(57)【要約】【課題】  セルモニタ装着部の剛性、強度が向上された燃料電池の提供。【解決手段】  本発明の燃料電池１０は、対向するセパレータのうち一方のセパレータ１８と、セパレータ間に介在する介在物４２とをセルモニタ４０に挟持させた燃料電池である。介在物４２の端部が一方のセパレータのセルモニタ装着部４１の縁部まで延設されている燃料電池である。介在物４２は、電解質体の保持、セパレータ間のスペーサ（樹脂フレーム５３である場合を含む）および、シール材の何れかの役割を果たす部材である。セパレータの、セルモニタが装着されるセルモニタ装着部４１の板面は、セルモニタ４０の端子と面接触して互いに導通する。たとえば、セパレータはメタルセパレータであり、介在物はセパレータ間のスペーサである樹脂フレーム５３である。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向するセパレータのうち一方のセパレータと、セパレータ間に介在する介在物とをセルモニタに挟持させる燃料電池。
【請求項２】
対向するセパレータと、該対向するセパレータ間に介在する介在物とを有する燃料電池であって、前記対向するセパレータのうち一方のセパレータと前記介在物とをセルモニタに挟持させることが可能なように、前記介在物の端部が前記一方のセパレータのセルモニタ装着部の縁部まで延設されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記介在物は、電解質体の保持、セパレータ間のスペーサ、および、シール材の何れかの役割を果たす部材である請求項１または請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータの、セルモニタが装着されるセルモニタ装着部の板面は、セルモニタの端子と面接触して互いに導通する請求項１〜請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記セパレータはメタルセパレータであり、前記介在物はセパレータ間のスペーサである樹脂フレームである請求項１〜請求項４記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、とくに燃料電池のセルモニタ保持部に関する。
【背景技術】
【０００２】
単位燃料電池はＭＥＡ（膜−電極接合体）をセパレータで挟んだものを含む。セパレータがメタルセパレータを含む場合は、ＭＥＡとセパレータの間に構造材（たとえば、樹脂フレーム）が介在してもよい。
単位燃料電池を複数積層して燃料電池スタックが形成される。燃料電池スタックの各単位燃料電池または適宜の燃料電池には、電圧を測定するためのセル電圧モニタ（以下、セルモニタという）が装着される。
特開２００４−６３１７６号公報に開示されているように、または図７に示すように、従来のセルモニタ１は、単位燃料電池の一対のセパレータのうち一方のセパレータ２のみを挟持するように、燃料電池に装着される。セルモニタ１は一対のセパレータの間に介在される介在物４を挟持しない。
【特許文献１】特開２００４−６３１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の従来のセルモニタ装着構造には以下の課題があった。
１枚のセパレータにセルモニタを装着し保持させていたので、セルモニタに過大な外力がかかると、セパレータが曲がったり、折れるおそれがあり、燃料電池のセルモニタ装着部の剛性、強度向上が望まれる。とくに、セパレータが薄いメタルセパレータを含む場合は、変形または折損しやすいので、燃料電池のセルモニタ装着部の剛性、強度向上の要望が強い。
本発明の目的は、セルモニタ装着部の剛性、強度が向上された燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明の燃料電池は、対向するセパレータのうち一方のセパレータと、セパレータ間に介在する介在物とをセルモニタに挟持させた燃料電池である。
本発明の燃料電池は、対向するセパレータと、該対向するセパレータ間に介在する介在物とを有する燃料電池であって、対向するセパレータのうち一方のセパレータと介在物とをセルモニタに挟持させることが可能なように、介在物の端部が一方のセパレータのセルモニタ装着部の縁部まで延設されている燃料電池である。
本発明の燃料電池において、介在物は、電解質体の保持、セパレータ間のスペーサ（樹脂フレームである場合を含む）および、シール材の何れかの役割を果たす部材である。
望ましくは、セパレータの、セルモニタが装着されるセルモニタ装着部の板面は、セルモニタの端子と面接触して互いに導通する。
たとえば、セパレータはメタルセパレータであり、介在物はセパレータ間のスペーサである樹脂フレームである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の燃料電池によれば、介在物をセパレータとともにセルモニタに挟持させたので、セルモニタがセパレータのみの挟持していた従来に比べて、燃料電池のセルモニタ装着部の強度、剛性が向上する。
セパレータがメタルセパレータ、介在物が樹脂フレームの場合は、薄く剛性が比較的低い１枚のメタルセパレータのみをセルモニタに挟持させていた従来に比べ、メタルセパレータと１枚以上の樹脂フレームの両方をセルモニタに挟持させる本発明の方が、燃料電池のセルモニタ装着部の強度、剛性が向上する。
セパレータの、セルモニタが装着されるセルモニタ装着部の板面が、セルモニタの端子と面接触して互いに導通している場合は、薄いセパレータの端面がセルモニタの端子と接触している場合に比べて接触面積を大きくとることができ、接触抵抗を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下に、本発明の燃料電池を図１−図５を参照して説明する。
本発明が適用される燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。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】
図３−図５に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体を含む。
膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜を含む電解質（電解質膜）１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層を含む電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層を含む電極（カソード、空気極）１７とを含む。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（ガス拡散層ともいう）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１０を構成し、セル１０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、エンドプレート２２を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）に、ボルト・ナット２５にて固定して、セル積層体にセル積層方向の締結荷重を付与して、燃料電池スタック２３を構成する。
【０００８】
セパレータ１８には、発電領域５１において、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１８にはガス流路２７、２８と反対側の面に冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６も形成されている。セパレータ１８には、非発電領域５２において、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成されている。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７と連通しており、酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８と連通しており、冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６と連通している。
セパレータ１８は、カーボンセパレータ、またはメタルセパレータ、または導電性樹脂セパレータを含む。セパレータ１８が、メタルセパレータを含む場合、メタルセパレータ１８の材料は、たとえば、ステンレススチール、アルミニウムまたはその合金、チタンまたはその合金、マグネシウムまたはその合金、等である。
【０００９】
各セル１０の、アノード１４側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜１１中をカソード１７側に移動し、カソード１７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）から水が生成され、次式にしたがって発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【００１０】
各種流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）は、互いに、かつ外部から、それぞれシールされる。各セル１０のＭＥＡを挟む２つのセパレータ１８間は、第１のシール部材３２によってシールされており、隣接するセル１０同士の間は、第２のシール部材３３によってシールされている。セパレータがメタルセパレータを含む場合は、メタルセパレータ１８と電解質膜１１との間に、非発電領域５２において、樹脂フレーム５３（発電領域５１が中抜きされた樹脂製フレームで、マニホールド孔は具備しているフレーム）が介装される場合があるが、その場合は、メタルセパレータ１８と樹脂フレーム５３との間、および樹脂フレーム５３と電解質膜１１との間が第１のシール部材３２によってシールされる。
第１のシール部材３２は、たとえば接着剤シール（シール接着剤）を含み、第２のシール部材３３は、たとえば、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）等のゴムシール材を含む。ただし、第１のシール部材３２、第２のシール部材３３とも、接着剤シール剤、またはゴムシール材を含んでもよい。
【００１１】
図１、図２に示すように、燃料電池スタック２３には、セル情報（セル電圧、セル温度、または他の情報）を検出するセルモニタ４０が、セル１０のセルモニタ装着部４１にて、装着される。
セルモニタ４０は、
（イ）各セル１０に、または、
（ロ）複数のセル毎に、または、
（ハ）セル積層方向の一部のセル積層部分では各セルに、および、セル積層方向の残りの部分のセル積層部分には複数のセル毎に、
セル１０に装着される。
本実施例では電圧を測定するためのセルモニタを例にあげて説明する。セルモニタ４０は、コンピュータ（制御回路）６０側の端子であり、セパレータ１８の表面の導通部分と接触するよう燃料電池に取付けられた場合に、コンピュータ６０とセル１０の各極とを導線６１などを介して導通させる役割を果たす。複数のセルが積層された燃料電池の場合、すべてのセルにつき、それぞれのセパレータ１８とコンピュータ６０とを導通させてもよいし、隣接するセル１０間において互いに導通させられたセパレータ１８については同電位とみなし、いずれか一方のセパレータ１８とコンピュータ６０とを導通させてもよい。図２は、隣接するセルののうち一方のセルのセパレータ１８とコンピュータ６０とが導通させられた例を示す。この構成のもと、コンピュータ６０においては、各セルの極間電圧などのセル１０の電気的特性を測定することができる。
燃料電池にセルモニタ４０を取り付ける構成としては、後述する介在物とセパレータとを弾性力によって、セパレータの厚み方向に挟持して取り付ける構成としてもよいし、セパレータと介在物の少なくとも一方と係合する構成としてもよい。
【００１２】
複数のセル毎にセルモニタ４０が装着される場合は、（イ）セルモニタ４０が装着されるセル１０のみにセルモニタ装着部４１を設けてもよいし、（ロ）あるいは全セル１０にセルモニタ装着部４１を設けておきセルモニタ４０が装着されるセル１０のみにセルモニタ４０を装着してもよいし、（ハ）あるいは全セル１０にセルモニタ装着部４１を設けておき全セル１０にセルモニタ４０を装着しセル情報は欲しいセルのセルモニタ４０の信号のみをコンピュータに入力するようにしてもよい。
各セルモニタ４０の電気信号は、コンピュータ（制御回路）６０に送られて、セルの運転制御のための情報として用いられる。
【００１３】
セル１０の一対のセパレータ１８のうち一方のセパレータの外形縁部の少なくとも一部を他方のセパレータの外形縁部よりセパレータの外方に位置させて形成しておく。この外方位置部がセル１０のセルモニタ装着部４１を構成する。この場合、図１に示すように一方のセパレータの外形縁部を他方のセパレータの外形縁部より突出させてもよいし、あるいは、図６（Ａ）に示すように一方のセパレータの外形縁部を突出させる代わりに、他方のセパレータの外形縁部を一方のセパレータの外形縁部より後退させてもよい。さらに、図６（Ｂ）に示すように、一方のセパレータ（セルモニタ４０が導通されるセパレータ）の縁辺のうちセルモニタ４０が取り付けられる部分を面内方向に突出させるとともに、他方のセパレータ（セルモニタ４０が導通されないセパレータ）の対応する部分について、面内方向に縁辺から後退させてもよい。セル１０のセルモニタ装着部４１以外の部分では、セルの対向する一対のセパレータ１８の外郭形状は、互いに同じであってもよい。
【００１４】
セルモニタ４０は、セル１０の対向するセパレータ１８のうち一方のセパレータ（アノード側セパレータでもカソード側セパレータでもよい）と、セパレータ１８間に介在する介在物４２（たとえば、樹脂フレーム５３、および／または、シール材３２、３３）とを挟持する。セルモニタ４０は、セル１０の対向するセパレータ１８のうち他方のセパレータを挟持しない。
セルモニタ４０は、セル１０のセルモニタ装着部４１を挟持する挟持型のモニタであり、セルモニタ装着部４１を挟持することによってセル１０のセルモニタ装着部４１に固定されるとともに保持されるモニタである。したがって、セルモニタ４０は、穴にプラグを差し込むプラグ差し込み型のモニタではない。
【００１５】
本発明のセルモニタ装着構造では、図２に示すように、互いに対向するセパレータ１８と、該対向するセパレータ１８間に介在する介在物４２とを有する燃料電池１０において、互いに対向するセパレータ１８のうち一方のセパレータ（この一方のセパレータはアノード側セパレータでもカソード側セパレータでもよい）と、互いに対向するセパレータ１８間の介在物４２（介在物が複数枚ある場合は少なくとも１枚の介在物４２）とを、セルモニタ４０に挟持させることが可能なように、介在物４２の端部が一方のセパレータ１８のセルモニタ装着部４１の縁部まで延設されていることが望ましい。互いに対向するセパレータ１８のうち他方のセパレータは、一方のセパレータ（セルモニタ４０が装着される方のセパレータ）のセルモニタ装着部４１の縁部までは延びていないことが望ましい。
【００１６】
介在物４２は、電解質体（たとえば、電解質膜１１）の保持、セパレータ１８間のスペーサ（たとえば、絶縁性の樹脂フレーム５３など）、および、シール材３２、３３の何れかの役割を果たす部材である。図示例では、セパレータ１８がメタルセパレータであり、介在物４２がセパレータ１８間のスペーサである樹脂フレーム５３を含む。介在物４２がセパレータ樹脂フレーム５３とシール材３２、３３を含んでもよい。
【００１７】
セルモニタ４０は、絶縁性（たとえば、樹脂製）のハウジングと、ハウジングに支持された導電性（たとえば、金属製、たとえば、銅製）の端子を含む。セパレータ１８の、セルモニタ４０が装着されるセルモニタ装着部４１の板面４３（電解質膜１１と平行な面）は、セルモニタ４０の端子と面接触して互いに導通する。セパレータ１８の、セルモニタ４０が装着されるセルモニタ装着部４１の板面４３（電解質膜１１と平行な面）と直交する端面４４は、セルモニタ４０の端子と接触していてもよいし、あるいは接触していなくてもよい。
【００１８】
つぎに、本発明の作用、効果を説明する。
本発明の燃料電池１０では、介在物４２（たとえば、セパレータ１８にメタルセパレータを用いた場合における、樹脂フレーム５３）をセパレータ１８とともにセルモニタ４０に挟持させたので、セルモニタがセパレータのみの挟持していた従来（図７）に比べて、燃料電池のセルモニタ装着部４１の強度、剛性が向上する。
【００１９】
すなわち、セパレータ１８がメタルセパレータ、介在物４２が樹脂フレーム５３の場合は、薄く剛性が比較的低い１枚のメタルセパレータのみをセルモニタに挟持させていた従来（図７）に比べ、メタルセパレータ１８と１枚以上（図では電解質膜１１を挟む２枚）の樹脂フレーム５３との両方をセルモニタ４０に挟持させる本発明の方が、燃料電池１０のセルモニタ装着部４１の強度、剛性が向上する。その結果、セル１０のセルモニタ装着部４１が曲がったり、変形したり、あるいは折損することがなくなる。
【００２０】
また、セパレータ１８の、セルモニタ４０が装着されるセルモニタ装着部４１の板面４３が、セルモニタ４０の端子と面接触して互いに導通している場合は、薄いセパレータの端面がセルモニタの端子と接触している場合に比べて接触面積を大きくとることができ、接触抵抗を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の燃料電池の概略正面図である。
【図２】本発明の燃料電池の、セルモニタ装着部とその近傍を含む、概略断面図（図１のＡ−Ａ断面図）である。
【図３】本発明の燃料電池を組み込んだ燃料電池スタックの側面図である。
【図４】図３の一部の拡大断面図である。
【図５】図３のうちセルの概略正面図である。
【図６】（Ａ）は、本発明の燃料電池の、隣接セルの一方のセパレータの縁辺が他方のセパレータの縁辺よりも突出している場合のセルモニタ取付け部の正面図であり、  （Ｂ）は、本発明の燃料電池の、隣接セルの一方のセパレータの縁辺が突出し他方のセパレータの縁辺の対応部が後退している場合のセルモニタ取付け部の正面図である。
【図７】従来の燃料電池の、セルモニタ装着部とその近傍を含む、概略断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池（セル）
１１  電解質膜（電解質）
１３、１６  拡散層
１４  アノード
１７  カソード
１８  セパレータ
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  燃料電池スタック
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  冷媒マニホールド
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  第１のシール部材
３３  第２のシール部材
４０  セルモニタ
４１  （セルの）セルモニタ装着部
４２  介在物
４３  板面
４４  端面
５１  発電領域
５２  非発電領域
５３  樹脂フレーム（セパレータ間介在物）
６０  コンピュータ
６１  導線
【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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【図６】
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【図７】
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