JP2006331737A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】単位セルを積層したスタックの絶縁性を保ち、スタックでの水による短絡を防止する燃料電池を提供する。
【解決手段】単位セル２０を積層したスタック２と、スタック２において発電した電力を外部へと取り出す集電板３ａ、３ｂと、スタック２と集電板３ａ、３ｂの外周面を覆い、防水透湿部１６を有する絶縁カバー９と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池に関するものである。

従来、リチウム電池などの外周を絶縁部材、例えばラミネートシートによって覆い、電池と外部との電気的な接続を防止するものが、特許文献１に開示されている。
特開平１１−２９７２８０号公報

燃料電池スタックでは発電時に水が生成され、生成された水が例えば熱による燃料電池スタックの変形によって燃料電池スタックから水蒸気として出てくる可能性がある。そのため燃料電池スタックの外周部を絶縁部材で覆う場合には、燃料電池スタックと絶縁部材との間で水蒸気が凝縮し、絶縁部材に凝縮水が付着する可能性がある。また、絶縁部材と燃料電池スタックとの間と、絶縁部材を介した燃料電池スタックの外部との温度差、湿度差によって絶縁部材と燃料電池スタックとの間で水蒸気が凝縮する可能性がある。この場合に絶縁部材が水分を吸収し、膨潤することで絶縁部材は形状を保持できず、そのため外部と燃料電池スタックが電気的に接続する可能性がある、といった問題点がある。

また、水蒸気が燃料電池スタックに付着すると、燃料電池スタックにおいて発電効率が低下するといった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池スタックと外部と絶縁性を保ち、また燃料電池スタックで凝縮水による発電効率の低下を防止することを目的とする。

本発明では、燃料ガスと酸化剤ガスによって発電する単位セルを積層したスタックと、スタックを挟持し、スタックで発電した電力を取り出す集電板と、少なくともスタックと集電板の外周面を外部から水が浸透しないように覆い、透湿部を有する絶縁部材と、を備える。

本発明によると、スタックと集電板の外周面を絶縁部材で覆い、絶縁部材に透湿部を設けることで、例えば熱変形などによってスタックからリークした水分を絶縁部材に吸収させずに燃料電池の外部へ透湿部を介して排出するので、絶縁部材の変形を防止し、燃料電池スタックと外部との燃料電池スタックの電極取り出し部以外での絶縁性を高めることができる。また、スタックと絶縁部材との間での凝縮水の生成を抑制し、スタック部での発電効率の低下を防止することができる。

本発明の第１実施形態の構成を図１の構成概略図を用いて説明する。燃料電池１は例えば固体高分子電解質膜などを有する単位セル２０を積層した構成されたスタック２と、単位セルの積層方向両端に設けた集電板３ａ、３ｂと、集電板３ａ、３ｂの外側に設けた絶縁プレート４ａ、４ｂと、絶縁プレート４ａ、４ｂの更に外側に設けたエンドプレート５ａ、５ｂと、一方のエンドプレート５ａの更に外側にスタック２の面圧を一定に保つために設けたプレッシャプレート６と、エンドプレート５ｂとプレッシャプレート６とを連結し、燃料電池１をスタッキングするテンションプレート７と、エンドプレート５ａとプレッシャプレート６との間に熱などによるスタック２などの変形による面圧の変化を吸収するために例えば皿バネなどの弾性部材８と、を備える。また、少なくともスタック２と集電板３ａ、３ｂの外周面を覆うように絶縁カバー９を備える。なお、説明のため図１中において絶縁カバー９を点線で示す。

ここで単位セル２０について図２の概略構成図を用いて説明する。単位セル２０は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）２１と、電解質膜２１を挟持するアノード触媒層２２とカソード触媒層２３と、アノード触媒層２２の外側に設けたアノードガス拡散層２４と、カソード触媒層２３の外側に設けたカソードガス拡散層２５と、を備える。また、アノードガス拡散層２４の外側に設けられ、水素流路３０を有するアノードセパレータ２７と、カソードガス拡散層２５の外側に設けられ、空気流路３１を有するカソードセパレータ２８を備える。さらに水素または空気がリークしないようにエッジシール２９を備える。また、単位セル２０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路３２を備える。

エンドプレート４ｂは水素流路３０に水素を導入する水素導入マニホールド１０と、アノードから発電に使用されなかった水素を排出する水素排出マニホールド１１と、空気流路３１に空気を導入する空気導入マニホールド１２と、カソードから発電に使用されなかった空気などを排出する空気排出マニホールド１３と、スタック２を冷却する冷却水を導入する冷却水導入マニホールド１４と、スタック２から冷却水を排出する冷却水排出マニホールド１５と、を備える。

なお、詳しくは図示しないが、水素導入マニホールド１０などは、絶縁プレート４ｂ、集電板３ｂ、スタック２にも設け、水素導入マニホールド１０などはそれぞれ直線状に連通する。

絶縁カバー９は、少なくともスタック２と集電板３ａ、３ｂの外周を覆うように配置する。これによりスタック２または集電板３ａ、３ｂと燃料電池１の外部との電気的な接続を防止する。絶縁カバー９はスタック２と集電板３ａ、３ｂと当接することが望ましい。絶縁カバー９は、防水性を有しており、燃料電池１の外部からスタック２へ水の浸透を防止する。また、絶縁カバー９はその一部に防水透湿部１６を有する。

なお、集電板３ａ、３ｂはスタック２において発電する電力を例えばモータなどの電力消費手段へ取り出すためのコネクタ（図示せず）を備えており、絶縁カバー９はコネクタを設けた箇所には配置しない。つまり、コネクタ以外でのスタック２と集電板３ａ、３ｂとの電気的な接続を防止し、燃料電池１はコネクタを介して電力消費手段に電力を供給する。

防水透湿部１６は、一方の面からもう一方の面へのみ、水蒸気（気体）を通す透過性を有する部材である。この実施形態では絶縁カバー９とスタック２との間に生じる水蒸気を燃料電池１の外部へ透過させ、水（液体）が燃料電池１の外部から絶縁カバー９を介してスタック２へ浸透しないように防水性を有する。これによりスタック２から防水透湿部１６を介して燃料電池１の外部へスタック２と絶縁カバー９の間に生じる水蒸気を排出し、また燃料電池１の外部からスタック２、または集電板３ａ、３ｂへの水の浸透を防止し、さらにスタック２、または集電板３ａ、３ｂと燃料電池１の外部との電気的な接続を防止することができる。防水透湿部１６の水蒸気の透過性は、防水透湿部１６の孔径、空孔率によって調整することができる。

燃料電池１では水素と酸素により発電を行い、その発電に伴い水が生成される。また、電解質膜２１の乾燥を防止するために水素、または空気を加湿している。燃料電池１の発電時には、発熱によりスタック２などが変形し、弾性部材８によってその変形を吸収する場合でも微量ではあるが水蒸気がスタック２の外部へリークする可能性がある。また、スタック２と絶縁カバー９との間に水分が、燃料電池１の温度または燃料電池１の外部との温度差、湿度差により凝縮し、凝縮水が生成される可能性がある。

この実施形態では絶縁カバー９によってスタック２、または集電板３ａ、３ｂと燃料電池１の外部との電気的な接続を防止し、さらに絶縁カバー９に防水透湿部１６を設けることで、スタック２と絶縁カバー９との間の水蒸気を燃料電池１の外部へ透過する。

また、図３に示すように比較的温度が高くなる冷却水排出マニホールド１５の近傍の絶縁カバー９に防水透湿部１６を多く（大きく）設けても良い。つまり、冷却水排出マニホールド１５近傍の単位面積あたりに防水透湿部１６の占める割合を他の箇所と比較して大きくしても良い。また、防水透湿部１６の孔径、空孔率を他の箇所と比較して大きくしても良い。

または図４に示すように比較的温度が高くなり、湿度の高いガスが流れる空気排出マニホールド１３の近傍の単位面積あたりに防水透湿部１６の占める割合を他の箇所と比較して大きくしても良い。また、防水透湿部１６の孔径、空孔率を他の箇所と比較して大きくしても良い。

これによりスタック２と絶縁カバー９との間で凝縮が生じ易い箇所の防水透湿部１６の占める割合を大きく、または防水透湿部１６の孔径、空孔率を大きくすることで、スタック２と絶縁カバー９との間での凝縮水の生成を更に防止することができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

燃料電池１のスタック２と集電板３ａ、３ｂを絶縁カバー９によって覆うことで、スタック２と集電板３ａ、３ｂと燃料電池１の外部との電気的な接続を防止しすることができる。

スタック２と絶縁カバー９との間の水蒸気（気体）を透過し、燃料電池１の外部からの水分の浸透を防止する防水透湿部１６を絶縁カバー９に設けることで、スタック２と絶縁カバー９との間での水分の凝縮を防止し、絶縁カバー９の水分吸収による変形を防止することができる。また、スタック２と絶縁カバー９との間で凝縮した凝縮水、または燃料電池１の外部からスタック２への水の浸透を防止することができ、燃料電池１の発電効率の低下を防止することができる。

燃料電池１と外部との電気的な接続を防止できるので、燃料電池１と外部との距離を短くすることができ、この実施形態の燃料電池１を有する例えば燃料電池自動車などの燃料電池システムを小型にすることができる。

次に本発明の第２実形態について図５の概略構成図を用いて説明する。図５（ａ）はこの実施形態の燃料電池ユニットの概略構成図である。図５（ｂ）は図５（ａ）の拡大図である。図５（ｂ）においては説明のためテンションプレート７を省略し、円形黒塗りつぶしは凝縮水を表す。

この実施形態は、燃料電池１の外部からの埃などの侵入を防止する燃料電池ボックス４０を備える。なお、燃料電池１と燃料電池ボックス４０は絶縁部材の連結部４１によって連結する。

燃料電池ボックス４０は、その一部を凹凸形状とし、溝底４３と溝底４３と連結する側面部４４によって凹部４２を構成する。燃料電池ボックス４０の一部を凹凸形状とすることで、燃料電池ボックス４０の表面積が大きくなり、燃料電池１の発電反応によって生じる熱の放熱性を良くすることができる。なお、図５には説明のため凹凸形状を一箇所に記載しているが、燃料電池ボックス４０ではこの箇所以外にも凹凸形状を有する。

燃料電池ボックス４０に設けた凹凸形状の凹部４２の溝底４３と対峙する燃料電池１の側面、つまり単位セル２０を積層したスタック２の側面部２ａとの距離は他の箇所と比較して短くなるので、溝底４３と対峙する絶縁カバー９には凝縮水が付着し易くなる。

そこで、絶縁カバー９は、溝底４３と対峙する箇所の絶縁カバー９の防水性を高くする。また、溝底４３と対峙する箇所に防水透湿部１６が配置される場合には防水透湿部１６の防水性を溝底４３と対峙しない箇所よりも高くする（図５（ｂ）において防水性を高くする箇所をハッチングで示す）。

また、図６に示すように側面部４４に通気口４５を設け、凹部４２の開口部４７側の側面部４４に突出部４６を設け、開口部４７の開口幅を狭くしてもよい。つまり、凹部４２に溝底４３の幅ｔ１よりも凹部４２の開口部４７の幅ｔ２を突出部４６によって狭くする。図６において円形黒塗りつぶしは凝縮水を表す。

これによって、燃料電池ボックス４０と燃料電池１との間の水蒸気を通気口４５から燃料電池ボックス４０の外側に排出し、燃料電池ボックス４０内の湿度を低くし、燃料電池ボックス４０内での凝縮水の生成を抑制することができる。また、突出部４６を設けることで、燃料電池ボックス４０内に埃などの異物の侵入を抑制することができる。なお、突出部４６は少なくとも燃料電池ボックス４０を設置した場合に重力方向の上側となる凹部４２に設ける。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

燃料電池１に埃などの異物の混入を防止する燃料電池ボックス４０を備える。そして燃料電池ボックス４０の凹凸形状の凹部４２の溝底４３と対峙する絶縁カバー９、または防水透湿部１６の防水性を高くする。溝底４３と絶縁カバー９とは距離が短くなるので凝縮水が生じやすくなるが、溝底４３と対峙する箇所の絶縁カバー９、または防水透湿部１６の防水性を高めることにより、絶縁カバー９、または防水透湿部１６への水の浸透を防止することができる。

本発明の第３実施形態について図７を用いて説明する。図７は、燃料電池１を配置した場合に重力方向の上側となる絶縁カバー５０の一部を示す図である。

燃料電池１を配置した場合に重力方向の上側となる絶縁カバー５０の一部に凸部５１を設け、凸部５１を形成する側面５１ａに通気口５２を設け、さらに凸部５１を形成する頂部５１ｂに突起部５３を設ける。

凸部５１の側面５１ａに通気口５２を設けることで、スタック２と絶縁カバー５０との間の水蒸気を通気口５２から燃料電池１の外側へ排出することができる。

突起部５３は重力方向と交差し、側面５１ａと交差する方向に設ける。つまり、単位セル２０の積層方向に沿って切断した場合の断面が略Ｔ字状となるように突起部５３を設けることにより、通気口５２からスタック２と絶縁カバー５０との間への水の侵入を防止することができる。

以上の構成によって、スタック２と絶縁カバー５０との間の水蒸気を通気口５２によって燃料電池１の外部へ排出し、外部からスタック２と絶縁カバー５０との間への水の侵入を防止することができる。

なお、絶縁カバー５０は第１実施形態の防水透湿部１６を設けなくても良い。

本発明の第３実施形態の効果について説明する。

燃料電池１配置した場合の重力方向の上側に位置する絶縁カバー５０の一部に凸部５１を設け、凸部５１の側面５１ａに通気口５２を設けることにより、スタック２と絶縁カバー５０との間の水蒸気を燃料電池１の外部へ排出することができる。また、絶縁カバー５０に一方の面からもう一方の面へのみ、水蒸気（気体）を通す透過性の防水透湿部を設けない場合でも通気口５２から水蒸気を燃料電池１の外部へ排出することができる。

また、凸部５１の頂部５１ｂに重力方向と交差する方向に突起部５３を設けることで、通気口５２からスタック２と絶縁カバー５０との間への水の侵入を防止することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

例えば燃料電池自動車などに利用することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池の概略構成図である。 本発明の第１実施形態の単位セルの概略構成図である。 本発明の第１実施形態の変更例を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態の変更例を示す概略構成図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池ユニットの概略構成図である。 本発明の第２実施形態の変更例を示す概略構成図である。 本発明の第３実施形態の燃料電池の概略構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ スタック
３ａ、３ｂ 集電板
５ａ、５ｂ エンドプレート
６ プレッシャプレート
９、５０ 絶縁カバー
１３ 空気排出マニホールド
１５ 冷却水排出マニホールド
１６ 防水透湿部
２０ 単位セル
４０ 燃料電池ボックス
４２ 凹部
４３ 溝底
４４ 側面部
４５ 通気口
４６ 突出部
５１ 凸部
５１ａ 側面（側面部）
５１ｂ 頂部
５２ 通気口
５３ 突起部

Claims (10)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスによって発電する単位セルを積層したスタックと、
   前記スタックを挟持し、前記スタックで発電した電力を取り出す集電板と、
   少なくとも前記スタックと前記集電板の外周面を外部から水が浸透しないように覆い、透湿部を有する絶縁部材と、を備えた燃料電池。
2. 前記透湿部は、前記スタックから前記絶縁部材の外側へ水蒸気を透過する水蒸気透過性と、前記絶縁部材の外側から前記スタックへの水の浸透を防止する防水性とを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記絶縁部材は、前記スタックから排出する前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出マニホールドと近傍となる程、前記透湿部の占める割合を多くすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記透湿部は、前記スタックから排出する前記酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出マニホールドの近傍となる程、前記水蒸気透過性を高くすることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
5. 前記スタックは、前記スタックを冷却する冷却水が流れる冷却水流路を備え、
   前記絶縁部材は、前記スタックから排出する前記冷却水が流れる冷却水排出マニホールドの近傍となる程、前記透湿部の占める割合を多くすることを特徴とする請求項２から４のいずれか一つに記載の燃料電池。
6. 前記スタックは、前記スタックを冷却する冷却水が流れる冷却水流路を備え、
   前記透湿部は、前記スタックから排出する前記冷却水が流れる冷却水排出マニホールドの近傍となる程、前記水蒸気透過性を高くすることを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載の燃料電池。
7. 前記絶縁部材は、頂部と前記頂部と連結する側面部とからなる凸部を有し、
   前記側面部に通気口と、
   前記頂部に前記側面部と交差する方向に突起部と、備え、
   前記透湿部が前記通気口であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池。
8. 前記請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池を収容し、前記絶縁部材と対峙する箇所に凹凸形状を有する燃料電池ケースを備え、
   前記絶縁部材は、前記燃料電池ケースの凹部の溝底と対峙する前記絶縁部材の前記防水性を、前記燃料電池ケースの前記凹部の前記溝底と対峙しない前記絶縁部材の前記防止性よりも高くすることを特徴とする燃料電池ユニット。
9. 前記請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池を収容し、
   前記絶縁部材と対峙する箇所に凹凸形状を有し、
   前記凹凸形状の凹部の溝底と連結する側面部に通気口と、
   前記凹部の開口部の面積を前記凹部の溝底の面積よりも狭くする突出部と、を有する燃料電池ケースを備えたことを特徴とする燃料電池ユニット。
10. 前記請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池を収容し、
    前記絶縁部材と対峙する箇所に凹凸形状を有し、
    前記凹凸形状の凹部の溝底と連結する側面部に通気口と、
    前記凹部の開口部の面積を前記凹部の溝底の面積よりも狭くする突出部と、を有する燃料電池ケースを備え、
    前記絶縁部材は、前記燃料電池ケースの凹部の溝底と対峙する前記絶縁部材の前記防水性を、前記燃料電池ケースの前記凹部の前記溝底と対峙しない前記絶縁部材の前記防止性よりも高くすることを特徴とする燃料電池ユニット。

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