(57)【要約】【課題】  製造原価の上昇を招くことなく、燃料電池からの燃料ガスの漏れを確実に防止する。【解決手段】  セパレータ７，９の外周側縁部を、固定高分子膜１の外周側縁部より外側に突出させ、この各セパレータ７，９の突出部位相互間に、燃料電池の燃料ガス流路７ａを流れる燃料ガスの外部への漏出を抑える圧力を備えた空気が流れるシール用空気流路１９を設ける。シール用空気流路１９には、燃料電池の空気流路９ａに供給する酸化剤ガスである空気の一部を流す。シール用空気流路１９の内側には内シール材１５，１７を備えた内シール部１８を、シール用空気流路１９の外側には外シール材２３，２５を備えた外シール部２６を、それぞれ設ける。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両側に電極を備えた固体高分子膜を一対のセパレータで挟んで構成し、前記一方の電極と前記セパレータとの間に燃料ガスを、前記他方の電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガスをそれぞれ供給して発電する燃料電池において、前記セパレータの外周側縁部を、前記固体高分子膜の外周側縁部より外側に突出させ、この各セパレータの突出部位相互間に、前記燃料ガスの外部への漏出を抑えるガスが流れる燃料ガス捕獲用流路を設けたことを特徴とする燃料電池のシール構造。
【請求項２】
前記燃料ガス捕獲用流路の両側の前記セパレータ相互間に、シール部をそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のシール構造。
【請求項３】
燃料電池運転中、前記燃料ガス捕獲用流路に常にガスを流し続け、これらを所定の方法で回収し、排出することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池のシール構造。
【請求項４】
前記燃料ガス捕獲用流路に流すガスの圧力を、燃料電池の運転圧と同等もしくはそれ以上とすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池のシール構造。
【請求項５】
前記燃料ガス捕獲用流路に空気を流すことを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池のシール構造。
【請求項６】
前記燃料ガス捕獲用流路に加湿された空気を流すことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池のシール構造。
【請求項７】
前記燃料ガス捕獲用流路に、前記他方の電極と前記セパレータとの間に供給する酸化剤ガスの一部を流すことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池のシール構造。
【請求項８】
前記燃料ガス捕獲用流路を酸化剤ガスの入口および出口マニホールドに接続し、燃料電池運転開始と同時に、当該流路に酸化剤ガスが供給され、排出されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池のシール構造。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載のシール構造を備えた燃料電池を、密閉構造のケース内に収容することを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、両側に電極を備えた固体高分子膜を一対のセパレータで挟んで構成し、一方の電極とセパレータとの間に燃料ガスを、他方の電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガスをそれぞれ供給して発電する燃料電池のシール構造および燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池における燃料ガスの漏れを防ぐためのシール構造として、例えば下記特許文献１には、セパレータの外周側の固体高分子膜に対向する部位に溝を設け、この溝に液状シールを設置する点が記載され、また下記特許文献２には、固体高分子膜を両側から挟み込むセパレータの双方にゴムなどからなるシール材を設定し、固体高分子膜を当該シール材で挟み込む方法が記載されるなど、燃料電池から燃料ガスの漏れを防止する構造が各種提案されている。
【０００３】
その他、例えば下記特許文献３に記載されているように、燃料電池を格納するスタックケース内に冷却液を満たし、冷却液の循環回路中に気液分離器を設置することにより、燃料ガスを回収する構造や、スタックケース内を運転圧と同等か若干高圧にすることにより、燃料ガス漏れを抑える構造も提案されている。
【特許文献１】特開２００１−３１９６６８号公報
【特許文献２】特開２００２−４２８３７号公報
【特許文献３】特開２００２−１３４１３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した特許文献１，２に記載のシール構造のように、通常使用されるシール材を用いて燃料ガス漏れを抑える構造では、燃料電池に使用する燃料ガスの漏れを完全に防止することは極めて難しく、このため通常では、燃料電池をケース内に格納し、ケース内部を掃気することにより、漏れた燃料ガスを、可燃限界以下でケース外部に排出する構造を採用することが一般的に行われている。
【０００５】
ところで、このような燃料電池を自動車に搭載する場合には、燃料電池を車両床下に配置することが多い。このため、（１）水かかりや水没に対してケース内に水の浸入がないこと、（２）ケース内に漏洩した燃料ガスが車室内に侵入しないこと、（３）ケース内への塵や埃の進入がないこと、などが求められる。
【０００６】
しかしながら、一般的に採用されているスタックケースの換気方式では、ケースに接続する吸・排気ダクトを、水没がなくかつ車室内へ燃料ガスが進入しない位置に引きまわす必要があり、また、塵や埃を防ぐために吸・排気ダクトの途中にフィルタなどを設置する必要がある。このため、部品点数、車両重量、製造工数が増大し、製造原価が上がるという問題がある。また、ケース内を換気する換気装置が故障すると、燃料ガスの排気が不可能となり、さらに部品増によるスペース効率の悪化も発生する。
【０００７】
一方、特許文献３に記載のものは、燃料電池を冷却液を満たしたスタックケースに収容するという、大がかりな構造となり、上記と同様に、製造原価の上昇を招く。
【０００８】
そこで、本発明は、製造原価の上昇を招くことなく、燃料電池からの燃料ガスの漏れを確実に防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、両側に電極を備えた固体高分子膜を一対のセパレータで挟んで構成し、前記一方の電極と前記セパレータとの間に燃料ガスを、前記他方の電極と前記セパレータとの間に酸化剤ガスをそれぞれ供給して発電する燃料電池において、前記セパレータの外周側縁部を、前記固体高分子膜の外周側縁部より外側に突出させ、この各セパレータの突出部位相互間に、前記燃料ガスの外部への漏出を抑えるガスが流れる燃料ガス捕獲用流路を設けたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、固定高分子膜の外周側縁部より外側に突出させたセパレータの突出部位相互間に、燃料ガスの外部への漏出を抑えるガスが流れる燃料ガス捕獲用流路を設けたので、この燃料ガス捕獲用流路を流れるガスによって内部の燃料ガスの外部への漏れを確実に抑えることができる。この場合、セパレータ相互間に燃料ガス捕獲用流路を形成するという、簡便な構造であり、部品点数の増加も抑えかつ組立も容易であり、したがって製造原価の上昇を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係わる燃料電池の一部を示す断面図である。この燃料電池は、固定高分子膜１の一方の側にアノード電極３を、他方の側にカソード電極５をそれぞれ配置し、さらにその各外側にアノード側セパレータ７およびカソード側セパレータ９をそれぞれ配置する。すなわち、この燃料電池は、両側に電極３，５を備えた固体高分子膜１を一対のセパレータ７，９で挟んで構成している。
【００１３】
ここで、固定高分子膜１は、アノード、カソード各電極３，５に対して外周側縁部が外側に突出しており、また各セパレータ７，９は、固定高分子膜１に対して外周側縁部がさらに外側に突出している。
【００１４】
上記したアノード電極３に対向する位置のアノード側セパレータ７には、燃料ガスとして水素を流す燃料ガス流路７ａを形成し、カソード電極５に対向する位置のカソード側セパレータ９には、酸化剤ガスとして空気を流す酸化剤ガス流路９ａを形成する。
【００１５】
固定高分子膜１の各電極３，５から外側に突出した突出部１ａの両側には、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）からなる内シールキャリア１１，１３を設け、内シールキャリア１１，１３の各セパレータ７，９側には、例えばシリコンゴムからなる内シール材１５，１７を一体化して設けている。そして、この各内シール材１５，１７に対応して各セパレータ７，９には、内シール溝７ｂ，９ｂをそれぞれ形成する。
【００１６】
上記した内シールキャリア１１，１３および内シール材１５，１７を備えたシール部を内シール部１８とする。
【００１７】
固定高分子膜１の外周縁部より外側に突出した突出部位における各セパレータ７，９の互いに対向する面には、空気流路溝７ｃ，９ｃをそれぞれ設け、これら各空気流路溝７ｃ，９ｃ相互間で形成する空間を、燃料ガスの外部への漏出を抑える圧力を備えたガスである空気が流れる燃料ガス捕獲用流路となるシール用空気流路１９とする。
【００１８】
さらに、このシール用空気流路１９の外側の各セパレータ７，９相互間には、例えばＰＥＴからなる外シールキャリア２１を設け、外シールキャリア２１の各セパレータ７，９側には、例えばシリコンゴムからなる外シール材２３，２５を一体化して設けている。そして、この各内シール材２３，２５に対応して各セパレータ７，９には、外シール溝７ｄ，９ｄをそれぞれ形成する。
【００１９】
上記した外シールキャリア２１および外シール材２３，２５を備えたシール部を外シール部２６とする。
【００２０】
したがって、シール用空気流路１９の両側のセパレータ７，９相互間に、シール部１８，２６をそれぞれ設けたことになる。
【００２１】
上記した内および外シールキャリア１１，１３および２１は、各セパレータ７，９相互の間隔を保持するいわゆるスペーサの役目を果たすとともに、ガス拡散電極である前記したアノード，カソード各電極３，５に対する潰し代を適切に管理し、さらに内および外シール材１５，１７および２３，２５とともに燃料および空気をシールする役目も果たす。また、内シールキャリア１１，１３は、固体高分子膜１の形状を保持する役目も果たす。
【００２２】
なお、上記した内および外シール材１５，１７および２３，２５は、内および外シールキャリア１１，１３および２１に対して接着してもよく、また通常のＯリングや液状ガスケットを使用してもよい。
【００２３】
図２は、アノード側セパレータ７の、燃料ガス流路７ａを備えた側から見た平面図である。アノード側セパレータ７は、燃料ガス流路７ａの図２中で上辺部の左端部に、燃料ガス入口マニホールド用の貫通孔７ｅを、燃料ガス流路７ａの図２中で下辺部の右端部に、燃料ガス出口マニホールド用の貫通孔７ｆを、それぞれ形成してある。
【００２４】
これら各燃料ガス入口マニホールドおよび燃料ガス出口マニホールドは、図１に示した燃料電池全体を図１中で左右方向に貫通して設けてあり、燃料電池外部から燃料ガス入口マニホールドに供給する燃料ガスは、図２の貫通孔７ｅから燃料ガス流路７ａに供給されて発電に使用され、その後余剰分が貫通孔７ｆに流出して燃料ガス出口マニホールドから燃料電池外部へ排出される。
【００２５】
また、燃料ガス流路７ａの図２中で右辺部の下部に、酸化剤ガス入口マニホールド用の貫通孔７ｇを、燃料ガス流路７ａの図２中で左辺部の上部に、酸化剤ガス出口マニホールド用の貫通孔７ｈを、それぞれ形成してある。燃料電池外部から酸化剤ガス入口マニホールドに供給する空気は、図２の貫通孔７ｇから図１に示してある酸化剤ガス流路９ａに供給されて発電に使用され、その後余剰分が貫通孔７ｈに流出して酸化剤ガス出口マニホールドから燃料電池外部へ排出される。
【００２６】
さらに、燃料ガス流路７ａの図２中で下辺部の左端部に、冷却水入口マニホールド用の貫通孔７ｉを、燃料ガス流路７ａの図２中で上辺部の右端部に、冷却水出口マニホールド用の貫通孔７ｊを、それぞれ形成してある。
【００２７】
燃料電池外部から冷却水入口マニホールドに供給する冷却水は、図２の貫通孔７ｉから、例えばアノード側セパレータ７の燃料ガス流路７ａと反対側の面に形成する図示しない冷却水流路に供給されて燃料電池を冷却し、その後貫通孔７ｊに流出して冷却水出口マニホールドから燃料電池外部へ排出される。
【００２８】
ここで、内シール溝７ｂは、燃料ガスが流通する貫通孔７ｅ，７ｆを含む燃料ガス流路７ａの周囲を囲むとともに、空気が流通する貫通孔７ｇ，７ｈの周囲および冷却水が流通する貫通孔７ｉ，７ｊの周囲をそれぞれ囲むように形成してある。
【００２９】
そして、この内シール溝７ｂの外側に位置する空気流路溝７ｃは、酸化剤ガスとしての空気が流れる貫通孔７ｇ，７ｈにそれぞれ連通している。すあわち、図１に示したシール用空気流路１９には、燃料電池の発電に使用する空気の一部を流すことになる。
【００３０】
また、外シール溝７ｄは、空気が流通する貫通孔７ｇ，７ｈの外側をも囲むように、空気流路溝７ｃの外側に形成する。
【００３１】
なお、アノード側セパレータ７の四隅に形成してある丸孔７ｋは、燃料電池の各構成部材を固定するための例えば締結用ボルトを挿入する孔である。
【００３２】
アノード側セパレータ７は、上記のように形成してあるが、カソード側セパレータ９もアノード側セパレータ７と基本的に同様である。ただし、カソード側セパレータ９は、図１に示してある酸化剤ガス流路９ａに、空気が流通する貫通孔７ｇ，７ｈがそれぞれ連通する点が、アノード側セパレータ７と異なっている。
【００３３】
ここで、燃料電池の運転中は、シール用空気流路１９を流れる空気の圧力を、燃料ガス流路７ａを流れる燃料ガスの圧力とほぼ同等もしくはそれ以上とする。
【００３４】
このとき通常は、内シール部１８により、各反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）がシールされている。そして、上記内シール部１８に微小な欠陥やゆがみなどが発生し、燃料ガスが外部に漏れ出そうとした場合には、図３に示すように、シール用空気流路１９を流れる空気の圧力Ｐにより、内シール部１８から漏れようとする燃料ガスを、矢印Ａで示す方向に抑え、この結果燃料ガスの漏れ抑えて外部への流出を防止することができる。
【００３５】
また、図４に示すように、内シール材１５が破断するなどの欠陥部２７が発生し、この欠陥部２７から、燃料ガス流路７ａを流れる燃料ガスＧが矢印Ｂのように漏れ、矢印Ｃのようにシール用空気流路１９に侵入しても、その外側に外シール部２６があるので、上記漏れた燃料ガスが燃料電池の外部に漏れることはない。
【００３６】
さらに、外シール部２６と内シール部１８との間のシール用空気流路１９を流れる空気Ａは、燃料電池運転中は常に酸化剤ガス入口マニホールドから同出口マニホールドに向かって流れる空気の一部を利用しているため、常時流れており、したがって、矢印Ｃで示す漏れた燃料ガスはシール用空気流路１９内を流れる空気Ａによって希釈された状態で燃料電池の外部へ排出される。
【００３７】
シール用空気流路１９を流れる空気Ａとともに排出される燃料ガスは、反応後の排気とともに、図示しない例えば燃焼器に送って回収し、燃焼後に大気中に放出する。このため、内シール部１８から漏れた燃料ガスがそのまま燃料電池の外部へ漏れることを防止できる。
【００３８】
そして、本実施形態によるシール構造では、各セパレータ７，９相互間にシール用空気流路１９を形成すればよく、またシール用空気流路１９に流す空気として、燃料電池に供給する酸化剤ガスである空気の一部を利用していることから、専用の空気供給装置が不要であるなど、構造が簡便であり、部品点数の増加も抑えかつ組立も容易であり、したがって製造原価の上昇を抑えることができる。
【００３９】
なお、上記した実施形態では、シール用空気流路１９に流す空気を、燃料電池に供給する酸化剤ガスである空気の一部としているが、燃料電池に供給する前の加湿前の酸化剤ガスや、専用の空気供給システムを使用してもよい。
【００４０】
図５は、上記したシール構造を備えた燃料電池単体を多数積層して構成した燃料電池スタック２９を、密閉構造のケース３１内に収容している。
【００４１】
図５において、水素タンク３３内の水素は、水素供給配管３５を通り、水素循環装置３７を経て燃料電池スタック２９に供給され、燃料電池スタック２９から排出される余剰の水素は、水素循環配管３９を経て水素循環装置３７に戻り、燃料電池スタック２９に再度供給される。
【００４２】
一方、コンプレッサ４１によりエアクリーナ４３を経て導入する空気は、空気供給配管４５を流れて燃料電池スタック２９に供給され、燃料電池スタック２９から排出される排気は、排気管４７を経て燃焼器４９にて排気中に含まれる漏洩水素の燃焼に使用する。
【００４３】
また、ケース３１の下部には、ドレンバルブ５１を備えたドレンパイプ５３を接続し、ドレンバルブ５１の開放によってケース３１内に溜まった水を排出する。一方、ケース３１の上部には、排気バルブ５５を備えた排気ダクト５７を接続し、運転中の燃料電池スタック２９の停止後に、排気バルブ５５を開放して内圧を逃がす。
【００４４】
上記したドレンバルブ５１は、ケース３１内部に水が溜まることを考慮し、適宜短時間のみ開く。排気バルブ５５は燃料電池スタック２９の運転中常時閉とし、燃料電池スタック２９の運転が停止した後、燃料電池スタック２９内外の圧力差によるスタックの損傷を防ぐため、またケース３１内部の水素濃度が可燃限界を超えるなどの不測の事態に陥ったとき、他のフェールセーフ機能と連動して開く構造とする。
【００４５】
通常の運転時は、ケース３１内に収容した燃料電池スタック２９が、上記図１に示したシール構造を備えていることで、燃料ガスがスタック外部に極めて漏れにくく、したがってケース３１内を換気する必要がない。よって、排気バルブ５５は閉じたままでよい。こうすることで、水・塵・埃のケース３１内への進入を防ぐことができる。
【００４６】
図６は、図５の通常の状態から前記図４で示したようにシール構造に不具合が発生し、さらに外シール部２６にも不具合が発生して燃料電池スタック２９の外部に、システムのフェールセーフ機能が働かない程度の空気および燃料ガスが漏れ出した場合を示す。
【００４７】
この場合は、ケース３１内は燃料電池スタック２９から漏れた空気および、空気で希釈された燃料ガスで満たされ始める。このときケース３１内の圧力Ｐ1が、燃料電池スタック２９内の燃料・空気の圧力Ｐ2と等しくなった時点で、燃料電池スタック２９からのケース３１内へのガス漏れを抑えることができる。また、ここでも排気バルブ５５は閉状態のため、水・塵・埃のケース３１内への浸入はない。
【００４８】
図７は、燃料電池スタック２９の運転を停止するときの状態を示す。このとき排気バルブ５５を開いてケース３１内の圧力を開放し、停止後の燃料電池スタック２９内の圧力とケース３１内部の圧力を下げるとともに、ケース３１内部の希釈された燃料ガスをケース３１の外部に放出する。
【００４９】
図８は、図５〜７に示した例に対する比較例である。ここでは、燃料電池スタック２９０を収容するケース３１０内は、燃料ガスが溜まらないように、換気導入ダクト１０１に設けた換気ファン１０３により常時換気されている。換気導入ダクト１０１の換気導入側の端部には、換気用エアフィルタ１０５を設けている。
【００５０】
ケース３１０には、Ｈ2センサ１０７を設置し、このＨ2センサ１０７が、設定値（通常は可燃限界以下）を超える水素濃度を検知したときに、燃料電池スタック２９０を含むシステム全体を緊急停止させる。その他、ケース３１０の上部に換気排出ダクト１０９を設ける以外は、前記した図５の構成と同様であり、図５と同一部分には同一符号を付してある。
【００５１】
上記図８に示した比較例の場合には、燃料電池スタック２９の運転中は、水素がケース３１内に滞留しないよう常に換気ファン１０３を回している。ここで例えば換気ファン１０３が故障などにより停止したり、換気導入ダクト１０１や換気排出ダクト１０９の詰まりや外れなどにより換気ができなかったり、これら換気導入ダクト１０１や換気排出ダクト１０９から水・塵・埃などが進入することによる燃料電池スタック２９０の故障が考えられる。
【００５２】
一方、前記図５〜図７に示した本発明による構造では、換気導入ダクト１０１や換気ファン１０３が不要であり、また排気ダクト５７は、通常の運転時には常に排気バルブ５５によって閉じているので、水・塵・埃などのケース３１内への侵入を防止できる。
【００５３】
本発明によれば、前記燃料ガス捕獲用流路の両側の前記セパレータ相互間に、シール部をそれぞれ設けたので、燃料ガスの燃料電池外部への漏れをより確実に抑えることができる。
【００５４】
また、燃料電池運転中、前記燃料ガス捕獲用流路に常にガスを流し続け、これらを所定の方法で回収し、排出するようにしたので、燃料ガスは、そのまま燃料電池の外部へ漏れることなく、ガスにより希釈された状態で燃料電池外部に排出することができる。
【００５５】
前記燃料ガス捕獲用流路に流すガスの圧力を、燃料電池の運転圧と同等もしくはそれ以上の圧力で流すようにしたので、燃料ガスの回収、排出を確実に行うことができる。
【００５６】
前記燃料ガス捕獲用流路に空気を流して使用するようにしたので、燃料ガスは空気により希釈された状態で燃料電池外部に排出することができる。
【００５７】
前記燃料ガス捕獲用流路に加湿された空気を使用するようにしたので、燃料ガスは加湿された空気により希釈された状態で燃料電池外部に排出することができる。
【００５８】
前記燃料ガス捕獲用流路に、前記他方の電極と前記セパレータとの間に供給する酸化剤ガスの一部を流すようにしたので、専用の空気供給装置が不要であり、製造原価の上昇を抑えることができる。
【００５９】
前記燃料ガス捕獲用流路を酸化剤ガスの入口および出口マニホールドに接続し、燃料電池運転開始と同時に、当該流路に酸化剤ガスが供給され、排出されるようにしたので、燃料電池の運転中は常に燃料ガスの外部への漏れを抑えることができる。
【００６０】
上記したシール構造を備えた燃料電池を、密閉構造のケース内に収容することで、シール部に不具合が起こり、システムのフェールセーフが働かない程度の軽微な燃料ガス漏れが発生した場合に、この漏洩燃料ガスは空気流路を流れる空気とともにケース内へ流出して空気により希釈されるため、可燃ガスである燃料ガスが高濃度で燃料電池の外部へ排出されることを防止できる。このとき、ケース内の圧力と燃料電池内のガス圧力とが同等となった時点で、燃料電池からのガス漏れの進行を阻止することができる。また、密閉構造のケースを使用することで、ケース内への水・塵・埃などの異物の進入を防止でき、燃料電池の運転環境を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態に係わる燃料電池の一部を示す断面図である。
【図２】図１の燃料電池におけるアノード側セパレータの燃料ガス流路を備えた側から見た平面図である。
【図３】図１のシール構造による動作説明図である。
【図４】図１のシール構造による内シール材に欠陥部が発生した場合の動作説明図である。
【図５】図１のシール構造を備えた燃料電池単体を多数積層して構成した燃料電池スタックを、密閉構造のケース内に収容した状態を示すシステム全体構成図である。
【図６】図５の通常の状態から図４で示したようなシール構造に不具合が発生した場合の動作説明図である。
【図７】図５における燃料電池スタックの運転を停止するときの状態を示す動作説明図である。
【図８】図５〜７に示した例に対する比較例を示す動作説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  固体高分子膜
３  アノード側電極
５  カソード側電極
７  アノード側セパレータ
９  カソード側セパレータ
１８  内シール部（シール部）
１９  シール用空気流路（燃料ガス捕獲用流路）
２６  外シール部（シール部）
３１  密閉構造のケース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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