JP4911978B2

JP4911978B2 - 燃料電池及び燃料電池用コネクタ

Info

Publication number: JP4911978B2
Application number: JP2006015804A
Authority: JP
Inventors: 隆一小宮山; 周重紺野
Original assignee: Toyota Motor Corp; Tyco Electronics Japan GK
Current assignee: Toyota Motor Corp; Tyco Electronics Japan GK
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2026-01-25
Also published as: DE102007003506A1; DE102007003506B4; JP2007200632A; CN100521330C; CN101009383A; US20080003482A1; US7862951B2

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池用コネクタに関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される燃料電池は、セル（単セル）と呼ばれる発電のユニットを多数積層して構成される。各単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込み、さらに、その外側を一対のセパレータで挟み込んで構成される。セパレータには、アノード及びカソードに水素ガス等の燃料ガス及び酸素ガス等の酸化剤ガスをそれぞれ供給するための通路が形成される。この通路を介して燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することによって、セル内部で化学反応が生じて発電がなされる。

燃料ガスや酸化剤ガスの供給量の制御、及び、不良セルの発見等のために、このような燃料電池では単セル毎の発電状態を管理する必要がある。そこで、単セル毎の発電電圧を検出し、発電電圧に応じて制御を行う方法が用いられている。通常、図１０に示すように、積層された複数の単セルの間隔と等しい間隔に配列された検出端子を内蔵するハウジング１０を備えるコネクタ１００を用いる。コネクタ１００の上部には、ロック用の係合部１２が設けられている。コネクタ１００は、図１１に示すように、燃料電池１０２に取り付けられる。燃料電池１０２の上面Ａの両端部には、コネクタ１００をロックすることができる係止部２０が設けられている。この係止部２０にコネクタ１００を横から挿入することによって、係止部２０とコネクタの係合部１２とが係り合ってコネクタ１００が燃料電池１０２に固定される。これにより、コネクタ１００に内蔵される各検出端子が燃料電池１０２の各単セルのセパレータに電気的に接続される。また、燃料電池１０２の上面Ａの中央部には、単セルの積層方向に沿って延設されたテンションプレート１４が設けられる。テンションプレート１４には、コネクタ１００の各検出端子に接続された電線１８が固定される。これによって、電線１８が燃料電池１０２の上面Ａに沿って張られる。これらの電線１８を電圧センサ等に接続することによって、各単セルのセパレータ間の電位差を計測することができる。

また、特許文献１には、弾性材で形成された端子を備える検出端子が開示されている。端子は、セパレータに係合する係合部と、隣り合うセルの検出端子と接続される連結手段と、を備えたベースに設けられる。また、特許文献２には、ケース内にコネクタと回路基板とを組み込んだ電圧検出用のコネクタが開示されている。

特開２００２−３１３３９９号公報特開２００４−１２７７７６号公報

上記従来技術では、コネクタの検出端子が接続される燃料電池に設けられた電極部は炭素製である。電極部を炭素製にした場合、構造的な強度の観点等から各単セルは比較的厚いものとなっていた。ところが、近年の燃料電池を構成する単セルの発電効率の向上等に伴って、各単セルの厚さをより薄くしようとする要望が高まり、より薄い単セルによる発電が可能になってきている。

図１２に、セルの厚さが薄くなった場合の問題について示す。図１２は、図１１のコネクタの挿入方向からみたコネクタの背面Ｘ側（図１０の矢印Ｘで示す側）から見たものである。図１２に示すように、セルの厚さが薄くなると、隣り合って装着されるコネクタ１００のハウジング１０が空間的に干渉し合う部分（図１２のハッチング領域）が生じ、燃料電池の総ての単セルに検出端子が接続されるようにコネクタ１００を装着出来なくなる。

一方、このような干渉を避けるためにハウジングの外壁の厚さを薄くすると、コネクタの構造的な強度が不足し、コネクタの製造の歩留まりが低下したり、コネクタを燃料電池へ装着する際に破損したりする問題が生ずる。

また、上記のようなコネクタ同士の干渉を避けるためには、ハウジングを２段に分けて、検出端子を上下段に交互に並べる構造とすることも考えられている。しかしながら、このような構造では、コネクタを装着した燃料電池のサイズをできるだけ小さく保つためにコネクタ自体の高さをできるだけ低背にしたいという要求に応えることができない。

そこで、本発明は、上記従来技術の問題を解決することができる燃料電池及び燃料電池用コネクタを提供することを目的とする。

本発明は、複数の単セルを積層させた燃料電池に含まれる総ての単セルの電極のそれぞれに各電線を接続するためのコネクタに関する。本発明のコネクタは、第１の側面の上段に設けられた第１の突出部と、前記第１の側面と相対する第２の側面の下段に設けられた第２の突出部と、が上下２段に設けられたハウジングと、前記燃料電池に含まれる単セルの電極に接続可能であって前記第１の突出部に設けられた１つの検出端子と、前記燃料電池に含まれる単セルの電極に接続可能であって前記ハウジングの下段に少なくとも１つ設けられた検出端子と、を備えることを特徴とする。なお、前記第２の突出部と同じ下段にも検出端子が設けられる。

また、前記燃料電池に装着する際に前記燃料電池に設けられた係止部と係合されるロック部が、前記ハウジングの上段に設けられていることが好適である。また、前記ハウジングのコネクタ挿入方向に垂直な面のうち燃料電池との嵌合する嵌合面と反対側の面に、前記検出端子から電線を引き出すための開口部が設けられていることが好適である。

本発明によれば、薄型化された単セルを積層した単セル積層体においても各セルの電圧を検出することが可能となる。また、コネクタを低背に維持することができ、燃料電池システムのサイズを小型化することができる。

本実施の形態における燃料電池のコネクタ２００は、図１から図３に示すように、樹脂製のハウジング３０を含んで構成される。図１は、コネクタ２００のハウジング３０を背面Ｂの斜め上からみた斜視図である。図２は、コネクタ２００のハウジング３０を背面Ｂからみた背面図である。図３は、コネクタ２００のハウジングを前面Ｃからみた正面図である。また、図４は、図１の斜視図を透視し、内部の検出端子５０の配置を示した透視図である。

ハウジング３０の第１の側面Ｆの上段には、前面Ｃから背面Ｂに亘って凸状の第１の突出部４６が形成される。また、ハウジング３０の第２の側面Ｇの下段には、前面Ｃから背面Ｂに亘って凸状の第２の突出部４８が形成される。第１の突出部４６の内部には、図４の透視図のように、最外側の検出端子５０ａが収納される。また、ハウジング３０の下段には、第１の側面Ｆから第２の側面Ｇに亘って、複数の検出端子５０ｂ〜５０ｄが並べられて収納される。さらに、第２の突出部４８の内部にも最外側の検出端子５０ｅが収納される。検出端子５０ａ〜５０ｅは、後述する燃料電池３００の単セルの積層ピッチＰと等しい間隔で配置される。

図２の背面図に示すように、ハウジング３０の背面Ｂには、上段の検出端子５０ａ及び下段の検出端子５０ｂ〜５０ｅの配置に合わせて開口部４０，４２がそれぞれ設けられる。また、図３の正面図に示すように、ハウジング３０の前面Ｃには、検出端子５０ａ〜５０ｅの配置に合わせて、上面Ｄから下面Ｅに亘ってハウジング３０を切り欠いて形成されたスリット４４が設けられている。各スリット４４は、隣り合うスリット４４の間隔が後述する燃料電池３００の単セルの積層ピッチＰと等しい間隔で配置される。

本実施の形態におけるコネクタ２００では、ハウジング３０の上段に検出端子５０ａが１つだけ配置されるので、ハウジング３０の上段にロック部材３４を設けるスペースができる。このスペースを利用して、ハウジング３０の上段にレバー状のロック部材３４が設けられる。ロック部材３４は、上面Ｄに向けて凸状の係合部３２を備える。ロック部材３４は、ハウジング３０の上段に設けられた溝状のロック部材収納部３６内に格納される。また、ロック部材３４は、ロック部材収納部３６内において、ハウジング３０の上面Ｄに向けて付勢されるようにその一部がハウジング３０に固定される。ロック部材３４は、弾性部材であり、ハウジング３０と一体に成形される。このとき、ロック部材３４は、外力が加わらない状態において凸状の係合部３２がハウジング３０の上面Ｄから突出した状態となるように固定される。また、ロック部材３４は、ハウジング３０の下面Ｅに向けて外力が加えられると、係合部３２の上端がハウジング３０の上面Ｄより下になるように固定される。

ここで、コネクタ２００は、総ての端子５０の間隔が等しくなるように複数個を並列配置できる。検出端子５０のピッチをＰ、第１の突出部（上段）４６の端子収容孔の中央から直近のハウジング側壁外面までの距離をｔ１、第２の突出部（下段）４８の端子収容孔の中央から直近のハウジング側壁外面までの距離をｔ２、第１の突出分４６の隣の端子収納孔（下段）の中央から直近のハウジング側壁外壁までの距離をｔ３とするとき、ｔ２＋ｔ３＜２Ｐとする。この関係を満たす場合、ｔ１及びｔ２をＰよりも大きくすることができる。すなわち、端子（収納孔）の大きさを考慮する必要はあるものの、端子間隔Ｐを小さくしてもハウジング側壁を比例的に薄くする必要がないため、ハウジングの機械的強度を確保しつつ狭ピッチ化することができる。なお、ハウジング側壁の全面を厚くする必要はなく、実際の製品ではその一部を厚くすることによって所要の機械的強度を確保することができる。ちなみに、端子５０が１列に保持されたコネクタを並列配置する場合には、端子間隔Ｐとハウジング側壁の厚さｔとの間にＰ≧２ｔという制約関係が生ずる。

なお、ロック部材３４及びロック部材収納部３６の構造は、これに限定されるものではなく、コネクタ２００を後述する燃料電池３００に確実に固定できるものであればよい。

検出端子５０は、導電性が高く、弾性がある金属等の材料から形成される。通常、銅合金が用いられる。検出端子５０は、図５に示すように、電線を接続するための電線取付部５２と、後述する燃料電池３００の電極部に接続される電極コンタクト部５４を含んで構成される。電線取付部５２は、金属製の絶縁被覆圧着部５２ａ及び芯線圧着部５２ｂから構成される。絶縁被覆圧着部５２ａには電線の絶縁被覆された部分が挿入されて圧着され、芯線圧着部５２ｂには絶縁被覆を剥かれた芯線部分が挿入されて圧着される。

また、電極コンタクト部５４は、互いに対向する２枚の短冊状の（弾性）接触部５４ａ，５４ｂを含んで構成される。ここで、接触部５４ａ，５４ｂの間隔は、後述する燃料電池３００の単セル毎に設けられた電極部の厚さよりも僅かに小さくしておくことが好適である。これによって、燃料電池３００の電極部と検出端子５０との電気的な接続を確実にすることができる。また、図５に示すように、接触部５４ａ，５４ｂの端部を外側に向けて湾曲させておくことが好適である。これによって、接触部５４ａ，５４ｂ間に燃料電池３００の電極部を容易に挿入することができる。

なお、検出端子５０の構造はこれに限定されるものではなく、ハウジング３０に収納でき、電線を燃料電池３００の電極部に電気的に接続できるものであればよい。例えば、電線取付部５２の代わりに電線の芯線を圧接できる構造としてもよい。また、ハウジング３０には、同一の形状の検出端子５０を装着すればよく、検出端子５０は一種類だけ準備すればよい。

また、本実施の形態では、ハウジング３０の下段に４つの検出端子５０ｂ〜５０ｅを配置する構造としたがこれに限定されるものではない。例えば、ハウジング３０の下段に配置される検出端子５０の数を増減させてもよい。

図６に、検出端子５０を装着したコネクタ２００を背面上方からみた斜視図を示す。図６では、検出端子５０に電線５６を圧着した状態を示している。このように、電線５６はハウジング３０の背面Ｂの開口部４０，４２から引き出される。また、電極コンタクト部５４の接触部５４ａ，５４ｂの一部が各スリット４４内に配置されるように、各検出端子５０はハウジング３０に装着される。

図７に、本実施の形態における燃料電池３００の外観図を示す。また、図１３に、本実施の形態における燃料電池３００の拡大図を示す。また、図８に、コネクタ２００を装着した燃料電池３００の外観図を示す。さらに、図９に、コネクタ２００の装着部付近における燃料電池３００の拡大図を示す。図１４に、コネクタ２００の装着部付近における燃料電池３００の背面図を示す。

燃料電池３００は、発電のユニットである単セル６０を多数積層して構成される。各単セル６０は、イオン交換膜からなる電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込み、さらにその外側を一対のセパレータで挟み込んで構成される。単セル６０は、隣り合う単セル６０の間隔がピッチＰとなるように積層される。セパレータには、アノード及びカソードに水素ガス等の燃料ガス及び酸素ガス等の酸化剤ガスを供給するための通路が形成される。この通路を介して燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、各単セル６０の内部で化学反応が生じて発電がなされる。

燃料電池３００の上面Ｈの両端部には、コ（Ｃ）字状の支持部６４が形成される。支持部６４は、例えば、燃料電池３００の端部において単セル６０を構成する樹脂を上面Ｈから突出させると共に、上面Ｈの中心線Ｉの方向に向けて屈曲させた形状に加工することによって形成することができる。燃料電池３００の上面Ｈと支持部６４の下端Ｊとの間隔Ｌは、コネクタ２００のハウジング３０の上面Ｄと下面Ｅとの間の高さよりも僅かに大きいものとする。また、支持部６４のコ（Ｃ）字部分の内側上部には凹状に加工された係止部７０が形成される。

また、各単セル６０のセパレータからは上面Ｈに向けて突出させた金属製の電極部６６が設けられる。電極部６６は、燃料電池３００の上面Ｈと支持部６４の下端Ｊとに挟まれた空間における燃料電池３００の端部寄りに突出するように設けられる。隣り合う単セル６０の間隔はピッチＰであるので、隣り合う電極部６６の間隔もピッチＰと等しくなる。

なお、支持部６４を樹脂製とし、電極部６６を金属製とすることによって、従来の単セルよりも構造的な強度を向上させることができる。これによって、単セル６０間のピッチＰを従来よりも狭くすることができる。

また、燃料電池３００の上面Ｈの中央部には、単セル６０の積層方向に沿って延設されたテンションプレート６８が設けられる。テンションプレート６８は、絶縁樹脂で形成することが好ましい。テンションプレート６８は、コネクタ２００に内蔵された各検出端子５０から引き出された電線５６を固定するために設けられる。テンションプレート６８を用いることによって、燃料電池３００の上面Ｈで電線５６を張った状態で整列させることができる。

図８及び図９に示すように、支持部６４のコ（Ｃ）字状の部分にコネクタ２００が装着される。各単セル６０の電極部６６をコネクタ２００の各スリット４４に通すように、コ（Ｃ）字部分の開口部からコネクタ２００を支持部６４に挿入する。これにより、各スリット４４の位置に配置された各検出端子５０ａ〜５０ｅの接触部５４ａ，５４ｂの間に電極部６６が挟み込まれ、各検出端子５０ａ〜５０ｅに各単セル６０の電極部６６が電気的に接続される。

このとき、コネクタ２００に設けられたロック部材３４の係合部３２が支持部６４の係止部７０と係り合うようにコネクタ２００を横方向から挿入することによって、コネクタ２００を燃料電池３００に確実に装着することができる。また、ロック部材３４の先端部を支持部６４の下端Ｊから燃料電池３００の上面Ｈの方向に押し下げることによって、係合部３２と係止部７０との係り合いを解除し、コネクタ２００を燃料電池３００から取り外すことができる。

なお、本実施の形態における係止部７０の構造は、本実施の形態のものに限定されるものではなく、コネクタ２００に設けられたロック部材３４の係合部３２と係り合うことができるものであればよい。

また、燃料電池３００には、複数のコネクタ２００が互いに隣接するように並べて装着される。このとき、図９の拡大図に示すように、コネクタ２００の第１の突出部４６の下面と隣り合って装着されるコネクタ２００の第２の突出部４８の上面とが一部重なり合うように装着することができる。すなわち、互いに隣接して装着される２つのコネクタ２００の第１の突出部４６と第２の突出部４８とが相補的な形状とされていることによって、２つのコネクタ２００における第１の突出部４６と第２の突出部４８とを互いに嵌め込むように装着することができる。これによって、隣り合って装着されるコネクタ２００同士の空間的な干渉を回避しつつ、燃料電池３００の総ての単セル６０の電極部６６に検出端子５０をそれぞれ接続することができる。

また、ハウジング３０に設けられた第１の突出部４６と同じ上段にロック部材３４を配置することによって、ハウジング３０の高さを従来と同程度の低背に抑えることができる。したがって、燃料電池システム全体の高さ方向のサイズも従来と同様にすることができる。また、ハウジング３０の側面も適切な厚さとすることができ、コネクタ２００の構造的な強度も必要十分なものにすることができる。

また、コ（Ｃ）字状の支持部６４を設け、燃料電池３００の上面Ｈに沿わせて横方向から支持部６４にコネクタ２００を差し込む構造とすることによって、燃料電池３００に水等が掛かった場合に支持部６４によって電極部６６、検出端子５０、電線５６の接続部を保護できる利点がある。

また、燃料電池３００の上面Ｈに対して垂直な方向へ電線５６を引き出す構造とすると、電線５６を燃料電池３００の上面Ｈに沿った方向へ折り曲げる必要がある。そうすると、電線５６に機械的な負担が掛かり、電線５６が損傷し易くなる。本実施の形態におけるコネクタ２００では、コネクタ２００の背面Ｂから電線５６が引き出され、燃料電池３００の上面Ｈに沿わせてコネクタ２００の前面Ｃから支持部６４へ差し込む構造としていることで、電線５６を折り曲げることなく、燃料電池３００の上面Ｈに沿った方向に配線することができる。これによって、電線５６の損傷を防ぐことができる。

本発明の実施の形態におけるハウジングの外観斜視図である。本発明の実施の形態におけるハウジングの背面図である。本発明の実施の形態におけるハウジングの正面図である。本発明の実施の形態におけるコネクタの内部を示す透視斜視図である。本発明の実施の形態における検出端子の外観斜視図である。本発明の実施の形態におけるコネクタに電線を装着した場合の外観斜視図である。本発明の実施の形態における燃料電池の外観斜視図である。本発明の実施の形態におけるコネクタを装着した燃料電池の外観斜視図である。本発明の実施の形態における燃料電池におけるコネクタ装着部を示す拡大斜視図である。従来のコネクタの外観斜視図である。従来のコネクタを装着した燃料電池を示す斜視図である。従来のコネクタを装着した燃料電池を示す背面図である。本発明の実施の形態における燃料電池の外観拡大図である。本発明の実施の形態における燃料電池におけるコネクタ装着部を示す背面図である。

符号の説明

１０ハウジング、１２係合部、１４テンションプレート、１８電線、２０係止部、３０ハウジング、３２係合部、３４ロック部材、３６ロック部材収納部、４０，４２開口部、４４スリット、４６第１の突出部、４８第２の突出部、５０（５０ａ〜５０ｅ）検出端子、５２電線取付部、５２ａ絶縁被覆圧着部、５２ｂ芯線圧着部、５４電極コンタクト部、５４ａ，５４ｂ接触部、５６電線、６０単セル、６４支持部、６６電極部、６８テンションプレート、７０係止部、１００，２００コネクタ、１０２，３００燃料電池。

Claims

複数の単セルを積層させた燃料電池に含まれる総ての単セルの電極のそれぞれに各電線を接続するためのコネクタであって、
第１の側面の上段に設けられた第１の突出部と、前記第１の側面と相対する第２の側面の下段に設けられた第２の突出部と、が上下２段に設けられたハウジングと、
前記燃料電池に含まれる単セルの電極に接続可能であって前記第１の突出部に設けられた１つの検出端子と、前記燃料電池に含まれる単セルの電極に接続可能であって前記ハウジングの下段に少なくとも１つ設けられた検出端子と、
を備えることを特徴とするコネクタ。
請求項１に記載のコネクタにおいて、
前記燃料電池に装着する際に前記燃料電池に設けられた係止部と係合されるロック部が、前記ハウジングの上段に設けられていることを特徴とするコネクタ。
請求項１又は２に記載のコネクタにおいて、
前記ハウジングのコネクタ挿入方向に垂直な面のうち燃料電池との嵌合する嵌合面と反対側の面に、前記検出端子から電線を引き出すための開口部が設けられていることを特徴とするコネクタ。