JP5043291B2 - 可燃性物質遮断装置および燃料電池 - Google Patents
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Description
また、本発明は、燃料電池において、電気などの駆動エネルギーを用いずに燃料を遮断できる燃料電池を提供することである。
さらに、本発明は、燃料が供給される燃料極と、酸化剤が供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極との間に設けられたイオン伝導体とを有するセル部と、燃料流路と、酸化剤流路と、酸化剤と燃料との接触により発熱する検出手段と、前記燃料流路および前記酸化剤流路の少なくともいずれかに設けられ、前記検出手段に熱的に結合された、前記検出手段の発熱に基づいて燃料および酸化剤の少なくともいずれかの流通を遮断する遮断手段と、前記燃料極または前記酸化剤極に設けられた拡散層とを備えており、前記遮断手段が熱により軟化、粘性流体化または発泡する材料からなり、かつ前記遮断手段が前記拡散層に設けられていることを特徴とする燃料電池である。
またさらに、本発明は、燃料が供給される燃料極と、酸化剤が供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極との間に設けられたイオン伝導体とを有するセル部と、燃料流路と、酸化剤流路と、酸化剤と燃料との接触により発熱する検出手段と、前記燃料流路および前記酸化剤流路の少なくともいずれかに設けられ、前記検出手段に熱的に結合された、前記検出手段の発熱に基づいて燃料および酸化剤の少なくともいずれかの流通を遮断する遮断手段と、前記燃料極または前記酸化剤極に設けられた触媒層とを備えており、前記遮断手段が熱により軟化、粘性流体化または発泡する材料からなり、かつ前記遮断手段が前記触媒層に設けられていることを特徴とする燃料電池である。
また、本発明は、燃料の漏洩を遮断する手段を備えた、小型で安全性の高い燃料電池を提供できる。
前記酸化剤が酸素を含むことを特徴とする。
前記触媒部が白金を含むことを特徴とする。
前記遮断手段が熱により軟化、粘性流体化または発泡する材料からなることを特徴とする。
前記遮断手段が熱により軟化、粘性流体化する材料からなる部材からなり、該部材の表面が前記材料とは異なる組成の材料により被覆されていることを特徴とする。前記部材が低融点金属を含んでなり、該部材の表面が、腐食を防止するために前記材料とは異なる組成の材料により被覆されていることを特徴とする。
前記遮断手段が熱により支持力を失って着座する弁体であることを特徴とする。
前記検出手段が、前記燃料流路に設けられていることを特徴とする。
前記検出手段が、前記燃料流路外に設けられていることを特徴とする。
前記遮断手段が、燃料電池の通常の運転温度を越えた場合に動作することを特徴とする。
前記燃料極および前記酸化剤極の少なくともいずれかが触媒層を有しており、前記触媒部が前記触媒層とは別に設けられていることを特徴とする。
また、本発明に係る燃料電池は、燃料が供給される燃料極と、酸化剤が供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極との間に設けられたイオン伝導体とを有するセル部と、燃料流路と、酸化剤流路と、酸化剤と燃料との接触により発熱する検出手段と、前記燃料流路および前記酸化剤流路の少なくともいずれかに設けられ、前記検出手段に熱的に結合された、前記検出手段の発熱に基づいて燃料および酸化剤の少なくともいずれかの流通を遮断する遮断手段と、前記燃料極または前記酸化剤極に設けられた拡散層とを備えており、前記遮断手段が熱により軟化、粘性流体化または発泡する材料からなり、かつ前記遮断手段が前記拡散層に設けられていることを特徴とする。
前記遮断手段が多孔質体からなることを特徴とする。
さらに、本発明に係る燃料電池は、燃料が供給される燃料極と、酸化剤が供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極との間に設けられたイオン伝導体とを有するセル部と、燃料流路と、酸化剤流路と、酸化剤と燃料との接触により発熱する検出手段と、前記燃料流路および前記酸化剤流路の少なくともいずれかに設けられ、前記検出手段に熱的に結合された、前記検出手段の発熱に基づいて燃料および酸化剤の少なくともいずれかの流通を遮断する遮断手段と、前記燃料極または前記酸化剤極に設けられた触媒層とを備えており、前記遮断手段が熱により軟化、粘性流体化または発泡する材料からなり、かつ前記遮断手段が前記触媒層に設けられていることを特徴とする。
前記遮断手段が電子伝導性を有する材料からなることを特徴とする。
前記遮断手段の表面に燃料電池の触媒を具備することを特徴とする。
前記遮断手段がイオン伝導性を有する材料からなることを特徴とする。
本発明の可燃性物質遮断装置について図面に基づいて説明する。
本発明の可燃性物質遮断装置は、可燃性物質と酸化剤が接触したときに可燃性物質または酸化剤の少なくとも一方を遮断して接触を防止する。可燃性物質または酸化剤のいずれか一方に接して設けられた触媒部と、前記触媒部における可燃性物質と酸化剤の反応による加熱により動作し可燃性物質または酸化剤の少なくとも一方を遮断する遮断手段とを有し、かつ前記触媒部と前記遮断手段との間に伝熱手段を有することを特徴とする。
図5は、本発明の可燃性物質遮断装置の一例を示す概略図である。図5は、可燃性物質検知部の触媒部と遮断手段との間に伝熱手段を有し、可燃性物質検知部と遮断手段とが離れて設置されている場合の可燃性物質遮断装置を示す。
図5のように、触媒101を配置するガス漏洩検知部と、上記ガス遮断部15とが離れた位置にある場合、両者を高熱伝導性を有する材料141からなる伝熱手段によって接続することで、触媒反応熱をガス遮断部に効率よく伝えることができる。高熱伝導性材料には、高融点のものが好ましく、金、銀、銅、ステンレス、アルミなど各種金属やアルミナ、シリコンや熱伝導ポリマーなどが使用できる。
上記構成により、可燃性ガスが漏洩した際に、その触媒反応熱を利用して、ガス遮断手段を動作させ、漏洩ガスを遮断することが可能である。
次に、本発明の可燃性物質遮断装置に用いられる遮断手段の具体例について図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の可燃性物質遮断装置に用いられる遮断手段の一例を示す概略図である。図1では、遮断手段として加熱により軟化変形するか粘性流体化する材料を用いた遮断手段を示す。
図3は、本発明の可燃性物質遮断装置に用いられる遮断手段の他の例を示す概略図である。図3では、遮断手段として形状記憶合金あるいはバイモルフを部材に用いた遮断手段を示す。
本発明の遮断手段を燃料電池の燃料流路あるいは酸化剤流路に設けた場合について説明する。
まず、燃料電池の構成について説明する。ここでは、固体高分子形燃料電池を例に用いる。図6は燃料電池の概略図であり、図7は燃料電池のシステム概略図である。図7において、本発明の燃料電池は、燃料が供給される燃料極213と、酸化剤が供給される酸化剤極211と、前記燃料極と前記酸化剤極との間に設けられた高分子電解質膜212からなるイオン伝導体と、を有する燃料電池セル21を有する。燃料電池セル21はセル部を示す。
次に、燃料電池の発電の構成について説明する。燃料は燃料タンク23に貯えられており、燃料流路24を通って燃料極(アノード)213に供給される。燃料には通常、水素や炭化水素などの可燃性ガスやメタノールやエーテルなどの液体燃料が使用される。一方、酸化剤極(カソード)211には、酸化剤が供給される。酸化剤は、通常、空気や酸素などである。特に、大気を酸化剤として用いる場合には、通気孔22から供給される。また、酸化剤を大気から供給する代わりに酸化剤を保持したタンクから供給してもよい。
燃料および酸化剤はそれぞれ拡散層271、272を透過し、燃料は燃料極213に配置された触媒で、酸化剤は酸化剤極211に配置された触媒でそれぞれ反応する。反応に伴い、イオンは高分子電解質膜212を通過し、電子は電極25へ導かれ、外部に電力として取り出される。これらの反応において、通常、燃料と酸化剤は混ざることなく、それぞれの電極で反応を行うが、電解質膜が破損して燃料漏れが起こると、触媒上で燃料と酸化剤が触媒燃焼を起こすおそれがある。また、他の部材においても、破損などにより、燃料が外に漏れ出すおそれがある。発電に伴い、燃料電池は発熱し、室温環境下では、通常40〜80℃程度の温度になる。一方、燃料と酸化剤が混ざって触媒燃焼を引き起こす場合の発熱は、両者の混合比にもよるが、100℃を超える。
本発明の可燃性物質遮断装置を燃料電池の拡散層に設けた場合について説明する。
一般に燃料電池は、図8に示すように触媒層28の外側に拡散層27を有する。まず触媒に接して、拡散電極層があり、カーボン多孔質体がよく用いられる。また、さらに外側に拡散性を持たせた集電層や電気的に絶縁するための拡散性を持たせた絶縁層を備える場合もある。拡散集電層には、金属の発泡体や、金属やカーボンを加工したものが使用され、拡散絶縁層にはプラスチック材料が用いられる。
本発明の可燃性物質遮断装置を燃料電池の触媒層に設けた場合について説明する。
一般に燃料電池の触媒層は図11に示すように電解質膜212上に触媒41が配置された構造をしている。触媒層は燃料あるいは酸化剤の拡散性を得るため、多孔質または微粒子からなり、また、ガス拡散電極と電気的に接続されている。さらに、イオンパスを有効に形成するため、触媒層には電解質42が混ぜられたり、触媒の利用率を向上させるため、微粒子化してカーボンなどの担体粒子43に担持させられたりする。
102 流路
103 可燃性物質または酸化剤
111 加熱により軟化変形するかあるいは粘性流体化する部材
112 耐熱性多孔質材
121 ストップバルブ
131 弁体
132 支持体
141 高熱伝導部材
15 ガス遮断部
21 燃料電池セル
211 酸化剤極
212 高分子電解質膜
213 燃料極
22 通気孔
23 燃料タンク
24 燃料流路
25 電極
26 酸化剤流路
27 拡散層
271 拡散層(酸化剤極)
272 拡散層(燃料極)
28 触媒層
31 加熱により軟化変形するか粘性流体化する部材
32 加熱により軟化変形するか粘性流体化する多孔質部材からなる拡散層
41 触媒
42 電解質
43 担体
51 低融点不燃性導体
52 熱可塑性不燃性イオン伝導体
Claims (21)
- 可燃性物質と酸化剤が接触したときに可燃性物質または酸化剤の少なくとも一方を遮断して接触を防止する遮断装置であって、可燃性物質または酸化剤のいずれか一方に接して設けられた触媒部と、前記触媒部における可燃性物質と酸化剤の反応による加熱により動作し可燃性物質または酸化剤の少なくとも一方を遮断する遮断手段とを有し、かつ前記触媒部と前記遮断手段との間に、金、銀、銅、ステンレス、アルミ、アルミナ、シリコンまたは熱伝導ポリマーからなる伝熱手段を有することを特徴とする可燃性物質遮断装置。
- 前記可燃性物質が水素を含むことを特徴とする請求項1に記載の可燃性物質遮断装置。
- 前記酸化剤が酸素を含むことを特徴とする請求項1に記載の可燃性物質遮断装置。
- 前記触媒部が白金を含むことを特徴とする請求項1に記載の可燃性物質遮断装置。
- 前記遮断手段が熱により軟化、粘性流体化または発泡する材料からなることを特徴とする請求項1に記載の可燃性物質遮断装置。
- 前記遮断手段の熱により軟化、粘性流体化する材料が多孔質体であることを特徴とする請求項5に記載の可燃性物質遮断装置。
- 前記遮断手段が熱により軟化、粘性流体化する材料からなる部材からなり、該部材の表面が前記材料とは異なる組成の材料により被覆されていることを特徴とする請求項6に記載の可燃性物質遮断装置。
- 前記部材が低融点金属を含んでなり、該部材の表面が、腐食を防止するために前記材料とは異なる組成の材料により被覆されていることを特徴とする請求項7に記載の可燃性物質遮断装置。
- 前記遮断手段がバイモルフあるいは形状記憶合金からなることを特徴とする請求項1に記載の可燃性物質遮断装置。
- 前記遮断手段が熱により支持力を失って着座する弁体であることを特徴とする請求項1に記載の可燃性物質遮断装置。
- 燃料が供給される燃料極と、酸化剤が供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極との間に設けられたイオン伝導体とを有するセル部と、燃料流路と、酸化剤流路と、酸化剤と燃料とを反応させて発熱する触媒部からなる検出手段と、前記燃料流路および前記酸化剤流路の少なくともいずれかに設けられ、前記検出手段に熱的に結合された、前記検出手段の発熱に基づいて燃料および酸化剤の少なくともいずれかの流通を遮断する遮断手段と、前記検出手段と前記遮断手段との間に、金、銀、銅、ステンレス、アルミ、アルミナ、シリコンまたは熱伝導ポリマーからなる伝熱手段とを備えたことを特徴とする燃料電池。
- 前記検出手段が、前記燃料流路に設けられていることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池。
- 前記検出手段が、前記燃料流路外に設けられていることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池。
- 前記遮断手段が、燃料電池の通常の運転温度を越えた場合に動作することを特徴とする請求項11に記載の燃料電池。
- 前記燃料極および前記酸化剤極の少なくともいずれかが触媒層を有しており、前記触媒部が前記触媒層とは別に設けられていることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池。
- 燃料が供給される燃料極と、酸化剤が供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極との間に設けられたイオン伝導体とを有するセル部と、燃料流路と、酸化剤流路と、酸化剤と燃料との接触により発熱する検出手段と、前記燃料流路および前記酸化剤流路の少なくともいずれかに設けられ、前記検出手段に熱的に結合された、前記検出手段の発熱に基づいて燃料および酸化剤の少なくともいずれかの流通を遮断する遮断手段と、前記燃料極または前記酸化剤極に設けられた拡散層とを備えており、前記遮断手段が熱により軟化、粘性流体化または発泡する材料からなり、かつ前記遮断手段が前記拡散層に設けられていることを特徴とする燃料電池。
- 前記遮断手段が多孔質体からなることを特徴とする請求項16に記載の燃料電池。
- 燃料が供給される燃料極と、酸化剤が供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極との間に設けられたイオン伝導体とを有するセル部と、燃料流路と、酸化剤流路と、酸化剤と燃料との接触により発熱する検出手段と、前記燃料流路および前記酸化剤流路の少なくともいずれかに設けられ、前記検出手段に熱的に結合された、前記検出手段の発熱に基づいて燃料および酸化剤の少なくともいずれかの流通を遮断する遮断手段と、前記燃料極または前記酸化剤極に設けられた触媒層とを備えており、前記遮断手段が熱により軟化、粘性流体化または発泡する材料からなり、かつ前記遮断手段が前記触媒層に設けられていることを特徴とする燃料電池。
- 前記遮断手段が電子伝導性を有する材料からなることを特徴とする請求項18に記載の燃料電池。
- 前記遮断手段の表面に燃料電池の触媒を具備することを特徴とする請求項19に記載の燃料電池。
- 前記遮断手段がイオン伝導性を有する材料からなることを特徴とする請求項18に記載の燃料電池。
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