JP2005122911A - 燃料電池のセル電圧検出端子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接触しているセパレータ間の隙間発生を許容でき、抜け出し防止に好適な燃料電池のセル電圧検出端子装置を提供する。
【解決手段】端子取付穴１５を、隣接するセル１１同士の背面同士が接触する一方のセパレータ１３の接触面１３Ａに、その周縁１３Ｂに溝端を開口させて形成した溝部１６と、他方のセパレータ１４の接触面１４Ａに、その周縁１４Ｂから離れた位置において前記溝部１６の空間と連通させて形成した凹部１８とにより形成し、前記凹部１８が端子２５のかえし部３０を収容可能であり、前記凹部１８とそのセパレータ１４の周縁１４Ｂとの間にセパレータ１４の背面１４Ａによる顎部１９を備えるようにし、端子２５を、弾性変形により前記顎部１９を越えることが可能となるかえし部２６を備え、かえし部２６が顎部１９を越えた後にセル積層方向に弾性復帰することにより凹部１８内に抜け止めされるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池のセル電圧検出端子装置に関し、特に、燃料電池を構成する各セルの電圧を検出するために用いる端子と、それが取り付けられるセル側の端子取付部の構造に関するものである。

従来から燃料電池運転時に各セルが正常な状態にあるかどうかを知るため、各セルの電圧を測定するセル電圧検出端子装置が提案されている（特許文献１参照）。

これは、セパレータに形成する端子取付穴を、その内壁に凸部を突出させることによって、入口部よりも狭い狭小部を形成し、端子取付穴に挿入されるセル電圧検出端子を、弾性変形時に狭小部を越えることが可能なかえし部を設け、かえし部が狭小部を越えた後に弾性復帰することによって凸部と噛み合って抜け止めされるようにして、簡単な構造で良好な端子接続状態を維持するよう構成している。
特開２００１−２５６９９１号公報

しかしながら、上記従来例では、端子取付穴を互いに接触するセパレータの一方の接触面を部分的に窪まして形成した凹部と他方の接触面とで形成し、セル電圧検出端子のかえし部はセパレータの互いの接触面に沿う方向に端子取付穴内で弾性復帰するよう挿入されるものであるため、接触しているセパレータ同士の間に振動や経年変化でセパレータの欠損などによる隙間が発生すると、その隙間にセル電圧検出端子が入り込んだり、振動によりセル電圧検出端子が抜け出る虞があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、接触しているセパレータ間の隙間発生を許容でき、抜け出し防止に好適な燃料電池のセル電圧検出端子装置を提供することを目的とする。

本発明は、端子取付穴を、隣接するセル同士の背面同士が接触する一方のセパレータの接触面に、セパレータの周縁に溝端を開口させて形成した溝部と、他方のセパレータの接触面に、そのセパレータの周縁から離れた位置において前記溝部の空間と連通させて形成した凹部とにより形成して、前記凹部が端子のかえし部を収容可能であり、前記凹部と凹部を備えたセパレータの周縁との間にセパレータの背面による顎部を備えるよう構成し、端子は、弾性変形により前記顎部を越えることが可能となるかえし部を備えると共に、前記かえし部が前記顎部を越えた後にセル積層方向に弾性復帰することによって前記凹部内に抜け止めされるようにした。

したがって、本発明では、端子取付穴を、隣接するセル同士の背面同士が接触する一方のセパレータの接触面に、セパレータの周縁に溝端を開口させて形成した溝部と、他方のセパレータの接触面に、そのセパレータの周縁から離れた位置において前記溝部の空間と連通させて形成した凹部とにより形成して、前記凹部が端子のかえし部を収容可能であり、前記凹部と凹部を備えたセパレータの周縁との間にセパレータの背面による顎部を備えるよう構成し、端子は、弾性変形により前記顎部を越えることが可能となるかえし部を備えると共に、前記かえし部が前記顎部を越えた後にセル積層方向に弾性復帰することによって前記凹部内に抜け止めされるようにした。このため、端子取付穴は、溝部と凹部による非常に簡単な構造とでき、応力が特に集中するような箇所も無く、振動や経年変化による欠損を生じにくく、信頼性の高いものとすることができる。また、仮に振動や経年変化により万一端子取付穴の内部に欠損が生じたとしても、かえし部の弾性反力が積層方向に加わっているため、すぐに端子の接続性を損なうということが無く、端子はかえし部の弾性反力により抜けることなく、良好な接続を保持することができる。

以下、本発明の燃料電池のセル電圧検出端子装置を各実施形態に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１および図２は、本発明を適用した燃料電池用セル電圧検出端子装置の第１実施形態を示し、図１は燃料電池のセル電圧検出端子装置の要部を示す斜視図、図２は同装置の断面図である。

図１、２において、固体高分子型の燃料電池スタック１０が示されており、この燃料電池スタック１０は多数の単セル１１を積層させて構成される。各単セル１１は、固体高分子膜の両面に燃料極及び空気極をそれぞれ接合して形成される膜・電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と称する）１２と、このＭＥＡ１２を両側から挟持するセパレータ１３、１４とを備えて構成される。

セパレータ１３、１４は、ガスを透過させない緻密質のカーボン板や金属板からなり、その正面、すなわち、セル構成時にＭＥＡ１２に面することとなる面には、凹溝状のガス流路（図示略）が形成されている。そして、燃料極に接するセパレータ１３（１４）のガス流路に水素が供給されると共に、空気極に接するセパレータ１４（１３）のガス流路に空気が供給されることによって、これら電極間で電気化学反応に基づく発電を行う。

燃料電池スタック１０の構成時に隣り合わせにされる単セル１１の互いの背面が接触するセパレータ１３、１４の間に、周縁１３Ｂに端子挿入口１７が開口する端子取付穴（凹部）１５を形成する。

前記端子取付穴１５は、互いに接触するセパレータ１３、１４の一方のセパレータ１３（１４）の接触面（背面）１３Ａ（１４Ａ）に周縁（上側の周縁）１４Ｂ（１３Ｂ）から直角方向に形成した溝部１６と、周縁（上側の周縁）１４Ｂ（１３Ｂ）から離れた部分で前記溝部１６と共に空間を形成するように他方のセパレータ１４（１３）の接触面（背面）１４Ａ（１３Ａ）に形成した凹部１８とで構成している。

一方のセパレータ１３（１４）に形成する溝部１６は、図２にも示すように、上方の周縁１３Ｂ（１４Ｂ）に開口する溝部１６の開口形状が周縁１３Ｂ（１４Ｂ）からそのままの形状で延長して形成され、その幅は、挿入される端子２５の素材の太さより若干大きく形成している。また、他方のセパレータ１４（１３）に形成される凹部１８の幅は、前記溝部１６の幅より若干幅広に形成される。

端子取付穴１５は、図２に示すように、溝部１６と凹部１８とがセパレータ１３、１４の背面同士を接触させてスタック１０に形成されると、端子挿入口１７が他方のセパレータ１４（１３）背面の凹部１８が設けられていない部分（顎部）１９により括れ部２０を形成し、上方周縁１４Ｂ（１３Ｂ）から離れて奥まった部分において、凹部１８によりスタック積層方向に膨らんだかえし部収容部２１を備える形状となる。

セル電圧検出端子（端子）２５は、導電性を有する銅やステンレス等の線材からなり、先端側に前記端子取付穴１５の内壁に係合する（噛み合う）ように折り返し形成されたヘアピン型の差込部２６を備えており、根元側はセル電圧測定用の回路基板２８に固定されている。

差込部２６は、折り返し部２９を起点にスタック１０積層方向に延びて弾性揺動可能なかえし部３０と、前記かえし部３０から延在し、当該差込部２６が端子差込穴１５に挿入された状態で端子挿入口１７からセパレータ１３（１４）の上側周縁１３Ｂ（１４Ｂ）に突出する余長部３１とを備えている。また、セル電圧検出端子２５の中間付近には、セル１１と回路基板２８間の相対変位を吸収するための屈曲部（可撓部）２７が設けられている。

セル電圧検出端子２５をセル１１（セパレータ１３、１４）に接続するときは、端子差込穴１５の上方に差込部２６を位置決めして差込部２６を上から押す。すると、端子差込穴１５に対応して楔状をなす差込部２６が弾性変形しながら差し込まれていく。差込部２６が顎部１９による括れ部２０を越える際には、かえし部３０が折り返し部２９を概ね起点として凹部１８側に弾性変形するため、弾性変形前は括れ部２０よりも幅広な差込部２６も容易に括れ部２０を越えることができる。

差込部２６が所定の位置まで差し込まれると、括れ部２０を越えるために弾性変形させられていたかえし部３０が、折り返し部２９を概ね起点として前記凹部１８内面に沿う方向に弾性復帰することによって端子差込穴１５内の凹部１８の上部面を構成する顎部１９と接しつつ噛み合い、セル電圧検出端子２５は振動等ではセル１１から抜けないように接続される。

このとき、セル電圧検出端子２５はかえし部３０が元の形に戻ろうとして生じる弾発力によって常にセル１１の凹部１８で形成する顎部１９と接触するため、抜け止めはもとより、良好な接触状態も確保される。

燃料電池運転時は、セル電圧検出端子２５の中間付近に設けた屈曲部２７が伸縮することでセル電圧検出端子２５の利用される長さが変わり得る構成になっているため、回路基板２８とセル１１との相対変位を吸収することができる。

なお、複数のセル電圧検出端子２５を複数のセル１１に同時接続するときは、予め複数のセル電圧検出端子２５を、燃料電池スタック１０が加圧等されていないときのセル１１間の間隔に合わせて、固定しておいた回路基板２８を利用する。そして、この回路基板２８を、燃料電池スタック１０に対して、セル電圧検出端子２５の差込部２６が端子差込穴１５に軽く差し込まれた状態となるように仮位置決めし、次いで、差込部２６が端子差込穴１５に深く差し込まれるようにする。

また、セル電圧検出端子２５をセル１１から取り外す時は、端子挿入口１７からセパレータ１３、１４の周縁１４Ｂ（１３Ｂ）に突出している余長部３１を前記スタック１０積層方向方向に押しながら、回路基板２８を燃料電池スタック１０から離間させることによって、セル電圧検出端子２５をセル１１から切り離すことができる。

以上のように、本実施の形態による燃料電池用セル電圧検出端子装置によれば、セル電圧検出端子２５に設けた差込部２６のバネ作用を利用してセル電圧検出端子２５を簡単かつ確実にセル１１に接続し得ると共に、差込部２６の弾発力によって接触不良をも効果的に防止することができる。

しかも、端子取付穴１５は、一方のセパレータ１３（１４）の背面１３Ａ（１４Ａ）に設けた溝部１６と他方のセパレータ１４（１３）背面１４Ａ（１３Ａ）に設けた凹部１８とにより形成され、非常に簡単な構造であり、応力が特に集中するような箇所も無いため、振動や経年変化による欠損も生じにくく、信頼性も高い。しかも、振動や経年変化により万一、端子取付穴１５の内部に欠損が生じたとしても、バネ性の弾性反力がかかるのは積層方向であり、従来例のように構造的に欠損が生じやすい箇所が破損された場合にすぐに端子の接続性を損なうということが無く、端子２５はバネ性の弾性反力により抜けることなく、良好な接続を保つことが可能である。

しかも、セル電圧検出端子２５の途中に設けた屈曲部２７によって、回路基板２８とセル１１との間に生じる相対変位を吸収し得るようにしたので、燃料電池運転時のセル１１の位置変化を考慮する必要がなくなり、回路基板２８の燃料電池スタック１０への組み付けが容易になる。さらに、セル電圧検出端子２５のかえし部３０を端子取付穴１５の凹部１８と噛み合わせることによって、一度接続したセル電圧検出端子２５は接続解除動作を行わない限り、容易に外れることがなくなる。

また、セル電圧検出端子２５は、端子取付穴１５に挿入された状態で、挿入口１７からセパレータ１４（１３）の周縁１４Ｂ（１３Ｂ）に突出するよう、かえし部３０から延在した余長部３１を備えるため、余長部３１を操作することによって、かえし部３０と凹部１８との噛み合わせを容易に解除することが可能であるから、端子２５の取り外し作業を無理なく簡単に行える。

さらに、セル電圧検出端子２５のかえし部３０と嵌合する端子取付穴１５の凹部１８の巾が溝部１６より広く形成されているため、セル１１のスタッキングを行う場合に、接触するセパレータ１３、１４の溝部１６と凹部１８とを合わせて端子取付穴１５を形成する際に、溝部１６および凹部１８の必要加工精度やセパレータ１３、１４同士を合わせるときの必要位置決め精度を緩和することが可能となる。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）端子取付穴１５を、隣接するセル１１同士の背面同士が接触する一方のセパレータ１３（１４）の接触面１３Ａ（１４Ａ）に、セパレータ１３（１４）の周縁１３Ｂ（１４Ｂ）に溝端を開口させて形成した溝部１６と、他方のセパレータ１４（１３）の接触面１４Ａ（１３Ａ）に、そのセパレータ１４（１３）の周縁１４Ｂ（１３Ｂ）から離れた位置において前記溝部１６の空間と連通させて形成した凹部１８とにより形成して、前記凹部１８が端子２５のかえし部２９を収容可能であり、前記凹部１８と凹部１８を備えたセパレータ１４（１３）の周縁１４Ｂ（１３Ｂ）との間にセパレータ１４（１３）の背面による顎部１９を備えるよう構成し、端子２５は、弾性変形により前記顎部１９を越えることが可能となるかえし部３０を備えると共に、前記かえし部３０が前記顎部１９を越えた後にセル積層方向に弾性復帰することによって前記凹部１８内に抜け止めされるようにした。

このため、端子取付穴１５は、溝部１６と凹部１８による非常に簡単な構造とでき、応力が特に集中するような箇所も無く、振動や経年変化による欠損を生じにくく、信頼性の高いものとすることができる。また、仮に振動や経年変化により万一端子取付穴１５の内部に欠損が生じたとしても、かえし部３０の弾性反力が積層方向に加わっているため、すぐに端子２５の接続性を損なうということが無く、端子２５はかえし部３０の弾性反力により抜けることなく、良好な接続を保持することができる。

（イ）セル電圧検出端子２５は、前記セパレータ１３、１４からの検出電圧を測定する回路基板２８に両者の相対変位を許容する可撓部としての屈曲部２７を介して接続されるため、回路基板２８とセル１１との間に生じる相対変位を吸収し、また、燃料電池運転時のセル１１の位置変化を考慮する必要がなくなり、回路基板２８の燃料電池スタック１０への組み付けが容易になる。

（ウ）セル電圧検出端子２５は、前記端子取付穴１５に挿入された状態で、前記顎部１９から前記セパレータ１４（１３）の周縁１４Ｂ（１３Ｂ）に突出するよう、前記かえし部３０から延在した余長部３１を備えるため、余長部３１を操作することによって、かえし部３０と凹部１８との噛み合わせを容易に解除することが可能であるから、端子２５の取り外し作業を無理なく簡単に行える。

（エ）セパレータ１４（１３）の凹部１８の幅は、それと向かい合う前記セパレータ１３（１４）の溝部１６の幅よりも大きく形成したため、セル１１のスタッキングを行う場合に、接触するセパレータ１３、１４の溝部１６と凹部１８とを合わせて端子取付穴１５を形成する際に、溝部１６および凹部１８の必要加工精度やセパレータ１３、１４同士を合わせるときの必要位置決め精度を緩和することが可能となる。

（第２実施形態）
図３および図４は、本発明を適用した燃料電池のセル電圧検出端子装置の第２実施形態を示し、図３は燃料電池のセル電圧検出端子装置の要部を示す斜視図、図４は同装置の断面図である。本実施形態においては、端子取付穴およびセル電圧検出端子をセパレータの周縁に対して傾斜させて形成したものである。なお、図１および図２と同一装置には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。

図３および図４において、端子取付穴３５は、互いに接触するセパレータ１３、１４の一方のセパレータ１３の接触面（背面）１３Ａに周縁（上側の周縁）１３Ｂから傾斜させて形成した溝部３６と、周縁（上側の周縁）１４Ｂから離れた部分で前記溝部３６と共に空間を形成するように他方のセパレータ１４の接触面（背面）１４Ａに形成した凹部３８とで構成している。この凹部３８も前記溝部３６と同様に傾斜され、その幅は前記溝部３６の幅より若干幅広に形成される。

端子取付穴３５は、図４に示すように、溝部３６と凹部３８とがセパレータ１３、１４の背面１３Ａ、１４Ａ同士を接触させてスタック１０に形成されると、端子挿入口１７が他方のセパレータ１４背面１４Ａの凹部３８が設けられていない部分（顎部３９）により括れを形成し、上方周縁１４Ｂから離れて奥まった部分において、凹部３８によりスタック積層方向に膨らんだかえし部収容空間を備える形状となる。

セル電圧検出端子（端子）４５の差込部４６は、前記端子取付穴３５と同様の角度で傾斜させて構成しており、第１実施形態と同様に、折り返し部４７を起点にスタック積層方向に延びて弾性揺動可能なかえし部４８と、かえし部４８から延在し、当該差込部４６が端子差込穴３５に挿入された状態で端子挿入口３７からセパレータ１４の上側周縁１４Ｂに突出する余長部４９とを備えている。

このセル電圧検出端子４５においても、差込部４６が所定の位置まで差し込まれると、顎部３９による括れを越えるために弾性変形させられていたかえし部４８が、折り返し部４７を概ね起点として前記凹部３８内面に沿う方向に弾性復帰することによって端子差込穴３５内の凹部３８の上部側面である顎部３９と接しつつ噛み合い、セル電圧検出端子４５は振動等ではセル１１から抜けないように接続される。このとき、セル電圧検出端子４５はかえし部４８が元の形に戻ろうとして生じる弾発力によって常にセル１１の凹部３８で形成する顎部３９と接触するため、抜け止めはもとより、良好な接触状態も確保される。

このセル電圧検出端子装置では、端子取付穴３５がセパレータ１３、１４の周縁１３Ｂ、１４Ｂに対して傾斜して形成しているため、端子取付穴３５のセパレータ周縁１３Ｂ、１４Ｂからの深さを浅くすることができる。従って、セパレータ１３、１４同士の接触面１３Ａ、１４Ａ同士の間に配置する冷却流路等の配置面積を大きくでき、結果として、単セル１１当りの反応面積を大きくすることが可能となり、燃料電池スタック１０の体積比出力を向上させることが可能となる。

また、このセル電圧検出端子装置では、端子取付穴３５をセパレータ１３、１４の周縁１３Ｂ、１４Ｂに対して傾斜させることにより、端子取付穴３５のセパレータ周縁１３Ｂ、１４Ｂへの開口部に鋭角な部分が形成される。端子の差込部の弾発力がセル積層方向と直交する従来の端子構造では、図５に示すように、弾発力が端子取付穴のセパレータ周縁への開口部の鋭角な部分１０３に作用して端子取付穴が破損されやすいものとなる。しかしながら、本実施形態では、検出端子４５の差込部４６のかえし部４８および余長部４９による弾発力はセル積層方向に作用し、前記鋭角部分には直接作用しない。このため、端子取付穴３５が端子４５により破損することも防止できる。

本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（エ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。

（オ）端子取付穴３５は、セパレータ周縁１３Ｂ、１４Ｂに対して傾斜して形成したため、端子取付穴３５のセパレータ周縁１３Ｂ、１４Ｂからの深さを浅くでき、セパレータ１３、１４同士の接触面１３Ａ、１４Ａ同士の間に配置する冷却流路等の配置面積を大きくでき、単セル１１当りの反応面積を大きくすることが可能となり、燃料電池スタック１０の体積比出力を向上させることができる。

（カ）しかも、端子取付穴３５をセパレータ周縁１３Ｂ、１４Ｂに対して傾斜して形成することにより、端子取付穴３５のセパレータ周縁１３Ｂ、１４Ｂへの開口部に鋭角な部分が形成されるが、検出端子４５の差込部４６のかえし部４８および余長部４９による弾発力はセル積層方向に作用するため、前記鋭角部分には直接作用せず、端子取付穴３５が端子４５により破損することを防止できる。よって長期にわたって安定して、良好な接続状態を保つことが可能となる。

本発明の一実施形態を示す燃料電池のセル電圧検出端子装置の要部を示す斜視図。 同じく同装置の断面図。 本発明の第２実施形態を示す燃料電池のセル電圧検出端子装置の要部を示す斜視図。 同じく同装置の断面図。 第２実施形態の比較例のセル電圧検出装置を示す断面図。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１１ セル、単セル
１２ ＭＥＡ
１３、１４ セパレータ
１５、３５ 端子取付穴
１６、３６ 溝部
１７、３７ 挿入口
１８、３８ 凹部
１９、３９ 顎部
２０ 括れ部
２５、４５ 端子、セル電圧検出端子
２６、４６ 差込部
２７ 屈曲部（可撓部）
２８ 回路基板
２９、４７ 折り返し部
３０、４８ かえし部
３１、４９ 余長部

Claims (5)

1. 燃料電池のセパレータに形成された端子取付穴と、前記セパレータから電圧を検出するために前記端子取付穴に挿入される端子と、を備えた燃料電池のセル電圧検出端子装置であって、
   前記端子取付穴を、隣接するセル同士の背面同士が接触する一方のセパレータの接触面に、セパレータの周縁に溝端を開口させて形成した溝部と、他方のセパレータの接触面に、そのセパレータの周縁から離れた位置において前記溝部の空間と連通させて形成した凹部とにより形成して、前記凹部が端子のかえし部を収容可能であり、前記凹部と凹部を備えたセパレータの周縁との間にセパレータの背面による顎部を備えるよう構成し、
   前記端子は、弾性変形により前記顎部を越えることが可能となるかえし部を備え、前記かえし部が前記顎部を越えた後にセル積層方向に弾性復帰することによって前記凹部内に抜け止めされることを特徴とする燃料電池のセル電圧検出端子装置。
2. 前記端子は、前記セパレータからの検出電圧を測定する回路基板に両者の相対変位を許容する可撓部を介して接続されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池のセル電圧検出端子装置。
3. 前記端子は、前記端子取付穴に挿入された状態で、前記顎部から前記セパレータの周縁に突出するよう、前記かえし部から延在した余長部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池のセル電圧検出端子装置。
4. 前記端子取付穴は、セパレータ周縁に対して傾斜して形成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池のセル電圧検出端子装置。
5. 前記セパレータの凹部の幅は、それと向かい合う前記セパレータの溝部の幅よりも大きく形成したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池のセル電圧検出端子装置

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