기 실시 형태에서는, 2종, 3매의 금속판을 적층한 구성의 금속판을 예시하였지만, 이것에 한정되지 않고, 1종의 금속판으로, 집전판의 집전부를 구성해도 된다. 또한, 3종류 이상의 금속판을 복수매 적층한 구성으로 해도 된다.

(4) 단자부(163)의 형상은, 상기 실시 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 변형예 1, 2와 같은 형상으로 해도 된다. 도 10은, 변형예 1의 단자부(163A)를 도시하는 개략 사시도, 도 11은 변형예 2의 단자부(163B)를 도시하는 개략 사시도이다. 변형예 1의 단자부(163A)는 집전부(161)의 판면과 평행(xy 평면)하게 설치되어 있다. 변형예 2의, 단자부(163B)는 집전부(161)의 판면과 대략 직각으로 적층 방향(z축 방향)으로 굴곡되어 설치되어 있다. 단자부(163)의 형상은, 연료 전지 스택의 설치 스페이스 등에 따라서 적절하게 설계하면 된다.

(5) 상기 실시 형태에 있어서, 볼트(수나사)가 단자부 본체(20)에 고정되는 예를 나타냈지만, 너트(암나사)가 단자부 본체(20)에 고정되는 구성으로 해도 된다. 이와 같이 해도, 볼트의 회전에 수반되는 과대 토크가 단자부 본체(20)에 작용한 경우에, 단자부 본체(20)의 회전(변형)이 억제된다.

10 : 연료 전지 스택
12 : 적층체
20 : 단자부 본체
22 : 관통 구멍
24 : 관통 구멍
26 : 돌기부
30 : 수나사 유닛
32 : 받침대
34 : 볼트
40 : 리벳
42 : 돌기부
50 : 버스 바
52 : 관통 구멍
54 : 관통 구멍
56 : 볼트
60 : 너트
100 : 연료 전지
102IN : 연료 가스 공급 구멍
102OT : 연료 가스 배출 구멍
104IN : 산화제 가스 공급 구멍
104OT : 산화제 가스 배출 구멍
106IN : 냉각수 공급 구멍
106OT : 냉각수 배출 구멍
120 : 애노드측 세퍼레이터
130 : 캐소드측 세퍼레이터
160, 160E, 160F, 160FA : 집전판
161, 161E, 161F : 집전부
162IN : 연료 가스 공급 구멍
162OT : 연료 가스 배출 구멍
163, 163E, 163F, 163FA : 단자부
164IN : 산화제 가스 공급 구멍
164OT : 산화제 가스 배출 구멍
165E, 165F : 절연판
166IN : 냉각수 공급 구멍
166OT : 냉각수 배출 구멍
170E, 170F : 엔드 플레이트
172IN : 연료 가스 공급 구멍
172OT : 연료 가스 배출 구멍
174IN : 산화제 가스 공급 구멍
174OT : 산화제 가스 배출 구멍
176IN : 냉각수 공급 구멍
176OT : 냉각수 배출 구멍
210 : 릴레이
220 : 연료 전지 스택 케이스
230 : DC/DC 컨버터
240 : 인버터
250 : 외부 부하
310 : 연료 가스 공급계
320 : 애노드 배기 가스 배출계
322 : 관통 구멍
330 : 산화제 가스 공급계
340 : 캐소드 배기 가스 배출계
342 : 축부
350 : 냉각수 순환계
500 : 연료 전지 시스템

Claims

연료 전지가 발전한 전력을 집전하는 집전부와, 상기 집전부에서 집전한 전력을 출력하기 위한 단자부이며, 버스 바가 장착되는 단자부를 구비하는 연료 전지용 집전판이며,
상기 단자부는,
상기 집전부와 전기적으로 접속된 단자부 본체와,
상기 단자부 본체에 고정된 제1 나사부와,
상기 제1 나사부에 나사 결합되어 상기 버스 바의 일단부를 상기 단자부에 고정하는 제2 나사부와,
상기 단자부 본체의 상기 제1 나사부가 설치된 면과 동일한 면에 설치되는 돌기부를 구비하고,
상기 돌기부는,
상기 버스 바의 타단부가 상기 연료 전지용 집전판이 아닌 기기에 고정된 상태에서 상기 버스 바의 상기 일단부를 상기 단자부에 고정하는 경우에, 상기 돌기부가 상기 버스 바에 접촉함으로써 상기 제2 나사부의 조임에 수반되는 상기 단자부 본체의 회전을 억제하는 위치에 배치되어 있는, 집전판.
제1항에 있어서,
상기 돌기부는,
상기 버스 바의 상기 일단부가 상기 단자부에 고정되고, 상기 버스 바의 상기 타단부가 상기 기기에 고정된 경우에, 상기 제1 나사부의 중심에 대해, 상기 버스 바의 길이 방향 내측이며, 상기 단자부 본체의 선단측에 배치되는, 집전판.
제1항 또는 제2항에 있어서,
받침대에 상기 제1 나사부가 형성된 나사 유닛과,
상기 받침대를 상기 단자부 본체에 장착하는 장착 부재를 구비하고,
상기 돌기부는,
상기 장착 부재에 의해 형성되는, 집전판.
제3항에 있어서,
상기 장착 부재는, 리벳인, 집전판.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 나사부는, 볼트에 의해 형성되고,
상기 제2 나사부는, 너트에 의해 형성되는, 집전판.
연료 전지 스택이며,
복수의 연료 전지를 적층한 적층체와,
제1항 또는 제2항에 기재된 집전판을 구비하는, 연료 전지 스택.
연료 전지 시스템이며,
제6항에 기재된 연료 전지 스택과,
상기 일단부가 상기 연료 전지 스택의 상기 집전판에 고정되는 상기 버스 바와,
상기 버스 바의 상기 타단부에 고정되는 상기 기기를 구비하는, 연료 전지 시스템.
제7항에 기재된 연료 전지 시스템의 제조 방법이며,
(A) 상기 연료 전지 스택을 미리 정해진 위치에 배치하는 공정과,
(B) 상기 기기를 미리 정해진 위치에 고정하는 공정과,
(C) 상기 버스 바를 상기 고정된 상기 기기에 고정하는 공정과,
(D) 상기 기기에 고정된 상기 버스 바를, 상기 연료 전지 스택의 상기 집전판의 상기 단자부에 고정하는 공정을 구비하고, 상기 기기는 상기 집전판이 아닌, 연료 전지 시스템의 제조 방법.