(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可搬型電源として用いられる燃料電池装置であって、一対の燃料電池本体と、前記燃料電池本体に必要な水素を吸蔵する水素吸蔵ボンベと、前記水素吸蔵ボンベからの水素の流動を制御し、前記燃料電池本体における燃料電池の動作及び出力を制御する制御部と、前記水素吸蔵ボンベと燃料電池本体とを連結し、水素を水素吸蔵ボンベから燃料電池本体に供給する水素供給手段と、前記燃料電池本体に燃料電池の発電に必要な酸素を供給するための空気を供給する送気手段と、前記制御部を駆動し、かつ前記送気手段を補助的に駆動する為の二次電池部と、これらを収容する直方体状のケースと、を有し、前記ケースは、前記送気手段の吸気口及び排気口を有し、かつ前記水素供給手段は、水素吸蔵ボンベと着脱可能な構成とした燃料電池装置において、
前記一対の燃料電池本体は前記ケースの互いに対向する一対の側面の内側に配置され、前記一対の側面に設けられた吸気口より前記一対の燃料電池本体に空気を導入する構成とし、かつ前記一対の燃料電池本体の間には、前記水素吸蔵ボンベが熱伝達手段を介して配置されることを特徴とした燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を用いた可搬型電源システムであって、燃料として水素を用い、空気を酸化剤とする固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ポータブル電源として燃料電池を用いた例は、例えば特開平４−３０８６６２号公報や特開平６−６０８９４号公報に記載されている一連の先行技術があるが、これらはリン酸型燃料電池を水素吸蔵合金より供給される水素と空気で駆動する構成を開示している。また、特開昭５４−２２５３７号公報や特開平２−２６０３７１号公報には、固体高分子型燃料電池を水素吸蔵合金より供給される水素と空気で駆動する構成が開示されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、電解質に固体高分子電解質であるイオン交換膜を用いており、その一般的な構成を図３に示す。このイオン交換膜１７を用いた構成では、上記イオン交換膜１７の両面に正極１８ならびに負極１９を層状に形成し、これらを併せて単位電池２０が構成される。
【０００４】
水素を燃料とし、酸素を酸化剤とした場合、負極では触媒と高分子電解質の接触界面において（化１）のような反応が、正極では（化２）の反応が起こり、水が生成される。
【０００５】
【化１】
0004058783.tif 000002
【０００６】
【化２】
0004058783.tif 000003
【０００７】
触媒は反応の活性点となり、電極層は上記反応の電子の伝導体であり、高分子電解質は水素イオンの伝導体となる。ただし、高分子電解質は含水して初めて実用的なイオン透過性を持つため、固体高分子型燃料電池を用いた電源システムの特徴として、この高分子電解質の加湿方法が広く検討されている。上記単位電池２０は、図４に示すようなセパレータ板２１とガスケット２２を用いて直列に接続され、図５に示すような積層体２３を形成してエンドプレート２４で締め付けて一つの発電ユニットとなる。
【０００８】
このようにして構成される燃料電池本体は発電に際して、発電を行っている電流密度に応じた過電圧分のエネルギーが放出されるため発熱源となる。
【０００９】
また、燃料電池に水素を供給する水素吸蔵合金は、水素の吸蔵及び放出に伴い（化３）に示す代表的な反応を行う。
【００１０】
【化３】
0004058783.tif 000004
【００１１】
α相を示す金属の水素組成が増加し、β相（水素化物）になる反応時には、生成熱ΔＨを生じる。また金属水素化物から水素を放出するときは、β相からα相になりΔＨの熱を吸収する特性が知られており、水素の安定した供給を行う際は水素吸蔵合金に熱を供給する必要がある。そのため、水素吸蔵ボンベに熱を供給する手段が広く考案されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のポータブル燃料電池や固体高分子型燃料電池システムの構成では、発熱源である燃料電池本体と吸熱源である水素吸蔵合金部の熱伝達を考慮し、コンパクト化するための構成が考慮されていなかった。
【００１３】
例えば、特開昭５４−２２５３７号公報や特開平２−２６０３７１号公報に記載の構成では、固体高分子型燃料電池を水素吸蔵合金より供給される水素で駆動する構成を開示しているが、水素吸蔵合金に燃料電池の熱を伝えるための構成と、生成水回収のための灯心部材や水透過性部材などの構成が示されているのみで、超小型のための構成は示されていない。また米国特許５２００２７８号には、固体高分子型燃料電池の構造及びシステムに関する種々の開示が見られるが、小型化の取り組みに関する構成について示唆されるものはなく、発熱源である燃料電池本体と吸熱源である水素吸蔵合金部の熱伝達を考慮し、小型化するための取り組みがなされていないという問題があった。
【００１４】
本発明は、上記従来の問題点を解決し、小型化を可能にする燃料電池を用いた可搬型電源装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、水素と空気を用いて発電する一対の燃料電池本体と、前記燃料電池本体に必要な水素を吸蔵する水素吸蔵ボンベと、前記水素吸蔵ボンベからの水素の流動を制御し、前記燃料電池本体における燃料電池の動作及び出力を制御する制御部と、前記水素吸蔵ボンベと燃料電池本体とを連結し、水素を水素吸蔵ボンベから燃料電池本体に供給し且つ水素吸蔵ボンベと着脱可能な構成とした水素供給手段と、前記燃料電池本体に燃料電池の発電に必要な酸素を供給するための空気を供給する送気手段と、前記制御部を駆動し、かつ前記送気手段を補助的に駆動する為の二次電池部と、これらを収容し、かつ上記送気手段の吸気口及び排気口を有した直方体状のケースと、を有する燃料電池装置において、前記一対の燃料電池本体を前記ケースの互いに対向する一対の側面の内側に配置し、前記一対の側面に設けられた吸気口より前記一対の燃料電池本体にカソード用燃料としての空気を前記空気供給手段により導入し、燃料電池本体に供給し、前記一対の燃料電池本体の間には、燃料電池本体にアノード用燃料を供給する前記水素吸蔵ボンベを熱伝達手段を介して配置する構成とするものである。
【００１６】
これらのシステム構成をとることにより、燃料電池からの発熱分のエネルギーを水素吸蔵ボンベに有効に伝えることが可能となり、水素の安定した供給を可能にするシステムの小型化が可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は、水素と空気を用いて発電する複数の燃料電池本体と、前記燃料電池本体に必要な水素を吸蔵する水素吸蔵ボンベと、前記水素吸蔵ボンベからの水素の流動を制御し、上記燃料電池本体における燃料電池の動作及び出力を制御する制御部と、前記水素吸蔵ボンベと燃料電池本体とを連結し、水素を水素吸蔵ボンベから燃料電池本体に供給し且つ水素吸蔵ボンベと着脱可能な構成とした水素供給手段と、前記燃料電池本体に燃料電池の発電に必要な酸素を供給するための空気を供給する送気手段と、前記制御部を駆動し且つ前記送気手段を補助的に駆動する為の二次電池部と、これらを収容し且つ上記送気手段の吸気口ならびに排気口と水素吸蔵ボンベを出し入れできる手段を有したケースを有する燃料電池装置において、少なくとも一対の燃料電池本体を前記ケースの両内側面に配置し、前記側面よりカソード用燃料としての空気を前記空気供給手段により導入し、燃料電池本体に供給する。またケースの側面に配置された燃料電池本体のカソード用燃料導入口の反対側面には、燃料電池本体にアノード用燃料を供給する水素吸蔵ボンベを熱伝達手段を介して配置する構成とするものである。
【００１８】
このことにより、ケース側面に設けられた吸気口よりカソード用燃料として導入された空気が、ケース内側面に設置された燃料電池本体に供給され、空気中の酸素を消費した後、発熱体である前記燃料電池本体から熱を奪い、その熱を前記熱交換手段を介してケースと反対側面にある水素吸蔵ボンベに供給することが可能になる。さらに燃料電池を複数個とし、これら燃料電池間に水素吸蔵ボンベを設置することにより、前記水素吸蔵ボンベが有している伝熱面積を有効に熱伝達に使用することが可能となる。これらのシステム構成をとることにより、燃料電池からの発熱分のエネルギーを水素吸蔵ボンベに有効に伝え、水素の安定した供給を可能にするシステムの小型化が可能となる。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図１および図２を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の燃料電池装置の外観の斜視図である。図２は図１の燃料電池装置のケースを見る方向からはずし、（ａ）上から見た図、（ｂ）正面から見た図、（ｃ）Ｄ−Ｄ間を横から見た図である。図１および２において１は水素と空気とで発電を行う燃料電池本体である。２は前記燃料電池１に空気を供給する空気供給手段、３は前記燃料電池１に水素供給する水素吸蔵ボンベ、４は前記水素吸蔵ボンベ３から前記燃料電池１への水素の供給に際し供給圧力を制御する圧力制御器、５は前記圧力制御器４で調圧された水素の前記燃料電池１への供給を制御するストップバルブ、６は前記燃料電池１の不純物の混在した水素を排出するための排出バルブ、７は前記燃料電池１の動作及び出力を制御する制御部である。また、前記空気供給手段２の補助的な駆動及び前記制御部７の駆動を行うための図示しない二次電池を備えている。９は前記燃料電池１から排出される熱を前記水素吸蔵ボンベに伝える熱伝達手段、１０はこれら構成部品を収納し且つ前記燃料電池１の動作に必要な空気の吸排気口を備えたケースで１１の空気吸気口と１２の空気排気口を備えた構造である。１３は前記ストップバルブ５から供給される水素を複数の前記燃料電池１へ分配するための水素供給管、１４は複数の前記燃料電池１からの不純物を混在した水素を前記排出バルブ６へ導入する排気ガス導入管であり、本発明の燃料電池システムはこれらにより構成されている。１５は前記二次電池８と前記制御部７を電気的に遮断する一次スイッチ、１６は前記燃料電池１と前記制御部７を電気的に遮断する二次スイッチである。
【００２０】
ここにおいて、前記燃料電池１と前記空気供給手段２は気密性を保って接合されており、また前記空気供給手段２と前記熱伝達手段９と前記水素吸蔵ボンベ３は熱的に良好に結合されている。前記ケース１０の空気吸気口１１より前記空気供給手段２により前記燃料電池１のケース側の側面に導入された空気は、前記燃料電池１に酸素を供給した後、前記燃料電池１から熱を奪って前記燃料電池の水素吸蔵ボンベ側の側面より排出される。排出された空気は前記空気供給手段２に熱を供給した後、前記ケース１０の空気排気口１２を通って排出される。前記燃料電池１の排気空気で前記空気供給手段２に供給された熱は、前記熱伝達手段９を介し前記水素吸蔵ボンベ３に供給されることになる。この燃料電池１が水素吸蔵ボンベの両側に設置され複数あることで、水素吸蔵ボンベが有している伝熱可能な面積を有効に利用することが可能となる。
【００２１】
なお、本実施の発明においては燃料電池２個の間に水素吸蔵ボンベ１個を挟んだ構成を示したが、燃料電池および水素吸蔵ボンベの個数には本実施の形態に限定するものではなく、燃料電池の間に水素吸蔵ボンベを挟んだ構成であればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池装置の外観斜視図
【図２】図１の燃料電池装置の模式図
（ａ）上から見た模式図
（ｂ）正面から見た模式図
（ｃ）（ｂ）のＤ−Ｄ間を横から見た模式図
【図３】燃料電池の原理を示すための模式図
【図４】燃料電池における単位電池の分解断面図
【図５】単位電池を複数個連結して構成した燃料電池の斜視説明図
【符号の説明】
１  燃料電池本体
２  空気供給手段
３  水素吸蔵ボンベ
４  圧力制御器
５  ストップバルブ
６  排出バルブ
７  制御部
９  熱伝達手段
１０  ケース
１１  空気吸気口
１２  空気排気口
１３  水素供給管
１４  排気ガス導入管
１５  一次スイッチ
１６  二次スイッチ
１７  イオン交換膜
１８  正極
１９  負極
２０  単位電池
２１  セパレータ板
２２  ガスケット
２３  積層体
２４  エンドプレート
【図１】
0004058783.tif 000005
【図２】
0004058783.tif 000006
【図３】
0004058783.tif 000007
【図４】
0004058783.tif 000008
【図５】
0004058783.tif 000009