JP4087038B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を構成する各セルの電圧を検出するために用いる端子と、それが取り付けられるセル側の端子取付部に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固定高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルを、セパレータにより挟持して複数積層することにより構成された燃料電池が知られている。燃料電池においては、アノード側電極に供給された燃料ガスは、触媒電極上でイオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。こうした電気エネルギを取り出し続けるには、各セルが良好に機能している必要がある。
燃料電池運転時に各セルが正常な状態にあるかどうかを知るには、セル電圧の測定を行えばよく、従来より、セル電圧検出端子装置として、図８及び図９に示すような差込式端子を用いた装置が知られている。
この電圧検出端子装置は、燃料電池スタック１を構成するセル２の近くに設けられたセル電圧測定用の回路基板３と、その回路基板３に固定されたセル電圧検出端子４と、セル２に形成された端子取付穴５とを備えて構成されている。
【０００３】
この電圧検出端子装置は、セル２に設けられた端子取付穴５の内壁と、そこに差し込まれたセル電圧検出端子４が接触し、セル電圧がセル電圧検出端子４を経由して回路基板３に伝わるので、回路基板３内で隣り合うセル２の電位差からセル電圧を測定し、燃料電池制御装置（図示略）へと伝える。
従って、セル２の異常は、セル電圧の低下として検知されることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構成では、以下に掲げる問題があった。
（１）単にセル電圧検出端子４を端子取付穴５に差し込むだけであるため、燃料電池運転中に発生する燃料電池スタック１の伸縮によるセル２とセル電圧検出端子４間の摩耗や、それぞれの寸法誤差によって接触不良が発生したり、セル電圧検出端子４が振動等で端子取付穴５から抜けることがあり、燃料電池運転中にセル電圧が検出できなくなることがある。
【０００５】
（２）燃料電池の技術分野においては、設備スペースの小型化の観点から単セルの小型化・薄型化が望まれており、セルの構成要素であるセパレータも例えば２〜５ｍｍ程度と出来うる限り薄く形成されてきている。こうした薄いセパレータに端子取付穴５を設けるためには、高い加工精度が求められる。
さらに、セル２とセル電圧検出端子４間の接触不良を防ぐには、セル電圧検出端子４と端子取付穴５との隙間を０．２ｍｍ程度以下にする必要があるため、一層の加工精度が要求される。
（３）セル電圧検出端子４を端子取付穴５に差し込む時、各セル２の厚さは薄く隙間が少ないため、セル電圧検出端子４の差し込みが難しくなり、その作業に手間取る。
（４）回路基板３は、燃料電池の運転時に発生する燃料電池スタック１の伸縮時にもセル電圧検出端子４が対応できるように、その変化分を考慮して取り付けなければならない。
【０００６】
なお、特開平９−２８３１６６号公報，及び特開平１１−３３９８２８号公報にも同種の技術が開示されているが、前者の燃料電池の電圧測定用出力端子の取付方法では、弾性力のみで穴内周にバナナクリップの先端を押し付けているだけなので、外力によってたやすく離脱してしまうおそれがあり、また、後者のセル電圧測定端子付き燃料電池スタックでは、セパレータの外周に突起状の電圧測定端子を設けているため、ハンドリング中の安易な接触等で接続不良や破損をまねくおそれがある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な構造で端子の接続状態を良好に維持すること，端子の安易な抜けを効果的に防止すること，及び端子の着脱作業性を向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成を採用した。
請求項１の発明は、膜電極接合体（１３）を一対のセパレータ（１４）により挟持してセル（１２）を構成し、複数の前記セルを水平方向に積層して構成された燃料電池（燃料電池スタック１１）において、前記セパレータに前記セルの電圧検出用の端子（セル電圧検出端子２１）を接続する燃料電池であって、隣り合う前記セルに面する前記セパレータの側面に、前記セパレータの上面に入口部（端子挿入口１７）が開口するとともに隣り合う前記セルに面する開口を有する凹部（１５）が形成され、前記凹部は、前記凹部の対向する内壁の少なくとも一方から突出形成された顎部（凸部１６）を備えてなり、前記端子は、線材により折り返し形成されて前記凹部に挿入される差込部（２２）を備え、前記差込部には、先端の折り返し部（２３）を起点とした弾性変形により前記顎部を越えることが可能となるかえし部（２４）が形成され、前記差込部を前記凹部に挿入する際に、前記かえし部が前記顎部を越えた後に弾性復帰することによって、前記差込部が前記凹部内に抜け止めされ、前記セパレータに前記端子が接続されることを特徴としている。
【０００９】
この構成では、かえし部が奏するバネ作用を利用して端子を簡単かつ確実にセパレータに接続することが可能になる他、簡単な構造で良好な接続状態を維持することが可能になる。
また、かえし部が弾性復帰すると、かえし部と顎部とが噛み合わさるため、一度セパレータに接続された端子が容易に外れることもない。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電池において、前記端子は、前記セパレータからの検出電圧を測定する回路基板（２３）に接続されると共に、これらセパレータと回路基板との間に両者の相対変位を許容する可撓部（屈曲部２６，屈曲部５５，コイル状可撓部５６）を備えることを特徴としている。
【００１１】
この構成では、可撓部が適宜撓むことによって、セル積層時等に生じる位置ズレを吸収し得るから、回路基板の燃料電池スタックへの組み付けが容易になる。また、このような相対変位吸収作用を奏する場合には、燃料電池運転時に生じるセルの位置変化を考慮する必要がなくなり、良好な接続状態を維持することが可能になる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の燃料電池において、前記端子は、前記凹部に挿入された状態で、前記入口部から前記セパレータの外側に突出するよう、前記かえし部から延在した余長部（２５）を備え、前記余長部を押すことで、前記かえし部が前記折り返し部を起点として弾性変形し、前記かえし部と前記顎部との噛み合わせを解除しうるようになっていることを特徴としている。
【００１３】
この構成では、余長部を操作することによって、かえし部と顎部との噛み合わせを容易に解除することが可能になるから、端子の取り外し作業を無理なく簡単に行えるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の一実施の形態について説明する。
図１は本実施の形態による燃料電池用セル電圧検出端子装置の要部を示す斜視図、図２は同装置の断面図である。
【００１５】
図１中、符号１１は固体高分子型の燃料電池スタックを示しており、この燃料電池スタック１１は多数のセル１２を積層させて構成される。
各セル１２は、固体高分子膜の両面に燃料極及び空気極をそれぞれ接合してなる膜・電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と略記する。）１３と、このＭＥＡ１３を両側から挟持するセパレータ１４とを備えて構成される。
【００１６】
セパレータ１４は、ガスを透過させない緻密質のカーボン板や金属板からなり、その一側面、すなわち、セル構成時にＭＥＡ１３に面することとなる側面には、凹溝状のガス流路（図示略）が形成されている。
そして、燃料極に接するセパレータ１４のガス流路に水素が供給されると共に、空気極に接するセパレータ１４のガス流路に空気が供給されることによって、これら電極間で電気化学反応に基づく発電が行われる。
【００１７】
セル１２を構成する一方のセパレータ１４の他側面、すなわち、燃料電池スタック構成時に隣り合わせにされる他のセル１２のセパレータ１４に面することとなる側面１４Ａには、上面１４Ｂに入口部である端子挿入口１７が開口する端子取付穴（凹部）１５が形成されている。
この端子取付穴１５は、図２に示すように、縦断面略楔状をなし、端子挿入口１７側の内壁に突出形成された凸部（顎部）１６によって、端子挿入口１７よりも横断面の小さい狭小部１８を備えた構成とされている。
【００１８】
符号２１は、導電性を有する銅やステンレス等の線材からなるセル電圧検出端子（端子）を示している。
このセル電圧検出端子２１は、その先端側に前記端子取付穴１５の内壁に係合する（噛み合う）ように折り返し形成されたへアピン型の差込部２２を備えており、根元側はセル電圧測定用の回路基板２３に固定されている。
【００１９】
差込部２２は、折り返し部２３を起点に弾性揺動可能なかえし部２４と、該かえし部２４から延在し、当該差込部２２が端子差込穴１５に挿入された状態で端子挿入口１７からセパレータ１４の外側に突出する余長部２５とを備えている。
また、セル電圧検出端子２１の中間付近には、セル１２と回路基板２３間の相対変位を吸収するための屈曲部（可撓部）２６が設けられている。
【００２０】
セル電圧検出端子２１をセル１２（セパレータ１４）に接続するときは、端子差込穴１５の上方に差込部２２を位置決めして該差込部２２を上から押す。
すると、端子差込穴１５に対応して楔状をなす差込部２２が弾性変形しながら差し込まれていく。
差込部２２が狭小部１８を越える際には、かえし部２４が折り返し部２３を概ね起点として凸部１６の突出方向に弾性変形するため、弾性変形前は狭小部１８よりも幅広な差込部２２も容易に狭小部１８を越えることができる。
【００２１】
差込部２２が所定の位置まで差し込まれると、狭小部１８を越えるために弾性変形させられていたかえし部２４が、折り返し部２３を概ね起点として前記凸部突出方向と逆方向に弾性復帰することによって端子差込穴１５内の凸部１６と接しつつ噛み合うため、セル電圧検出端子２１は振動等ではセル１２から抜けないように接続される。
【００２２】
このとき、セル電圧検出端子２１はかえし部２４が元の形に戻ろうとして生じる弾発力によって常にセル１２と接触するため、抜け止めはもとより、良好な接触状態も確保される。
さらに、燃料電池運転時は、セル電圧検出端子２１の中間付近に設けた屈曲部２６が延びることでセル電圧検出端子２１の利用される長さが変わり得る構成になっているため、回路基板２３とセル１２との相対変位を吸収することができる。
【００２３】
複数のセル電圧検出端子２１を複数のセル１２に同時接続するときは、予め複数のセル電圧検出端子２１を固定しておいた回路基板２３を用意する。
このとき、各セル電圧検出端子２１間の間隔は、燃料電池スタック１１が加圧等されていないときのセル１２間の間隔が設計値等から予めわかっているため、その間隔に合わせておく。
【００２４】
そして、この回路基板２３を、燃料電池スタック１１に対して水平方向は所定の位置に、また、垂直方向はセル電圧検出端子２１の差込部２２が端子差込穴１５に軽く差し込まれた状態となるように仮位置決めする。
その後、屈曲部２６と差込部２２の間に接続ジグ３１を上から押し当て、差込部２２が端子差込穴１５に深く差し込まれるようにする。
【００２５】
接続ジグ３１が所定距離移動したら、セル電圧検出端子２１がセル１２に接続されたものと判断して接続ジグ３１をセル電圧検出端子２１から離間させる。これで、接続作業は完了する。
接続ジグ３１には、回路基板２３に固定されたセル電圧検出端子２１間の間隔と等間隔に端子ガイド用の溝を設けておいてもよく、かかる場合には、各セル電圧検出端子２１を一定間隔に保持したままセル１２に接続することができるので、作業性の向上を図ることができる。
【００２６】
セル電圧検出端子２１の仮差し込み状態を確認する方法としては、差込部２２の位置を確認する方法もある。
回路基板２３が仮位置決めされたとき、セル電圧検出端子２１の差込部２２が端子差込穴１５に正常に仮差し込まれている場合は、仮差し込みされていない場合よりも回路基板２３側に差込部２２が位置することになるから、その位置を検出することにより、セル電圧検出端子２１の仮差し込み状態を判断することができる。
【００２７】
また、その後に差込部２２を端子取付穴１５に押し込むときも同様に、差し込みが不完全である場合は、差し込みが完全である場合よりも回路基板２３側に差込部２２が位置することになるから、この位置の違いによって、セル電圧検出端子２１の差し込み状態を判断することができる。
【００２８】
回路基板２３は、セル電圧検出端子２１の取り付けに合わせて、セル電圧検出端子２１と同方向に移動させ、燃料電池スタック１１に固定する。
セル電圧検出端子２１をセル１２から取り外す時は、取り外しジグ３２を用いて端子挿入口１７からセパレータ１４の外側に突出している余長部２５を前記凸部突出方向に押しながら、回路基板２３を燃料電池スタック１１から離間させることによって、セル電圧検出端子２１をセル１２から切り離す。
【００２９】
すなわち、取り外しジグ３２で余長部２５を押すと、かえし部２４が折り返し部２３を概ね起点として凸部１６から離間する方向に弾性変形して凸部１６との噛み合わせが解除されるため、差込部２２が狭小部１８から抜出可能になる。
従って、そのまま回路基板２３を持ち上げれば、差込部２２は端子差込穴１５から容易に抜ける。
【００３０】
以上の方法を用いれば、複数のセル電圧検出端子２１を同時かつ簡単に脱着させることができ、また、自動化も容易になる。
また、本実施の形態による燃料電池用セル電圧検出端子装置によれば、セル電圧検出端子２１に設けた差込部２２のバネ作用を利用してセル電圧検出端子２１を簡単かつ確実にセルに接続し得ると共に、差込部２２の弾発力によって接触不良をも効果的に防止することができる。
【００３１】
しかも、セル電圧検出端子２１の途中に設けた屈曲部２６によって、回路基板２３とセル１２との間に生じる相対変位を吸収し得るようにしたので、燃料電池運転時のセル１２の位置変化を考慮する必要がなくなり、回路基板２３の燃料電池スタック１１への組み付けが容易になる。
さらに、セル電圧検出端子２１のかえし部２４を端子差込穴１５の凸部１６と噛み合わせることによって、一度接続したセル電圧検出端子２１は接続解除動作を行わない限り、容易に外れることがなくなる。
【００３２】
次に、図２及び図３を用いて、セル電圧検出端子２１の着脱自動化システムの一構成例及びその一動作例について概説する。
本システムは、燃料電池スタック１１及び回路基板２３の位置決め工程と、セル電圧検出端子２１の着脱工程を自動化するものであり、前記接続ジグ３１及び取り外しジグ３２の他に、制御部４１，接続ジグ３１等を駆動する駆動部４２，例えば光センサを有する位置検出部４３，及び燃料電池スタック１１が載置される台座４４を備えて構成される。
【００３３】
以下、本システムの動作例について説明する。
セル電圧検出端子２１をセル１２に接続するには、まず、制御部４１からの制御信号によって駆動部４２を介して台座４４を駆動し、燃料電池スタック１１を位置決めする。この位置決めは、位置検出部４３から制御部４１への出力信号に基づき行われる。
【００３４】
同様にして、回路基板２３を燃料電池スタック１１に対して位置決めする。
これら回路基板２３と燃料電池スタック１１との位置関係は、上述した通りである。
次いで、制御部４１からの制御信号によって駆動部４２を介して接続ジグ３１を下方駆動し、セル電圧検出端子２１の差込部２２をセル１２の端子取付穴１５に完全に差し込む。
【００３５】
逆に、セル電圧検出端子２１をセル１２から取り外すには、まず、制御部４１からの制御信号によって駆動部４２を介して取り外しジグ３２を駆動し、この取り外しジグ３２によってセル電圧検出端子２１の余長部２５を凸部１６の突出方向に沿って押す。
すると、かえし部２４が凸部１６から離間して、セル電圧検出端子２１の差込部２２が狭小部１８を越えて端子差込穴１５から抜き出し可能な状態になるので、制御部４１からの制御信号によって駆動部４２を介して回路基板２３を上方駆動し、セル電圧検出端子２１をセル１２から離脱させる。
【００３６】
なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、以下の形態をも含むものである。
（１）セル電圧検出端子２１の差込部２２及びセパレータ１４の端子取付穴１５を図２に示す形態に代えて、図４に示す形態の差込部５１及び端子取付穴５２にすること。
この構成によれば、凸部２６とかえし部２４との噛み合わせが二ヶ所において行われるので、抜け及び接触不良をより効果的に防止することができる。
【００３７】
（２）セル電圧検出端子２１の中間に設ける可撓部を図２に示す屈曲部２６に代えて、図５に示す屈曲部５５又は図６に示すコイル状可撓部５６にすること。
なお、屈曲部２６、５５は、セル積層方向のスペースが極めて少ないという事情を考慮して、セル１２と回路基板２３との離間方向（図２の紙面上下方向）に屈曲させておくのが好ましい。
（３）狭小部１８を端子取付穴１５の内部空間のうち横断面が最も小さい部位とすること。例えば、図７に示すように、狭小部１８を端子挿入口（入口部）１７に設けても良い。
この構成によっても、上述と同様な作用により、差込部２２を端子取付穴１５に対して確実に着脱でき、かつ作業性を高めることが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）請求項１の発明によれば、かえし部が奏するバネ作用を利用してセル電圧検出端子を簡単かつ確実にセパレータに接続することができる他、簡単な構造で良好な接続状態を維持することができる。
また、凹部内でかえし部が弾性復帰すると、かえし部と顎部とが噛み合わさるため、一度接続された端子が安易に外れることもなくなる。
さらに、端子接続がセパレータの内部で行われるため、端子がセパレータ表面から突出せず、破損し難くなる。
【００３９】
（２）請求項２の発明によれば、可撓部が適宜撓むことによって、セル積層時等に生じる位置ズレを吸収し得るから、回路基板の燃料電池スタックへの組み付けが容易になり、作業性の向上を図ることができる。
また、このような相対変位吸収作用を奏する場合には、燃料電池運転時に生じるセルの位置変化を考慮する必要がなくなるから、良好な接続状態を維持することができる。
【００４０】
（３）請求項３の発明によれば、余長部を操作することによって、かえし部と顎部との噛み合わせを容易に解除することが可能になるから、端子の取り外し作業を無理なく簡単に行えるようになり、作業性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施の形態による燃料電池用セル電圧検出端子装置の斜視図である。
【図２】 同燃料電池用セル電圧検出端子装置の要部断面図である。
【図３】 セル電圧検出端子の着脱自動化システムの一構成例を示すシステム構成図である。
【図４】 本発明に係る凹部及びかえし部の他の実施の形態を示す要部拡大断面図である。
【図５】 本発明に係る可撓部の他の実施の形態を示す要部断面図である。
【図６】 本発明に係る可撓部のさらに他の実施の形態を示す要部断面図である。
【図７】 本発明に係る凹部のさらに他の実施の形態を示す要部拡大断面図である。
【図８】 燃料電池用セル電圧検出端子装置の一従来例を示す斜視図である。
【図９】 同燃料電池用セル電圧検出端子装置の要部断面図である。
【符号の説明】
１１ 燃料電池スタック
１２ セル
１４ セパレータ
１５、５２ 端子取付穴（凹部）
１６ 凸部（顎部）
１７ 端子挿入口（入口部）
１８ 狭小部
２１ セル電圧検出端子（端子）
２３ 回路基板
２４ かえし部
２５ 余長部
５５、２６ 屈曲部（可撓部）
５６ コイル状可撓部（可撓部）

Claims (3)

1. 膜電極接合体を一対のセパレータにより挟持してセルを構成し、複数の前記セルを水平方向に積層して構成された燃料電池において、前記セパレータに前記セルの電圧検出用の端子を接続する燃料電池であって、
   隣り合う前記セルに面する前記セパレータの側面に、前記セパレータの上面に入口部が開口するとともに隣り合う前記セルに面する開口を有する凹部が形成され、前記凹部は、前記凹部の対向する内壁の少なくとも一方から突出形成された顎部を備えてなり、
   前記端子は、線材により折り返し形成されて前記凹部に挿入される差込部を備え、前記差込部には、先端の折り返し部を起点とした弾性変形により前記顎部を越えることが可能となるかえし部が形成され、
   前記差込部を前記凹部に挿入する際に、前記かえし部が前記顎部を越えた後に弾性復帰することによって、前記差込部が前記凹部内に抜け止めされ、前記セパレータに前記端子が接続されることを特徴とする燃料電池。
2. 前記端子は、前記セパレータからの検出電圧を測定する回路基板に接続されると共に、これらセパレータと回路基板との間に両者の相対変位を許容する可撓部を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記端子は、前記凹部に挿入された状態で、前記入口部から前記セパレータの外側に突出するよう、前記かえし部から延在した余長部を備え、
   前記余長部を押すことで、前記かえし部が前記折り返し部を起点として弾性変形し、前記かえし部と前記顎部との噛み合わせを解除しうるようになっていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池。

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