(57)【要約】【課題】  全てのセル電圧を検出しつつ、端子間の間隔を確保して、端子による重量増大を抑制するとともにコストを抑えることができる電圧検出コネクタのセルへの接続構造および燃料電池を提供する。【解決手段】  陽極と陰極のそれぞれに端子６、７を有する第１のセル２ａと、陽極と陰極のいずれにも端子６、７を有さない第２のセル２ｂと、を交互に積層してなる構成を備える燃料電池１に、前記端子６、７と接触するコネクタ８、９が接続されている。【選択図】    図１
2006054112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極と陰極のそれぞれに端子を有する第１のセルと、陽極と陰極のいずれにも端子を有さない第２のセルと、を交互に積層してなる構成を備える燃料電池に、前記端子と接触するコネクタが接続されていることを特徴とする電圧検出コネクタのセルへの接続構造。
【請求項２】
前記第１のセルは少なくとも前記燃料電池の両端部に配置され、該両端部から前記第１のセルと前記第２のセルとを交互に積層してなる構成を備える燃料電池に、前記コネクタが接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電圧検出コネクタのセルへの接続構造。
【請求項３】
陽極と陰極を有するセルを複数積層した燃料電池であって、
前記陽極と前記陰極のそれぞれに端子を有する第１のセルと、前記陽極と前記陰極のいずれにも端子を有さない第２のセルとを有し、
前記第１のセルと前記第２のセルとを交互に積層してなる構成を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
前記第１のセルは少なくとも積層方向の両端部に配置され、該両端部から前記第１のセルと前記第２のセルとを交互に積層してなる構成を備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陽極と陰極とを有するセルを複数積層した燃料電池に接続されて、前記セルの電圧を検出する電圧検出コネクタのセルへの接続構造および燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車等の新たな動力源として燃料電池が注目されている。燃料電池としては、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）をそれぞれ配設した膜電極構造体（ＭＥＡ）を備えており、該膜電極構造体を一対のセパレータで挟持したものが一般的である。この燃料電池を用いて発電する場合には、燃料電池のアノード電極にガス燃料（例えば、水素ガス）を、カソード電極に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）を供給することで、電気化学反応を発生させる。この発電時に生成されるのは基本的には無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、前記燃料電池が注目されている。
【０００３】
ところで、一つの燃料電池では、自動車を駆動するのに十分な電力を得ることは困難である。そこで、前記駆動に十分な電力が供給できるように、膜電極構造体を一対のセパレータで挟持したセルを複数積層したスタック構造の燃料電池を形成し、この燃料電池を自動車に車載することが検討されている。
【０００４】
この場合において、燃料電池を構成するセルが正常に発電するかを監視するために、セルの電圧を検出することは非常に重要である。このような観点から、セルに電圧測定用の端子を備える構成の燃料電池が提案されている。
例えば特許文献１には、各セルのカーボンプレートに丸穴を開け、丸穴にバナナクリップにて出力端子の一端を接続し、出力端子束の他端をコネクターを介して電圧測定装置と接続する技術が提案されている。
また、特許文献２には、燃料電池の各セルのセパレータに設けられた端子を保持する端子ホルダを燃料電池カバーと端子カバーで挟持し移動不能とすることができる技術が提案されている。
【０００５】
また、従来における燃料電池や該燃料電池に接続される電圧検出コネクタの要部断面を図５に示す。同図に示すように、燃料電池３０はセル３１を所定数（この場合はｎ個）積層して構成されている。各セル３１は、膜電極構造体３２をセパレータ３３、３４で挟持されている。そして、各セル３１には、アノード電極側のセパレータ３３とカソード電極側のセパレータ３４のそれぞれに電圧測定用の端子３５、３６が設けられている。このように構成された燃料電池３０にセル接続装置３９が接続される。セル接続装置３９は、コネクタ３７、３８を所定数備えており、これらのコネクタ３７、３８を端子３５、３６にそれぞれ接触させることで、端子３５、３６の設けられたセパレータ３３、３４の電圧を測定し、これにより各セルの電圧を検出する。
【特許文献１】特開平９−２８３１６６号公報
【特許文献２】特開２００３−８６２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来においては以下のような問題があった。すなわち、従来においては、上述の図５を用いて説明したように、燃料電池３０の各端子３５、３６は一般に、積層方向から見て同じ位置に直列に配置されている。しかし、燃料電池３０を車両等に搭載するために、各セル３１の厚さを可能な限り薄くすることが望まれており、これに伴い端子３５、３６同士の間隔は必然的に狭くなる傾向にある。
【０００７】
その結果、端子３５、３６が直列に配置されている場合、端子３５、３６同士の間隔が狭くなり、コネクタ３７、３８を備えるセル接続装置３９同士の間隔を十分に確保できずに、セル接続装置３９同士がぶつかり合うなど、その連結に支障をきたすおそれがある。また、燃料電池３０を車両に搭載する場合には、必要な出力を確保するために多数のセル３１を積層する必要があるため、各セル３１のセパレータ３３、３４の全てに端子３５、３６を設けると、端子３５、３６による重量の増大も無視できないものとなり、また、コストが嵩むという問題もある。
【０００８】
従って、本発明は、全てのセル電圧を検出しつつ、端子間の間隔を確保して、端子による重量増大を抑制するとともにコストを抑えることができる電圧検出コネクタのセルへの接続構造および燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、陽極（例えば、実施の形態におけるアノード電極１１）と陰極（例えば、実施の形態におけるカソード電極１２）のそれぞれに端子（例えば、実施の形態における端子６、７）を有する第１のセル（例えば、実施の形態における第１のセル２ａ）と、陽極と陰極のいずれにも端子を有さない第２のセル（例えば、実施の形態における第２のセル２ｂ）と、を交互に積層してなる構成を備える燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１）に、前記端子と接触するコネクタ（例えば、実施の形態におけるコネクタ８、９）が接続されていることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、積層方向に隣合うセル同士の互いに対向する電極同士は同電位となっているため、前記燃料電池における前記第２のセルの陽極または陰極は、この第２のセルと積層方向に隣合う第１のセルの陰極または陽極と同電位となっている。従って、前記端子を有さない第２のセルの電圧を、この第２のセルに積層方向に隣合う第１のセルの陽極または陰極の電位から求めることができるため、ほぼ全てのセル電圧を検出することができ、全てのセルの陽極と陰極に端子を設けた場合と同等の高い検出精度を維持することができる。さらに、全てのセルの陽極または陰極に端子を設けた場合に比べて、端子の総数を略半分に抑えることができるため、端子間の間隔を十分に確保することができ、コネクタと端子との連結を滑らかに行うことが可能となる。さらに、端子による重量増大を抑制するとともにコストを抑えることができる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記第１のセルは少なくとも前記燃料電池の両端部に配置され、該両端部から前記第１のセルと前記第２のセルとを交互に積層してなる構成を備える燃料電池に、前記コネクタが接続されていることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、前記第１のセルが前記燃料電池の両端部に配置され、両端部から前記第１のセルと前記第２のセルとを交互に積層してなる構成を備えているので、前記両端部に配置した第１のセルとこれに積層方向に隣合う第２のセルの電圧を確実に把握することができるため、端子による重量増大やコストを抑えつつ、略全セルに亘って電圧を検出することが可能となり、セル電圧の検出精度を全てのセルの陽極と陰極に端子をつけた場合と同等に維持することができる。また、両端部に端子のあるセルが配置されることで、特別なダミーセルのようなものが必要なくなる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、陽極と陰極を有するセルを複数積層した燃料電池であって、前記陽極と前記陰極のそれぞれに端子を有する第１のセルと、前記陽極と前記陰極のいずれにも端子を有さない第２のセルとを有し、前記第１のセルと前記第２のセルとを交互に積層してなる構成を備えることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、前記端子を有さない第２のセルの電圧を、この第２のセルに積層方向に隣合う第１のセルの陽極または陰極の電位から求めることができるため、ほぼ全てのセル電圧を検出することができ、全てのセルの陽極と陰極に端子を設けた場合と同等の高い検出精度を維持することができる。さらに、全てのセルの陽極または陰極に端子を設けた場合に比べて、端子の総数を略半分に抑えることができるため、端子間の間隔を十分に確保することができ、コネクタと端子との連結を滑らかに行うことが可能となる。さらに、端子による重量増大を抑制するとともにコストを抑えることができる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載のものであって、前記第１のセルは少なくとも積層方向の両端部に配置され、該両端部から前記第１のセルと前記第２のセルとを交互に積層してなる構成を備えることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、前記両端部に配置した第１のセルとこれに積層方向に隣合う第２のセルの電圧を確実に把握することができるため、端子による重量増大やコストを抑えつつ、全セルに亘って電圧を検出することが可能となり、セル電圧の検出精度を全てのセルの陽極と陰極に端子をつけた場合と同等に維持することができる。また、両端部に端子のあるセルが配置されることで、特別なダミーセルのようなものが必要なくなる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１、請求項３に係る発明によれば、ほぼ全てのセル電圧を検出しつつ、端子間の間隔を確保して、端子による重量増大を抑制するとともにコストを抑えることができる。
請求項２、請求項４に係る発明によれば、セル電圧の検出精度を全てのセルの陽極と陰極に端子をつけた場合と同等に維持することができる。また、両端部に端子のあるセルが配置されることで、特別なダミーセルのようなものが必要なくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明の実施の形態における電圧検出コネクタのセルへの接続構造および燃料電池を図面と共に説明する。
図１は本発明の実施の形態における燃料電池や該燃料電池に接続される電圧検出コネクタを備えるセル接続装置の要部断面図である。同図に示すように、燃料電池１はセル２を所定数（この場合はｎ個）積層して構成されている。各セル２は、膜電極構造体３をセパレータ４、５で挟持されている。
【００１９】
本実施の形態における燃料電池１は、アノード電極１１（図２参照）側のセパレータ４とカソード電極１２（図２参照）側のセパレータ５のそれぞれに電圧測定用の端子６、７が設けられた第１のセル２ａ（２）と、セパレータ４、５のいずれにも端子６、７を有さない第２のセル２ｂ（２）とを備えている。そして、前記第１のセル２ａは＋極側および−極側の両端部に配置され、該両端部から前記第１のセル２ａと前記第２のセル２ｂとを交互に積層してなる。
【００２０】
このように構成された燃料電池１にセル接続装置１０が接続される。セル接続装置１０は、コネクタ８、９を所定数備えており、第１のセル２ａが有する端子６、７にコネクタ８、９をそれぞれ接触させることで、端子６、７の設けられた第１のセル２ａの電圧を検出することができる。第２のセル２ｂの電圧の検出については、詳細を後述する。
【００２１】
図２は図１に示す燃料電池を構成するセルの概略断面図である。この図に示すように、膜電極構造体３は、固体高分子電解質膜１３と、その両側に配設されるアノード電極１１およびカソード電極１２を備えて構成されている。
この膜電極構造体３の両面に配設される一対のセパレータ４、５同士の対向面周縁側にリング状のシール部材１４をセットして、このシール部材１４により固体高分子電解質膜１３を挟持する。両セパレータ４、５には燃料ガスや酸化ガス、冷却媒体を供給するための燃料ガス通路１５、酸化剤ガス通路１６、冷却媒体通路１７が形成してある。
【００２２】
図３は本実施の形態における第１のセルの平面図である。同図に示すように、セパレータ４、５には、燃料ガス連通孔１８ａ，１８ｂ、酸化剤ガス連通孔１９ａ，１９ｂ、冷却媒体連通孔２０ａ，２０ｂが両側に形成され、これらの連通孔において一方（図示左側）が供給口１８ａ、１９ａ、２０ａとされ、他方（図示右側）が排出口１８ｂ、１９ｂ、２０ｂとされている。なお、セパレータはカーボン等を切削加工して形成したものであってもよく、また金属等をプレス成形して形成したものであってもよい。
また、前記第１のセル２ａのセパレータ４，５に設けられた端子６、７は、図４に示すように、積層方向から見て略同一の位置にそれぞれ形成されている。
【００２３】
上記のように構成した燃料電池１においては、燃料ガス通路１５を通してアノード電極１１に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給し、酸化剤ガス通路１６を通してカソード電極１２に酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）を供給する。すると、アノード電極１１の触媒層（図示せず）で水素がイオン化され、固体高分子電解質膜１３を介してカソード電極１２側に移動する。この間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。この際に、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。
【００２４】
このとき、積層方向に隣合うセル２ａ、２ｂ同士の互いに対向する電極同士は同電位となっている。例えば、図１に示すように、＋極側端部の第１列に位置する第１のセル２ａのカソード電極１２の電位Ｖｋ（１）は、これに隣合う第２列の第２のセル２ｂのアノード電極１１の電位Ｖａ（２）と同電位になっている。このように、前記燃料電池１における前記第２のセル２ｂのアノード電極１１またはカソード電極１２は、この第２のセル２ｂと積層方向に隣合う第１のセル２ａのカソード電極１２またはアノード電極１１と同電位となっている。
【００２５】
例えば、−極側の第ｎ−１列に位置する第２のセル２ｂの電圧Ｖ（ｎ−１）は、この第２のセル２ｂのアノード電極１１の電位Ｖａ（ｎ−１）およびカソード電極１２の電位Ｖｋ（ｎ−１）の差により求められる。そして、この第２のセル２ｂのアノード電極１１は、第ｎ−２列に位置する第１のセル２ａのカソード電極１２と同電位であり、この第２のセル２ｂのカソード電極１２は、第ｎ列に位置する第１のセル２ａのアノード電極１１と同電位である。換言すれば、電位Ｖａ（ｎ−１）は電位Ｖｋ（ｎ−２）と等しく、電位Ｖｋ（ｎ−１）は電位Ｖａ（ｎ）と等しい。従って、第２のセル２ｂの電圧Ｖ（ｎ−１）は、電位Ｖｋ（ｎ−２）とＶａ（ｎ）との差により求めることができる。
【００２６】
従って、前記端子６、７を有さない第２のセル２ｂの電圧を、この第２のセル２ｂに積層方向に隣合う第１のセル２ａのアノード電極１１またはカソード電極１２の電位から求めることができる。
また、本実施の形態の燃料電池１は、前記第１のセル２ａは＋極側および−極側の両端部に配置され、該両端部から前記第１のセル２ａと前記第２のセル２ｂとを交互に積層してなるので、前記両端部に配置した第１のセル２ａとこれに積層方向に隣合う第２のセル２ｂの電圧を確実に把握することができる。よって、ほぼ全てのセル電圧を検出することができ、全てのセル２のアノード電極１１またはカソード電極１２に端子６、７を設けた場合と同等の高い検出精度を維持することができる。特に、全セル数が奇数の場合には、第１のセルと第２のセルを交互に積層して全てのセル電圧を検出することが可能となる。また、全セル数が偶数の場合には、中央部で前記第１のセルが専属して積層されることで、全セルの電圧を検出できる。
【００２７】
そして、全てのセル２のアノード電極１１またはカソード電極１２に端子６、７を設けた場合に比べて、端子６、７の総数を略半分に抑えることができるため、端子６、７間の間隔を十分に確保することができ、コネクタ８、９と端子６、７との連結を滑らかに行うことが可能となる。さらに、端子６、７による重量増大を抑制するとともにコストを抑えることができる。
【００２８】
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、端子６、７を有する第１のセル２ａを積層方向の両端部に配置した好ましい場合について説明したが、第２のセル２ｂを両端部に配置してもよい。この際には、両端にダミーセパレータを入れて、両端部セルの電圧を検出する必要がある。また、セパレータ４、５の端面外側に端子６、７を突起状に形成してコネクタ８、９に差し込むように構成したが、セパレータ４、５の端面内側に端子を溝状に形成してコネクタを差し込むように構成してもよく、セパレータ４、５の外形を変えることなく端子を一体的に作り込んでもよい。
また、本実施の形態では、燃料電池を構成する第１のセルと第２のセルとが、列全体に亘って交互に積層してなる場合について説明したが、少なくとも交互に積層してなる構成を備えていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池や該燃料電池に接続される電圧検出コネクタを備えるセル接続装置の要部断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池を構成するセルの概略断面図である。
【図３】図１に示す第１のセルの平面図である。
【図４】図１に示す燃料電池の要部斜視図である。
【図５】従来における燃料電池や該燃料電池に接続される電圧検出コネクタの要部断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…燃料電池
２（２ａ、２ｂ）…セル
２ａ…第１のセル
２ｂ…第２のセル
４、５…セパレータ
６、７…端子
８、９…コネクタ
１０…セル接続装置
１１…アノード電極（陽極）
１２…カソード電極（陰極）
【図１】
2006054112.tif 000003
【図２】
2006054112.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006054112.tif 000006
【図５】
2006054112.tif 000007