JP3575151B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電源装置に関し、特に燃料電池を用いた電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型等の燃料電池は、供給されるガスの化学エネルギーを、直接電気エネルギーに変換することができるので、高い発電効率が得られる。しかもこれらの燃料電池は、数１００ｋＷの大型のものから数１００Ｗ程度の小規模のものまで実用化されつつある。その中で、特に小型の燃料電池は、例えば、ゴルフカート等の移動用、通信用、建築・土木工事用等の電源として使用されている。
【０００３】
ところで、上記小型の燃料電池を用いた従来の電源装置は、燃料電池本体が収納されているケースの複数面に空気吸入口や反応ガス排出口が設けられ、電源非使用時にそれらの吸排口から外気等がケース内に侵入する可能性がある。その結果、燃料電池の電解質（例えば、リン酸等）が外気中の水分を吸収するため、電解質濃度が低下して電池特性が劣化するという課題があった。
【０００４】
そこで、このような事態を回避するための従来例として、特開平５−１９０１９６号公報に示すようなものがある。以下、その構成について図６を参照にしながら説明する。図６に示す電源装置は、水素を燃料として発電動作をする燃料電池本体１と、この燃料電池本体１へ水素を供給する水素吸蔵合金から成る水素貯蔵装置２と、これら燃料電池本体１と水素貯蔵装置２とを収納するケース本体３と、このケース本体３を覆蓋する蓋体４とから成り、上記ケース本体３の一つの面に燃料電池発電動作に必要な空気を取り入れる空気吸入口５と、燃料電池発電動作に伴って生じる反応ガスを排気する反応ガス排出口６とを設けると共に、電源非使用時にはこれら吸排口５・６が上記蓋体４によって密閉されるように構成されている。電源非使用時には、吸排口５・６が蓋体４によって密閉されるので、これら吸排口５・６からケース本体３内に外気等が侵入し、白金触媒を有する一対の電極とともに燃料電池を構成するリン酸電解質の濃度が、外気中の水分によって低下することなく、電池特性の劣化を防止することができるようになっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成のような電源装置では、外気との遮断を上記蓋体４によって行っているので、吸排口５・６それぞれの部分で遮断を行うよりもシール範囲が大きくなる。シール範囲が大きいとシール部に微小な隙間が生じやすくなり、気体の水分子は非常に小さくわずかな隙間でも通過しやすいため、ケース本体３内と外気との間の水分の出入りが生じ、外気中の水分による電解質濃度の低下が生じやすくなる。
【０００６】
また、炭化水素系またはアルコール系の原燃料を改質した水素と一酸化炭素を含む改質ガスを燃料ガスとして用いた場合、電源使用後に蓋体４でケース本体３の上面を覆蓋し密閉すると、ケース本体３内に一酸化炭素が残留ガス内に含まれたまま放置されることになり、同様に硫黄分を含む原燃料を脱硫ののち改質して用いる場合には、ケース本体３内に硫黄が残留ガス内に含まれたまま放置されることになる。
【０００７】
一酸化炭素及び硫黄分は燃料電池内の電極中の白金触媒やその他の貴金属系触媒を被毒し電池特性を劣化させる触媒毒の原因となるので、一般に運転中の改質ガスの一酸化炭素濃度はリン酸型では１％程度以下、固体高分子型では１０ｐｐｍ以下に低減され、硫黄分も除去されているが、ケース本体３内に一酸化炭素や極微量の硫黄分が含まれたまま密閉放置されると、長時間のうちに一酸化炭素や硫黄分により被毒される貴金属系触媒である白金触媒が被毒されてしまうという課題があった。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、電源非使用時には燃料電池本体を確実に密閉し、一酸化炭素により被毒される貴金属系触媒が一酸化炭素に被毒されることなく燃料電池本体内への外気や水分、異物等の侵入を防止し、また、電源非使用時には固体高分子型の燃料電池本体を密閉し、一酸化炭素により被毒される貴金属系触媒が被毒されることなく燃料電池本体内から外気への水分の散逸を防止すること等を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の電源装置においては、燃料電池本体内に燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池部と、一酸化炭素除去手段と、燃料電池本体を密閉する密閉手段を備えている。この本発明によれば、外気中の水分吸収によって起こる電解濃度の低下を防ぎ、また、電池特性の劣化を防ぐことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は上記目的を達成するために、燃料電池本体内に、一酸化炭素により被毒される貴金属系触媒を有し燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池部と、一酸化炭素除去手段とを備え、前記燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、前記燃料電池本体内を密閉する密閉手段を設けたものである。
【００１１】
また、燃料電池部は、イオン伝導性を有する固体高分子膜と、前記固体高分子膜の両面に配された一対の電極とからなる固体高分子型燃料電池を、単独または複数個積層して構成したものである。
【００１２】
また、密閉手段は、気密・液密性を有し、ガス入口および出口を覆蓋するフィルム状またはシート状の遮断膜からなるものである。
【００１３】
また、密閉手段として、ガス入口に燃料電池本体上流側の圧力が燃料電池本体内の圧力より所定圧力だけ高くなったときに開成する逆止弁と、ガス出口に燃料電池本体内の圧力が燃料電池本体下流側の圧力より所定圧力だけ高くなったときに開成する逆止弁の少なくともどちらか一方を備えたものである。
【００１４】
また、一酸化炭素除去手段として一酸化炭素の吸着剤を用いたものである。
また、一酸化炭素除去手段として一酸化炭素の選択的酸化装置を備えたものである。
【００１５】
また、燃料電池本体側に水保持材を配した密閉手段を備えたものである。
また、燃料電池本体内に、一酸化炭素により被毒される貴金属系触媒を有し燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池部を備え、前記燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、前記燃料電池本体内を密閉し、前記燃料電池本体側に一酸化炭素の吸着剤が設けられた密閉手段を備えたものである。
【００１６】
また、燃料電池本体内に、硫黄分により被毒される貴金属系触媒を有し燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池部と、硫黄除去手段とを備え、前記燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、前記燃料電池本体内を密閉する密閉手段を設けたものである。
【００１７】
また、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池部を有する燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、前記燃料電池本体内を密閉する密閉手段を備え、前記燃料電池本体の温度を検知し表示する温度表示手段を備えたものである。
【００１８】
本発明は上記構成により以下の作用を有する。
すなわち、燃料電池本体内に貴金属系触媒を有する燃料電池部と一酸化炭素除去手段を備え、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に密閉手段を備えた構成により、電源非使用時には個々の吸排口の小さなシール範囲で燃料電池本体を確実に密閉するので、燃料電池本体内への外気や水分、異物等の侵入を防止でき、外気中の水分吸収による電解質濃度の低下、電池特性の劣化を防ぐことができるとともに、電源使用後の密閉状態でも残留ガス中の一酸化炭素を一酸化炭素除去手段により除去するので、一酸化炭素による燃料電池電極中の貴金属系触媒の被毒を防止し、電池特性の劣化を防ぐことができる。
【００１９】
また、燃料電池部は、イオン伝導性を有する固体高分子膜と、固体高分子膜の両面に配された一対の電極とからなる固体高分子型燃料電池を、単独または複数個積層した構成により、固体高分子型燃料電池は１００℃程度以下の低温で作動するので、電極中の貴金属系触媒が被毒されやすくなるが、燃料電池本体内に一酸化炭素除去手段を備えているので、貴金属系触媒の被毒、電池特性の劣化を防ぐことができ、また確実な密閉により、電源非使用時に水分が吸排口から外気へ散逸するのを防止でき、固体高分子膜の含水量低下による発電効率低下と膜の乾燥収縮による燃料電池部の破損を防ぐことができる。
【００２０】
また、密閉手段は、気密・液密性を有し、ガス入口および出口を覆蓋するフィルム状またはシート状の遮断膜で構成したことにより、密閉手段の構成部品は遮断膜のみになり得るので、密閉方法も簡単でコストもかからず、電源の軽量化を図ることもできる。
【００２１】
また、密閉手段としてガス入口とガス出口に、それぞれ所定の条件のときのみ開成する逆止弁を設けた構成により、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給され、ガスが上流から下流に流れるときのみ圧力差で逆止弁が開成し、電源使用終了時にガスの供給を停止すると圧力差がなくなり逆止弁が閉成するので、簡単な構成で電源使用時および電源非使用時に密閉手段の開閉操作を必要とせずに運転・停止することができる。
【００２２】
また、一酸化炭素除去手段として一酸化炭素の吸着剤を用いた構成により、簡単でコストがかからず、外部からエネルギーを供給しなくても一酸化炭素を除去できるので、電源非使用時の運転停止中でも簡便に使用でき、蓄電池などの補助エネルギー装置を要せず、電源の軽量化とコンパクト化、さらに高効率化も図ることができる。
【００２３】
また、一酸化炭素除去手段として一酸化炭素の選択的酸化装置を備えた構成により、保守作業を要せずに燃料電池本体内の一酸化炭素を除去することができる。
【００２４】
また、密閉手段の燃料電池本体側に水保持材を配した構成により、電源使用後の密閉した燃料電池本体内の温度が下がった場合は、ガス中に飽和まで含まれていた水分がガスの温度低下により凝縮し、その凝縮水が水保持材に吸収される。逆に燃料電池内の温度が上昇した場合は、水保持材に吸収されていた水が蒸発するので、燃料電池本体内の温度条件が変化しても、密閉した燃料電池本体内を飽和蒸気圧の状態に維持し、電解質である固体高分子膜を飽和含水状態に保つことができる。
【００２５】
また、燃料電池本体内に貴金属系触媒を有する燃料電池部を備え、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、燃料電池本体内を密閉し、燃料電池本体側に一酸化炭素の吸着剤が設けられた密閉手段を備えた構成により、電源使用後の密閉状態でも残留ガス中の一酸化炭素を吸着剤により除去するので、一酸化炭素による電池特性の劣化を防ぐことができ、さらに一酸化炭素を吸着した後の吸着剤は、電源の再使用時に、密閉手段と同時に廃棄交換されることとなり、利用者が意識せずに吸着剤の交換などの保守作業を行うことができ信頼性の向上を図ることができる。
【００２６】
また、燃料電池本体内に貴金属系触媒を有する燃料電池部と硫黄除去手段を備え、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に密閉手段を備えた構成により、電源非使用時には個々の吸排口の小さなシール範囲で燃料電池本体を確実に密閉するので、燃料電池本体内への外気や水分、異物等の侵入を防止でき、外気中の水分吸収による電解質濃度の低下、電池特性の劣化を防ぐことができるとともに、電源使用後の密閉状態でも残留ガス中の硫黄分を硫黄除去手段により除去するので、硫黄分による燃料電池電極中の貴金属系触媒の被毒を防止し、電池特性の劣化を防ぐことができる。
【００２７】
また、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に密閉手段を備え、燃料電池本体の温度を検知し表示する温度表示手段を備えた構成により、利用者は発電運転停止後の燃料電池本体の温度低下を確認した後に燃料電池本体を密閉できるので、燃料電池本体内が温度低下によって外気圧よりも負圧状態になることを防止し、圧力差による破損を防止することができる。
【００２８】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施例による電源装置の要部切断斜視図であり、図２は図１の要部断面図である。図１、図２において、電源装置本体１の内部には燃料ガス入口２、酸化剤ガス入口３、燃料ガス出口４、酸化剤ガス出口５の４つの給排口が設けられ燃料電池本体６と改質装置７とファン８が収納されており、電源装置本体１の１つの面に設けられた原燃料供給口９と改質装置７は導管１０により接続され、改質装置７と燃料電池本体６とは燃料ガス入口２に着脱自在に構成された燃料ガス供給路１１により接続されている。ファン８に接続された酸化剤ガス供給路１２も同様に酸化剤ガス入口３に着脱自在に構成されている。
【００２９】
燃料電池本体６の内部には、燃料ガス入口２と酸化剤ガス入口３に接続された燃料電池部１３と、それぞれ燃料ガス出口４と酸化剤ガス出口５に接続された２つの一酸化炭素除去手段である一酸化炭素燃焼バーナー１４が収納され、燃料電池部１３と一酸化炭素燃焼バーナー１４は燃料排ガス流路１５と酸化剤排ガス流路１６により接続された構成になっている。
【００３０】
また、燃料電池部１３は、イオン伝導性を有する固体高分子膜１７と、その両面に配された一対の電極であって、内部に貴金属系の触媒である白金触媒１８を有し燃料電池反応ガスを拡散することが可能な導電性多孔体の燃料電極１９および酸化剤電極２０とで構成された固体高分子型燃料電池２１を複数個積層した構成になっている。
【００３１】
上記構成により、電源使用時には原燃料供給口９からボンベ等（図示せず）により供給された炭化水素系またはアルコール系の原燃料は、導管１０を通り、改質装置７により燃料電池で発電するための燃料ガスとして水素リッチなガスに改質され、燃料ガス供給路１１を経て燃料ガス入口２から燃料電池本体６内の燃料電池部１３に供給される。一方、酸化剤ガスである空気は、ファン８により酸化剤ガス供給路１２を経て酸化剤ガス入口３から燃料電池部１３に供給され、燃料電池部１３内で燃料ガスと電気化学反応を生じて発電を行う。
【００３２】
燃料電池部１３の固体高分子型燃料電池２１の電解質である固体高分子膜１７には、スルホン酸基をもつポリスチレン系の陽イオン交換膜や、パーフロロカーボンスルホン酸膜（米国，デュポン社，商品名ナフィオン）などの分子中にプロトン交換基をもつ膜が使用されており、反応ガスである燃料ガスや酸化剤ガスをあらかじめ加湿しておくなどして固体高分子膜１７を飽和含水させることにより、プロトン伝導性電解質膜として機能する。そして、一方の多孔体の燃料電極１９に燃料ガスとして供給されてきた水素は、電極内または電極と固体高分子膜１７との間に配された白金触媒１８の作用によりプロトンＨ＋になり、飽和含水した固体高分子膜１７を通って、他方の酸化剤電極２０に酸化剤ガスとして供給され電極内を拡散してきた酸素と電池反応を生じて発電するのである。
【００３３】
したがって、固体高分子膜１７をイオン伝導性電解質膜として機能させ、固体高分子型燃料電池の発電効率を高く維持するためには、固体高分子膜１７の比抵抗を小さく保つために固体高分子型燃料電池２１の運転温度を５０〜１００℃程度に保持するとともに、固体高分子膜１７を飽和含水状態に維持している。
【００３４】
そして、燃料電池部１３を出た燃料ガス側排ガスおよび酸化剤ガス側排ガスは、それぞれ流路１５、１６を通り、一酸化炭素燃焼バーナー１４で排ガス中のわずかな一酸化炭素が残留水素などとともに完全に燃焼し尽くされ、二酸化炭素などに変化した排ガスとして燃料ガス出口４および酸化剤ガス出口５より外気へ排出される。
【００３５】
次に電源使用終了後には図２に示すように、反応ガスの供給を停止し、燃料ガス入口２に接続された燃料ガス供給路１１および酸化剤ガス入口３に接続された酸化剤ガス供給路１２をそれぞれはずし、密閉手段である気密・液密性を有する遮断膜２２を４つの給排口２、３、４、５に口を覆蓋するように貼付する。遮断膜２２の片面には給排口から燃料電池本体６内に挿入できるような大きさの水保持材２３が設けられているとともに、給排口に貼付するための粘着材（図示せず）が塗布されているので、簡単でコストもかからず密閉することができる。
【００３６】
したがって電源非使用時には、個々の４つの給排口に貼付された遮断膜２２により吸排口周囲の小さなシール範囲で燃料電池本体６内は確実に完全密閉状態になるので、燃料電池本体６内への外気や水分、異物等の侵入を防止できるとともに、電源非使用時に水分が吸排口から外気へ散逸するのを防止でき、電源使用中に、反応ガスやその排ガスに含まれていた微量の一酸化炭素（例えば固体高分子型燃料電池では１０ｐｐｍ程度以下）は、一酸化炭素燃焼バーナー１４で完全に燃焼し尽くされているので、電源使用後の密閉状態でも一酸化炭素による燃料電池電極中の白金触媒１８の被毒を防止し、電池特性の劣化を防ぐことができる。また、電源使用後の密閉した燃料電池本体６内の温度が下がった場合は、ガス中に飽和まで含まれていた水分がガスの温度低下により凝縮し、その凝縮水が水保持材２３に吸収される。逆に燃料電池内の温度が上昇した場合は、水保持材２３に吸収されていた水が蒸発するので、燃料電池本体６内の温度条件が変化しても、密閉した燃料電池本体６内を飽和蒸気圧の状態に維持し、電解質である固体高分子膜１７を飽和含水状態に保つことができるので、膜の乾燥収縮による燃料電池部の破損と、電源再使用開始時の固体高分子膜の含水量低下による発電効率低下を防止することができ、長期保管後の運転に際しての信頼性も向上できる。さらに、密閉手段の構成部品は遮断膜２２と水保持材２３のみになり得るので、簡単構成でコストもかからず、電源の軽量化を図ることもできる。
【００３７】
図３は本発明の第２の実施例による電源装置の要部断面図であり、図１、図２と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、２４は４つの給排口２、３、４、５それぞれに設けられた逆止弁であり、反応ガスの供給側である燃料ガス入口２および酸化剤ガス入口３においては、入口の燃料電池本体６内側に弁座２５が形成され、同じく燃料電池本体６内に設けられたバネ支持部２６に支持されたバネ２７により弁体２８の開成圧力が決まるように構成されて、弁体２８が燃料電池本体６の内側に開成するようになっている。また、反応ガスの排出側である燃料ガス出口４および酸化剤ガス出口５においては、出口の燃料電池本体６外側に弁座２５が形成され、燃料電池本体６の外側にバネ支持部２６、バネ２７、弁体２８が設けられ、逆止弁２４の前後に所定の開成圧力がかかったときのみ弁体２８が燃料電池本体６の外側に開成するようになっている。
【００３８】
そして、燃料電池部１３と反応ガスの出口４、５の間にはそれぞれに一酸化炭素の選択的酸化装置２９が流路１５、１６により接続された構成になっている。
【００３９】
上記構成において、電源使用時には燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて供給圧がかかっているので、燃料電池本体６の上流側から逆止弁２４の所定開成圧力以上の圧力差が逆止弁２４の前後にかかり、逆止弁が開成して反応ガスが入口側から出口側へ流れる。そして、電源使用終了後には図３に示すように、反応ガスの供給を停止し、燃料ガス入口２に接続された燃料ガス供給路１１および酸化剤ガス入口３に接続された酸化剤ガス供給路１２をそれぞれはずすと、圧力差がなくなり逆止弁が閉成するので、燃料電池本体６内は密閉状態になり、外気や水分、異物等の侵入を防止できるとともに、電源非使用時に水分が吸排口から外気へ散逸するのを防止できるとともに、簡単な構成で電源使用時および電源非使用時に密閉手段の開閉操作を必要とせずに運転・停止することができる。
【００４０】
逆止弁２４により燃料電池本体６が密閉されると、微量の一酸化炭素が燃料電池本体内に残留するが、一酸化炭素の選択的酸化装置２９において、一酸化炭素が選択的に酸化、除去されるので、電源使用後の密閉状態でも一酸化炭素による燃料電池電極１９、２０中の白金触媒１８の被毒を防止し、電池特性の劣化を防ぐことができるとともに、一酸化炭素を選択的に酸化するので残留水素等が酸化されず、残留水素等の酸化・消費されて水になることに伴う圧力低下が生じず、負圧による漏れの発生、外気や異物等の混入、電源使用開始時の圧力差による破損を防止することができる。
【００４１】
図４は本発明の第３の実施例による電源装置の要部断面図であり、図１、図２および図３と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、３０は一酸化炭素吸着剤であり、一方がそれぞれ燃料電池部１３の下流に流路１５、１６を介して接続され、他方がそれぞれ燃料ガス出口４または酸化剤ガス出口５に開口した吸着剤保持筒３１内に一酸化炭素吸着剤３０が収納された構成になっている。
【００４２】
上記構成において、電源使用終了後には図４に示すように、反応ガスの供給を停止し、燃料ガス入口２に接続された燃料ガス供給路１１および酸化剤ガス入口３に接続された酸化剤ガス供給路１２をそれぞれはずし、反応ガス出口側の２つの吸着剤保持筒３１内に一酸化炭素吸着剤３０を充填して、密閉手段である気密・液密性を有する遮断膜２２を４つの給排口２、３、４、５に口を覆蓋するように貼付する。
【００４３】
これにより電源非使用時には、個々の４つの給排口に貼付された遮断膜２２により吸排口周囲の小さなシール範囲で燃料電池本体６内は確実に完全密閉状態になるので、燃料電池本体６内への外気や水分、異物等の侵入を防止できるとともに、電源非使用時に水分が吸排口から外気へ散逸するのを防止でき、燃料電池本体６密閉時の残留ガス中に含まれていた微量の一酸化炭素（例えば固体高分子型燃料電池では１０ｐｐｍ程度以下）は、一酸化炭素吸着剤３０により完全に吸着除去されるので、電源使用後の密閉状態でも一酸化炭素による燃料電池電極１９、２０中の白金触媒１８の被毒を防止し、電池特性の劣化を防ぐことができ、長期保管後の運転に際しての信頼性も向上できる。
【００４４】
また、一酸化炭素除去手段として一酸化炭素吸着剤３０を用いているので、簡単でコストがかからず、外部からエネルギーを供給しなくても一酸化炭素を除去できるので、電源非使用時の運転停止中でも簡便に使用でき、蓄電池などの補助エネルギー装置を要せず、電源の軽量化とコンパクト化、さらに高効率化も図ることができる。
【００４５】
なお、ここでの説明では電源の運転中は一酸化炭素吸着剤３０をはずしておき、吸着剤の交換回数を低減できるようにしているが、より完全に残留ガス中の一酸化炭素を除去するため、運転中でも一酸化炭素吸着剤３０を充填しておいてもよい。
【００４６】
図５は本発明の第４の実施例による電源装置の要部断面図であり、図１、図２、図３および図４と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、３２、３３はそれぞれ燃料電池部１３から反応ガス排出口につながり、その出口部分に雌ねじを切った燃料排ガス流路、酸化剤排ガス流路である。また、３４は先端に一酸化炭素吸着剤部３５を有するボルト状の密閉手段である密閉ネジであり、燃料ガス出口４および酸化剤ガス出口５の周囲に設けられたＯリング３６を介して密閉ネジ３４を排ガス流路３２、３３にそれぞれねじ込むことにより燃料電池本体６を密閉できるように構成されている。
【００４７】
また、３７は遮断膜２２の片面に設けられた硫黄除去手段である活性炭であり、燃料電池本体６内に挿入できる大きさになっている。３８は燃料電池本体６内に設けられた温度検知手段であり、信号線３９を介して温度表示部４０に接続されている。
【００４８】
上記構成において、電源使用終了後には図５に示すように、反応ガスの供給を停止し、燃料ガス入口２に接続された燃料ガス供給路１１および酸化剤ガス入口３に接続された酸化剤ガス供給路１２をそれぞれはずす。その後、温度表示部４０に表示される燃料電池本体６内の温度が外気温とほぼ等しくなるまで低下したのを確認し、活性炭３７を設けた密閉手段である気密・液密性を有する遮断膜２２を活性炭３７が燃料電池本体６内に入るように燃料ガス入口２と酸化剤ガス出口３に口を覆蓋するように貼付する。また、電源使用時にははずしてあった密閉ネジ３４を燃料ガス出口４および酸化剤ガス出口５にねじ込み燃料電池本体６を密閉する。
【００４９】
これにより電源非使用時には、２つの反応ガス入口に貼付された遮断膜２２および２つの反応ガス出口にねじ込まれた密閉ネジ３４により、吸排口周囲の小さなシール範囲で燃料電池本体６内は確実に完全密閉状態になるので、燃料電池本体６内への外気や水分、異物等の侵入を防止できるとともに、電源非使用時に水分が吸排口から外気へ散逸するのを防止できる。また、燃料電池本体６密閉時の残留ガス中に含まれていた微量の一酸化炭素（例えば固体高分子型燃料電池では１０ｐｐｍ程度以下）は、一酸化炭素吸着剤部３５により完全に吸着除去され、残留ガス中に硫黄分が極微量含まれていても活性炭３７により吸着除去されるので、電源使用後の密閉状態でも一酸化炭素および硫黄分による燃料電池電極１９、２０中の白金触媒１８の被毒を防止し、電池特性の劣化を防ぐことができ、長期保管後の運転に際しての信頼性も向上できる。ここで、一酸化炭素除去手段である一酸化炭素吸着剤部３５は密閉ネジ３４に一体形成されているので、電源の再使用時に、密閉手段と同時に廃棄交換されることとなり、利用者が意識せずに吸着剤の交換などの保守作業を行うことができ信頼性の向上を図ることができる。
【００５０】
さらに、電源使用終了時には使用者が、温度検知部３８で検知され温度表示部４０に表示される燃料電池本体６内の温度が低下したのを確認した後に燃料電池本体６を密閉できるので、燃料電池本体６内が温度低下によって外気圧よりも負圧状態になることを防止し、圧力差による破損を防止することができる。
【００５１】
なお、ここでの説明では硫黄分の吸着剤として活性炭を使用したが、他の吸着剤を用いてもよい。
【００５２】
また、本発明の実施例では一酸化炭素除去手段を燃料電池部１３の下流に設け、硫黄除去手段を燃料電池部１３の上流に設けた構成にして説明しているが、一酸化炭素除去手段を上流に設けてもよく、また硫黄除去手段を下流に設けてもよい。
【００５３】
さらに、本発明の実施例では燃料電池部１３に固体高分子型燃料電池２１を用い、一酸化炭素または硫黄分に被毒される貴金属系触媒として白金触媒１８を用いたもので説明しているが、その他の燃料電池（例えばリン酸型）でも、一酸化炭素または硫黄分に被毒されるその他の触媒でも同様の効果が得られ、密閉手段を設けたことにより外気中の水分吸収による電解質濃度の低下、電池特性の劣化を防ぐこともできる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電源装置は、以下に述べる効果を有するものである。
【００５５】
すなわち、燃料電池本体内に貴金属系触媒を有する燃料電池部と一酸化炭素除去手段を備え、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に密閉手段を備えた構成としているので、電源非使用時には個々の吸排口の小さなシール範囲で燃料電池本体を確実に密閉するので、燃料電池本体内への外気や水分、異物等の侵入を防止でき、外気中の水分吸収による電解質濃度の低下、電池特性の劣化を防ぐことができるとともに、電源使用後の密閉状態でも残留ガス中の一酸化炭素を一酸化炭素除去手段により除去するので、一酸化炭素による燃料電池電極中の貴金属系触媒の被毒を防止し電池特性の劣化を防ぐことができ、長期保管後の運転に際しての信頼性も向上できる。
【００５６】
また固体高分子型燃料電池は１００℃程度以下の低温で作動するので、電極中の貴金属系触媒が被毒されやすくなるが、燃料電池本体内に一酸化炭素除去手段を備えているので、貴金属系触媒の被毒、電池特性の劣化を防ぐことができ、また確実な密閉により、電源非使用時に水分が吸排口から外気へ散逸するのを防止でき、固体高分子膜の含水量低下による発電効率低下と膜の乾燥収縮による燃料電池部の破損を防ぐことができる。
【００５７】
また密閉手段は、気密・液密性を有し、ガス入口および出口を覆蓋するフィルム状またはシート状の遮断膜で構成しているので、密閉手段の構成部品は遮断膜のみになり得るので、密閉方法も簡単でコストもかからず、電源の軽量化を図ることができる。
【００５８】
また密閉手段としてガス入口とガス出口に、それぞれ所定の条件のときのみ開成する逆止弁を設けた構成としているので、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給され、ガスが上流から下流に流れるときのみ圧力差で逆止弁が開成し、電源使用終了時にガスの供給を停止すると圧力差がなくなり逆止弁が閉成するので、簡単な構成で電源使用時および電源非使用時に密閉手段の開閉操作を必要とせずに運転・停止することができる。
【００５９】
また、一酸化炭素除去手段として一酸化炭素の吸着剤を用いた構成としているので、簡単でコストがかからず、外部からエネルギーを供給しなくても一酸化炭素を除去できるので、電源非使用時の運転停止中でも簡便に使用でき、蓄電池などの補助エネルギー装置を要せず、電源の軽量化とコンパクト化、さらに高効率化も図ることができる。
【００６０】
また、一酸化炭素除去手段として一酸化炭素の選択的酸化装置を備えた構成としているので、保守作業を要せずに燃料電池本体内の一酸化炭素を除去することができる。
【００６１】
また、密閉手段の燃料電池本体側に水保持材を配した構成としているので、電源使用後の密閉した燃料電池本体内の温度が下がった場合は、ガス中に飽和まで含まれていた水分がガスの温度低下により凝縮し、その凝縮水が水保持材に吸収される。逆に燃料電池内の温度が上昇した場合は、水保持材に吸収されていた水が蒸発するので、燃料電池本体内の温度条件が変化しても、密閉した燃料電池本体内を飽和蒸気圧の状態に維持し、電解質である固体高分子膜を飽和含水状態に保つことができる。
【００６２】
また、燃料電池本体内に貴金属系触媒を有する燃料電池部を備え、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、燃料電池本体内を密閉し、燃料電池本体側に一酸化炭素の吸着剤が設けられた密閉手段を備えた構成としているので、電源使用後の密閉状態でも残留ガス中の一酸化炭素を吸着剤により除去するので、一酸化炭素による電池特性の劣化を防ぐことができ、さらに一酸化炭素を吸着した後の吸着剤は、電源の再使用時に密閉手段と同時に廃棄交換されることとなり、利用者が意識せずに吸着剤の交換などの保守作業を行うことができ信頼性の向上を図ることができる。
【００６３】
また、燃料電池本体内に貴金属系触媒を有する燃料電池部と硫黄除去手段を備え、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に密閉手段を備えた構成としているので、電源非使用時には個々の吸排口の小さなシール範囲で燃料電池本体を確実に密閉するので、燃料電池本体内への外気や水分、異物等の侵入を防止でき、外気中の水分吸収による電解質濃度の低下、電池特性の劣化を防ぐことができるとともに、電源使用後の密閉状態でも残留ガス中の硫黄分を硫黄除去手段により除去するので、硫黄分による燃料電池電極中の貴金属系触媒の被毒を防止できるので、着臭剤を含む原燃料を改質ガスとして使用する場合にも信頼性が向上できる。
【００６４】
また、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に密閉手段を備え、燃料電池本体の温度を検知し表示する温度表示手段を備えた構成としているので、利用者は発電運転停止後の燃料電池本体の温度低下を確認した後に燃料電池本体を密閉できるので、燃料電池本体内が温度低下によって外気圧よりも負圧状態になることを防止し、圧力差による破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における電源装置の要部切断斜視図
【図２】同電源装置の要部断面図
【図３】本発明の第２の実施例における電源装置の要部断面図
【図４】本発明の第３の実施例における電源装置の要部断面図
【図５】本発明の第４の実施例における電源装置の要部断面図
【図６】従来の電源装置の斜視図
【符号の説明】
２ 燃料ガス入口
３ 酸化剤ガス入口
４ 燃料ガス出口
５ 酸化剤ガス出口
６ 燃料電池本体
１３ 燃料電池部
１４ 一酸化炭素燃焼バーナー
１８ 白金触媒
２２ 遮断膜
【発明の属する技術分野】
本発明は電源装置に関し、特に燃料電池を用いた電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型等の燃料電池は、供給されるガスの化学エネルギーを、直接電気エネルギーに変換することができるので、高い発電効率が得られる。しかもこれらの燃料電池は、数１００ｋＷの大型のものから数１００Ｗ程度の小規模のものまで実用化されつつある。その中で、特に小型の燃料電池は、例えば、ゴルフカート等の移動用、通信用、建築・土木工事用等の電源として使用されている。
【０００３】
ところで、上記小型の燃料電池を用いた従来の電源装置は、燃料電池本体が収納されているケースの複数面に空気吸入口や反応ガス排出口が設けられ、電源非使用時にそれらの吸排口から外気等がケース内に侵入する可能性がある。その結果、燃料電池の電解質（例えば、リン酸等）が外気中の水分を吸収するため、電解質濃度が低下して電池特性が劣化するという課題があった。
【０００４】
そこで、このような事態を回避するための従来例として、特開平５−１９０１９６号公報に示すようなものがある。以下、その構成について図６を参照にしながら説明する。図６に示す電源装置は、水素を燃料として発電動作をする燃料電池本体１と、この燃料電池本体１へ水素を供給する水素吸蔵合金から成る水素貯蔵装置２と、これら燃料電池本体１と水素貯蔵装置２とを収納するケース本体３と、このケース本体３を覆蓋する蓋体４とから成り、上記ケース本体３の一つの面に燃料電池発電動作に必要な空気を取り入れる空気吸入口５と、燃料電池発電動作に伴って生じる反応ガスを排気する反応ガス排出口６とを設けると共に、電源非使用時にはこれら吸排口５・６が上記蓋体４によって密閉されるように構成されている。電源非使用時には、吸排口５・６が蓋体４によって密閉されるので、これら吸排口５・６からケース本体３内に外気等が侵入し、白金触媒を有する一対の電極とともに燃料電池を構成するリン酸電解質の濃度が、外気中の水分によって低下することなく、電池特性の劣化を防止することができるようになっていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成のような電源装置では、外気との遮断を上記蓋体４によって行っているので、吸排口５・６それぞれの部分で遮断を行うよりもシール範囲が大きくなる。シール範囲が大きいとシール部に微小な隙間が生じやすくなり、気体の水分子は非常に小さくわずかな隙間でも通過しやすいため、ケース本体３内と外気との間の水分の出入りが生じ、外気中の水分による電解質濃度の低下が生じやすくなる。
【０００６】
また、炭化水素系またはアルコール系の原燃料を改質した水素と一酸化炭素を含む改質ガスを燃料ガスとして用いた場合、電源使用後に蓋体４でケース本体３の上面を覆蓋し密閉すると、ケース本体３内に一酸化炭素が残留ガス内に含まれたまま放置されることになり、同様に硫黄分を含む原燃料を脱硫ののち改質して用いる場合には、ケース本体３内に硫黄が残留ガス内に含まれたまま放置されることになる。
【０００７】
一酸化炭素及び硫黄分は燃料電池内の電極中の白金触媒やその他の貴金属系触媒を被毒し電池特性を劣化させる触媒毒の原因となるので、一般に運転中の改質ガスの一酸化炭素濃度はリン酸型では１％程度以下、固体高分子型では１０ｐｐｍ以下に低減され、硫黄分も除去されているが、ケース本体３内に一酸化炭素や極微量の硫黄分が含まれたまま密閉放置されると、長時間のうちに一酸化炭素や硫黄分により被毒される貴金属系触媒である白金触媒が被毒されてしまうという課題があった。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、電源非使用時には燃料電池本体を確実に密閉し、一酸化炭素により被毒される貴金属系触媒が一酸化炭素に被毒されることなく燃料電池本体内への外気や水分、異物等の侵入を防止し、また、電源非使用時には固体高分子型の燃料電池本体を密閉し、一酸化炭素により被毒される貴金属系触媒が被毒されることなく燃料電池本体内から外気への水分の散逸を防止すること等を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の電源装置においては、燃料電池本体内に燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池部と、一酸化炭素除去手段と、燃料電池本体を密閉する密閉手段を備えている。この本発明によれば、外気中の水分吸収によって起こる電解濃度の低下を防ぎ、また、電池特性の劣化を防ぐことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は上記目的を達成するために、燃料電池本体内に、一酸化炭素により被毒される貴金属系触媒を有し燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池部と、一酸化炭素除去手段とを備え、前記燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、前記燃料電池本体内を密閉する密閉手段を設けたものである。
【００１１】
また、燃料電池部は、イオン伝導性を有する固体高分子膜と、前記固体高分子膜の両面に配された一対の電極とからなる固体高分子型燃料電池を、単独または複数個積層して構成したものである。
【００１２】
また、密閉手段は、気密・液密性を有し、ガス入口および出口を覆蓋するフィルム状またはシート状の遮断膜からなるものである。
【００１３】
また、密閉手段として、ガス入口に燃料電池本体上流側の圧力が燃料電池本体内の圧力より所定圧力だけ高くなったときに開成する逆止弁と、ガス出口に燃料電池本体内の圧力が燃料電池本体下流側の圧力より所定圧力だけ高くなったときに開成する逆止弁の少なくともどちらか一方を備えたものである。
【００１４】
また、一酸化炭素除去手段として一酸化炭素の吸着剤を用いたものである。
また、一酸化炭素除去手段として一酸化炭素の選択的酸化装置を備えたものである。
【００１５】
また、燃料電池本体側に水保持材を配した密閉手段を備えたものである。
また、燃料電池本体内に、一酸化炭素により被毒される貴金属系触媒を有し燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池部を備え、前記燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、前記燃料電池本体内を密閉し、前記燃料電池本体側に一酸化炭素の吸着剤が設けられた密閉手段を備えたものである。
【００１６】
また、燃料電池本体内に、硫黄分により被毒される貴金属系触媒を有し燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池部と、硫黄除去手段とを備え、前記燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、前記燃料電池本体内を密閉する密閉手段を設けたものである。
【００１７】
また、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池部を有する燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、前記燃料電池本体内を密閉する密閉手段を備え、前記燃料電池本体の温度を検知し表示する温度表示手段を備えたものである。
【００１８】
本発明は上記構成により以下の作用を有する。
すなわち、燃料電池本体内に貴金属系触媒を有する燃料電池部と一酸化炭素除去手段を備え、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に密閉手段を備えた構成により、電源非使用時には個々の吸排口の小さなシール範囲で燃料電池本体を確実に密閉するので、燃料電池本体内への外気や水分、異物等の侵入を防止でき、外気中の水分吸収による電解質濃度の低下、電池特性の劣化を防ぐことができるとともに、電源使用後の密閉状態でも残留ガス中の一酸化炭素を一酸化炭素除去手段により除去するので、一酸化炭素による燃料電池電極中の貴金属系触媒の被毒を防止し、電池特性の劣化を防ぐことができる。
【００１９】
また、燃料電池部は、イオン伝導性を有する固体高分子膜と、固体高分子膜の両面に配された一対の電極とからなる固体高分子型燃料電池を、単独または複数個積層した構成により、固体高分子型燃料電池は１００℃程度以下の低温で作動するので、電極中の貴金属系触媒が被毒されやすくなるが、燃料電池本体内に一酸化炭素除去手段を備えているので、貴金属系触媒の被毒、電池特性の劣化を防ぐことができ、また確実な密閉により、電源非使用時に水分が吸排口から外気へ散逸するのを防止でき、固体高分子膜の含水量低下による発電効率低下と膜の乾燥収縮による燃料電池部の破損を防ぐことができる。
【００２０】
また、密閉手段は、気密・液密性を有し、ガス入口および出口を覆蓋するフィルム状またはシート状の遮断膜で構成したことにより、密閉手段の構成部品は遮断膜のみになり得るので、密閉方法も簡単でコストもかからず、電源の軽量化を図ることもできる。
【００２１】
また、密閉手段としてガス入口とガス出口に、それぞれ所定の条件のときのみ開成する逆止弁を設けた構成により、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給され、ガスが上流から下流に流れるときのみ圧力差で逆止弁が開成し、電源使用終了時にガスの供給を停止すると圧力差がなくなり逆止弁が閉成するので、簡単な構成で電源使用時および電源非使用時に密閉手段の開閉操作を必要とせずに運転・停止することができる。
【００２２】
また、一酸化炭素除去手段として一酸化炭素の吸着剤を用いた構成により、簡単でコストがかからず、外部からエネルギーを供給しなくても一酸化炭素を除去できるので、電源非使用時の運転停止中でも簡便に使用でき、蓄電池などの補助エネルギー装置を要せず、電源の軽量化とコンパクト化、さらに高効率化も図ることができる。
【００２３】
また、一酸化炭素除去手段として一酸化炭素の選択的酸化装置を備えた構成により、保守作業を要せずに燃料電池本体内の一酸化炭素を除去することができる。
【００２４】
また、密閉手段の燃料電池本体側に水保持材を配した構成により、電源使用後の密閉した燃料電池本体内の温度が下がった場合は、ガス中に飽和まで含まれていた水分がガスの温度低下により凝縮し、その凝縮水が水保持材に吸収される。逆に燃料電池内の温度が上昇した場合は、水保持材に吸収されていた水が蒸発するので、燃料電池本体内の温度条件が変化しても、密閉した燃料電池本体内を飽和蒸気圧の状態に維持し、電解質である固体高分子膜を飽和含水状態に保つことができる。
【００２５】
また、燃料電池本体内に貴金属系触媒を有する燃料電池部を備え、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、燃料電池本体内を密閉し、燃料電池本体側に一酸化炭素の吸着剤が設けられた密閉手段を備えた構成により、電源使用後の密閉状態でも残留ガス中の一酸化炭素を吸着剤により除去するので、一酸化炭素による電池特性の劣化を防ぐことができ、さらに一酸化炭素を吸着した後の吸着剤は、電源の再使用時に、密閉手段と同時に廃棄交換されることとなり、利用者が意識せずに吸着剤の交換などの保守作業を行うことができ信頼性の向上を図ることができる。
【００２６】
また、燃料電池本体内に貴金属系触媒を有する燃料電池部と硫黄除去手段を備え、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に密閉手段を備えた構成により、電源非使用時には個々の吸排口の小さなシール範囲で燃料電池本体を確実に密閉するので、燃料電池本体内への外気や水分、異物等の侵入を防止でき、外気中の水分吸収による電解質濃度の低下、電池特性の劣化を防ぐことができるとともに、電源使用後の密閉状態でも残留ガス中の硫黄分を硫黄除去手段により除去するので、硫黄分による燃料電池電極中の貴金属系触媒の被毒を防止し、電池特性の劣化を防ぐことができる。
【００２７】
また、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に密閉手段を備え、燃料電池本体の温度を検知し表示する温度表示手段を備えた構成により、利用者は発電運転停止後の燃料電池本体の温度低下を確認した後に燃料電池本体を密閉できるので、燃料電池本体内が温度低下によって外気圧よりも負圧状態になることを防止し、圧力差による破損を防止することができる。
【００２８】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施例による電源装置の要部切断斜視図であり、図２は図１の要部断面図である。図１、図２において、電源装置本体１の内部には燃料ガス入口２、酸化剤ガス入口３、燃料ガス出口４、酸化剤ガス出口５の４つの給排口が設けられ燃料電池本体６と改質装置７とファン８が収納されており、電源装置本体１の１つの面に設けられた原燃料供給口９と改質装置７は導管１０により接続され、改質装置７と燃料電池本体６とは燃料ガス入口２に着脱自在に構成された燃料ガス供給路１１により接続されている。ファン８に接続された酸化剤ガス供給路１２も同様に酸化剤ガス入口３に着脱自在に構成されている。
【００２９】
燃料電池本体６の内部には、燃料ガス入口２と酸化剤ガス入口３に接続された燃料電池部１３と、それぞれ燃料ガス出口４と酸化剤ガス出口５に接続された２つの一酸化炭素除去手段である一酸化炭素燃焼バーナー１４が収納され、燃料電池部１３と一酸化炭素燃焼バーナー１４は燃料排ガス流路１５と酸化剤排ガス流路１６により接続された構成になっている。
【００３０】
また、燃料電池部１３は、イオン伝導性を有する固体高分子膜１７と、その両面に配された一対の電極であって、内部に貴金属系の触媒である白金触媒１８を有し燃料電池反応ガスを拡散することが可能な導電性多孔体の燃料電極１９および酸化剤電極２０とで構成された固体高分子型燃料電池２１を複数個積層した構成になっている。
【００３１】
上記構成により、電源使用時には原燃料供給口９からボンベ等（図示せず）により供給された炭化水素系またはアルコール系の原燃料は、導管１０を通り、改質装置７により燃料電池で発電するための燃料ガスとして水素リッチなガスに改質され、燃料ガス供給路１１を経て燃料ガス入口２から燃料電池本体６内の燃料電池部１３に供給される。一方、酸化剤ガスである空気は、ファン８により酸化剤ガス供給路１２を経て酸化剤ガス入口３から燃料電池部１３に供給され、燃料電池部１３内で燃料ガスと電気化学反応を生じて発電を行う。
【００３２】
燃料電池部１３の固体高分子型燃料電池２１の電解質である固体高分子膜１７には、スルホン酸基をもつポリスチレン系の陽イオン交換膜や、パーフロロカーボンスルホン酸膜（米国，デュポン社，商品名ナフィオン）などの分子中にプロトン交換基をもつ膜が使用されており、反応ガスである燃料ガスや酸化剤ガスをあらかじめ加湿しておくなどして固体高分子膜１７を飽和含水させることにより、プロトン伝導性電解質膜として機能する。そして、一方の多孔体の燃料電極１９に燃料ガスとして供給されてきた水素は、電極内または電極と固体高分子膜１７との間に配された白金触媒１８の作用によりプロトンＨ＋になり、飽和含水した固体高分子膜１７を通って、他方の酸化剤電極２０に酸化剤ガスとして供給され電極内を拡散してきた酸素と電池反応を生じて発電するのである。
【００３３】
したがって、固体高分子膜１７をイオン伝導性電解質膜として機能させ、固体高分子型燃料電池の発電効率を高く維持するためには、固体高分子膜１７の比抵抗を小さく保つために固体高分子型燃料電池２１の運転温度を５０〜１００℃程度に保持するとともに、固体高分子膜１７を飽和含水状態に維持している。
【００３４】
そして、燃料電池部１３を出た燃料ガス側排ガスおよび酸化剤ガス側排ガスは、それぞれ流路１５、１６を通り、一酸化炭素燃焼バーナー１４で排ガス中のわずかな一酸化炭素が残留水素などとともに完全に燃焼し尽くされ、二酸化炭素などに変化した排ガスとして燃料ガス出口４および酸化剤ガス出口５より外気へ排出される。
【００３５】
次に電源使用終了後には図２に示すように、反応ガスの供給を停止し、燃料ガス入口２に接続された燃料ガス供給路１１および酸化剤ガス入口３に接続された酸化剤ガス供給路１２をそれぞれはずし、密閉手段である気密・液密性を有する遮断膜２２を４つの給排口２、３、４、５に口を覆蓋するように貼付する。遮断膜２２の片面には給排口から燃料電池本体６内に挿入できるような大きさの水保持材２３が設けられているとともに、給排口に貼付するための粘着材（図示せず）が塗布されているので、簡単でコストもかからず密閉することができる。
【００３６】
したがって電源非使用時には、個々の４つの給排口に貼付された遮断膜２２により吸排口周囲の小さなシール範囲で燃料電池本体６内は確実に完全密閉状態になるので、燃料電池本体６内への外気や水分、異物等の侵入を防止できるとともに、電源非使用時に水分が吸排口から外気へ散逸するのを防止でき、電源使用中に、反応ガスやその排ガスに含まれていた微量の一酸化炭素（例えば固体高分子型燃料電池では１０ｐｐｍ程度以下）は、一酸化炭素燃焼バーナー１４で完全に燃焼し尽くされているので、電源使用後の密閉状態でも一酸化炭素による燃料電池電極中の白金触媒１８の被毒を防止し、電池特性の劣化を防ぐことができる。また、電源使用後の密閉した燃料電池本体６内の温度が下がった場合は、ガス中に飽和まで含まれていた水分がガスの温度低下により凝縮し、その凝縮水が水保持材２３に吸収される。逆に燃料電池内の温度が上昇した場合は、水保持材２３に吸収されていた水が蒸発するので、燃料電池本体６内の温度条件が変化しても、密閉した燃料電池本体６内を飽和蒸気圧の状態に維持し、電解質である固体高分子膜１７を飽和含水状態に保つことができるので、膜の乾燥収縮による燃料電池部の破損と、電源再使用開始時の固体高分子膜の含水量低下による発電効率低下を防止することができ、長期保管後の運転に際しての信頼性も向上できる。さらに、密閉手段の構成部品は遮断膜２２と水保持材２３のみになり得るので、簡単構成でコストもかからず、電源の軽量化を図ることもできる。
【００３７】
図３は本発明の第２の実施例による電源装置の要部断面図であり、図１、図２と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、２４は４つの給排口２、３、４、５それぞれに設けられた逆止弁であり、反応ガスの供給側である燃料ガス入口２および酸化剤ガス入口３においては、入口の燃料電池本体６内側に弁座２５が形成され、同じく燃料電池本体６内に設けられたバネ支持部２６に支持されたバネ２７により弁体２８の開成圧力が決まるように構成されて、弁体２８が燃料電池本体６の内側に開成するようになっている。また、反応ガスの排出側である燃料ガス出口４および酸化剤ガス出口５においては、出口の燃料電池本体６外側に弁座２５が形成され、燃料電池本体６の外側にバネ支持部２６、バネ２７、弁体２８が設けられ、逆止弁２４の前後に所定の開成圧力がかかったときのみ弁体２８が燃料電池本体６の外側に開成するようになっている。
【００３８】
そして、燃料電池部１３と反応ガスの出口４、５の間にはそれぞれに一酸化炭素の選択的酸化装置２９が流路１５、１６により接続された構成になっている。
【００３９】
上記構成において、電源使用時には燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて供給圧がかかっているので、燃料電池本体６の上流側から逆止弁２４の所定開成圧力以上の圧力差が逆止弁２４の前後にかかり、逆止弁が開成して反応ガスが入口側から出口側へ流れる。そして、電源使用終了後には図３に示すように、反応ガスの供給を停止し、燃料ガス入口２に接続された燃料ガス供給路１１および酸化剤ガス入口３に接続された酸化剤ガス供給路１２をそれぞれはずすと、圧力差がなくなり逆止弁が閉成するので、燃料電池本体６内は密閉状態になり、外気や水分、異物等の侵入を防止できるとともに、電源非使用時に水分が吸排口から外気へ散逸するのを防止できるとともに、簡単な構成で電源使用時および電源非使用時に密閉手段の開閉操作を必要とせずに運転・停止することができる。
【００４０】
逆止弁２４により燃料電池本体６が密閉されると、微量の一酸化炭素が燃料電池本体内に残留するが、一酸化炭素の選択的酸化装置２９において、一酸化炭素が選択的に酸化、除去されるので、電源使用後の密閉状態でも一酸化炭素による燃料電池電極１９、２０中の白金触媒１８の被毒を防止し、電池特性の劣化を防ぐことができるとともに、一酸化炭素を選択的に酸化するので残留水素等が酸化されず、残留水素等の酸化・消費されて水になることに伴う圧力低下が生じず、負圧による漏れの発生、外気や異物等の混入、電源使用開始時の圧力差による破損を防止することができる。
【００４１】
図４は本発明の第３の実施例による電源装置の要部断面図であり、図１、図２および図３と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、３０は一酸化炭素吸着剤であり、一方がそれぞれ燃料電池部１３の下流に流路１５、１６を介して接続され、他方がそれぞれ燃料ガス出口４または酸化剤ガス出口５に開口した吸着剤保持筒３１内に一酸化炭素吸着剤３０が収納された構成になっている。
【００４２】
上記構成において、電源使用終了後には図４に示すように、反応ガスの供給を停止し、燃料ガス入口２に接続された燃料ガス供給路１１および酸化剤ガス入口３に接続された酸化剤ガス供給路１２をそれぞれはずし、反応ガス出口側の２つの吸着剤保持筒３１内に一酸化炭素吸着剤３０を充填して、密閉手段である気密・液密性を有する遮断膜２２を４つの給排口２、３、４、５に口を覆蓋するように貼付する。
【００４３】
これにより電源非使用時には、個々の４つの給排口に貼付された遮断膜２２により吸排口周囲の小さなシール範囲で燃料電池本体６内は確実に完全密閉状態になるので、燃料電池本体６内への外気や水分、異物等の侵入を防止できるとともに、電源非使用時に水分が吸排口から外気へ散逸するのを防止でき、燃料電池本体６密閉時の残留ガス中に含まれていた微量の一酸化炭素（例えば固体高分子型燃料電池では１０ｐｐｍ程度以下）は、一酸化炭素吸着剤３０により完全に吸着除去されるので、電源使用後の密閉状態でも一酸化炭素による燃料電池電極１９、２０中の白金触媒１８の被毒を防止し、電池特性の劣化を防ぐことができ、長期保管後の運転に際しての信頼性も向上できる。
【００４４】
また、一酸化炭素除去手段として一酸化炭素吸着剤３０を用いているので、簡単でコストがかからず、外部からエネルギーを供給しなくても一酸化炭素を除去できるので、電源非使用時の運転停止中でも簡便に使用でき、蓄電池などの補助エネルギー装置を要せず、電源の軽量化とコンパクト化、さらに高効率化も図ることができる。
【００４５】
なお、ここでの説明では電源の運転中は一酸化炭素吸着剤３０をはずしておき、吸着剤の交換回数を低減できるようにしているが、より完全に残留ガス中の一酸化炭素を除去するため、運転中でも一酸化炭素吸着剤３０を充填しておいてもよい。
【００４６】
図５は本発明の第４の実施例による電源装置の要部断面図であり、図１、図２、図３および図４と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、３２、３３はそれぞれ燃料電池部１３から反応ガス排出口につながり、その出口部分に雌ねじを切った燃料排ガス流路、酸化剤排ガス流路である。また、３４は先端に一酸化炭素吸着剤部３５を有するボルト状の密閉手段である密閉ネジであり、燃料ガス出口４および酸化剤ガス出口５の周囲に設けられたＯリング３６を介して密閉ネジ３４を排ガス流路３２、３３にそれぞれねじ込むことにより燃料電池本体６を密閉できるように構成されている。
【００４７】
また、３７は遮断膜２２の片面に設けられた硫黄除去手段である活性炭であり、燃料電池本体６内に挿入できる大きさになっている。３８は燃料電池本体６内に設けられた温度検知手段であり、信号線３９を介して温度表示部４０に接続されている。
【００４８】
上記構成において、電源使用終了後には図５に示すように、反応ガスの供給を停止し、燃料ガス入口２に接続された燃料ガス供給路１１および酸化剤ガス入口３に接続された酸化剤ガス供給路１２をそれぞれはずす。その後、温度表示部４０に表示される燃料電池本体６内の温度が外気温とほぼ等しくなるまで低下したのを確認し、活性炭３７を設けた密閉手段である気密・液密性を有する遮断膜２２を活性炭３７が燃料電池本体６内に入るように燃料ガス入口２と酸化剤ガス出口３に口を覆蓋するように貼付する。また、電源使用時にははずしてあった密閉ネジ３４を燃料ガス出口４および酸化剤ガス出口５にねじ込み燃料電池本体６を密閉する。
【００４９】
これにより電源非使用時には、２つの反応ガス入口に貼付された遮断膜２２および２つの反応ガス出口にねじ込まれた密閉ネジ３４により、吸排口周囲の小さなシール範囲で燃料電池本体６内は確実に完全密閉状態になるので、燃料電池本体６内への外気や水分、異物等の侵入を防止できるとともに、電源非使用時に水分が吸排口から外気へ散逸するのを防止できる。また、燃料電池本体６密閉時の残留ガス中に含まれていた微量の一酸化炭素（例えば固体高分子型燃料電池では１０ｐｐｍ程度以下）は、一酸化炭素吸着剤部３５により完全に吸着除去され、残留ガス中に硫黄分が極微量含まれていても活性炭３７により吸着除去されるので、電源使用後の密閉状態でも一酸化炭素および硫黄分による燃料電池電極１９、２０中の白金触媒１８の被毒を防止し、電池特性の劣化を防ぐことができ、長期保管後の運転に際しての信頼性も向上できる。ここで、一酸化炭素除去手段である一酸化炭素吸着剤部３５は密閉ネジ３４に一体形成されているので、電源の再使用時に、密閉手段と同時に廃棄交換されることとなり、利用者が意識せずに吸着剤の交換などの保守作業を行うことができ信頼性の向上を図ることができる。
【００５０】
さらに、電源使用終了時には使用者が、温度検知部３８で検知され温度表示部４０に表示される燃料電池本体６内の温度が低下したのを確認した後に燃料電池本体６を密閉できるので、燃料電池本体６内が温度低下によって外気圧よりも負圧状態になることを防止し、圧力差による破損を防止することができる。
【００５１】
なお、ここでの説明では硫黄分の吸着剤として活性炭を使用したが、他の吸着剤を用いてもよい。
【００５２】
また、本発明の実施例では一酸化炭素除去手段を燃料電池部１３の下流に設け、硫黄除去手段を燃料電池部１３の上流に設けた構成にして説明しているが、一酸化炭素除去手段を上流に設けてもよく、また硫黄除去手段を下流に設けてもよい。
【００５３】
さらに、本発明の実施例では燃料電池部１３に固体高分子型燃料電池２１を用い、一酸化炭素または硫黄分に被毒される貴金属系触媒として白金触媒１８を用いたもので説明しているが、その他の燃料電池（例えばリン酸型）でも、一酸化炭素または硫黄分に被毒されるその他の触媒でも同様の効果が得られ、密閉手段を設けたことにより外気中の水分吸収による電解質濃度の低下、電池特性の劣化を防ぐこともできる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電源装置は、以下に述べる効果を有するものである。
【００５５】
すなわち、燃料電池本体内に貴金属系触媒を有する燃料電池部と一酸化炭素除去手段を備え、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に密閉手段を備えた構成としているので、電源非使用時には個々の吸排口の小さなシール範囲で燃料電池本体を確実に密閉するので、燃料電池本体内への外気や水分、異物等の侵入を防止でき、外気中の水分吸収による電解質濃度の低下、電池特性の劣化を防ぐことができるとともに、電源使用後の密閉状態でも残留ガス中の一酸化炭素を一酸化炭素除去手段により除去するので、一酸化炭素による燃料電池電極中の貴金属系触媒の被毒を防止し電池特性の劣化を防ぐことができ、長期保管後の運転に際しての信頼性も向上できる。
【００５６】
また固体高分子型燃料電池は１００℃程度以下の低温で作動するので、電極中の貴金属系触媒が被毒されやすくなるが、燃料電池本体内に一酸化炭素除去手段を備えているので、貴金属系触媒の被毒、電池特性の劣化を防ぐことができ、また確実な密閉により、電源非使用時に水分が吸排口から外気へ散逸するのを防止でき、固体高分子膜の含水量低下による発電効率低下と膜の乾燥収縮による燃料電池部の破損を防ぐことができる。
【００５７】
また密閉手段は、気密・液密性を有し、ガス入口および出口を覆蓋するフィルム状またはシート状の遮断膜で構成しているので、密閉手段の構成部品は遮断膜のみになり得るので、密閉方法も簡単でコストもかからず、電源の軽量化を図ることができる。
【００５８】
また密閉手段としてガス入口とガス出口に、それぞれ所定の条件のときのみ開成する逆止弁を設けた構成としているので、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給され、ガスが上流から下流に流れるときのみ圧力差で逆止弁が開成し、電源使用終了時にガスの供給を停止すると圧力差がなくなり逆止弁が閉成するので、簡単な構成で電源使用時および電源非使用時に密閉手段の開閉操作を必要とせずに運転・停止することができる。
【００５９】
また、一酸化炭素除去手段として一酸化炭素の吸着剤を用いた構成としているので、簡単でコストがかからず、外部からエネルギーを供給しなくても一酸化炭素を除去できるので、電源非使用時の運転停止中でも簡便に使用でき、蓄電池などの補助エネルギー装置を要せず、電源の軽量化とコンパクト化、さらに高効率化も図ることができる。
【００６０】
また、一酸化炭素除去手段として一酸化炭素の選択的酸化装置を備えた構成としているので、保守作業を要せずに燃料電池本体内の一酸化炭素を除去することができる。
【００６１】
また、密閉手段の燃料電池本体側に水保持材を配した構成としているので、電源使用後の密閉した燃料電池本体内の温度が下がった場合は、ガス中に飽和まで含まれていた水分がガスの温度低下により凝縮し、その凝縮水が水保持材に吸収される。逆に燃料電池内の温度が上昇した場合は、水保持材に吸収されていた水が蒸発するので、燃料電池本体内の温度条件が変化しても、密閉した燃料電池本体内を飽和蒸気圧の状態に維持し、電解質である固体高分子膜を飽和含水状態に保つことができる。
【００６２】
また、燃料電池本体内に貴金属系触媒を有する燃料電池部を備え、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、燃料電池本体内を密閉し、燃料電池本体側に一酸化炭素の吸着剤が設けられた密閉手段を備えた構成としているので、電源使用後の密閉状態でも残留ガス中の一酸化炭素を吸着剤により除去するので、一酸化炭素による電池特性の劣化を防ぐことができ、さらに一酸化炭素を吸着した後の吸着剤は、電源の再使用時に密閉手段と同時に廃棄交換されることとなり、利用者が意識せずに吸着剤の交換などの保守作業を行うことができ信頼性の向上を図ることができる。
【００６３】
また、燃料電池本体内に貴金属系触媒を有する燃料電池部と硫黄除去手段を備え、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に密閉手段を備えた構成としているので、電源非使用時には個々の吸排口の小さなシール範囲で燃料電池本体を確実に密閉するので、燃料電池本体内への外気や水分、異物等の侵入を防止でき、外気中の水分吸収による電解質濃度の低下、電池特性の劣化を防ぐことができるとともに、電源使用後の密閉状態でも残留ガス中の硫黄分を硫黄除去手段により除去するので、硫黄分による燃料電池電極中の貴金属系触媒の被毒を防止できるので、着臭剤を含む原燃料を改質ガスとして使用する場合にも信頼性が向上できる。
【００６４】
また、燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に密閉手段を備え、燃料電池本体の温度を検知し表示する温度表示手段を備えた構成としているので、利用者は発電運転停止後の燃料電池本体の温度低下を確認した後に燃料電池本体を密閉できるので、燃料電池本体内が温度低下によって外気圧よりも負圧状態になることを防止し、圧力差による破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における電源装置の要部切断斜視図
【図２】同電源装置の要部断面図
【図３】本発明の第２の実施例における電源装置の要部断面図
【図４】本発明の第３の実施例における電源装置の要部断面図
【図５】本発明の第４の実施例における電源装置の要部断面図
【図６】従来の電源装置の斜視図
【符号の説明】
２ 燃料ガス入口
３ 酸化剤ガス入口
４ 燃料ガス出口
５ 酸化剤ガス出口
６ 燃料電池本体
１３ 燃料電池部
１４ 一酸化炭素燃焼バーナー
１８ 白金触媒
２２ 遮断膜
Claims (10)
- 燃料電池本体内に、一酸化炭素により被毒される貴金属系触媒を有し燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池部と、一酸化炭素除去手段とを備え、前記燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、前記燃料電池本体内を密閉する密閉手段を設けた電源装置。
- 燃料電池部は、イオン伝導性を有する固体高分子膜と、前記固体高分子膜の両面に配された一対の電極とからなる固体高分子型燃料電池を、単独または複数個積層して構成した請求項１記載の電源装置。
- 密閉手段は、気密・液密性を有し、ガス入口および出口を覆蓋するフィルム状またはシート状の遮断膜からなる請求項１または２記載の電源装置。
- 密閉手段として、ガス入口に燃料電池本体上流側の圧力が燃料電池本体内の圧力より所定圧力だけ高くなったときに開成する逆止弁と、ガス出口に燃料電池本体内の圧力が燃料電池本体下流側の圧力より所定圧力だけ高くなったときに開成する逆止弁の少なくともどちらか一方を備えた請求項１、２または３記載の電源装置。
- 一酸化炭素除去手段として、一酸化炭素の吸着剤を用いた請求項１〜４のいずれか１項記載の電源装置。
- 一酸化炭素除去手段として、一酸化炭素の選択的酸化装置を備えた請求項１〜４のいずれか１項記載の電源装置。
- 燃料電池本体側に水保持材を配した密閉手段を備えた請求項１〜６のいずれか１項記載の電源装置。
- 燃料電池本体内に、一酸化炭素により被毒される貴金属系触媒を有し燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池部を備え、前記燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、前記燃料電池本体内を密閉し、前記燃料電池本体側に一酸化炭素の吸着剤が設けられた密閉手段を備えた電源装置。
- 燃料電池本体内に、硫黄分により被毒される貴金属系触媒を有し燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池部と、硫黄除去手段を備え、前記燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、前記燃料電池本体内を密閉する密閉手段を備えた電源装置。
- 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池部を有する燃料電池本体の燃料ガス入口と酸化剤ガス入口と燃料ガス出口と酸化剤ガス出口に、前記燃料電池本体内を密閉する密閉手段を備え、前記燃料電池本体の温度を検知し表示する温度表示手段を備えた電源装置。
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