JP2011113900A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、安全に分解することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池２０は、電気絶縁材料でセル２００同士の間に形成されたガスケット２９０を備え、ガスケット２９０は、締結荷重Ｌｆによってセル２００同士が通電可能に接触するまで押し潰された形状に弾性変形すると共に、締結荷重Ｌｆが解除された場合、セル２００同士を電気的に絶縁させる絶縁距離Ｄｉ１にセル２００同士を離隔する形状に形状復帰する。
【選択図】図３

Description

本発明は、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池に関する。

燃料電池の一形態として、反応ガスから直接的に電気エネルギを取り出す基本構造を構成する複数のセルを備え、これら複数のセルを電気的に直列に積層した燃料電池が知られている。従来、このような燃料電池を点検、整備、廃棄などのために複数のセルの各々に分解する場合、燃料電池の分解に先立って、作業上安全な電圧にまで燃料電池の電圧を低下させていた。特許文献１には、燃料電池を分解する前に燃料電池の電圧低下を促進させるために、燃料電池における酸化ガスの排出口を供給口に接続して酸化ガスを循環させる技術が提案されている。

特開２００９−１１０７８２号公報

しかしながら、従来、燃料電池の分解に先立って燃料電池の電圧を低下させるために時間や手間を必要としていた。

本発明は、上記した課題を踏まえ、安全に分解することができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 適用例１の燃料電池は、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池であって、導電性を有する導電部材の間に前記電気化学反応を行う反応部を挟持した複数のセルと、電気的に直列に積層した状態で前記複数のセルを締結する締結部と、電気絶縁性を有する電気絶縁材料で前記セル同士の間に形成され、前記締結部による締結荷重によって、前記セル同士が通電可能に接触するまで押し潰された形状に弾性変形する弾性部材とを備え、前記弾性部材は、前記締結部材による締結荷重が解除された場合、前記セル同士を電気的に絶縁させる絶縁距離に前記セル同士を離隔する形状に形状復帰することを特徴とする。適用例１の燃料電池によれば、締結荷重の解除に伴って、弾性部材によって離隔されたセル単位に燃料電池の電圧を低下させることができる。したがって、作業上安全な電圧となるセル単位の間隔で弾性部材を形成することによって、燃料電池の分解に先立って燃料電池の電圧を低下させるために時間や手間を掛けることなく、燃料電池を安全に分解することができる。

［適用例２］ 適用例１の燃料電池であって、前記弾性部材は、前記セル同士の一方のセルに接合されていても良い。適用例２の燃料電池によれば、弾性部材がセルから分離する構造よりも、燃料電池の組立および分解を容易に実施することができる。

［適用例３］ 適用例１または適用例２の燃料電池であって、前記弾性部材は、前記複数のセルにおけるセル同士の間毎に形成されていても良い。適用例３の燃料電池によれば、燃料電池をセル単位に容易に分解することができる。

［適用例４］ 適用例１または適用例２の燃料電池であって、前記複数のセルは、二以上のセルを含むモジュールを含み、前記弾性部材は、前記モジュール同士の間毎に形成されていても良い。適用例４の燃料電池によれば、セル同士の間毎に弾性部材を形成するよりも、弾性部材の数量を低減することができる。

［適用例５］ 適用例１ないし適用例４のいずれかの燃料電池であって、前記複数のセルにおける複数の前記セル同士の間にそれぞれ形成された複数の前記弾性部材の各々は、同一材料および同一形状で形成されていても良い。適用例５の燃料電池によれば、部品の共通化によって燃料電池の構造を簡略化することができる。

本発明の形態は、燃料電池に限るものではなく、例えば、燃料電池の積層構造、燃料電池の構成部材、燃料電池を備える車両、燃料電池を運転する燃料電池システムなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

燃料電池システムの構成を示す説明図である。 積層状態で締結された複数のセルを示す説明図である。 締結荷重が解除された複数のセルを示す説明図である。 第２実施例において締結荷重が解除された複数のセルを示す説明図である。 第３実施例において締結荷重が解除された複数のセルを示す説明図である。

以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池システムについて説明する。

Ａ．第１実施例：
図１は、燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池２０を備え、燃料電池システム１０の外部に電力を供給するために燃料電池２０を運転する。本実施例では、燃料電池システム１０は、燃料電池２０で発電した電力を利用して走行する車両に搭載されるシステムであるが、他の実施形態として、住宅や施設の電源として設置されるシステムに適用しても良いし、電気で作動する電気機械機器に電源として搭載されるシステムに適用しても良い。

燃料電池システム１０の燃料電池２０は、反応ガスの供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。本実施例では、燃料電池２０に供給される反応ガスは、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを含む。燃料電池２０に供給された燃料ガスは、酸素との電気化学反応の進行に伴って水素濃度が低下し、アノードオフガスとして燃料電池２０から排出される。本実施例では、燃料電池２０に用いられる燃料ガスは、水素タンクや水素吸蔵合金に貯蔵した水素ガスであるが、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。本実施例では、燃料電池システム１０は、燃料ガスを循環して再利用する循環方式のシステムであり、アノードオフガスは、燃料ガスとして再利用される。燃料電池２０に供給された酸化ガスは、水素との電気化学反応の進行に伴って酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池２０から排出される。本実施例では、燃料電池２０に用いられる酸化ガスは、大気中から取り込んだ空気である。燃料電池２０の詳細構成については後述する。

燃料電池システム１０は、燃料電池２０の他、燃料ガス給排部３０と、冷却水給排部４０と、酸化ガス給排部５０と、運転制御部９０とを備える。燃料電池システム１０の燃料ガス給排部３０は、運転制御部９０からの制御信号に基づいて、燃料電池２０に燃料ガスを供給すると共に、燃料電池２０から排出されるアノードオフガスを処理する。燃料電池システム１０の冷却水給排部４０は、運転制御部９０からの制御信号に基づいて、燃料電池２０を冷却する冷却水を循環させる。燃料電池システム１０の酸化ガス給排部５０は、運転制御部９０からの制御信号に基づいて、燃料電池２０に酸化ガスを供給すると共に、燃料電池２０から排出されるカソードオフガスを処理する。燃料電池システム１０の運転制御部９０は、燃料ガス給排部３０、冷却水給排部４０、酸化ガス給排部５０に電気的に接続され、燃料電池２０の運転を制御する。

図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池２０は、積層部２１と、締結部２５とを備える。燃料電池２０の積層部２１は、反応ガスの電気化学反応によって発電するための複数の構成部材を積層して形成され、燃料電池２０の締結部２５は、積層部２１の構成部材を積層した状態で積層部２１を締結する。つまり、積層部２１は、締結部２５によって締結される被締結部である。

燃料電池２０の締結部２５は、積層部２１の構成部材が積層された積層方向Ｄｓに積層部２１を圧縮する締結荷重Ｌｆを発生させる。本実施例では、締結部２５は、第１連結部材５１０と、第１エンドプレート５２０と、サイドメンバ５６０と、第２エンドプレート５８０と、第２連結部材５９０とを備える。締結部２５の第１エンドプレート５２０および第２エンドプレート５８０は、積層部２１における積層方向Ｄｓの両端から積層部２１を挟持する。締結部２５のサイドメンバ５６０は、積層部２１の積層方向Ｄｓに沿って第１エンドプレート５２０と第２エンドプレート５８０との間に設けられている。サイドメンバ５６０の一端は、第１連結部材５１０によって第１エンドプレート５２０に連結され、サイドメンバ５６０の他端は、第２連結部材５９０によって第２エンドプレート５８０に連結されている。

燃料電池２０の積層部２１は、反応ガスの電気化学反応によって発電するための複数の構成部材として、第１インシュレータ１１０と、第１ターミナル１２０と、複数のセル２００と、第２ターミナル４８０と、第２インシュレータ４９０とを備える。積層部２１の第１ターミナル１２０および第２ターミナル４８０は、電気的に直列に積層された複数のセル２００における積層方向Ｄｓの両端にそれぞれ積層され、複数のセル２００で発生する電気を集電する。積層部２１の第１インシュレータ１１０および第２ターミナル４８０は、第１ターミナル１２０および第２ターミナル４８０の外側にそれぞれ積層され、第１ターミナル１２０および第２ターミナル４８０を締結部２５から電気的に絶縁する。積層部２１における複数のセル２００は、反応ガスから直接的に電気を取り出す電気化学反応を行う反応部がそれぞれ形成された発電部材である。

図２は、積層状態で締結された複数のセル２００を示す説明図である。図２には、締結部２５によって積層状態で締結された複数のセル２００を積層方向Ｄｓに沿って切断した断面を図示した。図２に図示した複数のセル２００のうちの一つを実線で描画し、その他のセルを一点鎖線で描画した。燃料電池２０のセル２００は、アノードセパレータ２３０と、アノード電極２４０と、電解質膜２５０と、カソード電極２６０と、カソードセパレータ２７０と、ガスケット２９０とを備える。セル２００の各部材は、アノードセパレータ２３０、アノード電極２４０、電解質膜２５０、カソード電極２６０、カソードセパレータ２７０の順に積層されている。

セル２００の電解質膜２５０、アノード電極２４０、カソード電極２６０の各部材は、反応ガスから直接的に電気を取り出す電気化学反応を行う反応部として、アノード電極２４０とカソード電極２６０との間に電解質膜２５０を挟持して接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、「ＭＥＡ」）を形成する。セル２００の電解質膜２５０は、プロトンを伝導するプロトン伝導体であり、本実施例では、アイオノマ樹脂製の電解質膜の一つであるパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。セル２００のアノード電極２４０およびカソード電極２６０は、ガス透過性、導電性、撥水性を有する部材であり、本実施例では、白金や白金合金を担持した炭素担体を含む材料で形成されている。

セル２００のアノードセパレータ２３０は、アノード電極２４０に燃料ガスを流すアノード流路２３５を形成し、セル２００のカソードセパレータ２７０は、カソード電極２６０に酸化ガスを流すカソード流路２７５を形成する。アノードセパレータ２３０およびカソードセパレータ２７０は、反応ガスの電気化学反応によって発生する電気を集電するのに十分な導電性を有する導電部材であり、反応ガスを流す上で十分な耐久性、耐熱性、ガス不透過性を有する材料を用いて形成される。本実施例では、アノードセパレータ２３０およびカソードセパレータ２７０の材料は、ステンレスであるが、チタンやチタン合金などの金属の他、カーボン樹脂、導電性セラミックスであっても良い。

セル２００のガスケット２９０は、図２に示すように、電気絶縁性を有する電気絶縁材料で他のセル２００との間に形成され、締結部２５による締結荷重Ｌｆによって、セル２００同士が通電可能に接触するまで押し潰された形状に弾性変形する弾性部材である。ガスケット２９０は、締結部２５による締結荷重Ｌｆが解除された場合、セル２００同士を電気的に絶縁させる絶縁距離Ｄｉ１にセル２００同士を離隔する形状に形状復帰する。

図３は、締結荷重Ｌｆが解除された複数のセル２００を示す説明図である。図３には、締結部２５による締結荷重Ｌｆが解除された複数のセル２００を積層方向Ｄｓに沿って切断した断面を図示した。図２と同様に、図３に図示した複数のセル２００のうちの一つを実線で描画し、その他のセルを一点鎖線で描画した。図２に示した状態から締結部２５を分解して締結荷重Ｌｆが解除されると、積層方向Ｄｓに押し潰された形状に弾性変形していたガスケット２９０は、図３に示すように、押し潰される前の形状への形状復帰に伴って、他のセル２００を積層方向Ｄｓに押し退け、セル２００同士を絶縁距離Ｄｉ１で離隔する。本実施例では、セル２００単体の起電力は約１ボルトであり、ガスケット２９０によって形成される絶縁距離Ｄｉ１は、セル２００単体の起電力を十分に絶縁可能な空間距離である。

本実施例では、複数のセル２００の各々は、同一材料および同一形状で形成されたガスケット２９０をそれぞれ備える。ガスケット２９０の形状は、積層方向Ｄｓに沿って他のセル２００に向けて突出する断面形状である。本実施例では、ガスケット２９０は、セル２００の外周に沿って連続的に設けられているが、他の実施形態において、セル２００の複数箇所に点在して配置されていても良い。本実施例では、ガスケット２９０の材料は、シリコンゴムであるが、ブチルゴムやフッ素ゴムなど他の樹脂材料であっても良い。本実施例では、ガスケット２９０は、カソードセパレータ２７０に接合されているが、他の実施形態において、アノードセパレータ２３０に接合されていても良いし、アノードセパレータ２３０およびカソードセパレータ２７０の双方に接合されることなくセル２００同士の間に挟持されていても良い。本実施例では、ガスケット２９０は、アノードセパレータ２３０に形成された凹部２３２と、カソードセパレータ２７０に形成された凹部２７２との間に設けられているが、他の実施形態において、アノードセパレータ２３０およびカソードセパレータ２７０の一方に形成された凹部に設けられていても良い。

以上説明した第１実施例の燃料電池２０によれば、締結荷重Ｌｆの解除に伴って、ガスケット２９０によって離隔されたセル２００を単位に燃料電池２０の電圧を低下させることができるため、燃料電池２０の分解に先立って燃料電池２０の電圧を低下させるために時間や手間を掛けることなく、燃料電池２０を安全に分解することができる。また、ガスケット２９０は、隣接するセル２００同士の一方のセル２００に接合されているため、ガスケット２９０がセル２００から分離する構造よりも、燃料電池２０の組立および分解を容易に実施することができる。また、ガスケット２９０は、複数のセル２００におけるセル２００同士の間毎に形成されているため、燃料電池２０をセル２００単位に容易に分解することができる。また、複数のセル２００における複数のセル２００同士の間にそれぞれ形成された複数のガスケット２９０の各々は、同一材料および同一形状で形成されているため、部品の共通化によって燃料電池２０の構造を簡略化することができる。

Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例において締結荷重Ｌｆが解除された複数のセル２００を示す説明図である。第２実施例の燃料電池システム１０は、セル２００の弾性部材としてガスケット２９０に代えてバネ２９２を備える点を除き、第１実施例と同様である。図４には、図３と同様に、締結部２５による締結荷重Ｌｆが解除された複数のセル２００を積層方向Ｄｓに沿って切断した断面を図示した。図３と同様に、図４に図示した複数のセル２００のうちの一つを実線で描画し、その他のセルを一点鎖線で描画した。

セル２００のバネ２９２は、電気絶縁性を有する電気絶縁材料で他のセル２００との間に形成され、締結部２５による締結荷重Ｌｆによって、セル２００同士が通電可能に接触するまで押し潰された形状に弾性変形する弾性部材である。バネ２９２は、締結部２５による締結荷重Ｌｆが解除された場合、セル２００同士を電気的に絶縁させる絶縁距離Ｄｉ２にセル２００同士を離隔する形状に形状復帰する。締結部２５によって締結された状態から締結部２５を分解して締結荷重Ｌｆが解除されると、積層方向Ｄｓに押し潰された形状に弾性変形していたバネ２９２は、図４に示すように、押し潰される前の形状への形状復帰に伴って、他のセル２００を積層方向Ｄｓに押し退け、セル２００同士を絶縁距離Ｄｉ２で離隔する。本実施例では、セル２００単体の起電力は約１ボルトであり、バネ２９２によって形成される絶縁距離Ｄｉ２は、セル２００単体の起電力を十分に絶縁可能な空間距離である。

本実施例では、複数のセル２００の各々は、同一材料および同一形状で形成されたバネ２９２をそれぞれ備え、各セル２００の複数箇所に点在して配置されている。本実施例では、バネ２９２は、積層方向Ｄｓに沿って円柱状の螺旋に巻いたコイルバネであるが、他の実施形態において、板バネであっても良い。本実施例では、バネ２９２は、絶縁性材料で被覆した金属バネであるが、他の実施形態において、絶縁性の樹脂材料で成形されたバネであっても良い。本実施例では、バネ２９２は、カソードセパレータ２７０に接合されているが、他の実施形態において、アノードセパレータ２３０に接合されていても良いし、アノードセパレータ２３０およびカソードセパレータ２７０の双方に接合されることなくセル２００同士の間に挟持されていても良い。本実施例では、バネ２９２は、アノードセパレータ２３０に形成された凹部２３２と、カソードセパレータ２７０に形成された凹部２７２との間に設けられているが、他の実施形態において、アノードセパレータ２３０およびカソードセパレータ２７０の一方に形成された凹部に設けられていても良い。

以上説明した第２実施例の燃料電池２０によれば、第１実施例と同様に、締結荷重Ｌｆの解除に伴って、バネ２９２によって離隔されたセル２００を単位に燃料電池２０の電圧を低下させることができるため、燃料電池２０の分解に先立って燃料電池２０の電圧を低下させるために時間や手間を掛けることなく、燃料電池２０を安全に分解することができる。また、バネ２９２は、隣接するセル２００同士の一方のセル２００に接合されているため、バネ２９２がセル２００から分離する構造よりも、燃料電池２０の組立および分解を容易に実施することができる。また、バネ２９２は、複数のセル２００におけるセル２００同士の間毎に形成されているため、燃料電池２０をセル２００単位に容易に分解することができる。また、複数のセル２００における複数のセル２００同士の間にそれぞれ形成された複数のバネ２９２の各々は、同一材料および同一形状で形成されているため、部品の共通化によって燃料電池２０の構造を簡略化することができる。

Ｃ．第３実施例：
図５は、第３実施例において締結荷重Ｌｆが解除された複数のセル２００を示す説明図である。第３実施例の燃料電池システム１０は、セル２００同士の間毎にガスケット２９０を備えるのではなく、二以上のセル２００を含むモジュール３００同士の間毎にガスケット２９０を備える点を除き、第１実施例と同様である。図５には、図３と同様に、締結部２５による締結荷重Ｌｆが解除された複数のセル２００を積層方向Ｄｓに沿って切断した断面を図示した。図５に図示したモジュール３００のうちの一つを実線で描画し、その他のモジュールを一点鎖線で描画した。

第３実施例のガスケット２９０は、電気絶縁性を有する電気絶縁材料で他のモジュール３００との間に形成され、締結部２５による締結荷重Ｌｆによって、モジュール３００同士が通電可能に接触するまで押し潰された形状に弾性変形する弾性部材である。ガスケット２９０は、締結部２５による締結荷重Ｌｆが解除された場合、モジュール３００同士を電気的に絶縁させる絶縁距離Ｄｉ３にモジュール３００同士を離隔する形状に形状復帰する。締結部２５によって締結された状態から締結部２５を分解して締結荷重Ｌｆが解除されると、積層方向Ｄｓに押し潰された形状に弾性変形していたガスケット２９０は、図５に示すように、押し潰される前の形状への形状復帰に伴って、他のモジュール３００を積層方向Ｄｓに押し退け、モジュール３００同士を絶縁距離Ｄｉ３で離隔する。本実施例では、三つのセル２００で構成されるモジュール３００単体の起電力は約３ボルトであり、ガスケット２９０によって形成される絶縁距離Ｄｉ３は、モジュール３００単体の起電力を十分に絶縁可能な空間距離である。

以上説明した第３実施例の燃料電池２０によれば、第１実施例と同様に、締結荷重Ｌｆの解除に伴って、ガスケット２９０によって離隔されたセル２００を単位に燃料電池２０の電圧を低下させることができるため、燃料電池２０の分解に先立って燃料電池２０の電圧を低下させるために時間や手間を掛けることなく、燃料電池２０を安全に分解することができる。また、ガスケット２９０は、モジュール３００同士の間毎に形成されているため、セル２００同士の間毎にガスケット２９０を形成するよりも、ガスケット２９０の数量を低減することができる。

Ｄ．他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、本実施例では、いわゆる循環方式の燃料電池について説明したが、他の実施形態において、燃料電池に一旦供給された燃料ガスを使い切るいわゆるデッドエンド方式の燃料電池に本発明を適用しても良い。また、第３実施例におけるモジュール３００同士の間に形成される弾性部材として、ガスケット２９０に代えて第２実施例のバネ２９２を適用しても良い。

２０…燃料電池
２１…積層部
２５…締結部
３０…燃料ガス給排部
４０…冷却水給排部
５０…酸化ガス給排部
９０…運転制御部
１１０…第１インシュレータ
１２０…第１ターミナル
２００…セル
２３０…アノードセパレータ
２３２…凹部
２３５…アノード流路
２４０…アノード電極
２５０…電解質膜
２６０…カソード電極
２７０…カソードセパレータ
２７２…凹部
２７５…カソード流路
２９０…ガスケット
２９２…バネ
３００…モジュール
４８０…第２ターミナル
４９０…第２インシュレータ
５１０…第１連結部材
５２０…第１エンドプレート
５６０…サイドメンバ
５８０…第２エンドプレート
５９０…第２連結部材
Ｌｆ…締結荷重
Ｄｓ…積層方向
Ｄｉ１…絶縁距離
Ｄｉ２…絶縁距離
Ｄｉ３…絶縁距離

Claims (5)

1. 反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池であって、
   導電性を有する導電部材の間に前記電気化学反応を行う反応部を挟持した複数のセルと、
   電気的に直列に積層した状態で前記複数のセルを締結する締結部と、
   電気絶縁性を有する電気絶縁材料で前記セル同士の間に形成され、前記締結部による締結荷重によって、前記セル同士が通電可能に接触するまで押し潰された形状に弾性変形する弾性部材と
   を備え、
   前記弾性部材は、前記締結部材による締結荷重が解除された場合、前記セル同士を電気的に絶縁させる絶縁距離に前記セル同士を離隔する形状に形状復帰する、燃料電池。
2. 前記弾性部材は、前記セル同士の一方のセルに接合されている、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記弾性部材は、前記複数のセルにおけるセル同士の間毎に形成されている、請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
4. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記複数のセルは、二以上のセルを含むモジュールを含み、
   前記弾性部材は、前記モジュール同士の間毎に形成されている、燃料電池。
5. 前記複数のセルにおける複数の前記セル同士の間にそれぞれ形成された複数の前記弾性部材の各々は、同一材料および同一形状で形成されている、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。

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