JP3349227B2 - ポータブル燃料電池動力システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、車載用燃料電池動力シ
ステム、ポータブル発電セットなどに適用するため、燃
料電池とターボ発電装置をハイブリット化して、移動状
態で、若しくは、移動させて動力を発生できるようにし
た、ポータブル燃料電池動力システムに関する。
ステム、ポータブル発電セットなどに適用するため、燃
料電池とターボ発電装置をハイブリット化して、移動状
態で、若しくは、移動させて動力を発生できるようにし
た、ポータブル燃料電池動力システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】車載用燃料電池システムとしては、これ
まで、燃料電池と蓄電池（バッテリ）を組合せて使用す
るパワーシステムが提案され、バス用途の開発が現在米
国等において進展している。開発の詳細は公表されてい
ないが、本願発明者等が取得した情報等から知得してい
る米国で現在開発が進行中の前記パワーシステムについ
て説明をする。
まで、燃料電池と蓄電池（バッテリ）を組合せて使用す
るパワーシステムが提案され、バス用途の開発が現在米
国等において進展している。開発の詳細は公表されてい
ないが、本願発明者等が取得した情報等から知得してい
る米国で現在開発が進行中の前記パワーシステムについ
て説明をする。
【０００３】図６は、現在、開発中の車載用燃料電池シ
ステムのパワー系統図を示す。これから明らかな様に、
燃料電池０１とバッテリ０２は外部負荷０３に対して並
列に入っており、外部負荷０３の平均負荷を燃料電池０
１でまかない、変動負荷及びピーク負荷を、応答性が良
く、電流容量を大きくしたバッテリ０２を使用して、こ
れによりまかなっている。また、この図から明らかな様
に、燃料電池０１による余剰電力を使ってバッテリ０２
を充電するようにしているが、燃料電池０１の発電に必
要な水素は、メタノール燃料供給装置０５から供給を受
けたメタノールを、メタノール燃料改質器０４によって
改質して、供給し、使用するようになっているため、メ
タノール燃料改質器０４が起動し、燃料としての改質水
素を、燃料電池０１に供給しない限り、燃料電池０１は
発電を開始しない。
ステムのパワー系統図を示す。これから明らかな様に、
燃料電池０１とバッテリ０２は外部負荷０３に対して並
列に入っており、外部負荷０３の平均負荷を燃料電池０
１でまかない、変動負荷及びピーク負荷を、応答性が良
く、電流容量を大きくしたバッテリ０２を使用して、こ
れによりまかなっている。また、この図から明らかな様
に、燃料電池０１による余剰電力を使ってバッテリ０２
を充電するようにしているが、燃料電池０１の発電に必
要な水素は、メタノール燃料供給装置０５から供給を受
けたメタノールを、メタノール燃料改質器０４によって
改質して、供給し、使用するようになっているため、メ
タノール燃料改質器０４が起動し、燃料としての改質水
素を、燃料電池０１に供給しない限り、燃料電池０１は
発電を開始しない。
【０００４】従って、燃料電池０１が発電を開始するま
での間は、バッテリ０２が単独で車両の負荷電力と、燃
料電池０１の発電開始に必要な、メタノール燃料改質器
０４の起動に必要な補機駆動力、および熱エネルギーを
まかなう必要がある。即ち、燃料電池システムを起動さ
せるためには、メタノール燃料改質器０４と燃料電池０
１を１８０℃〜２５０℃の高温にする必要があり、その
ためのバーナシステムの空気源、ヒータ、ポンプ等の補
機を駆動し、さらに、熱伝達が悪く、吸熱反応する改質
触媒を加熱する必要があり、５〜１５分程度、長時間電
力を供給する必要がある。従って、バッテリ０２は長時
間の電力供給を必要とし、バッテリ０２の容量と重量が
非常に大きくなるという不具合がある。
での間は、バッテリ０２が単独で車両の負荷電力と、燃
料電池０１の発電開始に必要な、メタノール燃料改質器
０４の起動に必要な補機駆動力、および熱エネルギーを
まかなう必要がある。即ち、燃料電池システムを起動さ
せるためには、メタノール燃料改質器０４と燃料電池０
１を１８０℃〜２５０℃の高温にする必要があり、その
ためのバーナシステムの空気源、ヒータ、ポンプ等の補
機を駆動し、さらに、熱伝達が悪く、吸熱反応する改質
触媒を加熱する必要があり、５〜１５分程度、長時間電
力を供給する必要がある。従って、バッテリ０２は長時
間の電力供給を必要とし、バッテリ０２の容量と重量が
非常に大きくなるという不具合がある。
【０００５】さらに、上述した燃料電池０１はリン酸型
の燃料電池が使用されているため、比出力（出力密度）
が小さく、車両の平均負荷を得るためには、燃料電池０
１、および燃料電池０１を作動させるためのシステムの
体積が大きなものになり、大容量バッテリ搭載による体
積増加の問題と併わせて、車載用途への、燃料電池シス
テムによるパワー供給を大変困難なものにしている。
の燃料電池が使用されているため、比出力（出力密度）
が小さく、車両の平均負荷を得るためには、燃料電池０
１、および燃料電池０１を作動させるためのシステムの
体積が大きなものになり、大容量バッテリ搭載による体
積増加の問題と併わせて、車載用途への、燃料電池シス
テムによるパワー供給を大変困難なものにしている。
【０００６】また、上述した説明から明らかな様に、従
来の車載用燃料電池システムでは起動性、応答性が充分
ではない。即ち、燃料電池０１を起動するためには、バ
ーナシステムの空気源、ヒータ、ポンプ等の補機を駆動
し、熱伝達率の悪い改質触媒の温度を上げて、メタノー
ル燃料改質器０４により、メタノールを純度の高い水素
にして、燃料電池０１に供給するために、非常に長い時
間を要し、さらに、燃料電池０１自体も高温にする必要
があるため、この温度上昇に時間を要し、起動性が悪く
なるとともに、瞬時の負荷変動に応答できない欠点があ
る。なお、同図において、０６は電力変換装置、０７は
燃料電池コントローラを示す。
来の車載用燃料電池システムでは起動性、応答性が充分
ではない。即ち、燃料電池０１を起動するためには、バ
ーナシステムの空気源、ヒータ、ポンプ等の補機を駆動
し、熱伝達率の悪い改質触媒の温度を上げて、メタノー
ル燃料改質器０４により、メタノールを純度の高い水素
にして、燃料電池０１に供給するために、非常に長い時
間を要し、さらに、燃料電池０１自体も高温にする必要
があるため、この温度上昇に時間を要し、起動性が悪く
なるとともに、瞬時の負荷変動に応答できない欠点があ
る。なお、同図において、０６は電力変換装置、０７は
燃料電池コントローラを示す。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従
来の車載用燃料電池システム等のポータブル燃料電池動
力システムが持つ不具合を解消するため、 （１）起動性、応答性に秀れ、 （２）出力密度が大きく、小容積の装置で大きな出力が
得られ、 （３）バッテリは補助的な使用に限定され、小容量化、
若しくは不要にできる、軽量、小型化したポータブル燃
料電池動力システムを提供することを課題とする。
来の車載用燃料電池システム等のポータブル燃料電池動
力システムが持つ不具合を解消するため、 （１）起動性、応答性に秀れ、 （２）出力密度が大きく、小容積の装置で大きな出力が
得られ、 （３）バッテリは補助的な使用に限定され、小容量化、
若しくは不要にできる、軽量、小型化したポータブル燃
料電池動力システムを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のポータブル燃料
電池動力システムは、次の手段とした。 （１）ＳｉＣ等の導電性セラミック多孔体で形成された
加熱装置に触媒を担持させた触媒バーナと、燃料供給ポ
ンプでタンク内から供給された燃料と燃焼用空気ブロア
から供給された空気とを触媒バーナに接触させて触媒燃
焼させ、この燃焼ガスの熱エネルギーで駆動されるター
ビンと、このタービンに同軸結合されて回転し発電を行
なう発電機とからなるターボ発電機を設けた。 （２）水素貯蔵装置、および酸素貯蔵装置を具えるとと
もに、これらの貯蔵装置から供給される水素、および酸
素によって発電する固体高分子電解質膜の両側にガス拡
散電極を接合した電気化学セルからなる燃料電池セル
と、ターボ発電機から電力供給を受けて、供給される水
を電気分解して、水素および酸素を生成して、生成した
水素および酸素を前記貯蔵装置にそれぞれ貯留する、固
体高分子電解質膜の両側にガス拡散電極を接合して、接
触面で電解反応を進行させる電気化学セルを用いた水電
解装置とを具えた燃料電池を設けた。 （３）外部負荷からの負荷信号を受け、その信号に基づ
き、ターボ発電機および燃料電池を作動させるための信
号を出力し、外部負荷に応じてターボ発電機、および燃
料電池の作動を制御するシステム制御装置を設けた。
電池動力システムは、次の手段とした。 （１）ＳｉＣ等の導電性セラミック多孔体で形成された
加熱装置に触媒を担持させた触媒バーナと、燃料供給ポ
ンプでタンク内から供給された燃料と燃焼用空気ブロア
から供給された空気とを触媒バーナに接触させて触媒燃
焼させ、この燃焼ガスの熱エネルギーで駆動されるター
ビンと、このタービンに同軸結合されて回転し発電を行
なう発電機とからなるターボ発電機を設けた。 （２）水素貯蔵装置、および酸素貯蔵装置を具えるとと
もに、これらの貯蔵装置から供給される水素、および酸
素によって発電する固体高分子電解質膜の両側にガス拡
散電極を接合した電気化学セルからなる燃料電池セル
と、ターボ発電機から電力供給を受けて、供給される水
を電気分解して、水素および酸素を生成して、生成した
水素および酸素を前記貯蔵装置にそれぞれ貯留する、固
体高分子電解質膜の両側にガス拡散電極を接合して、接
触面で電解反応を進行させる電気化学セルを用いた水電
解装置とを具えた燃料電池を設けた。 （３）外部負荷からの負荷信号を受け、その信号に基づ
き、ターボ発電機および燃料電池を作動させるための信
号を出力し、外部負荷に応じてターボ発電機、および燃
料電池の作動を制御するシステム制御装置を設けた。
【０００９】また、他の本発明のポータブル燃料電池動
力システムは上記（１）〜（３）の手段に加え、次の手
段とした。 （４）ターボ発電機には、常時外部負荷の平均負荷を分
担させるようにし、平均負荷を上まわる外部負荷が発生
したときには、平均負荷を上まわる過剰負荷は、水素貯
蔵装置、酸素貯蔵装置から燃料電池に供給された水素、
酸素により燃料電池セルで発電した電力で分担させると
ともに、平均負荷を下まわる外部負荷しか発生しないと
きには、ターボ発電機の余剰電力を燃料電池の水電解装
置に供給して、供給された水を電解し、水素および酸素
を発生させ、これを水素貯蔵装置および酸素貯蔵装置に
それぞれ貯留するようにした。
力システムは上記（１）〜（３）の手段に加え、次の手
段とした。 （４）ターボ発電機には、常時外部負荷の平均負荷を分
担させるようにし、平均負荷を上まわる外部負荷が発生
したときには、平均負荷を上まわる過剰負荷は、水素貯
蔵装置、酸素貯蔵装置から燃料電池に供給された水素、
酸素により燃料電池セルで発電した電力で分担させると
ともに、平均負荷を下まわる外部負荷しか発生しないと
きには、ターボ発電機の余剰電力を燃料電池の水電解装
置に供給して、供給された水を電解し、水素および酸素
を発生させ、これを水素貯蔵装置および酸素貯蔵装置に
それぞれ貯留するようにした。
【００１０】また、他の本発明のポータブル燃料電池動
力システムは、上記（１）〜（３）の手段に加え、又は
上記（１）〜（４）の手段に加え、次の手段とした。 （５）燃料電池セルから外部負荷に電力を供給すると
き、水素と酸素とを反応時に生じる、未反応の水素およ
び酸素は、気水分離して、再度燃料電池セルに供給し、
さらに、反応により生じた水は、供給水として水電解装
置に供給し、水素と酸素に分解させるようにして、外部
から水の補給を受ける必要のないクローズドシステムに
した。
力システムは、上記（１）〜（３）の手段に加え、又は
上記（１）〜（４）の手段に加え、次の手段とした。 （５）燃料電池セルから外部負荷に電力を供給すると
き、水素と酸素とを反応時に生じる、未反応の水素およ
び酸素は、気水分離して、再度燃料電池セルに供給し、
さらに、反応により生じた水は、供給水として水電解装
置に供給し、水素と酸素に分解させるようにして、外部
から水の補給を受ける必要のないクローズドシステムに
した。
【００１１】
【作用】本発明のポータブル燃料電池動力システムは、
上記（１）〜（３）の手段の採用により、 （１）起動性および応答性に秀れたものにすることがで
きる。すなわち、室温〜１００℃の低温で作動する固体
高分子電解質膜を用いた燃料電池を使用したことによ
り、燃料電池本体の起動性が本質的に早くなる。従来，
この種の動力システムに使用されている燃料電池におい
ては、燃料改質器がシステムの起動性・応答性を損ねて
いる事を考慮し、これに替えて、水電解装置を具えるこ
とで、燃料である水素、酸化剤である酸素を同時に生成
できる。また、これにより反応の為の空気源も不要にな
る。本発明で使用される水電解装置は、固体高分子電解
質膜を用いており、一般的に知られているように固体高
分子電解質膜は、常温でもプロトンが移動できるので常
温から水電解を行い、水素・酸素を作り出し、この水
素、酸素により燃料電池で発電できるので、非常に起動
性が良くなる。
上記（１）〜（３）の手段の採用により、 （１）起動性および応答性に秀れたものにすることがで
きる。すなわち、室温〜１００℃の低温で作動する固体
高分子電解質膜を用いた燃料電池を使用したことによ
り、燃料電池本体の起動性が本質的に早くなる。従来，
この種の動力システムに使用されている燃料電池におい
ては、燃料改質器がシステムの起動性・応答性を損ねて
いる事を考慮し、これに替えて、水電解装置を具えるこ
とで、燃料である水素、酸化剤である酸素を同時に生成
できる。また、これにより反応の為の空気源も不要にな
る。本発明で使用される水電解装置は、固体高分子電解
質膜を用いており、一般的に知られているように固体高
分子電解質膜は、常温でもプロトンが移動できるので常
温から水電解を行い、水素・酸素を作り出し、この水
素、酸素により燃料電池で発電できるので、非常に起動
性が良くなる。
【００１２】又、応答性に関しては、水素・酸素を水素
貯蔵装置、および酸素貯蔵装置に常時貯蔵し、必要時
に、高圧で燃料電池セルに供給できるため、変動負荷及
びピーク負荷に対する燃料電池セルの応答性を向上させ
ることができる。なお、ターボ発電機は、加熱性に秀れ
たＳｉＣ等の導電性セラミック多孔体で形成した加熱装
置に担持させた触媒により、燃料と燃焼用空気とを触媒
燃焼させ、起動するようにしたので非常に短時間のうち
に、起動させる事ができる。
貯蔵装置、および酸素貯蔵装置に常時貯蔵し、必要時
に、高圧で燃料電池セルに供給できるため、変動負荷及
びピーク負荷に対する燃料電池セルの応答性を向上させ
ることができる。なお、ターボ発電機は、加熱性に秀れ
たＳｉＣ等の導電性セラミック多孔体で形成した加熱装
置に担持させた触媒により、燃料と燃焼用空気とを触媒
燃焼させ、起動するようにしたので非常に短時間のうち
に、起動させる事ができる。
【００１３】（２）出力密度が大きく、小容積の装置で
大きな出力が得られる。すなわち、発電機として、超小
形高速回転ターボ発電機、もしくは、高速回転ガスター
ビン発電機等の出力密度を上げることの出来るターボ発
電機を採用することにより、さらに、固体高分子電解質
膜を使用する水電解装置、燃料電池セルを組み合わせる
事で、従来のこの種の動力システムに比べ、数倍の比出
力（出力密度）向上が計れ、動力システムを小型化する
ことができ、車載用をはじめとする、ポータブルに秀れ
たものとすることができる。
大きな出力が得られる。すなわち、発電機として、超小
形高速回転ターボ発電機、もしくは、高速回転ガスター
ビン発電機等の出力密度を上げることの出来るターボ発
電機を採用することにより、さらに、固体高分子電解質
膜を使用する水電解装置、燃料電池セルを組み合わせる
事で、従来のこの種の動力システムに比べ、数倍の比出
力（出力密度）向上が計れ、動力システムを小型化する
ことができ、車載用をはじめとする、ポータブルに秀れ
たものとすることができる。
【００１４】（３）バッテリは補助的な使用に限定さ
れ、小容量化でき、若しくは不要にできる。バッテリの
小容量化のためには、起動時間の低減と補機動力の低減
が重要であるが、起動時間の低減については、前述した
様に、大巾低減が可能である。また、補機動力について
は、起動方法の違いにより、異なった数値となるが、燃
料改質器を用いた従来装置よりも大巾低減が可能であ
る。例えば、ターボ発電機として、超小型高速回転ター
ボ発電機を使用する場合は、燃焼空気供給装置として、
低圧の空気ブロワーの駆動電力と、バーナ装置の始動用
ヒータ電力、燃料供給ポンプ、水ポンプ駆動電力などが
補機動力として必要となる。また、ターボ発電機として
高速回転ガスタービンを使用する場合は、ガスタービン
のスターターとして、何を用いるかにもよるが、モータ
ーをスターターとして用いた場合、一時的には大きな駆
動電力を要するが、ごく短時間のため、問題にならな
い。また、貯蔵した水素・酸素を触媒バーナーで燃焼さ
せ、この燃焼ガスで起動するようにすれば、補機動力と
しては軽微なものにできる。さらに、貯蔵している水
素、酸素により、まず、燃料電池に発電させ、この電力
によりターボ発電機の起動に必要な補助動力等をまかな
うようにすれば、理論的には、バッテリを不要にでき
る。
れ、小容量化でき、若しくは不要にできる。バッテリの
小容量化のためには、起動時間の低減と補機動力の低減
が重要であるが、起動時間の低減については、前述した
様に、大巾低減が可能である。また、補機動力について
は、起動方法の違いにより、異なった数値となるが、燃
料改質器を用いた従来装置よりも大巾低減が可能であ
る。例えば、ターボ発電機として、超小型高速回転ター
ボ発電機を使用する場合は、燃焼空気供給装置として、
低圧の空気ブロワーの駆動電力と、バーナ装置の始動用
ヒータ電力、燃料供給ポンプ、水ポンプ駆動電力などが
補機動力として必要となる。また、ターボ発電機として
高速回転ガスタービンを使用する場合は、ガスタービン
のスターターとして、何を用いるかにもよるが、モータ
ーをスターターとして用いた場合、一時的には大きな駆
動電力を要するが、ごく短時間のため、問題にならな
い。また、貯蔵した水素・酸素を触媒バーナーで燃焼さ
せ、この燃焼ガスで起動するようにすれば、補機動力と
しては軽微なものにできる。さらに、貯蔵している水
素、酸素により、まず、燃料電池に発電させ、この電力
によりターボ発電機の起動に必要な補助動力等をまかな
うようにすれば、理論的には、バッテリを不要にでき
る。
【００１５】さらに、他の本発明のポータブル燃料電池
動力システムは、上記（４）の手段の採用により、上記
作用に加え、 （４）外部負荷の変動又はピーク負荷に対する応答性が
飛躍的に向上するとともに、常時、水素・酸素を貯留す
ることとなるので、室温起動が常時可能で起動性を損う
恐れがない。 （５）また、出力変動の制御に難しい点がある反面、燃
料電池に比較しても比出力の大きいターボ発電機で、常
時外部負荷の平均負荷を分担するので、発生出力に対す
る容積を、非常に小さくできる。また、余剰出力は水電
解に使用され、過負荷が生じたときに負荷を分担する燃
料電池セルの動力源となる水素・酸素を生成するので出
力に無駄がなく、かつ、難しい外部負荷変動に伴うター
ボ発電機の出力変動制御が不要となるとともに、ターボ
発電機を過負荷時を見込んだ過剰な出力のものにする必
要がなくなる。
動力システムは、上記（４）の手段の採用により、上記
作用に加え、 （４）外部負荷の変動又はピーク負荷に対する応答性が
飛躍的に向上するとともに、常時、水素・酸素を貯留す
ることとなるので、室温起動が常時可能で起動性を損う
恐れがない。 （５）また、出力変動の制御に難しい点がある反面、燃
料電池に比較しても比出力の大きいターボ発電機で、常
時外部負荷の平均負荷を分担するので、発生出力に対す
る容積を、非常に小さくできる。また、余剰出力は水電
解に使用され、過負荷が生じたときに負荷を分担する燃
料電池セルの動力源となる水素・酸素を生成するので出
力に無駄がなく、かつ、難しい外部負荷変動に伴うター
ボ発電機の出力変動制御が不要となるとともに、ターボ
発電機を過負荷時を見込んだ過剰な出力のものにする必
要がなくなる。
【００１６】さらに、他の本発明のポータブル燃料電池
動力システムは、上記（５）の手段の採用により上記
（１）〜（３）の作用に加え、又は上記（１）〜（５）
の作用に加え、 （６）貯蔵装置から燃料電池へ供給された水素・酸素は
全量消費され、水となり、しかも、この水は水電解によ
り水素・酸素を生成するので、外部からの水の補給なし
に燃料電池セルおよび水電解装置が運転できるので、本
発明のポータブル燃料電池動力システムを使用する場合
は、ターボ発電機用の燃料のみ補給すれば良い。特に、
現在車載用の動力システムとして使用されている内燃機
関が燃料のほか、種々のオイル、ラジエータ冷却水を補
給していることを考慮すれば、本発明のポータブル燃料
電池動力システムはこの点において適用範囲が広くな
り、秀れたものにできる。
動力システムは、上記（５）の手段の採用により上記
（１）〜（３）の作用に加え、又は上記（１）〜（５）
の作用に加え、 （６）貯蔵装置から燃料電池へ供給された水素・酸素は
全量消費され、水となり、しかも、この水は水電解によ
り水素・酸素を生成するので、外部からの水の補給なし
に燃料電池セルおよび水電解装置が運転できるので、本
発明のポータブル燃料電池動力システムを使用する場合
は、ターボ発電機用の燃料のみ補給すれば良い。特に、
現在車載用の動力システムとして使用されている内燃機
関が燃料のほか、種々のオイル、ラジエータ冷却水を補
給していることを考慮すれば、本発明のポータブル燃料
電池動力システムはこの点において適用範囲が広くな
り、秀れたものにできる。
【００１７】
【実施例】以下、本発明のポータブル燃料電池動力シス
テムの実施例を、図面に基づき説明する。図１（Ａ）
は、本発明のポータブル燃料電池動力システムの一実施
例を示す車載用燃料電池動力システムのパワー系統図で
ある。ターボ発電機１と燃料電池２が負荷３に対して並
列に接続され、ターボ発電機１が、車両の運行に伴い発
生する、図１（Ｂ）に示すような車両の運行に伴う負荷
３の平均負荷３４をまかない、変動負荷３２及びピーク
負荷３１を燃料電池２がまかなうようにしている。負荷
３が平均負荷３４以下に下がり低負荷３３になると、タ
ーボ発電機１の出力の一部は燃料電池２に供給され、燃
料電池２を構成する水電解装置８は、供給水の水電解を
開始し、生成した水素および酸素を同様に燃料電池２を
構成する水素貯蔵装置４および酸素貯蔵装置５に送り込
み、所定量貯蔵される。
テムの実施例を、図面に基づき説明する。図１（Ａ）
は、本発明のポータブル燃料電池動力システムの一実施
例を示す車載用燃料電池動力システムのパワー系統図で
ある。ターボ発電機１と燃料電池２が負荷３に対して並
列に接続され、ターボ発電機１が、車両の運行に伴い発
生する、図１（Ｂ）に示すような車両の運行に伴う負荷
３の平均負荷３４をまかない、変動負荷３２及びピーク
負荷３１を燃料電池２がまかなうようにしている。負荷
３が平均負荷３４以下に下がり低負荷３３になると、タ
ーボ発電機１の出力の一部は燃料電池２に供給され、燃
料電池２を構成する水電解装置８は、供給水の水電解を
開始し、生成した水素および酸素を同様に燃料電池２を
構成する水素貯蔵装置４および酸素貯蔵装置５に送り込
み、所定量貯蔵される。
【００１８】システム制御装置６は、図１（Ｂ）に示す
ような車両の運行に伴う負荷の状態をモニターし、これ
に見合った出力が供給される様、出力制御器７を制御す
るとともに、燃焼用空気ブロワ１４、燃料ポンプ１５、
電磁弁等の補機類が適切に作動し、ターボ発電機１およ
び燃料電池２が適正な負荷を分担し、作動し、若しくは
水電解を行うためのスイッチング等の指示を出す。
ような車両の運行に伴う負荷の状態をモニターし、これ
に見合った出力が供給される様、出力制御器７を制御す
るとともに、燃焼用空気ブロワ１４、燃料ポンプ１５、
電磁弁等の補機類が適切に作動し、ターボ発電機１およ
び燃料電池２が適正な負荷を分担し、作動し、若しくは
水電解を行うためのスイッチング等の指示を出す。
【００１９】次に、図２、図３によりターボ発電機１に
ついて説明する。ターボ発電機１は、外部から空気を取
り入れて燃焼機１７に送る前記燃焼用空気ブロワ１４、
液化天然ガス（ＬＮＧ）、メタノール、軽油等の触媒燃
焼を行う燃料を貯蔵タンク２０から吸い込み、燃焼用空
気ブロワ１４からの空気中に噴霧する前記燃料ポンプ１
５、燃焼機１７に送られた空気と燃料を接触させ、触媒
燃焼させる触媒バーナ１３、燃焼機１７からの燃焼ガス
を導入してその熱エネルギーから回転出力を発生させる
タービン１２、および同軸状に結合されたタービン１２
の回転力により回転し、電力を発生する発電機１１とか
らなる。
ついて説明する。ターボ発電機１は、外部から空気を取
り入れて燃焼機１７に送る前記燃焼用空気ブロワ１４、
液化天然ガス（ＬＮＧ）、メタノール、軽油等の触媒燃
焼を行う燃料を貯蔵タンク２０から吸い込み、燃焼用空
気ブロワ１４からの空気中に噴霧する前記燃料ポンプ１
５、燃焼機１７に送られた空気と燃料を接触させ、触媒
燃焼させる触媒バーナ１３、燃焼機１７からの燃焼ガス
を導入してその熱エネルギーから回転出力を発生させる
タービン１２、および同軸状に結合されたタービン１２
の回転力により回転し、電力を発生する発電機１１とか
らなる。
【００２０】触媒バーナ１３は、炭化硅素（ＳｉＣ）等
の導電性セラミック原料を、三次元網目状の発泡体とし
たもので直方体に成形し、これに白金、パラジウム等の
貴金属族触媒を担持したものである。図２（Ａ）に示す
ように、触媒バーナ１３の対向する面には、導電性セラ
ミックにより発泡部を目封じし、これに導電性の導電性
セラミック、又はステンレス等の耐熱・耐酸化材料から
なる通電端子１６を、ろう付けして接合してある。そし
て、図２（Ｂ）に示すように、ステンレス製の燃焼機１
７に断熱材１８を介して、網目がガス通過方向を向くよ
うに設置されている。また、燃焼機１７の導入部には、
燃料と燃焼空気の混合のために、直径５φのアルミナ材
質セラミックボール１９を触媒バーナ１３手前に設けて
いるが、これは１φ程度のステンレス細線を束ねて充填
に代えても良い。燃料がメタノール等の液体燃料の場合
は、図２（Ｂ）に示すようにあらかじめ、燃料を燃料ポ
ンプ１５によりタンク２０より吸い上げ、燃料用空気ブ
ロワ１４から燃焼機１７に送られる風路中に設置された
ノズル部２１から噴出させ霧化するか、超音波により霧
化して、前述の燃焼機１７に燃焼空気と混ぜて導き、燃
焼機１７内の触媒バーナ１３に担持させた触媒に接触さ
せ、燃焼させる。なお、触媒バーナ１３は外部に設けた
電源２２から電力が供給され、加熱できる構造となって
おり、燃焼開始時には、バッテリ等の電源２２から供給
された電流により担持した触媒、燃焼用空気、および霧
化された燃料を、使用燃料によって決る１２０℃〜３８
０℃程度に加熱し、燃焼開始後は燃焼熱によって燃焼が
継続するようにしている。
の導電性セラミック原料を、三次元網目状の発泡体とし
たもので直方体に成形し、これに白金、パラジウム等の
貴金属族触媒を担持したものである。図２（Ａ）に示す
ように、触媒バーナ１３の対向する面には、導電性セラ
ミックにより発泡部を目封じし、これに導電性の導電性
セラミック、又はステンレス等の耐熱・耐酸化材料から
なる通電端子１６を、ろう付けして接合してある。そし
て、図２（Ｂ）に示すように、ステンレス製の燃焼機１
７に断熱材１８を介して、網目がガス通過方向を向くよ
うに設置されている。また、燃焼機１７の導入部には、
燃料と燃焼空気の混合のために、直径５φのアルミナ材
質セラミックボール１９を触媒バーナ１３手前に設けて
いるが、これは１φ程度のステンレス細線を束ねて充填
に代えても良い。燃料がメタノール等の液体燃料の場合
は、図２（Ｂ）に示すようにあらかじめ、燃料を燃料ポ
ンプ１５によりタンク２０より吸い上げ、燃料用空気ブ
ロワ１４から燃焼機１７に送られる風路中に設置された
ノズル部２１から噴出させ霧化するか、超音波により霧
化して、前述の燃焼機１７に燃焼空気と混ぜて導き、燃
焼機１７内の触媒バーナ１３に担持させた触媒に接触さ
せ、燃焼させる。なお、触媒バーナ１３は外部に設けた
電源２２から電力が供給され、加熱できる構造となって
おり、燃焼開始時には、バッテリ等の電源２２から供給
された電流により担持した触媒、燃焼用空気、および霧
化された燃料を、使用燃料によって決る１２０℃〜３８
０℃程度に加熱し、燃焼開始後は燃焼熱によって燃焼が
継続するようにしている。
【００２１】この燃焼によって発生した高温の燃焼ガス
は、燃焼機１７から、図３に示すタービンハウジング２
３の燃焼ガス入口２７から導入され、タービン１２に回
転出力を発生させ、燃焼ガス排気口２４から外部へ放出
される。タービン１２の回転出力は、タービン１２と同
軸上に設けられた発電機１１のロータ２５を、外側に巻
裝された電機子コイル２６の内部で回転させ、電力を発
生させる。
は、燃焼機１７から、図３に示すタービンハウジング２
３の燃焼ガス入口２７から導入され、タービン１２に回
転出力を発生させ、燃焼ガス排気口２４から外部へ放出
される。タービン１２の回転出力は、タービン１２と同
軸上に設けられた発電機１１のロータ２５を、外側に巻
裝された電機子コイル２６の内部で回転させ、電力を発
生させる。
【００２２】本実施例においては、触媒バーナ１３によ
り燃焼用空気と燃料の混合し触媒燃焼を行い燃焼機１７
で燃焼ガスを発生させ、ガス圧力０．５４kgf ／m2G 、
ガス温度３５３℃の燃焼ガスをタービン１２に導入した
ところ、ロータ２５回転数８０，２００rpm 、タービン
１２出口ガス圧力０．０２７kgf ／cm2G、タービン１２
出口ガス温度３１２℃となり、ターボ発電機１出力とし
て、４．７３ｋｗが得られた。この発電機１出力の一部
を整流回路を介して直流に変換し、定電流回路を通じ
て、水電解装置８に電力を供給し、水電解し、水素と酸
素を発生させた。
り燃焼用空気と燃料の混合し触媒燃焼を行い燃焼機１７
で燃焼ガスを発生させ、ガス圧力０．５４kgf ／m2G 、
ガス温度３５３℃の燃焼ガスをタービン１２に導入した
ところ、ロータ２５回転数８０，２００rpm 、タービン
１２出口ガス圧力０．０２７kgf ／cm2G、タービン１２
出口ガス温度３１２℃となり、ターボ発電機１出力とし
て、４．７３ｋｗが得られた。この発電機１出力の一部
を整流回路を介して直流に変換し、定電流回路を通じ
て、水電解装置８に電力を供給し、水電解し、水素と酸
素を発生させた。
【００２３】水電解装置８は、図４に示す水電解セルを
直列に配列したものであり、ここでは、単セルで試験し
た。水電解装置の詳細は本出願人が、前に出願した特願
平０１−１７４２０８号「水電解装置」に開示されてい
るが、固体高分子電解質膜４０の両側に、親水性反応層
４１と疎水性ガス拡散層４２からなるガス拡散電極４
３，４４を接合し、ガス拡散電極４３，４４にガスセパ
レータ４５，４６を接合して水電解セルを形成したもの
である。ガスセパレータ４５，４６は、ＳＵＳ３０４の
薄板を加工して、表面に水素ガス通路４７と酸素ガス通
路４８を、それぞれ水の通路３９に対し交互に形成する
様にし、水電解のための水を供給すると共に、固体高分
子電解質膜４０の加湿が充分に行なわれる様にしたこと
を特徴としている。
直列に配列したものであり、ここでは、単セルで試験し
た。水電解装置の詳細は本出願人が、前に出願した特願
平０１−１７４２０８号「水電解装置」に開示されてい
るが、固体高分子電解質膜４０の両側に、親水性反応層
４１と疎水性ガス拡散層４２からなるガス拡散電極４
３，４４を接合し、ガス拡散電極４３，４４にガスセパ
レータ４５，４６を接合して水電解セルを形成したもの
である。ガスセパレータ４５，４６は、ＳＵＳ３０４の
薄板を加工して、表面に水素ガス通路４７と酸素ガス通
路４８を、それぞれ水の通路３９に対し交互に形成する
様にし、水電解のための水を供給すると共に、固体高分
子電解質膜４０の加湿が充分に行なわれる様にしたこと
を特徴としている。
【００２４】この水通路４９に６０℃の温水を通し、通
電したところ、電極面積８１cm2 に対し、２．２Ｖ×８
１Ａ電力を消費し、水素ガスと酸素ガスがそれぞれ、水
素ガス通路４７および酸素ガス通路４８から回収でき、
これを気水分離したのち、水素貯蔵装置４および酸素貯
蔵装置５に５kgf ／cm2Gの圧力で貯蔵する事ができた。
また、疎水性ガス拡散層を取り付けないガス拡散電極４
３で試験したところ、１．８Ｖ×８１Ａの電力で同じ量
の水素と酸素を回収する事ができた。
電したところ、電極面積８１cm2 に対し、２．２Ｖ×８
１Ａ電力を消費し、水素ガスと酸素ガスがそれぞれ、水
素ガス通路４７および酸素ガス通路４８から回収でき、
これを気水分離したのち、水素貯蔵装置４および酸素貯
蔵装置５に５kgf ／cm2Gの圧力で貯蔵する事ができた。
また、疎水性ガス拡散層を取り付けないガス拡散電極４
３で試験したところ、１．８Ｖ×８１Ａの電力で同じ量
の水素と酸素を回収する事ができた。
【００２５】次に、水素貯蔵装置４、酸素貯蔵装置５に
回収した水素と酸素を、燃料電池２を構成し電池として
の機能を発揮する、上記水電解装置と同一構造にされ
た、図５の燃料電池セル９に流通させ、ガスセパレータ
４５，４６の溝４７，４８，４９に、水と水素ガス、お
よび水と酸素を交互に流通させ、発電させたところ、水
素、酸素圧を２kgf ／cm2G、温水温度９０℃で、１２２
Ａ×０．７Ｖの出力が得られた可変抵抗器Ｒを変化させ
てみたところ、瞬時に、負荷変化に追従する事がわかっ
た。
回収した水素と酸素を、燃料電池２を構成し電池として
の機能を発揮する、上記水電解装置と同一構造にされ
た、図５の燃料電池セル９に流通させ、ガスセパレータ
４５，４６の溝４７，４８，４９に、水と水素ガス、お
よび水と酸素を交互に流通させ、発電させたところ、水
素、酸素圧を２kgf ／cm2G、温水温度９０℃で、１２２
Ａ×０．７Ｖの出力が得られた可変抵抗器Ｒを変化させ
てみたところ、瞬時に、負荷変化に追従する事がわかっ
た。
【００２６】燃料電池セル９の水素ガス出口、酸素ガス
出口に、それぞれ気水分離器を設け、分離したガスのみ
を、燃料電池セル９ガス入口配管に設けたエジェクター
に導入したところ、完全に吸い込む事ができ、１００％
燃料電池セル９に供給し、消費できる事がわかった。気
水分離した水は、全量、水タンクに回収され、系外から
水を供給する事なく、運転する事ができた。
出口に、それぞれ気水分離器を設け、分離したガスのみ
を、燃料電池セル９ガス入口配管に設けたエジェクター
に導入したところ、完全に吸い込む事ができ、１００％
燃料電池セル９に供給し、消費できる事がわかった。気
水分離した水は、全量、水タンクに回収され、系外から
水を供給する事なく、運転する事ができた。
【００２７】なお、上述した実施例のポータブル燃料電
池動力システムでは、水電解装置と燃料電池とを別構造
のものしたが、水電解装置と燃料電池との電気化学セル
を同一構造とし、燃料電池セルに水と電気を供給して水
電解を行なわせるようにすることもでき、このようなシ
ステムにした場合には水電解装置を除くことができ、そ
の分さらに小型化することができる利点がある。
池動力システムでは、水電解装置と燃料電池とを別構造
のものしたが、水電解装置と燃料電池との電気化学セル
を同一構造とし、燃料電池セルに水と電気を供給して水
電解を行なわせるようにすることもでき、このようなシ
ステムにした場合には水電解装置を除くことができ、そ
の分さらに小型化することができる利点がある。
【００２８】
【発明の効果】本発明のポータブル燃料電池動力システ
ムは、請求項１に示す構成により、 （１）ターボ発電機と水素・酸素を発生する水電解装
置、水素・酸素で発電する燃料電池セルにより、負荷の
急激な変に対しても、極めて追従性の良いものにでき、
これにより、従来、車載用燃料電池を採用した場合にお
けるバッテリに替えて、燃料電池セルで、起動時の車両
負荷をまかなうことは、勿論、変動負荷、ピーク負荷を
まかなえ、実用性に富むものにできる。さらに、ターボ
発電機も、導電性セラミック発泡体に触媒を担持したバ
ーナ装置により、短時間の通電により急速昇温できるの
で、数分以内に高温燃焼ガスが生成でき、ターボ発電機
が起動できる。これは、従来車両の平均負荷を分担して
いた、装置の１／５〜１／１０の起動時間短縮となる。
ムは、請求項１に示す構成により、 （１）ターボ発電機と水素・酸素を発生する水電解装
置、水素・酸素で発電する燃料電池セルにより、負荷の
急激な変に対しても、極めて追従性の良いものにでき、
これにより、従来、車載用燃料電池を採用した場合にお
けるバッテリに替えて、燃料電池セルで、起動時の車両
負荷をまかなうことは、勿論、変動負荷、ピーク負荷を
まかなえ、実用性に富むものにできる。さらに、ターボ
発電機も、導電性セラミック発泡体に触媒を担持したバ
ーナ装置により、短時間の通電により急速昇温できるの
で、数分以内に高温燃焼ガスが生成でき、ターボ発電機
が起動できる。これは、従来車両の平均負荷を分担して
いた、装置の１／５〜１／１０の起動時間短縮となる。
【００２９】（２）ターボ発電機と、低温作動の固体高
分子電解質膜を使用した燃料電池を組み合わせにより、
最も比出力（出力密度）を大きくとれる。さらに、燃料
電池は燃料改質器を必要としない水素・酸素で発電でき
るため、従来システムの１／５〜１／３の容積になり、
極めて車載用として好適である。
分子電解質膜を使用した燃料電池を組み合わせにより、
最も比出力（出力密度）を大きくとれる。さらに、燃料
電池は燃料改質器を必要としない水素・酸素で発電でき
るため、従来システムの１／５〜１／３の容積になり、
極めて車載用として好適である。
【００３０】（３）バッテリを使用するとしても、非常
に短時間となり、小容量のもので良く小容積化できる。
に短時間となり、小容量のもので良く小容積化できる。
【００３１】上記に加え、他の本発明のポータブル燃料
電池動力システムは、請求項２に示す構成により、
（４）水素、酸素が常時貯留されることとなり、燃料電
池により迅速な起動性が確保できる。
電池動力システムは、請求項２に示す構成により、
（４）水素、酸素が常時貯留されることとなり、燃料電
池により迅速な起動性が確保できる。
【００３２】（５）比出力の大きいターボ発電機が、そ
の欠点を回避して有効に使用でき、装置の小容積化が加
速できる。
の欠点を回避して有効に使用でき、装置の小容積化が加
速できる。
【００３３】上記に加え、他の本発明のポータブル燃料
電池動力システムは、請求項３に示す構成により、燃料
電池セルによる動力分担時燃料電池セル出口から排出さ
れる未反応水素、酸素ガスを、燃料電池入口ガス配管に
設置したエジェクタに導入する事により、全量、燃料電
池セルに供給でき、消費できる。また、系外から水の補
給なしに、閉じた系で燃料電池が運転でき、生成水が、
再び水電解で水素・酸素になる再生システムが、極めて
有効である。従って、本発明装置を車載用として使用し
た場合には、燃料のみ補給すれば良く、現在の内燃機関
が種々のオイル、ラジエタ冷却水を補給している事を考
慮すれば、車載用として、好適であると言える。
電池動力システムは、請求項３に示す構成により、燃料
電池セルによる動力分担時燃料電池セル出口から排出さ
れる未反応水素、酸素ガスを、燃料電池入口ガス配管に
設置したエジェクタに導入する事により、全量、燃料電
池セルに供給でき、消費できる。また、系外から水の補
給なしに、閉じた系で燃料電池が運転でき、生成水が、
再び水電解で水素・酸素になる再生システムが、極めて
有効である。従って、本発明装置を車載用として使用し
た場合には、燃料のみ補給すれば良く、現在の内燃機関
が種々のオイル、ラジエタ冷却水を補給している事を考
慮すれば、車載用として、好適であると言える。
【図１】本発明のポータブル燃料電池動力システムの第
１実施例に係る図で、図１（Ａ）はパワー系統図、図１
（Ｂ）は車両の負荷変動の状況を示す図、
１実施例に係る図で、図１（Ａ）はパワー系統図、図１
（Ｂ）は車両の負荷変動の状況を示す図、
【図２】ターボ発電機の燃焼装置を示す図で、図２
（Ａ）は触媒バーナの斜視図、図２（Ｂ）燃焼装置の全
体を一部断面で示す側面図、
（Ａ）は触媒バーナの斜視図、図２（Ｂ）燃焼装置の全
体を一部断面で示す側面図、
【図３】ターボ発電機の駆動部および発電装置を示す側
断面図、
断面図、
【図４】燃料電池の水電解セル断面図、
【図５】燃料電池の燃料電池セルの断面図である。
【図６】従来の車載用燃料電池システムのパワー系統図
である。
である。
１ ターボ発電機 ２ 燃料電池 ３ 負荷 ４ 水素貯蔵装置 ５ 酸素貯蔵装置 ６ システム制御装置 ７ 出力制御器 ８ 水電解装置 ９ 燃料電池セル １１ 発電機 １２ タービン １３ 触媒バーナ １４ 燃焼用空気ブロワ １５ 燃料ポンプ １６ 通電端子 １７ 燃焼機 １８ 断熱材 １９ セラミックボール ２０ タンク ２１ ノズル部 ２２ 電源 ２３ タービンハウジング ２４ 燃焼ガス排気口 ２５ ロータ ２６ 電機子コイル ２７ 燃焼ガス入口 ３１ ピーク負荷 ３２ 変動負荷 ３３ 低負荷 ３４ 平均負荷 ４０ 固体高分子電解質膜 ４１ 親水性反応層 ４２ 疎水性ガス拡散層 ４３，４４ ガス拡散電極 ４５，４６ ガスセパレータ ４７ 水素ガス通路 ４８ 酸素ガス通路 ４９ 水通路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小向 真宏 神奈川県相模原市田名3000番地 エム・ エイチ・アイさがみハイテック株式会社 内 (56)参考文献 特開 平５−41236（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−101834（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−251105（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−119927（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 H01M 8/04 H01M 8/06 H02P 9/04
Claims (3)
- 【請求項１】 導電性セラミック多孔体で形成された加
熱装置に触媒を担持した触媒バーナ、前記触媒バーナに
タンク内から燃料を供給する燃料ポンプ、燃焼用空気を
供給する燃焼用空気ブロア、前記導電性セラミック多孔
体および燃焼用空気ブロアにそれぞれ電力を供給する電
源、前記触媒バーナに供給された前記燃料と燃焼用空気
とが触媒燃焼した燃焼ガスが供給され回転力を得るター
ビンと同軸に連結された発電機からなるターボ発電機
と、前記ターボ発電機から供給される電力で水電解を行
う固体高分子電解質膜の両側にガス拡散電極を接合した
電気化学セルからなる水電解装置、前記水電解装置で生
成される水素および酸素をそれぞれ貯蔵する水素貯蔵装
置、酸素貯蔵装置、前記水素貯蔵装置および酸素貯蔵装
置から供給される水素および酸素で発電する固体高分子
電解質膜の両側にガス拡散電極を接合した電気化学セル
からなる燃料電池セルを設けた燃料電池と、外部の負荷
からの信号に基づき前記ターボ発電機および前記燃料電
池の作動を制御するシステム制御装置とからなることを
特徴とするポータブル燃料電池動力システム。 - 【請求項２】 前記ターボ発電機は、前記外部の負荷の
平均負荷を常時分担し、平均負荷を越える過剰負荷は前
記燃料電池セルからの電力で分担し、平均負荷を下まわ
るときの前記ターボ発電機の余剰電力は前記水電解装置
に供給して水電解を行い、水素および酸素を生成し前記
水素貯蔵装置および酸素貯蔵装置に貯蔵するようにした
ことを特徴とする請求項１のポータブル燃料電池動力シ
ステム。 - 【請求項３】 前記燃料電池セルによる発電時の未反応
の水素および酸素は、前記燃料電池セルに再供給すると
ともに、水素、酸素の反応により生成された水を水電解
時、前記水電解装置に供給して水素および酸素の生成に
使用し、前記水電解装置に使用する水をクローズドシス
テムにしたことを特徴とする請求項１、又は請求項２の
ポータブル燃料電池動力システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29964093A JP3349227B2 (ja) | 1993-11-30 | 1993-11-30 | ポータブル燃料電池動力システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29964093A JP3349227B2 (ja) | 1993-11-30 | 1993-11-30 | ポータブル燃料電池動力システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07153476A JPH07153476A (ja) | 1995-06-16 |
| JP3349227B2 true JP3349227B2 (ja) | 2002-11-20 |
Family
ID=17875209
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| JP (1) | JP3349227B2 (ja) |
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