JP2001297779A - 燃料電池システム - Google Patents
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 直接メタノール型燃料電池の電池性能と耐久
性を改善する。水素を含む改質ガスを燃料とする燃料電
池においても耐ＣＯ被毒性を改善する。 【解決手段】 イオン導電性の電解質層および前記電解
質層を挟む燃料極と水素発生極からなる第１の電解質層
・電極接合体、イオン導電性の電解質層および前記電解
質層を挟む燃料極と酸化剤電極からなる第２の電解質層
・電極接合体、第１の電解質層・電極接合体の燃料極に
液体または気体の燃料を供給する燃料供給手段、第１の
電解質層・電極接合体の燃料極に水素発生極に対して正
の電位を印加する手段、並びに前記水素発生極で発生す
る水素を第２の電解質層・電極接合体の燃料極に供給す
る手段を具備する燃料電池システム。
性を改善する。水素を含む改質ガスを燃料とする燃料電
池においても耐ＣＯ被毒性を改善する。 【解決手段】 イオン導電性の電解質層および前記電解
質層を挟む燃料極と水素発生極からなる第１の電解質層
・電極接合体、イオン導電性の電解質層および前記電解
質層を挟む燃料極と酸化剤電極からなる第２の電解質層
・電極接合体、第１の電解質層・電極接合体の燃料極に
液体または気体の燃料を供給する燃料供給手段、第１の
電解質層・電極接合体の燃料極に水素発生極に対して正
の電位を印加する手段、並びに前記水素発生極で発生す
る水素を第２の電解質層・電極接合体の燃料極に供給す
る手段を具備する燃料電池システム。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、民生用コジェネレ
ーションシステムや移動体用の発電機、携帯機器用のポ
ータブル電源などとして有用な燃料電池、特に高分子を
電解質とする高分子電解質型燃料電池に関する
ーションシステムや移動体用の発電機、携帯機器用のポ
ータブル電源などとして有用な燃料電池、特に高分子を
電解質とする高分子電解質型燃料電池に関する
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、水素などの燃料と空気など
の酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応
させ、電気と熱を同時に発生させるもので、用いる電解
質の種類と運転温度によっていくつかの異なるタイプが
ある。高分子電解質型燃料電池では、側鎖末端基として
スルホン酸が導入されたフッ素樹脂ポリマー電解質を用
いるのが主流となっている。この電解質層に、白金族金
属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする電極反応
層を密着して形成される。電極反応層の外面には、通気
性と導電性を兼ね備えた一対の電極基材が密着して形成
され、電極反応層と合わせてガス拡散電極となる。ガス
拡散電極の外側には、これらの電極および電解質の接合
体を機械的に固定するとともに、隣接する接合体を互い
に電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板
が配される。セパレータ板の電極と接触する部分には、
電極面に反応ガスを供給するとともに、生成ガスや余剰
ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。セパ
レータ板や電極の周囲には、ガスケットやシール剤など
のシール部材が配置され、反応ガスが直接混合したり外
部へ漏逸したりするのが防止される。
の酸化剤ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応
させ、電気と熱を同時に発生させるもので、用いる電解
質の種類と運転温度によっていくつかの異なるタイプが
ある。高分子電解質型燃料電池では、側鎖末端基として
スルホン酸が導入されたフッ素樹脂ポリマー電解質を用
いるのが主流となっている。この電解質層に、白金族金
属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする電極反応
層を密着して形成される。電極反応層の外面には、通気
性と導電性を兼ね備えた一対の電極基材が密着して形成
され、電極反応層と合わせてガス拡散電極となる。ガス
拡散電極の外側には、これらの電極および電解質の接合
体を機械的に固定するとともに、隣接する接合体を互い
に電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板
が配される。セパレータ板の電極と接触する部分には、
電極面に反応ガスを供給するとともに、生成ガスや余剰
ガスを運び去るためのガス流路が形成されている。セパ
レータ板や電極の周囲には、ガスケットやシール剤など
のシール部材が配置され、反応ガスが直接混合したり外
部へ漏逸したりするのが防止される。
【０００３】一対のガス拡散電極の一方には、反応ガス
として水素を含むガスを供給するのが一般的であるが、
アルコールやエーテルなどの有機液体を直接用いる場合
もある。また、他方のガス拡散電極には、空気などの酸
素を含んだ酸化剤ガスを供給する。反応ガスとして水素
を含むガスを用いるシステムでは、メタンガス、プロパ
ンガス、アルコールなどの有機燃料物質を、部分燃焼や
水添加による改質反応によって水素が豊富に含まれるガ
スに変換する改質器を備えることが必要である。通常の
発電装置は、これらの電解質層、電極反応層、およびセ
パレータ板などからできた単セルを複数積層し、それぞ
れのガス流路にはマニホルドを通じて外部から水素など
の燃料ガスと空気が供給される構造の積層電池として構
成される。電極反応層で発生した電流は、電極基材で集
電され、セパレータ板を経て外部に取り出される。セパ
レータ板には、導電性があって気密性と耐食性を兼ね備
えるカーボン材料が用いられることが多いが、成形加工
性、低コスト性に加え、セパレータ板の薄型化が可能で
あるという観点からステンレス鋼などの金属セパレータ
板も用いられる。電気化学反応による発電時には熱が発
生するので、冷却水や不凍液を電池内部に流し、電池温
度を制御する構造となっている。昇温された冷却水は、
電池外部の熱交換機によって冷却され、再び電池内部に
還流していく構造となっているのが一般的である。
として水素を含むガスを供給するのが一般的であるが、
アルコールやエーテルなどの有機液体を直接用いる場合
もある。また、他方のガス拡散電極には、空気などの酸
素を含んだ酸化剤ガスを供給する。反応ガスとして水素
を含むガスを用いるシステムでは、メタンガス、プロパ
ンガス、アルコールなどの有機燃料物質を、部分燃焼や
水添加による改質反応によって水素が豊富に含まれるガ
スに変換する改質器を備えることが必要である。通常の
発電装置は、これらの電解質層、電極反応層、およびセ
パレータ板などからできた単セルを複数積層し、それぞ
れのガス流路にはマニホルドを通じて外部から水素など
の燃料ガスと空気が供給される構造の積層電池として構
成される。電極反応層で発生した電流は、電極基材で集
電され、セパレータ板を経て外部に取り出される。セパ
レータ板には、導電性があって気密性と耐食性を兼ね備
えるカーボン材料が用いられることが多いが、成形加工
性、低コスト性に加え、セパレータ板の薄型化が可能で
あるという観点からステンレス鋼などの金属セパレータ
板も用いられる。電気化学反応による発電時には熱が発
生するので、冷却水や不凍液を電池内部に流し、電池温
度を制御する構造となっている。昇温された冷却水は、
電池外部の熱交換機によって冷却され、再び電池内部に
還流していく構造となっているのが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】スルホン酸が導入され
たフッ素樹脂ポリマーが電解質であるときには、反応ガ
スとしてアルコールなどの有機液体を用いると、これら
の有機液体が燃料極と電解質層を浸透し、反対側の空気
極に達する。その結果、空気極では燃料有機物が空気中
の酸素と直接触媒燃焼し、電池性能の低下が起こる。ま
た、燃料極上では電極反応の結果、ＣＯ被毒によるもの
と考えられる電池性能の低下が起こる。反応ガスとして
改質器から生成する改質ガスを用いる場合には、ＣＯ2
や微量含まれるＣＯによって、長時間の運転中に電極が
被毒され、電池性能が低下する。また、燃料電池システ
ムとしては改質器を別に設けなければならないため、シ
ステムの複雑化やコスト高の要因となっていた。
たフッ素樹脂ポリマーが電解質であるときには、反応ガ
スとしてアルコールなどの有機液体を用いると、これら
の有機液体が燃料極と電解質層を浸透し、反対側の空気
極に達する。その結果、空気極では燃料有機物が空気中
の酸素と直接触媒燃焼し、電池性能の低下が起こる。ま
た、燃料極上では電極反応の結果、ＣＯ被毒によるもの
と考えられる電池性能の低下が起こる。反応ガスとして
改質器から生成する改質ガスを用いる場合には、ＣＯ2
や微量含まれるＣＯによって、長時間の運転中に電極が
被毒され、電池性能が低下する。また、燃料電池システ
ムとしては改質器を別に設けなければならないため、シ
ステムの複雑化やコスト高の要因となっていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池システ
ムは、イオン導電性の電解質層および前記電解質層を挟
む燃料極と水素発生極からなる第１の電解質層・電極接
合体、イオン導電性の電解質層および前記電解質層を挟
む燃料極と酸化剤電極からなる第２の電解質層・電極接
合体、第１の電解質層・電極接合体の燃料極に液体また
は気体の燃料を供給する燃料供給手段、第１の電解質層
・電極接合体の燃料極に水素発生極に対して正の電位を
印加する手段、並びに前記水素発生極で発生する水素を
第２の電解質層・電極接合体の燃料極に供給する手段を
具備することを特徴とする。ここで、第１の電解質層・
電極接合体の水素発生極と第２の電解質層・電極接合体
の燃料極とが電気的に接続されていることが好ましい。
この場合、第１の電解質層・電極接合体の水素発生極と
第２の電解質層・電極接合体の燃料極とが一体化されて
いるか、または撥水性を有する導電層を介して一体に接
合されていることがより好ましい。第１の電解質層・電
極接合体の燃料極に水素発生極に対して正の電位を印加
する手段として、第２の電解質層・電極接合体を用いる
のが好ましい。
ムは、イオン導電性の電解質層および前記電解質層を挟
む燃料極と水素発生極からなる第１の電解質層・電極接
合体、イオン導電性の電解質層および前記電解質層を挟
む燃料極と酸化剤電極からなる第２の電解質層・電極接
合体、第１の電解質層・電極接合体の燃料極に液体また
は気体の燃料を供給する燃料供給手段、第１の電解質層
・電極接合体の燃料極に水素発生極に対して正の電位を
印加する手段、並びに前記水素発生極で発生する水素を
第２の電解質層・電極接合体の燃料極に供給する手段を
具備することを特徴とする。ここで、第１の電解質層・
電極接合体の水素発生極と第２の電解質層・電極接合体
の燃料極とが電気的に接続されていることが好ましい。
この場合、第１の電解質層・電極接合体の水素発生極と
第２の電解質層・電極接合体の燃料極とが一体化されて
いるか、または撥水性を有する導電層を介して一体に接
合されていることがより好ましい。第１の電解質層・電
極接合体の燃料極に水素発生極に対して正の電位を印加
する手段として、第２の電解質層・電極接合体を用いる
のが好ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】本発明の燃料電池システムをその
一実施の形態を示す図１により説明する。１は例えばル
テニウムを触媒として含む多孔質電極であり、これとガ
ス拡散電極６によりイオン導電性の電解質層５を挟んで
第１の電解質層・電極接合体MEA１を形成している。ガ
ス拡散電極６は、両面に触媒を含む電極反応層を有し、
片面に触媒を含む電極反応層を有するガス拡散電極２と
イオン導電性の電解質層７を挟んで第２の電解質層・電
極接合体MEA２を形成している。これらの電解質層・電
極接合体は、多孔質電極１に燃料を供給する流路３ａを
有する導電性セパレータ板３と、ガス拡散電極２に酸化
剤ガスを供給する流路４ａを有する導電性セパレータ板
４とで挟み、図示しないボルト・ナットで締め付けるこ
とにより一体に結合される。電解質層の周囲には、燃料
や酸化剤ガスの漏洩を防止するためのシール材８が配さ
れている。
一実施の形態を示す図１により説明する。１は例えばル
テニウムを触媒として含む多孔質電極であり、これとガ
ス拡散電極６によりイオン導電性の電解質層５を挟んで
第１の電解質層・電極接合体MEA１を形成している。ガ
ス拡散電極６は、両面に触媒を含む電極反応層を有し、
片面に触媒を含む電極反応層を有するガス拡散電極２と
イオン導電性の電解質層７を挟んで第２の電解質層・電
極接合体MEA２を形成している。これらの電解質層・電
極接合体は、多孔質電極１に燃料を供給する流路３ａを
有する導電性セパレータ板３と、ガス拡散電極２に酸化
剤ガスを供給する流路４ａを有する導電性セパレータ板
４とで挟み、図示しないボルト・ナットで締め付けるこ
とにより一体に結合される。電解質層の周囲には、燃料
や酸化剤ガスの漏洩を防止するためのシール材８が配さ
れている。
【０００７】多孔質電極（燃料極）１にアルコールと水
を含む液体燃料を供給し、反対側のガス拡散電極（酸化
剤極）２に空気を供給し、多孔質電極１の端子とガス拡
散電極２の端子との間に負荷をつなぐと、通常の燃料電
池の機能を有するMEA２の正極であるガス拡散電極２か
ら負荷を介して多孔質電極１に正の電位が印加されるよ
うな電気的つながりができる。その結果、アルコールは
水と反応して炭酸ガスと水素イオンが生成し、生成した
水素イオンは電解質層５を経由して、中央のガス拡散電
極６で水素ガスとして発生する。ガス拡散電極６では、
もう一つの電解質層７との界面で電極反応が起こり、再
び水素イオンとなって電解質層７中を移動し、ガス拡散
電極２に到達する。ガス拡散電極２では、空気中の酸素
と反応して水が生成する。この間、電流は多孔質電極１
から電解質層５、電極６および電解質層７を経てガス拡
散電極２の方向に流れる。中央のガス拡散電極６では、
電解質層５と電解質層７とが直接接触しないように、撥
水性の高い部分６ａを設けて、ここにガス層が存在する
ようにするのが望ましい。このような中央のガス拡散電
極６の存在によって、液体燃料に含まれるアルコールな
どの有機燃料が空気側のガス拡散電極２へ浸透するのが
抑制される。
を含む液体燃料を供給し、反対側のガス拡散電極（酸化
剤極）２に空気を供給し、多孔質電極１の端子とガス拡
散電極２の端子との間に負荷をつなぐと、通常の燃料電
池の機能を有するMEA２の正極であるガス拡散電極２か
ら負荷を介して多孔質電極１に正の電位が印加されるよ
うな電気的つながりができる。その結果、アルコールは
水と反応して炭酸ガスと水素イオンが生成し、生成した
水素イオンは電解質層５を経由して、中央のガス拡散電
極６で水素ガスとして発生する。ガス拡散電極６では、
もう一つの電解質層７との界面で電極反応が起こり、再
び水素イオンとなって電解質層７中を移動し、ガス拡散
電極２に到達する。ガス拡散電極２では、空気中の酸素
と反応して水が生成する。この間、電流は多孔質電極１
から電解質層５、電極６および電解質層７を経てガス拡
散電極２の方向に流れる。中央のガス拡散電極６では、
電解質層５と電解質層７とが直接接触しないように、撥
水性の高い部分６ａを設けて、ここにガス層が存在する
ようにするのが望ましい。このような中央のガス拡散電
極６の存在によって、液体燃料に含まれるアルコールな
どの有機燃料が空気側のガス拡散電極２へ浸透するのが
抑制される。
【０００８】多孔質電極１では、電極反応の副反応とし
て生成するＣＯのために被毒を受け、電極性能が低下す
るが、さらに被毒が進行し、電解質層５に対する多孔質
電極１の電位が高くなると、触媒表面に吸着したＣＯが
共存する水と反応し、ＣＯ2として除去されるので、電
極性能が復活する。すなわち、燃料極としての多孔質電
極１の耐ＣＯ被毒性が高く維持される。
て生成するＣＯのために被毒を受け、電極性能が低下す
るが、さらに被毒が進行し、電解質層５に対する多孔質
電極１の電位が高くなると、触媒表面に吸着したＣＯが
共存する水と反応し、ＣＯ2として除去されるので、電
極性能が復活する。すなわち、燃料極としての多孔質電
極１の耐ＣＯ被毒性が高く維持される。
【０００９】本発明の燃料電池システムの理想的な形の
１つとして、図１には、第１の電解質層・電極接合体ME
A１の水素発生極と第２の電解質層・電極接合体MEA２の
燃料極とを電極６が兼ねている５層構造のシステムを示
した。しかし、原理上、電解質層とそれを挟む一対の電
解質層・電極層が２組あり、１組、すなわち上記のMEA
２は通常の燃料電池の電解質・電極部の機能を有し、も
う１組のMEA１は燃料を変換し、水素を生成しあるいは
水素の濃度を高めるような機能を有する燃料電池システ
ムとすることも可能である。この場合は、第１の電解質
層・電極接合体MEA１の水素発生極で発生する水素が第
２の電解質層・電極接合体MEA２の燃料極に供給され、
かつ両電極が電気的に接続されるように組み合わされ
る。このようにして２つの電解質層・電極接合体を空間
的に分離した構成にすることにより、耐ＣＯ被毒性が改
善されると同時に、燃料の空気極側への浸透が抑制され
るので、液体燃料を用いたダイレクトメタノールタイプ
の燃料電池においてその利用価値が高い。
１つとして、図１には、第１の電解質層・電極接合体ME
A１の水素発生極と第２の電解質層・電極接合体MEA２の
燃料極とを電極６が兼ねている５層構造のシステムを示
した。しかし、原理上、電解質層とそれを挟む一対の電
解質層・電極層が２組あり、１組、すなわち上記のMEA
２は通常の燃料電池の電解質・電極部の機能を有し、も
う１組のMEA１は燃料を変換し、水素を生成しあるいは
水素の濃度を高めるような機能を有する燃料電池システ
ムとすることも可能である。この場合は、第１の電解質
層・電極接合体MEA１の水素発生極で発生する水素が第
２の電解質層・電極接合体MEA２の燃料極に供給され、
かつ両電極が電気的に接続されるように組み合わされ
る。このようにして２つの電解質層・電極接合体を空間
的に分離した構成にすることにより、耐ＣＯ被毒性が改
善されると同時に、燃料の空気極側への浸透が抑制され
るので、液体燃料を用いたダイレクトメタノールタイプ
の燃料電池においてその利用価値が高い。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。表面に白
金触媒を担持したカーボン粉末を高分子電解質のアルコ
ール溶液中に分散させ、スラリー化した。一方、ガス拡
散電極となる厚さ２００ミクロンのカーボンペーパーを
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディス
パージョンに浸し、乾燥、熱処理をして撥水性の多孔質
電極基材を得た。この多孔質電極基材の片面に、前記の
白金触媒を担持したカーボン粉末を含む高分子電解質ス
ラリーを塗布、乾燥することによって、片面に電極反応
層を有するガス拡散電極３を得た。また、白金触媒を担
持したカーボン粉末に代えてルテニウムと白金とを等モ
ル量固溶させた触媒を担持したカーボン粉末を用いて高
分子電解質スラリーを作製し、これを撥水性の多孔質電
極基材の片面に塗布、乾燥して、片面にルテニウムを含
む電極反応層を有するガス拡散電極１を得た。さらに、
同様な方法で、もう一枚の撥水性の多孔質電極基材には
両面に白金のみの電極反応層を形成してガス拡散電極６
を得た。
金触媒を担持したカーボン粉末を高分子電解質のアルコ
ール溶液中に分散させ、スラリー化した。一方、ガス拡
散電極となる厚さ２００ミクロンのカーボンペーパーを
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の水性ディス
パージョンに浸し、乾燥、熱処理をして撥水性の多孔質
電極基材を得た。この多孔質電極基材の片面に、前記の
白金触媒を担持したカーボン粉末を含む高分子電解質ス
ラリーを塗布、乾燥することによって、片面に電極反応
層を有するガス拡散電極３を得た。また、白金触媒を担
持したカーボン粉末に代えてルテニウムと白金とを等モ
ル量固溶させた触媒を担持したカーボン粉末を用いて高
分子電解質スラリーを作製し、これを撥水性の多孔質電
極基材の片面に塗布、乾燥して、片面にルテニウムを含
む電極反応層を有するガス拡散電極１を得た。さらに、
同様な方法で、もう一枚の撥水性の多孔質電極基材には
両面に白金のみの電極反応層を形成してガス拡散電極６
を得た。
【００１１】これらのガス拡散電極と厚さ５０ミクロン
の電解質膜２枚を用意し、図１のように、片面にルテニ
ウムを含む電極反応層を有するガス拡散電極１−電解質
膜５−両面に白金のみの電極反応層を有するガス拡散電
極６−電解質膜７−片面に白金のみの電極反応層を有す
るガス拡散電極２の順に重ね合わせ、１１０℃で１０分
間ホットプレスすることによって接合して電解質層・電
極接合体を得た。なお、片面に電極反応層を有する電極
１および２は、電極反応層を電解質膜に接するようにし
た。また、触媒担持量は、片面の電極面積当たり０．５
ｍｇ／ｃｍ2とした。上記の多孔質電極基材としては、
カーボンペーパーの他にも、可撓性を有する素材として
カーボン繊維を織ったカーボンクロス、さらにはカーボ
ン繊維とカーボン粉末を混合し有機バインダーを加えて
成型したカーボンフェルトなどを用いてもよい。
の電解質膜２枚を用意し、図１のように、片面にルテニ
ウムを含む電極反応層を有するガス拡散電極１−電解質
膜５−両面に白金のみの電極反応層を有するガス拡散電
極６−電解質膜７−片面に白金のみの電極反応層を有す
るガス拡散電極２の順に重ね合わせ、１１０℃で１０分
間ホットプレスすることによって接合して電解質層・電
極接合体を得た。なお、片面に電極反応層を有する電極
１および２は、電極反応層を電解質膜に接するようにし
た。また、触媒担持量は、片面の電極面積当たり０．５
ｍｇ／ｃｍ2とした。上記の多孔質電極基材としては、
カーボンペーパーの他にも、可撓性を有する素材として
カーボン繊維を織ったカーボンクロス、さらにはカーボ
ン繊維とカーボン粉末を混合し有機バインダーを加えて
成型したカーボンフェルトなどを用いてもよい。
【００１２】セパレータ板にはステンレス鋼平板の片側
に蛇行した１本の流体流路を切削加工によって形成し、
ステンレス鋼平板の対角位置には、空気またはアルコー
ルなどの反応物質の供給および生成物質の排出をするた
めのマニホルド孔を穿った。これらのステンレス鋼平板
の表面には、耐食性を確保するために厚さ２ミクロンの
金メッキ処理を施した。電解質層・電極接合体の電極を
囲む周囲には、厚さを調整した耐食性ゴムシート８を挿
入し、ガスシール材とした。これらを２枚のセパレータ
板３および４で挟み、コイルバネを介してボルト・ナッ
トで締結した。
に蛇行した１本の流体流路を切削加工によって形成し、
ステンレス鋼平板の対角位置には、空気またはアルコー
ルなどの反応物質の供給および生成物質の排出をするた
めのマニホルド孔を穿った。これらのステンレス鋼平板
の表面には、耐食性を確保するために厚さ２ミクロンの
金メッキ処理を施した。電解質層・電極接合体の電極を
囲む周囲には、厚さを調整した耐食性ゴムシート８を挿
入し、ガスシール材とした。これらを２枚のセパレータ
板３および４で挟み、コイルバネを介してボルト・ナッ
トで締結した。
【００１３】一方の多孔質電極１側の流体流路３ａにメ
タノールと水とを１対１に混合した混合液を流し、他方
のガス拡散電極２側の流体流路４ａに空気を通じて、ガ
ス拡散電極２の端子と多孔質電極１の端子との間に負荷
を接続した。MEA１の水素ポンプの部分で電圧はロスす
るが、メタノールのクロスリークや副生成物のＣＯによ
る被毒は抑制できる。比較例として従来の３層構造、す
なわち多孔質電極１−電解質層７−ガス拡散電極２の構
造の電池についても、多孔質電極１にメタノールと水の
混合液を流し、ガス拡散電極２に空気を導入して放電試
験を行った。図２には運転開始直後のＩ−Ｖ特性と０．
１Ａ／ｃｍ2で１０時間連続運転後のＩ−Ｖ特性を併せ
て示した。図２からわかるように、本実施例による燃料
電池システムＡは、従来の燃料電池Ｂと比べて性能が高
いことがわかる。これはアルコールの浸透によるクロス
リークが抑制されたためと考えられる。また、１０時間
と短い時間ではあるが連続運転しても性能の低下は少な
く、これは電極反応の副生成物として生じるＣＯによる
被毒の進行が抑えられたためと考えられる。
タノールと水とを１対１に混合した混合液を流し、他方
のガス拡散電極２側の流体流路４ａに空気を通じて、ガ
ス拡散電極２の端子と多孔質電極１の端子との間に負荷
を接続した。MEA１の水素ポンプの部分で電圧はロスす
るが、メタノールのクロスリークや副生成物のＣＯによ
る被毒は抑制できる。比較例として従来の３層構造、す
なわち多孔質電極１−電解質層７−ガス拡散電極２の構
造の電池についても、多孔質電極１にメタノールと水の
混合液を流し、ガス拡散電極２に空気を導入して放電試
験を行った。図２には運転開始直後のＩ−Ｖ特性と０．
１Ａ／ｃｍ2で１０時間連続運転後のＩ−Ｖ特性を併せ
て示した。図２からわかるように、本実施例による燃料
電池システムＡは、従来の燃料電池Ｂと比べて性能が高
いことがわかる。これはアルコールの浸透によるクロス
リークが抑制されたためと考えられる。また、１０時間
と短い時間ではあるが連続運転しても性能の低下は少な
く、これは電極反応の副生成物として生じるＣＯによる
被毒の進行が抑えられたためと考えられる。
【００１４】中央部のガス拡散電極６における撥水性付
与の効果を調べるために、ガス拡散電極作製時に、ＰＴ
ＦＥの水性ディスパージョンを用いた撥水処理を施さな
い電極についても電解質層・電極接合体を作製し、電池
試験を行った。その結果、撥水処理を施したものに比べ
て早く電池性能が低下した。撥水処理を施したものの電
池性能が優れているのは、撥水処理を施すことによって
中央部のガス拡散電極の内部に、水などの液体で濡れて
いない撥水層が形成され、アルコールの浸透が抑制され
たためと考えられる。以上はメタノールと水の混合液を
供給する側の電極に、ルテニウムを含む電極反応層を有
する多孔質電極を用いたときの結果である。ルテニウム
を用いず全て白金触媒の電極反応層で構成された電解質
層・電極接合体についても実験を行った。その結果、ル
テニウムを用いた時ほどではなかったが、従来構成と比
べて電池性能と耐久性は向上していた。
与の効果を調べるために、ガス拡散電極作製時に、ＰＴ
ＦＥの水性ディスパージョンを用いた撥水処理を施さな
い電極についても電解質層・電極接合体を作製し、電池
試験を行った。その結果、撥水処理を施したものに比べ
て早く電池性能が低下した。撥水処理を施したものの電
池性能が優れているのは、撥水処理を施すことによって
中央部のガス拡散電極の内部に、水などの液体で濡れて
いない撥水層が形成され、アルコールの浸透が抑制され
たためと考えられる。以上はメタノールと水の混合液を
供給する側の電極に、ルテニウムを含む電極反応層を有
する多孔質電極を用いたときの結果である。ルテニウム
を用いず全て白金触媒の電極反応層で構成された電解質
層・電極接合体についても実験を行った。その結果、ル
テニウムを用いた時ほどではなかったが、従来構成と比
べて電池性能と耐久性は向上していた。
【００１５】次に、都市ガスを燃料にして水蒸気添加に
よって得た改質ガスと同じ程度のガス組成、すなわち水
素７５％、炭酸ガス２５％、一酸化炭素１００ｐｐｍの
模擬ガスを用いて試験を行った。メタノールと水の混合
液に代えて模擬ガスを導入し、電池試験を行った。改質
ガスなどの水素を含むガスを用いた場合は、メタノール
などの液体燃料を直接もちいたものよりも高い性能を有
しているのが一般的であるが、本発明の構成による燃料
電池は、従来の３層構造の電池に比べて性能が高いこと
が確認された。次に、メタノールと水の混合液を流さず
に流体流路に閉じこめ、他方の空気側電極にはガス流路
を設けず、大気に開放した形で放電試験を行った。一方
の電極にメタノールと水を流し、他方の電極に空気を流
す方式に比べて、性能は低下したが、０．１Ａ／ｃｍ2
の電流密度で長時間放電することができた。約１３時間
後に電池性能が低下した。これは、空気極の乾燥が原因
であった。従って、外部からの酸素の拡散流入と水分の
蒸発散逸のバランスを取ることによって長時間の稼働が
可能になると考えられる。
よって得た改質ガスと同じ程度のガス組成、すなわち水
素７５％、炭酸ガス２５％、一酸化炭素１００ｐｐｍの
模擬ガスを用いて試験を行った。メタノールと水の混合
液に代えて模擬ガスを導入し、電池試験を行った。改質
ガスなどの水素を含むガスを用いた場合は、メタノール
などの液体燃料を直接もちいたものよりも高い性能を有
しているのが一般的であるが、本発明の構成による燃料
電池は、従来の３層構造の電池に比べて性能が高いこと
が確認された。次に、メタノールと水の混合液を流さず
に流体流路に閉じこめ、他方の空気側電極にはガス流路
を設けず、大気に開放した形で放電試験を行った。一方
の電極にメタノールと水を流し、他方の電極に空気を流
す方式に比べて、性能は低下したが、０．１Ａ／ｃｍ2
の電流密度で長時間放電することができた。約１３時間
後に電池性能が低下した。これは、空気極の乾燥が原因
であった。従って、外部からの酸素の拡散流入と水分の
蒸発散逸のバランスを取ることによって長時間の稼働が
可能になると考えられる。
【００１６】
【発明の効果】本発明によれば、燃料電池システムの性
能と耐久性が向上し、改質装置が不要になるなど低コス
ト化も容易になるなど実用性は大きい。
能と耐久性が向上し、改質装置が不要になるなど低コス
ト化も容易になるなど実用性は大きい。
【図１】本発明の一実施の形態における燃料電池システ
ムの構成を示す縦断面図である。
ムの構成を示す縦断面図である。
【図２】実施例および比較例の燃料電池システムの性能
を示す図である。
を示す図である。
１ 多孔質電極（燃料極） ２ ガス拡散電極（酸化剤極） ３、４ セパレータ板 ５、７ 電解質層 ６ ガス拡散電極（水素発生極兼燃料極） ６ａ 撥水性の高い部分 ８ シール材 MEA１、MEA２ 電解質層・電極接合体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安本 栄一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 酒井 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AA07 AS02 EE02 EE03 EE05 EE19 5H026 AA06 AA08 CX05 EE02
Claims (6)
- 【請求項１】 イオン導電性の電解質層および前記電解
質層を挟む燃料極と水素発生極からなる第１の電解質層
・電極接合体、イオン導電性の電解質層および前記電解
質層を挟む燃料極と酸化剤電極からなる第２の電解質層
・電極接合体、第１の電解質層・電極接合体の燃料極に
液体または気体の燃料を供給する燃料供給手段、第１の
電解質層・電極接合体の燃料極に水素発生極に対して正
の電位を印加する手段、並びに前記水素発生極で発生す
る水素を第２の電解質層・電極接合体の燃料極に供給す
る手段を具備することを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項２】 第１の電解質層・電極接合体の水素発生
極と第２の電解質層・電極接合体の燃料極とが電気的に
接続されている請求項１記載の燃料電池システム。 - 【請求項３】 第１の電解質層・電極接合体の水素発生
極と第２の電解質層・電極接合体の燃料極とが一体化さ
れているか、または撥水性を有する導電層を介して一体
に接合されている請求項２記載の燃料電池システム。 - 【請求項４】 第１の電解質層・電極接合体の燃料極に
水素発生極に対して正の電位を印加する手段が第２の電
解質層・電極接合体である請求項１〜３のいずれかに記
載の燃料電池システム。 - 【請求項５】 イオン導電性の電解質層が高分子電解質
膜であり、前記燃料がアルコールと水を含む混合液また
は水素と炭酸ガスを含む混合気体である請求項１〜４の
いずれかに記載の燃料電池システム。 - 【請求項６】 第１の電解質層・電極接合体の燃料極
が、触媒としてＲｕを含む請求項１〜５のいずれかに記
載の燃料電池システム。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000111733A JP2001297779A (ja) | 2000-04-13 | 2000-04-13 | 燃料電池システム |
| US09/829,454 US6541144B2 (en) | 2000-04-13 | 2001-04-10 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000111733A JP2001297779A (ja) | 2000-04-13 | 2000-04-13 | 燃料電池システム |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001297779A true JP2001297779A (ja) | 2001-10-26 |
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ID=18624011
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|---|---|---|---|
| JP2000111733A Pending JP2001297779A (ja) | 2000-04-13 | 2000-04-13 | 燃料電池システム |
Country Status (2)
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|---|---|
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| WO2005063614A1 (ja) * | 2003-12-26 | 2005-07-14 | Gs Yuasa Corporation | 水素製造方法及びその方法に使用する水素製造装置 |
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| WO2005095144A1 (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-13 | Gs Yuasa Corporation | 電気自動車 |
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| US7175929B2 (en) | 2002-11-25 | 2007-02-13 | Fujitsu Component Limited | Fuel cell, method of manufacturing the same, and fuel cell stack including the same |
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| CN100503305C (zh) * | 2004-03-31 | 2009-06-24 | 株式会社杰士汤浅 | 电动汽车 |
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| CN100566002C (zh) * | 2004-12-28 | 2009-12-02 | 株式会社杰士汤浅 | 燃料电池发电装置 |
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| US8158286B2 (en) | 2005-08-17 | 2012-04-17 | Honda Motor Co., Ltd. | Energy stations |
| EP1986264A1 (en) * | 2007-04-26 | 2008-10-29 | Technische Universität München | System for generating electrical energy comprising an electrochemical reformer and a fuel cell |
| ES2962359T3 (es) * | 2015-12-24 | 2024-03-18 | Shell Int Research | Proceso y aparato para la producción de hidrógeno comprimido |
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| US4916033A (en) | 1987-02-13 | 1990-04-10 | Meredith Gourdine | Method and apparatus for converting chemical and thermal energy into electricity |
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-
2001
- 2001-04-10 US US09/829,454 patent/US6541144B2/en not_active Expired - Fee Related
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