JPH03295176A - 固体高分子電解質膜燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は固体高分子電解質膜燃料電池に関し、特に酸素
極側で発生する水分の除去を効率よく行うことができる
ように工夫したものである。

〈従来の技術〉 燃料電池は、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必
要がない上、騒音をほとんど発生せず、エネルギの回収
効率も他のエネルギ機関と較べて非常に高くできる等の
優れた特徴を持っているため、例えばビルディング単位
や工場単位の比較的小型の発電プラントとして利用され
ている。

近年、この燃料電池を車載用の内燃機関に代えて作動す
るモータの電源として利用し、とのモータにより車両等
を駆動することが考えられている。この場合に重要なこ
とは、反応によって生成する物質をできるだけ再利用す
ることは当然のこととして、車載用であることからも明
らかなように、余り大きな出力は必要でないものの、全
ての付帯設備と共に可能な限り小型であることが望まし
く、このような点から固体高分子電解質膜燃料電池が注
目されている。

ここで、−Ｍとして固体高分子電解質Ｍ燃料電池本体の
基本構造を第４図を参照しながら説明する。同図に示す
ように、電池本体０１は固体高分子電解質膜０２の両側
にガス拡散電極０３Ａ、０３Ｂが接合されることにより
構成されている。そしてこの接合体は、固体高分子電解
質膜０２の両側にガス拡散電極０３Ａ、０３Ｂを合せた
後、ホットプレス等することにより製造されろ。また、
ガス拡散電極０３Ａ、０３Ｂはそれぞれ反応膜０４Ａ。

０４Ｂ及びガス拡散膜０５Ａ、０５Ｂが接合されたもの
であり、電解質膜０２とは反応膜０４Ａ、０４Ｂの表面
が接触している。したかって、電池反応は主に電解質Ｍ
０２と反応膜０４Ａ、０４Ｂとの間の接触面で起こる。

また、上記ガス拡散電極０３Ａの表面には、酸素供給溝
０６ｍを有するガスセパレータが、また他方のガス拡散
電極０３Ｂの表面には水素供給溝０７ｍを有するガスセ
パレータ０７がそれぞれ接合されており、酸素極と水素
極を構成している。

そして、酸素供給溝０６ａ及び水素供給溝０７ａは酸素
及び水素をそれぞれ供給すると、酸素、水素は、各々の
ガス拡散膜０５Ａ、　０５Ｂを介して反応膜０４Ａ、０
４Ｂ側へ供給され、各反応膜０４Ａ、０４Ｂと電解質膜
０２との界面で次のような反応が起こる。

反応膜０４Ａの界面： ０　＋　４　Ｈ”＋　４　ｅ　−２ＨＯ反応１１０４Ｂ
の界面： ２Ｈ−＝４Ｈ＋４ａ ここで、４Ｈ“は電解質膜０２を通って水素極から酸素
極へ流れるが、４ｅは負荷０８を遣って水素極から酸素
極へ流れろことにな口、電気エネルギが得られろ。

〈発明が解決しようとする課題〉 上述した構成の燃料電池本体０１では、電池反応は主に
、電解質膜０２と各反応膜０４Ａ。

０４Ｂとの接触面で起こるので、電池性能を向上させる
には電極自体を大きくしなければならないという問題が
ある。

すなわち、例えば燃料電池の小型化を追求するためには
、上述した電池本体０１の単位体積当９の電池反応の向
上が必須となる。

また反応膜０４Ａの表面において起こる反応は可逆反応
であるので、生成する水分を効率よく排出することは体
積当性の電池反応の向上に必要である。しかし、上述し
た例では水蒸気の状態でガス拡散電極０３Ａを透過して
酸素供給溝０６ｍへ入った生成水が、水蒸気の状態のま
ま酸素と共に系外へ除去されるだけであるので、除去量
には限度がある。

本発明はこのような事情に鑑み、酸素極側で発生する水
分の除去を効率よく行うことのできる固体高分子電解質
膜燃料電池を提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 前記目的を達成するための本発明に係る固体高分子電解
質膜燃料電池の構成は、２枚のガス拡散電極で固体高分
子電解質膜を挾んで接合してなる接合体の両側に、上記
ガス拡散電極表面とそれぞれ接触する水素供給通路及び
酸素供給通路を有し、これら水素供給通路及び酸素供給
通路内を流れろ水素及び酸素が上記固体高分子電解質膜
の両側にそれぞれ供給され、且つ上記酸素供給通路に接
触するガス拡散電極表面と接触する吸水剤循環通路を有
する固体高分子電解質膜燃料電池本体と、上記吸水剤循
環路に吸水剤を循環させろ循環手段とを有することを特
徴とする。

く作　　　用〉 前記構成において、吸水剤循環通路に吸水剤を供給する
と、酸素供給側で生成した水分はガス拡散電極を透過し
た後、吸水剤循環通路内に入りここで吸水剤に吸収され
強制的に系外に除かれ電池効率が向上する。

〈実　施　例〉 息下、本発明に係る固体高分子電解質膜燃料電池の一例
について説明する。

第１図には固体高分子電解質膜燃料電池本体の一例を概
念的に示す。

第１図中、１は固体高分子電解質膜、２Ａ。

２Ｂはガス拡散電極であり、ガス拡散電極２Ａ。

２Ｂはそれぞれ反応膜３Ａ、３Ｂ及びガス拡散膜４Ａ、
４Ｂからなる。また、５，６はガスセパレータである。

ガスセパレータ５は水素極となるガス拡散電極２Ａに水
素を供給するための水素供給溝５ａと冷却用の冷却水を
流すための冷却水供給溝５ｂとを交互に有しており、ガ
スセパレータ６は酸素極となるガス拡散電極２Ｂに酸素
を供給するための酸素供給溝６ａと吸水剤を供給するた
めの吸水剤供給溝６ｂとを有している。

ここで、ガス拡散電極２Ａ、２Ｂは、平均粒径５０人の
白金と平均粒径４５０人の親水性カーボンブラックと平
均粒径０．３μのポリテトラフルオロエチレンとが０．
７：　７：　３の割合で成る親水性反応膜３Ａ、３Ｂと
、平均粒径４２０人の疎水性カーボンブラックと平均粒
径０．３μのポリテトラフルオロエチレンとが７：　３
の割合から成る疎水性ガス拡散膜４Ａ、４Ｂとから構成
されている。親水性反応膜３Ａ、３Ｂ及び疎水性ガス拡
散膜４Ａ。

４Ｂは、白金以外の各原料粉末にソルベントナフサ、ア
ルコール、水、炭化水素などの溶媒を混合した後、圧縮
成形することにより得ることができる。そして、これら
を重ねて圧延し、親水性反応膜３Ａ、３Ｂ側に、塩化白
金酸化還元法によりＰｔＯ，５６１Ｉｇ／ｃ２１を担持
させることによりガス拡散電極２Ａ、２Ｂが製造される
。

一方、上記固体高分子電解質膜１としては０．１７園厚
のパーフルオロスルフォン酸ポリマー膜（ナフィオン：
デュポン社製）を用いた。

そして、ガス拡散電極２Ａ、２Ｂの間に固体高分子電解
質Ｍ１をはさみ、ホットプレスすることにより接合体と
し、これをさらに２枚のガスセパレータ５，６で挾持し
て燃料電池本体としている。

ここで、ガスセパレータ６の一例を第２図を参照しなが
ら説明する。第２図はガスセパレータ６のガス拡散電極
２Ｂとの接合面の外観を示すものである。同図に示すよ
うに、ガスセパレータ６は例えば金属からなる板状の本
体に酸素供給溝６ａと吸水剤供給溝６ｂとを形成したも
のであり、各酸素供給溝６ａは２本のガス連通路６ｃに
より、また、各吸水剤供給溝６ｂは２本の吸水剤連通路
６ｄにより、それぞれ連通されている。本実施例におい
ては、吸収剤供給溝６ｂの配置は酸素供給溝６ａが３本
に対して１本の割合で配するようにしたが、本発明はこ
れに限定されるものではなく、発電効率及び除水効率に
よって適宜変更できうるものである。なお、ガスセパレ
ータ５もガスセパレータ６と同様な構造を有している。

ここで上記吸水剤供給溝６ｂに供給する吸水剤とは、水
分を吸収するものであり、例えば濃度の高い塩化リチウ
ム水溶液及び塩化カルシウム水溶液等、また；よ親水性
の強い有機溶剤例えばプロピレングリコールを挙げるこ
とができる。

このような構成によれば、ガス拡散電極２Ｂを透過して
吸水剤供給溝６ｂに入った水蒸気あるいは該水蒸気が冷
却によって水滴となった水分は全て吸水剤によって吸収
されて系外へ除去され、反応効率が向上する。

この場合、吸水剤を循環する方法として例えば所定濃度
の濃いＬ　ｉ　ＣＩ水溶液を循環させ、水分を吸収して
系外に除去し、ＬｉＣｊ水溶液が所定濃度以下になった
ら定期的に交換する方法と、所定濃度のＬｉＣｊ水溶液
を？ＩＩＨさせ、水分を吸収した後に、外部で加熱又は
ガス拡散族を月いて水分を除去して再生し、常に所定の
濃度のＬｉＣＪ水１１！Ｆ液を循珊させる方法等をあげ
ることができる。

次に、以上説明した燃料電池本体を用いた固体高分子電
解質膜燃料電池の全体システムの一例を第３図を参照し
ながら説明する。

同図に示すように、燃料電池本体１１の水素極１２に供
給されるメタノール改質ガスはメタノール改質装置１３
で製造される。メタノール改質装置１３は改質部１４及
び予熱部１５からな９、改質部１４は水素［１２からの
未反応ガス及び空気からなる燃焼用ガスの燃焼により加
熱され、また、予熱部１５は改質ｓ１４を加熱した燃焼
用ガスの排ガスにより加熱されるようになっている。こ
の予熱部１５は、改質用メタノール供給管１６を介して
メタノールタンク１７と連結されており、改質用メタノ
ール供給管１６の途中には改質ガスの原料となるメタノ
ールタンク１７中のメタノール１８をメタノール＆ｊ［
ＩＩｘ３へ圧送するためのモータ１９駆動のポンプ２゜
が取り付けられている。また、改質用メタノール供給電
１６の途中には、一端側が水タンク２１に連通する水供
給管２２の他端側か接続されており、この水供給管２２
の途中にはメタノール１８と共に改質原料となる水タン
ク２１内の水２３を改質用メタノール供給管１６内に圧
送するためのモータ２４駆動のポンプ２５が取り付けら
れている。

したがって、メタノール１８と水２３とからなる改質原
料は、予熱部１５中の予熱管２６を通過する間に、上述
した燃焼用ガスが燃焼して生成した高温の燃焼排ガスと
の間での熱交換により２００℃〜ｓｏｏ℃程度に予熱さ
れる。そして、予熱された改質原料は改質部］４でガス
化されて改質ガス生成前２７中を通過し、この改質ガス
生成管２７に充填された改質用触媒に加熱下で接触する
ことになり、次の改質反応によね改質される。

ＣＨ３０Ｈ＋ｎＨ，０−＊（１−ｎ）　ＣＯ＋ｎＣＯ２
＋（２＋ｎ）　Ｈ２但し、０くｎ＜□ このような改質においては、メタノール１８と水２３と
の混合比は、１モルのメタノールに対して水を０．０５
モルから５モル程度に設定するのが望ましい。また、原
料ガスの改質反応を効率良く行わせるためには、改質ガ
ス生成前２７内の圧力を一平方センチメートル当な’＋
Ｏｋｇ重〜２ｏ−重程度に設定し、又、この改質ガス生
成前２７内の濃度を２００℃〜６００℃程度に設定する
ことが望ましい。

なお、改質用触媒としては、例えばプラチナ（Ｐｔ）及
びパラジウム（Ｐｄ）及びロジウム（Ｒｈ）及びニッケ
ル（Ｎｉ）の内の少なくとも一つの元素を含むもの、或
いは鋼（Ｃｕ）及び亜鉛（Ｚｎ）及びクロム（Ｃｒ）の
内の少なくとも一つの元素を含むものを挙げることがで
きろ。

また、メタノール改質装置１３の始動時には燃焼用ガス
に用いる電池本体１１がらの未反応ガスの代りにメタノ
ールタンク１７中のメタノール１８を供給するようにな
っている。

すなわち、改質部１４とメタノールタンク１７とを連結
する起動用メタノール供給管２８が設けられており、こ
の起動用メタノール供給電２８の途中に；：姶動装［２
９が設けられている。この始動装［２９１よメタノール
タンク１７内のメタノール１８を改質部１４内の図示し
ないノズル部側に圧送するための図示しない始動用燃料
供給ポンプと、この始動用燃料供給ポンプから供給され
るメタノール１８を蒸発気化させて図示しないノズル部
へ送り込むための図示しないメタノール気化器とを具え
ている。

一方、このメタノール改質装置［１３の改質ガス出口側
に連通ずるように第１のＣＯ低減装置３０が設けられて
いる。この第１のｃ。

低減装置３０には、改質ガス生成前２７内での改質反応
により生成する改質ガス中のｃ。

を低減するためのＣＯシフト触媒が充填されている。な
お、ＣＯシフト触媒としては、例えば銅（Ｃｕ）及び亜
鉛（Ｚｎ）の内の少なくとも一つの元素を含むものを挙
げることができる。

ここで、第１のＣＯ低減装置３０におけるＣＯシフト処
理では、ＣＯはＨ２Ｏとの反応でＣＯ□に転化され、Ｃ
Ｏ濃度は１％程度まで低減されるようになっている。

また、この第１のＣＯ低減装置３０に連通する改質ガス
供給管３１は第２のｃｏ低減装置３２に接続されている
。この第２のＣＯ低減装置３２では、改質ガスに空気を
導入することにより、上述したように１％程度となった
ＣＯを、さらに１００　ｐｐｍ程度まで低減する処理（
セレクトオキソ）が行われている。

そして、このようにＣＯが低減された改質ガスは加湿装
置３３により加湿された後、燃料電池本体１１の水素極
１２に送り込まれ、その改質ガスのうち、余剰の未反応
ガスは、燃料電池本体１１と前記メタノール改質装置１
３の改質部１４とを連通する未反応ガス供給管３４を介
して改質部１４へ供給される。

また、前記水タンク２１と燃料電池本体１１と加湿装［
３３とは、冷却水循環配管３５を介して連結されており
、これら水タンク２１と燃料電池本体１１との間の冷却
水循環配管３５の途中には、水タンク２１内の水２３を
燃料電池本体１１に供給してこの燃料電池本、体１１を
冷却し、逆に加熱された冷却水を加湿装置３３に送るた
めのモータ３６駆動のポンプ３７が設けられている。な
お、加湿装置３３内では改質ガス供給管３１内を流れる
改質ガスと加熱された冷却水とがガス拡散膜を介して接
触しており、加熱された冷却水の温度に対応する水蒸気
分圧で改質ガスに水蒸気が添加されるようになっている
。

一方、燃料電池本体１１の酸素１ｉ３８には空気供給管
３９を介してブロワ４０が連結されており、このブロワ
４０からの加圧空気が酸素極３８側へ圧送されるように
なっている。

そして、この空気は燃料電池本体１１内の酸素極３８側
で水蒸気状態の反応生成水を含んだ状態となって酸素極
３８に接続される気水分離器４１に供給され、この内の
水分が水回収管４２を介して水タンク２１に回収され、
気体分が排気管４３から外部へ排出される。

ここで、前記ブロワ４０は電源である蓄電池４４から電
気を供給されるブロワ駆動モータ４５により駆動されて
いる。なお、蓄電池４４には、第１のＣＯ低減装置３０
と第２のご０低減装置３２との間の改質ガス供給管３１
に介装されろ排気タービン４６によって駆動される発電
機４７により発電された電気が蓄えられるようになって
いる。また、前記ブロワ４０からの空気供給管３９から
分岐する第２の空気供給管４８はメタノール供給管２８
の途中に連通しており、この第２の空気供給管４８を介
して前述したようにメタノール改質装置１３の改質部１
４においての燃焼ガスとなる空気が供給されている。

なお、前記モータ１９，２４，３６もブロワ駆動モータ
と同様に蓄電池４４から供給される電気によって運転さ
れるようになっている。

そして本実施例においては、ＬｉＣｊ’タンク４９内の
吸水剤としてのＬｉＣｊ水溶液５０が吸水剤循環配管５
１を介して燃料電池本体１１の上述した吸水剤連通路６
ｄ（第１図参照）へ導入されており、再生装置５２を通
ってＬｉＣｊタンク４９へ戻されるようになっている。

上記再生装置５２とは水分を吸収したＬｉＣ１°水溶液
５０を所定濃度に保つためのもので、例えば加熱等によ
って再生をするものである。

この再生装置の一例として第４図に示す装置を例示する
ことができる。同図に示すように、該再生装置１００は
ガス拡散膜１０１を有しており、このガス拡散膜１０１
によって水分のみを外部に除去し、ＬｉＣｊの濃度を所
定の高濃度に保つようにしている。

また、本実施例では再生装置５２を用いてＬｉＣＪ水溶
液５０の濃度を所望濃度としているが、定期的に交換す
る等の手段を用いるようにしてもよい。

ナオ、上述した吸水剤としてのＬｉ（Ｊ水溶液５０の循
瑚ばモータ５３の駆動ポンプ５４により行われており、
モータ５３は蓄電池４４の電気によって運転されるよう
になっている。

このような装置により発電を行うと、酸素極側で発生し
、水蒸気の状態でガス拡散電極２Ｂを透過した生成水は
酸素供給溝６ａに供給される酸素と共に除去される他、
吸水剤供給溝６ｂの吸収剤としてのＬｉＣ１水溶液５０
と共に強制的に除去されるので、発電効率が向上する。

第５図には、上記システムを用いて発電を行った結果の
電圧（Ｖ／セル）と電流密度（Ａ／ｃｊ）との関係を示
す。なお、比較例として吸水剤なしの場合を示した。

〈発明の効果〉 思上説明したように、本発明では酸素極側で発生する水
分を吸水剤を用いて効率よく反応系外へ除去することが
できるので、電池性能を格段に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例に係る固体高分子電解質膜燃料電池本
体の概念図、第２図はそのガスセパレータの外観図、第
３図はその全体システムを示す！悪因、第４図は再生装
置の一例を示す概略図、第５図はセル電圧と電流密度と
の関係を示すグラフ、第６図は従来技術に係る固体高分
子電解質膜燃料電池本体を示す概念図である。 図面中、 １は固体高分子電解質膜、 ２Ａ、２Ｂはガス拡散電極、 ３Ａ、３Ｂは反応膜、 ４Ａ、４Ｂはガス拡散膜、 ５．６はガスセパレータ、 ５ａは水素供給溝、 ５ｂは冷却水供給溝、 ６ａは酸素供給溝、 ｂは吸収剤供給溝、 １は燃料電池本体、 ２は水素極、 ３はメタノール改質装置、 ４１よ改質部、 ５：よ予熱部、 ６は改質用メタノール供給管、 ７はメタノールタンク、 ８はメタノール、 １は水タンク、 ３は水、 ０は第１のＣＯ低減装置、 ２は第２のＣＯ低減装置、 ３は加湿装置、 ８は酸素極、 ９は空気供給管、 ９はＬｉＣｊタンク、 ０はＬｉＣＪ水溶液である。 第１図 ２ 図 高濃度ＬｉＣｆｆ水溶液 第 ５ 図 ０．５ ｉ。 ５ 電流密度　（Ａ／ｃｍ２）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）２枚のガス拡散電極で固体高分子電解質膜を挾んで
   接合してなる接合体の両側に、上記ガス拡散電極表面と
   それぞれ接触する水素供給通路及び酸素供給通路を有し
   、これら水素供給通路及び酸素供給通路内を流れる水素
   及び酸素が上記固体高分子電解質膜の両側にそれぞれ供
   給され、且つ上記酸素供給通路に接触するガス拡散電極
   表面と接触する吸水剤循環通路を有する固体高分子電解
   質膜燃料電池本体と、上記吸水剤循環通路に吸水剤を循
   環させる循環手段とを有することを特徴とする固体高分
   子電解質膜燃料電池。 ２）請求項１記載の固体高分子電解質膜燃料電池におい
   て、 循環する吸水剤を再生する再生手段を有す ることを特徴とする固体高分子電解質膜燃料電池。