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【発明の名称】 可逆型燃料電池搭載自動車とその燃料補給装置、およびその燃料補給方法
【発明者】 【氏名】多井 勉
【要約】 【課題】本発明は、燃料補給という観点から、より利便性の高い燃料電池搭載自動車を提供することを課題とする。

【解決手段】本発明の手段は、燃料電池として機能し且つ水電解装置として機能する可逆型燃料電池と、該可逆型燃料電池へ供給するための水素を貯蔵する水素貯蔵装置とを備えたことを特徴とする可逆型燃料電池搭載自動車によるものであり、また、該可逆型燃料電池搭載自動車に対して、外部電力を供給する電力供給手段と、該可逆型燃料電池に水を供給する水供給手段と、該可逆型燃料電池より発生した水素を精製する水素精製手段とを備えたことを特徴とする可逆型燃料電池搭載自動車の燃料補給装置にある。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 燃料電池として機能し且つ水電解装置として機能する可逆型燃料電池と、該可逆型燃料電池へ供給するための水素を貯蔵する水素貯蔵装置とを備えたことを特徴とする可逆型燃料電池搭載自動車。
【請求項２】 前記可逆型燃料電池に対して外部電力を供給するための電力接続手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の可逆型燃料電池搭載自動車。
【請求項３】 外部より供給された水を前記可逆型燃料電池へ供給し、該可逆型燃料電池より発生させた酸素とともに該水を排出させるべく構成された水循環手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の可逆型燃料電池搭載自動車。
【請求項４】 前記可逆型燃料電池より発生させた水素を前記水素貯蔵装置へ貯蔵する前に、外部装置を経由させることが可能な水素授受手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の可逆型燃料電池搭載自動車。
【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の可逆型燃料電池搭載自動車に対して、外部電力を供給する電力供給手段と、該可逆型燃料電池に水を供給する水供給手段と、該可逆型燃料電池より発生した水素を精製する水素精製手段とを備えたことを特徴とする可逆型燃料電池搭載自動車の燃料補給装置。
【請求項６】 請求項１〜４のいずれかに記載の可逆型燃料電池搭載自動車に対し、外部電力を供給することによって該可逆型燃料電池を水電解装置として機能させ、該可逆型燃料電池より発生した水素を前記水素貯蔵装置へ貯蔵することを特徴とする可逆型燃料電池搭載自動車の燃料補給方法。
【請求項７】 前記可逆型燃料電池を水電解装置として機能させる際に、前記可逆型燃料電池に対して外部より水を供給し、該可逆型燃料電池において電気分解させ、発生した酸素とともに余剰の水を外部へ排出させることを特徴とする請求項６記載の可逆型燃料電池搭載自動車の燃料補給方法。
【請求項８】 前記可逆型燃料電池を水電解装置として機能させる際に、前記可逆型燃料電池より発生した水素を外部に設けた水素精製手段によって精製しつつ前記水素貯蔵装置へ貯蔵することを特徴とする請求項６又は７記載の可逆型燃料電池搭載自動車の燃料補給方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池搭載自動車に関し、特に、該燃料電池が、水の電気分解と発電との両方を行うことが可能な可逆型燃料電池搭載自動車と、その燃料補給装置、および燃料補給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従来、燃料電池搭載自動車としては、例えば図３に示したように、燃料電池１０１と、該燃料電池へ供給するための燃料である水素等を貯めた水素貯蔵装置１０２と、燃料電池より発生させた電力を制御するパワーコントロールユニット１０３と、該電力によってホイールを駆動させるモーター１０４、および発生した余剰の電力を貯える２次電池１０５等を具備して構成されたものが知られている。
【０００３】かかる燃料電池搭載自動車１００は、走行に際して、水素貯蔵装置１０２に貯めた水素を燃料電池１０１に供給し、該燃料電池１０１を作動させて電流を発生させ、パワーコントロールユニット１０３で運転者の操作に合わせた電流をモーター１０４に流すことによってホイールを駆動させるものである。
【０００４】このような従来の燃料電池搭載自動車は、上述したように、水素等の燃料を燃料電池に供給してエネルギーを発生させるものであるため、通常のガソリン自動車がガソリンスタンドにてガソリンを補給する如く、必要に応じて水素補給施設にて水素を補給する必要がある。従って、このような燃料電池搭載自動車の普及にあたっては、従来の自動車と同様に、随所に燃料補給施設を設置しなければならない。
【０００５】そこで、本発明は、燃料補給という観点から、より利便性の高い燃料電池搭載自動車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】本発明者らは、上記の課題に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、燃料電池がその逆反応により燃料である水素を発生させることが可能であることに着目し、以下の発明を完成させるに至った。
【０００７】即ち、本発明は、燃料電池として機能し且つ水電解装置として機能する可逆型燃料電池と、該可逆型燃料電池へ供給するための水素を貯蔵する水素貯蔵装置とを備えたことを特徴とする可逆型燃料電池搭載自動車にある。
【０００８】かかる構成により、走行時には可逆型燃料電池を従来の燃料電池と同様に機能させることによって電力を発生させ、該電力でモータ等の駆動装置を作動させることができるとともに、停止時には可逆型燃料電池を水電解装置として機能させることにより、燃料である水素を発生させることが可能となる。
【０００９】また、前記可逆型燃料電池搭載自動車には、前記可逆型燃料電池に対して外部電力を供給するための電力接続手段が備えられていることが好ましく、例えばガレージ等に設けた電力供給手段に接続することにより、車の不使用時間を利用して効率的に燃料補給を行うことが可能となる。
【００１０】さらに、前記可逆型燃料電池搭載自動車には、外部より供給された水を前記可逆型燃料電池へ供給し、該可逆型燃料電池より発生させた酸素とともに該水を排出させるべく構成された水循環手段を備えていることが好ましく、あるいは、前記可逆型燃料電池より発生させた水素を前記水素貯蔵装置へ貯蔵する前に、外部装置を経由させることが可能な水素授受手段を備えていることが好ましい。
【００１１】斯かる水循環手段を備えたことにより、水電解に必要な水が供給可能となるとともに可逆型燃料電池の温度を制御することが可能となる。また、前記水素授受手段を介して発生した水素を取り出すことにより、外部装置によって水素を精製することが可能となる。
【００１２】また、本発明の手段は、前記可逆型燃料電池搭載自動車に対して、外部電力を供給する電力供給手段と、該可逆型燃料電池に水を供給する水供給手段と、該可逆型燃料電池より発生した水素を精製する水素精製手段とを備えたことを特徴とする可逆型燃料電池搭載自動車の燃料補給装置にある。
【００１３】また、本発明の手段は、燃料電池として機能し且つ水電解装置として機能する可逆型燃料電池と、該可逆型燃料電池へ供給するための水素を貯蔵する水素貯蔵装置と、該可逆型燃料電池で発生させた電力で作動する駆動装置とを備えた可逆型燃料電池搭載自動車に対し、外部電力を供給することによって該可逆型燃料電池を水電解装置として機能させ、該可逆型燃料電池より発生した水素を前記水素貯蔵装置へ貯蔵することを特徴とする可逆型燃料電池搭載自動車の燃料補給方法にある。
【００１４】斯かる方法によれば、水素を燃料として補給することなく、比較的入手容易な電力を供給することにより、該自動車の燃料補給を行うことが可能となる。
【００１５】また、自動車を使用することが少ない夜間を利用して水電解を行うことにより、安価な夜間電力を有効利用することができ、燃料費を節減することが可能となる。
【００１６】前記燃料補給方法においては、前記可逆型燃料電池を水電解装置として機能させる際に、前記可逆型燃料電池に対して外部より水を供給し、該可逆型燃料電池において電気分解させ、発生した酸素とともに余剰の水を外部へ排出させることが好ましく、これによって、可逆型燃料電池における水電解を効率良く行うことが可能となる。
【００１７】さらに、前記燃料補給方法においては、前記可逆型燃料電池を水電解装置として機能させる際に、前記可逆型燃料電池より前記発生した水素を外部に設けた水素精製装置によって精製しつつ前記水素貯蔵装置へ貯蔵することが好ましく、これによって純度の高い水素を貯蔵することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１９】本発明に係る可逆型燃料電池搭載自動車の一実施形態は、図１および図２に示したように、走行時には燃料電池として機能し、且つ停止時には水電解装置としても機能する可逆型燃料電池１０と、該可逆型燃料電池へ供給するための水素を貯蔵する水素貯蔵装置１１と、該可逆型燃料電池で発生させた電力を制御するパワーコントロールユニット１２と、該電力で作動するモーター１３と、該可逆型燃料電池１０で発生した余剰の電力を貯える２次電池１４とを具備して構成される。
【００２０】また、該可逆型燃料電池搭載自動車１は、前記可逆型燃料電池１０を水電解装置として機能させるために、外部電源より電力を可逆型燃料電池１０へ供給するための端子２１および電気配線等（図示せず）を備え、且つ外部より供給された水を可逆型燃料電池１０へ供給し、且つ該可逆型燃料電池１０より排出すべく構成された水供給口２２、水排出口２３および水配管等（図示せず）を備えている。
【００２１】さらに、該可逆型燃料電池搭載自動車１は、前記可逆型燃料電池１０を水電解装置として機能させた際に発生した水素を、車外に設けた任意の装置を経由させて前記水素貯蔵装置へ流通させることが可能な水素取出口２４、水素取入口２５および水素配管等（図示せず）を備えている。
【００２２】ここで、本発明に係る可逆型燃料電池搭載自動車１に搭載された可逆型燃料電池１０の構造および機能について、詳細に説明する。
【００２３】図３、４は、該可逆型燃料電池１０の概略図において、水電解装置と燃料電池という２つの機能をそれぞれ表したものである。該可型燃料電池１０は、イオン交換膜１０ａと、その両側にそれぞれ位置する酸素発生・酸素還元用電極触媒１０ｂ及び水素発生・水素酸化用電極触媒１０ｃと、該酸素発生・酸素還元用電極触媒１０ｂの外側に位置する給電・集電体１０ｄと、該水素発生・水素酸化用電極触媒１０ｃの外側に位置する給電・集電体１０eと、該給電・集電体１０ｄ及び１０ｅの外側にそれぞれ位置する電極板１０ｆ、１０ｇとを備える。
【００２４】ここで、イオン交換膜１０ａは、例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂である固体高分子電解質膜、ナフィオン１１５（デュポン社製）などが用いられる。また、酸素発生・酸素還元用電極触媒１０ｂは、例えば、白金と二酸化イリジウムとの混合触媒が用いられ、一方、水素発生・水素酸化用電極触媒１０ｃとしては、好ましくは白金触媒が用いられる。
【００２５】電極触媒１０ｂとしては、白金と二酸化イリジウムとの混合触媒を使用することが好ましく、該二酸化イリジウムの作用によって、過電圧を上げることなく酸素を発生させることができる。一方、電極触媒１０ｃとしては、水素発生の過電圧が小さいため、白金を用いることが好ましい。
【００２６】また、陽極側の給電・集電体１０ｄでは、発生した酸素による酸化腐食が生ずるため、該給電・集電体１０ｄを炭素材料で形成することはできず、したがって、チタン製マイクロメッシュやチタン繊維焼結体やチタン粉末焼結体などに白金メッキを行ったものを用いることが好ましい。一方、陰極側の給電・集電体１０ｅでは、発生した水素による水素脆性を考慮して、チタンではなく多孔質カーボンやステンレス鋼繊維焼結体やステンレス鋼粉末焼結体などに白金メッキを行ったものを用いることが好ましい。
【００２７】さらに、電極１０ｆ及び１０ｇは、発生した酸素による酸化腐食を防止するためにチタン板が用いられる。
【００２８】次に、該可逆型燃料電池１０の機能について説明する。
【００２９】まず始めに、該可逆型燃料電池１０が水電解装置として作動する場合について、図３を参照しつつ説明する。交流電力から電力Ａが整流器によって直流に変換され、その直流電力が電極板に印加されると、電極板１０ｆは陽極、電極板１０ｇは陰極として機能する。さらに、給電・集電体１０ｄ及び１０ｅは、電極触媒１０ｂ及び１０ｃに電流を供給する給電体として機能する。
【００３０】そして、陽極側の給電体１０ｄに水を供給することにより、電極触媒１０ｂにおいては、Ｈ2Ｏ→１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-のように反応し、酸素が発生する。また、かかる反応によって生じたプロトン（Ｈ+）は、イオン交換樹脂１０ａを介して陰極側へ移動し、電極板１０ｇから給電体１０ｅを介して伝達された電子と、２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2のように反応して水素が発生する。
【００３１】尚、前記イオン交換膜１０ａと、酸素発生・酸素還元用電極触媒１０ｂと、水素発生・水素酸化用電極触媒１０ｃと、給電・集電体１０ｄ及び１０ｅと、電極板１０ｆ及び１０ｇとからなる積層体を一つのセルとして、このセルを複数個積層することも可能である。可逆型燃料電池１０を、このような複数個のセルの積層体として構成した場合には、電極１０ｆ及び１０ｇは、複極電極板として作用する。
【００３２】続いて、該可逆型燃料電池１０が燃料電池として機能する場合について、図４を参照しつつ、水電解装置の作動と異なる点を中心に説明する。この可逆型燃料電池１０が燃料電池として作動する際も、水電解装置として作用する際と同様に、電極板１０ｆが陽極となり、電極板１０ｇが陰極となる。即ち、陽極側の給電体１０ｄに酸素（空気）を供給し、一方、陰極側の給電体１０ｅに水素を供給することにより、水電解装置の場合とは逆の反応、すなわち、陽極では、１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ、陰極では、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-の反応が起こる。
【００３３】白金と二酸化イリジウムとの混合触媒からなる電極触媒１０ｂは、白金の作用によって発生電圧を下げることなく、酸素とプロトンと電子とを反応させて、水を発生させる。また、白金からなる電極触媒１０ｃは、発電電圧を下げることなくプロトンを発生させる。
【００３４】さらに、給電・集電体１０ｄ及び１０ｅは、電極触媒１０ｂ及び１０ｃから電流を取り出す集電体として機能することにより、電極板１０ｆ、１０ｇには電位差が生じ、これが起電力となって電力が発生する。
【００３５】斯かる構造と機能を有する可逆型燃料電池が搭載された可逆型燃料電池搭載自動車１の使用方法を説明すると、まず走行時には、図１に示したように、該可逆型燃料電池１０は燃料電池として機能させ、供給された水素および空気（酸素）によって発電し、発生した電力によってモーター１３を駆動させて走行する。そして、非走行時、即ち停車している際には、図２に示したように、駐車場所等に設置された燃料補給装置６０によって、外部から電力Ａと水Ｂとを供給することにより、前記可逆型燃料電池１０を水電解装置として機能させ、発生させた水素ガスを前記水素貯蔵装置１１に貯蔵する。
【００３６】ここで、前記燃料補給装置６０としては、交流電源３１と、該交流電源３１より供給された電流を直流に変換するための整流器３２とを備えた電力供給装置３０、水を供給および循環させるための循環水ポンプ４１と、酸素分離タンク４２と、イオン交換樹脂充填槽（図示せず）とを備え、且つ市水と接続された水供給装置４０、水素と水とを分離する水素分離タンク５１および除湿器５２とを備えた水素精製装置５０などから構成されている。
【００３７】停車の際の燃料補給時には、前記電力供給装置３０より整流器３２、端子２１を介して可逆型燃料電池１０に電力Ａを供給し、また、市水より、好ましくはイオン交換樹脂充填槽を通して得た水Ｂ、又は前記水供給装置４０に貯められた水Ｂを、水供給口２３を介して可逆型燃料電池１０に供給する。そして、可逆型燃料電池１０を上述したように水電解装置として機能させ、水素および酸素を発生させる。このうち、発生した酸素は余剰の水とともに前記水排出口２２を介して前記水供給装置４０へ戻し、酸素分離タンク４２において酸素と分離する。また、発生した水素については、前記水素取出口２４を介して水素精製装置５０へ送り、水素分離タンク５１によって水を分離した後、除湿器５２によって純度の高い水素として精製した後、水素取入口２５を介して車内に戻し、水素貯蔵装置１１に貯蔵する。
【００３８】斯かる可逆型燃料電池搭載自動車１および燃料補給装置６０を使用することにより、自動車を使用しない停車時間と、その間利用されない燃料電池とを有効に使用することができるため、効率的に燃料補給を行うことが可能となる。
【００３９】また、水素を調達することと比較すると、水と電力の調達は極めて容易であるため、いかなる場所においてもこのような燃料補給装置を設けることができ、燃料電池搭載自動車の普及に効果的なものとなる。
【００４０】尚、上記実施例においては、燃料補給装置が定置型である場合について説明したが、燃料補給装置のいずれか一構成要素、あるいは交流電源と市水との接続部以降の全ての構成要素を、移動可能な燃料補給装置として構成し、本発明に係る可逆型燃料電池搭載自動車に搭載してもよい。
【００４１】
【発明の効果】以上のように、本発明に係る可逆型燃料電池搭載自動車あるいはその燃料補給装置および方法によると、燃料電池搭載自動車を使用しない時間帯や自動車に搭載された燃料電池を有効に活用することができ、斯かる燃料電池搭載自動車の利便性を高めることが可能となる。
【出願人】 【識別番号】０００１９２５９０
【氏名又は名称】神鋼パンテツク株式会社
【出願日】 平成１２年１０月２７日（２０００．１０．２７）
【代理人】 【識別番号】１０００７４３３２
【弁理士】
【氏名又は名称】藤本 昇 （外１名）
【公開番号】 特開２００２−１３５９１１（Ｐ２００２−１３５９１１Ａ）
【公開日】 平成１４年５月１０日（２００２．５．１０）
【出願番号】 特願２０００−３２８０５８（Ｐ２０００−３２８０５８）