JP2009087809A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電中の燃料電池内部における温度分布を改善することができる技術を提供する。
【解決手段】燃料電池１００は、水素及び炭化系水素化合物を含む燃料ガスが供給される。燃料電池１００は、アノード１２とカソード１３とで挟持された電解質膜１１を含む膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０のアノード側電極面に設けられた、燃料ガスのための燃料ガス流路２１とを備える。燃料ガス流路２１には、炭化系水素化合物のシフト反応を促進するためのシフト触媒層４１と、炭化系水素化合物の改質反応を促進するための改質触媒層４０とが積層されており、シフト触媒層４１が改質触媒層４０よりもアノード１２により近い位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池では、発電効率を向上するために、発電に供される発電領域の温度分布を均一化することが望ましい。これまで発電領域の温度分布を均一化するための種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。

特開２００５−１９０６８４号公報 特開２００４−２７３３４３号公報

ところで、燃料電池反応を良好に継続するためには、さらに、発電領域において、所定の温度（例えば８０℃程度）が保持されることが好ましい。しかし、一方で、燃料電池全体として見たときに、燃料電池の運転温度は、より低温であることが望まれている。このように、発電中の燃料電池内部における温度分布を改善することが望まれてきたが、これまで、こうした要求に対して十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。

本発明は、発電中の燃料電池内部における温度分布を改善することができる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］水素及び炭化系水素化合物を含む燃料ガスが供給される燃料電池であって、アノードとカソードとで挟持された電解質膜を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノード側電極面に設けられた、前記燃料ガスのための燃料ガス流路とを備え、前記燃料ガス流路には、前記炭化系水素化合物のシフト反応を促進するためのシフト触媒層と、前記炭化系水素化合物の改質反応を促進するための改質触媒層とが積層されており、前記シフト触媒層が前記改質触媒層よりも前記アノードにより近い位置に配置されている、燃料電池。この燃料電池によれば、シフト触媒層における発熱反応により発電領域の温度を比較的高温に保持しつつ、改質触媒層における吸熱反応により燃料電池全体として見たときの動作温度を低減させることが可能である。また、シフト触媒層によって、改質触媒層の吸熱反応による発電領域に対する冷却効果を緩衝させることができる。従って、発電中の燃料電池内部における温度分布を改善することができる。

［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、前記アノードは、水素を選択的に透過する水素透過性金属を備える燃料電池。この燃料電池によれば、発電中の水素分離膜型燃料電池における燃料電池内部の温度分布を改善することができる。

［適用例３］適用例１又は適用例２記載の燃料電池であって、前記シフト触媒層に含まれるシフト触媒の含有量に対する、前記改質触媒層に含まれる改質触媒の含有量の比である触媒含有量比率は、前記燃料ガス流路の下流側ほど大きくなる燃料電池。この燃料電池によれば、燃料ガスの上流側ほど改質触媒層における吸熱反応による冷却効果を低減させることができる。従って、発電領域内における温度分布をより均一化することが可能となる。

［適用例４］適用例１又は適用例２記載の燃料電池であって、前記シフト触媒層に含まれるシフト触媒の含有量に対する、前記改質触媒層に含まれる改質触媒の含有量の比である触媒含有量比率は、前記燃料電池の運転を継続した時に、前記燃料ガス流路のうち温度が高くなる領域ほど大きくなる燃料電池。この燃料電池によれば、燃料電池の運転継続時に、発電領域内において温度が高くなる領域ほど、改質触媒層による冷却効果を高くすることができる。従って、発電領域内における温度分布をより均一化することが可能となる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。

A．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例として燃料電池の構成を示す概略断面図である。この燃料電池１００は、アノード側に供給される燃料ガス中の水素を選択的に透過することができる水素分離膜を備えた、いわゆる水素分離膜型燃料電池である。なお、燃料電池１００としては、水素分離膜型燃料電池でなくとも良く、例えば、他の個体酸化物型燃料電池に本発明を適用することが可能である。

燃料電池１００は、発電体である複数の発電モジュール１１０が積層された、いわゆるスタック構造を有する。発電モジュール１１０は、膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０を挟持するセパレータ２０，３０とを備えている。膜電極接合体１０は、アノード１２及びカソード１３によって挟持された電解質膜１１を備えている。

電解質膜１１は、例えば、ＢａＣｅＯ₃や、ＳｒＣｅＯ₃系のセラミックスプロトン伝導体によって構成することができる。また、アノード１２としては、パラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム合金などの水素透過性を有する金属の薄膜によって構成することが可能である。これによって、アノード１２は、ガス流路２１から電解質膜１１Ａ側へと水素のみを選択的に透過することが可能となる。

カソード１３は、電解質膜１１と接する外面に、発電反応を促進するための触媒層（図示せず）を有しており、電解質膜１１と接しない外面に、供給された酸化ガスを全面に行き渡らせるためのガス拡散層（図示せず）を有している。なお、以後、本明細書においては、燃料電池１００の電解質膜１１及び２つの電極１２，１３を含む、発電に供される領域を「発電領域」と呼ぶ。

セパレータ２０，３０は、導電性を有するガス不透過の板状部材（例えば金属板）によって構成することができる。セパレータ２０，３０の各電極１２，１３と接する面側には、燃料ガス及び酸化ガス（反応ガス）をそれぞれ誘導するためのガス流路２１，３１が設けられている。ガス流路２１，３１は、発電領域全体に渡って、セパレータ２０，３０の外表面を併走する複数の流路溝として構成される。なお、セパレータ２０，３０の各電極１２，１３と接しない外面には、冷媒を誘導するための冷媒流路が設けられている（図示せず）。

アノード側に配置されたアノードセパレータ２０のガス流路２１には、改質触媒が担持された改質触媒層４０と、シフト触媒が担持されたシフト触媒層４１とが、シフト触媒層４１をアノード１２側として積層して設けられている。

改質触媒は、後述する改質反応を促進するための触媒である。改質触媒としては、例えば、ロジウム（Ｒｈ）や、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）等を採用することができる。シフト触媒は、後述するシフト反応を促進するための触媒である。シフト触媒としては、例えば、銅（Ｃｕ）や、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）等を採用することができる。

これら２つの触媒層４０，４１は、アノードセパレータ２０のガス流路２１の外表面に、スラリー化した改質触媒を塗布した後に仮焼成を行い、さらに、スラリー化したシフト触媒をその上に重ねて塗布した後に、本焼成を行うことによって設けることができる。

ところで、本実施例の燃料電池１００の燃料ガスとしては、炭化水素系化合物を原料として改質機において改質反応・シフト反応を経て、水素リッチガスとして精製されたものが供給される。なお、原料となる炭化系水素化合物には、例えば、メタノールや、天然ガス、ガソリン、ジメチルエーテル、アセトアルデヒド等が含まれる。

一般に、改質機によって精製された燃料ガスには、改質機における反応温度に応じて、水素とともにメタン（ＣＨ₄）及び一酸化炭素（ＣＯ）が含まれる。この燃料電池１００では、ガス流路２１に改質触媒層４０が設けられているため、燃料ガス中のメタンと水蒸気（Ｈ₂０）とから水素（Ｈ₂）及び一酸化炭素を精製する改質反応が促進される（反応式（１））。
ＣＨ₄ + Ｈ₂０ → ３Ｈ₂ ＋ ＣＯ …（１）

また、ガス流路２１には、シフト触媒層４１が設けられているため、一酸化炭素と水蒸気とから水素と二酸化炭素（ＣＯ₂）とが生成されるシフト反応が促進される（反応式（２））。
ＣＯ ＋ Ｈ₂０ → Ｈ₂ ＋ ＣＯ₂ …（２）

なお、一般に、上記反応式（１），（２）に示される改質反応及びシフト反応は平衡反応である。しかし、発電中の燃料電池１００のアノード側では、発電反応に水素が供されて消費されていくため、２つの反応はともに、アノード側の水素消費量に応じて、水素を生成する方向（反応式の左辺から右辺へと進む矢印方向）へと進む。

ここで、一酸化炭素は被毒性を有するため、アノード側に存在する一酸化炭素のために燃料電池が劣化する可能性がある。一酸化炭素は、シフト反応によって消費することが可能であるが、シフト反応は、一酸化炭素を生成する改質反応より反応速度が遅い。そこで、この燃料電池１００では、発電反応によってより多くの水素が消費されるアノード１２により近い部位にシフト触媒層４１を設けることによって、シフト反応が一酸化炭素の消費及び水素の生成方向に進むことを促進させる。

また、改質反応は、水素の生成方向に反応が進む場合には吸熱反応となる。即ち、発電反応による水素の消費量が増加し、その発熱量が増加すると、改質反応は吸熱量が増加する方向へと進行する。従って、改質触媒層４０は、発電反応による発熱によって燃料電池が所定の動作温度より高くなることを抑制するための冷却部としての機能を担うことが可能である。

ところで、仮に、改質触媒層４０がアノード１２と直接的に隣接して設けられた場合を想定すると、改質触媒層４０の冷却機能によって発電領域が過度に冷却されてしまい、却って発電反応を阻害し、発電効率を低下させる可能性がある。しかし、本実施例の燃料電池１００では、アノード１２と改質触媒層４０との間にシフト触媒層４１が設けられいるため、シフト触媒層４１が、アノード１２と改質触媒層４０との間の伝熱を緩衝し、発電領域の過度な温度低下を抑制する。即ち、シフト触媒層４１は伝熱緩衝材として機能する。

また、シフト反応は、改質反応とは逆に、水素の生成方向に反応が進む場合には発熱反応となる。即ち、発電モジュール１１０は、発電領域に近いほど、発電反応による反応熱とシフト触媒層４１からの熱によって比較的高温に保持され、発電領域から離れるほど改質触媒層４０及び図示せざる冷媒流路によって比較的低温に保持される。従って、燃料電池１００は、発電領域を発電反応が良好に継続できる程度の高温に保ちつつ、燃料電池全体としてみたときには比較的低温の状態で運転を継続させることが可能である。

なお、本実施例の燃料電池１００のような水素分離膜型燃料電池は、一般に、その動作温度が４００〜６００℃と高温である。従って、燃料電池１００の発電中には、改質触媒及びシフト触媒が高い活性を示すため、上述のような効果をより高く得ることが可能である。

このように、本実施例の燃料電池１００では、アノード側のガス流路２１に、改質触媒層４０とシフト触媒層４１とが積層されており、シフト触媒層４１が改質触媒層４０よりもアノード１２により近い位置に配置されている。この構成によって、発電中の燃料電池１００内部の温度分布を改善することができる。

B．第２実施例：
図２は、本発明の第２実施例としての燃料電池１００Ａの構成を示す概略断面図である。図２は電解質膜１１及びアノード１２に換えて構成部材の異なる電解質膜１１Ａ及びアノード１２Ａを用いている点以外は、ほぼ図１と同じである。

この燃料電池１００Ａの電解質膜１１Ａは、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子である。また、アノード１２Ａは、カソード１３と同様に、触媒層及びガス拡散層を有するように構成されている。即ち、この燃料電池１００Ａは、いわゆる固体高分子型燃料電池である。ここで、固体高分子型燃料電池の動作温度は、一般に８０℃程度である。このように、第１実施例のような水素分離膜型燃料電池に限らず、動作温度の異なるような種々のタイプの燃料電池にも本発明を適用することが可能である。

C．第３実施例：
図３（Ａ）は、本発明の第３実施例としての燃料電池に用いられるアノードセパレータ２０Ａの構成を示す概略図である。図３（Ａ）は、図１に示されたアノードセパレータ２０のガス流路２１が設けられた面側を示しており、ガス流路２１には、第１実施例と同様に、改質触媒層４０及びシフト触媒層４１が設けられている。なお、本実施例の燃料電池の他の構成は、セパレータ２０Ａ以外は、第１実施例の燃料電池１００と同様である。

セパレータ２０Ａには、反応ガス及び冷媒のためのマニホールドＭ１〜Ｍ６が貫通孔として設けられている。具体的には、燃料ガスの供給用マニホールドＭ１と排出用マニホールドＭ２とがガス流路２１を挟んで対向する位置に設けられている。同様に、酸化ガス及び冷媒の供給用マニホールドＭ３，Ｍ５と、酸化ガス及び冷媒の排出用マニホールドＭ４，Ｍ６とがそれぞれ、ガス流路２１を挟んで対向する位置に設けられている。

ガス流路２１のそれぞれの流路溝は、燃料ガスの供給用マニホールドＭ１側から、排出用マニホールドＭ２側へ向かって併走している。また、セパレータ２０には、ガス流路２１のそれぞれの流路溝と連結するとともに、燃料ガスの供給用マニホールドＭ１又は排出用マニホールドＭ２と連結する連結ガス流路２４が設けられている。

これによって、燃料ガスは、図中の矢印に示すように、供給用マニホールドＭ１から連結ガス流路２４及びガス流路２１を経て、排出用マニホールドＭ２へと発電領域内を流れる。以後、この発電領域における燃料ガスの流れる方向（図中Ｘ軸方向）を「ガス流路方向」と呼ぶ。

図３（Ｂ）は、ガス流路２１のガス流路方向の距離と発電領域における触媒含有量比率との関係を示すグラフである。ここで、「触媒含有量比率」とは、シフト触媒層４１に含まれるシフト触媒の含有量（Ｍｓ）に対する、改質触媒層４０に含まれる改質触媒の含有量（Ｍｒ）の比率（Ｍｒ／Ｍｓ）を意味する。

このグラフからも理解できるように、このセパレータ２０Ａでは、供給用マニホールドＭ１から排出用マニホールドＭ２へと近づくほど、即ち、ガス流路２１の下流側ほど、触媒含有量比率が大きくなる。これは、ガス流路２１の下流側ほど、シフト触媒の含有量Ｍｓに対して改質触媒の含有量Ｍｒが多くなることを意味する。

第１実施例で説明したように、改質反応はシフト反応に比較して反応速度が速い。また、ガス流路２１の上流側ほど、燃料ガス中にはメタンが多く含まれており、その量に応じて改質反応は吸熱方向に進行する。そのため、触媒含有量比率をガス流路方向に渡って一定とすると、改質反応による吸熱量が上流側ほど大きくなり、発電中の発電領域における温度分布は不均一となる。一般に、発電中の発電領域における温度分布が不均一であるほど燃料電池の発電効率は低下してしまう。

一方、この第３実施例のセパレータ２０Ａによれば、ガス流路２１の上流側ほどシフト触媒の含有量Ｍｓに対する改質触媒の含有量Ｍｒの量が少ないため、上流側の改質触媒層４０による吸熱量がその分だけ低減され、発電領域の温度分布は、より均一化される。

このように、第３実施例の構成によれば、改質触媒及びシフト触媒の担持量を、反応ガスの流れ方向に応じて調整することによって、発電中の燃料電池内部における温度分布をさらに改善することが可能である。

D．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

D1．変形例１：
上記実施例において、セパレータ２０，３０には、ガス流路２１，３１が複数の併走する流路溝として設けられていたが、ガス流路２１，３１は、流路溝として設けられていなくとも良い。例えば、ガス流路２１，３１は、発電領域全体に渡って配置される多孔体によって構成されるものとしても良い。この場合には、改質触媒層４０及びシフト触媒層４１は、発電領域全体に渡って設けられるものとしても良い。

D2．変形例２：
上記第３実施例において、触媒含有量比率をガス流路方向に沿って線形的に増加させていたが、触媒含有量比率は、発電領域内の領域ごとに任意に増減させることができる。例えば、燃料電池の発電領域の温度分布に応じて触媒含有量比率を増減させるものとしても良い。具体的には、発電を継続したときに、温度が高くなると予測される領域ほど触媒含有量比率を大きくし、温度が低くなると予測される領域ほど触媒含有量比率を小さくするものとしても良い。

なお、発電領域における温度分布は燃料電池の設計上の諸条件によって異なってくるため、実験等の解析により個別具体的に検討することが好ましい。例えば、一般に、燃料電池の発電領域における温度分布は、燃料ガス及び酸化ガスの流れ方向によっても変化する。従って、触媒含有量比率を設定する際には、燃料ガスの流れ方向だけではなく、酸化ガスの流れ方向に応じて触媒含有量比率を増減させるものとしても良い。また、一般に、冷媒の供給側（上流側）より排出側（下流側）は冷却効果が小さくなるため、その冷却効果の差に応じて冷媒の下流側ほど触媒含有量比率を増加させるものとしても良い。

また、一般に、燃料電池では、発電モジュール（単セル）ごとの動作温度についても均一であることが好ましい。従って、発電モジュールごとに各触媒層の触媒担持量を調整して冷却効果に差異を持たせて、燃料電池全体の温度分布を改善するものとしても良い。

第１実施例の燃料電池の構成を示す概略断面図。 第２実施例の燃料電池の構成を示す概略断面図。 セパレータのアノード側の面における燃料ガスの流れを示す概略図及び発電領域における位置と触媒含有量比率との関係を示すグラフ。

符号の説明

１０…膜電極接合体
１１,１１Ａ…電解質膜
１２，１２Ａ…アノード
２０，２０Ａ，３０…セパレータ
２１，３１…ガス流路
２４…連結ガス流路
４０…改質触媒層
４１…シフト触媒層
１００，１００Ａ…燃料電池
１１０…発電モジュール
Ｍ１〜Ｍ６…マニホールド

Claims (4)

1. 水素及び炭化系水素化合物を含む燃料ガスが供給される燃料電池であって、
   アノードとカソードとで挟持された電解質膜を含む膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体のアノード側電極面に設けられた、前記燃料ガスのための燃料ガス流路と、
   を備え、
   前記燃料ガス流路には、前記炭化系水素化合物のシフト反応を促進するためのシフト触媒層と、前記炭化系水素化合物の改質反応を促進するための改質触媒層とが積層されており、前記シフト触媒層が前記改質触媒層よりも前記アノードにより近い位置に配置されている、燃料電池。
2. 請求項２記載の燃料電池であって、
   前記アノードは、水素を選択的に透過する水素透過性金属を備える、燃料電池。
3. 請求項１又は請求項２記載の燃料電池であって、
   前記シフト触媒層に含まれるシフト触媒の含有量に対する、前記改質触媒層に含まれる改質触媒の含有量の比である触媒含有量比率は、前記燃料ガス流路の下流側ほど大きくなる、燃料電池。
4. 請求項１又は請求項２記載の燃料電池であって、
   前記シフト触媒層に含まれるシフト触媒の含有量に対する、前記改質触媒層に含まれる改質触媒の含有量の比である触媒含有量比率は、前記燃料電池の運転を継続した時に、前記燃料ガス流路のうち温度が高くなる領域ほど大きくなる、燃料電池。

Images