JP4751056B2 - 固体高分子型燃料電池システムの防爆構造 - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池システム（以下燃料電池システムと記載）に係り、さらに詳しくは、燃料電池セルの防爆構造に関する。

燃料電池システムであって、燃料電池セルのアノード極へ水素リッチガスを導入して膜電極接合体（以下ＭＥＡと記載）で発電する燃料電池システムにおいて、高温下での引火・爆発を防止する構造として、従来は、セルの密閉性を向上して水素ガスと酸素ガスの混入を防止していた（例えば特許文献１参照。）。

また、水素ガス濃度を検出して、予め設定した閾値以上となった場合に水素ガス供給を停止して爆発を防止していた（例えば特許文献２参照。）。
特開２００４−１７８９３４号公報 特開２００４−１９１１６４号公報

ところが従来の技術は、いずれも水素リッチガスの過剰な発生を防止することで燃料電池システムの引火・爆発を防ぐ内容であり、例えば前記燃料電池システムの火中への投入といった急激に環境温度が上昇する事態を想定した安全対策ではない。よって、特に水素発生物質と水素発生促進物質の混合により前記水素リッチガスを発生して発電する燃料電池システムにおいては、システムに対して急激な熱衝撃を加えると、それぞれを格納する容器が破損あるいは溶解することで水素発生物質と水素発生促進物質が無制御状態で混合され、一時に多量の水素が発生して引火・爆発する可能性があった。

そこで本発明は前記課題を鑑みてなされたものであり、
ガス拡散層及び集電体層を有する一対の電極に挟持された膜電極集合体を有する固体高分子型燃料電池発電セルと、水素発生物質を収納し水素を発生させ、一対の電極のうち一方に供給する第１の容器と、水素発生促進物質を収納し、第１の容器と融点が異なる第２の容器と、一端を第１の容器に他端を第２の容器に接続し、一端に第１の容器よりも融点が低いノズルを有し、第２の容器から第１の容器に水素発生促進物質を供給する接続管と、を有する。

また、プロトン導電性を有する樹脂からなる電解質、その電解質の両面に配置される触媒層からなる膜電極接合体と、それぞれガス拡散層、集電体層からなるアノード極及びカソード極とから構成される発電部と、上記発電部と接続され、発電部に導入する水素リッチガスを発生する水素発生部とを備えた固体高分子型燃料電池システムであり、上述した水素発生部が水素発生物質を格納する第１の容器と水素発生促進物質を格納する第２の容器とから構成され、その水素発生物質と水素発生促進物質を混合することで水素リッチガスを発生することを特徴とする固体高分子型燃料電池システムにおいて、第１の容器の融点と第２の容器の融点が異なる材質であることを特徴とする。この場合、上述した第１の容器の融点よりも、第２の容器の融点の方が低い構造としても良い。

また上述した第１の容器と第２の容器が同じ材質で成型され、いずれか一方の容器にその容器の材質よりも低融点材質で成型された栓を備えた構造としても良い。この場合、上述した栓は第２の容器に備えられても良い。ガス拡散層及び集電体層を有する一対の電極に挟持された膜電極集合体を有する固体高分子形燃料電池発電セルと、水素発生物質を収納し水素を発生させ、前記一対の電極のうち一方に供給する第１の容器と、水素発生促進物質を収納する第２の容器と、一端を第１の容器に他端を第２の容器に接続し、第２の容器から第１の容器に水素発生促進物質を供給する接続管と、第１の容器もしくは第２の容器に設けられた第１の容器及び第２の容器よりも融点が低い栓とを有する。

さらに上述した第１の容器と第２の容器は同じ材質で成型され、かついずれか一方の容器の内壁厚が、他方の内壁厚よりも厚くした構造であることを特徴としても良い。ガス拡散層及び集電体層を有する一対の電極に挟持された膜電極集合体を有する固体高分子形燃料電池発電セルと、水素発生物質を収納し水素を発生させ、一対の電極のうち一方に供給する第１の容器と、水素発生促進物質を収納し、容器を形成する壁の厚みが第１の容器を形成する壁の厚みと異なる第２の容器と、一端を第１の容器に他端を第２の容器に接続し、第２の容器から第１の容器に水素発生促進物質を供給する接続管と、を有する。この場合、第１の容器の内壁厚が第２の容器の内壁厚よりも厚い構造であっても良い。

また、上述した第２の容器の内部に、第２の容器よりも低融点の材質で形成され、かつ中和剤が格納された第３の容器を備えた構造としても良い。ガス拡散層及び集電体層を有する一対の電極に挟持された膜電極集合体を有する固体高分子形燃料電池発電セルと、水素発生物質を収納し水素を発生させ、一対の電極のうち一方に供給する第１の容器と、水素発生促進物質を収納する第２の容器と、第２の容器内に設けられ、中和剤を収納した第３の容器と、一端を第１の容器に他端を第２の容器に接続し、第２の容器から第１の容器に水素発生促進物質を供給する接続管と、を有する。さらに上述の第３の容器は、複数の小型カプセル形状であり、上述した第２の容器の内部で水素発生促進物質と混在する形態であっても良い。

さらに第３の容器が第２の容器と同じ材質で形成され、第３の容器にこの容器の材質よりも低融点材料で形成された栓を備える構成であっても良い。

また上記構成において、第１の容器と前記第２の容器を接続する接続管が燃料電池システムに熱衝撃が印加されたときに、閉じられる弁構造を備える。

本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの防爆構造によれば、上記構成とすることで、燃料電池システムを火中に入れるなど、急激な熱衝撃を加えたときに、水素発生物質が格納された第１の容器よりも水素発生促進物質が格納された第２の容器が先に破損あるいは溶解し、水素発生促進物質が蒸発もしくは燃焼することで、上記水素発生物質と無制御で混合されて水素が多量に発生することを防止する。

あるいは、熱衝撃により第２の容器が破損、溶解する前に、第２の容器に内包され、第２の容器よりも低融点の材質である第３の容器が溶解して中和剤が水素発生促進物質と混合されることで水素発生促進物質の触媒作用を減退させ、無制御な水素の多量発生を防止する。

以上の作用から、上述した燃料電池システムに急激な熱衝撃を加えたときに、水素に引火して爆発する危険性を回避することができる。

以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの防爆構造の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図面において同一の引用符号で表した構成要素は、各図面共通で同一の構成要素を示すものとする。

図１は、本発明に係る固体高分子型燃料電池の構成図を示したものであり、本発明の基本形例である。図１において固体高分子型燃料電池システム１０１は、発電部１０２と水素発生部１０３から構成される。

発電部１０２は、カソード極１０４、ＭＥＡ１０５、アノード極１０６から構成され、カソード極１０４はカソードエンドプレート１０７と図示しないガス拡散層、集電体層を備え、ＭＥＡ１０５は図示しない電解質の両面に触媒層がそれぞれ配置される構成である。またアノード極１０６はアノードエンドプレート１０８とアノード室１０９と図示しないガス拡散層から構成される。アノード極１０６には図示しない集電体層が含まれていても良い。アノード極１０６に集電体層を含まない構成とする場合は、アノードエンドプレート１０７に導線を接続して集電する構成としても良い。アノード室１０９には、水素発生部１０３から水素リッチガスを供給する供給口１１１と、発電時にアノード室１０９の内部に滞留する水を外部へ排出する排出口１１０が設けられている。

水素発生部１０３は、水素発生物質１１２が格納される第１の容器１１３と水素発生促進物質１１４が格納される第２の容器１１５と第１の容器１１３と第２の容器１１５を接続する接続管１１７と、接続管１１７の第１の容器側先端に設置されたノズル１１６から構成される。水素発生物質１１２としては、好ましくは水素化ホウ素ナトリウムであり、水素発生促進物質１１４としては、好ましくはリンゴ酸水溶液であり、以下で水素化ホウ素ナトリウムとリンゴ酸水溶液を用いる例を記載するが、水素発生物質は加水分解型の金属水素化物であれば全て適用可能で、水素発生促進物質は有機酸および無機酸など、水素発生触媒であれば全て適用可能である。また、水素発生部に用いられる反応としては、金属と塩基性あるいは酸性水溶液の組み合わせであっても良い。さらに水素発生部においては、アルコール、エーテル、ケトン類を水蒸気改質して水素を得るメタノール改質型や、ガソリン、灯油、天然ガスといった炭化水素を水蒸気改質して水素を得る炭化水素改質型など、加水により水素を発生する構成であれば全て適用可能である。

第１の容器１１３の材質は、チタン、アルミナ、セラミクス、ガラス、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブなど第２の容器１１５の材質よりも高融点であれば全て適用可能であり、また第２の容器１１５の材質は、亜鉛、鉛、錫、ビスマスや、アクリルといった低軟化樹脂など第１の容器１１３の材質よりも低融点であれば全て適用可能である。好ましくは、第１の容器１１３の材質は融点が高く、耐食性に優れるステンレスで構成され、第２の容器１１５の材質は低軟化樹脂であるアクリルで構成される。

さらに接続管１１７は、燃料電池システムを火中に入れるなど、急激な熱衝撃が加えられると、閉じられる弁構造を備えており、熱が加えられたときに、第２の容器１１５に格納されている水素発生促進物質１１４が、第１の容器１１３に格納されている水素発生物質１１２へ送られて水素の爆発的な発生を防止する。上記弁構造としては、接続管１１７が閉じられる構造であれば全て適用可能であるが、例えば接続管１１７の先端に備えられたノズル１１６が低融点材料であり、熱が加わると溶解して接続管１１７を閉塞する構造であってよい。

図２に、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの防爆構造の第１の変形例を示す。図２において、図１に示した構成要素と、構成、機能、動作が同一の構成要素に関しては、同一の引用符号を示し、重複を避けるため詳細な説明は割愛する。

図２において、第２の容器２０２は第１の容器１１３と同様に高融点材料であり、実施の形態１で第１の容器１１３の材質として列挙した材料であれば全て適用可能であるが、好ましくは融点が高く耐食性に優れるステンレスで構成される。第２の容器２０２は、第１の容器１１３、第２の容器２０２よりも低融点である栓２０１を備える。栓２０１の材質は、実施の形態１に示した第２の容器１１５の材質として列挙した低融点材料であれば全て適用可能であるが、好ましくは錫亜鉛で構成される。栓２０１の形状は、図７の栓７０１に示すようにくさび形状であってもよいし、図８の栓８０１に示すようにネジ形状であっても良い。

図３に、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの防爆構造の第２の変形例を示す。図３において、図１、図２に示した構成要素と、構成、機能、動作が同一の構成要素に関しては、同一の引用符号を示し、重複を避けるため詳細な説明は割愛する。

図３において第１の容器３０１は、実施の形態１において第２の容器１１５の材質として示した低融点材料であり、第２の容器１１５よりも内壁厚が厚いことを特徴とする。第１の容器３０１の内壁厚は、熱衝撃を加えたときに第２の容器１１５が溶解し、その内部に格納される水素発生促進物質１１４が燃焼あるいは蒸発するまでの時間、水素発生物質１１２に熱が伝わらない厚さであれば良いが、好ましくは第２の容器１１５の内壁厚に対して、２倍以上の厚さであれば良い。

図４に、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの防爆構造の第３の変形例を示す。図４において、図１乃至３に示した構成要素と、構成、機能、動作が同一の構成要素に関しては、同一の引用符号を示し、重複を避けるため詳細な説明は割愛する。

図４において、第２の容器２０２は中和剤４０２を格納した第３の容器４０１を内包した構成である。第３の容器４０１は、第１の容器１１３、第２の容器２０２よりも低融点の材質であり、実施の形態１に示した第２の容器１１５の材質として列挙した材料であれば全て適用可能であるが、好ましくは低軟化樹脂であるアクリルで構成され、熱衝撃が加えられたとき、中和剤４０２が水素発生促進物質１１４と混合され、酸化能を減退させる。

図５に、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの防爆構造の第４の変形例を示す。図５において、図１乃至４に示した構成要素と、構成、機能、動作が同一の構成要素に関しては、同一の引用符号を示し、重複を避けるため詳細な説明は割愛する。

図５において、第３の容器５０１ａ、５０２ａ、５０３ａはカプセル形状で、内部にそれぞれ中和剤５０１ｂ、５０２ｂ、５０３ｂを内包した構成である。第３の容器５０１ａ、５０２ａ、５０３ａの材質は、低融点の材質であり、実施の形態１に示した第２の容器１１５の材質として列挙した材料であれば全て適用可能であるが、好ましくは低軟化樹脂であるアクリルで構成され、熱衝撃が加えられたとき、中和剤５０１ｂ、５０２ｂ、５０３ｂが水素発生促進物質１１４と混合され、酸化能を減退させる。

図６に、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの防爆構造の第５の変形例を示す。図６において、図１乃至５に示した構成要素と、構成、機能、動作が同一の構成要素に関しては、同一の引用符号を示し、重複を避けるため詳細な説明は割愛する。

図６において、第３の容器６０１は、第１の容器１１３、第２の容器２０２と同様に高融点材料であり、実施の形態１で第１の容器１１３の材質として列挙した材料であれば全て適用可能であるが、好ましくは融点が高く耐食性に優れるステンレスで構成される。第３の容器６０１は、第１の容器１１３、第２の容器２０２、第３の容器６０１よりも低融点である栓６０２を備える。栓６０２の材質は、実施の形態１に示した第２の容器１１５の材質として列挙した低融点材料であれば全て適用可能であるが、好ましくは錫亜鉛で構成される。栓６０２の形状は、図７の栓７０１に示すようにくさび形状であってもよいし、図８の栓８０１に示すようにネジ形状であっても良い。

本発明の固体高分子型燃料電池システムの防爆構造の構成を示す基本形例である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの防爆構造の第１の変形例である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの防爆構造の第２の変形例である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの防爆構造の第３の変形例である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの防爆構造の第４の変形例である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの防爆構造の第５の変形例である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの防爆構造の構成部材である栓２０１、６０１の形状を示す図である。 本発明の固体高分子型燃料電池システムの防爆構造の構成部材である栓２０１、６０１の形状の変形例を示す図である。

符号の説明

１０１ 固体高分子型燃料電池システム
１０２ 発電部
１０３ 水素発生部
１０４ カソード極
１０５ ＭＥＡ
１０６ アノード極
１０７ カソードエンドプレート
１０８ アノードエンドプレート
１０９ アノード室
１１１ 供給口
１１２ 水素発生物質
１１３ 第１の容器
１１４ 水素発生促進物質
１１５ 第２の容器
１１６ ノズル
１１７ 接続管

Claims (10)

1. ガス拡散層及び集電体層を有する一対の電極に挟持された膜電極集合体を有する固体高分子型燃料電池発電セルと、
   水素発生物質を収納し水素を発生させ、前記一対の電極のうち一方に供給する第１の容器と、
   水素発生促進物質を収納し、前記第１の容器と融点が異なる第２の容器と、
   一端を前記第１の容器に他端を前記第２の容器に接続し、前記一端に前記第１の容器よりも融点が低いノズルを有し、前記第２の容器から前記第１の容器に前記水素発生促進物質を供給する接続管と、
   を有する燃料電池システム。
2. 前記第２の容器の融点が前記第１の容器の融点よりも低い請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
3. ガス拡散層及び集電体層を有する一対の電極に挟持された膜電極集合体を有する固体高分子形燃料電池発電セルと、
   水素発生物質を収納し水素を発生させ、前記一対の電極のうち一方に供給する第１の容器と、
   水素発生促進物質を収納する第２の容器と、
   一端を前記第１の容器に他端を前記第２の容器に接続し、前記第２の容器から前記第１の容器に前記水素発生促進物質を供給する接続管と、
   前記第１の容器もしくは前記第２の容器に設けられた前記第１の容器及び前記第２の容器よりも融点が低い栓と、
   を有する燃料電池システム。
4. 前記栓が前記第２の容器に備えられている請求項３に記載の固体高分子型燃料電池システム。
5. ガス拡散層及び集電体層を有する一対の電極に挟持された膜電極集合体を有する固体高分子形燃料電池発電セルと、
   水素発生物質を収納し水素を発生させ、前記一対の電極のうち一方に供給する第１の容器と、
   水素発生促進物質を収納し、容器を形成する壁の厚みが前記第１の容器を形成する壁の厚みと異なる第２の容器と、
   一端を前記第１の容器に他端を前記第２の容器に接続し、前記第２の容器から前記第１の容器に前記水素発生促進物質を供給する接続管と、
   を有する燃料電池システム。
6. 前記第１の容器の壁の厚みが前記第２の容器の壁の厚みより厚い請求項５に記載の固体高分子型燃料電池システム。
7. ガス拡散層及び集電体層を有する一対の電極に挟持された膜電極集合体を有する固体高分子形燃料電池発電セルと、
   水素発生物質を収納し水素を発生させ、前記一対の電極のうち一方に供給する第１の容器と、
   水素発生促進物質を収納する第２の容器と、
   前記第２の容器内に設けられ、前記第２の容器よりも低融点の材質で形成され、中和剤を収納した第３の容器と、
   一端を前記第１の容器に他端を前記第２の容器に接続し、前記第２の容器から前記第１の容器に前記水素発生促進物質を供給する接続管と、
   を有する燃料電池システム。
8. 前記第３の容器が複数の小型カプセル形状であり、前記第２の容器の内部で前記水素発生促進物質と混在する請求項７に記載の固体高分子型燃料電池システム。
9. 前記第３の容器は前記第２の容器と同じ材質で形成され、前記第３の容器に該容器よりも低融点の材質で形成された栓を備えた請求項７に記載の固体高分子型燃料電池システムの防爆構造。
10. 前記第１の容器と前記第２の容器を接続する接続管が前記固体高分子型燃料電池システムに熱衝撃が印加されたときに、閉じられる弁構造を備えた請求項１乃至９のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池システム。

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