JP2611428B2 - 燃料電池のガス漏れ防止装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、屋内または屋内を走行する車輛に設けら
れる燃料電池発電装置、ことに燃料ガス，酸化剤ガスの
圧力をほぼ大気圧（常圧）に保ってガス漏れを低減した
燃料電池のガス漏れ防止装置に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池においては電池積層体の側面に燃料ガスおよ
び酸化剤ガスを互いに直交する方向に給気，排気するた
めのマニホールドが前記側面の四方に取付けられてい
る。この場合電池積層体の側面に施されたシール層とマ
ニホールドの開口フランジ面との間からの漏洩は、燃料
電池の効率低下および燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中
の酸素との爆発的反応を誘起するので、電池積層体のシ
ール層とマニホールド蓋の開口フランジ面との間に漏洩
を防止するシール構造が必要であり、従来このためにパ
ッキンを介装したシール構造がとられて来た。以下従来
技術について図面を用いて説明する。

第４図は一般的な燃料電池の分解斜視図、第５図は第
４図の燃料電池の平面図、第６図は従来技術によるガス
シール構造の部分拡大図である。第４図において、電池
積層体１はリブ付セパレータ方式の単位電池を積層した
ものであり、単位電池1aの両側に酸化剤ガスの通路をAB
方向に形成する溝1bと、この溝に直交する方向に燃料ガ
スの通路をCD方向に形成する溝1cとが設けられている。

電池積層体１の側面には前記溝1bに通流して酸化剤ガ
スを給排する給気用マニホールド２と排気用マニホール
ド３とが電池積層体１の対向する側面に、またこれと直
交する側面には前記溝1cに通流して燃料ガスを給排する
給気用マニホールド４と排気用マニホールド５とが配設
されている。そしてマニホールド2,3,4,5には、第５図
に示すようにそれぞれ酸化剤ガスの入口管2a,出口管3a
および燃料ガスの入口管4a,出口管5aが取付けられてい
る。そして酸化剤ガスの給気，排気用マニホールド2,3
および酸化剤ガスの給気，排気用マニホールド4,5のマ
ニホールド蓋の開口フランジ面と、電池積層体１の側面
の周縁部に施されたシール層との間にはパッキンを介装
してマニホールド蓋と電池積層体とを図示しない締付部
材で締付けている。

第４図，第５図において、燃料電池の運転時には酸化
剤ガスは入口管2aより流入し、給気用マニホールド２を
介して電池積層体１の溝1bを通流して単位電池1aに酸化
剤ガスを供給し、排気用マニホールド３に集められて排
気管3aより排出される。一方燃料ガスは入口管4aより流
入し、給気用マニホールド４を介して電池積層体１の溝
1cを通流して単位電池1aに燃料ガスを供給し、排気用マ
ニホールド５に集められて排気管5aより排出される。こ
の結果単位電池1aにて電気化学反応が起こり、電気を発
生する。この場合反応ガスはマニホールドを介して電池
積層体内を通流するので、マニホールド蓋の開口フラン
ジ面と電池積層体の側面の周縁部に施されたシール層６
との当接面から反応ガスが漏洩するのを防止する必要が
ある。

従来よく用いられるガスシール構造７として第６図に
示すゴム弾性を有するＯリングパッキン９を使用するこ
とが知られている。第６図においてマニホールド，例え
ば酸化剤ガスの給気用マニホールド３のマニホールド蓋
の開口フランジ面に溝3cを設け、この溝のなかにＯリン
グパッキン９を挿入して電池積層体１の側面の周縁部の
シール層６に当接させたアンバーのようなシール座８に
当接させ、図示しない締付部材により締付けてガスシー
ル部７を形成する。

しかしながら燃料電池の運転は一般に室温より高く、
例えばりん酸形燃料電池では約200℃の温度で運転され
る。したがって一般にはＯリングパッキンの外側部は前
記運転温度による高温の空気に曝され、一方反応ガス側
の内側部は酸化剤ガスを給排するマニホールドにおい
て、酸化剤ガスによる酸化性雰囲気に曝される。さらに
マトリックスに含有されたりん酸がミスト状になって反
応ガス中に飛散し、りん酸による酸化性，腐食性の雰囲
気にも曝される。このため従来耐高温，耐食性のあるゴ
ム弾性を有するふっ素樹脂からなるＯリングパッキンの
ようなシール材が使用されて来た。

しかしながら、ふっ素樹脂は180℃以上の高温では酸
素による酸化が徐々に進み、また高温のりん酸により著
しく酸化されることにより、ゴム結合体を形成する架橋
の欠陥により徐々に硬化し、その結果弾性体としての性
質を喪失して弾性力が低下し、シールが不可能となる。
このため反応ガスがマニホールド蓋と電池積層体側面の
シール層との間から漏洩する。したがってゴム弾性を有
するふっ素樹脂からなるＯリングパッキンの寿命は数千
時間に抑えられる。しかし実用のりん酸形燃料電池の使
用寿命としては40.000時間以上が要望されており、また
ガスシール構造に対してこの期間のメンテナンスフリー
も要望されている。

一方、このガスシール性の低下を補完するために第７
図に示す様に、圧力容器10内に燃料電池スタック１を収
納し、ボンベ11から配管12,弁13を介して不活性ガス例
えば窒素10aを供給し、運転圧力より微小圧力を高めた
雰囲気中に燃料電池を封じ込め、酸化剤ガスの給気，排
気用マニホールド2,3および燃料ガスの給気，排気用マ
ニホールド4,5からのガス漏れを防止するガス漏れ防止
装置を備えた燃料電池が知られている。

第８図は異なる従来装置を示す概略断面図であり、燃
料ガス給排マニホールド４および５のみを有するセルス
タック１を気密な外箱14に収納し、シール材16によって
外箱内を入口室14Aと出口室14Bに画成し、酸化材プロワ
15によって酸化剤ガスとしての空気を入口室14Aを介し
てセルスタック１の酸化剤通路に供給し、出口室14Bの
排気管17を介して排出するとともに、燃料ガスを一対の
燃料ガスマニホールド４および５を介して給排して発電
運転を行う。また、排気管17には触媒燃焼器18が設けら
れ、燃料ガスマニホールド4,5とセルスタック１との間
のシール部７から漏れた燃料ガスを燃焼させることによ
り、可燃性ガスを含まない排ガス19のみが外部に排出さ
れることになり、室内への爆鳴気の漏れが阻止される。

〔発明が解決しようとする課題〕

第７図に示す従来装置では、漏れ出た燃料ガスと空気
との混合ガスを圧力容器内に閉じ込めてしまうために、
万一の場合に備えて高い圧力に耐える圧力容器を必要と
し、かつ窒素ボンベを備えるために、装置の大型化や重
量増を招くという問題があり、ことに車載用の燃料電池
への適用が阻害されるという欠点がある。また、第８図
に示す従来装置においては、燃料ガスおよび酸化剤とし
ての反応空気の圧力を大気圧近くに保つことによって外
箱を簡素化できる利点を有するものの、外箱が酸化剤給
排用のマニホールドを兼ねているために、単位電池から
飛散した電解質，例えばりん酸ミストが外箱の内壁面に
付着するという問題があり、外箱を耐食性材料で作る必
要が生ずるとともに、外箱を２室に画成するためのシー
ル構造が複雑化するという問題がある。

この発明の目的は、燃料ガスのシール構造を強化する
ことなく燃料ガスの漏れを抑制でき、かつ万一燃料ガス
が漏れた場合にも爆鳴気の生成を阻止できる簡素な構成
のガス漏れ防止装置を備えた燃料電池を得ることにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明によれば、単位
電池の積層体からなるセルスタックと、その側壁面に気
密に取付けられた一対の燃料給排マニホールドおよび一
対の酸化剤給排マニホールドとを備え、各対のマニホー
ルドを介して前記セルスタックに燃料ガスおよび酸化剤
ガスを給排して発電運転される常圧形の燃料電池におい
て、この燃料電池を収納する気密な外箱と、前記燃料ガ
スおよび酸化剤ガスの圧力より僅かに高ち圧力の空気を
シールガスとして前記外箱に供給するシールガス供給部
と、前記燃料ガスが外箱内に漏れたときこれをシールガ
スとともに排出する排気部とを備えてなるものとし、か
つ必要に応じて排気部がその出口側に燃焼触媒器を備え
るものとする。

〔作用〕

上記手段において、燃料電池を気密な外箱に収納し、
燃料ガスおよび反応空気等反応ガスをそれぞれ一対のマ
ニホールドを介して給排し発電運転を行うとともに、外
箱内に燃料ガスおよび反応空気の圧力より水柱100mm以
下程度の範囲で僅かに高い圧力の空気をシールガスとし
て供給し、外箱内に充填またはこの圧力を保持して放流
するよう構成したことにより、燃料電池のガスシール部
に内圧より僅かに高い外圧が加わることによって反応ガ
スことに燃料ガスのガス漏れが阻止され、爆鳴気生成の
危険性が排除される。また、負荷の大幅な変動によって
燃料ガス圧力が過渡的に上昇した場合には、外箱内に漏
れた燃料ガスを多量のシールガスとともに箱外に排出す
ることにより、排気中の水素濃度が燃焼下限濃度以下に
下がり、爆鳴気生成の危険性が排除される。さらに放出
口近くに触媒燃焼器を設ければ、排気中の水素を燃焼さ
せた後排気できるので、一層高い安全性を確保すること
ができる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例装置を示す概略断面図であ
る。図において、セルスタック１はその側壁面に酸化剤
マニホールド２および3,燃料マニホールド４および５を
備え、気密な外箱20に収納されるとともに、酸化剤とし
ての空気の入口，出口管2aおよび3aと燃料ガスの入口，
出口管4aおよび5aが外箱20を気密に貫通して外部に引き
出され、一対の出入口管4aおよび5aは図示しない燃料ガ
スの給排系に連結される。

一方反応空気の入口管2aは絞り弁22を介してブロワー
15に連通するとともに、シール空気29の供給管23を介し
て外箱に連通するよう形成され、ブロワー15,弁22,入口
管2aからなる反応空気29Aの供給系と、ブロワー15の出
口側で分岐したシール空気29Bの供給管23とが一体化し
たシール空気供給部21を形成する。また、反応空気の出
口管3aは絞り弁26を有する排気管27を介して外箱20に連
通して排気部25を形成するとともに、排気部25の出口側
は例えば触媒燃焼器18を介して大気中に開口する。

このように構成された実施例装置の発電運転は、大気
圧に近い一定の圧力に制御された燃料ガスをセルスタッ
クに供給すると同時に、ブロワー15から送られる清浄な
空気を絞り弁22および26の調整によって反応空気29Aと
シール空気29Bとに分岐させて行われる。このとき、反
応空気29Aの圧力は燃料ガスの圧力とほぼ等しくなるよ
う制御し、またシール空気29Bの圧力は燃料ガス，反応
空気の圧力より水柱100mm以下の範囲で僅かに高い圧力
に制御する。

上述のように、シールガス圧を反応ガス圧より幾分高
めに制御してシール部７に外圧を加えることにより、反
応ガス圧が安定している定常運転状態では燃料ガスのガ
ス漏れはほぼ安全に阻止できる。一方、負荷の大幅な変
動や緊急停止時などに燃料ガスがシール空気の圧力を越
えて圧力上昇するので、特別に強化していない燃料電池
のガスシール部から燃料ガスが漏れることが有りうる
が、この場合、漏れた燃料ガスはシール空気と混合して
その濃度が爆鳴気の形成濃度より下がるので、排気部25
を介して大気中に放出しても危険な状態となることを回
避できる。また、排気部25の出口側に触媒燃焼器18を設
けて水素を触媒燃焼させることにより、燃料ガスの漏れ
量が多い場合にも可燃性ガスの放出を完全に防ぐことが
でき、したがって燃料電池を密閉度の高い室内で使用し
ても高い安全性を保持することができる。

また、実施例装置はシール空気と反応空気がマニホー
ルド２および３によって画成されているので、りん酸ミ
ストを含んだ反応空気によって外箱が腐食することがな
く、かつ外箱の内圧も大気圧に近いので、外箱20をアル
ミニウムや樹脂などの軽量材で形成することが可能であ
り、簡素かつ安価なガス漏れ防止装置により、燃料電池
のガスシール構造を特別に強化することなくガス漏れを
防止できるとともに、燃料ガスが万一漏れた場合にも爆
鳴気の生成を阻止して安全性を確保することができる。

第２図はこの発明の異なる実施例を示す概略断面図で
あり、ブロワ15および入口管2aからなる反応ガスの供給
部と、ブロワ31および供給管32からなるシール空気供給
部30とを分離した点が前述の実施例と異なっており、排
気部25側の絞り弁26を燃料電池の負荷状態に対応して制
御することによってシール空気29Bの圧力をより木目細
かく制御できるので、燃料ガスのガス漏れをより高度に
阻止できる利点が得られる。

第３図はこの発明の他の実施例装置を示す概略断面図
であり、シール空気供給部40をコンプレッサ41で空気を
圧縮して圧縮空気貯槽42に貯留し、減圧弁43によって減
圧されたシール空気29Bを外箱20に封入するよう構成す
るとともに、圧力スイッチ45で燃料ガスマニホールド４
中の燃料ガスの圧力変化を検出し、過度の圧力上昇を検
知したとき排気部25の弁46を開くよう構成した点が前述
の各実施例と異なっており、定常運転時には弁46を閉じ
て反応ガスの圧力より僅かに高い圧力のシール空気29B
を外箱内に封入して燃料ガスのガス漏れを防ぎ、燃料ガ
ス圧の上昇時には、圧力上昇を圧力スイッチ45で検出し
て弁46を開き、外箱20内のシール空気を空気貯槽42から
供給される新たな空気に置換するとともに、漏れた燃料
ガスを触媒燃焼器18で燃焼させて可燃性ガスを含まない
排気を外部い放出する。この実施例装置によれば、車載
用の燃料電池などの場合、車両の制動や扉の開閉のため
に設けたコンプレッサ41や空気貯槽42を利用してシール
空気供給部40を容易に形成できるので、特別の補機を必
要とせずにガス漏れ防止装置を形成できる利点が得られ
る。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、燃料電池本体を収納する気
密な外箱と、この外箱内に反応ガスより水柱100mm以下
の範囲で僅かに高い圧力のシール空気を給排するシール
空気の供給部および排気部とからガス漏れ防止装置を設
けるよう構成した。その結果、セルスタックとマニホー
ルドとの間のシール部に内圧が加わることによって生じ
た燃料ガスの漏れを、シール部を強化することなくシー
ル空気の持つ僅かに高い圧力を加えることによって阻止
できるとともに、燃料電池の緊急停止に伴う圧力上昇に
よって燃料ガスが漏れた場合にもこれをシール空気と混
合して濃度を下げて放出することにより爆鳴気の生成を
阻止でき、かつ触媒燃焼器を介して放出することにより
高度の安全性が得られる。また、燃料電池が常圧形であ
る場合、外箱の内圧も低く，かつりん酸ミストによる外
箱の腐食も問題にならないので、外箱を軽量かつ安価に
形成でき、さらには補機類も既設のものを利用できる。
したがって、燃料電池を換気の少い屋内または屋内を走
行する車両などに適用した場合の安全性を確保でき、長
時間運転が可能になるとともに、ガス漏れ防止装置を追
加したことによる装置の大型化や重量増加を軽減できる
利点も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例装置を示す概略断面図、第２
図は異なる実施例装置を示す概略断面図、第３図は他の
実施例を示す概略断面図、第４図および第５図は燃料電
池本体の一般的構成を示す分解斜視図および平面図、第
６図は従来のガスシール構造を示す要部拡大断面斜視
図、第７図は従来装置を示す概略断面図、第８図は異な
る従来装置を示す概略断面図である。 １……セルスタック、2,3,4,5……マニホールド、2a,4a
……入口管、3a,5a……出口管、６……ガスシール部、
９……Ｏリング、10……圧力容器、11……窒素ボンベ、
14,20……外箱、15,31……ブロワ、18……触媒燃焼器、
21,30,40……シール空気供給部、25……排気部、29A…
…反応空気、29B……シール空気、41……コンプレッ
サ、42……空気貯槽、45……圧力スイッチ、22,26……
絞り弁、46……制御弁。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単位電池の積層体からなるセルスタック
   と、その側壁面に気密に取付けられた一対の燃料給排マ
   ニホールドおよび一対の酸化剤給排マニホールドとを備
   え、各対のマニホールドを介して前記セルスタックに燃
   料ガスおよび酸化剤ガスを給排して発電運転される常圧
   形の燃料電池において、この燃料電池を収納する気密な
   外箱と、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力より僅か
   に高ち圧力の空気をシールガスとして前記外箱に供給す
   るシールガス供給部と、前記燃料ガスが外箱内に漏れた
   ときこれをシールガスとともに排出する排気部とを備え
   てなることを特徴とする燃料電池のガス漏れ防止装置。
2. 【請求項２】排気部がその出口側に燃焼触媒器を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池のガス漏れ防
   止装置。