JPH02312162A - 燃料電池のガス漏れ防止装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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輌に設けられ
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ロ７ランジ面との間からの漏洩
は、燃料１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ロ７ランジ面との
間Ｋｍ洩を防止するシール構造が必要であシ、従来この
ためにパツキンを、介装したシール構造がとられて来九
、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図においで、電池積
層体１はリプ付セパレータ方式の単位電池を積層したも
のであシ、単位電池１ａの両側に酸化剤ガスの通路をＡ
Ｂ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６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ガスの入口管２ａ、出口管６ａ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。

ｔｌｌ’ｆｉ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
開ロ７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ツ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′Ｆｔｌｌ
Ｉｌ！１ａに酸化剤ガスを供給し、排気用マニホールド
乙に集められて排気管６ａより排出される。一方燃料ガ
スは入口管４ａより流入μ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
学反応が起こシ、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
ニホールド蓋の開ロ７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リングパツキン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６のマニホールド蓋の
開ロ７ランジ面に溝６Ｃを設け、この溝のなかに０リン
グパツキン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）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リングパツキンの外側部は前
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シ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す／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、また高温のシん酸により著
しく酸化されることにより、ゴム結合体を形成する架橋
の欠陥によす徐々に硬化し、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０リングパツキンの寿命は数千
時間に抑えられる。しかし実用のシん酸形燃料電池の使
用寿命としては４０．０ＯＯＩ間以上が要望されておシ
、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１！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２，６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
剤プロワ１５によって酸化剤ガスとしての空気を入口室
１４Ａｆ！：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Ｋなシ、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シ、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１例えはシん酸ミストが外箱の内壁面に付
着するという問題があ、す、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い圧力の空気をシ
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圧燃焼触媒器を備え
るものとする。

〔作用〕

上記手段において、燃：＃＋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１００
咽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
下に下がシ、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。

〔実施列〕

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５ｔ
−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は絞シ弁２２ｔ−介してブロ
ワ−１５に連通ずるとともに、シール空気２９の供給管
２３ｆ、介して外箱に連通するよう形成され、ブロワ−
１５，弁２２．入ロ管２ａからなる反応空気２９Ａの供
給系と、ブロワ−１５の出口側で分岐したシール空気２
９Ｂの供給管２３とが一体化したシールガス供給部２０
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１
８を介して大気中に開口すもこのように構成された実施
例装置の発電運転代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
−１５から送られる清浄な空気を絞シ弁２２および２６
のＡｌ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１００ｍ５＋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Ｋ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
漏れはほぼ完全に阻止できる。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シうるが。

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６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
あシ、簡素かつ安価なガス漏れ防止装置によ〕、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−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６２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
お勺、排気部２５側の絞シ弁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
あシ、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２９Ｂｔ−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シ、定常運
転時には弁４６ｆ：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２９Ｂｔ−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４６ｔ−開き、外箱
２０内のシール空気を空気貯槽４２から供給される祈念
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に
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、車両の制動や罪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を容易く形成できるので、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１００ｍ以下
の範囲で僅かに高い圧力のシール空気全給排するシール
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
けるよう構成し念。

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待つ僅かに
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りて燃料ガスが漏
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Ｋよ勺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、かつシん酸ミス）Ｋ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Ｋは
補機類も既設のものを利用できる。シ九がって、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Ｋ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ＩＩｓ、ｆ＋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、２ｃａ、４ａ・・・入口管、３ａ、５ａ・・・出
口管、６・・・ガスシール部、９：・・０リング、１０
川圧力容器、１１・・・窒素ボンベ、１４．２０・・・
外箱、１５．３１・・・プロワ、１８・・・触媒燃焼器
、２１，３０．４０・・・シール空気供給部、２５川排
気部、２９Ａ・・・反応空気、２９Ｂ川シール空気、４
１・・・コンプレッサ、４２・・・空気貯槽、４５・・
・圧力スイッチ、２２．２６・・・絞勺弁、４６°・・
制御弁。 −３３３・ ｌイ乙１し人タック 第１図 ３０シール安３Ｌ槽収１１ ｖＪ２固 第３図 第４辺 つ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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い圧力
   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）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。