JPH10284100A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡便な構成の未反応水素ガス処理機構を有
し、かつ、システム構成の簡単な燃料電池を提供するこ
とを目的とする。 【解決手段】 電池スタック１２０周囲には、収納容器
とシール部材１４０ａ〜１４０ｄによって各ガス供給・
排出用のマニホールド空間が形成される。水素ガス排出
用マニホールド空間１１４は、空気供給用マニホールド
空間１１５と連通管１９０によって連通しており、水素
ガス排出用マニホールド空間１１４と空気供給用マニホ
ールド空間１１５内の差圧によって未反応水素ガスは空
気供給用マニホールド空間１１５内に流入し、ブロワ１
６０によって電池スタック１２０のカソードに拡散され
て処理される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
特に、ポータブル燃料電池のような小型の燃料電池に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ポータブル燃料電池は、ケース内に、燃
料電池本体、燃料供給器および種々の制御器等をコンパ
クトにまとめ、持ち運びが便利に構成されており、移動
通信用，建築・土木工事用等のポータブル電源として期
待されている。このようなポータブル燃料電池では、装
置の小型化・軽量化を図るために、酸化ガスとして空気
中の酸素を用い、燃料ガスとして水素吸蔵合金タンクや
水素ボンベに貯蔵された水素を用いて、燃料電池本体内
で電気化学反応によって発電を行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池本
体においては、未反応の水素ガスが排出されるのでこれ
を処理する機構が必要である。ポータブル燃料電池のよ
うな小型の燃料電池では、通常、触媒燃焼器やバーナー
等で未反応水素ガスを燃焼して処理しているが、燃料電
池本体の周辺に配置する機器をできるだけ少なくして簡
単な構成にすることが望まれる。

【０００４】本発明は、こういった課題に鑑みてなされ
たものであって、簡便な構成の未反応水素ガス処理機構
を有し、かつ、システム構成の簡単な燃料電池を提供す
ることを目的としてなされたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、カソードおよびアノードを配したセル複
数個が積層されてなる電池スタックの側面に、燃料ガス
および酸化ガス供給・排出用マニホールドが配されてな
る燃料電池であって、燃料ガス排出用マニホールド空間
と酸化ガス供給用マニホールド空間との間に未反応燃料
ガスが流通する連通部が設けられ、未反応燃料ガスは、
酸化ガスと共にカソードに供給される。

【０００６】これによって、酸化ガス供給用マニホール
ド空間に流入する未反応燃料ガスは、当該酸化ガス供給
用マニホールド空間で空気中に拡散されて電池スタック
内のカソードに供給され、カソードの触媒によって燃焼
処理されるので、触媒燃焼器などの機器を設置すること
なく未反応水素ガスの処理機構を実現することができ
る。

【０００７】ここで、前記連通部に、流量調節手段を挿
設し、これによって未反応燃料ガス流量を調節して酸化
ガス供給用マニホールドに供する構成にすることもでき
る。こうすれば電気化学的反応に影響ないような低濃度
に希釈してカソードで未反応燃料ガスの処理が可能とな
る。さらに、電池スタックを略直方体とし、４つの陵部
に柱状のシール部材を密着係合した状態で密閉性の箱体
に収納することにより、前記供給・排出用マニホールド
を、箱体と前記シール部材とで構成することができる。

【０００８】これによって、簡単な構成で密閉性に優れ
た反応ガスの漏出が極めて起こり難い燃料電池を提供す
ることができる。また、このような構成にすることで、
未反応燃料ガスを外気へ漏出させることなく、確実に空
気とともに電池スタック内に拡散させることができる。
さらに、酸化ガス供給用マニホールドのガス供給口およ
び酸化ガス排出用マニホールドのガス排出口に、自動開
閉弁を設け、当該自動開閉弁を、燃料電池の運転停止動
作に伴って、開閉制御することもできる。

【０００９】これによって、電池使用後にすみやかに、
かつ、確実に燃料電池を外気と遮断して保存に入り、停
止時の電池性能の変化を防止することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態に係
るポータブル燃料電池１（以下「燃料電池１」とい
う。）における各パーツの収納状態を示す斜視図であ
る。図に示すように、収納庫１００に、燃料電池本体１
１０、水素ボンベＢ、インバータＩｎｖ，制御器（不図
示）それぞれが収納されている。

【００１１】収納庫１００は仕切板によって前方１０
２，後方上段１０３，後方下段１０４の３つの収納空間
に仕切られている。前方空間１０２には水素ボンベＢが
複数本（図では２本）が、収納庫前面に取り付けられた
開閉扉１０１から交換自在に収納され、後方下段空間１
０４にはインバータＩｎｖと制御器（不図示）が収納さ
れ、後方上段空間１０３には燃料電池本体１１０が収納
されている。なお、空間１０３と空間１０４との間に
は、空気が流通可能なように隙間Ｓが形成されている。

【００１２】また、収納庫１００の一側面の上下端寄り
には、後方上下段の空間１０３，１０４内に空気が流入
出可能なように空気口１０５と空気口１０６が開設さ
れ、開閉扉１０１上部には、操作スイッチＳＷが設けら
れている。なお、燃料電池本体１１０は、その空気排出
口が前記空気口１０６に臨むように載置されている。

【００１３】図２は、燃料電池本体１１０の分解斜視図
である。図２に示すように燃料電池本体１１０は、直方
体の空間１１１が形成された容器１１２に、電池スタッ
ク１２０がシール部材１４０ａ〜１４０ｄを介して収納
され、容器１１２の開口部が蓋１３０でシール部材１５
０を介して密封されて外観、直方体状の箱体をなす。

【００１４】電池スタック１２０は、リン酸を含浸させ
た電解質マトリックスを介して白金担持カーボンからな
るカソードとアノードとを配した単電池と、バイポーラ
プレートとが交互に所定数積層されたものである。この
電池スタック１２０は、その陵部と空間１１１の角部と
の間に断面Ｌ字形で柱状のシール部材１４０ａ〜１４０
ｄを介在した状態で、空間１１１に収納され、シール部
材１５０を挟持して蓋１３０によって封止されている。
電池スタック１２０は、容器１１２と蓋１３０とが、係
止部材１３１ａ〜１３４ａと被係止部材１３１ｂ〜１３
４ｂとで一体化されることで、密閉化される。

【００１５】図３は、図２におけるＸ−Ｘ線断面図であ
る。電池スタック１２０周囲には、容器１１２の内壁面
とシール部材１４０ａ〜１４０ｄと蓋１３０の内壁面と
によって囲まれた反応ガス供給・排出用のマニホールド
空間１１３〜１１６が形成されている。このように各マ
ニホールド空間１１３〜１１６は、密閉性の箱体容器内
に形成されているため、反応ガスが箱体外部への漏出が
防止され密閉性に優れるものである。

【００１６】容器１１２の水素ガス供給用マニホールド
空間１１３側の壁には、水素ボンベＢからの水素ガス流
量制御弁（不図示）が挿設された水素供給管１１７ａと
連結可能なカプラが取り付けられた水素ガス注入管１１
７が挿設されている。容器１１２の空気供給用マニホー
ルド空間１１５側の壁には、空気導入口１１８が開設さ
れ、空気排出用マニホールド空間１１６側の壁には空気
排出口１１９が開設されている。空気導入口１１８に
は、空気を空気供給用マニホールド空間１１５内に流入
させる送風手段としてのブロワ１６０が配されている。

【００１７】空気導入口１１８および空気排出口１１９
には、それぞれ自動開閉バルブ１７０，１８０が設けら
れている。この自動開閉バルブ１７０，１８０は、制御
器の制御によって自動的に開閉されるものであって、ボ
ールバルブやバタフライバルブ等を用いることができ
る。容器１１２の内壁面に沿って、水素ガス排出用マニ
ホールド空間１１４と空気供給用マニホールド空間１１
５とを連通させる連通管１９０が設けられている。

【００１８】この連通管１９０には、流量調節手段とし
てのニードル弁２００が挿設されており、未反応水素ガ
スの空気供給用マニホールド空間１１５への流入量が規
定される構造になっている。ニードル弁２００の開閉度
合は、水素ガス排出用マニホールド空間１１４から空気
供給用マニホールド空間１１５へ未反応水素ガスが流入
し空気と混合したときの水素ガス濃度が、カソードの電
気化学的反応に影響のない程度に低濃度、例えば、０．
１％以下になるように予め調整されている。

【００１９】さらに、連通管１９０の出口１９０ａはブ
ロワ１６０の近傍に位置し、その送風に伴って連通管１
９０内のガスを空気供給用マニホールド空間１１５内に
吸引する作用がある程度働くような構造になっている。
このような構成の燃料電池１において、操作者がスイッ
チＳＷをＯＮすると、燃料電池１のシステム全体が制御
器で全動作が統一的に制御されながら、水素ガス流量制
御弁の自動制御に基づき水素ボンベＢから水素ガスが注
入管１１７を経て燃料電池本体１１０に適度に加圧供給
され、また、ブロワ１６０が駆動されると、外気が空気
口１０５から空間１０４に取り入れられ、隙間Ｓを通っ
て空間１０３に流れ込み、電池スタック１２０に反応お
よび電池冷却用の空気として供給され、電池スタック１
２０を経た空気は空気口１０６から外気中に排出される
（この空気の流れを図４で矢印Ａにて示す。図４は、図
１におけるＹ−Ｙ線矢視断面図である。）。電池スタッ
ク１２０は、それらの供された反応ガスを利用して電気
化学的反応によって発電を行う。

【００２０】燃料電池本体１１０はインバータＩｎｖよ
りも上方の空間１０３に載置され、上述したように空気
が流れるので、発電時には、インバータＩｎｖを冷却し
ながら温められた空気が電池スタック１２０に供され
る。従って、電池スタック１２０内での入り口側と出口
側との温度差は比較的小さくなり、発電には好適とな
る。

【００２１】水素ガスは加圧供給されているので、水素
ガス排出用マニホールド空間１１４内の方が常圧程度の
空気供給用マニホールド空間１１５内に比べて圧力は高
く、この圧力差によって未反応水素ガスは空気供給用マ
ニホールド空間１１５内に流入する。そして、空気供給
用マニホールド空間１１５へ流入した未反応水素ガス
は、ブロワ１６０によって送風される空気中に拡散し、
そして、電池スタック１２０のカソードに拡散され、未
反応水素ガスはカソードの触媒により水に変換されて外
気中に放出される。即ち、電池スタックのカソードの触
媒を有効に利用して、かつ、外気中に漏出させることな
く確実に未反応水素ガスを処理するものである。

【００２２】なお、連通管１９０の出口１９０ａは、ブ
ロワ１６０による吸引力が連通管１９０内部にある程度
働くようにブロワ１６０の近傍に設けられているので、
出口１９０ａから流出しようとする未反応水素ガスが、
この吸引力によって、より確実に電池スタック１２０に
拡散される。即ち、未反応水素ガスを反応空気中に取り
込む効率が向上する。

【００２３】このように本発明の燃料電池１によれば、
未反応水素ガスを反応用の空気と共に、電池スタック１
２０のカソード側に供することで処理することができる
ので、別途触媒燃焼器やバーナ等を設置することなく、
簡便な構成で未反応水素ガスの処理機構を実現する。そ
して、操作者がスイッチＳＷをＯＦＦすると、制御器の
制御によって水素ガスの供給が停止されるとともに、ブ
ロワ１６０が所定時間駆動されて電池スタック１２０の
冷却が行われる。

【００２４】この冷却動作の際には、電池内又は電池ス
タック内に滞留した未反応水素ガスは略完全に空気供給
用マニホールド空間１１５に取り込まれ、カソードに供
されて触媒反応によって水に変換されて処理される。こ
のように、燃料電池１では、冷却動作と平行して電池ス
タック１２０内に残留した未反応水素ガスを処理するこ
とができ、電池を保存するに際して効果的である。

【００２５】そして、この冷却動作が終了すると、制御
器の制御によって開閉バルブ１７０，１８０が自動的に
閉じられる。これによって、電池スタック１２０は外気
から自動的に遮断され、電池保存状態に入る。したがっ
て、停止時における電解質中のリン酸濃度変化が極めて
少ない。なお、カソードで処理する水素濃度を約０．１
％以下にするために、供給する水素ガス利用率を高く設
定することが望ましい。

【００２６】〔その他の事項〕 （１） 前記実施の形態では、未反応水素ガスを前述の
ように反応空気と水素ガスとのガス差圧によって、空気
供給用マニホールド空間１１５内に流入させるだけでな
く、連通管１９０の出口１９０ａをブロワ１６０の吸引
作用が働く位置に設け、ブロワ１６０の吸引力によって
も取り込むような構成にしたが、これに限定されないの
は言うまでもなく、前記出口１９０ａを吸引作用が生じ
ないブロワ１６０から離隔した位置に設けてもよい。な
お、未反応水素ガスの反応空気中への取り込み効率を向
上させるためには、出口１９０ａを、前記実施の形態の
ように、ブロワ１６０の吸引作用が働く位置に設けるこ
とが望ましい。

【００２７】（２） 上記の未反応水素ガスの処理機構
は、密閉型かつポータブル型に限定されることなく、外
部マニホールドを備えた通常のタイプの燃料電池にも同
様に実施可能であって、例えば、図５に示すように、空
気供給用外部マニホールド５１０と水素排出用外部マニ
ホールド５２０とを、ニードル弁などの流量調節弁５３
１が挿設された連通管５３０で連通させる構成によって
実現される。

【００２８】（３） 燃料電池における各パーツの収納
形態としては、上述の形態に限定されることなく、例え
ば、図６に示したように、収納庫前方の空間にテレビＴ
Ｖ、ラジオＲ、ヘルメットＨ等の防災用具をまとめて収
納し、収納庫後方の空間に水素ボンベＢを搭載する形態
にすることもできる。この収納形態によれば、防災用具
を収納庫前面から取り出し易いので、非常時の使用に好
適である。

【００２９】（４） 上記説明では、リン酸型燃料電池
について説明したがこれに限定されないのは言うまでも
なく、固体高分子型燃料電池などその他の燃料電池にも
同様に適応可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、カソードおよびアノードを配したセル複数個が積層
されてなる電池スタックの側面に、燃料ガスおよび酸化
ガス供給・排出用マニホールドが配されてなる燃料電池
であって、燃料ガス排出用マニホールド空間と酸化ガス
供給用マニホールド空間との間に未反応燃料ガスが流通
する連通部が設けられ、未反応燃料ガスは、酸化ガスと
共にカソードに供給されるので、未反応燃料ガスの処理
を合理的、かつ、簡便な構成で実現する。

【００３１】また、前記電池スタックは略直方体であっ
て、４つの陵部に柱状のシール部材を介在させた状態で
密閉性の箱体に収納されており、前記供給・排出用マニ
ホールドは、箱体と前記シール部材とからなるので、ガ
スの密閉性に優れた燃料電池を提供するものである。さ
らに、連通部に、流量調節手段を設け、これによって未
反応燃料ガス流量を調節して酸化ガス供給用マニホール
ドに供する構成にすれば、電気化学的反応に影響ないよ
うな低濃度に希釈して未反応燃料ガスの処理が可能とな
る。

【００３２】また、酸化ガス供給・排出用マニホールド
への反応ガス供給・排出口には、自動開閉弁が設けら
れ、燃料電池の運転停止動作に伴って、開閉制御されて
いる。これによって、停止時における電池の性能の変化
を未然に防ぐことが可能となる。例えば、リン酸型燃料
電池であれば、電解質に含浸されたリン酸の濃度変化を
適正に維持して保存することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態に係るポータブル燃料電池１におけ
る各パーツの収納状態を示す斜視図である。

【図２】前記燃料電池本体の分解斜視図である。

【図３】前記燃料電池本体の断面図である。

【図４】図１におけるＹ−Ｙ線矢視断面図である。

【図５】別な燃料電池における未反応水素ガスの処理機
構を示す斜視図である。

【図６】実施の形態に係るポータブル燃料電池における
各パーツの別な収納状態を示す斜視図である。

【符号の説明】 １ ポータブル燃料電池 １１０ 燃料電池本体 １１２ 容器 １１３〜１１６ 反応ガス供給・排出用マニホールド
空間 １１７ 水素注入管 １２０ 電池スタック １３０ 蓋 １４０ａ〜１４０ｄ シール部材 １６０ ブロワ １７０，１８０ 開閉バルブ １９０ 連通管 ２００ ニードル弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田島 収 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

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カソードおよびアノードを配したセル複
   数個が積層されてなる電池スタックの側面に、燃料ガス
   および酸化ガス供給・排出用マニホールドが配されてな
   る燃料電池であって、 燃料ガス排出用マニホールド空間と酸化ガス供給用マニ
   ホールド空間との間に未反応燃料ガスが流通する連通部
   が設けられ、未反応燃料ガスは、酸化ガスと共にカソー
   ドに供給されることを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】 前記電池スタックは略直方体であって、
   ４つの陵部に沿って柱状のシール部材を介在させた状態
   で密閉性の箱体に収納されており、前記供給・排出用マ
   ニホールドは、前記箱体と前記シール部材とからなるこ
   とを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 【請求項３】 前記連通部は、未反応燃料ガス流量を調
   整する、流量調節手段を有することを特徴とする請求項
   １若しくは２の何れかに記載の燃料電池。
4. 【請求項４】 前記燃料電池において、酸化ガス供給用
   マニホールドのガス供給口および酸化ガス排出用マニホ
   ールドのガス排出口には、自動開閉弁が設けられ、当該
   自動開閉弁は、燃料電池の運転停止動作に伴って、開閉
   制御されることを特徴とする請求項２若しくは３の何れ
   かに記載の燃料電池。