JP2001006697A - Fuel cell and fuel cell system - Google Patents
Fuel cell and fuel cell systemInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、水素ガスと酸素ガ
スとの反応により電気エネルギを生じる燃料電池、およ
びそれを備えた燃料電池システムに関する。The present invention relates to a fuel cell that generates electric energy by a reaction between hydrogen gas and oxygen gas, and a fuel cell system including the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】燃料電池は、負極活物質としての水素
を、プラチナ(白金)などの触媒と接触させて電子とプ
ロトンに解離した後、このプロトンを正極活物質として
の酸素と反応させて水が得られるという反応機構に基づ
いている。すなわち、燃料電池では、負極側において水
素から放出された電子の移動により起電力が生じるよう
になされている。2. Description of the Related Art In a fuel cell, hydrogen as a negative electrode active material is brought into contact with a catalyst such as platinum (platinum) to dissociate it into electrons and protons, and then this proton is reacted with oxygen as a positive electrode active material to produce water. Is obtained based on the reaction mechanism. That is, in the fuel cell, an electromotive force is generated by the movement of electrons released from hydrogen on the negative electrode side.
【0003】このような原理に基づけば、化学的エネル
ギ変化を直接的に電気エネルギに変換できるため、他の
発電方式に比べて極めてエネルギ効率が高い。このこと
は、カルノーサイクルに基づく内燃機関に比べて燃料電
池はエネルギロスが少なく、内燃機関の代替手段である
電気自動車用のモータの駆動源としても有用であること
を意味している。そして、燃料電池では、排気ガスが主
として水蒸気であり、内燃機関のように窒素化合物、炭
化水素、一酸化炭素といった有害ガスが排出されること
もないため、環境保護の観点からも燃料電池を駆動源と
した電気自動車の実用化が望まれている。[0003] Based on such a principle, a chemical energy change can be directly converted into electric energy, so that the energy efficiency is extremely high as compared with other power generation methods. This means that the fuel cell has less energy loss than the internal combustion engine based on the Carnot cycle, and is useful as a drive source for a motor for an electric vehicle, which is an alternative to the internal combustion engine. In fuel cells, the exhaust gas is mainly water vapor, and no harmful gases such as nitrogen compounds, hydrocarbons and carbon monoxide are emitted as in internal combustion engines. Practical use of the electric vehicle as a source is desired.
【0004】燃料電池は、一般的には単独で使用される
ことはなく、当該燃料電池に水素を供給する手段などと
とも燃料電池システムを構築する。この燃料電池システ
ムは、たとえば図3に示したように、複数の燃料電池が
直列的に積層された構成の燃料電池スタック3と、水素
ガス供給源2と、を備えて大略構成されている。図示し
た燃料電池システム1では、水素ガス供給源2は、原料
メタノールを水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスとし
て水素ガスが供給されるようになされている。具体的に
は、メタノールタンク20、水タンク21、および改質
装置22を備えて水素ガス供給源2が構成されている。
そして、改質装置22はさらに、水タンク21からの水
を蒸気化する水蒸気発生部22a、メタノールタンク2
0からのメタノールと水蒸気発生部22aからの水蒸気
と接触させて、メタノールから水素リッチな燃料ガスを
得る改質部22b、および燃料ガスに含まれる一酸化炭
素を二酸化炭素に変成して燃料ガスの毒性を低下させる
変成部22c、およびエアブロア22dを有している。
燃料電池スタック3には、エアブロア22dから推進力
を得て、改質装置22によって生成された燃料ガスが供
給されるとともに、コンプレッサ4により空気(酸素ガ
ス)が供給される。そして、燃料電池スタック3では、
燃料ガス(水素ガス)と空気(酸素ガス)の反応により
電気エネルギが得られる。[0004] The fuel cell is not generally used alone, but constitutes a fuel cell system together with means for supplying hydrogen to the fuel cell. As shown in FIG. 3, for example, this fuel cell system is generally configured to include a fuel cell stack 3 in which a plurality of fuel cells are stacked in series, and a hydrogen gas supply source 2. In the illustrated fuel cell system 1, the hydrogen gas supply source 2 is configured so that the raw material methanol is subjected to steam reforming and hydrogen gas is supplied as a hydrogen-rich fuel gas. Specifically, the hydrogen gas supply source 2 includes a methanol tank 20, a water tank 21, and a reformer 22.
The reformer 22 further includes a steam generator 22a for evaporating water from the water tank 21 and a methanol tank 2
And a reforming unit 22b that obtains a hydrogen-rich fuel gas from methanol by contacting methanol from water with steam from a steam generation unit 22a, and converts carbon monoxide contained in the fuel gas into carbon dioxide to convert the fuel gas into carbon dioxide. It has a metamorphic portion 22c for reducing toxicity and an air blower 22d.
The fuel cell stack 3 is supplied with fuel gas generated by the reforming device 22 by obtaining propulsion from the air blower 22d, and is supplied with air (oxygen gas) by the compressor 4. And in the fuel cell stack 3,
Electric energy is obtained by the reaction between fuel gas (hydrogen gas) and air (oxygen gas).
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】このような燃料電池シ
ステム1は、たとえば電気自動車に組み込まれて、モー
タの駆動源として使用される。この場合、燃料電池スタ
ック3に要求される電気的な出力値は、モータの負荷、
すなわち自動車の走行状態などに依存するが、自動車の
走行状態が一様でないため、モータに要求される負荷も
変動する。したがって、モータの負荷要求に対して、燃
料電池スタック3の電気的出力を対応させることができ
れば、燃料電池システム1としてのエネルギ効率が非常
に良くなる。ところが、エアブロア22dなどでは、燃
料電池スタック3内に一定量以上の燃料ガス(水素ガ
ス)を送り込むのが困難であり、燃料電池スタック3に
おいて一定値以上の出力を得ることができず、モータの
負荷要求が大きい状況に対応できない。Such a fuel cell system 1 is incorporated in, for example, an electric vehicle and used as a drive source for a motor. In this case, the electrical output value required for the fuel cell stack 3 is the motor load,
That is, although it depends on the running state of the vehicle, the load required for the motor varies because the running state of the vehicle is not uniform. Therefore, if the electric output of the fuel cell stack 3 can be made to correspond to the load demand of the motor, the energy efficiency of the fuel cell system 1 will be extremely improved. However, in the air blower 22d or the like, it is difficult to feed a certain amount or more of fuel gas (hydrogen gas) into the fuel cell stack 3, and the fuel cell stack 3 cannot obtain an output of a certain value or more. Cannot cope with a situation where the load demand is large.
【0006】本発明は、上記した事情のもとで考え出さ
れたものであって、燃料電池に要求される電気的な出力
値の大きさが変動する場合であっても、燃料電池に対し
て、要求される出力に応じれるだけの水素ガスを供給で
きるようにすることをその課題としている。The present invention has been conceived in view of the above circumstances, and has been developed for the fuel cell even when the magnitude of the electrical output value required for the fuel cell varies. Therefore, it is an object of the present invention to supply a hydrogen gas that can supply a required output.
【0007】[0007]
【発明の開示】上記の課題を解決するため、本発明で
は、次の技術的手段を講じている。DISCLOSURE OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention takes the following technical means.
【0008】すなわち、本発明の第1の側面により提供
される燃料電池は、水素ガスを水素イオンと電子に解離
する負極部、水素イオンの移動を許容する電解部、およ
び水素イオン、電子、酸素ガスを反応させて水を生成す
る正極部のそれぞれが、水素ガス供給手段が設けられた
第1のプレートと、酸素ガス供給手段が設けられた第2
のプレートとの間に設けられた燃料電池であって、上記
第1のプレートと上記電解部との間に、上記水素ガス供
給手段からの水素ガスの一部を吸蔵し、必要に応じて吸
蔵した水素ガスを放出する水素吸蔵手段が設けられてい
ることを特徴としている。That is, the fuel cell provided by the first aspect of the present invention comprises a negative electrode section for dissociating hydrogen gas into hydrogen ions and electrons, an electrolytic section for allowing the transfer of hydrogen ions, and hydrogen ions, electrons, and oxygen. Each of the positive electrode units for generating water by reacting a gas includes a first plate provided with a hydrogen gas supply unit and a second plate provided with an oxygen gas supply unit.
A fuel cell provided between the first plate and the electrolysis unit, wherein a part of the hydrogen gas from the hydrogen gas supply means is stored between the first plate and the electrolytic unit, and the hydrogen gas is stored if necessary. Hydrogen storage means for releasing the hydrogen gas is provided.
【0009】上記燃料電池の水素吸蔵手段は、負極部周
りの水素が過剰な状態では、水素を吸蔵する傾向にあ
り、水素が欠乏した状態では、吸蔵した水素を放出する
傾向を有している。したがって、水素ガスが定常的に供
給されて、定常的に電気エネルギを取り出すように構成
されたシステムにおいて燃料電池が使用される場合ばか
りでなく、電気自動車のモータの駆動源のように、負荷
要求が変動する状況下においても、水素吸蔵手段による
水素の吸蔵・放出により負荷要求の変動に対応すること
ができる。つまり、負荷要求の大きな状況下では、負極
周りの水素ガスが早急に消費されて、直接的に供給され
る水素ガスのみでは、水素が量的に欠乏した状態に陥り
やすいが、この欠乏量を、水素吸蔵手段から放出される
水素により補うことができる。The hydrogen storage means of the fuel cell has a tendency to store hydrogen when the amount of hydrogen around the negative electrode is excessive, and to release the stored hydrogen when the amount of hydrogen is insufficient. . Therefore, not only when a fuel cell is used in a system in which hydrogen gas is constantly supplied and electric energy is constantly extracted, but also when a load request such as a driving source of a motor of an electric vehicle is used. Even under the situation where fluctuates, it is possible to cope with the fluctuation of the load demand by storing and releasing hydrogen by the hydrogen storage means. In other words, under conditions of large load demands, the hydrogen gas around the negative electrode is quickly consumed, and the directly supplied hydrogen gas is likely to fall into a state of hydrogen deficiency. , Can be supplemented by hydrogen released from the hydrogen storage means.
【0010】ここで、水素吸蔵手段としては、物理的あ
るいは化学的手法により水素を吸蔵できる手段であれば
よく、たとえば水素吸蔵合金を使用することが考えられ
る。この水素吸蔵合金は、雰囲気状態(雰囲気の圧力や
温度など)や水素吸蔵合金の水素の吸蔵状態(最大水素
吸蔵量に対する実際の吸蔵されている水素量)に応じ
て、雰囲気中の水素を吸蔵し、あるいは雰囲気中に水素
を放出する能力を有するものである。Here, the hydrogen storage means may be any means capable of storing hydrogen by a physical or chemical method. For example, a hydrogen storage alloy may be used. This hydrogen storage alloy stores hydrogen in the atmosphere in accordance with the atmospheric conditions (pressure and temperature of the atmosphere, etc.) and the hydrogen storage state of the hydrogen storage alloy (the actual amount of hydrogen stored with respect to the maximum hydrogen storage amount). Or have the ability to release hydrogen into the atmosphere.
【0011】ところで、負荷要求が大きな状況下では、
先にも述べたように、燃料電池内、とくに負極部の周り
においては、水素ガスが量的に欠乏した状態に陥りやす
く、しかも定常的な状態と比較して圧力の低い状態に陥
りやすい。この状態は、水素吸蔵合金とっては水素を放
出しやすい状態であり、吸蔵した水素を積極的に負極部
の周りに放出し、水素吸蔵合金が水素ガスの欠乏状態に
自動的に対応することとなる。すなわち、水素吸蔵合金
を用いた手段では、水素ガス濃度の検知手段を別途設け
るまでもなく、負極部の周りの水素濃度、すなわち燃料
電池に要求される電気的出力に応じて、水素の吸蔵・放
出を繰り返して、燃料電池に要求される出力変動に適切
に対応することができる。By the way, under a situation where the load demand is large,
As described above, the inside of the fuel cell, particularly around the negative electrode part, tends to fall into a state where the amount of hydrogen gas is deficient, and tends to fall into a state where the pressure is lower than a steady state. In this state, the hydrogen storage alloy is in a state where hydrogen is easily released, and the stored hydrogen is actively released around the negative electrode part, and the hydrogen storage alloy automatically responds to the state of lack of hydrogen gas. Becomes That is, in the means using the hydrogen storage alloy, hydrogen storage and storage of hydrogen are performed according to the hydrogen concentration around the negative electrode part, that is, the electric output required for the fuel cell, without providing a separate means for detecting the hydrogen gas concentration. By repeating the release, it is possible to appropriately cope with the output fluctuation required for the fuel cell.
【0012】なお、水素吸蔵合金としては、たとえば下
記の表に掲げたものを挙げることができ、本発明では、
これらの水素吸蔵合金のいずれをも使用することができ
る。なお、下記の表には、水素を最大に吸蔵した水素化
物の状態で、水素吸蔵合金の組成が示されている。As the hydrogen storage alloy, for example, those listed in the following table can be mentioned.
Any of these hydrogen storage alloys can be used. The following table shows the composition of the hydrogen storage alloy in the state of a hydride having the maximum hydrogen storage.
【0013】[0013]
【表1】 [Table 1]
【0014】ところで、第1のプレートおよび第2のプ
レートは、これらのプレートの間に電池として機能する
領域を規定し、また確保するために設けられるばかり
か、水素ガス供給手段や酸素ガス供給手段が設けられて
水素ガスや酸素ガスを供給する際に利用されるものであ
る。このため、電池として機能する部分の発熱に対応で
きるように耐熱性に優れ、また水素ガスや酸素ガスに腐
食されにくく機械的強度が高いことが要求されるため、
たとえば各種の金属や合金(チタン、ステンレス鋼やチ
タン合金など)を加工することによって形成される。By the way, the first plate and the second plate are provided not only to define and secure an area functioning as a battery between these plates, but also to provide a hydrogen gas supply means and an oxygen gas supply means. Is used to supply hydrogen gas or oxygen gas. For this reason, it is required to have excellent heat resistance so as to be able to cope with the heat generated in the portion functioning as a battery, and to be hardly corroded by hydrogen gas or oxygen gas and have high mechanical strength.
For example, it is formed by processing various metals and alloys (titanium, stainless steel, titanium alloy, and the like).
【0015】正極部および負極部は、たとえば触媒層お
よび集電体を含んだ構成、あるいは触媒層としての機能
と集電体としての機能の双方を併せ持つ電極部(正極部
あるいは負極部)として、触媒層に相当するものと集電
体に相当するものを一体的に形成した構成であってもよ
い。そして、負極部においては、水素吸蔵合金の粉末な
いし粒を触媒層や集電体、あるいは負極部全体に分散固
定して、負極部に水素吸蔵手段を一体的に形成してもよ
い。The positive electrode portion and the negative electrode portion have, for example, a structure including a catalyst layer and a current collector, or an electrode portion (a positive electrode portion or a negative electrode portion) having both functions as a catalyst layer and a current collector. It may be configured such that an element corresponding to the catalyst layer and an element corresponding to the current collector are integrally formed. In the negative electrode portion, the hydrogen storage alloy may be integrally formed in the negative electrode portion by dispersing and fixing the powder or particles of the hydrogen storage alloy to the catalyst layer, the current collector, or the entire negative electrode portion.
【0016】触媒層と集電体とを別体形成する構成にお
いては、触媒層は、たとえば多孔質担体に触媒を担持さ
せた構成としてもよく、また電解部が固体状の場合に
は、電解部の表面に直接的に塗布形成してもよい。In the structure in which the catalyst layer and the current collector are formed separately, the catalyst layer may have a structure in which a catalyst is supported on a porous carrier, for example. It may be applied directly to the surface of the part.
【0017】前者の構成の触媒層を形成する方法として
は、たとえば次に説明する2つの方法が考えられる。第
1の方法は、炭素粒などの導体粒に触媒粉末を予め担持
させたものを固めて多孔質マトリクスとして、これを触
媒層とする方法である。第2の方法は、炭素粒などの導
体粒を固めて多孔質マトリクスを形成した後に、この多
孔質マトリクスに触媒成分を含む溶液を含浸させて熱処
理することにより、マトリックスに触媒を担持させて触
媒層とする方法である。As the method of forming the former catalyst layer, for example, the following two methods can be considered. The first method is a method in which conductive particles such as carbon particles, on which catalyst powder is previously supported, are solidified to form a porous matrix, which is used as a catalyst layer. The second method is to solidify conductive particles such as carbon particles to form a porous matrix, then impregnate the porous matrix with a solution containing a catalyst component, and heat-treat the solution so that the catalyst is supported on the matrix. This is a method of forming a layer.
【0018】ところで、水素吸蔵合金の粉末ないし粒
を、触媒層に固定して水素吸蔵手段を触媒層に一体的に
設けてもよいのは、上述した通りである。たとえば第1
の方法により触媒層を形成する場合には、水素吸蔵合金
の固定は、たとえば次のようにして行われる。すなわ
ち、触媒粉末を担持させた導体粒を固める前に、触媒担
持導体粒と水素吸蔵合金の粉末ないし粒とを混合してお
き、この混合物を固めることにより、触媒層に水素吸蔵
手段が一体的に設けられる。一方、第2の方法により触
媒層を形成する場合には、導体粒を固めた多孔質マトリ
クスを形成する前に、導体粒と水素吸蔵合金の粉末ない
し粒を混合しておき、この混合物を固めることにより、
水素吸蔵手段が一体的に設けられた多孔質マトリクスを
形成し、これに触媒を担持させて、触媒層に水素吸蔵手
段を一体的に形成してもよい。また、導体粒のみにより
多孔質マトリクスと形成し、触媒成分を含む溶液に水素
吸蔵合金の粉末ないし粒を混合してスラリー状とし、こ
のスラリーを導体粒からなる多孔質マトリクスに付着さ
せた後に熱処理することにより、触媒成分とともに水素
吸蔵合金を多孔質マトリクスに担持させてもよい。As described above, the hydrogen storage alloy powder or particles may be fixed to the catalyst layer and the hydrogen storage means may be provided integrally with the catalyst layer. For example, the first
When the catalyst layer is formed by the above method, the fixing of the hydrogen storage alloy is performed, for example, as follows. That is, before solidifying the conductor particles carrying the catalyst powder, the catalyst-carrying conductor particles and the powder or particles of the hydrogen storage alloy are mixed, and the mixture is solidified, whereby the hydrogen storage means is integrated with the catalyst layer. Is provided. On the other hand, when the catalyst layer is formed by the second method, the conductive particles and the powder or particles of the hydrogen storage alloy are mixed before forming the porous matrix in which the conductive particles are solidified, and the mixture is solidified. By doing
A hydrogen matrix may be formed integrally with the catalyst layer by forming a porous matrix integrally provided with the hydrogen storage means and supporting a catalyst on the porous matrix. In addition, a porous matrix is formed only by the conductive particles, and a powder or particles of the hydrogen storage alloy are mixed with the solution containing the catalyst component to form a slurry. By doing so, the hydrogen storage alloy may be supported on the porous matrix together with the catalyst component.
【0019】後者の構成の触媒層は、たとえば触媒を担
持した担体としての炭素粉末を有機溶剤により、あるい
は触媒と炭素粉末との混合物を有機溶剤によりペースト
や懸濁液としたインクを、スクリーン印刷などの手法に
より電解部に塗布し、溶剤成分を蒸発させることによっ
て形成される。また、フッ素樹脂製などの撥水シート
に、スクリーン印刷・乾燥などの手法により触媒層とな
るべき炭素薄膜を形成した後に、これを電解部に熱転写
して触媒層を形成してもよい。The latter catalyst layer is formed by screen-printing an ink which is a paste or suspension of a carbon powder as a carrier supporting the catalyst with an organic solvent or a mixture of the catalyst and the carbon powder with an organic solvent. It is formed by applying to the electrolytic part by such a method as described above and evaporating the solvent component. Further, a carbon thin film to be a catalyst layer may be formed on a water-repellent sheet made of a fluororesin or the like by a method such as screen printing and drying, and then this may be thermally transferred to an electrolytic portion to form a catalyst layer.
【0020】このような方法により触媒層を形成する場
合には、電極部に直接的に、あるいは撥水シートにスク
リーン印刷する際のインクに、予め水素吸蔵合金の粉末
ないし粒を混ぜ込んでおくだけで、触媒層に水素吸蔵合
金からなる水素吸蔵手段を一体的に設けることができ
る。When the catalyst layer is formed by such a method, the powder or particles of the hydrogen storage alloy are previously mixed directly into the electrode portion or into the ink used for screen printing on the water-repellent sheet. With only this, the catalyst layer can be integrally provided with hydrogen storage means made of a hydrogen storage alloy.
【0021】なお、正極部の触媒層では、酸素ガスを水
素イオンや電子と反応させてる必要があることから、当
該触媒層を構成する触媒としては、たとえば白金、金、
銀、ロジウムなどが採用される。一方、負極部の触媒層
では、水素ガスを水素イオンと電子に解離する必要があ
ることから、当該触媒層を構成する触媒としては、たと
えば白金、金、ニッケル、炭化タングステンなどが採用
される。In the catalyst layer of the positive electrode portion, it is necessary to react oxygen gas with hydrogen ions and electrons, so that the catalyst constituting the catalyst layer is, for example, platinum, gold, or the like.
Silver, rhodium, etc. are adopted. On the other hand, in the catalyst layer of the negative electrode section, it is necessary to dissociate hydrogen gas into hydrogen ions and electrons, and therefore, for example, platinum, gold, nickel, tungsten carbide, or the like is employed as a catalyst constituting the catalyst layer.
【0022】また、触媒層と集電体とを別体形成する構
成においては、正極部の集電体は、酸素ガスを通過させ
てこれを正極部の触媒層にまで達するようにし、また正
極部の触媒層に電子を供給する機能を有する。一方、負
極部の集電体は、水素ガスを通過させてこれを負極部の
触媒層まで達するようし、また負極部の触媒層において
生じた電子を集める機能を有する。このため、集電体
は、適当な多孔度を持ち、かつ良好な電子導電体である
ことが要求される。もちろん、機械的強度に優れ、電解
質に侵されにくいことも要求される。このような要求を
充足する集電体の構成材料としては、炭素系素材(カー
ボンブラックなどの炭素粉末や炭素繊維など)、ニッケ
ル、ニッケル−クロム合金、ニッケル−コバルト合金、
銀、チタン、タンタル、酸化物半導体などが挙げられ
る。これらの材料は、たとえば導体粒としたものを固め
て多孔質マトリクスの形態とし、また炭素繊維の場合に
は布状の形態として集電体を構成するのが好ましい。In a configuration in which the catalyst layer and the current collector are formed separately, the current collector in the positive electrode portion allows oxygen gas to pass therethrough to reach the catalyst layer in the positive electrode portion. It has a function of supplying electrons to the catalyst layer of the part. On the other hand, the current collector of the negative electrode part has a function of passing hydrogen gas to reach the catalyst layer of the negative electrode part and collecting electrons generated in the catalyst layer of the negative electrode part. For this reason, the current collector is required to have an appropriate porosity and be a good electronic conductor. Of course, it is also required to have excellent mechanical strength and to be hardly affected by the electrolyte. The constituent materials of the current collector satisfying such requirements include carbon-based materials (carbon powder such as carbon black and carbon fiber, etc.), nickel, nickel-chromium alloy, nickel-cobalt alloy,
Silver, titanium, tantalum, oxide semiconductors, and the like can be given. For example, it is preferable that these materials are formed into a porous matrix by solidifying conductive particles, and in the case of carbon fibers, it is preferable to form a current collector in a cloth-like form.
【0023】このように構成される集電体においても、
水素吸蔵手段を一体的に設けてもよいのは、上述した通
りである。集電体が多孔質マトリクスとして構成される
場合には、水素吸蔵手段は、たとえば多孔質マトリクス
として構成された触媒層の場合と同様な手法により形成
される。In the current collector having the above structure,
As described above, the hydrogen storage means may be provided integrally. When the current collector is configured as a porous matrix, the hydrogen storage means is formed by, for example, the same method as in the case of the catalyst layer configured as a porous matrix.
【0024】もちろん、水素吸蔵手段を、触媒層や集電
体を含めた負極部に一体的に設けずに、負極部とは別体
として、たとえば第1のプレートと負極部の間に設けて
もよい。この場合、第1のプレートに設けられた水素ガ
ス供給手段からの水素ガスが、水素ガス供給手段を介し
て負極部まで良好に達することができるように、水素吸
蔵手段は、通気性に優れる形態、たとえば多孔質体やメ
ッシュ状の形態とするのが好ましい。水素吸蔵手段を多
孔質体として構成する場合には、たとえば水素吸蔵合金
の粉末ないし粒を焼結させ、あるいはバインダを用いて
固めることにより、また、適宜の多孔質マトリクスを担
体として、水素吸蔵合金の粉末ないし粒を担持固定して
水素吸蔵手段を多孔質体として形成してもよい。また、
メッシュ状の形態とする場合には、たとえば板状とされ
た水素吸蔵合金を加工することにより、また、メッシュ
状とされた担体に、水素吸蔵合金の粉末ないし粒を担持
固定して水素吸蔵手段を多孔質体として形成してもよ
い。Of course, the hydrogen storage means is not provided integrally with the negative electrode portion including the catalyst layer and the current collector, but is provided separately from the negative electrode portion, for example, between the first plate and the negative electrode portion. Is also good. In this case, the hydrogen storage means is provided with an excellent air permeability so that the hydrogen gas from the hydrogen gas supply means provided on the first plate can reach the negative electrode portion through the hydrogen gas supply means. For example, a porous body or a mesh-like form is preferable. When the hydrogen storage means is configured as a porous body, for example, by sintering the powder or granules of the hydrogen storage alloy or solidifying it using a binder, and using an appropriate porous matrix as a carrier, the hydrogen storage alloy is used. The hydrogen storage means may be formed as a porous body by supporting and fixing the powder or the particles of the above. Also,
In the case of a mesh-like form, for example, a hydrogen-absorbing means is formed by processing a plate-like hydrogen-absorbing alloy, or by holding and fixing powder or granules of the hydrogen-absorbing alloy on a mesh-like carrier. May be formed as a porous body.
【0025】電解部は水素イオンの移動を許容する電解
質を含み、この電解質としては、たとえば固体高分子、
アルカリ溶液、超強酸やリン酸の溶液、炭酸塩、あるい
は固体酸化物などが挙げられる。The electrolysis section contains an electrolyte that allows the transfer of hydrogen ions, such as a solid polymer,
Examples include an alkaline solution, a solution of a super strong acid or phosphoric acid, a carbonate, or a solid oxide.
【0026】固体高分子は、たとえば膜状ないしシート
状に形成されて電解部を構成する。ポリスチレン系の陽
イオン交換膜、たとえばペルフルオロスルホン酸ポリマ
ーが好適に使用される。このポリマーは、水により湿潤
した場合にプロトン導電性を示すものであり、負極触媒
層において水素ガスの解離により生じたプロトン(水素
イオン)は、水和した状態で透過で電解部を通過し、正
極触媒層に移動するようになされている。The solid polymer is formed, for example, in the form of a film or a sheet to form an electrolytic portion. A polystyrene-based cation exchange membrane, for example, a perfluorosulfonic acid polymer is preferably used. This polymer exhibits proton conductivity when wetted with water, and protons (hydrogen ions) generated by dissociation of hydrogen gas in the negative electrode catalyst layer pass through the electrolytic portion by permeation in a hydrated state, It moves to the positive electrode catalyst layer.
【0027】アルカリ溶液としては、水酸化カリウム溶
液などが挙げられ、超強酸溶液としては、フルオロエタ
ンジスルホン酸溶液、ジフルオロメタンジスルホン酸溶
液、ジフルオロメタンジホスホン酸溶液、トリフルオロ
メタンスルホン酸溶液、トリフルオロエタンスルホン酸
溶液、テトラフルオロエタンジスルホン酸溶液、あるい
はテトラフルオロプロパンスルホン酸溶液などが挙げら
れる。Examples of the alkaline solution include potassium hydroxide solution, and examples of the super-strong acid solution include fluoroethane disulfonic acid solution, difluoromethane disulfonic acid solution, difluoromethane diphosphonic acid solution, trifluoromethane sulfonic acid solution, trifluoromethane sulfonic acid solution and trifluoromethane sulfonic acid solution. An ethanesulfonic acid solution, a tetrafluoroethanedisulfonic acid solution, a tetrafluoropropanesulfonic acid solution, or the like can be given.
【0028】アルカリ溶液、超強酸溶液あるいはリン酸
溶液は、たとえば炭化ケイ素などの粉末をポリテトラフ
ルオロエチレンなどの樹脂で結着した多孔質マトリック
スに含浸・保持させて電解部とされる。The alkaline solution, the superacid solution or the phosphoric acid solution is used as an electrolytic part by impregnating and holding a powder such as silicon carbide in a porous matrix bound with a resin such as polytetrafluoroethylene.
【0029】炭酸塩としては、炭酸ナトリウム、炭酸カ
リウム、あるいは炭酸リチウムなどが挙げられ、これら
を単独で使用しても、複数種を混合して混合溶融塩とし
て使用してもよい。炭酸塩は、たとえばアルミン酸リチ
ウム粒子と混合して炭酸塩の融点よりも10℃程度低い
温度でホットプレスすることにより、あるいはアルミン
酸リチウム板に含浸させて電解部とされる。この電解部
では、高温運転することにより炭酸塩が溶融して炭酸イ
オン導電体となる。Examples of the carbonate include sodium carbonate, potassium carbonate, lithium carbonate and the like. These may be used alone, or a plurality of kinds may be mixed and used as a mixed molten salt. The carbonate is mixed with, for example, lithium aluminate particles and hot-pressed at a temperature about 10 ° C. lower than the melting point of the carbonate, or impregnated into a lithium aluminate plate to form an electrolytic part. In this electrolysis part, the carbonate is melted by operating at a high temperature to become a carbonate ion conductor.
【0030】固体酸化物としては、酸化ジルコニウム、
酸化カルシウム、酸化イットリウム、酸化イッテルビウ
ム、酸化スカンジウム、酸化ネオジム、酸化ガドリニウ
ム、あるいは酸化ランタンなどが挙げられ。これらの固
体酸化物のうち、とくに酸化ジルコニウムが好適に使用
され、また、酸化ジルコニウム中のジルコニウム原子の
一部を、他の固体酸化物の構成原子に置換固溶したもの
であってもよい。As the solid oxide, zirconium oxide,
Examples include calcium oxide, yttrium oxide, ytterbium oxide, scandium oxide, neodymium oxide, gadolinium oxide, and lanthanum oxide. Among these solid oxides, zirconium oxide is particularly preferably used, and zirconium oxide in zirconium oxide may be partially substituted with other solid oxide constituent atoms to form a solid solution.
【0031】なお、本発明に係る燃料電池は、複数を直
列的に積層して、燃料電池スタックとして使用すること
もできる。燃料電池スタックでは、隣り合う燃料電池ど
うしで同一のプレートを共用することもできる。この場
合、共用するプレートの一面側には水素ガス供給手段が
設けられ、他面側には酸素ガス供給手段が設けられる。
また、各プレートの各々の水素ガス供給手段どうし、お
よび酸素ガス供給手段どうしをそれぞれ連通させ、一カ
所から水素ガスを供給すれば各プレートの全ての水素ガ
ス供給手段に水素ガスが流通し、同様に、一カ所から酸
素ガスを供給すれば各プレートの全ての酸素ガス供給手
段に酸素ガスが流通するように構成してもよい。さら
に、共用するプレートを、導体により構成するととも
に、一方の燃料電池の正極集電体および他方の燃料電池
の負極集電体の双方に導通するように構成してもよい。
この構成では、他方の燃料電池の負極集電体に集められ
た電子が、共用するプレートを介して一方の燃料電池の
正極集電体に供給され、この電子が一方の燃料電池の正
極触媒層における水の生成反応に寄与することとなる。The fuel cell according to the present invention can be used as a fuel cell stack by stacking a plurality of fuel cells in series. In a fuel cell stack, the same plate can be shared between adjacent fuel cells. In this case, a hydrogen gas supply unit is provided on one side of the shared plate, and an oxygen gas supply unit is provided on the other side.
Also, the hydrogen gas supply means of each plate are connected to each other, and the oxygen gas supply means are communicated with each other.If hydrogen gas is supplied from one place, hydrogen gas flows through all the hydrogen gas supply means of each plate, and so on. Alternatively, if the oxygen gas is supplied from one place, the oxygen gas may flow through all the oxygen gas supply means of each plate. Further, the shared plate may be formed of a conductor and may be configured to conduct to both the positive electrode current collector of one fuel cell and the negative electrode current collector of the other fuel cell.
In this configuration, the electrons collected in the negative electrode current collector of the other fuel cell are supplied to the positive electrode current collector of one fuel cell via a shared plate, and the electrons are collected by the positive electrode catalyst layer of the one fuel cell. Will contribute to the water production reaction.
【0032】また、本発明の第2の側面においては、水
素ガス供給源から、燃料電池に水素ガスを圧送するよう
に構成された燃料電池システムであって、上記水素ガス
供給源と上記燃料電池との間に、当該燃料電池における
水素ガスの消費が少ないときに上記水素ガス供給源から
の水素ガスないし圧力を蓄え、上記燃料電池における水
素ガスの消費が多いときに蓄えた水素ガスないし圧力を
放出するサージング防止手段を設けたことを特徴とす
る、燃料電池システムが提供される。According to a second aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system configured to pump hydrogen gas from a hydrogen gas supply source to a fuel cell, wherein the hydrogen gas supply source and the fuel cell And storing the hydrogen gas or pressure from the hydrogen gas supply source when the consumption of hydrogen gas in the fuel cell is low, and storing the hydrogen gas or pressure when the consumption of hydrogen gas in the fuel cell is high. A fuel cell system is provided, which is provided with surging preventing means for releasing.
【0033】この構成においては、本発明の第1の側面
において記載した水素吸蔵手段を設けた燃料電池と同様
に、燃料電池に要求される電気的出力の変動に適切に対
応することができる。すなわち、燃料電池に要求される
電気的出力が大きい場合には、サージング防止手段にお
いて蓄えた水素ガスを放出して供給される水素濃度を実
質的に大きくし、あるいは蓄えた圧力を開放して供給さ
れる水素ガスの流量を大きくすることにより対応するこ
とができる。In this configuration, similarly to the fuel cell provided with the hydrogen storage means described in the first aspect of the present invention, it is possible to appropriately cope with fluctuations in the electric output required of the fuel cell. In other words, when the electric output required of the fuel cell is large, the stored hydrogen gas is released by the surging prevention means to substantially increase the supplied hydrogen concentration, or the stored pressure is released to release the supplied hydrogen gas. This can be dealt with by increasing the flow rate of the hydrogen gas.
【0034】なお、サージング防止手段としては、一定
量の水素ガスや圧力を溜めておくことができるいわゆる
サージタンクの他、本発明の第1の側面において説明し
た水素吸蔵合金からなる水素吸蔵手段に相当するものな
どが挙げられる。The surging preventing means includes a so-called surge tank which can store a certain amount of hydrogen gas and pressure, and a hydrogen storing means made of the hydrogen storing alloy described in the first aspect of the present invention. And the like.
【0035】また、水素ガス供給源としては、たとえば
水素ガスを充填したボンベ、水素を吸蔵した水素吸蔵合
金、あるいは炭化水素類などを改質して水素ガスを生成
する装置などが挙げられる。Examples of the hydrogen gas supply source include a cylinder filled with hydrogen gas, a hydrogen storage alloy storing hydrogen, and a device for reforming hydrocarbons to generate hydrogen gas.
【0036】本発明のその他の特徴および利点は、以下
に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。[0036] Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description that follows.
【0037】[0037]
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を、図1または図2を参照して具体的に説明する。な
お、図1は、本発明に係る燃料電池システムの一例を表
すブロック図、図2は、燃料電池を説明するための断面
図である。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A preferred embodiment of the present invention will be specifically described below with reference to FIG. 1 or FIG. FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of a fuel cell system according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell.
【0038】図1に示したように、燃料電池システム1
は、水素ガス供給源2、燃料電池スタック3、および空
気供給手段4を備えて大略構成されている。As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1
Is generally provided with a hydrogen gas supply source 2, a fuel cell stack 3, and an air supply means 4.
【0039】水素ガス供給源2は、たとえばメタノール
タンク20、水タンク21、および改質装置22からな
り、改質装置22はさらに、水蒸気発生部22a、改質
部22b、変成部22c、エアブロア22d、およびバ
ーナ22eを有している。The hydrogen gas supply source 2 comprises, for example, a methanol tank 20, a water tank 21, and a reformer 22. The reformer 22 further includes a steam generating section 22a, a reforming section 22b, a shift section 22c, and an air blower 22d. , And a burner 22e.
【0040】水蒸気発生部22aは、主として水タンク
21からの水を、バーナ22eからの熱により加熱して
蒸気化する役目を果たすものである。そして、この水蒸
気発生部22aには、メタノールタンク20からのメタ
ノールも供給されて、メタノールの昇温が同時に行われ
る。なお、バーナ燃料としては、メタノールタンク20
のメタノールが利用される。The steam generating section 22a mainly serves to heat water from the water tank 21 by the heat from the burner 22e to vaporize the water. Then, the methanol from the methanol tank 20 is also supplied to the steam generating section 22a, and the temperature of the methanol is raised at the same time. The burner fuel used was a methanol tank 20
Of methanol is used.
【0041】このようにして、水蒸気発生部22aにお
いて発生した水蒸気や、昇温されたメタノールは、エア
ブロア22dからの推進力により、改質部22bに導入
される。この改質部22bにはさらに、空気供給手段4
からの空気も供給される。Thus, the steam generated in the steam generating section 22a and the heated methanol are introduced into the reforming section 22b by the propulsive force from the air blower 22d. The reforming section 22b further includes an air supply means 4
Is also supplied.
【0042】改質部22bは、水蒸気発生部22aにお
いて昇温されたメタノールを改質して水素ガスを生成す
るものであり、改質に適した触媒が改質容器内に充填さ
れている。この場合に使用される触媒としては、たとえ
ばCu−Zn触媒やNi系触媒などが挙げられ、これら
の触媒は、通常、金網やハニカム担体などに担持させた
状態で改質容器内に充填されている。そして、Cu−Z
n触媒を用いる場合には、改質容器内は、約250〜3
00℃に、Ni系触媒を用いる場合には約800〜90
0℃に加熱される。なお、改質部22bの加熱には、た
とえば水蒸気発生部22aに設けられたバーナ22eの
熱が利用される。The reforming section 22b reforms methanol heated in the steam generating section 22a to generate hydrogen gas, and a catalyst suitable for reforming is filled in the reforming vessel. Examples of the catalyst used in this case include a Cu-Zn catalyst and a Ni-based catalyst, and these catalysts are usually filled in a reforming container while being supported on a wire mesh or a honeycomb carrier. I have. And Cu-Z
When the n catalyst is used, about 250 to 3
When the Ni-based catalyst is used at about 00 ° C., about 800 to 90
Heat to 0 ° C. For heating the reforming section 22b, for example, heat from a burner 22e provided in the steam generating section 22a is used.
【0043】このような構成とされた改質部22bで
は、水蒸気との反応である水蒸気改質反応 (下記反応式
(1))が主反応として起こり、また酸素ガス(空気)と
の反応である部分酸化(燃焼)反応 (下記反応式 (2))
が競合して起こり、これらの反応により水素ガスが生成
される。In the reforming section 22b having such a configuration, a steam reforming reaction (reaction formula below) which is a reaction with steam is performed.
(1)) occurs as a main reaction, and a partial oxidation (combustion) reaction which is a reaction with oxygen gas (air) (reaction formula (2) below)
Occur in competition, and hydrogen gas is generated by these reactions.
【0044】[0044]
【化1】 Embedded image
【0045】これらの反応式 (1) および (2) から明
らかなように、水蒸気改質反応や部分酸化反応が起これ
ば、水素ガスと同時に、二酸化炭素が副生する。そし
て、酸化が不十分であれば、一酸化炭素も副生されてし
まう。このように、改質部22bにおいては、供給され
たメタノールが、一酸化炭素や二酸化炭素を含む水素リ
ッチな燃料ガスが生成され、この燃料ガスが、エアブロ
ア22dからの推進力により変成部22cに導入され
る。この変成部22cには同時に、空気供給手段4から
の空気が導入される。As is apparent from these reaction formulas (1) and (2), if a steam reforming reaction or a partial oxidation reaction occurs, carbon dioxide is produced as a by-product simultaneously with hydrogen gas. If the oxidation is insufficient, carbon monoxide is also by-produced. As described above, in the reforming unit 22b, the supplied methanol generates a hydrogen-rich fuel gas containing carbon monoxide and carbon dioxide, and this fuel gas is supplied to the shift unit 22c by the propulsive force from the air blower 22d. be introduced. At the same time, air from the air supply means 4 is introduced into the shift section 22c.
【0046】変成部22cは、一酸化炭素を二酸化炭素
に酸化する役目を果たすものであり、たとえば鉄−クロ
ム系、銅−亜鉛系などの触媒が、金網などの適宜の担体
に担持された状態で、変成容器内に充填された構成とさ
れている。後述する燃料電池30(図2参照)では、通
常、触媒としてのプラチナの存在下で水素ガスと酸素ガ
スとの反応が起こるが、一酸化炭素は、プラチナを被毒
する作用がある。このため、燃料電池30に供給する燃
料ガスの一酸化炭素濃度は、極力低いほうが望ましいこ
とから、変成部22cにおいては、たとえば触媒の作用
により、一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。この燃
料ガスは、エアブロア22dからの推進力により、三方
弁10に送られる。この三方弁10は、燃料ガスを燃料
電池スタック3に供給する状態と、バイパス切替弁11
を介して空気供給手段4のバーナ40に供給する状態と
を選択するためのものである。The metamorphic section 22c serves to oxidize carbon monoxide to carbon dioxide. For example, a catalyst such as iron-chromium or copper-zinc is supported on a suitable carrier such as a wire mesh. In this case, the fuel cell is filled in the shift vessel. In a later-described fuel cell 30 (see FIG. 2), a reaction between hydrogen gas and oxygen gas usually occurs in the presence of platinum as a catalyst, but carbon monoxide has an effect of poisoning platinum. For this reason, since it is desirable that the concentration of carbon monoxide of the fuel gas supplied to the fuel cell 30 be as low as possible, in the conversion unit 22c, the carbon monoxide is converted into carbon dioxide by, for example, the action of a catalyst. This fuel gas is sent to the three-way valve 10 by the propulsion from the air blower 22d. The three-way valve 10 has a state in which fuel gas is supplied to the fuel cell stack 3 and a bypass switching valve 11.
And a state in which the air is supplied to the burner 40 of the air supply means 4 through the air conditioner.
【0047】三方弁10と燃料電池スタック3との間に
は、燃料電池スタック3に要求される電池出力、すなわ
ち消費される燃料ガス濃度の変動に対応すべく、サージ
ング防止手段5が設けられている。このサージング防止
手段5は、たとえばポンプ50、サージングタンク5
1、マスフローコントローラ52、および制御手段53
を備えている。ポンプ51は、三方弁10に送られて来
た燃料ガスを燃料電池スタック3に圧送するためのもの
である。サージタンク51は、燃料電池スタック3での
燃料ガス消費量が少ないときには、燃料ガスないし圧力
を溜める一方、燃料ガスの消費量が多いときには、溜め
ておいた燃料ガスないし圧力を放出する。制御手段53
は、燃料電池スタック3に要求される電気的出力に応じ
て、マスフローコントローラ52、すなわち流量を制御
する。A surging preventing means 5 is provided between the three-way valve 10 and the fuel cell stack 3 in order to cope with a change in the cell output required for the fuel cell stack 3, that is, a change in the concentration of the consumed fuel gas. I have. The surging prevention means 5 includes, for example, a pump 50 and a surging tank 5.
1. Mass flow controller 52 and control means 53
It has. The pump 51 is for pumping the fuel gas sent to the three-way valve 10 to the fuel cell stack 3 under pressure. The surge tank 51 stores the fuel gas or pressure when the fuel gas consumption in the fuel cell stack 3 is small, and discharges the stored fuel gas or pressure when the fuel gas consumption is large. Control means 53
Controls the mass flow controller 52, that is, the flow rate, according to the electrical output required for the fuel cell stack 3.
【0048】ところで、燃料電池スタック3に対する出
力要求が大きい場合には、燃料電池スタック3において
多量の水素ガスが必要とされるが、水素ガス供給源から
の燃料ガスのみでは対応できない状況下では、個々の燃
料電池30内で水素ガスが欠乏した状態に陥りやすい。
これに対して、先に説明したサージタンク防止手段5を
設けた燃料電池システム1では、燃料電池スタック3に
対する出力要求が大きい場合には、サージタンク51内
の燃料ガスが供給されて、個々の燃料電池30での水素
ガスの欠乏状態に対応することとなる。このようにし
て、燃料電池スタック3に要求される電気的出力に対応
して、マスフローコントローラ52によって流量が調整
された燃料ガスが燃料電池スタック3に供給される。こ
の燃料電池スタック3には同時に、空気供給手段4から
の空気が導入される。When the output demand for the fuel cell stack 3 is large, a large amount of hydrogen gas is required in the fuel cell stack 3. It is easy for the individual fuel cells 30 to fall into a state where hydrogen gas is deficient.
On the other hand, in the fuel cell system 1 provided with the surge tank preventing means 5 described above, when the output demand for the fuel cell stack 3 is large, the fuel gas in the surge tank 51 is supplied, and This corresponds to a state of hydrogen gas deficiency in the fuel cell 30. In this way, the fuel gas whose flow rate is adjusted by the mass flow controller 52 is supplied to the fuel cell stack 3 in accordance with the electric output required for the fuel cell stack 3. At the same time, air from the air supply means 4 is introduced into the fuel cell stack 3.
【0049】燃料電池スタック3は、図2に示したよう
に、複数の燃料電池30を直列的に積層したものであ
る。各燃料電池30は、正極部31、負極部32、およ
び電解部33が、一対のプレート34,34の間に挟持
された構成となっている。そして、隣り合う燃料電池3
0どうしは、1枚のプレート34を共用するとともに、
このプレート34により実質的に仕切られている。As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 3 has a plurality of fuel cells 30 stacked in series. Each fuel cell 30 has a configuration in which a positive electrode portion 31, a negative electrode portion 32, and an electrolytic portion 33 are sandwiched between a pair of plates 34,34. And the adjacent fuel cell 3
0 share one plate 34,
The plate 34 is substantially partitioned.
【0050】正極部31および負極部32は、集電体3
1a,32aと触媒層31b,32bとを有している。
各集電体31a,32aは、たとえば導体粒を固めた多
孔質体として形成されており、触媒層31b,32b
は、たとえば炭素粒からなる多孔質マトリクスに、プラ
チナなどの適宜の触媒粉末を担持させたものとして形成
されている。そして、図面上には表れていないが、負極
部32の集電体32aおよび触媒層32bの少なくとも
一方には、水素吸蔵手段としての水素吸蔵合金の粉末が
固定されている。この水素吸蔵合金は、雰囲気状態に応
じて水素を吸蔵し、また放出するものである。このた
め、燃料電池スタック3に要求される電気的出力が大き
く、各燃料電池30において消費される水素ガス量が多
くて、燃料電池30内における水素ガスが欠乏した状態
では、水素吸蔵合金から水素が放出される。一方、燃料
電池スタック3に要求される出力がさほど大きくない状
態では、水素吸蔵合金は供給された水素の一部を吸蔵す
る。このように、負極部32に水素吸蔵手段を設けた燃
料電池30、ひいては燃料電池スタック3では、要求さ
れる出力が大きくなったとしても、上記したサージング
防止手段5と同様に適切に対応することができる。The positive electrode part 31 and the negative electrode part 32 are
1a and 32a and catalyst layers 31b and 32b.
Each of the current collectors 31a and 32a is formed, for example, as a porous body in which conductive particles are solidified, and includes catalyst layers 31b and 32b.
Is formed, for example, by carrying a suitable catalyst powder such as platinum on a porous matrix composed of carbon particles. Although not shown in the drawing, at least one of the current collector 32a and the catalyst layer 32b of the negative electrode portion 32 is fixed with a powder of a hydrogen storage alloy as hydrogen storage means. This hydrogen storage alloy stores and releases hydrogen according to the atmospheric conditions. For this reason, the electric output required for the fuel cell stack 3 is large, and the amount of hydrogen gas consumed in each fuel cell 30 is large. Is released. On the other hand, when the output required for the fuel cell stack 3 is not so large, the hydrogen storage alloy stores a part of the supplied hydrogen. As described above, in the fuel cell 30 in which the hydrogen storage means is provided in the negative electrode part 32, and eventually in the fuel cell stack 3, even if the required output becomes large, it is necessary to appropriately cope with the above-mentioned surging prevention means 5. Can be.
【0051】各プレート34は、たとえばステンレス鋼
やチタン合金により形成されており、一面側に燃料ガス
(水素ガス)供給用の溝部34aが設けられており、他
面側に空気(酸素ガス)供給用の溝部34bが設けられ
ている。そして、各溝部34a,34bを介して、負極
部32には変成部22cからの燃料ガスが、正極部31
には空気供給手段4からの空気がそれぞれ供給される。
負極部32では、燃料ガス中の水素ガスが水素イオンと
電子に解離され (下記反応式 (3))、正極部31では、
空気中の酸素ガスが電子および電解部33を移動してき
た水素イオンと反応して水が生成される (下記反応式
(4))。Each plate 34 is formed of, for example, stainless steel or a titanium alloy, and has a groove 34a for supplying a fuel gas (hydrogen gas) on one side, and an air (oxygen gas) supply on the other side. Groove 34b is provided. The fuel gas from the shift portion 22c is supplied to the negative electrode portion 32 through the respective grooves 34a and 34b.
Is supplied with air from the air supply means 4.
In the negative electrode part 32, hydrogen gas in the fuel gas is dissociated into hydrogen ions and electrons (reaction formula (3) below).
Oxygen gas in the air reacts with the electrons and the hydrogen ions moving through the electrolytic part 33 to produce water (the following reaction formula
(4)).
【0052】[0052]
【化2】 Embedded image
【0053】このようにして生成した水は、たとえば燃
料電池スタック3から排出される空気とともに、空気供
給手段4のバーナ40に供給される。このバーナ40に
は、燃料電池スタック3において反応しなかった水素ガ
スも、バイパス切替弁11を介して供給され、バーナ燃
料として利用される。The water thus generated is supplied to the burner 40 of the air supply means 4 together with the air discharged from the fuel cell stack 3, for example. Hydrogen gas that has not reacted in the fuel cell stack 3 is also supplied to the burner 40 via the bypass switching valve 11 and is used as burner fuel.
【0054】空気供給手段4は、いわゆるターボアシス
トコンプレッサ41とバーナ40を有している。ターボ
アシストコンプレッサ41は、モータM、コンプレッサ
CおよびタービンTを有しており、バーナ40からの蒸
気流れによりタービンTが回転させられる。このときの
タービンTの回転力は、コンプレッサCに利用され、ま
たモータMには電源から電気的動力が加えられ、コンプ
レッサCが作動する。すなわち、コンプレッサCの動力
源として、未反応水素ガスの燃焼によるエネルギが利用
されており、コンプレッサCを作動させるために電源を
介して外的に加えられるエネルギが最小限となるように
工夫されている。そして、先にも述べたように、コンプ
レッサCにより、改質装置22の改質部22bや変成部
22cの他、燃料電池スタック3に空気が供給される。The air supply means 4 has a so-called turbo assist compressor 41 and a burner 40. The turbo assist compressor 41 has a motor M, a compressor C, and a turbine T, and the turbine T is rotated by a steam flow from the burner 40. The rotational force of the turbine T at this time is used for the compressor C, and electric power is applied to the motor M from a power source, and the compressor C operates. That is, the energy from the combustion of the unreacted hydrogen gas is used as the power source of the compressor C, and the energy applied externally via the power supply to operate the compressor C is minimized. I have. Then, as described above, the compressor C supplies air to the fuel cell stack 3 in addition to the reforming section 22b and the shift section 22c of the reforming device 22.
【0055】[0055]
【発明の効果】以上に説明したように、本発明の水素吸
蔵手段を備えた燃料電池、およびサージング手段を別途
設けた燃料電池システムでは、燃料電池に要求される電
気的出力が変動した場合であっても適切に対応すること
ができる。As described above, in the fuel cell provided with the hydrogen storage means and the fuel cell system provided separately with the surging means of the present invention, when the electric output required for the fuel cell fluctuates. Even if there is, it can respond appropriately.
【図1】本発明に係る燃料電池システムを表すブロック
図である。FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell system according to the present invention.
【図2】燃料電池を説明するための断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a fuel cell.
【図3】従来の燃料電池システムを表すブロック図であ
る。FIG. 3 is a block diagram illustrating a conventional fuel cell system.
1 燃料電池システム 2 水素ガス供給源 3 燃料電池スタック 30 燃料電池 31 正極部 32 負極部 32a 集電体(負極部の) 32b 触媒層(負極部の) 33 電解部 34 プレート 34a 溝部(水素ガス供給手段としての) 34b 溝部(酸素ガス供給手段としての) 4 空気供給手段 5 サージング防止手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 2 Hydrogen gas supply source 3 Fuel cell stack 30 Fuel cell 31 Positive electrode part 32 Negative electrode part 32a Current collector (Negative electrode part) 32b Catalyst layer (Negative electrode part) 33 Electrolytic part 34 Plate 34a Groove part (Hydrogen gas supply) 34b Groove (as oxygen gas supply means) 4 Air supply means 5 Surging prevention means
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/10 H01M 8/10 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01M 8/10 H01M 8/10
Claims (5)
負極部、水素イオンの移動を許容する電解部、および水
素イオン、電子、酸素ガスを反応させて水を生成する正
極部のそれぞれが、水素ガス供給手段が設けられた第1
のプレートと、酸素ガス供給手段が設けられた第2のプ
レートとの間に設けられた燃料電池であって、 上記第1のプレートと上記電解部との間に、上記水素ガ
ス供給手段からの水素ガスの一部を吸蔵し、必要に応じ
て吸蔵した水素ガスを放出する水素吸蔵手段が設けられ
ていることを特徴とする、燃料電池。1. A negative electrode section for dissociating hydrogen gas into hydrogen ions and electrons, an electrolytic section for allowing the transfer of hydrogen ions, and a positive electrode section for reacting hydrogen ions, electrons and oxygen gas to generate water, First hydrogen gas supply means provided
A fuel cell provided between the first plate and the second plate provided with the oxygen gas supply means, wherein the hydrogen gas supply means is provided between the first plate and the electrolysis section. A fuel cell, comprising: a hydrogen storage unit that stores a part of hydrogen gas and releases the stored hydrogen gas as needed.
ガスの吸蔵状態に応じて、雰囲気中の水素ガスを吸蔵
し、あるいは雰囲気中に水素ガスを放出する能力を有す
る水素吸蔵合金により構成されている、請求項1に記載
の燃料電池。2. The hydrogen occluding means is made of a hydrogen occluding alloy capable of occluding hydrogen gas in the atmosphere or releasing hydrogen gas into the atmosphere according to the atmosphere state and the hydrogen gas occlusion state. The fuel cell according to claim 1, wherein:
極触媒部を有しており、上記水素吸蔵合金は、粉末状と
されて上記触媒粉末とともに上記触媒部に固定されてい
る、請求項2に記載の燃料電池。3. The negative electrode part has a negative electrode catalyst part to which a catalyst powder is fixed, and the hydrogen storage alloy is powdered and fixed to the catalyst part together with the catalyst powder. Item 3. The fuel cell according to Item 2.
トと上記負極部との間に、粉末状とされた上記水素吸蔵
合金が固定された多孔質体として、あるいは板状の上記
水素吸蔵合金が加工されたメッシュ状板として設けられ
ている、請求項2に記載の燃料電池。4. The hydrogen storage means as a porous body in which the powdered hydrogen storage alloy is fixed between the first plate and the negative electrode part, or as a plate-shaped hydrogen storage means. 3. The fuel cell according to claim 2, wherein the fuel cell is provided as a mesh-like plate processed with an alloy.
スを圧送するように構成された燃料電池システムであっ
て、 上記水素ガス供給源と上記燃料電池との間に、当該燃料
電池における水素ガスの消費が少ないときに上記水素ガ
ス供給源からの水素ガスないし圧力を蓄え、上記燃料電
池における水素ガスの消費が多いときに蓄えた水素ガス
ないし圧力を放出するサージング防止手段を設けたこと
を特徴とする、燃料電池システム。5. A fuel cell system configured to pump hydrogen gas from a hydrogen gas supply source to a fuel cell, wherein a hydrogen gas in the fuel cell is provided between the hydrogen gas supply source and the fuel cell. A surging preventing means is provided for storing the hydrogen gas or pressure from the hydrogen gas supply source when the gas consumption is low, and releasing the stored hydrogen gas or pressure when the hydrogen gas consumption in the fuel cell is high. Characterized by a fuel cell system.
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