JP2004087163A

JP2004087163A - セル電圧モニターの燃料電池への取付け構造

Info

Publication number: JP2004087163A
Application number: JP2002243045A
Authority: JP
Inventors: Akira Aoto; 青砥　晃; Ryuichi Komiyama; 小宮山　隆一
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-23
Also published as: JP4098582B2

Abstract

【課題】抜け止めに対する信頼性の高い、セル電圧モニターの燃料電池への取付け構造の提供。
【解決手段】（１）金属板２９にてガス流路部を形成するとともに外周部に樹脂フレーム３０を有する燃料電池にセル電圧モニター３１を取付ける構造であって、セル電圧モニターの金属板とのコンタクト部３４を金属板２９部位に設け、セル電圧モニターの燃料電池からの抜け止め部３５を樹脂フレーム３０に設けた。（２）コンタクト部３４と抜け止め部３５を別の位置に設けた。（３）セル電圧モニター３１を燃料電池スタック２３の側面に配置した。（４）端子３２にスリット３７を形成した。
【選択図】　　　　図１

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）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：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード側：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
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ードをかけるために、セル電圧がモニタされる。
特開２００１−２５６９９１は、セル電圧モニターの、燃料電池への取付け構造および抜け止め防止構造を開示している。そこでは、カーボンセパレータに狭小部をもつ端子取付け穴を設け、端子に狭小部より大のかえし部を設け、かえし部が狭小部を越える位置まで端子を端子取付け穴に挿入して、弾性復帰したかえし部を狭小部と係合させ、抜け止めをはかるようになっている。
【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への取付け構造には、つぎの課題がある。
メタルセパレータの場合はその厚さが薄く、従来構造のように端子取付け穴をセパレータ内部に形成することができないため、従来構造を適用できない。
また、メタルセパレータの引っ掛け部を作っても薄くて剛性が小さいため、端子を引っ掛けた時にセパレータが変形するおそれがあり、抜け止めの信頼性が低い。
本発明の目的は、メタルセパレータをもつ燃料電池へのセル電圧モニター取付けに適用でき、かつ抜け止めに対する信頼性の高い、セル電圧モニターの燃料電池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）　金属板にてガス流路部を形成するとともに外周部に樹脂フレームを有する燃料電池にセル電圧モニターを取付ける構造であって、前記セル電圧モニターの前記金属板とのコンタクト部を前記金属板部位に設け、前記セル電圧モニターの前記燃料電池からの抜け止め部を前記樹脂フレームに設けたセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造。
（２）　前記コンタクト部と前記抜け止め部を別の位置に設けた（１）記載のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造。
（３）　前記セル電圧モニターを燃料電池スタックの側面に配置した（１）記載のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造。
（４）　前記セル電圧モニターがハウジングと端子を有し、前記端子にスリットを形成した（１）記載のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造。
【０００５】
上記（１）のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造では、樹脂フレームに抜け止め部を設けたので、セパレータ金属板が薄くても、抜け止め部は剛性が高く信頼性が高い。
上記（２）のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造では、コンタクト部と抜け止め部を別の位置に設けたので、抜け止め部の高い剛性および大きな強度と、コンタクト部の良好な導電性とを、両立させることができる。同じ位置に設けると、どちらかが他方の犠牲になる。
上記（３）のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造では、セル電圧モニターを燃料電池スタックの側面に配置したので、スタックの高さが限られた場合でも本取付け構造は有効であり、搭載自由度が高い。
上記（４）のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造では、端子にスリットを設けたので、セル積層方向バラツキ、熱膨張収縮によるセルピッチバラツキを、端子自身のスリットによる首振りにて補うことができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図７を参照して説明する。
本発明の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１８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１９毎に、または複数のセル１９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、中央部にガス流路２７、２８部を形成する金属板２９と、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。プラス側の金属板とマイナス側の金属板との間に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とマイナス側の金属板との間に電解質膜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とは中央部で接触していて、電位差はない。
【００１０】
各セル１９毎に、あるいは複数のセル１９毎に、セル電圧モニター３１が取付けられる。
セル電圧モニター３１は、ハウジング３３と、ハウジング３３に保持される１以上の端子３２と、を有する。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がスタック２３に取り付けられた場合を示している。
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。
【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セルの厚さ分の間隔があり、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。
【００１２】
図１に示すように、金属板２９にてガス流路部を形成するとともに外周部に樹脂フレーム３０を有する燃料電池１０にセル電圧モニター３１を取付ける構造において、セル電圧モニター３１の、金属板２９とのコンタクト部３４が、金属板２９部位に設けられており、セル電圧モニター３１の燃料電池からの抜け止め部３５が、樹脂フレーム３０部位に設けられている。
セル電圧モニター３１の、金属板２９とのコンタクト部３４と、セル電圧モニター３１の燃料電池からの抜け止め部３５とは、互いに別の位置に設けられている。
【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とは別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の燃料電池からの抜け止め部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】
燃料電池スタック２３が、セル積層方向を水平方向に向けて車両に搭載される場合、図５に示すように、セル電圧モニター３１は燃料電池スタック２３の側面に配置されることが望ましい。ただし、スタック２３の上面または下面に配置されてもよい。
【００１８】
セル電圧モニター３１の端子３２にはスリット３７が形成されている。スリット３７は、端子３２のＬ字の折れ曲がり部３２ｃと一対のアーム３２ｄとの間の部分に形成されている。スリット３７は第１の脚３２ａに平行な面内に切られていて、スリット３７よりも第１の脚３２ａ側の部分を一対のアーム３２ｄがある部分に対して、スタック２３のセル積層方向に、首振り可能にする。
【００１９】
つぎに、本発明のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造の作用を説明する。
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。
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抜け止め部３５を設けたので、セパレータ金属板２９が薄くても、抜け止め部３５は剛性が高く抜け止めの信頼性が高い。
【００２０】
また、コンタクト部３４と抜け止め部３５を別の位置に設けたので、樹脂フレーム３０の方に強度部材の役割をもたせ、セパレータ金属板２９の方は導電性、熱伝導性の役割をもたせ強度部材としての役割をもたせないで済む。その結果、抜け止め部３５の高い剛性および大きな強度と、コンタクト部３４の良好な導電性とを、両立させることができる。コンタクト部と抜け止め部を同じ位置に設けると、どちらかが他方の犠牲になるが、それを防止することができる。
【００２１】
また、セル電圧モニター３１を、セル積層方向を水平方向に向けて車両に搭載される燃料電池スタック２３の側面に配置した場合には、スタック２３の高さが限られた場合でも本発明のセル電圧モニター３１のスタック２３への取付け構造は有効であり、搭載自由度が高い。
また、端子３２にスリット３７を設けたので、セル積層方向バラツキ、熱膨張収縮によるセルピッチバラツキを、端子３２自身の、スリット３７による、セル積層方向の首振りにて吸収することができる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造によれば、樹脂フレームに抜け止め部を設けたので、抜け止め部は剛性が高く信頼性が高い。
請求項２のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造によれば、コンタクト部と抜け止め部を別の位置に設けたので、抜け止め部の高い剛性および大きな強度と、コンタクト部の良好な導電性とを、両立させることができる。
請求項３のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造によれば、セル電圧モニターを燃料電池スタックの側面に配置したので、スタックの高さが限られた場合でも本発明の取付け構造は有効であり、搭載自由度が高い。
請求項４のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造によれば、端子にスリットを設けたので、セル積層方向バラツキ、熱膨張収縮によるセルピッチバラツキを、端子自身のスリットによる首振りにて吸収することができる。
【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】図１のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造の斜視図である。
【図５】図１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、セル積層方向に見た正面図である。
【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
３４　コンタクト部
３５　抜け止め部
３６　導線
３７　スリット

Claims

金属板にてガス流路部を形成するとともに外周部に樹脂フレームを有する燃料電池にセル電圧モニターを取付ける構造であって、前記セル電圧モニターの前記金属板とのコンタクト部を前記金属板部位に設け、前記セル電圧モニターの前記燃料電池からの抜け止め部を前記樹脂フレームに設けたセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造。
前記コンタクト部と前記抜け止め部を別の位置に設けた請求項１記載のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造。
前記セル電圧モニターを燃料電池スタックの側面に配置した請求項１記載のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造。
前記セル電圧モニターがハウジングと端子を有し、前記端子にスリットを形成した請求項１記載のセル電圧モニターの燃料電池への取付け構造。