JP5151715B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池スタックを収納するためのケースを備える燃料電池に関する。

燃料電池スタックは、通常、ケースに収容されて車両等に搭載される。燃料電池には、燃料電池スタックから発電に用いられる燃料ガス、酸化ガスなどの反応ガスが漏洩してケース内の内圧が所定値を超えた場合に開口部を形成するシール蓋等の減圧手段が設けられており、開口部から反応ガスを開放してケース内の圧力を低減させることによりケースの破裂を回避するものがある（例えば、引用文献１）。

特開２００２−３６７６４７号公報 特開２００５−３１７４０８号公報

減圧手段を備える燃料電池では、シール蓋が開いて開口部が開放状態となった後に、作業者が燃料電池スタックの高電位部に直接触れて感電しないように、例えば、燃料電池スタック上の、開口部に対向する位置に、開口部の面積より大きな面積の絶縁性部材を配置する場合がある。しかしながら、従来技術の構成では、ケースの開口部の周辺部と絶縁性部材との距離は、ケースと燃料電池スタックとの距離よりも小さくなり、ケースの開口部から反応ガスが放出されケース内の圧力が低減される際、絶縁性部材の端部に局所的に負荷がかかる。この結果、絶縁性部材の損傷や絶縁性部材の剥離が生じ、作業者が高電位部に触れてしまう問題が生じる可能性があるため、作業性を悪化させる保護具の装着か、事前の訓練による手順に沿った作業等が必要であり、手軽に作業することが困難であった。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックを収容するためのケースに内圧低減用の開口部を備える燃料電池において、開口部の開放時における作業性の向上を目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
燃料電池であって、燃料電池スタックと、開口部を備え、前記燃料電池スタックを収納するための燃料電池用ケースと、前記燃料電池用ケースに設けられ、前記燃料電池用ケース内部の圧力値が予め規定された圧力値を超えると開く減圧手段と、前記燃料電池スタック上であって、前記開口部に対向する位置に設けられた絶縁性部材と、を備え、前記開口部の周辺部における前記燃料電池用ケースと前記絶縁性部材との距離が、前記前記開口部の周辺部以外の部位における前記燃料電池用ケースと前記燃料電池スタックとの距離に比して大きくなるように、構成されている、燃料電池。

適用例１の燃料電池によれば、絶縁性部材と燃料電池用ケースとの距離が、燃料電池スタックと燃料電池用ケースとの距離よりも大きくなるように構成されている。従って、燃料電池用ケースの内圧減圧時に、絶縁性部材にかかる圧力を低減できる。よって、絶縁性部材の損傷や、燃料電池スタックからの絶縁性部材の剥離を抑制できるため、保護具等の装着なく安全に作業でき、作業性を向上できる。また、開口部の周辺部以外では、燃料電池用ケースと燃料電池スタックとの距離を、燃料電池用ケースと絶縁性部材との距離よりも小さくできるので、燃料電池全体として小型化を図ることができる。

適用例１の燃料電池において、前記燃料電池スタックは、積層方向端部に配置されているエンドプレートと単位電池とが積層されて構成されており、前記絶縁性部材は、前記エンドプレートと前記単位電池の間に配置されるとともに、スタックの外側において、前記積層方向に折りまげられている折り曲げ部を有しており、前記減圧手段は、前記折り曲げ部の近傍に設けられている。適用例１の燃料電池によれば、エンドプレートと単位電池との間に設けられている絶縁性部材の一部を開口部に対向するように構成できる。従って、新たに部品を追加することなく、作業性を向上できる。

適用例１の燃料電池において、前記絶縁性部材は、前記開口部に対向する部位の表面積が、前記開口部の面積よりも大きく構成されている。適用例１の燃料電池によれば、開口部の面積よりも大きい面積を有する絶縁性部材が設けられている。従って、作業者は絶縁性手袋等の用具を利用することなく燃料電池を扱うことができ、作業性を向上できる。

適用例１の燃料電池において、前記燃料電池用ケースは、前記開口部の周辺部が、前記絶縁性部材の外形形状に沿って外側に突状となるよう構成されている。適用例１の燃料電池によれば、燃料電池ケースの開口部の周辺部が、開口部に対向する位置に設けられている絶縁性部材の外形形状に沿って外側に突状となるように構成されている。従って、絶縁性部材と燃料電池用ケースとの距離うぃ、燃料電池スタックと燃料電池用ケースとの距離よりも大きくなるように構成できる。よって、燃料電池用ケースの内圧減圧時において、絶縁性部材にかかる圧力を低減でき、絶縁性部材の損傷や、燃料電池スタックからの絶縁性部材の剥離を抑制できる。

［適用例２］
燃料電池であって、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収納するための燃料電池用ケースであって、前記燃料電池用ケース内部の圧力値が予め規定された圧力値を超えると開口部を形成して、前記燃料電池ケース内部の圧力を減圧させる減圧手段を備える燃料電池ケースと、前記燃料電池スタックが前記燃料電池ケース内に収容された状態で、前記燃料電池スタック上の、前記開口部に対向する位置に設けられた絶縁性部材と、を備え、前記燃料電池ケースは、前記減圧時において、前記開口部の周辺部と前記絶縁性部材の端部との間の空間を通過する前記ガスの流速が、前記開口部の周辺部以外と前記燃料電池スタックとの間の空間を通過する前記ガスの流速に比して低くなるように構成されている、燃料電池。

適用例２の燃料電池によれば、内圧減圧時に、開口部の周辺部と絶縁性部材の端部との間の空間を通過するガスの流速が、開口部の周辺部以外と燃料電池スタックとの間の空間を通過するガスの流速に比して低くなる。従って、内圧減圧時に、開口部に対向する位置に設けられている絶縁性部材の端部に局所的に圧力がかかることを抑制できる。

本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。

以下、本発明の実施の形態について、適宜図面を参照しつつ説明する。

Ａ．第１実施例：
図１は、第１実施例における燃料電池の概略構成を例示する断面図である。なお、図１において、図面上方が天であり、図面下方が地である。第１実施例の燃料電池１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタックを収納するための燃料電池用ケース２０と、減圧手段３０と、絶縁性部材４０とを備える。

燃料電池スタック１０は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する単位電池１１が、図面左右方向に複数積層されて構成されている。燃料電池スタック１０は、左右端にエンドプレート１５、１６および単位電池とエンドプレートとの間に絶縁性を有するインシュレータ１７、１８およびターミナル１９を備えており、複数の単位電池１１は、エンドプレート１５、１６により積層方向に狭持されている。

燃料電池用ケース２０は、上面に開口部２１が形成されている。開口部２１には、燃料電池用ケース２０内の内圧が予め設定された設定圧力を超えると、内圧を低減するために開く減圧手段３０が設けられている。第１実施例において、設定圧力は、燃料電池用ケース２０および減圧手段３０の材質に関係しており、燃料電池用ケース２０の圧力上昇により燃料電池用ケース２０自体が損傷する圧力よりも低い圧力値である。また、燃料電池用ケース２０は、開口部２１の周辺部２５（図１に太実線で示す）と絶縁性部材４０との距離（例えば、Ｂ１、Ｂ２）が、開口部２１の周辺部２５以外と燃料電池スタック１０との距離（例えば、Ａ１、Ａ２）に比して大きくなるように構成されている。具体的には、開口部２１の周辺部２５が、絶縁性部材４０と距離をとるように、開口部２１の周辺部２５が、絶縁性部材４０の外形形状に沿って外側に突状となるように構成されている。第１実施例では、Ａ１、Ａ２は、約１０ｍｍ程度であり、Ｂ１、Ｂ２は約１２〜１３ｍｍ程度である。なお、距離の測定位置が異なるために、絶縁性部材４０と燃料電池用ケース２０との距離をＢ１、Ｂ２と２つ示しているが、Ｂ１、Ｂ２は、同一の値である必要はなく、Ａ１、Ａ２よりも大きければよい。また、Ａ１、Ａ２も同様に、同一の値である必要はなく、Ｂ１、Ｂ２より小さければよい。

第１実施例では、減圧手段３０として、設定圧力を受けると破裂するラプチャーディスクを用いている。以降、第１実施例では、減圧手段３０をラプチャーディスク３０とも呼ぶ。燃料電池１では、燃料電池スタック１０における電気化学反応において利用される反応ガスが、燃料電池スタック１０の劣化や損傷等種々の要因によって漏洩し、燃料電池用ケース２０の内圧が上昇する場合がある。ラプチャーディスク３０は、このような反応ガスの漏洩に起因して燃料電池用ケース２０の内圧がラプチャーディスク３０の設定圧力以上となると破裂して開口部２１から燃料電池用ケース２０内に溜まった反応ガスを外部に放出し、燃料電池用ケース２０の内圧を低減させることにより、燃料電池用ケース２０自体の破損を抑制している。

ラプチャーディスク３０について、図２を参照しつつ説明する。図２（ａ）は、ラプチャーディスク３０の平面図とＡ−Ａ断面での断面図であり、図２（ｂ）は、ラプチャーディスク３０の破裂時の状態を例示する斜視図である。図２（ａ）に示すように、ラプチャーディスク３０は、燃料電池用ケース２０よりも厚みが薄く形成された破裂部３１と、破裂部３１の周囲に形成された外縁部３５とを備え、予め設定された設定圧力がかかると破裂部３１が破裂するように構成されている円形状の板状部材である。ラプチャーディスク３０は、専用のホルダーに組み込まれ、開口部２１に取り付けられる。

ラプチャーディスク３０の破裂部３１には、図２（ａ）に示すように、十字状のスコア（切り溝）３２が形成されている。設定圧力以上の圧力Ｐを受けると、図２（ｂ）に示すように、破裂部３１は、スコア３２により破裂部位３１ａに分かれ、完全な破裂開口３１ｂを得ることができる。破裂開口３１ｂと開口部２１とが連通して、燃料電池用ケース２０内からガスが解放される。スコア３２が形成されていることにより、破裂部３１の破片の飛散を回避でき安全性を向上できる。

絶縁性部材４０は、燃料電池スタック１０上であって、開口部２１に対向する位置に設けられている。絶縁性部材４０は、図３に示すように、開口部２１に対向する部位の表面積Ｓ２（右下がり斜線部）が、開口部２１の面積Ｓ１（左下がり斜線部）よりも大きくなるように構成されている。第１実施例では、図１および図３に示すように、開口部２１の外形を包含する矩形の板状に形成されている。絶縁性部材４０は、矩形に限らず、例えば、開口部２１の外形を包含する円形としてもよい。この場合、図１に示すように、開口部２１の直径ｄに比して絶縁性部材４０の直径Ｄが大きく構成されていることが好ましい。なお、絶縁性部材４０は、開口部２１から作業者が手を挿入しても、燃料電池スタック１０に直接触れないように開口部２１に対して十分大きく形成されていることが好ましい。第１実施例の絶縁性部材４０が特許請求の範囲における「絶縁性部材」に当たる。

図４は、燃料電池用ケース２０内の圧力の減圧について説明する説明図である。また、図４（ａ）は、第１実施例における燃料電池用ケース２０の圧力減圧について示しており、図４（ｂ）は、従来例における燃料電池用ケース２０ａの圧力減圧について示している。図４（ｂ）に示す従来例では、燃料電池用ケース２０ａは、直方体に形成されている。図４（ｂ）に、開口部２１ａの周辺部２５ａを太実線で示す。なお、従来例において、ラプチャーディスク３０は、第１実施例と同様の構成を備える。

従来例では、図４（ｂ）に示すように、燃料電池用ケース２０ａは、直方体に形成されているため、開口部２１ａの周辺部２５ａにおける燃料電池用ケース２０ａと絶縁性部材４０との距離Ｂ３が、開口部２１ａの周辺部２５ａ以外の部位における燃料電池用ケース２０ａと絶縁性部材４０との距離（例えば、Ａ１、Ａ２）に比して小さい。

第１実施例の燃料電池用ケース２０および従来例の燃料電池用ケース２０ａでは、共に、内圧がラプチャーディスク３０の設定圧力以上の圧力を受けると破裂して開口し、矢印Ｒに示すように、内部に溜まった反応ガスを開口部２１および開口部２１ａから放出する。この反応ガスの放出時、従来例の燃料電池２では、開口部２１ａの周辺部２５ａにおける燃料電池用ケース２０ａと絶縁性部材４０との距離Ｂ３が、開口部２１ａの周辺部２５ａ以外の部位における燃料電池用ケース２０ａと絶縁性部材４０との距離（例えば、Ａ１、Ａ２）に比して小さいため、矢印Ｒの向きに沿って、円Ｙに示す絶縁性部材４０の端部に局所的に圧力がかかる。この結果、従来例の燃料電池２では、燃料電池スタック１０からの絶縁性部材４０の剥離、絶縁性部材４０の損傷のおそれがあった。

一方、第１実施例の燃料電池１では、開口部２１の周辺部２５における燃料電池用ケース２０と絶縁性部材４０との距離が、開口部２１の周辺部２５以外の部位における燃料電池用ケース２０と絶縁性部材４０との距離に比して大きくなるように構成されているので、円Ｘに示す絶縁性部材４０の端部にかかる圧力は従来例に比して軽減される。

以上説明した第１実施例の燃料電池１によれば、燃料電池用ケース２０の開口部２１の周辺部２５と絶縁性部材４０との距離が、燃料電池スタック１０と燃料電池用ケース２０との距離よりも大きくなるように構成されている。従って、燃料電池用ケース２０の内圧減圧時において、絶縁性部材４０端部に局所的にかかる圧力を低減できる。よって、絶縁性部材４０の損傷や、燃料電池スタック１０からの絶縁性部材４０の剥離を抑制できるため、保護具等の装着なしに作業でき、作業性を向上できるとともに、作業者の安全性を向上できる。また、開口部２１の周辺部２５以外では、燃料電池用ケース２０と燃料電池スタック１０との距離を、燃料電池用ケース２０と絶縁性部材４０との距離よりも小さくできるので、燃料電池全体として小型化を図ることができる。

また、第１実施例の燃料電池１によれば、燃料電池スタック１０の燃料電池用ケース２０への収納時において、燃料電池スタック１０上の、開口部２１に対向する部位に絶縁性部材４０が設けられている。従って、ラプチャーディスク３０の開放時においても、高電位になっている燃料電池スタック１０の表面に作業者が直接触れる危険性を低減できる。よって、作業者は絶縁性の手袋等の用具を利用することなく燃料電池を扱うことができる。絶縁性の手袋等の用具は作業性が悪いため、第１実施例の燃料電池１によれば、作業者の作業性および安全性を向上できる。また、第１実施例の燃料電池１は、絶縁性部材４０が、開口部２１の面積よりも大きい面積を有しているので、更に、作業性、安全性を向上できる。

また、第１実施例の燃料電池１によれば、減圧手段３０としてラプチャーディスクを用いているので、簡易な構成で、燃料電池用ケース２０の内圧低減を実現できる。

Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、開口部２１に対向する位置に設けられる絶縁性部材４０を燃料電池スタック１０とは別の部材を用いて構成している。第２実施例では、絶縁性部材４０を、燃料電池スタック１０に用いられているインシュレータを用いて構成する。

図５は、第２実施例における燃料電池を説明する説明図である。図５（ａ）は、燃料電池３の概略構成を例示する説明図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の円Ｚ部分の拡大図である。なお、図５において、図面上方が天であり、図面下方が地である。第２実施例の燃料電池３は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０を収納するための燃料電池用ケース５０と、減圧手段３０と、を備える。

燃料電池スタック１０は、単位電池１１が、図面左右方向に複数積層されて構成されている。燃料電池スタック１０は、左右端にエンドプレート１５、１６および単位電池１１とエンドプレート１５、１６との間に絶縁性を有する絶縁性部材１７、１８とターミナル１９を備えており、複数の単位電池１１、インシュレータ１７、１８およびターミナル１９は、一対のエンドプレート１５、１６により積層方向に狭持されている。第２実施例では、インシュレータ１７が、特許請求の範囲の「絶縁性部材」に当たる。以降、第２実施例では、インシュレータ１７を絶縁性部材１７とも呼ぶ。

図５（ｂ）に示すように、絶縁性部材１７は、燃料電池スタック１０の外側（側面）において、単位電池１１の積層方向中心に向けて折り曲げられている折り曲げ部４５を有する。燃料電池用ケース５０の開口部５１は、折り曲げ部４５に対向する位置に形成されている。減圧手段３０は、絶縁性部材１７の折り曲げ部４５に対向する開口部５１に取り付けられており、第１実施例と同様の機能、構成を備える。折り曲げ部４５は、作業者の手が開口部５１から単位電池１１に届く範囲内の単位電池１１の表面を覆うことにより、開口部５１から挿入された作業者の手が単位電池１１に直接触れないようにしている。絶縁性部材１７は、開口部５１に対向する部位（折り曲げ部４５）の表面積が、開口部５１の面積よりも大きくなるように構成されていることが好ましい。

燃料電池用ケース５０は、開口部５１の周辺部５５と絶縁性部材４０との距離（例えば、ｂ）が、開口部５１の周辺部５５以外と燃料電池スタック１０との距離（例えば、ａ）に比して大きくなるように構成されている。

以上説明した第２実施例の燃料電池３によれば、エンドプレート１５と単位電池１１との間に従来の燃料電池において設けられている絶縁性部材（インシュレータ）１７を一部変形させて利用する。従って、新たに部品を追加することなく、開口部５１に対向する位置に設けられる絶縁性部材（折り曲げ部４５）を構成できる。また、第２実施例の燃料電池３によれば、開口部５１に対向する絶縁性部材の折り曲げ部４５の一端は燃料電池スタック１０の下方に延伸しているので、この一端における絶縁性部材の剥離を特に抑制できる。この一端側については、周辺部５５との距離を、開口部５１の周辺部５５以外と燃料電池スタック１０との距離と同程度としてもよい。

Ｃ．変形例：
（１）第２実施例の折り曲げ部４５の形状のバリエーションについて、図６を参照して説明する。図６は、折り曲げ部４５のバリエーションを表す斜視図である。図６（ａ）に示すように、折り曲げ部４５は、燃料電池スタック１０の上面の奥行き方向（図面手前から奥）に亘って形成されていてもよい。こうすれば、折り曲げ部４５の形状が簡素であるため、折り曲げ部４５を備える絶縁性部材１７を簡易に形成できるという利点がある。

また、図６（ｂ）に示すように、折り曲げ部４５は、開口部５１（図６（ｂ）では図示省略）に対向する部位にのみ、すなわち、燃料電池スタック１０の上面の奥行き方向の一部にのみ形成されていてもよい。こうすれば、折り曲げ部４５を構成するための絶縁性材料の量を軽減することができる。また、図６（ａ）に比して、折り曲げ部４５が小さいので、燃料電池３全体として軽量化を図ることができる。

（２）第１実施例の燃料電池１では、開口部２１の周辺部２５と絶縁性部材４０との距離が、開口部２１の周辺部２５以外と燃料電池スタック１０との距離に比して大きくなるように構成されているが、例えば、内圧減圧時に、開口部２１の周辺部２５と絶縁性部材４０の端部との間の空間を通過するガスの流速が、開口部２１の周辺部２５以外と燃料電池スタック１０との間の空間を通過するガスの流速に比して低くなるように構成されていてもよい。こうすれば、燃料電池用ケース２０の内圧減圧時に、燃料電池ケースの外部に放出される反応ガスの圧力が、開口部２１に対向する位置に設けられている絶縁性部材４０の端部に局所的にかかることを抑制できる。よって、絶縁性部材４０の剥離および損傷を抑制できる。

（３）第１実施例では、開口部２１が円形状に形成され、絶縁性部材４０が矩形形状に形成されているが、例えば、絶縁性部材４０は、円形状の開口部２１の直径よりも大きな直径を有する円形状に形成され、開口部２１の中心と絶縁性部材４０の中心が一致するように配置されていてもよい。こうすれば、開口部２１の外周から絶縁性部材４０の外周までの距離がどの位置でも等しくなるため、作業性および安全性を確保しつつ、絶縁性部材４０のサイズを小さく形成できる。

（４）第１実施例および第２実施例では、周辺部２５を、断面形状が、上辺が短く下辺が長い台形形状となるように形成しているが、例えば、断面形状が、上辺が長く下辺が短い台形形状、円形、矩形等種々の形状としてもよい。この場合、開口部２１に対向して配置されている絶縁性部材と周辺部２５との距離が、周辺部２５以外と燃料電池スタックとの距離より大きくなるように構成されていれば、ケース内圧減圧時、絶縁性部材へ局所的に圧力がかかることを抑制できる。

（５）第１実施例では、開口部２１は円形状に形成されているが、例えば、矩形形状、台形形状など種々の形状であってもよい。

（６）第１実施例および第２実施例では、絶縁性部材４０、４５は、矩形形状に形成されているが、どのような形状であってもよい。

（７）第１実施例および第２実施例では、減圧手段３０として用いたラプチャーディスクは平面形状で構成されているが、例えば、一般的に利用されている反転型ラプチャーディスク、引張型ラプチャーディスク等を用いても良い。また、第１実施例では、ラプチャーディスクにスコア３２が形成されているが、スコア３２に代えて、スリットやブレードを用いてもよい。

以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。

第１実施例における燃料電池の概略構成を例示する断面図。 第１実施例における減圧手段としてのラプチャーディスクを例示する説明図。 第１実施例における絶縁性部材を説明する説明図。 第１実施例における燃料電池用ケース２０内の圧力の減圧について説明する説明図。 第２実施例における燃料電池の概略構成を例示する断面図。 第２実施例における折り曲げ部４５のバリエーションを表す斜視図。

符号の説明

１、２、３…燃料電池
１０…燃料電池スタック
１１…単位電池
１５、１６…エンドプレート
１７、１８…インシュレータ
１９…ターミナル
２０…燃料電池用ケース
２０ａ…燃料電池用ケース
２１…開口部
２１ａ…開口部
２５…周辺部
２５ａ…周辺部
３０…ラプチャーディスク
３０…減圧手段
３１…破裂部
３１ａ…破裂部位
３１ｂ…破裂開口
３２…スコア
３５…外縁部
４０…絶縁性部材
４５…折り曲げ部
５０…燃料電池用ケース
５１…開口部
５５…周辺部

Claims (4)

1. 燃料電池であって、
   燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを収納するための燃料電池用ケースであって、前記燃料電池用ケース内部の圧力値が予め規定された圧力値を超えると開口部を形成して、前記燃料電池ケース内部の圧力を減圧させる減圧手段を備える燃料電池ケースと、
   前記燃料電池スタックが前記燃料電池ケース内に収容された状態で、前記燃料電池スタック上の、前記開口部に対向する位置に設けられた絶縁性部材と、を備え、
   前記開口部の周辺部と前記絶縁性部材との距離が、前記開口部の周辺部以外と前記燃料電池スタックとの距離に比して大きくなるように、構成されている、
   燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池であって、
   前記燃料電池スタックは、積層方向端部に配置されているエンドプレートと単位電池とを備え、
   前記絶縁性部材は、前記エンドプレートと前記単位電池の間に配置されるとともに、スタックの外側において、前記積層方向に折りまげられている折り曲げ部を有しており、
   前記減圧手段は、前記折り曲げ部の近傍に設けられている、
   燃料電池。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池であって、
   前記絶縁性部材は、前記開口部に対向する部位の表面積が、前記開口部の面積よりも大きく構成されている、
   燃料電池。
4. 請求項１ないし請求項３いずれか記載の燃料電池であって、
   前記燃料電池用ケースは、前記開口部の周辺部が、前記絶縁性部材の外形形状に沿って外側に突状となるよう構成されている、
   燃料電池。

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