JP4304458B2 - 固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子膜を電解質として用いて電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子形燃料電池に係り、特にそのスタックの電気絶縁構造に関する。

燃料電池においては、基本単位の単位セルの発電電圧が１Ｖ未満の低い電圧に制限されるので、所望の発電電圧に対応して複数の単位セルを積層し、電気的に直列に接続して構成されたスタックが用いられる。図３は、従来のこの種の燃料電池のスタックの構成を示す要部の断面図である。図において、符号１は単位セル、２は集電板、３は絶縁板、５および６は締付け板であり、７は冷却水あるいは燃料ガス等の反応ガスの流路である。単位セル１は、固体高分子膜の両面に触媒層および拡散層を配して燃料極と空気極を形成し、さらにその外側に反応ガス供給路を備えたガス気密性の導電性材料よりなるセパレータを配して構成されている。このセパレータには必要に応じて冷却水用の流路が備えられており、この流路に冷却水を流すことによって、電気化学反応に伴って生じる発熱を除去し単位セルの温度を所定の運転温度に保持している。このような構成の単位セル１を積層してスタックを構成することによりこれらの単位セル１は電気的に直列に接続され、その両端に組込まれた一対の集電板２の間に所定の発電電圧が得られることとなる。集電板２の外側には、スタックと例えば図示した締付け板６のごとき外部の導電性部材との間を電気的に絶縁するための絶縁板３が組込まれる。

本構成において、反応ガスとして用いる燃料ガスおよび酸化剤ガスは、スタックに形成された積層方向に貫通する供給用の流路７に供給され、各単位セルのセパレータに備えられたガス供給路を並列に通流したのち、積層方向に貫通する図示しない排出用の流路を経て外部へと取出される。同様に、冷却水も積層方向に貫通する冷却水供給用の流路に供給され、セパレータに備えられた冷却水流路を並列に通流したのち、積層方向に貫通する図示しない排出用の流路を経て外部へと取出される。また、上記の冷却水は導電性を有する流体であり、また固体高分子形燃料電池では高分子膜を湿潤に保持するために水分を含んだ反応ガスが供給されるので、上記の流路７には導電性を有する冷却水と水分を含んだ反応ガスが通流することとなる。したがって、スタックと締付け板６のごとき外部の導電性部材との間にはそれ相応の絶縁距離をとって電気的に絶縁する必要があるので、図示した従来の構成例では厚さＬの厚肉の絶縁板３が挿入されている。

しかしながらこのように厚さの厚い絶縁板を挿入して構成すると、スタックが大型となり、所要スペースが広くなってしまうという難点がある。図４は、この難点の解消を目的として開発された従来のこの種の燃料電池のスタックの流体の供給部の構成例を示す要部の断面図である（例えば、特許文献１を参照）。図に見られるように、本構成では薄肉の絶縁板３Ｃの外面に長さＬ₁の絶縁管８を連結して絶縁距離が長く採れるよう構成されており、相対的に薄肉の絶縁板３Ｃでも所要の電気絶縁性が確保されている。なお、図４はスタックの流体の供給部の構成を示したものであるが、流体の排出部も同一の構成により電気絶縁性が確保されている。
特開2002―164075号公報

上記のように、従来のこの種の燃料電池ではスタックと外部の導電性部材との間の電気絶縁性を確保するために、図３のごとく厚肉の絶縁板を挿入する構成としたり、あるいは図４のごとく薄肉の絶縁板の外側に絶縁管を連結して相応の絶縁距離を確保する構成が採られている。しかしながら、前者の構成では、既に述べたように厚肉の絶縁板の組込みによりスタックが大型になって所要スペースが大きくなるという難点がある。これに対して後者の構成では、絶縁板が薄肉でよいのでスタックの大きさは前者の構成に比べて見かけ上小型となるが、前記の絶縁管がスタックの外側に突出して取付けられた構成であるがゆえに、組込み時のスペースを確保する必要があり、実質的にはスタックの所要スペースが大きくなってしまうという難点がある。
本発明はこのような従来技術の現状を顧慮してなされたもので、本発明の目的は、スタックの流体の供給、排出部におけるスタックと外部の導電性部材との間の電気絶縁性がコンパクトな構成で確保され、小さなスペースに設置可能な固体高分子形燃料電池を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明においては、
複数の単位セルを積層し、その積層方向の端面に集電板と絶縁板を配して構成されたスタックよりなる固体高分子形燃料電池で、スタックが、単位セルの積層方向に貫通する流体用の流路、例えば冷却水用の流路、燃料ガス用の流路、酸化剤ガス用の流路を有し、絶縁板を介して導電性部材よりなる外部構成要素に連結されるものにおいて、スタックを貫通する流体用の流路の両端部に、上記の絶縁板からスタックの内部へと延伸する電気絶縁性部材からなる絶縁管を備えることとし、
前記絶縁管の外面と前記流路の内面との間に、前記流体の流路となる間隙を有し、前記絶縁管のスタック内部側端が少なくとも集電板に隣接する単位セルよりも内部に延伸し、例えば、この絶縁管を、直管から構成し、直管の一端を絶縁板に接着、あるいはねじ込んで固定することとする。あるいは、この絶縁管を、直管と、直管に設けられたフランジ部とから構成し、このフランジ部を集電板と絶縁板との間に挟み込んで固定することとする。

上記のごとくスタックを貫通する流体用の流路の両端部に絶縁板からスタックの内部へと延伸する絶縁管を備えれば、スタックと導電性部材よりなる外部構成要素との間の絶縁距離は少なくとも絶縁管の長さ以上となるので、当該燃料電池の特性に対応した長さの絶縁管を組込むことにより所定の電気絶縁性能が得られる。一方、この構成では絶縁管が端部よりスタック内部へと延伸しており、外部へは突出していない。したがって、スタックはコンパクトに構成されることとなり、小さなスペースに設置可能な固体高分子形燃料電池が得られることとなる。

本発明の固体高分子形燃料電池においては、複数の単位セルを積層し、端面に外部構成要素との間を電気的に絶縁する絶縁板を配して構成されたスタックよりなる固体高分子形燃料電池で、このスタックが単位セルの積層方向に貫通する流体用の流路を備えるものにおいて、スタックを貫通する流体用の流路の両端部に、上記の絶縁板からスタックの内部へと延伸する電気絶縁性部材からなる絶縁管を備えた形態を最良とする。

図１は、本発明の第１の実施例における燃料電池スタックの流体の供給部の構成を示す要部の断面図である。本実施例の構成の特徴は、複数の単位セル１を積層し、その積層方向の端面に集電板２と絶縁板３Ａを配して構成したスタックにおいて、スタック内に導入される冷却水、燃料ガス、酸化剤ガス等の流体の流路の入口部分に、スタックの内部へと延伸する電気絶縁性部材からなる絶縁管４Ａが配され、そのフランジ部分を集電板２と絶縁板３Ａとの間に挟んで固定されていることにある。なお、本図には示されていないが、本実施例では、流体の流路の出口部分にも、スタックの内部へと延伸する同一形状の電気絶縁性部材からなる絶縁管４Ａが配されている。
本構成では、絶縁板３Ａの外側に配される外部構成要素とスタックとの間が、絶縁板３Ａと絶縁管４Ａよりなる絶縁距離Ｌ_Aによって電気絶縁される。したがって、厚さの薄い絶縁板３Ａを用いても、絶縁管４Ａの長さを適切に選定することによって所要の絶縁距離を確保することができるので、絶縁不良等を引起すことなく安定した発電運転を行うことができる。また、絶縁板３Ａの厚さが薄く、かつ絶縁板３Ａから外側に突出する構成要素がないため、スタックがコンパクトに構成され、小さなスペースに設置可能となる。

図２は、本発明の第２の実施例における燃料電池スタックの流体の供給部の構成を示す要部の断面図である。本実施例も、第１の実施例と同様に、スタック内に導入される流体の流路の入口部分に、スタックの内部へと延伸する絶縁管を配して構成したもので、第１の実施例との相違点は、上記のフランジ付の絶縁管４Ａに替わって、直管からなる絶縁管４Ｂが用いられ、絶縁板３Ｂに設けられた開口部に挿入、接着して固定されている点にある。なお、図示されていないが、流体の流路の出口部分にも同様に直管からなる絶縁管４Ｂが組込まれている。本構成においても、絶縁板３Ｂの外側に配される外部構成要素とスタックとの間は図示した絶縁距離Ｌ_Bによって電気絶縁されるので、厚さの薄い絶縁板３Ｂを使用することができる。したがって、第１の実施例と同様に、絶縁不良等を引起すことなく安定した発電運転を行うことができ、かつ、スタックがコンパクトに構成され、小さなスペースに設置可能となる。

固体高分子形燃料電池を本発明のごとく構成すれば小さなスペースに設置可能となる。したがって、本発明による固体高分子形燃料電池は、例えば家庭用電源や車載用電源等として用いられる燃料電池発電装置に用いることができる。

本発明の第１の実施例における燃料電池スタックの流体の供給部の構成を示す要部の断面図 本発明の第２の実施例における燃料電池スタックの流体の供給部の構成を示す要部の断面図 従来のこの種の燃料電池のスタックの構成を示す要部の断面図 従来のこの種の燃料電池のスタックの流体の供給部の構成例を示す要部の断面図

符号の説明

１ 単位セル
２ 集電板
３Ａ 絶縁板
３Ｂ 絶縁板
４Ａ 絶縁管
４Ｂ 絶縁管

Claims (5)

1. 複数の単位セルを積層し、その積層方向の端面に集電板と絶縁板を配して構成されたスタックよりなる固体高分子形燃料電池で、スタックが、単位セルの積層方向に貫通する流体用の流路を有し、絶縁板を介して導電性部材よりなる外部構成要素に連結されるものにおいて、
   スタックを貫通する流体用の流路の両端部に、前記絶縁板からスタックの内部へと延伸する電気絶縁性部材からなる絶縁管が備えられ、
   前記絶縁管の外面と前記流路の内面との間に、前記流体の流路となる間隙を有していることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
2. 請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、前記絶縁管のスタック内部側端が少なくとも集電板に隣接する単位セルよりも内部に延伸していることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
3. 請求項２に記載の固体高分子形燃料電池において、前記絶縁管が、直管からなり、直管の一端を絶縁板に接着、あるいはねじ込むことにより固定されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
4. 請求項２に記載の固体高分子形燃料電池において、前記絶縁管が、直管と直管の一端に設けられたフランジ部とからなり、該フランジ部を集電板と絶縁板との間に挟み込むことにより固定されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の固体高分子形燃料電池において、スタックを貫通する前記の流体用の流路が、冷却水用の流路、燃料ガス用の流路、酸化剤ガス用の流路のうちの少なくともいずれか一つであることを特徴とする固体高分子形燃料電池。

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