(57)【要約】【課題】  部品点数やコスト、積層幅を抑制して、重量を抑えつつ、両端部のセル電圧を検出す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】  陽極にのみ端子６を有する第１のセル２ａを陽極側端部から積層するとともに、陰極にのみ端子７を有する第２のセル２ｂを陰極側端部から積層す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
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極にのみ端子を有する第１のセルを陽極側端部から積層するとともに、陰極にのみ端子を有する第２のセルを陰極側端部から積層す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】
前記陽極と前記陰極のいずれからも端子を取り出さない第３のセルを前記第１のセルまたは前記第２のセルと交互に積層してなる構成の燃料電池に、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、前記セルのうち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のセルを積層方向の陽極側端部から積層するとともに、前記第２のセルを積層方向の陰極側端部から積層する構成を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
前記陽極と前記陰極のいずれからも端子を取り出さない第３のセルを前記第１のセルまたは前記第２のセルと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、セル電圧モニタ用の一対の端子を、互いに隣接するセルの同極性のセパレータ（例えばアノード電極側のセパレータ）にコンタクトさせる技術が提案されている。
【０００５】
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に電圧測定用の端子３５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を所定数備えており、これらのコネクタ３７を端子３５にそれぞれ接触させることで、端子３５の設けられたセパレータ３３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２００２−３５２８２０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、同一電極（例えばアノード電極）のセパレータのみに端子を設けて、１つのセルのセル電圧をとるのに、つぎのセルの同極のセパレータに跨ってモニタしている。このため、セルを積層した積層体の最後のセル電圧をとる場合には、つぎのセルが無いため最後のセル電圧がとれなくなる。したがって、最後のセル電圧を検出するためには、図５に示すように、端子の接続されるセパレータ（アノード電極側のセパレータ）３４と同形状のカバープレート（ダミーのセパレータ）４０をセル積層体端に配し、カバープレート４０にコネクタ４２用の端子４１を設ける必要がある。このように、発電に関係しないセパレータや端子、コネクタを別途設ける必要があり、部品点数が増大してしまい、コストや積層幅、重量の増大を招いてしまうという問題がある。
【０００７】
従って、本発明は、部品点数やコスト、積層幅を抑制して、重量を抑えつつ、両端部のセル電圧を検出す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】
【０００８】
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）にのみ端子（例えば、実施の形態における端子６）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）を陽極側端部から積層するとともに、陰極（例えば、実施の形態におけるカソード電極１２）にのみ端子（例えば、実施の形態における端子７）を有する第２のセル（例えば、実施の形態における第２のセル２ｂ）を陰極側端部から積層す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。
【０００９】
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、前記セルの陽極または陰極は、このセルに対向するセルの陰極または陽極と同電位となっている。陽極側端部からは陽極にのみ端子を有する第１のセルが積層されているので、検出対象となる第１のセルの陽極の電位は該陽極の有する端子により、第１のセルの陰極の電位は隣合うセルの陽極の有する端子によりそれぞれ求められ、これらから検出対象となる第１のセルの電圧を求めることができる。一方、陰極側端部からは陰極にのみ端子を有する第２のセルが積層されているので、検出対象となる第２のセルの陰極の電位は該陰極の有する端子により、第２のセルの陽極の電位は隣合うセルの陰極の有する端子によりそれぞれ求められ、これらから検出対象となる第２のセルの電圧を求めることができる。従って、発電に関係しないダミーセパレータや端子、コネクタを別途端部に設けなくても、両端部のセル電圧を検出することができる。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とほぼ同等の高い検出精度を維持することができ、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。加えて、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。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記陽極と前記陰極のいずれからも端子を取り出さない第３のセル（例えば、実施の形態における第３のセル２ｃ）を前記第１のセルまたは前記第２のセルと交互に積層してなる構成の燃料電池に、前記コネクタが接続されていることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記第３のセルを前記第１のセルまたは前記第２のセルと交互に積層してなる構成とすることにより、必要とされる検出精度を維持しつつ、燃料電池が有する端子数をさらに低減することができ、その分重量増大やコストをさらに抑えることができる。
【００１２】
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、前記セルのうち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のセルを積層方向の陽極側端部から積層するとともに、前記第２のセルを積層方向の陰極側端部から積層する構成を備えることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、発電に関係しないダミーセパレータや端子、コネクタを別途端部に設けなくても、両端部のセル電圧を検出することができる。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とほぼ同等の高い検出精度を維持することができ、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。加えて、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。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載のものであって、前記陽極と前記陰極のいずれからも端子を取り出さない第３のセルを前記第１のセルまたは前記第２のセルと交互に積層してなる構成を備えることを特徴とする。
この発明によれば、必要とされる検出精度を維持しつつ、燃料電池が有する端子数をさらに低減することができ、その分重量増大やコストをさらに抑えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１、請求項３に係る発明によれば、部品点数やコスト、積層幅を抑制して、重量を抑えつつ、両端部のセル電圧を検出することができる。
請求項２、請求項４に係る発明によれば、必要とされる検出精度を維持しつつ、燃料電池が有する端子数をさらに低減することができ、その分重量増大やコストをさらに抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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に電圧測定用の端子６が設けられた第１のセル２ａ（２）と、カソード電極１２（図２参照）側のセパレータ５に電圧測定用の端子７が設けられた第２のセル２ｂ（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２ｃ（２）とを備えている。そして、前記第１のセル２ａは＋極側の端部に配置されるとともに、前記第２のセル２ｂは−極側の端部に配置され、それぞれの端部から前記第１のセル２ａと前記第３のセル２ｃ、前記第２のセル２ｂと前記第３のセル２ｃとを交互に積層してなる。
【００１８】
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にコネクタ８を、第２のセル２ｂが有する端子７にコネクタ９をそれぞれ接触させることで、第１のセル２ａのアノード電極１１、第２のセル２ｂのカソード電極１２の電位を検出することができる。
【００１９】
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。
【００２０】
図３は本実施の形態における第１のセル、第２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に設けられた端子６、前記第２のセル２ｂのセパレータ５に設けられた端子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。
【００２１】
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。
【００２２】
このとき、積層方向に隣合うセル２ａ、２ｃまたはセル２ｂ、２ｃ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、＋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の電位は、これに隣合う第２列の第３のセル２ｃのアノード電極１１の電位Ｖと同電位になっている。また、−極側の第ｎ列に位置する第２のセル２ｂのアノード電極１１は、これに隣合う第ｎ−１列に位置する第３のセル２ｃのカソード電極１２と同電位になっている。
【００２３】
本実施の形態においては、第３のセル２ｃを前記第１のセル２ａまたは前記第２のセル２ｂと交互に積層してなる構成を備えているので、積層方向に隣合う２つのセル（第１のセル２ａと第３のセル２ｃ、第２のセル２ｂと第３のセル２ｃ）間での電位差を求めることができる。従って、発電に関係しないダミーセパレータや端子、コネクタを別途端部に設ける必要がなくなり、部品点数やコスト、積層幅を抑制して、重量を抑えつつ、両端部のセル電圧を検出することができる。
【００２４】
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１／４程度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。
【００２５】
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。実施の形態では、第３のセルを前記第１のセルまたは前記第２のセルと交互に積層してなる場合について説明したが、必要とされる電圧の検出精度によって第３のセルの数を増減させることができる。例えば、第３のセルを設けずに第１のセルと前記第２のセルとで構成するようにしてもよい。この際には、燃料電池の一端から第１のセル、他端から第２のセルのみを積層してきたとき、中央部では陽極、陰極の両極に端子を設けるセルを配置することで全セルを検出することができる。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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【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、第２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】
【００２７】
１…燃料電池
２（２ａ、２ｂ、２ｃ）…セル
２ａ…第１のセル
２ｂ…第２のセル
２ｃ…第３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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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