JP3177391B2 - ポータブル燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ポータブル燃料電池に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃料電池を搭載した小型のポータ
ブル電源として、リン酸型の発電セルを積層した電池ス
タック、空気供給ファン、水素給蔵合金ボンベ等を備え
たポータブル燃料電池が開発されている。このポータブ
ル燃料電池は数百ワット程度の発電が可能であり、従来
から利用されているエンジンによって発電機を駆動させ
て発電するポータブル電源と比べて、大気汚染物質の排
出が少ない点、騒音の発生が少ない点で優れている。

【０００３】従来のポータブル燃料電池としては、例え
ば、特願平４−２３２０９１において、ケースの中央下
方に電池スタックを配置したポータブル燃料電池が開示
されている。このポータブル燃料電池では、空気供給フ
ァンから送り出された空気が、電池スタックを水平方向
に通過する一方、水素は水素吸蔵合金ボンベから電池ス
タックの上面側から供給されて発電に使用された後、未
反応の水素を含む排ガスは電池スタックの下面側から排
出される。そして、排出された未反応水素を含む排ガス
は、電池スタックの下面側に取り付けられたマニホール
ドによって回収され、更にマニホールドの一側壁に取付
られたガス送出管を通って触媒燃焼器へ送られ処理され
るようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池は、その発電
時に水素と酸素の反応による水が発生し、この生成水は
未反応水素と共に燃料電池本体から排出されるため、上
記のように電池スタックの下面側に未反応水素を含む排
ガスを回収するマニホールドが設けられているポータブ
ル燃料電池においては、温度が十分に上昇していない起
動時に、排ガスに含まれている生成水がマニホールド内
に蓄積する。そして、ポータブル燃料電池が傾けられる
と、マニホールド内に蓄積した生成水が、マニホールド
内の底面を流れて一方の側に偏るが、偏った側にガス送
出管が取り付けられている場合、そのまま生成水がガス
送出管に流れ込んで水素の流路が塞がれてしまうことに
なる。

【０００５】従って、ポータブル燃料電池を持ち運んだ
りするとき、水素の流通が妨げられて起電力が不安定に
なったり、生成水が触媒燃焼器に流れ込んでその機能が
損なわれるいった問題が生じていた。このような問題に
対して、例えばマニホールドの底面を深く形成したり、
マニホールドに生成水を貯めるスペースを設け、ポータ
ブル燃料電池が傾けられても蓄積した生成水がガス送出
管に流れ込まないよう工夫することも考えられるが、装
置サイズがそれだけ大きくなったり、水抜きが必要にな
ったりするという点から望ましいとは言えない。

【０００６】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、起動時にマニホールド内に蓄積する生成水がガ
ス送出管に流れ込むことがなく、安定して水素を供給す
ることのできるポータブル燃料電池を提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載のポータブル燃料電池は、発電セルが
積層されて構成され水素供給源からの水素を燃料として
発電を行い未反応の水素を含む排ガスをその下面から排
出する電池スタックと、電池スタックの下面を覆い電池
スタックから排出される未反応水素を含む排ガスを回収
するマニホールドと、マニホールドに連結され排ガスを
後段の処理部へ送出するガス送出管とを有するポータブ
ル燃料電池において、ガス送出管のマニホールド側端部
が、マニホールドの内部空間に突出していることを特徴
としている。

【０００８】

【０００９】また、請求項２記載のポータブル燃料電池
は、請求項１記載のポータブル燃料電池に対して、マニ
ホールド内に、吸水材が敷かれていることを特徴として
いる。

【００１０】

【作用】本発明のポータブル燃料電池によれば、マニホ
ールドは、電池スタックから排出される未反応水素を含
む排ガスを回収する。請求項１及び請求項２記載のポー
タブル燃料電池によれば、マニホールドに連結されたガ
ス送出管のマニホールド側端部が、マニホールドの内部
空間に突出しているため、ガス送出管の入口はマニホー
ルドの底面及び側壁から離れた位置にある。 従って、温
度の低い起動時にマニホールド内に生成水が蓄積する
が、ポータブル燃料電池が傾けられたとしても、ガス送
出管の入口に達しないので、ガス送出管に生成水が流れ
込むことはなく、水素の流通が妨げられない。 また、請
求項２記載のポータブル燃料電池によれば、マニホール
ド内に吸水材が敷かれているので、温度の低い起動時に
おいて、排ガス中に含まれる生成水は、マニホールド内
で吸水材に吸収される。

【００１１】

【００１２】

【００１３】また、運転によって電池スタックの温度が
上昇すると、マニホールド内に蓄積している水は蒸発
し、未反応水素と共にガス送出管から排出されるので、
水を抜く操作は不要である。

【００１４】

【実施例】以下本発明の実施例について、図面を参照し
ながら具体的に説明する。 （実施例１） ［ポータブル燃料電池の全体構成の説明］図１は、本発
明の一実施例に係るポータブル燃料電池の斜視図であ
り、図２は、図１に示すポータブル燃料電池のＸ−Ｘ線
断面図である。

【００１５】このポータブル燃料電池は、ポータブルサ
イズのケース１の中に、水素と空気の供給を受けて発電
を行うリン酸型の燃料電池本体２と、燃料電池本体２に
水素を供給する水素貯蔵装置６と、燃料電池本体２に空
気を供給する空気供給ファン９と、空気供給ファン９に
よって供給される空気を加熱して燃料電池本体２を本運
転の温度まで上昇させる起動用ヒータ１２と、燃料電池
本体２から排出される未反応水素を処理する触媒燃焼器
１３と、触媒燃焼器１３に空気を供給する空気供給ファ
ン１５と、起電力が一定になるよう制御するＤＣ−ＤＣ
コンバータ１６と、空気供給ファン１５や起動用ヒータ
１２を制御する制御装置１７と、ヒューズリレーボック
ス１８等が収納されて構成されている。

【００１６】ケース１は、アルミニウムやジュラルミン
等の軽金属製で、直方体状のケース下部１ａと角錘体状
のケース上部１ｂとから形成されており、ケース上部１
ｂの傾斜面には、外部から空気を取り込む吸気孔２１と
外部に排出空気を排出する排気孔２２と、燃料電池本体
２で発電された電力を取り出す数個のコネクタ２３が設
けられている。また、ケース上部１ｂの上面部分には、
水素吸蔵合金ボンベ７内の水素残圧を表示するランプ
や、水素吸蔵合金ボンベ７内の水素圧力を調整する圧力
スイッチや、弁の開閉を行う弁開閉スイッチ等（いずれ
も図示せず）を備えた操作パネル２４が設けられてい
る。

【００１７】また、ケース上部１ｂは、ケース１と同様
の材料で形成された蓋体３０で覆蓋することができ、蓋
体３０とケース１とは、止め具３１によって密閉固定で
きるようになっている。ここで、ケース１と蓋体３０と
が接する部分には、ケース１の密閉性を高めるため、パ
ッキン３２が取付けられている。また、蓋体３０の上部
には、ポータブル燃料電池を持ち運ぶための把手３３が
取付けられている。

【００１８】燃料電池本体２は、詳しくは後述するが、
リン酸型の発電セルが積層されてなる直方体状の電池ス
タック３と、電池スタック３の上面を覆い電池スタック
３に水素を分配する分配マニホールド４と、電池スタッ
ク３の下面を覆い電池スタック３からの未反応水素を含
む排ガスを回収する回収マニホールド５とから構成され
ており、ケース１の中央下部に配置されている。この燃
料電池本体２の重量は、ポータブル燃料電池の全重量の
約半分を占めるため、このような位置に配置することに
よって、ポータブル燃料電池の重心を下げ、安定性を高
めている。

【００１９】水素貯蔵装置６は、水素吸蔵合金を充填し
た複数本（図示例では５本）の水素吸蔵合金ボンベ７を
備えており、燃料電池本体２に対して脱着自在であっ
て、その装着位置は燃料電池本体２の側方である。そし
て、水素吸蔵合金ボンベ７から放出される水素は、水素
供給弁（不図示）で調整されながら水素導入管８を通し
て分配マニホールド４に供給されるようになっている。
なお、図２において、水素貯蔵装置６から燃料電池本体
２に到る水素導入管８の途中部分は隠れている。

【００２０】空気供給ファン９は、燃料電池本体２に対
して水素貯蔵装置６と反対側の上方に設置されており、
上述した吸気孔２１は、この空気供給ファン９に近傍に
開設されている。また、空気供給ファン９の下方に仕切
り板１０が設けられることによって、燃料電池本体２の
側面と仕切り板１０との間に、空気供給ファン９から燃
料電池本体２に到る空気通路１１が形成されている。そ
して、空気供給ファン９から空気通路１１を通って燃料
電池本体２に供給された空気は、電池スタック３を水平
方向に通り抜けて排出される。

【００２１】なお、上述した水素貯蔵装置６は、燃料電
池本体２から空気が排出される位置に配置され、燃料電
池本体２から排出される高温の排出空気は、各ボンベ７
内に充填されている水素吸蔵合金を加熱するのに有効利
用された後、排気孔２２から排出される。そして、この
加熱によって水素貯蔵装置６から燃料電池本体２への水
素の供給が円滑に行われるようになっている。

【００２２】起動用ヒータ１２は、空気通路１１内に設
置されており、起動時において作動することにより、空
気供給ファン９から燃料電池本体２に供給される空気を
加熱し、燃料電池本体２を本運転の温度（約１００℃）
まで上昇させる。触媒燃焼器１３は、起動用ヒータ１２
下側の空気通路１１内に設置されており、未反応水素を
燃焼させるため白金等の触媒が充填されている。また、
回収マニホールド５から触媒燃焼器１３にまたがって、
未反応水素の通路となる排ガス送出管１４が設けられて
おり、触媒燃焼器１３の側方には、触媒燃焼器１３に空
気を供給する空気供給ファン１５が設置されている。な
お、図２において、排ガス送出管１４の途中は燃料電池
本体２の背後に隠れている。

【００２３】そして、水素貯蔵装置６から燃料電池本体
２に供給された水素の中、反応に寄与しなかった未反応
水素は、触媒燃焼器１３に導かれて空気供給ファン１５
から供給される空気で触媒燃焼され、ポータブル燃料電
池の外に未反応水素が放出されないようにしている。Ｄ
Ｃ−ＤＣコンバータ１６及び制御装置１７は、仕切り板
１０に対して空気通路１１と反対側に設置されている。
ＤＣ−ＤＣコンバータ１６は、燃料電池本体２の発電に
伴って発生する起電力を一定電圧（例えば、１２Ｖ）に
なるように制御する。また、制御装置１７は、空気供給
ファン１５の回転数を制御して触媒燃焼器１３に供給す
る空気量を調整したり、燃料電池本体２が本運転の温度
まで達した時に起動用ヒータ１２を停止させる等の制御
を行う。

【００２４】なお、空気供給ファン９，起動用ヒータ１
２，空気供給ファン１５は、燃料電池本体２で発電され
る電力によって駆動するようになっている。図１及び図
２において、矢印Ａはケース１外から吸入された空気の
流れを、矢印Ｂは燃料電池本体２の発電に伴って生じる
排出空気の流れを示している。空気供給ファン９の駆動
によって、吸気孔２１から取り込まれた空気は、大部分
が発電用として燃料電池本体２に直接供給される一方、
残余の空気は制御装置１７やＤＣ−ＤＣコンバータ１６
等の周辺を経由して、これら制御装置１７やＤＣ−ＤＣ
コンバータ１６等を冷却した後、燃料電池本体２に供給
される。

【００２５】そして、燃料電池本体２で加熱された高温
の排出空気は、水素貯蔵装置６の周辺を経由して水素貯
蔵装置６を加熱した後、排気孔２２からケース１の外に
排出される。次に、このような全体構成のポータブル燃
料電池の作動について説明する。先ず、ケース１から蓋
体３０を取り外し、ケース１の上面に設けた操作パネル
２４の弁開閉スイッチを操作して水素貯蔵装置６の水素
供給弁を開成すると、ケース１内に残留している空気
と、水素貯蔵装置６から供給される水素とによって反応
が生じ予備発電が開始される。

【００２６】この予備発電によって空気供給ファン９が
起動すると、吸気孔２１から吸入された新たな空気が、
燃料電池本体２内に供給され本発電が開始される。この
本発電によって、燃料電池本体２の温度は徐々に上昇す
る。一方、水素吸蔵合金ボンベ７は、水素を供給し続け
ると、水素吸蔵合金からの水素の放出による吸熱で、水
素貯蔵装置６の温度を低下させようとする。しかしなが
ら、水素貯蔵装置６の周辺には、燃料電池本体２の発電
に伴って生じる高温の排ガスが通過するので、水素貯蔵
装置６の温度はほぼ一定に維持される。その結果、燃料
電池本体２の発電に必要な水素を、十分に供給すること
ができるようになっている。

【００２７】また、制御装置１７やＤＣ−ＤＣコンバー
タ１６等は、本発電が開始されると燃料電池本体２から
の輻射熱等により徐々に温度が上昇するが、吸気孔２１
から供給される外気に常にさらされているので、過度の
温度上昇が防止される。これらの結果、円滑な発電が持
続されることになる。 ［燃料電池本体の説明］図３は、燃料電池本体２の斜視
図（一部分解）である。上述したように、燃料電池本体
２は、電池スタック３と、分配マニホールド４と、回収
マニホールド５とから構成されている。

【００２８】電池スタック３は、長方形状のリン酸型の
発電セル４０が所定枚数（例えば３０枚）水平方向に積
層され、その積層体の両端が端板５０で締め付けられて
構成されている。図４は、電池スタック３を構成する発
電セル４０の分解斜視図である。図に示すように、発電
セル４０は、電解質マトリックス４１の両面にアノード
４２とカソード４３が配され、バイポーラプレート４４
に挟持されて構成されている。

【００２９】電解質マトリックス４１は炭化ケイ素をフ
ッ素樹脂で結着して形成され、リン酸が含浸されてい
る。アノード４２とカソード４３は、カーボンペーパに
白金付カーボンをフッ素樹脂で結着させた触媒層を圧着
して形成されている。バイポーラプレート４４は黒鉛で
形成されており、アノード４２と接する側の面には、縦
方向に複数本の水素チャンネル４５が形成され、カソー
ド４３と接する側の面には、水平方向に複数本の空気チ
ャンネル４６が形成されている。

【００３０】分配マニホールド４と回収マニホールド５
は、同様の形状であって、図３に示すように、分配マニ
ホールド４は、電池スタック３の上面を覆う長方形状で
あって、分配マニホールド４の下面側には全ての水素チ
ャンネル４５と連通する長方形状の空洞部（図３におい
ては見えない）が形成されている。そして、分配マニホ
ールド４には、水素導入管８の一端が、空洞部と連通す
るよう取り付けられている。

【００３１】また、回収マニホールド５は、電池スタッ
ク３の下面を覆う長方形状で、回収マニホールド５の上
面側には長方形状の空洞部６１が形成されている。この
空洞部６１は、所定の深さで、回収マニホールド５より
も若干小さい長方形状に形成されており、全ての水素チ
ャンネル４５と連通している。そして、空洞部６１を取
り囲む長方形枠状の側壁６２の所定位置に、排ガス送出
管１４の一端が取り付けられている。排ガス送出管１４
は、その吸込側の先端部が側壁６２を水平に貫通して空
洞部６１と連通し、更に空洞部６１に突出して設けられ
ている。

【００３２】この排ガス送出管１４の突出部１４ａは、
空洞部６１において、回収マニホールド５の底面と若干
の間隙を有し、側壁６２から水平方向にまっすぐ突出し
ている。従って、排ガス送出管１４の突出部１４ａの先
端は、回収マニホールド５の底面及び側壁６２から離れ
た位置にある。また、空洞部６１の底面全体には、カー
ボンペーパからなる長方形のシート状の吸水材６３が敷
かれている。この吸水材６３は、排ガス送出管１４の突
出部１４ａと、回収マニホールド５の底面との間隙に介
挿されている。

【００３３】この吸水材６３は、起動時（通常、起動か
ら５分間程度）に回収マニホールド５に蓄積する生成水
（通常の数百ワットのポータブル燃料電池では、数ｃｃ
程度）を吸収するために設けられており、吸水材６３の
吸水力としては、この起動時に生成する水を吸収するこ
とができればよい。また、本運転時における燃料電池本
体２の温度は、最高１２０℃程度まで上昇するので、吸
水材６３は、１２０℃程度の耐熱性が必要である。ま
た、電解質マトリックス４１に含浸されているリン酸
も、電池スタック３から未反応水素と共にわずかながら
排出されるので、吸水材６３は耐リン酸性も必要であ
る。このような点から、本実施例では、吸水材６３とし
てカーボンペーパを用いている。

【００３４】以上のような構成の燃料電池本体２におい
て、燃料電池本体２に供給された空気は、カソード４３
に酸素を供給しながら、電池スタック３の空気チャンネ
ル４６を水平方向に通過して排出される。一方、燃料電
池本体２の分配マニホールド４に供給された水素は、ア
ノード４２に水素を供給しながら、電池スタック３の水
素チャンネル４５を上から下に通過し、未反応水素は回
収マニホールド５で集められて排ガス送出管１４から排
出される。

【００３５】ここで、各発電セル４０では、供給された
酸素と水素の反応により発電を行うと共に水を生成し、
生成した水と未反応水素を含む排ガスは回収マニホール
ド５に流れる。起動時においては、燃料電池本体２が低
温（９０℃程度）であるので、空洞部６１には生成水が
蓄積し、ポータブル燃料電池が傾けれられると、生成水
がマニホールド５の底面を流れるが、排ガス送出管１４
の突出部１４ａの先端は、回収マニホールド５の底面及
び側壁６２から離れた位置にあるので、生成水が排ガス
送出管１４の吸入口に達することはない。加えて、回収
マニホールド５内で、排ガス中の生成水は吸水材６３に
吸収される。従って、生成水がマニホールド５内に蓄積
されるが、排ガス送出管１４に流れ込むことはない。

【００３６】そして、本運転時には燃料電池本体２が１
００℃〜１２０℃程度まで上昇するので、吸水材６３に
吸収された水は蒸発して、未反応水素と共に排ガス送出
管１４，触媒燃焼器１３を経由して排出される。従っ
て、回収マニホールド５から生成水を抜くための操作は
必要がない。 （実施例２）本実施例のポータブル燃料電池は、実施例
１のポータブル燃料電池と同様の構成であるが、回収マ
ニホールド５内に吸水材６３を設けていない点が異なっ
ている。

【００３７】本実施例のポータブル燃料電池において
は、温度の低い起動時に空洞部６１には生成水が蓄積
し、ポータブル燃料電池が傾けられると、生成水が回収
マニホールド５の底面を流れるが、排ガス送出管１４の
突出部１４ａの先端は、回収マニホールド５の底面及び
側壁６２から離れた位置にあるので、生成水が排ガス送
出管１４の吸入口に達することはない。従って、排ガス
送出管１４に生成水が流れ込むことがなく、水素の流通
路が塞がれることがない。そして、実施例１と同様、本
運転時には、この生成水は蒸発して、未反応水素と共に
排ガス送出管１４，触媒燃焼器１３を経由して排出され
る。

【００３８】（その他の事項） なお、上記実施例１において、吸水材６３としてシート
状のカーボンペーパを用いたが、カーボンペーパ以外
に、様々な耐熱性の吸水材を用いることができる。ま
た、吸水材６３は、シート状でなくてもよく、例えば、
粒状や線状の吸水材を用いてもよい。

【００３９】また、上記実施例１において、吸水材６３
は、空洞部６１の底面全体に敷かなくてもよく、例え
ば、空洞部６１の底面の中て、側壁６２に沿って側壁６
２の近傍にだけ敷いたり、突出部１４ａの先端近傍にだ
け敷いたりしてもよい。また、上記実施例１，２におい
て、突出部１４ａは、側壁６２から水平方向にまっすぐ
突出している例を示したが、突出部１４ａの形状は特に
限定されず、その先端が回収マニホールド５の底面及び
側壁６２から離れた位置にあればよい。特に、突出部１
４ａの先端が空洞部６１の中央付近にまで突出させれ
ば、排ガス送出管１４への生成水の流れ込みを防止する
効果が大きい。

【００４０】

【発明の効果】以上の本発明のポータブル燃料電池によ
れば、未反応水素を回収するマニホ−ルドに連結された
排ガス送出管のマニホールド側端部をマニホールドの内
部空間に突出させることによって、またこれに加えてマ
ニホールド内に吸水材を敷くことによって、起動時にマ
ニホールド内に蓄積する生成水が排ガス送出管に流れ込
むことを防止している。

【００４１】また、本運転によって電池スタックの温度
が上昇すると、マニホールド内の水は蒸発し、未反応水
素を含む排ガスと共に排ガス送出管から排出されるの
で、水抜きの操作は不要である。従って、ポータブル燃
料電池において、水素の流通が妨げられたり、生成水が
触媒燃焼器に流れ込むといった問題を解決し、安定した
電力を供給することができ、装置のメンテナンスにも寄
与するといった優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るポータブル電源の斜視
図である。

【図２】図１に示すポータブル燃料電池のＸ−Ｘ線断面
図である。

【図３】燃料電池本体２の斜視図（一部分解）である。

【図４】電池スタック３を構成する発電セル４０の分解
斜視図である。

【符号の説明】

２ 燃料電池本体 ３ 電池スタック ５ 回収マニホールド １３ 触媒燃焼器 １４ 排ガス送出管 １４ａ 突出部 ４０ 発電セル ６１ 空洞部 ６３ 吸水材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮井 恵吾 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三洋電機株式会社内 (72)発明者 吉本 保則 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三洋電機株式会社内 (72)発明者 中藤 邦弘 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−84539（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−52877（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−190196（ＪＰ，Ａ) 実公 昭47−41701（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発電セルが積層されて構成され水素供給
   源からの水素を燃料として発電を行い未反応の水素を含
   む排ガスをその下面から排出する電池スタックと、前記
   電池スタックの下面を覆い該電池スタックから排出され
   る未反応水素を含む排ガスを回収するマニホールドと、
   前記マニホールドに連結され排ガスを後段の処理部へ送
   出するガス送出管とを有するポータブル燃料電池におい
   て、 前記ガス送出管のマニホールド側端部が、マニホールド
   の内部空間に突出していることを特徴とするポータブル
   燃料電池。
2. 【請求項２】 請求項１記載のポータブル燃料電池にお
   いて、 前記マニホールド内に、吸水材が敷かれていることを特
   徴とする請求項１記載の ポータブル燃料電池。