JPH0421250Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔考案の属する技術分野〕 本考案はマトリツクス形燃料電池、ことに単電
池を所定の出力電圧を得るに必要な数だけ直列に
積層し、これに周側面取付形のマニホールドを通
じて反応ガスを供給するようにしたセルスタツク
の構造に関する。

〔従来技術とその問題点〕

マトリツクス形燃料電池の基本をなす単電池
は、たとえば電解質としてのりん酸を含浸させた
マトリツクスと、このマトリツクスを両側から挟
持する一対の多孔質電極とからなり、これらの電
極を通じて一方側からは燃料ガス（一般には水素
ガス）を、他方側からは酸化ガス（一般には空
気）を供給し、電気化学的反応に基づく電気エネ
ルギーを両電極より取出すよう構成されており、
反応ガスの供給方法の差によりリブ付電極形とリ
ブ付セパレータ形とが知られている。

第６図はリブ付電極形の単電池の構成図、第７
図はリブ付セパレータ形の単電池の構成図であ
る。リブ付電極形の単電池の場合、ガス透過性を
有する多孔質のカーボン板からなるリブ付電極基
材４および５の表面に燃料電極触媒層２および空
気電極触媒層３をそれぞれ形成し、マトリツクス
１を挟んで電極基材４，５を重ね合わせ、電極基
材４，５それぞれのリブの間の溝に燃料ガス９お
よび空気１０を流すよう構成されており、隣接す
る単電池の間にはガス不透過性の導電材からなる
セパレータ板６が介装されて両ガスの混合防止手
段と電気エネルギーの導電路とが形成される。一
方リブ付セパレータ形は第７図のように両面にリ
ブを有するガス不透過性のカーボン板からなるリ
ブ付セパレータ７，８（バイポーラプレートとも
よばれる）を用い、マトリツクス１、燃料電極層
２、空気電極層３からなる単電池の組立体を両側
から挟持し、方向が90度異なるセパレータ７，８
の両側の溝にそれぞれ燃料ガス９、空気１０を流
すよう構成されており、リブ付セパレータ７，８
がリブ付電極形におけるセパレータ板６の役割を
兼ねるよう構成されている。

第８図はリブ付セパレータ形単電池を例として
構成されたセルスタツクの従来構造の説明図であ
る。図において、１１は所定の出力電圧が得られ
る数の単電池の積層体からなるセルスタツクで、
その前後左右の周側面にはリブ付セパレータの両
面に互いに90度異なる方向に形成された燃料ガス
通路１７あるいは空気通路２７のいずれかに連通
するよう互いに対向する周側面に配されたそれぞ
れ一対の空気側マニホールド１２，１３、燃料ガ
ス側マニホールド１４，１５がセルスタツク１１
に密接して気密に固定されている。また、各マニ
ホールドには図示しない燃料および空気供給ライ
ンに連通する配管部２２，２３，２４，２５が設
けられており、配管２２，２３を介して空気１０
が、配管２４，２５を介して燃料ガスがセルスタ
ツク１１に給排されることにより、発電が行われ
るとともに、電気化学的反応にともなつてセルス
タツク１１に発生する廃熱の冷却が行われる。

上述のように構成されたセルスタツクにおいて
導電材よりなるマニホールドは、これに連通した
反応ガスの供給ライン（セルスタツクが液冷形の
場合は冷却液の供給ラインを含む）を介して接地
されるとともに、マニホールドが固定されるセル
スタツク１１の周側面には各単電池の導電部が露
出している。したがつてマニホールドとセルスタ
ツクの周側面との間には最大セルスタツク１１の
出力電圧に相当する電位差があり、マニホールド
とセルスタツクに上記出力電圧に耐える絶縁を施
す必要がある。セルスタツクの出力電圧は燃料電
池の大容量化にともなつて高電圧化する傾向にあ
り、上記絶縁は少なくとも数100Vの電圧に耐え
ることが求められる。ところが、電解質であるり
ん酸は運転中にわずかではあるがマトリツクスか
ら反応ガス中に飛散し、反応ガスとともに出口側
マニホールド内に排出され、その一部はマニホー
ルドの内壁に付着する。このりん酸ミストは前記
マニホールドの絶縁部分にも付着してその表面抵
抗を低下させるとともに、セルスタツクの漏れ電
流を増加させるという問題を生ずる。この漏れ電
流は燃料電池の発電効率を低下させるとともに、
漏れ電流による前記絶縁部分の劣化を促進してセ
ルスタツクの短絡の危険性を高める欠点があり、
その改善が求められている。

〔考案の目的〕

本考案は前述の状況に鑑みてなされたもので、
セルスタツクの周側面と外付マニホールドとの間
の絶縁信頼性の高い燃料電池のセルスタツクを提
供することを目的とする。

〔考案の要点〕

本考案は、セルスタツクを所定数の単電池積層
体を単位とするセルブロツク複数組からなる積層
組立体とし、各セルブロツクごとの周側面にそれ
ぞれ絶縁座を介して気密にマニホールドを取付け
ることにより絶縁座に加わる電位差をセルブロツ
クの出力電圧すなわちセルスタツクの出力電圧の
数分の一以下にまで低減するとともに、各マニホ
ールドと反応ガス供給ラインより分岐し前記各マ
ニホールドに接続された配管と、前記各マニホー
ルド相互間に連通する前記供給ラインの配管部に
マニホールドを相互に絶縁するよう介装された絶
縁管部とを備えるよう構成することにより、セル
スタツクおよびマニホールドを複数ブロツクに分
割することによりブロツク間に新たに生ずる電位
差に基づく漏れ電流を阻止するようにしたもので
ある。

〔考案の実施例〕

以下本考案を実施例に基づいて説明する。

第１図は本考案の実施例を示すセルブロツクの
斜視図である。図において、３１は所定数の単電
池の積層体からなるセルブロツクで、その積層方
向の両端部にはガス不透過性の導電材からなる端
板３７，３８が設けられている。３２，３３は空
気側マニホールド、３４，３５は燃料ガス側のマ
ニホールドで、それぞれ絶縁被覆されたマニホー
ルド座３９を介してセルブロツク３１の周側面に
図示しない押圧部材により気密に押圧固定されて
いる。また４２，４４，４５等はそれぞれセルブ
ロツク３１の反応ガス通路（第８図の１７，２
７）に連通するようマニホールドの外側に突設さ
れた接続管、５２，５４，５５等は一方端が接続
管４２，４４，４５等に他方端が反応ガス供給ラ
インの枝管部６２，６４，６５等に接続された絶
縁管部である。

第２図は第１図のセルブロツクの積層組立体か
らなるセルスタツクの斜視図で、第１図のように
構成された複数のセルブロツク３１Ａ，３１Ｂ…
…３１Ｎ等の積層組立体からなり、たとえば燃料
ガスの入口側マニホールド３５および出口側マニ
ホールド３４がそれぞれ接続管４５または４４、
絶縁管５５または５４、枝管部６５または６４を
介して燃料ガス供給ラインの主配管部７５または
７４に連結されることにより、各セルブロツク３
１Ａ，３１Ｂ，３１Ｎ等に並列に燃料ガス９が供
給されるよう構成されている。なお空気側につい
ては図示していないが、燃料ガス側と同様な構成
により空気の給排通路が形成されていることはい
うまでもないことである。

第３図は前述の実施例におけるセルブロツクの
要部の断面図で、マニホールド座および絶縁管部
の構造の一例を示すものである。図において、端
板３７を含むセルブロツク３１の周側面７１とマ
ニホールド３５との間には、熱膨張係数がセルブ
ロツク３１（主にカーボン系の導電材よりなる）
に近い低膨張係数の金属材料たとえば鉄−ニツケ
ル合金からなる枠状体７３の表面にふつ素系樹脂
からなる厚さ200〜300μmの耐食絶縁コーテイン
グ７４が施されたマニホールド座３９が設けられ
ており、マニホールド座３９の周側面７１側の面
には凹所が設けられるとともに周側面７１とマニ
ホールド座３９との間には低分子量のふつ素樹脂
系コーキング材７２が凹所内にまで充填されて周
側面７１とマニホールド座３９との間の気密が保
持されるとともに、マニホールド３５とマニホー
ルド座３９との間に形成されたＯリング溝に介装
されたＯリング７６によりマニホールド３５とマ
ニホールド座３９との間の気密が保持されるよう
構成されている。マニホールド座３９のコーテイ
ング材としては、パーフロロエチルエーテル・ポ
リテトラフロロエチレン共重合体（PFA）など
が適している。セルブロツクの周側面とマニホー
ルドとの間の絶縁および気密構造を上述のように
構成することにより、まずコーキング材により周
側面７１の凹凸を吸収して気密を保持できるとと
もに、熱膨張係数がセルブロツクのそれに近い金
属材料７３でマニホールド座を構成することによ
りコーキング材７２に加わる熱応力が低減されて
コーキングの安定性を向上でき、マニホールド座
のコーテイング層７４により枠状体７３の耐食性
を保持するとともに、セルブロツク３１とマニホ
ールド３５との耐電圧を保持することができ、か
つ熱膨張係数が異なる金属材料からなるマニホー
ルド座とマニホールドとの間をＯリングを用いて
シールすることにより両者間の熱応力を吸収して
良好な気密を保持することができる。一方マニホ
ールドをセルブロツクの数に対応して複数個に分
割してそれぞれのマニホールドとセルブロツクの
周側面との間の電位差をセルブロツクの分割数に
対応して低減するよう構成したが、各マニホール
ドに並列に反応ガスを給排する供給ラインの配管
部によつて四つの周側面それぞれの複数のマニホ
ールドが電気的に導通してしまつたのでは折角マ
ニホールドを分割した意味が失なわれてしまう。
絶縁管部５５は配管部６５，７５等を介してマニ
ホールドが互いに電気的に導通するのを防止する
ために設けたもので、第３図に構造配置の一例を
示すように、マニホールド３５の外側に突設され
た接続管４５と反応ガス供給ラインの枝管６５と
の間にふつ素系の耐熱、耐圧ホース等の絶縁管５
５を介装し、その外周をバンド７７で緊縛するこ
とにより、接続部４５と枝管６５との間に絶縁壁
部５５Ａを形成し、これによつてセルブロツク相
互間あるいはセルブロツクと大地電位にある反応
ガス供給ラインとの間の漏れ電流を阻止するとと
もに、マニホールド座３９の絶縁被覆７４が負担
する電圧をセルブロツクの分割数に対応して低減
することができる。

燃料電池のセルスタツクを前記の如く複数のセ
ルブロツクの積層組立体として構成し、各セルブ
ロツクそれぞれの周側面に絶縁被覆されたマニホ
ールド座を介してマニホールドを取付けるととも
に、四つの周側面それぞれの複数のマニホールド
に連通する反応ガス給排気配管部に絶縁管部を設
けたことにより、マニホールド座が負担する電圧
をセルブロツクの分割数に対応して低減でき、か
つマニホールド座の沿面距離を大きくとれるの
で、りん酸ミストが付着することによる漏れ電流
を大幅に低減することができる。さらにセルスタ
ツクの組立をセルブロツク単位で行えるため組立
が容易になり、かつ単電池の故障等に対してセル
ブロツク単位で点検、補修、交換などを行うこと
ができるので、保守作業を省力化できる利便性が
得られる。なお、セルブロツクの分割数について
は、分割することによる製作コストの上昇と、分
割することによつて得られる発電効率の向上や絶
縁信頼性の向上による不良コストおよび保守作業
の省力効果等を勘案して決定されるが、通常単電
池５〜15個程度を一単位とするのが適切と考えら
れる。

第４図および第５図は本考案の異なる実施例を
示す要部の断面図で、いずれもセルスタツクが液
冷式冷却体により冷却される場合の実施例を示し
たものである。図において、単電池の積層体から
なるセルブロツク８１の層間にはたとえば単電池
数個ごとにカーボン板、黒鉛板等からなる冷却体
８２が積層されており、冷却体８２に形成された
複数の溝内には絶縁被覆８４を有する複数の冷却
管からなる冷却器８３が介装されている。冷却器
８３の冷却管はヘツダー８５を介して導液管８６
にまとめられ、マニホールド３５を気密に貫通し
て外部に引き出され、絶縁管部８８を介して図示
しない冷却液の給排ラインへと連結されており、
冷却器８３を介して冷却液を循環することにより
セルブロツクの冷却が行われるよう構成されてい
る。第４図の場合、導液管８６とマニホールド３
５とは溶接部８７で導電結合されており、冷却体
８２と冷却器８３とは絶縁被覆８４ににより相互
に絶縁されるとともに、異なるセルブロツク間は
絶縁管部８８により絶縁されることにより、冷却
器８３を介してセルブロツク相互間あるいは大地
間に発生する漏れ電流を低減することができる。
また第５図に示すように、導液管８６とマニホー
ルド３５とを絶縁フランジ９０により相互に絶縁
するとともに、Ｏリング等のシール材９１により
マニホールド３５の気密を保持するよう構成して
もよい。なお、セルブロツク８１の単電池積層数
が少ない場合には、隣接するセルブロツクの端板
３７間に冷却体を介装させることによりマニホー
ルド３５の外側にヘツダー８５、導液管８６等を
配置することができ、冷却配管の引出し構造を簡
素化することができる。

なお前述の実施例の説明においては、リブ付セ
パレータ形の燃料電池を例にして行つたが、リブ
付電極形電池でセルブロツクを構成することが可
能なことはいうまでもないことであり、さらに反
応ガスのうち空気についてはマニホールドを設け
ずに、セルスタツクを収納した容器自体を風胴と
して空気の供給を行うよう構成することも可能で
ある。

〔考案の効果〕

本考案は、単電池を積層してなるセルスタツク
の周側面にセル内部の反応ガス通路とセル外部の
反応ガス供給ラインとに連通するマニホールド配
備し、このマニホールドを通じてセルスタツクに
反応ガスを供給するものにおいて、セルスタツク
が所定数の単電池積層体を単位とする複数のセル
ブロツクの積層組立体からなり、各セルブロツク
ごとの周側面にそれぞれ絶縁座を介して気密に固
定されたマニホールドと、前記反応ガス供給ライ
ンより分岐し前記各マニホールドに接続された配
管と、前記各マニホールド相互間に連通する前記
供給ラインの配管部にマニホールドを相互に絶縁
するよう介装された絶縁管部とを備えてなるよう
に、燃料電池セルスタツクを構成した。その結
果、セルスタツクを複数のセルブロツクに分割す
ることにより新たに生ずるセルブロツク間の電位
差ならびに漏れ電流を絶縁管部により負担または
阻止できることにより、セルブロツクの周側面と
マニホールドとの間の電位差をセルブロツクの分
割数に対応して低減することができる。それ故、
セルスタツク全体としてはマニホールド座の絶縁
被覆と絶縁管部との二重の絶縁手段と充分な沿面
長を備えたことになり、絶縁の信頼性が従来構造
に比べて著しく高まるとともに、上記絶縁の表面
がりん酸ミスト等によつて汚損した場合において
も、この汚損面を介してセルブロツク内、セルブ
ロツク間、対地間等に発生する漏れ電流を従来構
造に比べて著しく低減することができる。したが
つて絶縁の信頼性が高くかつ発電効率のよい燃料
電池のセルスタツクを提供することができる。ま
た、セルスタツクを独立したマニホールドを備え
た複数のセルブロツクの積層組立体としたことに
より、セルスタツクの組立およびマニホールドの
気密の保持が容易になり絶縁不良やガス漏れ等の
トラブルを低減できるとともに、トラブル発生時
にはセルブロツクを単位として点検、補修、交換
等の保守作業を行うことができるので、セルスタ
ツクの組立、保守作業を省力化できるなど付随的
利点も得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例を示すセルブロツクの
斜視図、第２図は上記実施例におけるセルスタツ
クの構造の概略を示す斜視図、第３図は上記実施
例における要部の断面図、第４図は本考案の異な
る実施例を示す要部の断面図、第５図は第４図の
変形例を示す要部の断面図、第６図はリブ付電極
形単電池の説明図、第７図はリブ付セパレータ形
単電池の説明図、第８図は従来の燃料電池セルス
タツクの構造を示す説明図である。 １１……セルスタツク、９……燃料ガス、１０
……空気、３１，８１……セルブロツク、３２，
３３，３４，３５……マニホールド、３７，３８
……端板、３９……マニホールド座、４２〜４５
……接続管、５２〜５５……絶縁管部、６２〜６
５……枝管、７４，７５……反応ガス主配管、７
４……絶縁被覆、８２……冷却体、８３……冷却
器、８４……絶縁被覆、８８……絶縁管部（冷却
器側）、８９……冷却液。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ 単電池を積層してなるセルスタツクの周側面
   にセル内部の反応ガス通路とセル外部の反応ガ
   ス供給ラインとに連通するマニホールドを配備
   し、このマニホールドを通じてセルスタツクに
   反応ガスを供給するものにおいて、セルスタツ
   クが所定数の単電池積層体を単位とする複数の
   セルブロツクの積層組立体からなり、各セルブ
   ロツクごとの周側面にそれぞれ絶縁座を介して
   気密に固定されたマニホールドと、前記反応ガ
   ス供給ラインより分岐し前記各マニホールドに
   接続された配管と、前記各マニホールド相互間
   に連通する前記供給ラインの配管部にマニホー
   ルドを相互に絶縁するよう介装された絶縁管部
   とを備えたことを特徴とする燃料電池セルスタ
   ツク。 ２ 実用新案登録請求の範囲第１項記載のものに
   おいて、セルブロツクが単電池積層体とともに
   積層された液冷式冷却体を備え、各セルブロツ
   クの液冷式冷却体と、冷却液給排ラインより分
   岐し前記各冷却体に接続された配管を備え、前
   記冷却体相互間に連通する配管にそれぞれ絶縁
   管部が配設されたことを特徴とする燃料電池セ
   ルスタツク。