JP2013118047A

JP2013118047A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2013118047A
Application number: JP2011263641A
Authority: JP
Inventors: Chikashige Konno; 周重紺野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-06-13
Also published as: WO2013080029A8; WO2013080029A1

Abstract

【課題】セパレータ１枚あたりにかかる荷重が分散でき、セパレータの折れを抑制でき、尚かつコネクタの保持強度が確保できるようにする。
【解決手段】燃料電池スタック４が定寸締結されており、燃料電池セル２を構成するセパレータ２０面内にセルモニタ端子２１が形成されており、セルモニタ端子２１に接続されるセルモニタコネクタ５は複数の極を有するものであることを特徴としている。セルモニタコネクタ５におけるハウジング５０が、一対のセパレータと該セパレータを接着するゴム材とで構成されていることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池にセルモニタコネクタを接続するための構造の改良に関する。

通常の電気コネクタのハウジングはオス・メスともに金属同士もしくは樹脂同士で構成されている。このような電気コネクタはハウジング同士の嵌合により電気コネクタの保持力（ロック強度）を確保する必要があることから、その部材として変形に強い材質が選択されている。

また、燃料電池用コネクタにおいても、従来はオス側のハウジング部材として樹脂フレームが使用されている。このような燃料電池用コネクタとして、例えば特許文献１には、セルモニタ端子がセル面内の角部に形成されているものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−２８７３８５号公報

しかしながら、上述のごとき燃料電池においては、セパレータを薄型化すると、端子部に荷重がかかり、折れが発生し、コネクタの保持強度が確保し難くなるという問題が生じる。この点、セルモニタコネクタを多極化してセパレータ１枚あたりの荷重を分散させることが考えられるが、従来の燃料電池スタックは所定の荷重で締結することを前提としているため、セル積層厚みの公差が大きく、コネクタが多極であればあるほど接続できなくなる。

そこで、本発明は、セパレータ１枚あたりにかかる荷重が分散でき、セパレータの折れを抑制でき、尚かつコネクタの保持強度が確保できる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池であって、燃料電池スタックが定寸締結されており、燃料電池セルを構成するセパレータ面内にセルモニタ端子が形成されており、セルモニタ端子に接続されるセルモニタコネクタは複数の極を有するものであることを特徴としている。

この燃料電池においては、セルモニタ端子に接続されるセルモニタコネクタは複数の極を有することから、セルモニタコネクタの多極化が可能となっている。したがって、このように多極化することにより、セパレータ１枚あたりにかかる荷重を分散し、セパレータの折れを抑制することができる。また、これにより、コネクタの保持強度を確保することができる。

このような燃料電池においては、セルモニタコネクタにおけるハウジングが、一対のセパレータと該セパレータを接着するゴム材とで構成されていることが好ましい。

本発明によれば、セパレータ１枚あたりにかかる荷重が分散でき、セパレータの折れを抑制でき、尚かつコネクタの保持強度が確保できるようになる。

本発明の一実施形態における燃料電池スタックの側面図と、セルモニタ端子付近の拡大斜視図である。コネクタにおける樹脂フレームのオス側ハウジングに相当する部分の一構造例を示す図である。燃料電池セルの断面を概略的に示す図である。積層された複数のセルを側面からの図として表したものである。従来の燃料電池における燃料電池スタックの側面図と、セルモニタ端子付近の拡大斜視図とを比較例として表したものである。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図４に本発明にかかる燃料電池の実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池１は、燃料電池スタック４が定寸締結されており、燃料電池セル２を構成するセパレータ２０の面内にセルモニタ端子２１が形成されており、セルモニタ端子２１に接続されるセルモニタコネクタ５は複数の極を有するというものである。

図３等に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されてセル積層体３を構成している（図１参照）。また、このセル積層体３等で構成される燃料電池スタックは、例えばスタック両端を一対のエンドプレート（図示省略）で挟まれ、さらにこれらエンドプレートどうしを繋ぐようにテンションプレート（図示省略）からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている。

このような燃料電池スタック等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても用いることが可能である。

セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（Membrane Electrode Assembly、以下ではＭＥＡと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図３、図４においては、一方に符号２０ａ、他方に符号２０ｂを併記して示している）等で構成されている（図３参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）とで構成されている（図１参照）。電解質膜３１は、各電極よりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部を残した状態で各電極が例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＡ３０を構成する電極は、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）には燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）には空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。

セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図３等参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図３等参照）。本実施形態の場合、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている。

さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近には、酸化ガスの入口側のマニホールド、水素ガスの出口側のマニホールド、および冷却水の出口側のマニホールドが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールドは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド、水素ガスの入口側のマニホールド、および冷却水の入口側のマニホールドが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールドも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている。

第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されている。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。

さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図３等参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。

なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。

次に、燃料電池１の構成について簡単に説明する。本実施形態における燃料電池１は、複数のセル２を積層してなるセル積層体３を有し、当該セル積層体３の両端に位置するセル２，２の外側に順次、出力端子付きの集電板、絶縁板およびエンドプレートが各々配置された構造となっている。また、セル積層体３等を積層状態で拘束するテンションプレートは、両エンドプレート間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対が当該スタックの両側に対向するように配置される。テンションプレートは、各エンドプレートに接続され、セル積層体３の積層方向に所定の締結力（圧縮荷重）を作用させた状態を維持する。また、テンションプレートの内側面（セル積層体３を向く面）には漏電やスパークが生じるのを防止すべく絶縁膜（図示省略）が形成されている。絶縁膜は、例えば当該テンションプレートの内側面に貼り付けられた絶縁テープ、あるいは当該面を覆うように塗布された樹脂コーティングなどによって形成されている。

また、本実施形態では、燃料電池１を診断する手段として、各セル２の電圧をモニタするセルモニタ６を利用している（図４参照）。セルモニタ６はセル２における電圧（セル電圧）を測定して発電状況の診断材料を提供する。

ここで、本実施形態の燃料電池１においては、燃料電池スタック４が定寸締結されている。本明細書でいう定寸締結とは、セル積層体３のセル積層方向長さ（スタック長）が定寸（所定長さ）となるようにした構造を意味している。

また、本実施形態の燃料電池１において、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の面内にはセルモニタ端子２１が形成されている。さらに、セルモニタ端子２１に接続されるセルモニタコネクタ５には、複数の極が形成されている（図１参照）。

例えば、従来の燃料電池用コネクタとしては、オス側のハウジング部材として樹脂や金属を用い、セルの外形から飛び出す形でコネクタ部が構成されている場合がある（図５参照）。このような燃料電池用コネクタにおいては、（１）オス側ハウジングとしてフレームが必要になる、（２）コネクタ部（フレームや端子）がセル外形から飛び出すことでセパレータ材料の歩留まりが悪化する、（３）コネクタ部（フレームや端子）がセル外形から飛び出すことで、セル搬送時に破損するおそれがあるといった問題が生じうる。

上記（１）の理由としては、コネクタはハウジングの嵌合によりコネクタの保持力（ロック強度）を確保する必要があり、変形に強い部材が選択されていることが挙げられる。一般には、成形性や耐熱性なども考慮してＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン樹脂）やＰＢＴ（ポリエチレンテレブタレート）などの樹脂が多い。また、従来技術においては、５極のコネクタを採用する場合もある（例えば特開2007-200632号公報参照）。

また、（２）の理由としては、セル外形内は発電に必要なＭＥＧＡやマニホールドのためにスペースを使用したいこと、上記（１）で使用される樹脂フレームは射出成形で作成するためにセル外形に影響されにくいこと、などが挙げられる。さらに（３）の理由としては、コネクタ部が単純にセル外形から飛び出しているため、搬送時にぶつかるリスクがその分高くなっていることが挙げられる。

以上に対し、本実施形態の燃料電池１によれば、セルモニタ端子２１に接続されるコネクタ５には複数の極が形成されていることから、当該コネクタ５を多極化することが可能となっている。したがって、このように多極化することにより、セパレータ１枚あたり（１セルあたり）にかかる荷重（ロック荷重）を分散し、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の折れを抑制することができる。また、これにより、コネクタ５の保持強度を確保することができる。

また、上述したような５極のコネクタを採用した従来技術においては、コネクタのハウジングをフレームに形成することによって当該コネクタの保持強度を確保しているのに対し、本実施形態の燃料電池１においては、フレームのないセル面内でコネクタ５の保持強度を得ようとしており、構成が異なっている。ただし、コネクタ５の極数が５，６極程度であれば所定の荷重で締結した（公差が大きい）スタックでもある程度の締結は可能であるが、セパレータ１枚にかかる荷重をできるだけ低減すべく一例としてコネクタ５を１２極としたような場合には、公差をも低減しないと締結が困難となる。この点、本実施形態においては、セル積層体３のセル積層方向長さを所定長さとする定寸締結構造としているため締結することが可能となっている。

さらに、本実施形態では、コネクタ５における樹脂フレームのオス側ハウジングに相当する部分（図１、図２において符号５０で示す）を、２枚のセパレータ５１とそれらを接着するゴム材５２のみで構成し（図１、図２参照）、コネクタ５として必要な強度と寸法精度を確保している。上述したように多極化を推進し、セル１枚のゴム部分にかかる荷重を分散することで、セパレータ５１とゴム材５２のみでのハウジング機能を代替する構成が実現されている。

ここまで説明したように、本実施形態の燃料電池１によれば、セル２側のフレーム部材（ハウジング機能）を削減することができる。また、これにより、セル側コネクタ部（フレームや端子）の材料歩留まりを向上させることができる。さらに、コネクタ５の取付け部をセル外形の内側に設けていることから、セルコネクタ部（フレームや端子）が搬送時に破損してしまうのを抑制することができる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

本発明は、セルモニタコネクタが接続される燃料電池に適用して好適である。

１…燃料電池、２…セル（燃料電池セル）、４…燃料電池スタック、５…コネクタ（セルモニタコネクタ）、２１…セルモニタ端子、５０…ハウジング、５１…セパレータ、５２…ゴム材

Claims

燃料電池であって、
燃料電池スタックが定寸締結されており、
燃料電池セルを構成するセパレータ面内にセルモニタ端子が形成されており、
前記セルモニタ端子に接続されるセルモニタコネクタは複数の極を有するものである、燃料電池。
前記セルモニタコネクタにおけるハウジングが、一対のセパレータと該セパレータを接着するゴム材とで構成されている、請求項１に記載の燃料電池。