JP2005293924A - 燃料電池用セル電圧モニター装置とその燃料電池スタックへの取付け方法 - Google Patents

燃料電池用セル電圧モニター装置とその燃料電池スタックへの取付け方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 端子のセルへの装着の作業性を改善できる燃料電池用セル電圧モニター装置と該モニター装置のセルへの取付け方法の提供。
【解決手段】 (1)複数のセル電圧モニター端子2と、複数の導線3と、複数の導線3を内蔵した、柔軟性をもつ樹脂シート4と、を備えた燃料電池用セル電圧モニター装置1。(2)燃料電池用セル電圧モニター装置1の、複数のセル電圧モニター端子2の先端部2aを、同時に、スタック化されたモジュールの端子取付け穴5に挿入する工程と、各セル電圧モニター端子2をそれに対応するモジュールの端子取付け穴5に押し込む工程と、を有する燃料電池用セル電圧モニター装置1の燃料電池スタック23への取付け方法。
【選択図】 図1

Description

本発明は、燃料電池の各セル電圧をモニタするための燃料電池用セル電圧モニター装置とその燃料電池スタックへの取付け方法に関する。
燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )とセパレータとの積層体(ただし、積層方向は任意でよい)からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜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)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)とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス(水素)を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス(酸素、通常は空気)を供給するための酸化ガス流路が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも1つのセルからモジュールを構成し、モジュール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、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、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)、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン(プロトン)と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子(隣りのMEAのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる)から水を生成するつぎの反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側:H2 →2H+ +2e-
カソード側:2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2
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、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にガードをかけるために、セル電圧がモニタされる。
特開2002−124285号公報は、燃料電池のセパレータへ挿入可能な電圧測定端子を、複数セル分まとめて樹脂製の櫛歯状の支持プレートに装着し、複数端子を同時に複数のセルの端子取付け穴に差し込むモニタピン端子取付け構造を開示している。
また、特開平9−283166号公報は、複数のコードにバナナクリップからなるモニタピン端子を取付け、1本1本のモニタピン端子をセルの端子取付け丸穴に差しこむ端子取付け構造を提案している。
特開2000−124285号公報 特開平9−283166号公報
しかし、上記の燃料電池のモニタピン端子取付け構造には、つぎの問題があった。
1)特開2002−124285号公報に開示の構造の問題
セルを積層してスタックを構成した場合、各セルの厚みにばらつきがあるので、セルの端子取付け穴のピッチが一定にならず、剛性のある櫛歯状の支持プレートに装着した複数端子のピッチと合わない場合が生じる。その場合は、複数端子を同時に複数のセルの端子取付け穴に差し込むことが困難になり、電圧モニター端子の挿入の作業性が低下する。また、電圧モニター端子のセル穴との接圧が均一にならなくなり、電圧モニター精度が低下する。
2)特開平9−283166号公報に開示の構造の問題
1本1本のモニタピンの挿入作業となり、端子の挿入作業性が低下する。また、端子に接続されたコードが多数存在して絡まりやすいため、端子の挿入作業性が一層低下する。また、バナナクリップからなるモニタピン端子がセルの穴から抜けやすく、セルへの固定の信頼性が比較的低い。
本発明の目的は、端子のセルへの装着の作業性を改善できる燃料電池用セル電圧モニター装置と該モニター装置のセルへの取付け方法を提供することにある。
本発明の目的は、端子のセルへの装着の作業性を改善でき、かつ、端子のセルへの固定を従来より確実化できる燃料電池用セル電圧モニター装置と該モニター装置のセルへの取付け方法を提供することにある。
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
(1) 複数のセル電圧モニター端子と、
各導線が各セル電圧モニター端子に接続された複数の導線と、
前記複数の導線を内蔵した、柔軟性をもつ樹脂シートと、
を備えた燃料電池用セル電圧モニター装置。
(2) 前記樹脂シートが互いに独立な複数の枝部と、該複数の枝部を互いに連結する連結部と、該連結部に接続された集合部とを有する(1)記載の燃料電池用セル電圧モニター装置。
(3) 前記樹脂シートの前記複数の枝部の各枝部の根本部がくびれている(2)記載の燃料電池用セル電圧モニター装置。
(4) 各セル電圧モニター端子がバナナ端子からなる(1)記載の燃料電池用セル電圧モニター装置。
(5) 前記セル電圧モニター端子とモジュールの端子取付け穴との一方に凸部が形成され他方に前記凸部を受け入れる凹部が形成されている(1)記載の燃料電池用セル電圧モニター装置。
(6) 前記セル電圧モニター端子が先細りとなっている(1)記載の燃料電池用セル電圧モニター装置。
(7) 先端部が先細りの複数のセル電圧モニター端子に接続される複数の導線を内蔵した樹脂製シートを有する燃料電池用セル電圧モニター装置の、前記複数のセル電圧モニター端子の先端部を、同時に、スタック化されたモジュールの端子取付け穴に挿入する工程と、
前記複数のセル電圧モニター端子の各セル電圧モニター端子をそれに対応するモジュールの端子取付け穴に押し込む工程と、
を有する燃料電池用セル電圧モニター装置の燃料電池スタックへの取付け方法。
上記(1)の燃料電池用セル電圧モニター装置では、複数のセル電圧モニター端子に接続された複数の導線を柔軟性をもつ単一の樹脂シートに内蔵したので、複数端子を同時にセルの端子取付け穴に挿入でき、1本1本挿入する場合に比べて挿入の作業性が向上する。また、剛性のある櫛歯状に支持した場合と異なり、単一の樹脂シートに導線を内蔵した場合は、複数のセル電圧モニター端子のピッチを容易にセルの端子取付け穴に合わせて調整できるため、複数のセル電圧モニター端子の複数のセルの端子取付け穴への挿入作業性が向上し、かつセル電圧モニター端子と取付け穴との接圧も均一化でき、片当たりもなくなる。
上記(2)の燃料電池用セル電圧モニター装置では、樹脂シートが複数の枝部と該複数の枝部を互いに連結する連結部を備えているので、複数のセル電圧モニター端子をまとめて取り扱うことができ、セル電圧モニター端子の、セルの端子取付け穴への挿入の作業性が向上する。
上記(3)の燃料電池用セル電圧モニター装置では、複数の枝部の各枝部の根本部がくびれているので、くびれで枝部が容易に変形でき、セルの端子取付け穴のピッチが変わってもセル電圧モニター端子が容易に追随できる。
上記(4)の燃料電池用セル電圧モニター装置では、各セル電圧モニター端子がばなな端子のため、セル電圧モニター端子の、セルの端子取付け穴との接圧が過大となるのを抑制できる。
上記(5)の燃料電池用セル電圧モニター装置では、凸部が凹部に嵌まることによって端子の抜け外れが防止され、セル電圧モニター端子のセルへの固定が確実となる。
上記(6)の燃料電池用セル電圧モニター装置では、セル電圧モニター端子が先細りとなっているので、セルの端子取付け穴のピッチがばらついても、複数のセル電圧モニター端子の先端をそれぞれのセルの端子取付け穴に容易に挿入することができる。
上記(7)の燃料電池用セル電圧モニター装置の燃料電池スタックへの取付け方法では、セル電圧モニター端子の先細りの端部を複数一度に取付け穴に挿入でき、ついでセル電圧モニター端子を取付け穴に押し込むだけで取付け穴に固定できるので、セル電圧モニター端子のセルへの取付け作業が容易であり、かつ、固定も確実となる。
以下に、本発明の燃料電池用セル電圧モニター装置とその燃料電池スタックへの取付け方法を図1〜図9を参照して説明する。図中、図5は本発明の実施例1を示し、図6は本発明の実施例2を示し、図1〜図4と図7〜図9は本発明の実施例1にも実施例2にも適用可能である。本発明の実施例1、実施例2に共通する部分には、実施例1、実施例2にわたって同じ符号を付してある。
まず、本発明の実施例1、実施例2に共通する部分を、図1〜図5、図7〜図9を参照して説明する。
本発明の燃料電池用セル電圧モニター装置とその燃料電池スタックへの取付け方法が適用される燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池10である。該燃料電池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い。
図7〜図9に示すように、固体高分子電解質型燃料電池10は、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )とセパレータ18との積層体からなる。積層方向は任意である。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、この電解質膜の一面に配置された触媒層を有する電極(アノード、燃料極)14および電解質膜11の他面に配置された触媒層を有する電極(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(単セル)19を構成し、少なくとも1つのセルからモジュールを構成し、モジュール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(電気絶縁体)21、エンドプレート22を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、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)、ボルト・ナット25にて固定して、燃料電池スタック23を構成する。
MEAを挟む一対のセパレータ18のうち、アノード側のセパレータ18には、MEAに対向する側に、アノード14に燃料ガス(水素)を供給するための燃料ガス流路27が形成され、カソード側のセパレータ18には、MEAに対向する側に、カソード17に酸化ガス(酸素、通常は空気)を供給するための酸化ガス流路28が形成されている。また、セパレータ18のガス流路27、28と反対側の面には冷媒(通常、冷却水)を流すための冷媒流路26が形成される。燃料電池のうちガス流路27、28とMEAの両方が存在する領域が、セル19の発電領域を構成する。
セル19には、セル積層方向に延びる燃料ガスマニホールド30、酸化ガスマニホールド31、冷媒マニホールド29が形成される。燃料ガスマニホールド30は燃料ガス流路27に接続しており、燃料ガス流路27に燃料ガスを供給・排出する。酸化ガスマニホールド31は酸化ガス流路28に接続しており、酸化ガス流路28に酸化ガスを供給・排出する。冷媒マニホールド29は冷媒流路26に接続しており、冷媒流路26に冷媒を供給・排出する。
セル19のMEAを挟んで対向する一対のセパレータ18同士は、セル外周部およびマニホールド29、30、31まわりで、電気絶縁材である接着剤33によりシール接着されている。接着剤33は膜11とその両側のセパレータ18との間もシール接着している。セル19同士は、セル外周部およびマニホールド29、30、31まわりで、ガスケット(ゴムガスケット)32によりシールされている。各セルのシール接着されたセパレータ18同士は、分離はできないが、ガスケット32を挟んで対向する隣接するセルのセパレータ18同士は互いに分離自在である。
セパレータ18は、カーボンセパレータ、または導電性樹脂セパレータ、またはメタルセパレータと樹脂フレームとの組み合わせ、あるいはこれらの組み合わせからなる。
図1〜図5に示すように、燃料電池10のセルでの電圧を測定するために、燃料電池スタック23には、燃料電池用セル電圧モニター装置1が取付けられる。
燃料電池用セル電圧モニター装置1は、複数のセル電圧モニター端子(以下、単にモニター端子という)2と、複数の導線3(該複数の導線3の各導線が各セル電圧モニター端子2に接続される)と、該複数の導線3を内蔵した、柔軟性をもつ樹脂シート4と、を備えている。
モニター端子2は各セルのアノード側セパレータまたはカソード側セパレータに設けられた端子取付け穴5(該穴5はスタック幅より幅狭のテンションプレート24で覆われていない部位のセルのセパレータに設けられる)に挿入されてセルに着脱可能に固定され、樹脂シート4は燃料電池スタック23の上下テンションプレート24の上テンションプレートの上面に固定され、燃料電池スタックごとケーシング6に入れられ、導線3にカップリングにて接続された複数導線を有する配線7にて、ケーシング6外に配置されたPCU(パワーコントロールユニット)8に接続され、モニター端子2の検出信号がPCU8に伝えられる。
樹脂シート4はシート状またはフィルム状である。
樹脂シート4は、互いに独立な複数の枝部4aと、複数の枝部4aを互いに連結する連結部4bと、連結部4bに接続された集合部4cとを有する。
各枝部4aには1本づつ導線3が内蔵されており、各枝部4aの連結部4bと反対側の端部にモニター端子2が取り付けられ、各モニター端子2は導線3に電気的に接続されている。各導線3は、互いに独立に(連結部4b、集合部4c内で各導線3は互いに独立)、連結部4b、集合部4cを通って、PCU8に接続している。樹脂シート4は集合部4cにて上テンションプレート24の上面に固定される。
樹脂シート4の複数の枝部4aの各枝部の根本部4dがくびれており、幅が狭くなっている。樹脂シート4はシート状またはフィルム状のため、枝部4aは柔軟性を有し、シート4の面内方向にも屈曲できるが、根本部4dがくびれているため、根本部4dから先の部分が根本部4dを中心にして首振り変形可能であり、それによって、各モニター端子2はシート4の面内方向に位置を変位でき、セル厚みのばらつきによる端子取付け穴5の位置のばらつきに容易に対応できる。
各モニター端子2は、樹脂シート4の枝部4aに対してシート4の面と直交する方向に延びている。各モニター端子2はバナナ端子(軸方向スリットが端子周方向に複数設けられた端子)からなる。
モニター端子2とセルモジュールのセパレータの端子取付け穴5との一方に凸部9Aが形成され他方に凸部9Aを受け入れる凹部9Bが形成されている。図示例では、凸部9Aがモニター端子2側に設けられ、凹部9Bが端子取付け穴5側に設けられた場合を示したが、これとは逆に凸部9Aが端子取付け穴5側に設けられ、凹部9Bがモニター端子2側に設けられてもよい。 モニター端子2の、端子取付け穴5に挿入される側の端部2aは、が先細りとなっている。
本発明の燃料電池用セル電圧モニター装置1の燃料電池スタック23への取付け方法は、先端部2aが先細りの複数のモニター端子2に接続される複数の導線3を内蔵した樹脂製シート4を有する燃料電池用セル電圧モニター装置1の、複数のモニター端子2の先端部2aを、同時に、スタック化されたモジュールの端子取付け穴5に挿入する工程と、複数のモニター端子2の各モニター端子2をそれに対応するモジュールの端子取付け穴5に押し込む工程と、を有する。
各モニター端子2をそれに対応するモジュールの端子取付け穴5に押し込む場合、モニター端子2と端子取付け穴5の一方に設けた凸部9Aが他方に設けた凹部9Bに嵌まるまで押し込む。
つぎに、本発明の燃料電池用セル電圧モニター装置1とその燃料電池スタック23への取付け方法の、実施例1と実施例2に共通する部分の作用・効果を説明する。
まず、複数のモニター端子2に接続された複数の導線3を柔軟性をもつ単一の樹脂シート4に内蔵したので、複数端子2を同時にセルの端子取付け穴5に挿入でき、1本1本挿入する場合(たとえば、特開平9−283166号公報の場合)に比べて挿入の作業性が向上する。また、剛性のある櫛歯状に支持した場合(特開2000−124285号公報)と異なり、樹脂シート4に導線3を内蔵した場合は、枝部2aが柔軟性をもつので複数のモニター端子2のピッチを容易にセルの端子取付け穴5に合わせて調整できるため、複数のモニター端子2の複数のセルの端子取付け穴5への挿入作業性が向上する。また、モニター端子2と端子取付け穴5との接圧も均一化でき、片当たりもなくなる。その結果、モニター端子2による電圧検出精度も高くなる。もしも、特開2000−124285号公報のような剛性をもつ櫛歯状プレートに端子を支持した場合、櫛歯状プレートを変形させて端子を端子取付け穴に挿入すると、端子が端子取付け穴の内面に片当たりし、当たらない方の面では接触抵抗が大になって、電圧検出精度が低下する。しかし、本発明では樹脂シート4がほとんど剛性をもたないので、モニター端子2と端子取付け穴5との接圧も均一化できる。
また、樹脂シート4が複数の枝部4aと該複数の枝部4aを互いに連結する連結部4bを備えているので、複数端子2をまとめて取り扱うことができ、1本1本挿入する場合(たとえば、特開平9−283166号公報の場合)に比べて、端子2の、セルの端子取付け穴5への挿入の作業性が向上する。
また、樹脂シート4の複数の枝部4aの各枝部4aの根本部4dが(枝部の幅方向に)くびれているので、くびれ4dで枝部4aがシート4の面内方向に容易に変形でき、セルの端子取付け穴5のピッチがセル厚みのばらつきによって変わっても、端子2が容易に追随できる。その結果、端子2を容易に端子取付け穴5に挿入できる。
また、各モニター端子2がスリット入りのバナナ端子のため、端子2が半径方向に弾性的に拡縮でき、端子2の、セルの端子取付け穴5との接圧が過大となるのを抑制できる。これによって、カーボンセパレータ18の端子取付け穴5が割れるのを防止できる。また、均一な接圧が得られることによって、電圧検出精度も均一化する。
また、凸部9Aが凹部9Bに嵌まることによってモニター端子2を端子取付け穴5に固定する構造としたので、モニター端子2の抜け外れが防止され、各モニター端子2のセルのセパレータ18への固定が確実となる。ただし、強く引き抜くと、凸部9Aが凹部9Bから外れて、モニター端子2を端子取付け穴5から抜くことができ、着脱可能構造となっている。
また、モニター端子2が先細りとなっているので、セルの端子取付け穴5のピッチがばらついても、複数のモニター端子2の先端をそれぞれのセルの端子取付け穴5に容易に挿入することができる。
また、本発明の燃料電池用セル電圧モニター装置1の燃料電池スタック23への取付け方法では、モニター端子2の先細りの端部を複数一度に端子取付け穴5に挿入でき、ついでモニター端子2を取付け穴5に押し込むだけで端子取付け穴5に固定できるので、モニター端子2のセルへの取付け作業が容易であり、かつ、固定も確実となる。一度に挿入できるモニター端子の数(複数)は任意である(2個以上、たとえば10個程度でも、全部でも可)。
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を説明する。
本発明の実施例1では、図5に示すように、モニター端子2が凸部9Aを有し、バナナ端子の軸方向スリットが、モニター端子2の軸方向全長にわたって設けられるのではなく、凸部9A(凸部9Aの軸方向全長)だけに設けられている。凹部9Bは、セパレータ18の端子取付け穴5に設けられている。
凸部9Aにスリットを設けたため、凸部9Aは半径方向に弾性変形できる。その結果、凸部9Aは端子取付け穴5のうち凹部9Bまでの部分(凹部9Bよりは小径の部分)を縮径状態で容易に通りすぎ、したがって、軽い力で挿入でき、凹部9Bに到達することができる。また、凸部9Aが凹部9Bに到達すると凸部9Aが弾性的に拡径して凹部9Bからの抜けを防止するとともに、適正な接圧で凹部9B内面と接触する。その結果、必要な導電性が得られて電圧検出精度も高い。また、過大な力をセパレータ18にかけないので、セパレータ18が欠けることもない。
本発明の実施例2では、図6に示すように、モニター端子2が凸部9Aを有し、バナナ端子の軸方向スリットが、モニター端子2の軸方向全長にわたって、設けられている。スリットは、凸部9Aと凸部9A以外の部分との両方に設けられている。凹部9Bは、セパレータ18の端子取付け穴5に設けられている。
バナナ端子の全長にスリットを設けたため、モニター端子2はスリットがある部分の全長にわたって、半径方向に弾性変形できる。その結果、モニター端子2の端子取付け穴5への挿入が実施例1より軽い力で行われる。また、モニター端子2のはスリットのある部分のほぼ全長で端子取付け穴5の内面に接触するようになる。その結果、必要な導電性が得られて電圧検出精度も高い。また、過大な力をセパレータ18にかけないので、セパレータ18が欠けることもない。
本発明の燃料電池用セル電圧モニター装置と燃料電池スタックの一部の平面図である。 本発明の燃料電池用セル電圧モニター装置と燃料電池スタックの一部の斜視図である。 図1のA−A断面図である。 図3のB部の拡大断面図である。 本発明の実施例1の燃料電池用セル電圧モニター装置と燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。 本発明の実施例2の燃料電池用セル電圧モニター装置と燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。 本発明の燃料電池用セル電圧モニター装置が取付けられる燃料電池スタックの側面図である。 図7の燃料電池スタックの一部の拡大断面図である。 図7の燃料電池スタックのセルの正面図である。
符号の説明
1 燃料電池用セル電圧モニター装置
2 セル電圧モニター端子
2a 端部
3 導線
4 樹脂シート
4a 枝部
4b 連結部
4c 集合部
5 端子取付け穴
6 ケーシング
7 配線
8 PCU
9A 凸部
9B 凹部
10 (固体高分子電解質型)燃料電池
11 電解質膜
13、16 拡散層
14 電極(アノード、燃料極)
17 電極(カソード、空気極)
18 セパレータ
19 セル
20 ターミナル
21 インシュレータ
22 エンドプレート
23 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(冷却水マニホールド)
30 燃料ガスマニホールド
31 酸化ガスマニホールド
32 ガスケット
33 接着剤(接着剤層)

Claims (7)

  1. 複数のセル電圧モニター端子と、
    各導線が各セル電圧モニター端子に接続された複数の導線と、
    前記複数の導線を内蔵した、柔軟性をもつ樹脂シートと、
    を備えた燃料電池用セル電圧モニター装置。
  2. 前記樹脂シートが互いに独立な複数の枝部と、該複数の枝部を互いに連結する連結部と、該連結部に接続された集合部とを有する請求項1記載の燃料電池用セル電圧モニター装置。
  3. 前記樹脂シートの前記複数の枝部の各枝部の根本部がくびれている請求項2記載の燃料電池用セル電圧モニター装置。
  4. 各セル電圧モニター端子がバナナ端子からなる請求項1記載の燃料電池用セル電圧モニター装置。
  5. 前記セル電圧モニター端子とモジュールの端子取付け穴との一方に凸部が形成され他方に前記凸部を受け入れる凹部が形成されている請求項1記載の燃料電池用セル電圧モニター装置。
  6. 前記セル電圧モニター端子が先細りとなっている請求項1記載の燃料電池用セル電圧モニター装置。
  7. 先端部が先細りの複数のセル電圧モニター端子に接続される複数の導線を内蔵した樹脂製シートを有する燃料電池用セル電圧モニター装置の、前記複数のセル電圧モニター端子の先端部を、同時に、スタック化されたモジュールの端子取付け穴に挿入する工程と、
    前記複数のセル電圧モニター端子の各セル電圧モニター端子をそれに対応するモジュールの端子取付け穴に押し込む工程と、
    を有する燃料電池用セル電圧モニター装置の燃料電池スタックへの取付け方法。
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