JP2010135243A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの肉厚が薄い場合でも変形を抑制できる技術の提供を課題とする。
【解決手段】固体高分子電解質膜１１と、固体高分子電解質膜１１を挟む燃料極１２及び空気極１３と、燃料極１２及び空気極１３の両側に配置されるセパレータ１４と、を有する複数のセル１０を備えている。セパレータ１４の外周縁に、マニホールド１５の長辺部１５ａに対応させてセパレータ１４の変形を抑制するコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・が設けられている。コネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・は、セパレータ１４の外周縁に設けられたセルモニタ１６に取り付けられている。セルモニタ１６同士の間隔がコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・によって保持されるので、セパレータ１４の肉厚が薄い場合でも、マニホールド１５の長辺部１５ａにおける中心１５ｂ付近が外力によって変形するのを抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、周知のように複数のセルが積層されている。各セルは、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜を挟む燃料極及び空気極と、燃料極及び空気極の両側に配置されるセパレータとを有している。従来、燃料電池の厚みを薄くすることにより、小型化を図る技術が提案されている。
特開２００６−１４０１６６号公報 特開２００３−１０９６４９号公報 特開２００８−３４１５６号公報

しかしながら、従来の技術では、燃料電池のセパレータの肉厚も薄くなるので、セパレータの剛性が低下して変形しやすくなるという問題があった。例えば、図１２に示すように、セパレータ１００と燃料極１０１又は空気極１０２との間のガスケット１０３のうち、一部のガスケット１０３が正規の位置からずれていた場合、位置ずれしたガスケット１０３と位置ずれしていないガスケット１０３との間に挟まれているセパレータ１００の肉厚が薄い場合には、当該セパレータ１００の両側のガスケット１０３の弾性復元力によってセパレータ１００に曲げモーメントが作用し、セパレータ１００が変形するおそれがある。

セパレータ１００が変形した場合、当該セパレータ１００の外周縁１００ａに設けられているセルモニタ（図示せず）同士の間隔が変化し、セルモニタを外部の電圧測定機器に接続するためのコネクタの取り付けが困難になる。また、この場合は、変形したセパレータ１００と燃料極１０１又は空気極１０２とが接触して短絡するおそれがある。

本発明は、このような問題に鑑みなされたもので、セパレータの肉厚が薄い場合でもセパレータが変形するのを抑制できる技術の提供を目的とする。

本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。

すなわち、本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟む燃料極及び空気極と、前記燃料極及び前記空気極の両側に配置されるセパレータと、を有する複数のセルを備え、前記セパレータは、前記燃料極又は前記空気極に燃料又は空気を供給するマニホールドを有し、前記セパレータの外周縁に、前記マニホールドの長辺部に対応させて、前記セパレータの変形を抑制する第１の変形抑制部材が設けられている。

本発明によれば、セパレータの外周縁に、マニホールドの長辺部に対応させて第１の変形抑制部材が設けられているので、セパレータの肉厚が薄い場合でも長辺部付近の部位が変形するのを抑制できる。

ここで、複数の前記マニホールドを有し、前記第１の変形抑制部材は前記複数のマニホールドのうち前記長辺部の長手方向の長さが最長の前記マニホールドに対応させて設けることができる。この構成によれば、複数のマニホールドのうち剛性が最も低くなる最長の
長辺部を有するマニホールド付近の部位が変形するのを抑制できる。

また、前記セパレータの前記外周縁にセルモニタが設けられ、前記第１の変形抑制部材は前記セルモニタを外部の電圧測定機器に接続するコネクタを使用できる。この構成によれば、第１の変形抑制部材としてコネクタ以外の部材を使用する必要がないので、構成を簡略化できる。

また、前記セパレータの外周縁に、前記マニホールドの前記長辺部に対応させて突起が設けられ、前記突起に第２の変形抑制部材を取り付けることができる。この構成によれば、第１の変形抑制部材と第２の変形抑制部材とが協働してセパレータの変形を抑制するので、セパレータが変形するのを更に抑制できる。

また、前記第２の変形抑制部材は、前記コネクタを使用できる。この構成によれば、第２の変形抑制部材と第１の変形抑制部材とがコネクタであるので、部品の種類を少なくでき、部品管理及び設計が容易になる。

また、前記セパレータの前記外周縁にセルモニタが設けられ、前記第１の変形抑制部材は前記セルモニタを外部の電圧測定機器に接続するコネクタであり、前記第２の変形抑制部材の上部側には、前記コネクタと前記電圧測定機器間のケーブルを着脱自在に保持するクランプが設けられている構成にできる。この構成によれば、コネクタ付近のケーブルを燃料電池の表面より高い位置から電圧測定機器側に延ばすことができるので、ケーブルが燃料電池の角部に接触して損傷するのを抑制できる。

本発明によれば、セパレータの外周縁に、マニホールドの長辺部に対応させて第１の変形抑制部材が設けられているので、セパレータの肉厚が薄い場合でもセパレータが変形するのを抑制できる。これにより、セパレータのセルモニタにコネクタを確実に取り付けることができると共に、セパレータが燃料極又は空気極に接触して短絡するのを抑制できる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池について説明する。なお、以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。

〈第１実施形態〉
図１は本発明の第１実施形態に係る燃料電池１を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。この燃料電池１は、複数のセル１０が積層されている。各セル１０は、固体高分子電解質膜１１と、固体高分子電解質膜１１を挟む燃料極１２及び空気極１３と、燃料極１２及び空気極１３の両側に配置されるセパレータ１４と、を有している。なお、固体高分子電解質膜１１、燃料極１２及び空気極１３は、一般的な構成を使用できるのでその詳細な説明を省略する。

セパレータ１４は、図３に示すように、燃料極１２及び空気極１３に燃料又は空気を供給する長尺なマニホールド１５と、セパレータ１４の外周縁１４ａのうちマニホールド１５の長辺部１５ａと対応する部位に配置されたセルモニタ１６を有している。これらのセルモニタ１６は、セパレータ１４の変形量が最も大きくなる部位に設けるのが好ましい。これらのセルモニタ１６には、複数の第１の変形抑制部材であるコネク１７Ａ，１７Ｂ・・・・が取り付けられている。また、コネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・は、それぞれハーネス１８によって外部の電圧測定機器２５に接続される。

各コネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・は、それぞれ複数の差し込み孔１７ａ（図１参照）を有している。これらの差し込み孔１７ａにセルモニタ１６を嵌入することにより、コネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・がセルモニタ１６に取り付けられる。コネクタ１７Ａ、１７Ｂ・・・の差し込み孔１７ａには、セルモニタ１６に接続される複数の内部端子（図示せず）が設けられている。これらの内部端子は、それぞれハーネス１８によって電圧測定機器２５に接続される。

ここで、複数のコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・を使用するのは、セル１０の積層数が多くセルモニタ１６の数が多い場合に、１つのコネクタを用いて全てのセルモニタ１６を電圧測定機器２５に接続するのは困難だからである。

また、本実施形態では、図４に示すように、全てのセルモニタ１６が複数のモニタ群Ｍ１，Ｍ２・・・に分割され、各モニタ群Ｍ１，Ｍ２・・・毎にそれぞれ１つのコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・が取り付けられる。なお、図４では２つのモニタ群Ｍ１，Ｍ２を示すが、３以上のモニタ群がある場合には各モニタ群毎にコネクタが取り付けられる。

セパレータ１４のセルモニタ１６は、各モニタ群Ｍ１，Ｍ２・・・毎にマニホールド１５における長辺部１５ａの延伸方向Ｘ１（図３参照）に対して略直交する方向（セル１０の積層方向）Ｘ２に沿って配置されている。但し、各セルモニタ１６は、方向Ｘ２に略直交するように配置されている。また、各モニタ群Ｍ１，Ｍ２・・・に属するセルモニタ１６は、それぞれのモニタ群Ｍ１，Ｍ・・・が隣接するモニタ群Ｍ２，Ｍ３・・・のセルモニタ１６に対して長辺部１５ａの延伸方向Ｘ１に位置ずれしている。

この位置ずれ量は、互いに隣接するコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・をマニホールド１５の長辺部１５ａの延伸方向Ｘ１に並べて配置できるように設定されている。また、図３に示すように、各モニタ群Ｍ１，Ｍ２のセルモニタ１６は、マニホールド１５の長辺部１５ａにおける中心１５ｂ付近に対応させて配置されている。これにより、コネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・も、マニホールド１５の中心１５ｂ付近に対応して配置される。

セパレータ１４の変形量は、マニホールド５の長辺部１５ａにおける中心１５ｂ付近の部位が、端部１５ｃ付近の部位に比べて大きくなる。本実施形態では、上記のようにコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・をマニホールド１５の中心１５ｂ付近に配置したので、セパレータ１４が変形するのを効果的に抑制できる。なお、コネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・は、マニホールド１５の中心１５ｂに対応させて、又は中心１５ｂの近傍、例えば中心１５ｂから中心１５ｂ及び端部１５ｃ間の距離Ｌの１／２までの範囲内に配置するのが好ましい。

図４に示すように、一部のセパレータ１４には、セルモニタ１６に隣接する突起２１が設けられている。本実施形態では、セルモニタ１６の配列方向Ｘ２に隣接するセル群Ｓ１，Ｓ２の境界部に位置するセパレータ１４に、セルモニタ１６及び突起２１が設けられている。図５に示すように、この突起２１のセパレータ１４からの突出高さＨ１は、セルモニタ１６の突出高さＨ２より高く形成されている（Ｈ１＞Ｈ２）。なお、突起２１の突出高さＨ１は、セルモニタ１６の突出高さＨ２以下であってもよい。この突起２１には、当該突起２１を有するセパレータ１４のセルモニタ１６に取り付けられるコネクタ１７Ａとは別のコネクタ１７Ｂが取り付けられる。

本実施形態の燃料電池１によれば、セパレータ１４の外周縁１４ａに、マニホールド１５の長辺部１５ａに対応させてセルモニタ１６が設けられ、これらのセルモニタ１６にコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・が取り付けられるので、コネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・も長
辺部１５ａの中心１５ｂ付近に対応して配置される。

これにより、互いに隣接するセルモニタ１６同士の間隔が、コネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・によって保持されるので、セパレータ１４の肉厚が薄い場合に、セパレータ１４のマニホールド１５付近に外力が作用した場合でも、マニホールド１５付近の部位、特に剛性の低い長辺部１５ａの中心１５ｂ付近の部位が変形するのを抑制できる。

なお、上記実施形態では、突起２１をセルモニタ１６から離間させて設けたが、図６に示すように、セルモニタ１６と突起２１とを一体的に形成し、セルモニタ１６にコネクタ１７Ａを取り付け、突起２１にコネクタ１７Ａに隣接するコネクタ１７Ｂを取り付けることができる。但し、この場合は、図７に示すように、コネクタ１７Ａ，１７Ｂの互いに対向する側面の端部に、突起２１を挿通可能な開口１７ｂを差し込み孔１７ａに連続させて設ける。

また、上記実施形態では、複数のコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・を用いる場合について説明したが、本発明は１つのコネクタを用いる場合にも適用できる。この場合は、コネクタをマニホールド１５の長辺部１５ａの中心１５ｂに対応させて設けるのが好ましい。また、セパレータ１４に複数のマニホールド１５が設けられている場合は、一部又は全部のマニホールド１５における長辺部１５ａの中心１５ｂ付近に対応させて、セルモニタ１６及びコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・を設けることができる。なお、一部のマニホールド１５に対応させてコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・を取り付ける場合は、長辺部１５ａが長いマニホールド１５から順に対応させてコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・を取り付けるのが好ましい。

また、３個以上のコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・を用いる場合は、図８に示すように、コネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・を千鳥足状に配置することにより、全てのコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・をマニホールド１５の長辺部１５ａにおける中心１５ｂ付近に対応させて配置できる。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、セパレータ１４の外周縁１４ａに、一個のマニホールド１５の長辺部１５ａに対応させてセルモニタ１６、及びコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・を設けた場合について説明したが、図９に示すように、複数、本実施形態では２つのマニホールド１５の長辺部１５ａに対応させて変形抑制部材を設けることができる。

この場合は、一方のマニホールド１５における長辺部１５ａの中心１５ｂ付近に対応させてセルモニタ１６及びコネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・を設け、他方のマニホールド１５の長辺部１５ａにおける中心１５ｂ付近に対応させて、突起３１及びこの突起３１に取り付けられる第２の変形抑制部材３２Ａ，３２Ｂ・・・を設けることができる。なお、セルモニタ１６は、各セパレータ１４にそれぞれ一個設ければよい。

この場合は、各セパレータ１４の外周縁１４ａに、一方のマニホールド１５（図９中の右側のマニホールド１５）における長辺部１５の中心１５ｂ付近に対応させてセルモニタ１６が設けられている。また、図１０に示すように、これらのセルモニタ１６のうち隣接するモニタ群Ｍ１，Ｍ２・・・の境界部付近のセルモニタ１６には、突起２１が一体的に設けられている。なお、セルモニタ１６と突起２１とは分割されていてもよい。

また、各セパレータ１４の外周縁１４ａには、図９に示すように、他方のマニホールド１５（図１０中の左側のマニホールド１５）における長辺部１５ａの中心１５ｂ付近に対応させて突起３１が設けられている。これらの突起３１は、セルモニタ１６と相似形であ
る。また、突起３１はモニタ群Ｍ１，Ｍ２と同様に突起群Ｔ１，Ｔ２に分割され、セル１０の積層方向Ｘ２に隣接する突起群Ｔ１，Ｔ２は、互いにマニホールド１５の長辺部１５ａの延伸方向Ｘ１に位置ずれしている。また、隣接する突起群Ｔ１，Ｔ２の境界部における突起３１は、相手の突起群Ｔ２又はＴ１の突起３１に一体的に形成されている。なお、隣接する突起群Ｔ１，Ｔ２の境界部における突起３１は、相手の突起群Ｔ２又はＴ１の突起３１に対して分割されていてもよい。

セルモニタ１６及びセルモニタ１６間の突起２１には、コネクタ１７Ａ，１７Ｂが取り付けられる。また、突起群Ｔ１，Ｔ２の突起３１には、突起群Ｔ１，Ｔ２毎に第２の変形抑制部材であるダミーコネクタ３２Ａ，３２Ｂが取り付けられる。これらのダミーコネクタ３２Ａ，３２Ｂは、コネクタ１７Ａ，１７Ｂと相似形に形成されている。ここでは、ダミーコネクタ３２Ａ，３２Ｂとしてコネクタ１７Ａ，１７Ｂを用いることができる。これらのダミーコネクタ３２Ａ，３２Ｂは、電圧測定機器２５に接続しない。

セルモニタ１６に取り付けられた各コネクタ１７Ａ，１７Ｂは、ハーネス１８によって電圧測定機器２５に接続されている。このハーネス１８は、ダミーコネクタ３２Ａ，３２Ｂの上側を通して配置されている。このダミーコネクタ３２Ａ，３２Ｂの上部側、本実施形態ではダミーコネクタ３２Ａ，３２Ｂの上面３２ａには、図９に示すように、ハーネス１８を着脱自在に保持するクランプ３３が設けられている。このクランプ３３は、フック状の係止片や、接着布など周知の技術を使用できる。

この燃料電池２によれば、セパレータ１４の外周縁１４ａに、複数のマニホールド１５のうち、一つのマニホールド１５における長辺部１５ａの中心１５ｂ付近に対応させて、セルモニタ１６及びコネクタ１７Ａ，１７Ｂが設けられ、他のマニホールド１５の長辺部１５ａにおける中心１５ｂ付近に対応させて、突起３１及びダミーコネクタ３２Ａ，３２Ｂが設けられているので、セパレータ１４の２つのマニホールド１５付近の部位が変形するのを抑制できる。

また、コネクタ１７Ａ，１７Ｂ・・・と電圧測定器２５との間にダミーコネクタ３２Ａ，３２Ｂが設けられ、このダミーコネクタ３２Ａ，３１Ｂの上部側、本実施形態では上面３２ａにハーネス１８を着脱自在に保持するクランプ３３が設けられているので、図１１に示すように、コネクタ１７Ａ，１７Ｂから延びるハーネス１８を、燃料電池２の上面２ａより高い位置から電圧測定機器２５側に延ばすことができる。従って、ハーネス１８が燃料電池２の角部２ｂに接触して損傷するのを抑制できる。

なお、複数のマニホールド１５のうち一部のマニホールド１５に対応させてダミーコネクタ３２Ａ，３２Ｂ・・・を設ける場合は、ダミーコネクタ３２Ａ，３２Ｂ・・・を複数のマニホールド１５のうち長辺部１５ａが長い方のマニホールド１５から順に対応させて設けるのが好ましい。

第１実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。 第１実施形態に係る燃料電池のセルを示す図であり、図１のＡ−Ａ断面図である。 第１実施形態に係るマニホールド及びコネクタを示す図であり、図２のＢ矢視図である。 第１実施形態に係るセルモニタ及び突起を示す図であり、図３のＣ矢視図である。 第１実施形態に係るセルモニタ及び突起を示す図であり、図４のＤ−Ｄ断面図である。 第１実施形態に係る一体的に形成されたセルモニタ及び突起を示す図である。 第１実施形態に係るセルモニタ及び突起が互いに隣接するコネクタに嵌入されている態様を示す図であり、図６のＥ矢視図である。 第１実施形態に係る３個以上のコネクタが千鳥足状に配置されている状態を示す図である。 第２実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。 第２実施形態に係るコネクタ及びダミーコネクタを示す図であり、図９のＦ矢視図である。 第２実施形態に係るダミーコネクタ、クランプ及びケーブルを示す図である。 従来例に係る燃料電池のセパレータが変形した状態を示す断面図である。

符号の説明

１，２ 燃料電池
２ａ 上面
１０ セル
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 燃料極
１３ 空気極
１４ セパレータ
１４ａ セパレータの外周縁
１５ マニホールド
１５ａ 長辺部
１５ｂ 中心
１５ｃ 端部
１６ セルモニタ
１７Ａ，１７Ｂ コネクタ
１７ａ 差し込み孔
１７ｂ 開口
１８ ハーネス（ケーブル）
２１ 突起
２５ 電圧測定機器
３１ 突起
３２Ａ，３２Ｂ ダミーコネクタ
３３ クランプ
１００ セパレータ
１０１ 燃料極
１０２ 空気極
１０３ ガスケット
１０４ マニホールド

Claims (6)

1. 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟む燃料極及び空気極と、
   前記燃料極及び前記空気極の両側に配置されるセパレータと、を有する複数のセルを備え、
   前記セパレータは、前記燃料極又は前記空気極に燃料又は空気を供給する長尺なマニホールドを有し、
   前記セパレータの外周縁に、前記マニホールドの長辺部に対応させて前記セパレータの変形を抑制する第１の変形抑制部材が設けられている燃料電池。
2. 複数の前記マニホールドを有し、前記第１の変形抑制部材は前記複数のマニホールドのうち前記長辺部の長手方向の長さが最長の前記マニホールドに対応させて設けられている請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記セパレータの前記外周縁にセルモニタが設けられ、前記第１の変形抑制部材は前記セルモニタを外部の電圧測定機器に接続するコネクタである請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記セパレータの外周縁に、前記マニホールドの前記長辺部に対応させて突起が設けられ、前記突起に第２の変形抑制部材が取り付けられる請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池。
5. 前記第２の変形抑制部材は、前記コネクタである請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記セパレータの前記外周縁にセルモニタが設けられ、前記第１の変形抑制部材は前記セルモニタを外部の電圧測定機器に接続するコネクタであり、前記第２の変形抑制部材の上部側には、前記コネクタと前記電圧測定機器間のケーブルを着脱自在に保持するクランプが設けられている請求項４または５に記載の燃料電池。

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