JP3868784B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜電極構造体と、該膜電極構造体を挟持するプレス成形されたセパレータとを備え、前記セパレータに、電圧検出用端子を着脱自在に連結可能な端子接続部が備えられる燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車の新たな動力源として燃料電池が注目されている。このような燃料電池の一例としては、図7に示したものがある。図7に示した燃料電池1は、固体高分子電解質膜2の両側にガス拡散電極層3,4を配設した膜電極構造体(MEA)5を備えており、この膜電極構造体5を一対のセパレータ6,7で挟持した燃料電池セル8を積層した構造となっている。この燃料電池1を用いて発電する場合には、燃料電池の一方のガス拡散電極層3に燃料ガス(例えば、水素ガス)9を、他方のガス拡散電極層4に酸化剤ガス(例えば、酸素を含む空気)10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。
【0003】
上記したように、燃料電池1は複数の燃料電池セル8を積層して構成され、各燃料電池セル8で発電させることにより、自動車を駆動するのに十分な電力を得るようにしている。したがって、各燃料電池セル8が正常であるかを監視するために、燃料電池セル8の電圧を検出することは非常に重要である。そこで、従来においては、図8の側断面による説明図および平面図に示したように、各燃料電池セル8のセパレータ6,7には、突起状に形成した端子接続部11が設けられ、電圧検出装置(図示せず)に接続した電圧検出用端子12を前記端子接続部11に連結することで、端子接続部11の設けられたセパレータ6,7の電圧を検出し、これにより各燃料電池セル8の電圧を検出していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような燃料電池のセパレータは、導電性などの電気的特性や耐食性に優れたカーボン製の板材を切削加工することで一般に形成される。しかし、切削加工して形成されたカーボン製のセパレータは、厚さが大きくなってしまう上に、強度や生産性が低いという問題がある。このような点から、厚さを薄くでき、かつ、生産性を高くできるように、金属材料等をプレス成形してセパレータを形成し、燃料電池の小型化を図ることが検討されている。
【0005】
しかしながら、プレス成形によりセパレータの厚みを薄くしても、前記端子接続部の厚みが切削成形したセパレータを用いる場合と同程度であれば、燃料電池の小型化に障害となってしまう。このため、プレス成形により厚みを薄くしたセパレータに端子接続部を設けるにあたっては、この端子接続部の厚みもセパレータと同様に薄くする必要がある。しかし、この端子接続部の厚みを薄くすることに伴って端子接続部の剛性がその分失われ、反りやうねり等が発生しやすくなってしまう。特に、端子接続部をセパレータと同様の金属材料で形成した場合にはこの傾向が強くなる。そして、各セパレータに設けられている端子接続部に反りやうねり等が発生すると、積層方向に隣合う端子接続部同士が接触するおそれがあった。加えて、端子接続部に反りやうねりが発生すると、端子接続部に電圧検出用端子を連結することが困難になるおそれがあった。
【0006】
また、端子接続部の厚みを薄くすると、端子接続部に一旦連結した電圧検出用端子が抜けやすくなってしまうという問題があった。以下、この問題について図8、図9を用いて説明する。突起状に形成した端子接続部11を連結する電圧検出用端子12には、図8に示すように、断面コ字状に形成されたものがある。この前記電圧検出用端子12は、開口部から端子接続部11に挿入することで、端子接続部11を両側から挟み込んで連結するものである。すなわち、前記電圧検出用端子12は一般に弾性部材で形成され、この端子接続部11に電圧検出用端子12を挿入することで、図8(a)に示すように、端子接続部11の両面には弾性力が矢印Bのように付与される。このため、端子接続部11が容易に抜けずに電圧検出用端子12に連結されるのである。
【0007】
ところが、図9に示したように、端子接続部11の厚み(矢印A)が薄いと、電圧検出用端子12内に端子接続部11を挿入しても、ほとんど弾性力が作用しないため(矢印C)、端子接続部11が電圧検出用端子12から容易に抜けて連結状態が解除されてしまい、セパレータの電圧検出に支障がでるおそれがあった。
【0008】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、プレス成形されたセパレータに設けた端子接続部の反りやうねりの発生を防止できる燃料電池を提供することを一の目的とする。
また、本発明は、プレス成形されたセパレータに設けた端子接続部を電圧検出用端子に確実に連結状態を保つことができる燃料電池を提供することを他の目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に記載した発明は、膜電極構造体(例えば、実施の形態における膜電極構造体28)と、該膜電極構造体を挟持するプレス加工にて折り曲げ形成したセパレータ(例えば、実施の形態におけるセパレータ30,32)とを備えた燃料電池(例えば、実施の形態における燃料電池20)であって、前記セパレータに、電圧検出装置に接続された電圧検出用端子(例えば、実施の形態における電圧検出用端子60)を着脱自在に連結可能な端子接続部(例えば、実施の形態における端子接続部50)が突起状に凸設して備えられ、前記端子接続部には、該セパレータの厚み方向に凸部(例えば、実施の形態における凸部51)が形成され、該端子接続部の凸部が、セパレータの周縁部に設けられる凸部(例えば、実施の形態における凸部35)に連絡するように形成されていることを特徴とする燃料電池である。
【0010】
このように構成することで、端子接続部のセパレータの厚み方向への剛性を増すことができ、端子接続部の厚みを薄くしても、反りやうねりの発生を防止できる必要な剛性を確保することができる。端子接続部はセパレータに凸設されており、セパレータ全体の剛性を損なわない点で好ましい。
端子接続部は凸部をセパレータの凸部に合わせることができ、端子接続部をセパレータに一体化した状態で凸部を形成することができる。加えて、端子接続部を設けたセパレータの周縁部に略均一な幅に凸部を形成することができるため、セパレータに端子接続部を設けても、ほぼ均一にバランスよく剛性を高めることができる。
【0011】
請求項2に記載した発明は、上記構成において、前記端子接続部には、前記電圧検出用端子に設けられた突起部に嵌合可能な穴部が形成されていることを特徴とする燃料電池である。
【0012】
請求項3に記載した発明は、上記構成において、前記端子接続部には、前記電圧検出用端子に設けられた穴部若しくは孔部に嵌合可能な突起部が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池である。
【0013】
このように構成することで、端子接続部に電圧検出用端子を連結すると、請求項2に記載の発明においては、端子接続部の穴部と電圧検出用端子の突起部とが嵌合し、請求項3に記載の発明においては、端子接続部の突起部と電圧検出用端子の穴部若しくは孔部とが嵌合する。このため、電圧検出用端子が端子接続部から容易に抜けることを防止でき、電圧検出用端子と端子接続部との連結状態を保つことができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態における燃料電池を図面と共に説明する。
図6は、本発明の第1実施の形態における燃料電池を示す部分断面図である。
この燃料電池20は、固体高分子電解質膜(電解質膜)22の厚さ方向における両側にこれを挟むようにアノード側電極24とカソード側電極26とを対設して構成される膜電極構造体28を有している。この膜電極構造体28は一対のプレス成形された金属製のセパレータ30、32で厚さ方向における両側から挟持され、これにより燃料電池セル34が構成される。本実施の形態におけるセパレータ30,32は、例えば板厚0.1〜0.5mmのステンレス製板材をプレス加工で打ち抜きかつ折り曲げて形成されている。そして、前記セパレータ30,32には、それぞれの中央部に凸凹が交互に形成された波板部36が設けられており、この波板部36の一方の面がそれぞれアノード側電極24またはカソード側電極26に当接している。
【0015】
燃料電池20は、前記燃料電池セル34を複数積層して構成される。図6に示すように、セパレータ32の凹側とセパレータ30の凸側とが突き合わせられており、これらのセパレータ30,32で区画された空間が、それぞれ燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、冷却媒体流路となり、それぞれの流路に燃料ガス(例えば水素)38、酸化剤ガス(例えば空気)40、冷却媒体(例えば水)42が流通するのである。
【0016】
図1は本実施の形態における燃料電池20のセパレータ30,32を示す平面図である。前記セパレータ30,32は、一定の高さを有する凹凸が一定のパターンで多数形成された波板部36(図6参照)と、この波板部36を取り囲むように配置される平面部35とを具備している。前記平面部35の両端側には、連通孔37(37a、37b、37c)が形成されており、それぞれの連通孔37に水素ガス38,空気40、冷却水42が供給・排出される。そして、前記セパレータ30,32の周縁部は、その内側の平面部(凸部)35よりも積層方向(図8の矢印Z)に対して若干窪んだ凹部43とされており、これによりセパレータ30,32の剛性を高めてセパレータ30,32の反りを防止している。なお、燃料電池20は、膜電極構造体28をシールするシール部材等の部材を備えているが、これらの部材については図示と説明を省略する。
【0017】
本実施の形態における端子接続部50について説明する。この端子接続部50は前記セパレータ30、32にそれぞれ設けられ、詳細を後述する電圧検出用端子60(図3参照)が連結されることにより、前記セパレータ30,32の電圧の検出が行われるのである。前記端子接続部50は、セパレータ30、32と同様のステンレス製であり、これらのセパレータ30、32と一体化して形成されているため、セパレータ30、32と同時に製造することができ、端子接続部50をセパレータ30,32と独立して製造する場合に比べて製造工程が簡略化される。また、前記端子接続部50は、セパレータ30、32から、その外側に突出するように、突起状に形成されている。すなわち、端子接続部50は、図1に示したように平面視でセパレータ30、32に凸設されているため、セパレータ30、32全体の剛性を損なわない点で好ましい。
【0018】
そして、前記端子接続部50の周縁側にはベース部52が形成され、このベース部52の内側が厚み方向に突出させた凸部51となっている。このように端子接続部50にベース部52と凸部51を形成することで、端子接続部50のセパレータ厚み方向への剛性を高めることができる。したがって、セパレータ30,32の厚みを薄くしたことに伴って端子接続部50の厚みを薄くしても、この端子接続部50の反りやうねりの発生を防止できる必要な剛性を確保することができる。このため、それぞれのセパレータ30、32に設けた端子接続部50同士が反りやうねりにより接触することを防止することができる。
【0019】
図2は本実施の形態における端子接続部50を示す側面図及び正面図及び平面図である。図2(a)に示した端子接続部50のベース52に対する凸部51の突出高さ寸法Wは、前記電圧検出用端子60の材料である弾性部材の弾性力に対応して設定されている(詳細は後述する)。
【0020】
さらに、前記端子接続部50のベース部52と凸部51が、前記セパレータ30、32の凹部43と凸部35にそれぞれ連絡するように形成されている。すなわち、図2(b)、図2(c)に示したように、ベース部52と凹部43、凸部51と凸部35とが厚み方向に対しても幅方向に対しても連続するように形成されている。このため、端子接続部50をセパレータ30,32に一体化した状態でベース部52と凸部51を形成することができる。加えて、セパレータ30,32の周縁部に略均一な幅に凹部43とベース部52が形成されることになるため、セパレータ30,32に端子接続部50を設けても、セパレータ30,32全体の剛性をほぼ均一にバランスよく高めることができる。
【0021】
前記端子接続部50に電圧検出用端子60を連結する場合について説明する。図3は本実施の形態における端子接続部50と電圧検出用端子60の連結状態を示す説明図である。電圧検出用端子60は前記端子接続部50を挟み込めるように断面略コ字状とされるとともに、弾性部材で形成されている。上記したように端子接続部50は反りやうねりの起きない十分な剛性が確保されているため、電圧検出用端子60を連結する際にも、反りやうねりにより妨げられることがなく、スムーズに連結することができる。
【0022】
さらに、ベース凹部52に対する凸部51の突出高さ寸法Wは、前記電圧検出用端子60の弾性力に対応して設定されており、前記電圧検出用端子60が連結された際に所定のたわみが発生するように形成されているため、電圧検出用端子60を連結する際に、電圧検出用端子60の弾性力を端子接続部を挟持する方向(矢印X)に確実に作用させることができる。したがって、端子接続部50自体の厚さはセパレータ30,32と同程度の薄さに保持することができるとともに、電圧検出用端子60が端子接続部50から容易に抜けることを防止できるため、電圧検出作業を確実に行うことができる。
【0023】
本発明の第2の実施の形態における燃料電池20について説明する。なお、以下の説明において、第1の実施の形態と同一の部材については、同一の番号を付してその説明を省略する。図4(a)及び図4(b)は、本実施の形態における端子接続部70を示す正面図及び平面図であり、図2(b)及び図2(c)にそれぞれ対応する。本実施の形態においては、第1の実施の形態と同様の作用効果を奏するとともに、第1の実施形態に比して、ベース部72と凸部71の形成領域が図の左右方向に対して増しているため、厚み方向の寸法を薄く保ちつつ、端子接続部70の剛性をさらに高めることができる。加えて、電圧検出用端子(図示せず)との接触面積も広がるため、電圧の検出効率を高めることができる。
【0024】
本発明の第3の実施の形態における燃料電池20について説明する。図5(a)及び図5(b)は本実施の形態における端子接続部90を示す側面図及び平面図であり、図2(a)及び図2(c)に対応する。前記端子接続部90は、周縁部に前記ベース部92を備えるとともに、その内側に凸部91を備え、この凸部91にさらに突起部93が形成されている。この突起部93は、電圧検出用端子の孔部(図示せず)に嵌合可能となっている。したがって、電圧検出用端子を端子接続部90に連結する際に、反りやうねりを発生させずに確実に連結することができるとともに、積層方向に隣合う端子接続部90同士が接触することを防止でき、電圧検出用端子が端子接続部90から容易に抜けることを防止できる。
【0025】
なお、以上の実施の形態においては、燃料電池が複数の燃料電池セルを積層して構成された場合について説明したが、これに限らず、一つの燃料電池セル(単セル)で構成されていてもよい。また、検圧検出用端子に突起部を設け、端子接続部にこの突起部に嵌合可能な穴部を形成するようにしてもよい。さらに、端子接続部に突起部を形成する場合には、検圧検出用端子にこの突起部に嵌合可能な穴部を設けるようにしてもよい。
【0026】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に記載した発明によれば、端子接続部に電圧検出用端子を連結する際にも、反りやうねりの発生を防止することができるため、端子接続部同士の接触を防止して安全に電圧検出作業を行うことができるとともに、端子接続部に電圧検出用端子を確実に連結することができる。さらに、端子接続部の凸部がセパレータの周縁部の凸部に連絡しているため、凸部を形成する工程を容易にすることができる。
【0027】
請求項2,3に記載した発明によれば、端子接続部を電圧検出用端子に確実に連結することができるとともに、積層方向に隣合う端子接続部が接触することを防止でき、電圧検出作業を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は本発明の第1の実施の形態における燃料電池を示す概略平面図である。
【図2】 図2は本発明の第1の実施の形態における端子接続部を示す側面図及び正面図及び平面図である。
【図3】 図3は本発明の第1の実施の形態における端子接続部と電圧検出用端子の連結状態を示す説明図である。
【図4】 図4は本発明の第2の実施の形態における端子接続部を示す正面図及び平面図である。
【図5】 図5は本発明の第3の実施の形態における端子接続部を示す側面図及び平面図である。
【図6】 図6は本発明の第1の実施の形態における燃料電池を示す部分断面図である。
【図7】 図7は従来における燃料電池を示す部分断面図である。
【図8】 図8は従来における端子接続部と電圧検出用端子の連結状態を示す説明図及び端子接続部の平面図である。
【図9】 図9は従来における問題点を示す説明図である。
【符号の説明】
20 燃料電池28 膜電極構造体30,32 セパレータ34 燃料電池セル50 端子接続部51 凸部52 ベース部60 電圧検出用端子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention includes a membrane electrode structure and a press-molded separator that sandwiches the membrane electrode structure, and a fuel cell including a terminal connection portion that can removably connect a voltage detection terminal to the separator. It is about.
[0002]
[Prior art]
In recent years, fuel cells have attracted attention as a new power source for automobiles. An example of such a fuel cell, there is one shown in FIG. The fuel cell 1 shown in FIG. 7 includes a membrane electrode structure (MEA) 5 in which gas
[0003]
As described above, the fuel cell 1 is configured by laminating a plurality of
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the separator of the fuel cell as described above is generally formed by cutting a carbon plate material excellent in electrical characteristics such as conductivity and corrosion resistance. However, the carbon separator formed by cutting has problems that the thickness is increased and the strength and productivity are low. From such a point, it has been studied to reduce the size of the fuel cell by pressing a metal material or the like to form a separator so that the thickness can be reduced and the productivity can be increased.
[0005]
However, even if the thickness of the separator is reduced by press molding, if the thickness of the terminal connection portion is about the same as when using a cut molded separator, it becomes an obstacle to miniaturization of the fuel cell. For this reason, in providing a terminal connection part in the separator thinned by press molding, it is necessary to also make the thickness of this terminal connection part thin like a separator. However, as the thickness of the terminal connection portion is reduced, the rigidity of the terminal connection portion is lost correspondingly, and warping or undulation is likely to occur. This tendency is particularly strong when the terminal connection portion is formed of the same metal material as that of the separator. And when curvature, a wave | undulation, etc. generate | occur | produced in the terminal connection part provided in each separator, there existed a possibility that the terminal connection parts adjacent in the lamination direction might contact. In addition, if the terminal connection portion is warped or undulated, it may be difficult to connect the voltage detection terminal to the terminal connection portion.
[0006]
Further, when the thickness of the terminal connection portion is reduced, there is a problem that the voltage detection terminal once connected to the terminal connection portion is easily disconnected. Hereinafter, FIG. 8, this problem will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 8 , some
[0007]
However, as shown in FIG. 9 , when the
[0008]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of preventing warpage and undulation of a terminal connection portion provided in a press-molded separator.
Another object of the present invention is to provide a fuel cell in which a terminal connection portion provided on a press-molded separator can be reliably connected to a voltage detection terminal.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the invention described in claim 1 is formed by bending a membrane electrode structure (for example, the
[0010]
With this configuration, the rigidity of the terminal connection portion in the thickness direction of the separator can be increased, and the necessary rigidity that can prevent warpage and undulation even when the thickness of the terminal connection portion is reduced is ensured. be able to. The terminal connection portion is provided so as to protrude from the separator, which is preferable in that the rigidity of the entire separator is not impaired.
The terminal connection part can match the convex part with the convex part of the separator, and the convex part can be formed in a state where the terminal connection part is integrated with the separator. In addition, since the convex portion can be formed with a substantially uniform width at the peripheral portion of the separator provided with the terminal connection portion, even if the terminal connection portion is provided on the separator, the rigidity can be improved in a substantially uniform and balanced manner. .
[0011]
According to a second aspect of the present invention, in the above configuration, the terminal connecting portion is formed with a hole that can be fitted into a protrusion provided in the voltage detection terminal. It is.
[0012]
The invention described in
[0013]
With this configuration, when the voltage detection terminal is connected to the terminal connection portion, in the invention according to claim 2, the hole portion of the terminal connection portion and the protrusion portion of the voltage detection terminal are fitted, In the invention according to
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 6 is a partial cross-sectional view showing the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
This
[0015]
The
[0016]
FIG. 1 is a plan
[0017]
The
[0018]
And the
[0019]
FIG. 2 is a side view, a front view, and a plan view showing the
[0020]
Furthermore, the
[0021]
A case where the
[0022]
Further, the protruding height dimension W of the
[0023]
A
[0024]
A
[0025]
In the above embodiment, the case where the fuel cell is configured by stacking a plurality of fuel cells has been described. However, the present invention is not limited to this, and the fuel cell is configured by one fuel cell (single cell). Also good. Alternatively, a protrusion may be provided on the pressure detection detection terminal, and a hole that can be fitted to the protrusion may be formed in the terminal connection portion. Further, when a protrusion is formed in the terminal connection portion, a hole that can be fitted into the protrusion may be provided in the pressure detection detection terminal.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention described in claim 1, since the occurrence of warpage and undulation can be prevented even when the voltage detection terminal is coupled to the terminal connection portion, between the terminal connection portions. The voltage detection operation can be performed safely while preventing contact, and the voltage detection terminal can be reliably connected to the terminal connection portion. Furthermore, since the convex part of the terminal connection part is connected to the convex part of the peripheral part of a separator, the process of forming a convex part can be made easy.
[0027]
According to the second and third aspects of the invention, the terminal connection part can be reliably coupled to the voltage detection terminal, and the terminal connection part adjacent in the stacking direction can be prevented from coming into contact with the voltage detection work. Can be performed reliably.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view showing a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view, a front view, and a plan view showing a terminal connecting portion according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a connection state between a terminal connection portion and a voltage detection terminal according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 4A and 4B are a front view and a plan view showing a terminal connecting portion according to a second embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 5A and 5B are a side view and a plan view showing a terminal connecting portion according to a third embodiment of the present invention . FIGS.
FIG . 6 is a partial cross-sectional view showing the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
FIG . 7 is a partial cross-sectional view showing a conventional fuel cell.
FIG . 8 is an explanatory view showing a connection state of a conventional terminal connection portion and a voltage detection terminal, and a plan view of the terminal connection portion.
FIG . 9 is an explanatory diagram showing problems in the prior art.
[Explanation of symbols]
20
Claims (3)
前記セパレータに、電圧検出装置に接続された電圧検出用端子を着脱自在に連結可能な端子接続部が突起状に凸設して備えられ、
前記端子接続部には、該セパレータの厚み方向に凸部が形成され、
該端子接続部の凸部が、セパレータの周縁部に設けられる凸部に連絡するように形成されていることを特徴とする燃料電池。A fuel cell comprising a membrane electrode structure and a separator formed by bending by pressing to sandwich the membrane electrode structure,
The separator is provided with a terminal connection portion that can be detachably connected to a voltage detection terminal connected to the voltage detection device, in a protruding shape ,
The terminal connection portion is formed with a convex portion in the thickness direction of the separator,
The fuel cell , wherein the convex portion of the terminal connecting portion is formed so as to communicate with the convex portion provided on the peripheral edge portion of the separator .
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