(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスタックを互いに並列にかつ水平に配しセル積層方向を車両前後方向と直交方向に向けて車両に搭載した燃料電池のセルにコネクタ部位で接続されるセルモニタの取付構造を有する燃料電池であって、
セルモニタのコネクタのセルへの取付位置を、並列配置されたスタックとスタックの間側のセル端部に設定したセルモニタの取付構造を有する燃料電池。
【請求項２】
前記セルモニタは、スタックのセル積層方向両端部分では各セルに接続され、スタックのセル積層方向中間部分では積層セルに間引いて接続される請求項１記載のセルモニタの取付構造を有する燃料電池。
【請求項３】
前記セルモニタの配線は、セル積層体の上下に位置する上下のテンションプレートのうち上側テンションプレートの上面に固定されている請求項１記載のセルモニタの取付構造を有する燃料電池。
【請求項４】
制御用基板を上面に配した制御基板固定用プレートが、セル積層体の上下に位置する上下のテンションプレートのうち上側テンションプレートの上方に配置されて上側テンションプレートに固定されており、セルモニタの配線の制御用基板への接続位置を、並列なスタック列の中央側に配した請求項１記載のセルモニタの取付構造を有する燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セルモニタの取付構造を有する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（アノード、燃料極、−極）および電解質膜の他面に配置された触媒層および拡散層からなる電極（カソード、空気極、＋極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータとからセル（単セル）を構成し、複数のセルを積層してモジュールとし、モジュールを積層してモジュール群を構成し、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル（電極板）、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体の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、締結部材はスタック構成部材の一部）にて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード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）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
セパレータでのジュール熱とカソードでの水生成反応で熱が出るので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
各セル毎に、または複数のセル毎に、セルで正常な発電が行われていることを確認するとともに、セル電圧に基づいて反応ガスの流量制御を行ったり、異常電圧の場合にモータにガードをかけるために、セル電圧がモニタされる。
特開平９−２８３１６６号公報は、セル電圧をモニタするために、各セルのセパレータに丸穴を形成し、そこに１本１本モニタピン端子を差しこむ端子接続構造を提案している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のセルモニタでは、スタックの各セル検出のため、セルモニタをセルに、コンパクトかつ簡素に取り付けられない。
本発明の目的は、コンパクトかつ簡素にセルに取り付けることができる、セルモニタの取付構造を有する燃料電池を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  複数のスタックを互いに並列にかつ水平に配しセル積層方向を車両前後方向と直交方向に向けて車両に搭載した燃料電池のセルにコネクタ部位で接続されるセルモニタの取付構造を有する燃料電池であって、
セルモニタのコネクタのセルへの取付位置を、並列配置されたスタックとスタックの間側のセル端部に設定したセルモニタの取付構造を有する燃料電池。
（２）  前記セルモニタは、スタックのセル積層方向両端部分では各セルに接続され、スタックのセル積層方向中間部分では積層セルに間引いて接続される（１）記載のセルモニタの取付構造を有する燃料電池。
（３）  前記セルモニタの配線は、セル積層体の上下に位置する上下のテンションプレートのうち上側テンションプレートの上面に固定されている（１）記載のセルモニタの取付構造を有する燃料電池。
（４）  制御用基板を上面に配した制御基板固定用プレートが、セル積層体の上下に位置する上下のテンションプレートのうち上側テンションプレートの上方に配置されて上側テンションプレートに固定されており、セルモニタの配線の制御用基板への接続位置を、並列なスタック列の中央側に配した（１）記載のセルモニタの取付構造を有する燃料電池。
【０００５】
上記（１）のセルモニタの取付構造を有する燃料電池では、セルモニタのコネクタのセルへの取付位置を、並列配置のスタックとスタックの間側のセル端部に設定したので、並列配列のスタックの車両フロント側スタックとリア側スタックのセルモニタ取付け部位を互いに近接した位置とすることができ、セルモニタのセルへの接続部（コネクタ）の構造をコンパクトかつ簡素にすることができる。また、セルモニタのコネクタのセルへの取付位置を、並列配置のスタックとスタックの間側のセル端部に設定したので、車両の前面衝突時においてもセルモニタ部品が守られる。
上記（２）のセルモニタの取付構造を有する燃料電池では、スタック端部に比べてセル電圧が安定しているスタック中間部分では、セルモニタが積層セルに間引いて接続されるので、全セル取付けに比べてセルモニタの取付構造をコンパクトかつ簡素にすることができる。
上記（３）のセルモニタの取付構造を有する燃料電池では、セルモニタの配線が、上下のテンションプレートのうち上側テンションプレートの上面に固定されているので、上側テンションプレートの上面を利用して配線をコンパクトかつ簡素に固定することができる。
上記（４）のセルモニタの取付構造を有する燃料電池では、制御用基板を上面に配した制御基板固定用プレートを上側テンションプレートの上方に配置し、セルモニタの配線の制御用基板への接続位置を、並列なスタック列の中央側に配したので、上側テンションプレートおよび制御基板固定用プレートの上側のスペースを利用して、制御用基板をコンパクトかつ簡素に配置することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のセルモニタの取付構造を有する燃料電池を図１〜図８を参照して、説明する。
本発明のセルモニタが取付けられてセル電圧がモニタされる燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池１０である。本発明の燃料電池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】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極、−極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極、＋極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７（燃料流路２７ａ、空気流路２７ｂ）および燃料電池冷却用の冷却水が流れる冷却水流路２６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９とし、モジュー  １９を積層してモジュール群を構成し、モジュール１９群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を配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付けスタック２３の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、締結部材２４はスタックの一部を構成する）とボルト２５で固定したものからなる。冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。
【０００８】
セパレータ１８は、カーボン板に冷却水流路２６やガス流路２７を形成したもの、または、導電性粒子を混入して導電性をもたせた樹脂板に冷却水流路２６やガス流路２７を形成したもの、または、流路２６、２７を形成する凹凸のある金属板を複数枚重ね合わせたもの、の何れかからなる。図示例は、セパレータ１８がカーボン板からなる場合を示している。冷却水流路２６、ガス流路２８は、それぞれ、スタック２３内の冷却水マニホールド、ガスマニホールドを介して、エンドプレート２２に取り付けられた配管用部品３９（冷却水供給・排出用配管およびガス供給・排出用配管）に接続される。
セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを区画する。セパレータ１８は、また、導電性部材であり、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。１つのセルで、電解質膜１１を挟んでカソード側のセパレータが＋のセパレータであり、アノード側のセパレータが−のセパレータであり、電解質膜１１を挟んだ＋のセパレータと−のセパレータとの間にセル電圧（たとえば、約１Ｖ）が発生する。
【０００９】
図３〜図８に示すように、燃料電池１０のセルでの電圧を測定するために、燃料電池１０に対してセルモニタ（セル電圧モニタ）が２８が設けられる。
セルモニタ２８は、セルに接続されるコネクタ３０と、コネクタ３０からのアナログ電圧を制御用信号にする制御用基板２９と、コネクタ３０のアナログ電圧信号を制御用基板２９に伝達するワイヤハーネス（配線）３３と、を備えている。
【００１０】
図３〜図５に示すように、複数のスタック２３が互いに並列にかつ水平に配して構成された燃料電池１０が、セル積層方向を車両前後方向と直交方向に向けて車両に搭載されている。図示例では、フロント側スタックとリア側スタックを並列かつ水平配置して、各スタックのセル積層方向を車両前後方向と直交する方向に向けて車両に搭載されている。
セルモニタ２８は、燃料電池のセルにコネクタ３０部位で接続される。セルモニタ２８のコネクタ３０のセルへの取付位置は、並列に配置されているスタックとスタックとの間側（並列配置の複数スタックのセル積層方向と直交する方向に中央寄り側）に設定されている。図示例では、セルモニタ２８のコネクタ３０のセルへの取付位置は、フロント側スタックとリア側スタックの間側の部分）に設定されている。
燃料電池のセルにおけるセパレータの＋−の順序は、フロント側スタックにおいて右端から左端への順序と、リア側スタックにおける左端から右端への順序とが、互いに同じになるようにしてある。
【００１１】
セルモニタ２８のワイヤハーネス（配線）３３は、複数本が樹脂で絶縁され束ねて偏平状とされている。ワイヤハーネス（配線）３３は、並列配置の各スタック２３のセル積層体の上下に位置する上下のテンションプレート２４のうち上側テンションプレートの上面に固定されている。ワイヤハーネス３３をクランプ３６でクランプし、そのクランプ３６をテンションプレート２４の上面に固定されたスタッドボルト３７により固定することにより、ワイヤハーネス３３を上側テンションプレートの上面に固定している。
【００１２】
上側テンションプレートの幅方向一端に位置するコネクタ３０からのワイヤハーネス３３は、ワイヤハーネス幅方向に縮小されながら上側テンションプレートの幅方向他端部近傍に至り、そこでクランプ３６とスタッドボルト３７で上側テンションプレートにクランプされ、ついで折り返されて、前記上側テンションプレートの幅方向一端側（コネクタ側）に延び、上側テンションプレートの幅方向端部位置で制御用基板２９側に接続される。
【００１３】
図４（図３で上側テンションプレートの上に更に制御基板固定用プレートを配した図）に示すように、制御用基板２９は、ワイヤハーネス３３からのアナログ信号をディジタル信号に変換するものであり、制御基板固定用プレート３８の上面に配されている。制御基板固定用プレート３８は、セル積層体の上下に位置する上下のテンションプレートのうち上側テンションプレート２４の上方に配置されて上側テンションプレートに固定されている。セルモニタのワイヤハーネス（配線）３３の制御用基板２９への接続位置は、並列なスタック列の中央側（コネクタ３０と同じ側）に配されている。
【００１４】
図６〜図８に示すように、セルモニタ２８のコネクタ３０は端子３１を有しており、各セル毎に、または複数のセル毎に、コネクタ３０の端子３１が接続される。端子３１は、セルのセパレータ１８に対して着脱可能に、かつセパレータ１８を挟むように、取り付けられる。端子３１は、セパレータ１８に直接コンタクトされる。
【００１５】
各セル電圧モニタ用コネクタ３０は、ハウジング３２と、ハウジング３２に着脱可能に保持された一対の端子３１を有する。ハウジング３２は非導電性材料であり、たとえば樹脂製である。端子３１は導電性の金属材料（たとえば、銅に金属メッキを施したもの）からなる。各端子３１はそれに対応するワイヤハーネス３３に接続されている。
ハウジング３２は、端子３１を保持する函部３２ａと、ヒンジ部３２ｃで開閉可能に函部３２ａに連結された蓋部３２ｂと、函部３２ａを２つの空間に区切るとともに両端子３１間の絶縁部となる仕切部３２ｄと、からなる。ハウジング３２の函部３２内の２つの空間のそれぞれに端子３１が配置され、その後蓋部３２ｂが閉じられて端子３１の函部３２ａからの抜けを防止する。
【００１６】
端子３１は、セパレータ１８を挟んでセパレータ１８にコンタクトされるコ字状部３１ａと、ワイヤハーネス３３との接続部３１ｂと、コ字状部３１ａと接続部３１ｂとを連結する連結部３１ｃと、からなる。コ字状部３１ａの２つの脚は、ハウジング３２の函部３２ａのスリットを挿通してハウジング３２の側壁間でセパレータ１８側に延び、その部分でセパレータ１８の端部を挟みセパレータ１８にコンタクトされる。
【００１７】
セルモニタのコネクタ３０を燃料電池１０のセルに接続するに際し、コネクタ３０の一対の端子のうち一方の端子３１を燃料電池１０のセルのセパレータ１８にコンタクトさせ、他方の端子３１を前記セルに隣接するセルの、前記一方の端子がコンタクトするセパレータと同極のセパレータ１８にコンタクトさせてある。
【００１８】
一対の端子３１がコンタクトされるセパレータ１８の極性は＋であっても−であってもよい。図示例は、一対の端子３１が、一つのセルと隣接するセルの、＋極のセパレータ１８にコンタクトされる場合を示している。
図示例では、ハウジング３２に保持された２つの端子３１の一つは一つのセルの＋極性をもつセパレータを挟むように該セパレータにコンタクトされており、もう一つの端子は隣接するセルの＋極性をもつセパレータを挟むように該セパレータ（隣接セルのセパレータ）にコンタクトされている。
【００１９】
（イ）端子３１がコンタクトされない側の極性をもつセパレータ１８には、端子３１がコンタクトされる側の極性をもつセパレータ１８の端子接続部位に対応する部位に切り欠き３４が形成されている。あるいは、（ロ）端子３１がコンタクトされる側の極性をもつセパレータ１８には、端子３１にコンタクトされない側の極性をもつセパレータ１８から突出する突出部３５が形成されている。あるいは、（ハ）端子３１がコンタクトされない側の極性をもつセパレータ１８に切り欠き３４が形成されるとともに、端子３１がコンタクトされる側の極性をもつセパレータ１８に突出部３５が形成されている。（イ）、（ロ）、（ハ）の何れかの構造をとることにより、端子３１のセパレータ１８への装着時に、端子３１がコンタクトされない側の極性をもつセパレータ１８に、コネクタ３０が干渉しないようにしてある。
【００２０】
セル積層体中間部に配置したセルのセル電圧はスタックのセル積層方向端部に配置したセルのセル電圧に比べて安定しているので、スタックのセル積層方向中間部に配置したセルに対しては、図５に示すように、複数個に１個の割合でセル電圧をモニタして、すなわち間引きモニタを行ってもよい。そうすることによって、セル積層体全体を一巡してセル電圧モニタするに要する時間を短縮することができる。その場合、スタックのセル積層方向中間部のセルに対してコネクタ３０配置を間引くに際し、コネクタ３０の配置と構造は変えることなく（端子３１は設けたままにして）、コネクタ３０の装着を間引きたいセルのセパレータにコンタクトされる端子３１を該端子に対応するワイヤハーネス３３導線に接続しないようにする。
なお、図示例の間引き接続では、端子が隣接するセルとコンタクトする場合を例にとったが、端子は必ずしも隣接するセルとコンタクトするものに限らず、たとえばセル１つとび毎でもよく、上記に準じる作用、効果が得られる。
【００２１】
つぎに、本発明のセルモニタの取付構造を有する燃料電池の作用を説明する。
まず、セルモニタ２８のコネクタ３０のセルへの取付位置を、並列配置のスタックとスタックの間側のセル端部に設定したので、並列配列のスタックの車両フロント側スタックとリア側スタックのセルモニタ取付け部位を互いに近接した位置で対称配置とすることができ、セルモニタのセルへの接続部（コネクタ）の構造を簡素かつコンパクトにすることができる。また、セルモニタ２８のコネクタ３０のセルへの取付位置を、並列配置のスタックとスタックの間側のセル端部に設定したので、車両の前面衝突時においても、スタックが損壊しない限り、セルモニタ部品が守られる。
【００２２】
また、スタック端部に比べてセル電圧が安定しているスタック中間部分では、セルモニタ２８が積層セルに間引いて（複数個のセルに１個のセルモニタの割合で）接続されるので、全セルにセルモニタ２８を取付ける場合に比べてセルモニタの取付構造をコンパクトかつ簡素にすることができる。また、全セルモニタ２８を走査する時間を短縮でき、セル電圧チェックの応答性がよくなる。
【００２３】
また、セルモニタ２８のワイヤハーネス（配線）３３が、上下のテンションプレート２４のうち上側テンションプレートの上面に固定されているので、上側テンションプレートの上面を利用して配線をコンパクトかつ簡素に固定することができる。また、上側テンションプレートの上面に固定されるので、スタックを車両に組付けた後に、ワイヤハーネス（配線）３３を固定でき、スタックの搭載とワイヤハーネス（配線）３３の組み付け、固定を別工程で行うことができ、燃料電池の車両への搭載上、有利となる。
【００２４】
また、制御用基板２９を上面に配した制御基板固定用プレート３８を上側テンションプレート２４の上方に配置して上側テンションプレート２４に固定し、セルモニタ２８の配線３３の制御用基板２９への接続（コネクタ）位置を、並列なスタック列の中央側に配したので、上側テンションプレート２４および制御基板固定用プレート２４の上側のスペースを利用して、制御用基板２９をコンパクトかつ簡素に配置することができる。また、セルモニタ２８の配線３３の制御用基板２９への接続（コネクタ）位置を並列なスタック列の中央側に配したので、車両の前面衝突時にも、守られる。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１のセルモニタの取付構造を有する燃料電池によれば、セルモニタのコネクタのセルへの取付位置を、並列配置のスタックとスタックの間側のセル端部に設定したので、並列配列のスタックの車両フロント側スタックとリア側スタックのセルモニタ取付け部位を互いに近接した位置とすることができ、セルモニタのセルへの接続部（コネクタ）の構造をコンパクトかつ簡素にすることができる。また、セルモニタのコネクタのセルへの取付位置を、並列配置のスタックとスタックの間側のセル端部に設定したので、車両の前面衝突時においてもセルモニタ部品を守ることができる。
請求項２のセルモニタの取付構造を有する燃料電池によれば、スタック端部に比べてセル電圧が安定しているスタック中間部分では、セルモニタが積層セルに間引いて接続されるので、全セル取付けに比べてセルモニタの取付構造をコンパクトかつ簡素にすることができる。
請求項３のセルモニタの取付構造を有する燃料電池によれば、セルモニタの配線が、上下のテンションプレートのうち上側テンションプレートの上面に固定されているので、上側テンションプレートの上面を利用して配線をコンパクトかつ簡素に固定することができる。
請求項４のセルモニタの取付構造を有する燃料電池によれば、制御用基板を上面に配した制御基板固定用プレートを上側テンションプレートの上方に配置し、セルモニタの配線の制御用基板への接続位置を、並列なスタック列の中央側に配したので、上側テンションプレートおよび制御基板固定用プレートの上側のスペースを利用して、制御用基板をコンパクトかつ簡素に配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明実施例のセルモニタの取付構造を有する燃料電池の全体概略図である。
【図２】  図１の燃料電池の一部拡大断面図である。
【図３】  本発明実施例のセルモニタの取付け構造が適用された複数スタックを有する燃料電池の、制御用基板取付け前の、全体平面図である。
【図４】  本発明実施例のセルモニタの取付け構造が適用された複数スタックを有する燃料電池の、制御用基板取付け後の、全体平面図である。
【図５】  本発明実施例のセルモニタの取付構造を有する燃料電池の、セルモニタの間引き取付け図である。
【図６】  本発明実施例のセルモニタのコネクタのセルへの接続構造の側面図である。
【図７】  本発明実施例のセルモニタのコネクタのセルへの接続構造の断面図（図６のＡ−Ａ断面図）である。
【図８】  本発明実施例のセルモニタのコネクタのセルへの接続構造の平面図である。
【符号の説明】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２  触媒層
１３  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  触媒層
１６  拡散層
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  モジュール
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  テンションプレート
２５  ボルト
２６  冷却水流路
２７  ガス流路
２８  セルモニタ
２９  制御用基板
３０  コネクタ
３１  端子
３１ａ  コ字状部
３１ｂ  接続部
３１ｃ  連結部
３２  ハウジング
３２ａ  函部
３２ｂ  蓋部
３２ｃ  ヒンジ部
３２ｄ  仕切部
３３  ワイヤハーネス（配線）
３４  切り欠き
３５  突出部
３６  クランプ
３７  スタッドボルト
３８  制御基板固定用プレート
３９  配管用部品
【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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【図８】
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