JP3519828B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
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。
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)
- (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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