JP2004079192A - セル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】（１）抜け止めの信頼性が高く、取付けの作業性も良好な、セル電圧モニター取付け構造の提供。（２）１種類のセルを用意すればよいようにする。
【解決手段】（１）１つ以上の端子３２がハウジング３３内で端子同士互いに並列にかつ燃料電池スタックのセル積層方向に列状に配置されており、複数のハウジング３３がスタックの側面に千鳥状に配置されている。（２）ハウジングの千鳥状の配置の左右の両方の列に対して、セルにセル電圧モニター取付け部を設けた。（３）各セルは金属板２９を含むセパレータ１８を有する。
【選択図】 図４
【解決手段】（１）１つ以上の端子３２がハウジング３３内で端子同士互いに並列にかつ燃料電池スタックのセル積層方向に列状に配置されており、複数のハウジング３３がスタックの側面に千鳥状に配置されている。（２）ハウジングの千鳥状の配置の左右の両方の列に対して、セルにセル電圧モニター取付け部を設けた。（３）各セルは金属板２９を含むセパレータ１８を有する。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセル電圧モニターの燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池などの低温型燃料電池）スタックへの取付け構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ２ →２Ｈ＋ ＋２ｅ−
カソード側：２Ｈ＋ ＋２ｅ− ＋（１／２）Ｏ２ →Ｈ２ Ｏ
各セル毎に、または複数のセル毎に、セルで正常な発電が行われていることを確認するとともに、セル電圧に基づいて反応ガスの流量制御を行ったり、異常電圧の場合にモータにガイドをかけるために、セル電圧がモニタされる。
特開２００１−２５６９９２は、燃料電池スタックの各セル毎に、クリップ型の端子を配置し、セル積層方向に、端子を千鳥状に配列した、セル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造には、つぎの課題がある。
▲１▼ 各セル毎に端子を配置していることにより、つぎの問題が生じる。
端子のセルからの抜け止めを１つの端子のクリップ力だけに頼っているため、抜け止めの信頼性が低い。
また、１回の差し込みで複数の端子を取付けることができないので、端子のスタックへの組み付けの作業性がよくない。
▲２▼ 端子を千鳥配列としていることにより、つぎの問題が生じる。
端子取付け部の位置が異なる２種類のセルを用意しなければならない。その結果、セルのコストアップを招く。
本発明の目的は、抜け止めの信頼性が高く、取付けの作業性も良好な、セル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、１種類のセルを用意すればよい、セル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 複数のセル電圧モニターが燃料電池スタックに取付けられており、
各セル電圧モニターは燃料電池スタックに固定される１つのハウジングとそのハウジングで保持された１つ以上の端子を有し、
各セル電圧モニターの１つ以上の端子はそのセル電圧モニターのハウジング内で端子同士互いに並列にかつ燃料電池スタックのセル積層方向に列状に配置されており、
各セル電圧モニターに１つづつ設けられた複数のハウジングは燃料電池スタックの側面に千鳥状に配置されている、
セル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造。
（２） 燃料電池スタックの各セルに、前記ハウジングの千鳥状の配置の左右の両方の列に対して、セル電圧モニターを取り付けるためのセル電圧モニター取付け部を設けた（１）記載のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造。
（３） 燃料電池スタックの各セルは金属板を含むセパレータを有する（１）または（２）記載のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造。
【０００５】
上記（１）、（３）のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造では、１つ以上の端子をまとめてハウジングで保持しハウジングで燃料電池スタックに固定するので、端子を１つ１つセルに取付けていた従来に比べて、抜け止めの信頼性が高くなり、かつ作業性がよくなる。また、ハウジングを千鳥配置としたので、ハウジング同士の干渉を避けることができる。
上記（２）、（３）のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造では、ハウジングの千鳥状の配置の左右の両方の列に対して、セル電圧モニターを取り付けるためのセル電圧モニター取付け部を設けたので、セル電圧モニター取付けに１種類のセルを用意すればよく、２種類のセルを用意しなければならなかった従来構造に比べて、セルの製造コストを低減できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造を図１〜図７を参照して説明する。
本発明で対象となる燃料電池は低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図６、図７に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【０００８】
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられている。
セパレータ１８は、セル中央部にガス流路２７、２８部を形成する金属板２９と、セル外周部に設けられる樹脂フレーム３０と、を有する合成セパレータである。プラス側の金属板２９とマイナス側の金属板２９との間にＭＥＡが挟まれ、中央部では金属板２９のＭＥＡ側にガス流路２７、２８が形成され、周囲部ではプラス側の金属板２９とマイナス側の金属板２９との間に電解質膜１１が挟まれる。金属板２９同士の間、樹脂フレーム３０と金属板２９との間、金属板２９と電解質膜１１との間は接着剤にてシールされる。
樹脂フレーム３０は、金属板２９よりも厚さが大で、金属板２９よりも剛性、強度が大である。
【０００９】
電解質膜１１を挟んで対峙するプラス側の金属板とマイナス側の金属板との間には電位差があり、その電位差は約１ボルトである。１つのセル１９のプラス側の金属板２９と、隣りのセル１９のマイナス側の金属板２９とはセル中央部で接触していて、電位差はない。
【００１０】
複数のセル電圧モニター３１が燃料電池スタック２３に取付けられている。
各セル電圧モニター３１は、燃料電池スタックへの固定部３５を有する１つのハウジング３３と、そのハウジング３３で保持された１つ以上の端子３２を含む。端子３２は導電性で金属製（金属メッキのものを含む）であり、ハウジング３３は非導電性でたとえば樹脂製である。
各セル電圧モニター３１の１つ以上の端子３２は、そのセル電圧モニター３１のハウジング３３内で、端子３２同士互いに並列に、かつ、燃料電池スタック２３のセル積層方向に列状に、配置されている。
また、図５に示すように、各セル電圧モニター３１に１つづつ設けられた複数のハウジング３３は燃料電池スタック２３の側面（四側の側面の一つの側面）に千鳥状に配置されている。
セル電圧モニター３１の極数は、そのセル電圧モニター３１のハウジング３３に保持される端子３２の数と等しい。たとえば、図４は、極数が２のセル電圧モニター３１と極数が８のセル電圧モニター３１との２種類のセル電圧モニター３１がスタック２３に取り付けられた場合を示している。
【００１１】
各セル電圧モニター３１の各端子３２は、セル１９の同極（プラスならプラス、マイナスならマイナス）の金属板２９に接触されてそのセル１９の電位を検出する。たとえば、一つの端子３２が一つのセル１９のプラス極の金属板２９に接触されると、隣りの端子３２は隣りのセル１９のプラス極の金属板２９に接触される。そのため、隣接する端子３２間には少なくとも１セルの厚さ分のピッチ間隔があり、各ハウジング３３において、端子３２同士の干渉を生じることなく、複数の端子３２をセル積層方向に並べて配置することができる。そして、隣接する端子３２間にはハウジング３３の仕切板３３ｊが位置していて、端子３２同士が接触して短絡することを防止している。
【００１２】
図１に示すように、セル電圧モニター３１の端子３２と金属板２９とのコンタクト部３４は、金属板２９部位に設けられており、セル電圧モニター３１のハウジング３３の燃料電池への固定部３５は、樹脂フレーム３０部位に設けられている。
コンタクト部３４と固定部３５とは離れている。
【００１３】
セル電圧モニター３１の、燃料電池スタック２３への取付け構造を、さらに詳しく説明する。
図１に示すように、スタック２３のうちセル電圧モニター３１が取付けられる部位には、樹脂フレーム３０に第１の溝３０ａと第２の溝３０ｂが形成されている。第１の溝３０ａと第２の溝３０ｂとは離れた位置に形成されており互いに平行である。プラス極の金属板２９とマイナス極の金属板２９とのうち何れか一方の金属板２９に端子３１が接触される。端子３１が接触される方の金属板２９には、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａのみと位置、形状を対応させて狭幅の溝２９ａが形成されており、端子３１が接触されない方の金属板２９には、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａと第２の溝３０ｂの両方にわたる広幅の溝２９ｂが形成されている。
【００１４】
図１、図３に示すように、端子３２は、導線３６に接続されている。端子３２は、側面視でＬ字状のＬ字状部材からなり、Ｌ字の第１の脚３２ａと、Ｌ字の第２の脚３２ｂと、Ｌ字の折れ曲がり部３２ｃとを有する。端子３２は、第１の脚３２ａでかしめによって導線３６に連結される。端子３２の第２の脚３２ｂは折れ曲がり部３２ｃと反対側の端部に一対のアーム３２ｄを有し、一対のアーム３２ｄ間にセパレータの金属板２９を挟んで金属板２９と接触し、金属板２９とのコンタクト部（電気的接触部）３４を構成している。
【００１５】
図１に示すように、ハウジング３３は、側面視でＦ字状のＦ字状部材からなり、Ｆ字の柱３３ａと、柱３３ａの先端３３ｄから柱３３ａと直交方向に延びる第１の脚３３ｂと、柱３３ａの中間部３３ｅから柱３３ａと直交方向に延びる第２の脚３３ｃとを有する。
セル電圧モニター３１がスタック２３に取付けられた時には、ハウジング３３の第１の脚３３ｂは樹脂フレーム３０に第１の溝３０ａと金属板２９の溝２９ａに突入し、ハウジング３３の第２の脚３３ｃは樹脂フレーム３０に第２の溝３０ｂと金属板２９の溝２９ｂに突入する。
【００１６】
ハウジング３３の柱３３ａの、先端３３ｄと反対側の端部３３ｆから中間部３３ｅまでの間の部分、および第２の脚３３ｃとは、端子３２を保持する端子保持部３３ｇを構成する。端子３２を端子保持部３３ｇに挿入後ハウジング３３の蓋３３ｈを閉じて端子３２が端子保持部３３ｇから抜け出ないようにする。
また、ハウジング３３の第１の脚３３ｂには、第２の脚３３ｃに対向する側と反対側の面に該面から突出する爪３３ｉが形成されている。爪３３ｉは、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａの、爪対応部に形成された爪係合凹部３０ｃに入り、爪係合凹部３０ｃと係合し、爪３３ｉと爪係合凹部３０ｃはセル電圧モニター３１の燃料電池に固定する固定部３５を構成している。
金属板２９の溝２９ａ、２９ｂの、ハウジング３３の第１の脚３３ｂに対向する縁部は、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａの、ハウジング３３の第１の脚３３ｂに対向する縁部よりも、第１の脚３３ｂから離れていて爪３３ｉと当たらず、爪３３ｉが爪係合凹部３０ｃに入ることを阻害しない。
【００１７】
端子３２には、一対のアーム３２ｄと折れ曲がり部３２ｃとの間に、スリット３７が形成されていて、第１の脚３２ａが一対のアーム３２ｄに対してセル積層方向に若干首振りすることができるようになっている。これによって、セルの厚さ方向の寸法に誤差があっても、それを吸収して端子３２を取付けることができるようにしてある。このスリット３７があっても、セル数が多くなると寸法誤差が積算されて大きな誤差となってその誤差を吸収できなくなるので、１つのハウジング３３に保持される端子３２の数は約１０以下とすることが望ましい。実施例では１つのハウジング３３に保持される端子３２の数が最大８としてある。
【００１８】
また、図５に示すように、ハウジング３３は、スタック２３のセル積層方向に左右互い違いに配置されて、千鳥配置となっている。燃料電池スタック２３の各セルには、ハウジング３３の千鳥状の配置の左右の両方の列に対して、セル電圧モニター３１を取り付けるためのセル電圧モニター取付け部が設けられている。各セル電圧モニター取付け部は、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａ、第２の溝３０ｂ、爪係合凹部３０ｃ、金属板２９の２つの溝２９ａ、２９ｂを含む。セルには、千鳥配置の左列か右列かのハウジング３３が取付けられ固定されるが、ハウジング３３が取付けられる方の列に対応する部位にはセル電圧モニター取付け部が形成されことは勿論であるが、ハウジングが取付けられない方の列に対応する部位にも、セル電圧モニター取付け部が形成されている。これによって、左右列２つのセル電圧モニター取付け部がいずれのセルにも形成され、いずれのセルも、２つのセル電圧モニター取付け部が形成された構造をとる。その結果、セル電圧モニター取付けに１種類のセルを用意すればよく、従来のように左列の端子が取付けられるセルと右列の端子が取付けられるセルとの構造を変えて２種類のセルを用意する必要がなくなる。
【００１９】
つぎに、本発明のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造の作用を説明する。
まず、１つ以上の端子３２をまとめてハウジング３３で保持しハウジング３３で燃料電池スタック２３に固定するので、端子を１つ１つセルに取付けていた従来に比べて、
（イ）端子に導電性、ハウジング３３に固定の役割をもたせて役割を分け、ハウジング３３を複数端子分の幅で十分な剛性、強度をもたせてスタック２３を取り付けるようにすることができ、端子抜け止めの信頼性が高くなり、かつ、
（ロ）ハウジング単位で複数の端子３２をセルのセパレータ金属板２９に接触させることができ、端子装着の作業性がよくなる。
【００２０】
また、ハウジング３３を千鳥配置としたので、千鳥配置の左右各列におけるハウジング３３同士の干渉を避けることができる。ハウジング３３は蓋３３ｈの部分でセル積層方向に突出しているが（蓋３３ｈの開閉ヒンジや蓋３３ｈの閉でのロック機構などによりセル積層方向に突出している）、同列の隣り合うハウジング３３同士間には対向列のハウジング３３だけの間隔があるので、同列の隣り合うハウジング３３同士が位置的に干渉することはない。
【００２１】
また、千鳥配置の左右列のセル電圧モニター取付け部を、燃料電池スタック２３の各セルに設けたので、セル電圧モニター取付けのためには、２箇所のセル電圧モニター取付け部をもつ１種類のセルを用意すればよく、従来のように左列と右列に対して異なる位置にセル電圧モニター取付け部をもつ２種類のセルを用意する必要がなくなり、セル１９の製造コストを低減できる。
また、セル電圧モニター取付けにおいて、端子３２の一対のアーム３２ｄでセパレータの金属板２９を挟むようにしたので、セパレータに穴を設けてそこに端子を挿入する構成（従来構成で端子をセパレータに形成した穴に挿入するものがある）に比べて、コンタクト部３４の強度、信頼性を高めることができる。端子の穴挿入式では、セパレータの穴の周囲が欠けるなどの損傷が予想され、信頼性が低い。
樹脂フレーム３０にセル電圧モニター３１の抜け外れを防止する固定部３５を設けたので、セパレータ金属板２９が薄くても、固定部３５は剛性が高く抜け止めの信頼性が高い。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１、３のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造によれば、１つ以上の端子３２をまとめてハウジング３３で保持しハウジング３３で燃料電池スタック２３に固定するので、端子を１つ１つセルに取付けていた従来に比べて、抜け止めの信頼性が高くなり、かつ作業性がよくなる。
また、ハウジング３３を千鳥配置としたので、千鳥配置の左右列のいずれの列においても、同列におけるハウジング３３同士の干渉を避けることができる。
請求項２、３のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造によれば、ハウジング３３の千鳥状の配置の左右の両方の列に対して、セル電圧モニターを取り付けるためのセル電圧モニター取付け部を設けたので、セル電圧モニター取付けに１種類のセルを用意すればよく、２種類のセルを用意しなければならなかった従来構造に比べて、セルの製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造の側面図である。
【図２】図１のうちセル電圧モニターの、図１におけるＡ方向視図である。
【図３】図１のうちセル電圧モニターの、端子のみの斜視図である。
【図４】本発明の一実施例のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造の斜視図である。
【図５】図４で、セル電圧モニターが燃料電池スタックの側面に取付けられた場合の、斜視図である。
【図６】燃料電池スタックの、セル積層方向と直交する方向から見た、側面図である。
【図７】燃料電池スタックの単セルの一部分の断面図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２、１５ 触媒層
１３、１６ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 金属板
２９ａ、２９ｂ 溝
３０ 樹脂フレーム
３０ａ 第１の溝
３０ｂ 第２の溝
３０ｃ 爪係合凹部
３１ セル電圧モニター
３２ 端子
３２ａ 第１の脚
３２ｂ 第２の脚
３２ｃ 折れ曲がり部
３２ｄ 一対のアーム
３３ ハウジング
３３ａ 柱
３３ｂ 第１の脚
３３ｃ 第２の脚
３３ｄ 先端
３３ｅ 中間部
３３ｆ 反対側端部
３３ｇ 端子保持部
３３ｈ 蓋
３３ｉ 爪
３３ｊ 仕切板
３４ コンタクト部
３５ 抜け止め部
３６ 導線
３７ スリット
【発明の属する技術分野】
本発明はセル電圧モニターの燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池などの低温型燃料電池）スタックへの取付け構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ）とセパレータとの積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われる。
アノード側：Ｈ２ →２Ｈ＋ ＋２ｅ−
カソード側：２Ｈ＋ ＋２ｅ− ＋（１／２）Ｏ２ →Ｈ２ Ｏ
各セル毎に、または複数のセル毎に、セルで正常な発電が行われていることを確認するとともに、セル電圧に基づいて反応ガスの流量制御を行ったり、異常電圧の場合にモータにガイドをかけるために、セル電圧がモニタされる。
特開２００１−２５６９９２は、燃料電池スタックの各セル毎に、クリップ型の端子を配置し、セル積層方向に、端子を千鳥状に配列した、セル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造には、つぎの課題がある。
▲１▼ 各セル毎に端子を配置していることにより、つぎの問題が生じる。
端子のセルからの抜け止めを１つの端子のクリップ力だけに頼っているため、抜け止めの信頼性が低い。
また、１回の差し込みで複数の端子を取付けることができないので、端子のスタックへの組み付けの作業性がよくない。
▲２▼ 端子を千鳥配列としていることにより、つぎの問題が生じる。
端子取付け部の位置が異なる２種類のセルを用意しなければならない。その結果、セルのコストアップを招く。
本発明の目的は、抜け止めの信頼性が高く、取付けの作業性も良好な、セル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、１種類のセルを用意すればよい、セル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１） 複数のセル電圧モニターが燃料電池スタックに取付けられており、
各セル電圧モニターは燃料電池スタックに固定される１つのハウジングとそのハウジングで保持された１つ以上の端子を有し、
各セル電圧モニターの１つ以上の端子はそのセル電圧モニターのハウジング内で端子同士互いに並列にかつ燃料電池スタックのセル積層方向に列状に配置されており、
各セル電圧モニターに１つづつ設けられた複数のハウジングは燃料電池スタックの側面に千鳥状に配置されている、
セル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造。
（２） 燃料電池スタックの各セルに、前記ハウジングの千鳥状の配置の左右の両方の列に対して、セル電圧モニターを取り付けるためのセル電圧モニター取付け部を設けた（１）記載のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造。
（３） 燃料電池スタックの各セルは金属板を含むセパレータを有する（１）または（２）記載のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造。
【０００５】
上記（１）、（３）のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造では、１つ以上の端子をまとめてハウジングで保持しハウジングで燃料電池スタックに固定するので、端子を１つ１つセルに取付けていた従来に比べて、抜け止めの信頼性が高くなり、かつ作業性がよくなる。また、ハウジングを千鳥配置としたので、ハウジング同士の干渉を避けることができる。
上記（２）、（３）のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造では、ハウジングの千鳥状の配置の左右の両方の列に対して、セル電圧モニターを取り付けるためのセル電圧モニター取付け部を設けたので、セル電圧モニター取付けに１種類のセルを用意すればよく、２種類のセルを用意しなければならなかった従来構造に比べて、セルの製造コストを低減できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造を図１〜図７を参照して説明する。
本発明で対象となる燃料電池は低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図６、図７に示すように、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【０００８】
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられている。
セパレータ１８は、セル中央部にガス流路２７、２８部を形成する金属板２９と、セル外周部に設けられる樹脂フレーム３０と、を有する合成セパレータである。プラス側の金属板２９とマイナス側の金属板２９との間にＭＥＡが挟まれ、中央部では金属板２９のＭＥＡ側にガス流路２７、２８が形成され、周囲部ではプラス側の金属板２９とマイナス側の金属板２９との間に電解質膜１１が挟まれる。金属板２９同士の間、樹脂フレーム３０と金属板２９との間、金属板２９と電解質膜１１との間は接着剤にてシールされる。
樹脂フレーム３０は、金属板２９よりも厚さが大で、金属板２９よりも剛性、強度が大である。
【０００９】
電解質膜１１を挟んで対峙するプラス側の金属板とマイナス側の金属板との間には電位差があり、その電位差は約１ボルトである。１つのセル１９のプラス側の金属板２９と、隣りのセル１９のマイナス側の金属板２９とはセル中央部で接触していて、電位差はない。
【００１０】
複数のセル電圧モニター３１が燃料電池スタック２３に取付けられている。
各セル電圧モニター３１は、燃料電池スタックへの固定部３５を有する１つのハウジング３３と、そのハウジング３３で保持された１つ以上の端子３２を含む。端子３２は導電性で金属製（金属メッキのものを含む）であり、ハウジング３３は非導電性でたとえば樹脂製である。
各セル電圧モニター３１の１つ以上の端子３２は、そのセル電圧モニター３１のハウジング３３内で、端子３２同士互いに並列に、かつ、燃料電池スタック２３のセル積層方向に列状に、配置されている。
また、図５に示すように、各セル電圧モニター３１に１つづつ設けられた複数のハウジング３３は燃料電池スタック２３の側面（四側の側面の一つの側面）に千鳥状に配置されている。
セル電圧モニター３１の極数は、そのセル電圧モニター３１のハウジング３３に保持される端子３２の数と等しい。たとえば、図４は、極数が２のセル電圧モニター３１と極数が８のセル電圧モニター３１との２種類のセル電圧モニター３１がスタック２３に取り付けられた場合を示している。
【００１１】
各セル電圧モニター３１の各端子３２は、セル１９の同極（プラスならプラス、マイナスならマイナス）の金属板２９に接触されてそのセル１９の電位を検出する。たとえば、一つの端子３２が一つのセル１９のプラス極の金属板２９に接触されると、隣りの端子３２は隣りのセル１９のプラス極の金属板２９に接触される。そのため、隣接する端子３２間には少なくとも１セルの厚さ分のピッチ間隔があり、各ハウジング３３において、端子３２同士の干渉を生じることなく、複数の端子３２をセル積層方向に並べて配置することができる。そして、隣接する端子３２間にはハウジング３３の仕切板３３ｊが位置していて、端子３２同士が接触して短絡することを防止している。
【００１２】
図１に示すように、セル電圧モニター３１の端子３２と金属板２９とのコンタクト部３４は、金属板２９部位に設けられており、セル電圧モニター３１のハウジング３３の燃料電池への固定部３５は、樹脂フレーム３０部位に設けられている。
コンタクト部３４と固定部３５とは離れている。
【００１３】
セル電圧モニター３１の、燃料電池スタック２３への取付け構造を、さらに詳しく説明する。
図１に示すように、スタック２３のうちセル電圧モニター３１が取付けられる部位には、樹脂フレーム３０に第１の溝３０ａと第２の溝３０ｂが形成されている。第１の溝３０ａと第２の溝３０ｂとは離れた位置に形成されており互いに平行である。プラス極の金属板２９とマイナス極の金属板２９とのうち何れか一方の金属板２９に端子３１が接触される。端子３１が接触される方の金属板２９には、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａのみと位置、形状を対応させて狭幅の溝２９ａが形成されており、端子３１が接触されない方の金属板２９には、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａと第２の溝３０ｂの両方にわたる広幅の溝２９ｂが形成されている。
【００１４】
図１、図３に示すように、端子３２は、導線３６に接続されている。端子３２は、側面視でＬ字状のＬ字状部材からなり、Ｌ字の第１の脚３２ａと、Ｌ字の第２の脚３２ｂと、Ｌ字の折れ曲がり部３２ｃとを有する。端子３２は、第１の脚３２ａでかしめによって導線３６に連結される。端子３２の第２の脚３２ｂは折れ曲がり部３２ｃと反対側の端部に一対のアーム３２ｄを有し、一対のアーム３２ｄ間にセパレータの金属板２９を挟んで金属板２９と接触し、金属板２９とのコンタクト部（電気的接触部）３４を構成している。
【００１５】
図１に示すように、ハウジング３３は、側面視でＦ字状のＦ字状部材からなり、Ｆ字の柱３３ａと、柱３３ａの先端３３ｄから柱３３ａと直交方向に延びる第１の脚３３ｂと、柱３３ａの中間部３３ｅから柱３３ａと直交方向に延びる第２の脚３３ｃとを有する。
セル電圧モニター３１がスタック２３に取付けられた時には、ハウジング３３の第１の脚３３ｂは樹脂フレーム３０に第１の溝３０ａと金属板２９の溝２９ａに突入し、ハウジング３３の第２の脚３３ｃは樹脂フレーム３０に第２の溝３０ｂと金属板２９の溝２９ｂに突入する。
【００１６】
ハウジング３３の柱３３ａの、先端３３ｄと反対側の端部３３ｆから中間部３３ｅまでの間の部分、および第２の脚３３ｃとは、端子３２を保持する端子保持部３３ｇを構成する。端子３２を端子保持部３３ｇに挿入後ハウジング３３の蓋３３ｈを閉じて端子３２が端子保持部３３ｇから抜け出ないようにする。
また、ハウジング３３の第１の脚３３ｂには、第２の脚３３ｃに対向する側と反対側の面に該面から突出する爪３３ｉが形成されている。爪３３ｉは、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａの、爪対応部に形成された爪係合凹部３０ｃに入り、爪係合凹部３０ｃと係合し、爪３３ｉと爪係合凹部３０ｃはセル電圧モニター３１の燃料電池に固定する固定部３５を構成している。
金属板２９の溝２９ａ、２９ｂの、ハウジング３３の第１の脚３３ｂに対向する縁部は、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａの、ハウジング３３の第１の脚３３ｂに対向する縁部よりも、第１の脚３３ｂから離れていて爪３３ｉと当たらず、爪３３ｉが爪係合凹部３０ｃに入ることを阻害しない。
【００１７】
端子３２には、一対のアーム３２ｄと折れ曲がり部３２ｃとの間に、スリット３７が形成されていて、第１の脚３２ａが一対のアーム３２ｄに対してセル積層方向に若干首振りすることができるようになっている。これによって、セルの厚さ方向の寸法に誤差があっても、それを吸収して端子３２を取付けることができるようにしてある。このスリット３７があっても、セル数が多くなると寸法誤差が積算されて大きな誤差となってその誤差を吸収できなくなるので、１つのハウジング３３に保持される端子３２の数は約１０以下とすることが望ましい。実施例では１つのハウジング３３に保持される端子３２の数が最大８としてある。
【００１８】
また、図５に示すように、ハウジング３３は、スタック２３のセル積層方向に左右互い違いに配置されて、千鳥配置となっている。燃料電池スタック２３の各セルには、ハウジング３３の千鳥状の配置の左右の両方の列に対して、セル電圧モニター３１を取り付けるためのセル電圧モニター取付け部が設けられている。各セル電圧モニター取付け部は、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａ、第２の溝３０ｂ、爪係合凹部３０ｃ、金属板２９の２つの溝２９ａ、２９ｂを含む。セルには、千鳥配置の左列か右列かのハウジング３３が取付けられ固定されるが、ハウジング３３が取付けられる方の列に対応する部位にはセル電圧モニター取付け部が形成されことは勿論であるが、ハウジングが取付けられない方の列に対応する部位にも、セル電圧モニター取付け部が形成されている。これによって、左右列２つのセル電圧モニター取付け部がいずれのセルにも形成され、いずれのセルも、２つのセル電圧モニター取付け部が形成された構造をとる。その結果、セル電圧モニター取付けに１種類のセルを用意すればよく、従来のように左列の端子が取付けられるセルと右列の端子が取付けられるセルとの構造を変えて２種類のセルを用意する必要がなくなる。
【００１９】
つぎに、本発明のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造の作用を説明する。
まず、１つ以上の端子３２をまとめてハウジング３３で保持しハウジング３３で燃料電池スタック２３に固定するので、端子を１つ１つセルに取付けていた従来に比べて、
（イ）端子に導電性、ハウジング３３に固定の役割をもたせて役割を分け、ハウジング３３を複数端子分の幅で十分な剛性、強度をもたせてスタック２３を取り付けるようにすることができ、端子抜け止めの信頼性が高くなり、かつ、
（ロ）ハウジング単位で複数の端子３２をセルのセパレータ金属板２９に接触させることができ、端子装着の作業性がよくなる。
【００２０】
また、ハウジング３３を千鳥配置としたので、千鳥配置の左右各列におけるハウジング３３同士の干渉を避けることができる。ハウジング３３は蓋３３ｈの部分でセル積層方向に突出しているが（蓋３３ｈの開閉ヒンジや蓋３３ｈの閉でのロック機構などによりセル積層方向に突出している）、同列の隣り合うハウジング３３同士間には対向列のハウジング３３だけの間隔があるので、同列の隣り合うハウジング３３同士が位置的に干渉することはない。
【００２１】
また、千鳥配置の左右列のセル電圧モニター取付け部を、燃料電池スタック２３の各セルに設けたので、セル電圧モニター取付けのためには、２箇所のセル電圧モニター取付け部をもつ１種類のセルを用意すればよく、従来のように左列と右列に対して異なる位置にセル電圧モニター取付け部をもつ２種類のセルを用意する必要がなくなり、セル１９の製造コストを低減できる。
また、セル電圧モニター取付けにおいて、端子３２の一対のアーム３２ｄでセパレータの金属板２９を挟むようにしたので、セパレータに穴を設けてそこに端子を挿入する構成（従来構成で端子をセパレータに形成した穴に挿入するものがある）に比べて、コンタクト部３４の強度、信頼性を高めることができる。端子の穴挿入式では、セパレータの穴の周囲が欠けるなどの損傷が予想され、信頼性が低い。
樹脂フレーム３０にセル電圧モニター３１の抜け外れを防止する固定部３５を設けたので、セパレータ金属板２９が薄くても、固定部３５は剛性が高く抜け止めの信頼性が高い。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１、３のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造によれば、１つ以上の端子３２をまとめてハウジング３３で保持しハウジング３３で燃料電池スタック２３に固定するので、端子を１つ１つセルに取付けていた従来に比べて、抜け止めの信頼性が高くなり、かつ作業性がよくなる。
また、ハウジング３３を千鳥配置としたので、千鳥配置の左右列のいずれの列においても、同列におけるハウジング３３同士の干渉を避けることができる。
請求項２、３のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造によれば、ハウジング３３の千鳥状の配置の左右の両方の列に対して、セル電圧モニターを取り付けるためのセル電圧モニター取付け部を設けたので、セル電圧モニター取付けに１種類のセルを用意すればよく、２種類のセルを用意しなければならなかった従来構造に比べて、セルの製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造の側面図である。
【図２】図１のうちセル電圧モニターの、図１におけるＡ方向視図である。
【図３】図１のうちセル電圧モニターの、端子のみの斜視図である。
【図４】本発明の一実施例のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造の斜視図である。
【図５】図４で、セル電圧モニターが燃料電池スタックの側面に取付けられた場合の、斜視図である。
【図６】燃料電池スタックの、セル積層方向と直交する方向から見た、側面図である。
【図７】燃料電池スタックの単セルの一部分の断面図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２、１５ 触媒層
１３、１６ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１９ セル
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト
２６ 冷媒流路（冷却水流路）
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 金属板
２９ａ、２９ｂ 溝
３０ 樹脂フレーム
３０ａ 第１の溝
３０ｂ 第２の溝
３０ｃ 爪係合凹部
３１ セル電圧モニター
３２ 端子
３２ａ 第１の脚
３２ｂ 第２の脚
３２ｃ 折れ曲がり部
３２ｄ 一対のアーム
３３ ハウジング
３３ａ 柱
３３ｂ 第１の脚
３３ｃ 第２の脚
３３ｄ 先端
３３ｅ 中間部
３３ｆ 反対側端部
３３ｇ 端子保持部
３３ｈ 蓋
３３ｉ 爪
３３ｊ 仕切板
３４ コンタクト部
３５ 抜け止め部
３６ 導線
３７ スリット
Claims (3)
- 複数のセル電圧モニターが燃料電池スタックに取付けられており、
各セル電圧モニターは燃料電池スタックに固定される１つのハウジングとそのハウジングで保持された１つ以上の端子を有し、
各セル電圧モニターの１つ以上の端子はそのセル電圧モニターのハウジング内で端子同士互いに並列にかつ燃料電池スタックのセル積層方向に列状に配置されており、
各セル電圧モニターに１つづつ設けられた複数のハウジングは燃料電池スタックの側面に千鳥状に配置されている、
セル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造。 - 燃料電池スタックの各セルに、前記ハウジングの千鳥状の配置の左右の両方の列に対して、セル電圧モニターを取り付けるためのセル電圧モニター取付け部を設けた請求項１記載のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造。
- 燃料電池スタックの各セルは金属板を含むセパレータを有する請求項１または請求項２記載のセル電圧モニターの燃料電池スタックへの取付け構造。
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