JP2005267959A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】 セル電圧検出用端子の取出部におけるシール性を向上する。
【解決手段】 複数積層されたセパレータ２を備える燃料電池スタックであって、セパレータ２から延びる端子３と、端子３を挿通させるための複数の貫通孔２１が形成されたパッキン２０と、パッキン２０の側面を包囲し且つパッキン２０の下面２２を支持するパッキン収納凹部１２を有するとともに端子３を挿通させるための貫通孔１３を有するパッキンケーシング１１と、パッキン２０の上面を押圧する押圧面３２ａを有するコネクタハウジング３０と、を備え、パッキン２０の上面には各貫通孔２１の開口周縁を頂部２５ａとする山形形状の突部２５が設けられ、コネクタハウジング３０の押圧面３２ａは突部２５の側面に沿う形状をなしていて、パッキン２０の貫通孔２１の内面と端子３の外面が隙間なく接触している。
【選択図】 図８

Description

この発明は、燃料電池スタックに関し、特に、各セルの電圧測定に用いられる端子周りの防水構造に関するものである。

燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体を一対のセパレータで挟持してセル（単位燃料電池）とするものがあり、この種の燃料電池では、一般に、セルを複数積層して燃料電池スタックとして用いる。
この燃料電池では、アノード電極に燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソード電極に酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）を供給すると、アノード電極で水素ガスがイオン化して固体高分子電解質中を移動し、電子は、外部負荷を通ってカソード電極に移動し、酸素と反応して水を生成する。この一連の電気化学反応により電気エネルギを取り出すことができる。

この種の燃料電池では、運転時において各セルが正常な状態にあるか否かを判別するために、各セルを構成するセパレータ間の電圧（以下、セル電圧という）の測定を行い各セルの発電状態を管理している。
セル電圧検出回路に接続されたリード線とセパレータとを接続する従来技術としては、例えば、特許文献１に記載されているように、セパレータに形成された端子に、リード線の先端に設けたソケット状のコネクタを差し込む構造のものが知られている。
特開平１１−３３９８２８号公報

ところで、燃料電池では、外部から進入する水分によるセル間の短絡を回避するために、前記端子周りに防水処理を施さなければならない。しかしながら、積層されたセパレータの数に等しい多数の端子毎に個別に防水部材を設けるのは、煩雑を極め、生産性が悪い。
そこで、この発明は、端子毎に個別に防水部材を設けることなく、複数の端子からなる端子群をまとめて防水することができ、且つ、シール性に優れた防水機構を備えた燃料電池スタックを提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、複数積層されたセパレータ（例えば、後述する実施例におけるセパレータ２）を備える燃料電池スタック（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）であって、任意の前記セパレータから延びる端子（例えば、後述する実施例における端子３）と、前記端子を挿通させるための複数の貫通孔（例えば、後述する実施例における貫通孔２１）が形成されたパッキン（例えば、後述する実施例におけるパッキン２０）と、前記パッキンの側面（例えば、後述する実施例における側面２７）を包囲し且つ前記パッキンの下面（例えば、後述する実施例における下面２２）を支持するパッキン収納凹部（例えば、後述する実施例におけるパッキン収納凹部１２）を有するとともに前記端子を挿通させるための貫通孔（例えば、後述する実施例における貫通孔１３）を有するパッキンケーシング（例えば、後述する実施例におけるパッキンケーシング１１）と、前記パッキンの上面（例えば、後述する実施例における上面２３）を押圧する押圧面（例えば、後述する実施例におけるテーパ孔３２の内面３２ａ）を有するコネクタ部材（例えば、後述する実施例におけるコネクタハウジング３０）と、を備え、前記パッキンの貫通孔の内面と前記端子の外面が隙間なく接触していることを特徴とする。
このように構成することにより、パッキンの貫通孔と端子の間のシール性が向上し、また、端子を精確に位置決めして配列することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記パッキンが押圧される前から、前記パッキンの貫通孔の内面と前記端子の外面が隙間なく接触していることを特徴とする。
このように構成することにより、パッキンを押圧し圧縮したときに、パッキンの貫通孔の内面を端子の外面に強く圧接することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記パッキンの上面には前記各貫通孔の開口周縁を頂部（例えば、後述する実施例における頂部２５ａ）とする山形形状の突部（例えば、後述する実施例における突部２５）が設けられ、前記押圧面は前記突部の側面（例えば、後述する実施例における側面２５ｂ）に沿う形状をなしていることを特徴とする。
このように構成することにより、パッキンの突部とコネクタ部材の押圧面との接触面積（すなわち、シール部の面積）を大きくすることができる。また、パッキンの突部の側面はコネクタ部材の押圧面から斜め内方に向かう力を受けて圧縮するようになるので、パッキンの貫通孔の内面を端子の外面に、より強く圧接させることができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記突部の側面に稜線を有しないことを特徴とする。
このように構成することにより、パッキンを圧縮変形したときに、押圧面に対するパッキンの突部の追従性が良好になり、押圧面に対する密着性を高くすることができる。

請求項１または請求項２に係る発明によれば、パッキンの貫通孔と端子の間のシール性が向上する。また、端子を精確に位置決めして配列することができるので、端子をコネクタ部材のコネクタに接続するのが容易になる。。
請求項３に係る発明によれば、パッキンの突部とコネクタ部材の押圧面との接触面積（すなわち、シール部の面積）を大きくすることができ、また、パッキンの貫通孔の内面を端子の外面に、より強く圧接させることができるので、シール性がさらに向上する。。
請求項４に係る発明によれば、パッキンを圧縮変形したときに、押圧面に対するパッキンの突部の追従性が良好になり、押圧面に対する密着性を高くすることができて、シール性がさらに向上する。

以下、この発明に係る燃料電池スタックの実施例を図１から図１０の図面を参照して説明する。
図１に示すように、燃料電池スタック１は、図示しないスタックハウジング内に、図示しない膜電極構造体を挟み込むセパレータ２が複数積層されて構成されている。また、燃料電池スタック１は、隣り合うセパレータ２，２間の電圧を測定するためのコネクターユニット１０を備えている。

図２に示すように、セパレータ２は、その上端部から上方に向かって延びる板状の端子３を備えている。セパレータ２が積層された状態において、隣り合うセパレータ２，２では互いに端子３の設置位置がずれており、積層方向に列をなす二列の端子群３Ａ，３Ａに分けられている。これら端子３の基部３ａは樹脂で被覆され、先端部３ｂは金属面が露出していて、基部３ａが前記スタックハウジングの図示しない窓を挿通し、先端部３ｂをコネクタユニット１０に向かって突き出している。

コネクタユニット１０は、パッキンケーシング１１と、二つのパッキン２０，２０と、コネクタハウジング３０と、カバー４０とを備えている。
パッキンケーシング１１は前記スタックハウジングの上部に設置される部材であり、パッキンケーシング１１の上面１１ａには、端子群３Ａ，３Ａに対応する位置にセパレータ２の積層方向に沿って細長く形成されたパッキン収納凹部１２が、端子群３Ａと１対１の対応関係で設けられている。
また、図３はパッキンケーシング１１を天地逆にして見た図であり、パッキンケーシング１１の底面１１ｂには、各端子３に対応する位置に、底面１１ｂからパッキン収納凹部１２に貫通する貫通孔１３が、端子３と１対１の対応関係で設けられており、同一端子群３Ａにおいて隣接する貫通孔１３，１３の間にはブリッジ部１４が設けられている。ブリッジ部１４の上面（図３では下側に位置する面）はパッキン収納凹部１２の底面１２ａと面一に連なっている。なお、貫通孔１３は端子３を隙間を有して挿通可能な寸法に形成されており、下側がテーパ孔、上側がストレート孔になっている。

パッキン２０，２０は弾性材料で形成されており、それぞれパッキンケーシング１１のパッキン収納凹部１２に収納される。パッキン２０を構成する弾性材料としては、例えば、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ，ＦＦＫＭ）、アクリルゴム（ＡＣＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ，ＦＶＭＱ）、ウレタンゴム（ＡＵ，ＥＵ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、クロロスルフォン化ポリエチレン（ＣＳＭ）、エピクロルヒドリンゴム（ＣＯ，ＥＣＯ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、ノボルネンゴム（ＮＯＲ）、天然ゴム、その他熱可塑性エラストマー等を挙げることができる。

パッキン２０の平面形状および平面寸法はパッキン収納凹部１２にほぼ隙間なく収まるように設定されている。パッキン２０には、端子３を挿通させるための貫通孔２１が下面２２から上面２３に貫通して形成されており、この貫通孔２１は端子３と１対１の対応関係で設けられている。
図６〜図９に示すように、各貫通孔２１の下側部分は、端子３において樹脂被覆がされている基部３ａを挿通させるための下部貫通孔２１ａにされており、各貫通孔２１の上側部分は、端子３において金属面が露出する先端部３ｂを挿通させるための上部貫通孔２１ｂにされている。上部貫通孔２１ｂの横断面は下部貫通孔２１ａよりも小さく、また、下部貫通孔２１ａの横断面は端子３の基部３ａの横断面よりも若干小さく設定され、上部貫通孔２１ｂの横断面は端子３の先端部３ｂの横断面よりも若干小さく設定されている。また、下部貫通孔２１ａの下縁部は下方に向かって拡径するテーパ孔２１ｃとなっており、

また、図６、図７に示すように、パッキン２０の下面２２には、一本の突条からなるリップシール部２４が総ての貫通孔２１を取り囲むように環状に形成されている。
図４に示すように、パッキン２０の上面２３は、平坦部２６から山形形状をなす多数の突部２５が突出している構成されている。詳述すると、突部２５は、平坦な頂部２５ａとこれに末広がりに連なる４つの側面２５ｂからなる四角錐台形状（すなわち、頭を切った四角錐形状）をなし、各頂部２５ａの中央に上部貫通孔２１ｂが開口している。図６〜図９に示すように、下部貫通孔２１ａと上部貫通孔２１ｂとの境界は平坦部２６とほぼ同一高さに位置している。なお、パッキン２０をパッキン収納凹部１２をに収納したとき、パッキン収納凹部１２は、パッキン２０の側面２７を包囲し且つパッキン２０の下面２２を支持する。

コネクタハウジング３０は、パッキンケーシング１１の上に配置されてパッキン２０に押圧力を加えて圧縮させるためのものであり、平面形状および平面寸法はパッキンケーシング１１と同じにされている。
図５はコネクタハウジング３０を天地逆にして見た図であり、コネクタハウジング３０の底面３０ｂには、各端子群３Ａ，３Ａに対応する位置に、細長い突部３１，３１が互いに平行をなして設けられている。各突部３１の平面形状および平面寸法はパッキンケーシング１１のパッキン収納凹部１２に殆ど隙間なく挿入可能に設定されている。各突部３１の底面３１ａ（図５においては上側の面）には、各端子３に対応する位置に、パッキン２０の突部２５における側面２５ｂに沿った形状をなし底面３１ａ側を拡径させたテーパ孔３２が設けられ、テーパ孔３２の上部にストレート孔３３が連なっている。このテーパ孔３２の内面３２ａはパッキン２０の突部２５における側面２５ｂを押圧する押圧面となる。ストレート孔３３は、コネクタハウジング３０の上面３０ａに設けられたコネクタ収納凹部３４に開口している。また、突部３１は、隣接するテーパ孔３２，３２間にブリッジ部３５を有している。

図２に示すように、コネクタハウジング３０のコネクタ収納凹部３４には、コネクタホルダ３６に支持された多数のコネクタ３７が収納される。コネクタ３７は各ストレート孔３３に対応する位置に配置され、図示しない電圧測定回路基板に接続される。コネクタユニット１０が正しく設置されたときには、各セパレータ２の端子３の先端部３ｂが各コネクタ３７に接続される。
カバー４０はコネクタハウジング３０の上に設置してコネクタ収納凹部３４を塞ぐもので、平面形状および平面寸法はコネクタハウジング３０と同じにされている。

次に、スタックハウジングへのコネクタユニット１０の取り付け手順を説明する。なお、この実施例では、予めコネクタハウジング３０のコネクタ収納凹部３４にコネクタ３７を固定しておくものとする。
まず、各セパレータ２の端子３をパッキンケーシング１１の各貫通孔１３に挿通するとともに、パッキンケーシング１１を図示しないスタックハウジングにねじで固定する。パッキンケーシング１１をスタックハウジングに固定すると、貫通孔１３を貫通した各端子３が、パッキンケーシング１１のパッキン収納凹部１２において上方に向かって突き出た状態になる。

次に、各端子３をパッキン２０の貫通孔２１に差し込みながら、パッキン２０をパッキン収納凹部１２に収納する。ここで、パッキン２０における貫通孔２１の横断面が端子３の横断面よりも若干小さいので、下部貫通孔２１ａの内面が端子３の基部３ａの外面に密接し、上部貫通孔２１ｂの内面が端子３の先端部３ｂの外面に密接する。図６および図７は、パッキン収納凹部１２にパッキン２０を収納完了したときの状態を示しており、このとき、パッキン収納凹部１２の底面１２ａがパッキン２０のリップシール部２４に接触してパッキン２０を下から支持し、パッキン収納凹部１２の内側面がパッキン２０の側面２７を包囲する。そして、パッキン２０の頂部２５ａがパッキンケーシング１１の上面１１ａよりも若干低く位置し、各貫通孔２１を貫通した各端子３の先端部３ｂがパッキンケーシング１１の上面１１ａよりも上方に突き出た状態になる。したがって、端子３において樹脂被覆されている基部３ａはパッキン２０の貫通孔２１内に留まり、パッキン２０から露出するのは、金属面が露出している先端部３ｂだけである。

次に、パッキン２０から突出する各端子３をコネクタハウジング３０のテーパ孔３２およびストレート孔３３に差し込みながら、コネクタハウジング３０の突部３１，３１をパッキンケーシング１１のパッキン収納凹部１２，１２に挿入し、突部３１のテーパ孔３２をパッキン２０の突部２５に被せる。なお、テーパ孔３２の内面３２ａは突部２５の側面２５ｂに沿った形状をなしているので、テーパ孔３２の内面３２ａが突部２５の側面２５ｂにほぼ均一に面接触する。なお、突部２５にテーパ孔３２が被せられた状態において、コネクタハウジング３０の下面３０ｂとパッキンケーシング１１の上面１１ａとの間に所定寸法の隙間が生じるように、突条３１の高さ寸法が予め設定されている。
また、突部２５にテーパ孔３２が被せられた状態においては、ストレート孔３３を貫通した各端子３がコネクタ収納凹部３４内において上方に向かって突き出た状態となり、この端子３の先端部３ｂにそれぞれコネクタ３７が接続される。

次に、コネクタハウジング３０の上にカバー４０を配置し、コネクタハウジング３０およびパッキンケーシング１１とともに、図示しないボルトによってスタックハウジングに締結する。これにより、コネクタハウジング３０の突部３１がパッキン２０を押圧し、パッキン２０が圧縮されて、図８および図９に示すように、コネクタハウジング３０の下面３０ｂがパッキンケーシング１１の上面１１ａに接触する。図８および図９は締結完了状態を示しているが、これら図ではコネクタ３７およびカバー４０を省略している。

この締結状態において、パッキン２０のリップシール部２４が圧縮され、下面２２と略面一になってパッキンケーシング１１のパッキン収納凹部１２の底面１２ａに強く圧接するので、貫通孔１３の周囲を確実にシールすることができ、外部から水分が、パッキン収納凹部１２の内面とパッキン２０の外面との間を通ってスタックハウジング内に浸入するのを確実に防止することができる。

また、リップシール部２４が圧縮された締結状態において、パッキン２０の下面２２がパッキン収納凹部１２の底面１２ａおよびブリッジ部１４に支持されており、コネクタハウジング３０のテーパ孔３２の内面３２ａがパッキン２０の突部２５の四方の側面２５ｂに面接触しながらパッキン２０を圧縮するので、パッキン２０の突部２５は四方の側面２５ｂのいずれにおいても斜め内方に向かう力で圧縮される。その結果、パッキン２０の貫通孔２１の内面が端子３の外面に、より強く圧接するので、貫通孔２１の周囲を確実にシールすることができ、外部から水分が、パッキン２０の貫通孔２１と端子３の間を通ってスタックハウジング内に浸入するのを確実に防止することができる。

また、パッキン２０の突部２５の側面２５ｂを傾斜させているので、側面２５ｂとテーパ孔３２の内面３２ａとの接触面積（すなわち、シール部の面積）を大きくすることができ、テーパ孔３２におけるシール性が高くなる。したがって、外部から水分が、コネクタハウジング３０のテーパ孔３２とパッキン２０の突部２５の間を通ってスタックハウジング内に浸入するのを確実に防止することができる。

このように、この実施例の燃料電池スタック１によれば、パッキンケーシング１１のパッキン収納凹部１２とパッキン２０の間、パッキン２０の貫通孔２１と端子３の間、コネクタハウジング３０のテーパ孔３２とパッキン２０の間を確実にシールすることができるので、外部からスタックハウジングへの水分の浸入を確実に防止することができ、セル間の短絡などスタックハウジング内での短絡を防止することができる。
また、一つのパッキン２０によって端子群３Ａを構成する複数の端子３をまとめてシールすることができるので、コネクタユニット１０の防水構造を簡単にすることができる。また、端子３の位置決めが容易に且つ精確に行えるので、端子３とコネクタ３７の接続を容易に行うことができる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、図１０に示すように、パッキン２０の突部２５の側面２５ｂを、稜線が生じないように左右端部を曲面で繋ぐように形成し、コネクタハウジング３０のテーパ孔３２も同様の形状にすることも可能である。このようにすると、パッキン２０の突部２５の側面２５ｂに稜線がないため、パッキン２０が圧縮変形したときのテーパ孔３２の内面３２ａへの追従性が良好で、テーパ孔３２に対する密着性を高くすることができ、シール性をさらに向上することができる。
また、前述した実施例では、総てのセパレータ２に端子３を設けているが、一部のセパレータ２だけに端子３を設けてもよい。

この発明に係る燃料電池スタックの実施例におけるコネクタユニット周りの外観斜視図である。 前記実施例のコネクタユニットの分解斜視図である。 前記実施例で用いられるパッキンケーシングを底面側から見た斜視図である。 前記実施例で用いられるパッキンの外観斜視図である。 前記実施例で用いられるコネクタハウジングを底面側から見た斜視図である。 前記実施例のコネクタユニットにおいてパッキン圧縮前の状態を示す要部拡大断面図である。 図６のＡ−Ａ断面図である。 前記実施例のコネクタユニットにおいてパッキン圧縮後の状態を示す要部拡大断面図である。 図８のＢ−Ｂ断面図である。 パッキンの他の実施例を示す外観斜視図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ セパレータ
３ 端子
１１ パッキンケーシング
１２ パッキン収納凹部
１３ 貫通孔
２０ パッキン
２１ 貫通孔
２２ 下面
２３ 上面
２５ 突部
２５ａ 頂部
２５ｂ 側面
２７ 側面
３０ コネクタハウジング（コネクタ部材）
３２ａ テーパ孔の内面（押圧面）

Claims (4)

1. 複数積層されたセパレータを備える燃料電池スタックであって、
   任意の前記セパレータから延びる端子と、
   前記端子を挿通させるための複数の貫通孔が形成されたパッキンと、
   前記パッキンの側面を包囲し且つ前記パッキンの下面を支持するパッキン収納凹部を有するとともに前記端子を挿通させるための貫通孔を有するパッキンケーシングと、
   前記パッキンの上面を押圧する押圧面を有するコネクタ部材と、
   を備え、前記パッキンの貫通孔の内面と前記端子の外面が隙間なく接触していることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記パッキンが押圧される前から、前記パッキンの貫通孔の内面と前記端子の外面が隙間なく接触していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記パッキンの上面には前記各貫通孔の開口周縁を頂部とする山形形状の突部が設けられ、前記押圧面は前記突部の側面に沿う形状をなしていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
4. 前記突部の側面に稜線を有しないことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
   

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