JP2006140166A

JP2006140166A - 燃料電池セルモニタ装置

Info

Publication number: JP2006140166A
Application number: JP2006004986A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Yatsugami; 裕一八神; Kimihide Horio; 公秀堀尾
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2006-06-01

Abstract

【課題】端子のセルへの装着の作業性を改善でき、端子のセルへの固定を従来より確実化できる燃料電池セルモニタ装置の提供。
【解決手段】（１）燃料電池スタックのセルの情報を測定するモニタ手段の測定端子２８を複数セル分まとめて支持する支持プレート２９を備えた燃料電池セルモニタ装置であって、支持プレート２９がくし歯状である。
（２）支持プレートのくし歯はスタックのセル積層方向に並んでいる。
（３）各セルがセパレータに突出する端子を有し、支持プレート２９に端子が挿入される凹部が形成されている。
（４）モニタ手段はセルの電圧または温度の情報を測定する手段である。
（５）支持プレート２９の各くし歯が各端子２８を支持する。
（６）支持プレート２９は、燃料電池スタックのセル積層方向を水平にした場合の燃料電池スタックの上面に、平行にかつ該上面と間隔をもって、配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックの各セルの情報（電圧または温度の情報）をモニタするための燃料電池セルモニタ装置に関する。

固体高分子電解質型燃料電池は、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および拡散層からなる電極（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および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数のセルを積層してモジュールとし、モジュールを積層してモジュール群を構成し、モジュール群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てスタックを構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体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）にて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、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）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
カソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
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。
特開平９−２８３１６６号公報は、セル電圧をモニタするために、各セルのセパレータに形成した穴に、１本１本モニタピン端子を差しこむ端子取付け構造を提案している。
特開平９−２８３１６６号公報

しかし、従来の燃料電池のモニタピン端子取付け構造では、各セルのセパレータにモニタピン端子を１本１本装着していかなければならないので、
（ｉ）モニタピン端子装着の作業性が悪い、
（ii）モニタピン端子のセパレータへの固定が不確実である、
等の問題がある。
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、端子のセルへの固定を従来より確実化できる燃料電池セルモニタ装置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）燃料電池スタックのセルの情報を測定するモニタ手段の測定端子を複数セル分まとめて支持する支持プレートを備えた燃料電池セルモニタ装置であって、前記支持プレートがくし歯状である燃料電池セルモニタ装置。
（２）前記支持プレートのくし歯は燃料電池スタックのセル積層方向に並んでいる（１）記載の燃料電池セルモニタ装置。
（３）各セルがセパレータに突出する端子を有し、支持プレートに前記端子が挿入される凹部が形成されている（１）記載の燃料電池セルモニタ装置。
（４）前記モニタ手段はセルの電圧または温度の情報を測定する手段である（１）記載の燃料電池セルモニタ装置。
（５）前記支持プレートの各くし歯が各端子を支持する（１）記載の燃料電池セルモニタ装置。
（６）前記支持プレートは、燃料電池スタックのセル積層方向を水平にした場合の燃料電池スタックの上面に、平行にかつ該上面と間隔をもって、配置されている（１）記載の燃料電池セルモニタ装置。
（７）燃料電池スタックのセルの情報を測定するモニタ手段の測定端子を複数セル分まとめて支持する支持プレートを備えた燃料電池セルモニタ装置であって、前記測定端子が前記支持プレートによってくし歯状に支持されて、各セルに装着される燃料電池セルモニタ装置。

上記（１）−（７）の燃料電池セルモニタ装置では、端子を、複数セル分まとめて、支持プレートに装着したので、端子を１本１本セパレータに取付けていた従来に比べて、端子のセパレータへの取付けの作業性が向上する。また、同じ支持プレートを介して一体化した端子のうち１本がセパレータから抜け外れそうになっても、同じ支持プレートの残りの端子がセパレータに確実に固定されていれば、その支持プレートの端子がセパレータから抜け外れることはないので、端子のセルへの固定が従来より確実となる。

以下に、本発明の燃料電池セルモニタ装置を図１〜図４を参照して、説明する。
本発明の燃料電池セルモニタ装置が取付けられてセル情報がモニタされる燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池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。

固体高分子電解質型燃料電池１０は、図３、図４に示すように、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１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７および燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９とし、モジュール１９を積層してモジュール群を構成し、モジュール１９群のセル積層方向（燃料電池積層方向）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を配置してスタック（燃料電池スタック）２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付けスタック２３の外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート）とボルト２５で固定したものからなる。

セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。たとえば、２つのセル毎に１つの冷却水流路２６が設けられる。
セパレータ１８は、カーボン板に冷却水流路２６やガス流路２７を形成したもの、または、導電性粒子を混入して導電性をもたせた樹脂板に冷却水流路２６やガス流路２７を形成したもの、または、流路２６、２７を形成する凹凸のある金属板を複数枚重ね合わせたもの、の何れかからなる。

図１に示すように、燃料電池１０のセルでの情報（電圧または温度等の情報）を測定するために、各セル毎に、または複数のセル毎に、測定端子２８が設けられる。端子２８は、セルのセパレータ１８に対して着脱可能に取り付けられる。端子２８は、セパレータ１８に直接接触するように設けられる。
端子２８は、複数セル分まとめて、かつそれぞれの端子２８が相対変位可能に、支持プレート２９に装着される。端子２８は、導電材、たとえば銅からなり、支持プレート２８は、非導電材、たとえば、樹脂からなる。それぞれの端子２８が相対変位可能になるために、支持プレート２９は、たとえばくし歯状とされており、各くし歯２９ａに各端子２８を装着し、くし歯２９ａの弾性変形によって、端子２８同士が相対変位可能とされている。
端子２８には配線が接続されており、その配線はコンピュータに接続されており、端子２８によりモニタされたセル情報（たとえば、セル電圧）はコンピュータに送られる。支持プレート２９に支持された端子２８は一端部が直接セパレータ１８に挿入されており、セパレータ１８に挿入された端子部分と支持プレート２９に支持された端子２８との間には配線はない。

図１はセパレータ１８がカーボン板または導電性樹脂板からなる場合のセパレータへの端子の着脱可能な取付け構造の一例を示している。図１では、セパレータ１８には、セル積層方向の側面、例えばスタックを横置きにした場合（セル積層方向を水平方向に向けて置いた場合）の上面に、該面と直交する方向（たとえば、上下方向）に延び該面に開口する端子係合穴３０（端子がピンの場合はピン穴）が形成されており、そこに端子２８が挿入、接触される。各穴３０に各端子２８が挿入される。

支持プレート２９は、セパレータ１８のセル積層方向の側面、例えばスタックを横置き（水平置き）にした場合の上面に、平行にかつ該上面と間隔をもって、配置されている。端子２８は、たとえばＬ字状のピンからなる。この場合、端子のＬ字の一辺２８ｂは支持プレート２９に取付けられ、端子のＬ字の他辺２８ａは支持プレート２９のくし歯２９ａに形成した穴２９ｂを挿通してセパレータ１８の端子係合穴３０と同方向に延び、支持プレート２９を端子２８ごとセパレータ１８に向かって移動させることにより、その支持プレート２９に取付けられている端子２８のＬ字の他辺２８ａがセパレータ１８の対応する端子係合穴３０に挿入される。

端子２８を端子係合穴３０に挿入後、各端子２８はセパレータ１８の端子係合穴３０から抜け外れ不能に固定される。この場合、端子２８が端子係合穴３０後に端子２８が接着材によりセパレータ１８に固定されてもよいし、またはブラケットを支持プレート２９にねじ等により固定してそのブラケットにより端子２８の一辺２８ｂをブラケットと支持プレート２９との間に挟んで端子２８を固定してもよい。

図２に示すように、端子２８は、望ましくは、燃料電池へ装着する姿勢（支持プレート２９がセパレータ１８装着面に平行となっている姿勢）において、セル積層方向に順に、長さが短くなっている。その場合は、支持プレート２９を端子ごとセパレータ２８に向かって移動させる時、端子２８の端子係合穴３０への挿入時点が端子毎に異なり、長さが長い端子から順に、セパレータ１８の端子係合穴３０に挿入されていき、最短の端子が最後に端子係合穴３０に挿入される。

セパレータがメタルからなる場合は、セパレータ側に突出する端子をセパレータに一体に設けておき、支持プレート側に端子が挿入される凹部を設けておいてもよい。
また、上記では、モニタピンが電圧測定用の端子であるが、端子以外に温度センサなどの他のモニタ手段であってもよい。

つぎに、本発明の作用を説明する。
本発明の燃料電池セルモニタ装置では、端子２８を、複数セル分まとめて、共通の支持プレート２９に装着したので、共通の支持プレート２９をセパレータ１８側に移動させるだけで、一挙に、その支持プレート２９に支持されている端子２８を端子係合穴３０に挿入することができ、端子を１本１本セパレータに取付けていた従来に比べて、端子２８のセパレータ１８への取付けの作業性が向上する。

また、それぞれの端子２８が相対変位可能なため、複数の端子２８が支持プレート２９を介して一体化（モジュール化）されているにかかわらず、セパレータの端子係合穴３０ピッチがばらついていても、端子２８を端子係合穴３０に挿入することができる。また、それぞれの端子２８が相対変位可能なため、端子係合穴３０にかかる荷重が緩和し、端子係合穴３０部位でのセパレータ１０の破損を防止できる。

また、一体化した端子２８のうち一部のものがセパレータ１８から抜け外れそうになっても、同じ支持プレート２９の残りの端子２８がセパレータ１８または支持プレート２９に確実に固定されていれば、その支持プレート２９の端子２８がセパレータ１８から抜け外れることはないので、端子２８のセルのセパレータ１８への固定が従来より確実となる。

支持プレート２９がくし歯状であるため、くし歯２９ａ部位に端子２８を取付けることにより、それぞれの端子２８を、くし歯２９ａの弾性変形によって、相対変位可能とすることができる。
端子２８をＬ字状としたので、Ｌ字の一辺２８ｂを支持プレート２９の面方向に延ばすことによりその一辺２８ｂの全長でセル積層方向に延びる支持プレートに２９支持することができ、Ｌ字の他辺２８ａをセパレータ１８に形成した端子係合穴３０と同方向に延ばすことにより、端子２８を支持プレート２９ごとセパレータに近づけるだけで、Ｌ字の他辺２８ａを端子係合穴３０に挿入することができる。

また、端子２８の長さが、セル積層方向に順に、短くなっているので、長い端子から順に端子係合穴３０に挿入していくことができ、同じ長さの端子を同時に端子係合穴に挿入する場合に比べて、端子係合穴３０への挿入が容易である。

本発明実施例の燃料電池セルモニタ装置の一部斜視図である。本発明実施例の燃料電池セルモニタ装置の、端子の長さが順に変化する場合の、一部側面図である。本発明実施例の燃料電池セルモニタ装置が適用される燃料電池の全体概略図である。図３の燃料電池の一部拡大断面図である。

符号の説明

１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１２触媒層
１３拡散層
１４電極（アノード、燃料極）
１５触媒層
１６拡散層
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１９モジュール
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テンションプレート
２５ボルト
２６冷却水流路
２７ガス流路
２８端子
２８ａ、２８ｂＬ字の辺
２９支持プレート
２９ａくし歯
２９ｂ穴
３０端子係合穴

Claims

燃料電池スタックのセルの情報を測定するモニタ手段の測定端子を複数セル分まとめて支持する支持プレートを備えた燃料電池セルモニタ装置であって、前記支持プレートがくし歯状である燃料電池セルモニタ装置。
前記支持プレートのくし歯は燃料電池スタックのセル積層方向に並んでいる請求項１記載の燃料電池セルモニタ装置。
各セルがセパレータに突出する端子を有し、支持プレートに前記端子が挿入される凹部が形成されている請求項１記載の燃料電池セルモニタ装置。
前記モニタ手段はセルの電圧または温度の情報を測定する手段である請求項１記載の燃料電池セルモニタ装置。
前記支持プレートの各くし歯が各端子を支持する請求項１記載の燃料電池セルモニタ装置。
前記支持プレートは、燃料電池スタックのセル積層方向を水平にした場合の燃料電池スタックの上面に、平行にかつ該上面と間隔をもって、配置されている請求項１記載の燃料電池セルモニタ装置。
燃料電池スタックのセルの情報を測定するモニタ手段の測定端子を複数セル分まとめて支持する支持プレートを備えた燃料電池セルモニタ装置であって、前記測定端子が前記支持プレートによってくし歯状に支持されて、各セルに装着される燃料電池セルモニタ装置。