JP3643719B2 - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料極と酸化剤極の間に固体高分子電解質膜を介在させ、燃料極には水素を含む燃料ガスを供給すると共に、酸化剤極には酸化剤ガスを供給して、電力を発生させる固体高分子型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エネルギー変換効率が高く、然も発電反応によって有害物質を生成しない燃料電池が注目されており、かかる燃料電池として、１００℃以下の低い温度で作動する固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
図４は、固体高分子型燃料電池の発電原理を表わしたものであって、イオン導電性の固体高分子電解質膜(54)の両側に燃料極(55)と酸化剤極(56)を配置すると共に、更にその両側に燃料室(57)と酸化剤室(58)を配置して、電池セル(50)が形成され、燃料極(55)と酸化剤極(56)は、外部回路(59)を介して互いに接続されている。
【０００４】
燃料極(55)においては、燃料室(57)に供給された燃料ガスに含まれる水素Ｈ２が水素イオンＨ＋と電子ｅ−に分解され、水素イオンＨ＋は、固体高分子電解質膜(54)の内部を酸化剤極(56)に向かって移動する一方、電子ｅ−は外部回路(59)を酸化剤極(56)に向かって流れる。
又、酸化剤極(56)では、酸化剤室(58)に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素Ｏ２が、燃料極(55)から供給された水素イオンＨ＋及び電子ｅ−と反応して、水Ｈ２Ｏが生成される。
この様にして、電池全体として、水素と酸素から水が生成されると共に、起電力が発生するのである。
【０００５】
１つの電池セル(50)の起電力は低いため、通常、複数の電池セル(50)を互いに直列に接続して固体高分子型燃料電池が構成される。
例えば図３に示す固体高分子型燃料電池(５)は、複数の平板型の電池セル(50)を互いに重ね合わせて直列接続し、一体化したものであって、これらの電池セル(50)に、水素ガス等の燃料ガスを供給すると共に、空気等の酸化剤ガスを供給して、直列接続された複数の電池セル(50)が発生する電力を外部へ取り出すことが可能となっている。
【０００６】
該固体高分子型燃料電池(５)において、各電池セル(50)には、鉛直方向に伸びる複数本の燃料ガス供給溝(図示省略)と、水平方向に伸びる複数本の酸化剤ガス供給溝(53)とが凹設されている。
又、一方の端部に配置された電池セル(50)には、燃料ガス入口孔(51a)が開設されると共に、他方の端部に配置された電池セル(50)には、燃料ガス出口孔(52a)が開設され、これら両端部の電池セルを除く他の複数の電池セル(50)にはそれぞれ、燃料ガス供給用貫通孔(51)と燃料ガス排出用貫通孔(52)が開設されている。
そして、複数の電池セル(50)が互いに重ね合わされることによって、燃料ガス入口孔(51a)と複数の燃料ガス供給用貫通孔(51)とが互いに連通して、１本の燃料ガス供給路が形成されると共に、複数の燃料ガス排出用貫通孔(52)と燃料ガス出口孔(52a)とが互いに連通して、１本の燃料ガス排出路が形成される。
【０００７】
又、固体高分子型燃料電池(５)は、上記複数の酸化剤ガス供給溝(53)が露出した側面に、これらの酸化剤ガス供給溝(53)へ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給マニホールド(６)を具えている。
酸化剤ガス供給マニホールド(６)は、例えば、下方に向けて開口すると共に前記側方に向けて開口しており、下方の開口から取り入れられた酸化剤ガスを複数の酸化剤ガス供給溝(53)へ送り込むようになっている。
【０００８】
上記固体高分子型燃料電池(５)において、燃料ガスは、図中に実線の矢印で示す如く燃料ガス入口孔(51a)へ供給され、前記燃料ガス供給路を経て、各電池セル(50)に形成された複数の燃料ガス供給溝へ分配され、各燃料ガス供給溝を下向きに流れる過程で発電反応に供される。燃料ガス供給溝を流れて燃料ガス排出用貫通孔(52)に至った未反応燃料ガスは、複数の燃料ガス排出用貫通孔(52)によって形成された燃料ガス排出路を流れて、実線の矢印で示す如く燃料ガス出口孔(52a)から外部へ排出される。
【０００９】
一方、酸化剤ガスは、図中に破線の矢印で示す如く、酸化剤ガス供給マニホールド(６)の下方の開口から取り入れられ、側方の開口を経て酸化剤ガス供給溝(53)へ送り込まれ、各酸化剤ガス供給溝(53)を流れる過程で発電反応に供される。酸化剤ガス供給溝(53)を流れて酸化剤ガス供給溝(53)の出口に至った未反応酸化剤ガスは、破線の矢印で示す如く該出口から外部へ排出される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記固体高分子型燃料電池(５)は、発電動作中に、固体高分子電解質膜(54)の水分含有量が減少してイオン導電率が低下し、電池として機能しなくなる問題がある。
そこで、本発明者らは、未反応燃料ガスと未反応酸化剤ガスとを燃焼反応させ、これによって生成される水を固体高分子電解質膜に供給して、固体高分子電解質膜を湿潤させる固体高分子型燃料電池について特許出願中である(特願平9-196730[H01M8/10])。
しかし、該固体高分子型燃料電池においては、酸化剤室に供給される酸化剤ガスにケロシンやメタノール等の有機性不純物が含まれており、この有機性不純物が酸化剤極の表面に到達して電極触媒反応を阻害するため、電池電圧が低下する問題がある。
【００１１】
そこで、燃焼触媒装置により空気を燃焼させて、該空気に含まれる不純物を取り除き、これによって得られる清浄な空気を空気極に供給する燃料電池が提案されている(特開平7-94200[H01M8/04])。
しかしながら、該燃料電池においては、発電に供されなかった未反応燃料が再利用されることなく外部へ廃棄されるので、総合効率が低い問題がある。
そこで本発明の目的は、固体高分子電解質膜の乾燥を防止すると共に、電池電圧の低下を防止することが出来、然も、従来に比べて総合効率の高い固体高分子型燃料電池を提供することである。
【００１２】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る固体高分子型燃料電池は、燃料極(15)と酸化剤極(16)の間に固体高分子電解質膜(14)を介在させて構成される少なくとも１つの電池セル(10)を具え、水素を含む燃料ガスを燃料極(15)に供給すると共に、酸化剤ガスを酸化剤極(16)に供給して、電池セル(10)に電力を発生させるものである。そして、該固体高分子型燃料電池は、その特徴的構成において、
電池セル(10)から排出される未反応燃料ガスと、酸化剤極(16)に供給すべき全ての酸化剤ガスとを燃焼器(３)へ導入し、前記酸化剤ガスに含まれる酸素の一部を消費して、未反応燃料ガスを燃焼させると共に前記酸化剤ガスに含まれる不純物を燃焼させ、燃焼器(３)から排出される酸化剤ガスを酸化剤極(16)へ供給する。
【００１３】
本発明に係る固体高分子型燃料電池においては、燃焼器(３)に、電池セル(10)から排出される未反応燃料ガスが供給されると共に、外部から酸化剤ガスが供給される。
燃焼器(３)においては、未反応燃料ガスに含まれる水素が、酸化剤ガスに含まれる酸素と燃焼反応を起こし、該反応によって水が生成される。又、酸化剤ガスに含まれる不純物が、酸化剤ガスに含まれる酸素と燃焼反応を起こし、該反応によって不純物が分解されて水と二酸化炭素が生成される。ここで、燃焼器(３)に供給される酸化剤ガスには、上記燃焼反応及び発電反応に必要な量の酸素が含まれている。
【００１４】
従って、燃焼器(３)からは、水、酸素及び二酸化炭素を含む酸化剤ガスが排出されることになる。該酸化剤ガスは、酸化剤極(16)に供給され、酸化剤ガスに含まれる水は、固体高分子電解質膜(14)に浸透する一方、酸素は、発電反応に供されることになる。尚、酸化剤極(16)に供給される二酸化炭素が電池の動作に悪影響を及ぼすことはない。
【００１５】
本発明に係る固体高分子型燃料電池においては、酸化剤極(16)に、上述の如く水分を含む酸化剤ガスが供給されて、その水分が固体高分子電解質膜(14)に浸透するので、固体高分子電解質膜(14)の乾燥を防止することが出来る。
又、酸化剤極(16)に、不純物の分解された酸化剤ガスが供給されるので、従来の燃料電池の如く、酸化剤ガス中の不純物によって電池電圧が低下することはない。
又、未反応燃料ガスが燃焼器(３)に供給されて再利用されるので、未反応燃料ガスを廃棄していた従来よりも総合効率が向上する。
【００１６】
尚、外気及び未反応水素を触媒燃焼器に供給し、触媒燃焼器から得られる燃焼空気を外気と混合して空気極に供給する燃料電池が提案されている(特開平9-73911[H01M8/04])が、該燃料電池においては、燃焼空気と外気との混合空気が空気極に供給されるので、外気に含まれる不純物によって電池電圧が低下する虞れがある。
これに対し、本発明の燃料電池においては、酸化剤極に供給すべき全ての酸化剤ガスが燃焼器を通して酸化剤極に供給されるので、酸化剤極に供給される酸化剤ガスに不純物は含まれておらず、不純物によって電池電圧が低下することはない。
【００１７】
具体的には、燃焼器(３)に供給される酸化剤ガス及び未反応燃料ガスの総体積に対する水素ガスの体積濃度は、４.０ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下である。
【００１８】
燃焼器(３)に供給される水素ガスの量が過少である場合、未反応燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との燃焼反応、及び酸化剤ガスに含まれる不純物と酸素との燃焼反応が不十分となって、酸化剤極(16)に供給すべき酸化剤ガスを十分に加湿させると共に、不純物を確実に分解することが出来ない。一方、水素ガスの供給量が過大である場合、燃焼器(３)に供給される酸化剤ガス中の酸素の殆どが前記燃焼反応に消費されて、酸化剤極(16)に供給される酸素の量が減少する。
従って、水素ガスの体積濃度は、上記範囲に設定することが望ましい。
【００１９】
又、具体的には、燃焼器(３)は、触媒によって、未反応燃料ガス及び不純物の前記燃焼反応を活性化させるものである。
【００２０】
該具体的構成においては、未反応燃焼ガスと酸化剤ガスが燃焼触媒(32)に接触して、未反応燃焼ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との燃焼反応、及び酸化剤ガスに含まれる不純物と酸素との燃焼反応が活性化され、これによって、酸化剤極(16)に供給すべき酸化剤ガスをより十分に加湿させると共に、不純物をより確実に分解することが出来る。
【００２１】
【発明の効果】
本発明に係る固体高分子型燃料電池によれば、水分を含むと共に不純物の分解された酸化剤ガスが酸化剤極に供給されるので、固体高分子電解質膜の乾燥を防止することが出来ると共に、電池電圧の低下を防止することが出来る。又、未反応燃料ガスを再利用するので、未反応燃料ガスを廃棄していた従来の燃料電池に比べて総合効率が向上する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る固体高分子型燃料電池(１)は、図１に示す如く複数の平板型の電池セル(10)を互いに重ね合わせて直列接続し、一体化したものであって、水素ガス等の燃料ガスを供給すると共に、空気等の酸化剤ガスを供給して、直列接続された複数の電池セル(10)が発生する電力を外部へ取り出すことが可能となっている。
【００２３】
該固体高分子型燃料電池(１)は、前記複数の電池セル(10)の側部に、これらの電池セル(10)に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給マニホールド(２)を具えている。該酸化剤ガス供給マニホールド(２)の側部には、燃焼器(３)が設置され、電池セル(10)と燃焼器(３)とが、燃料ガス配管(４)によって互いに連結されている。
【００２４】
該固体高分子型燃料電池(１)において、各電池セル(10)には、鉛直方向に伸びる複数本の燃料ガス供給溝(図示省略)と、水平方向に伸びる複数本の酸化剤ガス供給溝(13)とが凹設されている。
又、一方の端部に配置された電池セル(10)には、燃料ガス入口孔(11a)が開設されると共に、他方の端部に配置された電池セル(10)には、燃料ガス出口孔(12a)が開設され、これら両端部の電池セルを除く他の複数の電池セル(10)にはそれぞれ、燃料ガス供給用貫通孔(11)と燃料ガス排出用貫通孔(12)が開設されている。
そして、複数の電池セル(10)が重ね合わされることによって、燃料ガス入口孔(11a)と複数の燃料ガス供給用貫通孔(11)とが互いに連通して、１本の燃料ガス供給路が形成されると共に、複数の燃料ガス排出用貫通孔(12)と燃料ガス出口孔(12a)とが互いに連通して、１本の燃料ガス排出路が形成される。
【００２５】
電池セル(10)の燃料ガス出口孔(12a)には、前記燃料ガス配管(４)の基端が接続され、その先端は、燃焼器(３)に設けられた燃料ガス流入孔(31)に接続されており、燃料ガス出口孔(12a)から排出される未反応燃料ガスは、燃料ガス配管(４)に送り込まれ、該配管(４)を流れて燃焼器(３)に送り込まれる。
又、燃焼器(３)は、下方に向けて開口し、該開口から酸化剤ガスが取り入れられる。
燃焼器(３)は、酸化剤ガス供給マニホールド(２)側の側方に向けて開口すると共に、酸化剤ガス供給マニホールド(２)は、燃焼器(３)側の側方に向けて開口し、燃焼器(３)の開口と酸化剤ガス供給マニホールド(２)の開口は互いに連通して、燃焼器(３)から後述の如く得られる酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールド(２)に供給することが可能となっている。
【００２６】
又、燃焼器(３)は、ハニカム構造を有しており、ガスが通過する流路の壁面に燃焼触媒層(図示省略)が形成されている。燃焼触媒層は、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｕ及びＲｈから選択された少なくとも１つの元素を含む材料から形成される。
酸化剤ガス供給マニホールド(２)は、電池セル(10)側の側方に向けて開口しており、燃焼器(３)から供給された酸化剤ガスを複数の酸化剤ガス供給溝(13)へ送り込むようになっている。
【００２７】
本発明に係る固体高分子型燃料電池(１)において、燃料ガスは、図中に実線の矢印で示す如く燃料ガス入口孔(11a)へ供給され、前記燃料ガス供給路を経て、各電池セル(10)に凹設された複数本の燃料ガス供給溝へ分配され、燃料ガス供給溝を下向きに流れる過程で発電反応に供される。燃料ガス供給溝を流れて燃料ガス排出用貫通孔(12)に至った未反応燃料ガスは、前記燃料ガス排出路を流れ、燃料ガス出口孔(12a)から燃料ガス配管(４)に送り込まれ、燃焼器(３)の燃料ガス流入孔(31)からその内部に流入する。
【００２８】
一方、酸化剤ガスは、図中に破線の矢印で示す如く、燃焼器(３)の下方の開口から取り入れられる。ここで、該酸化剤ガスには、ケロシンやメタノール等の有機性不純物が含まれている。
燃焼器(３)の内部では、下方の開口から取り入れられた酸化剤ガスと燃料ガス配管(４)から流入した未反応燃料ガスとが燃焼触媒層(図示省略)に接触して後述の燃焼反応を起こし、該反応によって、酸化剤ガスが加湿されると共に、酸化剤ガスに含まれる有機性不純物が分解される。
燃焼器(３)から得られる酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド(２)に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド(２)の側方の開口を経て酸化剤ガス供給溝(13)へ送り込まれ、酸化剤ガス供給溝(13)を流れる過程で発電反応に供される。酸化剤ガス供給溝(13)を流れて酸化剤ガス供給溝(13)の出口に至った未反応酸化剤ガスは、破線の矢印で示す如く該出口から外部へ排出される。
【００２９】
上記固体高分子型燃料電池(１)における発電反応及び燃焼反応について、図２に基づき具体的に説明する。
電池セル(10)は、図示の如くイオン導電性の固体高分子電解質膜(14)の両側に燃料極(15)と酸化剤極(16)とを配置すると共に、更にその両側に燃料室(17)と酸化剤室(18)を配置して構成され、燃料極(15)と酸化剤極(16)は、外部回路(19)を介して互いに接続されている。
又、燃料室(17)と燃焼器(３)が、燃料ガス配管(４)によって互いに接続されると共に、燃焼器(３)と酸化剤室(18)が、酸化剤ガス供給マニホールド(２)によって互いに接続されている。
【００３０】
燃料極(15)においては、燃料室(17)に供給された燃料ガスに含まれる水素Ｈ2が水素イオンＨ+と電子ｅ-に分解され、水素イオンＨ+は、固体高分子電解質膜(14)の内部を酸化剤極(16)に向かって移動する一方、電子ｅ-は外部回路(19)を酸化剤極(56)に向かって流れる。
又、酸化剤極(16)では、酸化剤室(18)に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素Ｏ2が、燃料極(15)から供給された水素イオンＨ+及び電子ｅ-と反応して、水Ｈ2Ｏが生成される。
この様にして、電池全体として、水素と酸素から水が生成されると共に、起電力が発生するのである。
【００３１】
燃料室(17)に供給された燃料ガスの内、酸化剤ガスに含まれる酸素Ｏ２と反応しなかった未反応燃料ガスは、燃料ガス配管(４)を経て燃焼器(３)に供給される。
燃焼器(３)では、未反応燃料ガス及び酸化剤ガスが燃焼触媒層(32)に接触して、未反応燃料ガスに含まれる水素Ｈ２と、酸化剤ガスに含まれる酸素Ｏ２とが燃焼反応を起こし、該反応によって水Ｈ２Ｏが生成される。又、酸化剤ガスに含まれる有機性不純物と、酸化剤ガスに含まれる酸素Ｏ２とが燃焼反応を起こし、該反応によって有機性不純物が分解されて水Ｈ２Ｏと二酸化炭素ガスＣＯ２が生成される。ここで、燃焼器(３)の内部には、燃焼触媒層(32)が形成されているので、該燃焼触媒層(32)によって上記燃焼反応が活性化されて、水素及び有機性不純物が十分に燃焼することになる。
又、燃焼器(３)に供給される酸化剤ガスには、上記発電反応と燃焼反応に必要な酸素Ｏ２が含まれている。
従って、燃焼器(３)からは、水Ｈ２Ｏ、酸素Ｏ２及び二酸化炭素ＣＯ２を含む酸化剤ガスが得られることになる。
【００３２】
この様にして得られる酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド(２)を経て酸化剤室(18)に供給され、水Ｈ２Ｏは、酸化剤極(16)を経て固体高分子電解質膜(14)に浸透する一方、酸素Ｏ２は、上述の如く発電反応に供されることになる。尚、酸化剤室(18)に供給される二酸化炭素ＣＯ２が電池の特性に悪影響を及ぼすことはない。
【００３３】
本実施例の固体高分子型燃料電池(１)においては、酸化剤室(18)に、上述の如く水分を含む酸化剤ガスが供給されて、その水分が酸化剤極(16)を経て固体高分子電解質膜(14)に浸透するので、固体高分子電解質膜(14)の乾燥を防止することが出来る。
又、酸化剤室(18)には、有機性不純物の分解された酸化剤ガスが供給されるので、従来の燃料電池の如く、酸化剤ガス中の有機性不純物が酸化剤極(16)に到達して電極触媒反応を阻害することはなく、電池電圧が低下することはない。
又、燃料室(17)から排出される未反応燃料ガスが燃焼器(３)に供給されて再利用されるので、未反応燃料ガスを廃棄していた従来の燃料電池よりも総合効率が向上する。
【００３４】
次に、本発明の効果を確認するために行なった実験の結果について説明する。
電池セルの作製
白金触媒をカーボン粉末に担持させたものにナフィオン溶液及びポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)を夫々２０％混合して触媒剤を調製し、該触媒剤をカーボンペーパーに塗布して、燃料極及び酸化剤極(共に１辺５ｃｍの正方形、厚さ２００μｍ)を形成した。そして、燃料極と酸化剤極の間に、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる固体高分子電解質膜(１辺７ｃｍの正方形)を挟んで、１５０℃、５０ｋｇ／ｃｍ２、６０ｓｅｃの条件下でこれらをホットプレスして互いに接合させた。この様にして作製した電極部を電池セルに組み込んだ。
電池電圧の測定
上記電池セルを、下記の条件で運転して、電池電圧の測定を行なった。
［条件］
電流密度０.５Ａ／ｃｍ２
セル温度８０℃
燃料利用率４０％
酸化剤(空気)利用率４０％
【００３５】
実験結果
上記電池電圧の測定結果を表１に示す。
【表１】
【００３６】
実施例及び参考例においては、空気に不純物を混入し、更に燃料排ガスを混入して得られた混合空気を酸化剤極に供給した。不純物は、４０℃のケロシンに空気を吹き付けたときのケロシンの蒸発量と同一の量だけ、空気に混入した。ここで、実施例及び参考例は、燃料排ガスの混入量を種々変化させて水素濃度を変化させ、各水素濃度における電池電圧の測定結果を表わしている。尚、水素濃度は、不純物混入後の空気及び燃料排ガスの総体積に対する水素ガスの体積濃度で定義される。
参考例１及び実施例５は、空気に不純物を混入し、更に燃料排ガスを混入して得られたものを、燃焼触媒に接触させた後、酸化剤極に供給した。
【００３７】
比較例１においては、空気に不純物を混入して得られたものを、燃焼触媒に接触させることなく、酸化剤極に供給した。
比較例２においては、空気に不純物及び燃料排ガスを混入しないで、空気のみを、燃焼触媒に接触させることなく、酸化剤極に供給した。
【００３８】
表１の結果から明らかなように、実施例１〜５において、比較例１及び２以上の高い電池電圧が得られている。特に、実施例２、３及び５においては、６１０ｍＶ以上の高い電池電圧が得られている。これは、燃料排ガスに含まれる水素ガスと空気に含まれる酸素ガスとの燃焼反応によって固体高分子電解質膜の湿潤に十分な水が生成されると共に、空気に含まれる不純物が酸素ガスとの燃焼反応によって確実に分解されたためと考えられる。又、実施例１〜５においては、燃料排ガスを混入する前の空気に含まれる酸素ガスの体積濃度と燃料排ガスを混入した後の空気に含まれる酸素ガスの体積濃度の差は、５ｖｏｌ％以下であった。従って、発電反応に十分な酸素が酸化剤極に供給されたためとも考えられる。
以上の結果から、水素濃度は、４.０ｖｏｌ％〜１０ｖｏｌ％以下の範囲に設定することが望ましいと言える。
【００３９】
又、実施例２と実施例５との間では、混合空気を燃焼触媒に接触させた実施例５において、燃焼触媒に接触させなかった実施例２に比べて高い電池電圧が得られている。これは、燃焼触媒によって燃焼反応が活性化されたためと考えられる。
【００４０】
又、参考例２〜９においては、比較例１に比べて高い電池電圧が得られているものの、比較例２に比べて高い電池電圧は得られていない。これは、参考例２〜５においては、水素濃度が低く、燃料排ガスに含まれる水素ガスと空気に含まれる酸素ガスとの燃焼反応、及び空気に含まれる不純物と酸素ガスとの燃焼反応が不十分であったためと考えられる。一方、参考例６〜１０においては、空気に含まれる酸素ガスの殆どが燃焼反応に消費されて、酸化剤極に供給される酸素の量が減少したためと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池の外観を表わす斜視図である。
【図２】上記固体高分子型燃料電池における発電反応及び燃焼反応を説明するための模式図である。
【図３】従来の固体高分子型燃料電池の外観を表わす斜視図である。
【図４】上記固体高分子型燃料電池の発電原理を説明するための模式図である。
【符号の説明】
(１) 燃料電池
(10) 電池セル
(11) 燃料ガス供給用貫通孔
(12) 燃料ガス排出用貫通孔
(13) 酸化剤ガス供給溝
(14) 固体高分子電解質膜
(15) 燃料極
(16) 酸化剤極
(17) 燃料室
(18) 酸化剤室
(19) 外部回路
(２) 酸化剤ガス供給マニホールド
(３) 燃焼器
(４) 燃料ガス配管
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料極と酸化剤極の間に固体高分子電解質膜を介在させ、燃料極には水素を含む燃料ガスを供給すると共に、酸化剤極には酸化剤ガスを供給して、電力を発生させる固体高分子型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エネルギー変換効率が高く、然も発電反応によって有害物質を生成しない燃料電池が注目されており、かかる燃料電池として、１００℃以下の低い温度で作動する固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
図４は、固体高分子型燃料電池の発電原理を表わしたものであって、イオン導電性の固体高分子電解質膜(54)の両側に燃料極(55)と酸化剤極(56)を配置すると共に、更にその両側に燃料室(57)と酸化剤室(58)を配置して、電池セル(50)が形成され、燃料極(55)と酸化剤極(56)は、外部回路(59)を介して互いに接続されている。
【０００４】
燃料極(55)においては、燃料室(57)に供給された燃料ガスに含まれる水素Ｈ２が水素イオンＨ＋と電子ｅ−に分解され、水素イオンＨ＋は、固体高分子電解質膜(54)の内部を酸化剤極(56)に向かって移動する一方、電子ｅ−は外部回路(59)を酸化剤極(56)に向かって流れる。
又、酸化剤極(56)では、酸化剤室(58)に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素Ｏ２が、燃料極(55)から供給された水素イオンＨ＋及び電子ｅ−と反応して、水Ｈ２Ｏが生成される。
この様にして、電池全体として、水素と酸素から水が生成されると共に、起電力が発生するのである。
【０００５】
１つの電池セル(50)の起電力は低いため、通常、複数の電池セル(50)を互いに直列に接続して固体高分子型燃料電池が構成される。
例えば図３に示す固体高分子型燃料電池(５)は、複数の平板型の電池セル(50)を互いに重ね合わせて直列接続し、一体化したものであって、これらの電池セル(50)に、水素ガス等の燃料ガスを供給すると共に、空気等の酸化剤ガスを供給して、直列接続された複数の電池セル(50)が発生する電力を外部へ取り出すことが可能となっている。
【０００６】
該固体高分子型燃料電池(５)において、各電池セル(50)には、鉛直方向に伸びる複数本の燃料ガス供給溝(図示省略)と、水平方向に伸びる複数本の酸化剤ガス供給溝(53)とが凹設されている。
又、一方の端部に配置された電池セル(50)には、燃料ガス入口孔(51a)が開設されると共に、他方の端部に配置された電池セル(50)には、燃料ガス出口孔(52a)が開設され、これら両端部の電池セルを除く他の複数の電池セル(50)にはそれぞれ、燃料ガス供給用貫通孔(51)と燃料ガス排出用貫通孔(52)が開設されている。
そして、複数の電池セル(50)が互いに重ね合わされることによって、燃料ガス入口孔(51a)と複数の燃料ガス供給用貫通孔(51)とが互いに連通して、１本の燃料ガス供給路が形成されると共に、複数の燃料ガス排出用貫通孔(52)と燃料ガス出口孔(52a)とが互いに連通して、１本の燃料ガス排出路が形成される。
【０００７】
又、固体高分子型燃料電池(５)は、上記複数の酸化剤ガス供給溝(53)が露出した側面に、これらの酸化剤ガス供給溝(53)へ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給マニホールド(６)を具えている。
酸化剤ガス供給マニホールド(６)は、例えば、下方に向けて開口すると共に前記側方に向けて開口しており、下方の開口から取り入れられた酸化剤ガスを複数の酸化剤ガス供給溝(53)へ送り込むようになっている。
【０００８】
上記固体高分子型燃料電池(５)において、燃料ガスは、図中に実線の矢印で示す如く燃料ガス入口孔(51a)へ供給され、前記燃料ガス供給路を経て、各電池セル(50)に形成された複数の燃料ガス供給溝へ分配され、各燃料ガス供給溝を下向きに流れる過程で発電反応に供される。燃料ガス供給溝を流れて燃料ガス排出用貫通孔(52)に至った未反応燃料ガスは、複数の燃料ガス排出用貫通孔(52)によって形成された燃料ガス排出路を流れて、実線の矢印で示す如く燃料ガス出口孔(52a)から外部へ排出される。
【０００９】
一方、酸化剤ガスは、図中に破線の矢印で示す如く、酸化剤ガス供給マニホールド(６)の下方の開口から取り入れられ、側方の開口を経て酸化剤ガス供給溝(53)へ送り込まれ、各酸化剤ガス供給溝(53)を流れる過程で発電反応に供される。酸化剤ガス供給溝(53)を流れて酸化剤ガス供給溝(53)の出口に至った未反応酸化剤ガスは、破線の矢印で示す如く該出口から外部へ排出される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記固体高分子型燃料電池(５)は、発電動作中に、固体高分子電解質膜(54)の水分含有量が減少してイオン導電率が低下し、電池として機能しなくなる問題がある。
そこで、本発明者らは、未反応燃料ガスと未反応酸化剤ガスとを燃焼反応させ、これによって生成される水を固体高分子電解質膜に供給して、固体高分子電解質膜を湿潤させる固体高分子型燃料電池について特許出願中である(特願平9-196730[H01M8/10])。
しかし、該固体高分子型燃料電池においては、酸化剤室に供給される酸化剤ガスにケロシンやメタノール等の有機性不純物が含まれており、この有機性不純物が酸化剤極の表面に到達して電極触媒反応を阻害するため、電池電圧が低下する問題がある。
【００１１】
そこで、燃焼触媒装置により空気を燃焼させて、該空気に含まれる不純物を取り除き、これによって得られる清浄な空気を空気極に供給する燃料電池が提案されている(特開平7-94200[H01M8/04])。
しかしながら、該燃料電池においては、発電に供されなかった未反応燃料が再利用されることなく外部へ廃棄されるので、総合効率が低い問題がある。
そこで本発明の目的は、固体高分子電解質膜の乾燥を防止すると共に、電池電圧の低下を防止することが出来、然も、従来に比べて総合効率の高い固体高分子型燃料電池を提供することである。
【００１２】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る固体高分子型燃料電池は、燃料極(15)と酸化剤極(16)の間に固体高分子電解質膜(14)を介在させて構成される少なくとも１つの電池セル(10)を具え、水素を含む燃料ガスを燃料極(15)に供給すると共に、酸化剤ガスを酸化剤極(16)に供給して、電池セル(10)に電力を発生させるものである。そして、該固体高分子型燃料電池は、その特徴的構成において、
電池セル(10)から排出される未反応燃料ガスと、酸化剤極(16)に供給すべき全ての酸化剤ガスとを燃焼器(３)へ導入し、前記酸化剤ガスに含まれる酸素の一部を消費して、未反応燃料ガスを燃焼させると共に前記酸化剤ガスに含まれる不純物を燃焼させ、燃焼器(３)から排出される酸化剤ガスを酸化剤極(16)へ供給する。
【００１３】
本発明に係る固体高分子型燃料電池においては、燃焼器(３)に、電池セル(10)から排出される未反応燃料ガスが供給されると共に、外部から酸化剤ガスが供給される。
燃焼器(３)においては、未反応燃料ガスに含まれる水素が、酸化剤ガスに含まれる酸素と燃焼反応を起こし、該反応によって水が生成される。又、酸化剤ガスに含まれる不純物が、酸化剤ガスに含まれる酸素と燃焼反応を起こし、該反応によって不純物が分解されて水と二酸化炭素が生成される。ここで、燃焼器(３)に供給される酸化剤ガスには、上記燃焼反応及び発電反応に必要な量の酸素が含まれている。
【００１４】
従って、燃焼器(３)からは、水、酸素及び二酸化炭素を含む酸化剤ガスが排出されることになる。該酸化剤ガスは、酸化剤極(16)に供給され、酸化剤ガスに含まれる水は、固体高分子電解質膜(14)に浸透する一方、酸素は、発電反応に供されることになる。尚、酸化剤極(16)に供給される二酸化炭素が電池の動作に悪影響を及ぼすことはない。
【００１５】
本発明に係る固体高分子型燃料電池においては、酸化剤極(16)に、上述の如く水分を含む酸化剤ガスが供給されて、その水分が固体高分子電解質膜(14)に浸透するので、固体高分子電解質膜(14)の乾燥を防止することが出来る。
又、酸化剤極(16)に、不純物の分解された酸化剤ガスが供給されるので、従来の燃料電池の如く、酸化剤ガス中の不純物によって電池電圧が低下することはない。
又、未反応燃料ガスが燃焼器(３)に供給されて再利用されるので、未反応燃料ガスを廃棄していた従来よりも総合効率が向上する。
【００１６】
尚、外気及び未反応水素を触媒燃焼器に供給し、触媒燃焼器から得られる燃焼空気を外気と混合して空気極に供給する燃料電池が提案されている(特開平9-73911[H01M8/04])が、該燃料電池においては、燃焼空気と外気との混合空気が空気極に供給されるので、外気に含まれる不純物によって電池電圧が低下する虞れがある。
これに対し、本発明の燃料電池においては、酸化剤極に供給すべき全ての酸化剤ガスが燃焼器を通して酸化剤極に供給されるので、酸化剤極に供給される酸化剤ガスに不純物は含まれておらず、不純物によって電池電圧が低下することはない。
【００１７】
具体的には、燃焼器(３)に供給される酸化剤ガス及び未反応燃料ガスの総体積に対する水素ガスの体積濃度は、４.０ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下である。
【００１８】
燃焼器(３)に供給される水素ガスの量が過少である場合、未反応燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との燃焼反応、及び酸化剤ガスに含まれる不純物と酸素との燃焼反応が不十分となって、酸化剤極(16)に供給すべき酸化剤ガスを十分に加湿させると共に、不純物を確実に分解することが出来ない。一方、水素ガスの供給量が過大である場合、燃焼器(３)に供給される酸化剤ガス中の酸素の殆どが前記燃焼反応に消費されて、酸化剤極(16)に供給される酸素の量が減少する。
従って、水素ガスの体積濃度は、上記範囲に設定することが望ましい。
【００１９】
又、具体的には、燃焼器(３)は、触媒によって、未反応燃料ガス及び不純物の前記燃焼反応を活性化させるものである。
【００２０】
該具体的構成においては、未反応燃焼ガスと酸化剤ガスが燃焼触媒(32)に接触して、未反応燃焼ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との燃焼反応、及び酸化剤ガスに含まれる不純物と酸素との燃焼反応が活性化され、これによって、酸化剤極(16)に供給すべき酸化剤ガスをより十分に加湿させると共に、不純物をより確実に分解することが出来る。
【００２１】
【発明の効果】
本発明に係る固体高分子型燃料電池によれば、水分を含むと共に不純物の分解された酸化剤ガスが酸化剤極に供給されるので、固体高分子電解質膜の乾燥を防止することが出来ると共に、電池電圧の低下を防止することが出来る。又、未反応燃料ガスを再利用するので、未反応燃料ガスを廃棄していた従来の燃料電池に比べて総合効率が向上する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
本発明に係る固体高分子型燃料電池(１)は、図１に示す如く複数の平板型の電池セル(10)を互いに重ね合わせて直列接続し、一体化したものであって、水素ガス等の燃料ガスを供給すると共に、空気等の酸化剤ガスを供給して、直列接続された複数の電池セル(10)が発生する電力を外部へ取り出すことが可能となっている。
【００２３】
該固体高分子型燃料電池(１)は、前記複数の電池セル(10)の側部に、これらの電池セル(10)に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給マニホールド(２)を具えている。該酸化剤ガス供給マニホールド(２)の側部には、燃焼器(３)が設置され、電池セル(10)と燃焼器(３)とが、燃料ガス配管(４)によって互いに連結されている。
【００２４】
該固体高分子型燃料電池(１)において、各電池セル(10)には、鉛直方向に伸びる複数本の燃料ガス供給溝(図示省略)と、水平方向に伸びる複数本の酸化剤ガス供給溝(13)とが凹設されている。
又、一方の端部に配置された電池セル(10)には、燃料ガス入口孔(11a)が開設されると共に、他方の端部に配置された電池セル(10)には、燃料ガス出口孔(12a)が開設され、これら両端部の電池セルを除く他の複数の電池セル(10)にはそれぞれ、燃料ガス供給用貫通孔(11)と燃料ガス排出用貫通孔(12)が開設されている。
そして、複数の電池セル(10)が重ね合わされることによって、燃料ガス入口孔(11a)と複数の燃料ガス供給用貫通孔(11)とが互いに連通して、１本の燃料ガス供給路が形成されると共に、複数の燃料ガス排出用貫通孔(12)と燃料ガス出口孔(12a)とが互いに連通して、１本の燃料ガス排出路が形成される。
【００２５】
電池セル(10)の燃料ガス出口孔(12a)には、前記燃料ガス配管(４)の基端が接続され、その先端は、燃焼器(３)に設けられた燃料ガス流入孔(31)に接続されており、燃料ガス出口孔(12a)から排出される未反応燃料ガスは、燃料ガス配管(４)に送り込まれ、該配管(４)を流れて燃焼器(３)に送り込まれる。
又、燃焼器(３)は、下方に向けて開口し、該開口から酸化剤ガスが取り入れられる。
燃焼器(３)は、酸化剤ガス供給マニホールド(２)側の側方に向けて開口すると共に、酸化剤ガス供給マニホールド(２)は、燃焼器(３)側の側方に向けて開口し、燃焼器(３)の開口と酸化剤ガス供給マニホールド(２)の開口は互いに連通して、燃焼器(３)から後述の如く得られる酸化剤ガスを酸化剤ガス供給マニホールド(２)に供給することが可能となっている。
【００２６】
又、燃焼器(３)は、ハニカム構造を有しており、ガスが通過する流路の壁面に燃焼触媒層(図示省略)が形成されている。燃焼触媒層は、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ａｕ及びＲｈから選択された少なくとも１つの元素を含む材料から形成される。
酸化剤ガス供給マニホールド(２)は、電池セル(10)側の側方に向けて開口しており、燃焼器(３)から供給された酸化剤ガスを複数の酸化剤ガス供給溝(13)へ送り込むようになっている。
【００２７】
本発明に係る固体高分子型燃料電池(１)において、燃料ガスは、図中に実線の矢印で示す如く燃料ガス入口孔(11a)へ供給され、前記燃料ガス供給路を経て、各電池セル(10)に凹設された複数本の燃料ガス供給溝へ分配され、燃料ガス供給溝を下向きに流れる過程で発電反応に供される。燃料ガス供給溝を流れて燃料ガス排出用貫通孔(12)に至った未反応燃料ガスは、前記燃料ガス排出路を流れ、燃料ガス出口孔(12a)から燃料ガス配管(４)に送り込まれ、燃焼器(３)の燃料ガス流入孔(31)からその内部に流入する。
【００２８】
一方、酸化剤ガスは、図中に破線の矢印で示す如く、燃焼器(３)の下方の開口から取り入れられる。ここで、該酸化剤ガスには、ケロシンやメタノール等の有機性不純物が含まれている。
燃焼器(３)の内部では、下方の開口から取り入れられた酸化剤ガスと燃料ガス配管(４)から流入した未反応燃料ガスとが燃焼触媒層(図示省略)に接触して後述の燃焼反応を起こし、該反応によって、酸化剤ガスが加湿されると共に、酸化剤ガスに含まれる有機性不純物が分解される。
燃焼器(３)から得られる酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド(２)に供給され、酸化剤ガス供給マニホールド(２)の側方の開口を経て酸化剤ガス供給溝(13)へ送り込まれ、酸化剤ガス供給溝(13)を流れる過程で発電反応に供される。酸化剤ガス供給溝(13)を流れて酸化剤ガス供給溝(13)の出口に至った未反応酸化剤ガスは、破線の矢印で示す如く該出口から外部へ排出される。
【００２９】
上記固体高分子型燃料電池(１)における発電反応及び燃焼反応について、図２に基づき具体的に説明する。
電池セル(10)は、図示の如くイオン導電性の固体高分子電解質膜(14)の両側に燃料極(15)と酸化剤極(16)とを配置すると共に、更にその両側に燃料室(17)と酸化剤室(18)を配置して構成され、燃料極(15)と酸化剤極(16)は、外部回路(19)を介して互いに接続されている。
又、燃料室(17)と燃焼器(３)が、燃料ガス配管(４)によって互いに接続されると共に、燃焼器(３)と酸化剤室(18)が、酸化剤ガス供給マニホールド(２)によって互いに接続されている。
【００３０】
燃料極(15)においては、燃料室(17)に供給された燃料ガスに含まれる水素Ｈ2が水素イオンＨ+と電子ｅ-に分解され、水素イオンＨ+は、固体高分子電解質膜(14)の内部を酸化剤極(16)に向かって移動する一方、電子ｅ-は外部回路(19)を酸化剤極(56)に向かって流れる。
又、酸化剤極(16)では、酸化剤室(18)に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素Ｏ2が、燃料極(15)から供給された水素イオンＨ+及び電子ｅ-と反応して、水Ｈ2Ｏが生成される。
この様にして、電池全体として、水素と酸素から水が生成されると共に、起電力が発生するのである。
【００３１】
燃料室(17)に供給された燃料ガスの内、酸化剤ガスに含まれる酸素Ｏ２と反応しなかった未反応燃料ガスは、燃料ガス配管(４)を経て燃焼器(３)に供給される。
燃焼器(３)では、未反応燃料ガス及び酸化剤ガスが燃焼触媒層(32)に接触して、未反応燃料ガスに含まれる水素Ｈ２と、酸化剤ガスに含まれる酸素Ｏ２とが燃焼反応を起こし、該反応によって水Ｈ２Ｏが生成される。又、酸化剤ガスに含まれる有機性不純物と、酸化剤ガスに含まれる酸素Ｏ２とが燃焼反応を起こし、該反応によって有機性不純物が分解されて水Ｈ２Ｏと二酸化炭素ガスＣＯ２が生成される。ここで、燃焼器(３)の内部には、燃焼触媒層(32)が形成されているので、該燃焼触媒層(32)によって上記燃焼反応が活性化されて、水素及び有機性不純物が十分に燃焼することになる。
又、燃焼器(３)に供給される酸化剤ガスには、上記発電反応と燃焼反応に必要な酸素Ｏ２が含まれている。
従って、燃焼器(３)からは、水Ｈ２Ｏ、酸素Ｏ２及び二酸化炭素ＣＯ２を含む酸化剤ガスが得られることになる。
【００３２】
この様にして得られる酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド(２)を経て酸化剤室(18)に供給され、水Ｈ２Ｏは、酸化剤極(16)を経て固体高分子電解質膜(14)に浸透する一方、酸素Ｏ２は、上述の如く発電反応に供されることになる。尚、酸化剤室(18)に供給される二酸化炭素ＣＯ２が電池の特性に悪影響を及ぼすことはない。
【００３３】
本実施例の固体高分子型燃料電池(１)においては、酸化剤室(18)に、上述の如く水分を含む酸化剤ガスが供給されて、その水分が酸化剤極(16)を経て固体高分子電解質膜(14)に浸透するので、固体高分子電解質膜(14)の乾燥を防止することが出来る。
又、酸化剤室(18)には、有機性不純物の分解された酸化剤ガスが供給されるので、従来の燃料電池の如く、酸化剤ガス中の有機性不純物が酸化剤極(16)に到達して電極触媒反応を阻害することはなく、電池電圧が低下することはない。
又、燃料室(17)から排出される未反応燃料ガスが燃焼器(３)に供給されて再利用されるので、未反応燃料ガスを廃棄していた従来の燃料電池よりも総合効率が向上する。
【００３４】
次に、本発明の効果を確認するために行なった実験の結果について説明する。
電池セルの作製
白金触媒をカーボン粉末に担持させたものにナフィオン溶液及びポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)を夫々２０％混合して触媒剤を調製し、該触媒剤をカーボンペーパーに塗布して、燃料極及び酸化剤極(共に１辺５ｃｍの正方形、厚さ２００μｍ)を形成した。そして、燃料極と酸化剤極の間に、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる固体高分子電解質膜(１辺７ｃｍの正方形)を挟んで、１５０℃、５０ｋｇ／ｃｍ２、６０ｓｅｃの条件下でこれらをホットプレスして互いに接合させた。この様にして作製した電極部を電池セルに組み込んだ。
電池電圧の測定
上記電池セルを、下記の条件で運転して、電池電圧の測定を行なった。
［条件］
電流密度０.５Ａ／ｃｍ２
セル温度８０℃
燃料利用率４０％
酸化剤(空気)利用率４０％
【００３５】
実験結果
上記電池電圧の測定結果を表１に示す。
【表１】
実施例及び参考例においては、空気に不純物を混入し、更に燃料排ガスを混入して得られた混合空気を酸化剤極に供給した。不純物は、４０℃のケロシンに空気を吹き付けたときのケロシンの蒸発量と同一の量だけ、空気に混入した。ここで、実施例及び参考例は、燃料排ガスの混入量を種々変化させて水素濃度を変化させ、各水素濃度における電池電圧の測定結果を表わしている。尚、水素濃度は、不純物混入後の空気及び燃料排ガスの総体積に対する水素ガスの体積濃度で定義される。
参考例１及び実施例５は、空気に不純物を混入し、更に燃料排ガスを混入して得られたものを、燃焼触媒に接触させた後、酸化剤極に供給した。
【００３７】
比較例１においては、空気に不純物を混入して得られたものを、燃焼触媒に接触させることなく、酸化剤極に供給した。
比較例２においては、空気に不純物及び燃料排ガスを混入しないで、空気のみを、燃焼触媒に接触させることなく、酸化剤極に供給した。
【００３８】
表１の結果から明らかなように、実施例１〜５において、比較例１及び２以上の高い電池電圧が得られている。特に、実施例２、３及び５においては、６１０ｍＶ以上の高い電池電圧が得られている。これは、燃料排ガスに含まれる水素ガスと空気に含まれる酸素ガスとの燃焼反応によって固体高分子電解質膜の湿潤に十分な水が生成されると共に、空気に含まれる不純物が酸素ガスとの燃焼反応によって確実に分解されたためと考えられる。又、実施例１〜５においては、燃料排ガスを混入する前の空気に含まれる酸素ガスの体積濃度と燃料排ガスを混入した後の空気に含まれる酸素ガスの体積濃度の差は、５ｖｏｌ％以下であった。従って、発電反応に十分な酸素が酸化剤極に供給されたためとも考えられる。
以上の結果から、水素濃度は、４.０ｖｏｌ％〜１０ｖｏｌ％以下の範囲に設定することが望ましいと言える。
【００３９】
又、実施例２と実施例５との間では、混合空気を燃焼触媒に接触させた実施例５において、燃焼触媒に接触させなかった実施例２に比べて高い電池電圧が得られている。これは、燃焼触媒によって燃焼反応が活性化されたためと考えられる。
【００４０】
又、参考例２〜９においては、比較例１に比べて高い電池電圧が得られているものの、比較例２に比べて高い電池電圧は得られていない。これは、参考例２〜５においては、水素濃度が低く、燃料排ガスに含まれる水素ガスと空気に含まれる酸素ガスとの燃焼反応、及び空気に含まれる不純物と酸素ガスとの燃焼反応が不十分であったためと考えられる。一方、参考例６〜１０においては、空気に含まれる酸素ガスの殆どが燃焼反応に消費されて、酸化剤極に供給される酸素の量が減少したためと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池の外観を表わす斜視図である。
【図２】上記固体高分子型燃料電池における発電反応及び燃焼反応を説明するための模式図である。
【図３】従来の固体高分子型燃料電池の外観を表わす斜視図である。
【図４】上記固体高分子型燃料電池の発電原理を説明するための模式図である。
【符号の説明】
(１) 燃料電池
(10) 電池セル
(11) 燃料ガス供給用貫通孔
(12) 燃料ガス排出用貫通孔
(13) 酸化剤ガス供給溝
(14) 固体高分子電解質膜
(15) 燃料極
(16) 酸化剤極
(17) 燃料室
(18) 酸化剤室
(19) 外部回路
(２) 酸化剤ガス供給マニホールド
(３) 燃焼器
(４) 燃料ガス配管
Claims (3)
- 燃料極（１５）と酸化剤極（１６）の間に固体高分子電解質膜（１４）を介在させて構成される少なくとも１つの電池セル（１０）を具え、水素を含む燃料ガスを燃料極（１５）に供給すると共に、酸化剤ガスを酸化剤極（１６）に供給して、電池セル（１０）に電力を発生させる固体高分子型燃料電池において、
電池セル（１０）から排出される未反応燃料ガスと、酸化剤極（１６）に供給すべき全ての酸化剤ガスとを燃焼器（３）へ導入し、前記酸化剤ガスに含まれる酸素の一部を消費して、未反応燃料ガスを燃焼させると共に前記酸化剤ガスに含まれる有機性不純物を燃焼させ、燃焼器（３）から排出される酸化剤ガスを酸化剤極（１６）へ供給するものであり、燃焼器（３）に供給される酸化剤ガス及び未反応燃料ガスの総体積に対する水素ガスの体積濃度は、４．０ｖｏｌ％以上１０ｖｏｌ％以下であることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 - 燃焼器（３）には、外部から酸化剤ガスを取り入れるためのガス供給口が開設されると共に、電池セル（１０）から排出される未反応燃料ガスを燃焼器（３）に導く燃料ガス配管（４）と、燃焼器（３）から排出される酸化剤ガスを酸化剤極（１６）に供給する酸化剤ガス供給マニホールド（２）とが接続されている請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
- 燃焼器（３）は、触媒によって、未反応燃料ガス及び有機性不純物の前記燃焼反応を活性化させるものである請求項１又は請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。
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