(57)【特許請求の範囲】
【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気体燃料を貯留する複数の燃料貯留容器、および前記燃料電池に供給する前記気体酸化剤を貯留する複数の酸化剤貯留容器と、前記反応生成水を一旦集積する水素気水分離器および酸素気水分離器と、同各分離器より前記反応生成水を払い出す連接配管と、同連接配管に設ける送水ポンプとを具え、少なくとも一方の複数の貯留容器群の中で、空になった貯留容器に前記反応生成水を導き、貯留するようにしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池反応生成水貯留装置。
【請求項２】
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気体燃料を貯留する複数の燃料貯留容器、および前記燃料電池に供給する前記気体酸化剤を貯留する複数の酸化剤貯留容器と、前記反応生成水を一旦集積する水素気水分離器および酸素気水分離器と、同各分離器より前記反応生成水を払い出す連接配管と、同連接配管に設ける送水ポンプとを具え、少なくとも一方の複数の貯留容器群の中で、空になった貯留容器に前記反応生成水を導き、貯留すると共に、前記燃料電池、水素気水分離器および酸素気水分離器が水中での発電に利用するために密封容器に収納され、前記燃料貯留容器および酸化剤貯留容器が前記密封容器の外に設けられていることを特徴とする固体高分子型燃料電池反応生成水貯留装置。
【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固体高分子型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０２，０３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０６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０２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０７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１０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、固体高分子型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、本発明の固体高分子型燃料電池反応生成水貯留装置は、次の各手段を提案するものである。
（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気体燃料を貯留する複数の燃料貯留容器、および前記燃料電池に供給する前記気体酸化剤を貯留する複数の酸化剤貯留容器と、前記反応生成水を一旦集積する水素気水分離器および酸素気水分離器と、同各分離器より前記反応生成水を払い出す連接配管と、同連接配管に設ける送水ポンプとを具え、少なくとも一方の複数の貯留容器群の中で、空になった貯留容器に前記反応生成水を導き、貯留するようにした。
（２）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気体燃料を貯留する複数の燃料貯留容器、および前記燃料電池に供給する前記気体酸化剤を貯留する複数の酸化剤貯留容器と、前記反応生成水を一旦集積する水素気水分離器および酸素気水分離器と、同各分離器より前記反応生成水を払い出す連接配管と、同連接配管に設ける送水ポンプとを具え、少なくとも一方の複数の貯留容器群の中で、空になった貯留容器に前記反応生成水を導き、貯留すると共に、前記燃料電池、水素気水分離器および酸素気水分離器が水中での発電に利用するために密封容器に収納され、前記燃料貯留容器および酸化剤貯留容器が前記密封容器の外に設けられている。
【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】
本発明の固体高分子型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、本発明の固体高分子型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、本発明の固体高分子型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１５、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Ｈ３１を通じて、空になった締切弁Ｃ２４側の酸素ボンベ２９′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２９′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、本実施例の固体高分子型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１４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】
本実施例の燃料電池反応生成水貯留装置は、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ものである。
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、本発明の固体高分子型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】  本発明の固体高分子型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
【図１】
0003771600.tif 000002
【図２】
0003771600.tif 000003
【図３】
0003771600.tif 000004