JP5292718B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
電解質膜の両面に触媒層が設けられてなる膜電極接合体を備える燃料電池と、
前記触媒層に接続するガス流路と、
前記ガス流路に接続し、該ガス流路を介して前記触媒層に供給する水素ガスを貯留するための燃料タンクと、
前記燃料タンクから前記ガス流路を介し前記触媒層に至るまでのガスの流通経路に備えられ、前記燃料タンク中から水素ガスと二重結合を有する水素化可能な非硫黄系付臭剤とを含む混合ガスが与えられたときに前記混合ガス中の前記付臭剤を水素化する水素化触媒と、
前記燃料電池が発する熱を前記水素化触媒に供給する熱供給手段と、
を備えることを特徴とする。
前記付臭剤が、不飽和炭化水素化合物を含む付臭剤であることを特徴とする。
前記燃料電池は、複数の前記膜電極接合体がセパレータを挟んで積層されてなる燃料電池スタックであって、
前記ガス流路は、前記燃料電池スタックの内部を延びて前記複数の前記膜電極接合体のそれぞれの触媒層に接続するマニホールドと、該燃料電池スタックの外部に備えられ該マニホールドと前記燃料タンクとを接続する管路とを含み、
前記水素化触媒をその内部に備え、前記燃料電池スタックに一体化されて前記マニホールドと前記管路との間に介在する水素化セルを備えることを特徴とする。
前記燃料電池は、複数の前記膜電極接合体がセパレータを挟んで積層されてなる燃料電池スタックであって、
前記ガス流路は、前記燃料電池スタックの内部を延びて前記複数の前記膜電極接合体のそれぞれの触媒層に接続するマニホールドを含み、
前記水素化触媒が、前記マニホールドに備えられることを特徴とする。
ガス拡散層と、該ガス拡散層に積層され該ガス拡散層と接する面に溝を有する板材とを含んで構成され、該ガス拡散層が前記触媒層を向くように該触媒層に重ねて設けられるガス流通部材を備え、
前記ガス流路と前記溝とが接続され、該溝は該ガス流路と前記触媒層との間に介在しており、
前記水素化触媒が、前記溝の内面に備えられることを特徴とする。
電解質膜の両面に、触媒と担体とを含んでなる触媒層が設けられた膜電極接合体と、
前記触媒層に重ねて設けられ、ガスの流入口と、該ガス流入口からその内部を延びて該触媒層に接続するガス流路とを備えるガス流通部材と、
を備える燃料電池であって、
前記触媒層のうち前記ガス流入口の近傍に位置する第1の部位と、該触媒層のうち該第1の部位以外の第2の部位とは、触媒の材料が異なるものとされており、
前記第1の部位の触媒の材料は、水素原子からプロトンを生じさせる活性作用が前記第2の部位の触媒の材料よりも低く、
前記第1の部位の触媒の材料および前記第2の部位の触媒の材料は、二重結合を有する水素化可能な非硫黄系付臭剤を、前記二重結合を無くすように水素化する活性作用である水素化活性作用を有しており、
前記第1の部位の触媒の材料の前記水素化活性作用は、前記第2の部位の触媒の材料の前記水素化活性作用よりも高いことを特徴とする。
前記触媒層の前記第1の部位の触媒は、ニッケルモリブデン系(NiMo系)触媒またはコバルトモリブデン系(CoMo系)触媒を含むことを特徴とする。
また、第8の発明は、第1乃至5の発明のいずれか1つにおいて、
前記ガス流路は、前記触媒層に接続するアノード側ガス流路であり、
前記アノード側ガス流路の下流に接続され、前記燃料電池システムがデッドエンド運転されるように制御されるパージ弁を備え、
前記燃料電池の発電の際に、水素化された非硫黄系付臭剤が前記水素化触媒の下流へと流出し水素と共に前記燃料電池に供給されることを特徴とする。
[実施の形態1の構成]
図1は、本発明の実施の形態1の燃料電池システムを説明するための図である。図1の燃料電池システム10は、燃料タンク12を含んでいる。燃料タンク12には、水素と非硫黄系の付臭剤との混合ガスが貯留されている。付臭剤により水素漏れを検知する手法によれば、水素洩れ検知専用のセンサなどの省略が可能であるという利点がある。本実施形態では、付臭剤として、アクリル酸エチルを用いることとする。
以下、実施の形態1の燃料電池システム10の動作ならびに作用について説明する。上述したように、燃料タンク12には、安全性などの観点から、非硫黄系の付臭剤が混入されている。燃料電池システム10の発電時には、燃料タンク12から水素と付臭剤の混合ガスが下流へと供給される。
(第1変形例)
実施の形態1では、水素に添加する非硫黄系の付臭剤として、アクリル酸エチルを用いた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。上記述べたように、付臭剤中のπ電子が触媒表面に吸着し易いという点が、付臭剤が触媒を被毒する要因となっている。このような付臭剤を水素化することにより、付臭剤の触媒への吸着性を低下させることが可能である。この点に着目すれば、本発明に用いることが可能な付臭剤はアクリル酸エチルになんら限定されるものではない。
本実施形態では、燃料電池システムを、燃料電池16に燃料ガスを供給し、当該燃料ガスを内部に留めつつ発電を行うシステムとした(アノードデッドエンド型システム)。しかしながら、本発明は必ずしもこのようなシステムに限られない。燃料電池のアノード側のガス流路を含む循環系を備え、当該循環系内で水素を循環させるようなシステムに対しても、本発明を適用することができる。
実施の形態1では、水素化装置14の構成を、触媒活性点26が担持された担体24がひだ状に折り込まれたものをその内部に備える構成とした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、ハニカム形状の基材に触媒活性点を担持させたものを用いても良い。当該ハニカム基材の材料としては、金属、セラミックスなどの非導電性材料など種々の材料を適用することができる。
実施の形態1では、燃料電池16の発電により発生する熱を、水素化装置14へと供給することとした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。必要に応じ、ヒータなど他の加熱機構を用いてもよい。また、水素化装置14の加熱方法としては、例えば、燃料電池システム10が車両に搭載された場合には、ブレーキからの摩擦熱、ブレーキの回生エネルギ、その車両運転時に生ずる熱を利用することもできる。これにより、実施の形態1と同様に加熱機構を簡略化、省略でき、また、ラジエータの小型化も可能となるという利点もある。
本実施形態では、セラミックス製の支持体を担体24に用い、触媒活性点26としての白金を支持体に塗布することにより、水素化触媒を形成することとしている。しかしながら、安価な点などの優位性を考慮し、貴金属以外の材料を触媒活性点として用いることができる。
図5は、本発明の実施の形態2の燃料電池システムの構成を説明するための図である。実施の形態2のシステムは、実施の形態1と同様に、付臭剤と水素が混入された燃料タンク112を備えている。燃料タンク112は、管路114を介して、燃料電池スタック116に接続している。燃料電池スタック116は、複数の単位燃料電池132とともに、水素化セル130を備えている。実施の形態2のシステムは、水素化セル130によって付臭剤の水素化を行う点に特徴を有している。
図6は、実施の形態3の燃料電池システムの構成を説明する図であって、実施の形態3にかかる単位燃料電池内部の構成を説明するための図である。実施の形態3のシステムは、実施の形態1と同様に、非硫黄系の付臭剤と水素を含む燃料タンク、複数の単位燃料電池が積層されてなる燃料電池、パージ弁などを備える。
図7は、実施の形態4の燃料電池システムにかかる単位燃料電池332の構成を説明するための図である。実施の形態4のシステムは、実施の形態3と同様に、非硫黄系の付臭剤と水素を含む燃料タンク、複数の単位燃料電池が積層されてなる燃料電池、パージ弁などを備える。以下の説明では、実施の形態4の特徴点である、単位燃料電池332のアノード側の構成についてのみ説明し、実施の形態3と同様の点については説明を省略する。
図8は、本発明の実施の形態5にかかる燃料電池432の構成を説明する図である。燃料電池432は、上記述べた実施の形態1乃至4における単位燃料電池と同様に、膜電極接合体、ガス拡散層、溝が設けられた集電用板材とが積層されて構成される。以下の説明では、実施の形態5の特徴点である、燃料電池432のアノード側の構成についてのみ説明する。
12 燃料タンク
14 水素化装置
16 燃料電池
18 アノードガス入口
20 アノードガス出口
22 パージ弁
24 担体
26 触媒活性点
28 水素化触媒
112 燃料タンク
116 燃料電池スタック
130 水素化セル
132、232、332,432、532 単位燃料電池
134 アノード側ガス流路
140 マニホールド
240 電解質膜
242、442 電極触媒層
244 ガス拡散層
246 セパレータ
248、448 ガス流路
250、350、450 水素化触媒層
Claims (8)
- 電解質膜の両面に触媒層が設けられてなる膜電極接合体を備える燃料電池と、
前記触媒層に接続するガス流路と、
前記ガス流路に接続し、該ガス流路を介して前記触媒層に供給する水素ガスを貯留するための燃料タンクと、
前記燃料タンクから前記ガス流路を介し前記触媒層に至るまでのガスの流通経路に備えられ、前記燃料タンク中から水素ガスと二重結合を有する水素化可能な非硫黄系付臭剤とを含む混合ガスが与えられたときに前記混合ガス中の前記付臭剤を水素化する水素化触媒と、
前記燃料電池が発する熱を前記水素化触媒に供給する熱供給手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記付臭剤が、不飽和炭化水素化合物を含む付臭剤であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池は、複数の前記膜電極接合体がセパレータを挟んで積層されてなる燃料電池スタックであって、
前記ガス流路は、前記燃料電池スタックの内部を延びて前記複数の前記膜電極接合体のそれぞれの触媒層に接続するマニホールドと、該燃料電池スタックの外部に備えられ該マニホールドと前記燃料タンクとを接続する管路とを含み、
前記水素化触媒をその内部に備え、前記燃料電池スタックに一体化されて前記マニホールドと前記管路との間に介在する水素化セルを備えることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池は、複数の前記膜電極接合体がセパレータを挟んで積層されてなる燃料電池スタックであって、
前記ガス流路は、前記燃料電池スタックの内部を延びて前記複数の前記膜電極接合体のそれぞれの触媒層に接続するマニホールドを含み、
前記水素化触媒が、前記マニホールドに備えられることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。 - ガス拡散層と、該ガス拡散層に積層され該ガス拡散層と接する面に溝を有する板材とを含んで構成され、該ガス拡散層が前記触媒層を向くように該触媒層に重ねて設けられるガス流通部材を備え、
前記ガス流路と前記溝とが接続され、該溝は該ガス流路と前記触媒層との間に介在しており、
前記水素化触媒が、前記溝の内面に備えられることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。 - 電解質膜の両面に、触媒と担体とを含んでなる触媒層が設けられた膜電極接合体と、
前記触媒層に重ねて設けられ、ガスの流入口と、該ガス流入口からその内部を延びて該触媒層に接続するガス流路とを備えるガス流通部材と、
を備える燃料電池であって、
前記触媒層のうち前記ガス流入口の近傍に位置する第1の部位と、該触媒層のうち該第1の部位以外の第2の部位とは、触媒の材料が異なるものとされており、
前記第1の部位の触媒の材料は、水素原子からプロトンを生じさせる活性作用が前記第2の部位の触媒の材料よりも低く、
前記第1の部位の触媒の材料および前記第2の部位の触媒の材料は、二重結合を有する水素化可能な非硫黄系付臭剤を、前記二重結合を無くすように水素化する活性作用である水素化活性作用を有しており、
前記第1の部位の触媒の材料の前記水素化活性作用は、前記第2の部位の触媒の材料の前記水素化活性作用よりも高いことを特徴とする燃料電池。 - 前記触媒層の前記第1の部位の触媒は、ニッケルモリブデン系(NiMo系)触媒またはコバルトモリブデン系(CoMo系)触媒を含むことを特徴とする請求項6記載の燃料電池。
- 前記ガス流路は、前記触媒層に接続するアノード側ガス流路であり、
前記アノード側ガス流路の下流に接続され、前記燃料電池システムがデッドエンド運転されるように制御されるパージ弁を備え、
前記燃料電池の発電の際に、水素化された非硫黄系付臭剤が前記水素化触媒の下流へと流出し水素と共に前記燃料電池に供給されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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