JP2005294107A - Fuel cell and fuel cell system using this - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池、及びこれを用いた燃料電池システムに関し、特にアノード電極において水素ガスを循環させないデッドエンド方式に好適な燃料電池及びこれを用いた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell system using the same, and more particularly to a fuel cell suitable for a dead end system in which hydrogen gas is not circulated in an anode electrode and a fuel cell system using the same.
近年、化石燃料の埋蔵量が激減しており、その代替となる燃料の開発が求められている。化石燃焼の代替燃料としては、容易に生成することが可能であり、環境に対する負荷の少ない水素が注目されている。水素ガスを用いたエネルギー源としては、発電の際に二酸化炭素等を発生せず、クリーンなエネルギー源である燃料電池が注目されており、各種開発が盛んに行われている。 In recent years, reserves of fossil fuels have drastically decreased, and development of alternative fuels has been demanded. As an alternative fuel for fossil combustion, hydrogen, which can be easily generated and has a low environmental impact, has attracted attention. As an energy source using hydrogen gas, a fuel cell which does not generate carbon dioxide during power generation and is a clean energy source has attracted attention, and various developments have been actively conducted.
燃料電池の一種である固体高分子型燃料電池は、水素などの燃料ガスが供給されるアノード電極と、空気などの酸化剤ガスが供給されるカソード電極と、前記電極に挟持される電解質膜と、を備えて構成されており、各電極には白金等の触媒が備えられている。固体高分子型燃料電池は、電極に備えられた触媒上で水素と酸素を電気化学的に反応させ、電気を発生させるものである。 A polymer electrolyte fuel cell, which is a type of fuel cell, includes an anode electrode supplied with a fuel gas such as hydrogen, a cathode electrode supplied with an oxidant gas such as air, and an electrolyte membrane sandwiched between the electrodes. Each electrode is provided with a catalyst such as platinum. The polymer electrolyte fuel cell generates electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen on a catalyst provided on an electrode.
従来の固体高分子型燃料電池では、水素ガスの利用効率を高めるために、アノード電極において電気化学反応に寄与しなかった余剰水素ガス等(アノードオフガス)を、再び水素ガスに混入しアノード電極に供給する水素ガス循環方式が多く採用されている。 In the conventional polymer electrolyte fuel cell, in order to increase the utilization efficiency of hydrogen gas, surplus hydrogen gas or the like (anode offgas) that did not contribute to the electrochemical reaction at the anode electrode is mixed again into the hydrogen gas to the anode electrode. Many supply hydrogen gas circulation systems are adopted.
一方、固体高分子型燃料電池のカソード電極には、酸化剤として空気が供給される。通常、カソード電極に供給される空気には、酸素ガスと共に窒素ガスが多く含まれている。しかし、窒素ガスは固体高分子型燃料電池の電解質膜を透過しやすいため、電解質膜を透過してアノード電極にまで移動してしまう。かかる窒素ガスの移動量が増加すると、アノード電極における触媒上での水素ガスの反応を阻害し、水素ガス供給量に対する燃料電池の発電効率が低下してしまう。 On the other hand, air is supplied as an oxidant to the cathode electrode of the polymer electrolyte fuel cell. Usually, the air supplied to the cathode electrode contains a large amount of nitrogen gas together with oxygen gas. However, since nitrogen gas easily passes through the electrolyte membrane of the polymer electrolyte fuel cell, it passes through the electrolyte membrane and moves to the anode electrode. When the amount of nitrogen gas transferred increases, the reaction of hydrogen gas on the catalyst at the anode electrode is hindered, and the power generation efficiency of the fuel cell with respect to the amount of hydrogen gas supplied decreases.
上記水素ガス循環方式を採用する燃料電池においては、水素ガスを循環させていることから、窒素ガスがアノード電極に移動していても、循環ラインの水素濃度が飽和することにより、窒素の透過は抑制される。 In a fuel cell employing the above hydrogen gas circulation system, since hydrogen gas is circulated, even if nitrogen gas has moved to the anode electrode, the hydrogen concentration in the circulation line is saturated, so that nitrogen permeation is prevented. It is suppressed.
しかし、係る状態においては燃料電池の発電に必要な消費量以上の水素ガスを供給する必要があり、結果として水素ガスの利用効率が低下してしまう。 However, in such a state, it is necessary to supply more hydrogen gas than the consumption necessary for power generation of the fuel cell, and as a result, the utilization efficiency of hydrogen gas decreases.
これに対し、近年においては、アノード電極において水素ガスを循環させないデッドエンド方式が注目されている。かかるデッドエンド方式によれば、燃料電池に発電に必要な量のみ水素ガスを供給すればよく、水素ガスの供給量を必要量に低減することができ、水素ガスの利用効率を更に高めることができる。また、デッドエンド方式によれば、アノードオフガスを再びアノード電極に供給するための循環機構を設ける必要がないことから燃料電池システムの単純化及び小型化を図ることができる。 On the other hand, in recent years, a dead end system that does not circulate hydrogen gas in the anode electrode has attracted attention. According to such a dead end method, it is only necessary to supply hydrogen gas to the fuel cell in an amount necessary for power generation, the supply amount of hydrogen gas can be reduced to the required amount, and the utilization efficiency of hydrogen gas can be further increased. it can. Further, according to the dead end method, since it is not necessary to provide a circulation mechanism for supplying anode off gas to the anode electrode again, the fuel cell system can be simplified and miniaturized.
しかし、かかるデッドエンド方式においては、アノード電極において水素ガスを循環させないことから、アノード電極の水素ガス供給側において水素濃度が飽和しにくく、水素ガス循環方式と比べても窒素ガスの透過を抑制しにくいといった問題がある。このため、従来においては、アノード電極において窒素濃度が一定以上になるとシャットバルブを一定時間解放して、窒素ガスを含む水素ガスをシステム外に排出する必要があった。 However, in such a dead-end system, hydrogen gas is not circulated at the anode electrode, so the hydrogen concentration is less likely to be saturated on the hydrogen gas supply side of the anode electrode, and nitrogen gas permeation is suppressed compared to the hydrogen gas circulation system. There is a problem that it is difficult. For this reason, conventionally, when the nitrogen concentration in the anode electrode exceeds a certain level, it is necessary to release the shut valve for a certain period of time and to discharge hydrogen gas containing nitrogen gas out of the system.
このような窒素ガスの電解質膜の透過を防止するためには、予め空気中の酸素濃度が富化された酸素富化空気を燃料電池に供給する方法が提案されている。かかるように酸素富化空気を燃料電池に供給する技術としては、空気中の酸素を濃縮する酸素分離装置を燃料電池スタックのカソード供給側に設置し、酸素富化されたガスをカソード側に供給するとともに、窒素富化されたガスを改質器用燃焼用ガスや回収水脱気用ガス等の用途に用いて、設備のコスト低減、プラント小型化、動力損失低減によるシステム発電効率の向上を目的とした燃料電池発電システムが提案されている(例えば、特許文献1参照。) In order to prevent such permeation of nitrogen gas through the electrolyte membrane, a method has been proposed in which oxygen-enriched air enriched in advance with an oxygen concentration in the air is supplied to the fuel cell. As a technique for supplying oxygen-enriched air to the fuel cell in this way, an oxygen separator that concentrates oxygen in the air is installed on the cathode supply side of the fuel cell stack, and oxygen-enriched gas is supplied to the cathode side. At the same time, the use of nitrogen-enriched gas for reformer combustion gas, recovered water degassing gas, etc., aims to improve equipment power generation efficiency by reducing equipment costs, reducing plant size, and reducing power loss A fuel cell power generation system has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
かかる燃料電池発電システムによれば、酸素富化空気を燃料電池に供給することができるため、窒素ガスの電解質膜透過をある程度抑制することができることが推測される。しかし、空気中の酸素濃度を凝縮する酸素分離装置を外部装置として設ける必要があることから、装置の大型化、配管・部品数の増加、が必要であり、更に、酸素分離装置の通過抵抗が増大し、システム全体のエネルギー効率が低下してしまう。 According to such a fuel cell power generation system, oxygen-enriched air can be supplied to the fuel cell, so that it is estimated that nitrogen gas permeation of the electrolyte membrane can be suppressed to some extent. However, since it is necessary to provide an oxygen separation device that condenses the oxygen concentration in the air as an external device, it is necessary to increase the size of the device and increase the number of pipes and parts, and the oxygen separator has a resistance to passage. It increases, and the energy efficiency of the entire system decreases.
上述の諸問題を解決すべく、本発明は、窒素ガスの電解質膜の透過を抑制して長時間に渡り安定して発電することができ、且つ、水素ガス供給量に対する発電効率の高い燃料電池及びこれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention can suppress the permeation of nitrogen gas through an electrolyte membrane and stably generate power over a long period of time, and has a high power generation efficiency with respect to the amount of hydrogen gas supplied. And it aims at providing a fuel cell system using the same.
上記課題を解決するための手段は以下の通りである。 Means for solving the above problems are as follows.
本発明の燃料電池は、触媒を備えた触媒層を有し水素ガスが供給されるアノード電極と、触媒を備えた触媒層を有し空気が供給されるカソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極とに挟持された電解質膜と、を備えた燃料電池であって、前記カソード電極に前記空気から酸素を選択的に分離する酸素分離手段が備えられて構成される。 The fuel cell of the present invention includes an anode electrode having a catalyst layer having a catalyst and supplied with hydrogen gas, a cathode electrode having a catalyst layer having a catalyst and supplied with air, the anode electrode and the cathode A fuel cell comprising an electrolyte membrane sandwiched between electrodes, wherein the cathode electrode is provided with oxygen separation means for selectively separating oxygen from the air.
本発明の燃料電池によれば、空気の供給側であるカソード電極に設けられた酸素分離手段によって電解質膜にまで到達する空気に含まれる酸素を凝集して酸素濃度を高めることができる。これにより、空気中の酸素分圧が上昇し、窒素ガスが電解質膜を透過しにくくなる。更に、本発明によれば酸素濃度が高い空気(以下、「酸素富化空気」という場合がある。)をカソード電極に供給することができるため、水素ガス供給量に対する燃料電池の発電効率を向上させることができる。また、本発明によれば、酸素富化手段を燃料電池内部に有するため、装置外部において別途酸素富化装置を設置する必要がなく、システムの小型化、簡略化を図ることができる。 According to the fuel cell of the present invention, the oxygen concentration can be increased by aggregating oxygen contained in the air reaching the electrolyte membrane by the oxygen separation means provided on the cathode electrode on the air supply side. As a result, the oxygen partial pressure in the air increases, and the nitrogen gas does not easily pass through the electrolyte membrane. Furthermore, according to the present invention, air having a high oxygen concentration (hereinafter sometimes referred to as “oxygen-enriched air”) can be supplied to the cathode electrode, so that the power generation efficiency of the fuel cell with respect to the amount of hydrogen gas supplied is improved. Can be made. Further, according to the present invention, since the oxygen enrichment means is provided inside the fuel cell, it is not necessary to separately install an oxygen enrichment device outside the device, and the system can be reduced in size and simplified.
本発明において「酸素分離手段」とは、空気中の酸素と窒素とを分離して、空気中の酸素濃度を上昇させることができるものを意味する。酸素富化手段による酸素と窒素との分離方法は特に限定されるものではなく、例えば、多孔質膜内を流れる酸素ガスと窒素ガスとの気体分子の速度差を利用し選択的に酸素のみを透過若しくは窒素を透過しにくくする、或いは、非多孔質膜(均質膜)への気体分子の溶解度や膜中の拡散速度の差を利用して酸素のみを選択して透過させる酸素富化膜や、これに用いられる酸素富化膜成分や、酸素原子と窒素原子との分子粒径差を利用し、細孔により酸素のみを吸着する酸素吸着材等が挙げられる。 In the present invention, the “oxygen separation means” means a device capable of separating oxygen and nitrogen in the air and increasing the oxygen concentration in the air. The method for separating oxygen and nitrogen by the oxygen enrichment means is not particularly limited. For example, only oxygen is selectively utilized by utilizing the difference in the velocity of gas molecules between oxygen gas and nitrogen gas flowing in the porous membrane. An oxygen-enriched membrane that makes it difficult to permeate or permeate nitrogen, or to selectively permeate oxygen using the difference in solubility of gas molecules in a non-porous membrane (homogeneous membrane) and the diffusion rate in the membrane Examples thereof include an oxygen-enriched film component used for this, and an oxygen adsorbent that adsorbs only oxygen through pores using the molecular particle size difference between oxygen atoms and nitrogen atoms.
上記カソード電極における酸素分離手段の設置部位は、カソード電極に供給された空気が電解質膜に達する前に該空気中の酸素と窒素とを分離できれば特に限定はされない。また、酸素分離手段の形態も特に限定されるものではないが、膜状の酸素分手段を用いて、電解質膜に達する窒素を遮断するのが好ましい。 The site for installing the oxygen separation means in the cathode electrode is not particularly limited as long as the oxygen and nitrogen in the air can be separated before the air supplied to the cathode electrode reaches the electrolyte membrane. The form of the oxygen separation means is not particularly limited, but it is preferable to block nitrogen reaching the electrolyte membrane using a film-like oxygen content means.
上述のように、本発明の燃料電池は、前記酸素分離手段として酸素富化膜を用いることができる。本発明の燃料電池は、酸素分離手段として酸素富化膜を用いることで、電解質膜に達する空気中の酸素分圧を高めることができ、窒素ガスの透過を抑制することができる。 As described above, the fuel cell of the present invention can use an oxygen-enriched membrane as the oxygen separation means. The fuel cell of the present invention can increase the oxygen partial pressure in the air reaching the electrolyte membrane and suppress the permeation of nitrogen gas by using the oxygen-enriched membrane as the oxygen separation means.
前記酸素富化膜としては、上述のように、多孔質膜内を流れる酸素ガスと窒素ガスとの気体分子の速度差を利用し選択的に酸素のみを透過させるものや、非多孔質膜(均質膜)への気体分子の溶解度や膜中の拡散速度の差を利用して酸素のみを選択して透過させるものが挙げられる。また、酸素富化膜の設置部位としては、発電効率を向上させる観点からは触媒層よりも空気供給側(触媒層の空気供給側にガス拡散層を設ける場合には、触媒層とガス拡散層との間、若しくは、ガス拡散層中、或いは、ガス拡散層と空気供給手段(例えば、セパレータ)との間)に設けるのが好ましいが、酸素富化膜を電解質膜と触媒層との間に設けることもできる。また、酸素富化膜には、カーボン粒子等の電気伝導性を持った物質を膜中に混在させ、電気伝導性を付与するのが好ましい。 As described above, as the oxygen-enriched film, as described above, a film that selectively transmits only oxygen using a difference in velocity between gas molecules of oxygen gas and nitrogen gas flowing in the porous film, or a non-porous film ( For example, oxygen can be selectively permeated using the difference in the solubility of gas molecules in the homogeneous membrane and the diffusion rate in the membrane. The oxygen-enriched membrane is installed on the air supply side of the catalyst layer from the viewpoint of improving power generation efficiency (if the gas diffusion layer is provided on the air supply side of the catalyst layer, the catalyst layer and the gas diffusion layer). Or in the gas diffusion layer or between the gas diffusion layer and the air supply means (for example, a separator). However, an oxygen-enriched membrane is provided between the electrolyte membrane and the catalyst layer. It can also be provided. The oxygen-enriched film is preferably provided with electrical conductivity by mixing a substance having electrical conductivity such as carbon particles in the film.
本発明の燃料電池は、酸素分離手段として酸素吸着カーボンを用い、前記カソード電極の触媒層を、前記酸素吸着カーボンを含んで構成することができる。本発明の燃料電池によれば、前記酸素分離手段として、酸素吸着カーボン(酸素吸着カーボンを含んで構成された触媒層)を用いることで、触媒層に選択的に酸素ガスを集めることができる。これにより、窒素ガスが電解質膜にまで到達するのを抑制し、その透過を防止することができる。 In the fuel cell of the present invention, oxygen-adsorbing carbon is used as the oxygen separation means, and the catalyst layer of the cathode electrode can be configured to include the oxygen-adsorbing carbon. According to the fuel cell of the present invention, oxygen gas can be selectively collected in the catalyst layer by using oxygen-adsorbed carbon (catalyst layer including oxygen-adsorbed carbon) as the oxygen separation means. Thereby, it can suppress that nitrogen gas reaches | attains an electrolyte membrane, and can prevent the permeation | transmission.
前記酸素吸着カーボンとは、上述の酸素吸着材の一種であり、窒素と酸素との分子径差による吸着速度(吸着しやすさ)を利用したものである。前記酸素吸着カーボンには、分子径の大きな窒素分子が入りにくく、分子径の大きな酸素分子が入りやすいミクロ孔を複数有していることから、空気中の酸素ガスを吸着して窒素ガスを分離することができる。 The oxygen-adsorbing carbon is a kind of the above-mentioned oxygen adsorbing material, and utilizes an adsorption rate (easiness of adsorption) due to a molecular diameter difference between nitrogen and oxygen. The oxygen-adsorbed carbon has a plurality of micropores that are difficult for nitrogen molecules with a large molecular diameter to enter and oxygen molecules with a large molecular diameter easily enter, so that the oxygen gas in the air is adsorbed to separate the nitrogen gas. can do.
また、前記カソード電極の触媒層を前記酸素吸着カーボンで構成することで、触媒の周りに選択的に酸素ガスを多く存在させることができ、更に、発電効率を高めることができる。 In addition, by forming the catalyst layer of the cathode electrode with the oxygen-adsorbing carbon, a large amount of oxygen gas can be selectively present around the catalyst, and the power generation efficiency can be further improved.
更に、本発明の燃料電池は、前記酸素分離手段として酸素富化膜成分を用い、前記酸素富化膜成分を前記触媒層に含有させることができる。本発明の燃料電池によれば、酸素富化膜成分(上述の酸素富化膜を構成する成分)を触媒層に含有させることで、窒素ガスが触媒層内で移動するのを抑制することができるため、窒素ガスの電解質膜の透過を防ぐことができる。更に、触媒の周りに選択的に酸素ガスを多く存在させることができることから、燃料電池の発電効率を更に向上させることができる。 Furthermore, in the fuel cell of the present invention, an oxygen-enriched membrane component can be used as the oxygen separation means, and the oxygen-enriched membrane component can be contained in the catalyst layer. According to the fuel cell of the present invention, by containing an oxygen-enriched membrane component (component constituting the above-described oxygen-enriched membrane) in the catalyst layer, nitrogen gas can be prevented from moving in the catalyst layer. Therefore, permeation of nitrogen gas through the electrolyte membrane can be prevented. Furthermore, since a large amount of oxygen gas can selectively exist around the catalyst, the power generation efficiency of the fuel cell can be further improved.
本発明の燃料電池システムは、本発明の燃料電池と、前記燃料電池のアノード電極に水素ガスを供給する水素ガス供給手段と、前記燃料電池のカソード電極に空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池のカソード電極からカソードオフガスを排出するカソードオフガス排出手段と、を備えて構成することができる。本発明の燃料電池システムは、本発明の燃料電池を備えることで、長時間安定した電力を供給することができ、更に、供給される水素ガスに対する発電効率を高めることができる。ここで、「カソードオフガス」とは、カソード電極において、電気化学反応に寄与しなかった余剰空気やカソード電極において生成した水蒸気を含んだものである。更に、カソードオフガスは酸素分離手段により分離された窒素ガスが多く含まれているため、窒素富化ガスとなっている。 The fuel cell system of the present invention comprises the fuel cell of the present invention, a hydrogen gas supply means for supplying hydrogen gas to the anode electrode of the fuel cell, an air supply means for supplying air to the cathode electrode of the fuel cell, A cathode offgas discharging means for discharging the cathode offgas from the cathode electrode of the fuel cell. By providing the fuel cell system of the present invention, the fuel cell system of the present invention can supply stable power for a long time, and can further improve the power generation efficiency for the supplied hydrogen gas. Here, the “cathode off-gas” includes surplus air that has not contributed to the electrochemical reaction in the cathode electrode and water vapor generated in the cathode electrode. Further, the cathode off-gas is a nitrogen-enriched gas because it contains a large amount of nitrogen gas separated by the oxygen separation means.
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池のアノード電極からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出手段を備え、前記アノードオフガス排出手段は前記水素ガス供給手段に前記アノードオフガスを供給することなく、アノードオフガスを排出するように構成することができる。 The fuel cell system of the present invention further includes an anode offgas discharge means for discharging anode offgas from the anode electrode of the fuel cell, and the anode offgas discharge means does not supply the anode offgas to the hydrogen gas supply means, An anode off gas can be configured to be discharged.
本発明の燃料電池システムは、本発明の燃料電池を備えていることから、このようにアノード電極から排出されるアノードオフガスを再びアノード電極に供給しない、即ち、アノード電極において水素ガスを循環させないデッドエンド方式の燃料電池システムとして構成しても、窒素ガスの透過による発電効率の低下がなく、長時間安定して電力を供給することができ、更に、水素ガス供給量に対する発電効率を高めることができる。 Since the fuel cell system of the present invention includes the fuel cell of the present invention, the anode off-gas discharged from the anode electrode is not supplied again to the anode electrode, that is, the dead gas does not circulate hydrogen gas at the anode electrode. Even if it is configured as an end type fuel cell system, power generation efficiency does not decrease due to permeation of nitrogen gas, power can be supplied stably for a long time, and power generation efficiency with respect to hydrogen gas supply amount can be increased it can.
本発明によれば、窒素ガスの電解質膜の透過を抑制して長時間に渡り安定して発電することができ、且つ、水素ガス供給量に対する発電効率の高い燃料電池及びこれを用いた燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which can suppress the permeation | transmission of the electrolyte membrane of nitrogen gas, can generate electric power stably over a long period of time, and has high electric power generation efficiency with respect to the supply amount of hydrogen gas, and a fuel cell using the same A system can be provided.
以下、本発明の燃料電池システムの実施形態について図を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the fuel cell system of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
本実施の形態は、本発明の燃料電池を備えた燃料電池システムであり、水素タンクに貯蔵された水素ガスを燃料電池に供給すると共に、コンプレッサーにより空気を供給して発電反応に用い、燃料電池から排出されるアノードオフガスを再び燃料電池に供給することなくカソードオフガスと共にシステム外に排出するデッドエンド方式を採用した燃料電池システムである。
(First embodiment)
The present embodiment is a fuel cell system including the fuel cell of the present invention, which supplies hydrogen gas stored in a hydrogen tank to the fuel cell and supplies air by a compressor for use in a power generation reaction. The fuel cell system adopts a dead-end system in which the anode off-gas discharged from the fuel is discharged out of the system together with the cathode off-gas without being supplied to the fuel cell again.
図1を用いて第1の実施の形態における燃料電池システムについて説明する。図1は、第1の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す概略図である。図1に示すように本発明の燃料電池10は、燃料である水素ガスが供給されるアノード電極12と、酸化剤として空気が供給され、酸素富化膜24を備えたカソード電極14と、電解質膜16と、セパレータ18,20と、から構成されており、アノード電極12及びカソード電極14とに接続された外部回路22を通じて外部装置48に電力を供給できるように構成されている。本発明の燃料電池10は、燃料として供給された水素ガスがアノード電極12において水素イオンと電子(e-)とを放出し、放出された電子(e-)が外部回路22を介してカソード電極14まで移動することで発電する。
The fuel cell system according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, a
また、アノード電極12に設置されるセパレータ18の水素供給側には、ポンプP1及び調圧バルブV1を備えた配管26の一端が接続されており、水素タンク28に貯蔵された水素ガスが配管26を通じて燃料電池10に供給されるようになっている。
Further, one end of a
更に、セパレータ18のアノードオフガス排出側には、シャットバルブV2を備えた配管30の一端が接続されており、シャットバルブV2の開閉により配管30の他端で連結される配管32を介してアノードオフガスをシステム外に排出できるようになっている。
Furthermore, one end of a
燃料電池10のカソード側に設置されるセパレータ20には、コンプレッサー34を備えた配管36の一端が接続されており、コンプレッサーによって送られた空気が配管36を通じて燃料電池10に供給されるように構成されている。
One end of a
更に、セパレータ20のカソードオフガス排出側には、浄化装置38が設けられた配管32の一端が備えられており、燃料電池10から排出されるカソードオフガスをシステム外に排出できるようになっている。
Further, one end of a
まず、燃料電池10の構成について説明する。図1に示すように本発明の燃料電池10は、アノード電極12とカソード電極14とが電解質膜16の両面と密着するように備えられている。また、アノード電極12とカソード電極14との外側には、水素ガス及び空気のガス流路を形成するセパレータ18及び20がそれぞれ設置されている。
First, the configuration of the
図1に示すようにカソード電極14は、酸素吸着カーボンに白金系の金属触媒を担持させた触媒層14Aと、酸素富化膜24と、気孔を有する多孔質部材で形成されたガス拡散層14Bと、から構成されており、触媒層14Aが電解質膜16の一方の面に密着するように配置されている。
As shown in FIG. 1, the
触媒層14Aとガス拡散層14Bとの間には、酸素富化膜24が設置されており、後述するセパレータ20によって形成されるガス流路からガス拡散層14Bを介して供給された空気に含まれる酸素ガスと窒素ガスとのうち、酸素ガスのみを選択的に透過させるようになっている。酸素富化膜24を透過した空気は、触媒層14Aにおいて水素イオン及び電子と反応して水を生成する。
An oxygen-enriched
酸素富化膜24は、主としてポリイミド多孔質膜で形成されており、更に、導電体としてカーボンブラックが混入されている。酸素富化膜24は、ポリイミド多孔質膜内を流れる酸素ガスと窒素ガスとの気体分子の速度差を利用し酸素のみを選択的(優先的)に透過させることができ、触媒層14Aに進入する空気から窒素を分離することができる。また、酸素富化膜24には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を添加することができる。
The oxygen-enriched
酸素富化膜24の厚さとしては、本発明の効果を発揮できる程度であれば特に限定はないが、5〜100μm程度が好ましく、5〜10μm程度が更に好ましい。酸素富化膜24としては、宇部興産製のポリイミド多孔質膜等に導電体等を添加して形成することができる。
The thickness of the oxygen-enriched
触媒層14Aは、酸素吸着カーボンと電解質膜成分とから構成されており、更に活性炭等の担持体(酸素吸着カーボンの粉末であってもよい)に担持された金属触媒が備えられている。触媒層14Aは酸素吸着カーボンを用いて形成されているため、酸素ガスが触媒層14Aに吸着されることから、触媒層14Aの多孔質構造内に進入する空気中の酸素濃度は供給された空気と比較して高くなっている。触媒層14Aに進入する空気の酸素濃度が高くなると、これに比例して空気中の窒素濃度が低下し、窒素ガスが電解質膜16を透過するの防止することができる。また、空気の酸素濃度が高い酸素富化空気が触媒層14Aに進入すると、触媒層14Aに備えられた触媒上を通過する単位時間当たりの酸素量が増えるため、触媒層14Aにおける水素イオンと酸素との反応効率を向上させることができる。
The
図2を用いて触媒層14Aの酸素吸着作用について説明する。図2は、第1の実施の形態における触媒層の酸素吸着作用を説明するための概略図である。図2に示すように、触媒層14Aを形成する酸素吸着カーボンは、ミクロの細孔を複数有しており、酸素分子と窒素分子との分子径の差(酸素分子:3.8×2.8Å、窒素分子:4.2×3.0Å)を利用して酸素分子と窒素分子とを分離(酸素分子を吸着)することができる。
The oxygen adsorption action of the
かかる触媒層14Aに設けられた細孔は、分子径の小さい酸素分子40は入りやすく、酸素分子に比べて分子径の大きな窒素分子42は入りにくいようになっている。即ち、酸素分子40は弊害なく触媒層14Aの細孔に進入することができるが、分子径の大きい窒素分子42は細孔に進入することができない。
In the pores provided in the
このため、酸素分子40のみが次々と細孔に進入していき、残された窒素分子42と分離される。このように、触媒層14Aは酸素分子40のみを吸着することで、触媒層14A内に進入する空気の酸素濃度を高めることができる。
For this reason, only the
また、触媒層14Aに備えられる触媒としては、公知の触媒を適宜用いることができ、例えば、Pt、Pt−Rh、Pt−Ir、Pt−Re、Pt−W、Pt−Ru等の貴金属系の金属を用いた炭素担持Pt触媒、炭素担持Pt−Ir複合金属触媒、炭素担持Pt−Re複合金属触媒、炭素担持Pt−W複合金属触媒、又はニッケル系金属を使用した触媒等を用いることができる。
Further, as the catalyst provided in the
触媒層14Aは、例えば、カネボウ(株)製の「ベルファイン」等の酸素吸着カーボン粉末と、活性炭に担持された触媒と、電解質膜16に用いられる高分子膜(電解質)の溶液と、結合剤等とを混合することで形成することができる。
The
図1に示すように酸素富化膜24の外側(触媒層14Aと密着していない側)にはガス拡散層14Bが設置されており、セパレータ20から供給される空気を拡散して、空気が均一に触媒層14Aに供給されるようになっている。ガス拡散層14Bは気孔を有する多孔性部材で構成されており、該多孔性部材としては、カーボンペーパー、カーボン不織布、又は、カーボンクロス等が挙げられる。
As shown in FIG. 1, a gas diffusion layer 14B is installed outside the oxygen-enriched membrane 24 (the side not in close contact with the
本実施の形態においては、触媒層14Aとガス拡散層14Bとの間に酸素分離手段である酸素富化膜24が設けられているが、例えば、ガス拡散層14Bを2層若しくはそれ以上の複数の層で構成し、各ガス拡散層の間に酸素富化膜を設けてもよい。また、ガス拡散層14Bに、粉状等の酸素富化膜成分を添加してもよく、これにより、更に酸素濃度の高い空気を触媒層14Aに供給することができる。
In the present embodiment, an oxygen-enriched
ガス拡散層14Bの外側(酸素富化膜24と密着していない側)にはセパレータ20が設置されており、ガス拡散層14Bに空気を供給するため、及び、発電反応後のカソードオフガスを排出するためのガス流路が形成されている。
A
また、図1に示すようにセパレータ20の空気供給側(紙面左側)には、コンプレッサー34及び加湿器44を備えた配管36の一端が接続されており、フィルター46を通過して供給された空気が、加湿器44に加湿されながらコンプレッサー34によって燃料電池10に供給されるようになっている。
As shown in FIG. 1, one end of a
更にセパレータ20のカソードオフガス排出側(紙面右側)には、配管32の一端が接続されており、カソード電極14における発電反応によって生じた水や余剰空気等がカソードオフガスとして浄化装置38を介してシステム外に排出される。
Further, one end of a
また、図1に示すようにアノード電極12は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末等を主成分とする触媒層12Aと、気孔を有する多孔質部材で形成されたガス拡散層12Bと、から構成されており、触媒層12Aが電解質膜16の一方の面に密着するように配置されている。セパレータ18によって形成されるガス流路を通じて供給された水素ガスは、ガス拡散層12Bを通じて触媒層12Aに到達するようになっている。
Further, as shown in FIG. 1, the
触媒層12Aに備えられる触媒としては、上述の触媒層14Aに用いられる触媒を用いることができる。また、触媒層12Aは、カーボン粉末等に担持した触媒と、電解質膜16に用いられる高分子膜(電解質)の溶液と、結合剤等とを混合することで形成することができる。
As the catalyst provided in the
更に、触媒層12Aの外側(電解質膜16と密着していない側)に配置されるガス拡散層12Bは、ガス拡散層14Bと同じように、気孔を有する多孔性部材で構成することができる。
Furthermore, the gas diffusion layer 12B disposed outside the
ガス拡散層12Bの外側(触媒層12Aと密着していない側)には、セパレータ18が設置されており、ガス拡散層12Bに水素ガスの供給及び余剰水素ガスを排出するためのガス流路が形成されている。また、セパレータ18のガス供給側(紙面左側)には、ポンプP1及び調圧バルブV1が備えられた配管26の一端が接続されており、水素タンク28に貯蔵されている水素ガスが、ポンプP1の駆動によって燃料電池10に供給されるように構成されている。
A
更にセパレータ18のアノードオフガス排出側(紙面右側)には、配管30の一端が接続されており、アノード電極12において反応に寄与しなかった余剰水素ガスが配管32を通じてアノードオフガスとシステム外に排出されるようになっている。
Furthermore, one end of a
本実施の形態においては、ポンプP1の駆動によって水素タンク28に貯蔵された水素ガスが配管26を通じて燃料電池10に供給される。この際、水素ガスは調圧バルブV1によって圧力が制御されている。
In the present embodiment, the hydrogen gas stored in the
尚、本実施の形態における燃料電池システムはデッドエンド方式を採用しているため、一度アノード電極12から排出された水素ガスを再びアノード電極12に供給することがないため、調圧バルブV1の開度を供給毎に調整する必要はなく、調圧バルブV1の開度を一定に保てばよい。
Note that since the fuel cell system in the present embodiment employs the dead end method, the hydrogen gas once discharged from the
また、燃料電池10に供給された水素ガスは、セパレータ18によって形成されるガス流路からアノード電極12に供給される。アノード電極に供給された水素ガスは、ガス拡散層12Bを介して触媒層12Aに到達し、触媒層12Aに備えられた触媒の作用により、水素イオンと電子とを生成する。
Further, the hydrogen gas supplied to the
触媒層12Aにおいて発生した水素イオンは、電解質膜16を通過して、カソード電極14にまで移動し、酸素分子との反応に使用される。一方、電解質膜16を通過できない電子は、外部回路22を介してカソード電極14まで移動する。本発明の燃料電池10は、この電子の移動により外部装置48に電力を供給することができる。
Hydrogen ions generated in the
また、カソード電極14には、フィルター46を通過した空気が配管36に設けられた加湿器44によって加湿されながらコンプレッサー34によって供給されている。
Further, the air that has passed through the
カソード電極14に供給された空気は、ガス拡散層14Bによって拡散された後、酸素富化膜24によって窒素が分離され酸素富化空気となって触媒層14Aに供給される。
After the air supplied to the
触媒層14Aに供給された酸素富化空気は、電解質膜16を介してカソード電極14にまで移動した水素イオンと触媒上で、外部回路22を介して移動してきた電子を受け取って反応し水を生成する。水素イオンと酸素との反応によって生じた水は、反応に寄与せず、分離された窒素ガスを多く含むカソードオフガスと共に、配管32を通じて浄化装置38を介してシステム外に排出される。
The oxygen-enriched air supplied to the
本実施の形態によれば、カソード電極14の触媒層14Aとガス拡散層14Bとの間に酸素富化膜24を備えることから、窒素ガスが電解質膜16にまで達するのを抑制してアノード電極12にまで移動する窒素ガスの量を低減できるとともに、酸素濃度の高い空気を触媒層14Aに供給することで、触媒層14Aにおける反応効率を高めることができる。
According to the present embodiment, since the oxygen-enriched
また、本実施の形態によれば、酸素吸着カーボンを用いて触媒層14Aを形成されており、触媒層14Aに進入する空気の酸素濃度を高めることで、電解質膜16にまで到達する窒素ガスの量を抑制することができ、更に、触媒層14Aに進入する空気の酸素濃度を高めることで、触媒上を通過する酸素量を高めることができ、酸素分子と水素イオンと電子との反応効率を高めることができる。
Further, according to the present embodiment, the
(第2の実施の形態)
次に、図3を用いて、本発明の燃料電池の別の例を用いた燃料電池システムについて説明する。図3は、第2の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す概略図である。本実施の形態において用いられる燃料電池50は、図3に示すように第1の実施の形態におけるカソード電極14を、ガス拡散層52Bの外側(セパレータ20とガス拡散層52Bとの間)に非多孔質膜(均質膜)を主成分とする酸素富化膜54を備えたものである。また、触媒層52Aには、酸素富化膜成分として粒状のポリイミド多孔質体(以下、単に「ポリイミド」という場合がある。)が含有されている。本実施の形態における燃料電池50と第1の実施の形態における燃料電池10と共通する構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a fuel cell system using another example of the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment. As shown in FIG. 3, the
図3に示すようにカソード電極52は、酸素吸着カーボンに白金系の金属触媒を担持させた触媒層52Aと、気孔を有する多孔質部材で形成されたガス拡散層52Bと、酸素富化膜54と、から構成されており、触媒層52Aが電解質膜16の一方の面に密着するように配置されている。
As shown in FIG. 3, the
また、ガス拡散層52Bの外側(ガス拡散層52Bとセパレータ20との間)には、酸素富化膜54が設置されており、後述するセパレータ20によって形成されるガス流路から供給された空気に含まれる酸素ガスと窒素ガスとの内、酸素ガスのみを選択的に透過させるようになっている。酸素富化膜54を透過した空気は、ガス拡散層52Bを介して触媒層52Aに共有され、水素イオン及び電子と反応して水を生成する。
An oxygen-enriched
酸素富化膜54は、主として非多孔質膜(均質膜)である有機非多孔質高分子膜で形成されており、更に、導電体としてカーボンブラックが混入されている。酸素富化膜54は、非多孔質膜への気体分子の溶解度や膜中の拡散速度の差を利用して酸素のみを選択的(優先的)に透過させることができ、ガス拡散層52Bに供給する空気から窒素を分離することができる。また、酸素富化膜54には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を添加することができる。
The oxygen-enriched
酸素富化膜54を構成する有機非多孔質高分子膜としては、例えば、酢酸セルロース、ポリスルフォン、ポリアミド、ポリイミド、ポルフィリン膜等を挙げることができる。
Examples of the organic non-porous polymer film constituting the oxygen-enriched
酸素富化膜54の厚さとしては、本発明の効果を発揮できる程度であれば特に限定はないが、0.1〜100μm程度が好ましく、0.1〜1μmが更に好ましい。
The thickness of the oxygen-enriched
触媒層52Aは、粉状の活性炭等と、酸素富化膜成分であるポリイミドと、電解質膜成分と、から構成されており、更に活性炭等の担持体に担持された金属触媒が備えられている。触媒層52Aは酸素富化膜成分であるポリイミドが含有されているため、触媒層52Aに窒素ガスが進入した場合であっても、電解質膜16に到達する前に酸素富化膜成分によってその移動を抑制することができる。
The catalyst layer 52A is composed of powdered activated carbon or the like, polyimide that is an oxygen-enriched membrane component, and an electrolyte membrane component, and further includes a metal catalyst supported on a carrier such as activated carbon. . Since the catalyst layer 52A contains polyimide, which is an oxygen-enriched membrane component, even when nitrogen gas enters the catalyst layer 52A, the catalyst layer 52A moves by the oxygen-enriched membrane component before reaching the
また、触媒層52Aに備えられる触媒としては、第1の実施の形態における触媒層14Aと同様の触媒を適宜用いることができる。
Further, as the catalyst provided in the catalyst layer 52A, a catalyst similar to the
また、触媒層52Aは、カーボン粉末等に担持した触媒と、電解質膜16に用いられる高分子膜(電解質)の溶液と、酸素富化膜成分であるポリイミドと、結合剤等とを混合することで形成することができる。
Further, the catalyst layer 52A is a mixture of a catalyst supported on carbon powder or the like, a solution of a polymer film (electrolyte) used for the
図3に示すように触媒層52Aの外側(電解質膜16と密着していない側)にはガス拡散層52Bが設置されており、セパレータ20から酸素富化膜54を通過して供給された空気を拡散して、均一に触媒層52Aに供給できるようになっている。ガス拡散層52Bは気孔を有する多孔性部材で構成されており、該多孔性部材としては、カーボンペーパー、カーボン不織布、又は、カーボンクロス等が挙げられる。
As shown in FIG. 3, a gas diffusion layer 52B is provided outside the catalyst layer 52A (side not in close contact with the electrolyte membrane 16), and air supplied from the
本実施の形態においては、触媒層52Aに酸素富化膜成分であるポリイミドが含有されているが、例えば、ガス拡散層52B中に上記ポリイミドを含有させることもできる。尚、本発明において酸素富化膜成分はポリイミドに限定されるものではなく、酸素富化膜に用いられる成分を本発明の効果を損なわない範囲で適宜選定して用いることができる。 In the present embodiment, the catalyst layer 52A contains polyimide, which is an oxygen-enriched film component. For example, the gas diffusion layer 52B can contain the polyimide. In the present invention, the oxygen-enriched film component is not limited to polyimide, and components used for the oxygen-enriched film can be appropriately selected and used within a range not impairing the effects of the present invention.
酸素富化膜54の外側(ガス拡散層52Bと密着していない側)にはセパレータ20が設置されており、酸素富化膜54に空気を供給及び発電反応後のカソードオフガスを排出するためのガス流路が形成されている。
A
また、図3に示すようにセパレータ20の空気供給側(紙面左側)には、コンプレッサー34及び加湿器44を備えた配管36の一端が接続されており、フィルター46を通過して供給された空気が、コンプレッサー34によって加湿器44に加湿されながら燃料電池50に供給されるようになっている。
As shown in FIG. 3, one end of a
更にセパレータ20のカソードオフガス排出側(紙面右側)には、配管32の一端が接続されており、カソード電極52における発電反応によって生じた水や余剰空気等がカソードオフガスとして浄化装置38を介してシステム外に排出される。
Further, one end of a
本実施の形態においては、ポンプP1の駆動によって水素タンク28に貯蔵された水素ガスが配管26を通じて燃料電池10に供給される。この際、水素ガスは調圧バルブV1によって圧力が制御されている。尚、本実施の形態における燃料電池システムはデッドエンド方式を採用しているため、一度アノード電極12から排出された水素ガスを再びアノード電極12に供給することがないことから、調圧バルブV1の開度を供給毎に調整する必要はない。
In the present embodiment, the hydrogen gas stored in the
また、燃料電池10に供給された水素ガスは、セパレータ18によって形成されるガス流路からアノード電極12に供給される。アノード電極に供給された水素ガスは、ガス拡散層12Bを介して触媒層12Aに到達し、触媒層12Aに備えられた触媒の作用により、水素イオンと電子とを生成する。
Further, the hydrogen gas supplied to the
触媒層12Aにおいて発生した水素イオンは、電解質膜16を通過して、カソード電極14にまで移動し、酸素分子との反応に使用される。一方、電解質膜16を通過できない電子は、外部回路22を介してカソード電極14まで移動する。本発明の燃料電池10は、この電子の移動により外部装置48に電力を供給することができる。
Hydrogen ions generated in the
また、カソード電極52には、フィルター46を通過した空気が配管36に設けられた加湿器44によって加湿されながらコンプレッサー34によって供給されている。
Further, the air that has passed through the
カソード電極52に供給された空気は、酸素富化膜54によって窒素が分離され酸素富化空気となってガス拡散層52Bに供給される。ガス拡散層52Bに供給された酸素富化膜空気は拡散された後、触媒層52Aに供給される。
In the air supplied to the
触媒層52Aに供給された酸素富化空気は、電解質膜16を介してカソード電極52にまで移動した水素イオンと触媒上で、外部回路22を介して移動してきた電子を受け取って反応し水を生成する。水素イオンと酸素との反応によって生じた水は、反応に寄与せず、分離された窒素ガスを多く含むカソードオフガスと共に、配管32を通じて浄化装置38を介してシステム外に排出される。
The oxygen-enriched air supplied to the catalyst layer 52A receives and reacts with the hydrogen ions that have moved to the
本実施の形態によれば、ガス拡散層52Bとセパレータ20との間に酸素富化膜54を備えることから、窒素ガスが電解質膜16にまで達するのを抑制してアノード電極12にまで移動する窒素ガスの量を低減できる。更に、酸素濃度の高い空気を触媒層52Aに供給することができるので、触媒層52Aにおける反応効率を高めることができる。
According to the present embodiment, since the oxygen-enriched
また、本実施の形態によれば、触媒層52Aに酸素富化膜成分であるポリイミドを含有していることから、触媒層52Aに進入する空気に窒素ガスが残存している場合であっても、触媒層52Aにおいてその移動を阻害することができるため、電解質膜16にまで到達する窒素ガスの量を抑制することができる。
Further, according to the present embodiment, since the catalyst layer 52A contains polyimide as an oxygen-enriched film component, even if nitrogen gas remains in the air that enters the catalyst layer 52A. Since the movement of the catalyst layer 52A can be inhibited, the amount of nitrogen gas reaching the
尚、本発明においては、第1の実施の形態における酸素吸着カーボンを用いて形成された触媒層にポリイミド等の酸素富化膜成分を含有させることも可能である。 In the present invention, the catalyst layer formed using the oxygen-adsorbing carbon in the first embodiment can contain an oxygen-enriched film component such as polyimide.
上述の通り、本発明の燃料電池及びこれを用いた燃料電池システムは、カソード電極に備えられた酸素分離手段によって窒素ガスがアノード電極に移動するのを効果的に抑制でき、水素ガス供給量に対する発電効率を高めることができる。更に、本発明の燃料電池及びこれを用いた燃料電池システムによれば、長時間に渡って安定して電力を供給することができる。 As described above, the fuel cell of the present invention and the fuel cell system using the same can effectively suppress the movement of nitrogen gas to the anode electrode by the oxygen separation means provided in the cathode electrode, and the amount of hydrogen gas supplied can be reduced. Power generation efficiency can be increased. Furthermore, according to the fuel cell of the present invention and the fuel cell system using the same, electric power can be stably supplied over a long time.
また、本発明の燃料電池は、酸素富化空気をカソード電極の触媒に供給できるため、カソード電極に備えられた触媒上を通過する酸素の量を増加させることができ、カソード電極における酸素分子と水素イオンと電子との反応効率を高めることができる。 In addition, since the fuel cell of the present invention can supply oxygen-enriched air to the catalyst of the cathode electrode, the amount of oxygen passing over the catalyst provided in the cathode electrode can be increased. The reaction efficiency between hydrogen ions and electrons can be increased.
また、本発明の燃料電池をシステムは、酸素富化空気を得るために外部装置を必要としないことから、システムの小型化・簡略化を図ることができ、車両に搭載される燃料電池システム等として好適に用いることができる。 Further, since the fuel cell system of the present invention does not require an external device to obtain oxygen-enriched air, the system can be reduced in size and simplified, such as a fuel cell system mounted on a vehicle. Can be suitably used.
更に、本実施形態においては単セル構造の燃料電池を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数のセルを積層した燃料電池として構成することも可能である。 Furthermore, in the present embodiment, the fuel cell having a single cell structure has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and can be configured as a fuel cell in which a plurality of cells are stacked.
10,50 燃料電池
12 アノード電極
12A 触媒層
12B ガス拡散層
14,52 カソード電極
14A,52A 触媒層
14B,52B ガス拡散層
16 電解質膜
18,20 セパレータ
22 外部回路
24,54 酸素富化膜
10, 50
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