JPH11204126A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池から生成された凝縮水を車両の下部
から効率的にドレインし、車両に搭載しやすい。 【解決手段】 燃料電池のスタックの最下部には排出ポ
ート２１を配設し、該排出ポート２１には第１排出口２
１１と流路５とを介してドレインバルブ６が設けられる
とともに、該ドレインバルブ内には、該ドレインバルブ
下部に配設された第２排水口６２を開閉するフロート６
１が設けられ、該フロートのフロート下面は、前記排出
ポートの第１排出口２１１の開口位置よりも下方に配設
し、かつ前記ドレインバルブは車両の車輪４近傍に配設
されていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池、特に固体高分
子電解質型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、固体高分子電解質型燃料電池は、
水素及び酸素を燃料とする小型軽量電源として自動車そ
の他への応用が有力視されている。かかる電池はイオン
交換能を有する固体高分子電解質膜とこの両側に接触し
て配置される正極及び負極から構成される。燃料の水素
は負極において電気化学的に酸化され、プロトンと電子
を生成する。このプロトンは高分子電解質膜内を酸素が
供給される正極に移動する。一方負極で生成した電子は
電池に接続された負荷を通り、正極に流れ、正極におい
てプロトンと酸素と電子が反応して水を生成する。

【０００３】このように、自動車用電力源として固体高
分子電解質型燃料電池が低温作動性や小型で高出力密度
であることからこのタイプの型の研究が行われている
が、一般には燃料電池用高分子電解質膜としてスルホン
酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜（商品名；
ナフィオン、デュポン株式会社）等が用いられている。

【０００４】高分子電解質膜が電解質として機能するた
めには、水分を含んだ湿潤状態であることが必要不可欠
であるため、供給するガス及び空気は相当量の水蒸気を
含んだ状態で供給される。

【０００５】さらに燃料の水素と空気中の酸素が反応す
ることにより、水が生成されるため、その排気には多量
の水分が含まれており、通常の運転条件ではそれが凝縮
して、水が液体として排出される。この水は排気ガスの
流路に溜り流路面積を狭める。さらに水の量が多くな
り、断面積が変化すると燃料電池の運転に支障を来たす
ため、重大な支障が発生するまえにこの水を取り除く必
要がある。

【０００６】この問題を解決するために、特開平８−１
９５２１５号公報はこの水を排除する一つの技術であ
る。この技術は酸化ガスと燃料ガス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燃料電池装置である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この技
術は、排水機構が上下に積み重ねられる３個のタンクで
構成されるため、高さの高い構造体となる。この高さが
高いことは燃料電池を車両の電源装置として搭載する場
合には、スペース上問題となる。

【０００８】また、通常、凝縮水が生成する可能性があ
る燃料電池においては、スムーズな運転特性を確保する
ために、上から給気して最下部から排気する構造が合理
的である。また例え上から排気する構造であったとして
も、少なくとも排水装置だけは最下部に配設することが
必要である。

【０００９】本発明は、上記問題点等を解決したもの
で、燃料電池から生成された凝縮水を車両の下部から効
率的にドレインし、車両に搭載しやすい固体高分子電解
質型燃料電池を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明の請求項１において講じた技術的手段
は、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高分子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
固体高分子電解質膜を介して生じさせる固体高分子電解
質型燃料電池において、燃料電池のスタックの最下部に
は排出ポートを配設し、該排出ポートには第１排出口と
流路とを介してドレインバルブが設けられるとともに、
該ドレインバルブ内には、該ドレインバルブ下部に配設
された第２排水口を開閉するフロートが設けられ、該フ
ロートのフロート下面は、前記排出ポートの第１排出口
の開口位置よりも下方に配設し、かつ前記ドレインバル
ブは車両の車輪近傍に配設されていることを特徴とする
固体高分子電解質型燃料電池である。

【００１１】上記第１の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１２】即ち、燃料電池から生成された凝縮水を車
両の下部から効率的にドレインし、車両に搭載しやすい
といった効果を有する。

【００１３】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項２において講じた技術的手段は、前記ドレイン
バルブは、車輪の直径の幅以内に配設されていることを
特徴とする請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池
である。

【００１４】上記第２の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１５】即ち、車輪の直径の幅以上であると、スタ
ック２下面からドレインバルブ３が突起することにな
り、路面の突起物を乗り越える際、あるいは大きなうね
り・波打ちのある路面を走行する際に路面と接触してし
まうが、第２の技術的手段はそれを効果的に解決するこ
とができるといった効果を有する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
説明する。

【００１７】４個の燃料電池スタック２を中型クラスの
車両１に搭載するとき、この場合のレイアウトはフロア
１１の位置が高くなるため、室内スペースの設計に支障
を生じ、セダン型の乗用車としては成立しがたい。最低
限のロードクリアランスは、路面の突起物を乗り越える
際、大きなうねり・波打ちのある路面を走行する際に路
面と接触しない為に必要であるが、その時に接触する可
能性は車両底部全面が同一面ではない。

【００１８】本発明のスタック２の位置は、車両の室内
スペース上の有効利用、重量配分から、図１に示す中央
位置が最もバランスのよい位置に配置した。この場合、
ロードクリアランスはスタック２の下面にて決定され
る。このスタック２の下面に有効な排水装置を設ける場
合、スタック２下面から突起することになり、ロードク
リアランスを確保する為にスタックをより高い位置に設
ける必要がある。

【００１９】図１に示すように、４個の車輪４との位置
によって、路面との高さと接触しやすさが決まる。つま
り、車輪４の近傍は車輪４間の中央よりも路面と接触し
にくい。

【００２０】それゆえ本発明は、低い位置に設ける必要
のあるドレインバルブ６を車輪４の近傍に配設し、スタ
ック２の下面を最低限のロードクリアランスを保つ位置
に設定している。

【００２１】ここで、図２に示すように高分子電解質型
燃料電池は高分子電解質膜（図示せず）を電解質とした
燃料電池である。固体高分子電解質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
７あるいは酸化ガス流路８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２
とされている。

【００２２】この燃料電池スタック２には、燃料ガス用
のヘッダおよび酸化ガス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電池ガスや空気を分散
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上記燃料ガス流路７及び酸化ガ
ス流路８を介してガス供給源が接続されている。このガ
ス供給源は、燃料ガスについては、水素ボンベ９と加湿
器（図示せず）あるいは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（図示せず）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空
気コンプレッサ１０と加湿器（図示せず）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１１、１２が接続されている。

【００２３】要するに固体高分子電解質型燃料電池は、
給気ポート２２を介して酸化ガス（空気）と燃料ガス
（水素ガス）との少なくとも一方を加湿し、これらのガ
スを固体高分子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高分子
電解質膜を介して生じさせる構造である。

【００２４】図２に示すように、この燃料電池のスタッ
ク２の最下部には排気排気ポート２１が配設され、この
排気ポート２１には排水のための第１排水口２１１が形
成されている。また第１排出口２１１には第１排水流路
５が配設され、その先端にはドレインバルブ６が設けら
れる。

【００２５】このドレインバルブ６底部には、第２排水
口６２を開閉するフロート６１が設けられている。この
フロート６１は水が空間部６３内に入り込むとフロート
６１が上下に移動し、第２排出口６２を開閉する。この
とき、第２排出口６２を開閉するフロート６１のフロー
ト下面６１１は、前記排出ポート２１の第１排出口２１
１の開口位置よりも下方に配設している。

【００２６】このフロート６１は図４の上図の平面断面
図に示すように、円盤形状をしており、空間部６３は第
１排水流路５の接続部には排水溜め６３１が形成されて
いる。また第２排出口６２は円盤形状のフロート６１の
略中央部に貫設されている。この第２排水口６２の下端
は排出ポート６５が配設されている。この排出ポート６
５と第２排出口６２の間には、逆止弁６４が配設され、
排水の逆流を防止している。

【００２７】さらに図１に示すように、上記ドレインバ
ルブ６は車両の車輪４近傍に配設され、好ましくは、車
輪４の直径の幅Ｌ以内に配設されている。これは、車輪
の直径Ｌの幅以上であると、スタック２下面からドレイ
ンバルブ３が突起することになり、路面の突起物を乗り
越える際、あるいは大きなうねり・波打ちのある路面を
走行する際に路面と接触してしまう。

【００２８】なお、第２排水ポート６５は第２排出流路
７が配設され、この第２排出流路７には排水タンク８が
接続されている。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、以下の如く効果を有する。

【００３０】即ち、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高分子電解質膜を挟
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高分子電解質膜を介して生じさせる
固体高分子電解質型燃料電池において、燃料電池のスタ
ックの最下部には排出ポートを配設し、該排出ポートに
は第１排出口と流路とを介してドレインバルブが設けら
れるとともに、該ドレインバルブ内には、該ドレインバ
ルブ下部に配設された第２排水口を開閉するフロートが
設けられ、該フロートのフロート下面は、前記排出ポー
トの第１排出口の開口位置よりも下方に配設し、かつ前
記ドレインバルブは車両の車輪近傍に配設されているこ
とを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池であるの
で、燃料電池から生成された凝縮水を車両の下部から効
率的にドレインし、車両に搭載しやすいといった効果を
有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の車両に搭載した燃料電池の概略図

【図２】本発明の燃料電池とドレインバルブの断面側面
図等の関連を示した概略図

【図３】本発明の燃料電池スタックの正面図（左）と側
面図（右）

【図４】本発明のドレインバルブの平面断面図（上）と
側面断面図（下）

【符号の説明】

２１…排出ポート ２１１…第１排出口 ５…流路 ６…ドレインバルブ ６２…第２排水口 ６１…フロート ２１１…第１排出口 ４…車輪

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高分子電解質膜を挟んだ
   両側に供給するとともに、水を含む反応生成物を生じる
   酸化反応を固体高分子電解質膜を介して生じさせる固体
   高分子電解質型燃料電池において、 燃料電池のスタックの最下部には排出ポートを配設し、
   該排出ポートには第１排出口と流路とを介してドレイン
   バルブが設けられるとともに、該ドレインバルブ内に
   は、該ドレインバルブ下部に配設された第２排水口を開
   閉するフロートが設けられ、該フロートのフロート下面
   は、前記排出ポートの第１排出口の開口位置よりも下方
   に配設し、かつ前記ドレインバルブは車両の車輪近傍に
   配設されていることを特徴とする固体高分子電解質型燃
   料電池。
2. 【請求項２】 前記ドレインバルブは、車輪の直径の幅
   以内に配設されていることを特徴とする請求項１記載の
   固体高分子電解質型燃料電池。