JPH08195215A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料電池における過剰な水を、ガスの漏洩や
外気の侵入を生じることなくガス流路から排出する。 【構成】 酸化ガスと燃料ガスとの少なくとも一方を加
湿し、これらのガスを固体電解質膜を挟んだ両側に供給
するとともに、水を含む反応生成物を生じる酸化反応を
固体電解質膜を介して生じさせる燃料電池装置におい
て、前記いずれかのガスが流通する流路２，４もしくは
該流路に連通した他の流路２，３から下方に分岐して第
１の液溜め部６が設けられるとともに、この第１の液溜
め部６の下部に第２の液溜め部７が接続され、これらの
各液溜め部６，７の間および第２の液溜め部７の流出口
側に、交互に開閉されるバルブ９，１０が設けられてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、燃料ガスと酸化ガス
とを反応させることにより起電力を得る燃料電池に関
し、特に固体電解質を加湿するための水分や反応生成物
である水を排出するための装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように燃料電池は、燃料ガスと酸
化ガスとを電気化学的に反応させて起電力を得る装置で
あり、高分子電解質膜を使用した燃料電池や、ジルコニ
アを電解質とした燃料電池などが知られている。前者の
高分子電解質膜型燃料電池は、カチオン交換膜を電解質
としたものであって、一般には、燃料ガスとして水素ガ
スが使用され、また酸化ガスとして空気が使用されてい
る。このカチオン交換膜は湿潤状態でプロトン透過性を
示すので、供給される燃料ガスあるいは酸化ガスを加湿
してカチオン交換膜を湿潤状態としている。また燃料ガ
スが水素ガスであることにより、反応生成物として水が
生じる。

【０００３】より具体的に説明すると、燃料ガスあるい
は酸化ガスによって運ばれた水分によってカチオン交換
膜が湿潤状態となると、その一方の電極側で水素ガスが
プロトンと電子とに電離し、プロトンはカチオン交換膜
を透過して他方の電極側に移動し、ここで空気中の酸素
と反応することにより水分が生じる。そして水素電極側
で生じた電子を外部に取り出すことにより起電力を得る
ことができる。

【０００４】上記の燃料電池によって発生する電圧およ
び電流は僅少であるから、一般には、平板状に構成した
多数の燃料電池を直並列に接続して必要な電圧および電
流を得るようにしている。そしてこのように構成された
燃料電池スタックに対しては、改質器やボンベなどから
燃料ガスを供給し、また酸化ガスとして空気を加圧して
供給している。その供給ガスの流路の途中には、加湿器
が設けられ、ここで供給ガスを加湿しているが、それよ
り下流側の位置においては、ガス温度の低下などによっ
て結露が生じ、その水滴がある程度溜まるとガス流路を
閉塞してしまうことがある。また燃料電池スタックのガ
ス流出側においては、反応生成物である水が排出ガスと
共に運ばれ、これが外部において冷却されるために、前
述の場合と同様に結露し、その結果、ガス流路を閉塞し
てしまうことがある。

【０００５】このようにしてガス流路中に過剰な水分が
溜まると、ガスが全く流れなくなったり、あるいはある
程度圧力が高まることによりその水を押し退けてガスが
流れ、その後に圧力の低下に伴って再度水によって流路
が閉じられることにより、ガスが脈動するなどのことが
ある。そのため燃料電池装置においては、過剰な水分を
外部に排出することが必要である。

【０００６】その水分の排出機構としてガス流路の途中
にトラップを設けることが知られている。例えば特開平
４−１２４６２号公報に記載されている燃料電池におい
ては、燃料電池スタックに対する流入口側のガス流路に
所定の容積をもったトラップを分岐させて接続し、ガス
流路中の水をここに溜めるようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにガス流路
の途中にタンクあるいはこれに類する液溜め部を分岐さ
せて接続すれば、ガス流路内で生じた水がこのトラップ
内に流入し、したがってガス流路から水を除去できる。
しかしながら上記従来の装置のようにタンクあるいはこ
れに類する液溜め部をガス流路に単に接続しただけで
は、車両に搭載した燃料電池装置におけるようにその全
体に対して加速度が作用すると、トラップ内の水がガス
流路内に逆流してしまうことがある。また空気を酸化ガ
スとして用いる燃料電池においては、空気中の酸素分圧
が低いために、酸化ガスを加圧して供給し、その結果、
燃料電池の内部圧力が外部の圧力よりも高くなってい
る。したがって上述したトラップのようにガス流路にタ
ンクなどを単に接続した構造であれば、そのトラップか
ら排水するべくバルブを開いた場合、外気の圧力が内部
圧力よりも低いために水が勢い良く吹き出したり、ある
いは内部のガスが噴出したりするなどのおそれが多分に
ある。

【０００８】この発明は、上記の事情を背景としてなさ
れたものであり、燃料電池内の過剰な水分を、ガス流路
中に逆流させることがなく、またガスの噴出などを生じ
させることなく、確実に排出することのできる燃料電池
装置を提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、酸化ガスと燃料ガスとの少なくとも
一方を加湿し、これらのガスを固体電解質膜を挟んだ両
側に供給するとともに、水を含む反応生成物を生じる酸
化反応を固体電解質膜を介して生じさせる燃料電池装置
において、前記いずれかのガスが流通する流路もしくは
該流路に連通した他の流路から下方に分岐して第１の液
溜め部が設けられるとともに、この第１の液溜め部の下
部に第２の液溜め部が接続され、これらの各液溜め部の
間および第２の液溜め部の流出口側に、交互に開閉され
るバルブが設けられていることを特徴とするものであ
る。

【００１０】またこの発明においては、第１の液溜め部
の流入口側に気体の透過を阻止しかつ水の透過を許容す
る透水性遮蔽板を設けることができる。

【００１１】

【作用】この発明の燃料電池装置においては、酸化ガス
と燃料ガスとが固体電解質膜を挟んだ両側に供給され
る。その結果、酸化ガスと燃料ガスとが固体電解質膜を
介して電気化学的に反応し、起電力が得られる。その酸
化ガスあるいは燃料ガスに含まれる水分の一部は、燃料
電池に供給される以前に結露して水滴となることがであ
り、また反応生成物である水が燃料電池の流出口側で結
露として水滴となることがある。このようにして生じた
水は、そのガス流路に接続して設けられている第１の液
溜め部に流下し、ここから第２の液溜め部に流下する。
したがってこれらの液溜め部には次第に水が溜まり、そ
の量が予め定められた量になると、第１の液溜め部と第
２の液溜め部との間のバルブが閉じられるとともに、第
２の液溜め部の流出口側に設けられているバルブが開か
れる。すなわち第１の液溜め部を閉じた状態で第２の液
溜め部から排水される。その場合、大気に解放されるの
は、第２の液溜め部のみであるから、燃料電池装置の内
部に外気が流入したり、内部のガスが噴出したりするこ
とはない。

【００１２】第２の液溜め部からある程度排水される
と、その流出口側のバルブが閉じられとともに、第１の
液溜め部と第２の液溜め部との間のバルブが開かれる。
したがって第１の液溜め部に残っていた水が第２の液溜
め部に流入し、またガス用の流路から第１の液溜め部を
経て第２の液溜め部に水が流入し、前述の場合と同様に
して、これらの液溜め部に次第に水が溜まる。

【００１３】また第１の液溜め部の流入口側に透水性遮
蔽板を設けてある場合には、燃料電池内のガスがこの遮
蔽板を越えて液溜め部に流入することがないので、ガス
の漏洩のみならず外気の流入が防止され、また液溜め部
に溜まっている水がたとえ加速度を受けてもガス用の流
路に逆流することはない。

【００１４】

【実施例】つぎにこの発明を図面に示す実施例に基づい
て詳細に説明する。図１は水の排出のための機構を示し
ており、また図２はその機構を組み込んだ燃料電池装置
の全体的な構成を示している。

【００１５】まず燃料電池装置の全体的な構成について
説明すると、ここで用いられている燃料電池は、カチオ
ン交換膜を電解質とした高分子電解質膜型燃料電池であ
り、電解質膜を挟んだ両側に電極がそれぞれ設けられて
おり、その電極内に燃料ガス流路あるいは酸化ガス流路
が形成されている。このように構成された単電池は、薄
膜（あるいは薄板）状であって、その単電池が多数枚積
層されて燃料電池スタック１とされている。

【００１６】この燃料電池スタック１には、燃料ガス用
のヘッダおよび酸化ガス用のヘッダが形成されており、
それぞれのヘッダから各単電池の燃料ガス流路あるいは
酸化ガス流路に燃料ガスや空気を分散供給するようにな
っている。各ヘッダには、パイプあるいはホースなどか
らなるガス流路２を介してガス供給源３が接続されてい
る。このガス供給源３は、燃料ガスについては、例えば
メタノールと水とを原料として水素を発生させる改質器
あるいは水素ボンベと加湿器とである。また酸化ガスに
ついては、例えば、空気を加圧して送り出すコンプレッ
サと加湿器とである。さらに各ヘッダには、未反応ガス
や反応生成物を排出するためのガス排出流路４が接続さ
れている。

【００１７】上記のガス流路２のうち最も低い箇所（符
号Ａで示す箇所）や燃料電池スタック１のガス流入部直
前の箇所（符号Ｂで示す箇所）あるいはガス排出流路４
の所定箇所（符号Ｃで示す箇所）には、図１に示す排水
機構５が分岐して接続されている。この排水機構５は、
第１ないし第３のタンク（液溜め部）６，７，８を直列
に接続したものであって、第１のタンク６は前記の所定
の流路２，４から下方に分岐して設けられている。第２
のタンク７は、その第１のタンク６の下側に設けられて
おり、これらのタンク６，７の間には、電気的に開閉制
御可能なバルブ９が介装されている。また第３のタンク
８は、第２のタンク７の下方に接続して設けられてお
り、これらのタンク７，８を連通させるパイプＰの中間
部には、電気的に開閉制御されるバルブ１０が設けられ
ている。

【００１８】さらに第１のタンク６の内部のうち流入口
に近い箇所には遮蔽板１１が設けられている。この遮蔽
板１１は、水分の透過を許容するとともに、水が透孔を
閉塞することによりガスの透過を阻止するものであっ
て、例えば親水性カーボンからなる多孔質板として形成
されている。またこの第１のタンク６の内部には、水滴
の跳ね上がりを防止するための複数枚の液滴遮蔽板１２
が、互い違いに配置されている。そしてこの第１のタン
ク６の内部には、水位センサ１３が設けられており、こ
の水位センサ１３の箇所まで水位が上昇すると、このセ
ンサ１３が信号を出力するようになっている。

【００１９】また第２のタンク７は、その内部に水を一
旦溜めた後に第３のタンク８に向けて排出するためのも
のであって、その上下二箇所にそれぞれ水位センサ１
４，１５が設けられている。さらに第３のタンク８は、
ここから外部に水を排出するためのものであって、バル
ブ１６を備えた排水管１７と外気に連通させるための通
気管１８とが設けられている。またこの第３のタンク８
にも、上下二箇所に水位センサ１９，２０が設けられて
いる。

【００２０】そして上記の各バルブ９，１０，１６およ
び各水位センサ１３，１４，１５，１９，２０は、図示
しないコントローラに接続されている。このコントロー
ラは、水位センサ１３，１４，１５，１９，２０からの
信号に基づいて各バルブ９，１０，１６を適宜に開閉制
御するように構成されている。このコントローラによる
制御内容は、以下に説明するとおりである。

【００２１】図３の（Ａ）ないし（Ｄ）は各タンク６，
７，８の内部での水位の変化を順に示す図であり、燃料
電池装置の通常の運転時には、第１のタンク６と第２の
タンク７との間のバルブ９を開き、他のバルブ１０，１
６を閉じておく。したがって燃料電池の内部で生じた水
滴は、流路２，４を通って第１のタンク６に流下する。
その場合、第１のタンク６の流入口側に設けてある遮蔽
板１１が湿潤されてその透孔が塞がれるので、これを境
にした気体の流動が阻止される。すなわち流路２，４か
ら第１のタンク６の内部に燃料ガスや空気が流入するこ
とがなく、また第１のタンク６から流路２，４すなわち
燃料電池の内部に外気などが流入することがない。

【００２２】第１のタンク６に流入した水は、その下側
のバルブ９が開いていることにより第２のタンク７の内
部に流入し、その内部に次第に溜まる。第２のタンク７
の内部の水の量が次第に増えてその水位が上昇し、そし
て第２のタンク７の内部が満杯になった後、水位が第１
のタンク６における水位センサ１３の位置まで上昇する
と、このセンサ１３が信号を出力する。図３の（Ａ）は
この状態を示している。

【００２３】センサ１３が信号を出力すると、第１のタ
ンク６と第２のタンク７との間のバルブ９が閉じられる
とともに、第２のタンク７と第３のタンク８との間のバ
ルブ１０が開かれる。その場合、第１および第２のタン
ク６，７の内部圧力は、燃料電池の内部圧力と等しくな
っていて外気圧より高く、これに対して第３のタンク８
の内部は大気と連通していて第２のタンク７の内部より
低圧になっているので、第２のタンク７から第３のタン
ク８に水が流下する。

【００２４】このようにして第２のタンク７から第３の
タンク８に水が移動するとともに、第２のタンク７の内
部圧力が低下し、またその水位が第２のタンク７におけ
る下側の水位センサ１５の位置まで低下すると（図３の
（Ｂ）に示す状態）、このセンサ１５からの出力信号に
基づいて第２のタンク７と第３のタンク８との間のバル
ブ１０が閉じられるとともに、第３のタンク８の排水管
１７に設けたバルブ１６が開かれる。すなわち第３のタ
ンク８から排水される。なお、この第３のタンク８にお
ける水の量の増減に伴って通気管１８から外気が導入・
排出されるので、第３のタンク８の内部は常時外気と等
しい圧力になっている。

【００２５】第３のタンク８の内部の水位が図３の
（Ｃ）に示すように下側の水位センサ２０の位置まで低
下すると、そのセンサ２０の出力信号に基づいて排水管
１７に設けたバルブ１６が閉じられるとともに、第１の
タンク６と第２のタンク７との間のバルブ９が開かれ
る。これは図３の（Ｄ）に示す状態であり、また前述し
た通常の運転時の状態である。したがって第１のタンク
６の内部に残っていた水が第２のタンク７に流下すると
ともに、ガス用の流路２，４から連続して水が第１のタ
ンク６および第２のタンク７に流入する。

【００２６】したがって上記の装置によれば、ガス用の
流路２，４が外気に完全に連通する状態が生じないの
で、ガスの漏洩や外気の侵入を確実に防止でき、また水
が外部に吹き出すことを防止することができる。また第
１のタンク６の内部に遮蔽板１１が設けられているか
ら、上記の燃料電池が車両に搭載されて発進・停止など
の際に加速度を受けても第１のタンク６から流路２，４
に水が逆流することが有効に防止される。このような作
用は、前記液滴遮蔽板１２が水の飛散を防ぐことによっ
ても確実なものとなる。

【００２７】ところで上述したように第３のタンク８の
内部は外気に連通していて空気で満たされているが、図
に示すように第２のタンク７から第３のタンク８に延び
たパイプＰの下端開口部を第３のタンク８の底部に接近
させ、かつ下側の水位センサ２０の位置をその下端開口
部より高い位置に設定すれば、そのパイプＰの下端開口
部は常時水に浸って外気に対して閉じられた状態に維持
される。したがってこのようにすれば、第３のタンク８
の内部の空気が第２のタンク７を経て第１のタンク６や
流路２，４に流入することを確実に防止できる。

【００２８】なお、上記の実施例では、第１ないし第３
の三つのタンク６，７，８を設けたが、この発明は、上
記の実施例に限定されないのであって、第１および第２
の二つのタンクによって構成することもできる。またこ
の発明における液溜め部は、上述したタンクに限定され
ないのであって、流路２，４から分岐させたパイプの一
部であってもよい。さらに上記の実施例では、各タンク
からの排水を制御するために水位センサを用いたが、こ
の発明では、水位センサに替えてタイマによりバルブの
開閉を制御することとしてもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明の燃料電池
装置によれば、燃料電池の内部で生じた水を第１の液溜
め部から第２の液溜め部に導いた後に外部に排出するよ
うに構成し、かつこれらの液溜め部の排出側のそれぞれ
に、交互に開閉されるバルブを設けたから、燃料電池の
内部のガスを漏洩することなく、過剰な水を確実に外部
に排出でき、またその場合、外気の侵入を確実に防止で
きる。しかもその水は、ガス用の流路から分岐させた液
溜め部に導くから、車両に搭載した場合のように燃料電
池装置に加速度が作用しても、液溜め部に捕捉した水が
流路に再度侵入することがなく、その結果、ガスの流通
を常時円滑な状態に維持して発電効率を向上させること
ができる。

【００３０】また気体を透過させない透水性の遮蔽板を
第１の液溜め部の流入口側に設ければ、燃料電池からの
ガスの漏洩および外気の侵入を更に確実に防止できると
ともに、加速度が作用した場合の第１の液溜め部から流
路に向けた水の逆流を確実に防止することができる。そ
して過剰な水をガス流路から確実に排除できることによ
り、燃料電池スタックのガス流入側および排出側に形状
の任意なバッファを設けることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる排水機構の一例を示す模式的
な断面図である。

【図２】この発明にかかる燃料電池装置の全体的な構成
を示す模式図である。

【図３】排水プロセスを説明するための模式図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池スタック ２，４ 流路 ５ 排水機構 ６ 第１のタンク ７ 第２のタンク ９，１０ バルブ １１ 遮蔽板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化ガスと燃料ガスとの少なくとも一方
   を加湿し、これらのガスを固体電解質膜を挟んだ両側に
   供給するとともに、水を含む反応生成物を生じる酸化反
   応を固体電解質膜を介して生じさせる燃料電池装置にお
   いて、 前記いずれかのガスが流通する流路もしくは該流路に連
   通した他の流路から下方に分岐して第１の液溜め部が設
   けられるとともに、この第１の液溜め部の下部に第２の
   液溜め部が接続され、これらの各液溜め部の間および第
   ２の液溜め部の流出口側に、交互に開閉されるバルブが
   設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 【請求項２】 前記第１の液溜め部の流入口側に、気体
   の透過を阻止しかつ水の透過を許容する透水性遮蔽板が
   設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料
   電池装置。