JPH08213042A - 燃料電池反応生成水貯留装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、燃料電池の発電に伴い、生成され
る水を貯留するための燃料電池反応生成水貯留装置に関
する。従来、電池反応による生成水の貯留は、酸素気水
分離器で行っていたため、当該分離器の容積を大きくす
る必要があり、システム全体が大きくなるとともに、分
離器の満水による発電中断を余儀なくされる不具合があ
った。本発明は、これらの不具合を解消できる装置の提
供を目的とする。 【構成】 本発明は、電池反応による生成水を、酸素ボ
ンベおよび／または水素ボンベの１本を使い切るまで、
一時貯留しておき、空になったこれらのボンベに順次貯
留するようにした。これにより、発電時間の経過ととも
に順次生成される大量の生成水が酸素気水分離器を大き
くすることなく貯留でき、また貯留容器の満水による発
電中断もなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
等の燃料電池において、供給された燃料中の水素と、酸
化剤中の酸素の電池反応により生成される、反応生成水
を貯留するための燃料電池反応生成水貯留装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池のうち、固体高分子型燃料電池
は、図２に示すように、電極反応で生成する水素イオン
と電子のうち、水素イオンのみを通過させる特性を持つ
電解質０１に、例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂
系イオン交換膜等の高分子イオン交換膜を用い、両電解
質０１の両側に、例えば、白金系触媒等を用い、電極上
で酸化、あるいは還元反応を起させる触媒電極０２，０
３を配置し、さらに、触媒電極０２，０３を担持させた
多孔質のカーボン電極０４，０５を備えた電極接合体０
６構造を設けている。

【０００３】このような電極接合体０６において、アノ
ード極側のカーボン電極０４に供給された加湿燃料中の
水素は、アノード極側の触媒電極０２上で水素イオン化
され、その水素イオンは、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。移動した水素イオンは、カソード極側の触媒電
極０３上で、カソード極側の、カーボン電極０５に供給
された酸化剤中の酸素、及びアノード極側の触媒電極０
２でイオン化され、電解質０１を通過できず、分離され
て、カーボン電極０４，０５間に設けられた外部外路０
７を流通してきた電子と反応して水Ｈ₂ Ｏを生成する。
その生成水Ｈ₂ Ｏは、カソード極側の触媒電極０３から
カーボン電極０５へ移動して、カーボン電極０５より、
カーボン電極０５に供給され、水素イオンとの反応を起
さなかった未反応酸素を含む残存酸化剤に搬送されて、
固体高分子型燃料電池外へ排出されることになる。

【０００４】この時、外部回路０７を流通する電子流れ
を取り出すことにより、直流の電気エネルギーとして利
用できる。なお、電解質０１に用いる高分子イオン交換
膜に、前述のように、水素イオンを透過させるために
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り、前述のようにカーボン電
極４に供給される燃料、又はカーボン電極５に供給され
る酸化剤に、常温〜１００℃程度の、固体高分子型燃料
電池の運転温度近辺相当の飽和水蒸気を含ませて、すな
わち、加湿した燃料、および酸化剤を供給することによ
って、この高分子イオン交換膜の保水状態を保つように
している。

【０００５】このような、固体高分子型燃料電池を使用
して発電を行う場合、特に、固体高分子型燃料電池を使
用して水中等で発電を行う場合には、図３に示すよう
に、密閉容器８内に、図２に示す固体高分子型燃料電池
を積層して、大容量化した、固体高分子型燃料電池本体
（以下、単に燃料電池本体という）１０を収容するとと
もに、燃料電池本体１０を作動させるために必要とする
機器を収容して、組込み、電池システムを構成して行
う。

【０００６】次に、燃料電池本体１０とともに、この電
池システムを構成する、燃料電池本体１０の作動に必要
な機器について説明する。燃料電池本体１０の燃料とな
る水素は、密閉容器８の外に配置された複数の水素ボン
ベ９より供給され、配管を通じて、密閉容器８内の電池
システムに導入され、電池システムの締切弁Ａ２２、ま
たは締切弁Ｂ２３を通り、水素側圧力制御弁１９で調圧
後、水素加湿装置１１に導入される。ここで、水素は所
定の温度、加湿状態に調整され、その後、加湿水素は、
燃料電池本体１０に導入される。

【０００７】また、燃料電池本体１０の酸化剤となる酸
素も、水素と同様、密閉容器８の外に配置された複数の
酸素ボンベ２９より供給され、配管を通じて、密閉容器
８内の電池システムに導入され、締切弁Ｃ２４、または
締切弁Ｄ２５を通り、酸素側圧力制御弁２０で調圧後、
酸素加湿装置１２に導入される。ここで同様に、酸素も
所定の温度、加湿状態に調整され、その後、加湿酸素
は、燃料電池本体１０に導入される。

【０００８】燃料電池１０に導入された加湿状態の水素
と酸素は、前述したように、直流の電気エネルギーと水
を生成し、このうち電気エネルギーは、後述する水素循
環ポンプ、またはコンプレッサ１５、および酸素循環ポ
ンプ、またはコンプレッサ１６を駆動する電源として、
インバータ制御装置２１から、これらの駆動モータに供
給されるとともに、電池システムとしての電気出力、い
わゆる送電端出力として外部へ取り出される。

【０００９】また、燃料電池本体１０内で発電に利用さ
れず残った残存水素、および残存酸素は、電池反応に伴
って生成された前述の水分、並びに水素加湿装置１１、
および酸素加湿装置１２で、水素、および酸素の加湿に
それぞれ使用された加湿水分とともに、燃料電池本体１
０外に排出される。このうちの燃料電池本体１０外に排
出された残存水素、および残存酸素は、それぞれ水素気
水分離器１３、および酸素気水分離器１４にそれぞれ導
入されて、気水分離され、残存水素は、駆動モータで駆
動される、水素循環ポンプ、またはコンプレッサ１５に
よって、水素逆止弁１７を経由して、水素ボンベ９から
燃料電池本体１０へ通ずる水素供給ラインへ、また、残
存水素は、同様に、インバータ制御装置２１から供給さ
れる電力によって駆動される、酸素循環ポンプ、または
コンプレッサ１６、酸素逆止弁１８を経由して、酸素ボ
ンベ２９から燃料本体１０へ通ずる酸素供給ラインに、
それぞれ戻され、循環利用される。

【００１０】また、燃料電池本体１０外へ排出された、
電池反応により燃料電池内で生成された反応生成水、お
よび水素、酸素の加湿にそれぞれ使用された水は、水素
気水分離器１３、および酸素気水分離器１４で水素およ
び分離した後、一部は締切り弁２６，２７をそれぞれ通
り、水素加湿装置１１、および酸素加湿装置１２に供給
できるようにされると共に、密閉容器内に設けられた酸
素気水分離器１４に集積されるようになっている。

【００１１】しかしながら、上述のように構成された固
体高分子型燃料電池本体を作動させて、発電を行うよう
にした電池システムの場合、次のような問題が生じるこ
とがあった。 （１）電池反応により生成された反応生成水を、酸素気
水分離器１４に貯留するようにしているため、酸素気水
分離器１４の容量を大きくする必要があり、電池システ
ム全体の体積が大きくなる。 （２）また、このような電池システムを、図３に示すよ
うに、水中で利用しようとした場合、大きな密閉容器８
が必要となる。さらに、発電を継続して行う場合、反応
生成水を貯留する酸素気水分離器１４が、満杯になる都
度、電池システムを停止させ、密閉容器８を水中より取
り出し、又は酸素気水分離器１４を密閉容器８から取り
出し、さらに大気中へ取り出し、大気中で水抜きをする
必要があり、このため、その度毎に電池システムの停
止、再稼動操作を行わなければならない。 （３）さらに、酸素気水分離器１４の水中からの取り出
しの繁雑を避けるため、酸素気水分離器１４に貯留した
反応生成水を、払出しポンプ等により、密閉容器８外に
排出しようとした場合、払出しポンプ、払出しポンプ用
駆動装置、および駆動源を必要とするとともに、密閉容
器８外の水圧に打勝って反応生成水を払出す必要があ
り、深海等高圧のかかる水中で使用する場合には、ポン
プ等のコストが嵩みシステム全体が高価となる。さら
に、払出しポンプの駆動源として、インバータ制御装置
２１から電力を使用するようにした場合、発電効率が劣
化する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した、
従来の燃料電池本体、および燃料電池本体を作動させる
ための機器からなる電池システムの不具合を解消して、
電池システム全体の体積を小さくでき、水中で発電を行
う場合においても、電池システムからの反応生成水排出
のための電池システムの停止、又は再稼動操作が不要と
なり、連続発電ができ、また、電池システムを低廉にで
き、電池システムの発電効率を低下させることがない、
燃料電池反応生成水貯留装置を提供することを課題とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の燃料
電池反応生成水貯留装置は、次の手段とした。燃料電池
の電池反応により、燃料電池本体内で生成される反応生
成水を、燃料電池に供給する燃料を貯留するための燃料
貯留タンク、若しくはボンベ等からなる燃料貯留容器、
および燃料電池に供給する酸化剤を貯留するための酸化
剤貯留タンク、若しくはボンベ等からなる酸化剤貯留容
器の何れか、又は両方に導き、貯留するようにした。

【００１４】なお、反応生成水を貯留する燃料貯留容
器、および／又は酸化剤貯留容器は、燃料電池に燃料、
および／又は酸化剤を供給しおえて、空になった容器を
使用するようにすることが好ましい。

【００１５】さらに、燃料貯留容器および／又は酸化剤
貯留容器への反応生成水の貯留にあたっては、水素を分
離した水素気水分離器の生成水を、酸素気水分離器に一
旦集積し、酸素気水分離器に設置した払出し配管、およ
びポンプにより移送するようにすることが好ましい。

【００１６】

【作用】本発明の燃料電池反応生成水貯留装置は、上述
の手段により、 （１）電池発電反応により、燃料電池本体内で生成され
た反応生成水を、燃料供給源の燃料貯留タンク、ボン
ベ、および／又は酸化剤供給源の酸化剤貯留タンク、ボ
ンベに導き、貯留できるようにすることで、従来、反応
生成水の貯留に利用されている酸素気水分離器に貯留さ
れる反応生成水の量を少なくすることができ、酸素気水
分離器が小さくてすみ、電池システム全体を小さくでき
る。 （２）さらに、酸素気水分離器のような反応生成水を貯
留する容器が満杯になり、発電不能になることがなくな
るため、水抜きのためのシステムの停止、再稼動操作を
行う必要がなくなる。すなわち、連続運転が可能とな
る。 （３）電池システムを密閉容器に収納し、水中での発電
に利用しようとした場合、貯留容器に貯留した反応生成
水を払出し、密閉容器外の水中に排出しようとすると、
密閉容器外の水圧に打勝って、反応生成水を払出す必要
があり、払出しに大きい駆動力を必要とするが、空の貯
留容器に貯留するようにすることにより、小さい駆動力
で済む。これにより、燃料電池の送電端出力を大きくで
きる。 （４）さらに、反応生成水を酸素気水分離器に、一旦集
積した後、貯留容器に貯留するようにしたので、電池シ
ステムがコンパクトに纏まると共に、貯留に必要な機
器、配管を少くすることができ、空になった燃料供給源
の貯留容器、および／又は酸化剤供給源の貯留容器に反
応生成水を送水する、ポンプの低圧化に伴うコストの低
下と相挨って、電池システム全体を安くすることができ
る。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の燃料電池反応生成水貯留装置
を、実施例にもとづき説明する。図１は、本発明の燃料
電池反応生成水貯留装置の一実施例を示す、電池システ
ムのブロック図である。なお、同図において、図３に示
す符番と同一符番のものは、図３に示すものと同一のも
のであり、詳細説明は省略する。

【００１８】図１に示すように、本実施例では、水中で
発電ができるように、密閉容器８内に電池システムは、
収納されている。また、その密閉容器８内に払出しポン
プ３０を設け、酸素気水分離器１４に集積された反応生
成水を吸引し、密閉容器８外の酸化剤供給源、ここで
は、酸素ボンベ２９に反応生成水を送水できるようにし
ている。

【００１９】燃料電池本体１０における、電池反応の燃
料となる水素は、密閉容器の外に配置された、燃料貯留
容器としての複数の水素ボンベ９より供給され、配管を
通じて密閉容器８内に導入され、締切弁Ａ２２、または
締切弁Ｂ２３を通り、水素側圧力制御弁１９で調圧後、
水素加湿装置１１に導入される。ここで、水素は所定の
温度、加湿状態に調整され、燃料電池本体１０に導入さ
れる。

【００２０】また、電池反応の酸化剤となる酸素も、水
素と同様、密閉容器８の外に配置された、酸化剤貯留容
器としての複数の酸素ボンベ２９より供給されるが、本
実施例ではまず、締切弁Ｃ２４側の酸素ボンベ２９′よ
り、酸素供給を行いはじめ、その酸素は配管を通じて密
閉容器８内に導入され、締切弁Ｃ２４を通り、圧力制御
弁酸素側２０で調圧後、酸素加湿装置１２に導入され
る。ここで、酸素は所定の温度、加湿状態に調整され、
その後、加湿酸素は、燃料電池本体１０に導入され、前
述した燃料電池本体１０に導入された加湿水素と電池反
応を起して発電を行う。このようにして発電を行い、、
締切弁Ｃ２４側の酸素ボンベ２９′内の酸素がなくなれ
ば、次に、締切弁Ｄ２５側の酸素ボンベ２９″から酸素
を供給するようにする。

【００２１】一方、燃料電池本体１０に導入された加湿
水素、又は加湿酸素のうち、燃料電池本体１０内での電
池反応に利用されず、残った残存水素、または残存酸素
は、電池反応に伴って生成された水分、及び加湿水分と
ともに燃料電池本体１０外に排出される。燃料電池本体
１０外に排出された残存水素、または残存酸素は、それ
ぞれ水素気水分離器１３、酸素気水分離器１４により気
水分離され、水素循環ポンプ、またはコンプレッサ１
５、水素逆止弁１７、および酸素循環ポンプ、またはコ
ンプレッサ１６、酸素逆止弁１８を介して、燃料電池本
体１０へ通ずる水素供給ライン、および酸素供給ライン
に戻され、循環利用される。

【００２２】また、燃料電池本体１０外に排出され、水
素気水分離器１３で水素と分離した、電池反応により燃
料電池本体１０内で生成された反応生成水、および加湿
水分は、密閉容器８内に設けられた酸素気水分離器１４
に、一旦集積される。そして、電池反応の継続によっ
て、締切弁Ｃ２４側の酸素ボンベ２９′側の酸化剤がな
くなり、酸素ボンベ２９′が空になった時点で、酸素気
水分離器１４に一旦集積された、水素を気水分離した反
応生成水、加湿水分と、酸素気水分離器１４で酸素を分
離させた反応生成水、加湿水分とともに、インバータ制
御装置２１から供給される電力で作動する、モータ３３
で駆動される払出しポンプ３０を利用して、締切弁Ｈ３
１を通じて、空になった締切弁Ｃ２４側の酸素ボンベ２
９′に送水しはじめる。

【００２３】これにより、酸素気水分離器１４は、反応
生成水および加湿水で溢れることなく、電池システム
は、連続運転可能な状態となる。なお、この時、締切弁
Ｃ２４側の酸素ボンベ２９′内には、微量の酸素が残っ
ているので、反応生成水の充填とともに、酸素ボンベ２
９′内の圧力が上昇してくる。これを防止するために、
締切弁Ｃ２４は閉じ、バイパスラインに設けられた締切
弁Ｉ２８を開けることで酸素ボンベ２９′内の圧力の上
昇を防ぐことができる。

【００２４】このように、本実施例の燃料電池反応生成
水貯留装置は、電池反応により、燃料電池本体１０内で
生成された反応生成水を、酸素気水分離器１４から、払
出しポンプ３０を利用して、空になった燃料供給源の燃
料貯留容器としての酸素ボンベ２９′に、送水できるよ
うにすることで、酸素気水分離器１４に貯留される反応
生成水の量を少なくすることができ、酸素気水分離器１
４の容積が小さくてすむ。

【００２５】そのため、密閉容器８に収容する電池シス
テム全体が小さくなる。また、酸素気水分離器１４のよ
うな反応生成水を貯留する容器が、満杯になることがな
くなるため、水抜きのための電池システムの停止、再稼
動操作を行う必要がなくなり、連続運転が可能となる。
さらに、高深度の水中で電池システムを利用する場合、
酸素気水分離器１４に貯留した反応生成水を払出す払出
しポンプに、高圧ポンプが不要となり、低廉な低圧ポン
プですみ、反応生成水を酸素気水分離器１４に、一旦集
積して、酸素ボンベ２９′に反応生成水を送水するよう
にしたことによる、ポンプ、配管を少くできることと相
挨って、電池システム全体を安くすることができる。ま
た、反応生成水の送水に伴う動力を小さくでき、燃料電
池の効率を向上できる。

【００２６】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、反応生成水の貯留容器としては、当然燃料
供給源側の水素ボンベ９を用いることは勿論のこと、酸
素ボンベ２９、および水素ボンベ９を併用することもで
き、さらには、複数本のボンベ９，２９を、反応生成水
の貯留容器とすることもできるものである。さらに、ボ
ンベに限らずタンク等も使用できるものである。

【００２７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の燃料電池生
成水貯留装置によれば、特許請求の範囲に示す簡素な構
成により、 （１）従来反応生成水の貯留に使用されていた酸素気水
分離器が小さくてすみ、電池システム全体を小さくでき
る。 （２）反応生成水の水抜きのための、電池システムの停
止、再稼動操作を行う必要がなくなり、電池システムの
連続運転ができる。 （３）電池システム全体が安くでき、また、電池システ
ムに要する動力を低減でき燃料電池の効率を向上でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池反応生成水貯留装置の一実施
例を示す、電池システムのブロック図。

【図２】図１の実施例を適用する固体高分子型燃料電池
の発電原理を示す図。

【図３】従来の固体高分子型燃料電池システムの一例を
示すブロック図である。

【符号の説明】

０１ 電解質（イオン交換膜） ０２ 触媒電極（アノード極） ０３ 触媒電極（カソード極） ０４ 多孔質カーボン電極（アノード
極） ０５ 多孔質カーボン電極（カソード
極） ０６ 電極接合体 ０７ 外部回路 ０８ 密閉容器 ０９ 貯留容器としての水素ボンベ １０ 燃料電池本体 １１ 水素加湿装置 １２ 酸素加湿装置 １３ 水素気水分離器 １４ 酸素気水分離器 １５ 水素循環ポンプ、またはコンプ
レッサ １６ 酸素循環ポンプ、またはコンプ
レッサ １７ 水素逆止弁 １８ 酸素逆止弁 １９ 水素側圧力制御弁 ２０ 酸素側圧力制御弁 ２１ インバータ制御装置 ２２ 締切り弁Ａ ２３ 締切り弁Ｂ ２４ 締切り弁Ｃ ２５ 締切り弁Ｄ ２６ 締切り弁Ｅ ２７ 締切り弁Ｆ ２８ 締切り弁Ｇ ２９，２９′，２９″ 酸化剤貯留容器としての酸素ボ
ンベ ３０ 送水ポンプ ３１ 締切り弁Ｈ ３２ 締切り弁Ｉ ３３ 送水ポンプ用モータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料中の水素と酸化剤の酸素の電気化学
   反応により、発電を行う燃料電池の電池反応で生成され
   る反応生成水を、前記燃料電池に供給する前記燃料を貯
   留する燃料貯留容器、および前記燃料電池に供給する前
   記酸化剤を貯留する酸化剤貯留容器の、少くとも一方に
   導き、貯留するようにしたことを特徴とする燃料電池反
   応生成水貯留装置