JP2003031241A - 固体高分子電解質型燃料電池のガス差圧抑制構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固体高分子電解質膜を電解質層として用いる
固体高分子型燃料電池において、アノードとカソードの
間の差圧を迅速に抑制する構造に関する。 【構成】 イオン交換薄膜を両側から電極で挟んで形成
される薄膜電極接合体１を二枚のガスセパレータで挟ん
で燃料電池セルＡを構成する。燃料電池セルＡのガス入
り口側にはガス圧抑制室２を設け、ガス圧抑制室２の内
部を弾性素材からなる可動仕切体３によって二室に分割
して差圧緩衝室２ａ・２ｂを形成し、燃料ガスは差圧緩
衝室２ａを経て燃料電池セルＡのアノード４ａに供給
し、酸化剤ガスは差圧緩衝室２ｂを経て燃料電池セルＡ
のカソード５ａに供給される。アノードライン４とカソ
ードライン５の間に差圧が生じた時は可動仕切体３が内
圧の高い側から内圧の低い側に押されて差圧緩衝室２ａ
・２ｂの体積を変化させて差圧を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、固体高分子電解質膜
を電解質層として用いる固体高分子型燃料電池に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は薄膜電極
接合体の両面を二枚のガスセパレータで挟んで構成して
おり、一方のセパレータには燃料ガスが供給されてアノ
ード電極を形成し、他方のセパレータには酸化剤ガスが
供給されてカソード電極を形成している。

【０００３】アノードに供給された燃料ガス中の水素は
電子とプロトンとに分かれ、プロトンはアノードから薄
膜電極接合体を透過してカソードに移動し、電子はアノ
ードから外部の負荷を経てカソードに流れ、カソードに
移動したプロトンはカソードの酸素及び電子と反応して
水を生成する。

【０００４】薄膜電極接合体の構成材料の一つであるイ
オン交換膜の厚さが薄い方がプロトンの移動に対する抵
抗が小さくなり燃料電池の高出力を得ることが可能とな
るため、近年は非常に薄いイオン交換膜の開発が進んで
おり、燃料電池の出力は向上してきている。

【０００５】しかし、イオン交換膜の薄膜化は同時に膜
の強度の低下を招いて破損しやすくなる欠点も持ってお
り、燃料電池セルのアノードとカソードにそれぞれ燃料
ガス、酸化剤ガスが供給された時に、アノードとカソー
ドの間にイオン交換膜の許容を超える差圧が生じるとイ
オン交換膜が破損する恐れがある。

【０００６】そして、イオン交換膜の破損は、燃料電池
内で燃料ガスと酸化剤ガスが混在することにつながる
が、これは爆発の恐れもあり非常に危険である。この対
策として、アノードとカソード間の差圧を抑制する構造
が考えられている。

【０００７】従来の差圧の抑制構造として、圧力検出計
や差圧検知計によってアノードラインとカソードライン
との差圧を検出し、この差圧が所定範囲を超えた時にア
ノードラインとカソードラインに設けた制御弁を作動し
て燃料ガスと酸化剤ガスの流量を調節したり、ライン外
へガスを排出したりして差圧を緩和するものがある。

【０００８】上記の方法は、アノードとカソードの差圧
が徐々に大きくなるような状況では有効であるが、制御
弁をモータや電磁弁によって作動させる仕組みであるの
で、圧力検出計や差圧検出計で差圧を検出してから制御
弁が作動し、アノードとカソードの間の差圧を減少させ
るまでには時間がかかり、短時間で差圧が大きくなる時
には若干の遅れが生じるものであった。

【０００９】また、燃料電池セルの出口側のアノードラ
インとカソードラインにそれぞれ圧力変動緩和装置を取
付け、密閉空間を形成して内部を一定圧に保持する格納
容器に燃料電池セルと圧力変動緩和装置とを収納したも
のがあり、圧力が高まった側の圧力変動装置の体積が膨
脹すると、圧力変動緩和装置の体積が膨脹した分だけ格
納容器の内圧が高められ、格納容器の内部が内圧を一定
に保とうとして他方の圧力変動緩和装置の体積を減少さ
せることで、アノードラインとカソードラインの差圧を
抑制している。

【００１０】この方法であれば、アノードラインとカソ
ードラインに設けられた二つの圧力変動緩和装置が連動
して差圧を抑制する構成であるので、制御弁を用いたも
のに比べて反応時間を短くすることができ、短時間で差
圧が広がる時にも有効に働くものである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、二つの圧力変
動緩和装置が連動する際には、仲介として格納容器内の
気圧の変化を必要とする為、何らかの理由で突発的に差
圧が生じた場合には、一方の圧力変動緩和装置に生じた
体積変化に瞬間的に反応できず、タイムラグが発生して
しまうので、突発的に生じた差圧には対処しきれないも
のであった。

【００１２】特に、燃料ガスに純水素、酸化剤ガスに空
気を用いる場合などは、一般的に空気の流量は水素に対
して２〜１０倍程度で設定されることが多く、燃料電池
の運転開始時の両ラインにガスを流し始めた瞬間は、ア
ノードとカソードの間に突発的な差圧が発生しやすく、
イオン交換膜の破損の可能性は高くなり、その結果、燃
料ガスと酸化剤ガスが燃料電池内で混合して非常に危険
な状況となることがあった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明は上記の課題を
解決するためのもので、イオン交換薄膜を両側から電極
で挟んで形成される薄膜電極接合体１を二枚のガスセパ
レータで挟んで燃料電池セルＡを構成し、該燃料電池セ
ルＡの単体もしくは積層によって構成される固体高分子
電解質型燃料電池において、前記燃料電池セルＡの単
体、もしくは積層した複数の燃料電池セルＡのガス入り
口側にガス圧抑制室２を設け、該ガス圧抑制室２内部に
は、二室に分割する弾性素材からなる可動仕切体３を配
置して差圧緩衝室２ａ・２ｂを構成し、かつ、燃料ガス
は一方の差圧緩衝室２ａを経て燃料電池セルＡのアノー
ド４ａに供給し、酸化剤ガスは他方の差圧緩衝室２ｂを
経て燃料電池セルＡのカソード５ａに供給するものであ
る。

【００１４】また、燃料電池セルＡに燃料ガスおよび酸
化剤ガスを供給、排出するアノードライン４およびカソ
ードライン５の燃料電池セルＡよりも上流部にガス流量
検知調節器６・７を配置し、前記可動仕切体３には変位
検出手段８を設け、変位検出手段８からの出力と前記ガ
ス流量検知調節器６・７とを連動させると共に、前記ガ
ス流量検知調節器６・７を作動して可動仕切体３の変位
量を抑制するから、アノードライン４とカソードライン
５との差圧が大きい時にも確実に対応することができ
る。

【００１５】

【作用】燃料ガス、酸化剤ガスがそれぞれアノード、カ
ソード両ライン４・５を通りガス圧抑制室２内の差圧緩
衝室２ａ・２ｂに入った時に、アノード４ａとカソード
５ａの間に差圧が生じた場合、可動仕切体３は内圧の高
い差圧緩衝室側から内圧の低い差圧緩衝室側へ押されて
弾性変形する。

【００１６】この可動仕切体３の弾性変形により、内圧
の高い側の差圧緩衝室は体積が大きくなって内圧は下が
り、内圧の低い側の差圧緩衝室は体積が小さくなって内
圧は上がる。一方の差圧緩衝室の体積増加は、即刻他方
の差圧緩衝室の体積減少につながるため、アノード４ａ
とカソード５ａ間の差圧の是正はきわめて迅速に行なわ
れる。

【００１７】この相乗作用により、突発的にアノードラ
イン４とカソードライン５の間に生じた差圧を抑制する
ことが可能となるため、差圧緩衝室２ａ・２ｂと連通す
る燃料電池セルＡ内部のアノード４ａとカソード５ａと
の間の差圧を軽減することができる。

【００１８】また、アノードライン４とカソードライン
５上にガス流量検知調節器６・７を配置し、ガス圧抑制
室２内の弾性素材からなる前記可動仕切体３に変位検出
手段８を設け、アノード４ａとカソード５ａの間に差圧
が生じたことを前記変位検出手段８が検知し信号を出力
する。

【００１９】前記変位検出手段８からの出力信号によ
り、アノードライン４とカソードライン５に設けられた
ガス流量検知調節器６・７が作動して、アノード４ａと
カソード５ａ間の差圧を解消するように燃料ガス、また
は酸化剤ガスの流量の制御を行なうので、アノードライ
ン４とカソードライン５の差圧が大きくても可動仕切体
３の変位を抑制して破損を防ぐことができる。

【００２０】

【実施例】実施例を示す図によってこの発明を説明する
と、１はイオン交換膜を両側から電極で挟んで形成した
薄膜電極接合体、Ａは薄膜電極接合体１を二枚のガスセ
パレータで挟んで構成される燃料電池セルであり、燃料
電池セルＡをいくつか重ね合わせることで燃料電池とし
て所定の電圧を得ることができる。

【００２１】４ａは燃料電池セルＡの燃料ガスが供給さ
れる側のセパレータで構成されるアノード、５ａは酸化
剤ガスが供給される側のセパレータで構成されるカソー
ド、４はアノード４ａに燃料ガスを供給・排出する為の
アノードライン、５はカソード５ａに酸化剤ガスを供給
・排出する為のカソードラインであり、アノードライン
４を流れる燃料ガスとカソードライン５を流れる酸化剤
ガスは燃料電池セルＡのアノード４ａとカソード５ａに
それぞれ送られる。

【００２２】アノード４ａに送られた燃料ガス中の水素
はプロトンと電子に分かれ、プロトンは薄膜電極接合体
１を通過してカソード５ａに移動し、電子はアノード４
ａから図示しない外部回路を経由してカソード５ａに流
れる。カソード５ａに移動したプロトンは酸化剤ガス中
の酸素と外部回路から流れてきた電子と反応して水を生
成し、この反応が継続して行なわれるので、外部回路に
電流が流れ続け、この時得られた電流を取り出すことで
直流電気エネルギとして利用することができる。

【００２３】また、燃料ガス中の水素ガスや、プロトン
と反応できなかった酸化剤ガスや、反応の結果生成され
た水は、燃料電池セルＡからアノードライン４とカソー
ドライン５へ排出される。

【００２４】燃料電池の高出力化を図る為にはアノード
４ａのプロトンがカソード５ａに移動しやすくする必要
があり、薄膜電極接合体１のイオン交換膜の薄膜化が進
んでいる。しかし、薄膜化されたイオン交換膜は強度が
低下してしまい、アノード４ａとカソード５ａに供給さ
れる燃料ガスと酸化剤ガスの差圧が大きい時にはイオン
交換膜が破損する恐れがあるから、この対策として燃料
電池セルＡに差圧を抑制する構造を備えている。

【００２５】従来例を示す図２において、９は燃料電池
セルＡのアノードライン４とカソードライン５との間に
配置した差圧検出計、１０はアノードライン４に取付け
た制御弁、１１はカソードライン５に取付けた制御弁で
あり、制御弁１０・１１は差圧検出計９の出力に基づい
て作動する。

【００２６】差圧検出計９で検出されたアノードライン
４とカソードライン５との差圧が所定範囲を超えた時は
制御弁１０・１１を作動して燃料ガスと酸化剤ガスの流
量を調整したり、ガスを外部に排出したりして、アノー
ド４ａとカソード５ａに送られる燃料ガスと酸化剤ガス
との差圧を緩和するものである。

【００２７】また図３に示す従来例おいて、１２は燃料
電池セルＡの出口側のアノードライン４に設けた圧力変
動緩和装置、１３はカソードライン５に設けた圧力変動
緩和装置、１４は燃料電池セルＡと圧力変動緩和装置１
２・１３とを収納する格納容器であり、格納容器１４は
内部を密閉空間に構成しており、アノードライン４とカ
ソードライン５との圧力と、格納容器１４内の大気圧と
が圧力変動緩和装置１２・１３を介してバランスして、
格納装置１４の内部が一定圧に保持されている。

【００２８】アノードライン４の圧力が高くなった時
は、燃料ガスの圧力によって圧力変動緩和装置１２の体
積が膨脹してアノードライン４の内圧を下げ、圧力変動
緩和装置１２が膨脹した分だけ格納装置１４の内圧が高
まり、格納装置１４の内部がバランスするように他方の
圧力変動緩和装置１３を収縮させ、カソードライン５の
圧力を高めて差圧をなくすものである。

【００２９】上記の構造において、制御弁１０・１１は
モータや電磁弁によって作動する構造であるので、差圧
検出計９で検出してから制御弁１０・１１が作動し、ア
ノード４ａとカソード５ａの間の差圧を減少させるまで
には時間がかかるものであった。

【００３０】一方、圧力変動緩和装置１２・１３を利用
したものでは、前記した制御弁１０・１１よりも反応時
間が短くなるが、圧力変動緩和装置１２・１３同士が直
接作用する構造ではなく、格納装置１４内の気圧の変化
が仲介される分だけ動作に遅れが生じやすかった。

【００３１】この為、アノードライン４とカソードライ
ン５との差圧が徐々に開いていくような時には有効であ
るが、突発的に生じた差圧に対しては瞬間的に対応する
ことができず、制御弁１０・１１や圧力変動緩和装置１
２・１３は反応遅れが生じてイオン交換膜を破損させて
しまうことがあった。

【００３２】この発明は上記の課題を解決するもので、
２は燃料電池セルＡのガス入り口側に隣接して設けたガ
ス圧抑制室、３はガス圧抑制室２の内部を二室に分ける
弾性素材からなる可動仕切体、２ａ・２ｂは可動仕切体
３によって仕切られたガス圧抑制室２の内部に形成され
る差圧緩衝室であり、差圧緩衝室２ａはアノードライン
４と連通し、差圧緩衝室２ｂはカソードライン５と連通
する。

【００３３】燃料ガスと酸化剤ガスとがそれぞれアノー
ドライン４とカソードライン５を通りガス圧抑制室２内
の差圧緩衝室２ａ・２ｂに入った時、アノード４ａとカ
ソード５ａの間に差圧が生じた場合、可動仕切体３は内
圧の高い差圧緩衝室側から内圧の低い差圧緩衝室側へ押
されて弾性変形する。

【００３４】即ち、アノードライン４の内圧が高くなっ
た時には、可動仕切体３が差圧緩衝室２ａ側から差圧緩
衝室２ｂ側に押され、差圧緩衝室２ａ内の体積が膨脹し
てアノードライン４の内圧は下がり、差圧緩衝室２ｂ内
の体積が減少してカソードライン５の内圧は上がるもの
となった。カソードライン５の内圧が高くなった時はこ
の逆の動作が行なわれる。

【００３５】このように、一方の差圧緩衝室の体積増加
は、ダイレクトに他方の差圧緩衝室の体積減少につなが
るから、アノードライン４とカソードライン５との間の
差圧の是正はきわめて迅速に行なうことができるように
なった。

【００３６】また、アノード４ａとカソード５ａとに生
じる差圧のほとんどは、可動仕切体３の変形による差圧
緩衝室２ａ・２ｂ間の体積変動で吸収することができる
が、もし差圧緩衝室２ａ・２ｂ間の体積変化だけでは吸
収しきれないほど大きな差圧が生じた時には薄膜電極接
合体１を破損させる恐れがある。

【００３７】この発明の実施例において、８は可動仕切
体３に取付けたひずみセンサで構成する変位検出手段、
６・７は燃料電池セルＡの入り口側のアノードライン４
及びカソードライン５に取付けたガス流量検知調節器で
あり、変位検出手段８は可動仕切体３の変位量や変位の
加速度、速度を検出し、ガス流量検知調節器６・７は変
位検出手段８の出力で作動して燃料ガスと酸化剤ガスの
流量を制御する構成となっている。

【００３８】アノード４ａとカソード５ａ間に生じた差
圧がガス圧抑制室２内の差圧緩衝室２ａ・２ｂの体積変
化により吸収しきれないほど大きい場合には、可動仕切
体３内に設けられた変位検出手段８によって可動仕切体
３の変位量が測定され、連動するガス流量検知調節器６
・７に伝達され、前記ガス流量検知調節器６・７は前記
変位検出手段８からの出力信号により燃料ガス、及び酸
化剤ガスの流量を制御し、差圧緩衝室２ａ・２ｂの体積
変化でも吸収しきれなかったアノード４ａとカソード５
ａ間の差圧も抑制される。

【００３９】そして、可動仕切体３の変位量は差圧の減
少とともに小さくなり、それによる変位検出手段８の出
力信号の変化は同時にガス流量検知調節器６・７にフィ
ードバックされ、燃料ガスと酸化剤ガスの流量がさらに
きめ細かく調節されることでアノード４ａとカソード５
ａとの間の差圧をより小さくすることが可能になる。

【００４０】また、変位検出手段８は変位量だけでな
く、変位の加速度、速度も測定可能であり、これらの検
出結果を連動するガス流量検知調節器６・７に出力する
ことにより、アノード４ａとカソード５ａ間の差圧をよ
り小さく制御することも可能である。

【００４１】このように突発的に発生した差圧に対して
は可動仕切体３によって瞬間的に差圧を抑制することが
できると共に、ガス圧抑制室２の能力を超える差圧が生
じた場合にはガス流量検知調節器６・７の作動によって
差圧を小さくすることができるので、非常に有効な差圧
抑制手段を実現できるものとなった。

【００４２】

【発明の効果】以上のように本発明では、固体高分子電
解質型燃料電池の燃料電池セルＡに近接したアノードラ
イン４とカソードライン５上に、それぞれが相互に直接
連動しあう差圧緩衝室２ａ・２ｂを設けることにより、
煩雑なメンテナンスを要することなく、かつアノードラ
イン４とカソードライン５間に突発的に生じる差圧を迅
速、かつ正確に抑制し、燃料電池セルＡ内の薄膜電極接
合体１が差圧により破損する危険性を減少させることが
可能となった。

【００４３】また、相互に直接連動しあう差圧緩衝室２
ａ・２ｂを形成する可動仕切体３にその変動を検知する
変位検出手段８を設け、アノードライン４およびカソー
ドライン５上に設けたガス流量検知調節器６・７と連動
させることで、差圧緩衝室２ａ・２ｂの体積変動だけで
は処理しきれない大きな差圧に対しても、確実に対応す
ることが可能となるから、薄膜電極接合体１を破損させ
る危険性はほとんどなく、高出力でなおかつ安全性の高
い燃料電池の構造を実現できるものとなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例である固体高分子電解質型燃
料電池を示す構造図である。

【図２】従来の固体高分子電解質型燃料電池を示す構造
図である。

【図３】他の従来例を示す構造図である。

【符号の説明】

Ａ 燃料電池セル １ 薄膜電極接合体 ２ ガス圧抑制室 ２ａ 差圧緩衝室 ２ｂ 差圧緩衝室 ３ 可動仕切体 ４ アノードライン ４ａ アノード ５ カソードライン ５ａ カソード ６ ガス流量検知調節器 ７ ガス流量検知調節器 ８ 変位検出手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン交換薄膜を両側から電極で挟んで
   形成される薄膜電極接合体１を二枚のガスセパレータで
   挟んで燃料電池セルＡを構成し、該燃料電池セルＡの単
   体もしくは積層によって構成される固体高分子電解質型
   燃料電池において、 前記燃料電池セルＡの単体、もしくは積層した複数の燃
   料電池セルＡのガス入り口側にガス圧抑制室２を設け、
   該ガス圧抑制室２内部には、二室に分割する弾性素材か
   らなる可動仕切体３を配置して差圧緩衝室２ａ・２ｂを
   構成し、かつ、燃料ガスは一方の差圧緩衝室２ａを経て
   燃料電池セルＡのアノード４ａに供給し、酸化剤ガスは
   他方の差圧緩衝室２ｂを経て燃料電池セルＡのカソード
   ５ａに供給することを特徴とする固体高分子電解質型燃
   料電池のガス差圧抑制構造。
2. 【請求項２】 燃料電池セルＡに燃料ガスおよび酸化剤
   ガスを供給、排出するアノードライン４およびカソード
   ライン５の燃料電池セルＡよりも上流部にガス流量検知
   調節器６・７を配置し、前記可動仕切体３には変位検出
   手段８を設け、変位検出手段８からの出力と前記ガス流
   量検知調節器６・７とを連動させると共に、前記ガス流
   量検知調節器６・７を作動して可動仕切体３の変位量を
   抑制する請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池の
   ガス差圧抑制構造。