JP2010073325A - 水素発生装置、燃料電池および発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】金属系水素発生剤を用いて効率良く水素を発生させる水素発生装置と水素を用いて効率良く発電可能な燃料電池を用いた発電システムを提案すること。
【解決手段】発電システム１は、金属系水素発生剤２１が充填された収納部２２を備えた水素発生装置２と、水素および空気を用いて発電する固体高分子形の燃料電池３を有している。金属系水素発生剤は、少なくとも、鉄、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、ナトリウム、ゼオライトおよびコージェライトの混合物を微粉末にしたものであり、当該混合物の総重量に対して、ゼオライトおよびコージェライトが数パーセント含まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属系水素発生剤を用いた水素発生装置および固体高分子形の燃料電池を備えた発電システムに関する。

燃料電池として、常温で作動する高分子電解質膜を備えた固体高分子形の燃料電池が知られている。例えば、特許文献１には、この形式の燃料電池および、当該燃料電池に水素を供給するための金属系水素発生剤が開示されている。
特開２００４−２４４２５１号公報

本発明の課題は、効率良く水素を発生させることのできる金属系水素発生剤を備えた水素発生装置および水素を燃料として用いて効率良く発電動作を行う固体高分子形の燃料電池を備えた発電システムを提案することにある。

本発明の発電システムは、水素発生装置と、この水素発生装置から供給される水素を燃料として発電する燃料電池とを有している。

水素発生装置は、金属系水素発生剤と、この金属系水素発生剤が充填されている通水性の収納部と、金属系水素発生剤に供給する水を貯留している水タンクとを備えている。金属系水素発生剤は、少なくとも、鉄、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、ナトリウム、ゼオライトおよびコージェライトの混合物を微粉末にしたものであり、当該混合物の総重量に対して、ゼオライトおよびコージェライトが数パーセント含まれていることを特徴としている。

ここで、水素発生装置の装置ケースに、金属系水素発生剤が充填されている通水性の収納部が着脱可能な状態で装着されていることが望ましい。例えば、金属系水素発生剤が充填されている通水性の収納部をカートリッジ式の硬質素材からなる容器、あるいは、柔軟な不織布製の袋とすることができる。収納部を交換式にすることにより、金属系水素発生剤を詰め替えて再利用でき、水素発生装置のコスト低減に有利である。

次に、燃料電池のアノード燃料極として、白金およびルテニウムを重量比で１：１の割合で含み、白金およびルテニウムと、ゼオライト、コージェライト、カーボンおよび有機金属錯体の触媒とを、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）およびナフィオン（デュポン社の登録商標）の溶液に混合してペースト状にし、このペースト状の混合物を撥水処理されたカーボンペーパーの表面に塗布したものを用いることができる。ここで、白金とルテニウムを重量比で１：１の割合で含み、これらの金属と前記カーボンを重量比で８０：２０の割合で含んでいることが望ましい。

また、燃料電池のカソード空気極として、白金、ゼオライト、コージェライト、カーボンおよび有機金属錯体の触媒を、ＰＴＦＥおよびナフィオンの溶液に混合してペースト状にし、このペースト状の混合物を撥水処理されたカーボンペーパーの表面に塗布したものを用いることができる。

さらに、本発明の燃料電池では、上記のアノード燃料極およびカソード空気極の間に、電界質膜として機能するナフィオン１１７を挟み、これらを加熱圧着して膜電極接合体を形成することが望ましい。

次に、本発明の燃料電池用水素発生装置は、
金属系水素発生剤と、この金属系水素発生剤が充填されている通水性の収納部と、前記金属系水素発生剤に供給する水を貯留している水タンクとを備え、
前記金属系水素発生剤は、少なくとも、鉄、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、ナトリウム、ゼオライトおよびコージェライトの混合物を微粉末にしたものであり、当該混合物の総重量に対して、ゼオライトおよびコージェライトが数パーセント含まれていることを特徴としている。

ここで、装置ケースに、金属系水素発生剤が充填されている通水性の収納部が着脱可能な状態で装着されていることが望ましい。例えば、金属系水素発生剤が充填されている通水性の収納部として不織布製の袋を用いることができる。

次に、本発明の燃料電池は、
アノード燃料極は、白金およびルテニウムを重量比で１：１の割合で含み、白金およびルテニウムと、ゼオライト、コージェライト、カーボンおよび有機金属錯体の触媒とを、ＰＴＦＥおよびナフィオンの溶液に混合してペースト状にし、このペースト状の混合物を撥水処理されたカーボンペーパーの表面に塗布したものであり、白金とルテニウムを重量比で１：１の割合で含み、これらの金属とカーボンを重量比で８０：２０の割合で含んでおり、
カソード空気極は、白金、ゼオライト、コージェライト、カーボンおよび有機金属錯体の触媒を、ＰＴＦＥおよびナフィオンの溶液に混合してペースト状にし、このペースト状の混合物を撥水処理されたカーボンペーパーの表面に塗布したものであり、
アノード燃料極とカソード空気極の間に、電界質膜として機能するナフィオン１１７を挟み、これらを加熱圧着して膜電極接合体が形成されていることを特徴としている。

本発明の発電システムによれば、効率良く水素を発生させることができ、また、効率良く水素を燃料として用いて発電を行うことができる。

図１は本発明を適用した発電システムの実施の形態を示す概略構成図である。本実施の形態に係る発電システム１は、金属系水素発生剤を用いて水素を発生させる水素発生装置２と、この水素発生装置２から供給される水素を燃料として発電する燃料電池３と、この燃料電池３によって発生する電力を蓄える蓄電部４と、この蓄電部４から交流電流を出力するためのインバーター５と、蓄電部４から直流電流を出力するためのＤＣ−ＤＣコンバーター６と、各部の制御を司る制御回路７とを有している。

水素発生装置２は、アルカリ金属類を含む金属系水素発生剤２１が充填されている通水性の収納部２２（カートリッジ）と、金属系水素発生剤２１に供給する水を貯留している水タンク２３と、収納部２２において発生した水素を一時的に貯留する水素タンク２４とを備えている。水タンク２３の水は、水道水、海水、地下水などから得たものである。水タンク２３と収納部２２の間は開閉弁２５が介挿された給水パイプ２６を介して接続されており、水タンク２３と水素タンク２４の間も開閉弁２７が介挿された連通管２８を介して接続されている。水タンク２３には燃料電池３の側から水を回収するための水回収管２９が接続されており、回収ポンプ３０によって水が水タンク２３に回収される。水素タンク２４内の水素は、供給ポンプ３１によって、開閉弁３２を備えた燃料供給管３３を介して燃料電池３の側に供給される。これら開閉弁２５、２７、回収ポンプ３０、供給ポンプ３１、開閉弁３２は制御回路７によって駆動制御される。

ここで、金属系水素発生剤２１は、少なくとも、鉄、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、ナトリウム、ゼオライトおよびコージェライトの混合物を微粉末にしたものであり、この微粉末上の混合物の総重量に対して、ゼオライトおよびコージェライトが数パーセント含まれている。

また、収納部２２は、水素発生装置２の装置ケース２０に着脱可能な状態で装着されている。例えば、金属系水素発生剤が充填されている通水性の収納部２２は不織布製の袋である。収納部２２を交換式にすることにより、金属系水素発生剤２１を詰め替えて収納部２２を再利用することができる。

次に、燃料電池３は、アノード燃料極（触媒）３４およびカソード空気極（触媒）３５の間に、電界質膜３６であるナフィオン１１７を挟み、これらを加熱圧着して形成した膜電極接合体３７を備えている。アノード燃料極３４には水素が供給され、カソード空気極３５には空気（酸素）が供給される。膜電極接合体３７の両側には絶縁性のセパレーター３８、３９が取り付けられており、これらのセパレーター３８、３９には残留水、反応によって発生した水を回収するための回収路３８ａ、３９ａが形成されている。回収路３８ａ、３９ａは、回収ポンプ３０によって、水回収管２９を介して水タンク２３に回収される。

アノード燃料極３４およびカソード空気極３５にはそれぞれ集電用端子３４ａ、３５ａが接続されており、これらの間は集電回路４０を介して蓄電部４に接続されている。蓄電部４は例えば二次電池であり、燃料電池３において発生した電力が当該蓄電部４に蓄えられる。二次電池の代わりにキャパシタを用いてもよい。

ここで、燃料電池３のアノード燃料極３４には、白金およびルテニウムを重量比で１：１の割合で含み、白金およびルテニウムと、ゼオライト、コージェライト、カーボンおよび有機金属錯体の触媒とを、ＰＴＦＥおよびナフィオンの溶液、例えば、テフロン（登録商標）およびナフィオンの溶液に混合してペースト状にし、このペースト状の混合物を撥水処理されたカーボンペーパーの表面に塗布したものが用いられている。白金とルテニウムは重量比で１：１の割合で含まれ、これらの金属とカーボンは重量比で８０：２０の割合で含まれている。

また、燃料電池３のカソード空気極３５には、白金、ゼオライト、コージェライト、カーボンおよび有機金属錯体の触媒を、ＰＴＦＥおよびナフィオンの溶液、例えば、テフロンおよびナフィオンの溶液に混合してペースト状にし、このペースト状の混合物を撥水処理されたカーボンペーパーの表面に塗布したものが用いられている。

この構成の発電システム１では、制御回路７の制御の下に、開閉弁２５を開閉制御して水タンク２３から収納部２２内の金属系水素発生剤２１に所定流量で水を供給する。これにより金属系水素発生剤２１によって水素ガスが発生する。発生した水素ガスは開閉弁２７を開くことにより連通管２８を介して水素タンク２４に蓄えられる。

水素タンク２４内の水素は、開閉弁３２を開き、供給ポンプ３１を駆動することにより、所定の流量で燃料供給管３３を介して燃料電池３のアノード燃料極３４に供給される。アノード燃料極３４の側において水素と反応して電子と水素イオンが発生し、電子は集電回路４０を介して蓄電部４に蓄えられる。水素イオンは電解質膜３６を介してカソード空気極３５の側に移動する。カソード空気極３５では、水素イオンと、外部から供給される酸素と、集電回路４０から供給される電子が反応して水が生成される。生成された水は、回収ポンプ３０によって水回収管２９を介して水タンク２３に回収される。

本発明を適用した発電システムを示す概略構成図である。

符号の説明

１ 発電システム
２ 水素発生装置
３ 燃料電池
４ 蓄電部
５ インバーター
６ ＤＣ−ＤＣコンバーター
７ 制御回路
２０ 装置ケース
２１ 金属系水素発生剤
２２ 収納部
２３ 水タンク
２４ 水素タンク
２５ 開閉弁
２６ 給水パイプ
２７ 開閉弁
２８ 連通管
２９ 水回収管
３０ 回収ポンプ
３１ 供給ポンプ
３２ 開閉弁
３３ 燃料供給管
３４ アノード燃料極
３５ カソード空気極
３４ａ，３５ａ 集電用端子
３６ 電解質膜
３７ 膜電極接合体
３８，３９ セパレーター
４０ 集電回路

Claims (8)

1. 水素発生装置と、この水素発生装置から供給される水素を燃料として発電する燃料電池とを有し、
   水素発生装置は、金属系水素発生剤と、この金属系水素発生剤が充填されている通水性の収納部と、金属系水素発生剤に供給する水を貯留している水タンクとを備え、
   金属系水素発生剤は、少なくとも、鉄、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、ナトリウム、ゼオライトおよびコージェライトの混合物を微粉末にしたものであり、当該混合物の総重量に対して、ゼオライトおよびコージェライトが数パーセント含まれていることを特徴とする発電システム。
2. 請求項１に記載の発電システムにおいて、
   水素発生装置の装置ケースに、金属系水素発生剤が充填されている通水性の収納部が着脱可能な状態で装着されていることを特徴とする発電システム。
3. 請求項２に記載の発電システムにおいて、
   金属系水素発生剤が充填されている通水性の収納部は不織布製の袋であることを特徴とする発電システム。
4. 請求項１ないし３のうちのいずれかの項に記載の発電システムにおいて、
   燃料電池のアノード燃料極は、白金およびルテニウムを重量比で１：１の割合で含み、白金およびルテニウムと、ゼオライト、コージェライト、カーボンおよび有機金属錯体の触媒とを、ポリテトラフルオロエチレンおよびナフィオン（登録商標）の溶液に混合してペースト状にし、このペースト状の混合物を撥水処理されたカーボンペーパーの表面に塗布したものであり、白金とルテニウムを重量比で１：１の割合で含み、これらの金属とカーボンを重量比で８０：２０の割合で含んでおり、
   燃料電池のカソード空気極は、白金、ゼオライト、コージェライト、カーボンおよび有機金属錯体の触媒を、ポリテトラフルオロエチレンおよびナフィオンの溶液に混合してペースト状にし、このペースト状の混合物を撥水処理されたカーボンペーパーの表面に塗布したものであり、
   アノード燃料極とカソード空気極の間に、電界質膜として機能するナフィオン１１７を挟み、これらを加熱圧着して膜電極接合体が形成されていることを特徴とする発電システム。
5. 金属系水素発生剤と、この金属系水素発生剤が充填されている通水性の収納部と、金属系水素発生剤に供給する水を貯留している水タンクとを備え、
   金属系水素発生剤は、少なくとも、鉄、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、ナトリウム、ゼオライトおよびコージェライトの混合物を微粉末にしたものであり、当該混合物の総重量に対して、ゼオライトおよびコージェライトが数パーセント含まれていることを特徴とする燃料電池用水素発生装置。
6. 請求項５に記載の燃料電池用水素発生装置において、
   装置ケースに、金属系水素発生剤が充填されている通水性の収納部が着脱可能な状態で装着されていることを特徴とする燃料電池用水素発生装置。
7. 請求項５に記載の燃料電池用水素発生装置において、
   金属系水素発生剤が充填されている通水性の収納部は不織布製の袋であることを特徴とする燃料電池用水素発生装置。
8. アノード燃料極は、白金およびルテニウムを重量比で１：１の割合で含み、白金およびルテニウムと、ゼオライト、コージェライト、カーボンおよび有機金属錯体の触媒とを、ポリテトラフルオロエチレンおよびナフィオンの溶液に混合してペースト状にし、このペースト状の混合物を撥水処理されたカーボンペーパーの表面に塗布したものであり、白金とルテニウムを重量比で１：１の割合で含み、これらの金属とカーボンを重量比で８０：２０の割合で含んでおり、
   カソード空気極は、白金、ゼオライト、コージェライト、カーボンおよび有機金属錯体の触媒を、ポリテトラフルオロエチレンおよびナフィオンの溶液に混合してペースト状にし、このペースト状の混合物を撥水処理されたカーボンペーパーの表面に塗布したものであり、
   アノード燃料極とカソード空気極の間に、電界質膜として機能するナフィオン１１７を挟み、これらを加熱圧着して膜電極接合体が形成されていることを特徴とする燃料電池。

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