JP2011103219A

JP2011103219A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2011103219A
Application number: JP2009257594A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Kobayashi; 義治小林
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2011-05-26
Anticipated expiration: 2029-11-11
Also published as: JP5471326B2

Abstract

【課題】構成を簡素化でき、しかも電気的短絡による出力損失及び燃料電池の損傷がなく、信頼性が高い燃料電池を提供すること。
【解決手段】この燃料電池１は、電池積層部１１と、取付け座２４ａ〜２４ｄを備えた架台２０と、下部締付板２１と、上部締付板２２と、下部締付板２１の貫通孔から架台２０側へ貫通した先端部が取付け座２４ａ〜２４ｄに固定され、下部締付板２１及び上部締付板２２間を加圧締付する締付スタッド２３ａ〜２３ｄと、下部締付板２１と取付け座２４ａ〜２４ｄとの間に介在する絶縁カラー２５ａ〜２５ｄと、下部締付板２１の貫通孔を含む領域に形成され、外縁部が貫通孔の外周よりも外側となるように下部締付板２１の下面から下方に突出した下部突出部３１と、リン酸液が貫通孔と絶縁カラー２５ａ〜２５ｄとの間の隙間から絶縁カラー２５ａ〜２５ｄの外周部に漏出することを阻止する漏出阻止構造とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気化学反応を利用して発電する燃料電池に関し、特にリン酸液などの電解液を含浸した電解質層を備える燃料電池に関する。

近年、ＣＯ２排出削減などの観点から、燃料ガス及び酸化剤ガスが持つ化学エネルギーを電気化学反応により直接電気エネルギーへ変換する燃料電池が脚光を浴びている。燃料電池は、発電で発生する電気及び発熱を共に利用するコージェネレーションシステムとしても利用でき、エネルギーの有効活用の観点からも注目を集めている。燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて区分され、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）及びリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）など種々タイプの実用化が検討されている。

これらの燃料電池の中でも、リン酸形燃料電池は、運転温度が１５０℃〜２００℃程度と比較的低温であることから、特殊な耐熱材料を必要とせず、運転条件の変化にも柔軟に対応することができる。また、リン酸形燃料電池は、運転温度が適度に高いため、発電に伴う発熱を空調や温水の調整などに利用することができ、業務用や工業用のコージェネレーションシステムとして商用化されている。リン酸形燃料電池を用いたコージェネレーションシステムは、例えば、バイオマスガスシステムにおいて、消化槽で発生したメタンガスを発電に利用し、発電に伴って発生した熱エネルギーをバイオマスガスシステムの消化槽の保温に用いる用途や、ＬＰガスを燃料とした災害時における非常電源としての用途など、更なる用途の拡大が期待されている。

リン酸形燃料電池としては、リン酸形燃料電池の単電池を複数積層した電池積層部と、当該電池積層部の積層方向の上面及び下面に配置され、電池積層部を締付する締付板と、電池積層部を固定する架台とを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図９、図１０を参照して、一般的なリン酸形燃料電池について説明する。図９は、一般的なリン酸形燃料電池の積層構造を示す図である。図９に示すように、リン酸形燃料電池の電池積層部１１は、複数のリン酸形燃料電池の単電池１２が積層されて構成される。各単電池１２間は、セパレート板１３ａ、１３ｂによってそれぞれ遮蔽されている。各単電池１２は、電解液としてのリン酸液を保持した電解質層１４と、電解質層１４の一方の面側に配置される燃料極１５と、電解質層１４の他方の面側に配置される酸化剤極１６とを主に備える。燃料極１５とセパレート板１３ａとの間には、燃料極１５に燃料ガスを供給するガス流路（溝）が設けられた基材１７ａが配置されている。酸化剤極１６と他方のセパレート板１３ｂとの間には、酸化剤極１６に酸化剤ガスを供給するガス流路（溝）が設けられた基材１７ｂが配置されている。各単電池１２を遮蔽するセパレート板１３ａ、１３ｂの間には、冷却水などの冷媒により電池積層部１１内を冷却する冷却板１８ａ、１８ｂが配置されている。

図１０は、一般的なリン酸形燃料電池の構造を示す断面模式図である。図１０に示すように、電池積層部１１の上面及び下面には、貫通孔を有する締付板９１ａ、９１ｂが配置されている。締付板９１ａ、９１ｂの貫通孔には、電池積層部１１を締付する締付スタッド９２が挿通されている。締付スタッド９２の下端には、ナット９４ａが締結され、ナット９４ａと締付板９１ａとの間には、締付板９１ａと締付スタッド９２との間を絶縁する絶縁カラー９３ａが介在している。一方、締付スタッド９２の上端には、ナット９４ｂが締結され、ナット９４ｂと締付板９１ｂとの間には、締付板９１ｂと締付スタッド９２との間を絶縁する絶縁カラー９３ｂが介在している。このように、電池積層部１１は、ナット９４ａ、９４ｂにより締付板９１ａ、９１ｂを介して加圧締付可能に構成され、各単電池１２間の電気的な接続が確保されると共に、燃料ガス及び酸化剤ガスがシールされている。締付板９１ａ、９１ｂには、電池積層部１１で発電された直流電流を出力する出力端子９５ａ、９５ｂが設けられている。電池積層部１１は、締付板９１ｂの下面に配置された絶縁支持碍子９６を介して架台９７に固定されている。

次に、図１１を参照して、図９、図１０に示すリン酸形燃料電池の電気的な接続について説明する。図１１に示すように、電池積層部１１は、各単電池１２が直列に接続されて構成され、上部の出力端子９５ｂが負極（−）側となり、下部の出力端子９５ａが正極（＋）側となる。また、電池積層部１１の中間部には、単電池１２間の電位差が最小になるように、接地線９８が接地検出リレー９９を介してアース接続されている。接地検出リレー９９は、接地線９８を介して流れる地絡電流を検出することにより地絡の発生を検出し、一定の閾値を超えた場合には、安全ため、発電を停止するように構成されている。

次に、リン酸形燃料電池の発電動作について説明する。燃料ガス及び酸化ガスは、燃料ガス導入口及び酸化ガス導入口（不図示）を介して、電池積層部１１に供給される。電池積層部１１に供給された燃料ガスは、基材１７ａを介して燃料極１５に供給される。燃料極１５に供給された燃料ガスは、燃料極１５の電解質層１４側表面の電極触媒層で電気化学反応に供される。一方、電池積層部１１に供給された酸化剤ガスは、基材１７ｂを介して酸化剤極１６へ供給される。酸化剤極１６へ供給された酸化剤ガスは、酸化剤極１６の電解質層１４側表面の電極触媒層で電気化学反応に供される。以上のようにして、リン酸形燃料電池では、電解質層１４を介して、燃料ガス、酸化剤ガス、リン酸溶液による電気化学反応が進行して発電動作が行われる。電池積層部１１で発電された直流電流は、上下の締付板９１ａ、９１ｂの出力端子９５ａ、９５ｂにより取出され、直交変換装置（不図示）により、交流変換されて商用電力として使用される。

特開平４−２５９７５８号公報

ところで、燃料電池は、その用途拡大に伴い、設置場所の自由度の拡大やコストの低減などの観点から、構成の簡素化が望まれている。燃料電池の構成の簡素化の一例としては、図１２に示すように、電池積層部１１の架台９７への設置構造を改良した例が検討されている。図１２に示す例では、架台９７の上面に設けられた取付け座１００に電池積層部１１を直接固定し、部品点数を削減している。

一方、リン酸形燃料電池は、燃料電池の運転に伴う温度変化のために、リン酸液が膨張してその一部が電解質層１４から漏出する現象が発生する。このため、リン酸形燃料電池では、漏出したリン酸液に対する電池積層部１１の電気的絶縁の確保及び構成部品の防食が必要となる。

図１２に示すリン酸形燃料電池では、電池積層部１１から漏出したリン酸液は、流路Ｌ３を伝って締付板９１ａの上面に滞留する。締付板９１ａの上面に滞留したリン酸液は、締付板９１ａの貫通孔と絶縁カラー９３ａとの間を介する流路Ｌ４及び締付板９１ａの外周を介する流路Ｌ５を伝って流下する。締付板９１ａの下面に流下したリン酸液は、絶縁カラー９３ａの側面を伝って取付け座１００に流下する。このため、漏出したリン酸液により、絶縁カラー９３ａの沿面絶縁が破壊される現象が発生する。沿面絶縁が破壊された場合、出力端子９５ａと架台９７との間で電気的に短絡することにより地絡検出リレー９９に電流が流れるために発電停止し運転不能となる。

これに対し、リン酸液による電気的短絡を防ぐため、特許文献１記載の燃料電池では、下部の出力端子９５ａの電位をアースと同電位とすることにより、リン酸液の漏出により、電気的絶縁が破壊しても短絡電流が流れないように結線することが提案されている。

しかしながら、下部の出力端子９５ａの電位をアースと同電位とした場合、異常現象である燃料電池スタックの絶縁破壊を検出できず、そのまま運転維持されて燃料電池の出力損失が生じる品質上の問題がある。また、この場合には、中間電位で接地した場合と比較し、地絡箇所により大きな電流が流れ、燃料電池の損傷又は燃料電池が運転不能に陥る危険性があり、安全上でも問題があった。このように、燃料電池の構成の簡素化と燃料電池の信頼性の確保とを共に実現することは困難であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、構成を簡素化でき、しかも電気的短絡による出力損失及び燃料電池の損傷がなく、信頼性が高い燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、リン酸液を含浸した電解質層と当該電解質層の両側に配置された一対の燃料極及び酸化剤極とを備える単電池が積層された電池積層部と、前記電池積層部を固定する取付け座を備えた架台と、前記電池積層部の積層方向の下面側に配置され、貫通孔を有する第１締付板と、前記第１締付板との間で前記電池積層部を挟むように、前記電池積層部の積層方向の上面側に配置された第２締付板と、前記第１締付板と前記第２締付板との間に張架され、前記第１締付板の貫通孔から前記架台側へ貫通した先端部が前記取付け座に固定され、前記第１及び第２締付板間を加圧締付けする締付棒と、前記第１締付板と前記取付け座との間に介在し、前記締付棒が貫通した絶縁部材と、前記第１締結板の下面において前記第１締結板の前記貫通孔を囲む領域に形成され、外縁部が前記貫通孔の外周よりも外側となるように下方に向けて突出した笠部と、前記第１締付板の上面に漏出した前記リン酸液が前記貫通孔と前記絶縁部材との間の隙間から前記絶縁部材の外周部に漏出することを阻止する漏出阻止構造と、を具備したことを特徴とする。

この構成によれば、燃料電池の発電動作に伴い、電池積層部から外部に漏出したリン酸液が絶縁部材の外周面に接触することなく滴下されるので、絶縁部材の沿面絶縁を保護することができる。これにより、燃料電池の電気的短絡による出力損失及び燃料電池本体の損傷を抑制することができ、信頼性が高い燃料電池を実現することができる。また、締付手段により電池積層部の加圧締付と電池積層部の固定とを共に行うことができるので、燃料電池の固定に用いる部品数を削減することができ、燃料電池の構成の簡素化及びコストの削減を実現できる。

また本発明は、上記燃料電池において、前記漏出阻止構造は、前記第１締付板の上面において前記貫通孔を囲む周縁部に、上方へ突出するように形成された突出部であることを特徴とする。

この構成によれば、第１締付板上面の突出部により、電池積層部から外部に漏出したリン酸液の貫通孔内への流入を抑制できるので、リン酸液の第１締付板の貫通孔と絶縁部材との間からの漏出を防止することができ、絶縁部材の沿面絶縁の破壊を抑制することができる。このため、燃料電池の電気的短絡を抑制でき、出力損失及び燃料電池本体の損傷を抑制することができる。

また本発明は、上記燃料電池において、前記漏出阻止構造は、前記第１締付板の貫通孔又は貫通孔近傍部位と対向する絶縁部材との間に設けられたＯリングであることを特徴とする。

この構成によれば、貫通孔又は貫通孔近傍部位と対向する絶縁部材との間に設けられたＯリングにより、電池積層部から外部に漏出したリン酸液の第１締付板の貫通孔と絶縁部材との間からの漏出を抑止できるので、絶縁部材の沿面絶縁の破壊を抑制することができる。このため、燃料電池の電気的短絡を抑制でき、出力損失及び燃料電池本体の損傷を抑制することができる。

また本発明は、上記燃料電池において、前記漏出阻止構造は、前記第１締付板の下面と前記絶縁部材との当接面に設けられた複数の溝であることを特徴とする。

この構成によれば、第１締付板の下面と絶縁部材との当接面に設けられた複数の溝により、電池積層部から外部に漏出したリン酸液の第１締付板の貫通孔と絶縁部材との間からの漏出を抑止できるので、絶縁部材の沿面絶縁の破壊を抑制することができる。このため、燃料電池の電気的短絡を抑制でき、出力損失及び燃料電池本体の損傷を抑制することができる。

また本発明は、上記燃料電池において、前記絶縁部材は、前記第１締付板の貫通孔の直径よりも径が小さい小径部先端が、前記貫通孔から前記第１締付板の上面側に突出しており、前記漏出阻止構造は、前記絶縁部材の小径部の突出部に断面Ｖ字形状のリップ部を有するＶリングが嵌め込まれ、第１締付板の上面側に位置するリップ部を当該第１締付板の上面に加圧接触させたことを特徴とする。

この構成によれば、貫通孔から第１締付板の上面側に突出した絶縁部材の小径部の突出部に嵌め込まれ、リップ部が第１締付板の上面と加圧接触するＶリングにより、電池積層部から外部に漏出したリン酸液の第１締付板の貫通孔内への流入を抑制できるので、絶縁部材の沿面絶縁の破壊を抑制することができる。このため、燃料電池の電気的短絡を抑制でき、出力損失及び燃料電池本体の損傷を抑制することができる。また、Ｖリングの取付け位置の調整により、リップ部と第１締付板との間の加圧接触を調整できるので、電解質液の第１締付板の貫通孔内への流入を効果的に抑制できる。

本発明によれば、構成を簡素化でき、しかも電気的短絡による出力損失及び燃料電池の損傷がなく、信頼性が高い燃料電池を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池の模式的な斜視図である。本発明の実施の形態に係る燃料電池の断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の部分断面拡大図である。本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の部分断面拡大図である。本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の他の一例の部分断面拡大図である。本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池の部分断面拡大図である。本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池の部分断面拡大図である。本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池の他の一例の部分断面拡大図である。一般的な燃料電池の単電池の積層構造を示す図である。一般的な燃料電池の模式的な断面図である。一般的な燃料電池の模式的な回路図である。構成を簡素化した燃料電池の部分断面拡大図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。尚、以下の説明では、図９〜図１１に示したリン酸形燃料電池と同一構成の部分には、同一の符号を付して説明を省略し、本発明の実施の形態に係る燃料電池と一般的なリン酸形燃料電池との相違点を中心に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池１の模式的な斜視図である。本実施の形態に係る燃料電池１は、リン酸形燃料電池の単電池１２が複数積層された電池積層部１１と、当該電池積層部１１の下面に配置され、電池積層部１１を固定する架台２０とを主に備える。尚、図１においては、一つの単電池１２のみ図示し、他の単電池１２については符号を省略している。

電池積層部１１は、複数の単電池１２が上下方向に積層されて構成され、略矩形形状の上面及び下面を有する。電池積層部１１の下面には、平面視において、電池積層部１１の下面から４隅が突出するように略矩形形状の下部締付板２１が配置されている。一方、電池積層部１１の上面には、下部締付板２１と対応した略矩形形状を有する上部締付板２２が配置されている。電池積層部１１の上下の面から突出した下部締付板２１及び上部締付板２２の４隅には、それぞれ対向する位置に貫通孔が設けられている。この対向する４隅の貫通孔には、円柱形状に形成され両端にらせん状のネジ山を有する４本の締付スタッド２３ａ〜２３ｄが挿通されている。

図２は、図１に示した燃料電池１の側面模式図である。図２に示すように、下部締付板２１の下面側には、電池積層部１１を固定する取付け座２４ａが設けられた架台２０が配置されている。架台２０は、取付け座２４ａが絶縁カラー２５ａを介して下部締付板２１の貫通孔と重なるように配置される。下部締付板２１の貫通孔に挿通された締付スタッド２３ａの下端は、絶縁カラー２５ａを貫通して架台２０の取付け座２４ａから突出するように配置される。締付スタッド２３ａの下端には、取付け座２４ａと下部締付板２１との間を締付するナット２６ａが締結されている。一方、上部締付板２２に挿通された締付スタッド２３ａの上端には、絶縁カラー２７ａを介して上部締付板２２と下部締付板２１との間を締付するナット２８ａが締結されている。

すなわち、本実施の形態においては、下部締付板２１と上部締付板２２との間に張架される締付スタッド２３ａにより、下部締付板２１及び上部締付板２２を介した電池積層部１１の加圧締付と電池積層部１１の架台２０への固定とを共に行うことにより、絶縁支持碍子などを用いることなく電池積層部１１を直接架台２０へ固定している。これにより、部品点数の削減が可能となり、燃料電池の構造を簡略化することができ、燃料電池１の小型化及びコスト削減が可能となる。下部締付板２１及び上部締付板２２には、それぞれ発電された直流電流を取り出す出力端子２９ａ、２９ｂが設けられている。尚、以上の説明では、締付スタッド２３ａを例に燃料電池１の架台２０への固定について説明したが、他の締付スタッド２３ｂ〜２３ｄも同様に構成されている。

図３は、図２に示した燃料電池１の断面図の部分拡大図である。尚、図３では、出力端子２９ａは省略している。図３に示すように、下部締付板２１の貫通孔より小さい外径を有し、貫通孔内に挿入される小径部と、小径部より相対的に外径が大きく形成され、下部締付板２１下面の開口端部と取付け座２４ａとの間に配置される大径部とを絶縁カラー２５ａは備える。絶縁カラー２５ａの外周面の大径部と小径部との間には、大径部と小径部の径の差に応じた段差が形成されている。この絶縁カラー２５ａの段差の上面が下部締付板２１下面の貫通孔の開口端部と当接する当接面４０ａとなる。絶縁カラー２５ａの小径部は、下部締付板２１の貫通孔と対向するように貫通孔内に沿って上方に延在され、上端が下部締付板２１の上面から突出するように配置されている。

次に、本実施の形態に係る燃料電池１のリン酸液の漏出阻止構造について説明する。本実施の形態の形態に係る燃料電池１は、発電に伴って漏出したリン酸液が下部締付板２１の貫通孔と絶縁カラー２５ａとの間からの漏出を抑制する漏出阻止構造としての上部突出部３０を備える。上部突出部３０は、下部締付板２１上面の貫通孔を囲む周縁部に、下部締付板２１の上面から上方に向かって突出するように形成されている。本実施の形態では、この上部突出部３０により、下部締付板２１の上面に滞留したリン酸液の下部締付板２１の貫通孔内への流入を抑制し、下部締付板２１の貫通孔と絶縁カラー２５ａとの間からのリン酸液の漏出を抑制している。

尚、上部突出部３０は、下部締付板２１の上面において、リン酸液の貫通孔内への流入を抑制できる位置に設けられていればよく、必ずしも下部締付板２１の貫通孔の開口端部に対応した形状でなくともよい。例えば、下部締付板２１の貫通孔の開口部と同芯円状に形成されていてもよく、下部締付板２１の開口部の周囲に、略矩形形状に形成されていてもよい。また、上部突出部３０の形状は、リン酸液の貫通孔内への流入を抑制できる形状であれば特に限定されない。また、上部突出部の３０の形状は、下部締付板２１上面の主面に対して、高さ方向において所定の割合で傾斜が形成されていればよく、完全な階段形状を必要とするものではない。

下部締付板２１の下面には、下部締付板２１の上面から流下するリン酸液を、絶縁カラー２５ａとの接触を避けるように下方に滴下する笠部としての下部突出部３１が設けられている。下部突出部３１は、下部締付板２１の貫通孔を囲む領域に設けられ、下部締付板２１の下面から下方に向かって突出するように設けられている。また、下部突出部３１は、リン酸液の絶縁カラー２５ａへの付着を回避できるように、下部突出部３１の外縁部が絶縁カラー２５ａの大径部の外周面と所定の間隔を取るように離間して設けられている。本実施の形態では、この下部突出部３１により、下部締付板２１の上面から下部締付板２１の側面を伝って流下するリン酸液を誘導し、絶縁カラー２５ａと接触することなく滴下する。これにより、漏出したリン酸液の絶縁カラー２５ａの外周面に接触を抑制することができるので、燃料電池１の沿面絶縁の破壊を防止できる。

尚、下部突出部３１の形状は、リン酸液の絶縁カラー２５ａへの接触を回避できるように誘導できる形状であれば、特に限定されない。例えば、下部突出部３１の形状は、下部締付板２１下面に対して、少なくとも下方に突出していればよく、完全な階段形状を必要とするものではない。また、下部突出部３１は、絶縁カラー２５ａと接触せずにリン酸液を滴下できれば絶縁カラー２５ａの外周縁部に形成されていなくともよく、絶縁カラー２５ａ〜２５ｄの外側を囲むように、略矩形形状に形成されていてもよい。

次に、本実施の形態に係る燃料電池１におけるリン酸液の流路について説明する。電池積層部１１から漏出したリン酸液は、流路Ｌ１を伝って、電池積層部１１の側面から下部締付板２１の上面に向けて流下する。下部締付板２１の上面に流下したリン酸液は、下部締付板２１上面を下部締付板２１の端部へ向けて流れる。ここで、下部締付板２１の上面には、上部突出部３０が設けられているので、下部締付板２１の貫通孔へ流入せずに、下部締付板２１の端部から流路Ｌ２を伝って、下部締付板２１の下面側に向けて流下する。

下部締付板２１の下面側に流下したリン酸液は、下部締付板２１下面の下部突出部３１の先端に向けて流下し、所定の液量のリン酸液が溜まった後に、重力に従って、絶縁カラー２５ａに接触することなく滴下する。ここで、下部突出部３１がない場合、リン酸液の一部は、下部締付板２１の下面を伝って絶縁カラー２５ａの側面から流下し、絶縁カラー２５ａの沿面絶縁が破壊される。これに対し、本実施の形態では、下部締付板２１下面に下部突出部３１が設けられているので、リン酸液が下部突出部３１の先端部に誘導されて絶縁カラー２５ａへの接触を回避することができ、燃料電池１の沿面絶縁の破壊を防止することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、下部締付板２１にリン酸液の漏出阻止構造としての上部突出部３０とリン酸液を滴下する下部突出部３１とを設けることにより、絶縁カラー２５ａへのリン酸液の接触を回避することができるので、燃料電池１の沿面絶縁の破壊を防止することができる。これにより、電気的短絡による出力電圧の低下及び燃料電池の損傷を抑制することができ、長期間に亘って安定して運転可能な信頼性の高い燃料電池を実現できる。また、締付けスタッド２３ａ〜２３ｄにより、電池積層部１１の締付けによるガスシールと電池積層部１１の架台２０への固定とを共に行うことができるので、構成部品を削減することができる。

（第２の実施の形態）
次に、図４、図５を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。
本実施の形態に係る燃料電池２は、リン酸液の漏出阻止構造として、Ｏリング３２を用いたものである。以下の説明においては、燃料電池１との相違点を中心に説明し、燃料電池１と同一の部分については、同一の符号を付し、説明を省略する。

図４は、本実施の形態に係る燃料電池２の下部締付板２１の貫通孔及び締付スタッド２３ａの拡大断面図である。図４に示すように、本実施の形態では、下部締付板２１の上面を平面構造としている。下部締付板２１の貫通孔の内周面には、内周面の周方向に延在する矩形形状の溝が形成され、この溝の中に弾性部材としてのＯリング３２が配置されている。Ｏリング３２は、下部締付板２１の内周面と絶縁カラー２５ａの小径部の外周面との間をシールするように配置されている。

尚、本実施の形態では、Ｏリング３２の配置は、下部締付板２１の貫通孔の内周面に限定されず、例えば、下部締付板２１下面の開口端部と絶縁カラー２５ａとの当接面４０ａに配置する構成としてもよい。図５に示す例では、絶縁カラー２５ａの当接面４０ａに締付スタッド２３ａを中心とした同芯円状の略矩形状の溝を形成し、この溝の中にＯリング３２を配置している。このようにＯリング３２を配置することにより、下部締付板２１下面の開口端部と絶縁カラー２５ａとの間に生じる面圧によってリン酸液を水密シールできるので、燃料電池２の沿面絶縁の破壊を防止することができる。尚、Ｏリング３２は、下部締付板２１の貫通孔又は貫通孔近傍部位と、対向する絶縁部材との間に設けられていればよい。また、Ｏリング３２が配置される溝は、下部締付板２１側に形成されていてもよく、絶縁カラー２５ａ側に形成されていてもよい。

Ｏリング３２の材質としては、弾性力によりリン酸液を遮断でき、かつリン酸に対して耐腐食性があるものであれば特に限定されないが、フッ素ゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム、などのゴム材料を用いることができる。これらの中でも、リン酸に対する耐腐食性が強いフッ素ゴムが特に好ましい。尚、Ｏリング３２としては、市販のものを用いることができる。

次に、本実施の形態でのリン酸液の流路について説明する。本実施の形態では、下部締付板２１の上面に流下したリン酸液は、下部締付板２１の貫通孔内に流入する。ここで、下部締付板２１の貫通孔内には、Ｏリング３２が設けられているので、貫通孔内に流入したリン酸液は、Ｏリング３２の弾性力によって貫通孔内で水密シールされる。このため、下部締付板２１の貫通孔と絶縁カラー２５ａとの間からのリン酸液の漏出を抑止することができる。

このように、本実施の形態に係る燃料電池２によれば、電池積層部１１の側面から流下したリン酸液は、滴下経路Ｌ１を伝わり下部締付板２１の表面まで流下し、一旦は下部締付板２１の貫通孔に流入する。貫通孔に流入したリン酸液は、下部締付板２１の貫通孔内のＯリング３２によりシールされ、貫通孔を迂回して下部締付板２１の外周を伝わり下部突出部３１より滴下される。これにより、絶縁カラー２５ａ外周面へのリン酸液の接触を回避できるので、燃料電池２の沿面絶縁の破壊を抑制することができる。

（第３の実施の形態）
次に、図６を参照して、本発明の第３の実施の形態について説明する。
本実施の形態に係る燃料電池３は、リン酸液の漏出阻止構造として、絶縁カラー２５ａと下部締付板２１の開口端部との当接面４０ａに複数の溝（以下、複数の溝をラビリンス・シール溝３３ともいう）を設けたものである。以下の説明においては、燃料電池１との相違点を中心に説明し、燃料電池１と同一の部分については、同一の符号を付し、説明を省略する。

図６は、本実施の形態に係る燃料電池３の下部締付板２１の貫通孔及び締付スタッド２３ａの拡大断面図である。図６に示すように、本実施の形態に係る燃料電池３では、絶縁カラー２５ａの下部締付板２１下面との当接面４０ａに、それぞれが独立した複数のＶ字溝によって構成されるラビリンス・シール溝３３が形成されている。このラビリンス・シール溝３３は、締付スタッド２３ａと同芯円状に形成されている。本実施の形態では、このラビリンス・シール溝３３により、下部締付板２１の貫通孔と絶縁カラー２５ａとの間からのリン酸液の漏出を抑止する。

尚、ラビリンス・シール溝３３の形状としては、下部締付板２１の貫通孔内部に流入したリン酸液をシールできる形状であればＶ形状に限定されず、Ｕ字形状、矩形形状の溝などを用いてもよい。また、本実施の形態では、ラビリンス・シール溝３３が絶縁カラー２５ａに形成された例について説明したが、ラビリンス・シール溝３３は、下部締付板２１に形成してもよい。

次に、本実施の形態でのリン酸液の流路について説明する。本実施の形態では、電池積層部１１の側面から滴下したリン酸液は、滴下経路Ｌ１を伝わり下部締付板２１の上面を伝って、下部締付板２１の貫通孔内に流入する。貫通孔内に流入したリン酸液は、下部締付板２１の貫通孔内のラビリンス・シール溝３３の内側の溝から外側の溝に向けて徐々に浸透する。ここで、リン酸液は粘性が高く、表面張力が大きいので、ラビリンス・シール溝３３内でリン酸液の毛細管力によりシールされるラビリンス効果が発現する。このため、下部締付板２１の貫通孔と絶縁カラー２５ａとの間からのリン酸液の漏出を抑止することができる。

このように、本実施の形態に係る燃料電池３によれば、電池積層部１１の側面から流下したリン酸液は、滴下経路Ｌ１を伝わり下部締付板２１の表面まで流下し、一旦は下部締付板２１の貫通孔に流入する。下部締付板２１の貫通孔内のラビリンス・シール溝３３によりシールされ、貫通孔を迂回して下部締付板２１の外周を伝わり下部突出部３１より滴下される。これにより、絶縁カラー２５ａ外周面へのリン酸液の接触を回避できるので、リン酸液による燃料電池３の沿面絶縁の破壊を抑制することができる。

特に、リン酸形の燃料電池では、電解質として高濃度のリン酸液を用いるので、リン酸液の粘性が高くなる。このため、本実施の形態に係る燃料電池３では、下部締付板２１の貫通孔内に内部に流入したリン酸液を、ラビリンス・シール溝３３により、他の構成部材を用いることなく効果的にシールすることができる。

（第４の実施の形態）
次に、図７を参照して、本発明の第４の実施の形態について説明する。
本実施の形態に係る燃料電池４は、リン酸液の漏出阻止構造として、Ｖリング３４を用いる。以下の説明においては、燃料電池１との相違点を中心に説明し、燃料電池１と同一の部分については、同一の符号を付し、説明を省略する。

図７は、本実施の形態に係る燃料電池４の下部締付板２１の貫通孔及び締付スタッド２３ａの拡大断面図である。図７に示すように、本実施の形態に係る燃料電池４は、絶縁カラー２５ａの小径部先端の外周に固定され、下部締付板２１の上面の開口端部を加圧接触するＶリング３４を備える。Ｖリング３４は、絶縁カラー２５ａの小径部先端の外周面に嵌合され、所定の張力を有する本体部３４ａと、本体部３４ａから延在し、弾性力を有するヒンジ部３４ｂと、ヒンジ部３４ｂから延在し、弾性力により下部締付板２１の上面と加圧接触するリップ部３４ｃとを備える。本実施の形態では、このＶリング３４により、下部締付板２１の上面を加圧接触することにより、下部締付板２１の貫通孔と絶縁カラー２５ａとの間からのリン酸液の漏出を抑止する。

Ｖリング３４は弾性部材で構成され、その本体部３４ａは、下部締付板２１の上面側に貫通孔より突出した絶縁カラー２５ａの上端側の外周に、固有の張力により嵌合されている。本体部３４ａから延在するヒンジ部３４ｂ及びリップ部３４ｃは、本体部３４ａの設置位置と下部締付板２１との間の距離に応じて、弾性力により下部締付板２１の上面を加圧接触する。すなわち、本体部３４ａの設置位置を下部締付板２１の上面近辺に設置した場合、ヒンジ部３４ｂ及びリップ部３４ｃによる下部締付板２１の上面の加圧接触を強くすることができる。これに対し、本体部３４ａの設置位置を下部締付板２１より離して設置した場合、ヒンジ部３４ｂ及びリップ部３４ｃによる加圧接触を弱くすることができる。このように、本実施の形態では、Ｖリング３４により、下部締付板２１の上面を加圧接触することにより、電池積層部１１から流下し、下部締付板２１を流れるリン酸液の下部締付板２１の貫通孔への流入を抑制することができる。

尚、上述した例では、本体部３４ａが絶縁カラー２５ａの外周に嵌合される例について説明したが、Ｖリング３４の配置は、リン酸液の貫通孔内への流入を抑制できるものであれば、特に限定されない。例えば、図８に示すように、形状が異なるＶリング（オイルシール）を用いてもよい。図８に示す燃料電池５において、Ｖリング３５は、本体部３５ａが下部締付板２１の貫通孔の内周面に嵌合され、本体部３５ａから貫通構内にヒンジ部３５ｂが延在している。ヒンジ部３５ｂから延在するリップ部３５ｃは、下部締付板２１の貫通孔内の絶縁カラー２５ａの外周面に加圧接触している。尚、Ｖリング３４、３５は、上述したＯリング３２や、ラビリンス・シール溝３３などと組み合わせて用いてもよい。

Ｖリング３４としては、上述したＯリング３２と同様に、弾性力を有する材料であれば特に限定されず、各種材料を用いることができる。これらの材料の中でも、リン酸液に対する耐腐食性が高いフッ素ゴムが好ましい。また、Ｖリング３４としては、例えば、モーター等の回転軸がハウジングを貫通する際にグリースを密封する、外部からのダスト流入を防止するなどの用途で使用される各種の市販のＶリングを用いることができる。また、Ｖリング３４としては、加圧接触性を向上する観点から、各種金属バネ等で補強されたＶリングを用いることがより好ましい。

次に、本実施の形態でのリン酸液の流路について説明する。本実施の形態では、電池積層部１１の側面から滴下したリン酸液は、流路Ｌ１を伝って、電池積層部１１の側面から下部締付板２１の上面に向けて流下する。下部締付板２１の上面に流下したリン酸液は、下部締付板２１上を下部締付板２１の端部に向けて流れる。ここで、下部締付板２１の開口端部は、Ｖリング３４のリップ部３４ｃにより、加圧接触されているので、リン酸液は貫通孔内に流入せずに下部締付板２１の端部から流路Ｌ２を伝って下部締付板２１の下面に流下する。このようにして、リン酸液の貫通孔内への流入を抑制できるので、リン酸液の貫通孔内からの漏出を抑制することができる。

このように、本実施の形態に係る燃料電池４によれば、Ｖリング３４を用いることにより、リン酸液の貫通孔内への流入を抑制できるので、下部締付板２１の貫通孔と絶縁カラー２５ａとの間からのリン酸液の漏出を抑止することができる。特に本実施の形態では、Ｖリング３４を用いることにより、追加加工を行うことなく、容易にリン酸液の下部締付板２１の貫通孔内への流入を抑制することができる。また、Ｖリング３４としては、リン酸液に対する耐腐食性が高いフッ素系材料を含有するゴム材料を用いることもできるので、金属材料などを用いた場合と比較し、防食対策を必要とせずに長期間の使用においても、貫通孔内からのリン酸液の漏出を抑制できる耐久性が高い燃料電池を実現することができる。

さらに、本実施の形態では、Ｖリング３４の本体部３４ａの設置位置を調整することにより、下部締付板２１との加圧接触によりリップ部３４ｃが押し込まれる深さ（ストローク）を調整できるので、燃料電池４の運転に伴う温度変化による影響を軽減できる。例えば、燃料電池４は、停止時には常温となり、運転時には１５０℃から２００℃程度となる。このように、燃料電池は、運転時と停止時との温度差が大きいので、熱膨張係数の異なる材料で構成された下部締付板２１と絶縁カラー２５ａとの間に緩みが生じる現象が発生する。例えば、絶縁カラー２５ａとしてフッ素樹脂を使用し、下部締付板２１に鉄を用いた場合、絶縁カラー２５ａの熱膨張係数は、下部締付板２１の熱膨張係数の１２倍程度となり大きく異なる。本実施の形態では、Ｖリング３４を用いることにより、弾性材料で構成されたＶリング３４自体の変形及び本体部３４ａの位置の調整によるリップ部３４ｃのストロークの調整により、燃料電池４の停止時、運転時による温度変化の影響を低減できるので、長期間使用時においても信頼性が高い燃料電池を実現することができる。

本発明は上記実施の形態に限定されず種々変更して実施することが可能である。また、上記実施の形態で説明した数値、寸法、材質については特に制限はない。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

本発明は、例えば工業用、業務用に用いられる燃料電池、または、災害時に用いられる各種非常電源用の燃料電池に適用可能である。

１〜５燃料電池
１１電池積層部
１２単電池
１３ａ、１３ｂセパレート板
１４電解質層
１５燃料極
１６酸化剤極
１７ａ、１７ｂ基材
１８ａ、１８ｂ冷却板
２０発電装置架台
２１下部締付板
２２上部締付板
２３ａ〜２３ｄ締付スタッド
２４ａ〜２４ｄ取付け座
２５ａ〜２５ｄ、２７ａ〜２７ｄ絶縁カラー
２６ａ〜２６ｄ、２８ａ〜２８ｄナット
２９ａ、２９ｂ出力端子
３０上部突部
３１下部突部
３２Ｏリング
３３ラビリンス・シール溝
３４、３５Ｖリング
３４ａ、３５ａ本体部
３４ｂ、３５ｂヒンジ部
３４ｃ、３５ｃリップ部

Claims

リン酸液を含浸した電解質層と当該電解質層の両側に配置された一対の燃料極及び酸化剤極とを備える単電池が積層された電池積層部と、
前記電池積層部を固定する取付け座を備えた架台と、
前記電池積層部の積層方向の下面側に配置され、貫通孔を有する第１締付板と、
前記第１締付板との間で前記電池積層部を挟むように、前記電池積層部の積層方向の上面側に配置された第２締付板と、
前記第１締付板と前記第２締付板との間に張架され、前記第１締付板の貫通孔から前記架台側へ貫通した先端部が前記取付け座に固定され、前記第１及び第２締付板間を加圧締付けする締付棒と、
前記第１締付板と前記取付け座との間に介在し、前記締付棒が貫通した絶縁部材と、
前記第１締結板の下面において前記第１締結板の前記貫通孔を囲む領域に形成され、外縁部が前記貫通孔の外周よりも外側となるように下方に向けて突出した笠部と、
前記第１締付板の上面に漏出した前記リン酸液が前記貫通孔と前記絶縁部材との間の隙間から前記絶縁部材の外周部に漏出することを阻止する漏出阻止構造と、
を具備したことを特徴とする燃料電池。
前記漏出阻止構造は、前記第１締付板の上面において前記貫通孔を囲む周縁部に、上方へ突出するように形成された突出部であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記漏出阻止構造は、前記第１締付板の貫通孔又は貫通孔近傍部位と対向する絶縁部材との間に設けられたＯリングであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記漏出阻止構造は、前記第１締付板の下面と前記絶縁部材との当接面に設けられた複数の溝であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記絶縁部材は、前記第１締付板の貫通孔の直径よりも径が小さい小径部先端が、前記貫通孔から前記第１締付板の上面側に突出しており、前記漏出阻止構造は、前記絶縁部材の小径部の突出部に断面Ｖ字形状のリップ部を有するＶリングが嵌め込まれ、第１締付板の上面側に位置するリップ部を当該第１締付板の上面に加圧接触させたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。