(57)【要約】【課題】  燃料電池スタックのセル電圧測定及びそれに適したセパレータを提供する。【解決手段】  金属セパレータの一部を折り曲げて、セル電圧検出端子として用いることで、セル電圧検出端子と電圧測定端子との接続作業を簡単な構成で効率的且つ容易に遂行するだけでなく、前記セパレータを経済的に提供することも可能となる。また、これまで積層前に個々に取り付けていた電圧線を、積層後にまとめて接続することが可能となり、万が一外れてしまった場合の保守作業も容易に行うことが出来る。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックに用いられる金属セパレータにおいて、
各セル電圧測定のために、金属セパレータの一部を折り曲げて、セル電圧検出端子として用いることを特徴とした燃料電池セパレータ。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池セパレータにおいて、
金属セパレータに電圧検出端子となる突起部を複数個一体成形することを特徴とした燃料電池セパレータ。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池セパレータにおいて、
任意の一つを残して折り曲げ、他を除去して用いることを特徴とした燃料電池セパレータ。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池セパレータにおいて、
電圧検出端子の折り曲げ部／除去部にミシン目や切欠きを入れることを特徴とした燃料電池セパレータ。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池セパレータにおいて、
電圧検出端子裏面を覆うように一体化したシール材を、折り曲げた電圧検出端子と隣接する燃料電池セパレータとの絶縁に用いることを特徴とした燃料電池セパレータ。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池セパレータにおいて、
折り曲げた電圧検出端子と電圧測定端子との接続は、スタック両端板に挟持される形で固定した弾性絶縁材料固定具のスリットに、電圧測定端子を挿しこみ電圧検出端子に接触させて固定することを特徴とした燃料電池セパレータ。
【請求項７】
弾性絶縁材料固定具として、シリコン，天然ゴム，ウレタンゴム等の弾性絶縁材料を用いることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セパレータに係り、特に、信頼性が高い電流測定や電圧測定を可能とする燃料電池セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質にプロトン伝導性ポリマーフィルム（固体高分子電解質膜１）を用いた固体高分子形燃料電池は昨今のエネルギ問題から注目されており、将来有望な発電システムであるが、実用化に向けた課題の一つに、大型で重いことが挙げられる。
【０００３】
燃料電池の体積と重量に関わる構成材料の一つがセパレータ６である。セパレータ６は燃料ガス９ａおよび酸化剤ガス７の２種類の反応ガスを混合しないように隔離する、ガス流路溝を備えた電子伝導性板の呼称である。燃料電池が発電している際、電池の内部環境は腐食性であるためセパレータ６には高い耐食性が求められる。また、セパレータ材料としては構造的な強度やガス不透過性，低抵抗などの特性が必要となる。
【０００４】
このため、現在、セパレータ材料としては緻密黒鉛板にガス流路加工を施したものや、人工黒鉛粒子を樹脂で固めた樹脂モールド黒鉛に流路成形したモールド黒鉛セパレータなどが使用されている。しかし、これらの黒鉛系材料は、機械加工により流路を構成することから、一定以上の厚さが必要とされ、燃料電池スタック１００の小型・軽量化への障害となるだけでなく、高コストとなっている。
【０００５】
燃料電池の課題となる体積と重量を低減できる可能性を有しているのが金属材料を用いた金属セパレータ１６である。金属材料は高強度であるゆえに薄肉化が可能であり、さらに加工性も優れることから、セパレータ一枚あたりの材料コストおよび加工コストも大幅に低減できる。一般に金属材料は燃料電池発電環境下において腐食物を生成してしまうが、特殊な材料を表面に形成させたり、伝導性保護ペーストを表面に塗布するなどして耐食性を向上させた金属セパレータ１６が開発されつつある。
【０００６】
黒鉛系セパレータはある程度の板厚を有しているため、表裏の流路が独立に形成できるが、金属セパレータの場合、板厚が０.５mm以下の金属板をプレスによりガス流路１５を成形し、金属板の一方の面（表面）の形状が他方の面（裏面）に反映した流路の凹凸ができる。複数枚の金属板を組み合わせてセパレータを形成する場合は表裏の流路形状は互いに独立となるが、積層数が増すことで体積ならびに重量が大きくなる。
【０００７】
また、コストも高くなる。少ない材料で安価にセパレータを形成するためには一枚の金属板を加工してセパレータとすることである。この場合、流路を形成した金属板の表と裏を利用してガス流路１５を形成するため、流路は表裏の共通部分のみ形成することになる。
【０００８】
また、これに伴って積層方向の長さも抑えることが可能となり、結果として燃料電池スタック１００の体積ならびに重量減少が可能となる。
【０００９】
燃料電池の電気化学的反応による起電力は、１セルあたり１.０Ｖ以下と小さいため、一般には複数の燃料電池単セル１０１を積層して、一つの燃料電池スタック１００を構成して用いる。
【００１０】
この燃料電池スタック１００における各燃料電池単セル１０１が正常な状態にあるかを知る手段として、発電中一つのセルが破損した場合、そのセル電圧だけが顕著に低下することを利用するためにも、燃料電池スタックの電圧（スタック電圧）を測定するだけでなく、個々のセルの電圧（セル電圧）を測定することが必要となる。
【００１１】
従来は、全てのセパレータ６と電圧モニタ装置を電圧線５２で接続することで、全てのセル電圧を同時に測定できるようになった。電圧線５２とセパレータ６との接続はセパレータ側面の端子を挟んだり、金属セパレータ１６に半田付けや溶接することで行っていた。これに関連して、特許文献１および２には、セル電圧測定端子付燃料電池セパレータおよびセル電圧測定用ピックアップユニットが開示されている。
【００１２】
特許文献１は、金属セパレータ上に酸化剤ガス供給排出マニホールド，冷却水供給排出マニホールド，燃料供給排出マニホールド、および流路が形成されている。セパレータの１つの端面には、電圧検出端子が複数個一体成形されており、任意の一つを残して他を除去した状態で積層される。
【００１３】
また、特許文献２は、針状の電圧測定用ピックアップが備えられている。このピックアップは針状端子を各々個別にセパレータ側面へ弾性力により接触させている。
【００１４】
【特許文献１】特開２００５−２１６７００号公報
【特許文献２】特開２００２−３１３３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記特許文献１では、セパレータの積層枚数が多くなると各端面に設けられている電圧検出端子と電圧測定端子との取り付け作業が煩雑化する。特に、隣接するセパレータとの積層方向のピッチが小さい場合には、電圧検出端子同士の間隔が狭くなり、前記セパレータの電圧測定端子にコネクタを取り付ける場合に作業性が低下する。これは、クリップや溶接により電圧線を接続する場合にも同様である。
【００１６】
溶接の場合、隣接するセルとの間隔が小さく断面積の小さな電圧線を使用することとなるため、溶着する部分が少なくなり電圧線が外れやすく、信頼性に問題がある。
【００１７】
また、セパレータ外周のセル電圧検出端子と電圧モニタ装置との接続を、個々に電圧線を用いて行うことは、多大な労力を必要とする。効率化のためにコネクタを用いてある程度の枚数を一括で接続する際にも、電圧端子の曲がりや反り、端子間のピッチの違いにより、各セパレータ間の絶縁を保ちながら容易に取り付けることはできない。
【００１８】
また、上記特許文献２では、セパレータ側面に針状端子を接続させる際、セパレータが薄型金属セパレータの場合、確実な接触をすることは困難となる。これは側面の表面積が非常に小さい薄型セパレータであるが故に生じる問題である。
【００１９】
さらに、針状端子は、規定のセパレータ間隔に応じた間隔で並設しているため、スタックの仕様の変更が生じた場合、個々の針状端子を屈曲させ端子間ピッチを変更して接触させる必要性が生じる。この際、スタック化していると、接続作業が煩雑化するだけでなく、端子とセパレータとの位置を確認しながら接触させにくい。
【００２０】
また剛性の低い針状端子を用いることで、折り曲げ／撓みやすくしているが、これに伴い座屈による隣接端子との接触の可能性が生じる。
【００２１】
ピックアップユニットをスタック上部に取り付けることは、燃料電池スタックの体積ならびに重量の増加につながり、省スペース化・軽量化の妨げとなるだけでなく、ピックアップユニットの構造が複雑で稼動部が存在することも燃料電池スタックの大型化につながる要因である。
【００２２】
そこで、本発明は、セパレータに複数個一体成形したセル電圧検出端子と電圧測定端子との接続作業を簡単な構成で効率的且つ容易に遂行することが可能なセパレータ構造を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決ならびに改善する本発明では、燃料電池スタックに用いられる金属セパレータにおいて、各セル電圧測定のために、金属セパレータの一部を折り曲げて、セル電圧検出端子として用いることを特徴とした燃料電池セパレータを用いている。これにより、電圧検出端子と測定端子の接続を容易にすることが可能となる。
【００２４】
本発明では、大掛かりな付属品を必要とせず、燃料電池スタックの体積ならびに重量の増加を最小限に抑えることが可能で、薄型金属セパレータの一部分を用いることから部品点数の増加も抑えることが出来る。さらに電圧線を積層前に取り付ける必要がなくなり、積層後にまとめて接続することが可能となるため、積層時の作業性も向上する。
【００２５】
つまり、本発明の燃料電池スタックに用いられる金属セパレータは、各セル電圧測定のために、金属セパレータの一部を折り曲げて、セル電圧検出端子として用いることを特徴とする。
【００２６】
そして、金属セパレータに電圧検出端子となる突起部を複数個一体成形することとし、任意の一つを残して折り曲げ、他を除去して用いることが好ましい。この際、電圧検出端子の折り曲げ部／除去部にミシン目や切欠きを入れることが好ましい。
【００２７】
また、電圧検出端子裏面を覆うように一体化したシール材を、折り曲げた電圧検出端子と隣接する燃料電池セパレータとの絶縁に用いることもできる。
【００２８】
そして、折り曲げた電圧検出端子と電圧測定端子との接続は、スタック両端板に挟持される形で固定した弾性絶縁材料固定具のスリットに、電圧測定端子を挿しこみ電圧検出端子に接触させて固定することが好ましい。弾性絶縁材料固定具として、シリコン，天然ゴム，ウレタンゴム等の弾性絶縁材料を用いることが好ましい。
【００２９】
なお、金属セパレータの一部に電圧検出端子となる部分を複数個一体成形し、この電圧検出端子の任意の一つを折り曲げ、その他の端子を除去することで、所望のセパレータを作製できる標準型を採用したことで、目的の端子を有するセパレータを個別に成形する必要が無く、経済的にセパレータの製造が可能となる。
【００３０】
薄型金属セパレータの一部は、折り曲げて電圧検出端子とする、もしくは除去されるため、折り曲げ部／除去部にミシン目や切欠きを入れて成形することで積層の準備段階での生産性向上と不良の低減が図れる。仮にこのような加工が施されていない場合、セパレータを変形させる際、電圧検出端子と関係のない部分を変形させる恐れがある。
【００３１】
また、電圧検出端子裏面を覆うように一体化したシール材を、折り曲げた電圧検出端子と隣接する燃料電池セパレータとの絶縁に用いることで、電圧検出端子が隣り合うセパレータに接触した場合にも短絡する危険性が無くなる。
【００３２】
折り曲げた電圧検出端子と電圧測定端子の接続は、スタック両端板に挟持される形で固定した弾性絶縁材料固定具のスリットに挿しこみ固定する。固定具は透明もしくは半透明とすることで、電圧検出端子の位置を確認しながら電圧測定端子をスリットに挿しこむことができ、積層後の接続や万が一外れた場合の保守作業も容易に行える。スリットは間隔を狭くし多数入れることで、セパレータ間隔の変更やスタックの仕様変更の場合にも挿しこむ位置を変えるだけで対応できる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、セパレータに複数個一体成形したセル電圧検出端子と電圧測定端子との接続作業を簡単な構成で効率的且つ容易に遂行するだけでなく、前記セパレータを経済的に提供することも可能となる。
【００３４】
また、これまで積層前に個々に取り付けていた電圧線を、積層後にまとめて接続することが可能となり、万が一外れてしまった場合の保守作業も容易に行うことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。なお、図１０に燃料電池単セルの構成を図１１に燃料電池スタックの一般的構成の模式斜視図を示す。
【００３６】
図１は本発明の実施形態に係わるセル電圧検出端子１４を有した薄型金属セパレータ１６の模式斜視図を示す。金属セパレータ１６外周の一部に成形したセル電圧検出端子１４は、プレスにより酸化剤ガス供給排出マニホールド１１ａ，１１ｂ・燃料ガス供給排出マニホールド１２ａ，１２ｂ・冷却水供給排出マニホールド１３ａ，１３ｂ，ガス流路１５と同時に成形する。なお、このとき図２に示すように電圧検出端子１４の折り曲げ部／除去部に例えば、ミシン目２１や切欠き２２をプレスにより加工することで、折り曲げや除去の際、電圧検出端子以外の部分が変形するのを抑制できる。
【００３７】
金属セパレータ１６外周部に複数個一体成形した電圧検出端子１４をそれぞれ第１の電圧検出端子１４ａ〜第４の電圧検出端子１４ｄと呼称するが、端子は４つである必要は無く、例えば２つでも良い。
【００３８】
電圧検出端子１４は、任意の一つを残して折り曲げ、他を除去してもちいることで、個別にセパレータを作製する必要は無くなる。図４に電圧検出端子を折り曲げ積層する金属セパレータを示す。
【００３９】
金属セパレータ１６の片面外周部にはシール材３１が一体化させている。例えば焼付けなどにより一体化させているが、図３に示すように電圧検出端子１４の裏面も覆っている。シール材３１にはシリコンゴムなどの弾性材料を使用する。このシール材３１は電圧検出端子を折り曲げた際に、隣接するセパレータとの絶縁をするため、絶縁材料である必要がある。
【００４０】
このように製造した金属セパレータ４１の間にＭＥＡ・ＧＤＬを挟持することで、燃料電池の単位セル１０１が製造される。さらにこれを所定の枚数積層し、積層方向の両端部には、中間端板１１４，アノード集電板１０９，カソード集電板１１０，絶縁板１０５，端板１１５が積層される。なお、燃料ガス・酸化剤ガスの供給口１０６，１０８側の積層方向には、カソード集電板１１０，絶縁板１０５の先に加湿器・気水分離器が積層されることがある。これらを締結することで、図１２に示す燃料電池スタック１００が完成する。
【００４１】
各セル電圧検出端子１４と電圧モニタとの接続には、図５に示すセル電圧測定端子５１を用いる。このセル電圧測定端子５１は、先端の接触部以外は絶縁材で覆っており、標準部品として多数製造する。
【００４２】
セル電圧測定端子５１は、図６に示す燃料電池スタック１００の両端板１１５で挟持する形で取り付けた弾性かつ絶縁性の電圧測定端子固定具６１、例えばシリコンゴムなどに配したスリット６２に挿しこみ電圧検出端子１４と接触させる。
【００４３】
なお、この電圧測定端子固定具６１は透明もしくは半透明であることが求められる。これは、電圧検出端子１４を確認しながら、セル電圧測定端子５１を接触させるためにも重要である。スリット６２に挿しこんだ電圧検出端子は、電圧測定端子固定具６１の摩擦力と金属セパレータ１６の一部を折り曲げた電圧検出端子１４の反発力により保持されるため、外部からの振動に対しても耐性を持つ。
【００４４】
なお振動が大きくなる場合には、図７に示すように、折り曲げるセパレータの一部に電圧検出端子上のくぼみ７１をプレス成形時に付けておき、電圧測定端子の半円状電圧検出端子先端７２を半円形としておくことで、更に確実な接触ならびに外力に対する耐性を得ることが出来る。
【００４５】
図８に示すように、薄型金属セパレータ１６の一部の電圧検出端子１４，電圧検出端子上のくぼみ７１を積層方向に折り曲げ、上方からセル電圧測定端子５１，半円状電圧検出端子先端７２を接触させる。このとき、端板１１５の間に挟持されている電圧測定端子固定具６１に入ったスリット６２に電圧測定端子は挿しこむことで固定されている。折り曲げた金属セパレータ１６は弾性力を有しており、戻ろうとする反発力によりセル電圧測定端子５１を押し戻そうとするが、電圧検出端子上のくぼみ７１により固定されている。
【００４６】
上方からセル電圧測定端子５１を接触させることが出来るため、これまで薄型金属セパレータ１６を用いた燃料電池スタック１００では不可能であった、積層後のセル電圧測定端子５１の接続が可能となる。また、万が一外れた場合の保守作業も容易に行える。
【００４７】
さらに、電圧測定端子固定具６１は燃料電池スタック１００の上部を覆うように挟持されているため、燃料電池スタック１００にゴミの付着を防止することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、特に、セパレータにおける電圧測定端子に有効な燃料および酸化剤から電気化学反応を利用しエネルギを取り出す燃料電池に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】薄型金属セパレータの模式斜視図である。
【図２】薄型金属セパレータの電圧検出端子を折り曲げ／除去を前提とした加工を施した電圧検出端子模式斜視図である。
【図３】薄型金属セパレータの片面に一体化したシール材の模式斜視図である。
【図４】一つの端子を折り曲げ他を除去した薄型金属セパレータの模式斜視図である。
【図５】電圧測定端子の模式斜視図である。
【図６】電圧検出端子と測定端子を接触させる固定具の模式斜視図である。
【図７】改良した薄型燃料電池セパレータの模式斜視図である。
【図８】固定具に挿しこんだ電圧測定端子と電圧検出端子との接触部断面の模式図である。
【図９】固体高分子型燃料電池用電池単セルの構造を示す模式斜視図である。
【図１０】燃料電池スタックの構成図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  固体高分子電解質膜
２  空気極（Ｃａ電極）
３  燃料極（Ａｎ電極）
４  膜電極接合体
５  ガス拡散層
６  セパレータ
７  酸化剤ガス
８  酸化剤ガス＋生成水
９ａ  燃料ガス
９ｂ  残留燃料ガス
１０  冷却水
１１ａ  酸化剤ガス供給マニホールド
１１ｂ  酸化剤ガス排出マニホールド
１２ａ  燃料ガス供給マニホールド
１２ｂ  燃料ガス排出マニホールド
１３ａ  冷却水供給マニホールド
１３ｂ  冷却水排出マニホールド
１４ａ〜ｄ  電圧検出端子
１５  ガス流路
１６  金属セパレータ
２１  ミシン目
２２  切欠き
３１  シール材
５１  セル電圧測定端子
５２  電圧線
６１  電圧測定端子固定具
６２  スリット
７１  電圧検出端子上のくぼみ
７２  半円状電圧検出端子先端
１００  燃料電池スタック
１０１  燃料電池単セル
１０２  燃料ガス排出口
１０３  冷却水排出口
１０４  酸化剤ガス排出口
１０５  絶縁板
１０６  燃料ガス供給口
１０７  冷却水供給口
１０８  酸化剤ガス供給口
１０９  アノード集電板
１１０  カソード集電板
１１１  燃料ガス流路部
１１２  冷却水流路部
１１３  酸化剤ガス流路部
１１４  中間端板
１１５  端板
【図１】
2009217939.tif 000003
【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】
2009217939.tif 000009
【図８】
2009217939.tif 000010
【図９】
2009217939.tif 000011
【図１０】
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