JP2006054113A - Connection structure of voltage detection connector to cell and fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、陽極と陰極とを有するセルを複数積層した燃料電池に接続されて、前記セルの電圧を検出する電圧検出コネクタのセルへの接続構造および燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a connection structure to a cell of a voltage detection connector connected to a fuel cell in which a plurality of cells each having an anode and a cathode are stacked, and detects the voltage of the cell, and a fuel cell.
近年、自動車等の新たな動力源として燃料電池が注目されている。燃料電池としては、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極(陽極)およびカソード電極(陰極)をそれぞれ配設した膜電極構造体(MEA)を備えており、該膜電極構造体を一対のセパレータで挟持したものが一般的である。この燃料電池を用いて発電する場合には、燃料電池のアノード電極にガス燃料(例えば、水素ガス)を、カソード電極に酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)を供給することで、電気化学反応を発生させる。この発電時に生成されるのは基本的には無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、前記燃料電池が注目されている。 In recent years, fuel cells have attracted attention as a new power source for automobiles and the like. The fuel cell includes a membrane electrode structure (MEA) in which an anode electrode (anode) and a cathode electrode (cathode) are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and the membrane electrode structure is a pair of separators. What is sandwiched between is common. In the case of generating power using this fuel cell, electrochemical fuel is supplied by supplying gaseous fuel (for example, hydrogen gas) to the anode electrode of the fuel cell and supplying oxidant gas (for example, air containing oxygen) to the cathode electrode. Generate a reaction. Since only harmless water is basically generated at the time of power generation, the fuel cell is attracting attention from the viewpoint of environmental impact and utilization efficiency.
ところで、一つの燃料電池では、自動車を駆動するのに十分な電力を得ることは困難である。そこで、前記駆動に十分な電力が供給できるように、膜電極構造体を一対のセパレータで挟持したセルを複数積層したスタック構造の燃料電池を形成し、この燃料電池を自動車に車載することが検討されている。 By the way, with one fuel cell, it is difficult to obtain sufficient electric power to drive an automobile. Therefore, it is considered to form a fuel cell having a stack structure in which a plurality of cells each having a membrane electrode structure sandwiched between a pair of separators are stacked so that sufficient electric power can be supplied for driving, and mounting the fuel cell in an automobile. Has been.
この場合において、燃料電池を構成するセルが正常に発電するかを監視するために、セルの電圧を検出することは非常に重要である。このような観点から、セルに電圧測定用の端子を備える構成の燃料電池が提案されている。
例えば特許文献1には、セル電圧モニタ用の一対の端子を、互いに隣接するセルの同極性のセパレータ(例えばアノード電極側のセパレータ)にコンタクトさせる技術が提案されている。
In this case, it is very important to detect the voltage of the cell in order to monitor whether the cells constituting the fuel cell normally generate power. From such a viewpoint, a fuel cell having a configuration in which a cell is provided with a voltage measurement terminal has been proposed.
For example,
従来における燃料電池や該燃料電池に接続される電圧検出コネクタの要部断面を図5に示す。同図に示すように、燃料電池30はセル31を所定数(この場合はn個)積層して構成されている。各セル31は、膜電極構造体32をセパレータ33、34で挟持されている。そして、各セル31には、アノード電極側のセパレータ33に電圧測定用の端子35が設けられている。このように構成された燃料電池30にセル接続装置39が接続される。セル接続装置39は、コネクタ37を所定数備えており、これらのコネクタ37を端子35にそれぞれ接触させることで、端子35の設けられたセパレータ33の電圧を測定し、これにより各セルの電圧を検出する。
しかしながら、従来においては以下のような問題があった。すなわち、従来においては、上述の図5を用いて説明したように、同一電極(例えばアノード電極)のセパレータのみに端子を設けて、1つのセルのセル電圧をとるのに、つぎのセルの同極のセパレータに跨ってモニタしている。このため、セルを積層した積層体の最後のセル電圧をとる場合には、つぎのセルが無いため最後のセル電圧がとれなくなる。したがって、最後のセル電圧を検出するためには、図5に示すように、端子の接続されるセパレータ(アノード電極側のセパレータ)34と同形状のカバープレート(ダミーのセパレータ)40をセル積層体端に配し、カバープレート40にコネクタ42用の端子41を設ける必要がある。このように、発電に関係しないセパレータや端子、コネクタを別途設ける必要があり、部品点数が増大してしまい、コストや積層幅、重量の増大を招いてしまうという問題がある。
However, there have been the following problems in the prior art. That is, in the prior art, as described with reference to FIG. 5 described above, a terminal is provided only on the separator of the same electrode (for example, the anode electrode), and the cell voltage of one cell is obtained. Monitoring across the pole separator. For this reason, when taking the last cell voltage of the laminated body which laminated | stacked the cell, since there is no next cell, the last cell voltage cannot be taken. Therefore, in order to detect the last cell voltage, as shown in FIG. 5, a cover plate (dummy separator) 40 having the same shape as a separator (anode electrode side separator) 34 to which a terminal is connected is formed in a cell laminate. It is necessary to provide the terminal 41 for the
従って、本発明は、部品点数やコスト、積層幅を抑制して、重量を抑えつつ、両端部のセル電圧を検出することができる電圧検出コネクタのセルへの接続構造および燃料電池を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a connection structure to a cell of a voltage detection connector and a fuel cell that can detect the cell voltage at both ends while suppressing the weight while suppressing the number of parts, cost, and stacking width. With the goal.
請求項1に係る発明は、陽極(例えば、実施の形態におけるアノード電極11)にのみ端子(例えば、実施の形態における端子6)を有する第1のセル(例えば、実施の形態における第1のセル2a)を陽極側端部から積層するとともに、陰極(例えば、実施の形態におけるカソード電極12)にのみ端子(例えば、実施の形態における端子7)を有する第2のセル(例えば、実施の形態における第2のセル2b)を陰極側端部から積層する構成を備える燃料電池(例えば、実施の形態における燃料電池1)に、前記端子と接触するコネクタ(例えば、実施の形態におけるコネクタ8、9)が接続されていることを特徴とする。
The invention according to
この発明によれば、積層方向に隣合うセル同士の互いに対向する電極同士は同電位となっているため、前記セルの陽極または陰極は、このセルに対向するセルの陰極または陽極と同電位となっている。陽極側端部からは陽極にのみ端子を有する第1のセルが積層されているので、検出対象となる第1のセルの陽極の電位は該陽極の有する端子により、第1のセルの陰極の電位は隣合うセルの陽極の有する端子によりそれぞれ求められ、これらから検出対象となる第1のセルの電圧を求めることができる。一方、陰極側端部からは陰極にのみ端子を有する第2のセルが積層されているので、検出対象となる第2のセルの陰極の電位は該陰極の有する端子により、第2のセルの陽極の電位は隣合うセルの陰極の有する端子によりそれぞれ求められ、これらから検出対象となる第2のセルの電圧を求めることができる。従って、発電に関係しないダミーセパレータや端子、コネクタを別途端部に設けなくても、両端部のセル電圧を検出することができる。さらに、全てのセルの陽極または陰極に端子を設けた場合とほぼ同等の高い検出精度を維持することができ、全てのセルの陽極または陰極に端子を設けた場合に比べて、端子の総数を略半分に抑えることができるため、端子間の間隔を十分に確保することができ、コネクタと端子との連結を滑らかに行うことが可能となる。加えて、端子による重量増大を抑制するとともにコストを抑えることができる。 According to the present invention, since the electrodes facing each other in adjacent cells in the stacking direction have the same potential, the anode or cathode of the cell has the same potential as the cathode or anode of the cell facing this cell. It has become. Since the first cell having the terminal only on the anode is laminated from the anode side end, the potential of the anode of the first cell to be detected is the potential of the cathode of the first cell by the terminal of the anode. The electric potential is obtained from the terminal of the anode of the adjacent cell, and the voltage of the first cell to be detected can be obtained therefrom. On the other hand, since the second cell having the terminal only on the cathode is stacked from the cathode side end, the potential of the cathode of the second cell to be detected is determined by the terminal of the cathode. The potential of the anode is determined by the terminal of the cathode of the adjacent cell, and the voltage of the second cell to be detected can be determined from these. Therefore, it is possible to detect the cell voltage at both ends without separately providing dummy separators, terminals, and connectors not related to power generation at the ends. Furthermore, it can maintain high detection accuracy almost equivalent to the case where terminals are provided on the anodes or cathodes of all cells, and the total number of terminals can be reduced compared to the case where terminals are provided on the anodes or cathodes of all cells. Since it can be suppressed to approximately half, a sufficient interval between the terminals can be secured, and the connector and the terminal can be smoothly connected. In addition, an increase in weight due to the terminals can be suppressed and costs can be suppressed.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のものであって、前記陽極と前記陰極のいずれからも端子を取り出さない第3のセル(例えば、実施の形態における第3のセル2c)を前記第1のセルまたは前記第2のセルと交互に積層してなる構成の燃料電池に、前記コネクタが接続されていることを特徴とする。
The invention according to
この発明によれば、前記第3のセルを前記第1のセルまたは前記第2のセルと交互に積層してなる構成とすることにより、必要とされる検出精度を維持しつつ、燃料電池が有する端子数をさらに低減することができ、その分重量増大やコストをさらに抑えることができる。 According to the present invention, the fuel cell can maintain the required detection accuracy by adopting a configuration in which the third cell is alternately stacked with the first cell or the second cell. The number of terminals can be further reduced, and the weight increase and cost can be further suppressed accordingly.
請求項3に係る発明は、陽極と陰極を有するセルを複数積層した燃料電池であって、前記陽極と前記陰極のそれぞれに端子を有する第1のセルと、前記セルのうち前記陽極と前記陰極のいずれにも端子を有さない第2のセルとを有し、前記第1のセルを積層方向の陽極側端部から積層するとともに、前記第2のセルを積層方向の陰極側端部から積層する構成を備えることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is a fuel cell in which a plurality of cells each having an anode and a cathode are stacked, the first cell having a terminal on each of the anode and the cathode, and the anode and the cathode among the cells. The first cell is stacked from the anode side end in the stacking direction, and the second cell is stacked from the cathode side end in the stacking direction. It is characterized by having a structure to laminate.
この発明によれば、発電に関係しないダミーセパレータや端子、コネクタを別途端部に設けなくても、両端部のセル電圧を検出することができる。さらに、全てのセルの陽極または陰極に端子を設けた場合とほぼ同等の高い検出精度を維持することができ、全てのセルの陽極または陰極に端子を設けた場合に比べて、端子の総数を略半分に抑えることができるため、端子間の間隔を十分に確保することができ、コネクタと端子との連結を滑らかに行うことが可能となる。加えて、端子による重量増大を抑制するとともにコストを抑えることができる。 According to the present invention, it is possible to detect cell voltages at both ends without separately providing dummy separators, terminals, and connectors not related to power generation at the ends. Furthermore, it can maintain high detection accuracy almost equivalent to the case where terminals are provided on the anodes or cathodes of all cells, and the total number of terminals can be reduced compared to the case where terminals are provided on the anodes or cathodes of all cells. Since it can be suppressed to approximately half, a sufficient interval between the terminals can be secured, and the connector and the terminal can be smoothly connected. In addition, an increase in weight due to the terminals can be suppressed and costs can be suppressed.
請求項4に係る発明は、請求項3に記載のものであって、前記陽極と前記陰極のいずれからも端子を取り出さない第3のセルを前記第1のセルまたは前記第2のセルと交互に積層してなる構成を備えることを特徴とする。
この発明によれば、必要とされる検出精度を維持しつつ、燃料電池が有する端子数をさらに低減することができ、その分重量増大やコストをさらに抑えることができる。
The invention according to
According to the present invention, the number of terminals of the fuel cell can be further reduced while maintaining the required detection accuracy, and the increase in weight and cost can be further suppressed accordingly.
請求項1、請求項3に係る発明によれば、部品点数やコスト、積層幅を抑制して、重量を抑えつつ、両端部のセル電圧を検出することができる。
請求項2、請求項4に係る発明によれば、必要とされる検出精度を維持しつつ、燃料電池が有する端子数をさらに低減することができ、その分重量増大やコストをさらに抑えることができる。
According to the first and third aspects of the invention, the cell voltage at both ends can be detected while suppressing the number of parts, the cost, and the stacking width and suppressing the weight.
According to the inventions according to
以下、この発明の実施の形態における電圧検出コネクタのセルへの接続構造および燃料電池を図面と共に説明する。
図1は本発明の実施の形態における燃料電池や該燃料電池に接続される電圧検出コネクタを備えるセル接続装置の要部断面図である。同図に示すように、燃料電池1はセル2を所定数(この場合はn個)積層して構成されている。各セル2は、膜電極構造体3をセパレータ4、5で挟持されている。
Hereinafter, a connection structure of a voltage detection connector to a cell and a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a principal part of a cell connection device including a fuel cell and a voltage detection connector connected to the fuel cell in an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the
本実施の形態における燃料電池1は、アノード電極11(図2参照)側のセパレータ4に電圧測定用の端子6が設けられた第1のセル2a(2)と、カソード電極12(図2参照)側のセパレータ5に電圧測定用の端子7が設けられた第2のセル2b(2)と、セパレータ4、5のいずれにも端子6、7を有さない第2のセル2c(2)とを備えている。そして、前記第1のセル2aは+極側の端部に配置されるとともに、前記第2のセル2bは−極側の端部に配置され、それぞれの端部から前記第1のセル2aと前記第3のセル2c、前記第2のセル2bと前記第3のセル2cとを交互に積層してなる。
The
このように構成された燃料電池1にセル接続装置10が接続される。セル接続装置10は、コネクタ8、9を所定数備えており、第1のセル2aが有する端子6にコネクタ8を、第2のセル2bが有する端子7にコネクタ9をそれぞれ接触させることで、第1のセル2aのアノード電極11、第2のセル2bのカソード電極12の電位を検出することができる。
The
図2は図1に示す燃料電池を構成するセルの概略断面図である。この図に示すように、膜電極構造体3は、固体高分子電解質膜13と、その両側に配設されるアノード電極11およびカソード電極12を備えて構成されている。
この膜電極構造体3の両面に配設される一対のセパレータ4、5同士の対向面周縁側にリング状のシール部材14をセットして、このシール部材14により固体高分子電解質膜13を挟持する。両セパレータ4、5には燃料ガスや酸化ガス、冷却媒体を供給するための燃料ガス通路15、酸化剤ガス通路16、冷却媒体通路17が形成してある。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a cell constituting the fuel cell shown in FIG. As shown in this figure, the membrane electrode structure 3 includes a solid
A ring-shaped
図3は本実施の形態における第1のセル、第2のセルの平面図である。同図に示すように、セパレータ4、5には、燃料ガス連通孔18a,18b、酸化剤ガス連通孔19a,19b、冷却媒体連通孔20a,20bが両側に形成され、これらの連通孔において一方(図示左側)が供給口18a、19a、20aとされ、他方(図示右側)が排出口18b、19b、20bとされている。なお、セパレータはカーボン等を切削加工して形成したものであってもよく、また金属等をプレス成形して形成したものであってもよい。
また、前記第1のセル2aのセパレータ4に設けられた端子6、前記第2のセル2bのセパレータ5に設けられた端子7は、図4に示すように、積層方向から見て略同一の位置にそれぞれ形成されている。
FIG. 3 is a plan view of the first cell and the second cell in the present embodiment. As shown in the figure, the
Further, the
上記のように構成した燃料電池1においては、燃料ガス通路15を通してアノード電極11に燃料ガス(例えば、水素ガス)を供給し、酸化剤ガス通路16を通してカソード電極12に酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)を供給する。すると、アノード電極11の触媒層(図示せず)で水素がイオン化され、固体高分子電解質膜13を介してカソード電極12側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。この際に、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。
In the
このとき、積層方向に隣合うセル2a、2cまたはセル2b、2c同士の互いに対向する電極同士は同電位となっている。例えば、+極側端部の第1列に位置する第1のセル2aのカソード電極12の電位は、これに隣合う第2列の第3のセル2cのアノード電極11の電位Vと同電位になっている。また、−極側の第n列に位置する第2のセル2bのアノード電極11は、これに隣合う第n−1列に位置する第3のセル2cのカソード電極12と同電位になっている。
At this time, the electrodes facing each other in the
本実施の形態においては、第3のセル2cを前記第1のセル2aまたは前記第2のセル2bと交互に積層してなる構成を備えているので、積層方向に隣合う2つのセル(第1のセル2aと第3のセル2c、第2のセル2bと第3のセル2c)間での電位差を求めることができる。従って、発電に関係しないダミーセパレータや端子、コネクタを別途端部に設ける必要がなくなり、部品点数やコスト、積層幅を抑制して、重量を抑えつつ、両端部のセル電圧を検出することができる。
In the present embodiment, since the
そして、全てのセル2のアノード電極11またはカソード電極12に端子6、7を設けた場合に比べて、端子6、7の総数を略1/4程度に抑えることができるため、端子6、7間の間隔を十分に確保することができ、コネクタ8、9と端子6、7との連結を滑らかに行うことが可能となる。さらに、端子6、7による重量増大を抑制するとともにコストを抑えることができる。
Since the total number of
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。実施の形態では、第3のセルを前記第1のセルまたは前記第2のセルと交互に積層してなる場合について説明したが、必要とされる電圧の検出精度によって第3のセルの数を増減させることができる。例えば、第3のセルを設けずに第1のセルと前記第2のセルとで構成するようにしてもよい。この際には、燃料電池の一端から第1のセル、他端から第2のセルのみを積層してきたとき、中央部では陽極、陰極の両極に端子を設けるセルを配置することで全セルを検出することができる。また、セパレータ4、5の端面外側に端子6、7を突起状に形成してコネクタ8、9に差し込むように構成したが、セパレータ4、5の端面内側に端子を溝状に形成してコネクタを差し込むように構成してもよく、セパレータ4、5の外形を変えることなく端子を一体的に作り込んでもよい。
Of course, the contents of the present invention are not limited to the above-described embodiments. In the embodiment, the case where the third cells are alternately stacked with the first cells or the second cells has been described. However, the number of the third cells is determined according to the required voltage detection accuracy. It can be increased or decreased. For example, the first cell and the second cell may be configured without providing the third cell. In this case, when only the first cell is stacked from one end of the fuel cell and only the second cell is stacked from the other end, all the cells are arranged by arranging cells having terminals at both the anode and cathode in the center. Can be detected. Further, the
1…燃料電池
2(2a、2b、2c)…セル
2a…第1のセル
2b…第2のセル
2c…第3のセル
4、5…セパレータ
6、7…端子
8、9…コネクタ
10…セル接続装置
11…アノード電極(陽極)
12…カソード電極(陰極)
DESCRIPTION OF
12 ... Cathode electrode (cathode)
Claims (4)
前記陽極と前記陰極のそれぞれに端子を有する第1のセルと、前記セルのうち前記陽極と前記陰極のいずれにも端子を有さない第2のセルとを有し、
前記第1のセルを積層方向の陽極側端部から積層するとともに、前記第2のセルを積層方向の陰極側端部から積層する構成を備えることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell in which a plurality of cells having an anode and a cathode are stacked,
A first cell having a terminal on each of the anode and the cathode; and a second cell having no terminal on either the anode or the cathode of the cells;
A fuel cell comprising: a structure in which the first cell is stacked from an anode side end portion in a stacking direction, and the second cell is stacked from a cathode side end portion in a stacking direction.
4. The structure according to claim 3, comprising a structure in which a third cell that does not take out a terminal from either the anode or the cathode is alternately stacked with the first cell or the second cell. Fuel cell.
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