JP3519828B2 - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム

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Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、水素ガス
等の燃料ガスにより作動する燃料電池を備えた燃料電池
システムに関する。 【０００２】 【従来の技術】固体高分子電解質膜を挟んでアノード側
電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルをセパ
レータによって挟持して複数積層することにより構成さ
れた燃料電池が開発され、この燃料電池を自動車や２輪
車等の移動体の動力源電池として使用することが実用化
されつつある。 【０００３】この種の燃料電池は、例えば、メタノール
の水蒸気改質により生成された水素ガス（燃料ガス）を
アノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空
気）をカソード側電極に供給することにより、前記水素
ガスがイオン化して固体高分子電解質内を流れ、これに
より燃料電池の外部に電気エネルギが得られるように構
成されている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
に燃料電池を移動体の動力源電池として使用する際、エ
ンジン搭載型自動車等の排気ガス中の一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）が、酸化剤ガスである空気と共にカソード側電極に
供給され易い。特に、渋滞時において、トンネル内およ
びディーゼルトラックの後ろでは、ＣＯ濃度が著しく高
くなる。このため、一酸化炭素により燃料電池セルの電
極触媒がＣＯ被毒されてしまう。しかも、固体高分子電
解質膜型燃料電池では、ＣＯ濃度が１０ｐｐｍ程度でも
電極触媒のＣＯ被毒が発生し、電池性能が大きく低下す
るという問題が指摘されている。 【０００５】本発明は、この種の問題を解決するもので
あり、一酸化炭素を確実に除去した空気を酸化剤ガスと
して燃料電池に供給するとともに、構造の簡単な燃料電
池システムを提供することを目的とする。 【０００６】 【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、カソード側電極に配設された管路に外
部空気が導入されると、触媒反応手段の作用下に前記空
気中の一酸化炭素が選択的に酸化される。このため、カ
ソード側電極に酸化剤ガスとして供給される空気中から
一酸化炭素を確実に除去することができ、電極触媒のＣ
Ｏ被毒を有効に阻止することが可能になる。 【０００７】 【発明の実施の形態】図１は、参考例としての燃料電池
システム１０の概略構成を示す図である。この燃料電池
システム１０は、メタノールタンク１２から供給される
メタノール（ＣＨ3ＯＨ）を水蒸気改質する改質器１４
と、この改質器１４に水分を供給するとともに前記改質
器１４から導出される水素ガス（燃料ガス）および二酸
化炭素ガスを加湿するための水分を供給する水タンク１
６と、大気中の空気（酸化剤ガス）を導入してこの空気
中の一酸化炭素を除去する酸化剤ガス供給部１７と、前
記加湿された水素ガスおよび二酸化炭素ガスと前記一酸
化炭素が除去された空気が供給される燃料電池１８と、
この燃料電池１８から排出される排出成分をガスと水分
に分離するとともにこの分離された水分を前記水タンク
１６に供給するための第１および第２気液分離器２０、
２２とを備える。 【０００８】水タンク１６、改質器１４、燃料電池１
８、第１および第２気液分離器２０、２２は、経路２４
により連通している。 【０００９】改質器１４は、バーナー２６を備えてお
り、このバーナー２６には、第１気液分離器２０から経
路２８を介して未反応水素および二酸化炭素等が導入さ
れるとともに、空気、または必要に応じて第２気液分離
器２２から管路３０を介して未反応酸素および窒素等が
供給される。この第１および第２気液分離器２０、２２
は、冷却器、例えば、ラジエータで構成されている。 【００１０】燃料電池１８は、複数の燃料電池セル３２
を積層して構成されており、各燃料電池セル３２は、単
位セル構造体３４とこの単位セル構造体３４を挟持する
セパレータ３６とを備える。単位セル構造体３４は、固
体高分子電解質膜３８と、この固体高分子電解質膜３８
を挟んで対設される水素極（アノード側電極）４０と、
空気極（カソード側電極）４２とを有し、この水素極４
０とこの空気極４２は、電気モータ等の負荷４４に接続
されている。 【００１１】酸化剤ガス供給部１７は、大気と燃料電池
１８を連通する管路４６を備え、この管路４６には、前
記大気側から前記燃料電池１８側に向かってフィルタ４
８と触媒反応手段５０とエアコンプレッサ５２とインタ
クーラ５４とが直列的に配設される。 【００１２】触媒反応手段５０は、管路４６に取り入れ
られる空気中の一酸化炭素を選択的に酸化させるため
に、ＣＯ選択酸化触媒としてＰｔ、Ｒｕ、ＲｈまたはＰ
ｄ等、あるいはこれらの合金からなる貴金属触媒を有す
る。ＣＯ酸化温度は、１００〜２００℃であり、触媒反
応手段５０には、加熱手段としてヒータ５６が配設され
る。なお、ヒータ５６を用いることなく、改質器１４の
バーナー２６からの排熱を利用することもできる。 【００１３】セパレータ３６には、水素ガスおよび空気
を単位セル構造体３４側に送り込むための孔部（図示せ
ず）の他、水タンク１６に経路５８ａ、５８ｂを介して
連通する冷却用空間（図示せず）が形成されている。 【００１４】このように構成される燃料電池システム１
０の動作について説明する。 【００１５】先ず、メタノールタンク１２から改質器１
４にメタノールが供給されるとともに、この改質器１４
に水タンク１６から水分が供給され、バーナー２６の加
熱作用下に前記メタノールの水蒸気改質が行われる。な
お、起動時には、バーナー２６にメタノールが供給され
ている。 【００１６】メタノールの水蒸気改質反応後に、水タン
ク１６から水分が添加されることにより、燃料電池１８
の水素極４０には、加湿された作動ガス（水素ガスおよ
び二酸化炭素ガス）が供給される。 【００１７】一方、酸化剤ガス供給部１７では、大気中
に開放された管路４６から空気が導入され、この空気が
フィルタ４８を通って除塵された後に触媒反応手段５０
に供給される。触媒反応手段５０では、ヒータ５６（ま
たはバーナー２６の排熱）により１００〜２００℃の範
囲内のＣＯ酸化温度が得られ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈまたは
Ｐｄ等、あるいはこれらの合金からなる貴金属触媒を介
して空気中の一酸化炭素が選択的に酸化される。これに
より、ＣＯ濃度が低減された空気は、エアコンプレッサ
５２で圧縮された後、インタクーラ５４で所望の温度に
調整されて燃料電池１８の空気極４２に導入される。 【００１８】燃料電池１８では、作動ガス中の水素ガス
がイオン化して固体高分子電解質膜３８内を空気極４２
側に流れ、この水素イオンが前記空気極４２で酸素およ
び電子と反応して水が生成される。そして、燃料電池１
８の水素極４０から排出される排出成分は、第１気液分
離器２０に導入されてガスと水分に分離されるととも
に、空気極４２から排出される排出成分は、第２気液分
離器２２に導入されてガスと水分に分離される。第１お
よび第２気液分離器２０、２２により回収される水分
は、それぞれ経路２４を介して水タンク１６に供給され
る。 【００１９】また、第１気液分離器２０で分離された未
反応水素ガスおよび二酸化炭素ガスと未回収水分は、経
路２８を介してバーナー２６に導かれて燃焼および改質
等の温度保持に用いられる。第２気液分離器２２で分離
された未反応酸素ガスおよび窒素ガスと未回収水分は、
管路３０を介して排気され、または、必要に応じてバー
ナー２６に導かれる。 【００２０】ところで、燃料電池システム１０が自動車
や２輪車の動力源電池として使用される際、エンジン搭
載型自動車等の排気ガス中の一酸化炭素が管路４６から
燃料電池１８内に導入され易い。特に、渋滞時におい
て、トンネル内およびディーゼルトラックの後ろでは、
管路４６から導入される空気中のＣＯ濃度が著しく高く
なる。 【００２１】しかしながら、燃料電池システム１０で
は、管路４６に導入された空気が触媒反応手段５０に供
給されることにより、この空気中の一酸化炭素が選択的
に酸化される。従って、空気極４２に酸化剤ガスとして
供給される空気中から一酸化炭素を確実に除去すること
ができ、前記一酸化炭素による前記空気極４２の電極触
媒（例えば、白金触媒）のＣＯ被毒を簡単な構造で確実
に阻止することが可能になり、電池性能の低下を有効に
回避することができるという効果が得られる。 【００２２】次に、図２には、本発明の実施形態に係る
燃料電池システム７０の要部が示されている。この燃料
電池システム７０を構成する酸化剤ガス供給部７２は、
大気と燃料電池１８を連通する管路７４を備え、この管
路７４には、前記大気側から前記燃料電池１８側に向か
ってフィルタ７６とエアコンプレッサ７８と触媒反応手
段８０とインタクーラ８２とが直列的に配設される。 【００２３】触媒反応手段８０は、触媒反応手段５０と
同様に、ＣＯ選択酸化触媒としてＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈまた
はＰｄ等、あるいはこれらの合金からなる貴金属触媒を
有するが、エアコンプレッサ７８が触媒反応手段８０の
上流側に配置されているため、このエアコンプレッサ７
８で空気が圧縮される際に発生する熱を利用することに
より、ヒータ等の加熱手段を不要にすることができる。 【００２４】すなわち、本実施形態では、エアコンプレ
ッサ７８で圧縮された空気は、その圧縮によってＣＯ酸
化温度（１００〜２００℃）の範囲内に加熱されてお
り、前記空気を触媒反応手段８０に供給するだけで、該
空気中の一酸化炭素を確実に選択的に酸化させることが
可能になるという利点がある。 【００２５】次いで、図３には、別の参考例としての燃
料電池システム９０の要部が示されている。この燃料電
池システム９０を構成する酸化剤ガス供給部９２は、大
気と燃料電池１８を連通する管路９４を備え、この管路
９４には、前記大気側から前記燃料電池１８側に向かっ
てフィルタ９６とエアブロア９８と触媒反応手段１００
とインタクーラ１０２とが直列的に配設される。なお、
触媒反応手段１００は、第１の実施形態に係る触媒反応
手段５０と同様に構成されており、加熱手段としてヒー
タ１０４またはバーナー２６からの排熱を用いている。 【００２６】 【００２７】 【発明の効果】以上のように、本発明に係る燃料電池シ
ステムでは、カソード側電極に配設される管路に導入さ
れた外部空気中の一酸化炭素が、触媒反応手段の作用下
に選択的に酸化される。このため、カソード側電極に酸
化剤ガスとして供給される空気中から一酸化炭素を確実
に除去することができ、電極触媒のＣＯ被毒を阻止して
電池性能の低下を回避することが可能になる。燃料電池
システムが自動車や２輪車等の動力源電池として使用さ
れる際、エンジン搭載型自動車等の排気ガス中の一酸化
炭素による悪影響を有効に除去することができる。
【図面の簡単な説明】 【図１】参考例としての燃料電池システムの概略構成説
明図である。 【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの要
部構成説明図である。 【図３】別の参考例としての燃料電池システムの要部構
成説明図である。

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】自動車等の移動体の動力源電源として使用
    される燃料電池システムであって、 固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード
    側電極を対設した燃料電池セルが複数積層された燃料電
    池と、 前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する管路に配設
    され、前記管路に取り入れられる空気中の一酸化炭素を
    選択的に酸化させる触媒反応手段と、 を備え、 前記触媒反応手段は、空気を前記燃料電池に供給するた
    めのエアコンプレッサと前記燃料電池との間に配設され
    ており、前記エアコンプレッサで加熱された前記空気
    が、直接、前記触媒反応手段に供給され ることを特徴と
    する燃料電池システム。
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