JP7076259B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックと、該燃料電池スタックを収納するケーシングとを有する燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックは、互いに積層された複数個の発電セルと、該発電セルの積層方向の各端部に配設された集電体としての１組のターミナルプレートとを有する。一方のターミナルプレートには、各発電セルのアノード電極が電気的に接続され、他方のターミナルプレートには、各発電セルのカソード電極が電気的に接続される。さらに、両ターミナルプレートに対し、電装ユニット等の外部機器が電気的に接続される。

ターミナルプレートと外部機器の電気的接続は、導体を介してなされる。例えば、特許文献１に示されるように、ターミナルプレート（特許文献１においていう「集電板」）にはタブ部が突出形成され、該タブ部に対して導体が接続される。特許文献２には、この種の導体として用いるための電力ケーブルが提案されている。また、特許文献３に示されるようなバスバーを用いることも考えられる。

特開２０１７－７６５７４号公報 特開２００６－３２３２９号公報 特開平１１－６７１８４号公報

燃料電池スタックをケーシング内に収納した燃料電池システムの場合、ターミナルプレートと、ケーシング外に配置される外部機器とを電気的に接続するためには、ケーシングに通過孔を形成するとともに該通過孔に導体を通す必要がある。この通過孔は、ケーシングの、予め設定された箇所に形成される。また、外部機器の接続端子も予め設定された位置に設けられる。このため、導体が、通過孔を通過して接続端子に到達するような形状でないときには、別の導体を継ぎ足す等して対応する必要がある。

このように、従来技術に係る燃料電池システムには、導体とターミナルプレートとの接点位置、又は導体と外部機器との接点位置の自由度が小さいという不都合が顕在化している。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、接点位置の自由度が向上し、このために汎用性に優れた燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、燃料電池スタックを収納したケーシングを有し、前記燃料電池スタックに含まれるターミナルプレートが、前記ケーシングの外方に配置される外部機器に対し、導体を介して電気的に接続される燃料電池システムにおいて、
前記ケーシングに、前記導体を通す通過孔が形成され、
前記導体は可撓性を有し、且つ前記通過孔が、前記導体と前記ターミナルプレートとの接点の位置から、前記燃料電池スタックの積層方向、又は重力方向に沿ってオフセットされている燃料電池システムが提供される。

このように、本発明では、導体として、可撓性を有するものを用いている。従って、該導体を通すための通過孔が、導体とターミナルプレートとの接点の位置から、燃料電池スタックの積層方向、又は重力方向（高さ方向）に沿ってオフセットされている場合であっても、オフセット量に応じてケーブルを変形させることで、通過孔に容易に通すことができるようになる。

従って、導体とターミナルプレートとの接点位置、ないしは通過孔の位置を自由に設定することができる。このため、発電セルの積層数や、ケーシングの寸法等の設計自由度が向上する。また、様々な外部機器に対して燃料電池スタックを電気的に接続することができるので、汎用性に優れるものとなる。なお、導体は、外力を受けて変形した後の形状を維持することが可能であるものが好ましい。

ターミナルプレートは、先端に屈曲部を備えるタブ部を有するものであることが好ましい。この場合、該タブ部に接点が設けられる。この構成により、様々な位置の通過孔に導体を通すことができる。すなわち、設計の自由度、及び汎用性が一層向上する。

導体の好適な例としては、導電性薄平板が複数個積層されて構成されたケーブルが挙げられる。このケーブルは、十分な可撓性を示すとともに、変形されたときにはその形状を維持するからである。しかも、導電性薄平板の枚数を増加することで、大電流を流すときにも対応することが可能である。

導体は、少なくとも２箇所の折曲部を有することが好ましい。このように２個の屈曲部が形成されるように導体を変形させることで、通過孔が接点からオフセットされていても導体を通過孔に通すことが可能となる。

導体が通された通過孔には、シール部材を充填することが好ましい。換言すれば、通過孔と導体との間にシール部材を介在するとよい。これにより、ケーシング内に塵や埃、液体等の異物が進入することを防止することができる。

本発明によれば、燃料電池スタックと外部機器を電気的に接続するための導体として、可撓性を示し且つ外力を受けて変形した後の形状を維持することが可能であるものを用いるようにしている。このような導体は、該導体を通すためにケーシングに形成された通過孔が、導体とターミナルプレートとの接点から、燃料電池スタックの積層方向、又は高さ方向に沿ってオフセットされている場合であっても、オフセット量に応じて容易に変形させることが容易であり、このため、通過孔に通すことも容易である。

以上のような理由から、導体とターミナルプレートとの接点位置、ないしは通過孔の位置を自由に設定することができる。このため、例えば、発電セルの積層数や、ケーシングの寸法等に関し、設計自由度が向上する。従って、様々な外部機器に対して燃料電池スタックを電気的に接続することができるので、汎用性に優れるものとなる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体概略側面図である。 図１の燃料電池システムを構成するターミナルプレートの概略正面図である。 図１中のＩＩＩ－ＩＩＩ線矢視断面図である。 図１の燃料電池システムを構成するケーブル（導体）の要部分解説明図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの全体概略側面図である。 図５に示す燃料電池システムのＹ矢視図である。

以下、本発明に係る燃料電池システムにつき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、固体高分子からなる電解質膜を有する、いわゆる固体高分子型燃料電池を例示するが、特にこれに限定されるものではなく、リン酸型、固体酸化物型、溶融炭酸塩型、ダイレクトカーボン型等であってもよい。

図１は、第１実施形態に係る燃料電池システム１０の全体概略側面図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、該燃料電池スタック１２を収納するケーシング１４とを有し、ケーシング１４の上方には、燃料電池スタック１２から電力が供給される電装ユニット１６（外部機器）が配設される。

燃料電池スタック１２は、電解質膜・電極接合体が１組のセパレータで挟持された発電セル２０が複数個積層されたセル積層体２２を有する。この場合、電解質膜・電極接合体は、固体高分子からなる電解質膜がアノード電極とカソード電極で挟まれることで構成されている。このような発電セル２０やセル積層体２２の構成は当業者に周知であり、ここでは詳細な説明を省略する。なお、図１は、発電セル２０の積層方向に対して直交する方向を視点としている。

さらに、燃料電池スタック１２は、発電した電力を取り出す集電体として機能するターミナルプレート２４、絶縁プレート２６、エンドプレート２８を２個ずつ含む。これらターミナルプレート２４、絶縁プレート２６、エンドプレート２８は、セル積層体２２の積層方向両端部に、内方から外方に向かってこの順序で配設される。

図２は、ターミナルプレート２４の概略正面図である。ターミナルプレート２４は、発電セル２０のセパレータに当接する略平板形状のプレート本体３０と、該プレート本体３０の上辺から鉛直上方に延在するタブ部３２とを一体的に有する。タブ部３２の上方先端は、セル積層体２２の上部よりも高位置となる（図１参照）。

ターミナルプレート２４は、例えば、銅又はアルミニウム等からなる一定の厚みの金属板から、プレート本体３０とタブ部３２を一体的に有するように切り出して作製することができる。又は、プレート本体３０とタブ部３２を別個の金属板からそれぞれ切り出し、接合することでターミナルプレート２４を作製するようにしてもよい。タブ部３２の横方向位置は、電装ユニット１６の端子位置に合わせて設定すればよい。

タブ部３２は、図１に示すケーブル３６（導電体）を接続するための端子部である。すなわち、タブ部３２の上方先端には、その厚み方向に沿って第１接続孔３８が貫通形成される。一方、ケーブル３６の一端部には、第１接続孔３８に重ね合わせられる第２接続孔４０が形成され、第１接続孔３８と第２接続孔４０に第１接続ボルト４２が通される。この第１接続ボルト４２に第１ナット４４が螺合されることで、ターミナルプレート２４（燃料電池スタック１２）とケーブル３６とが電気的に接合された第１接点４６が形成される。なお、第１接続ボルト４２及び第１ナット４４を複数個用いるようにしてもよい。また、第１接続ボルト４２及び第１ナット４４に代替してリベットによる接合であってもよいし、ロウ付けやカシメ、圧着による接合であってもよい。

一方のターミナルプレート２４は、各発電セルのアノード電極に対して電気的に接続される。また、他方のターミナルプレート２４は、各発電セルのカソード電極に対して電気的に接続される。

ケーシング１４は、底壁部材５０と、複数個の側壁部材５２と、天板部材５４とを連結して構成される。この中の天板部材５４には、ケーブル３６をケーシング１４外に導出するための通過孔５６が２個形成される。通過孔５６は、例えば、図３に示すように、セル積層体２２の幅方向（紙面に直交する方向）に沿って延在する長穴であり、その短手方向は、タブ部３２（第１接点４６）から、セル積層体２２の積層方向の内方又は外方にオフセットされた位置にある。通過孔５６には、固形シール又は液状シールを固化したシール材５８が充填されており、このため、シール材５８がケーブル３６と通過孔５６の内壁との間に介在し、ケーシング１４の内部と外部をシールした状態となっている。

電装ユニット１６の、セル積層体２２の積層方向に平行な端面には、１組の接続端子６０が設けられる。接続端子６０の中の少なくとも１個は、一方のターミナルプレート２４のタブ部３２に電気的に接続される。具体的には、ケーブル３６の、接続端子６０に臨む他端部に第３接続孔６２が形成されるとともに、接続端子６０に、第３接続孔６２に重ね合わせられる第４接続孔６４が形成される。これら第３接続孔６２及び第４接続孔６４に通された第２接続ボルト６６に対して第２ナット６８が螺合されることで、ケーブル３６と電装ユニット１６とが電気的に接合された第２接点７０が形成される。この第２接点７０と前記第１接点４６により、ターミナルプレート２４（燃料電池スタック１２）と電装ユニット１６とがケーブル３６を介して電気的に接続される。なお、第２接点７０は、電気的に接触させるものであればよく、第２接続ボルト６６と第２ナット６８以外の接続構造で形成するようにしてもよい。

勿論、残余の１個の接続端子６０も上記と同様にして、ケーブル３６を介して他方のターミナルプレート２４のタブ部３２に電気的に接続される。

第２接点７０は、例えば、通過孔５６の略上方に形成される。又は、セル積層体２２の積層方向、又は積層方向に直交する方向に若干オフセットされた位置であってもよい。

導体としてのケーブル３６は、この場合、図４に示すように、長尺な平板、すなわち、帯形状の銅やアルミニウム等の金属薄板７４が複数個積層された積層体と、該積層体を覆う絶縁被覆７６とを有する。このように構成されるケーブル３６は、積層方向への可撓性に優れるとともに、外力が付与されて変形した際、その形状を維持する。従って、作業者が該ケーブル３６を所望の形状となるように折曲すると、ケーブル３６は、外力が再度付与されるまで、その形状を保つ。

上記から諒解されるように、タブ部３２とケーブル３６との第１接点４６は、通過孔５６に対してセル積層体２２の積層方向外方にオフセットされており、一方、ケーブル３６と接続端子６０との第２接点７０は、通過孔５６の略上方である。このため、ケーブル３６には、金属薄板７４の積層方向に折曲した第１折曲部７８と第２折曲部８０が設けられ、その結果、ケーブル３６は、略３次関数曲線形状となる。

第１実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果について説明する。

燃料電池システム１０を構成するには、燃料電池スタック１２を、天板部材５４を連結する前のケーシング１４内に収納する。なお、ケーブル３６は、第１接続孔３８及び第２接続孔４０に通した第１接続ボルト４２に第１ナット４４を螺合し、タブ部３２に予め連結しておけばよい。換言すれば、第１接点４６は予め形成しておく。

次に、天板部材５４を仮組み付けして通過孔５６の位置を確認した後、天板部材５４を取り外す。そして、ケーブル３６を、通過孔５６を通ることが可能な形状に変形させる。すなわち、ケーブル３６を適宜折曲して第１折曲部７８及び第２折曲部８０を設ける。ケーブル３６は可撓性に富むので、この変形は容易である。しかも、ケーブル３６が変形後の形状を保つので、第１折曲部７８及び第２折曲部８０を設けた状態が維持される。

次に、天板部材５４を組み付ける。この際、ケーブル３６の端部が通過孔５６から露呈する。さらに、通過孔５６にシール材５８を充填し、通過孔５６を閉塞する。これにより、通過孔５６の内壁とケーブル３６との間のシールがなされる。なお、天板部材５４、底壁部材５０、複数個の側壁部材５２が予め一体となって筒形状をなしていてもよい。

さらに、ケーブル３６の第３接続孔６２と、接続端子６０の第４接続孔６４とに第２接続ボルト６６を通して第２ナット６８を螺合する。これにより、第２接点７０が形成される。

このように、燃料電池スタック１２は、可撓性を示し且つ変形されたときにその形状を維持するケーブル３６を介して電装ユニット１６に電気的に接続される。このため、通過孔５６のオフセット位置に合わせてケーブル３６を変形させることや、その形状を保たせることができる。従って、通過孔５６に通るような形状とするべく、ケーブル３６に別の導体を継ぎ足す必要がない。

また、発電セル２０の積層個数が変更されたために第１接点４６の位置が相違したり、通過孔５６の位置が相違する別の天板部材５４が組み付けられたりしたときであっても、上記に準じてケーブル３６を適宜の形状に変形させることによって、燃料電池スタック１２と電装ユニット１６を電気的に接続することができる。

すなわち、第１接点４６、ないしは第２接点７０の位置を、ケーブル３６の形状に合わせて設定する必要がない。換言すれば、第１接点４６や第２接点７０の位置の自由度が向上する。このため、燃料電池システム１０が、様々な寸法の電装ユニット１６、又はそれ以外の外部機器に対して電気的に接続可能な、汎用性に優れたものとなる。

次に、第２実施形態に係る燃料電池システム１００につき、その全体概略側面図である図５と、図５中のＹ矢視図である図６を参照して説明する。なお、図１～図４に示す構成要素に対応する構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。

燃料電池システム１００を構成する２個のターミナルプレート１０２の各タブ部１０４は、鉛直方向に沿って延在する垂直タブ部１０６と、該垂直タブ部１０６からセル積層体２２の積層方向内方に向かって略９０°屈曲されて水平方向に延在する水平タブ部１０８とを有する。この場合、第１接続孔３８は水平タブ部１０８に形成される。なお、水平タブ部１０８の屈曲角度は９０°に特に限定されるものではない。

図５及び図６を参照して諒解されるように、第２実施形態において、通過孔５６は図５の紙面奥側の側壁部材５２に対し、水平タブ部１０８の上面よりもやや上方にオフセットされるように形成される。また、電装ユニット１６は、接続端子６０が通過孔５６と略同じ高さとなる位置に配設されている。

すなわち、水平タブ部１０８とケーブル３６との第１接点４６は、通過孔５６に対して下方にオフセットされており、一方、ケーブル３６と接続端子６０との第２接点７０は、通過孔５６と略同じ高さである。このため、ケーブル３６は、第１折曲部７８と第２折曲部８０が設けられた略３次関数曲線形状となる。

勿論、第１実施形態と同様に、天板部材５４に通過孔５６を形成するとともに、該通過孔５６にケーブル３６を通すようにしてもよい。この場合も、水平タブ部１０８に第１接点４６を設ければよいが、垂直タブ部１０６に別の接続孔を形成し、該接続孔を介して第１接点４６を設けるようにすることも可能である。

このように、垂直タブ部１０６に対して屈曲した部位である水平タブ部１０８を設けることにより、通過孔５６の形成位置が相違する様々なケーシング１４に対応して燃料電池スタック１２と電装ユニット１６（又はその他の外部機器）を電気的に接続することが可能となる。すなわち、汎用性が一層向上する。

本発明は、上記した第１及び第２実施形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、第１及び第２実施形態は、プレート本体３０から突出するタブ部３２、１０４を有するターミナルプレート２４、１０２を用いるようにしているが、プレート本体３０のみからなるターミナルプレートと、該ターミナルプレートとは別体の集電用タブ部材とを用いるようにしてもよい。この場合、絶縁プレート２６の一端面に凹部を形成して該凹部にターミナルプレートを収容するとともに、他端面に集電用タブ部材を配置し、ターミナルプレート及び集電用タブ部材を絶縁プレート２６にネジ止めすればよい。前記ネジにより、ターミナルプレートと集電用タブ部材が電気的に接続される。

又は、絶縁プレートに臨む端面に集電用突起部が設けられたターミナルプレートを用いるようにしてもよい。この場合、絶縁プレート及びエンドプレートに貫通孔を形成し、該貫通孔に前記集電用突起部を通すようにすればよい。

１０、１００…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…ケーシング １６…電装ユニット
２４、１０２…ターミナルプレート ３０…プレート本体
３２、１０４…タブ部 ３６…ケーブル
４６…第１接点 ５６…通過孔
５８…シール材 ６０…接続端子
７０…第２接点 ７４…金属薄板
７８…第１折曲部 ８０…第２折曲部
１０６…垂直タブ部 １０８…水平タブ部

Claims (5)

1. 燃料電池スタックを収納したケーシングを有し、前記燃料電池スタックに含まれるターミナルプレートが、前記ケーシングの外方に配置される外部機器に対し、導体を介して電気的に接続される燃料電池システムにおいて、
   前記ケーシングに、前記導体を通す通過孔が形成され、
   前記導体は、可撓性を示し且つ外力を受けて変形した後の形状を、外力が再度付与されるまで維持することが可能であり、且つ、前記通過孔が、前記導体と前記ターミナルプレートとの接点から、前記燃料電池スタックの積層方向、又は高さ方向に沿ってオフセットされ、
   前記導体は、導電性薄平板が複数個積層されて構成されたケーブルであることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記ターミナルプレートは、その先端に屈曲部を備えるタブ部を有し、前記タブ部に前記接点が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記タブ部の前記接点は、前記燃料電池スタックの積層方向に対して直交する方向において、前記燃料電池スタックの外周と前記通過孔との間に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記導体が少なくとも２箇所の折曲部を有することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記通過孔と前記導体との間にシール部材が介在することを特徴とする燃料電池システム。
   

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