JP6950332B2 - セルモニタコネクタの組付方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池におけるセル電圧を検出・監視するためのセルモニタコネクタの組付方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池のセル（燃料電池セルや単セル、単電池ということもある）は、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。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：Gas Diffusion Layer）が形成されている。ＧＤＬが両側に配置されたＭＥＡは、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称され、ＭＥＧＡは、一対のセパレータにより挟持されている。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。

燃料電池（燃料電池スタックということもある）は、前記した如くの構成を有するセルを複数枚重ね合わせて（積層して）構成される。

燃料電池において、積層した各セルの発電状態を監視するために、セル電圧を測定することが知られている。一般に、セル電圧を測定する場合、燃料電池スタック組付工程にて、各セルのセパレータに設けられた検出端子に、セル電圧監視装置に接続されたセル電圧監視用のセルモニタコネクタ（以下、単に「コネクタ」という）を組み付ける。

従来の燃料電池におけるコネクタの組付方法としては、次のような方法が知られている。すなわち、図３に示すように、まず、燃料電池スタックを構成するセルを所定間隔（例えば、約2mmピッチ）で複数枚積層させて燃料電池スタック前駆体（燃料電池スタックの基となる積層体）を形成する（セル積層工程）。次いで、その燃料電池スタック前駆体を積層方向に加圧し、各セルのガス拡散層を圧縮変形させて、各セル間の間隔を（例えば、約2mmピッチから約1mmピッチまで）狭める（加圧工程）。次に、加圧されて保持された燃料電池スタック前駆体をスタックケースに挿入して締結する（挿入・締結工程）。そして、前記した加圧工程および挿入・締結工程後の各セルのセパレータに設けられた検出端子間に、前記したセル電圧監視用のコネクタを挿入して接続させる（コネクタ組付工程）。

しかしながら、上記従来の組付方法では、コネクタ組付工程において、隣り合うセル間（つまり、隣り合うセルのセパレータに設けられた検出端子間）の間隔が狭く（例えば、約1mm）、コネクタの組付に時間を要するとともに、誤組が発生する可能性があった。

このような問題に対し、特許文献１では、コネクタを検出端子に組み付ける作業性等を向上すべく、セル電圧を検出するための検出端子が設けられた燃料電池セルを複数積層する段階と、前記セル電圧を測定するためのコネクタを隣接する前記検出端子間に挿入する段階と、前記積層された複数のセルを積層方向に押圧し、前記検出端子と前記コネクタとを接続する段階と、を有する方法が提案されている。

すなわち、特許文献１に所載の技術では、隣り合うセル間の間隔が広いセル積層工程後、かつ、加圧工程前に、隣り合う検出端子間にコネクタを挿入することによって、セルピッチの影響を受けずにコネクタを組み付けられるとともに、加圧と同時にコネクタが検出端子に接続されるので、作業時間の短縮を図ることができる。

特開２００９−１８７６７７号公報

しかしながら、上記特許文献１に所載の技術では、検出端子の中央部に穴が設けられ、コネクタに、検出端子の穴と嵌合する凸状のコネクタ端子が設けられ、検出端子とコネクタとを接続する段階（加圧工程）で、検出端子の穴とコネクタ端子とが嵌合して接続するようになっているものの、加圧工程で加圧してコネクタが変形した際に、局所的に応力が発生して破断し、その際に隣接するセル間で短絡する可能性があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、加圧工程で加圧した際のコネクタの局所的な応力の発生、および、それに伴うコネクタの破断を抑制し、セル間の短絡を抑止することのできるセルモニタコネクタの組付方法を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明によるセルモニタコネクタの組付方法は、燃料電池スタックにおける燃料電池セルのセル電圧を監視するためのセルモニタコネクタの組付方法であって、燃料電池セルを所定間隔で複数枚積層させた燃料電池スタック前駆体における前記燃料電池セル間に、片面に凹部が形成されたセルモニタコネクタを配置した後、前記燃料電池スタック前駆体に積層方向に荷重を付与し、前記燃料電池セル間の間隔を狭めて締結して、前記燃料電池スタックを形成することを特徴としている。

本発明によれば、燃料電池スタック前駆体に積層方向に荷重を付与した際（加圧工程）に、コネクタの変形が当該コネクタの片面に形成された凹部に吸収されるので、コネクタの局所的な応力の発生、および、それに伴うコネクタの破断を抑制でき、セル間の短絡を抑止することができる。

燃料電池スタックの要部断面図である。 本発明によるセルモニタコネクタの組付方法を適用した燃料電池スタックの製造工程の概略を示すフロー図である。 従来のセルモニタコネクタの組付方法を適用した燃料電池スタックの製造工程の概略を示すフロー図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載される燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。

［燃料電池スタックの構成］
まず、図１を参照して、本発明によるセルモニタコネクタの組付方法の適用対象となる燃料電池スタック（燃料電池）として固体高分子型燃料電池を例にとってその構成を概説する。

図１は、燃料電池スタック（燃料電池）１０の要部を断面視した図である。図１に示すように、燃料電池スタック１０には、基本単位であるセル（単電池）１が複数積層されている（セル積層体９）。各セル１は、酸化剤ガス（例えば空気）と、燃料ガス（例えば水素）と、の電気化学反応により起電力を発生する固体高分子型燃料電池である。セル１は、ＭＥＧＡ２と、ＭＥＧＡ２を区画するように、ＭＥＧＡ２に接触するセパレータ（燃料電池用セパレータ）３とを備えている。なお、本実施形態では、ＭＥＧＡ２は、一対のセパレータ３、３により、挟持されている。

ＭＥＧＡ２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）４と、この両面に配置されたガス拡散層７、７とが、一体化されたものである。膜電極接合体４は、電解質膜５と、電解質膜５を挟むように接合された一対の電極６、６と、からなる。電解質膜５は、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなり、電極６は、たとえば、白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成される。電解質膜５の一方側に配置された電極６がアノードとなり、他方側の電極６がカソードとなる。ガス拡散層７は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成される。

本実施形態では、ＭＥＧＡ２が、燃料電池１０の発電部であり、セパレータ３は、ＭＥＧＡ２のガス拡散層７に接触している。また、ガス拡散層７が省略されている場合には、膜電極接合体４が発電部であり、この場合には、セパレータ３は、膜電極接合体４に接触している。したがって、燃料電池１０の発電部は、膜電極接合体４を含むものであり、セパレータ３に接触する。

セパレータ３は、導電性やガス不透過性などに優れた金属を基材とする板状の部材であって、その一面側がＭＥＧＡ２のガス拡散層７と当接し、他面側が隣接する他のセパレータ３の他面側と当接している。

本実施形態では、各セパレータ３は、波形状ないし凹凸状に形成されている。セパレータ３の形状は、波の形状が等脚台形をなし、かつ波の頂部が平坦で、この頂部の両端が等しい角度をなして角張っている。つまり、各セパレータ３は、表側から見ても裏側から見ても、ほぼ同じ形状である。ＭＥＧＡ２の一方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触し、ＭＥＧＡ２の他方のガス拡散層７には、セパレータ３の頂部が面接触している。

一方の電極（すなわちアノード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２１は、燃料ガスが流通する流路であり、他方の電極（すなわちカソード）６側のガス拡散層７とセパレータ３との間に画成されるガス流路２２は、酸化剤ガスが流通する流路である。セル１を介して対向する一方のガス流路２１に燃料ガスが供給され、ガス流路２２に酸化剤ガスが供給されると、セル１内で電気化学反応が生じて起電力が生じる。

さらに、あるセル１と、それに隣接するもうひとつのセル１とは、アノードとなる電極６とカソードとなる電極６とを向き合わせて配置されている。また、あるセル１のアノードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部と、もうひとつのセル１のカソードとなる電極６に沿って配置されたセパレータ３の背面側の頂部とが、面接触している。隣接する２つのセル１間で面接触するセパレータ３、３の間に画成される空間２３には、セル１を冷却する冷媒としての水が流通する。

前記セル１を複数積層して構成したセル積層体９で構成される燃料電池スタック１０は、例えば、スタックケース１１（図１では図示省略、図２参照）に収容されるとともに、スタック両端（セル積層体９のセル積層方向両端）を一対のエンドプレート（図示省略）で挟まれ、さらにこれらエンドプレート同士を繋ぐようにテンションプレート（図示省略）からなる拘束部材が配置された状態で積層方向への荷重が付与されて締結される。セル積層体９等を積層状態で拘束するテンションプレートは、両エンドプレート間を架け渡すようにして設けられているもので、例えば一対が当該燃料電池スタック１０の両側に対向するように配置される。テンションプレートは、各エンドプレートに接続され、セル積層体９の積層方向に所定の締結力（圧縮荷重）を作用させた状態を維持する。

また、本実施形態では、前記燃料電池スタック１０に、各セル１の電圧（セル電圧）を測定してその発電状態（例えば、発電中におけるセル電圧の変動など）を監視するためのコネクタ１５（図１では図示省略、図２参照）が接続される。このコネクタ１５は、例えば弾性材料で成形されるとともに、その片面に凹部１６が形成されており、セル１を構成するセパレータ３の端部に設けられた検出端子（図１では図示省略、図２参照）に電気的に接続されている（後で詳述）。なお、前記セパレータ３の検出端子は、当該セパレータ３と別体として設けても良いし（例えば、上記特許文献１参照）、当該セパレータ３と一体として形成しても良い。

［燃料電池スタックにおけるセルモニタコネクタの構成および組付方法］
次に、図２を参照して、燃料電池スタックの製造工程、特に、燃料電池スタックにおけるセルモニタコネクタの構成およびその組付工程を説明する。

図２は、本発明によるセルモニタコネクタの組付方法を適用した燃料電池スタックの製造工程の概略を示すフロー図である。

前記燃料電池スタック１０の製造工程は、図２に示すように、主に、セル積層工程（Ｓ１）、コネクタ組付工程（Ｓ２）、加圧工程（Ｓ３）、挿入・締結工程（Ｓ４）を含んで構成される。

まず、セル積層工程（Ｓ１）では、前記したセル１を所定間隔（例えば、約2mmピッチ）で複数枚積層して燃料電池スタック前駆体（燃料電池スタック１０の基となる積層体）８を形成する。

次いで、コネクタ組付工程（Ｓ２）では、前記燃料電池スタック前駆体８における各セル１のセパレータ３に設けられた隣り合う検出端子１ａ間に、当該検出端子１ａに対向する面のうちの片面に凹部１６が形成されたコネクタ１５を挿入して配置する。このコネクタ１５は、例えば弾性材料で成形されるとともに、隣り合う検出端子１ａ間の幅（例えば、約2mm）と略同じ幅もしくはそれより若干小さい幅を有している。なお、コネクタ１５に設けられる凹部１６の数は図示例に限られるものではなく、１個でもよいし、複数個でもよい。コネクタ１５に設けられる凹部１６の個数や形状、位置等は、後述する加圧工程（Ｓ３）におけるコネクタ１５の変形量等を考慮して決められる。

次に、加圧工程（Ｓ３）では、前記エンドプレートおよびテンションプレート等を利用して、前記燃料電池スタック前駆体８を（セル１の）積層方向に加圧（荷重を付与）し、各セル１のガス拡散層７、７を圧縮変形させて、各セル１間の間隔を（例えば、約2mmピッチから約1mmピッチまで）狭める。このとき、各セル１のセパレータ３に設けられた検出端子１ａ間の間隔も共に狭まるので、その間に配置されたコネクタ１５が隣り合う検出端子１ａにより挟圧（圧縮）変形されて保持され、前記コネクタ１５と検出端子１ａとが電気的に接続される。

そして、挿入・締結工程（Ｓ４）では、前記エンドプレートおよびテンションプレート等により加圧されて保持され、かつ、前記コネクタ１５が組み付けられた燃料電池スタック前駆体８を、スタックケース１１に挿入して締結する。これにより、前記セル電圧監視用のコネクタ１５が接続された燃料電池スタック１０が製造されることになる。

以上で説明したように、本実施形態では、隣り合うセル１間の間隔が広いセル積層工程（Ｓ１）後、かつ、加圧工程（Ｓ３）前に、隣り合う検出端子１ａ間にコネクタ１５を挿入して組み付けることで、コネクタ組付の作業時間を短縮できるとともに、誤組防止に繋がる。

また、本実施形態では、燃料電池スタック前駆体８に（セル１の）積層方向に荷重を付与した際（加圧工程（Ｓ３））に、コネクタ１５の変形が当該コネクタ１５の片面に形成された凹部１６に吸収されるので、コネクタ１５の局所的な応力の発生、および、それに伴うコネクタ１５の破断を抑制でき、セル１間の短絡を抑止することができる。

また、本実施形態では、コネクタ１５の両面（隣り合う検出端子１ａに対向する両面）に凹部を形成する場合と比べて、加圧工程（Ｓ３）の圧縮時に片面（凹部１６が形成されていない側の面）側が必ず残ることで、コネクタ１５の切断の可能性が低くなり、確実にセル１間の短絡を防止できるといった利点もある。

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…セル（燃料電池セル）、１ａ…セルの検出端子、２…ＭＥＧＡ、３…セパレータ、４…膜電極接合体（ＭＥＡ）、５…電解質膜、６…電極、７…ガス拡散層、８…燃料電池スタック前駆体、９…セル積層体、１０…燃料電池スタック（燃料電池）、１１…スタックケース、１５…コネクタ（セルモニタコネクタ）、１６…コネクタの凹部、２１、２２…ガス流路、２３…水が流通する空間

Claims (1)

1. 燃料電池スタックにおける燃料電池セルのセル電圧を監視するためのセルモニタコネクタの組付方法であって、
   燃料電池セルを所定間隔で複数枚積層させた燃料電池スタック前駆体における前記燃料電池セル間に、片面に積層方向の深さが当該セルモニタコネクタの厚さ未満の凹部が形成されたセルモニタコネクタを配置した後、
   前記燃料電池スタック前駆体に積層方向に荷重を付与し、前記燃料電池セル間の間隔を狭めて締結して、前記燃料電池スタックを形成する、セルモニタコネクタの組付方法。

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