(57)【要約】【課題】作業者が誤って感電することを防止することができる安全性の高い燃料電池スタックを提供する。【解決手段】セル積層体２の両端に配し、正極と負極の電力取り出し端子を設けた一対の集電板３と、正極と負極の電力取り出し端子の間に設け、短絡と絶縁を切り替えることができる短絡回路１０と、集電板３の外側に配した一対の端板４と、少なくとも電力取り出し端子を覆う絶縁カバー９とから構成され、絶縁カバー９を取り外すことにより短絡回路１０が正極と負極の電力取り出し端子を短絡させる絶縁／短絡切り替え構造を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル積層体と、前記セル積層体の両端に配し、正極と負極の電力取り出し端子を設けた一対の集電板と、前記正極と前記負極の前記電力取り出し端子の間に設け、短絡と絶縁を切り替えることができる短絡回路と、少なくとも前記電力取り出し端子を覆う絶縁カバーとから構成され、前記絶縁カバーを取り外すことにより前記短絡回路が前記正極と前記負極の前記電力取り出し端子を短絡させる絶縁／短絡切り替え構造を設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記絶縁カバーは、少なくとも前記セル積層体と前記集電板を覆うものであり、前記短絡回路を、前記セル積層体と前記絶縁カバーの間に設けた断熱材と、前記絶縁カバーとの間に配したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記絶縁／短絡切り替え構造は、前記絶縁カバーを前記電力取り出し端子に取り付けた際に、前記絶縁カバーに設けた絶縁凸部が、前記短絡回路の回路途中に挿入されることにより、前記短絡回路を絶縁する請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記絶縁／短絡切り替え構造は、前記絶縁カバーを前記電力取り出し端子に取り付けた際に、前記絶縁カバーに設けた凸部が、前記短絡回路中に設けたノーマルクローズのスイッチを押下することにより、前記短絡回路を絶縁する請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記絶縁／短絡切り替え構造は、前記絶縁カバーと、前記絶縁カバーに設けた凸部と、前記正極と前記負極の前記電力取り出し端子にそれぞれ接続されて外部負荷と接続される外部負荷接続回路とで構成されることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等に使用される燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一対の電極により電解質を挟持し、一方の電極に水素などの燃料ガスを供給し、他方の電極に空気などの酸化剤ガスを供給して、電気化学反応によって電気と熱を同時に発生させるものである。一般的に、この燃料電池の基本的な構成を単セルと呼び、必要な電力を得るためにこの単セルを所定数積層したものを燃料電池スタックと呼ぶ。
【０００３】
さらに燃料電池スタックを発電させるために必要な燃料ガスや酸化剤ガスを供給する供給装置や、発生した電力や熱を系外に取り出すための装置を備えたものを燃料電池システムと呼ぶ。
【０００４】
燃料電池システムは、長期に安定した運転を継続維持するためには、燃料電池システムの運転を停止させて定期的な点検を行うことが必要であり、場合によっては燃料電池スタックを燃料電池システムから取り出す必要がある。燃料電池システムを停止させる際には、燃料電池スタックへのガス供給を停止して発電を停止させるが、燃料電池スタック内の残留ガスにより、正極と負極の電力取り出し端子間に電圧が残る場合がある。この時、正極と負極との電力取り出し端子間を作業者が触ると感電することが考えられる。
【０００５】
そこで、正極と負極を短絡させる短絡回路を持ち、作業時に作業者が短絡回路を動作させて端子間の電位差を解消する燃料電池システムが考案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
図５は従来の燃料電池システムの原理を示す全体構成図である。図５において燃料電池システム１０１は収容容器１０２内に、複数の燃料電池スタック１０３ａ，１０３ｂを収容している。複数の燃料電池スタック１０３ａ，１０３ｂはその負極と正極とを連結用主回路導体１０４により電気的に直列に接続している。
【０００７】
一方の燃料電池スタック１０３ａの正極に正極側主回路導体１０５ａを接続し、他方の燃料電池スタック１０３ｂの負極に負極側主回路導体１０５ｂを接続している。これら正，負一対の主回路導体１０５ａ，１０５ｂは正負一対の出力端子１０６ａ，１０６ｂの内端に接続されて出力回路に構成されており、出力端子１０６ａ，１０６ｂはその外端部を外部に突出させた状態で収納容器１０２に設けて、電力を出力する。
【０００８】
そして、収納容器１０２には、短絡スイッチ１０７と接地スイッチ１０８とを外部から開閉操作し得るように収納した開閉自在の端子箱１０９を設けている。短絡スイッチ１０７は短絡回路１１０の途中に介在されている。短絡回路１１０は抵抗器１１１を介して出力回路１０５ａ，１０５ｂの途中に電気的に接続されている。
【０００９】
この構成の燃料電池システム１０１を停止させる際には、燃料電池スタック１０３ａ，１０３ｂへの燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止させるとともに、作業者が短絡スイッチ１０７を投入して出力回路１０５ａ，１０５ｂを短絡させ、燃料電池スタック中の残留ガスによる出力端子間の電圧を無くしてから燃料電池スタックに触れる必要があった。
【特許文献１】特開平９−１３９２２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の燃料電池スタックでは、以下のような課題があった。
【００１１】
すなわち、従来の燃料電池スタックおよび従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの点検作業時に、作業者が燃料電池スタックに触れる前に短絡回路を手動で動作させる必要があり、操作忘れや誤操作により燃料電池スタックの端子間に電圧が残存する可能性があるという課題があった。
【００１２】
本発明の燃料電池スタックは、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池スタックの端子間に作業者が触れる際には端子間の電位差が解消されている、安全性の高い燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池スタックは、セル積層体と、前記セル積層体の両端に配し、正極と負極の電力取り出し端子を設けた一対の集電板と、前記正極と前記負極の前記電力取り出し端子の間に設け、短絡と絶縁を切り替えることができる短絡回路と、少なくとも前記電力取り出し端子を覆う絶縁カバーとから構成され、前記絶縁カバーを取り外すことにより前記短絡回路が前記正極と負極の電力取り出し端子を短絡させる絶縁／短絡切り替え構造を設けたものである。
【００１４】
これにより、燃料電池スタックの電力取り出し端子に作業者が触れるには、絶縁カバーを燃料電池スタックから取り外さなければならないが、このとき自動的に正極と負極の電力取り出し端子間を短絡回路によって短絡することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池スタックは、作業者が燃料電池スタックの電力取り出し端子に触れる前に自動的に正極と負極の電力取り出し端子間の電位差を解消することができ、作業者が誤って感電することを抑制することができるため、安全性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本願の第１の発明は、セル積層体と、セル積層体の両端に配し、正極と負極の電力取り出し端子を設けた一対の集電板と、正極と負極の電力取り出し端子の間に設け、短絡と絶縁を切り替えることができる短絡回路と、少なくとも電力取り出し端子を覆う絶縁カバーとから構成され、絶縁カバーを取り外すことにより短絡回路が正極と負極の電力取り出し端子を短絡させる絶縁／短絡切り替え構造を設けたことにより、正極と負極の電力取り出し端子に触れるには絶縁カバーを外す必要があり、絶縁カバーを外すことによって正極と負極の電力取り出し端子間の短絡回路が短絡するものである。これにより、電力取り出し端子に触れる際には、自動的に端子間の電位差を解消させることができる。
【００１７】
第２の発明は、第１の発明において、絶縁カバーが、少なくともセル積層体と集電板を覆うものであり、短絡回路をセル積層体と絶縁カバーとの間に設けた断熱材と、絶縁カバーとの間に配したことにより、セル積層体の温度や、セル積層体から漏れ出る極少量の水蒸気を含む反応ガスなどから短絡回路を保護することができ、短絡回路の長期の信頼性を維持することができる。
【００１８】
第３の発明は、第１または第２の発明において、絶縁／短絡切り替え構造が、絶縁カバーを電力取り出し端子に取り付けた際に、絶縁カバーに設けた絶縁凸部が、短絡回路の回路途中に挿入されることにより、短絡回路を絶縁するものであり、比較的簡単な構造で、確実に、絶縁カバーを燃料電池スタックに取り付けている時は絶縁凸部が短絡回路中に介在して短絡回路が絶縁し、絶縁カバーを取り外すと短絡回路が短絡するようにできる。
【００１９】
第４の発明は、第１または第２の発明において、絶縁／短絡切り替え構造が、絶縁カバーを電力取り出し端子に取り付けた際に、絶縁カバーに設けた凸部が、短絡回路中に設けたノーマルクローズのスイッチを押下することにより、短絡回路を絶縁するものであり、比較的簡単な構造で、確実に、絶縁カバーを燃料電池スタックに取り付けている時は、前記凸部が前記スイッチを押下して短絡回路が開回路となって絶縁し、絶縁カバーを取り外すとスイッチが閉となり、短絡回路が閉回路となって短絡するようにできる。
【００２０】
第５の発明は、第３または第４の発明において、絶縁／短絡切り替え構造が、絶縁カバーと、絶縁カバーに設けた凸部と、正極と負極の電力取り出し端子にそれぞれ接続されて外部負荷と接続される外部負荷接続回路とで構成されるものであり、この構成により、燃料電池スタックの外部負荷との接続を切断すると同時に燃料電池スタックの端子間の電位差を解消することができる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における燃料電池スタックの構成図であり、（ａ）は本実施の形態１の燃料電池スタックから絶縁カバーを取り外した状態を示す構成図であり、（ｂ）は絶縁カバーを取り付けた状態を示す構成図である。
【００２２】
図１に示すように、燃料電池スタック１は、複数の単セル（図示せず）を直列に積層したセル積層体２と、セル積層体２の両端に配置した導電性の材料で形成された一対の集電板３ａ，３ｂと、集電板３ａ，３ｂのさらに外側に配置された一対の端板４と、端板４間を締結する締結治具（図示せず）を基本的な構成としている。
【００２３】
なお、単セルは高分子電解質膜を一対の電極で挟持してＭＥＡを形成し、このＭＥＡを、ガス流路を備えた一対のカーボン製セパレータで挟時して作成し、この単セルを複数電気的に直列に積層してセル積層体２を構成した。
【００２４】
さらに、それぞれの集電板３ａ，３ｂには、燃料電池スタック１で発電した電力を取り出すための正極端子５ａと負極端子５ｂがそれぞれ設けてあり、正極端子５ａ，負極端子５ｂに接続された負荷線６を介して、外部負荷７と外部負荷接続回路８により電気的に接続されている。なお、負荷線６は正極端子５ａ，負極端子５ｂとの接続部および外部負荷７との接続部以外は絶縁性の被覆によって電気的に絶縁されている。
【００２５】
さらに燃料電池スタック１の外側には、ポリプロピレンなどの電気絶縁性の材料で形成され、負荷線６が通る貫通穴を備えた絶縁カバー９が設けてあり、絶縁カバー９を燃料電池スタック１に取り付けた状態では、正極端子５ａ，負極端子５ｂおよび正極端子５ａ，負極端子５ｂと負荷線６との接続部に触れることができなくなっている。なお、本実施の形態１の絶縁カバー９には、負荷線６を正極端子５ａ，負極端子５ｂに取り付けた状態で燃料電池スタック１への取り付け／取り外しが可能なように考慮した構造にしてある。
【００２６】
また、正極端子５ａと負極端子５ｂとの間には、絶縁カバー９の内側になる位置に、短絡回路１０を備えている。この短絡回路１０は、抵抗体１１と、絶縁と短絡との切り替えが可能な切替部１２とから構成されており、切替部１２は断面が半円弧状のバネ性を持つ二枚の金属板が半円弧の頂点を向い合せて配置されており、外力や介在物がない通常の状態では二つの半円弧の頂点が接触している。
【００２７】
また、絶縁カバー９の内側で切替部１２のさらに二つの半円弧の頂点が接している位置に対応する部分には、電気的に絶縁性の絶縁凸部１３を設けている。この絶縁凸部１３はくさび形状であり、燃料電池スタック１に絶縁カバー９を取り付けた際に、切替部１２の二つの半円弧の間に挿入されて電気的に絶縁し、短絡回路１０を開回路とするものである。
【００２８】
なお、切替部１２や抵抗体１１、短絡回路１０自体がセル積層体２に接触して単セル間等で短絡を引き起こすことが無いように、必要部以外は電気的に絶縁するように配慮してある。
【００２９】
以上のように構成した燃料電池スタックについて、以下、その動作、作用について説明する。
【００３０】
燃料電池スタック１の点検などの作業を行う際は、外部負荷接続回路８を遮断し、外部負荷７と電気的に絶縁したうえで、燃料電池スタック１への燃料ガスと酸化剤ガスと（以降、この二種類のガスを総じて反応ガスと称する）の供給を停止してやることにより、燃料電池スタック１の発電を停止する。
【００３１】
なお、燃料電池スタックへの反応ガスの供給を停止した際に、窒素などの不活性ガスを燃料電池スタックに供給し、燃料電池スタック内の残留ガスを不活性ガスで置換する手法が取られることもあるが、燃料電池システムが複雑化・巨大化してしまうために、コストや設置性の観点からは好ましくない。
【００３２】
また、燃料電池スタック内のガスを不活性ガスに完全に置換するには、比較的長い時間が必要となるため、作業の効率化の面からも、不活性ガスによるガス置換を行った場合でも、燃料電池スタック内には若干の反応ガスが残留する場合が多いと考えられる。
【００３３】
よって、燃料電池スタックの発電を停止しても、正極端子５ａと負極端子５ｂとの間には、電位差が生じており、誤って両端子間を同時に触ってしまった場合は感電の可能性があるが、本実施の形態の燃料電池スタックは、絶縁カバー９によって正極端子５ａ，負極端子５ｂに触れることが不可能である。
【００３４】
さらに、絶縁カバー９を取り外すと、絶縁カバー９に設けられた絶縁凸部１３が切替部１２から引き抜かれるために、短絡回路１０が閉回路となり、正極端子５ａ，負極端子５ｂ間の電位差が自動的に解消される。
【００３５】
よって、燃料電池スタックの発電停止時に安全に点検作業を行うことが可能である。
【００３６】
なお、本実施の形態では、短絡回路に抵抗体を介在させたが、これは短絡回路を流れる電流を調整するためのものであり、燃料電池スタックを構成する単セルの積層数によって残留電力の大きさが異なるために、単セルの積層数で決定するのが好ましく、積層数が少なく、短絡回路に流れる電流が微少であるのならば、抵抗体を設けなくても良い。
【００３７】
また、なお、本実施の形態では燃料電池スタックを一つとしたが、複数の燃料電池スタックを直列または並列に接続した場合でも、同等の効果が期待できる。この場合、短絡回路は、複数の燃料電池スタックに個別に接続しても、複数台で一つの短絡回路を設けても、端子に触れる前に短絡回路が自動的に動作する構造が取れれば良い。
【００３８】
また、なお、本実施の形態の燃料電池スタックでは、絶縁カバーで燃料電池スタック全体を覆ったが、セル積層体と集電板との導電部のみを覆う絶縁カバーとしても良い。
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における燃料電池スタックを示す構成図であり、（ａ）は本実施の形態２の燃料電池スタックから絶縁カバーを取り外した状態を示す構成図であり、（ｂ）は絶縁カバーを取り付けた状態を示す構成図である。なお、前の実施の形態１と同等の構造については、同じ符号をつけ、詳細な説明は省略する。
【００３９】
図２に示すように、本実施の形態２の燃料電池スタックは、実施の形態１で示した燃料電池スタックと異なり、短絡回路２０の切替部にノーマルクローズのスイッチを設け、絶縁カバー１９に設けた凸部２３で押下する構成としている。
【００４０】
すなわち、正極端子５ａと負極端子５ｂとの間に設けた短絡回路２０は、抵抗体２１と押下式のスイッチ２２によって構成されており、スイッチ２２は外力によって押下されない状態で閉回路となり、外力によって押下されると開回路となるノーマルクローズ式のものである。
【００４１】
また、絶縁カバー１９には、絶縁カバー１９を燃料電池スタック１に取り付けた際にスイッチ２２の押下部に対応する位置に凸部２３が設けてあり、絶縁カバー１９を燃料電池スタック１に取り付けることによって短絡回路２０は電気的に絶縁される。
【００４２】
この構成によって、燃料電池スタックの点検等で燃料電池スタックの発電を停止して、絶縁カバーを取り外すと、短絡回路のスイッチの押下が解消されて閉回路に切り替わり、端子間の電位差が解消される。
【００４３】
よって、燃料電池スタックの発電停止時に安全に点検作業を行うことが可能である。
【００４４】
この構成によって、スイッチの選定により、比較的小さな押圧力で短絡回路を確実に絶縁に切り替えることが可能である。
（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３における燃料電池スタックを示す構造図であり、（ａ）は本実施の形態の燃料電池スタックから絶縁カバーを取り外した状態を示す構造図であり、（ｂ）は絶縁カバーを取り付けた状態を示す構造図である。なお、前の実施の形態２と同等の構造については、同じ符号をつけ、詳細な説明は省略する。
【００４５】
図３に示すように、本実施の形態３の燃料電池スタックは、実施の形態２で示した燃料電池スタックと異なり、正極端子５ａ，負極端子５ｂに外部負荷７を接続する負荷線３２と絶縁カバー３０とを一体部品としてユニット化する構成としている。
【００４６】
すなわち、正極端子５ａと負極端子５ｂとの間に設けた短絡回路２０は、抵抗体２１と押下式のスイッチ２２によって構成されており、スイッチ２２は外力によって押下されない状態で閉回路となり、外力によって押下されると開回路となるノーマルクローズ式のものである。
【００４７】
そして、絶縁カバー３０には、絶縁カバー３０を燃料電池スタック１に取り付けた際にスイッチ２２の押下部に対応する位置に凸部３１が設けてあり、また、正極端子５ａ，負極端子５ｂに対応する位置には、外部回路に接続された負荷線３２が接続された正極側端子受部３３ａ，負極側端子受部３３ｂが設けてあり、負荷線と絶縁カバーが一体のユニットとして構成されている。
【００４８】
本実施の形態３においては、正極側端子受部３３ａ，負極側端子受部３３ｂは、それぞれ、正極端子５ａ，負極端子５ｂが圧入される隙間を残して折り曲げた金属板の一端で、正極端子５ａ，負極端子５ｂが圧入されるのと反対の端部に負荷線３２を接続して構成し、絶縁カバー３０にインサート成形して一体化を行った。
【００４９】
よって、燃料電池スタック１に絶縁カバー３０を取り付けることにより、凸部に３１によって短絡回路２０のスイッチ２２が押下され、短絡回路２０が電気的に絶縁されるとともに、正極端子５ａ，負極端子５ｂが正極側端子受部３３ａ，負極側端子受部３３ｂに挿入され、燃料電池スタック１が外部負荷７と電気的に接続されることになる。
【００５０】
この構成により、燃料電池スタックの作業点検時には、まず、外部負荷の燃料電池スタックからの電力消費を停止させるとともに、燃料電池スタックへの反応ガスの供給を停止させて、燃料電池スタックの発電を停止させる。さらに、絶縁カバーを取り外して外部負荷と燃料電池スタックを切り離すが、このとき短絡回路が短絡して端子間の電位差が解消される。
【００５１】
よって、比較的簡単な構成で燃料電池スタックの発電停止時に安全に点検作業を行うことが可能であり、再度、燃料電池スタックに外部負荷を接続するのも絶縁カバーを取り付けることにより完了するので比較的容易な操作で済むことができる。
（実施の形態４）
図４は本発明の実施の形態４における燃料電池スタックを示す構成図である。
【００５２】
図４に示すように、本実施の形態４の燃料電池スタックは、実施の形態１で示した燃料電池スタックと異なり、セル積層体２，集電板３ａ，３ｂおよび端板４と絶縁カバー９との間に電気絶縁性の断熱材４０を設け、この断熱材４０と絶縁カバー９との間に短絡回路１０を設ける構成としている。
【００５３】
この構成によって、燃料電池スタックの発電／停止の繰り返しによる温度変動に起因する短絡回路１０への結露や、燃料電池スタックに供給する反応ガスに含まれる水蒸気の外部への漏洩による短絡回路１０の侵食を断熱材によって抑制することが可能であり、長期にわたる安全性を確保することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明にかかる燃料電池スタックは、作業者が誤って感電することを抑制することができる安全性が高い燃料電池スタックであり、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等の用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施の形態１の燃料電池スタックを示す構成図
【図２】本実施の形態２の燃料電池スタックを示す構成図
【図３】本実施の形態３の燃料電池スタックを示す構成図
【図４】本実施の形態４の燃料電池スタックを示す構成図
【図５】従来の燃料電池システムの原理を示す全体構成図
【符号の説明】
【００５６】
１    燃料電池スタック
２    セル積層体
３ａ，３ｂ    集電板
４    端板
５ａ    正極端子
５ｂ    負極端子
６，３２    負荷線
７    外部負荷
８    外部負荷接続回路
９，１９，３０    絶縁カバー
１０，２０    短絡回路
１１，２１    抵抗体
１２    切替部
１３    絶縁凸部
２２    スイッチ
２３，３１    凸部
３３ａ    正極側端子受部
３３ｂ    負極側端子受部
４０    断熱材
【図１】
2010009755.tif 000003
【図２】
2010009755.tif 000004
【図３】
2010009755.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010009755.tif 000007