JPH11273704A

JPH11273704A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JPH11273704A
Application number: JP10072414A
Authority: JP
Inventors: Akira Fujio; 昭藤生; Katsuyuki Makihara; 勝行槇原; Tatsuji Hatayama; 龍次畑山
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 1999-10-08

Abstract

(57)【要約】【課題】運転終了後に、気象条件に応じて、燃料電池
装置内の水を外部へ排出し、凍結を防止する。【解決手段】燃料電池装置１０の運転を終了させ、凍
結防止ボタンを押すと、温度センサで外気温が凍結温度
（氷点下）以下かどうか判断される。肯定されると、電
磁弁１２２と電磁弁５０が開放され、循環ポンプ４６が
一定時間駆動される。電磁弁１２２を開放することで、
メインタンク２０が大気と通じ、メインタンク２０の底
に設けられた電磁弁５０から水が排出される。また、循
環ポンプ４６が駆動して、給水管４０、燃料電池モジュ
ール１８、及び排水管４４に滞留した水がメインタンク
２０へ還流される。燃料電池装置１０内の水循環系内の
水がメインタンク２０を通じて外部へ排出される。この
ため、凍結する水が存在しなくなり、装置が破損するよ
うなことがなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素燃料を大気中
の酸素と電気的に反応させ、電気エネルギーを発生する
燃料電池装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子形燃料電池では、供給した燃
料のもつ化学エネルギーがすべて電気エネルギーに変換
されるわけではなく、多くの場合、半分以上の化学エネ
ルギーが熱エネルギーに変換される。

【０００３】この発生した熱を固体高分子形燃料電池の
外に排出するため、燃料電池装置では、貯水タンクから
給水管を通じて水を固体高分子形燃料電池の燃料流通路
へ供給することにより、高分子イオン交換膜を湿潤させ
ると共に固体高分子形燃料電池を冷却し、また、消費さ
れない水は排水管を通じて貯水タンクへ排水させてい
る。

【０００４】このような構成の燃料電池装置が、寒冷地
の屋外に設置され、一定時間運転されないと、固体高分
子形燃料電池、貯水タンク、給水管、及び排水管の中に
滞留した水が凍結し、運転不能となったり、水が凍結す
る際の膨張圧で装置が破損する恐れがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事実を考
慮し、水が凍結することによる不都合を回避できる燃料
電池装置を提供することを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明で
は、固体高分子形燃料電池が、燃料ガス中の水素を水の
介在の基に大気中の酸素と電気化学的に反応させて電気
エネルギーを発生する。固体高分子形燃料電池には、タ
ンクの水が給水手段で給水され冷却される。また、余分
な水は固体高分子形燃料電池から排水手段を通じてタン
クへ排水される。

【０００７】この燃料電池装置には、水抜き手段が設け
られており、運転終了後、水抜き手段を操作すると、固
体高分子形燃料電池、タンク、給水手段、及び排水手段
に滞留する水が外部へ排出される。

【０００８】このため、燃料電池装置を寒冷地の屋外に
設置し、一定時間運転を停止しても、凍結する水が存在
しないので、運転不能となったり、装置が破損するよう
なことがない。

【０００９】請求項２に記載の発明では、水抜き手段
が、タンクに設けられた水抜き弁と、タンクに設けられ
た空気弁と、外気温を検出する温度検出手段と、燃料電
池装置の運転終了時に温度検出手段からの信号に基づ
き、水抜き弁及び空気弁を開放すると共に、給水手段を
所定時間駆動させる制御手段と、で構成されている。

【００１０】すなわち、燃料電池装置の運転終了時に、
温度検出手段が、水が凍結するような外気温を検出する
と、制御手段に信号を発する。これにより、制御手段
が、水抜き弁及び空気弁を開放すると共に、給水手段を
所定時間駆動させる。このため、タンク内の水は水抜き
弁を通じて排出され、また、給水手段、固体高分子形燃
料電池、及び排水手段の中の水は強制的にタンクへ還流
され水抜き弁から外部へ排出される。

【００１１】このように、気象条件に応じて、自動的に
水抜きを行うように設定することで、取り扱いミスがな
くなり、装置の信頼性が高まる。

【００１２】請求項３に記載の発明では、水抜き手段
が、タンクに設けられた水抜き弁と、タンクに設けられ
た空気弁と、外気温を検出する温度検出手段と、給水手
段と水抜き弁とを接続するバイパス管と、運転終了後、
温度検出手段からの信号に基づき、水抜き弁及び空気弁
を開放する制御手段と、で構成されている。

【００１３】すなわち、燃料電池装置の運転終了時に、
温度検出手段が、水が凍結するような外気温を検出する
と、制御手段に信号を発する。これにより、制御手段
が、水抜き弁及び空気弁を開放する。このため、タンク
内の水は水抜き弁を通じて排出され、また、固体高分子
形燃料電池、及び排水手段の中の水は重力の作用で落水
しタンクを通じて外部へ排出される。さらに、給水手段
の中の水は、重力の作用でバイパス管を通り水抜き弁か
ら外部へ排出される。

【００１４】このように、パイパス管を設けることで、
請求項２の発明のように、給水手段を所定時間駆動する
必要がなくなる。

【００１５】請求項４に記載の発明では、水抜き手段
が、タンクに設けられた水抜き弁と、タンクに設けられ
た空気弁と、給水手段と水抜き弁とを接続するバイパス
管と、運転終了後、前記水抜き弁及び前記空気弁を開放
させる水抜きスイッチと、で構成されている。

【００１６】この構成では、運転終了後、水抜きスイッ
チをオンするだけで、水抜き弁及び空気弁が開放され、
装置内の水が外部へ排出されるようになっており、シス
テムを単純化することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１及び図２に示すように、第１
形態に係る燃料電池装置１０は、防水処理された箱状の
収納ケース１２に格納されている。収納ケース１２は、
上下３段に仕切られており、上段には、制御装置１４と
サブタンク１６が収納されている。また、収納ケース１
２の中段には、燃料電池モジュール１８が、さらに、下
段には、メインタンク２０とインバータ２２が収納され
ている。

【００１８】また、水素ボンベ２４は、収納ケース１２
の前面に収納され、扉１２Ａを開放することにより、簡
単に取り替えることができる。

【００１９】図３及び図４に示すように、燃料電池モジ
ュール１８は、高分子イオン交換膜（図示省略）の表面
にカソード３０を、裏面にアノード２６を接合した電極
／高分子膜接合体を備えている。この電極／高分子膜接
合体をバイポーラプレートで挟み込んでセル３２を構成
し、このセル３２を複数枚（本例では５０枚）積層し
て、燃料電池モジュール１８を構成している。

【００２０】また、燃料電池モジュール１８の上方に
は、継手管３８が接続されており、後述するメインタン
ク２０から給水管４０を介して、燃料電池モジュール１
８へ水が供給される。この水は、燃料電池モジュール１
８を、冷却し又高分子イオン交換膜を湿潤させる役割を
果たす。

【００２１】一方、燃料電池モジュール１８の下方に
は、Ｌ字状の継手管４２が取付けられている。継手管４
２には、排水管４４が接続され、燃料電池モジュール１
８から水を排出する構成である。

【００２２】図２に示すように、排水管４４は、密閉さ
れたメインタンク２０の天壁２０Ａを貫通し、貯水され
た水Ｗと天壁２０Ａとの間に形成された気相部Ａに至っ
ている。このように、排水管４４の下流口を水Ｗの中に
入れず、落水させる方式を採ることで排水管４４内の水
が完全にメインタンク２０内へ還流する。

【００２３】また、メインタンク２０の側壁の下方に
は、給水管４０が接続されている。そして、循環ポンプ
４６により、冷却フィルター４８（図３参照）を通じ
て、燃料電池モジュール１８へ水が給水される。さら
に、メインタンク２０の底壁には、制御装置１４で開閉
される水抜き用の電磁弁５０が設けられている。

【００２４】一方、図３及び図４に示すように、収納ケ
ース１２の上段に収納されたサブタンク１６は、補充パ
イプ５２を通じて、メインタンク２０と接続されてい
る。補充パイプ５２には、送水ポンプ５４及び電磁弁５
６が配設されており、一定時間毎或いはメインタンク２
０の底部に備えられた水位センサ５８からの信号を受け
て、サブタンク１６から純水をメインタンク２０へ補充
する。

【００２５】また、電磁弁５６の上方には、空気抜きパ
イプ１２０が接続され、メインタンク２０と連通してい
る。この空気抜きパイプ１２０には、制御装置１４で開
閉される空気抜き用の電磁弁１２２が設けられている。

【００２６】次に、本形態に係る燃料電池装置の作用を
説明する。図１に示す、操作盤８２の運転・停止ボタン
８４を押すと、燃料電池装置１０が起動し、図４に示す
ように、水素ボンベ２４からレギュレータ６０、電磁弁
６２を経て、圧力が低下された水素ガスが燃料電池モジ
ュール１８のアノード２６へ供給される。

【００２７】アノード２６へ水素が供給されると、水素
は電子を放出して水素イオンとなり、高分子イオン交換
膜の中を水と共に移動する。この移動した水素イオン
は、カソード３０に達し、多翼ファン６４により外部か
ら供給された空気中の酸素と反応して水を生成する。こ
の結果、アノード２６から外部回路を通じて電子が流
れ、直流の電力が発生する。

【００２８】このとき、水素イオンが高分子イオン交換
膜の中を抵抗なく移動できるように、メインタンク２０
から給水管４０を通じて燃料電池モジュール１８へ水が
給水され、高分子イオン交換膜が湿潤状態が保たれると
共に、燃料電池モジュール１８の冷却が行われる。そし
て、消費されなかった水は、重力で継手管４２に至る。

【００２９】この継手管４２には、４本の排水管４４が
接続されており、独立した排水系を構成しており、燃料
電池モジュール１８から水を確実にメインタンク２０へ
還流させることができる。

【００３０】一方、燃料電池モジュール１８へ供給され
反応しなかった微量の水素ガスは、配管６８を通じてメ
インタンク２０の気相部Ａへ送られる。このメインタン
ク２０は密閉されており、ここへ案内された微量の水素
ガスは、水素排気管７６を通じてニードル弁７２を経
て、混合器７４に至る。また、燃料電池モジュール１８
へ供給され反応しなかった空気は、空気排気管７７を通
じて、混合器７４に至る。混合器７４では、微量の水素
ガスが空気により充分に希釈されてから大気に放出され
る。

【００３１】また、燃料電池モジュール１８で消費され
た水が蒸発し、メインタンク２０の水位が下がると、底
部に設けられた水位センサ５８が、制御装置１４へ信号
を送る。制御装置１４は、電磁弁５６を開き、送水ポン
プ５４を駆動して、サブタンク１６に貯水された純水を
補充パイプ５２を通じて、メインタンク２０へ送り、連
続運転を可能とする。

【００３２】一方、燃料電池モジュール１８で発電した
直流電力はインバータ２２を構成する、ＤＣ／ＤＣコン
バータ９４で所定の電圧に変換され、ＡＣ／ＤＣインバ
ータ９６で直流から交流へ変換され、交流出力端子９８
へ送られ、一定の交流電力を供給する。また、本形態の
固体高分子形燃料電池１０は、自己完結タイプであり、
外部から電力が供給されない。

【００３３】このため、起動時に使用する電力源である
２次電池７８を備えている。この２次電池７８は、充電
回路８０により、発電時の余剰電力によって充電される
ようになっている。

【００３４】次に、図５のフローチャートを参照して、
凍結防止運転モードを説明する。操作盤８２の運転・停
止ボタン８４（図１参照）を再度押して、燃料電池装置
１０の運転を終了させた後、ステップ２００で、凍結防
止ボタン１２６を押すと、凍結防止運転モードに切り替
わる。

【００３５】次に、ステップ２０２において、収納ケー
ス１２の外側に設けられた温度センサ１２４で外気温が
凍結温度（氷点下）以下かどうか判断される。肯定され
ると、ステップ２０４で電磁弁１２２と電磁弁５０が開
放され、ステップ２０６で循環ポンプ４６が一定時間駆
動される。

【００３６】電磁弁１２２を開放することで、メインタ
ンク２０が大気と通じ、メインタンク２０の底に設けら
れた電磁弁５０から水が排出される。また、循環ポンプ
４６が駆動して、給水管４０、燃料電池モジュール１
８、及び排水管４４に滞留した水がメインタンク２０へ
還流される。

【００３７】これによって、燃料電池装置１０内の水循
環系内の水がメインタンク２０を通じて外部へ排出され
る。このため、凍結する水が存在しなくなり、運転不能
となったり、装置が破損するようなことがなくなる。

【００３８】次に、第２形態に係る燃料電池装置を説明
する。第２形態では、図６及び図７に示すように、給水
管４０に配置された循環ポンプ４６の吐出口側が、バイ
パスパイプ１２８で電磁弁５０が設けられた水抜き管１
３０に接続されている。このバイパスパイプ１２８は下
り勾配となっており、重力で水が流れるようになってい
る。また、バイパスパイプ１２８の管径は、給水管４０
の管径より十分小さくされており（本例では、１０：１
の比率としている）、燃料電池装置１３３の運転時に
は、メインタンク２０の水が流れ難い設計となってい
る。

【００３９】次に、第２形態の作用を説明する。第１形
態と同様に、第２形態でも、操作盤８２の運転・停止ボ
タン８４を再度押して、燃料電池装置１０の運転を終了
させ、凍結防止ボタン１２６を押すと、凍結防止モード
に切り替わるようになっている。

【００４０】次に、収納ケース１２の外側に設けられた
温度センサ１２４で外気温が凍結温度（氷点下）以下か
どうか判断される。肯定されると、電磁弁１２２と電磁
弁５０が開放される。

【００４１】これにより、メインタンク２０が大気と通
じ、メインタンク２０の底に設けられた電磁弁５０から
水が排出される。また、燃料電池モジュール１８及び排
水管４４に滞留した水は、重力の作用でメインタンク２
０に落水して、電磁弁５０から排水される。一方、給水
管４０に滞留した水は重力でバイパスパイプ１２８へ流
れ込み、電磁弁５０を通じて直接外部へ排出される。

【００４２】このように、バイパスパイプ１２８を設け
ることで、第１形態のように、循環ポンプ４６を駆動さ
せる必要がなくなるので、ランニングコストを低減でき
る。

【００４３】次に、第３形態に係る燃料電池装置を説明
する。第３形態では、操作盤８２の運転・停止ボタン８
４を再度押して、燃料電池装置１０の運転を終了させた
後、オペレータの判断（今夜は氷点化になる天気予報が
出ている等）で水抜きスイッチ１３２（図１参照）をオ
ンするようになっている。

【００４４】この水抜きスイッチ１３２がオンされる
と、タイマー制御で電磁弁１２２と電磁弁５０が所定時
間（メインタンク２２の容量で設定される）開放され、
第２形態と同様に、燃料電池装置の水循環系内の水が外
部へ排出される。

【００４５】この構成では、運転終了後、水抜きスイッ
チ１３２をオンするだけで、燃料電池装置内の水が外部
へ排出されるようになっているので、システム構成をシ
ンプルにすることができる。なお、電磁弁５０、１２２
を手動式の弁として、水抜きをすることも考えられる
が、ある程度自動的に行う方が取り扱いミスがなくな
る。

【００４６】

【発明の効果】本発明は上記構成としたので、運転終了
後に、気象条件に応じて、燃料電池装置内の水が外部へ
排出されるので、水が凍結して、燃料電池装置が故障す
るようなことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１形態に係る燃料電池装置の外観図である。

【図２】第１形態に係る燃料電池装置の内部を見た断面
図である。

【図３】第１形態に係る燃料電池装置の水循環系の概略
斜視図である。

【図４】第１形態に係る燃料電池装置のブロック図であ
る。

【図５】第１形態に係る燃料電池装置の作用を示すフロ
ーチャートである。

【図６】第２形態に係る燃料電池装置の内部を見た断面
図である。

【図７】第２形態に係る燃料電池装置の水循環系の概略
斜視図である。

【符号の説明】１４制御装置（制御手段）１８燃料電池モジュール（固体高分子形燃料電池）２０メインタンク（タンク）４０給水管（給水手段）４２継手管（排水手段）４６循環ポンプ（給水手段、水抜き手段）４４排水管（排水手段）５０電磁弁（水抜き弁、水抜き手段）１２２電磁弁（空気弁、水抜き手段）１２４温度センサ（温度検出手段）１２８バイパス管（水抜き手段）１３２水抜きスイッチ（水抜き手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料ガス中の水素を水の介在の基に大気
中の酸素と電気化学的に反応させて電気エネルギーを発
生する固体高分子形燃料電池と、前記固体高分子形燃料電池へタンクの水を給水する給水
手段と、前記固体高分子形燃料電池の水を前記タンクへ排水する
排水手段と、前記固体高分子形燃料電池、前記タンク、前記給水手
段、及び前記排水手段に滞留する水を排出する水抜き手
段と、を有することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】前記水抜き手段が、前記タンクに設けら
れた水抜き弁と、前記タンクに設けられた空気弁と、外
気温を検出する温度検出手段と、運転終了後、前記温度
検出手段からの信号に基づき、前記水抜き弁及び前記空
気弁を開放すると共に、前記給水手段を所定時間駆動さ
せる制御手段と、で構成されたことを特徴とする請求項
１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】前記水抜き手段が、前記タンクに設けら
れた水抜き弁と、前記タンクに設けられた空気弁と、外
気温を検出する温度検出手段と、前記給水手段と前記水
抜き弁とを接続するバイパス管と、運転終了後、前記温
度検出手段からの信号に基づき、前記水抜き弁及び前記
空気弁を開放する制御手段と、で構成されたことを特徴
とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】前記水抜き手段が、前記タンクに設けら
れた水抜き弁と、前記タンクに設けられた空気弁と、前
記給水手段と前記水抜き弁とを接続するバイパス管と、
運転終了後、前記水抜き弁及び前記空気弁を開放させる
水抜きスイッチと、で構成されたことを特徴とする請求
項１に記載の燃料電池装置。