KR101868670B1 - 연료 전지용 엔드 플레이트, 연료 전지 및 연료 전지 시스템 - Google Patents

연료 전지용 엔드 플레이트, 연료 전지 및 연료 전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 연료 전지용 엔드 플레이트는, 연료 전지를 구비하는 연료 전지 시스템에 포함되는 발열 기기가 접촉하도록 설정된 발열 기기 접촉 영역(175)을 구비하는 제1 면(17)과, 상기 제1 면(17)의 이측의 면이며, 냉매가 유통하는 냉매 유로(177)와, 상기 냉매 유로(177) 내에 형성되는 적어도 하나의 유로 내 리브부(179)를 구비하는 제2 면(18)을 구비한다.

Description

연료 전지용 엔드 플레이트, 연료 전지 및 연료 전지 시스템{END PLATE FOR FUEL CELL, FUEL CELL, AND FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료 전지용 엔드 플레이트, 연료 전지 및 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
단위 전지(이하, 단셀이라고도 칭함)를 복수 적층한 적층체의 일단부에 엔드 플레이트를 구비하는 연료 전지가 알려져 있다. 연료 전지에 반응 가스나 냉매 등의 유체를 공급하기 위한 펌프는, 작동 시에 발열한다. 펌프는, 고온이 되면 효율이 떨어지기 때문에, 예를 들어 일본 특허 공개 제2011-021568에서는, 공기를 압축하여 연료 전지에 공급하는 압축 펌프를, 전열 부재를 개재하여 금속제의 엔드 플레이트에 접촉시켜, 압축 펌프의 열을 엔드 플레이트에 전달시켜서 방열시키는 기술이 제안되어 있다.
상기와 같은 연료 전지와 펌프를 구비하는 연료 전지 시스템에 있어서, 시스템의 소형화 요청에 따라, 펌프의 소형화가 검토되고 있다. 펌프의 소형화에 수반하여 펌프로부터의 발생 열량이 증가하기 때문에, 일본 특허 공개 제2011-021568호에 기재된 구성에서는, 방열량이 부족하고, 펌프를 충분히 강온시킬 수 없을 우려가 있었다.
(1) 본 발명의 일 형태에 의하면, 연료 전지용 엔드 플레이트가 제공된다. 이 엔드 플레이트는, 복수의 단위 전지를 적층한 적층체를 구비하는 연료 전지에 있어서, 상기 적층체의 적층 방향의 적어도 일단부측에 배치되는 연료 전지용 엔드 플레이트이다. 이 엔드 플레이트는, 상기 연료 전지를 구비하는 연료 전지 시스템에 포함되는 발열 기기가 접촉하도록 설정된 발열 기기 접촉 영역을 구비하는 제1 면과, 상기 제1 면의 이측의 면이며, 냉매가 유통하는 냉매 유로와, 상기 냉매 유로 내에 형성되는 적어도 하나의 유로 내 리브부를 구비하는 제2 면을 구비하고 있다.
이 형태의 엔드 플레이트에 의하면, 발열 기기가 접촉하도록 설정된 발열 기기 접촉 영역을 구비하는 면의 이측 면을 냉매가 유통하기 때문에, 발열 기기로부터 엔드 플레이트에 전달된 열을, 냉매에 의해 방열시킬 수 있다. 또한, 냉매가 유통하는 냉매 유로 내에 적어도 하나의 유로 내 리브를 구비하기 때문에, 유로 내 리브부를 구비하지 않는 경우와 비교하여, 엔드 플레이트에 있어서의 냉매와의 접촉 면적이 증가하기 때문에, 발열 기기로부터 엔드 플레이트에 전달된 열을, 냉매로 효율적으로 방열시킬 수 있다. 그로 인해, 발열 기기의 온도를 효율적으로 강하시킬 수 있다.
(2) 상기 형태의 엔드 플레이트에 있어서, 상기 제1 면은, 상기 발열 기기 접촉 영역의 주위에 적어도 하나의 플레이트 리브부를 구비해도 된다. 이렇게 하면, 플레이트 리브부를 구비하지 않는 경우와 비교하여, 엔드 플레이트에 있어서의 주변 공기(대기)와의 접촉 면적이 증가한다. 그로 인해, 발열 기기가 엔드 플레이트에 접촉하여 배치된 경우에, 발열 기기로부터 엔드 플레이트에 전달된 열을, 주변 공기 중에 효율적으로 방열시킬 수 있다.
(3) 상기 형태의 엔드 플레이트에 있어서, 상기 냉매 유로는, 상기 제2 면에 있어서, 상기 발열 기기 접촉 영역에 대응하는 영역의 적어도 일부를 포함해도 된다. 이렇게 하면, 발열 기기가 발열 기기 접촉 영역에 접촉하여 배치되었을 경우에, 발열 기기로부터 엔드 플레이트에 전달된 열을, 냉매에 의해, 더 효율적으로 방열시킬 수 있다.
(4) 상기 형태의 엔드 플레이트에 있어서, 상기 발열 기기는, 상기 연료 전지에 연료를 공급하는 연료 펌프여도 된다. 연료 펌프의 소형화에 수반하여, 연료 펌프로부터의 발생 열량이 증가한다. 이렇게 하면, 연료 펌프가 발생하는 열을 효율적으로 방열시킬 수 있기 때문에, 연료 펌프의 온도를 강하시켜, 연료 펌프의 효율 저하를 억제할 수 있다.
(5) 본 발명의 다른 형태에 의하면, 연료 전지가 제공된다. 이 연료 전지는, 복수의 단위 전지를 적층한 적층체와, 상기 형태의 엔드 플레이트를 구비해도 된다. 이렇게 하면, 연료 전지의 엔드 플레이트에 발열 기기를 접촉시켜서 배치함으로써, 발열 기기의 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있다.
(6) 본 발명의 다른 형태에 의하면, 연료 전지 시스템이 제공된다. 이 연료 전지 시스템은, 상기 형태의 연료 전지와, 상기 발열 기기를 구비하는 연료 전지 시스템이며, 상기 발열 기기는, 상기 엔드 플레이트의 상기 발열 기기 접촉 영역에 접촉하고 있어도 된다. 이렇게 하면, 발열 기기의 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있다.
또한, 본 발명은 다양한 형태로 실현하는 것이 가능하다. 예를 들어, 연료 전지 시스템을 탑재한 이동체 등의 형태로 실현할 수 있다.
본 발명의 특징, 이점 및 예시적인 실시예들의 기술 및 산업의 중요성을, 동일한 구성 요소에 대하여 동일한 부호를 부여하는 이하의 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 시스템의 개략 구성을 설명하기 위한 설명도.
도 2는 연료 전지 시스템의 개략 구성을 도시하는 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태로서의 전단부측 엔드 플레이트의 개략 구성을 도시하는 평면도(펌프면).
도 4는 전단부측 엔드 플레이트의 일부를 단면에서 보아 도시하는 부분 단면도.
도 5는 전단부측 엔드 플레이트의 개략 구성을 도시하는 평면도(냉각면).
도 6은 전단부측 엔드 플레이트의 일부를 단면에서 보아 도시하는 부분 단면도.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태로서의 연료 전지 시스템의 개략 구성을 설명하기 위한 설명도이다. 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지(200)와, 연료 가스로서의 수소를 급배하는 수소 급배계(30)와, 산화제 가스로서의 공기를 급배하는 공기 급배계(40)와, 연료 전지(200)를 냉각하는 냉각계(50)와, 연료 전지 시스템(10)을 제어하는 제어부(60)를 주로 구비한다.
연료 전지(200)는, 비교적 소형이며 발전 효율이 우수한 고체 고분자형 연료 전지이고, 연료 가스로서의 순수소와, 산화제 가스로서의 공기 중의 산소가, 각 전극에 있어서 전기 화학 반응을 일으키는 것에 의해 기전력을 얻는 것이다. 연료 전지(200)는, 단위 전지(도시하지 않음)를 복수 적층하여 이루어지는 스택 구조를 이루고, 그 적층수는, 연료 전지(200)에 요구되는 출력에 따라서 임의로 설정 가능하다.
수소 급배계(30)에서는, 고압 수소가 저장된 수소 탱크(31)로부터 수소가 방출되고, 인젝터(32)에 의해 유량이 제어되며, 배관(33)을 통하여, 연료 전지(200)의 애노드에 수소가 공급된다. 애노드 배기 가스는, 배관(34)에 도입되어, 기액 분리기(도시하지 않음)에 있어서 수분이 분리된 후, 배관(37)을 통하여 배관(33)에 복귀된다. 기액 분리기에 의해 분리된 애노드 배기 가스 중의 수분은, 배관(35)을 통하여 대기 중에 배출된다. 배관(35) 상에는, 셧 밸브(39)가 설치되어 있고, 애노드 배기 가스 중의 수분은, 셧 밸브(39)가 개방되었을 때 배출된다. 배관(37) 상에는, 수소 펌프(140)가 설치되어 있고, 상기한 애노드 배기 가스 중의 수소의 순환류 양을 조정한다.
공기 급배계(40)에서는, 공기 압축기(44)에 의해 압축된 압축 공기가, 배관(41)을 통하여, 연료 전지(200)의 캐소드에 공급된다. 캐소드 배기 가스는 배관(42)을 통하여, 대기 중에 방출된다. 배관(41) 상에는, 공기 압축기(44)의 상류측에 에어플로우미터(43)가 설치되어 있고, 공기 압축기(44)가 도입하는 외기의 양을 계측하고 있다. 공기 압축기(44)에 의한 공기의 공급량은, 에어플로우미터(43)에 의한 계측값에 기초하여 제어되고 있다. 배관(42) 상에는, 압력계(도시하지 않음)와 압력 조절 밸브(46)가 설치되어 있고, 압력계에 의한 캐소드 배기 가스의 압력 계측값에 기초하여, 압력 조절 밸브(46)의 개방도가 조정된다.
냉각계(50)는 배관(51)과, 냉각수 펌프(53)와, 라디에이터(54)를 주로 구비한다. 냉각수는, 냉각수 펌프(53)에 의해, 배관(51)을 흘러, 연료 전지(200) 내를 순환하여 연료 전지(200)를 냉각한 후, 라디에이터(54)에 의해 냉각되고, 다시, 연료 전지(200)에 공급된다.
제어부(60)는 중앙 처리 장치와 주기억 장치를 구비하는 마이크로 컴퓨터에 의해 구성되어 있다. 제어부(60)는, 외부 부하(84)로부터의 출력 전력의 요구를 접수하고, 그 요구에 따라, 상술한 연료 전지 시스템(10)의 각 구성부 및 PCU(Power Control Unit: 파워 컨트롤 유닛)(82)를 제어하여, 연료 전지(200)에 발전시킨다. 상기 구성 이외에, 압력계, 온도계, 전류계, 전압계 등을 구비해도 된다.
도 2는 연료 전지 시스템의 일부의 개략 구성을 도시하는 분해 사시도이다. 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태의 연료 전지 시스템(10)은, 연료 전지(200)와, 수소 펌프(140)와, 3개의 텐션 샤프트(131, 132, 133)[3개의 텐션 샤프트를 통합하여 텐션 샤프트(130)라고도 칭함]와, 연료 전지 케이스(120)와, 케이스 덮개부(180)를 구비한다. 이하의 설명에 있어서, 도 2에 있어서의 z축 플러스 방향을 앞, z축 마이너스 방향을 뒤, y축 플러스 방향을 위, y축 마이너스 방향을 아래라고 표현한다. 실시 형태에 있어서의 수소 펌프(140)가, 본 발명에 있어서의 연료 펌프 및 발열 기기에 상당한다.
연료 전지(200)는, 단위 전지(100)가 복수 z축 방향(이하, 「적층 방향」이라고도 칭함)으로 적층된 적층체(110)의 전방측에 집전판(160F), 전단부측 엔드 플레이트(170F)가, 그 순서대로 적층되고, 적층체(110)의 후방측에, 집전판(160E), 절연판(165E), 후단부측 엔드 플레이트(170E)가, 그 순서대로 적층된 적층 구조를 이룬다. 이하의 설명에 있어서, 전단부측의 전단부측 엔드 플레이트(170F)를 제외한, 집전판(160F), 적층체(110), 집전판(160E), 절연판(165E), 후단부측 엔드 플레이트(170E)가, 그 순서대로 적층된 부분을, 연료 전지 본체(115)라고도 칭한다. 또한, 집전판(160F, 160E)을 구별할 필요가 없을 경우에는, 집전판(160)이라고 칭한다. 실시 형태에 있어서의 전단부측 엔드 플레이트(170F)가, 본 발명에 있어서의 엔드 플레이트에 상당한다.
단위 전지(100)는, 애노드측 세퍼레이터(도시하지 않음)와 캐소드측 세퍼레이터(도시하지 않음)와 시일 부재 일체형 MEA(Membrane Electrode Assembly: 막전극 접합체)(도시하지 않음)를 구비한다. 단위 전지(100)는, 그 주연에 연료 가스 공급 구멍, 애노드 배기 가스 배출 구멍, 6개의 산화제 가스 공급 구멍, 7개의 캐소드 배기 가스 배출 구멍, 3개의 냉각수 공급 구멍, 및 3개의 냉각수 배출 구멍을 구비한다. 이하, 이들 공급 구멍 및 배출 구멍을 통합하여, 「급배 구멍」이라고도 칭한다. 이들 급배 구멍은, 집전판(160F) 및 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 있어서의 각 급배 구멍(후술함)과 연결된다. 단위 전지(100)를 복수 적층하여, 연료 전지(200)를 구성하면, 이들 급배 구멍에 의해, 각 단위 전지(100)에 연료 가스로서의 수소, 산화제 가스로서의 공기 및 냉각수를 공급하는 매니폴드나, 각 단위 전지(100)로부터 애노드 배기 가스, 캐소드 배기 가스 및 냉각수를 배출시키는 매니폴드가 형성된다. 또한, 상술한 급배 구멍의 주위에는, 도시하지 않는 시일부가 형성되어 있고, 시일부에 의해, 단위 전지(100)가 적층되었을 때의 세퍼레이터 사이 및 세퍼레이터와 집전판(160) 사이에 있어서의 매니폴드의 시일성이 확보되어 있다.
전단부측의 집전판(160F) 및 후단부측의 집전판(160E)은, 각 단위 전지(100)의 발전 전력을 집전하고, 집전 단자(161)를 통하여 외부로 출력한다. 전단부측의 집전판(160F)은, 그 주연에, 단위 전지(100)와 마찬가지의 급배 구멍을 구비한다. 후단부측의 집전판(160E)은, 이들 급배 구멍을 구비하지 않는다. 절연판(165E)은, 절연성의 수지판, 후단부측 엔드 플레이트(170E)는, 알루미늄제의 금속판이다. 절연판(165E)과 후단부측 엔드 플레이트(170E)는, 집전판(160E)과 마찬가지로, 상술한 단위 전지(100)가 구비하는 급배 구멍에 상당하는 급배 구멍을 구비하지 않는다. 이것은, 반응 가스(수소, 공기) 및 냉각수를 전단부측의 전단부측 엔드 플레이트(170F)로부터 각각의 단위 전지(100)에 대하여 공급 매니폴드를 통하여 공급하면서, 각각의 단위 전지(100)로부터의 배출 가스 및 배출수를 전단부측의 전단부측 엔드 플레이트(170F)로부터 외부에 대하여 배출 매니폴드를 통하여 배출하는 타입의 연료 전지임에 의한 것이다. 단, 이것에 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 전단부측의 전단부측 엔드 플레이트(170F)로부터 반응 가스 및 냉각수를 공급하고, 후단부측의 후단부측 엔드 플레이트(170E)로부터 배출 가스 및 배출수가 외부로 배출되는 타입 등의 다양한 타입으로 할 수 있다.
연료 전지 케이스(120)는, 도시하는 바와 같이, 전방측이 개구되어 있고, 후방측은 케이스 단부면(도시하지 않음)에 의해 폐색되어 있다. 연료 전지 본체(115)는, 연료 전지 케이스(120) 내에 수용되고, 전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 연료 전지 케이스(120)의 전방측 개구를 폐색하는 상태로, 볼트로 고정된다. 이 상태에서, 전단부측 엔드 플레이트(170F), 집전판(160F), 적층체(110), 집전판(160E), 절연판(165E), 후단부측 엔드 플레이트(170E)가, 그 순서대로 적층된 연료 전지(200)가 구성된다.
연료 전지 본체(115)의 하측(도 2에 있어서의 y축 마이너스 방향)에는, 텐션 샤프트(130)가 배치되고, 연료 전지 본체(115)에 의한 하중을 받고 있다. 텐션 샤프트(130)는, 전방측이 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 접속되고, 후방측이 케이스 단부면에 접속되어 있다. 연료 전지 케이스(120)의 하측은, 개구되어 있고, 내부에 연료 전지 본체(115)가 수용된 상태로, 케이스 덮개부(180)에 의해 폐색된다.
연료 전지 케이스(120)의 후방측의 케이스 단부면에는, 프레스용 관통 구멍(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 연료 전지 케이스(120)의 외부로부터, 상술한 프레스용 관통 구멍을 통하여, 프레스 샤프트(도시하지 않음)에 의해, 연료 전지(200)의 적층 방향의 가압력이, 후단부측 엔드 플레이트(170E)에 가해지고, 하중 조정 나사(도시하지 않음)로, 후단부측 엔드 플레이트(170E)가 가압된 상태로 고정됨으로써, 연료 전지(200)에 대하여 적층 방향의 가압력이 가해진다. 전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 상술한 적층 방향의 가압력을 받고 있고, 이에 의해, 연료 전지(200)의 각 구성 부재의 적층 상태가 유지됨과 함께, 각 구성 부재 사이의 접촉 상태가 양호하게 유지된다.
수소 펌프(140)는, 상술한 바와 같이, 연료 전지(200)로부터 배출된 애노드 배기 가스 중의 수소의 순환류 양을 조정하여, 연료 전지(200)에 공급한다. 수소 펌프(140)는, 외형이 대략 원기둥 형상을 이루는 펌프 본체(142)와, 대략 평판 형상을 이루는 고정판(144)을 구비한다. 고정판(144)을, 볼트(도시하지 않음)로 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 고정함으로써, 수소 펌프(140)가 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 고정된다. 수소 펌프(140)의 고정판(144)과 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 사이에는, 전열 시트(도시하지 않음)가 개재되어 있고, 수소 펌프(140)에서 발생된 열은 전열 시트를 통하여 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 전달된다. 또한, 전열 시트를 개재시키지 않는 구성으로 해도 된다.
전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 수소 펌프(140)가 고정되는 펌프면과, 그 이측의 면이며, 후술하는 냉각수 유로가 형성되는 냉각면을 구비한다. 먼저, 펌프면에 대해서, 도 3, 도 4에 기초하여 설명한다. 도 3은, 본 발명의 일 실시 형태로서의 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 개략 구성을 도시하는 평면도(펌프면)이다. 상술한 바와 같이, 전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 집전판(160F)을 개재하여, 적층체(110)의 전단부측에 배치된다. 도 3에서는, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 적층체(110)의 위치 관계를 나타내기 위해, 적층체(110)가 배치되는 위치를, 배치 프레임 M으로서 일점쇄선으로 나타내고 있다. 도 4는 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 일부를 단면에서 보아 도시하는 부분 단면도이다. 도 4에서는, 도 3에 있어서의 IV-IV 단면을 모식적으로 도시하고 있다.
전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 연료 전지 케이스(120)의 전방측 개구(도 2)와 거의 동일한 외주 형상을 이룬다. 전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 배치 프레임 M 내의 주연 근방에, 연료 가스 공급 구멍(172IN), 애노드 배기 가스 배출 구멍(172OT), 산화제 가스 공급 구멍(174IN), 캐소드 배기 가스 배출 구멍(174OT), 냉각수 공급 구멍(176IN), 냉각수 배출 구멍(176OT)이 형성되어 있다. 전단부측 엔드 플레이트(170F)가, 집전판(160F)을 개재하여 적층체(110)의 전단부측에 적층되었을 경우에, 각 급배 구멍이, 적층체(110)에 형성된 각 매니폴드와 연통된다.
전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 펌프면(17)에, 수소 펌프(140)가 접촉하는 펌프 접촉 영역(175)[다시 말해, 수소 펌프(140)가 접촉하도록 설정된 펌프 접촉 영역(175)]을 구비한다. 펌프 접촉 영역(175)에는, 수소 펌프(140)의 고정판(144)(도 2)이 배치된다. 또한, 전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 펌프 접촉 영역(175)의 상측(y축 플러스 방향)에 배치되는 상측 플레이트 리브부(171U)와, 펌프 접촉 영역(175)의 하측(y축 마이너스 방향)에 배치되는 하측 플레이트 리브부(171D)를 구비한다. 상측 플레이트 리브부(171U)는, 상하 방향으로 y축에 평행하게 연장된 직선 형상의 리브이며, 도 4에 도시하는 바와 같이, 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 플레이트 면에 대하여, 5개의 오목부를 형성함으로써 4개의 상측 플레이트 리브부(171U)가 형성되어 있다. 하측 플레이트 리브부(171D)의 형상은, 상측 플레이트 리브부(171U)와 마찬가지이다. 이후, 상측 플레이트 리브부(171U)와 하측 플레이트 리브부(171D)를 구별할 필요가 없을 때에는, 아울러, 플레이트 리브부(171)라고 칭한다. 또한, 도 2에서는, 플레이트 리브부(171)의 도시를 생략하고 있다. 본 실시 형태에 있어서의 펌프면(17)이, 본 발명에 있어서의 제1 면에 상당하고, 펌프 접촉 영역(175)이, 본 발명에 있어서의 발열 기기 접촉 영역에 상당하며, 플레이트 리브부(171)가, 본 발명에 있어서의 플레이트 리브부에 상당한다.
전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 주연 근방에, 볼트(178)가 삽입 관통되는 관통 구멍(190)(도 5에 도시)이 형성되어 있고, 상술한 바와 같이, 연료 전지 케이스(120)의 개구를 폐색한 상태에서, 볼트(178)에 의해 연료 전지 케이스(120)에 고정되어 있다. 도 3에서는, 볼트(178)를 파선으로 도시하고 있다.
이어서, 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 냉각면에 대해서, 도 5, 도 6에 기초하여 설명한다. 도 5는, 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 개략 구성을 도시하는 평면도(냉각면)이다. 도 6은, 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 일부를 단면에서 보아 도시하는 부분 단면도이다. 도 6에서는, 도 5에 있어서의 VI-VI 단면을 모식적으로 도시하고 있다. 전단부측 엔드 플레이트(170F)를, 집전판(160F)을 개재하여 적층체(110)의 전단부측에 적층하면, 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 냉각면(18)이 집전판(160F)과 접촉한다.
전단부측 엔드 플레이트(170F)의 냉각면(18)은, 냉각수가 유통하는 냉각수 유로(177)와, 냉각수 유로(177) 내에 형성되는 유로 내 리브부(179)를 구비한다. 도 5, 도 6에 도시하는 바와 같이, 냉각수 유로(177)는, 냉각수 공급 구멍(176IN)과 냉각수 배출 구멍(176OT)을 연결하도록 오목 형상으로 형성된다. 또한, 냉각수 유로(177)는, 펌프면(17)의 펌프 접촉 영역(175)에 대응하는 영역[도 5에 있어서, 대응 영역(175T)로서, 파선으로 도시함] 전체를 포함한다. 유로 내 리브부(179)는, x축에 평행하게 연장되는 직선 형상을 이루는 리브이며(도 5), 전단부측 엔드 플레이트(170F)를 집전판(160F)에 적층하면, 집전판(160F)에 접촉한다. 냉각수는, 배관(51)(도 1)으로부터 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 냉각수 공급 구멍(176IN)을 통하여 냉각수 유로(177)에 유입하고, 냉각수 배출 구멍(176OT)을 통하여 배관(51)으로 복귀된다.
전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 알루미늄을 사용하여 고압 주조에 의해 제조된 알루미늄 다이캐스트부(17M)와, 절연성의 수지를 알루미늄 다이캐스트부(17M)의 냉각면(18)측에 코팅하여 형성된 수지부(18M)를 구비한다. 도 4, 도 5에 도시하는 바와 같이, 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 펌프면(17)은, 알루미늄 다이캐스트부(17M)의 면이고, 냉각면(18)은 수지부(18M)의 면이다. 본 실시 형태에 있어서, 절연성의 수지로서는, 폴리프로필렌(PP)을 사용하였다. 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 냉각면(18)을 집전판(160F)에 접촉시켜서 배치하면, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 연료 전지 본체(115)는, 전기적으로 절연된다. 또한, 알루미늄 대신에, 티타늄, 스테인리스 강, 그것들의 합금, 알루미늄과 그것들의 합금 등을 사용해도 된다. 또한, 폴리프로필렌(PP) 대신에, 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS) 등을 사용해도 된다. 본 실시 형태에 있어서의 냉각면(18)이, 본 발명에 있어서의 제2 면에 상당하고, 냉각수 유로(177)가, 본 발명에 있어서의 냉매 유로에 상당하며, 유로 내 리브부(179)가, 본 발명에 있어서의 유로 내 리브부에 상당한다.
실시 형태의 연료 전지 시스템(10)에 있어서, 수소 펌프(140)는 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 전열 시트를 개재하여 고정되어 있다. 수소 펌프(140)가 구비하는 고정판(144)의 면 전체가 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 전열 시트를 개재하여 접촉되기 때문에, 수소 펌프(140)의 운전에 수반하여 발생한 열은, 효율적으로 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 전달된다. 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 냉각면(18)에는, 냉각수 유로(177)가 형성되어 있고, 냉각수 유로(177)는 펌프면(17)에 있어서 수소 펌프(140)가 접촉하는 펌프 접촉 영역(175)에 대응하는 대응 영역(175T)의 전체를 포함한다. 연료 전지 시스템(10)에 있어서, 연료 전지(200)에 냉각수를 공급하고, 냉각수 유로(177)를 냉각수가 유통하면, 냉각수에 의해 전단부측 엔드 플레이트(170F)가 냉각된다. 그러면, 열평형에 의해, 수소 펌프(140)의 운전에 수반하여 발생한 열이, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 전달되어[다시 말해, 수소 펌프(140)의 열이 방열되어], 수소 펌프(140)의 온도가 강하된다.
또한, 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 냉각면(18)은, 냉각수 유로(177) 내에 유로 내 리브부(179)를 구비한다. 유로 내 리브부(179)를 구비하지 않는 경우와 비교하여, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 있어서의 냉각수와의 접촉 면적이 증가하기 때문에, 수소 펌프(140)로부터 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 전달된 열을, 냉각수로 효율적으로 방열시킬 수 있다.
또한, 전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 펌프면(17)의 펌프 접촉 영역(175)의 주위에, 플레이트 리브부(171)를 구비한다. 플레이트 리브부(171)를 구비하지 않는 경우와 비교하여, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 있어서의 주변 공기(대기)와의 접촉 면적이 증가하기 때문에, 수소 펌프(140)로부터 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 전달된 열을, 주변 공기 중에 효율적으로 방열시킬 수 있다. 이상의 결과, 수소 펌프를 효율적으로 강온시킬 수 있고, 수소 펌프(140)의 효율 저하를 억제할 수 있다.
전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 상술한 바와 같이, 연료 전지 케이스(120)에 볼트(178)로 고정되어 있다. 또한, 텐션 샤프트(130)는, 한쪽의 단부가 연료 전지 케이스(120)의 케이스 단부면(도시 생략)에 고정되고, 다른 쪽의 단부가 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 고정되어 있다. 연료 전지 케이스(120)의 상면 및 텐션 샤프트(130)는 강성이 있기 때문에, 연료 전지(200)의 적층 방향으로 가압력이 가해지면, 연료 전지(200)와 접촉하는 연료 전지 케이스(120)의 상면 및 텐션 샤프트로부터 y축 방향의 힘이 연료 전지(200)에 작용한다. 전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 연료 전지 케이스(120)의 상면 및 텐션 샤프트(130)와 접속되어 있기 때문에, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에는, 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 내측을 향해서 y축 방향의 힘이 작용한다. 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 있어서, 플레이트 리브부(171)는, y축에 평행한 직선 형상으로 형성되어 있기 때문에, x축에 평행한 리브를 형성하는 경우와 비교하여, 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 연료 전지 케이스(120)의 상면 및 텐션 샤프트(130)로부터 작용하는 힘에 대한 강도를 높일 수 있다. 즉, 플레이트 리브부(171)는, 방열 부재로서 기능함과 함께, 보강 부재로서도 기능한다.
또한, 본 발명은 상기의 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 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 위해서, 또는, 상술한 효과의 일부 또는 전부를 달성하기 위해서, 적절히 바꾸기나, 조합을 행하는 것이 가능하다. 또한, 그 기술적 특징이 본 명세서 중에 필수적인 것으로서 설명되어 있지 않으면, 적절히 삭제하는 것이 가능하다. 예를 들어 다음과 같은 변형도 가능하다.
(1) 상기 실시 형태에 있어서, 전단부측 엔드 플레이트(170F)가 플레이트 리브부(171)를 구비하는 구성을 예시했지만, 플레이트 리브부(171)를 구비하지 않는 구성으로 해도 된다. 플레이트 리브부(171)를 구비하지 않아도, 냉각수 유로(177) 및 유로 내 리브부(179)를 구비함으로써, 수소 펌프(140)가 발생하는 열을 효율적으로 방열시킬 수 있다.
(2) 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 형상은, 상기 실시 형태에 한정되지 않는다. 즉, 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 외주 형상, 각 급배 구멍의 형상, 배치, 냉각수 유로(177), 유로 내 리브부(179)의 형상 및 배치, 플레이트 리브부(171)의 형상 및 배치는, 상기 실시 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 냉각수 유로(177)는, 펌프 접촉 영역(175)과 대응하는 대응 영역(175T)의 전체를 포함하는 예를 나타냈지만, 대응 영역(175T)의 적어도 일부를 포함해도 되고, 대응 영역(175T)을 포함하지 않는 구성으로 해도 된다. 이와 같이 해도, 펌프 접촉 영역(175)을 구비하는 펌프면(17)의 이측 면을 냉각수가 흐르지 않는 경우와 비교하면, 수소 펌프(140)의 열을 효율적으로 방열시킬 수 있다. 유로 내 리브부(179)는, x축에 평행한 직선 형상으로 3개 형성된 예를 나타냈지만, 형상, 개수, 배치는 적절히 변경할 수 있다. 플레이트 리브부(171)의 형상은, 예를 들어 평면 형상이 x축에 평행한 직선 형상, 원환상, 크로스 형상, 원형상, 그것들의 조합 등이어도 되고, 펌프 접촉 영역(175)의 좌우(x축 방향)에 형성해도 된다.
(3) 전단부측 엔드 플레이트(170F)로서, 알루미늄 다이캐스트 제품의 한쪽 면을 절연성의 수지에 의해 코팅한 구성을 예시했지만, 상기 구성에 한정되지 않는다. 예를 들어, 절연성의 수지에 의해 코팅되지 않는[수지부(18M)를 구비하지 않는] 구성으로 해도 된다. 수지부(18M)를 구비하지 않는 경우에는, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 집전판(160F)의 사이에, 절연판을 구비하는 구성으로 해도 된다.
(4) 상기 실시 형태에 있어서, 수소 펌프(140)가 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 고정되는 예를 나타냈지만, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 고정되는 기기는 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 다양한 발열하는 기기를 고정해도 된다. 예를 들어, 공기를 압축하여 연료 전지(200)에 공급하는 압축 펌프(공기 압축기), 냉각수를 순환하기 위한 냉각수 펌프, 수소 탱크로부터 방출된 고압 수소의 압력을 조정하는 인젝터 등을, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 고정해도 된다.
(5) 상기 실시 형태에 있어서, 수소 펌프(140)가 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 고정되는 예를 나타냈지만, 후단부측 엔드 플레이트(170E)에 고정되는 구성으로 해도 된다. 수소 펌프(140)가 후단부측 엔드 플레이트(170E)에 고정되는 경우에는, 후단부측 엔드 플레이트(170E)가, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 마찬가지의 냉각수 유로, 유로 내 리브를 구비하는 구성으로 하면 된다. 또한, 예를 들어 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 수소 펌프(140)가 고정됨과 함께, 후단부측 엔드 플레이트(170E)에 공기 압축기가 고정되는 구성으로 해도 된다. 이때에도, 후단부측 엔드 플레이트(170E)가, 전단부측 엔드 플레이트(170F)와 마찬가지의 냉각수 유로, 유로 내 리브를 구비하는 구성으로 함으로써, 공기 압축기의 열을 효율적으로 방열시킬 수 있다.
(6) 상기 실시 형태에 있어서, 수소 펌프(140)가 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 고정되는 예를 나타냈지만, 수소 펌프(140)는, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 고정되어 있지 않아도, 접촉하고 있으면 된다. 예를 들어, 연료 전지 케이스를, 연료 전지(200)와 수소 펌프(140)의 양쪽을 수용 가능하게 형성하고, 수소 펌프(140)를 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 접촉한 상태로 연료 전지 케이스에 고정해도 된다. 또한, 수소 펌프(140)를 수용 가능한 보조 기계 커버를, 연료 전지 케이스(120)와 별도로 준비하고, 보조 기계 커버 내에 수소 펌프(140)를 고정하여, 수소 펌프(140)를 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 접촉시킨 상태에서, 보조 기계 커버를 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 고정하는 구성으로 해도 된다. 이와 같이 해도, 수소 펌프(140)는 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 접촉함으로써, 수소 펌프(140)가 발생한 열을 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 전달시킬 수 있다.
(7) 상기 실시 형태에 있어서, 수소 펌프(140)가 고정판(144)을 구비하고, 고정판(144)의 전체면이 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 접촉하는 예를 나타냈지만, 수소 펌프(140)는 고정판(144)을 구비하지 않아도 된다. 예를 들어, 펌프 본체(142)가 벨트 형상의 지지 부재에 지지되고, 전단부측 엔드 플레이트(170F)에 고정되어도 된다. 즉, 수소 펌프(140)와 전단부측 엔드 플레이트(170F)는, 면으로 접촉해도 되고, 선(원기둥 형상의 측면 접선)으로 접촉해도 된다. 전단부측 엔드 플레이트(170F)가 구비하는 펌프 접촉 영역(175)은, 선상의 영역도 포함하는 개념이다.
(8) 상기 실시 형태에 있어서, 냉각수가, 배관(51)(도 1)으로부터 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 냉각수 공급 구멍(176IN)을 통하여 냉각수 유로(177)에 유입되고, 냉각수 배출 구멍(176OT)을 통하여 배관(51)으로 복귀되는 구성을 예시했지만, 이것에 한정되지 않는다. 적층체(110) 내를 순환하여 적층체(110)로부터 배출된 냉각수가, 전단부측 엔드 플레이트(170F)의 냉각면을 유통하는 구성으로 해도 된다. 이와 같이 해도, 수소 펌프(140)가 발생한 열을, 양호하게 방열시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 복수의 단위 전지를 적층한 적층체를 구비하는 연료 전지에 있어서, 상기 적층체의 적층 방향의 적어도 일단부측에 배치되도록 구성된, 연료 전지용 엔드 플레이트이며,
    상기 연료 전지를 구비하는 연료 전지 시스템에 포함되는 발열 기기가 접촉하도록 설정된 발열 기기 접촉 영역(175)을 구비하는 제1 면(17)과,
    상기 제1 면(17)의 이측의 면이며, 냉매가 유통하는 냉매 유로(177)와, 상기 냉매 유로(177) 내에 형성되는 적어도 하나의 유로 내 리브부(179)를 구비하는 제2 면(18)을 구비하고,
    상기 제1 면(17)상에서 상기 발열 기기 접촉 영역(175)의 주위에 적어도 하나의 플레이트 리브부(171)가 제공되고, 상기 적어도 하나의 플레이트 리브부(171)는 상기 발열 기기 접촉 영역(175) 주위의 부분으로부터 적층 방향으로 외부로 돌출하는 것을 특징으로 하는, 엔드 플레이트.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉매 유로(177)는, 상기 제2 면(18)에 있어서, 상기 발열 기기 접촉 영역(175)에 대응하는 영역의 적어도 일부를 포함하는, 엔드 플레이트.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 발열 기기는, 상기 연료 전지에 연료를 공급하는 연료 펌프인, 엔드 플레이트.
  5. 제1항 또는 제3항에 기재된 엔드 플레이트와 상기 적층체를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지.
  6. 제5항에 기재된 연료 전지와,
    상기 엔드 플레이트의 상기 발열 기기 접촉 영역(175)에 접촉하고 있는 상기 발열 기기를 구비하는 것을 특징으로 하는, 연료 전지 시스템.
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