JP2008146910A - 電圧測定端子取り付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧測定端子を各積層体のセパレータに短時間で簡易に取り付ける技術を提供すること。
【解決手段】電圧測定端子取り付け方法であって、複数のセパレータと複数の膜電極接合体とを積層して成る燃料電池を用意する工程と、（Ｂ）複数の導線と、各導線とそれぞれ接続される複数の電圧測定端子とが取り付けられたフィルムを用意する工程と、（Ｃ）各セパレータの端部に、各電圧測定端子が一つずつ接するように、フィルムを燃料電池に配置する工程と、（Ｄ）燃料電池の各セパレータの端部に配置されるフィルムを該端部に接着させる工程と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数のセパレータと複数の膜電極接合体とを積層して成る燃料電池において、そのセパレータ間の電圧を測定するための電圧測定端子を取り付ける方法に関する。

水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、複数のセパレータと、複数の膜電極接合体（以下では、「ＭＥＡ」（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｅ）とも呼ぶ）とが積層して構成されるスタック構造を有している。ＭＥＡは、プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれガス拡散電極を接合して成る。

このような燃料電池では、正常に発電を行うために、或いは、発電の異常を検出するために、セパレータ間の電圧であるセパレータ間電圧がモニタされる。このため、各セパレータには、セパレータ間電圧をモニタするために用いられる電圧測定端子が配設される。

そして、従来、燃料電池の各セパレータに電圧測定端子を配設するための種々の技術が提案されている。例えば、電圧測定端子を各セパレータに溶接して配設する技術（下記特許文献１参照）や電圧測定端子を各セパレータに嵌め込んで配設する技術（下記特許文献２参照）などが提案されている。

特開２００５−５０７７号公報 特開２００５−９３３９５号公報

しかしながら、上述のように、電圧測定端子を各セパレータに溶接して配設する技術や電圧測定端子を各セパレータに嵌め込んで配設する技術では、電圧測定端子を一つずつ順番にセパレータに取り付ける必要があった。そこで、従来では、電圧測定端子を各セパレータに取り付ける場合において、短時間に、また、簡易に取り付ける技術が望まれていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電圧測定端子を各積層体のセパレータに短時間で簡易に取り付ける技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の電圧測定端子取り付け方法では、
電圧測定端子取り付け方法であって、
（Ａ）複数のセパレータと複数の膜電極接合体とを積層して成る燃料電池を用意する工程と、
（Ｂ）複数の導線と、各導線とそれぞれ接続される複数の電圧測定端子とが取り付けられたフィルムを用意する工程と、
（Ｃ）各セパレータの端部に、各電圧測定端子が一つずつ接するように、前記フィルムを前記燃料電池に配置する工程と、
（Ｄ）前記燃料電池の各セパレータの端部に配置される前記フィルムを該端部に接着させる工程と、
を備えることを要旨とする。

上記構成の電圧測定端子取り付け方法では、電圧測定端子を各セパレータに短時間で簡易に取り付けることができる。

上記電圧測定端子取り付け方法において、
前記フィルムは、熱可塑性フィルムであり、
前記工程（Ｄ）において、
各セパレータの端部をホットプレスして、該端部に配置される前記熱可塑性フィルムを該端部に接着させることが好ましい。

このようにすれば、熱圧着により電圧測定端子をセパレータの端部に接続することができる。

上記電圧測定端子取り付け方法において、
前記工程（Ｄ）において、
各セパレータの端部をホットプレスする場合には、各セパレータの端部を一括してホットプレスすることが好ましい。

このようにすれば、電圧測定端子を各セパレータに取り付ける時間を大幅に短縮することができ、簡易に取り付けることができる。

上記電圧測定端子取り付け方法において、
前記セパレータは、
前記端部の少なくとも一部において、前記セパレータの積層方向に突き出た凸部を備え、
前記工程（Ｃ）において、
各セパレータの端部における前記凸部に、各電圧測定端子が一つずつ接するように、前記フィルムを配置することが好ましい。

このようにすれば、各セパレータの端部の凸部には、熱可塑性フィルムを接着させるための十分なスペースを確保することができ、その結果、各凸部に電圧測定端子を接続することが可能となる。

上記電圧測定端子取り付け方法において、
前記電圧測定端子は、枠状であることが好ましい。

このようにすれば、各セパレータに対して、各電圧測定端子をフィルムで強く押圧することができ、その結果、各セパレータと各電圧測定端子との接続を強化することが可能となる。

上記電圧測定端子取り付け方法において、
前記セパレータ間の電圧を測定するための電圧測定装置を用意する工程と、
各電圧測定端子と接続される前記導線をそれぞれ前記電圧測定装置に接続する工程と、
を備えることが好ましい。

このようにすれば、電圧測定装置を用いて各セパレータ間の電圧をモニタすることができる。

なお、本発明は、上記した方法発明の態様に限ることなく、セパレータ、燃料電池、熱可塑性フィルム、電圧測定端子などの装置発明としての態様で実現することも可能である。また、電圧測定端子取り付け方法以外の他の方法発明の態様、例えば、燃料電池の電圧測定方法などの態様で実現することも可能である。

Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池の構成：
図１は、本発明の実施例に用いられる燃料電池１００の概略外観構成を示す斜視図である。この燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池として形成され、燃料ガスとしての水素と、酸化ガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。燃料電池１００は、セパレータ１０と、ＭＥＡとを交互に積層して形成される。この場合、ＭＥＡは、セパレータ１０間に挟まれており、外部からは見えないので、図１では示されていない。これらセパレータ１０およびＭＥＡの積層数は、燃料電池１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。これらについては後述する。なお、燃料電池１００において、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を図１に示すように規定する。また、セパレータ１０とＭＥＡとを積層する方向を積層方向とも呼ぶ。

図１に示すように、燃料電池１００は、一端からカソード側エンドプレート１５０、絶縁板１３０、集電板１１０、セパレータ１０とＭＥＡとの積層体、集電板１２０、絶縁板１４０、アノード側エンドプレート１６０の順に積層されて構成される。ここで、エンドプレート１５０、１６０は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。また、集電板１１０、１２０は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。絶縁板１３０、１４０は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板１１０、１２０には、それぞれ出力端子１１０Ａ、１２０Ａが設けられており、燃料電池１００で発電した電力を出力可能となっている。なお、燃料電池１００は、図示を省略したが、テンションプレート等により、積層方向に所定の押圧力がかかった状態で締結されて保持されている。

図２は、図１のＡ−Ａを通るｘ−ｙ平面をｚ方向に向かって見た図である。すなわち、この図は、セパレータ１０とＭＥＡとの積層体の断面図である。

ＭＥＡは、電解質膜２０と、電解質膜２０の両面に形成されるガス拡散電極１４，１５とから成る。電解質膜２０は、固体高分子材料、例えば、ナフィオン（登録商標）などのフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。ガス拡散電極１４，１５は、白金担持カーボンおよび電解質から構成される触媒電極層（図示せず）と、触媒電極層の外側に形成され、カーボン製の多孔質部材から成るガス拡散層（図示せず）とから成る。ガス拡散電極１４は、カソードとして機能し、ガス拡散電極１５は、アノードして機能する。なお、積層方向に対して直交する方向（ＭＥＡの面に沿った方向）を面方向とも呼ぶ。

セパレータ１０は、カソード側導電性プレート１１とアノード側導電性プレート１２とから構成される。これらカソード側導電性プレート１１およびアノード側導電性プレート１２は、図２に示すように、凸凹状に形成され、ガス不透過の導電性部材であり、例えば、カーボンや金属板によって形成される。従って、セパレータ１０は、導電性である。カソード側導電性プレート１１とＭＥＡとの間に形成される空間は、単セル内酸化ガス流路として機能し、酸化ガスとしての空気が流通し、また、アノード側導電性プレート１２とＭＥＡとの間に形成される空間は、単セル内燃料ガス流路として機能し、燃料ガスとしての水素が流通するようになっている。また、各セパレータ１０は、面方向における端部において、絶縁シールパッキン３０を介して結合されている。

また、セパレータ１０において、カソード側導電性プレート１１とアノード側導電性プレート１２は、それぞれＭＥＡと接する側とは反対側で接続される（図２参照）。カソード側導電性プレート１１とアノード側導電性プレート１２との間に形成される空間は、単セル間冷却水流路として機能し、各ＭＥＡを冷却するための冷却水が流通する。

図３は、図１のＰ領域をｙ方向から見た拡大図である。本実施例に用いられる燃料電池１００のカソード側導電性プレート１１は、図２および図３に示すように、端部（上部）の一部がｙ方向からｘ方向とは反対方向に直角に突き出た凸部１１Ａを備える。この凸部１１Ａは、図３に示すように、ｚ方向においてもある程度の広がりを有する。

Ａ２．電圧測定端子取り付け方法：
燃料電池１００では、正常に発電を行うために、或いは、発電の異常を検出するために、各セパレータ間の電圧であるセパレータ間電圧がモニタされる。このため、各セパレータ１０のカソード側導電性プレート１１には、セパレータ間電圧をモニタするために用いられる電圧測定端子が取り付けられる。以下に、この電圧測定端子の取り付け方法を説明する。

図４は、本実施例の電圧測定端子取り付け方法を示すフローチャートである。本実施例の電圧測定端子取り付け方法では、まず、上述した燃料電池１００を用意する（ステップＳ１０）。

図５は、電圧測定端子３００が取り付けられた熱可塑性フィルム２００を示す説明図である。次に、図５に示すように、表面に電圧測定端子３００が取り付けられた熱可塑性フィルム２００を用意する（ステップＳ２０）。熱可塑性フィルム２００は、１００℃〜１６０℃で加熱されると接着機能を有するＰＰ（ポリプロピレン）から構成され、図５に示すように、ノコギリ刃状に複数の凸部２００Ａを備えている。この凸部２００Ａの幅は、燃料電池１００のカソード側導電性プレート１１における凸部１１Ａのｘ方向の幅と同程度であり、また、凸部２００Ａの間隔は、燃料電池１００における各セパレータ１０のカソード側導電性プレート１１の配置間隔にほぼ等しくなっている。また、電圧測定端子３００は、ドーナツ状の導電性金属部材から成り、熱可塑性フィルム２００の各凸部２００Ａに一つずつ熱圧着により取り付けられる。さらに、各電圧測定端子３００は、導線３１０を介して、熱可塑性フィルム２００の端部に設けられる外部出力用コネクタ３５０とそれぞれ接続されている。この導線３１０も熱可塑性フィルム２００に熱圧着されている。

図６は、熱可塑性フィルム２００の各凸部２００Ａに取り付けられた各電圧測定端子３００を各カソード側導電性プレート１１の凸部１１Ａにあてがう様子を示す説明図である。続いて、熱可塑性フィルム２００を燃料電池１００に対して、以下のように配置する。すなわち、図６に示すように、燃料電池１００の各カソード側導電性プレート１１の凸部１１Ａに対して、それぞれ凸部２００Ａをあてがい、各凸部２００Ａに取り付けられた電圧測定端子３００がそれぞれ凸部１１Ａと接するように熱可塑性フィルム２００を配置する（ステップＳ３０）。

図７は、熱可塑性フィルム２００と各カソード側導電性プレート１１の凸部１１Ａが接着した様子を示す説明図である。次に、ステップＳ３０の工程後、各カソード側導電性プレート１１の凸部１１Ａを１００℃〜１６０℃程度で、一括してホットプレスする（ステップＳ４０）。これにより、図７に示すように、各凸部１１Ａは、電圧測定端子３００との接続が保持された状態で、熱可塑性フィルム２００の各凸部２００Ａの一部と熱圧着される。この熱圧着部分は、図７において、クロスハッチで示されている。

図８は、各電圧測定端子３００と接続される電圧測定装置５００の概略外観構成を示す斜視図である。その後、図８に示すような電圧測定装置５００を用意する（ステップＳ５０）。この電圧測定装置５００には、図８に示すように、複数の外部入力端子５１０が設けられ、それぞれ導線５２０を介して外部入力用コネクタ５３０と接続されている。そして、熱可塑性フィルム２００に設けられる外部出力用コネクタ３５０と外部入力用コネクタ５３０とを接続させることにより、各電圧測定端子３００と電圧測定装置５００の各外部入力端子５１０とを接続させる（ステップＳ６０）。このようにすれば、電圧測定装置５００を用いて各セパレータ１０間の電圧をモニタすることができる。

以上のように、本実施例の電圧測定端子取り付け方法では、熱可塑性フィルム２００を、電圧測定端子３００を圧着した各凸部２００Ａが各カソード側導電性プレート１１の凸部１１Ａに一つずつ対応するように、そして、各電圧測定端子３００と各凸部１１Ａとが接続するように配置し、各凸部１１Ａを一括してホットプレスするようにしている。このようにすれば、各カソード側導電性プレート１１の凸部１１Ａに一つずつ順番に電圧測定端子３００を取り付ける必要がなく、各カソード側導電性プレート１１の凸部１１Ａに各電圧測定端子３００を一括して、容易に取り付けることが可能となる。その結果、電圧測定端子３００の取り付け作業時間を大幅に短縮することができる。

また、本実施例の電圧測定端子取り付け方法では、各カソード側導電性プレート１１の端部にｘ方向およびｚ方向に広がる凸部１１Ａを有する燃料電池１００を用意し、その各凸部１１Ａに各電圧測定端子３００を接続するようにしている。このようにすれば、各凸部１１Ａには、熱可塑性フィルム２００の各凸部２００Ａを熱圧着させるための十分なスペースを確保することができ、その結果、各凸部１１Ａに電圧測定端子３００を接続することが可能となる。

本実施例の電圧測定端子取り付け方法では、各カソード側導電性プレート１１の各凸部１１Ａに、ドーナツ状の各電圧測定端子３００を接続するようにしている。このようにすれば、各凸部１１Ａと熱可塑性フィルム２００の各凸部２００Ａとを熱圧着させる場合に、各凸部１１Ａにおいて、配置された電圧測定端子３００の内側（内枠）に該当する内枠部分１１ＡＡ（図６参照）も、各凸部２００Ａと熱圧着させることができる。それに伴い、各凸部１１Ａに対して、各電圧測定端子３００を熱可塑性フィルム２００の各凸部２００Ａで強く押圧することができ、その結果、各凸部１１Ａと各電圧測定端子３００との接続を強化することが可能となる。

なお、ＭＥＡは、請求項における膜電極接合体に該当し、カソード側導電性プレート１１およびアノード側導電性プレート１２、すなわち、セパレータ１０は、請求項におけるセパレータに該当し、凸部１１Ａは、請求項における凸部に該当し、熱可塑性フィルム２００は、請求項におけるフィルムおよび熱可塑性フィルムに該当し、電圧測定端子３００は、請求項における電圧測定端子に該当し、電圧測定装置５００は、請求項における電圧測定装置に該当する。

Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施例の電圧測定端子取り付け方法において、熱可塑性フィルム２００として、ＰＰ（ポリプロピレン）を用いているが、本発明は、これに限られるものではない。熱可塑性フィルム２００は、燃料電池１００の発電時温度より高い温度で、熱圧着することができる材料であればよく、例えば、ＰＥ（ポリエチレン）などを用いるようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施例の電圧測定端子取り付け方法において、電圧測定端子３００は、ドーナツ状のものを用いているが、本発明は、これに限られるものではない。電圧測定端子３００は、円形や四角形などの各種形状であって板状のものを用いるようにしてもよい。このようにすれば、カソード側導電性プレート１１の各凸部１１Ａと電圧測定端子３００との接触面積を大きくすることができ、各凸部１１Ａと各電圧測定端子３００との接続を強化することが可能となる。

また、電圧測定端子３００は、額状、トライアングル状など、ドーナツ状以外の枠状であってもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。

Ｂ３．変形例３：
上記実施例の電圧測定端子取り付け方法では、各凸部１１Ａをホットプレスする場合に、一括してホットプレスするようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。各凸部１１Ａを一つずつ、または、複数の凸部１１Ａごとにホットプレスするようにしてもよい。このようにしても、各カソード側導電性プレート１１の凸部１１Ａに各電圧測定端子３００を容易に取り付けることが可能となる。その結果、電圧測定端子３００の取り付け作業時間を短縮することができる。

Ｂ４．変形例４：
上記実施例の電圧測定端子取り付け方法では、各カソード側導電性プレート１１の凸部１１Ａに熱可塑性フィルム２００を用いて電圧測定端子３００を取り付けるようにしているが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、アノード側導電性プレート１２に、カソード側導電性プレート１１の凸部１１Ａのような凸部（以下では、凸部１２Ａとも呼ぶ）が形成された燃料電池を用意し、その燃料電池において、各アノード側導電性プレート１２の凸部１２Ａに上記実施例のごとく熱可塑性フィルム２００を用いて電圧測定端子３００を取り付けるようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。

Ｂ５．変形例５：
上記実施例の電圧測定端子取り付け方法では、熱可塑性フィルム２００を用いて、熱圧着により電圧測定端子３００をカソード側導電性プレート１１に取り付けるようにしていたが、本発明は、これに限られるものではない。例えば、熱可塑性フィルム２００の代わりに、熱可塑性でないフィルムを用いて、接着剤により電圧測定端子３００をカソード側導電性プレート１１に取り付けるようにしてもよい。また、熱可塑性フィルム２００を用いて、熱融着により電圧測定端子３００をカソード側導電性プレート１１に取り付けるようにしてもよい。このようにしても、上記実施例と同様の効果を奏することができる。

本発明の実施例に用いられる燃料電池１００の概略外観構成を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａを通るｘ−ｙ平面をｚ方向に向かって見た図である。 図１のＰ領域をｙ方向から見た拡大図である。 上記実施例の電圧測定端子取り付け方法を示すフローチャートである。 電圧測定端子３００が取り付けられた熱可塑性フィルム２００を示す説明図である。 熱可塑性フィルム２００の各凸部２００Ａに取り付けられた各電圧測定端子３００を各カソード側導電性プレート１１の凸部１１Ａにあてがう様子を示す説明図である。 熱可塑性フィルム２００と各カソード側導電性プレート１１の凸部１１Ａが接着した様子を示す説明図である。 各電圧測定端子３００と接続される電圧測定装置５００の概略外観構成を示す斜視図である。

符号の説明

１０…セパレータ
１１…カソード側導電性プレート
１１Ａ…凸部
１２…アノード側導電性プレート
３０…絶縁シールパッキン
１００…燃料電池
２００…熱可塑性フィルム
２００Ａ…凸部
３００…電圧測定端子
３１０…導線
３５０…外部出力用コネクタ
５００…電圧測定装置
５１０…外部入力端子
５２０…導線
５３０…外部入力用コネクタ

Claims (6)

1. 電圧測定端子取り付け方法であって、
   （Ａ）複数のセパレータと複数の膜電極接合体とを積層して成る燃料電池を用意する工程と、
   （Ｂ）複数の導線と、各導線とそれぞれ接続される複数の電圧測定端子とが取り付けられたフィルムを用意する工程と、
   （Ｃ）各セパレータの端部に、各電圧測定端子が一つずつ接するように、前記フィルムを前記燃料電池に配置する工程と、
   （Ｄ）前記燃料電池の各セパレータの端部に配置される前記フィルムを該端部に接着させる工程と、
   を備えることを特徴とする電圧測定端子取り付け方法。
2. 請求項１に記載の電圧測定端子取り付け方法において、
   前記フィルムは、熱可塑性フィルムであり、
   前記工程（Ｄ）において、
   各セパレータの端部をホットプレスして、該端部に配置される前記熱可塑性フィルムを該端部に接着させることを特徴とする電圧測定端子取り付け方法。
3. 請求項２に記載の電圧測定端子取り付け方法において、
   前記工程（Ｄ）において、
   各セパレータの端部をホットプレスする場合には、各セパレータの端部を一括してホットプレスすることを特徴とする電圧測定端子取り付け方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電圧測定端子取り付け方法において、
   前記セパレータは、
   前記端部の少なくとも一部において、前記セパレータの積層方向に突き出た凸部を備え、
   前記工程（Ｃ）において、
   各セパレータの端部における前記凸部に、各電圧測定端子が一つずつ接するように、前記フィルムを配置することを特徴とする電圧測定端子取り付け方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電圧測定端子取り付け方法において、
   前記電圧測定端子は、枠状であることを特徴とする電圧測定端子取り付け方法。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電圧測定端子取り付け方法において、
   前記セパレータ間の電圧を測定するための電圧測定装置を用意する工程と、
   各電圧測定端子と接続される前記導線をそれぞれ前記電圧測定装置に接続する工程と、
   を備えることを特徴とする電圧測定端子取り付け方法。

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