JP7070444B2 - 燃料電池セルユニット - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池セルを複数個積層したセル積層体と燃料電池セルの電圧検知のためのセルコネクタとの組立体である燃料電池セルユニットに関する。
燃料電池(燃料電池スタックということもある)は、通常、単セルと称される燃料電池セルの複数個が積層したスタック構造として構成されている。単セルである燃料電池セルは、電解質膜と、電解質膜の一方面側に設けられるアノードと電解質膜の他方面側に設けられるカソードで構成される膜電極接合体(MEA)を有し、平面略矩形状に形成されている。MEAの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層(GDL)が形成されている。GDLが両側に配置されたMEAは、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly)と称される。ここで、MEGAが燃料電池の発電部であり、ガス拡散層がない場合には、MEAが燃料電池の発電部となる。そして、燃料電池セルは、発電部としてのMEGA(またはMEA)を挟む一対のセパレータを備えている。
セパレータは、アノードに水素ガス等の燃料ガスを供給する通路と、カソードに酸素ガス等の酸化剤ガスを供給する通路とを有している。また、セパレータは、セル電極としての機能を有し、燃料電池セルの電圧(セル電圧)検知のために、端子を備えたセルコネクタがセパレータの一部(発電領域から外側に延在する部分)に取り付けられる。燃料電池セルにそのようなセルコネクタを取り付けるための取り付け構造の一例が、特許文献1に記載されている。
特許文献1にも記載されるように、燃料電池セルにセルコネクタを取り付けるための従来構造は、セルコネクタ(のハウジング)側にあるロック突起が、セパレータ側にあるロック溝に嵌り込むことで、両者を一体に組み付けるようになっている。セルコネクタの端子は、セパレータがセルコネクタに嵌入する部分に取り付けられている。
特開2013-187050号公報
しかし、従来の燃料電池セルに対するセルコネクタの取り付け構造では、セルコネクタが、例えば金属等の比較的剛性の高い材料で作製されたセパレータとの接触・係合によって固定されるため、製造時や修理時においてセルコネクタの挿入荷重が高く、組み付け作業が難しい。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルのセパレータに対する電圧検知のためのセルコネクタの組み付けを比較的に容易に行い得るようにした燃料電池セルユニットを提供することを課題とする。
前記課題を解決すべく、本発明による燃料電池セルユニットは、発電部と、該発電部を保持する樹脂枠と、該樹脂枠を挟む一対のセパレータとを有する燃料電池セルを複数積層したセル積層体と、前記セパレータと接してセル電圧を検知する端子を複数有するセルコネクタとを備え、前記セルコネクタは、前記セル積層体の各セパレータに設けられた凹部で形成される収納部に収納され、前記端子が前記セパレータと接した状態で前記樹脂枠との接触抵抗で保持されており、前記セルコネクタにおけるセル積層方向の両端部は、前記樹脂枠とは接しないことを特徴とする。
本発明による燃料電池セルユニットでは、セルコネクタが、セル積層体の各セパレータに設けられた凹部で形成される収納部に収納され、セル電圧を検知する端子がセパレータと接した状態で樹脂枠との接触抵抗で保持されているため、樹脂枠とセルコネクタとの接触抵抗で、セルコネクタの抜けを防止するととともに、組み付け作業時のセルコネクタの挿入荷重を低く抑えられる。また、セルコネクタの両端部は樹脂枠とは接しないため、隣り合うセルコネクタ間の樹脂枠の落ち込みを回避でき、これによっても組み付け作業時にセルコネクタをスムーズに挿入することができる。そのため、燃料電池セルのセパレータに対する電圧検知のためのセルコネクタの組み付けを比較的に容易に行うことが可能となる。
本実施形態による燃料電池セルユニットを含む燃料電池の要部を示す一部切欠き側面図。 本実施形態による燃料電池セルユニットを含む燃料電池の要部を拡大して示す要部拡大側面図。 図2のA-A矢視断面図。 本実施形態によるセル積層体の要部を示す斜視図。 本実施形態によるセルコネクタを示す斜視図。 セパレータにセルコネクタを組み付ける前の状態を示す側面図。 セパレータにセルコネクタを組み付ける途中の状態を示す側面図。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図1および図2はそれぞれ、本実施形態による燃料電池セルユニットを含む燃料電池の要部を示す一部切欠き側面図および要部拡大側面図である。また、図3は、図2のA-A矢視断面図である。
図示実施形態の燃料電池1は、単セルと称される平面略矩形状の燃料電池セル(以下、単にセルということがある)11の複数個が積層したセル積層体10を備える。図示は省略するが、セル積層体10は、セル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層方向に締め付け、セル積層体10の外側でセル積層方向に延びる締結部材(例えば、テンションプレート)などによって固定したスタック構造(燃料電池スタックともいう)を有する。
セル積層体10は、ケーシング30内に収容される。ケーシング30には、電圧計測装置としてのセルモニタ50が取り付けられている。セルモニタ50には、燃料電池セル11の電圧(セル電圧)検知のためのセルコネクタ51が複数個接続されており、各セルコネクタ51は、セル積層体10(の燃料電池セル11)に取り付けられている(詳細は後述)。各セルコネクタ51を介してセルモニタ50により得られた情報から、各セル毎に、または複数のセル毎に、セルで正常な発電が行われていることを確認するとともに、例えば、セル電圧に基づいて反応ガスの流量制御を行ったり、異常電圧の場合にモータ駆動を制限したりすることができる。
なお、本明細書では、セル積層体10にセルコネクタ51が組み付けられた組立体を燃料電池セルユニットと称する。
以下、本実施形態の特徴構成をより詳細に説明する。
セル積層体10を構成する燃料電池セル11は、平面略矩形状のセパレータ12を有し、このセパレータ12は、従来公知の図示しない発電部(MEGAまたはMEA)を挟むようにして配置されている。また、本例の燃料電池セル11は、発電部の発電領域の周縁(外周)にて当該発電部を保持する樹脂枠15を有し、樹脂枠15を挟むように一対のセパレータ12が備えられている。樹脂枠15は、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタラート、フェノール樹脂、エポキシ樹脂などの熱可塑性樹脂で作製されたシート状枠体の両面に接着層(接着剤)が施された構造を有し、例えばその両面に施された接着層(接着剤)を介してセパレータ12に接着されている。なお、両面に接着層(接着剤)が形成された樹脂枠15を、三層樹脂シートあるいは三層シートということもある。
図1および図2とともに図4を参照すればよく分かるように、セパレータ12の上部で発電領域よりも外側に延在する部分には、上下方向(鉛直方向)に対して約45°の角度で傾斜するように、略台形状の凹部22が形成されている。この凹部22は、セパレータ12の上面(上辺)13から約45°の角度で下方に向けて直線状に傾斜する比較的長い下辺部22aと、セパレータ12の上面(上辺)13から45°強の角度で下方に向けて直線状に傾斜する比較的短い上辺部22bと、下辺部22aの下端と上辺部22bの下端とを繋ぐ(換言すれば、セルコネクタ51の挿入方向で奥側に位置する)側辺部22cとで構成される。本例では、下辺部22aと側辺部22cは鋭角で交差し、上辺部22bと側辺部22cは鈍角で交差している。
樹脂枠15におけるセパレータ12の凹部22と同じ部分には、凹部22と略相似形状且つ凹部22より若干小さい凹部25が形成されている。この凹部25の上辺部25bの上端(樹脂枠15の上面と交差する部分)には、凹部25内に向けて凸状の押さえ部27が(一体的に)形成されている。後述するセルコネクタ51の組み付け(挿入)前の状態において、この上辺部25bから突設された押さえ部27と下辺部25aの幅Waは、セルコネクタ51の上下幅(詳しくは、ハウジング52の上面部52bの後側上段面部52bbと下面部52aの幅)Wbより若干小さく設定されている(図6および図7参照)。これにより、セルコネクタ51を組み付けた(挿入した)とき、上辺部25bから突設された押さえ部27と下辺部25aがそれぞれ、セルコネクタ51の上下面(詳しくは、ハウジング52の上面部52bの後側上段面部52bbと下面部52a)に接触し、押さえ部27と下辺部25aの弾性変形(弾性力)によってセルコネクタ51を(上下方向で)挟持して抜け止め保持するようになっている。なお、このWaとWbの差(Wb-Wa)は、「締め代」と称することができ、この「締め代」は、組み付け(挿入)荷重に応じて適宜に設定することができる。
また、凹部25の下辺部25aの略中央には、窪み26が形成されている。この窪み26が逃げ部として機能することで、後述するセルコネクタ51の組み付け(挿入)荷重が安定する。
また、本例では、樹脂枠15を挟む一対のセパレータ12のうちの片方に、樹脂枠15の下辺部25a、側辺部25c、および上辺部25bの下半部分から凹部25の内側に向けて延在する電極部14が形成されている。この電極部14は、後述するセルコネクタ51を組み付けた(挿入した)ときにセルコネクタ51(のハウジング52)に設けられたスリット53に嵌入して、内部に配置された端子57に接する。
前記した凹部22を持つセパレータ12と凹部25を持つ樹脂枠15を有する燃料電池セル11が複数積層される(重ね合わせられる)ことによって、セル積層体10の上面に、積層方向に延在する凹状の収納部20が形成される。この収納部20には、電圧検知のための端子57を備えたセルコネクタ51が(セル積層方向に複数個並んで)組み付けられる。
セルコネクタ51は、セル積層体10に固定されるハウジング52を有し、そのハウジング52に、1つ以上の端子57が保持されている。端子57が複数設けられている場合、その複数の端子57は、ハウジング52内で、互いに並列に、且つ、セル積層方向に列状に配置されている。ハウジング52は、非導電性または絶縁性で例えば樹脂製であり、端子57は、導電性で金属製(金属メッキのものを含む)である。
図1~図3とともに図5を参照すればよく分かるように、ハウジング52は、挿入方向に長くセル積層方向に厚みのある略矩形状を有し、その側面視(セル積層方向)での形状は、前記した収納部20とほぼ相補的な形状を有する。ハウジング52は、比較的広い矩形平面状の下面部52a、比較的狭い段付きの上面部52b、挿入方向で先端(前端)側に位置する(換言すれば、下面部52aの先端と上面部52bの先端とを繋ぐ)先端面部52c、挿入方向で基端(後端)側に位置する(換言すれば、下面部52aの基端と上面部52bの基端とを繋ぐ)基端面部52d、セル積層方向両端に位置してセル積層方向に垂直な(換言すれば、下面部52a、上面部52b、先端面部52c、基端面部52dの積層方向両端を繋ぐ)側面部52e、52eを有する。前記したように、下面部52aと先端面部52cは鋭角で交差し、上面部52bと先端面部52cは鈍角で交差するように形成され、基端面部52dは、下面部52aおよび上面部52bに略垂直に形成されている。
ハウジング52は、下面部52a、先端面部52c、および上面部52bの前部にわたって、略L字状のスリット53が複数個(図示例では、7個)形成されている(特に、図3および図5参照)。すなわち、本例では、ハウジング52の先端部分および下側部分は、櫛歯状とされている。このスリット53はそれぞれ、セル積層方向に垂直(すなわち、側面部52e、52eに平行)且つ所定幅(セル積層方向の幅)を持つように形成されるとともに、前記した電極部14に対応した位置に形成されており、隣り合うスリット53の間隔はセル積層体10の燃料電池セル11の積層ピッチと等しくなるように配置されている。各スリット53には、前記したセパレータ12の電極部14が嵌入される。
各スリット53に電極部14が嵌入した状態で、ハウジング52の下面部52aは、樹脂枠15の下辺部25aに接触するようになっている。
ハウジング52の上面部52bは、先端側に行くに従って階段状に低くなる(つまり、先細になる)段付きで形成され、先端側の前側下段面部52ba、基端側の後側上段面部52bb、および前側下段面部52baと後側上段面部52bbの間の中間傾斜面部52bcで構成される。そして、上面部52bの前側下段面部52baには、前記した樹脂枠15の上辺部25bに設けられた押さえ部27が接触せず、上面部52bの後側上段面部52bbに、押さえ部27が接触するようになっている。すなわち、本例では、上面部52bの前側下段面部52baと下面部52aの幅Wcが、前記Waより小さく設定されており、上面部52bの後側上段面部52bbと下面部52aの幅が、前記Wb(>Wa)に設定されている(図6および図7参照)。
また、ハウジング52の上面部52bの後端(つまり、後側上段面部52bbの後部)には、作業者がセルコネクタ51を把持するとともに収納部20に押し込み挿入するための脚状のハンドル部54が(一体的に)形成されている。また、ハンドル部54の先端側端部、すなわち、前記した押さえ部27が接触する後側上段面部52bbに隣接する部分には、曲面からなるストッパ部(突き当て面)55が形成されている。セルコネクタ51を組み付けた(挿入した)とき、このストッパ部55が押さえ部27に当接することによって、セルコネクタ51の収納部20への挿入が阻止され(換言すれば、セルコネクタ51の収納部20への挿入量が規定され)、セルコネクタ51の挿入方向での位置決めを行うことができる。
さらに、本例では、ハウジング52のセル積層方向両端部、詳しくは、ハウジング52における上面部52bのセル積層方向両端部であって、ハウジング52における上面部52bと側面部52e、52eで形成される角部に、切欠き溝56、56が形成されている。より詳細には、この切欠き溝56、56は、ハウジング52における上面部52bのセル積層方向両端部において中間傾斜面部52bcの中央付近から後側上段面部52bbの中央付近(ハンドル部54より先端側の部分)にかけて形成されている。また、各切欠き溝56は、セル積層方向に垂直な方向(つまり、挿入方向)に延在して断面矩形状を有するとともに、セル積層方向両端部に位置するスリット53に連なる幅(深さ)で形成されている。この切欠き溝56、56によって、セルコネクタ51(のハウジング52)は、セル積層方向両端部において樹脂枠15の押さえ部27とは接しなくなり、隣り合うセルコネクタ51(のハウジング52)間の樹脂枠15の落ち込みを回避でき、セルコネクタ51の挿入荷重を軽減できる。また、この切欠き溝56、56のセル積層方向の幅(深さ)を調整することによって、押さえ部27との接触量(接触面積)を調整して、セルコネクタ51の挿入荷重を調整することもできる。
なお、本例では、ハウジング52の一方の側面部52eの中央付近に、凹面部60が形成されている(図3参照)。
ハウジング52の内部には、空間領域が複数個(図示例では、7個)形成されており、そこには(図示しない基端面部52d側に形成された開口から)端子57が配置されている。
前記端子57は、その先端部分が前記スリット53に突出し、セルコネクタ51がセル積層体10(の燃料電池セル11のセパレータ12)に組み付けられた状態で、スリット53に嵌入した電極部14の一部を挟み込むことができる部位に配置されている。なお、前記端子57は、各セル毎(各電極部14毎)に設けてもよいし、複数のセル毎(複数の電極部14毎)に設けてもよい。各端子57の後端部には、導電線58が接続している。
ケーシング30の上面には、前記収納部20に対向する位置に、(セル積層方向に延在する)通し穴31が形成されている。また、ケーシング30の上面には、ボルト等を介してセルモニタ50が配置固定されている。端子57の後端部に接続している導電線58は、図示しないハウジング52の基端面部52d側に形成された開口(上側を向いた開口)から、通し穴31を通ってケーシング30の外部(上側)に出され、当該セルコネクタ51毎に束ねてセルモニタハーネス59とされて、セルモニタ50に接続している。
セルモニタ50では、前述したように、各セルコネクタ51を介して、各燃料電池セル11の電圧(セル電圧)を計測することができる。
次に、セル積層体10を構成する燃料電池セル11のセパレータ12の電極部14にセルコネクタ51を組み付けるときの手順を説明する。なお、セル積層体10へのセルコネクタ51の組み付け作業は、セル積層体10をケーシング30内に収容した姿勢で行ってもよいし、セル積層体10をケーシング30内に収容する前に行い、セル積層体10にセルコネクタ51を組み付けた後に、セル積層体10をケーシング30内に収容するとともに配線部分(セルモニタハーネス59部分)をケーシング30の通し穴31を通してセルモニタ50に連結してもよい。
セル積層体10にセルコネクタ51を組み付ける際には、ハンドル部54を持って、上面部52bを上側、下面部52aを下側とした姿勢で、セルコネクタ51をセル積層体10の収納部20に上方から接近させる(図6に示す状態)。そして、セルコネクタ51を先端側(先端面部52c側、ハンドル部54とは反対側)から収納部20に挿入し、セルコネクタ51(のハウジング52)の各スリット53内に、セパレータ12の電極部14が嵌入した状態とする。その姿勢で、セルコネクタ51を、樹脂枠15の凹部25の下辺部25aに沿って(つまり、ハウジング52の下面部52aを樹脂枠15の凹部25の下辺部25a上で摺動させながら)、斜め下方に向けて押し込むようにスライドさせる。斜め下方への移動によって、樹脂枠15の押さえ部27が、(セル積層方向両端部を除いて)セルコネクタ51のハウジング52の上面部52bの中間傾斜面部52bcに接触した後(図7に示す状態)、セルコネクタ51のハウジング52の上面部52bの後側上段面部52bbに(弾性的に)接触し、また、セルコネクタ51に内装されている各端子57が各セパレータ12の電極部14を挟持した状態となり、各セパレータ12とセルコネクタ51は電気的に接続される。このとき、ハウジング52に設けられた切欠き溝56、56によって、セル積層方向両端部において樹脂枠15の押さえ部27とセルコネクタ51のハウジング52の上面部52bの後側上段面部52bbの接触は抑止されているため、隣り合うセルコネクタ51(のハウジング52)間の樹脂枠15の落ち込みは回避される。さらに斜め下方へ移動させると、ハンドル部54のストッパ部55が樹脂枠15の押さえ部27に当接し、その移動は阻止され、セルコネクタ51は、樹脂枠15の押さえ部27と下辺部25aで挟持された状態で位置決めされる(図1および図2に示す状態)。すなわち、収納部20内に挿入・収納されたセルコネクタ51は、樹脂枠15の接触抵抗で、詳しくは、セル積層方向に間隔をあけて配置されるとともにセルコネクタ51(のハウジング52)の範囲内においてセル積層方向両端部に位置する樹脂枠15を除いた各樹脂枠15の下辺部25aと上辺部25bに形成された押さえ部27で挟持されるようにして(特に図3参照)、収納部20内に保持される。
このように、本実施形態においては、セルコネクタ51が、セル積層体10の各セパレータ12に設けられた凹部22で形成される収納部20に収納され、セル電圧を検知する端子57がセパレータ12(の電極部14)と接した状態で樹脂枠15との接触抵抗で保持されているため、樹脂枠15とセルコネクタ51との接触抵抗で、セルコネクタ51の抜けを防止するととともに、組み付け作業時のセルコネクタ51の挿入荷重を低く抑えられる。また、セルコネクタ51の両端部は切欠き溝56、56によって樹脂枠15とは接しないため、隣り合うセルコネクタ51(のハウジング52)間の樹脂枠15の落ち込みを回避でき、これによっても組み付け作業時にセルコネクタ51をスムーズに挿入することができる。そのため、燃料電池セル11のセパレータ12に対する電圧検知のためのセルコネクタ51の組み付けを比較的に容易に行うことが可能となる。
また、本実施形態においては、セルコネクタ51やセル積層体10(の燃料電池セル11)が、上記した如くの形状を有することによって、例えば上下反転の誤組み防止にもなっている。
また、本実施形態においては、次のような作用効果もある。
すなわち、セルコネクタのハウジングが極ごとに分割され、分割されたハウジングが連結されている場合、連結ハウジング間(つまり、極間)に隙間が発生するために、樹脂枠の落ち込みが発生する虞がある。また、端部のハウジングに逃がし溝等を設定していない場合、変形した樹脂枠が連結ハウジング間に落ち込む虞がある。連結ハウジング間に樹脂枠の落ち込みが発生した状態で、隣接するセルコネクタを挿入すると、落ち込んだ樹脂枠がハウジングに引っ掛かり、セルコネクタをスムーズに挿入(組み付け)できなくなる。
本実施形態では、前記したように、セルコネクタのハウジングが極ごとに分割されておらず、複数の極を持つハウジング52が一体的に形成(一体成形)されるとともに(すなわち、多極一体)、ハウジング52の両端部に逃がし溝としての切欠き溝56、56が設定されているため、前記したような極間および連結ハウジング間の樹脂枠15の落ち込みを回避することができる。
また、振動入力等に耐えるために、セルコネクタのハウジングの保持力の確保が必要であり、ハウジングの保持力確保のための締め代を設定する必要があるが、本実施形態では、その締め代を樹脂枠15に設定できるので、保持力確保と、その保持力確保の背反項目である組み付け時の挿入荷重との両立が比較的に容易である。
すなわち、極間および連結ハウジング間への樹脂枠の落ち込みの課題を解決でき、ハウジングの保持力確保の背反項目である組み付け時の挿入荷重の低減も可能である。また、例えば、ハウジングの端部と接触する(ハウジングの端部を押さえる)樹脂枠のみを形状変更する方法に比べて、セルのバリエーションを増やす必要は無い。
また、本実施形態では、図1に示すように、セルコネクタ51は、セル積層体10の上面に形成された収納部20(セパレータ12の凹部22と樹脂枠15の凹部25によって形成された収納部20)に上側から挿入されて収納されているので、セルコネクタ51は、その自重によって、常時、収納部20の底方向への力がかかっているため、抜け難くなる。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
1…燃料電池(燃料電池セルユニット)
10…セル積層体
11…燃料電池セル(単セル)
12…セパレータ
13…セパレータの上面(上辺)
14…電極部
15…樹脂枠
20…収納部
22…セパレータの凹部
22a…下辺部
22b…上辺部
22c…側辺部
25…樹脂枠の凹部
25a…下辺部
25b…上辺部
25c…側辺部
26…窪み
27…押さえ部
30…ケーシング
31…通し穴
50…セルモニタ
51…セルコネクタ
52…ハウジング
52a…下面部
52b…上面部
52ba…前側下段面部
52bb…後側上段面部
52bc…中間傾斜面部
52c…先端面部
52d…基端面部
52e…側面部
53…スリット
54…ハンドル部
55…ストッパ部
56…切欠き溝
57…端子
58…導電線
59…セルモニタハーネス
60…凹面部

Claims (1)

  1. 発電部と、該発電部を保持する樹脂枠と、該樹脂枠を挟む一対のセパレータとを有する燃料電池セルを複数積層したセル積層体と、
    前記セパレータと接してセル電圧を検知する端子を複数有するセルコネクタとを備える燃料電池セルユニットであって、
    前記セルコネクタは、前記セル積層体の各セパレータに設けられた凹部で形成される収納部に収納され、前記端子が前記セパレータと接した状態で前記樹脂枠との接触抵抗で保持されており、前記セルコネクタにおけるセル積層方向の両端部は、前記樹脂枠とは接しない燃料電池セルユニット。
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