(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極体とこれを挟持するセパレータとを有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されることにより電気を発生する燃料電池を積層してなる燃料電池積層体であって、
外部の電圧測定装置に接続されたコネクタに連結することで電圧測定可能な電圧測定部が前記セパレータに設けられ、
前記燃料電池の積層方向に隣合う電圧測定部の複数をまとめた電圧測定部群が複数形成されており、
前記各電圧測定部群は、該電圧測定部群を形成する各電圧測定部に別個に接続される前記コネクタを複数保持したコネクタユニットに連結されることを特徴とする燃料電池積層体。
【請求項２】
前記複数の電圧測定部群が、積層方向から見て前記セパレータの同一側面において相互に位置をずらして設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池積層体。
【請求項３】
前記電圧測定部群を形成する積層方向に隣合う電圧測定部が、積層方向から見て相互に位置をずらして設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池積層体。
【請求項４】
前記積層方向に隣合う電圧測定部のうち少なくとも一部が積層方向から見て一方に偏らせて配設されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池積層体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極体とこれを挟持するセパレータとを有した燃料電池が積層されてなり、前記セパレータに電圧測定が可能な電圧測定部を設けた燃料電池積層体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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ガス拡散電極層を配設した膜電極構造体（ＭＥＡ）を備えており、該電極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、燃料電池の一方のガス拡散電極層にガス燃料（例えば、水素ガス）を、他方のガス拡散電極層に酸化剤ガス（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、燃料電池を複数積層して燃料電池積層体を形成し、この燃料電池積層体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、燃料電池積層体を構成する各燃料電池が正常に発電するかを監視するために、燃料電池の電圧を検出することは非常に重要である。従来においては、図１０に示したように、燃料電池積層体１のセパレータに突起状や溝状の電圧測定端子２を設けている。この電圧測定端子２を外部の電圧測定装置（図示せず）に接続したコネクタに連結することで、端子２の設けられたセパレータの電圧を測定し、これにより各燃料電池の電圧を検出していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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、各燃料電池の電圧測定端子２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（図１０参照）。このため、各電圧測定端子２ごとに電圧測定装置に接続するためのコネクタを別々に設けると、各端子２とコネクタとの連結時にコネクタと電圧測定装置とを結ぶ配線が絡み合うおそれがある。また、コネクタを各端子２に一つずつ連結する必要があるため、作業が面倒である。
【０００６】
したがって、端子２の複数をまとめて連結できるように、複数のコネクタ３をユニット化したコネクタ（コネクタユニット）４を使用することが検討されている。しかし、燃料電池積層体１を車両等に搭載するために、各燃料電池の厚みを可能な限り薄くすることが望まれており、これに伴い端子同士の間隔Ｗは必然的に狭くなる傾向にある。このため、図１１の側断面図に示したように、端子２が直列に配置されている場合、端子２同士の間隔Ｗが狭いと、コネクタユニット４の端部側での厚みＸを十分に確保できずに強度的に弱くなるおそれがある。加えて、コネクタユニット４同士の間隔Ｙを十分に確保できずに、コネクタユニット４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った。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、燃料電池の厚みを薄くしても、複数の電圧測定部に一度に連結できるコネクタ（コネクタユニット）の使用を可能とする燃料電池積層体を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載した発明は、電極体（例えば、実施の形態における膜電極構造体２２）とこれを挟持するセパレータ（例えば、実施の形態におけるセパレータ３０，３２）とを有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給されることにより電気を発生する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池２１）を積層してなる燃料電池積層体（例えば、実施の形態における燃料電池積層体２０）であって、外部の電圧測定装置に接続されたコネクタ（例えば、実施の形態におけるコネクタ６０）に連結することで電圧測定可能な電圧測定部（例えば、実施の形態における端子５０）が前記セパレータに設けられ、前記燃料電池の積層方向に隣合う電圧測定部の複数をまとめた電圧測定部群（例えば、実施の形態における端子群７２，７４，１０２，１０４）が複数形成されており、前記各電圧測定部群は、該電圧測定部群を形成する各電圧測定部に別個に接続される前記コネクタを複数保持したコネクタユニット（例えば、実施の形態におけるコネクタユニット６４，７６，８４）に連結されることを特徴とする燃料電池積層体である。
【０００８】
上記のように構成すると、電圧測定部を互いに別個のコネクタに接続することができるとともに、電圧測定部群ごとにコネクタユニットを対応させて連結していけばよいため、電圧測定部にコネクタを連結する作業が簡単化する。
【０００９】
なお、電圧測定部は、セパレータの外側に突出した端子とすることが好ましいが、これに限らずセパレータの外形を維持させて形成してもよく、セパレータの内側に溝状に形成してもよい。また、積層方向に隣合い、互いに別個のコネクタに接続される電圧測定部同士は、積層方向から見て重ならないように配置することが好ましいが、コネクタの接続に支障の無い範囲で一部重なるように配置してもよい。
【００１０】
請求項２に記載した発明は、前記複数の電圧測定部群（例えば、実施の形態における端子群７２，７４，１０２，１０４）が、積層方向から見て前記セパレータの同一側面において相互に位置をずらして設けられていることを特徴とする燃料電池積層体（例えば、実施の形態における燃料電池積層体７０，９０，１００）である。
【００１１】
上記のように構成すると、積層方向から見て同一位置の電圧測定部群のうち、別個のコネクタユニットに連結される電圧測定部群同士の間隔を、コネクタユニットを挿入可能な間隔が確保されるように設定することができる。したがって、同一のコネクタユニットに連結される電圧測定部同士の間隔は、互いに接触しない程度の間隔まで小さくすることができる。したがって、同一のコネクタユニットに連結できる電圧測定部の数を増やすことができる。また、電圧測定部が配置される領域を電圧測定部群として密集させることにより、それ以外の部分に他の機器等を配置する自由度を高めることができる。
【００１２】
請求項３に記載した発明は、前記電圧測定部群を形成する積層方向に隣合う電圧測定部が、積層方向から見て相互に位置をずらして設けられていることを特徴とする燃料電池積層体（例えば、実施の形態における燃料電池積層体８０，１００）である。
【００１３】
上記のように構成すると、同一の電圧測定部群内において、互いに別個のコネクタに接続され、積層方向から見て同一位置に配されて隣合う電圧測定部同士の間隔を一定以上に保持することができる。すなわち、これらの電圧測定部同士の間隔を、コネクタの端部側の必要厚みと、別個のコネクタを挿入可能な間隔とが確保されるように設定できる。したがって、燃料電池の厚みを薄くして電圧測定部の設けられるセパレータ同士の間隔が小さくなっても、別個のコネクタ同士がぶつかり合うことなく、対応する複数の電圧測定部に連結することができる。
各電圧測定部群としてのまとまりを保持しつつ、電圧測定部をさらに分散させて配置することができるため、電圧測定部群が形成されるセパレータ同士の間隔をさらに小さくすることが可能となる。
【００１４】
請求項４に記載した発明は、前記積層方向に隣合う電圧測定部のうち少なくとも一部（例えば、実施の形態における端子５０，８２）が積層方向から見て一方に偏らせて配設されることを特徴とする燃料電池積層体（例えば、実施の形態における燃料電池積層体８０，９０）である。
【００１５】
上記のように構成すると、電圧測定部群を配置する領域をさらに密集させることができ、それ以外の部分に他の機器等を配置する自由度を高めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態における燃料電池積層体を図面と共に説明する。
図７は本発明の第１の実施の形態における燃料電池積層体２０の断面図である。図７において２２は膜電極構造体を示し、この膜電極構造体２２は、固体高分子電解質膜２４と、その両側に設けたガス拡散層（アノード側拡散層とカソード側拡散層）２６、２８で構成されている。前記固体高分子電解質膜２４と、それぞれのガス拡散層２６，２８の間には触媒層（図示せず）が形成してある。この膜電極構造体２２の両面には、一対のセパレータ３０、３２が配設され、各セパレータ３０、３２同士の対向面周縁側にリング状のシール部材３４をセットして、このシール部材３４により固体高分子電解質膜２４を挟持し、その状態で両セパレータ３０、３２で膜電極構造体２２を挟持して、燃料電池２１を構成している。両セパレータ３０、３２には燃料ガスや酸化ガス、冷却媒体を供給するためのガス通路３６、３８、冷却媒体通路４０が形成してある。
【００１７】
上記のように構成した燃料電池２１においては、前記ガス通路３６を通してアノード側拡散層２６の反応面に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給すると、触媒層で水素がイオン化され、固体高分子電解質膜２４を介してカソード側拡散層２８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。カソード側拡散層２８においては酸化ガス（例えば、酸素を含む空気）が供給されているため、水素イオン、電子、及び酸素が反応して水が生成される。
【００１８】
図８および図９は、本実施の形態におけるセパレータ３０およびセパレータ３２の平面図である。図８、図９に示したように、セパレータ３０、３２には、燃料ガス連通孔４４ａ，４４ｂ、酸化剤ガス連通孔４６ａ，４６ｂ、冷却媒体連通孔４８ａ，４８ｂ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４４ａ、４６ａ、４８ａとされ、他方（図示右側）が排出口４４ｂ、４６ｂ、４８ｂとされている。このように形成したセパレータ３０、３２が膜電極構造体２２を挟持して、燃料電池２１を構成するのである（図７参照）。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。
【００１９】
前記燃料電池２１のセパレータ３０，３２には、電圧検出用の端子５０、５２がそれぞれ設けられている。図８、図９に示したように、端子５０、５２は、セパレータ３０、３２の同一の端面上で、かつ、積層方向（図の平面視方向）から見てずれた位置に形成されている。なお、図７は図８のＡＡ方向から見た断面図であり、図７においては図示都合上端子５０，５２を省略している。
【００２０】
図１は本実施の形態における燃料電池積層体２０の平面図である。なお、以下の図において、矢印Ｚは積層方向を示している。図１に示したように、端子５０、５２は積層方向から見てセパレータ３０、３２のそれぞれ交互にて端部側に寄せて２列で積層配置されている。このように積層配置された端子５０は、図６の斜視図に示すように、各端子５０を連結するコネクタ６０を保持したコネクタユニット６４に一体的に連結される。これにより、配線が混線することなく、コネクタユニット６４に連結した各端子５０の電圧の測定を一括して行うことができる。また、端子５２においても同様である。
【００２１】
本実施の形態においては、積層方向から見て同一位置の端子５０間、そして端子５２間の間隔Ｐは、それぞれコネクタユニット６４を挿入可能な間隔に保持されている。すなわち、間隔Ｐにおいては、図１に示したように、コネクタユニット６４端部の必要な厚みＸが確保されているとともに、端子５０または端子５２に連結したときのコネクタユニット６４同士の間隔Ｙが確保されている。すなわち、積層方向から見て同一位置の端子５０同士または端子５２同士の間隔Ｐが、コネクタユニット６４を挿入可能な間隔に保持されるように、隣合う端子５０、５２の位置をずらしている。したがって、積層される燃料電池２１が小型化して互いの間隔を小さくした場合であっても、コネクタユニット６４を使用することができる。このため、各燃料電池２１の電圧測定を容易に行うことができる。
【００２２】
また、本実施の形態においては、上記したように、セパレータ３０、３２の同一の面上に端子５０、５２を設けている。このため、セパレータ３０、３２の他の面には、たとえば制御装置（ＥＣＵ）などの装置を配置することができ、利便性が増す。なお、本実施の形態においては、セパレータ３０、３２の端面外側に端子５０、５２を突起状に形成してコネクタ６０に差し込むように構成したが、セパレータ３０、３２の端面内側に端子５０、５２を溝状に形成してコネクタ６０を差し込むように構成してもよく、セパレータ３０、３２の外形を変えることなく端子５０、５２を一体的に作り込んでもよい。
【００２３】
本発明の第２の実施の形態における燃料電池積層体７０について図２を用いて説明する。なお、以下の説明において、第１の実施の形態と同一の部材については、同一の番号を付してその説明を省略する。本実施の形態においては、端子５０、５２の複数をまとめた端子群７２、７４が形成されている。そして、これらの端子群７２，７４は、積層方向から見て互いに位置をずらして形成され、それぞれの端子群７２，７４の間隔Ｑが、コネクタユニット７６を挿入可能な間隔に維持されている。このようにしたため、コネクタユニット７６の複数のコネクタ６０を、対応する端子群７２，７４ごとに連結することができ、連結した端子群７２，７４ごとに一括して電圧を測定することができる。
【００２４】
加えて、本実施の形態においては、同一のコネクタユニット７６に連結される端子５０同士、または端子５２同士の間隔Ｒは、互いに接触しない程度の間隔にまで小さくしている。したがって、同一のコネクタユニット７６に連結できる端子５０（端子５２）の数を増やすことができる。また、端子群７２，７４ごとにコネクタユニット７６を対応させて連結していけばよいため、端子群７２、７４にコネクタユニット７６を連結する作業が簡単化する。また、端子５０、５２が配置される領域を端子群７２，７４として密集させることにより、それ以外の部分に他の機器等を配置する自由度を高めることができる。
【００２５】
本発明の第３の実施の形態における燃料電池積層体８０について図３を用いて説明する。本実施の形態においては、第１の実施の形態で示した端子５２を、積層方向から見て端子５０に近づけた位置に配置して端子８２としている。このように、端子５０、８２を積層方向から見て一方に偏らせて配設することで、端子５０、端子８２の形成される領域をさらに密集させることができるため、第１の実施の形態の場合よりも他の機器の配置自由度等でさらに利便性が増す。加えて、端子５０、８２を一度に連結することができるコネクタユニット８４を使用できるため、端子５０、８２の電圧の測定がさらに容易となる。
【００２６】
本発明の第４の実施の形態における燃料電池積層体９０について図４を用いて説明する。本実施の形態においては、第２の実施の形態で示した端子群７４を積層方向から見て端子群７２に近づけた位置に配置した点が異なるものである。このようにしたため、第２の実施の形態で述べた効果に加えて、第３の実施の形態の場合と同様に、利便性を増すことができる。なお、以上の実施の形態においては、端子または端子群を積層方向に２列に配置した場合について説明したが、これに限らず３列以上にずらして配置してもよい。
【００２７】
本発明の第５の実施の形態における燃料電池積層体１００について図５を用いて説明する。本実施の形態においては、第１の実施の形態における端子５０に隣合う端子をずらして端子１０１とし、端子５２に隣合う端子をずらして端子１０３としている。端子５０、１０１で端子群１０２を形成し、端子５２，１０３で端子群１０４を形成している。端子群１０２と端子群１０４とは、互いに積層方向にずらして設けられている。このように、各端子をさらに分散させて配置しているため、燃料電池２１をさらに小型化しても、必要な間隔を保持することができる。さらに、これらの端子群１０２、１０４を、第３の実施の形態や第４の実施の形態の場合と同様に、積層方向から見て互いに近づけて配置してもよい。
【００２８】
なお、以上の実施の形態においては、積層方向に隣合う各端子または各端子群が積層方向から見て位置をずらして設けられている場合について説明したが、少なくとも一部の端子または端子群がずれていてもよい。また、上記した各実施の形態においては、セパレータの同一端面側に端子または端子群を配設したが、必要に応じて適宜別の端面側に配設してもよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、電圧測定部を互いに別個のコネクタに接続することができるとともに、電圧測定部群ごとにコネクタユニットを対応させて連結していけばよいため、電圧測定部にコネクタを連結する作業が簡単化する。また、それぞれのコネクタに連結した電圧測定部の電圧を一括して測定することができ、測定作業が簡便となる。
【００３０】
請求項２に記載した発明によれば、燃料電池の厚みを薄くしても、別個のコネクタユニットを、対応する電圧測定部群ごとに連結することができるため、連結した端子の電圧を一括して測定することができ、測定作業がより簡便となる。加えて、コネクタユニットに連結される電圧測定部の数を増やすことができるため、コスト的にもメリットがある。また、電圧測定部が配置される領域を電圧測定部群として密集させることができるため、それ以外の部分に他の機器等を配置する自由度を高めることができる。
【００３１】
請求項３に記載した発明によれば、燃料電池の厚みをさらに薄くしても、別個のコネクタを、対応する複数の電圧測定部に連結することができるため、燃料電池の小型化に寄与することができる。
【００３２】
請求項４に記載した発明によれば、積層方向から見て偏らせて配設された片側の他方には、制御装置（ＥＣＵ）などの他の装置を配置することが可能となり、利便性が増す。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池積層体を示す平面図である。
【図２】  図２は本発明の第２の実施の形態における燃料電池積層体を示す平面図である。
【図３】  図３は本発明の第３の実施の形態における燃料電池積層体を示す平面図である。
【図４】  図４は本発明の第４の実施の形態における燃料電池積層体を示す平面図である。
【図５】  図５は本発明の第５の実施の形態における燃料電池積層体を示す平面図である。
【図６】  図６は端子とコネクタの連結状態を示す説明図である。
【図７】  図７は本発明の第１の実施の形態における燃料電池積層体を示す断面図である。
【図８】  図８は本発明の第１の実施の形態におけるセパレータを示す平面図である。
【図９】  図８は本発明の第１の実施の形態におけるセパレータを示す平面図である。
【図１０】  従来の燃料電池積層体を示す斜視図である。
【図１１】  従来の燃料電池積層体の問題点を示す説明図である。
【符号の説明】
２０、７０  燃料電池積層体
２１  燃料電池
２２  膜電極構造体
２４  固体高分子電解質膜
２６、２８  ガス拡散層
３０、３２  セパレータ
３４  シール部材
３６、３８  ガス通路
４０  冷却媒体通路
４４ａ、４４ｂ  燃料ガス連通孔
４６ａ、４６ｂ  酸化剤ガス連通孔
４８ａ、４８ｂ  冷却媒体連通孔
５０、５２  端子
５４、５６  端子ユニット
６０  コネクタ
６４  コネクタユニット
７２、７４  端子群
【図１】
0005095060.tif 000002
【図２】
0005095060.tif 000003
【図３】
0005095060.tif 000004
【図４】
0005095060.tif 000005
【図５】
0005095060.tif 000006
【図６】
0005095060.tif 000007
【図７】
0005095060.tif 000008
【図８】
0005095060.tif 000009
【図９】
0005095060.tif 000010
【図１０】
0005095060.tif 000011
【図１１】
0005095060.tif 000012