JP2006032196A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で酸素を生成し、効率良く発電が行える燃料電池を提供する。
【解決手段】 単セル２を複数積層して形成した燃料電池１であって、前記単セルの少なくとも１つを酸素生成器２Ａとして用い、該酸素生成器で生成させた酸素を他の単セル２Ｂに供給して発電に使用する。この燃料電池１は酸素生成器２Ａが酸素を生成し、この酸素が発電に使用されるので高濃度の酸素を用いて効率良く発電が行える。酸素生成器２Ａにより生成される酸素は高濃度であり、不純物を含まないので燃料電池の劣化という問題も生じない。酸素を外部から供給すための供給路を設ける必要がないので、構造を簡素化した燃料電池となる。本発明によると高性能、かつ耐久性に優れた小型の燃料電池を提供できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池に関する。特に積層した単セルに純度の高い酸素を供給する技術に関する。

近年、水素と酸素とを電気化学反応させて発電する燃料電池が有望なエネルギ源として注目されている。燃料電気はより高濃度の酸素を用いることにより効率良く発電を行うことができる。ところが、従来の一般的な燃料電池では、酸素供給源として空気（大気）を利用するため、高濃度の酸素を燃料電池に供給することが困難である。また、空気中には酸素以外の不純物、例えばＮＯｘ、ＳＯｘ等の排ガス成分や金属イオン等が含まれている。これらの不純物は燃料電池を劣化させるので、可能な限り除去することが必要である。よって、空気中の酸素を燃料電池で利用することに関して、従来において多くの提案がなされている。

例えば、特許文献１は酸素ガス（酸化剤ガス）中に含まれる不純物を除去する機能を備えた燃料電池を提案している。この燃料電池は、アノード電極（燃料極）とカソード電極（酸素極）との間に電解質を挟んだセルにより燃料電池発電部を構成し、アノード電極に対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給路及び、カソード電極に対して酸素ガスを供給する酸素ガス供給路を設けている。そして、酸素ガス中から燃料電池性能の低下原因となる含有不純物を除去するため、酸化触媒、還元触媒、三元触媒等の不純物除去手段を酸素ガス供給路に介装している。

特許文献１の燃料電池によると、酸素ガスに燃料電池性能の低下原因となる不純物が含まれていても、カソード電極への供給過程でその含有不純物を酸素ガス中から除去して、良質の酸素ガスをカソード電極に供給できる。よって、不純物に起因する燃料電池性能の低下、及び装置寿命の短命化の防止を図ることができる。

特開平８−１３８７０３号公報

しかしながら、空気中に含まれている不純物は多様である。その全てを除去しようとすると複数の触媒や吸着剤を組合せることが必要となる。そのため、特許文献１の燃料電池で、空気からより純度の高い酸素を得ようとすると不純物除去のための設備が大型化するという問題がある。

したがって、本発明の目的は、簡易な構成で酸素を生成し、効率良く発電が行える燃料電池を提供することである。

上記目的は、単セルを複数積層して形成した燃料電池であって、前記単セルの少なくとも１つを酸素生成器として用い、該酸素生成器で生成させた酸素を他の単セルに供給して発電に使用する燃料電池によって達成できる。

本発明によると、燃料電池の単セルの少なくとも１つが酸素生成器となり、この酸素生成器によって発電に必要な酸素が生成される。よって、この燃料電池は高濃度の酸素を用いて効率良く発電を行える。酸素生成器により生成される酸素は高濃度であり、不純物を含まないので燃料電池の劣化という問題も生じない。さらに、酸素を外部から供給すための供給路を設ける必要がないので、構造を簡素化した燃料電池となる。よって、本発明によると高性能、かつ耐久性に優れた小型の燃料電池を提供できる。

前記酸素生成器のアノード電極には水を供給し、カソード電極には空気を供給することができる。そして、前記酸素生成器のアノード電極に、前記他の単セルの発電時に生じた生成水を供給することがより好ましい。更に、前記他の単セルの出力の一部を使用して、前記酸素生成器を駆動することが望ましい。

また、前記酸素生成器となる単セルの電極は、前記他の単セルの電極よりも多量の触媒を含んでいることが望ましい。前記酸素生成器となる単セルの電極に酸化ルテニウムを含むものが望ましい。また、前記単セルの電解質膜が固体高分子型とすることができる。また、前記他の単セルの一部が、前記酸素生成器へ切替可能となっていてもよい。

本発明によれば、複数の単位セルの一部を酸素生成器として活用するので純度の高い酸素を発電用の他のセルに供給できる。よって、発電効率及び耐久性に優れたコンパクトな燃料電池を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る燃料電池を説明する。図１は、燃料電池１の構成を模式化して示した図である。燃料電池１は、単セル（単位電池）２を複数積層して形成されている。図１では、４個の単セル２で形成した燃料電池１を示している。各単セル２は電解質膜３の両側にアノード電極４及びカソード電極５を配置したＭＥＡ（膜電極接合体）と、この両側に配置したセパレータ６とにより構成されている。セパレータ６にはアノードガス流路、カソードガス流路及び冷却媒体流路を必要により形成することができる。各単セル２は互いに隣接した状態で配置されている。アノード電極４及びカソード電極５は例えばカーボンを含んで形成されている。これらの電極４、５は、反応を促進する触媒を含んで形成した電極触媒体となっている。電極に加える触媒としては、例えば白金等の貴金属触媒を採用することが好ましい。電極触媒体は例えばカーボンを担体とし、この担体中に白金が分散した形態に形成されている。また、電解質膜３にはプロトン伝導性の固体高分子膜を用いることができる。このような固体高分子膜としては、例えばパーフロロカーボンスルホン酸、ヘテロポリ酸系、含水βアルミナ系等の含水性の高分子膜を用いることができる。これらの高分子膜は所定の水分を含んだ状態でプロトン（Ｈ^＋）を透過させる。

図１で示す４個の単セル２は同様に形成されている。ただし、本燃料電池１では左端に位置する単セル２が酸素生成器として動作し、他の３個の単セル２が通常の発電器として動作するように形成されている。図１で示すように、単セル２の内で、酸素生成器として機能する部分には符号Ａを付し、発電器として機能する部分には符号Ｂを付して区別する。

３個の発電用単セル２Ｂの各アノード電極４Ｂには、水素供給タンク１０に接続した水素供給路１１を介して水素が供給される。また、発電用単セル２Ｂの各カソード電極５Ｂには後述する酸素供給路１５を介して酸素が供給される。これらの単セル２Ｂは、一般的な燃料電池の単位セルと同様に電気化学反応により発電を行う。よって、図示するように、３個の単セル２Ｂの両端に位置するアノード電極４Ｂ及びカソード電極５Ｂを配線２０で負荷９（例えば、モータ）に接続すると、単セル２Ｂによる起電力で負荷９を駆動できる。この燃料電池１は、発電に使用する水素（燃料）は水素供給タンク１０から供給を受けるが、酸素の供給系が従来の燃料電池とは異なっている。この点について以下で詳細に説明する。なお、図１で例示した水素供給タンク１０は純水素を貯蔵して供給するようなタンクに限るものではなく、水素供給源として従来から知られているものを広く採用できる。

燃料電池１は、酸素生成器として機能する単セル２Ａ（以下、酸素生成単セル２Ａと称す）を含んでいる。この酸素生成単セル２Ａは、他の発電用の単セル２Ｂ（以下、発電用単セル２Ｂと称す）と同様の構造を有しているが、電力を用いて水と空気（大気）から酸素を生成させるように形成されている。よって、酸素生成単セル２Ａに接続されている配管系及び配線系が前記の発電用単セル２Ｂとは異なっている。

すなわち、酸素生成単セル２Ａのカソード電極５Ａの一端側には空気供給路１６を介して外部から空気（大気）が供給され、他端側は不純物を外部に排出するための排出路１７が接続されている。また、反対側に位置するアノード電極４Ａの一端側には水供給路１８を介して酸素生成原料として用いる水が供給されている。そして、アノード電極４Ａの他端側は、前述した発電用単セル２Ｂの各カソード電極５Ｂに生成した酸素を供給する酸素供給路１５が接続されている。

さらに、酸素生成単セル２Ａのカソード電極５Ａは、配線２１を介して発電用単セル２Ｂのアノード電極４Ｂに接続されている。また、酸素生成単セル２Ａのアノード電極４Ａは、配線２２を介して発電用単セル２Ｂのカソード電極５Ｂに接続されている。このように酸素生成単セル２Ａは、発電用単セル２Ｂが発電した電力の一部を利用して駆動されるように設計されている。酸素生成単セル２Ａのアノード電極４Ａでは、次式（１）で示した水の電気分解反応が生じる。
Ｈ_２Ｏ→１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
また、反対側のカソード電極５Ａでは、次式（２）で示した水の合成反応が生じる。
１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ （２）

上記のように酸素生成単セル２Ａは、発電用単セル２Ｂで発生させた電力の一部を用いて、アノード電極４Ａで水を電気分解して酸素を生成させる。この酸素は水を分解して得たものであるから、不純物を含まない高濃度の酸素ガスである。燃料電池１は、この純度の高い酸素を酸素供給路１５を介して発電用単セル２Ｂに供給し、電気化学反応を行うので効率良い発電を行える。

なお、酸素生成単セル２Ａのアノード電極４Ａ側で発生したプロトンＨ^＋は電解質膜３Ａを透過して反対側のカソード電極５Ａへと移行する。カソード電極５Ａ側では、この移行してきたプロトンＨ^＋と空気中の酸素とにより水が生成する（式（２）参照）。以上のように、酸素生成単セル２Ａは酸素発生源として用いる水、空気及び発電用単セル２Ｂからの電力を利用して、アノード電極４Ａ側に酸素、カソード電極５Ａ側に水を生成させるという反応を繰り返す。

燃料電池１は、酸素生成単セル２Ａで生成させた純粋な酸素を発電用単セル２Ｂでの発電に用いるので、空気中の酸素を発電に用いていない。すなわち、燃料電池１は発電に用いる酸素を自前で賄っている。この点で、空気中の酸素を使用して発電を行う従来の一般的な燃料電池とは全く異なる燃料電池となる。また、上記式（２）による反応に伴ってカソード電極５Ａに生成する水は、電解質膜３への補給水とすることができる。よって、電解質膜３に水分を必要とする固体高分子型の膜を採用しても、特別な構成を設けることなく水分補給を行うことができる。なお、カソード電極５Ａに供給される空気には、先に指摘したように酸素の他に窒素、金属イオン等の不純物が含まれている。カソード電極５Ａに入った不純物は排出路１７を介して外部へ排出される。

図２は、採用することが好ましい水供給路３０を設けた燃料電池１の変形例を示した図である。なお、図２では、図１で示した燃料電池１の構成の一部を省略して図示している。酸素生成単セル２Ａで酸素を安定的に生成させるためには、アノード電極４Ａに水を定期的に供給する必要がある。図１で示したように、水供給路１８を設けて外部に予め準備した水をアノード電極４Ａに供給するようにしてもよいが、供給路が長くなる。その一方で、発電用単セル２Ｂが発電を行った際には副産物としてカソード電極５Ｂに水が生成している。そこで、図２の燃料電池１は、水供給路３０を設けて、カソード電極５Ｂに生じた生成水を酸素生成単セル２Ａのアノード電極４Ａに供給し、酸素生成の原料として活用するようにしている。ここで設ける水供給路３０は、水を外部から供給する図１の水供給路１８より管路長を短くできる。よって、図２の燃料電池１は、水の供給系を改善することによって更に構成を簡素化できる。ただし、酸素生成単セル２Ａに対して水を安定供給するという観点から、カソード電極５Ｂからの水供給路３０に加えて外部からの水補給路を併設してもよい。このように構成しておくと、カソード電極５Ｂからの生成水だけでは水を賄いきれないときに、外部からの水補給路に切替えて水を供給できるので燃料電池１をより安定に駆動できる。

また、燃料電池１は酸素生成単セル２Ａのアノード電極４Ａで水から酸素を発生させるときに印加する電圧を低減できる構成を備えている。図３を参照して説明する。図３は、水を電気分解する場合の電位と電流について示した図である。なお、ＲＨＥは可逆水素電位である。図３は上側に電気分解を行った一方の電極の電位及び電流の関係を示し、また下側には他方の電極の電位及び電流の関係を示している。一方の電極は電子を放出する反応側となる極であり、他方の電極は電子を受け取る反応側となる極である。

一般に水から酸素を発生させる場合には、プロトンを水素にするための電位（０ Vvs.RHE前後）と、水から酸素を発生させるための電位（1.7〜1.8 Vvs.RHE程度）との電位差が生じるように印加電圧を制御することが必要である。よって、水を電気分解して酸素を生成させるときには電極間に1.5Ｖ以上、一般に1.7〜1.8Ｖ程度の電位差を発生させることが必要となる。ところが、燃料電池１では酸素生成単セル２Ａのカソード電極５Ａ側に酸素（空気）を供給している。これにより図３の下側で示すように、他方の電極の電位が酸素を水にするための電位に置き換わる。すなわち、他極側の電位が右側にシフトして電位が0.98 Vvs.RHE程度となる。よって、上側の電極との電位差が約１Ｖ程度にまで縮小する。したがって、酸素生成単セル２Ａに１Ｖ前後の電圧を印加するだけで酸素を生成させることができる。このように本燃料電池１は一般的に水を電気分解する場合よりも効率良く酸素を発生させて発電に使用するので、この点でも高効率に発電が行える。

なお、酸素生成単セル２Ａと発電用単セル２Ｂとは全く同様に形成してもよいが、酸素生成単セル２Ａから効率良く酸素を発生させるために、酸素生成単セル２Ａの電極４Ａ、５Ａの触媒量を発電用単セル２Ｂの電極４Ｂ、５Ｂよりも増加させおくのが好ましい。負荷９の負荷状態が変化する場合には、高負荷時に対応して生成する酸素を増やすことができるように酸素生成単セル２Ａの電極４Ａ、５Ａの触媒量を設定しておくことが望ましい。例えば、発電用単セル２Ｂの個数の増加に応じて、アノード電極４Ａの電極の触媒量を増加させるという手法を採用してもよい。これについて、図１に示した燃料電池１で具体的に説明する。この燃料電池１では、３個の発電用単セル２Ｂで使用する酸素を、１個の酸素生成単セル２Ａで生成させた酸素で賄っている。よって、酸素生成単セル２Ａの電極４Ａ、５Ａ側の触媒量を、発電用単セル２Ｂの電極４Ｂ、５Ｂ側の触媒量の３倍程度に設定すればよい。また、酸素生成単セル２Ａの電極には、酸素発生過電圧を小さくできる酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）を混合してもよい。さらにポリテトラフルオロエチレン（PTFE：Poly Tetra Fluoro Ethylene）を添加すると酸素発生過電圧を更に小さくできる。また、各電極に高結晶性カーボンを用いると耐腐食性を向上させることができる。

以上説明したように、燃料電池１は複数の単セル２の一部を酸素生成単セル２Ａとし、この酸素生成単セル２Ａから高濃度の酸素を他の発電用単セル２Ｂに供給するので、発電用単セル２Ｂで効率良く発電を行うことができる。図４は、酸素供給源として空気を用いた場合（２１％のＯ²）と、濃度100％の酸素ガスを用いた場合とのセル性能を比較して示した図である。図４から明らかなように高濃度の酸素を用いる燃料電池の性能が向上することが確認できる。なお、燃料電池１は、複数の単セルを積層するという基本構造は従来の燃料電池と同様である。よって、単セル２の一部が酸素生成単セル２Ａとなるように配線及び配管を変更することで、従来の燃料電池から燃料電池１を比較的簡単に作製できる。

また、燃料電池１は空気に基づかない酸素を発電に用いるので、不純物による電解質や触媒の劣化を防止できる。特に、空気の不純物中に金属イオンが含まれていた場合には、電解質膜として固体高分子膜を用いているとプロトン伝導性が低下してしまう。しかし、燃料電池１は酸素生成単セル２Ａで生成させた純粋な酸素を発電に用いるので電解質膜として固体高分子型の膜を積極的に採用できる。

また、前述したように酸素生成単セル２Ａのカソード電極５Ａに酸素（空気）を供給することで印加電圧を抑制できるので、燃料電池１は効率良くアノード電極４Ａに酸素を生成させることができる。以上から明らかなように、燃料電池１は性能、耐久性に優れた燃料電池となる。更に、燃料電池１では、酸素生成単セル２Ａの駆動を発電用単セル２Ｂで発電した電力の一部を使用する共に、発電用単セル２Ｂの生成水を酸素生成単セル２Ａの酸素生成材料として利用することもできる。このように燃料電池１は発電に必要なものを自前で賄うように構成されているので、配線や配管を簡素化すると共に、長さを短くすることもできる。よって、燃料電池１は構造を簡素化したコンパクトな燃料電池となる。

図５は、単セル２の一部を発電用単セル２Ｂと酸素生成単セル２Ａとに切替えて使用できるように改良した燃料電池１の変形例について示した図である。図１に示した燃料電池１は、左端に位置する単セルが酸素生成単セル２Ａ、他の３個の単セルが発電用単セル２Ｂとなっており、この関係は固定されている。しかし、燃料電池１は単セル２を積層した構造であり、単セル２間の配管及び配線を適宜に変更することで、任意の単セル２を酸素生成単セル２Ａとすることができる。また、単セル２の一部を酸素生成単セル２Ａと発電用単セル２Ｂとに切替えて使用できるように設計することも可能である。

図５は、左側の２番目の単セル２−２から４番目の単セル２−４までを酸素生成単セル２Ａと発電用単セル２Ｂとに兼用できるように形成した燃料電池１を示している。この燃料電池１は、例えば通常運転時には上段で示すように左端に位置する専用の酸素生成単セル２Ａで酸素を生成させ、他の発電用単セル２Ｂで発電して負荷９を駆動する。そして、低電圧運転時には下段で示すように酸素生成単セル２Ａを４個に増やし、発電用単セル２Ｂを９個から６個に減少させて負荷９を駆動する。このように図５に示す燃料電池１は、負荷状態に応じて酸素生成量と発電量とを調整できるより好ましい燃料電池となる。また、図示するように、生成させた酸素を保存するリザーバタンク４０を酸素生成単セル２Ａに接続しておくことが好ましい。リザーバタンク４０を備えていれば余剰の酸素が発生したときにこれを保存して、低負荷から高負荷に変更したときなどの必要時に酸素を補完できる。先に説明した図１の燃料電池１についても、このようなリザーバタンク４０を設けてもよい。

なお、上記燃料電池１の初期起動時には酸素生成単セル２Ａが酸素を生成していないので、発電用単セル２Ｂへ発電用の酸素を供給することが必要である。例えば酸素供給路１５に空気（大気）に開放可能な弁を設けて、空気中の酸素を利用することができる。このように起動時に少量の空気を用いてもその後直ぐに、弁を閉じて酸素生成単セル２Ａから酸素供給路１５へ純度の高い酸素が供給できるので効率のよい発電を行える。そして、上記のようにリザーバタンク４０を設けた場合、停止後の再起動時には保存している酸素を用いるようにすればよい。また、燃料電池１の初期起動時に用いる起動用電池、或いは初期起動時に用いる酸素を供給する起動用酸素タンクを配備する構造としてもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施形態に係る燃料電池の構成を模式化して示した図である。 採用することが好ましい水供給路を設けた燃料電池の変形例を示した図である。 水を電気分解する場合の電位と電流について示した図である。 空気を用いた場合と濃度100％の酸素ガスを用いた場合とのセル性能を比較して示した図である。 単セルの一部を発電用単セルと酸素生成単セルとに切替えて使用できるように形成した燃料電池の変形例について示した図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 単セル
２Ａ 酸素生成単セル（酸素生成器）
２Ｂ 発電用単セル
３ 電解質膜
４ アノード電極
４Ａ 酸素生成単セルのアノード電極
４Ｂ 発電用単セルのアノード電極
５ カソード電極
５Ａ 酸素生成単セルのカソード電極
５Ｂ 発電用単セルのカソード電極
９ 負荷

Claims (8)

1. 単セルを複数積層して形成した燃料電池であって、
   前記単セルの少なくとも１つを酸素生成器として用い、該酸素生成器で生成させた酸素を他の単セルに供給して発電に使用することを特徴とする燃料電池。
2. 前記酸素生成器のアノード電極には水を供給し、カソード電極には空気を供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記酸素生成器のアノード電極に、前記他の単セルの発電時に生じた生成水を供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記他の単セルの出力の一部を使用して、前記酸素生成器を駆動することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池。
5. 前記酸素生成器となる単セルの電極は、前記他の単セルの電極よりも多量の触媒を含んでいることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記酸素生成器となる単セルの電極に酸化ルテニウムを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 前記単セルの電解質膜が固体高分子型であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池。
8. 前記他の単セルの一部が、前記酸素生成器へ切替可能となっていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池。
   

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