JP5101793B2

JP5101793B2 - ガス供給排出システム

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Publication number: JP5101793B2
Application number: JP2004125627A
Authority: JP
Inventors: 孝史皿田; 恒昭玉地; 考応柳瀬; 文晴岩崎
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2024-04-21
Also published as: JP2005310548A

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池の燃料である水素を、発電停止時には燃料電池から排出し、また、再度発電開始時に燃料電池に供給するためのガス供給排出システムに関するものである。

近年のエネルギー問題や環境問題の高まりから、より高エネルギー密度で、排出物がクリーンな電源が要求されている。燃料電池は、既存電池の数倍のエネルギー密度を有する発電機であり、エネルギー効率が高く、また、排出ガスに含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物が無い、もしくは、少ないといった特徴がある。従って次世代の電源デバイスとしての要求に合った極めて有効なデバイスであると言われている。中でも、固体高分子形燃料電池は100℃以下の低温での駆動が可能なため、起動特性が良く、特に定置用分散電源、自動車電源、携帯機器用電源として活発に開発が進められている。

従来の燃料電池は、反応物を格納する燃料貯蔵部、反応物を気体燃料に改質するための反応部、燃料供給路、燃料の電気化学反応により発電をするアノードもしくはカソード、アノードとカソード間でイオンを伝達するための電解質で構成される。固体高分子形燃料電池は、アノードでの水素の酸化と、カソードでの酸素の還元とを電気化学的に同時に行い、両極の電位差と電気化学反応にて取り出される電流から出力を得る装置である。

さて、燃料電池を運転する場合、活性化分極、拡散分極、抵抗分極などの各種分極が存在するために、電流出力に応じて電圧が低下してしまう。この内活性化分極は、電極触媒の触媒能と、電極触媒界面の反応物質濃度により決定される。ここで反応物質濃度は、燃料電池のアノードでは水素濃度であり、これは水素分圧と相関する因子である。従ってアノード内に、空気のような水素以外の気体が混入した場合、水素分圧が低下し、反応速度を低下する恐れがある。

一方、燃料電池を運転しない場合、燃料電池内に水素が存在すると、アノードとカソードとで電位差が生じる。これにより、電極触媒の経時変化を引き起こし、触媒能を低下することとなる。また長期間にわたり燃料電池内に水素が存在することは、燃料電池外への水素漏れの可能性があり、問題である。

従来、上記に述べた水素以外の気体の混入や、燃料電池を運転しない場合の水素存在に対する問題に対応するために、窒素を燃料電池に送り、燃料電池を運転しない場合には水素を排出し、燃料電池を運転する前に窒素を排出し水素を供給するといった方法が行われてきた。また、燃料電池の運転停止時に冷却水や空気、カソードで用いた空気の排出ガスを用いる例もある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−３１７７７１（第４−５頁、第１図）

しかし、水素以外の気体や水により水素を排出し、外部の気体の混入を防止すると、体積の増加、窒素による水素分圧の低下、水素充填時間が長くかかるといった問題が生じる。特に、携帯機器向け燃料電池においては、携帯可能な体積まで小さくしつつ、容量を確保する事が必要であるため、体積増加はエネルギー密度や携帯性の点から問題である。

詳しく述べると、水素以外の気体や液体を排出用物質として燃料電池に直接導入するには、排出用物質のボンベを用意すること、排出用物質や水素の配管が複雑になる事、排出用物質の供給、排出を制御する機構を設置する事などが必要であり、更に燃料電池運転に際して水素分圧を下げないようにするために窒素を効率良く排出しなければならない。しかし、以上の構造、機構を取り付けるとデバイスの体積が非常に大きくなる。

また燃料電池の運転に際して、燃料電池内に供給された排出用物質を排出しても、完全に排出し切れなかった排出用物質が燃料電池内に残留し、水素分圧が低下してしまう可能性があり出力低下を招くことが懸念される。また、燃料としての水素をフローすることで残留した排出用物質を完全に排出した場合、水素分圧が向上し高出力が得られるものの、そのために用いた水素は電気エネルギーに変換されないため、エネルギー密度が低下する。更に、このような排出には時間がかかるため、高分子固体電解質形燃料電池の特徴である起動特性の良さには不都合である。

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池において、燃料電池停止時に水素を排出し、外部からの水素以外の気体の混入を避け、更に燃料電池の運転時に短時間で有効な水素分圧を得る機構を設けることで、高エネルギー密度で、出力の経時変化が小さく、高出力の燃料電池とするためのガス供給排出システムを提供することを目的とする。特に携帯機器用などの小型燃料電池に効果的である。

上記課題を解決するために、本発明においては、固体高分子電解質膜を狭持して配置される負極と正極からなる電極を有し、水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、前記水素ガスを一時的に保管し、前記負極に前記水素ガスを供給する気体室と、前記水素が通過し、前記気体室に前記水素を供給するために前記気体室に設けられた供給口と、前記気体室内の前記水素ガス量を調節するために、前記気体室の容積を変化させる容積可変装置を具備して成ることを特徴としている。

更に、前記燃料電池の運転停止時に前記容積可変装置の体積が増加し、前記気体室の容積を低減させることが好ましい。

これにより、発電量に応じて気体室の容積を増減して水素量を変化することが出来る。燃料電池の運転停止時に気体室の容積を低減する事により、気体室内に在留する水素量の低減が可能となる。また気体室の容積を低下する場合、水素を排出するために気体室に排出口を具備し、気体室内の水素を排出口から排出する方法と、燃料電池の運転により水素を消費しながら水素量を減らす方法とを取ることが出来る。

上記によれば、気体室内に水素以外の物質が流入しないため、燃料電池の再起動時に出力が低下しない。また水素以外の物質を設置する必要が無い。

前記容積可変装置が前記気体室内に具備された袋状容器と、前記袋状容器を膨張させるための第一の充填手段を有しており、前記袋状容器が膨張する事により前記気体室の容積を低減することを特徴としている。

袋状容器の材質と形状は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＰＴＦＥなどの樹脂で、フィルム状になっている事が好ましい。但しこの限りではなく、気体室の形状に追随して袋状容器が膨張できるフィルム状の材質であって、気体や液体を漏洩しなければ良い。これにより、気体室の容積を低減する時に気体室の形状に沿って袋状容器を膨張することができるため、水素量を非常に小さくすることが出来るようになる。

第一の充填手段による前記袋状容器の膨張が、前記袋状容器に充填用気体を流入する事によることを特徴としている。

袋状容器に充填用気体が流入して、気体室の水素圧より袋状容器の内圧が上昇する事により、これらの部位の容積が増大し、気体室の容積を低減することが出来る。ここで、気体室に具備された排出口を開放する事により、水素を排出することが出来る。もしくは、排出口を閉鎖しておき、袋状容器に充填用気体を流入しながら燃料電池を運転する事により、燃料電池で気体室の水素を消費しながら、袋状容器の容積を増大し、気体室の容積を低減することが出来る。いずれの場合でも、燃料電池の運転停止時に気体室に他の物質が混入することが無いため、燃料電池を再運転する時に水素分圧を低下することがない。また燃料電池を長期間放置しても、水素が気体室に存在しないため、燃料電池の電極に電位差がかからず、電極触媒の劣化を防止できる。

袋状容器に流入する充填用気体としては、窒素、アルゴンなどの化学的に不活性な気体や、空気などが上げられる。この内、前記充填用気体が、燃料電池外部の空気であることより好ましい。

また、前記充填用気体が空気であり、前記袋状容器が前記空気を取り入れるための空気取り入れ口を有する事を特徴としている。

これにより、袋状容器の内部に、燃料電池の外部に存在する空気を取り入れることが可能となる。供給口を閉鎖したり、水素発生を停止したりするなどして、気体室への水素供給を停止した後、気体室内の水素を燃料電池により消費すると、袋状容器や隔離部の容積が増大し、気体室の容積を低減することが出来る。これにより、充填用気体を格納するボンベ等を燃料電池に設置する必要がないため、燃料電池デバイスの小型化が容易となる。
第二の方法としては、前記容積可変装置が、前記気体室の一部に具備した移動可能な隔壁と、前記隔壁を移動させるための第二の充填手段とを有し、前記隔壁が移動する事により前記気体室の容積を低減させることを特徴としている。

隔壁の気体室側には水素が存在し、隔壁の気体室と対向する側には水素以外の充填用気体や充填用液体が存在しており、隔壁により水素が隔離部に流通することを遮断している。これにより、隔壁が気体室の容積を低減する方向に移動することで、気体室内の水素量を低減することが出来るようになる。

前記第二の充填手段が、充填用気体により前記隔壁を移動させる事を特徴としている。つまり、充填用気体を充填・排出により前記隔壁を移動させる事を特徴としている。

更に詳しく述べると、水素を気体室に供給する前記供給口が配置されている気体室の壁を移動可能な隔壁とし、供給口を閉鎖する事により、前記隔壁が移動し気体室の容積が低減する。

もしくは、移動可能な隔壁により前記気体室と隔離された隔離部が有り、第二の充填手段により隔離部内に気体を充填する事により前記隔壁が移動し、それに伴って前記隔離部が拡張し、且つ、前記気体室の容積が低減する作用を示す。

以上の通り、隔壁の気体室と対向する側に充填用気体が流入して、気体室の水素圧より内圧が上昇する事により、これらの部位の容積が増大し、気体室の容積を低減することが出来る。ここで、気体室に具備された排出口を開放する事により、水素を排出することが出来る。もしくは、排出口を閉鎖しておき、隔壁の気体室と対向する側に充填用気体を流入しながら燃料電池を運転する事により、燃料電池で気体室の水素を消費しながら、隔壁の位置を移動し、気体室の容積を低減することが出来るようになる。いずれの場合でも、燃料電池の運転停止時に気体室の容積を低減する時に水素と他の物質が混合することが無いため、燃料電池を再運転する時に水素分圧の低下を防止する事ができる。また燃料電池を長期間放置しても、水素が気体室に存在しないため、燃料電池の電極に電位差がかからず、電極触媒の劣化を防止する事ができる。

袋状容器や隔離部に流入する充填用気体としては、窒素、アルゴンなどの化学的に不活性な気体や、空気などが上げられる。この内、前記充填用気体が、燃料電池外部に存在する大気であることより好ましい。

この場合、前記容積可変装置が、前記空気を取り入れるための空気取り入れ口を有する事を特徴としている。空気取り入れ口は、容積可変装置に前記袋状容器を用いた場合は袋状容器に大気が流入するように取り付け、もしくは、隔壁を用いた場合、前記隔離部に空気を流入するように取り付ける。

これにより、袋状容器や隔離部の内部に、燃料電池の外部に存在する空気を取り入れることが可能となる。供給口を閉鎖したり、水素発生を停止したりするなどして、気体室への水素供給を停止した後、気体室内の水素を燃料電池により消費すると、袋状容器や隔離部の容積が増大し、気体室の容積を低減することが出来る。これにより、充填用気体を格納するボンベ等を燃料電池に設置する必要がないため、体積エネルギー密度が高い燃料電池デバイスを実現する事が可能となる。

前記空気取り入れ口に空気などを送り込むポンプを具備することで、ポンプで空気を送り込む事ができ、袋状容器や隔離部を強制的に膨張することが出来るようになる。

第一の充填手段による前記袋状容器の膨張の手段として、前記袋状容器に充填用液体を流入して膨張させる事が可能である。

同様に、前記第二の充填手段による前記隔壁の移動手段として、充填用液体を用いることも出来る。

袋状容器に流入する物質や隔壁を移動させる物質を充填用液体とする効果は、袋状容器や隔壁に欠損が生じた場合でも、気体室に水素以外の気体が流入しないことである。これにより、燃料電池を運転した時の水素分圧を低下しないことが可能である。

前記燃料電池が、水素を発生するために燃料溶液と、前記燃料溶液を貯蔵するタンクと、前記タンク内の圧力調節装置と、前記燃料溶液から水素を発生する水素発生反応部を具備しており、前記充填用液体として前記燃料溶液であることを特徴としている。

これにより、容積可変装置専用の充填用液体を用意する必要がなくなり、より小型、高エネルギー密度化が可能となる。燃料溶液としては、メタノールやエタノールなどに代表されるアルコール類、水素化ホウ素ナトリウムに代表される水素化物などの水素溶液、もしくは、これらから水素を発生させるための水や触媒溶液が挙げられる。

前記タンクと前記水素発生反応部とを連結する部位に配した第一のバルブと、前記タンクと前記袋状容器、もしくは、前記隔離部を連結する部位に配した第二のバルブとを具備し、第一のバルブを閉鎖し、第二のバルブを開放する事により、前記燃料溶液を前記袋状容器、もしくは、前記隔離部に送液することを特徴としている。

これにより、燃料溶液を袋状容器や隔離部か、もしくは、水素発生反応部のどちらかに送液することが可能となる。そこで燃料電池の運転時は、第一のバルブを開放し、第二のバルブを閉鎖する事により、燃料溶液を水素発生反応部に供給する。一方燃料電池の運転停止時は、第一のバルブを閉鎖し、第二のバルブを開放する事により、燃料溶液を袋状容器や隔離部に供給する。いずれの場合においても、燃料溶液の移動の際タンク内が減圧するため、圧力調節装置によりタンク内の圧力を調圧する。以上の通り、燃料電池の運転停止時、袋状容器や隔離部に燃料溶液を供給することにより、隔離部を拡張して気体室の体積を減少し、内在する水素量を低減できる。同時に、水素発生反応部に燃料溶液の供給が停止するため、水素発生を停止する事ができる。これにより燃料電池の運転停止状態で、安全に長期保存する事が可能となる。

前記燃料溶液の送液時に、前記圧力調節装置により前記タンクを加圧することを特徴としている。

これにより、燃料溶液を強制的に送液することが出来るようになる。

前記燃料溶液送液を、ポンプで供給することを特徴としている。

これによっても、燃料溶液を強制的に送液することが出来るようになる。

前記容積可変装置の体積が増加する場合に、前記供給口が閉鎖することを特徴としている。

これにより、気体室内に水素が入ってくることが無くなる。従って燃料電池を運転せずに長期保存する場合、気体室に水素流入せず電極電位差が発生しなくなり、電極触媒の経時劣化が抑制される。また、水素が存在しないため安全性が増す。また、水素の気体室への流入は、電極触媒による水生成を引き起こし、水素を無駄に消費してしまうため、この問題も回避できる。

前記気体室において、前記容積可変装置の体積が増加したにも拘らず排出されずに残留した水素ガスを、前記燃料電池を運転する事により消費することを特徴としている。

袋状容器や隔壁を膨張して水素を排出しても、燃料電池内の細孔、角部等に水素が滞留する恐れが有るが、上記により滞留した水素を消費して、水素を無くすことが出来るようになる。

残留した水素ガスの消費を行う場合、燃料電池運転開始時の単セル電圧を開回路電圧とすると、燃料電池単セルにつき、前記開回路電圧より０．３Ｖ低い電圧以上、前記開回路電圧未満の範囲にて、燃料電池の運転を行うことを特徴としている。

高電流つまり低電圧で燃料電池を運転した場合、内部インピーダンスが増加して気体室に水素が存在するにも拘らず、燃料電池が停止してしまう。しかし上記電圧範囲での燃料電池の運転により、水素の消費を効果的に行うことが出来るようになる。

燃料電池を運転する時、前記容積可変装置の体積が減少し、前記気体室の容積を拡張することを特徴としている。

この袋状容器や隔離部の縮小は、内部の充填用気体や充填用液体をポンプにより排出する強制的な縮小と、水素を気体室に供給して気体室を袋状容器や隔離部の圧力より上げて気体室の容積を増加することの二方法が可能である。いずれにおいても、燃料電池の運転に必要な水素量を気体室内に確保することが出来るようになる。

以上説明したように、上記課題を解決するために、本発明においては、固体高分子電解質膜を狭持して配置される負極と正極からなる電極を有し、水素ガスを燃料として発電する燃料電池と、
前記負極に水素ガスを供給するために、水素ガスを一時的に保管する気体室と、前記水素ガスが前記気体室に流入するための供給口と、前記水素ガスを排出するために前記気体室に具備された排出口と、前記気体室内の前記水素ガス量を調節するために、前記気体室の容積を可変とする容積可変装置を具備して成っている。前記燃料電池の運転停止時に前記容積可変装置が膨張し、前記気体室の容積を低減する。

これにより、気体室の容積の増減と水素量の変化との連動が可能となる。従って、燃料電池の運転停止時に気体室の容積を低減する事により、残留する水素量を低減することができる。以上より、燃料電池の運転停止時に気体室に水素が存在しなくなるため、電極触媒の劣化、水素漏洩を抑制することが出来る。更に、水素以外の物質を設置する必要が無く、高い体積エネルギー密度を実現できる。また、気体室に水素以外の物質が流入しないため、燃料電池の再起動時に水素を気体室に供給しても水素分圧は低下せず、出力が低下することがない。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明によるガス供給排出システムの構成図である。ガス供給排出システムは、気体消費ユニット１、気体室２、袋状容器３、気体タンク４、ポンプ５、供給口６、筐体７から成る。気体消費ユニット１は、空気電池、燃料電池、懐炉、バーナーなどの気体を消費する部位である。気体消費ユニット１で消費する気体は、気体タンク４に保管されており、気体タンク４から供給口６を経て、気体室２に一時保管され、隣接する気体消費ユニット１に供給される。袋状容器３は、気体室２内に設置されており、ポンプ５を通してガス供給排出システム外部の空気と連絡しており、ポンプ５の駆動により、袋状容器３内に空気を供給することが出来る。

気体消費ユニット１停止時は、気体室２内に気体を保管しておくと、気体消費ユニットの劣化や気体の漏れを引き起こす可能性があるため、気体室２内から気体を排出しておくのが好ましい。そこで上記構成のデバイスを作製し、気体消費ユニット１での気体消費による気体室２圧力の低下に連動してポンプ５を作動し、袋状容器３内に空気を供給する事により、袋状容器３を膨張させ、気体室２容積を減少し、気体消費ユニット１が消費できる気体量を減少することが出来るようになった。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本発明によるガス供給排出システムの構成図であり、図２（ａ）が水素ガス導入時、図２（ｂ）が水素ガス排出時を示している。ガス供給排出システムは、燃料電池１０、気体室２、袋状容器３、水素発生部１１、供給口６、筐体７、水素バルブ１２、空気取り入れ口１３から成る。燃料電池１０は、固体高分子形燃料電池であり、燃料電池の負極に隣接して気体室２が設置されている。燃料電池の負極で電気化学的に消費する水素は、まず、水素発生部１１で発生し、供給口６を通って、気体室２に送気される。図２（ａ）の通り、水素バルブ１２を開放している場合は水素が気体室２に供給されるが、図２（ｂ）の通り、水素バルブ１２が閉鎖している場合は水素が気体室２に供給されない。袋状容器３は、気体室２内に設置されており、大気取入れ口１３を通してガス供給排出システム外部の空気と連絡しており、袋状容器３内に空気を供給することが出来る。

本実施例の作用を以下に説明する。燃料電池運転時である図２（ａ）の状態では、水素バルブ１２は開放しており、袋状容器３は縮んだままである。従って水素発生部１１で発生した水素は、供給口６より気体室２に送気され、燃料電池１０に供給される。しかし、燃料電池停止時では、図２（ｂ）の通り、水素バルブ１２は閉鎖し、袋状容器３は膨張しているため、気体室２の水素を保管する空間が小さくなり、燃料電池１０に水素が供給されない。このような状態に至るには、まず、燃料電池の運転を停止する直前に、水素バルブ１２を閉鎖し、次に、燃料電池１０を運転しながら気体室２内の水素を消費し、これにより、気体室２の圧力を大気圧より減少せしめ、袋状容器３内に空気取り入れ口１３より空気を流入させ、袋状容器３を膨張させるといった過程を踏んでいる。また、燃料電池１０を運転する場合は、水素バルブ１２を開放し、水素を気体室２に導入して気体室２内圧を大気圧より上昇させることで、袋状容器３を圧縮し、気体室２容積を増加させ、燃料電池１０の駆動に十分な量の水素を気体室２内に保持する事ができるようになる。

尚、図示していないが、燃料電池の運転を停止する場合とは、例えば燃料電池が電気製品と接続されていれば電気製品が作動していない場合であり、また、2次電池と燃料電池が接続されていれば２次電池が満充電になった場合である。

また、水素バルブ１２の開閉は、手動、もしくは、燃料電池１０の電力により開閉することが出来る。また、燃料電池１０を２次電池と接続する場合は、２次電池の電力によりバルブを開閉する事が可能である。

これにより、気体室２内には水素以外の物質が流入せず、そのため、燃料電池の再運転時に水素分圧を低下することがない。また燃料電池を長期間放置しても、気体室に水素が存在しないため、燃料電池に電圧がかからず、電極触媒の劣化を引き起こさない。以上から、燃料電池を長期間放置しても、燃料電池の出力性能を減ずることが無くなった。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本発明によるガス供給排出システムの構成図であり、図３（ａ）が水素ガス導入時、図３（ｂ）が水素ガス排出時を示している。ガス供給排出システムは、燃料電池１０、気体室２、隔壁１４、水素発生部１１、供給口６、筐体７、水素バルブ１２から成る。燃料電池１０は、固体高分子形燃料電池であり、燃料電池の負極に隣接して気体室２が設置されている。燃料電池の負極で電気化学的に消費する水素は、まず、水素発生部１１で発生し、供給口６を通って、気体室２に送気される。図３（ａ）の通り、水素バルブ１２を開放している場合は水素が気体室２に供給されるが、図３（ｂ）の通り、水素バルブ１２が閉鎖している場合は水素が気体室２に供給されない。隔壁１４は移動可能で有り、水素バルブ１２を閉鎖すると水素発生器１１と気体室２の圧力差により移動できる。

本実施例の作用を以下に説明する。燃料電池運転時である図３（ａ）の状態では、水素バルブ１２は開放しており、水素発生部１１で発生した水素は、供給口６より気体室２に送気され、燃料電池１０に供給される。しかし、燃料電池停止時では、図３（ｂ）の通り、水素バルブ１２は閉鎖し、隔壁１４が気体室２の容積を減ずる方向に移動しているため、気体室２の水素を保管する空間が小さくなり、燃料電池１０に水素が供給されない。このような状態に至るには、まず、燃料電池の運転を停止する直前に、水素バルブ１２を閉鎖し、次に、燃料電池１０を運転しながら気体室２内の水素を消費し、これにより、気体室２の圧力を水素発生部１１の圧力より減少せしめ、隔壁１４を移動するといった過程を踏んでいる。

尚、燃料電池を再運転する場合、気体室２の容積を拡張することが好ましい。気体室２の容積を拡張するには、隔壁１４の位置を水素発生部１１側に押し下げる事により可能となる。ここでは図示していないが、モーターや電磁石により、隔壁１４に加重を加え、移動する方法がある。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本発明によるガス供給排出システムの構成図であり、図４（ａ）が水素ガス導入時、図４（ｂ）が水素ガス排出時を示している。ガス供給排出システムは、燃料電池１０、気体室２、隔壁１４、隔離部１５、水素発生部１１、供給口６、筐体７、ポンプ５から成る。燃料電池１０は、固体高分子形燃料電池であり、燃料電池の負極に隣接して気体室２が設置されている。燃料電池の負極で電気化学的に消費する水素は、まず、水素発生部１１で発生し、供給口６を通って、気体室２に送気される。図４（ａ）の通り、隔壁１４により供給口６が閉鎖されていない場合は水素が気体室２に供給されるが、図４（ｂ）の通り、隔壁１４により供給口６が閉鎖されている場合は水素が気体室２に供給されない。隔壁１４は移動可能で有り、隔壁１４により気体室２と隔てられた隔離部１５内に、ポンプ５により空気を導入した場合は、隔離部１５の容積を増大し、気体室２の容積を低減する方向に隔壁１４が移動し、逆にポンプ５により隔離部内の空気を外部に排出した場合は、隔離部１５の容積を低減し、気体室２の容積を増加するように隔壁１４が移動する。

本実施例の作用を以下に説明する。燃料電池運転時である図４（ａ）の状態では、供給口６はガスの流通が可能であり、水素発生部１１で発生した水素は、供給口６より気体室２に送気され、燃料電池１０に供給される。しかし、燃料電池停止時では、図４（ｂ）の通り、隔壁１４により供給口６は閉鎖し、隔壁１４が気体室２の容積を減ずる方向に移動しているため、気体室２の水素を保管する空間が小さくなり、燃料電池１０に水素が供給されない。このような状態に至るには、まず、燃料電池の運転を停止する直前に、ポンプ５を作動して隔離部１５に空気を入れ、隔壁１４を移動する。この際、気体室２に保管された水素は、供給口６を逆流して水素発生部に送られるか、燃料電池１０で消費するなどして、気体室２に存在しなくなる。もしくは図示していないが、気体室２に排出弁を設けておき、水素を排出弁より排出することも可能である。

図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明によるガス供給排出システムの構成図であり、水素ガスの排出に液体を用いる場合を説明している。図５（ａ）がガス導入時、図５（ｂ）がガス排出時を示している。ガス供給排出システムは、燃料電池１０、気体室２、袋状容器３、水素発生部１１、供給口６、筐体７、溶液タンク１６、第一のバルブ１７、第二のバルブ１８から成る。燃料電池１０は、固体高分子形燃料電池であり、燃料電池の負極に隣接して気体室２が設置されている。燃料電池の負極で電気化学的に消費する水素は、まず、溶液タンク１６内に保持された燃料溶液が水素発生部１１に供給され、水素発生部１１で反応して発生した水素であり、これは、供給口６を通って、気体室２に送気される。第一のバルブ１７は溶液タンク１６と水素発生部１１の間に設置し、第二のバルブ１８は溶液タンク１６と袋状容器３の間に設置した。バルブの開閉により、各部位への燃料溶液の供給の有無を制御した。また、溶液タンク１６内の圧力を調節するために、大気取入れ口１３を設けた。

本実施例の作用を以下に説明する。燃料電池運転時である図５（ａ）の状態では、第一のバルブ１７は開栓されており、燃料溶液が水素発生部１１に供給される。この場合第二のバルブ１８は閉鎖しており、そのため袋状容器３は容積が変化しない。供給口６はガスの流通が可能であり、水素発生部１１で発生した水素は、供給口６より気体室２に送気され、燃料電池１０に供給される。しかし、図５（ｂ）の燃料電池停止時では、第一のバルブ１７は閉鎖し、そのため水素発生部１１に燃料溶液は供給されず、水素は発生しない。一方第二のバルブ１８は開栓され、袋状容器３に燃料溶液を供給することが出来る状態となっている。ここで、燃料電池の運転を停止する直前に、第一のバルブ１７を閉鎖し第二のバルブ１８を開栓すると、気体室２に保管された水素が燃料電池１０で消費されることにより、気体室２の圧力が低下する。これにより、袋状容器３内に燃料溶液が流入し、燃料電池１０が停止するまで袋状容器３が膨張し続ける。従って、気体室２の容積を減少し、気体室２の水素を保管する空間が小さくなり、燃料電池１０の駆動が出来なくなる。

一方燃料電池を運転する場合おいては、第一のバルブ１７を開栓して燃料溶液を水素発生部１１に供給し、水素を発生し、気体室２の内圧を増加する事により袋状容器３から燃料溶液を溶液タンク１６に流出し、袋状容器３を圧縮する、つまり気体室２容積を増加する。燃料電池１０の運転に適した水素量を気体室２に保管することが出来るようになる。

以上により、気体室２内には水素以外の物質が流入せず、そのため、燃料電池の再運転時に水素分圧を低下することがない。また燃料電池を長期間放置しても、気体室に水素が存在しないため、燃料電池に電圧がかからず、電極触媒の劣化を引き起こさない。以上から、燃料電池を長期間放置しても、燃料電池の出力性能を減ずることが無くなった。

図６は、本発明によるガス供給排出システムの構成図であり、水素ガスの排出に液体を用いる場合を説明している。ガス供給排出システムは、燃料電池１０、気体室２、隔壁１４、隔離部１５、水素発生部１１、供給口６、筐体７、溶液タンク１６、第一のバルブ１７、第二のバルブ１８、タンク加圧装置１９から成る。燃料電池１０は、固体高分子形燃料電池であり、燃料電池の負極に隣接して気体室２が設置されている。燃料電池の負極で電気化学的に消費する水素は、まず、溶液タンク１６内に保持された燃料溶液が水素発生部１１に供給され、水素発生部１１で反応して発生した水素であり、これは、供給口６を通って、気体室２に送気される。第一のバルブ１７は溶液タンク１６と水素発生部１１の間に設置し、第二のバルブ１８は溶液タンク１６と隔離部１５の間に設置した。バルブの開閉により、各部位への燃料溶液の供給の有無を制御した。

本実施例の作用を以下に説明する。燃料電池運転時は、第一のバルブ１７は開栓されており、燃料溶液が水素発生部１１に供給される。この場合第二のバルブ１８は閉鎖しており、そのため袋状容器３は容積が変化しない。供給口６はガスの流通が可能であり、水素発生部１１で発生した水素は、供給口６より気体室２に送気され、燃料電池１０に供給される。しかし燃料電池停止時は、第一のバルブ１７は閉鎖し、そのため水素発生部１１に燃料溶液は供給されず、水素は発生しない。一方第二のバルブ１８は開栓され、隔離部１５に燃料溶液を供給することが出来る状態となっている。ここで燃料電池の運転を停止するのに伴って、第一のバルブ１７を閉鎖し、第二のバルブ１８を開栓し、タンク加圧装置１９を作動する事により隔離部１５内に燃料溶液を流入することにより、隔壁１４は隔離部１５の容積を増大し、気体室２の容積を減少するように移動することとなる。従って、気体室２の水素を保管する空間が小さくなり、燃料電池１０の駆動が出来なくなる。

タンク加圧装置１９としては、外部から空気や他の物質を流入するポンプ、燃料溶液を加熱するヒーター、溶液タンク１６内壁を移動して溶液タンク１６の容積を減少せしめるモーターなどが例として挙げられる。

図７は、本発明によるガス供給排出システムの構成図であり、水素ガスの排出に気体を用いる場合を説明している。ガス供給排出システムは、燃料電池１０、気体室２、袋状容器３、ポンプ５、水素発生部１１、供給口６、筐体７、窒素タンク２０から成る。燃料電池１０は、固体高分子形燃料電池であり、燃料電池の負極に隣接して気体室２が設置されている。燃料電池の負極で電気化学的に消費する水素は、水素発生部１１で反応して発生し、これは、供給口６を通って、気体室２に送気される。また袋状容器２内には、ポンプ５の作動により窒素タンク２０より窒素を供給することが出来る。窒素は一例であり、ガスの種類を特に限定するものではないが、化学的に不活性なガスが好ましい。

本実施例の作用を以下に説明する。燃料電池の運転を停止するのに伴って、ポンプ５が作動して窒素が袋状容器３内に流入する事により、袋状容器３の容積が増大し、気体室２の容積を減少することとなる。従って、気体室２の水素を保管する空間が小さくなり、燃料電池１０の駆動が出来なくなる。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、本発明によるガス供給排出システムの構成図であり、水素ガスの排出に気体を用いる場合を説明している。ガス供給排出システムは、燃料電池１０、水素流路２１、隔壁１４、隔離部１５、ポンプ５、供給口６、筐体７から成る。燃料電池１０は、固体高分子形燃料電池であり、燃料電池の負極に隣接して水素流路２１、流路壁２２が形成して有り、水素流路２１を水素が流通する事により負極に水素が供給される。また、ポンプ５の作動により隔離部１５に空気が流入して、隔壁１４が移動し、水素流路２１を閉鎖することが可能である。

また図８（ｃ）は、水素流路２１を上面から見た場合の上面図である。燃料電池を取り除いた上面からは、流路壁２２にそって水素流路２１が形成している。尚水素流路の底面は隔壁１４であり、図８（ｃ）からは見えないが、隔壁１４の水素流路２１と対向する部位には、隔離部１５が有り、ポンプ５は隔離部１５に空気を流入するようになっている。

本実施例の作用を以下に説明する。燃料電池運転時である図８（ａ）では、隔壁１４は水素流路２１を閉鎖しないように隔離部１５側に下がっている。水素流路２１には水素が流通しており、燃料電池１０の運転のための燃料を供給している。しかし、燃料電池の運転を停止するのに伴って、ポンプ５が作動して空気が隔離部１５に流入し、隔壁１４が移動して、水素流路２１の容積を減少する。そのため、水素流路２１が閉鎖される事により水素が燃料電池に供給されず、且つ、水素流路２１の水素を保管する空間が小さくなり、燃料電池１０の駆動が出来なくなる。

本発明によるガス供給排出システムの構成図。（ａ）燃料電池運転時の本発明によるガス供給排出システムの構成図。（ｂ）燃料電池運転停止時の本発明によるガス供給排出システムの構成図。（ａ）燃料電池運転時の本発明によるガス供給排出システムの構成図。（ｂ）燃料電池運転停止時の本発明によるガス供給排出システムの構成図。（ａ）燃料電池運転時の本発明によるガス供給排出システムの構成図。（ｂ）燃料電池運転停止時の本発明によるガス供給排出システムの構成図。（ａ）燃料電池運転時の本発明によるガス供給排出システムの構成図。。（ｂ）燃料電池運転停止時の本発明によるガス供給排出システムの構成図。液体を用いた本発明によるガス供給排出システムの構成図。気体を用いた本発明によるガス供給排出システムの構成図。（ａ）水素流路上面からの本発明によるガス供給排出システムの上面図。（ｂ）燃料電池運転時の、図８（ａ）のＡ−Ａ’切断面の断面図。（ｃ）燃料電池停止時の、図８（ａ）のＡ−Ａ’切断面の断面図。

符号の説明

１気体消費ユニット
２気体室
３袋状容器
４気体タンク
５ポンプ
６供給口
７筐体
１０燃料電池
１１水素発生部
１２水素バルブ
１３空気取り入れ口
１４隔壁
１５隔離部
１６溶液タンク
１７第一のバルブ
１８第二のバルブ
１９タンク加圧装置
２０窒素タンク
２１水素流路
２２流路壁

Claims

固体高分子電解質膜を狭持して配置される負極と正極からなる電極を有し、水素ガスを前記負極で消費することにより発電する燃料電池と、
前記負極を備え、前記水素ガスを収容し、外部と連通する外部連通孔を有する気体室と、
前記気体室内に備えられ、前記気体室を前記負極側の空間である負極側空間と、前記外部連通孔側の空間である外部連通孔側空間とに隔てる可動体とを備え、
前記可動体は、前記水素ガスが前記燃料電池の発電に伴い消費されることにより、前記負極側空間の圧力が前記外部連通孔側空間の圧力よりも小さくなるにことによって、前記負極側空間の容積が小さくなるように可動させられることを特徴とするガス供給排出システム。
前記気体室は、前記水素ガスが供給される供給口と、
前記供給口を開閉する弁とを有し、
前記可動部は、前記弁により前記供給口を閉鎖した後に、前記負極側空間の前記水素ガスが前記燃料電池の発電に伴い消費されることにより、前記負極側空間の圧力が前記外部連通孔側空間の圧力よりも小さくなることによって、前記負極側空間の容積が小さくなるように可動させられるものであることを特徴とする請求項１に記載のガス供給排出システム。
前記可動体は、袋状容器であり、
前記負極側空間の前記水素ガスが前記燃料電池の発電に伴い消費されることにより、前記負極側空間の圧力が前記外部連通孔側空間の圧力よりも小さくなることによって、前記外部連通孔側空間に前記外部にある充填用流体が充填され、前記袋状容器が前記気体室内で膨張し、前記外部連通孔側空間を拡張させるものであることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載のガス供給排出システム。
前記充填用流体は、空気であることを特徴とする請求項３に記載のガス供給排出システム。
前記可動体は、隔壁であり、
前記負極側空間の前記水素ガスが前記燃料電池の発電に伴い消費されることにより、前記負極側空間の圧力が前記外部連通孔側空間の圧力よりも小さくなることによって、前記外部連通孔側空間に前記外部にある充填用流体が充填され、前記隔壁が移動され、前記外部連通孔側空間を拡張させるものであることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載のガス供給排出システム。
前記充填用流体は、空気であることを特徴とする請求項５に記載のガス供給排出システム。
前記水素ガスを発生するための燃料溶液と、
前記燃料溶液を貯蔵するタンクと、
前記燃料溶液から前記水素ガスを発生させる水素発生反応部とを有し、
前記タンクが前記外部であることを特徴とする請求項３に記載のガス供給排出システム。
前記タンクと前記水素発生反応部とを連結する第一のバルブと、
前記タンクと前記外部連通孔側空間とを連結する第二のバルブと、
を具備し、
前記袋状容器は、前記第一のバルブを閉鎖し、前記第二のバルブを開放する事により、前記気体室内で膨張し、前記外部連通孔側空間を拡張させるものであることを特徴とする請求項７に記載のガス供給排出システム。
前記タンク内の圧力を調節する圧力調節装置を有し、前記充填用流体の充填時に、前記圧力調節装置により前記タンクを加圧することを特徴とする請求項８に記載のガス供給排出システム。
前記充填用流体は、前記燃料溶液であることを特徴とする請求項８または９のいずれか一項に記載のガス供給排出システム。
前記水素ガスを発生するための燃料溶液と、
前記燃料溶液を貯蔵するタンクと、
前記燃料溶液から前記水素ガスを発生させる水素発生反応部とを有し、
前記タンクが前記外部であることを特徴とする請求項５に記載のガス供給排出システム。
前記タンクと前記水素発生反応部とを連結する第一のバルブと、
前記タンクと前記外部連通孔側空間を連結する第二のバルブと、
を具備し、
前記隔壁は、前記第一のバルブを閉鎖し、前記第二のバルブを開放する事により、移動し、前記外部連通孔側空間を拡張させるものであることを特徴とする請求項１１に記載のガス供給排出システム。
前記タンク内の圧力を調節する圧力調節装置を有し、前記充填用流体の充填時に、前記圧力調節装置により前記タンクを加圧することを特徴とする請求項１２に記載のガス供給排出システム。
前記充填用流体は、前記燃料溶液であることを特徴とする請求項１２または１３のいずれか一項に記載のガス供給排出システム。