JP2009187677A - 燃料電池におけるコネクタ接続方法およびセル電圧測定用コネクタ - Google Patents

Abstract

【課題】コネクタと端子との接触性に優れ、コネクタを端子に取付ける作業性が向上する燃料電池におけるコネクタ接続方法およびセル電圧測定用のコネクタを提供する。
【解決手段】セル電圧を検出するための検出端子１６が外部に突出して設けられた燃料電池セル２を複数積層する段階と、セル電圧を測定するためのコネクタ１７を隣接する検出端子１６間に挿入する段階と、前記積層された複数の燃料電池セル２を積層方向に押圧し、検出端子１６とコネクタ１７とを接続する段階と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池におけるコネクタ接続方法およびセル電圧測定用のコネクタに関する。

燃料電池スタックにおいて、積層した各セルの運転状態を確認するためにセル電圧を測定することが知られている。一般に、セル電圧を測定する場合、各セルのセパレータに設けられた端子に、セル電圧測定装置に接続されたセル電圧測定用のコネクタを取付けてセル電圧を測定する。

従来の燃料電池におけるセル電圧を測定するコネクタ接続方法としては、各セルのセパレータに設けられた端子取付け穴に、セル電圧測定用のコネクタを挿入して接続する方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００５−２９３９２４号公報

しかしながら、従来のセル電圧を測定するコネクタ接続方法は、複数の燃料電池セルを積層し、押圧して燃料電池スタックを形成した後に、コネクタを端子取付け穴に挿入する構造であるため、作業性および接触性に問題があった。

すなわち、端子取付け穴にコネクタを容易に挿入できるように、端子取付け穴の余裕代を大きくとれば、コネクタと端子との接触不良が生じ易くなり、逆に、コネクタと端子との接触不良が生じないように、端子取付け穴の余裕代を小さくすれば、コネクタを端子取付け穴に挿入しづらくなり、コネクタを端子に取付ける作業性に支障をきたすという問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決し、コネクタと端子との接触性に優れ、コネクタを端子に取付ける作業性が向上する燃料電池におけるコネクタ接続方法およびセル電圧測定用のコネクタを提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。

本発明の燃料電池におけるコネクタ接続方法は、セル電圧を検出するための検出端子が設けられた燃料電池セルを複数積層する段階と、前記セル電圧を測定するためのコネクタを隣接する前記検出端子間に挿入する段階と、前記積層された複数のセルを積層方向に押圧し、前記検出端子と前記コネクタとを接続する段階と、を有することを特徴とする。

また、本発明のセル電圧測定用のコネクタは、セル電圧を検出するための検出端子が設けられた燃料電池セルを複数積層した後に、隣接する前記検出端子間に挿入し、前記積層された複数の燃料電池セルを積層方向に押圧することで前記検出端子と嵌合するセル電圧測定用のコネクタであって、前記検出端子の中央部に設けられた穴と嵌合する凸部を有することを特徴とする。

本発明によれば、複数の燃料電池セルを積層し、コネクタをセル電圧の検出端子に挿入した後に、複数のセルを積層方向に押圧して検出端子とコネクタとを接続させることで、コネクタと検出端子との接触性に優れ、コネクタを端子に取付ける作業性を向上させることができる。

以下、本発明に係る燃料電池におけるコネクタ接続方法およびセル電圧測定用のコネクタについて、図面を参照しながら詳細に本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明の実施形態では、燃料電池として固体高分子形燃料電池を例にとって説明する。

まず、本実施形態の燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は、燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図であり、図２は、燃料電池スタックの断面およびセル電圧測定用のコネクタを示す図である。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池セル（以下、「単セル」と証する）２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に集電版４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。

この燃料電池スタック１では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水（冷媒）をそれぞれ各単セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された各流路に流通させるための燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２、および冷却水排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。

かかる構成の燃料電池スタック１においては、燃料ガスは、燃料ガス導入口８より導入されてセパレータに形成された燃料ガス流路を流れ、燃料ガス排出口９より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス流路を流れ、酸化剤ガス排出口１１より排出される。冷却水は、冷却水導入口１２より導入されてセパレータに形成された冷却水流路（冷媒流路）を流れ、冷却水排出口１３より排出される。

単セル２は、図２に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）１４と、このＭＥＡ１４の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１５とから構成される。以下、ＭＥＡ１４のアノード側に配置されるセパレータ１５をアノードセパレータ１５Ａと称し、カソード側に配置されるセパレータ１５をカソードセパレータ１５Ｂと称する。

ここで、各セパレータ１５Ａ，１５Ｂに設けられるセル電圧を検出するための検出端子１６、および検出端子１６に接続してセル電圧を測定するためのコネクタ１７について、図２および図３を参照しながら説明する。図３（ａ）は、本実施形態のセパレータに設けられる検出端子１６の形状を示す図であり、図３（ｂ）は、本実施形態のセル電圧を測定するためのコネクタ１７の形状を示す図である。

検出端子１６は、燃料電池スタック１を構成する各単セル２の電圧を検出するためのものである。検出端子１６は、各セパレータ１５Ａ，１５Ｂの端部において燃料電池スタック１の外側へと突出して設けられ、その中央部には、図３（ａ）に示すように、コネクタ１７と嵌合するための穴１６Ａを有する。検出端子１６に設けられた穴１６Ａは、以下で説明するコネクタ１７の形状によって定まる。また、穴１６Ａの大きさは、たとえば、後述するコネクタ１７における端子の最大外径の７０％の大きさとすることができる。なお、穴１６Ａの大きさは、隣接する検出端子１６間の幅、または検出端子１６の厚さによって適宜変更できる。

コネクタ１７は、隣接する検出端子１６間に挿入し、検出端子１６と接続することでセル電圧を測定するものである。コネクタ１７は、コネクタ１７の端子と電気的に接続されたハーネス１８を介してセル電圧測定装置１９に接続される。コネクタ１７は、図３（ｂ）に示すように、電気的にそれぞれ隔離された２つの端子１７１，１７２、および絶縁板１７３からなり、各端子１７１，１７２はそれぞれハーネス１８１,１８２に電気的に接続される２端子構造である。

コネクタ１７の高さは、たとえば、無荷重状態のセパレータ間に仮固定できるように隣接する検出端子１６よりも高くなるようにし、かつ、燃料電池スタック１をプレスした後においてセパレータピッチの収縮の際に隣り合うコネクタ１７の接点が接触する高さ以下に設定する。コネクタ１７の各端子１７１，１７２はそれぞれ、検出端子１６と接触する接触部１７Ａと、先端部１７Ｂとからなる。先端部１７Ａは、電気絶縁性を有する絶縁物で覆われており、接触部１７Ｂは、電気的導電性を有する物質からなり、検出端子１６の穴１６Ａと嵌合してコネクタ１７の端子と線接触する。また、コネクタの各端子１７１，１７２は、検出端子１６の穴１６Ａと嵌合して固定するための突起部１７Ｃを有する。突起部１７Ｃは、各端子１７１，１７２の接触部１７Ｂの全周またはその一部に適宜設けることができる。さらに、コネクタ１７は、その端部に、コネクタ固定部材２０に取り付けるための取付け部１７４を有する。取付け部１７４の形状および大きさは、後述するコネクタ固定部材２０の穴に収まるように適宜設定することができる。

セル電圧測定装置１９は、単セル電圧を測定するためのものであって、単セル電圧取得手段として機能する。

コネクタ固定部材２０は、複数のコネクタ１７を一定の間隔に保持するものであって、保持手段として機能する。コネクタ固定部材２０は、梯子状の形状であって、コネクタ固定部材２０の穴に、コネクタ１７の配線を挿入し、コネクタ１７の取付け部１７４を挿入して固定する。梯子状のコネクタ固定部材２０は、たとえば、配線に沿ってスライドする構造で、コネクタ１７の取付け部１７４を完全固定しないで若干の自由度を持つ。また、コネクタ固定部材２０のコネクタを取付けない部分、すなわち、セル電圧が非測定の検出端子間には、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、治具２１を挿入することができる。

治具２１は、コネクタ１７が斜めになり嵌合不良を起こすことを防止するためのものであって、その形状は、被測定の検出端子間の幅により定めることができる。また、治具２１は、たとえば、隣接するコネクタ１７の端子との絶縁性を保つために、絶縁物からなることが望ましい。治具２１の厚さは、コネクタ１７の絶縁板の厚さと同一にすることができるが、セルピッチによって適宜設定することができる。なお、治具２１は、省略することもできる。

以上のように構成される本実施形態の燃料電池におけるセル電圧測定用のコネクタは、以下のように処理を行う。

図５は、本実施形態の燃料電池におけるコネクタ接続方法の処理内容の一例を示すフローチャートである。本実施形態のコネクタ接続方法では、単セル２を積層方向に一つ置きに測定するものとし、被測定の単セル２の検出端子間には、治具２１を挿入するものとする。

まず、本実施の形態における燃料電池の制御方法では、図６に示すように、単セル２を所定数積層後、隣接する検出端子１６間にコネクタ１７を挿入する（ステップＳ１００）。なお、コネクタ１７を検出端子１６間に挿入する前に、コネクタ１７の根本を固定するコネクタ固定部材２０の穴に、コネクタ１７の配線を挿入し、コネクタ１７の取付け部１７４を挿入して固定しておく。

次いで、燃料電池スタック１を単セル２の積層方向に仮プレスし、コネクタ１７の端子を検出端子１６の穴に挿入する（ステップＳ１１０）。仮プレスをすることにより、セパレータの弾性によりコネクタ１７が仮保持される。ここで、仮プレスとは、コネクタ１７と検出端子１６とが完全に嵌合して接続するための規定荷重よりも低い荷重で燃料電池スタックを押圧することである。すなわち、仮プレスをすることによって、たとえば、作業者の視覚を通じて、コネクタ１７の端子が検出端子１６の穴に入っていることを確認した後、次のステップの処理であるプレスをすることで、確実にコネクタ１７と検出端子１６とを嵌合させることができる。

次いで、図７に示すように、燃料電池スタック１をプレスし、コネクタ１７と検出端子１６とを接続する（ステップＳ１２０）。すなわち、コネクタ１７と検出端子１６の穴１６Ａが嵌合して突起部１７Ｃで固定されるまで積層された複数の単セル２を積層方向に押圧することで、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、コネクタ１７と検出端子１６とが嵌合して接続される。

次いで、コネクタ１７と検出端子１６とが嵌合した後に、荷重を抜いて、セパレータ１５の位置決めをする（ステップＳ１３０）。荷重を抜くことによって、セパレータ１５がコネクタ１７に倣う。そして、コネクタ固定部材２０を燃料電池スタック１のエンドプレート６に固定する。

上記処理において、ステップＳ１００の処理は、セル電圧を検出するための検出端子１６が外部に突出して設けられた単セル２を複数積層し、セル電圧を測定するためのコネクタ１７を隣接する検出端子１６間に挿入する処理に対応する。

また、ステップＳ１２０の処理は、積層された複数のセルを積層方向に押圧し、前記検出端子と前記コネクタとを接続する処理に対応する。

以上のように、本実施形態の燃料電池におけるコネクタ接続方法によれば、下記の効果（Ａ）〜（Ｈ）を有する。

（Ａ）複数のセルを積層し、コネクタをセル電圧の検出端子に挿入した後に、複数のセルを積層方向に押圧して検出端子とコネクタとを接続させることで、コネクタと端子との接触性に優れ、コネクタを端子に取付ける作業性を向上させることができる。すなわち、プレス前に隣接する検出端子間にコネクタを挿入することによって、セルピッチの影響を受けずに取り付けることができ、また、プレスと同時にコネクタが接続されるので作業時間の短縮ができる。

（Ｂ）一つのコネクタを２端子構造とすることで、検出端子間に挿入する部品数を低減することができ、コストの削減ができる。

（Ｃ）コネクタが検出端子の中央部に設けられた穴と嵌合する凸状のコネクタ端子を有することで、コネクタの脱落を防止することができる。

（Ｄ）コネクタ端子における検出端子と接触する接触部が、円錐または角錐の形状であることで、コネクタ端子と検出端子とが常に線接触することができ、接触不足なく嵌合することができる。また、擬似接触しないため、手戻り工数の削減ができる。

（Ｅ）コネクタ端子の接触部が検出端子の穴と嵌合して固定する突起部を有して、コネクタ端子と検出端子の穴が嵌合して突起部で固定されるまでプレスすることで、検出端子とコネクタとの嵌合した後、荷重を抜いても、コネクタが検出端子からの脱落を防止することができる。

（Ｆ）コネクタ端子の先端部は、電気絶縁性を有する絶縁物で覆うことで、隣接するコネクタ端子の接触による短絡を防止することができる。また、コネクタ端子の接触による短絡を防止するためのオフセットを考慮しなくてもよく、スタック容積を小さくすることができる。

（Ｇ）セル電圧が非測定の前記検出端子間に電気的に絶縁性を有する治具を挿入することで、セパレータの弾性を抑えることができる。

（Ｈ）コネクタは、複数のコネクタを一定の間隔に保持する保持手段に取り付けるための取付け部を有し、検出端子と前記コネクタとを接続する段階の前に、複数のコネクタを前記保持手段に取り付けることで、熱での収縮時にセパレータの移動量を低減することができる。
＜変形例＞
さらに、本実施形態の変形例として、図９に示すように、単セル２の検出端子１６が左右に交互に設けられるように積層した燃料電池スタックに、両側からコネクタ１７を隣接する検出端子間に挿入することもできる。この場合、セルピッチが広いのでコネクタ１７の装着を容易にすることができる。

以上のように本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、以上の実施形態に限定されるべきものではなく、特許請求の範囲に表現された思想および範囲を逸脱することなく、種々の変形、追加、および省略が当業者によって可能である。

たとえば、本実施形態の検出端子は、その中央部に穴を設けているが、これに限られず、検出端子が平坦な形状であっても、本実施形態の接続方法によれば、検出端子とコネクタとの挟持力を強めて接続させ、コネクタの脱落を防止することもできる。

また、本実施形態のコネクタの端子の形状は、四角錘状で形成されているが、これに限られず、検出端子の穴とコネクタの端子とが嵌合する凸状であればよく、たとえば、円柱または四角柱の形状とすることができる。なお、コネクタの端子の形状は、検出端子との嵌合し易さから、錘状体が望ましく、たとえば、円錐の形状にすることもできる。

さらに、本実施形態のコネクタの端子に設けられる突起部は一部にのみ設けているが、これに限られず、たとえば、端子の全周に凸状の突起部とすることもできる。また、本発明において、コネクタ端子の突起部は、より確実なコネクタの脱落防止のために設けるものであって、必ずしも設ける必要はなく省略することができる。

さらに、本実施形態のコネクタの端子の先端部は絶縁物で覆われているが、これに限られず、たとえば、隣接するコネクタの間に治具２１を有する場合など、隣接するコネクタ同士が短絡する可能性がない場合は絶縁物で覆われなくていなくても良い。

さらに、本実施形態では、コネクタと検出端子との嵌合前にコネクタをコネクタ固定部材に取り付けているが、この場合に限られず、コネクタと検出端子とが嵌合した後にコネクタ固定部材を取り付けてもよく、また、コネクタ固定部材そのものを省略することもできる。

本実施形態の燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。 本実施形態の燃料電池スタックの断面およびコネクタを示す図である。 （ａ）は、セパレータに設けられる検出端子１６の形状を示す図であり、（ｂ）は、セル電圧を測定するコネクタ１７の形状を示す図である。 （ａ）は、コネクタ固定部材にコネクタが取付けた状態を示す斜視図であり、（ｂ）は、コネクタ固定部材にコネクタが取付けた状態を示す平面図である。 本実施形態の燃料電池におけるコネクタ接続方法の処理内容の一例を示すフローチャートである。 隣接する検出端子間にコネクタが挿入された様子を示す図である。 隣接する検出端子間にコネクタが接続された様子を示す図である。 検出端子とコネクタとの嵌合の様子を示す図である。 本実施形態の変形例の燃料電池スタックの断面およびコネクタを示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック、
２ 燃料電池セル、
１４ ＭＥＡ、
１５ セパレータ、
１６ 検出端子、
１７ コネクタ、
１８ ハーネス、
１９ セル電圧測定装置、
２０ コネクタ固定部材、
２１ 治具。

Claims (9)

1. セル電圧を検出するための検出端子が外部に突出して設けられた燃料電池セルを複数積層する段階と、
   前記セル電圧を測定するためのコネクタを隣接する前記検出端子間に挿入する段階と、
   前記積層された複数のセルを積層方向に押圧し、前記検出端子と前記コネクタとを接続する段階と、
   を有することを特徴とする燃料電池におけるコネクタ接続方法。
2. 前記コネクタは、前記隣接する検出端子それぞれと接続する２端子であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池におけるコネクタ接続方法。
3. 前記検出端子は、中央部に穴が設けられ、
   前記コネクタは、前記検出端子の穴と嵌合する凸状のコネクタ端子を有し、
   前記検出端子と前記コネクタとを接続する段階は、前記検出端子の穴と前記コネクタ端子とが嵌合して接続することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池におけるコネクタ接続方法。
4. 前記コネクタ端子における前記検出端子と接触する接触部は、円錐または角錐の形状であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池におけるコネクタ接続方法。
5. 前記接触部は、前記検出端子の穴と嵌合して固定する突起部を有し、
   前記検出端子と前記コネクタとを接続する段階は、前記コネクタ端子と前記検出端子の穴が嵌合して前記突起部で固定されるまで前記積層された複数の燃料電池セルを積層方向に押圧し、前記検出端子と前記コネクタとを接続することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池におけるコネクタ接続方法。
6. 前記コネクタ端子の先端部は、電気絶縁性を有する絶縁物で覆われていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池におけるコネクタ接続方法。
7. 前記検出端子と前記コネクタとを接続する段階の前に、
   さらに、前記セル電圧が非測定の前記検出端子間に電気的に絶縁性を有する治具を挿入する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池におけるコネクタ接続方法。
8. 前記コネクタは、複数のコネクタを一定の間隔に保持する保持手段に取り付けるための取付け部を有し、
   前記検出端子と前記コネクタとを接続する段階の前に、前記複数のコネクタを前記保持手段に取り付けることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池におけるコネクタ接続方法。
9. セル電圧を検出するための検出端子が外部に突出して設けられた燃料電池セルを複数積層した後に、隣接する前記検出端子間に挿入し、前記積層された複数のセルを積層方向に押圧することで前記検出端子と嵌合するセル電圧測定用のコネクタであって、
   前記検出端子の中央部に設けられた穴と嵌合する凸状のコネクタ端子を有することを特徴とするセル電圧測定用のコネクタ。

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