JP5449758B2 - CO reduction device and fuel cell system using the same - Google Patents
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Description
本発明は、CO低減装置およびそれを用いた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a CO reduction device and a fuel cell system using the same.
燃料電池システムは、水素などの燃料と空気などの酸化剤を燃料電池に供給して、電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池システムは、比較的小型であるにもかかわらず高効率で、環境性に優れている。また、発電に伴う発熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用が可能である。このため、工場や病院などの業務用、一般家庭用、自動車用など、幅広い用途への採用が期待されている。 A fuel cell system supplies fuel such as hydrogen and an oxidant such as air to the fuel cell and causes them to react electrochemically, thereby directly converting the chemical energy of the fuel into electrical energy and taking it out. It is. This fuel cell system is highly efficient and environmentally friendly despite its relatively small size. Moreover, it can be applied as a cogeneration system by collecting the heat generated by power generation as hot water or steam. For this reason, it is expected to be used in a wide range of applications such as business use in factories and hospitals, general household use, and automobile use.
こうした燃料電池システムに用いられる燃料電池には、たとえば固体高分子形燃料電池がある。固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜の両面に燃料極および酸化剤極を接合した膜電極接合体を、その両側に燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が形成されたセパレータで挟んだ構造を有している。また、燃料極および酸化剤極の一部を構成する触媒層は、白金や白金合金などの金属触媒を担持した炭素担体と高分子電解質との複合体で形成されている。一般に、燃料電池は、このような構造を備えた単セルを多数積層してなるスタックを有している。 Examples of the fuel cell used in such a fuel cell system include a polymer electrolyte fuel cell. In a polymer electrolyte fuel cell, a membrane electrode assembly in which a fuel electrode and an oxidant electrode are bonded to both sides of a polymer electrolyte membrane is sandwiched between separators each having a fuel gas channel and an oxidant gas channel formed on both sides. It has a structure. The catalyst layer constituting part of the fuel electrode and the oxidant electrode is formed of a composite of a carbon support carrying a metal catalyst such as platinum or a platinum alloy and a polymer electrolyte. In general, a fuel cell has a stack formed by laminating a large number of single cells having such a structure.
燃料極に供給される水素は、たとえば都市ガスなどの炭化水素系ガスをあらかじめ改質器で水素を主成分とした燃料ガスに改質して供給される。この場合、燃料極に供給される燃料ガスは、COを含んでいる可能性がある。供給される燃料ガス中のCO濃度が高いと、燃料極中の白金触媒が被毒され、燃料電池システムの特性が大幅に低下することがある。こうしたCO被毒及び燃料電池システムの特性低下を防止する手段として、燃料極に微量の空気を追加供給し、燃料極内の触媒に被毒しているCOを酸化除去し、触媒上のCO被毒を解消することで燃料電池システムの特性低下を防止する方法がある(たとえば特許文献1参照)。
燃料極に微量の空気を追加供給し、燃料極内の触媒に被毒しているCOを酸化除去する方法では、燃料極内に酸素分子が存在することとなる。燃料極の電極電位は水素電極電位に近く、この電極電位で酸素分子が水に還元される際には副生成物である過酸化水素生成量が急激に増加することが知られている。 In the method of additionally supplying a small amount of air to the fuel electrode and oxidizing and removing CO poisoned by the catalyst in the fuel electrode, oxygen molecules are present in the fuel electrode. It is known that the electrode potential of the fuel electrode is close to the hydrogen electrode potential, and when oxygen molecules are reduced to water at this electrode potential, the amount of hydrogen peroxide produced as a by-product increases rapidly.
過酸化水素やその分解物であるヒドロキシラジカルは、燃料電池の高分子電解質膜劣化を顕著に加速する。また、燃料ガス中に含まれるCO濃度が高い場合には、燃料極に追加供給する空気流量を増加する必要がある。空気流量が増加すると燃料極中での過酸化水素生成量も増加するため、高分子電解質膜劣化がさらに加速する。 Hydrogen peroxide and hydroxy radicals, which are decomposition products thereof, significantly accelerate the deterioration of the polymer electrolyte membrane of the fuel cell. Further, when the concentration of CO contained in the fuel gas is high, it is necessary to increase the flow rate of additional air supplied to the fuel electrode. As the air flow rate increases, the amount of hydrogen peroxide produced in the fuel electrode also increases, so the deterioration of the polymer electrolyte membrane is further accelerated.
そこで、本発明は、燃料極中のCO濃度および過酸化水素発生量を低減することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to reduce the CO concentration and the amount of hydrogen peroxide generated in the fuel electrode.
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、前記燃料ガス供給源に連結された第1ガス流路が形成されて触媒を含有する第1電極と、前記燃料極に連結された第2ガス流路が形成されて触媒を含有する第2電極と、前記第1電極および前記第2電極で挟まれた高分子電解質膜と、前記第1ガス流路と前記第2ガス流路とを連結する流路を形成する中間流路形成体と、前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電源と、を備えたCO低減装置と、前記CO低減装置の温度を測定する温度計と、前記CO低減装置の温度に基づいて前記電源が印加する電圧を制御する制御装置と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell system comprising a fuel cell having a fuel electrode and an oxidant electrode, a fuel gas supply source for supplying fuel gas to the fuel electrode, and the fuel gas supply. A first electrode containing a catalyst formed with a first gas flow path connected to a source; a second electrode containing a catalyst formed with a second gas flow path connected to the fuel electrode; A polymer electrolyte membrane sandwiched between one electrode and the second electrode; an intermediate channel forming body that forms a channel connecting the first gas channel and the second gas channel; and the first electrode And a power source for applying a voltage between the second electrode, a CO reduction device, a thermometer for measuring the temperature of the CO reduction device, and the power supply applied based on the temperature of the CO reduction device And a control device for controlling a voltage to be generated.
また、本発明は、CO低減装置において、燃料ガスが供給される第1ガス流路が形成されて触媒を含有する第1電極と、燃料電池の燃料極に連結された第2ガス流路が形成されて触媒を含有する第2電極と、前記第1電極および前記第2電極で挟まれた高分子電解質膜と、前記第1ガス流路と前記第2ガス流路とを連結する流路を形成する中間流路形成体と、前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電源と、を有し、前記燃料極に供給される前記燃料ガス中のCOを低減させるCO低減装置本体と、前記CO低減装置本体の温度を測定する温度計と、を備え、前記CO低減装置本体の温度に基づいて前記電源から印加する電圧が制御されるように構成したことを特徴とする。 According to the present invention, in the CO reduction device, a first gas flow path to which fuel gas is supplied is formed, and the first electrode containing the catalyst and the second gas flow path connected to the fuel electrode of the fuel cell are provided. A second electrode formed and containing a catalyst, a polymer electrolyte membrane sandwiched between the first electrode and the second electrode, and a flow path connecting the first gas flow path and the second gas flow path An intermediate flow path forming body that forms a gas source, and a power source that applies a voltage between the first electrode and the second electrode, and reduces CO in the fuel gas supplied to the fuel electrode A CO reduction device main body and a thermometer for measuring the temperature of the CO reduction device main body are provided, and the voltage applied from the power source is controlled based on the temperature of the CO reduction device main body. And
また、本発明は、CO低減装置において、燃料ガスが供給される第1ガス流路が形成されて触媒を含有する第1電極と、上流側が前記第1ガス流路の下流側に連結され下流側が燃料電池の燃料極に連結された第2ガス流路が形成されて触媒を含有する第2電極と、前記第1電極および前記第2電極で挟まれた高分子電解質膜と、前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電源と、を有し、前記燃料極に供給される前記燃料ガス中のCOを低減させるCO低減装置本体と、前記CO低減装置本体の温度を測定する温度計と、を備え、前記CO低減装置本体の温度に基づいて前記電源から印加する電圧が制御されるように構成したことを特徴とする。 Further, the present invention provides a CO reduction apparatus, wherein a first gas flow path to which fuel gas is supplied is formed and a catalyst is contained, and an upstream side is connected to a downstream side of the first gas flow path and is downstream. A second gas passage having a side connected to the fuel electrode of the fuel cell and containing a catalyst; a polymer electrolyte membrane sandwiched between the first electrode and the second electrode; and the first electrode A power source for applying a voltage between the electrode and the second electrode, and a CO reduction device body that reduces CO in the fuel gas supplied to the fuel electrode, and a temperature of the CO reduction device body And a thermometer for measuring the voltage, and the voltage applied from the power source is controlled based on the temperature of the CO reduction device main body.
本発明によれば、燃料極中のCO濃度および過酸化水素発生量を低減することができる。 According to the present invention, the CO concentration and the amount of hydrogen peroxide generated in the fuel electrode can be reduced.
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。 Embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or similar structure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[第1の実施の形態]
図2は、本発明に係る燃料電池システムの第1の実施の形態におけるブロック図である。図3は、本実施の形態における単電池の断面図である。
[First Embodiment]
FIG. 2 is a block diagram of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view of the unit cell in the present embodiment.
燃料電池システム71は、燃料電池12と、燃料ガス供給源21と、酸化剤ガス供給源31と、CO低減装置40と、制御装置50とを有している。燃料電池12は、燃料極82および酸化剤極92を備えており、たとえば複数の単電池10を積層したものである。
The
燃料ガス供給源21と燃料電池12の燃料極82との間は、燃料ガス供給配管22で連結されている。酸化剤ガス供給源31と燃料電池12の酸化剤極92との間は、酸化剤ガス供給配管32で連結されている。また、燃料電池12の燃料極82には、燃料ガス排出配管23が連結されている。燃料電池12の酸化剤極92には、酸化剤ガス排出配管33が連結されている。
A fuel
燃料ガス供給源21は、たとえば都市ガスなどの炭化水素系ガスを、水素を含む燃料ガスに改質する改質器である。酸化剤ガス供給源31は、たとえば大気中の空気を供給するブロアやポンプである。酸化剤ガス供給源31として、酸素ボンベや空気ボンベを用いることもできる。
The fuel
CO低減装置40は、燃料ガス供給配管22の途中に設けられている。制御装置50は、CO低減装置40を制御可能に設けられている。
The
単電池10は、燃料極82および酸化剤極92で高分子電解質膜16を挟み込んで形成される。燃料極82は、高分子電解質膜16に面する燃料極触媒層83に、燃料極ガス拡散層84および燃料極ガス流路板85を順次積層したものである。燃料極ガス流路板85には、燃料極ガス拡散層84に面するように燃料ガス流路88が形成されている。燃料極ガス拡散層84は、カーボンペーパーやカーボンクロス、またはこれらに炭素粉末を結着したもので形成されている。燃料極触媒層83は、炭素担体と、金属粒子および電解質で形成されている。この金属粒子は、たとえば白金とルテニウムの合金であり、炭素担体に担持されて燃料極触媒層83中に保持されている。
The
酸化剤極92は、高分子電解質膜16に面する酸化剤極触媒層93に、酸化剤極ガス拡散層94および酸化剤極ガス流路板95を順次積層したものである。酸化剤極ガス流路板95は、酸化剤極ガス拡散層94に面するように酸化剤ガス流路98を形成している。酸化剤極ガス拡散層94は、カーボンペーパーやカーボンクロス、またはこれらに炭素粉末を結着したもので形成されている。酸化剤極触媒層93は、炭素担体と、この炭素担体に担持された金属微粒子および電解質で形成されている。この金属微粒子は、たとえば白金もしくは白金とコバルトの合金である。
The
また、高分子電解質膜16は、燃料極触媒層83および燃料極ガス拡散層84、ならびに、酸化剤極触媒層93および酸化剤極ガス拡散層94から外周部分がはみ出すように形成されている。このはみ出した高分子電解質膜16と、燃料極ガス流路板85および酸化剤極ガス流路板95との間には、それぞれ燃料極ガスケット87および酸化剤極ガスケット97が設けられている。燃料極ガス流路板85は、隣り合う単電池10の酸化剤極ガス流路板95と一体として形成してもよい。
The
図1は、本実施の形態におけるCO低減装置のブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram of a CO reduction device in the present embodiment.
CO低減装置40は、本実施形態のCO低減装置本体を構成し、第1電極41と、第2電極51と、高分子電解質膜17と、中間配管64と、電源18とを有している。CO低減装置40の高分子電解質膜17は、第1電極41および第2電極51で挟まれている。また、電源18には、制御装置50が接続されている。制御装置50には、CO低減装置40の温度を測定する温度計19が接続されている。
The
第1電極41は、燃料ガス供給源21に連結された第1ガス流路が形成されていて、触媒を含有している。より具体的には、第1電極41は、第1触媒層42と、第1ガス拡散層43とを有している。また、第1電極41は、第1ガス流路が形成された第1ガス流路板44を備えている。第1触媒層42は、高分子電解質膜17に接合されている。第1ガス拡散層43は、第1触媒層42に接合されている。第1ガス流路板44は、第1ガス拡散層43に接合されている。
The first electrode 41 is formed with a first gas flow path connected to the fuel
第1ガス流路板44が形成する第1ガス流路の上流側には、第1ガス配管45が接続されている。第1ガス配管45は、燃料ガス供給配管22を介して燃料ガス供給源21に接続されている。
A
第2電極51は、下流側が燃料極82に連結された第2ガス流路が形成されていて、触媒を含有している。より具体的には、第2電極51は、第2触媒層52と、第2ガス拡散層53とを有している。また、第2電極51は、第2ガス流路が形成された第2ガス流路板54を備えている。第2触媒層52は、高分子電解質膜17に接合されている。第2ガス拡散層53は、第2触媒層52に接合されている。第2ガス流路板54は、第2ガス拡散層53に接合されている。
The
第2ガス流路板54が形成する第2ガス流路の下流側には、第2ガス配管55が接続されている。第2ガス配管55は、燃料ガス供給配管22を介して燃料電池12の燃料極82に接続されている。
A
第1触媒層42および第2触媒層52は、金属微粒子が担持された炭素担体と、高分子電解質で形成されている。この金属粒子は、ルテニウム、もしくは、白金とルテニウムの合金であり、炭素担体に担持されて高分子電解質膜17に固定されている。
The
第1ガス拡散層43および第2ガス拡散層53は、カーボンペーパーやカーボンクロス、またはこれらに炭素粉末を結着したもので形成されている。第1ガス流路板44および第2ガス流路板54は、炭素あるいは金属などの電子伝導性を持つ材料で形成されている。
The first
中間配管64は、第1ガス流路板44に形成された第1ガス流路の下流側と第2ガス流路板54に形成された第2ガス流路の上流側とを連結する中間流路を形成している。電源18は、第1電極41と第2電極51との間に電圧を印加する。電源18が第1電極41と第2電極51との間に印加する電圧は、制御装置50によって制御される。制御装置50は、温度計19が測定したCO低減装置40の温度に基づいて電源18が印加する電圧を制御する。
The
このような燃料電池システム71を用いて、燃料電池12の燃料極82に高純度水素を燃料ガスとして供給し、酸化剤極92に空気などの酸化剤ガスを供給することにより、燃料電池12は発電する。このようにして発電する燃料電池12から、外部に電流を取り出して利用される。
By using such a
燃料ガス供給源21から供給される燃料ガスは、燃料ガス供給配管22を通ってCO低減装置40に送られる。CO低減装置40は、供給される燃料ガス中に含まれる一酸化炭素(CO)の濃度を低減する。CO濃度が低減された燃料ガスは、燃料電池12の燃料ガス流路88に供給される。燃料ガス流路88から排出される燃料ガスは、燃料ガス排出配管23を通って排出される。
The fuel gas supplied from the fuel
酸化剤ガス供給源31から供給される酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給配管32を通って燃料電池12の酸化剤極92に供給される。酸化剤極92から排出される酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出配管33を通って排出される。
The oxidant gas supplied from the oxidant
次に、本実施の形態のCO低減装置40の動作について説明する。
Next, operation | movement of the
燃料ガス供給配管22から送られてきた燃料ガスは、第1ガス配管45を点線の矢印46の方向に流れて第1ガス流路板44に供給される。第1ガス流路板44に供給された燃料ガスは、第1ガス流路板44が形成する第1ガス流路内を流れる。第1ガス流路板44から排出された燃料ガスは、中間配管64を点線の矢印65の方向に流れて、第2ガス流路板54に供給される。
The fuel gas sent from the fuel
第2ガス流路板54に供給された燃料ガスは、第2ガス流路板54が形成する第2ガス流路内を流れる。第2ガス流路板54から排出された燃料ガスは、第2ガス配管55を通って燃料電池12の燃料極82に供給される。
The fuel gas supplied to the second gas
第1ガス流路板44が形成する第1ガス流路内の燃料ガスは、第1ガス拡散層43内を拡散し、第1触媒層42に至る。このとき、燃料ガスに含まれるCOは、第1の触媒層42内の白金−ルテニウム合金触媒上に吸着される。
The fuel gas in the first gas flow path formed by the first gas
第1触媒層42の電位が、第2触媒層52の電位に対して所定の電位差(CO酸化開始電位)以上とすると、第1触媒層42内の白金−ルテニウム合金触媒に吸着したCOは、次式に従って電気化学的に酸化される。
When the potential of the
CO+H2O → CO2+2H+ + 2e− …(式1)
また、この際、燃料ガス中の一部の水素は、次式に従って電気化学的に酸化される。
CO + H 2 O → CO 2 + 2H + + 2e − (Formula 1)
At this time, some hydrogen in the fuel gas is electrochemically oxidized according to the following formula.
H2 → 2H+ + 2e− …(式2)
このようにして、第1触媒層42内で発生したプロトン(H+)は、CO低減装置40の高分子電解質膜17を介して第2触媒層52に移動する。第2触媒層52に移動したプロトンは、第2触媒層52内の白金−ルテニウム合金触媒で、次式に従って水素に還元される。
H 2 → 2H + + 2e − (Formula 2)
In this way, protons (H + ) generated in the
2H+ + 2e− → H2 …(式3)
第2触媒層52内で還元された水素は、第2ガス拡散層53を拡散し第2ガス流路板54が形成する第2流路に至る。第1電極41から中間配管64を通って第2電極51に送られた燃料ガスは、このプロトン還元反応によって生成した水素と合流し、第2ガス配管55を点線の矢印56の方向に流れて燃料電池12の燃料極82に供給される。
2H + + 2e − → H 2 (Formula 3)
The hydrogen reduced in the
図4は、50℃で白金−ルテニウム合金触媒を用いた電極にCOを供給した場合の電極電位走査を示すグラフである。図4には、比較のため電極にCOを供給しない場合の電極電位走査を併せて示す。図4の横軸は電極間の電位(V)、縦軸は電流値(mA)を示す。 FIG. 4 is a graph showing an electrode potential scan when CO is supplied to an electrode using a platinum-ruthenium alloy catalyst at 50.degree. FIG. 4 also shows electrode potential scanning when CO is not supplied to the electrodes for comparison. The horizontal axis in FIG. 4 represents the potential (V) between the electrodes, and the vertical axis represents the current value (mA).
電極にCOを供給した場合、電極電位を走査していくと、0.3Vを超える電位以上で、式1に従ったCO酸化に起因する電流が検出された。一方、電極にCOを供給しない場合、電極電位を走査しても電流値に大きな変化は見られなかった。この結果は、白金−ルテニウム合金触媒を用いた電極において、50℃ではCOは0.3V以上でCO2に酸化されることを示している。つまり、白金−ルテニウム合金触媒を用いた電極において、50℃ではCO酸化開始電位は約0.3Vである。 When CO was supplied to the electrode, when the electrode potential was scanned, a current due to CO oxidation according to Equation 1 was detected at a potential exceeding 0.3 V. On the other hand, when CO was not supplied to the electrode, no significant change was observed in the current value even when the electrode potential was scanned. This result shows that in an electrode using a platinum-ruthenium alloy catalyst, CO is oxidized to CO 2 at 50 V or higher at 0.3 V or higher. That is, in an electrode using a platinum-ruthenium alloy catalyst, the CO oxidation start potential is about 0.3 V at 50 ° C.
図5は、白金−ルテニウム触媒を用いた電極におけるCO酸化開始電位の温度変化を示すグラフである。電極の温度は、50℃〜80℃の範囲で変化させた。 FIG. 5 is a graph showing a change in temperature of the CO oxidation start potential at an electrode using a platinum-ruthenium catalyst. The temperature of the electrode was changed in the range of 50 ° C to 80 ° C.
図5から、CO酸化開始電極電位と電極温度は直線関係にあり、電極温度が低いほどCO酸化開始電位は高くなることがわかる。したがって、電極間の電位差を、電極の温度に応じて図5において斜線で示した部分とすることによって、COはCO2に酸化されるということができる。 FIG. 5 shows that the CO oxidation start electrode potential and the electrode temperature are in a linear relationship, and the CO oxidation start potential increases as the electrode temperature decreases. Therefore, it can be said that CO is oxidized to CO 2 by setting the potential difference between the electrodes to a portion indicated by hatching in FIG. 5 according to the temperature of the electrodes.
そこで、本実施の形態の制御装置50は、温度計19が測定した第1触媒層42の温度に応じて電源18を制御して、第1触媒層42と第2触媒層52との電位差が図5の斜線の部分の電位差となるようにする。たとえば、第1触媒層42の温度が50℃である場合は、第1触媒層42の電位を第2触媒層52の電位に対して0.3V以上に設定する。これにより、第1触媒層42内の白金−ルテニウム合金触媒に吸着したCOは、式1に従って電気化学的に酸化される。その結果、CO低減装置40から燃料極82に供給される燃料ガス中のCO濃度は、低減される。
Therefore, the
ここで、制御装置50は、第1触媒層42の温度を監視するとしたが、第1電極41全体の温度としても良い。また、制御装置50は、第1触媒層42と第2触媒層52の間の電圧差を制御するとしたが、第1電極41と第2電極51の間の電圧差を制御するとしても良い。第1触媒層42と第2触媒層52とに含有される触媒は白金とルテニウムの合金としているが、それぞれ式1および式3の反応を起こさせる触媒であればどのようなものでもよい。
Here, the
このように、CO低減装置40から燃料極82に供給される燃料ガスは、CO濃度が低減されている。このため、燃料極82内の触媒におけるCO被毒による燃料電池12および燃料電池システム71の特性低下を抑制し、燃料電池システム71の特性を維持できる。
Thus, the fuel gas supplied from the
また、CO濃度の低減させるために燃料ガス中に酸素を混合する方法では、燃料極82に供給される燃料ガスに酸素が残存していると燃料極82における過酸化水素の発生が問題となる場合がある。しかし、本実施の形態のCO低減装置40では、燃料ガス中に酸素を混合させていないため、燃料極82における過酸化水素の発生は抑制される。なお、燃料ガス中のCO濃度は低減されているため、燃料電池12の高分子電解質膜16の劣化を加速しない程度の微量の空気を燃料極82に追加供給することによって、さらに燃料極82でのCO濃度を低減することもできる。これにより高分子電解質膜16の劣化を加速することなく、燃料電池システム71の特性を維持することができる。
Further, in the method of mixing oxygen in the fuel gas in order to reduce the CO concentration, if oxygen remains in the fuel gas supplied to the
本実施の形態において、CO低減装置40は一段構成であるが、直列に連結して多段にしても良い。この場合、CO低減装置40から排出される燃料ガス中のCO濃度はより低減されることになる。
In the present embodiment, the
また、CO低減装置40を、たとえば複数積層して、改質器から送られてくる燃料ガスを並列してCO低減装置40に供給しても良い。この場合、CO低減装置40は、より多くの燃料ガスを処理できるようになる。
Further, a plurality of
本実施の形態では、制御装置50で第1電極41の温度を監視し、その温度を基に第1電極41と第2電極51の間の電位差を制御したが、電位差を固定しても良い。その際には、燃料電池システム71を運転する際に想定される第1電極41の最低温度に応じて電位差を設定する。この最低温度がたとえば−20℃の場合には、図5より、第2電極51の電位に対する第1電極41の電位を0.5V以上に保持する。
In the present embodiment, the
また、CO低減装置40の一部または全部を、燃料電池システム71から取り外し可能に設けておいてもよい。たとえば、第1電極41と、第2電極51と、高分子電解質膜17との積層体を、燃料電池システム71から取り外し可能に設けておく。この場合、第1電極41あるいは第2電極51の触媒の劣化などによってCO低減装置40の性能が低下したとしても、これらを交換することによりシステム全体としての長寿命化を図ることができる。
Further, part or all of the
[第2の実施の形態]
図6は、本発明に係る燃料電池システムの第2の実施の形態におけるブロック図である。
[Second Embodiment]
FIG. 6 is a block diagram of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention.
本実施の形態の燃料電池システム72は、第1の実施の形態の燃料電池システム71(図2参照)に、酸化剤ガス追加供給手段を追加したものである。酸化剤ガス追加供給手段は、酸化剤ガス追加供給装置61と、第1酸化剤ガス追加供給配管62と、第2酸化剤ガス追加供給配管63を備えている。第1酸化剤ガス追加供給配管62は、酸化剤ガス供給配管32の途中から分岐している。第2酸化剤ガス追加供給配管63は、燃料ガス供給配管22に連結されている。酸化剤ガス追加供給装置61は、第1酸化剤ガス追加供給配管62および第2酸化剤ガス追加供給配管63に接続されている。
The
第1酸化剤ガス追加供給配管62は、酸化剤ガス供給配管32を流れる空気の一部を酸化剤ガス追加供給装置61に送る。酸化剤ガス追加供給装置61は、その空気の流量を調整し、第2酸化剤ガス追加供給配管63を介して燃料ガス供給配管22に供給する。酸化剤ガス追加供給装置61が燃料ガス供給配管22に追加供給する空気の流量は、制御装置50によって制御される。追加供給される空気流量は、CO低減装置40に供給される前の燃料ガスに含まれるCO量に対して、モル比で(1/2)倍となる酸素を含み、かつ空気流量はCO低減装置40に供給される前の燃料ガスに含まれるH2量に対して25%未満となるようにする。
The first oxidant gas
本実施の形態では、CO低減装置40内の第1電極41(図1参照)には、燃料ガスと空気が供給される。燃料ガス中のCOは、第1触媒層42(図1参照)に含まれる白金−ルテニウム触媒上で、式4に従って酸素と反応してCO2となる。
In the present embodiment, fuel gas and air are supplied to the first electrode 41 (see FIG. 1) in the
2CO+O2 → CO2 …(式4)
ここで、追加供給される空気流量は、CO低減装置40に供給される前の燃料ガスに含まれるCO量に対して、モル比で(1/2)倍となる酸素を含むように制御されているため、基本的にはCO低減装置40に供給される前の燃料ガスに含まれるCOは全てCO2となる。しかし、酸素量のずれや、COの拡散によっては、式4の反応でCO2とならないCOも残存することになる。
2CO + O 2 → CO 2 (Formula 4)
Here, the additionally supplied air flow rate is controlled so as to contain oxygen that is (1/2) times the molar ratio with respect to the CO amount contained in the fuel gas before being supplied to the
本実施の形態では、式4の反応を生じなかったCOも、第1の実施の形態と同様に式1に従って電気化学的に酸化される。このため、第1電極41から排出される燃料ガス中のCO濃度はさらに低下する。 In the present embodiment, CO that has not caused the reaction of Formula 4 is also electrochemically oxidized according to Formula 1 as in the first embodiment. For this reason, the CO concentration in the fuel gas discharged from the first electrode 41 further decreases.
式1あるいは式4の反応をしなかったCOと未反応の酸素は、次の式5で示す4電子反応、あるいは、式6で示す2電子反応に従って還元される。ここで、式6で生成する過酸化水素(H2O2)は、高分子膜劣化を加速することが知られている。 The CO and the unreacted oxygen that have not reacted in Formula 1 or Formula 4 are reduced according to the following 4-electron reaction represented by Formula 5 or 2-electron reaction represented by Formula 6. Here, it is known that hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) generated by Equation 6 accelerates polymer film degradation.
O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O …(式5)
O2 + 2H+ + 2e− → H2O2 …(式6)
図7は、電極電位に対する4電子反応と2電子反応との割合を示すグラフである。図7には、第1触媒層42に白金触媒を用いた電極の場合と、白金−ルテニウム合金触媒を用いた電極の場合について示した。横軸は参照電極(RHE:Reversible Hydrogen Electrode)に対する電極電位、縦軸は式6に示す2電子反応の割合である。
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (Formula 5)
O 2 + 2H + 2e − → H 2 O 2 (Formula 6)
FIG. 7 is a graph showing the ratio of 4-electron reaction and 2-electron reaction to the electrode potential. FIG. 7 shows the case of an electrode using a platinum catalyst for the
2電子反応割合が高いほど、生成物である過酸化水素が増加すし、高分子電解質膜の劣化が顕著となる。 The higher the two-electron reaction ratio, the more hydrogen peroxide as the product increases, and the deterioration of the polymer electrolyte membrane becomes more remarkable.
図7から、白金触媒の場合、および、白金−ルテニウム合金触媒の場合のいずれにおいても、2電子反応割合は低電位領域ほど高くなることがわかる。特に、RHE基準に対して0.1V以下では2電子反応割合が急激に増加する。通常、燃料電池12の燃料極82の電極電位は0.1V以下であり、すなわち燃料極82に直接空気を追加供給すると、2電子反応割合が高くなり、高分子電解質膜の劣化が加速する。
FIG. 7 shows that the two-electron reaction ratio is higher in the low potential region in both the case of the platinum catalyst and the case of the platinum-ruthenium alloy catalyst. In particular, the two-electron reaction rate increases rapidly at 0.1 V or less with respect to the RHE standard. Usually, the electrode potential of the
一方、CO低減装置40の第1電極41の電極電位は、制御装置50によって比較的高電位に保持される。たとえば第1電極41の温度が50℃であれば、制御装置50によって、第1電極41の電極電位は第2電極51の電位に対して0.3V以上に保持される。このため、燃料ガスに追加供給された酸素は、CO低減装置40においては0.3Vで還元反応を生じるため、燃料極82で酸素還元反応が生じる場合と比較して、2電子反応割合は小さくなる。したがって、燃料電池12の燃料極82に空気を追加供給するよりも、CO低減装置40に空気を追加供給した場合の方が、高分子電解質膜の劣化を大幅に抑制することができる。
On the other hand, the electrode potential of the first electrode 41 of the
このように、CO低減装置40から燃料極82に供給される燃料ガスは、CO濃度が低減されている。このため、燃料極82内の触媒におけるCO被毒による燃料電池12および燃料電池システム72の特性低下を抑制し、燃料電池システム72の特性を維持できる。
Thus, the fuel gas supplied from the
また、本実施の形態では、燃料極82に直接空気を供給しないため、燃料電池21の高分子電解質膜16(図3参照)の劣化を抑制することができる。また、CO低減装置40の第1電極41の電極電位を比較的高電位としているため、第1触媒層42内の触媒上で生じる2電子反応割合が減少し、CO低減装置40の高分子電解質膜17の劣化も抑制される。仮に、CO低減装置40の高分子電解質膜17が劣化したとしても、CO低減装置40全体、あるいは、CO低減装置40の高分子電解質膜17および電極の積層体を交換可能にしておくことにより、システム全体としての長寿命化を図ることができる。
In the present embodiment, since air is not directly supplied to the
[他の実施の形態]
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施してもよい。
[Other embodiments]
The above-described embodiments are merely examples, and the present invention is not limited to these. Moreover, you may implement combining the characteristic of each embodiment.
10…単電池、12…燃料電池、16…高分子電解質膜、17…高分子電解質膜、18…電源、19…温度計、21…燃料ガス供給源、22…燃料ガス供給配管、23…燃料ガス排出配管、31…酸化剤ガス供給源、32…酸化剤ガス供給配管、33…酸化剤ガス排出配管、40…CO低減装置、41…第1電極、42…第1触媒層、43…第1ガス拡散層、44…第1ガス流路板、45…第1ガス配管、50…制御装置、51…第2電極、52…第2触媒層、53…第2ガス拡散層、54…第2ガス流路板、55…第2ガス配管、61…酸化剤ガス追加供給装置、62…第1酸化剤ガス追加供給配管、63…第2酸化剤ガス追加供給配管、64…中間配管、71…燃料電池システム、72…燃料電池システム、82…燃料極、83…燃料極触媒層、84…燃料極ガス拡散層、85…燃料極ガス流路板、87…燃料極ガスケット、88…燃料ガス流路、92…酸化剤極、93…酸化剤極触媒層、94…酸化剤極ガス拡散層、95…酸化剤極ガス流路板、97…酸化剤極ガスケット、98…酸化剤ガス流路
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給源と、
前記燃料ガス供給源に連結された第1ガス流路が形成されて触媒を含有する第1電極と、前記燃料極に連結された第2ガス流路が形成されて触媒を含有する第2電極と、前記第1電極および前記第2電極で挟まれた高分子電解質膜と、前記第1ガス流路と前記第2ガス流路とを連結する流路を形成する中間流路形成体と、前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電源と、を備えたCO低減装置と、
前記CO低減装置の温度を測定する温度計と、
前記CO低減装置の温度に基づいて前記電源が印加する電圧を制御する制御装置と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell having a fuel electrode and an oxidant electrode;
A fuel gas supply source for supplying fuel gas to the fuel electrode;
A first gas flow path connected to the fuel gas supply source is formed to contain a catalyst, and a second electrode flow path connected to the fuel electrode is formed to contain a catalyst. A polymer electrolyte membrane sandwiched between the first electrode and the second electrode, an intermediate flow path forming body that forms a flow path connecting the first gas flow path and the second gas flow path, A CO reduction device comprising: a power source for applying a voltage between the first electrode and the second electrode;
A thermometer for measuring the temperature of the CO reduction device;
A control device for controlling the voltage applied by the power source based on the temperature of the CO reduction device;
A fuel cell system comprising:
燃料電池の燃料極に連結された第2ガス流路が形成されて触媒を含有する第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極で挟まれた高分子電解質膜と、
前記第1ガス流路と前記第2ガス流路とを連結する流路を形成する中間流路形成体と、
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電源と、
を有し、前記燃料極に供給される前記燃料ガス中のCOを低減させるCO低減装置本体と、
前記CO低減装置本体の温度を測定する温度計と、を備え、
前記CO低減装置本体の温度に基づいて前記電源から印加する電圧が制御されるように構成したことを特徴とするCO低減装置。 A first electrode formed with a first gas flow path to which fuel gas is supplied and containing a catalyst;
A second electrode formed with a second gas flow path connected to the fuel electrode of the fuel cell and containing a catalyst;
A polymer electrolyte membrane sandwiched between the first electrode and the second electrode;
An intermediate flow path forming body that forms a flow path connecting the first gas flow path and the second gas flow path;
A power supply for applying a voltage between the first electrode and the second electrode;
A CO reduction device main body for reducing CO in the fuel gas supplied to the fuel electrode;
A thermometer for measuring the temperature of the CO reduction device main body,
A CO reduction apparatus configured to control a voltage applied from the power source based on a temperature of the CO reduction apparatus main body.
上流側が前記第1ガス流路の下流側に連結され下流側が燃料電池の燃料極に連結された第2ガス流路が形成されて触媒を含有する第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極で挟まれた高分子電解質膜と、
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加する電源と、
を有し、前記燃料極に供給される前記燃料ガス中のCOを低減させるCO低減装置本体と、
前記CO低減装置本体の温度を測定する温度計と、を備え、
前記CO低減装置本体の温度に基づいて前記電源から印加する電圧が制御されるように構成したことを特徴とするCO低減装置。 A first electrode formed with a first gas flow path to which fuel gas is supplied and containing a catalyst;
A second electrode containing a catalyst in which a second gas flow path is formed in which an upstream side is connected to a downstream side of the first gas flow path and a downstream side is connected to a fuel electrode of a fuel cell ;
A polymer electrolyte membrane sandwiched between the first electrode and the second electrode;
A power supply for applying a voltage between the first electrode and the second electrode;
A CO reduction device main body for reducing CO in the fuel gas supplied to the fuel electrode;
A thermometer for measuring the temperature of the CO reduction device main body,
A CO reduction apparatus configured to control a voltage applied from the power source based on a temperature of the CO reduction apparatus main body.
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