JP2002075415A - 発電原理教育用の固体高分子型燃料電池機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素を過剰に供給する必要がなく、バブラー
の水が逆流して燃料極をぬらす恐れおよび電動式空気ポ
ンプと空気極とのあいだの酸素が消費されて電動式空気
ポンプが始動できない恐れのない発電原理教育用の固体
高分子型燃料電池機器を提供する。 【解決手段】 燃料入口側に水素の注入口を備えた水素
収納袋を接続し、燃料出口側に空気の流入を防ぐ逃し弁
を接続する。水素収納袋は、燃料極に過剰な圧力をかけ
ず適量の水素を貯蔵し、燃料極で使用された量を供給す
る。逃し弁は、空気の流入を防止すると共に、燃料出口
側が高い圧力になるのを防止する。空気入口側に発電し
た電力で駆動する電動式空気ポンプと、手動式空気ポン
プとを接続する。手動式空気ポンプは、電動式空気ポン
プと空気極とのあいだの酸素が消費された場合に手動で
空気を送り込み、電動式空気ポンプの稼動を可能にす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水素と空気から電力
を発生する燃料電池の発電原理を小学校や中学校または
一般を対象に教育するためにデモンストレーション用の
教材として用いられる固体高分子型燃料電池機器に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、ジェミニ、アポロ、スペー
スシャトルなどの宇宙船の電源として用いられており、
アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、固体高分子型燃料電池
（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭
酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池
（ＳＯＦＣ）、メタノール直接型燃料電池（ＤＭＦ
Ｃ）、ジメチルエーテル直接型燃料電池などが、研究開
発されている。燃料電池は、発電効率が高く、排ガスが
クリーンで、廃熱を用いて温水利用が可能なことから、
火力発電の代替や家庭用コジェネ電源、電気自動車用電
源などとしての実用化が期待されている。

【０００３】自動車排ガスによる酸性雨の問題や炭酸ガ
スの排出量削減、石油の代替燃料といった課題に対し
て、燃料電池は、太陽電池や風力発電などの新エネルギ
ー発電技術と共に、広く実用化されることが望まれてい
る。太陽電池については、小学校の教科書で紹介され、
教材も容易に入手できるが、燃料電池については、小学
校はおろか中学校、高校でも取り扱われていない。これ
は、燃料電池の発電原理の説明はできても、発電原理が
目で見て分かるような適当な教材がなく、また、そのよ
うな教材では水素を取り扱うことも、教材として用いら
れていない１つの原因と考えられる。

【０００４】燃料電池の発電原理をデモンストレーショ
ンする場合、室温で動作が可能で、電解質が取り扱いの
難しい液体の酸やアルカリではなく、固体高分子で構成
されている固体高分子型燃料電池が適している。

【０００５】従来の発電原理教育用の固体高分子型燃料
電池機器としては、一般向けの説明用機器として図２に
示すものがあった。図２において、１は空気極、２は固
体高分子電解質膜、３は燃料極、４は固体高分子型燃料
電池単セル、５は燃料ガスマニホールド、６は空気マニ
ホールド、７は水素の入ったスプレー缶、８は水素流量
調節ネジ、９は水素供給シリコーンチューブ、１０は水
素入口プラグ、１１は水素出口プラグ、１２は水素排出
シリコーンチューブ、１３はバブリングプラグ、１４は
バブラー、１５は水、１６は水素排出口、１７は電動式
空気ポンプ、１８は空気供給シリコーンチューブ、１９
は空気入口プラグ、２０は空気出口プラグ、２１はデモ
ンストレーション用外部負荷（豆電球）、Ａは水素、Ｂ
は空気である。

【０００６】燃料電池の発電についてのデモンストレー
ションをするときは、水素供給シリコーンチューブ９に
水素の入ったスプレー缶７をつないで、水素排出シリコ
ーンチューブ１２をバブリングプラグ１３につないで、
水素流量調節ネジ８をゆるめて、燃料ガスマニホールド
５を通って水素Ａの出る様子をバブラー１４からの泡の
出る様子で観察しながら水素流量調節ネジ８を調節す
る。

【０００７】固体高分子型燃料電池単セルに起電力が生
じると電動式空気ポンプ１７が駆動して大気の空気Ｂを
空気供給シリコーンチューブ１８から空気マニホールド
６に供給する。これによって固体高分子型燃料電池単セ
ルでの発電が継続され、外部負荷の豆電球がともって、
誰の目にも発電していることが分かる。実際には、出力
電圧を高めるために、固体高分子型燃料電池単セルより
も、３つの単セルを積層した３セルスタックを用いるこ
とが多い。その場合にも、水素供給および空気供給の機
構は単セルの場合と同じものが用いられる。

【０００８】従来の発電原理教育用の固体高分子型燃料
電池機器は、一般向けの説明用機器としては、便利であ
り、燃料電池のしくみがよくわかってもらえる。しかし
ながら、燃料系について、水素Ａが水素排出口１６から
常に排出されるために、水素の使用量が多く、５リット
ル入りの水素スプレー缶も１５分程度で空になってしま
う。また、デモンストレーションを行なう部屋では禁煙
にするなどの対策が必要であった。また、外部負荷を切
った場合に、バブラー１４の中の水１５が固体高分子型
燃料電池単セル（またはセルスタック）内に取り込まれ
て、燃料極が水浸しになるという問題点があった。

【０００９】なお、水素スプレー缶７から送り込む水素
Ａが少なすぎると、水素供給量よりも水素消費量の方が
多くなり、やはり、バブラー１４の中の水１５が固体高
分子型燃料電池単セル（またはセルスタック）内に取り
込まれて、燃料極が水浸しになるおそれがある。逆に、
水素スプレー缶から送り込む水素が多すぎると、デモン
ストレーション可能な発電時間が短くなり、また部屋の
なかに未反応の水素が充満するという問題点があった。
さらに、水素供給圧力が大きすぎると燃料極側の圧力が
高くなりすぎて、空気極側とのあいだに大きな圧力差が
生じ、ガスシールが悪化したり、固体高分子電解質膜２
が破れるなどの恐れがあった。

【００１０】一方、空気系については、固体高分子型燃
料電池の発電が停止した際に、電動式空気ポンプ１７は
停止するが、電動式空気ポンプ１７と空気入口プラグ１
９のあいだの空気供給シリコーンチューブ１８内の酸素
が消費されてしまい、つぎに起動した場合に、空気極側
に酸素がなくなっているために、起電力が得られず、電
動式空気ポンプが始動できない不具合がしばしば起こ
る。その度に空気供給シリコーンチューブ１８を空気ポ
ンプ１７から外して口から直接空気Ｂを空気供給シリコ
ーンチューブ１８に送り込み空気極に空気を供給し、起
電力が生じて空気ポンプが始動を開始してから、再度空
気供給シリコーンチューブ１８を空気ポンプ１７につな
がなければならないという問題点があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
発電原理教育用の固体高分子型燃料電池機器は、水素を
過剰に供給する必要があり、バブラーの水が逆流して燃
料極をぬらしてしまう恐れがあった。また、電動式空気
ポンプと空気極とのあいだの酸素が消費されてしまい、
電動式空気ポンプが始動できない恐れがあった。

【００１２】本発明は、前述のような従来の欠点を解決
するためになされたものであり、水素を必要量のみ供給
するようにして水素の無駄を防ぐと共に、部屋に排出さ
れる未反応の水素量を極力少なくすることを目的とす
る。また、電動式空気ポンプと空気極とのあいだの酸素
が消費されてしまった場合でも容易に電動式空気ポンプ
が始動できるようにすることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、固体高分子型
燃料電池の発電原理を教えるために用いられる固体高分
子型燃料電池機器であって、固体高分子型燃料電池が単
セルで、または複数の単セルを積層して構成されてお
り、固体高分子型燃料電池の燃料入口側に水素の注入口
を備えた水素収納袋を接続し、燃料出口側に空気の流入
を防ぐ逃し弁を接続したことを特徴とする発電原理教育
用の固体高分子型燃料電池機器（請求項１）、固体高分
子型燃料電池の発電原理を教えるために用いられる固体
高分子型燃料電池機器であって、固体高分子型燃料電池
が単セルで、または複数の単セルを積層して構成されて
おり、固体高分子型燃料電池の空気入口側に固体高分子
型燃料電池で発電した電力で駆動する電動式空気ポンプ
と、手動式空気ポンプとを接続したことを特徴とする発
電原理教育用の固体高分子型燃料電池機器（請求項２）
および固体高分子型燃料電池の発電原理を教えるために
用いられる固体高分子型燃料電池機器であって、固体高
分子型燃料電池が単セルで、または複数の単セルを積層
して構成されており、固体高分子型燃料電池の燃料入口
側に水素の注入口を備えた水素収納袋を接続し、燃料出
口側に空気の流入を防ぐ逃し弁を接続し、固体高分子型
燃料電池の空気入口側に固体高分子型燃料電池で発電し
た電力で駆動する電動式空気ポンプと、手動式空気ポン
プとを接続したことを特徴とする発電原理教育用の固体
高分子型燃料電池機器（請求項３）にかかわる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図１に示す実施の形態に基
づいて従来と同一または相当部分には同一符号を付して
本発明の構成とその作用を説明する。

【００１５】本発明の請求項１および３にかかる発電原
理教育用の固体高分子型燃料電池機器は、固体高分子型
燃料電池の燃料入口側に水素の注入口を備えた水素収納
袋２２を接続し、燃料出口側に空気の流入を防ぐ逃し弁
３０を接続したもので、水素収納袋２２は、燃料極３に
過剰な圧力をかけることなく適量の水素を貯蔵し、燃料
極３で使用された分量を供給する。また、見た目にも、
貯蔵されている水素の消費状況を分かりやすくする。ま
た、燃料出口側の逃し弁３０は、空気の流入を防止する
と共に、燃料出口側が高い圧力になることを防止する。

【００１６】本発明の請求項２および３にかかる発電原
理教育用の固体高分子型燃料電池機器は、固体高分子型
燃料電池の空気入口側に固体高分子型燃料電池で発電し
た電力で駆動する電動式空気ポンプ１７と、手動式空気
ポンプ３１とを接続したもので、手動式空気ポンプ３１
は電動式空気ポンプ１７と空気極１とのあいだの酸素が
消費されてしまった場合に、手動で空気を送り込んで電
動式空気ポンプ１７の稼動を可能にする。

【００１７】実施の形態１（請求項１、２および３） 図１は、実施の形態１による発電原理教育用の固体高分
子型燃料電池機器の構成を示す模式図である。図１にお
いて、１は空気極、２は固体高分子電解質膜、３は燃料
極、４は固体高分子型燃料電池単セル、５は燃料ガスマ
ニホールド、６は空気マニホールド、７は水素の入った
スプレー缶、８は水素流量調節ネジ、９は水素供給シリ
コーンチューブ、１０は水素入口プラグ、１１は水素出
口プラグ、１２は水素排出シリコーンチューブ、１３は
バブリングプラグ、１４はバブラー、１５は水、１６は
水素排出口、１７は電動式空気ポンプ、１８は空気供給
シリコーンチューブ、１９は空気入口プラグ、２０は空
気出口プラグ、２１はデモンストレーション用外部負荷
（豆電球）、２２は水素収納袋、２３は水素収納袋から
の水素出口プラグ、２４は水素収納袋からの水素排出用
開閉コック、２５は水素充填プラグ、２６は水素収納袋
への水素供給用開閉コック、２７は水素排出プラグ、２
８は水素出口貯蔵袋、２９は空気流入防止型排出口、３
０は逃し弁、３１は手動式空気ポンプ、３２は大気吸入
穴、Ａは水素、Ｂは空気である。

【００１８】固体高分子型燃料電池は、単セル４で、ま
たは複数の単セルを積層したセルスタックで構成するこ
とができる。単セル４は空気極１および燃料極３ならび
に空気極１と燃料極３との間に積層された固体高分子電
解質２で構成することができる。

【００１９】空気極１および燃料極３としては、白金微
粒子を含む触媒を有するカーボンペーパー、カーボンク
ロス、またはチタンのエキスパントメタルなどが好まし
い。

【００２０】固体高分子電解質２としては、ナフィオン
（デュポン製）、アシプレックス（旭化成工業（株）
製）、フレミオン（旭硝子（株）製）、ゴアセレクト
（ジャパンゴアテックス製）などが好ましく、膜厚は２
０〜２００μｍであることが好ましい。

【００２１】水素収納袋２２としては、排ガスなどのサ
ンプリング用に市販されている取り出しコック付きのさ
まざまな材質のサンプル袋を、いずれも用いることがで
きる。たとえば、フッ化ビニル樹脂フィルムを用い２つ
口コックを備えた透明な袋、ポリエステルフィルム製で
８ｍｍのテフロン（登録商標）製ストレート取り出し口
がついた袋、アルミニウムを蒸着したポリエチレンフィ
ルム製で８ｍｍのテフロン製ストレート取り出し口がつ
いた袋などが市販されている。

【００２２】水素収納袋２２へ充填する水素について
は、学校などでの実験用に用いられている水素を使用す
ることができる。たとえば、水素が５リットル程度入っ
たスプレー缶が日陶科学株式会社やジーエルサイエンス
株式会社から販売されている。水素は、純水素であるこ
とが好ましい。ここで純水素とは、純度が９５〜１００
％の水素であり、とくには９８〜１００％の水素であ
る。水素の濃度が９５％未満では不活性ガスが燃料極側
に蓄積してガス欠にいたる。なお、水素は水素収納袋へ
の水素供給用開閉コック２６から充填することができ
る。水素収納袋への水素供給用開閉コック２６は必ずし
も必要ではなく、水素収納袋からの水素排出用開閉コッ
ク２４を外して水素を充填してもよい。

【００２３】出口側の逃し弁３０としては、ナイロン
製、ポリプロピレン製、ポリカーボネート製のチェック
バルブや逆流防止弁付きのＭＳコネクターなどが安価に
市販されており、これらを用いることができる。

【００２４】手動空気ポンプ３１としては、空気を送り
込む場合に使われるゴム球が適しており、ゴム製で単球
や２連球のものを用いることができ、また、ごみやほこ
りを手動で吹き飛ばすためのゴム製の器具である。ジェ
ットブロー（Z262）やエクステンションブロー（Z261）
などを用いることができ、たとえば、（株）相互理化学
硝子製作所などから、実験室用器具としてカタログ販売
されている。

【００２５】つぎに動作について説明する。図１のよう
に配管したのち、水素収納袋からの水素排出用開閉コッ
ク２４を閉じ、水素収納袋への水素供給用開閉コック２
６を開いて水素の入ったスプレー缶から水素を水素収納
袋２２へ充填し、水素収納袋２２が適度に膨らんでか
ら、水素収納袋からの水素排出用開閉コック２４を開
き、固体高分子型燃料電池単セル４の燃料ガスマニホー
ルド５に水素を供給する。水素が燃料極３に達し、この
とき空気極１に酸素が残っていれば起電力を生じ、この
起電力で電動式空気ポンプ１７が駆動され、空気マニホ
ールド６に継続的に空気が供給されて発電が継続する。
水素収納袋２２からの水素排出量は、１〜１００ｍｌ／
分であることが好ましい。水素排出量が１ｍｌ／分未満
では燃料極側に不活性ガスが蓄積する傾向があり、１０
０ｍｌ／分をこえると水素充填を頻繁に行なわなければ
ならない傾向がある。

【００２６】消費された水素は水素収納袋２２から供給
されるが、余分の水素は水素排出シリコーンチューブ１
２および水素排出プラグ２７を通って水素出口貯蔵袋２
８に入り、空気流入防止型排出口２９を通って大気中に
放出される。空気流入防止型排出口２９には逃し弁３０
があり、水素出口貯蔵袋２８が陽圧（外部圧力より高い
圧力）になった場合のみ水素を排出する。したがって、
実際には水素収納袋２２を手で押さえて水素を固体高分
子型燃料電池単セル４に送り込んだ場合にのみ水素が排
出され、通常の発電時には逃がし弁３０は閉じたままに
なっている。

【００２７】水素収納袋２２を手で押さえて水素を固体
高分子型燃料電池単セル４に送り込むのは、燃料配管に
空気が残っていて、水素で置換する必要のある場合であ
る。このとき、空気流入防止型排出口２９の逃し弁３０
によって出口側からの空気の逆流を防ぐと共に、燃料極
側の圧力が高まってガスシールがわるくなったり、固体
高分子電解質膜２が破損することを防止することができ
る。

【００２８】一方、水素が供給された時点で、空気極１
に酸素が残っていないと起電力を生じないので、電動式
空気ポンプ１７は駆動されない。このとき、手動式空気
ポンプ３１を押すことによって、空気が大気吸入穴３２
から取り込まれ、空気供給シリコーンチューブ１８を通
って空気極１に供給されて起電力を生じ、電動式空気ポ
ンプ１７が駆動を開始して継続的に発電されるようにな
る。電動式空気ポンプ１７が駆動しても大気吸入穴３２
からは空気は出ていかないので無駄はない。

【００２９】電動式空気ポンプ１７が駆動しない場合の
トラブルは、燃料配管の中に空気が溜まっていて水素が
供給されていないか、または、空気配管の中の酸素がな
くなっていて空気が供給されていないかのどちらかであ
る。前者の場合は、水素収納袋２２を押して、燃料配管
の中に溜まっていた空気を空気流入防止型排出口２９の
逃し弁３０から追い出すことによって回復する。また、
後者の場合は手動空気ポンプ３１を押すことによって回
復する。いずれの操作も簡単であり、学習者にも、発電
するために不足しているものがすぐに分かるので、この
ようなトラブルを通じて、燃料電池の原理をよく理解す
ることが可能になる。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明の請求項１および３
によれば、固体高分子型燃料電池の燃料入口側に水素の
注入口を備えた水素収納袋を接続し、燃料出口側に空気
の流入を防ぐ逃し弁を接続したので、燃料極に過剰な圧
力がかかる恐れがなくなり、また適量の水素を貯蔵し
て、燃料極で使用された量が自動的に供給され、燃料出
口側の逃し弁によって空気の流入も防止されるので、無
駄に外部へ放出される水素が少なくなる効果がある。ま
た、見た目にも、貯蔵されている水素の消費状況が分か
りやすくなる。

【００３１】本発明の請求項２および３によれば、固体
高分子型燃料電池の空気入口側に固体高分子型燃料電池
で発電した電力で駆動する電動式空気ポンプと、手動式
空気ポンプとを接続したので、電動式空気ポンプと空気
極とのあいだの酸素が消費されてしまった場合に、手動
式空気ポンプで空気を送り込んで電動式空気ポンプを稼
動させることが簡単にできるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態による発電原理教育用の
固体高分子型燃料電池機器の模式図である。

【図２】 従来の発電原理教育用の固体高分子型燃料電
池機器の模式図である。

【符号の説明】

１ 空気極、２ 固体高分子電解質膜、３ 燃料極、４
単セル、５ 燃料ガスマニホールド、６ 空気マニホ
ールド、７ 水素の入ったスプレー缶、８ 流量調節ネ
ジ、９ 水素供給シリコーンチューブ、１０ 水素入口
プラグ、１１水素出口プラグ、１２ 水素排出シリコー
ンチューブ、１３ バブリングプラグ、１４ バブラ
ー、１５ 水、１６ 水素排出口、１７ 電動式空気ポ
ンプ、１８ 空気供給シリコーンチューブ、１９ 空気
入口プラグ、２０ 空気出口プラグ、２１ デモンスト
レーション用外部負荷（豆電球）、２２ 水素収納袋、
２３ 水素収納袋からの水素出口プラグ、２４ 水素収
納袋からの水素排出用開閉コック、２５ 水素充填プラ
グ、２６ 水素収納袋への水素供給用開閉コック、２７
水素排出プラグ、２８ 水素出口貯蔵袋、２９ 空気
流入防止型排出口、３０ 逃し弁、３１ 手動式空気ポ
ンプ、３２ 大気吸入穴、Ａ水素、Ｂ空気。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福本 久敏 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 花香 郁太郎 愛知県名古屋市東区矢田南五丁目１番14号 名菱テクニカ株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA13

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体高分子型燃料電池の発電原理を教え
   るために用いられる固体高分子型燃料電池機器であっ
   て、固体高分子型燃料電池が単セルで、または複数の単
   セルを積層して構成されており、固体高分子型燃料電池
   の燃料入口側に水素の注入口を備えた水素収納袋を接続
   し、燃料出口側に空気の流入を防ぐ逃し弁を接続したこ
   とを特徴とする発電原理教育用の固体高分子型燃料電池
   機器。
2. 【請求項２】 固体高分子型燃料電池の発電原理を教え
   るために用いられる固体高分子型燃料電池機器であっ
   て、固体高分子型燃料電池が単セルで、または複数の単
   セルを積層して構成されており、固体高分子型燃料電池
   の空気入口側に固体高分子型燃料電池で発電した電力で
   駆動する電動式空気ポンプと、手動式空気ポンプとを接
   続したことを特徴とする発電原理教育用の固体高分子型
   燃料電池機器。
3. 【請求項３】 固体高分子型燃料電池の発電原理を教え
   るために用いられる固体高分子型燃料電池機器であっ
   て、固体高分子型燃料電池が単セルで、または複数の単
   セルを積層して構成されており、固体高分子型燃料電池
   の燃料入口側に水素の注入口を備えた水素収納袋を接続
   し、燃料出口側に空気の流入を防ぐ逃し弁を接続し、固
   体高分子型燃料電池の空気入口側に固体高分子型燃料電
   池で発電した電力で駆動する電動式空気ポンプと、手動
   式空気ポンプとを接続したことを特徴とする発電原理教
   育用の固体高分子型燃料電池機器。