JP3416512B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、水素燃料を大気中
の酸素と電気的に反応させ、電気エネルギーを発生する
燃料電池装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】固体高分子形燃料電池では、供給した燃
料のもつ化学エネルギーがすべて電気エネルギーに変換
されるわけではなく、多くの場合、半分以上の化学エネ
ルギーが熱エネルギーに変換される。 【０００３】この発生した熱を固体高分子形燃料電池の
外に排出するため、燃料電池装置では、貯水タンクから
給水管を通じて水を固体高分子形燃料電池の燃料流通路
へ供給することにより、高分子イオン交換膜を湿潤させ
ると共に固体高分子形燃料電池を冷却し、また、消費さ
れない水は排水管を通じて貯水タンクへ排水させてい
る。 【０００４】このような構成の燃料電池装置が、寒冷地
の屋外に設置され、一定時間運転されないと、固体高分
子形燃料電池、貯水タンク、給水管、及び排水管の中に
滞留した水が凍結し、運転不能となったり、水が凍結す
る際の膨張圧で装置が破損する恐れがある。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事実を考
慮し、水が凍結することによる不都合を回避できる燃料
電池装置を提供することを課題とする。 【０００６】 【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明で
は、固体高分子形燃料電池が、燃料ガス中の水素を水の
介在の基に大気中の酸素と電気化学的に反応させて電気
エネルギーを発生させる。固体高分子形燃料電池には、
水が給水手段で給水され冷却される。また、余分な水は
固体高分子形燃料電池から排水手段を通じて排水され
る。 【０００７】この燃料電池装置には、回収手段が設けら
れており、運転終了後、回収手段を操作すると、固体高
分子形燃料電池、給水手段、及び排水手段に滞留する水
が回収される。 【０００８】このため、燃料電池装置を寒冷地の屋外に
設置し、一定時間運転を停止しても、凍結する水が装置
内に存在しないので、運転不能となったり、装置が破損
するようなことがない。また、回収した水（通常、燃料
電池装置には純水が使用される）を廃棄処分とすること
なく、室内で管理することで、再び、燃料電池装置内に
戻して使用すことができるので、経済的な運用ができ
る。 【０００９】請求項２に記載の発明では、回収手段が、
給水手段へ水を供給し、排水手段を通じて水が還流され
るメインタンクと、メインタンクへ補充手段を通じて水
を補充するサブタンクと、サブタンクを補充手段に対し
て着脱可能とする接続手段と、メインタンクの水をサブ
タンクに汲み上げる汲上げ手段と、で構成されている。 【００１０】この構成では、補充手段を止めて、サブタ
ンクからメインタンクへの水の補充を停止する。ここ
で、固体高分子形燃料電池、給水手段、及び排水手段に
滞留する水をメインタンクに戻しながら、汲上げ手段を
操作して、メインタンクの水をサブタンクへ汲み上げ
る。メインタンクの水が全てサブタンクへ汲み上げられ
た後、接続手段を操作して、補充手段からサブタンクを
取り外す。 【００１１】これにより、燃料電池装置内の水が全てサ
ブタンクに回収され、このサブタンクを室内等に保管す
ることで、水の回収作業が完了する。また、翌日、燃料
電池装置の運転を開始するときは、サブタンクを補充手
段へ接続手段を介してセットするだけで済むので、取り
扱いの煩雑さがない。 【００１２】 【発明の実施の形態】図１及び図２に示すように、第１
形態に係る燃料電池装置１０は、防水処理された箱状の
収納ケース１２に格納されている。収納ケース１２は、
上下３段に仕切られており、上段には、制御装置１４と
サブタンク１６が収納されている。また、収納ケース１
２の中段には、燃料電池モジュール１８が、さらに、下
段には、メインタンク２０とインバータ２２が収納され
ている。 【００１３】また、水素ボンベ２４は、収納ケース１２
の前面に収納され、扉１２Ａを開放することにより、簡
単に取り替えることができる。 【００１４】図３及び図４に示すように、燃料電池モジ
ュール１８は、高分子イオン交換膜（図示省略）の表面
にカソード３０を、裏面にアノード２６を接合した電極
／高分子膜接合体を備えている。この電極／高分子膜接
合体をバイポーラプレートで挟み込んでセル３２を構成
し、このセル３２を複数枚（本例では５０枚）積層し
て、燃料電池モジュール１８を構成している。 【００１５】また、燃料電池モジュール１８の上方に
は、継手管３８が接続されており、メインタンク２０か
ら給水管４０を介して、燃料電池モジュール１８へ水が
供給される。この水は、燃料電池モジュール１８を、冷
却し又高分子イオン交換膜を湿潤させる役割を果たす。 【００１６】一方、燃料電池モジュール１８の下方に
は、Ｌ字状の継手管４２が取付けられている。継手管４
２には、排水管４４が接続され、燃料電池モジュール１
８から水を排出する構成である。 【００１７】図２に示すように、排水管４４は、密閉さ
れたメインタンク２０の天壁２０Ａを貫通し、貯水され
た水Ｗと天壁２０Ａとの間に形成された気相部Ａに至っ
ている。このように、排水管４４の下流口を水Ｗの中に
入れず、落水させる方式を採ることで排水管４４内の水
が完全にメインタンク２０内へ還流する。 【００１８】また、メインタンク２０の側壁の下方に
は、給水管４０が接続されている。そして、循環ポンプ
４６により、冷却フィルター４８（図３参照）を通じ
て、燃料電池モジュール１８へ水が給水される。さら
に、メインタンク２０の底壁には、制御装置１４で開閉
される水抜き用の電磁弁５０が設けられている。 【００１９】一方、図３及び図４に示すように、収納ケ
ース１２（図２参照）の上段に収納されたサブタンク１
６は、補充パイプ５２を通じて、メインタンク２０と接
続されている。補充パイプ５２には、送水ポンプ５４及
び電磁弁５６が配設されており、一定時間毎或いはメイ
ンタンク２０の底部に備えられた水位センサ５８からの
信号を受けて、サブタンク１６から純水をメインタンク
２０へ補充する。 【００２０】図５及び図６に示すように、サブタンク１
６の口部１６Ａには、シリンダー１０９内を往復移動す
るピストン１１０を備えたキャップ１１２が螺合されて
いる。ピストン１１０はスプリング１１１で、すり鉢状
に縮径されたシリンダー１０９の注ぎ口１１４に向かっ
て付勢されている。そして、注ぎ口１１４の内周面に、
ピストン１１０の先端に取付けられたＯリング１１６が
嵌合して、サブタンク１６を逆さにしても注ぎ口１１４
から水が漏れない構成となっている。 【００２１】また、サブタンク１６が載せられる架台１
１８には、円形の水溜り部１２０が形成されている。こ
の水溜り部１２０の底壁からピン１２２が立設されてい
る。このピン１２２は、水溜り部１２０にキャップ１１
２を挿入したとき、スプリング１１６の付勢力に抗し
て、ピストン１１０を押し上げ、サブタンク１６内の水
を水溜り部１２０内へ流出させるようになっている。 【００２２】また、水溜り部１２０には、補充パイプ５
２の端末が連結されている。この端末部分には、制御装
置１４で開閉される電磁弁１２４が配置されている。さ
らに、サブタンク１６の側面上部には、継手管１２６が
設けられている。この継手管１２６には、着脱可能なゴ
ム管１２８を介して汲み上げ管１３０が接続されてい
る。 【００２３】汲み上げ管１３０の下流部は、メインタン
ク２０の底壁に接続されており、回収ポンプ１３２でメ
インタンク２０内の水をサブタンク１６に汲み上げて回
収するようになっている。 【００２４】次に、本形態に係る燃料電池装置の作用を
説明する。図１に示す、操作盤８２の運転・停止ボタン
８４を押すと、燃料電池装置１０が起動し、図４に示す
ように、水素ボンベ２４からレギュレータ６０、電磁弁
６２を経て、圧力が低下された水素ガスが燃料電池モジ
ュール１８のアノード２６へ供給される。 【００２５】アノード２６へ水素が供給されると、水素
は電子を放出して水素イオンとなり、高分子イオン交換
膜の中を水と共に移動する。この移動した水素イオン
は、カソード３０に達し、多翼ファン６４により外部か
ら供給された空気中の酸素と反応して水を生成する。こ
の結果、アノード２６から外部回路を通じて電子が流
れ、直流の電力が発生する。 【００２６】このとき、水素イオンが高分子イオン交換
膜の中を抵抗なく移動できるように、メインタンク２０
から給水管４０を通じて燃料電池モジュール１８へ水が
給水され、高分子イオン交換膜が湿潤状態が保たれると
共に、燃料電池モジュール１８の冷却が行われる。そし
て、消費されなかった水は、重力で継手管４２に至る。 【００２７】この継手管４２には、４本の排水管４４が
接続されており、独立した排水系を構成しているので、
燃料電池モジュール１８から水を確実にメインタンク２
０へ還流させることができる。 【００２８】一方、燃料電池モジュール１８へ供給され
反応しなかった微量の水素ガスは、配管６８を通じてメ
インタンク２０の気相部Ａへ送られる。このメインタン
ク２０は密閉されており、ここへ案内された微量の水素
ガスは、水素排気管７６を通じてニードル弁７２を経
て、混合器７４に至る。また、燃料電池モジュール１８
へ供給され反応しなかった空気は、空気排気管７７を通
じて、混合器７４に至る。混合器７４では、微量の水素
ガスが空気により充分に希釈されてから大気に放出され
る。 【００２９】また、燃料電池モジュール１８で消費され
た水が蒸発し、メインタンク２０の水位が下がると、底
部に設けられた水位センサ５８が、制御装置１４へ信号
を送る。制御装置１４は、電磁弁５６を開き、送水ポン
プ５４を駆動して、サブタンク１６に貯水された純水を
補充パイプ５２を通じて、メインタンク２０へ送り、連
続運転を可能とする。 【００３０】一方、燃料電池モジュール１８で発電した
直流電力はインバータ２２を構成する、ＤＣ／ＤＣコン
バータ９４で所定の電圧に変換され、ＡＣ／ＤＣインバ
ータ９６で直流から交流へ変換され、交流出力端子９８
へ送られ、一定の交流電力を供給する。また、本形態の
燃料電池装置１０は、自己完結タイプであり、外部から
電力が供給されない。 【００３１】このため、起動時に使用する電力源である
２次電池７８を備えている。この２次電池７８は、充電
回路８０により、発電時の余剰電力によって充電される
ようになっている。 【００３２】次に、図７のフローチャートを参照して、
水の回収運転モードを説明する。操作盤８２の運転・停
止ボタン８４（図１参照）を再度押して、燃料電池装置
１０の運転を終了させた後、ステップ２００で、回収ボ
タン１３６を押すと、回収運転モードに切り替わる。 【００３３】次に、ステップ２０２において、電磁弁１
２４が閉じられる。次に、ステップ２０４で、電磁弁５
６を開き、送水ポンプ５４を駆動して、補充パイプ５２
の中の水をメインタンク２０へ落とす。ステップ２０６
では、循環ポンプ４６が駆動して、給水管４０、燃料電
池モジュール１８、及び排水管４４に滞留した水がメイ
ンタンク２０へ還流され、ステップ２０８で、回収ポン
プ１３２が所定時間駆動されて、メインタンク２０の水
がサブタンク１６へ回収される。 【００３４】ここで、サブタンク１６の継手管１２６か
らゴム管１２８を外して、サブタンク１６を持ち上げる
と、スプリング１１１の付勢力で、ピストン１１０が下
方へ移動し、Ｏリング１１６と注ぎ口１１４が嵌合す
る。このため、サブタンク１６から水が漏れない。ま
た、リミットスイッチ１３８が作動して、燃料電池装置
の電源がオフになる。 【００３５】このように、燃料電池装置１０内の水循環
系内の水が全てサブタンク１６に回収されるので、凍結
する水が装置内に存在しない。このため、運転不能とな
ったり、装置が破損するようなことがない。 【００３６】また、回収した水を廃棄処分することな
く、サブタンク１６を室内で管理することで、再び、燃
料電池装置内に戻して使用すことができるので、経済的
な運用ができる。 【００３７】さらに、サブタンク１６を架台１１８にセ
ットするだけで、燃料電池装置１０の運転が可能となる
ので、取り扱いの煩雑さがない。 【００３８】 【発明の効果】本発明は上記構成としたので、運転終了
後に、燃料電池装置内の水が全て回収できる。このた
め、凍結による被害が生じない。また、回収した水が再
利用できるので、経済的な運転ができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本形態に係る燃料電池装置の外観図である。 【図２】本形態に係る燃料電池装置の内部を見た断面図
である。 【図３】本形態に係る燃料電池装置の水循環系の概略斜
視図である。 【図４】本形態に係る燃料電池装置のブロック図であ
る。 【図５】本形態に係る燃料電池装置のサブタンクの接続
構造を示す断面図である。 【図６】本形態に係る燃料電池装置のサブタンクの接続
構造を示す断面図である。 【図７】本形態に係る燃料電池装置の作用を示すフロー
チャートである。 【符号の説明】 １４ 制御装置（制御手段） １６ サブタンク（回収手段） １８ 燃料電池モジュール（固体高分子形燃料電池） ２０ メインタンク ４０ 給水管（給水手段） ４２ 継手管（排水手段） ４４ 排水管（排水手段） ４６ 循環ポンプ（給水手段） ５２ 補充パイプ（補充手段） ５４ 送水ポンプ（補充手段） １１２ キャップ（接続手段） １２０ 水溜り部（接続手段） １２２ ピン（接続手段） １２４ 電磁弁（回収手段） １３０ 汲み上げ管（汲上げ手段、回収手段） １３２ 回収ポンプ（汲上げ手段、回収手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 進藤 浩二 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６−223855（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−147892（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−119031（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 燃料ガス中の水素を水の介在の基に大気
   中の酸素と電気化学的に反応させて電気エネルギーを発
   生する固体高分子形燃料電池と、 前記固体高分子形燃料電池へ水を給水する給水手段と、 前記固体高分子形燃料電池の水を排水する排水手段と、 前記固体高分子形燃料電池、前記給水手段、及び前記排
   水手段に滞留する水を回収する回収手段と、を有するこ
   とを特徴とする燃料電池装置において、 前記回収手段が、前記給水手段へ水を供給し、前記排水
   手段を通じて水が還流されるメインタンクと、前記メイ
   ンタンクへ補充手段を通じて水を補充するサブタンク
   と、前記サブタンクを前記補充手段に対して着脱可能と
   する接続手段と、前記メインタンクの水を前記サブタン
   クに汲み上げる汲上げ手段と、で構成されたことを特徴
   とする燃料電池装置。