JP2001276555A

JP2001276555A - 酸素分離膜モジュールおよびこれを用いた燃料電池

Info

Publication number: JP2001276555A
Application number: JP2000094149A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Oda; 武廣織田; Fumiaki Sagou; 文昭佐郷
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2001-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池の発電効率を向上させることの可能
な、耐熱性良好な酸素分離膜モジュールを提供する。【解決手段】導入口と排出口との間に、酸素ガス分子が
窒素ガス分子より優先的に透過する無機材質の分離膜を
有する酸素分離膜モジュールであって、上記導入口から
空気を導入した場合に２４〜７０体積％の酸素濃度に濃
縮された酸素富化空気として排出するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素ガスと酸素ガ
スを燃料として発電する燃料電池および、燃料電池の発
電効率を向上させることのできる酸素分離膜モジュール
に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在開発中の主要な燃料電池は、リン酸
塩型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体電
解質型（ＳＯＦＣ）、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、直接
メタノール改質型（ＤＭＦＣ）があり、この中で実用装
置として販売されている燃料電池はリン酸塩型燃料電池
が中心であり、また、固体高分子型燃料電池は定置式発
電用、自動車用動力源、携帯用電源として近年開発が積
極的に進められている。この２種類の燃料電池は共に、
水素ガスと酸素ガスの電気化学的な反応を利用して発電
するものである。

【０００３】水素ガスを燃料とする燃料電池の発電の仕
組みは次のようになる。

【０００４】水素ガスが、水素極（アノード側）におい
て、触媒の反応により水素イオンと電子に分かれ、水素
イオンが電解質中を通過し、酸素極（カソード側）で酸
素と外部の迂回路を通ってきた電子と結合して水とな
る。このとき外部の迂回路を通ってきた電子の流れが電
流となり、発電するものである。

【０００５】燃料となる水素は水素源を多く含む物質、
例えばアンモニアや化石燃料（天然ガス、石油蒸留物、
液体プロパン、石炭ガスなど）、エタノール、メタノー
ル、バイオマスなどを改質して水素を得る改質型と、高
圧水素や、液体水素、水素級蔵合金などに水素を貯蔵し
て水素燃料として用いる、純水素供給型がある。

【０００６】酸素極に送られる酸素は、一般的に空気を
利用し、圧縮機（コンプレッサー）や送風機（ブロワ
ー）で導入する。このとき酸素分圧が高いほど燃料電池
の電解質膜当たりの発電効率が向上するので、コンプレ
ッサーで空気を最高１ＭＰａ程度に加圧して利用する。
発電出力の小さい小型燃料電池は、コンプレッサーに多
大なエネルギーを必要とするため、ブロワーで送風する
程度で酸素を利用している。

【０００７】燃料電池で発生するセル電流密度は、電子
を放出する水素の量で決定されるが、セル電圧は、酸素
分圧の上昇により向上することが知られている。酸素分
圧は、空気中の酸素濃度（２１体積％）に依存し、たと
えコンプレッサーで５００ＫＰａに加圧したとしても酸
素分圧はその２１％の圧力に相当する。また、発電出力
の小さい燃料電池では前述したように、コンプレッサー
に多大なエネルギーを必要とするため、ブロワーで送風
する程度であり、酸素分圧を向上させることは極めて困
難である。

【０００８】そのため酸素分圧を向上させる手法とし
て、空気中の酸素を膜分離法により高濃度化させる方法
がいくつか提案されているが、現在の酸素富化膜は酸素
と窒素の溶解速度の差を利用して分離するポリイミド製
の分離膜が中心であった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ポリイ
ミド製の分離膜は、その材質がポリイミドなどの高分子
素材であるが故、耐熱性が低いという大きな問題があ
り、燃料電池の実使用温度では耐えることができないと
いう問題があった。また、燃料電池においても発電効率
をさらに向上させなければならないのに対し、従来の分
離膜では酸素濃度を向上できないという問題があった。

【００１０】例えば、特開平１−２１３９６５号には、
高分子膜からなる炭酸ガス富化膜を用いて、高純度の水
素ガスと酸素富化空気を得ることにより燃料電池の発電
効率を向上させる燃料供給方法が記されている。しか
し、この富化膜の耐熱温度が６０℃であり、５０℃以下
の雰囲気で使用することが望ましいとの記載があるが、
実際の燃料電池の酸素極側では、コンプレッサーにより
発生する熱や強制的な加圧のため、空気が１５０℃程度
まで昇温することがあり、酸素富化膜導入前の大気を冷
却する必要がある。また、気温が高い夏場であれば、空
気導入温度はさらに上昇し、仮にブロワーで送風する程
度であっても、長時間使用すれば富化膜の性能劣化は著
しく、燃料電池の長期的な使用に際し、発電効率の向上
は望めない。

【００１１】また、特開平８−９６８２４号には、改質
ガスを高分子膜からなる分離膜を用いた気体分離器によ
り水素を分離し、空気を気体分離器により酸素のみに分
離し、燃料電池のガスとして使用することが記されてい
る。しかし、空気から酸素のみを分離するためには、酸
素と窒素の液化温度の差により分離する深冷分離法が一
般的であるが、液化させるためには多大なエネルギーを
必要とし、燃料電池の発電効率が大幅に低下してしま
う。

【００１２】また、分離すべき気体の分子量の差を利用
して分離する高分子膜からなる多孔膜を有するものがよ
いとの記載があるが、このような膜で酸素のみを分離さ
せることは事実上不可能に近くこれを達成するには莫大
なエネルギーを必要とする。その理由は、多孔膜におい
て分子量の差を利用する分離法は、クヌッセン拡散の原
理に基づくことを意味するが、クヌッセン拡散において
は、分子量の小さいガスが分子量の大きいガスより透過
しやすく、その透過速度の比は、ガスの分子量の比の平
方根に反比例することが知られている。すなわち酸素と
窒素のクヌッセン拡散による分離では、 (酸素の透過量)／(窒素の透過量)＝((酸素の分子量)／
(窒素の分子量））−０．５＝（３２／２８）−０．５
＝０．９４であり、膜自身は窒素分子を酸素分子より僅かに優先的
に透過することを意味する（本発明とは逆の性質を有す
る）。すなわち、膜を透過しなかった未透過ガス中の酸
素濃度が若干向上することを意味し、その濃度変化は酸
素濃度２１体積％の空気が酸素濃度２２体積％程度にし
か濃縮できず、記載されているように酸素のみのガスを
得ることは不可能である。また、いったん濃縮されたガ
スを膨大な回数繰り返し分離することにより酸素濃度を
上げることは可能であるが、分離のために莫大なエネル
ギーを必要とし、根本的に高効率発電を目的とする燃料
電池に利用することは非現実的である。

【００１３】以上のように、燃料電池の酸素極側の酸素
分圧を向上させるための手法として考えられる酸素富化
膜において、エネルギー効率、耐熱性の面から燃料電池
の高効率発電を実現させるための実用的な酸素富化膜、
酸素分離手段はなかった。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記問題に
鑑み、開発を進めた結果、耐熱性を有し、さらに燃料電
池の発電効率を上げることが可能な酸素分離膜モジュー
ルを発明するに至った。

【００１５】すなわち、本発明は、導入口と排出口との
間に、酸素ガス分子が窒素ガス分子より優先的に透過す
る無機材質の分離膜を有する酸素分離膜モジュールであ
って、上記導入口から空気を導入した場合に２４〜７０
体積％の酸素濃度に濃縮された酸素富化空気として排出
することを特徴とする酸素分離膜モジュールである。

【００１６】そして、分離膜の成分としてはＳｉ−Ｚｒ
−Ｏ成分からなるものが好ましく、該分離膜上には、２
μｍ以下のフッ素成分を含む膜を有する酸素分離膜モジ
ュールであることが好ましい。

【００１７】また、固体電解質を介して酸素極と水素極
を備えてなる固体高分子膜またはリン酸塩型燃料電池に
おいて、請求項１〜３記載の酸素分離膜モジュールの排
出口を上記酸素極側に接続したものとすることが好まし
い。

【００１８】また、上記酸素分離膜モジュールの導入口
側および／または酸素富化空気の排出口側に空気送風機
または空気排出機を配置した燃料電池膜モジュールの導
入口側および／または酸素富化空気の排出口側に空気送
風機又は空気排出機を配置した固体高分子型又はリン酸
塩型燃料電池とすることが好ましい。また、これらの燃
料電池を定置式発電源又は自動車用動力源として用いる
燃料電池である。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図を用いて詳細に
説明する。

【００２０】本発明は、酸素ガス分子が窒素ガス分子よ
り優先的に透過する無機材質の分離膜を有する酸素分離
膜モジュールであって、導入口から空気を導入した場合
に２４〜７０体積％の酸素濃度に濃縮された酸素富化空
気として排出する排出口を有することを特徴とする酸素
分離膜モジュールである。

【００２１】図１〜３は本発明の酸素分離膜モジュール
の一例を示す略図である。

【００２２】酸素分離膜モジュールの導入口１から導入
された空気９が筒状の支持体６中を通過する。その際支
持体６上に塗布された中間層１２と分離膜１３を空気９
中の酸素が窒素より優先的に透過し、酸素濃度２４〜７
０体積％の酸素富化空気（透過ガス１０）となって、透
過ガス排出口２より排出される。未透過ガス排出口３か
らは酸素濃度が低くなった窒素富化空気（未透過ガス１
１）が排出されるが、このとき、酸素が分離膜１３を多
量透過するように圧力弁５を絞ることによって、支持体
６内の圧力と透過側の圧力に差圧を設けることができ、
酸素の透過効率が向上する。また、大流量の空気が導入
され、酸素の回収率を向上させる場合は、この酸素分離
膜モジュールを多数個配列させ分離膜１３の膜面積を大
きくすると良い。

【００２３】酸素分離膜モジュールの構成を、詳細に説
明する。

【００２４】支持体６は多孔質アルミナより構成され、
例えば外径が３ｍｍ、内径が２ｍｍ、長さが３００ｍｍ
のチューブ形状であり、約３００本が保持板７と硼珪酸
ガラスで固定、封止してある。支持体６はお互いに０．
５ｍｍの隙間を有して配する。保持板７は開気孔率１体
積％以下のアルミナ焼結体から成る。支持体６と保持板
７は、耐熱性Ｏリング８を介して、ステンレス製のハウ
ジング４に挿入され、酸素分離膜モジュールを成す。支
持体６の表面には多孔質のγ−アルミナから成る中間層
１２が存在し、さらに中間層１２の上には、Ｓｉ−Ｚｒ
−Ｏ成分から成る分離膜１３が存在する。

【００２５】ここで、分離膜１３をなす無機材質がＳｉ
−Ｚｒ−Ｏ成分から成ることが重要である。

【００２６】分離膜１３内の構造においては、Ｓｉ−Ｏ
で表されるシロキサン結合間にＺｒが介在するためにシ
ロキサン結合の安定性を高めることができ、高温下およ
び水分の存在下においても結合状態が変化することな
く、耐熱性を高めることができ、その結果、Ｓｉ−Ｚｒ
−Ｏ成分の無機材質は耐熱性が３５０℃以上であり、燃
料電池システム中での使用に対しても十分な耐熱性を有
する。前記ＳｉとＺｒとの原子比（Ｚｒ／Ｓｉ）は０．
０１〜１、特に０．１〜０．５の範囲内からなることが
耐熱性、耐水性の点で望ましい。

【００２７】本発明の分離膜の製造方法は、例えばシリ
コンのアルコキシドとジルコニウムのアルコキシドをア
ルコール溶媒中で混合して複合アルコキシドを調整する
工程と、該複合アルコキシドを加水分解して前駆体ゾル
を作製する工程と、該前駆体ゾルを多孔質支持体の少な
くとも一方の表面に塗布して乾燥した後、３５０〜７０
０℃の温度で焼成する工程とを具備することにより製造
される。さらに前記シリコンのアルコキシドがテトラア
ルコキシシランと有機官能基を有するトリアルコキシシ
ランの混合物であり、前記シリコンのアルコキシド全量
中における前記トリアルコキシシランの含有量が１０〜
５０モル％であることが望ましい。

【００２８】上記の製造方法によれば、前記シリコンの
アルコキシドとして前記テトラアルコキシシランと前記
有機官能基を有するトリアルコキシシランとからなるこ
とにより前記トリアルコキシシランの有機官能基がゾル
形成時に立体的な障害となる、すなわち加水分解による
シロキサン結合形成時に該有機官能基の周囲を取り囲む
ように環状のシロキサン結合が形成される。このため
に、ゾル中に前記有機官能基によって所望の大きさを有
するシロキサン結合の環状体、すなわち細孔骨格を形成
できる。

【００２９】また、これを所定の温度で熱処理する事に
より、前記有機官能基が分解、除去され、細孔が形成さ
れるが、熱処理後にも膜中に前記有機官能基が残存する
ことによりシロキサン結合の過度の成長を阻害すること
ができることから、ガス分子オーダーの細孔径を有する
微細な細孔を残存させることができる。したがって、細
孔径の制御は、前記有機官能基の種類、添加量、熱処理
温度によって制御することが可能となる。

【００３０】このようにして生じた細孔径のサイズによ
って分子サイズの異なる酸素と窒素が分離されることと
なる。すなわち、酸素と窒素の分子径はそれぞれ０．３
４６ｎｍ、０．３６４ｎｍであり、分離膜１３の平均細
孔径が０．３〜１．０ｎｍであれば分子径の小さな酸素
が分子径の大きな窒素より透過しやすくなり、大気中の
酸素濃度２１体積％よりも酸素富化された酸素濃度２４
体積％以上の酸素富化空気が得られることになる。平均
細孔径が１．０ｎｍを越えると、酸素、窒素ともにガス
の透過量は向上するが、ガスの篩い分けが不十分とな
り、酸素濃度２４体積％以下となって、燃料電池の発電
効率の向上が不十分である。また、平均細孔径が０．３
ｎｍ未満では、酸素分子の透過率が著しく低下するので
好ましくない。さらには、平均細孔径が０．６ｎｍ以下
であれば酸素濃度が３０体積％以上に、さらに望ましく
は平均細孔径が０．３５ｎｍ以下であれば酸素濃度が５
０体積％以上とすることができる。

【００３１】また、分離膜１３厚みとしては、０．１〜
１０．０μｍとすることが好ましい。０．１μｍ未満で
は酸素濃度向上が不十分となり、１０．０μｍを越える
と、酸素ガスの透過率が低下するので好ましくない。

【００３２】また、湿度の高い大気中に長時間放置した
り、湿度の高い空気から酸素富化空気を得る場合、湿分
が分離膜１３に吸着し、細孔を塞ぐことがあるので、フ
ッ素成分含有のゾルに浸漬し８０℃〜３５０℃で焼成す
る事によって、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｏ成分の分離膜１３上に２
μｍ以下のＦ−Ｓｉ−Ｏ成分の撥水性を有する膜を成膜
する事により、湿分の吸着を抑えることができる。膜厚
が２μｍを越えるとガスの透過量が低下する。望ましく
は１μｍ以下、さらに望ましくは０．５μｍ以下であ
る。

【００３３】これらの分離膜１３は無機材質の多孔質支
持体６上に成膜される。無機材質の支持体６の材料とし
ては、例えば多孔質アルミナなどが良い。支持体６は、
ガスの透過に対する抵抗が小さい方が良いので、気孔率
が容積比で２０％以上、望ましくは３０％以上必要であ
る。また、平均気孔径は、無機膜を均一に塗布してピン
ホールの発生を抑えるために、２μｍ以下、さらに好ま
しくは１μｍ以下であることが望ましい。２μｍ以下の
平均細孔径にするためにはセラミックの平均粒子径を５
μｍ以下、さらには３μｍ以下にすることが望ましい。
また、圧力損失を小さくする目的で、平均細孔径を大き
くしてガスの流れをスムーズにしても良い。この場合、
平均細孔径を０．１μｍ以上、さらには０．５μｍ以上
とすることが望ましい。この場合、無機質の多孔質支持
体６の骨格を形成する基材部と、細孔径を調節する中間
層１２に分けて形成することも可能である。この場合、
無機膜のピンホールの発生を抑えるために、支持体６と
分離膜１３の間に平均細孔径が１〜１００ｎｍ程度の中
間層１２とすることが好ましい。

【００３４】以上のような支持体６を、チューブ状、ハ
ニカム状、モノリス状、板状に成形したものを１個また
は複数個束ねたり重ねたりすることで表面積を向上させ
ることができる。

【００３５】チューブ状のもので有れば、外径０．５ｍ
ｍ以上、内径は（内径）／（外径）が０．９以下のもの
が作製できるが、表面積を向上させるためには外径３ｍ
ｍ以下、（内径）／（外径）が０．５以上のものを複数
本束ねることが望ましい。この場合、チューブ間の隙間
は出来るだけ狭い方が装置容積当たりの表面積が向上す
るので望ましく、例えば、２ｍｍ以下、さらには０．５
ｍｍ以下、さらには０．１ｍｍ以下であることが望まし
い。次に束ねられたチューブ状の支持体６は保持板７に
挿入され保持されるとともに、導入ガスと、透過ガス１
０と未透過ガス１１が混合しないように封止される。保
持板７は、支持体６との熱膨張差が小さくなるような材
質であることが望ましい。

【００３６】また、導入ガスと透過ガス１０と未透過ガ
ス１１が混合しないようにするために保持板７は緻密な
方が良いが、多孔質体であっても表面をガラスで被覆す
るなどして導入ガスと透過ガスが混合しないようにすれ
ばよい。また、保持板７と支持体６の隙間はガラスペー
ストを塗布した後ガラスの軟化温度以上で焼成されて封
止される。封止するための材質は、保持板とチューブと
の熱膨張差が小さいガラスなどが望ましいが、目的を達
成するので有れば、耐熱樹脂、金属封止材等であっても
構わない。

【００３７】支持体６がハニカム状、モノリス状の場合
は、平均気孔径１μｍ以上、気孔率３０％以上の多孔質
体として、貫通口内を流れるガス中から透過したガスが
気孔内を通じて側面に排出される。また、幾つかの貫通
口の一端を目封じして、透過ガスを回収しても良い。こ
れらのものを複数個束ねる場合は、チューブ状と同様
に、透過ガスと混合ガスと未透過ガスが混合しないよう
に封止することが重要である。

【００３８】支持体６の形状は、上記のようなチューブ
状、ハニカム状、モノリス状に限定されるものではな
く、平板状、波板状のものを貫通口を有するように複数
個積層して透過ガスを回収するなどでも構わない。

【００３９】以上のように構成された、分離膜１３を有
する支持体６を、金属製のハウジング４内に挿入し、単
一で、または複数個連結させて、酸素分離膜モジュール
とする。

【００４０】以上のようにして作製された酸素分離膜モ
ジュールは、耐熱性が３５０℃以上の無機材質の分離膜
１３から構成されており、仮に長時間燃料電池システム
中で使用しても十分な耐熱性を有し、酸素ガスが窒素ガ
スの透過速度より優先的に透過するので空気中の酸素を
高濃度化させた酸素富化空気を製造することができる。

【００４１】この酸素分離膜モジュールを用いれば、酸
素濃度を酸素濃度が２４〜７０体積％とできることが重
要である。前述したように、燃料電池で発生する電圧は
酸素分圧の上昇により向上することが知られている。大
気中の酸素濃度は２１体積％であるので、酸素濃度が２
４体積％未満であれば燃料電池の発電効率の向上が不十
分である。さらには酸素濃度は３０体積％以上であるこ
とが望ましく、さらには５０体積％以上であることが酸
素分圧の向上に伴う燃料電池の発電効率の点から望まし
い。

【００４２】また７０体積％を越える酸素分圧にする事
は本発明の酸素分離膜モジュールでは性能上困難であ
る。本発明の酸素分離膜モジュールで酸素富化された酸
素富化空気を再度酸素分離膜モジュールで酸素富化する
事を繰り返すことで７０体積％以上にすることは可能で
あるが、繰り返し酸素分離膜モジュールに導入するため
にブロワーやコンプレッサーが新たに必要となるため総
合エネルギー効率的には不利となる。

【００４３】したがって、総合エネルギー効率が向上す
るためには、酸素濃度を２４〜７０体積％に酸素富化す
ることが重要である。

【００４４】次に、酸素分離膜モジュールの酸素富化空
気の排出口側を酸素極に接続した固体高分子型又はリン
酸塩型燃料電池について説明する。

【００４５】図４は固体高分子型燃料電池５３に酸素分
離膜モジュール５２を組み込んだシステム図である。空
気９がコンプレッサー５１によって圧縮され酸素分離膜
モジュール５２に導入され、酸素富化空気１０が排出さ
れる。

【００４６】固体高分子型燃料電池５３はプロトン導電
性を有する高分子膜の両側を酸素極５３ａと水素極５３
ｂで挟む一般的な構造である。

【００４７】酸素富化空気１０は固体高分子型燃料電池
５３の酸素極側５３ａに導入され、水素極側５３ｂに導
入された水素含有ガス２１中のプロトンとの電気化学反
応によって発電する。酸素極５３ａから排出された残ガ
ス２３中には電気化学反応によって生成した生成水が多
量含まれているため、水分除去器５４によって水分を除
去し、エキスパンダー５５に送られ、熱エネルギーおよ
び圧力エネルギーを回収するシステムである。

【００４８】酸素分離膜モジュール５２にて酸素と窒素
を効率的に分離させるためには、供給側と透過側に差圧
を設ける方が良い。燃料電池の場合、酸素極側に空気を
送風するためのブロワーやコンプレッサー５１が付随し
ており、そこで発生する圧力を利用して加圧された空気
を酸素分離膜モジュール５２に送ることが、分離効率を
上昇させることになる。ブロワーの場合、通常大気圧に
対して５０ＫＰａ程度の差圧を設けることが可能であ
り、コンプレッサーの場合は大気圧に対して最高１ＭＰ
ａ程度の差圧を設けることが可能である。車載用燃料電
池のコンプレッサーの場合は、燃料電池のオフガスや改
質器の燃焼排ガスのエネルギーを有効に利用したターボ
チャージャー方式であるため、通常大気圧に対して１０
０〜２００ＫＰａの差圧を設けることができる。したが
って、燃料電池５３の発電効率を向上させるために、空
気送風機（ブロワー）や空気圧縮機（コンプレッサー）
の後段に酸素分離膜モジュール５２を配置し、加圧され
た空気を導入することによって酸素分離効率の向上によ
る燃料電池発電効率の向上が大きくなる。

【００４９】空気をさらに１０ＭＰａ程度までコンプレ
ッサーで強制的に加圧した方が総合エネルギー効率が上
昇する場合は、さらなる強制加圧を行っても良い。

【００５０】図５は酸素分離膜モジュール５２の後段に
コンプレッサー５１を配置したシステム図である。酸素
分離膜モジュール５２の透過ガス１０側が吸引されるた
め、支持体６内との差圧が発生し酸素富化空気１０が製
造され、さらにコンプレッサー５１により加圧され、固
体高分子型燃料電池５３の酸素極側５３ａに導入され
る。水素極側５３ｂには水素含有ガス２１が導入され、
プロトンと酸素の電気化学反応によって発電する。酸素
極５３ａから排出された残ガス２３中には電気化学反応
によって生成した生成水が多量含まれているため、水分
除去器５４によって水分を除去し、エキスパンダー５５
に送られ、熱エネルギーおよび圧力エネルギーを回収す
るシステムである。

【００５１】図６は酸素分離膜モジュール５７の後段に
ブロワー５６を配置したシステム図である。酸素分離膜
モジュール５２の透過ガス１０側が吸引されるため、支
持体６内との差圧が発生し酸素富化空気１０が製造さ
れ、さらにブロワー５６により加圧され、固体高分子型
燃料電池５３の酸素極側５３ａに導入される。水素極側
５３ｂには水素含有ガス２１が導入され、プロトンと酸
素の電気化学反応によって発電する。酸素極５３ａから
排出された残ガス２３中には電気化学反応によって生成
した生成水が多量含まれているため、水分除去器５４に
よって水分を除去し、コンプレッサー５１を使用する場
合はエキスパンダー５５に送られ、熱エネルギーおよび
圧力エネルギーを回収するシステムである。

【００５２】燃料電池のセル電圧は酸素分圧に依存する
ことはすでに述べたが、酸素分離膜モジュールで酸素富
化した空気を加圧することは、さらなる酸素分圧の向上
につながり、燃料電池の発電効率の向上につながり望ま
しいことである。また、酸素分離膜モジュールにとって
も透過側にブロワーやコンプレッサーが配置されること
になり、透過側が大気圧より負圧になるため、供給側と
の間に差圧が生じ、酸素分離効率も向上する。

【００５３】酸素分離膜モジュールの導入側と酸素富化
空気の排出側の両方に空気送風機又は空気圧縮機を配置
することはさらに大変望ましい。

【００５４】図７は酸素分離膜モジュール５２の前段と
後段にコンプレッサー５１ａ、５１ｂを配置したシステ
ム図である。空気９は低圧コンプレッサー５１ａにより
酸素分離膜モジュール５２へ導入され、酸素富化空気１
０が高圧コンプレッサー５１ｂによって加圧されて固体
高分子型燃料電池５３の酸素極側５３ａに導入される。
水素極側５３ｂには水素含有ガス２１が導入され、プロ
トンと酸素の電気化学反応によって発電する。酸素極５
３ａから排出された残ガス２３中には電気化学反応によ
って生成した生成水が多量含まれているため、水分除去
器５４によって水分を除去し、エキスパンダー５５ｂに
送られ、熱エネルギーおよび圧力エネルギーを回収し、
さらにエキスパンダー５５ａによって残りの熱エネルギ
ーおよび圧力エネルギーを有効に回収するシステムであ
る。

【００５５】図８は酸素分離膜モジュール５２の前段と
後段にコンプレッサー５１ａ、５１ｂを配置した場合の
リン酸塩型燃料電池６２の発電システム図である。空気
９は低圧コンプレッサー５１ａにより酸素分離膜モジュ
ール５２へ導入され、酸素富化空気１０が高圧コンプレ
ッサー５１ｂによって加圧されてリン酸塩型燃料電池６
２の酸素極側６２ａに導入される。水素極側６２ｂには
水素含有ガス２１が導入され、プロトンと酸素の電気化
学反応によって発電する。酸素極６２ａから排出された
残ガス２３中には電気化学反応によって生成した生成水
が多量含まれているため、水分除去器５４によって水分
を除去し、エキスパンダー５５ｂに送られ、熱エネルギ
ーおよび圧力エネルギーを回収し、さらにエキスパンダ
ー５５ａによって残りの熱エネルギーおよび圧力エネル
ギーを有効に回収するシステムである。

【００５６】これは、第１の空気送風機または空気圧縮
機により酸素分離膜モジュールの供給側を加圧し、さら
には第２の送風機または圧縮機によって透過側が負圧に
なることにより酸素分離効率が大幅に向上し、さらに酸
素富化された空気を第２の送風機または圧縮機によって
加圧した後、燃料電池に供給することにより、燃料電池
の大幅な発電効率向上が可能となるからである。

【００５７】以上のように本発明の酸素分離膜モジュー
ル５２を、固体高分子型燃料電池への酸素供給に利用す
ることは有効である。固体高分子型燃料電池は、作動温
度が１００℃以下であるが、ブロワーやコンプレッサー
で加圧された空気は１００℃を越えることがあるため、
酸素分離膜モジュールを透過することにより、透過した
酸素富化空気の温度は低下し、熱交換機能の一部を併せ
持つことになるので、酸素分離膜モジュールを固体高分
子型燃料電池に利用することは有効である。

【００５８】また、酸素分離膜モジュール５２をリン酸
塩の型燃料電池６２への酸素供給に利用することは、固
体高分子型燃料電池に利用することとは別の意味で大変
有効である。リン酸塩型燃料電池は、作動温度が２００
℃程度であり、そこで発生する熱を酸素分離膜モジュー
ル５２に供給すれば、酸素分離膜モジュール５２の酸素
分離効率が大幅に上昇する。本発明の酸素分離膜モジュ
ールは、分離温度の上昇に伴い酸素の透過量が向上する
性質を有しているため、酸素分離膜モジュール自身が小
型化できる。また、燃料電池のオフガスや改質器の燃焼
排ガスは高温であるため、ターボコンプレッサーの圧縮
比も上昇し、差圧が大きくなるため酸素分離膜モジュー
ルの酸素分離効率がさらに向上し、酸素分圧が大きくな
り、燃料電池の発電効率も上昇する。

【００５９】以上のように、本発明の酸素分離膜モジュ
ールを利用した燃料電池は、１ＫＷ級の家庭用電源から
数１００ＫＷ級のオンサイト型発電、さらには大型のコ
ンプレッサーを有する数ＭＷ級の発電機などの定置式の
発電源として利用することができる。また、固体高分子
型燃料電池が適用される自動車用の動力源として利用す
ることが有効である。

【００６０】さらに、本発明の酸素分離膜モジュール
は、燃料電池以外にも、従来の燃焼型動力源に酸素富化
空気を導入する酸素富化空気の製造分野や、医療用の酸
素富化空気を製造する分野など、酸素濃度の向上が有効
な分野への適用も可能である。

【００６１】また、本発明の酸素分離膜モジュールを構
成する分離膜の材質には、炭素を主成分とする膜を用い
ても酸素富化空気が得られることがあり、酸素濃度の向
上を目的として使用しても良い。

【００６２】

【実施例】以下に、本発明の実施例を示す。

【００６３】実施例１図４のシステムにおいて、酸素分離膜モジュール５２を
組み込まないときと、種々の平均細孔径の分離膜を有す
る酸素分離膜モジュールを組み込んだときの燃料電池特
性を表１に示す。固体高分子型燃料電池は、扁平型１０
セルスタックとし、コンプレッサーによる排出ガス圧力
２００ＫＰａ、セル温度７０℃、電流密度２５０ｍＡ／
ｃｍ²のときの平均セル電圧を測定した。また、酸素分
離膜モジュールより排出される酸素富化空気１０はガス
クロマトグラフィーにより酸素濃度を測定した。

【００６４】

【表１】

【００６５】表１から分かるように、酸素分離膜モジュ
ールを組み込まないシステム１および平均細孔径が１．
０ｎｍを越える分離膜を有し、酸素濃度が２４体積％未
満となる酸素分離膜モジュールを組み込んだシステム２
は、平均セル電圧が０．４８〜０．５１Ｖと低く、これ
に対し、平均細孔径が１．０ｎｍ以下の分離膜を有し、
２４体積％以上の本発明の酸素分離膜モジュールを組み
込んだシステム３、４、５、６は平均セル電圧が０．７
２Ｖ以上と格段に高いことが分かる。以上のことより、
本発明の酸素分離膜モジュールが燃料電池の発電効率の
向上に寄与することがわかる。

【００６６】実施例２図５のシステムにおいて、酸素分離膜モジュール５２を
組み込まないときと、平均細孔径１．０ｎｍの分離膜を
有する酸素分離膜モジュールを組み込んだときの燃料電
池特性を表２に示す。固体高分子型燃料電池は、扁平型
１０セルスタックとし、コンプレッサーによる排出ガス
圧力２００ＫＰａ、セル温度７０℃、電流密度２５０ｍ
Ａ／ｃｍ²のときの平均セル電圧を測定した。また、酸
素分離膜モジュールより排出される酸素富化空気１０は
ガスクロマトグラフィーにより酸素濃度を測定した。

【００６７】

【表２】

【００６８】表２から分かるように、酸素分離膜モジュ
ールを組み込まない比較例のシステム７は、平均セル電
圧が低く、これに対し、本発明の酸素分離膜モジュール
を組み込んだシステム８は平均セル電圧が高いことが分
かる。以上のことより、本発明の酸素分離膜モジュール
が燃料電池の発電効率の向上に寄与することがわかる。

【００６９】実施例３図６のシステムにおいて、酸素分離膜モジュール５２を
組み込まないときと、平均細孔径１．０ｎｍの分離膜を
有する酸素分離膜モジュールを組み込んだときの燃料電
池特性を表３に示す。固体高分子型燃料電池は、扁平型
１０セルスタックとし、ブロワーによる排出ガス圧力５
０ＫＰａ、セル温度７０℃、電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ
²のときの平均セル電圧を測定した。また、酸素分離膜
モジュールより排出される酸素富化空気１０は、ガスク
ロマトグラフィーにより酸素濃度を測定した。

【００７０】

【表３】

【００７１】表３から分かるように、酸素分離膜モジュ
ールを組み込まない比較例のシステム９は、平均セル電
圧が低く、これに対し、本発明の酸素分離膜モジュール
を組み込んだシステム１０は平均セル電圧が高いことが
分かる。以上のことより、本発明の酸素分離膜モジュー
ルが燃料電池の発電効率の向上に寄与することがわか
る。

【００７２】実施例４図７のシステムにおいて、酸
素分離膜モジュール５２を組み込まないときと、平均細
孔径０．６ｎｍの分離膜を有する酸素分離膜モジュール
を組み込んだときの燃料電池特性を表４に示す。固体高
分子型燃料電池は、扁平型１０セルスタックとし、コン
プレッサーによる排出ガス圧力はともに１００ＫＰａ、
セル温度７０℃、電流密度２５０ｍＡ／ｃｍ²のときの
平均セル電圧を測定した。また、酸素分離膜モジュール
より排出される酸素富化空気１０はガスクロマトグラフ
ィーにより酸素濃度を測定した

【００７３】

【表４】

【００７４】表４から分かるように、酸素分離膜モジュ
ールを組み込まない比較例のシステム１１は、平均セル
電圧が低く、これに対し、本発明の酸素分離膜モジュー
ルを組み込んだシステム１２は平均セル電圧が高いこと
が分かる。以上のことより、本発明の酸素分離膜モジュ
ールが燃料電池の発電効率の向上に寄与することがわか
る。

【００７５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
導入口と排出口との間に酸素ガス分子が窒素ガス分子よ
り優先的に透過する無機材質の分離膜を有する酸素分離
膜モジュールであって、上記導入口から空気を導入した
場合に２４〜７０体積％の酸素濃度に濃縮された酸素富
化空気として排出するようにし、固体電解質を介して酸
素極と水素極を備えてなる固体高分子膜またはリン酸塩
型燃料電池において、前記酸素分離膜モジュールの酸素
富化空気排出口を上記酸素極側に接続することによっ
て、耐熱性に優れた酸素分離膜モジュール及び発電効率
の高い燃料電池が得られ、定置式発電源または自動車用
動力源として使用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素分離膜モジュールの一実施形態を
示した構成図である。

【図２】図１のＡ部の拡大図を示す断面図である。

【図３】図２のＢ部の拡大図を示す断面図である。

【図４】固体高分子型燃料電池に本発明の酸素分離膜モ
ジュールを組み込んだシステム図の一実施例である。

【図５】固体高分子型燃料電池に本発明の酸素分離膜モ
ジュールを組み込んだシステム図の一実施例である。

【図６】固体高分子型燃料電池に本発明の酸素分離膜モ
ジュールを組み込んだシステム図の一実施例である。

【図７】固体高分子型燃料電池に本発明の酸素分離膜モ
ジュールを組み込んだシステム図の一実施例である。

【図８】リン酸塩型燃料電池に本発明の酸素分離膜モジ
ュールを組み込んだシステム図の一実施例である。

【符号の説明】

１；導入口２；透過ガス排出口３；未透過ガス排出口４；ハウジング５；圧力弁６；支持体７；保持板８；Ｏリング９；空気１０；透過ガス（酸素富化空気）１１；未透過ガス１２；中間層１３；分離膜２１；水素含有ガス２２；水素極側オフガス２３；酸素極側残ガス２４；除湿残ガス５１；コンプレッサー５１ａ；第一コンプレッサー５１ｂ；第二コンプレッサー５２；酸素分離膜モジュール５３；固体高分子型燃料電池５３ａ；酸素極５３ｂ；水素極５４；水分除去器５５；エキスパンダー５５ａ；第二エキスパンダー５５ｂ；第一エキスパンダー５６；ブロワー６２；リン酸塩型燃料電池６２ａ；酸素極６２ｂ；水素極

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 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｋ 8/08 8/08 8/10 8/10 Ｆターム(参考） 4D006 GA41 HA22 JA03B JA03C MC01X MC03X NA05 NA63 NA64 PB62 PB63 PC80 4G042 BA30 BB02 BC06 5H026 AA02 AA04 AA06 HH00 5H027 AA02 AA04 AA06 BC06 BC11 MM04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導入口と排出口との間に、酸素ガス分子が
窒素ガス分子より優先的に透過する無機材質の分離膜を
有する酸素分離膜モジュールであって、上記導入口から
空気を導入した場合に２４〜７０体積％の酸素濃度に濃
縮された酸素富化空気として排出することを特徴とする
酸素分離膜モジュール。
【請求項２】上記無機材質の分離膜がＳｉ−Ｚｒ−Ｏ成
分から成り、平均径０．３〜１．０ｎｍの細孔を有する
ことを特徴とする請求項１記載の酸素分離膜モジュー
ル。
【請求項３】上記分離膜上に、厚み２μｍ以下のフッ素
成分を含む膜を有することを特徴とする請求項２記載の
酸素分離膜モジュール。
【請求項４】固体電解質を介して酸素極と水素極を備え
てなる固体高分子型またはリン酸塩型燃料電池におい
て、請求項１〜３記載の酸素分離膜モジュールの酸素富
化空気の排出口を上記酸素極側に接続したことを特徴と
する燃料電池。
【請求項５】上記酸素分離膜モジュールの導入口側およ
び／または酸素富化空気の排出口側に空気送風機又は空
気排出機を配置したことを特徴とする請求項４記載の燃
料電池。
【請求項６】定置式発電源又は自動車用動力源として用
いる請求項４又は５記載の燃料電池。