JPH04206160A - 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
極への酸素の供給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、乙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、余ね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ン
上目されて５）る。

ここで、−例として固体高分子電解質膜燃料電池本体の
基本構造を第３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ｒｓ、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
される。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の表面が接合している。した
がって、電池反応は主に電解質膜０２と反応膜０４　Ａ
、　０４　Ｂ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
０６ａを有するガスセパレータ０６が、また他方のガス
拡散電極０３Ｂの表面には水素供給１１０７ａ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し）ろ、・ 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、０４Ｂ側へ供給され、各
反応膜０４Ａ、０４Ｂと電解質膜０２どの界面て次のよ
うな反応が起ころ。

反応膜０４　Ａの界面： ０、、＋　４８”＋　４８’−４２Ｈ２０反応膜０４Ｂ
の界面： ２Ｈ−ｈ４Ｈ″−！−４ｅ− ここで、４Ｈ’は電解質膜０２を通って水素極から酸素
極へ流するが、４ｅ−は負荷０８を通って水素極から酸
素極へ流れることにより、電気エネルギが得られる。

〈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、燃料電池の小型化を追求するために（よ、上
述した電池本体０１の単位体積当りの電池反応の向上が
必須となり、例えば酸素極へ送られる原料ガスの酸素分
圧を嶌める必要がある。

そこで、従来においては、コンプレッサにより空気を高
圧で供給することにより電池反応の向上を図っていた。

しかし、このように空気を高圧で供給するにはコンプレ
ッサ自体の消費電力も大きくなるので、シルテム全体と
しての効率の向上はほとんど望めなかった。

本発明はこのような事情に鑑み、酸素極へ送られる原料
ガス中の酸素分圧を効率よく高めれ電池性能の向上を図
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本発明に係る固体高分子電解質膜燃
料電池は、２枚のガス拡散電極で固体高分子電解質膜を
挟んで接合してなる接合体の両側に上記ガス拡散１橿表
面とそれぞれ接触する水素供給通路笈び酸素供給通路を
有する固体高分子膜燃料電池本体と、複数の酸素分離塔
からなり供給された空気からの酸素分離の再生を交互に
繰す返すことにより高濃度酸素を得る酸素分離装置と、
この酸素分離装置により得られた高濃度酸素を上記酸素
供給通路へ送る酸素供給装置とを具えたことを特徴とす
る。

く作　　　用〉 酸素分離装置において複数の酸素分離塔を次々に切替え
て用いることにより、該酸素分離塔へ送る空気の圧力を
あまり上昇させろ必要がない。

また、酸素分離装置により得られた高濃度酸素を固体高
分子電解質膜燃料電池本体へ供給するので、空気を供給
する場合と比べて、供給負荷が小さくて済むことになる
。

〈実　施　例〉 以下、本考案の一実施例を図面を参照しながら説明する
。

第１図は、本実施例の酸素分離装置を含む酸素供給系の
概念図である。図面に示すように、酸素供給管１を二系
統に分け、それぞれ酸素分離塔２Ａ、２Ｂが介装されて
いる。各酸素分離塔２Ａ、２Ｂにはゼオライト等の吸着
剤が充填されており、酸素分離塔２Ａに上流及び下流側
にはバルブ３Ａ、４Ａが、また、酸素分離塔２Ｂの上流
及び下流側にはバルブ３Ｂ、４Ｂがそれぞれ介装されて
いる。さらに、酸素分離塔２Ａ、２Ｂとの間にはそれぞ
れバルブ５Ａ、５Ｂを介して排気管６Ａ、６Ｂが接続さ
れてし）る。

以上が本実施例の酸素分離装置１００の構成てあり、一
般にＰＳＡと呼ばれるものである。そして、この後流側
には酸素分離装置１００により得られた高濃度酸素を貯
えるためのサージタンク１０１とサージタンク１０１内
の高濃度酸素を燃料電池本体１１へ圧送するコンプレー
サ１０２とが１項次設けらｎている。

このような構成で空気中の酸素を分離して高濃度酸素と
してこの高濃度酸素を連続的に供給するには、まず、バ
ルブ３Ａ、４Ａ以外は全て止した状態として酸素供給管
１がら空気を例えば０２〜０．３ｋｇ／’ｃｉＧという
低圧で入する。これにより空気は酸素分離塔２Ａに導か
れ、ゼオライト等と接触することになり、空気中の窒素
が選択的に除去される。

次に、酸素分離塔２Ａ中の吸着剤が飽和すル前にバルブ
３Ａ、４Ａを閉とすると同時にバルブ３Ｂ、４Ｂを開と
し、空気分離塔２Ｂに切り換える。これにより、空気分
離塔２Ｂ中にゼオライト等に空気が接触することになり
、空気中の窒素が同様に除去される。

そして、酸素分離塔２Ｂで窒素除去を行っている間に酸
素分離塔２Ａの再生を行う。この再生処理は、バルブ５
Ａを開として排気管６Ｂから負圧をかけると共に空気分
離塔２Ａを加熱することにより行う。これにより吸着さ
れている窒素は離脱し、排気管６Ａから排気される。

その後、バルブ３Ｂ、４Ｂを閉とすると同時にバルブ３
Ａ、４Ａを開にすることにより吸着剤充填塔２Ｂから吸
着剤充填塔２Ａへの切り替えを行う。そして、吸着剤充
填塔２Ｂはバルブ５Ｂを開として排気管６Ｂから負圧を
かけると共に酸素分離塔２Ｂを加熱することによ口、上
述したように再生される。

このように順次酸素分離塔２Ａ、２Ｂの切り替えを（り
返すことにより、連続的に高濃度酸素を得ることができ
る。なお、酸素分離塔２Ａ、２Ｂの切り換えは一定時間
毎に行うのが好ましく、例えば約１２秒という短時間毎
に切り替えるようにすれば、各酸素分離塔２Ａ、２Ｂに
供給する空気の圧力を低く抑えることができ、消費電力
が低下される。また、このような酸素分離塔は二基セッ
トとしたものをさらに並設するようにしてもよいし、三
基以上を交互に用いるようにすることもできる。

次に、以上説明した酸素供給系具えた固体高分子電解質
膜燃料電池の一実施例を第２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からなり、改質部１４は水素極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は改質部１４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電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をメタノール改質装
置１３へ圧送するためのモータ１９駆動のポンプ２０が
取り付けられている。また。改質用メタノール供給管１
６の途中には、一端側が水タンク２１に連通する水供給
管２２の他端側が接続されており、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電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℃〜５００℃程度に予熱さ
れろ。そして、予熱された改質原料は改質部１４でガス
化されて改質ガス生成管２７中を通過し、乙の改質ガス
生成管２７に充填された改質用触媒に加熱下することに
よなり、次の改質反応により改質されろ。

ＣＨ３０Ｈ＋ｎＨ２Ｏ→（１−ｎ）　ＣＯ＋ｎＣＯ２＋
　（２＋ｎ）　Ｈ２但し、Ｏ＜　ｎ　＜　１ 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
ス生成管２７内の圧力を一平方センチメートル当たりＯ
ｋｇ重〜２０ｋｇ重程度に設定し、又、この改質ガス生
成ｖｒ２７内の温度を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
いは銅（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
きる。

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か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菅２８が設けられており、こ
の起動用メタノール供給管２８の途中には始動装置２９
が設けられている。この始動装置２９はメタノールタン
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お
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
連通するように第１のＣＯ低減装置３０が設けられてい
る。この第１図のＣＯ低減装置３０には、改質ガス生成
管２７内での改質反応により生成する改質ガス中のＣＯ
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、例えば鋼（Ｃｕ）及び亜
鉛（Ｚｕ）の内の少なくとも一つの元素を含むものを挙
がることができろ。

ここで、第１図のＣＯ低減装！３０におけるＧｏシフト
処理ては、ＣＯはＨ２Ｏとの反応でＣＯに転化され、Ｃ
Ｏａ度：よ１％程度まで低減されるようになっている。

また、この第１図の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通常は
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側に導入されるが、本実施例では加湿後にお
いて、上述したまうなＣＯ除去処理を行うようにしてい
ろ。すなわち、改質ガス供給管３１の第２のＣＯ低減装
置３２と燃料電池本体１１との間には加湿装置３３が取
り付けられている。

そして、このように燃料電池本体１１の水素極１２に送
り込まれた改質ガスのうち、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１３の改質部１
４とを連通ずる未反応ガス供給管３４を介して改質部１
４へ供給する。

一方、燃料電池本体１１の酸素極３５には空気供給管３
６を介してブロワ３７が連結されており、このブロワ３
７と酸素極３５との間には上述した酸素分離装Ｗ１００
、サージタンク１０１及びコンプレッサ１０２が順次設
けられている。すなわち、ブロワ３７により送られろ空
気が酸素分離装置１００へ供給されると共に、この酸素
分離装置１００により得られた高濃度酸素が一時サージ
タンク１０２に貯えられた後、コンプレッサ１０２によ
り酸素極３５へ圧送されろようになっている。

そして、この高濃度酸素は燃料電池本体１１間の酸素極
３５側で反応生成水を含んだ状態となって酸素極３５に
接続される気水分ｓｌｌ器３８に供給され、この内の水
分が水回収管３９を介して水タンク２１に回収され、気
体分が排気管４０から外部へ排出される＠ ここで、前記ブロワ３７及びコンプレッサ１０２は電源
である蓄電池４１から電気を供給されろブロワ駆動モー
タ４２により駆動されている。なお、蓄電池４１には、
第１のＣＯ低減装置３０と第２ＣＯ低減装置３２との間
の改質ガス供給管３１に介装される排気タービン４３に
よって駆動される発電機４４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３７から
の空気供給管３６から分岐する第２の空気供給管４５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４５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１４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もブロワ駆動モータと同様
に蓄電池４１から供給される電気によって運転されろよ
うになっている。

また、前記水タンク２１と燃料電池本体１１と加湿装置
３３とは、冷却水循環配管４６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４６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４７駆動のポンプ４８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湿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。

また、モータ４７は蓄電池４１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際には、ブロワ３７に
より空気を０．２〜０．３ｋｇ／ｃＩｉＧという低圧で
酸素分離装置１１００へ供給すると共にサージタンク１
０１内の高濃度酸素をコンプレッサ１０２により３〜４
ｋｇ／ｃｉＧの圧力て酸素極３５へ圧送するようにする
。これにより、空気供給にかかる消費電力を従来の数分
の−に低減することができ、且つ発電性能の向上を図る
ことができる。

なお、コンプレッサ１０２は上述したような電動の他、
例えば改質ガスから得られる排熱を利用して駆動される
フロンタービン等により駆動することもてきる。

また、高濃度空気の脈動をさらに低下させるために、コ
ンプレッサ１０２と酸素極３５との間に別のサージタン
クを設けるようにしてもよい。

さらに、酸素分離装置１００としては、ＰＳＡの他、膜
分離を応用したもの等を用いることができる。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明に係る固体高分子電解質膜
燃料電池は、酸素分離装置により得た高濃度酸素を酸素
極へ圧送するようにしているので、酸素供給のための消
費電力を低減すると同時に電池性能の向上を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る酸素供給系を示す概念
図、第２図；まそれを応用し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示す説明図、第３図は従来
技術に係る固体高分子電解質膜を概念的に示す説明図で
ある。 図　面　中、 １は酸素供給管、 ２Ａ、２Ｂは酸素分離塔、 １００は酸素分離装置、 １０１はサージタンク、 １０２はコンプレッサである。 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ２枚のガス拡散電極で固体高分子電解質膜を狭んで接合
   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する固体
   高分子膜燃料電池本体と、 複数の酸素分離塔からなり供給された空気からの酸素分
   離の再生を交互に繰り返すことにより高濃度酸素を得る
   酸素分離装置と、 この酸素分離装置により得られた高濃度酸素を上記酸素
   供給通路へ送る酸素供給装置、 とを具えたことを特徴とする高分子電解質膜燃料電池。