(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体を一対のセパレータにより挟持してセルを構成し、複数の前記セルを水平方向に積層して構成された燃料電池において、前記セパレータに前記セルの電圧検出用の端子を接続する燃料電池であって、
前記セパレータの前記膜電極接合体側の側面に、前記セパレータの上面に開口する凹部が形成され、
前記端子は、弾性体からなる対向離間配置された一対の挟持片を有する挟持部を備え、
隣り合う前記セルの隣り合う前記セパレータに形成された前記凹部に、前記一対の挟持片を押し広げて差し込むことにより、前記セパレータに前記端子を接続することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記凹部は、その内壁に前記セパレータの厚さ方向に窪む凹溝または突出する凸条を備え、
前記挟持部は、その内面側に前記凹溝または前記凸条と係合する凸条部または凹面部を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記端子は、前記セパレータからの検出電圧を測定する回路基板に接続されると共に、これらセパレータと回路基板との間に両者の相対変位を許容する可撓部を備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記膜電極接合体を挟持する前記一対のセパレータに形成された前記凹部は、前記セパレータの厚み方向と直交する方向に位置をずらして配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を構成する各セルの電圧を検出するために用いる端子と、それが取り付けられるセル側の端子取付部に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固定高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルを、セパレータにより挟持して複数積層することにより構成された燃料電池が知られている。燃料電池においては、アノード側電極に供給された燃料ガスは、触媒電極上でイオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極へと移動する。そ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として利用される。こうした電気エネルギを取り出し続けるには、各セルが良好に機能している必要がある。
燃料電池運転時に各セルが正常な状態にあるかどうかを知るには、セル電圧の測定を行えばよく、従来より、セル電圧検出端子装置として、図９及び図１０に示すような差込式端子を用いた装置が知られている。
この電圧検出端子装置は、燃料電池スタック１を構成するセル２の近くに設けられたセル電圧測定用の回路基板３と、その回路基板３に固定されたセル電圧検出端子４と、セル２に形成された端子取付穴５とを備えて構成されている。
【０００３】
この電圧検出端子装置は、セル２に設けられた端子取付穴５の内壁と、そこに差し込まれたセル電圧検出端子４が接触し、セル電圧がセル電圧検出端子４を経由して回路基板３に伝わるので、回路基板３内で隣り合うセル２の電位差からセル電圧を測定し、燃料電池制御装置（図示略）へと伝える。
従って、セル２の異常は、セル電圧の低下として検知されることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の構成では、以下に掲げる問題があった。
（１）単にセル電圧検出端子４を端子取付穴５に差し込むだけであるため、燃料電池運転中に発生する燃料電池スタック１の伸縮によるセル２とセル電圧検出端子４間の摩耗や、それぞれの寸法誤差によって接触不良が発生したり、セル電圧検出端子４が振動等で端子取付穴５から抜けることがあり、燃料電池運転中にセル電圧が検出できなくなることがある。
【０００５】
（２）燃料電池の技術分野においては、設備スペースの小型化の観点から単セルの小型化・薄型化が望まれており、セルの構成要素であるセパレータも例えば２〜５ｍｍ程度と出来うる限り薄く形成されてきている。こうした薄いセパレータに端子取付穴５を設けるためには、高い加工精度が求められる。
さらに、セル２とセル電圧検出端子４間の接触不良を防ぐには、セル電圧検出端子４と端子取付穴５との隙間を０．２ｍｍ程度以下にする必要があるため、一層の加工精度が要求される。
（３）セル電圧検出端子４を端子取付穴５に差し込む時、各セル２の厚さは薄く隙間が少ないため、セル電圧検出端子４の差し込みが難しくなり、その作業に手間取る。
（４）回路基板３は、燃料電池の運転時に発生する燃料電池スタック１の伸縮時にもセル電圧検出端子４が対応できるように、その変化分を考慮して取り付けなければならない。
【０００６】
なお、特開平９−２８３１６６号公報，及び特開平１１−３３９８２８号公報にも同種の技術が開示されているが、前者の燃料電池の電圧測定用出力端子の取付方法では、弾性力のみで穴内周にバナナクリップの先端を押し付けているだけなので、外力によってたやすく離脱してしまうおそれがあり、また、後者のセル電圧測定端子付き燃料電池スタックでは、セパレータの外周に突起状の電圧測定端子を設けているため、ハンドリング中の安易な接触等で接続不良や破損をまねくおそれがある。
【０００７】
本発明は、このような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、簡単な構造で良好な端子接続状態を維持すること，端子の安易な抜けを防止すること，及び端子の着脱作業性を向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下の構成を採用した。
請求項１の発明は、膜電極接合体（１３）を一対のセパレータ（１４）により挟持してセル（１２）を構成し、複数の前記セルを水平方向に積層して構成された燃料電池（燃料電池スタック１１）において、前記セパレータに前記セルの電圧検出用の端子（セル電圧検出端子２１）を接続する燃料電池であって、前記セパレータの前記膜電極接合体側の側面に、前記セパレータの上面に開口する凹部（１５，５２）が形成され、前記端子は、弾性体からなる対向離間配置された一対の挟持片（２２ａ）を有する挟持部（２２）を備え、隣り合う前記セルの隣り合う前記セパレータに形成された前記凹部に、前記一対の挟持片を押し広げて差し込むことにより、前記セパレータに前記端子を接続することを特徴としている。
【０００９】
この構成では、挟持部による挟持力を利用して、簡単な構造で良好な接続状態を維持することができる。
また、挟持部が凹部に受容されるため、挟持部がセパレータ表面から突出せず、ハンドリング中等の安易な接触等による接続不良や破損を起こし難くなる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１記載の燃料電池において、前記凹部は、その内壁（１５Ａ，５２Ａ）に前記セパレータの厚さ方向に窪む凹溝（１６）または突出する凸条（５２ａ）を備え、前記挟持部は、その内面側に前記凹溝または前記凸条と係合する凸条部（２２ｂ）または凹面部（５１ａ）を備えることを特徴としている。
【００１１】
この構成では、凹部に備えた凹溝または凸条と、挟持部に備えた凸条部または凹面部との係合によって、より一層確実に良好な接続状態を維持することができる。また、端子の安易な抜けもより起こり難くなる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の燃料電池において、前記端子は、前記セパレータからの検出電圧を測定する回路基板（２３）に接続されると共に、これらセパレータと回路基板との間に両者の相対変位を許容する可撓部（屈曲部２６，屈曲部５５，コイル状可撓部５６）を備えることを特徴としている。
【００１３】
この構成では、可撓部が適宜撓むことによって、セル積層時等に生じる位置ズレを吸収し得るから、回路基板の燃料電池スタックへの組み付けが容易になる。また、このような相対変位吸収作用を奏する場合には、燃料電池運転時に生じるセルの位置変化を考慮する必要がなくなるから、良好な接続状態を維持することができる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池において、前記膜電極接合体を挟持する前記一対のセパレータに形成された前記凹部は、前記セパレータの厚み方向と直交する方向に位置をずらして配置されていることを特徴としている。
【００１５】
この構成では、セパレータの厚み方向と直交する方向に、より広い空間を確保することができるので、端子の着脱作業が容易になる。
また、端子同士が隣接することがないので、水分リーク等による端子間の短絡を有効に回避することが可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の一実施の形態について説明する。
図１は本実施の形態による燃料電池用セル電圧検出端子装置の要部を示す斜視図、図２は同装置の断面図である。
【００１７】
これらの図中、符号１１は固体高分子型の燃料電池スタックを示しており、この燃料電池スタック１１は多数のセル１２を積層させて構成される。
各セル１２は、固体高分子膜の両面に燃料極及び空気極をそれぞれ接合してなる膜・電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と略記する。）１３と、このＭＥＡ１３を両側から挟持するセパレータ１４とを備えて構成される。
【００１８】
セパレータ１４は、ガスを透過させない緻密質のカーボン板や金属板からなり、その一側面、すなわち、単セル構成時にＭＥＡ１３に面することとなる側面１４Ａには、凹溝状のガス流路（図示略）が形成されている。
そして、燃料極に接するセパレータ１４のガス流路に水素が供給されると共に、空気極に接するセパレータ１４のガス流路に空気が供給されることによって、これら電極間で電気化学反応に基づく発電が行われる。
【００１９】
さらに、セパレータ１４の側面１４Ａには、上面１４Ｂに開口する凹部１５が形成され、この凹部１５と、セル構成時にＭＥＡ１３を間に挟んで相対することとなる他のセパレータ１４に形成された凹部１５とによって、端子挿入部１７が構成される。
また、凹部１５の内壁のうち、前記側面１４Ａと平行な内壁１５Ａには、横断面半円状の凹溝１６が前記上面１４Ｂと平行に形成されている。
【００２０】
符号２１は、導電性を有する銅やステンレス等の線材からなるセル電圧検出端子（端子）を示している。
このセル電圧検出端子２１は、その先端側に断面略「コ」の字状をなすクリップ型の挟持部２２を備えると共に、根元側はセル電圧測定用の回路基板２３に固定され、中間にはセル１２と回路基板２３間の相対変位を吸収するための屈曲部（可撓部）２６が設けられている。
【００２１】
挟持部２２は、導電性を有する弾性体からなると共に、対向離間配置された一対の挟持片２２ａの相互間隔が先端で狭められてなる先細り形状に構成され、前記相互間隔よりも厚肉の物体をくわえると、その相互間隔を狭める方向に弾発力が作用し、物体を挟持する。
また、各挟持片２２ａの先端部内面側には、前記凹溝１６と係合する断面半円状の凸条部２２ｂが突出形成されている。
【００２２】
挟持部２２の材質には、ばね性に優れる，応力緩和特性が良好，導電性が良好，耐食性が良好，加工性が良好等の理由から、バネ用ベリリウム銅（ＪＩＳ  Ｃ１７２０），バネ用りん青銅（ＪＩＳ  Ｃ５２１０），バネ用洋白等を採用することが好ましい。
【００２３】
セル電圧検出端子２１をセル１２（セパレータ１４）に接続するときは、隣り合うセル１２の各一方のセパレータ１４の上面１４Ｂに挟持部２２を位置決めし、該挟持部２２を上から押す。
すると、挟持片２２ａがセパレータ１４に押し広げられるようにして、端子挿入部１７（凹部１５）に挟持部２２が差し込まれていく。
【００２４】
挟持部２２が所定の位置まで差し込まれると、挟持片２２ｂの先端部内周側に形成された凸条部２２ｂが、凹部１５の内壁１５Ａに形成された凹溝１６と噛み合うようにして係合するため、セル電圧検出端子２１は振動等ではセル１２から抜けないように接続される。
【００２５】
このとき、押し広げられた挟持片２２ｂが元の形に戻ろうとして生じる弾発力によって、セル電圧検出端子２１は常に、しかも、広範囲にわたってセル１２と接触するため、抜け止めはもとより、良好な接触状態が確保される。
また、挟持部２２は、凹部１５に受容された状態でセパレータ１４の一部を挟持するので、セパレータ表面から突出しない。これにより、ハンドリング中等の安易な接触等による接続不良や破損が起き難くなる。
さらに、燃料電池運転時は、セル電圧検出端子２１の中間に設けた屈曲部２６が延びることでセル電圧検出端子２１の利用される長さが変わり得る構成になっているため、回路基板２３とセル１２との相対変位を吸収することもできる。
【００２６】
なお、セル１２の厚みが小さいため隣同士のセル電圧検出端子２１が接近する場合には、挟持部２２にてセパレータ１４を挟さみ込む位置を、セル１２の積層方向、すなわち、セパレータ１４の厚み方向に沿って１直線に並ぶように配置せずに、図５に示すように、平面視にて千鳥状となるように、すなわち、セパレータ１４の厚み方向と直交する方向に位置をずらした配置としてもよい。
【００２７】
この場合は、セパレータ１４に対する凹部１５の形成位置をセル１２毎に変えておけばよい。
かかる構成によれば、前記直交方向に空間が得られることになり、セル電圧検出端子２１の着脱作業が容易になる。
また、隣り合う挟持部２２が隣接することがないので、水分リーク等によるセル電圧検出端子２１間の短絡を効果的に回避することができる。
【００２８】
複数のセル電圧検出端子２１を複数のセル１２に同時接続するときは、予め複数のセル電圧検出端子２１を固定しておいた回路基板２３を用意する。
このとき、各セル電圧検出端子２１間の間隔は、燃料電池スタック１１が加圧等されていないときのセル１２間の間隔が設計値等から予めわかっているため、その間隔に合わせておく。
【００２９】
そして、この回路基板２３を、燃料電池スタック１１に対して水平方向は所定の位置に、また、垂直方向はセル電圧検出端子２１の挟持部２２がセパレータ１４の上面１４Ｂであって、隣り合う凹部１５の間に軽く乗った状態となるように仮位置決めする。
その後、接続ジグ３１を挟持部２２の上に押し当て、挟持片２２ａが端子挿入部１７（凹部１５）に、深く差し込まれるようにする。
【００３０】
接続ジグ３１が所定距離移動したら、セル電圧検出端子２１がセル１２に接続されたものと判断して接続ジグ３１を挟持部２２から離間させる。これで、接続作業は完了する。
接続ジグ３１には、回路基板２３に固定されたセル電圧検出端子２１間の間隔と等間隔に端子ガイド用の溝を設けておいてもよく、かかる場合には、各セル電圧検出端子２１を一定間隔に保持したままセル１２に接続することができるので、作業性の向上を図ることができる。
【００３１】
セル電圧検出端子２１の接続状態を確認する方法としては、挟持部２２の位置を確認する方法もある。
すなわち、挟持部２２の差し込みが不完全である場合は、差し込みが完全である場合よりも回路基板２３側に挟持部２２が位置することになるから、この位置の違いによって、セル電圧検出端子２１の接続状態を判断することができる。
【００３２】
回路基板２３は、セル電圧検出端子２１の取り付けに合わせて、セル電圧検出端子２１と同方向に移動させ、燃料電池スタック１１に固定する。
セル電圧検出端子２１をセル１２から取り外す時は、取り外しジグ３２を挟持部２２とセル１２の間に差し込みながら挟持部２２をすくい上げることによって、セル電圧検出端子２１をセル１２から切り離す。
【００３３】
以上の方法を用いれば、複数のセル電圧検出端子２１を同時かつ簡単に脱着させることができ、また、自動化も容易になる。
また、本実施の形態による燃料電池用セル電圧検出端子装置によれば、セル電圧検出端子２１に設けた挟持部２２の開閉バネ作用を利用してセル電圧検出端子２１を簡単かつ確実にセルに接続し得ると共に、その挟持力によって接触不良を効果的に防止することができる。
【００３４】
しかも、セル電圧検出端子２１の途中に設けた屈曲部２６によって、回路基板２３とセル１２との間に生じる相対変位を吸収し得るようにしたので、燃料電池運転時のセル１２の位置変化を考慮する必要がなくなり、回路基板２３の燃料電池スタック１１への組み付けが容易になる。
さらに、挟持片２２ａの凸条部２２ｂと、凹部１５内の凹溝１６とを噛み合わせているため、一度接続したセル電圧検出端子２１は容易に外れることがない。
【００３５】
次に、図４及び図６を用いて、セル電圧検出端子２１の着脱自動化システムの一構成例及びその一動作例について概説する。
本システムは、燃料電池スタック１１及び回路基板２３の位置決め工程と、セル電圧検出端子２１の着脱工程を自動化するものであり、前記接続ジグ３１及び取り外しジグ３２の他に、制御部４１，接続ジグ３１等を駆動する駆動部４２，例えば光センサを有する位置検出部４３，及び燃料電池スタック１１が載置される台座４４を備えて構成される。
【００３６】
以下、本システムの動作例について説明する。
セル電圧検出端子２１をセル１２に接続するには、まず、制御部４１からの制御信号によって駆動部４２を介して台座４４を駆動し、燃料電池スタック１１を位置決めする。この位置決めは、位置検出部４３から制御部４１への出力信号に基づき行われる。
【００３７】
同様にして、回路基板２３を燃料電池スタック１１に対して位置決めする。
これら回路基板２３と燃料電池スタック１１との位置関係は、上述した通りである。
次いで、制御部４１からの制御信号によって駆動部４２を介して接続ジグ３１を下方駆動し、セル電圧検出端子２１の挟持部２２をセル１２の端子挿入部１７に完全に差し込む。
【００３８】
逆に、セル電圧検出端子２１をセル１２から取り外すには、まず、制御部４１からの制御信号によって駆動部４２を介して取り外しジグ３２を駆動する。
この場合は、まず、挟持部２２とセル１２の間に先端部が差し込まれるように取り外しジグ３２を水平駆動し、次いで、取り外しジグ３２を上方駆動することによって、セル電圧検出端子２１をセル１２から離脱させる。
【００３９】
なお、本発明は、上記実施の形態に限られるものではなく、以下の形態をも含むものである。
（１）セル電圧検出端子２１の挟持部２２及びセパレータ１４の凹部１５を図２に示す形態に代えて、図３に示す形態の挟持部５１及び凹部５２にすること。
すなわち、凹部５２の内壁５２Ａに断面半円状の凸条５２ａを突出形成すると共に、この凸条５２ａと係合する半円筒状の凹面部５１ａを挟持部５１の先端部内周側に形成しても、図２に示す形態と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
（２）セル電圧検出端子２１の中間に設ける可撓部を図４に示す屈曲部２６に代えて、図７に示す屈曲部５５又は図８に示すコイル状可撓部５６にすること。
なお、屈曲部２６、５５は、セル積層方向のスペースが極めて少ないという事情を考慮して、セル１２と回路基板２３との離間方向（図４の紙面上下方向）に屈曲させておくのが好ましい。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）請求項１の発明によれば、挟持部による挟持力を利用することによって、簡単な構造で良好な接続状態を維持することができる。
また、挟持部が凹部に受容されるため、挟持部がセパレータ表面から突出せず、ハンドリング中等の安易な接触等による接続不良や破損を起こし難くすることができる。
【００４２】
（２）請求項２の発明によれば、凹部に備えた凹溝または凸条と、挟持部に備えた凸条部または凹面部との係合によって、より一層確実に良好な接続状態を維持することができる。
また、端子の安易な抜けもより起こり難くすることができる。
【００４３】
（３）請求項３の発明によれば、可撓部が適宜撓むことによって、セル積層時等に生じる位置ズレを吸収し得るから、良好な接続状態を維持することができる。
また、このような相対変位吸収作用を奏する場合には、燃料電池運転時に生じるセルの位置変化を考慮する必要がなくなるから、回路基板の燃料電池スタックへの組み付けが容易になり、作業性の向上を図ることができる。
【００４４】
（４）請求項４の発明によれば、セパレータの厚み方向と直交する方向に、より広い空間を確保することができるので、端子の着脱作業が容易となり、作業性の向上を図ることができる。
また、端子同士が隣接することがないので、水分リーク等による端子間の短絡を有効に回避し得て、測定結果の信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態による燃料電池用セル電圧検出端子装置の斜視図である。
【図２】  図１に示す挟持部及び凹部の横断面図である。
【図３】  本発明に係る挟持部及び凹部の他の実施の形態を示す横断面図である。
【図４】  図１に示す燃料電池用セル電圧検出端子装置の縦断面図である。
【図５】  挟持部の一接続例を示す平面図である。
【図６】  セル電圧検出端子の着脱自動化システムの一構成例を示すシステム構成図である。
【図７】  本発明に係る可撓部の他の実施の形態を示す要部拡大図である。
【図８】  本発明に係る可撓部のさらに他の実施の形態を示す要部拡大図である。
【図９】  燃料電池用セル電圧検出端子装置の一従来例を示す斜視図である。
【図１０】  同燃料電池用セル電圧検出端子装置の要部断面図である。
【符号の説明】
１１  燃料電池スタック
１２  セル
１４  セパレータ
１５、５２  凹部
１５Ａ、５２Ａ  内壁
１６  凹溝
２１  セル電圧検出端子（端子）
２２、５１  挟持部
２２ｂ  凸条部
２３  回路基板
５１ａ  凹面部
５２ａ  凸条
５５、２６  屈曲部（可撓部）
５６  コイル状可撓部（可撓部）
【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】
0004087039.tif 000008
【図８】
0004087039.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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