JP4211317B2

JP4211317B2 - Cell voltage monitor

Info

Publication number: JP4211317B2
Application number: JP2002233633A
Authority: JP
Inventors: 晃青砥
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: JP2004079195A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池などの低温型燃料電池）の各セルの電圧を測定するための、セル電圧モニターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。また、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路も形成されている。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）、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る。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
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イドをかけるために、セル電圧がモニタされる。
特開２００２−１２４２８５は、複数のセルモニタ端子を一体にスタックに装着可能とするセル電圧モニターを開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のセル電圧モニターには、つぎの課題がある。
複数の端子を一体化してスタックに装着できるため、セル電圧モニターのスタックへの取付け性は良好であり、一体化される端子の数が多いほど取付け性上有利である。しかし、スタックのセル数は一体化される端子数の倍数ではないから、従来の複数端子が一体化されたセル電圧モニターをスタックに装着していった場合、端子が取付けられないセルが生じ、そのセル数と等しい数の端子を保持したセル電圧モニターを別途作製すると、スタックのセル数が任意の場合には、別途作製しなければならないセル電圧モニターの種類の数は、セル電圧モニターで一体化される端子の数から１をひいた数となって、多くなり、端子をまとめて保持するハウジングの型費が高くなる他、多数種のハウジングの管理が複雑になるため、コストアップを招く。
本発明の目的は、端子のスタックへの取付け性が良好で、かつ、ハウジングの種類の数が少ない、たとえば、１種類以外の最小種類（２種類）で済む、セル電圧モニターを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）ハウジングと、該ハウジングに保持された１以上の端子とを有し、燃料電池に、複数、取付けられたセル電圧モニターであって、
各端子が燃料電池の各セルに取り付けられ、燃料電池で電圧を測定するセルが燃料電池の全セルであり、
複数のセル電圧モニターが、ピッチバラツキを考慮した場合に１つのハウジングが保持可能な最大端子数以下の数をハウジング端子数とした第１の種類のハウジングと、該第１の種類のハウジングを、該第１の種類のハウジングが保持したすべての端子がセルに取付けられる範囲で最大数、スタックに取り付けた時に、燃料電池の全セル数からスタックに取り付けた第１の種類のハウジングの数とハウジング端子数とを掛けた数を差し引いた数と同数で前記１つのハウジングが保持可能な最大端子数より小の数をハウジング端子数とした第２の種類のハウジングと、の２種類のみのハウジングを含んでいるセル電圧モニター。
【０００５】
上記（１）のセル電圧モニターでは、第１の種類のハウジングが１つのハウジングが保持可能な最大端子数以下の数をハウジング端子数としたので、ハウジングに１以上の端子が保持されており、端子の燃料電池スタックへの取付け性は良好である。また、ハウジングの種類が２種類で済むため、ハウジング種類数は少なく、コストアップを抑えることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のセル電圧モニターを図１〜図８を参照して説明する。
本発明で対象となる燃料電池は低温型燃料電池であり、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。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図６、図７に示すように、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。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１２からなる電極（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１５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、スタック２３を構成する。
【０００８】
セパレータ１８には、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、セパレータには冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に（たとえば、モジュール毎に）設けられている。
セパレータ１８は、メタルセパレータ、カーボンセパレータ、導電性樹脂製セパレータ、メタルセパレータと樹脂フレームとの合成セパレータ、またはこれらの組み合わせからなる。以下の説明では、このうち合成セパレータを例にとって説明するが、セパレータは合成セパレータに限るものではない。
【０００９】
合成セパレータの場合、セパレータ１８は、セル中央部にガス流路２７、２８部を形成する金属板２９と、セル外周部に設けられる樹脂フレーム３０と、を有する。プラス側の金属板２９とマイナス側の金属板２９との間にＭＥＡが挟まれ、中央部では金属板２９のＭＥＡ側にガス流路２７、２８が形成され、周囲部ではプラス側の金属板２９とマイナス側の金属板２９との間に電解質膜１１が挟まれる。金属板２９同士の間、樹脂フレーム３０と金属板２９との間、金属板２９と電解質膜１１との間は接着剤にてシールされる。
電解質膜１１を挟んで対峙するプラス側の金属板とマイナス側の金属板との間には電位差があり、その電位差は約１ボルトである。１つのセル１９のプラス側の金属板２９と、隣りのセル１９のマイナス側の金属板２９とはセル中央部で接触していて、電位差はない。
【００１０】
複数のセル電圧モニター３１が燃料電池スタック２３に取付けられている。
各セル電圧モニター３１は、燃料電池スタックへの固定部３５を有する１つのハウジング３３と、そのハウジング３３で保持された１つ以上の端子３２を含む。端子３２は導電性で金属製（金属メッキのものを含む）であり、ハウジング３３は非導電性でたとえば樹脂製である。
各セル電圧モニター３１の１つ以上の端子３２は、そのセル電圧モニター３１のハウジング３３内で、端子３２同士互いに並列に、かつ、燃料電池スタック２３のセル積層方向に列状に、配置されている。
また、図５に示すように、各セル電圧モニター３１に１つづつ設けられた複数のハウジング３３は燃料電池スタック２３の側面（四側の側面の一つの側面）に千鳥状に配置されている。
【００１１】
各セル電圧モニター３１の各端子３２は、セル１９の同じ極性（プラスならプラス、マイナスならマイナス）の金属板２９に接触されてそのセル１９の電位を検出する。たとえば、一つの端子３２が一つのセル１９のプラス極の金属板２９に接触されると、隣りの端子３２は隣りのセル１９のプラス極の金属板２９に接触される。そのため、隣接する端子３２間には少なくとも１セルの厚さ分のピッチ間隔があり、各ハウジング３３において、端子３２同士の干渉を生じることなく、複数の端子３２をセル積層方向に並べて配置することができる。そして、隣接する端子３２間にはハウジング３３の仕切板３３ｊが位置していて、端子３２同士が接触して短絡することを防止している。
【００１２】
図１に示すように、セル電圧モニター３１の端子３２と金属板２９とのコンタクト部３４は、金属板２９部位に設けられており、セル電圧モニター３１のハウジング３３の燃料電池への固定部３５は、樹脂フレーム３０部位に設けられている。
コンタクト部３４と固定部３５とは離れている。
【００１３】
セル電圧モニター３１の、燃料電池スタック２３への取付け構造を、さらに詳しく説明する。
図１に示すように、スタック２３のうちセル電圧モニター３１が取付けられる部位には、樹脂フレーム３０に第１の溝３０ａと第２の溝３０ｂが形成されている。第１の溝３０ａと第２の溝３０ｂとは離れた位置に形成されており互いに平行である。プラス極の金属板２９とマイナス極の金属板２９とのうち何れか一方の金属板２９に端子３１が接触される。端子３１が接触される方の金属板２９には、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａのみと位置、形状を対応させて狭幅の溝２９ａが形成されており、端子３１が接触されない方の金属板２９には、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａと第２の溝３０ｂの両方にわたる広幅の溝２９ｂが形成されている。
【００１４】
図１、図３に示すように、端子３２は、導線３６に接続されている。端子３２は、側面視でＬ字状のＬ字状部材からなり、Ｌ字の第１の脚３２ａと、Ｌ字の第２の脚３２ｂと、Ｌ字の折れ曲がり部３２ｃとを有する。端子３２は、第１の脚３２ａでかしめによって導線３６に連結される。端子３２の第２の脚３２ｂは折れ曲がり部３２ｃと反対側の端部に一対のアーム３２ｄを有し、一対のアーム３２ｄ間にセパレータの金属板２９を挟んで金属板２９と接触し、金属板２９とのコンタクト部（電気的接触部）３４を構成している。
【００１５】
図１に示すように、ハウジング３３は、側面視でＦ字状のＦ字状部材からなり、Ｆ字の柱３３ａと、柱３３ａの先端３３ｄから柱３３ａと直交方向に延びる第１の脚３３ｂと、柱３３ａの中間部３３ｅから柱３３ａと直交方向に延びる第２の脚３３ｃとを有する。
セル電圧モニター３１がスタック２３に取付けられた時には、ハウジング３３の第１の脚３３ｂは樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａと金属板２９の溝２９ａに突入し、ハウジング３３の第２の脚３３ｃは樹脂フレーム３０の第２の溝３０ｂと金属板２９の溝２９ｂに突入する。
【００１６】
ハウジング３３の柱３３ａの、先端３３ｄと反対側の端部３３ｆから中間部３３ｅまでの間の部分、および第２の脚３３ｃとは、端子３２を保持する端子保持部３３ｇを構成する。端子３２を端子保持部３３ｇに挿入後ハウジング３３の蓋３３ｈを閉じて端子３２が端子保持部３３ｇから抜け出ないようにする。
また、ハウジング３３の第１の脚３３ｂには、第２の脚３３ｃに対向する側と反対側の面に該面から突出する爪３３ｉが形成されている。爪３３ｉは、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａの、爪対応部に形成された爪係合凹部３０ｃに入り、爪係合凹部３０ｃと係合し、爪３３ｉと爪係合凹部３０ｃはセル電圧モニター３１の燃料電池に固定する固定部３５を構成している。
金属板２９の溝２９ａ、２９ｂの、ハウジング３３の第１の脚３３ｂに対向する縁部は、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａの、ハウジング３３の第１の脚３３ｂに対向する縁部よりも、第１の脚３３ｂから離れていて爪３３ｉと当たらず、爪３３ｉが爪係合凹部３０ｃに入ることを阻害しない。
【００１７】
端子３２には、一対のアーム３２ｄと折れ曲がり部３２ｃとの間に、スリット３７が形成されていて、第１の脚３２ａが一対のアーム３２ｄに対してセル積層方向に若干首振りすることができるようになっている。これによって、セルの厚さ方向の寸法に誤差があっても、それを吸収して端子３２を取付けることができるようにしてある。
【００１８】
また、図５に示すように、ハウジング３３は、スタック２３のセル積層方向に左右互い違いに配置されて、千鳥配置となっている。燃料電池スタック２３の各セルには、ハウジング３３の千鳥状の配置の左右の両方の列に対して、セル電圧モニター３１を取り付けるためのセル電圧モニター取付け部が設けられている。各セル電圧モニター取付け部は、樹脂フレーム３０の第１の溝３０ａ、第２の溝３０ｂ、爪係合凹部３０ｃ、金属板２９の２つの溝２９ａ、２９ｂを含む。セルには、千鳥配置の左列か右列かにハウジング３３が取付けられ固定されるが、ハウジング３３が取付けられる方の列に対応する部位にはセル電圧モニター取付け部が形成されることは勿論であるが、ハウジングが取付けられない方の列に対応する部位にも、セル電圧モニター取付け部が形成されている。
【００１９】
セル電圧モニター３１の、ハウジング３３によって保持される１以上の端子数（極数）はつぎのように決定される。
(i) ハウジング３３の種類が１種類で済むようにハウジング３３の端子保持数を決定する。それには、つぎの２通りの方法を挙げることができる。
（イ）燃料電池積層体の電圧を検出すべきセルの数と、ピッチバラツキを考慮した場合に１つのハウジングが保持可能な最大端子数とに、「１」以外の公約数がある場合に、該公約数のうちの「１」以外の数でできるだけ大きな数をハウジングの保持端子数とする。
具体的な数値を挙げて説明すると、電圧を検出すべきセルの数検数を、たとえば「１４０」とする。その場合の設けるべき端子数は「１４０」であり、検出必要チャンネル数（＝端子数−１）は、「１３９」である。セルのピッチバラツキを考慮した場合に１つのハウジング３３が保持可能な最大端子数（端子３２のスリット３７による首振りや端子３２とハウジング３３との間の僅かな隙間などによりセルピッチがばらついてもあるセル数まではばらつきを吸収できるが、そのバラツキを吸収できるセル数または端子数の最大）を、たとえば「１０」とする。「１４０」と「１０」の「１」以外の公約数は「１０」、「５」、「２」であるが、そのうち大きな数は最大公約数の「１０」であり、これをハウジング３３の保持端子数とする。ただし、ハウジング３３の保持端子数は最大公約数でなくでもよく、２番目に大きい約数の「５」であってもよい。
図８の（イ）はこの例を示し、「１４０」本の端子は「１０」本づつがハウジング３３で保持され、「１４」個のハウジング３３が燃料電池に取付けられ、余った端子３２はない。
【００２０】
（ロ）燃料電池の電圧を検出すべきセルの数と、ピッチバラツキを考慮した場合に１つのハウジング３３が保持可能な最大端子数とに、「１」以外の公約数がない場合には、１つのハウジング３３が保持可能な最大端子数をハウジング３３の保持端子数とし、余った端子３２は該余った端子だけをハウジングの端子保持位置に保持し残りの端子保持位置は空とする。
具体的な数値を挙げて説明すると、電圧を検出すべきセルの数検数を、たとえば「１４１」とする。その場合の設けるべき端子数は「１４１」であり、検出必要チャンネル数（＝端子数−１）は、「１４０」である。セルのピッチバラツキを考慮した場合に１つのハウジング３３が保持可能な最大端子数（端子３２のスリット３７による首振りや端子３２とハウジング３３との間の僅かな隙間などによりセルピッチがばらついてもあるセル数まではばらつきを吸収できるが、そのバラツキを吸収できるセル数または端子数の最大）を、たとえば「１０」とする。「１４１」と「１０」の「１」以外の公約数はない。その場合には、１つのハウジング３３が保持可能な最大端子数「１０」をハウジング３３の保持端子数とする。そして、端子３２を「１０」本保持したハウジング３３を１４個設けても、１本の端子３２が余る。この余った端子に対しては、該余った端子だけをハウジングの端子保持位置に保持し残りの端子保持位置は空としたハウジング３３をスタック２３に取付けて対処する。
この例を図８の（ロ）に示す。１本の端子だけを装着した場合も、１０本の端子を装着したと同じ種類のハウジング３３を用いることができ、用意するハウジング３３の種類は１種類で済む。
【００２１】
(ii)ハウジング３３の種類が１種類以外の最小種類（２種類）で済むようにハウジング３３の端子保持数を決定する。
その場合には、燃料電池に取付けられる複数のセル電圧モニター３１が、ピッチバラツキを考慮した場合に１つのハウジング３３が保持可能な最大端子数以下の数をハウジング端子数とした第１の種類のハウジングと、該第１の種類のハウジングをスタックに取り付けた時に余った端子３２の数と同数で前記１つのハウジングが保持可能な最大端子数より小の数をハウジング端子数とした第２の種類のハウジングと、を含む。
具体的な数値を挙げて説明すると、電圧を検出すべきセルの数検数を、たとえば「１３８」とする。その場合の設けるべき端子数は「１３８」であり、検出必要チャンネル数（＝端子数−１）は、「１３７」である。セルのピッチバラツキを考慮した場合に１つのハウジング３３が保持可能な最大端子数（端子３２のスリット３７による首振りや端子３２とハウジング３３との間の僅かな隙間などによりセルピッチがばらついてもあるセル数まではばらつきを吸収できるが、そのバラツキを吸収できるセル数または端子数の最大）を、たとえば「１０」とする。この数「１０」以下の数、たとえば「８」を第１の種類のハウジング３３のハウジング端子数とする。このハウジング３３を「１７」個取り付けると１７×８＝１３６で「１３６」本の端子がハウジングによって保持され、１３８−１３６＝２の「２」本の端子が余る。この「２」本と同数で、１つのハウジングが保持可能な最大端子数「１０」より小の数、すなわち「２」本を端子数とする第２の種類のハウジング３３を設ける。
この例を図８の（ハ）に示す。図４は、それを斜視図で示したものであり、極数が２のセル電圧モニター３１と極数が８のセル電圧モニター３１との２種類のセル電圧モニター３１がスタック２３に取り付けられた場合を示している。
【００２２】
つぎに、上記各（イ）、（ロ）、（ハ）のセル電圧モニターの作用を説明する。
図８の（イ）、（ロ）のように保持端子数が決定されたセル電圧モニター３１では、ハウジング３３に１以上の端子３２が保持されているため、１つのハウジング３３をスタック２３に装着すると一度に１本以上の端子３２をスタック２３に装着でき、端子３２の燃料電池スタック２３への取付け性は良好である。
また、ハウジング３３の種類が１種類であるため、ハウジング種類数は最小であり、コストアップを招かない。たとえば、ハウジングを成形する型費用や、製造途中の管理費用が抑えられ、製造コストが安価である。
【００２３】
図８の（イ）のように保持端子数が決定されたセル電圧モニター３１では、検出すべきセルの数と１つのハウジング３３が保持可能な最大端子数とに「１」以外の公約数がある場合、該公約数のうちのできるだけ大きな数（たとえば、最大公約数）をハウジングの保持端子数としたので、（イ）ハウジング３３に「１」以上の端子３２が保持され、端子３２の燃料電池スタック２３への取付け性は良好であり、かつ、（ロ）ハウジング３３の種類が１種類で済み、コストアップを招かない。図８の（イ）の例では、ハウジング３３の種類は、端子保持数が「１０」本のもの、１種類で済み、ハウジング３３の製造コストは安価である。
【００２４】
図８の（ロ）のように保持端子数が決定されたセル電圧モニター３１では、検出すべきセルの数と１つのハウジングが保持可能な最大端子数とに「１」以外の公約数がない場合、ハウジング３３が保持可能な最大端子数をハウジング３３の保持端子数とし、余った端子３２は該余った端子だけをハウジングの端子保持位置に保持し残りの端子保持位置は空とするので、ハウジング３３に「１」以上の端子３２が保持され、端子の燃料電池スタックへの取付け性は良好であり、かつ、ハウジング３３の種類が１種類で済み、ハウジング３３の製造コストは安価である。
【００２５】
図８の（ハ）のように保持端子数が決定されたセル電圧モニター３１では、第１の種類のハウジング３３が１つのハウジングが保持可能な最大端子数以下の数をハウジング端子数としたので、ハウジング３３に１以上の端子３２が保持されており、端子の燃料電池スタックへの取付け性は良好である。また、ハウジング３３の種類が２種類で済むため、ハウジング種類数は少なく、コストアップを抑えることができる。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１のセル電圧モニターによれば、第１の種類のハウジングが、ハウジングが保持可能な最大端子数以下の数をハウジング端子数としたので、ハウジングに１以上の端子が保持されており、端子の燃料電池スタックへの取付け性は良好である。また、ハウジングの種類が２種類で済むため、ハウジング種類数は少なく、コストアップを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るセル電圧モニターの側面図である。
【図２】図１のうちセル電圧モニターの、図１におけるＡ方向視図である。
【図３】図１のうちセル電圧モニターの、端子のみの斜視図である。
【図４】本発明の一実施例のセル電圧モニターを燃料電池スタックへ取付けた場合の斜視図である。
【図５】セル電圧モニターが燃料電池スタックの側面に取付けられた場合の、斜視図である。
【図６】燃料電池スタックの、セル積層方向と直交する方向から見た、側面図である。
【図７】燃料電池スタックの単セルの一部分の断面図である。
【図８】（イ）、（ロ）、（ハ）は、ハウジングとハウジングによって保持される端子との関係を示す図である。
【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、１５触媒層
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金属板
２９ａ、２９ｂ溝
３０樹脂フレーム
３０ａ第１の溝
３０ｂ第２の溝
３０ｃ爪係合凹部
３１セル電圧モニター
３２端子
３２ａ第１の脚
３２ｂ第２の脚
３２ｃ折れ曲がり部
３２ｄ一対のアーム
３３ハウジング
３３ａ柱
３３ｂ第１の脚
３３ｃ第２の脚
３３ｄ先端
３３ｅ中間部
３３ｆ反対側端部
３３ｇ端子保持部
３３ｈ蓋
３３ｉ爪
３３ｊ仕切板
３４コンタクト部
３５抜け止め部
３６導線
３７スリット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cell voltage monitor for measuring the voltage of each cell of a fuel cell (for example, a low temperature fuel cell such as a solid polymer electrolyte fuel cell).
[0002]
[Prior art]
A solid polymer electrolyte fuel cell includes a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator. The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane composed of an ion exchange membrane, an electrode composed of a catalyst layer disposed on one surface of the electrolyte membrane (anode, fuel electrode), and an electrode composed of a catalyst layer disposed on the other surface of the electrolyte membrane ( Cathode, air electrode). Between the membrane-electrode assembly and the separator, diffusion layers are provided on the anode side and the cathode side, respectively. In the separator, a fuel gas passage for supplying fuel gas (hydrogen) to the anode is formed, and an oxidizing gas passage for supplying oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode. The separator is also formed with a refrigerant flow path for flowing a refrigerant (usually cooling water). A cell is formed by stacking a membrane-electrode assembly and a separator, a module is formed from at least one cell, a module is stacked to form a cell stack, and terminals, insulators, end plates are formed at both ends of the cell stack in the cell stacking direction. The cell stack is clamped in the cell stacking direction, and fixed by fastening members (for example, tension plates), bolts, and nuts extending in the cell stacking direction outside the cell stack.
In each cell, a reaction for converting hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons is performed on the anode side, and the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side. On the cathode side, oxygen, hydrogen ions, and electrons (neighboring MEA) Next, the following reaction is performed to generate water from electrons generated at the anode of the first electrode through the separator or electrons generated at the anode of the cell at one end in the cell stacking direction through the external circuit to the cathode of the other cell.
Anode side: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻
Cathode side: 2H ⁺ + 2e ⁻ + (1/2) O ₂ → H ₂ O
Confirm that normal power generation is performed in each cell or every multiple cells, control the flow rate of the reaction gas based on the cell voltage, and guide the motor in case of abnormal voltage In order to apply, the cell voltage is monitored.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-124285 discloses a cell voltage monitor in which a plurality of cell monitor terminals can be integrally mounted on a stack.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional cell voltage monitor has the following problems.
Since a plurality of terminals can be integrated and attached to the stack, the cell voltage monitor can be easily attached to the stack, and the larger the number of integrated terminals, the more advantageous the attachment. However, since the number of cells in the stack is not a multiple of the number of integrated terminals, when a conventional cell voltage monitor in which multiple terminals are integrated is attached to the stack, there are cells in which terminals cannot be attached, the cell number equal to prepare the number of the cell voltage monitor that holds the terminal separately then, when the number of stack cell is optional, additional number of types of cell voltage monitors must fabricated, the cell voltage monitor become number minus one number of integrated the terminals, the more, in addition to die costs of housing for holding together a terminal is high, since the administration of many species of the housing becomes complicated, the cost Invite.
An object of the present invention is to provide a cell voltage monitor that can be easily attached to a stack of terminals and has a small number of types of housings, for example, a minimum number (two types) other than one type. is there.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for achieving the above object is as follows.
(1) A cell voltage monitor having a housing and one or more terminals held in the housing, and a plurality of cell voltage monitors attached to the fuel cell,
Each terminal is attached to each cell of the fuel cell, and the cells that measure the voltage with the fuel cell are all the cells of the fuel cell,
When a plurality of cell voltage monitors take pitch variation into account, a first type housing having a number of housing terminals equal to or less than the maximum number of terminals that can be held by one housing, and the first type housing, The maximum number of all terminals held by the first type housing as long as the terminals can be attached to the cell, and the number of first type housings attached to the stack and the number of housings when the fuel cell is attached to the stack. a second type of housing where the number of less than the one housing the maximum number of terminals that can be held is the same number as the number obtained by subtracting the number obtained by multiplying the number of terminals and the number of housing pin, the only two types of housing Including cell voltage monitor.
[0005]
The cell voltage monitor (1) above, since the number of the first type of housing one of the housing below the maximum number of terminals that can be held and the number of housing terminals, one or more terminals are held by the housing The terminal can be easily attached to the fuel cell stack. Moreover, since only two types of housings are required, the number of types of housings is small, and an increase in cost can be suppressed.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the cell voltage monitor of the present invention will be described with reference to FIGS.
The target fuel cell in the present invention is a low-temperature fuel cell, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell 10. The fuel cell 10 is mounted on, for example, a fuel cell vehicle. However, it may be used other than an automobile.
[0007]
As shown in FIGS. 6 and 7, the solid polymer electrolyte fuel cell 10 is composed of a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator 18. The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) 14 made of a catalyst layer 12 placed on one surface of the electrolyte membrane, and a catalyst placed on the other surface of the electrolyte membrane 11. An electrode (cathode, air electrode) 17 composed of the layer 15 is formed. Between the membrane-electrode assembly and the separator 18, diffusion layers 13 and 16 are provided on the anode side and the cathode side, respectively.
The membrane-electrode assembly and the separator 18 are overlapped to form a cell 19, a module is formed from at least one cell, the modules are stacked to form a cell stack, and terminals 20 and insulators are formed at both ends of the cell stack in the cell stacking direction. 21, end plate 22 is arranged, the cell stack is clamped in the cell stacking direction, and is fixed with a fastening member (for example, tension plate 24) extending in the cell stacking direction outside the cell stack, bolts and nuts 25, The stack 23 is configured.
[0008]
The separator 18 is formed with a fuel gas flow path 27 for supplying fuel gas (hydrogen) to the anode 14 and an oxidizing gas flow path 28 for supplying oxidizing gas (oxygen, usually air) to the cathode 17. Is formed. The separator is also formed with a refrigerant flow path 26 for flowing a refrigerant (usually cooling water). The refrigerant flow path 26 is provided for each cell or for each of a plurality of cells (for example, for each module).
The separator 18 is made of a metal separator, a carbon separator, a conductive resin separator, a synthetic separator of a metal separator and a resin frame, or a combination thereof. In the following description, a synthetic separator will be described as an example, but the separator is not limited to a synthetic separator.
[0009]
In the case of a synthetic separator, the separator 18 includes a metal plate 29 that forms gas flow paths 27 and 28 in the center of the cell, and a resin frame 30 that is provided on the outer periphery of the cell. The MEA is sandwiched between the plus-side metal plate 29 and the minus-side metal plate 29, the gas flow paths 27 and 28 are formed on the MEA side of the metal plate 29 at the center, and the plus-side metal plate at the periphery. The electrolyte membrane 11 is sandwiched between the negative electrode 29 and the negative metal plate 29. The metal plates 29, the resin frame 30 and the metal plate 29, and the metal plate 29 and the electrolyte membrane 11 are sealed with an adhesive.
There is a potential difference between the plus side metal plate and the minus side metal plate facing each other with the electrolyte membrane 11 interposed therebetween, and the potential difference is about 1 volt. The plus side metal plate 29 of one cell 19 and the minus side metal plate 29 of the adjacent cell 19 are in contact at the center of the cell, and there is no potential difference.
[0010]
A plurality of cell voltage monitors 31 are attached to the fuel cell stack 23.
Each cell voltage monitor 31 includes one housing 33 having a fixing portion 35 to the fuel cell stack, and one or more terminals 32 held by the housing 33. The terminal 32 is conductive and made of metal (including a metal-plated one), and the housing 33 is non-conductive and made of, for example, resin.
One or more terminals 32 of each cell voltage monitor 31 are arranged in the housing 33 of the cell voltage monitor 31 in parallel with each other and in rows in the cell stacking direction of the fuel cell stack 23. Yes.
Further, as shown in FIG. 5, the plurality of housings 33 provided for each cell voltage monitor 31 are arranged in a staggered manner on the side surface (one side surface of the four side surfaces) of the fuel cell stack 23. .
[0011]
Each terminal 32 of each cell voltage monitor 31 is in contact with a metal plate 29 of the same polarity (positive if positive, negative if negative) of the cell 19 to detect the potential of the cell 19. For example, when one terminal 32 is in contact with the positive electrode metal plate 29 of one cell 19, the adjacent terminal 32 is in contact with the positive electrode metal plate 29 of the adjacent cell 19. Therefore, there is a pitch interval corresponding to the thickness of at least one cell between adjacent terminals 32, and in each housing 33, a plurality of terminals 32 are arranged side by side in the cell stacking direction without causing interference between the terminals 32. Can do. And the partition plate 33j of the housing 33 is located between the adjacent terminals 32, and it is preventing that the terminals 32 contact and short-circuit.
[0012]
As shown in FIG. 1, the contact portion 34 between the terminal 32 of the cell voltage monitor 31 and the metal plate 29 is provided at the metal plate 29 site, and the fixing portion 35 of the housing 33 of the cell voltage monitor 31 to the fuel cell. Is provided at the resin frame 30 site.
The contact part 34 and the fixed part 35 are separated.
[0013]
The structure for attaching the cell voltage monitor 31 to the fuel cell stack 23 will be described in more detail.
As shown in FIG. 1, a first groove 30 a and a second groove 30 b are formed in the resin frame 30 at a portion of the stack 23 where the cell voltage monitor 31 is attached. The first groove 30a and the second groove 30b are formed at positions separated from each other and are parallel to each other. The terminal 31 is in contact with one of the positive electrode metal plate 29 and the negative electrode metal plate 29. The metal plate 29 that is in contact with the terminal 31 is formed with a narrow groove 29a corresponding to the position and shape of only the first groove 30a of the resin frame 30, and the terminal 31 is not in contact with the metal plate 29. The metal plate 29 is formed with a wide groove 29b extending over both the first groove 30a and the second groove 30b of the resin frame 30.
[0014]
As shown in FIGS. 1 and 3, the terminal 32 is connected to a conducting wire 36. The terminal 32 is made of an L-shaped member that is L-shaped in a side view, and includes an L-shaped first leg 32a, an L-shaped second leg 32b, and an L-shaped bent portion 32c. The terminal 32 is connected to the conducting wire 36 by caulking with the first leg 32a. The second leg 32b of the terminal 32 has a pair of arms 32d at the end opposite to the bent portion 32c, and contacts the metal plate 29 with the metal plate 29 of the separator sandwiched between the pair of arms 32d. The contact part (electric contact part) 34 with 29 is comprised.
[0015]
As shown in FIG. 1, the housing 33 includes an F-shaped member having an F shape in a side view, and an F-shaped column 33 a and a first leg 33 b extending from the tip 33 d of the column 33 a in a direction orthogonal to the column 33 a. And a second leg 33c extending from the intermediate portion 33e of the column 33a in a direction orthogonal to the column 33a.
When the cell voltage monitor 31 is attached to the stack 23, the first leg 33 b of the housing 33 enters the first groove 30 a of the resin frame 30 and the groove 29 a of the metal plate 29, and the second leg 33 c of the housing 33. Enters the second groove 30 b of the resin frame 30 and the groove 29 b of the metal plate 29.
[0016]
The portion of the column 33a of the housing 33 between the end portion 33f opposite to the tip 33d and the intermediate portion 33e, and the second leg 33c constitute a terminal holding portion 33g for holding the terminal 32. After the terminal 32 is inserted into the terminal holding part 33g, the cover 33h of the housing 33 is closed to prevent the terminal 32 from coming out of the terminal holding part 33g.
Further, the first leg 33b of the housing 33 is formed with a claw 33i protruding from the surface opposite to the side facing the second leg 33c. The claw 33i enters the claw engagement recess 30c formed in the claw corresponding portion of the first groove 30a of the resin frame 30, engages with the claw engagement recess 30c, and the claw 33i and the claw engagement recess 30c A fixing portion 35 for fixing the voltage monitor 31 to the fuel cell is formed.
Edges of the grooves 29a and 29b of the metal plate 29 facing the first legs 33b of the housing 33 are more than edges of the first grooves 30a of the resin frame 30 facing the first legs 33b of the housing 33. However, it is separated from the first leg 33b and does not hit the claw 33i, and does not hinder the claw 33i from entering the claw engaging recess 30c.
[0017]
In the terminal 32, a slit 37 is formed between the pair of arms 32d and the bent portion 32c, and the first leg 32a can slightly swing in the cell stacking direction with respect to the pair of arms 32d. It is like that. As a result, even if there is an error in the dimension of the cell in the thickness direction, the terminal 32 can be attached by absorbing the error.
[0018]
Further, as shown in FIG. 5, the housings 33 are alternately arranged on the left and right in the cell stacking direction of the stack 23 to form a staggered arrangement. Each cell of the fuel cell stack 23 is provided with a cell voltage monitor attachment portion for attaching the cell voltage monitor 31 to both the left and right rows of the housing 33 in a staggered arrangement. Each cell voltage monitor mounting portion includes a first groove 30 a and a second groove 30 b of the resin frame 30, a claw engaging recess 30 c, and two grooves 29 a and 29 b of the metal plate 29. The housing 33 is attached and fixed to the left or right row of the staggered arrangement in the cell, but of course, a cell voltage monitor attachment portion is formed at a portion corresponding to the row to which the housing 33 is attached. However, the cell voltage monitor mounting portion is also formed at the portion corresponding to the row where the housing is not mounted.
[0019]
The number (number of poles) of one or more terminals held by the housing 33 of the cell voltage monitor 31 is determined as follows.
(i) The terminal holding number of the housing 33 is determined so that only one type of housing 33 is required. There are the following two methods.
(A) When there is a common divisor other than “1” in the number of cells in which the voltage of the fuel cell stack should be detected and the maximum number of terminals that can be held by one housing in consideration of pitch variation, The largest possible number other than “1” in the common divisor is set as the number of holding terminals of the housing.
To explain with specific numerical values, the number of cells whose voltage is to be detected is, for example, “140”. In this case, the number of terminals to be provided is “140”, and the number of channels required for detection (= number of terminals−1) is “139”. When the cell pitch variation is taken into consideration, the maximum number of terminals that can be held by one housing 33 (the cell pitch may vary due to swinging of the terminal 32 by the slit 37 or a slight gap between the terminal 32 and the housing 33). The variation can be absorbed up to the number of cells, but the maximum number of cells or terminals capable of absorbing the variation is, for example, “10”. The common divisors of “140” and “10” other than “1” are “10”, “5”, and “2”, but the larger one is the greatest common divisor “10”. The number of holding terminals. However, the number of holding terminals of the housing 33 may not be the greatest common divisor, but may be the second largest divisor “5”.
FIG. 8 (a) shows this example. “140” terminals are held by the housing 33 in units of “140”, “14” housings 33 are attached to the fuel cell, and the remaining terminals 32 are Absent.
[0020]
(B) When there is no common divisor other than “1” between the number of cells in which the voltage of the fuel cell should be detected and the maximum number of terminals that can be held by one housing 33 in consideration of pitch variation, The maximum number of terminals that can be held by one housing 33 is the number of holding terminals of the housing 33, and the remaining terminals 32 hold only the remaining terminals at the terminal holding positions of the housing, and the remaining terminal holding positions are empty.
To explain with specific numerical values, the number of cells whose voltage is to be detected is, for example, “141”. In this case, the number of terminals to be provided is “141”, and the number of channels required for detection (= number of terminals−1) is “140”. When the cell pitch variation is taken into consideration, the maximum number of terminals that can be held by one housing 33 (the cell pitch may vary due to swinging of the terminal 32 by the slit 37 or a slight gap between the terminal 32 and the housing 33). The variation can be absorbed up to the number of cells, but the maximum number of cells or terminals capable of absorbing the variation is, for example, “10”. There is no common divisor other than “1” of “141” and “10”. In this case, the maximum number of terminals “10” that can be held by one housing 33 is set as the number of holding terminals of the housing 33. Even if 14 housings 33 holding “10” terminals 32 are provided, one terminal 32 remains. The remaining terminals are dealt with by attaching to the stack 23 a housing 33 in which only the remaining terminals are held at the terminal holding positions of the housing and the remaining terminal holding positions are empty.
This example is shown in FIG. Even when only one terminal is mounted, the same type of housing 33 as when 10 terminals are mounted can be used, and only one type of housing 33 is prepared.
[0021]
(ii) The terminal holding number of the housing 33 is determined so that the number of types of the housing 33 may be a minimum type (two types) other than one type.
In that case, the plurality of cell voltage monitors 31 attached to the fuel cell have a number of housing terminals equal to or less than the maximum number of terminals that can be held by one housing 33 in consideration of pitch variation. housing and, the first type of housing the the same number as the number of terminals 32 remaining when attached to the stack one housing a second in which the number of small and the number of housing terminals than the maximum number of terminals that can be held Types of housings.
To explain with specific numerical values, the number of cells whose voltage is to be detected is, for example, “138”. In this case, the number of terminals to be provided is “138”, and the number of detection necessary channels (= number of terminals−1) is “137”. When the cell pitch variation is taken into consideration, the maximum number of terminals that can be held by one housing 33 (the cell pitch may vary due to swinging of the terminal 32 by the slit 37 or a slight gap between the terminal 32 and the housing 33). The variation can be absorbed up to the number of cells, but the maximum number of cells or terminals capable of absorbing the variation is, for example, “10”. This number “10” or less, for example, “8” is set as the number of housing terminals of the first type housing 33. When “17” housings 33 are attached, “136” terminals are held by the housing at 17 × 8 = 136, and “2” terminals of 138-136 = 2 remain. In this "2" present in the same number, one housing a number of small than the maximum number of terminals "10" can hold, that is provided with a second type of housing 33, terminal count this "2".
This example is shown in FIG. FIG. 4 is a perspective view showing the cell voltage monitor 31 having two poles and the cell voltage monitor 31 having eight poles attached to the stack 23. Shows the case.
[0022]
Next, the operation of the cell voltage monitors (a), (b), and (c) will be described.
In the cell voltage monitor 31 in which the number of holding terminals is determined as shown in FIGS. 8A and 8B, since one or more terminals 32 are held in the housing 33, one housing 33 is mounted on the stack 23. Then, one or more terminals 32 can be attached to the stack 23 at a time, and the attachment property of the terminals 32 to the fuel cell stack 23 is good.
Further, since the number of types of housings 33 is one, the number of types of housings is the minimum, and the cost is not increased. For example, the mold cost for molding the housing and the management cost during the production can be suppressed, and the production cost is low.
[0023]
In the cell voltage monitor 31 in which the number of holding terminals is determined as shown in (a) of FIG. 8, there is a common divisor other than “1” between the number of cells to be detected and the maximum number of terminals that can be held by one housing 33. In some cases, the largest possible number of the common divisors (for example, the greatest common divisor) is used as the number of holding terminals of the housing, so that (a) the terminal 32 of “1” or more is held in the housing 33 and the fuel of the terminal 32 The mounting property to the battery stack 23 is good, and (b) only one type of housing 33 is required, so that the cost is not increased. In the example of FIG. 8A, only one type of housing 33 having “10” terminal holding numbers is sufficient, and the manufacturing cost of the housing 33 is low.
[0024]
In the cell voltage monitor 31 in which the number of holding terminals is determined as shown in FIG. 8B, there is no common divisor other than “1” between the number of cells to be detected and the maximum number of terminals that can be held by one housing. In this case, since the maximum number of terminals that can be held by the housing 33 is the number of holding terminals of the housing 33, the remaining terminals 32 hold only the remaining terminals at the terminal holding positions of the housing, and the remaining terminal holding positions are empty. The terminal 33 having “1” or more is held in the housing 33, the terminal can be easily attached to the fuel cell stack, and only one type of the housing 33 is required, and the manufacturing cost of the housing 33 is low.
[0025]
In the cell voltage monitor 31 in which the number of holding terminals is determined as shown in FIG. 8C, the number of housing terminals is set to a number equal to or less than the maximum number of terminals that one housing 33 can hold. One or more terminals 32 are held in the housing 33, and the attachment of the terminals to the fuel cell stack is good. Further, since only two types of housings 33 are required, the number of types of housings is small, and an increase in cost can be suppressed.
[0026]
【The invention's effect】
According to the cell voltage monitor of claim 1 , since the first type of housing uses the number of housing terminals equal to or less than the maximum number of terminals that the housing can hold, one or more terminals are held in the housing. The terminal can be easily attached to the fuel cell stack. Moreover, since only two types of housings are required, the number of types of housings is small, and an increase in cost can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a cell voltage monitor according to an embodiment of the present invention.
2 is a view in the direction A in FIG. 1 of the cell voltage monitor in FIG. 1;
FIG. 3 is a perspective view of only the terminal of the cell voltage monitor in FIG. 1;
FIG. 4 is a perspective view when a cell voltage monitor according to an embodiment of the present invention is attached to a fuel cell stack.
FIG. 5 is a perspective view when the cell voltage monitor is attached to the side surface of the fuel cell stack.
FIG. 6 is a side view of the fuel cell stack as seen from a direction orthogonal to the cell stacking direction.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a part of a single cell of a fuel cell stack.
FIGS. 8A, 8B, and 8C are diagrams illustrating a relationship between a housing and a terminal held by the housing.
[Explanation of symbols]
10 (Solid Polymer Electrolyte Type) Fuel Cell 11 Electrolyte Membrane 12, 15 Catalyst Layer 13, 16 Diffusion Layer 14 Electrode (Anode, Fuel Electrode)
17 electrodes (cathode, air electrode)
18 Separator 19 Cell 20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Fastening member (tension plate)
25 Bolt 26 Refrigerant flow path (cooling water flow path)
27 Fuel gas channel 28 Oxidizing gas channel 29 Metal plates 29a, 29b Groove 30 Resin frame 30a First groove 30b Second groove 30c Claw engaging recess 31 Cell voltage monitor 32 Terminal 32a First leg 32b Second Leg 32c Bent part 32d Pair of arms 33 Housing 33a Pillar 33b First leg 33c Second leg 33d Tip 33e Intermediate part 33f Opposite end 33g Terminal holding part 33h Lid 33i Claw 33j Partition plate 34 Contact part 35 Retaining part 36 Conductor 37 Slit

Claims

ハウジングと、該ハウジングに保持された１以上の端子とを有し、燃料電池に、複数、取付けられたセル電圧モニターであって、
各端子が燃料電池の各セルに取り付けられ、燃料電池で電圧を測定するセルが燃料電池の全セルであり、
複数のセル電圧モニターが、ピッチバラツキを考慮した場合に１つのハウジングが保持可能な最大端子数以下の数をハウジング端子数とした第１の種類のハウジングと、該第１の種類のハウジングを、該第１の種類のハウジングが保持したすべての端子がセルに取付けられる範囲で最大数、スタックに取り付けた時に、燃料電池の全セル数からスタックに取り付けた第１の種類のハウジングの数とハウジング端子数とを掛けた数を差し引いた数と同数で前記１つのハウジングが保持可能な最大端子数より小の数をハウジング端子数とした第２の種類のハウジングと、の２種類のみのハウジングを含んでいるセル電圧モニター。A cell voltage monitor having a housing and one or more terminals held in the housing and attached to the fuel cell.
Each terminal is attached to each cell of the fuel cell, and the cells that measure the voltage with the fuel cell are all the cells of the fuel cell,
When a plurality of cell voltage monitors take pitch variation into account, a first type housing having a number of housing terminals equal to or less than the maximum number of terminals that can be held by one housing, and the first type housing, The maximum number of all terminals held by the first type housing as long as the terminals can be attached to the cell, and the number of first type housings attached to the stack and the number of housings when the fuel cell is attached to the stack. a second type of housing where the number of less than the one housing the maximum number of terminals that can be held is the same number as the number obtained by subtracting the number obtained by multiplying the number of terminals and the number of housing pin, the only two types of housing Including cell voltage monitor.