JP2019079643A - セルモニタコネクタの組付方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックへのコネクタの取り付けを短時間で且つ確実に行うことのできるセルモニタコネクタの組付方法を提供する。【解決手段】コネクタ組付工程（Ｓ４）の挿入工程（Ｓ４４）において、各コネクタブロック１５ａの積層方向への位置を、共通の連動機構にて調整する位置合わせ機構１７によって調整し、これにより、所定のコネクタブロック１５ａａの位置を所定のスタックブロック９ａａに合わせて調整して前記所定のコネクタブロック１５ａａを前記所定のスタックブロック９ａａに挿入した後、前記所定のコネクタブロック１５ａａに隣接するコネクタブロック１５ａｂの位置を前記所定のスタックブロック９ａａに隣接するスタックブロック９ａｂに合わせて調整して前記隣接するコネクタブロック１５ａｂを前記隣接するスタックブロック９ａｂに順次挿入していく。【選択図】図７

Description

本発明は、燃料電池におけるセル電圧を検出・監視するためのセルモニタコネクタの組付方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池のセル（燃料電池セルや単セル、単電池ということもある）は、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。ＭＥＡの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置されたＭＥＡは、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。ここで、ＭＥＧＡが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、ＭＥＡが燃料電池の発電部となる。

燃料電池（燃料電池スタックということもある）は、前記した如くの構成を有するセルを複数枚重ね合わせて（積層して）構成される。

燃料電池において、積層した各セルの発電状態を監視するために、セル電圧を測定することが知られている。一般に、セル電圧を測定する場合、燃料電池スタック組付工程にて、各セル間（詳しくは、各セルのセパレータに設けられた検出端子間）に、セル電圧監視用のセルモニタコネクタ（以下、単に「コネクタ」という）を挿入し、前記セルの側面を挟持するようにして組み付ける（例えば、下記特許文献１、２等参照）。

特開２０１３−１１８０４７号公報 特開２００５−０９３３９５号公報

ところで、前記燃料電池スタックにおいては、隣り合うセル間（つまり、隣り合うセルのセパレータに設けられた検出端子間）の間隔が狭く（例えば、約1mm）、コネクタの組付に時間を要するとともに、誤組が発生する可能性があった。そこで、コネクタ組付け時間を短縮するため、コネクタを取付用治具で把持して機械的に組み付けることが検討されている。

しかしながら、前記燃料電池スタックは、例えば数百枚程度のセルを積層して構成されるとともに、各セルの厚みにばらつきがあり、セル積層体の（積層方向の）全長が大きく変化してしまう（例えば、数十mm程度ばらつく）。そのため、取付用治具等の機械でコネクタをセルに取り付ける（挿入する）際、コネクタとセルとが接触する等して、機械による取り付けが難しいという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池スタックへのコネクタの取り付けを短時間で且つ確実に行うことのできるセルモニタコネクタの組付方法を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明によるセルモニタコネクタの組付方法は、複数の燃料電池セルが積層されて形成された燃料電池スタックへのセルモニタコネクタの組付方法であって、前記燃料電池スタックに積層方向に荷重を付与して締結する締結工程と、前記燃料電池スタックを複数のスタックブロックに分割するスタック分割工程と、前記燃料電池スタックの各スタックブロックの位置を測定する測定工程と、前記燃料電池スタックの各スタックブロックに対応して、前記セルモニタコネクタを複数のコネクタブロックに分割するコネクタ分割工程と、各スタックブロックと各コネクタブロックとの位置を合わせ、各コネクタブロックを独立して前記各コネクタブロックに対応する各スタックブロックに順次挿入する挿入工程と、を備え、前記挿入工程において、各コネクタブロックの積層方向への位置を、共通の連動機構にて調整する位置合わせ機構によって調整し、これにより、所定のコネクタブロックの位置を所定のスタックブロックに合わせて調整して前記所定のコネクタブロックを前記所定のスタックブロックに挿入した後、前記所定のコネクタブロックに隣接するコネクタブロックの位置を前記所定のスタックブロックに隣接するスタックブロックに合わせて調整して前記隣接するコネクタブロックを前記隣接するスタックブロックに順次挿入していくことを特徴としている。

本発明によれば、例えばパンタグラフ等の、共通の連動機構にてセルモニタコネクタの各コネクタブロックの積層方向への位置を調整する位置合わせ機構によって、前記セルモニタコネクタの各コネクタブロックの位置を調整することで、所定のコネクタブロックの位置を調整すると同時に、所定のコネクタブロックに隣接するコネクタブロックの位置を連動して調整できるので、次回の隣接するコネクタブロックの隣接するスタックブロックへの挿入時に、隣接するコネクタブロックの位置を調整する際の調整幅が少なくなり、セルモニタコネクタの位置調整の時間（すなわち、燃料電池スタックへのコネクタ組付け時間）を短縮しつつ、セルモニタコネクタを燃料電池スタックに確実に取り付けることが可能となる。

燃料電池スタックの要部断面図である。 本発明によるセルモニタコネクタの組付方法を適用した燃料電池スタックの製造工程の概略を示すフロー図である。 燃料電池スタックの製造工程におけるコネクタ組付工程の概略を示すフロー図である。 セル積層工程の概略を示す模式図である。 加圧工程の概略を示す模式図である。 収納・締結工程の概略を示す模式図である。 コネクタ組付工程の概略を示す模式図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載される燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。

［燃料電池スタックの構成］
まず、図１を参照して、本発明によるセルモニタコネクタの組付方法の適用対象となる燃料電池スタック（燃料電池）として固体高分子型燃料電池を例にとってその構成を概説する。

図１は、燃料電池スタック（燃料電池）１０の要部を断面視した図である。図１に示すように、燃料電池スタック１０には、基本単位であるセル（単電池）１が複数積層されている（セル積層体９）。各セル１は、酸化剤ガス（例えば空気）と、燃料ガス（例えば水素）と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル１は、ＭＥＧＡ２と、ＭＥＧＡ２を区画するように、ＭＥＧＡ２に接触するセパレータ（燃料電池用セパレータ）３とを備えている。なお、本実施形態では、ＭＥＧＡ２は、一対のセパレータ３、３により、挟持されている。

ＭＥＧＡ２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）４と、この両面に配置されたガス拡散層７、７とが、一体化されたものである。膜電極接合体４は、電解質膜５と、電解質膜５を挟むように接合された一対の電極６、６と、からなる。電解質膜５は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極６は、たとえば、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により形成される。電解質膜５の一方側に配置された電極６がアノードとなり、他方側の電極６がカソードとなる。ガス拡散層７は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。

本実施形態では、ＭＥＧＡ２が、燃料電池１０の発電部であり、セパレータ３は、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７に接触している。また、ガス拡散層７が省略されている場合には、膜電極接合体４が発電部であり、この場合には、セパレータ３は、膜電極接合体４に接触している。したがって、燃料電池１０の発電部は、膜電極接合体４を含むものであり、セパレータ３に接触する。

セパレータ３は、導電性やガス不透過性などに優れた金属を基材とする板状の部材であって、その一面側がＭＥＧＡ２のガス拡散層７と当接し、他面側が隣接する他のセパレータ３の他面側と当接している。

本実施形態では、各セパレータ３は、波形状ないし凹凸状に形成されている。セパレータ３の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ３は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。ＭＥＧＡ２の一方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触し、ＭＥＧＡ２の他方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触している。

一方の電極（すなわちアノード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２１は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極（すなわちカソード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２２は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル１を介して対向する一方のガス流路２１に燃料ガスが供給され、ガス流路２２に酸化剤ガスが供給されると、セル１内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。

さらに、あるセル１と、それに隣接するもうひとつのセル１とは、アノードとなる電極６とカソードとなる電極６とを向き合わせて配置されている。また、あるセル１のアノードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部と、もうひとつのセル１のカソードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する２つのセル１間で面接触するセパレータ３、３の間に画成される空間２３には、セル１を冷却する冷媒としての水が流通する。

前記セル１を複数積層して構成したセル積層体９で構成される燃料電池スタック１０は、例えば、スタックケース１１（図１では図示省略、図６参照）に収容されるとともに、スタック両端（セル積層体９のセル積層方向両端）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同士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付与されて締結される。セル積層体９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、例えば一対が当該燃料電池スタック１０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９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、本実施形態では、前記燃料電池スタック１０に、各セル１の電圧（セル電圧）を測定してその発電状態（例えば、発電中におけるセル電圧の変動など）を監視するためのコネクタ１５（図１では図示省略、図７参照）が接続される。このコネクタ１５は、セル１を構成するセパレータ３の端部に設けられた検出端子（不図示）間に挿入されて当該検出端子に電気的に接続される（後で詳述）。

［燃料電池スタックへのセルモニタコネクタの組付方法］
次に、図２〜図７を参照して、燃料電池スタックの製造工程、特に、燃料電池スタックへのセルモニタコネクタの組付工程を説明する。

図２は、本発明によるセルモニタコネクタの組付方法を適用した燃料電池スタックの製造工程の概略を示すフロー図である。また、図３は、そのコネクタ組付工程の概略を示すフロー図である。

前記燃料電池スタック１０の製造工程は、図２に示すように、主に、セル積層工程（Ｓ１）、加圧工程（Ｓ２）、収納・締結工程（Ｓ３）、コネクタ組付工程（Ｓ４）、発電検査工程（Ｓ５）を含んで構成される。

まず、セル積層工程（Ｓ１）では、前記したセル１を所定間隔（例えば、約2mmピッチ）で複数枚積層してセル積層体（加圧・圧縮前の状態）９を形成する（図４参照）。

次いで、加圧工程（Ｓ２）では、前記エンドプレートおよびテンションプレート等を利用して、前記セル積層体（加圧・圧縮前の状態）９を（セル１の）積層方向に加圧（荷重を付与）し、各セル１のガス拡散層７、７を圧縮変形させて、各セル１間の間隔を（例えば、約2mmピッチから約1mmピッチまで）狭める（図５参照）。

次に、収納・締結工程（Ｓ３）では、前記エンドプレートおよびテンションプレート等により加圧されて保持されたセル積層体９を、スタックケース１１に挿入して締結する。これにより、複数のセル１を積層して形成した燃料電池スタック１０が作製されるとともに、燃料電池スタック１０（のセル積層体９）の締結寸法が決まる（図６参照）。

次に、コネクタ組付工程（Ｓ４）では、前記燃料電池スタック１０における各セル１間（詳しくは、各セル１のセパレータ３に設けられた隣り合う検出端子間）に、コネクタ１５を挿入して組み付ける（図７参照）。

より詳しくは、前記コネクタ組付工程（Ｓ４）は、図３に示すように、スタック分割工程（Ｓ４１）、測定工程（Ｓ４２）、コネクタ分割工程（Ｓ４３）、挿入工程（Ｓ４４）を含んで構成される。

スタック分割工程（Ｓ４１）では、前工程の収納・締結工程（Ｓ３）における締結寸法データからセル積層体９のピッチ寸法（積層方向の全長）を取得し、セル積層体９の全長に合わせて、当該セル積層体９を、それぞれが複数のセル１を含む複数のスタックブロック９ａに分割する。なお、例えば締結寸法が不明である場合は、セル積層体９を当該セル積層体９の両端部のターミナル１９に押し当てて機械的にピッチ寸法を取得しても良い。

測定工程（Ｓ４２）では、前述の取得したピッチ寸法等から、前記スタック分割工程（Ｓ４１）で分割した各スタックブロック９ａの（積層方向での）位置を測定する。

コネクタ分割工程（Ｓ４３）では、前記スタック分割工程（Ｓ４１）で分割した各スタックブロック９ａに対応して、コネクタ１５を複数のコネクタブロック１５ａに分割（例えば、等分配で分割）する。それとともに、位置合わせ機構（セルピッチ合わせ機構ともいう）１７で連結された複数のチャック１６を用いて、各コネクタブロック１５ａを把持し、各コネクタブロック１５ａの位置および姿勢を保持する。各チャック１６（すなわち、各チャック１６により把持された各コネクタブロック１５ａ）は、前記位置合わせ機構１７を介して、セル積層体９の積層方向に姿勢等を保持した状態で連動して滑動可能となっており、各コネクタブロック１５ａの積層方向への位置を共通の連動機構にて調整可能となっている。

ここで利用可能な位置合わせ機構（セルピッチ合わせ機構）１７としては、例えば、パンタグラフ機構、ネジ機構、サーボ機構等が挙げられる。

挿入工程（Ｓ４４）では、前述のピッチ寸法等から、前記位置合わせ機構１７を介して、各スタックブロック９ａと各チャック１６により把持された各コネクタブロック１５ａとの位置を合わせ、各コネクタブロック１５ａを独立して各コネクタブロック１５ａに対応する各スタックブロック９ａに順次挿入して接続する。

より詳細には、前記位置合わせ機構１７によって、各コネクタブロック１５ａの（各スタックブロック９ａに対する）積層方向への位置を調整し、第１コネクタブロック１５ａａの位置を第１スタックブロック９ａａに合わせて調整して第１コネクタブロック１５ａａを第１スタックブロック９ａａに挿入して接続する（図７に示される状態）。その第１コネクタブロック１５ａａの挿入後、前記位置合わせ機構１７によって、第１コネクタブロック１５ａａに隣接する第２コネクタブロック１５ａｂの位置を第１スタックブロックａａに隣接する第２スタックブロック９ａｂに合わせて再び微調整して第２コネクタブロック１５ａｂを第２スタックブロック９ａｂに挿入して接続する。このような調整・挿入作業を（スタックブロック９ａおよびコネクタブロック１５ａのブロック数だけ）順次繰り返すことで、コネクタ１５（の各コネクタブロック１５ａ）が燃料電池スタック１０（のセル積層体９の各スタックブロック９ａ）に電気的に接続される。

図２に戻り、発電検査工程（Ｓ５）では、前記コネクタ組付工程（Ｓ４）で組み付けられたコネクタ１５を介して、燃料電池スタック１０の発電状態（各セル１のセル電圧）を検査する。

以上で説明したように、本実施形態では、コネクタ１５をチャック１６等の機械で取り付ける際に、例えばパンタグラフ等の、共通の連動機構にてコネクタ１５の各コネクタブロック１５ａの積層方向への位置を調整する位置合わせ機構１７によって、前記コネクタ１５の各コネクタブロック１５ａの位置を調整することで、所定のコネクタブロック１５ａの位置を調整すると同時に、所定のコネクタブロック１５ａに隣接するコネクタブロック１５ａの位置を連動して調整できるので、次回の隣接するコネクタブロック１５ａの隣接するスタックブロック９ａへの挿入時に、隣接するコネクタブロック１５ａの位置を調整する際の調整幅が少なくなり、コネクタ１５の位置調整の時間（すなわち、燃料電池スタック１０へのコネクタ１５組付け時間）を短縮しつつ、コネクタ１５を燃料電池スタック１０に確実に取り付けることが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態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ける設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…セル（燃料電池セル）、１ａ…セルの検出端子、２…ＭＥＧＡ、３…セパレータ、４…膜電極接合体（ＭＥＡ）、５…電解質膜、６…電極、７…ガス拡散層、９…セル積層体、９ａ…スタックブロック、１０…燃料電池スタック（燃料電池）、１１…スタックケース、１５…コネクタ（セルモニタコネクタ）、１５ａ…コネクタブロック、１６…チャック、１７…位置合わせ機構、２１、２２…ガス流路、２３…水が流通する空間

Claims (1)

1. 複数の燃料電池セルが積層されて形成された燃料電池スタックへのセルモニタコネクタの組付方法であって、
   前記燃料電池スタックに積層方向に荷重を付与して締結する締結工程と、
   前記燃料電池スタックを複数のスタックブロックに分割するスタック分割工程と、
   前記燃料電池スタックの各スタックブロックの位置を測定する測定工程と、
   前記燃料電池スタックの各スタックブロックに対応して、前記セルモニタコネクタを複数のコネクタブロックに分割するコネクタ分割工程と、
   各スタックブロックと各コネクタブロックとの位置を合わせ、各コネクタブロックを独立して前記各コネクタブロックに対応する各スタックブロックに順次挿入する挿入工程と、を備え、
   前記挿入工程において、各コネクタブロックの積層方向への位置を、共通の連動機構にて調整する位置合わせ機構によって調整し、これにより、所定のコネクタブロックの位置を所定のスタックブロックに合わせて調整して前記所定のコネクタブロックを前記所定のスタックブロックに挿入した後、前記所定のコネクタブロックに隣接するコネクタブロックの位置を前記所定のスタックブロックに隣接するスタックブロックに合わせて調整して前記隣接するコネクタブロックを前記隣接するスタックブロックに順次挿入していく、セルモニタコネクタの組付方法。

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