JPH11111318A

JPH11111318A - 固体高分子型燃料電池システム

Info

Publication number: JPH11111318A
Application number: JP9271352A
Authority: JP
Inventors: Akira Hamada; 陽濱田; Ryuji Hatayama; 龍次畑山; Yoshio Azegami; 義男畔上; Nobuyoshi Nishizawa; 信好西沢; Koji Shindo; 浩二進藤; Satoshi Yamamoto; 聡史山本; Akio Kawakami; 彰雄河上; Akira Fujio; 昭藤生; Katsuyuki Makihara; 勝行槙原; Taketoshi Ouki; 丈俊黄木
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1997-10-03
Filing date: 1997-10-03
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】低コストで、追随性よく燃料ガスを制御して
供給でき、かつ高分子イオン交換膜を容易に保水状態に
保て、安定して連続的に発電できる固体高分子型燃料電
池システムを提供すること。【解決手段】ケース中に燃料ガスボンベと、燃料ガス
および酸化剤の供給を受けて発電する燃料電池本体を備
える電源部と、制御装置などを収納した固体高分子型燃
料電池の前記燃料電池本体へ燃料ガスを供給するための
燃料ガス供給管路に減圧弁を設けて、この減圧弁を用い
て燃料ガス供給量を自動的に制御し、水を直接高分子イ
オン交換膜に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体高分子型燃料電
池システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、燃料電池本体、蓄電池、燃料
供給源、制御器等を備え、燃料電池本体で発生した電力
を外部負荷に供給した後の余剰電力を蓄電池に蓄え、燃
料電池本体で発生した電力が不足の場合に蓄電池から電
力を補って外部負荷に供給する燃料電池が知られてい
る。このような燃料電池の中には、ケース内部に上記の
燃料電池本体、蓄電池、燃料供給源及び種々の制御器等
を搭載した移動式のものも知られている（例えば特開平
６−３１０１６６号公報、特開平９−１７１８４２号公
報など）。かかる燃料電池は、土木建築工事用電源、家
庭用非常電源等として多くの期待が集められている。

【０００３】酸性型燃料電池の１つである固体高分子型
燃料電池の特徴を次に説明する。固体高分子型燃料電池
は、図４に示すように、電解質０１に高分子イオン交換
膜（例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交
換膜）を用い、その両側に触媒電極（例えば、白金等）
０２，０３及び集電体０４，０５を具備した電極接合体
０６の構成からなっている。

【０００４】そして、アノード極側に供給された加湿燃
料中の水素は、触媒電極（アノード極）０２上で水素イ
オン化され、この水素イオンは電解質０１中を水の介在
のもとＨ⁺ ・ｘＨ₂ Ｏとして、カソード極側へ水と共に
移動する。この移動した水素イオンは、触媒電極（カソ
ード極）０３上で酸化剤（例えば、空気）中の酸素及び
外部回路０７を流通してきた電子と反応して水を生成す
る。この生成水はカソード極０３，０５より残存酸化剤
に搬送されて燃料電池外へ排出されることになる。この
時、外部回路０７を流通した電子の流れを直流の電気エ
ネルギーとして利用することができる。

【０００５】なお、電解質０１となる高分子イオン交換
膜において、前述のような水素イオン透過性を実現させ
るためには、この高分子イオン交換膜を常に充分なる保
水状態に保持しておく必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来、アノード極側に
供給される燃料ガスの水素は、水素供給ラインにマスフ
ローコントローラを設けてその供給量が調整されていた
が、このマスフローコントローラは高コストである上、
追随性が悪いという問題があった。また、固体高分子型
燃料電池は上記のように安定に連続して発電を行うため
に高分子イオン交換膜に水を供給したり、冷却する必要
があるが、従来は燃料ガス又は酸化剤に燃料電池の運転
温度（常温〜１００℃程度）近傍相当の飽和水蒸気を含
ませて、すなわち加湿して燃料ガス及び酸化剤を電極接
合体０６に供給し、膜の保水状態を保つようにしていた
ので、燃料電池が複雑になり、小型化できない問題があ
った。本発明の目的は、これらの問題を解決し、低コス
トで、追随性よく燃料ガスを制御して供給できるように
し、また、加湿した燃料ガス及び酸化剤を用いなくても
高分子イオン交換膜を容易に保水状態に保てるようにし
て小型化を達成し、かつ安定して連続的に発電を行える
ようにした固体高分子型燃料電池システムを提供するこ
とである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
請求項１の発明は、ケース中に燃料ガスボンベと、燃料
ガスおよび酸化剤の供給を受けて発電する燃料電池本体
を備える電源部と、制御装置などを収納した固体高分子
型燃料電池の前記燃料電池本体へ燃料ガスを供給するた
めの燃料ガス供給管路に減圧弁を設けて、この減圧弁を
用いて燃料ガス供給量を自動的に制御することを特徴と
する。

【０００８】本発明においては、燃料ガスボンベと、水
素ガスやメタンガスなどの燃料ガスおよび空気などの酸
化剤の供給を受けて発電する燃料電池本体やこの燃料電
池本体で発電した直流電力を交流に変換するＤＣ／ＡＣ
インバータなどの電力変換器などを備える電源部と、こ
れらを制御するための制御装置などがケースの中にコン
パクトに収納されている。燃料電池本体へ燃料ガスを供
給するための燃料ガス供給管路に減圧弁を設けて、燃料
電池本体内の圧力を所定の圧力、例えば約５００ｍｍＨ
₂ Ｏに自動的に維持するようにしたので低コストで、追
随性よく燃料ガスを燃料電池本体へ供給できる。減圧弁
の形式、設置する個数などは特に限定されない。減圧弁
の個数は１個でもよいが、例えば、減圧弁の性能の観点
からすれば、１５０ｋｇ／ｃｍ² →１〜２ｋｇ／ｃｍ²
程度に制御するもの１個と１〜２ｋｇ／ｃｍ² →５００
ｍｍＨ₂Ｏ程度に制御するもの１個とを直列に連結して
合計２個用いることが好ましい。

【０００９】本発明の請求項２の発明は、請求項１記載
の固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記ケース
中に、前記燃料電池本体に水を循環して供給するための
水タンクを備え、この水タンクの水を高分子イオン交換
膜に供給することを特徴とする。水タンクの水を直接に
高分子イオン交換膜に供給することにより高分子イオン
交換膜を容易に常に保水状態に保つことができる上、燃
料電池本体を冷却することができる。本発明においては
加湿した燃料ガス及び酸化剤を用いないため、全体が簡
略化され、一層小型化できる。勿論、水道水など他に水
源がある場合は、上記水タンクをケース中に備えなくて
も、その水源からの水を例えばイオン交換樹脂を通して
処理するなどして高分子イオン交換膜に供給することが
できる。

【００１０】本発明の請求項３の発明は、請求項２記載
の固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記水タン
クの水を高分子イオン交換膜のアノード極側に供給し
て、高分子イオン交換膜全体を保水状態にすることを特
徴とする。水タンクの水を直接にアノード極側の高分子
イオン交換膜に供給するだけで高分子イオン交換膜全体
を容易に常に保水状態に保つことができる上、燃料電池
本体を冷却することができる。このようにすることによ
り全体が簡略化され、一層小型化できる。

【００１１】また、本発明の請求項４の発明は、請求項
１から請求項３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電
池システムにおいて、前記燃料電池本体の出力電流を検
出して、それに応じて前記燃料電池本体への酸化剤の供
給量を調整することを特徴とする。燃料電池本体の出力
電流を検出して、信号を制御装置へ送り、それに応じて
制御装置から信号を例えば空気取り入れ用ファンに送っ
て空気取り入れ量を自動的に制御するようにすれば、安
定して発電を行え、燃料電池の寿命を長くすることがで
きる。

【００１２】本発明の請求項５の発明は、請求項１から
請求項４のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池シス
テムにおいて、前記燃料電池本体の温度を検出して、そ
れに応じて前記燃料電池本体への水の供給量を調整する
ことを特徴とする。燃料電池本体は運転中に発熱するの
で冷却するが、燃料電池本体の温度が高くなれば、高分
子イオン交換膜に供給する水の量を多くし、燃料電池本
体の温度が低下すれば水の量を少なくすればより安定し
て発電を行うことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の一
実施形態を説明する。図１は、本発明に係わる固体高分
子型燃料電池の一実施例の外観を示す斜視図である。図
２は、図１に示した固体高分子型燃料電池の内部を示す
側面説明図である。図３は、図１に示した固体高分子型
燃料電池の構成部間における、電気信号経路（図中１点
鎖線で表示）、水素ガス経路（図中３点鎖線で表示）、
空気経路（図中実線で表示）、電力経路（図中太実線で
表示）、水経路（図中破線で表示）を示す説明図であ
る。

【００１４】図１〜図３において、本発明に係わる固体
高分子型燃料電池１０は隔壁１１により一体構造のケー
ス１２中が前部イと後部ロに仕切られた構造となってい
る。前部イに燃料ガスボンベ１が２本起立状態で収納し
てある。後部ロは上段１３、中段１４、下段１５に区画
されて電源部および水タンク１９や補助水タンク１７な
どが収納されている。すなわち上段１３には２次電池４
４やＤＣ／ＤＣコンバータ４６を備えた制御装置１６お
よび補助水タンク１７が収納されており、中段１４には
燃料と酸化剤としての空気が供給されて電気化学反応さ
せることにより発電する燃料電池本体３が収納されてお
り、下段１５にはＤＣ／ＡＣインバータ１８および前記
補助水タンク１７と連結されている水タンク１９が収納
されている。

【００１５】２０は可動輪である。２１は移動時に使用
する把手、２２、２２は別個に回転可能な補助腕棒であ
る。可動輪２０や把手２１などを用いて一人で燃料電池
１０を容易に移動することができる。

【００１６】ケース１２は、前面にＬ字型の扉２３と操
作盤２４を備え、両側面２５、２６、背面２７、底面２
８、上面２９、前記前部イを覆蓋する開閉自在な蓋本体
３０から構成されている。３１は扉２３の上部に設けた
排気口であり、３２は後部ロ内の空気などを排気するた
めの側面排気口である。

【００１７】ここで、ケース１２の高さは、燃料ガスボ
ンベ１の高さより若干高く設定されている。前部イの幅
は燃料ガスボンベ１の２本の径の和、排気ダクト３３の
幅、操作盤２４の幅の合計より若干広く、前部イの奥行
は燃料ガスボンベ１の径より若干広く設定されている。
後部ロの幅および奥行は配置される各部材の幅および奥
行よりも若干広く設定されている。このようにしてケー
ス１２は例え屋外に設置されても水が侵入しにくく、コ
ンパクトなサイズとすることができる。

【００１８】燃料ガスボンベ１は、例えば市販のもの
（１０Ｌ容器、水素量１．５ｍ³ ）を用いることができ
る。燃料ガスボンベ１のそれぞれの上端には水素送出バ
ルブ３４が設けられており、この水素送出バルブ３４と
燃料電池本体３とが水素供給管（燃料ガス供給管路）３
５によって連結されるようになっている。さらに、この
水素供給管３５の所定の位置には、燃料ガスボンベ１内
の圧力を表示する圧力計５１及び減圧弁４７、電磁弁４
８が設置されている。この減圧弁４７により燃料電池本
体３内の圧力を自動的に所定の圧力（例えば５００ｍｍ
Ｈ₂ Ｏ）に維持しつつ燃料電池本体３への燃料ガス供給
量を制御するようにしてある。

【００１９】前記操作盤２４には、デジタル表示部３
６、運転・停止ボタン３７、表示切り替えボタン３８な
どが設置されており、運転・停止ボタン３７を押すこと
によりこの固体高分子型燃料電池１０の運転をスタート
させたり、停止させることができる。表示切り替えボタ
ン３８を押すことによりデジタル表示部３６に表示され
る内容を例えば、ＡＣ出力としたり、燃料圧力とした
り、あるいはその他の表示に切り替えることができる。
３９は耐水性のコンセントである。操作盤２４には過負
荷状態や燃料ガスボンベ１の交換などを警告する警報ラ
ンプ類やエラーなどを表示する表示部を設けてもよい。

【００２０】前記前部イ内には、前記燃料電池本体３か
らでる排空気をケース１２外へ放出するための排気ダク
ト３３が設けてある。この排気ダクト３３の一端は前記
燃料電池本体３の排空気出口６０側に固定されており前
記排空気出口６０近傍において前記隔壁１１に固定して
装着してあり、他端は例えばその先端部に備えたパッキ
ンを介して扉２３に設けた排気口３１と密着して連通す
るようにしてある。したがって、排空気が前部イ内に漏
洩することがない。前部イ内の排気ダクト３３の位置は
特に限定されないが、燃料電池本体３になるべく近い位
置に設けるのが好ましい。

【００２１】前記排気ダクト３３の内部には複数の邪魔
板６１が配設されており、白矢印で示したように流れる
高温の排空気はこの邪魔板６１に接触して、含まれた水
分（生成水および循環水の一部を含む）が前記排気ダク
ト３３の内面や邪魔板６１の表面に結露し、水分を分離
された排空気はケース１２外に排出されるようになって
いる。分離された水分は矢印で示したように前記排気ダ
クト３３に設けた勾配により下部に設けた排水管６２中
に集落して、この排水管６２に連結して設けられた排水
タンク４１内に一旦蓄えられる。この排水管６２の下部
は排水タンク４１の一部として用いられる。この排水タ
ンク４１および排水管６２の下部が水で一杯になった
ら、例えば排水タンク４１の先端に設けた開閉弁６３を
手動で開くことにより前記ケース１２外に排水したり、
あるいは図示しないセンサでそれを検知して信号を制御
装置１６に送り、制御装置１６からの信号により前記開
閉弁６３を開くことにより前記ケース１２外に排水する
ことができる。生成水は排水せずに循環使用することも
できる。

【００２２】４０は、図３に示すように水タンク１９か
ら水を汲み上げて燃料電池本体３の高分子イオン交換膜
に供給して常に保水状態に保ち、かつ、燃料電池本体３
を冷却するための循環ポンプであり、水は循環して使用
するようになっている。水タンク１９の水を直接にアノ
ード極側の高分子イオン交換膜に供給するだけで高分子
イオン交換膜全体を容易に常に保水状態に保つことがで
きる上、燃料電池本体３を冷却することができる。この
ようにすることにより全体が簡略化され、一層小型化で
きる。なお、水タンク１９には補助水タンク１７が連結
されているが、この補助水タンク１７は水タンク１９中
の水が所定量以下になった際に水を補給するためのもの
であり、例えば水タンク１９に設けた水位を検出するた
めの図示しないセンサにより下限水位を検出して信号を
制御装置１６へ送り、制御装置１６から電磁弁４９へ信
号を送って電磁弁４９を開けて補助水タンク１７中の水
を水タンク１９へ移送する。

【００２３】４２は、反応空気をケース１２内に取り入
れて燃料電池本体３に送るファンである。図３に示すよ
うに、燃料ガスボンベ１から減圧弁４７、電磁弁４８を
経て燃料電池本体３のアノード極に供給された水素ガス
は、ファン４２により外部から反応空気取入口４３を経
てケース１２内に取り入れて燃料電池本体３のカソード
極に送られた空気と燃料電池本体３内で前記電気化学反
応を行って発電し、反応しなかった少量の残水素と排空
気は混合器５０を経て前記のようにしてケース１２の外
部に排出される。なお、燃料電池１０は、燃料電池本体
３がケース１２の反応空気取入口４３近傍に位置されて
おり外部からの吸気をスムーズに行うことができるよう
になっている。

【００２４】そして燃料電池本体３の出力電流を図示し
ない検出器により検出して、信号を制御装置１６へ送
り、それに応じて制御装置１６から信号をファン４２に
送って空気取り入れ量を自動的に制御するようにしてあ
る。

【００２５】また燃料電池本体３の温度を図示しない検
出器により検出して、信号を制御装置１６へ送り、それ
に応じて制御装置１６から信号を循環ポンプ４０に送っ
て水の循環量を調整するようにしてある。

【００２６】２次電池４４は、例えば正極にニッケル電
極を用い負極にカドミウム電極を用いたＮｉ−Ｃｄ２次
電池（１２Ｖ−４０Ａｈ）であり、この例では制御装置
１６内に設置されている。なお、２次電池４４は、通常
は燃料電池１０の余剰電力によって自動的に充電される
ようになっているが、図示しない電力取出端子部に設け
られた充電用入力端子４５と外部交流電源（ＡＣ１００
Ｖ）とを接続させることにより、外部から強制的に充電
させることもできる。ＤＣ／ＤＣコンバータ４６は、燃
料電池１０からの直流電力の電圧（ＤＣ２４〜５０Ｖ）
を所定の電圧（例えばＤＣ１００Ｖ）に変換するもので
あり、ＤＣ／ＡＣインバータ１８は、直流（ＤＣ１００
Ｖ）から交流（ＡＣ１００Ｖ）に変換する働きをするも
のである。

【００２７】制御装置１６は上記以外にも各種制御を司
るものであり、外部出力のＯＮ／ＯＦＦ、図示しない可
燃性ガスセンサーからの信号処理、電磁弁４９への開閉
信号の送信、燃料電池本体３からの異常信号の受信及び
ＤＣ／ＡＣインバータ１８へのＯＮ／ＯＦＦ信号の送信
等を行う。また、図示しない圧力センサーにより測定さ
れた一次圧力値を取り込み、水素ガス残量に換算してデ
ジタル表示部３６に送信して表示させることもできる。
また、デジタル表示部３６に、外部に出力している電力
のデータや２次電池４４の充電量のデータを送り、これ
を表示させることもできる。

【００２８】水素供給管（燃料ガス供給管路）３５は、
燃料ガスボンベ１と、燃料電池本体３とを連結するよう
に配されている。さらに、燃料ガスボンベ１と燃料電池
本体３との間には、上記のように減圧弁４７及び電磁弁
４８が挿入されており電磁弁４８の開閉により燃料ガス
ボンベ１からの水素ガス送出のＯＮ／ＯＦＦがなされ
る。

【００２９】制御装置１６は、燃料電池本体３、２次電
池４４、ＤＣ／ＤＣコンバータ４６、ＤＣ／ＡＣインバ
ータ１８、電磁弁４８、ファン４２、循環ポンプ４０、
図示しない可燃性ガスセンサーおよび主水タンク水位
計、充電用入力端子４５および補助水タンク用電磁弁４
９などと接続され、これらと電気信号を授受するように
なっている。例えば、図示しない可燃性ガスセンサーが
規定濃度以上の水素ガスを検知した場合には、その信号
を受け電磁弁４８を閉じて水素ガスの供給を停止させ燃
料電池本体３の運転を停止させたり、図示しない警報ラ
ンプ類で警報を発したり、燃料電池１０全体の運転を停
止させたりする。

【００３０】燃料電池本体３及び２次電池４４は、互い
に電気的に並列接続されており、燃料電池３からの電力
が十分でない起動時において、２次電池４４から電力を
補うことにより、制御装置１６や水ポンプ４０などの補
機類に対して一定した電力供給ができるようになってい
る。

【００３１】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではないので、特許請求の範囲に記載の趣旨から逸脱
しない範囲で各種の変形実施が可能である。

【００３２】

【発明の効果】低コストで、追随性よく燃料ガスを制御
して燃料電池本体に供給できるようにし、また、加湿し
た燃料ガス及び酸化剤を用いなくても高分子イオン交換
膜を容易に保水状態に保てるようにしたなどのために、
安定して連続的に発電を行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる固体高分子型燃料電池の一実
施例の斜視図である。

【図２】図１に示した固体高分子型燃料電池の内部を
示す側面説明図である。

【図３】図１に示した固体高分子型燃料電池の構成部
間における、電気信号経路、水素ガス経路、空気経路、
電力経路、水経路を示す説明図である。

【図４】固体高分子型燃料電池の特徴を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１燃料ガスボンベ３燃料電池本体１０固体高分子型燃料電池１２ケース１６制御装置１７補助水タンク１９水タンク３５燃料ガス供給管路４０循環ポンプ４７減圧弁

フロントページの続き (72)発明者西沢信好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 (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 (72)発明者山本聡史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 (72)発明者河上彰雄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 (72)発明者藤生昭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 (72)発明者槙原勝行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 (72)発明者黄木丈俊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 (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

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケース中に燃料ガスボンベと、燃料ガス
および酸化剤の供給を受けて発電する燃料電池本体を備
える電源部と、制御装置などを収納した固体高分子型燃
料電池の前記燃料電池本体へ燃料ガスを供給するための
燃料ガス供給管路に減圧弁を設けて、この減圧弁を用い
て燃料ガス供給量を自動的に制御することを特徴とする
固体高分子型燃料電池システム。
【請求項２】前記ケース中に前記燃料電池本体に水を
循環して供給するための水タンクを備え、この水タンク
の水を高分子イオン交換膜に供給することを特徴とする
請求項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項３】前記水タンクの水を高分子イオン交換膜
のアノード極側に供給して、高分子イオン交換膜全体を
保水状態にすることを特徴とする請求項２記載の固体高
分子型燃料電池システム。
【請求項４】前記燃料電池本体の出力電流を検出し
て、それに応じて前記燃料電池本体への酸化剤の供給量
を調整することを特徴とする請求項１から請求項３のい
ずれかに記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項５】前記燃料電池本体の温度を検出して、そ
れに応じて前記燃料電池本体への水の供給量を調整する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記
載の固体高分子型燃料電池システム。