JP2001229942A - 燃料電池の安全装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池内部で燃焼が起こった場合に、単純
な構造により、的確にガス供給を停止して、燃焼がシス
テム全体へ及ぶような大きなトラブルに発展するのを回
避することができる燃料電池の安全装置を提供する。 【解決手段】 燃料ガス流路または酸化剤ガス流路のう
ち、少なくとも一方の流路７に、燃焼温度でその形状が
変化して流路７を閉塞する安全弁１１を備え、例えば、
燃焼温度になったときに安全弁１１によって自動的にガ
スの流路のうち、少なくとも一方が閉塞されるため、少
なくとも一方のガス供給が止まって燃焼がおさまる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池の安全装置
に関し、特に、燃料電池内で燃焼が起きたときに、この
燃焼が継続しないようにする燃料電池の安全装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年の環境問題、特に自動車の排気ガス
による大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に
対して、クリーンな排気および高効率のエネルギー効率
を可能とする燃料電池技術が注目されている。

【０００３】燃料電池は、その燃料となる水素あるいは
水素リッチな改質ガスなどの燃料ガスと、空気などの酸
化剤とを、高分子膜と電極触媒の複合体に供給し電気化
学反応を起こすことで、化学エネルギーを電気エネルギ
ーに変換するエネルギー変換システムである。その中で
も特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電
池は自動車など移動体用電源として注目されている。

【０００４】ところで、このような固体高分子型燃料電
池においては、その作動中に何らかの原因によって固体
高分子電解質膜中を燃料ガスと酸化剤ガス（これらを総
称して作動ガスとも称する）とがクロスオーバーした
り、あるいはセルスタック中のガスシール部材からリー
クする燃料ガスや酸化剤ガスなどの量が急激に増加した
りして、触媒電極または固体高分子電解質膜中でこれら
の作動ガスが燃焼し、当該電極および電解質膜が焼失し
てしまうことがある。

【０００５】従来、このような問題を解決するために、
例えば特開平９−１４７８９５号公報には、燃料電池セ
ルの電圧および温度を検出して、電圧の検出値と温度の
検出値があらかじめ設定されている基準値に対し所定範
囲外であるとき、当該燃料電池セルに異常が発生してい
ると判断して、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止
する技術が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の技術では、複数の燃料電池セルを多数集積し
た燃料電池システムを考えた場合、集積された多数のセ
ルすべてついてセル電圧や温度を検出する必要がある。
従って、必要となるセル電圧やセル温度の検出点数がき
わめて多数となる。このため、少なくともセル数に相当
するだけの電圧計測装置および温度計測装置が多数必要
となり、また、これらを制御する制御装置や制御ソフト
が複雑となってしまうといった問題がある。

【０００７】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的としては、燃料電池内部で燃焼が起こった場合
に、単純な構造により、的確にガス供給を停止して、燃
焼がシステム全体へ及ぶような大きなトラブルに発展す
るのを回避することができる燃料電池の安全装置を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記課題を解決するため、供給される燃料ガスと酸化剤
ガスを反応させて発電する燃料電池を構成する各セルの
燃料ガス流路または酸化剤ガス流路のうち少なくとも一
方の流路に、所定温度でこの流路を閉塞する弁手段を備
えることを要旨とする。

【０００９】請求項２記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記弁手段は、前記所定温度で形状が変化する
部材であることを要旨とする。

【００１０】請求項３記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記所定温度で形状が変化する部材は、バイメ
タルまたは形状記憶合金であることを要旨とする。

【００１１】請求項４記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記バイメタルまたは形状記憶合金には、前記
流路と接触する部分に絶縁材が塗布されていることを要
旨とする。

【００１２】請求項５記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記弁手段は、所定温度で膨張する膨張性樹脂
であることを要旨とする。

【００１３】請求項６記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記弁手段は、所定温度で溶解する樹脂材料を
有し、該樹脂材料が溶解したときに前記流路が閉じるよ
うに構成されたバルブであることを要旨とする。

【００１４】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、供給さ
れる燃料ガスと酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電
池を構成する各セルの燃料ガス流路または酸化剤ガス流
路のうち少なくとも一方の流路に、所定温度でこの流路
を閉塞する弁手段を備えたので、所定温度を燃焼温度に
設定することで、複数のセルの中のあるセルがこのよう
な所定温度になったときには弁手段によって自動的にガ
ス流路のうち、少なくとも一方が閉塞されるため、少な
くとも一方のガス供給が止まって燃焼がおさまる。した
がって、燃焼がシステム全体に発展したり、電極材料の
焼失と言った事態を防止することができる。

【００１５】また、従来の技術のように電圧計測装置や
温度計測装置などがないため、多数のセルからなる燃料
電池システムを組んだ場合でも、システム全体の構成を
簡単にすることができる。

【００１６】請求項２記載の本発明によれば、弁手段
に、温度によって形状が変形する部材を用いたので、ガ
ス流路を確実に閉塞させることができる。

【００１７】請求項３記載の本発明によれば、弁手段
に、バイメタルまたは形状記憶合金を用いることとした
ので、ガス流路を閉塞させる温度を容易に設定すること
ができ、かつ、その温度で確実にガス流路を閉塞でき
る。

【００１８】請求項４記載の本発明によれば、バイメタ
ルまたは形状記憶合金のガス流路と接触する部分に絶縁
材を塗布することとしたので、燃料ガスの流路または酸
化剤ガスの流路に導電性部材が設けられている場合に、
これら導電性部材と金属であるバイメタルや形状記憶合
金が接触することによる電気的短絡を防止することがで
きる。

【００１９】請求項５記載の本発明によれば、弁手段
に、所定温度によって膨張する膨張性樹脂を用いたの
で、燃焼が始まったときには膨張性樹脂が膨張して、確
実にガス流路を閉塞させることができる。

【００２０】請求項６記載の本発明によれば、弁手段
を、所定温度で溶解する樹脂材料と、該樹脂材料が固形
状態のときに前記ガス流路が確保されるように該樹脂材
料によって支持され、該樹脂材料が溶解したときに前記
ガス流路が閉じるように構成された弁部材と、からなる
ものとしたので、燃焼が始まったときには、樹脂材料が
溶解して確実にガス流路を閉塞させることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】まず、本発明の原理を説明する。
固体高分子電解質型燃料電池は、通常の運転時には、水
素あるいは水素リッチな改質ガスなどの燃料ガスと空気
などの酸化剤ガスが、各々のガスマニフォールドからガ
ス流路を通って発電部である固体高分子電解質膜に供給
される。正常時には、これら燃料ガスと酸化剤ガスは分
離されて供給されている。

【００２２】しかし、何らかの原因によって固体高分子
電解質膜中で燃料ガスと酸化剤ガスとがクロスオーバー
し、あるいはセルスタック中のガスシール部材からリー
クする燃料ガス、酸化剤ガスなどの作動ガスの量が急激
に増加すると、触媒電極または固体高分子電解質膜中で
燃焼が起きる。このような燃焼が起きた場合、発電部の
温度が数１００℃以上に上昇する。

【００２３】本発明は、前記燃料ガスの流路または酸化
剤ガスの流路のうち、少なくともいずれか一方の流路内
に、このような燃焼が起きた場合に、該流路を閉塞する
弁手段を設けたものである。この弁手段は、燃焼が起き
た場合に、例えば燃焼時の温度である１２０℃程度とな
ったときに流路を閉塞する。その結果、燃料ガス、また
は酸化剤ガスの少なくとも一方の供給が停止される。こ
のため、燃焼状態が継続することなく、燃焼がシステム
全体への大きなトラブルへと発展することを回避するこ
とができる。

【００２４】なお、弁手段が動作する温度は、燃焼が起
きて発電部の温度が上昇し始めたときの温度に設定する
ことが好ましい。

【００２５】以下、本発明の実施の形態を図面を参照し
て説明する。 （第１の実施の形態）図１および図２は本発明の第１の
実施の形態に係る燃料電池の安全装置を示す概略図で、
図１は燃料電池のセパレータ１部分を示す図面であり、
図２は要部拡大図である。

【００２６】図１において、燃料電池のセパレータ１に
は、ガスマニフォールド３と発電部５があり、その間が
ガス流路７により接続されている。ガスマニフォールド
３からは作動ガスである燃料ガスまたは酸化剤ガスのい
ずれかが発電部５へ供給されている。第１の実施の形態
の特徴は、ガス流路７内にバイメタル製の安全弁１１を
設けたものである。安全弁１１は、図２に示すように、
２枚の熱膨張率の異なる金属１５ａおよび１５ｂによっ
て形成されており、この２枚の金属の組み合わせによっ
て、燃料電池内で燃焼が起きたときの温度、例えば１２
０℃で図２に一点鎖線で示すごとく変形するようにして
ある。

【００２７】次に、図１，図２を参照して燃料電池の安
全装置の作用効果を説明する。この安全弁１１は、燃料
電池が通常の作動温度である５０〜９０℃の状態では平
らな形状をしており、流路７は開放されているが、燃焼
が起き温度が１２０℃に達すると変形し、流路７を閉塞
する。これにより作動ガスの供給が停止されて燃焼を止
めることができる。

【００２８】また、安全弁１１の流路７内と接触する部
分には、図２に示すように絶縁材１３が塗布されてい
る。これは、導電性のある材料で安全弁１１を構成する
場合、安全弁が変形して、流路７内に接触したときにセ
ルを短絡させないようにするためである。この絶縁材１
３としては、耐熱性のテフロン樹脂やシリコンゴムなど
が好ましい。これらの部材は、絶縁性と共に弾力性があ
るため、流路７内を完全に密封する働きがある。

【００２９】この結果、本発明の第１の実施の形態に関
する効果としては、燃焼がシステム全体に発展したり、
電極材料の焼失と言った事態を防止することができる。
また、従来の技術のように電圧計測装置や温度計測装置
などがないため、複数のセルからなる燃料電池システム
を組んだ場合でも、システム全体の構成を簡単にするこ
とができる。

【００３０】なお、第１の実施の形態においては、安全
弁１１として、バイメタルの代わりに、塑性変形させた
合金をある変態温度（燃焼時の温度）以上にされたとき
に変形以前の形状に戻る形状記憶合金を用いても、燃焼
時には変形以前の流路７を閉塞する形状に戻せるため、
まったく同じように安全装置として機能させることがで
きる。

【００３１】（第２の実施の形態）図３は、本発明の第
２の実施の形態に係る燃料電池の安全装置を示す概略図
で、燃料電池のセパレータ１部分を示す図面である。本
第２の実施の形態は、図３に示すように、前述した第１
の実施の形態において用いたバイメタルまたは形状記憶
合金製の安全弁１１の代わりに、熱膨張性樹脂２１をガ
ス流路７に塗布したものである。なお、その他の構成は
前述の第１の実施の形態と同様であるので、それらの説
明は省略する。

【００３２】熱膨張性樹脂２１は、熱可塑性の樹脂に発
泡材を添加したものであり、発火点を超える温度まで熱
せられると発泡しながら燃焼し、燃え滓が元の数倍の体
積になる。

【００３３】次に、図３を参照して燃料電池の安全装置
の作用効果を説明する。熱膨張性樹脂２１は、燃料電池
が燃焼したときの温度、例えば１２０℃に達したときに
発火燃焼するように設計している。

【００３４】通常の動作温度である５０〜９０℃のとき
には、熱膨張性樹脂２１は、膨張せずに作動ガスが流路
７を介して流入可能な状態になっている。一方、燃料電
池内で燃焼が起き、温度が１２０℃になると膨張性樹脂
２１が燃焼と共に膨張して、流路７を閉塞する。これに
より作動ガスの供給が停止されて燃焼を止めることがで
きる。この結果、本発明の第２の実施の形態に関する効
果としては、本発明の第１の実施の形態に関する効果と
同様の効果を得ることができる。

【００３５】（第３の実施の形態）図４および図５は本
発明の第３の実施の形態に係る燃料電池の安全装置を示
す概略図であり、図４は燃料電池のセパレータ１部分を
示し、図５は要部拡大図である。第３の実施の形態は、
図４に示すように、前述した第１の実施の形態における
安全弁１１の代わりに、流路７内に熱溶解性樹脂を用い
たバルブ３１を設けたものである。なお、その他の構成
は前述の第１の実施の形態と同様であるので、それらの
説明は省略する。

【００３６】バルブ３１は、図５に示すように、外殻部
３３と栓体３７、および外殻３３に対して、栓体３７を
一定の間隔を隔てて支持している熱溶解性樹脂４１より
なる。

【００３７】外殻部３３は、その外周の大きさが流路７
を塞ぐ大きさで、内部に貫通した楔形の空間３５が形成
されている。一方、栓体３７は、外周の大きさが流路７
より小さく、外殻部３３の空間３５と、噛み合う楔形の
突出部３９が形成されている。

【００３８】熱溶解性樹脂４１は、通常の状態で外殻部
３３と栓体３７とを一定の間隔を隔てて支持している。
この熱溶解性樹脂４２は、燃料電池内で燃焼が起きたと
きの温度、例えば１２０℃で溶解するように設計されて
いる。

【００３９】次に、図４，図５を参照して燃料電池の安
全装置の作用効果を説明する。通常の動作温度である５
０〜９０℃のときには、楔形の空間３５と楔形の突出部
３９とは熱溶解性樹脂４１によりへ隔てられているた
め、隙間を通して作動ガスが流れている。一方、燃料電
池内で燃焼が起き、温度が上昇して１２０℃に達したと
きには、熱溶解性樹脂４１が溶解してしまうため、作動
ガス圧によって栓体３７の突出部３９が外殻部３３の空
間３５に入り込み、空間３５が閉塞されて作動ガスの流
れを止めることになる。これにより、作動ガスの供給が
停止されるため燃焼を止めることができる。

【００４０】この結果、本発明の第３の実施の形態に関
する効果としては、本発明の第１の実施の形態に関する
効果と同様の効果を得ることができる。

【００４１】なお、第３の実施の形態は、熱溶解性樹脂
の代わりに、熱により気化する物質を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の安
全装置を示す概略図である。

【図２】第１の実施の形態に係る燃料電池の安全装置の
要部拡大図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の安
全装置を示す概略図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池の安
全装置を示す概略図である。

【図５】第３の実施の形態に係る燃料電池の安全装置の
要部拡大図である。

【符号の説明】

１ セパレータ ３ ガスマニフォールド ５ 発電部 ７ 流路 １１ 安全弁 ２１ 熱膨張性樹脂 ３１ バルブ ３３ 外殻部 ３５ 空間 ３７ 栓体 ３９ 突出部 ４１ 熱溶解性樹脂

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 供給される燃料ガスと酸化剤ガスを反応
   させて発電する燃料電池を構成する各セルの燃料ガス流
   路または酸化剤ガス流路のうち少なくとも一方の流路
   に、所定温度でこの流路を閉塞する弁手段を備えること
   を特徴とする燃料電池の安全装置。
2. 【請求項２】 前記弁手段は、 前記所定温度で形状が変化する部材であることを特徴と
   する請求項１記載の燃料電池の安全装置。
3. 【請求項３】 前記所定温度で形状が変化する部材は、 バイメタルまたは形状記憶合金であることを特徴とする
   請求項２記載の燃料電池の安全装置。
4. 【請求項４】 前記バイメタルまたは形状記憶合金に
   は、 前記流路と接触する部分に絶縁材が塗布されていること
   を特徴とする請求項３記載の燃料電池の安全装置。
5. 【請求項５】 前記弁手段は、 所定温度で膨張する膨張性樹脂であることを特徴とする
   請求項１記載の燃料電池の安全装置。
6. 【請求項６】 前記弁手段は、 所定温度で溶解する樹脂材料を有し、該樹脂材料が溶解
   したときに前記流路が閉じるように構成されたバルブで
   あることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の安全装
   置。