JP5011759B2 - セル電圧モニタを取り付けた燃料電池 - Google Patents
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Description
単位燃料電池を複数積層して燃料電池スタックが形成される。燃料電池スタックの各単位燃料電池または適宜の燃料電池には、燃料電池の情報を得るための、たとえば電圧を測定するための、セル電圧モニタが装着される。
特開2001−256991号公報は、セパレータの縁辺に凹み(端子取付穴)を形成し、該凹みにセル電圧モニタの端子を挿入する燃料電池を開示している。
本発明の目的は、セル電圧モニタの取付け、取り外しの作業性がよいセル電圧モニタを取り付けた燃料電池を提供することにある。
(イ)一対のメタルセパレータと該一対のメタルセパレータ間介在物としての樹脂フレームとを有する燃料電池と、該燃料電池に取り付けられたセル電圧を検出するセル電圧モニタと、を備えたセル電圧モニタを取り付けた燃料電池であって、
(ロ)前記樹脂フレームは燃料電池の外形縁から外側に向かって突出しセル電圧モニタと係合してセル電圧モニタの燃料電池から離れる方向への移動を制限する係合部をもち、
該係合部は、樹脂フレームに形成され、互いに間隔をおいて設けられ折れ曲がり部から先端部がセル面内方向に互いに離れる方向に向けられた一対のL字状係合部からなり、
前記一対のメタルセパレータのうちの一方のメタルセパレータのセル電圧モニタが装着される部位において燃料電池の外形から外側に突出されたセパレータ突出部を有しており、他方のメタルセパレータは突出されておらず、
(ハ)前記セル電圧モニタは、樹脂のハウジングと、該ハウジングに一体に形成された燃料電池側に向かって突出しセパレータ突出部の板面と平行に延びるセパレータ挟み爪と、セパレータ挟み爪のセパレータ突出部対向面に形成されたセル電圧モニタ端子と、ハウジングに対して可動で燃料電池の係合部と係合可能な可動爪と、を有しており、
(ニ)前記セル電圧モニタが前記燃料電池に取り付けられた状態では、可動爪が係合部に係合し、セパレータ挟み爪が一対のL字状係合部間でセパレータ突出部を挟み、かつ、セル電圧モニタ端子がセパレータ突出部にメタルセパレータの板面にて接触しており、
前記セル電圧モニタが前記燃料電池から外される時には可動爪の係合部との係合が外れた状態とされる、
セル電圧モニタを取り付けた燃料電池からなる。
(2)上記(1)のセル電圧モニタを取り付けた燃料電池において、積層された複数の燃料電池に対して1つのセル電圧モニタが装着され、セル電圧モニタの端子は隣接する燃料電池間で互い違いの箇所で燃料電池のメタルセパレータと導通する。
(3)上記(1)または(2)のセル電圧モニタを取り付けた燃料電池において、前記係合部が燃料電池の左右または上下非対称箇所の設置され、セル化、スタック化時の誤組み付け防止機能を具備している。
さらに、係合部が凹みや穴ではなく突出部からなるので、係合部が形成されるセル構成部材は穴の場合ほど厚みを必要とされず、係合部が形成されるセル構成部材がメタルセパレータと共に用いられる樹脂フレームであっても、十分に係合部を形成することが可能である。
各燃料電池が、互いに間隔をおいて設けられた複数の係合部を有する場合(たとえば、L字型係合部の間に間隔を設けた場合)は、複数の係合部間にセル電圧モニタの挟み爪を挿入するスペースを確保することができ、小スペースでセル電圧モニタの固定、位置決めが容易である。
セルのセル電圧モニタ係合部の板面が、セル電圧モニタの端子と面接触して互いに導通する場合は、薄いセパレータの端面でセル電圧モニタの端子と接触している場合に比べて、接触面積を大きくとることができ、接触抵抗を小さくすることができる。
燃料電池はセパレータとセパレータ間の介在物を有し、係合部が介在物に形成されている場合、たとえば、セパレータがメタルセパレータであり、介在物が樹脂フレームであり、係合部が樹脂フレームに形成されている場合は、介在物、たとえば樹脂フレームがメタルセパレータより大きな剛性と強度を有するので、メタルセパレータに係合部を形成してセル電圧モニタをメタルセパレータに係合させる場合よりセル電圧モニタを強固にセルに保持することができる。
上記(2)の本発明のセル電圧モニタを取り付けた燃料電池によれば、積層された複数(たとえば、5個、ただし、5個に限るものではない)のセルに対して1つのセル電圧モニタが装着されるので、各セルに各セル電圧モニタを取付けていた従来の場合にくらべて、セル電圧モニタ取付けの作業性が向上する。セル電圧モニタの端子が、隣接するセル間で互い違いの箇所で、セルのセパレータと接触し導通する場合は、セルの厚さが小であっても、各端子を各セルに取付けるスペースを確保することができる。
上記(3)の本発明のセル電圧モニタを取り付けた燃料電池によれば、係合部がセルの左右または上下非対称箇所の設置されるので、セル化、スタック化時のセパレータの誤組み付け(上下逆にして組み付けたり、左右逆にして組み付けたりすること)を、目視により容易に見いだすことができ、容易に誤組み付けを防止することができる。
本発明が適用される燃料電池(セルともいう)は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池10である。燃料電池(セル)10は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよく、たとえば家庭用の定置型燃料電池として用いられてもよい。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜11とこの電解質膜11の一面に配置された触媒層からなる電極(アノード、燃料極)14および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極(カソード、空気極)17とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ18との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層(ガス拡散層ともいう)13、16が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ18を重ねてセル10を構成し、セル10を積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル20、インシュレータ21、エンドプレート22を配置し、エンドプレート22をセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材(たとえば、テンションプレート24)に、ボルト・ナット25にて固定して、セル積層体にセル積層方向の締結荷重を付与して、燃料電池スタック23を構成する。
セパレータ18は、メタルセパレータ(メタルセパレータと樹脂フレーム53の組み合わせを含む)からなる。セパレータ18が、メタルセパレータからなる場合、メタルセパレータ18の材料は、たとえば、ステンレススチール、アルミニウムまたはその合金、チタンまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、等である。樹脂フレーム53は、熱硬化性樹脂のフレームである。
アノード側:H2 →2H+ +2e-
カソード側:2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2 O
第1のシール部材32は、たとえば接着剤シール(シール接着剤)からなり、第2のシール部材33は、たとえば、シリコーンゴム、フッ素ゴム、EPDM(エチレンプロピレンジエンゴム)等のゴムシール材からなる。ただし、第1のシール部材32、第2のシール部材33とも、接着剤シール剤、またはゴムシール材から構成されてもよい。
可動爪63はばね部64によって可動爪63が係合部41と係合する方向に付勢されている。可動爪63のハウジングから飛び出た部分はボタン部65を形成し、ボタン部65を押すと、可動爪63がばね部64の付勢に抗して、ばね部64をてこの支点として、可動爪63の先端折れ曲がり部63aの、係合部41との係合が外れる方向に、可動部63が動かされる。
セル電圧モニタ60のセパレータ挟み爪62は、各セルの一方のセパレータ18の突出部45に対して、それぞれ、該突出部45を挟むように一対設けられ、各一対のセパレータ挟み爪62は、セル10の一方のセパレータ18の突出部45を、隙間をもって挟む。セパレータ挟み爪62の、一方のセパレータ18の突出部45に対向する対向面には端子(電極測定部)66が形成されており、一方のセパレータ18に接触して導通する。
図6に示すように、係合部41をT字状にすると、セル電圧モニタ60のセパレータ挟み爪62が係合部41に干渉するので、干渉部には溝(2点鎖線で示した溝46)を形成しなければならなくなる。
セル10が積層されてスタック23とされ、各セル10に、あるいは複数のセル毎に、セル電圧モニタ60が装着されて、セル10の情報がモニタされ、コンピュータに入力されて演算し、演算結果に基づいてセル10の運転が制御される。
セル電圧モニタ60の複数のセル10への装着は、セル電圧モニタ60のボタン部65を手で押して可動爪63を開き、セル電圧モニタ60を可動爪63がセル10の係合部41に係合可能な位置まで十分に挿入し、ボタン部65から手を離して、ばね部64のばね力で可動爪63を閉じて可動爪63をセル10の係合部41に係合させることにより行う。可動爪63がセル10の係合部41に係合した時には、セル電圧モニタ60のセパレータ挟み爪62がセル10のセパレータおよび樹脂フレームの突出部45を隙間をもって挟み、セル電圧モニタ60がスタック23に対して位置決めされるとともに、端子(電極測定部)66がセパレータ18の突出部45に板面接触し導通する。
さらに、係合部41が凹みや穴ではなく突出部からなるので、係合部41が形成されるセル構成部材(たとえば、樹脂フレーム53)は従来の穴の場合ほど厚みを必要とされず、係合部41が形成されるセル構成部材(たとえば、樹脂フレーム53)がメタルセパレータと共に用いられる樹脂フレームであっても、セル構成部材(たとえば、樹脂フレーム53)の剛性、強度を損なわずに、十分に係合部を形成することが可能である。
また、セル電圧モニタ60の端子(電極測定部)66が、スタック23の、隣接するセル10間で互い違いの箇所で、セル10のセパレータ18と導通する場合は、セル10の厚さが小であっても、各端子(電極測定部)66を各セルに取付けることができる。
また、係合部41がセルの左右または上下非対称箇所の設置される場合は、セル化、スタック化時のセパレータの誤組み付けを、目視により、容易に防止することができる。
11 電解質膜
13、16 拡散層
14 アノード
17 カソード
18 セパレータ
20 ターミナル
21 インシュレータ
22 エンドプレート
23 燃料電池スタック
24 締結部材(テンションプレート)
25 ボルト
26 冷媒流路(冷却水流路)
27 燃料ガス流路
28 酸化ガス流路
29 冷媒マニホールド
30 燃料ガスマニホールド
31 酸化ガスマニホールド
32 第1のシール部材
33 第2のシール部材
41 セルのセル電圧モニタ係合部
41a 折れ曲がった部位から先の、セルの外形の辺の縁と平行な方向に延びる部分
42 介在物
43 板面
44 端面
45 突出部
46 溝
51 発電領域
52 非発電領域
53 樹脂フレーム
60 セル電圧モニタ
61 ハウジング
62 (セル電圧モニタの)セパレータ挟み爪
63 (セル電圧モニタの)可動爪
63a 可動爪先端折れ曲がり部
64 ばね部
65 ボタン部
66 端子(電極測定部)
Claims (3)
- (イ)一対のメタルセパレータと該一対のメタルセパレータ間介在物としての樹脂フレームとを有する燃料電池と、該燃料電池に取り付けられたセル電圧を検出するセル電圧モニタと、を備えたセル電圧モニタを取り付けた燃料電池であって、
(ロ)前記樹脂フレームは燃料電池の外形縁から外側に向かって突出しセル電圧モニタと係合してセル電圧モニタの燃料電池から離れる方向への移動を制限する係合部をもち、
該係合部は、樹脂フレームに形成され、互いに間隔をおいて設けられ折れ曲がり部から先端部がセル面内方向に互いに離れる方向に向けられた一対のL字状係合部からなり、
前記一対のメタルセパレータのうちの一方のメタルセパレータのセル電圧モニタが装着される部位において燃料電池の外形から外側に突出されたセパレータ突出部を有しており、他方のメタルセパレータは突出されておらず、
(ハ)前記セル電圧モニタは、樹脂のハウジングと、該ハウジングに一体に形成された燃料電池側に向かって突出しセパレータ突出部の板面と平行に延びるセパレータ挟み爪と、セパレータ挟み爪のセパレータ突出部対向面に形成されたセル電圧モニタ端子と、ハウジングに対して可動で燃料電池の係合部と係合可能な可動爪と、を有しており、
(ニ)前記セル電圧モニタが前記燃料電池に取り付けられた状態では、可動爪が係合部に係合し、セパレータ挟み爪が一対のL字状係合部間でセパレータ突出部を挟み、かつ、セル電圧モニタ端子がセパレータ突出部にメタルセパレータの板面にて接触しており、
前記セル電圧モニタが前記燃料電池から外される時には可動爪の係合部との係合が外れた状態とされる、
セル電圧モニタを取り付けた燃料電池。 - 積層された複数の燃料電池に対して1つのセル電圧モニタが装着され、セル電圧モニタの端子は隣接する燃料電池間で互い違いの箇所で燃料電池のメタルセパレータと導通する請求項1記載のセル電圧モニタを取り付けた燃料電池。
- 前記係合部が燃料電池の左右または上下非対称箇所の設置され、セル化、スタック化時の誤組み付け防止機能を具備している請求項1または請求項2記載のセル電圧モニタを取り付けた燃料電池。
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