(57)【要約】【課題】  冷媒の液絡や外部との地絡を防止しつつ、外部から容易にセル電圧を測定可能にする。【解決手段】  導電材料からなる導電部が絶縁材料からなる絶縁部３２，４２により囲繞されてなる一対のセパレータ３，４のうち、少なくとも一方のセパレータ３の絶縁部３２の内面にセル側端子４７を設ける。このセル側端子４７の内周側端部４７ａは膜電極構造体２に当接し、外周側端部４７ｃは絶縁部３２，４２の外周側に延出している。測定側端子６１の端子電極６５は、対向する絶縁部３２，４２間にその隙間方向に弾性圧縮された状態で挿入され、その弾性復元力により内外連絡端子４７の外周側端部４７ｃを押圧している。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル電圧測定装置側の端子と燃料電池側の端子間接続構造であって、
前記燃料電池は、電極面部を有する導電部が絶縁部により囲繞されてなる一対のセパレータにより、電解質の両側に電極を設けてなる膜電極構造体を挟持して構成されると共に、前記一対のセパレータの少なくとも一方の絶縁部には、その内周側から外周側に延出し且つ内周側端部が前記膜電極構造体または前記導電部に接する内外連絡端子が設けられてなり、
前記セル電圧測定装置側の端子には、対向する前記一対のセパレータの絶縁部間にその隙間方向に弾性圧縮された状態で挿入されてその弾性復元力により前記内外連絡端子の外周側端部を押圧する端子電極が設けられていることを特徴とするセル電圧測定装置側の端子と燃料電池側の端子間接続構造。
【請求項２】
前記絶縁部は、反応ガスまたは冷媒が流通する連通孔を有することを特徴とする請求項１に記載のセル電圧測定装置側の端子と燃料電池側の端子間接続構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セル電圧測定装置側の端子と燃料電池側の端子間接続構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、例えば固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで両側から挟み込み、さらにその外側にセパレータを設けて単位燃料電池（以下、「単位セル」という。）を構成したものがある。
この種の燃料電池は、発電電圧確保のため、実際の使用に際しては、前記単位セルを複数積層して燃料電池スタック（以下、「スタック」という。）とする場合が多く、かかる場合には、各単位セルの発電状態を監視するために、セル電圧を測定する必要がある。
【０００３】
従来のセパレータは、例えばカーボンや金属などの導電性材料が使用されていたため（以下、「導電性セパレータ」という。）、セパレータの一部をセル電圧測定端子の形状にすることにより、あるいは、セパレータの外周面に丸穴を明け、この丸穴にバナナクリップにて出力端子の一端を接続することにより（例えば、特許文献１参照）、外部から容易にセル電圧を測定することができた。
【特許文献１】特開平９−２８３１６６号公報
【０００４】
しかしながら、この導電性セパレータを用いてスタックを構成した場合には、単位セル間の電位差により、冷却水（冷媒）流路を伝って漏電（液絡）や地絡が発生する可能性があるため、冷却水には高度な絶縁性が要求され、導電性イオンを除去するためにイオン交換器の設置が必要となっていた。
【０００５】
その対策として、近年、電極に接する部分（電極面部）に金属などの導電性材料を用い、電極面部以外の部分、すなわち、電極面部の外周部分で反応ガスや冷却水の連通孔を形成する部分に絶縁性材料を用いた、いわゆる複合型セパレータの提案がなされている。
この複合型セパレータを用いてスタックを構成した場合には、単位セル間の冷却水縁面距離（絶縁距離）が長くなるので、冷却水に高度な絶縁性が要求されなくなるほか、金属製セパレータにおける錆の発生も抑えることができる。さらに、セパレータの外縁部が絶縁材料からなるので、外部との地絡も有効に防止することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、前記複合型セパレータは、電極面部の面方向外方側（セパレータ外周側）が絶縁構造になっているため、冷却水による液絡や外部との地絡を有効に防止できるという長所を持つ反面、セル電圧の測定が非常に困難になるという短所も持ち合わせている。
かかる事情から、液絡や地絡を防止しつつ、各単位セル毎の発電状態を監視可能とする技術の開発が望まれている。
【０００７】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷媒の液絡や外部との地絡を防止しつつ、外部から容易にセル電圧を測定可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、セル電圧測定装置側の端子（例えば、後述する実施の形態における測定側端子６１）と燃料電池（例えば、後述する実施の形態における単位セル１）側の端子間接続構造であって、
前記燃料電池は、電極面部（例えば、後述する実施の形態における電極面部３１Ａ，４１Ａ）を有する導電部（例えば、後述する実施の形態における導電部３１，４１）が絶縁部（例えば、後述する実施の形態における絶縁部３２，４２）により囲繞されてなる一対のセパレータ（例えば、後述する実施の形態におけるカソード側セパレータ３，アノード側セパレータ４）により、電解質（例えば、後述する実施の形態における固体高分子電解質膜２１）の両側に電極（例えば、後述する実施の形態におけるカソード側ガス拡散電極２２，アノード側ガス拡散電極２３）を設けてなる膜電極構造体（例えば、後述する実施の形態における膜電極構造体２）を挟持して構成されると共に、前記一対のセパレータの少なくとも一方の絶縁部には、その内周側から外周側に延出し且つ内周側端部（例えば、後述する実施の形態における内周側端部４７ａ）が前記膜電極構造体または前記導電部に接する内外連絡端子（例えば、後述する実施の形態におけるセル側端子４７）が設けられてなり、
前記セル電圧測定装置側の端子（例えば、後述する実施の形態における測定側端子６１）には、対向する前記一対のセパレータの絶縁部間にその隙間方向に弾性圧縮された状態で挿入されてその弾性復元力により前記内外連絡端子の外周側端部を押圧する端子電極（例えば、後述する実施の形態における端子電極６５）が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
この端子間接続構造によれば、絶縁部によって外部との地絡防止が施された燃料電池に対しても、セル電圧測定に際し、燃料電池内外の電気的な接続が確保される。
また、セル電圧測定装置側の端子電極と内外連絡端子の外周側端部との間に十分な接触圧が確保されるので、接触抵抗も下がる。
さらに、振動や衝撃等、セル電圧測定装置側の端子電極が燃料電池から相対離間させられるような外乱に対しても、電気的接続の信頼性が維持される。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のセル電圧測定装置側の端子と燃料電池側の端子間接続構造において、
前記絶縁部は、反応ガスまたは冷媒が流通する連通孔（例えば、後述する実施の形態における入口側酸化剤ガス連通孔３４ａ，出口側酸化剤ガス連通孔３４ｂ，入口側燃料ガス連通孔３５ａ，出口側燃料ガス連通孔３５ｂ，入口側冷却水連通孔３６ａ，および出口側冷却水連通孔３６ｂ）を有することを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、連通孔を流通する冷媒による液絡を絶縁部によって有効に防止しつつ、外部から容易に電位を取り出すことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下の効果を得る。
請求項１に係る発明によれば、絶縁部によって外部との地絡防止が施された燃料電池に対しても、セル電圧測定装置側の端子を内外連絡端子の外周側端部に接続すれば、燃料電池内外の電気的な接続が確保されるので、外部から容易に電位を取り出すことができる。
また、振動や衝撃等、セル電圧測定装置側の端子が燃料電池から相対離間させられるような外乱に対しても、電気的接続の信頼性が確保されるので、セル電圧測定を高精度に行うことができる。
さらに、セル電圧測定装置側の端子電極と内外連絡端子の外周側端部との間に十分な接触圧を確保し得るので、接触抵抗を下げることができる。
【００１３】
請求項２に係る発明によれば、連通孔を流通する冷媒による液絡を絶縁部によって有効に防止しつつ、外部から容易に電位を取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら、本発明実施のための最良の形態について説明する。
図３は、セル電圧測定装置側の端子を燃料電池スタック側の端子に接続する前の状態を示す縦断面図である。
単位燃料電池（以下、「単位セル１」という。）は、膜電極構造体（ＭＥＡ）２と、これを挟持するカソード側セパレータ３及びアノード側セパレータ４とを備えてなる。そして、この単位セル１が多数積層されることにより、例えば車両用の燃料電池スタック（以下、「スタック５」という。）が構成される。
【００１５】
膜電極構造体２は、固体高分子電解質膜２１と、この固体高分子電解質膜２１をその外側から挟み込むカソード側ガス拡散電極２２およびアノード側ガス拡散電極２３と、これら固体高分子電解質膜２１とカソード側およびアノード側ガス拡散電極２２，２３との間に設けられる白金を含む触媒層（図示略）とを備えて構成されている。
この膜電極構造体２は、固体高分子電解質膜２１の外寸を基準にすると、カソード側ガス拡散電極２２は略同寸であるが、アノード側ガス拡散電極２３は小寸とされた段差構造をなしている。
【００１６】
カソード側セパレータ３およびアノード側セパレータ４は、いずれも金属製（例えば、ステンレス、ハステロイ、インコネル、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉなど）の導電部３１，４１と、その外周を囲繞するように設けられた樹脂製の絶縁部３２，４２とが相互接続されてなる。
この相互接続は、導電部３１，４１と絶縁部３２，４２間の熱膨張差を吸収する等の目的で、例えばシリコンゴムなどの弾性体からなる結合部を介して接続してもよい。この場合、導電部３１，４１と絶縁部３２，４２とが結合部によって完全に分離されている構造に限らず、導電部３１，４１の少なくとも一部が絶縁部３２，４２の中に入り込んだ構造でもよい。
【００１７】
カソード側およびアノード側の各導電部３１，４１は、金属板をプレス成形することにより、平坦な山部と谷部とが交互に連続する断面波形に形成されている。各導電部３１，４１の谷部外面は、それらの間に挟持される膜電極構造体２の各外面に面接触しており、
該接触面が各セパレータ３，４における電極面部３１Ａ，４１Ａを構成している。
これら導電部３１，４１は金属製に限らず、カーボンや導電性樹脂など導電材料から構成されるものであればよい。
【００１８】
カソード側およびアノード側セパレータ３，４の絶縁部３２，４２は、図４に示すように、樹脂を射出成形することにより周方向に間隔をおいて入口側酸化剤ガス連通孔３４ａ，出口側酸化剤ガス連通孔３４ｂ，入口側燃料ガス連通孔３５ａ，出口側燃料ガス連通孔３５ｂ，入口側冷却水連通孔３６ａ，および出口側冷却水連通孔３６ｂを有する矩形枠状に形成されている。なお、図４は、カソード側セパレータ３を示している。
これら絶縁部３２，４２は樹脂製に限らず、ゴム，シリコン，セラミックスなど絶縁材料から構成されるものであればよい。
【００１９】
カソード側絶縁部３２の内面側には、セル内外の電気的な接続（導通）を可能にするセル側端子（内外連絡端子）４７が設けられている。
このセル側端子４７は、カソード側絶縁部３２の主体をなす樹脂部３２ａを予め射出成形などにより成形しておき、この樹脂部３２ａに導電性材料を部分メッキしたり、ＰＶＤやＣＶＤで蒸着させるなどの各種表面処理を施すことにより設けられる。
【００２０】
セル側端子４７の樹脂部３２ａへの配設位置は、入口側および出口側冷却水連通孔３６ａ，３６ｂを流通する冷却水（冷媒）の液絡を有効に防止する観点から、これら冷却水連通孔３６ａ，３６ｂの周囲から離しておくことが好ましく、本実施の形態では、図４に示すように、２つの入口側酸化剤ガス連通孔３４ａ，３４ａ間の樹脂部３２ａに設けられている。
【００２１】
セル側端子４７の配設位置は、図４に示す位置に限らず、２つの出口側酸化剤ガス連通孔３４ｂ，３４ｂ間、入口側燃料ガス連通孔３５ａ，３５ａ間、出口側燃料ガス連通孔３５ｂ，３５ｂ間、入口側又は出口側酸化剤ガス連通孔３４ａ，３４ｂと出口側又は入口側燃料ガス連通孔３５ｂ，３５ａとの間の各樹脂部３２ａであってもよい。
【００２２】
セル側端子４７の内周側端部４７ａは、膜電極構造体２のカソード側外面２Ａに接している。
ここで、アノードガスのシールは、アノード側絶縁部４２とカソード側絶縁部３２とにより、アノード側絶縁部４２に前記電極面部３１Ａ，４１Ａを二重に取り囲むようにして配設されるリブ状シール部材５１ａ，５１ｂのうち内側のリブ状シール部材５１ｂを介して膜電極構造体２を挟むことにより成立しているが、この内側のリブ状シール部材５１ｂの弾性復元力により生ずるシール面圧によって、カソード側絶縁部３２の内面３２Ａに設けられたセル側端子４７の内周側端部４７ａは膜電極構造体２に押し付けられ、これらセル側端子４７と膜電極構造体２との接触はより確実なものになっている。
【００２３】
他方、セル側端子４７の外周側端部４７ｃ、言い換えれば、外側のリブ状シール部材５１ａが絶縁部３２ａと当接するシール当接面３２Ｄよりも面方向外方（外周側）の部分は、セル電圧測定装置側の端子（以下、「測定側端子６１」という。）と接続されている。
【００２４】
測定側端子６１は、図２に示すように、例えば樹脂等からなる本体部６２と、その前面６２Ａすなわち接続時にスタック５に対向する面から端子挿入方向（図１では白抜矢印の指す方向）に突出する複数の電極保持部６３およびスペーサ部６４と、前記本体部６２及び電極保持部６３をこの順に挿通して電極保持部６３の先端面にて端子離脱方向に折り返されてなる端子電極６５とを備えて構成されている。
【００２５】
電極保持部６３と端子電極６５は、一の単位セル１を構成するカソード側セパレータ３とアノード側セパレータ４との間に形成された隙間Ｓ１に挿入される。
また、スペーサ部６４は、単位セル１間の隙間Ｓ２、すなわち、隣り合う単位セル１の一方のカソード側セパレータ３と、他方の単位セル１のアノード側セパレータ４との間に形成された隙間に挿入される。
スペーサ部６４は、端子挿入方向に向かうに従い、燃料電池積層方向の寸法が漸次減少するような縦断面台形の先細り形状をなしている。
【００２６】
端子電極６５は、バネ性（弾性）を有する材料から円弧状に湾曲形成されており、端子挿入時における入口側と端子離脱時における出口側のそれぞれに傾斜面部６５ａ，６５ｂを備えると共に、これら傾斜面部６５ａ，６５ｂ間には燃料電池積層方向に沿って外側に膨らむ膨出部６５ｃを備えてなる。
そして、膨出部６５ｃの最外面と、電極保持部６３の絶縁部４２に接する面６３Ａとの燃料電池積層方向の離間寸法ｔは、カソード側及びアノード側の各絶縁部３２，４２間の隙間寸法Ｔよりも大きくなるように設定されている。
【００２７】
測定側端子６１をセル側端子４７に接続するために絶縁部３２，４２間に挿入すると、端子電極６５の膨出部６５ｃは、前記離間寸法ｔが間隙寸法Ｔと等しくなるように弾性変形しながら、つまり、対向する絶縁部３２，４２間の隙間Ｓ１にその隙間方向に弾性圧縮されながら挿入される。
よって、端子電極６５は、前記隙間方向の弾性復元力によりセル側端子４７の外周側端部４７ｃを押圧し、該外周側端部４７ｃに密接する。
【００２８】
このとき、隣り合う単位セル１間の隙間Ｓ２にスペーサ部６４が挿入されているので、端子電極６５からの弾性復元力を受けるカソード側およびアノード側絶縁部３２，４２の反りは有効に防止される。
さらに、端子電極６５は、その傾斜面部６５ａ，６５ｂにより引っ掛かりを生ずることなく円滑に絶縁部３２，４２間へ挿脱される。
【００２９】
以上説明したように、本実施の形態による端子間接続構造によれば、測定側端子６１をカソード側およびアノード側絶縁部３２，４２間に挿入して端子電極６５をセル側端子４７の外周側端部４７ｃに接続すれば、セル内外およびスタック内外との電気的導通が確保されるので、連通孔部分や外部との絶縁性能を維持しつつシール性能も阻害せずに、外部からのセル電圧測定が可能となる。
しかも、振動や衝撃等、測定側端子がスタック５から相対離間させられるような外乱に対しても、電気的接続の信頼性が維持されるので、セル電圧測定を高精度に行える。
【００３０】
また、内側のリブ状シール部材５１ｂによるシール面圧によって、セル電圧測定に十分な接触圧をセル側端子４７と膜電極構造体２間に生じさせることができるので、接触抵抗が下がり、正確な測定が可能となる。
さらに、セル側端子４７は、入口側および出口側冷却水連通孔３６ａ，３６ｂの周囲を避けて、入口側酸化剤ガス連通孔３４ａ，３４ａの間に配設されているので、冷却水からの漏電（液絡）を有効に防止することができる。
【００３１】
本発明は前記実施の形態に限定されるものでなく、例えば下記の構成を採用することも可能である。
（１）各単位セル１に測定側端子６１を接続して単位セル１ごとにセル電位を取り出す代わりに、ｎセル（ｎ＝１以上の整数）おきに測定側端子６１を接続してもよい。
（２）セル側端子４７の内周側端部４７ａを膜電極構造体２のカソード側外面２Ａに当接させる代わりに、膜電極構造体２のアノード側外面やセパレータ３，４の導電部３１，３２に当接させてもよい。
【００３２】
（３）測定側端子６１と接続可能であれば、セル側端子４７の最外周端を絶縁部３２の外周端面３２Ｂよりも内周側に位置させてもよい。
（４）セル側端子４７は、カソード側絶縁部３２に代えて、あるいはカソード側絶縁部３２と共に、アノード側絶縁部３１に設けてもよい。
（５）カソード側絶縁部３２の樹脂部３２ａを予め成形し、樹脂部３２ａにセル側端子４７を各種の表面処理法を用いて設ける代わりに、樹脂部３２ａを成形する際に金属プレート等をインサート成形してセル側端子４７を設けてもよい。
（６）膜電極構造体２において、カソード側ガス拡散電極２２とアノード側ガス拡散電極２３とは同寸であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施の形態によるセル電圧測定装置側の端子と燃料電池スタック側の端子間接続構造を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す測定側端子の拡大図である。
【図３】図１に示すセル電圧測定装置側の端子を燃料電池スタック側の端子に接続する前の状態を示す縦断面図である。
【図４】図１に示すカソード側セパレータを内面側（電極面部側）から見た平面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  単位セル（燃料電池）
２  膜電極構造体
３  カソード側セパレータ
４  アノード側セパレータ
５  スタック（燃料電池スタック）
２１  固体高分子電解質膜（電解質）
２２  カソード側ガス拡散電極（電極）
２３  アノード側ガス拡散電極（電極）
３１、４１  導電部
３１Ａ、４１Ａ  電極面部
３２、４２  絶縁部
３４ａ  入口側酸化剤ガス連通孔（連通孔）
３４ｂ  出口側酸化剤ガス連通孔（連通孔）
３５ａ  入口側燃料ガス連通孔（連通孔）
３５ｂ  出口側燃料ガス連通孔（連通孔）
３６ａ  入口側冷却水連通孔（連通孔）
３６ｂ  出口側冷却水連通孔（連通孔）
４７  セル側端子（内外連絡端子）
４７ａ  内周側端部
４７ｃ  外周側端部
６１  測定側端子（セル電圧測定装置側の端子）
６５  端子電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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