JP5068625B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a terminal used for detecting the voltage of each cell constituting a fuel cell, and a cell side terminal mounting portion to which the terminal is mounted.
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。
For example, there is known a fuel cell configured by stacking a plurality of fuel cell cells sandwiching a fixed polymer electrolyte membrane between an anode side electrode and a cathode side electrode with a separator interposed therebetween. In the fuel cell, the fuel gas supplied to the anode-side electrode is ionized on the catalyst electrode and moves to the cathode-side electrode through the appropriately humidified electrolyte membrane. Electrons generated in the meantime are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. In order to continue to extract such electric energy, each cell needs to function well.
In order to know whether or not each cell is in a normal state during fuel cell operation, it is only necessary to measure the cell voltage. Conventionally, a plug-in terminal as shown in FIG. 8 has been used as a cell voltage detection terminal device. The device that was found is known.
This voltage detection terminal device includes a cell voltage measurement circuit board 3 provided near a cell 2 constituting the fuel cell stack 1, a cell voltage detection terminal 4 fixed to the circuit board 3, and a cell 2. The
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。
Therefore, the abnormality of the cell 2 is detected as a decrease in the cell voltage.
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。
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。
また、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。
However, the above configuration has the following problems.
In the technical field of fuel cells, it is desired to reduce the size and thickness of a single cell from the viewpoint of downsizing the equipment space, and the separator as a cell component is formed as thin as possible, for example, about 2 to 5 mm. It is coming. In order to provide the
Further, when the cell voltage detection terminal 4 is inserted into the
また、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、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。 Further, since the cell voltage detection terminal 4 is simply inserted into the
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。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to maintain a good connection state of terminals with a simple structure and to effectively prevent easy disconnection of terminals. And improving the workability of attaching and detaching terminals.
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、固体高分子膜の両面に燃料極および空気極をそれぞれ接合して膜電極接合体(13)を構成し、前記膜電極接合体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、複数のセル電圧検出端子(21)を前記燃料電池(燃料電池スタック11)に接続するに際し、前記複数のセル電圧検出端子のうち一の端子を前記燃料電池のうち一のセルのセパレータ(14)に接続し、他の端子を前記一のセルとは異なるセルの、前記一の端子が接続されるセパレータと同極のセパレータに接続し、前記複数のセルは、水平方向に積層され、前記同極のセパレータには、隣り合うセルに面する側面(14A)に、前記セパレータの上面(14B)に入口部が開口するとともに前記隣り合うセルに面する開口を有する凹部(15)が形成され、前記端子は、前記凹部に挿入される差込部(22)を備え、前記差込部を前記凹部に挿入して、前記端子を前記セパレータに接続することを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following configuration.
According to the first aspect of the present invention, a fuel electrode and an air electrode are joined to both surfaces of a solid polymer membrane to form a membrane electrode assembly (13), and the membrane electrode assembly is sandwiched between a pair of separators (14). build a cell (12) Te, in a fuel cell formed by stacking a plurality of said cells (fuel cell stack 11), to the fuel cell a plurality of cell voltage detection terminal (21) (fuel cell stack 11) upon connecting, one of terminals of the plurality of cell voltage detection terminal connected to the separator (14) of one cell of the fuel cell, the different cells and the other terminal said one cell, the one The plurality of cells are stacked in a horizontal direction, and the separator having the same polarity is connected to the side surface (14A) facing the adjacent cell. Top surface of 14B) is formed with a recess (15) having an opening and an opening facing the adjacent cell, and the terminal includes an insertion portion (22) to be inserted into the recess, and the insertion portion Is inserted into the recess, and the terminal is connected to the separator .
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。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a main part of a cell voltage detection terminal device for a fuel cell according to the present embodiment, and FIG. 2 is a sectional view of the device.
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。
In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a solid polymer type fuel cell stack, and this fuel cell stack 11 is formed by laminating a number of
Each
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。
The
Then, hydrogen is supplied to the gas flow path of the
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。
The other side surface of one
As shown in FIG. 2, the
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。
The cell
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。
The
Further, a bent portion (flexible portion) 26 for absorbing a relative displacement between the
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。
When connecting the cell
Then, the wedge-
When the
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。
When the
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。
At this time, the cell
Furthermore, during operation of the fuel cell, the length of the cell
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。
When simultaneously connecting a plurality of cell
At this time, the interval between the cell
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。
The
Thereafter, the
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。
When the
The
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。
As a method for confirming the temporary insertion state of the cell
When the
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。
Similarly, when the
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。
The
When the cell
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。
That is, when the
Therefore, if the
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。
If the above method is used, a plurality of cell
Further, according to the cell voltage detection terminal device for a fuel cell according to the present embodiment, the cell
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。
In addition, since the relative displacement generated between the
Further, by engaging the
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。
Next, one configuration example and one operation example of the automated system for attaching and detaching the cell
This system automates the positioning step of the fuel cell stack 11 and the
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。
Hereinafter, an operation example of this system will be described.
In order to connect the cell
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。
Similarly, the
The positional relationship between the
Next, the
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。
On the contrary, in order to remove the cell
Then, the
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。
In addition, this invention is not restricted to the said embodiment, The following form is also included.
(1) The
According to this structure, since the engagement between the
(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。
(2) The flexible portion provided in the middle of the cell
In consideration of the fact that the space in the cell stacking direction is very small, the
(3) The
Also with this configuration, the
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、複数のセルのセパレータに対するセル電圧検出端子の取付構造が簡単になる。また、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。
As is clear from the above description, according to the present invention, the following effects can be obtained.
(1) According to the invention of claim 1, the structure for attaching the cell voltage detection terminal to the separator of a plurality of cells is simplified. Further, the cell voltage detection terminal can be easily and reliably connected to the separator, and a good connection state can be maintained with a simple structure.
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)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ...
Claims (1)
前記複数のセルは、水平方向に積層され、
前記同極のセパレータには、隣り合うセルに面する側面に、前記セパレータの上面に入口部が開口するとともに前記隣り合うセルに面する開口を有する凹部が形成され、
前記端子は、前記凹部に挿入される差込部を備え、
前記差込部を前記凹部に挿入して、前記端子を前記セパレータに接続することを特徴とする燃料電池。 A fuel electrode and an air electrode are joined to both surfaces of the solid polymer membrane to form a membrane electrode assembly, a cell is formed by sandwiching the membrane electrode assembly with a pair of separators, and a plurality of the cells are stacked. In the fuel cell configured as described above, when connecting a plurality of cell voltage detection terminals to the fuel cell, one terminal of the plurality of cell voltage detection terminals is connected to a separator of one cell of the fuel cell, The other terminal is connected to a separator of the same polarity as the separator to which the one terminal is connected, of a cell different from the one cell ,
The plurality of cells are stacked in a horizontal direction,
In the separator of the same polarity, a concave portion having an opening facing the adjacent cell and an entrance portion is formed on the upper surface of the separator on a side surface facing the adjacent cell,
The terminal includes an insertion portion to be inserted into the recess,
The fuel cell , wherein the insertion portion is inserted into the recess and the terminal is connected to the separator .
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