JP5103754B2

JP5103754B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP5103754B2
Application number: JP2006046926A
Authority: JP
Inventors: 雅治塩谷
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2006-02-23
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2026-02-23
Also published as: JP2007227154A

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

近年、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源として燃料電池が注目されるようになり、燃料電池自動車や電化住宅などに幅広く実用化されてきている。また、急速に小型化の研究、開発が進められている携帯電話機やノート型パーソナルコンピュータなどといった携帯型電子機器においても、燃料電池による電源の実用化が検討されている。

燃料電池は燃料極と酸素極との間に電解質膜を挟んだものであり、燃料極に燃料を供給し、酸素極に酸素ガスを供給すると、燃料極で電子が取り出されて電気化学反応が起こり、酸素極に電子が受けとられて電気化学反応が起こり、イオンが電解質膜を透過する（例えば、特許文献１参照。）。電解質膜が固体酸化物電解質膜の場合には、酸素イオンが酸素極から燃料極へ電解質膜を透過するので、燃料極において水が生成される。
特開２００３−２６３９９６号公報

ところで、例えば、固体酸化物型のような燃料電池は、効率的に発電するために高温で動作している。このため発電の際に生成された水は気体の状態であり、その水蒸気が燃料電池の外部に排出されなければならない。しかしながら、燃料極では、水の他に発電に利用されなかった未反応の燃料が残っており、この燃料が気体の状態で水蒸気と混合されていると、水蒸気と燃料を分離して回収することが困難であった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池に供給される燃料と非燃料部材を効率的に分離することができる燃料電池装置を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明においては、燃料電池装置であって、
ケースと、
前記ケースの内部に配置され、前記ケース内部を第一の内部空間と第三の内部空間とに仕切る膜電極接合体と、
前記ケースの内部に配置され、前記ケース内部を第二の内部空間と第三の内部空間とに仕切る燃料透過膜と、
前記ケース及び前記ケースの内部を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記膜電極接合体は、燃料極及び酸素極、前記燃料極及び前記酸素極との間に設けられている電解質膜で構成され、
前記第一の内部空間は、前記酸素極に接し、空気供給口及び空気排出口に連通し、
前記第二の内部空間は、燃料を供給する燃料供給口と燃料を排出する燃料排出口とに連通し、
前記第三の内部空間は、前記燃料極に接し、水蒸気を含む非燃料部材を排出する非燃料部材排出口に連通し、
前記燃料透過膜は、前記燃料を透過し、前記燃料と異なる前記非燃料部材を透過しないことにより、
前記非燃料部材と前記燃料とを分離して前記非燃料部材排出口から前記非燃料部材が回収されることを特徴とする。
燃料としては、水素や、メタノール等の炭化水素材料が好ましく、非燃料部材としては、水、水蒸気が好ましい。

上記発明において、好ましくは、前記非燃料部材は、前記膜電極接合体で生成される副生成物である。

また、好ましくは、前記電解質膜が固体酸化物電解質膜である。

また、好ましくは、前記燃料透過膜と前記燃料極との間において、前記燃料及び前記非燃料部材は、ともに気体である。

本発明によれば、燃料透過膜によって選択的に燃料と非燃料部材を容易に分離できる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態および図示例に限定するものではない。

図１は、固体酸化物型の燃料電池装置１の概略断面図である。この燃料電池装置１は、有底管状の酸素取り込み部７、管状の水蒸気発生部１１及び有底管状の燃料取り込み部１６からなるケースと、そのケース内に設けられている膜電極接合体２と、水素透過膜１４とを備える。膜電極接合体２は、燃料極膜３、固体酸化物電解質膜４及び酸素極膜５を備え、燃料極膜３は燃料取り込み部１６側に面して配置され、酸素極膜５は酸素取り込み部７側の内部空間１０に面して配置されており、固体酸化物電解質膜４は燃料極膜３及び酸素極膜５の間に介在している。膜電極接合体２は適宜インターコネクタを備えていてもよい。燃料極膜３と燃料取り込み部１６との間には水素透過膜１４が配置され、燃料取り込み部１６側の内部空間１７と燃料極膜３側の内部空間１２が水素透過膜１４によって仕切っている。水蒸気発生部１１は、燃料極膜３と水素透過膜１４との間の間仕切りとなっており、内部空間１２で生成される水を排出するための排出口１３が形成されている。燃料取り込み部１６には、内部空間１７に水素を供給する水素供給口１８と発電に利用されなかった未反応の水素を排出する水素排出口１９が形成されている。酸素取り込み部７には、内部空間１０に酸素源となる空気を取り込む空気供給口８と、発電に利用されなかった未反応の酸素を含む空気を排出する空気排出口９が形成されている。

このように、水素供給口１８から内部空間１７に取り込まれた水素は、水素透過膜１４を透過してから内部空間１２を移動する。内部空間１２内の水素は燃料極膜３に到達し電気化学反応を引き起こすが、一部の水素は、未反応のまま再び水素透過膜１４を透過して、内部空間１７に移動して水素排出口１９から排出されることになる。一方、内部空間１２で生成される水は、水素透過膜１４を透過することができずに排出口１３から排出される。
燃料極膜３及び酸素極膜５はそれぞれ配線２１及び配線２２を介して負荷２０に接続されている。このため、燃料極膜３で生成された電子は配線２１を介して負荷２０に流れ、さらに配線２２を経由して酸素極膜５に移動する。

固体酸化物電解質膜４は、酸素イオンを透過させる性質をもつ。固体酸化物電解質膜４の一方の面に燃料極膜３が成膜され、固体酸化物電解質膜４の他方の面に酸素極膜５が成膜され、これらの接合体が膜電極接合体２となる。燃料極膜３にはＮｉやＮｉ合金が用いられ、多孔質のガス拡散層にＮｉを担持させたものでも良い。固体酸化物電解質膜４には、Ｙ₂Ｏ₃等のドーパントを添加した安定化ＺｒＯ₂、Ｚｒ_XＹ_1-XＯ₂、Ｓｃ₂Ｏ₃ＺｒＯ₂、Ｃｅ_XＧｄ_1-XＯ₂又はＬａ_XＳｒ_1-XＧａ_YＭｇ_1-YＯ₃等の金属酸化物が用いられる。酸素極膜５には、ＬａＭｎＯ₃、Ｌａ_XＳｒ_1-XＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃、Ｌａ_XＳｒ_1-XＣｏＯ₃等のペロブスカイト型構造の金属酸化物が用いられ、これのうちの何れかを多孔質のガス拡散層に担持させたものでも良い。

水素透過膜１４は、固体酸化物型の燃料電池装置１での動作温度（例えば７００℃〜１０００℃）の雰囲気に対して水素を選択的に透過させ、水に対して透過率の低い性質をもつ。水素透過膜１４は、Ｐｄ膜、Ｐｄ−Ａｇの合金膜、さらにはＶ−Ｎｉ−Ｔｉの合金膜、Ｖ−Ｎｉの合金膜、Ｖ−Ｃｏ−Ｔｉの合金膜、Ｖ−Ｃｏの合金膜、Ｖ−Ｍｏ−Ｔｉの合金膜若しくはＶ−Ｍｏの合金膜又はこれらのうちの何れかの合金膜にＰｄを被覆した複合膜、Ｚｒ−Ｎｉのアモルファス合金膜の中から適宜選択されることが好ましい。水素透過膜１４の厚さは特に限定はないが、十分な強度がとれるのであれば１００μｍ以下が好ましい。

膜電極接合体２が酸素取り込み部７と水蒸気発生部１１との間の内側に支持され、水素透過膜１４が水蒸気発生部１１と燃料取り込み部１６との内側に支持されている。ケース内においては、水素透過膜１４が膜電極接合体２に対向配置され、水蒸気発生部１１の内側の内部空間１２が燃料極膜３、水蒸気発生部１１及び水素透過膜１４によって囲まれ、水素透過膜１４及び燃料極膜３が内部空間１２に露出している。内部空間１２に露出した燃料極膜３の面積が、内部空間１２に露出した水素透過膜１４の面積に等しい。内部空間１２における水素透過膜１４と燃料極膜３の間隔は１ｍｍ以下である。

酸素取り込み部７、水蒸気発生部１１及び燃料取り込み部１６からなるケースは、燃料電池装置１での動作温度に対して著しく劣化、変形しない耐熱性の部材を含んでいる。このケースは燃料極膜３と酸素極膜５が負荷２０を介することなく電気的に導通しないように燃料極膜３と酸素極膜５との間は少なくとも絶縁体でできている。酸素取り込み部７、水蒸気発生部１１及び燃料取り込み部１６は一体的に形成されていてもよく、互いに別体であってもよい。水蒸気発生部１１は固体酸化物電解質膜４と接する部分以外は導電性部材であってもよく、水蒸気発生部１１が燃料極膜３に接することで、水蒸気発生部１１が集電体として機能しても良い。同様に、酸素取り込み部７は固体酸化物電解質膜４と接する部分以外は導電性部材であってもよく、酸素取り込み部７が酸素極膜５に接することで、酸素取り込み部７が集電体として機能しても良い。

水素透過膜１４は厚さ方向の断面が波打つように形成されていてもよい。このようにすることによって内部空間１２との界面面積及び７内部空間１７との界面面積を増大することができるとともに、薄くても応力に対して十分な強度を持つことができる。

この燃料電池装置１においては、７００℃〜１０００℃程度に加熱された状態で、水素ガスが水素供給口１８を通って内部空間１７に供給されると、水素が水素透過膜１４を透過して内部空間１２に移動する。膜電極接合体２での電気化学反応に利用されなかった水素ガスは再び水素透過膜１４を透過して水素排出口１９から排出される。一方、酸素を含む空気が空気供給口８を通って内部空間１０に供給されると、酸素が酸素極膜５でイオン化して固体酸化物電解質膜４を透過する。膜電極接合体２での電気化学反応に利用されなかった空気は空気排出口９から排出される。固体酸化物電解質膜４を透過した酸素イオンが燃料極膜３で水素と反応し、水が内部空間１２内に生成される。このとき生じた電子は、配線２１を介して負荷２０に供給される。生成された水は水蒸気の状態となっており、水素透過膜１４を透過できずに排出口１３から排出される。このように酸素イオンの移動に伴い、電気エネルギーが生成される。

以上のように、水素透過膜１４を設けることによって水蒸気と水素ガスのように同じ気相の物質を容易に分離、回収でき、回収された水素は、後述する燃焼器で燃焼されるオフガスとして容易に利用できる。

この燃料電池装置１を用いた発電装置１００について図２を用いて説明する。ここで、図２は、発電装置１００の構成を示したブロック図である。

この発電装置１００は、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、レジスタ、プロジェクタといった電子機器に搭載され、電子機器の電源として用いられる。

カートリッジ３１は、燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル）を収容した燃料収容部３２と、生成された水を回収する水回収部３３とを有する。このカートリッジ３１は交換可能であり、電子機器に対して着脱可能に設けられている。

燃料残量センサ３４は燃料収容部３２に収容された燃料の残量を測定し、その測定結果となる電気信号を制御回路５４に出力する。制御回路５４は、燃料残量センサ３４で測定された残量が所定量未満であれば、発電装置１００を起動しない又は動作を停止し、残量が所定量以上であれば、発電装置１００を起動する又は動作を維持するよう制御する。マイクロポンプ３５は燃料収容部３２の燃料を送液する。このマイクロポンプ３５には流量センサが設けられ、マイクロポンプ３５による燃料の流量が流量センサによって測定され、その測定結果となる電気信号を制御回路５４に出力する。制御回路５４はこの流量センサで測定された流量に基づいてマイクロポンプ３５の流量を制御する。流量センサは、マイクロポンプ３５に対して流路の上流又は下流のいずれに配置されていてもよい。

ミキサー３６は、マイクロポンプ３５から送られた燃料と、マイクロポンプ４５から送られた水を混合する。ミキサー３６には濃度センサが設けられ、ミキサー３６によって混合された混合液中の水及び燃料の濃度が濃度センサによって測定され、その測定結果を制御回路に出力する。制御回路はミキサーでの混合される燃料と水の濃度が所望の値となるように濃度センサからの測定結果に基づいてマイクロポンプ４５からの水の送量を制御する。なお、発電装置１００の起動時においては、カートリッジ３１に起動用の水収容部が設けられていてもよい。

気化器３７はミキサー３６から供給された混合液を気化させる。マイクロ改質器３８は、気化器３７から供給された燃料と水の混合気を触媒反応させることで水素ガス、二酸化炭素ガスを生成する。気化器３７及びマイクロ改質器３８の反応を促進させるためにこれらに熱エネルギーが加えられる。具体的には、定常動作時に利用される燃焼器４０における燃焼熱、起動時に利用される電熱ヒータの発熱等によって気化器３７及びマイクロ改質器３８がそれぞれ所望の温度に加熱される。また、気化器３７、マイクロ改質器３８及び燃焼器４０は、内部が１Ｐａ以下の減圧雰囲気の断熱パッケージ４１内に収容され、熱エネルギーが断熱パッケージ４１の外へ漏れないようになっている。同様に燃料電池装置１は、定常動作時に利用される燃焼器５５における燃焼熱、起動時に利用される電熱ヒータの発熱によって所望の温度に加熱されている。また燃料電池装置１も内部が１Ｐａ以下の減圧雰囲気の断熱パッケージ内に収容されていることが好ましい。

エアポンプ４６は、外部の空気を吸引して燃焼器４０に空気を供給する。エアポンプ４６には流量センサが設けられ、エアポンプ４６による空気の流量が流量センサによって測定され、その測定結果を制御回路５４に出力する。制御回路５４は、燃焼器４０が所望の温度に発熱するようにエアポンプ４６での空気の送量を制御する。

燃料電池装置１内では、水素が水素透過膜１４を透過して内部空間１２に移動する。燃料電池装置１で発電に利用されなかった未反応の水素ガスは水素排出口１９から排出されて燃焼器４０に供給される。

エアポンプ４６から燃焼器４０に供給された空気は、燃焼器４０内で、燃料電池装置１の水素排出口１９から供給された水素ガス等と混合される。燃焼器４０は、この混合気のうちの未反応の水素を酸素によって酸化燃焼し発熱して、気化器３７及びマイクロ改質器３８を加熱する。気化器３７は燃焼器４０とは別の熱源に加熱されていてもよい。

また、マイクロ改質器３８で改質する際に生じる副生成物として一酸化炭素が含まれている場合、水素透過膜１４は一酸化炭素を透過することがないので、一酸化炭素は、燃料電池装置１の内部空間１７を経て燃焼器４０に伝搬され、そこで酸素によって酸化され二酸化炭素となる。

マイクロポンプ４３は、外部の空気を吸引して加湿器４２に空気を供給する。マイクロポンプ４３には流量センサが設けられ、マイクロポンプ４３による空気の流量が流量センサによって測定され、その測定結果を制御回路５４に出力する。

燃料電池装置１の排出口１３は、凝縮器である熱交換器４４に接続され、生成された水が排出口１３から排出され、熱交換器４４に供給される。熱交換器４４は、燃料電池装置１から供給された気化した状態の水から熱を吸収してその熱を外部に放出することで、水を液体に凝縮する。熱交換器４４で凝縮された水がマイクロポンプ４５に供給される。マイクロポンプ４５は熱交換器４４から供給された水をミキサー３６、水回収部３３及び加湿器４２に供給する。マイクロポンプ４５には流量センサが設けられ、マイクロポンプ４５によって送液される水の流量が流量センサによって測定され、その測定結果を制御回路５４に出力する。

加湿器４２は、マイクロポンプ４３から供給された空気をマイクロポンプ４５から供給された水の中に通過させることで、空気を加湿する。加湿器４２には湿度センサが設けられ、加湿器４２によって加湿された空気の湿度が湿度センサによって測定され、その測定結果を制御回路５４に出力する。制御回路５４は、膜電極接合体２を適宜湿らせるようにマイクロポンプ４３での空気の送量及びマイクロポンプ４５の水の送量を制御する。マイクロポンプ４５は、熱交換器４４から送られてきた水のうち、ミキサー３６、加湿器４２に供給した分を除く余剰の分を水回収部３３に送液する。なお、起動時には、燃料電池装置１を加湿するために、カートリッジ３１に設けられた起動用の水をマイクロポンプ４５が取り込んでもよい。

加湿器４２が燃料電池装置１の空気供給口８に接続され、加湿器４２で加湿された空気は燃料電池装置１の空気供給口８に送られ、空気中の酸素が酸素極膜５でイオン化して固体酸化物電解質膜４を透過する。余った空気は空気排出口９から排出される。固体酸化物電解質膜４を透過した酸素イオンが燃料極膜３で水素と反応し、水が生成される。この一連の動作で発電された電気は昇圧回路５１に供給される。

燃料極膜３と酸素極膜５との間の電圧が昇圧回路５１によって昇圧される。昇圧回路５１によって電圧を昇圧した電力が電子機器となる負荷２０に供給され、負荷２０を動作させる。また、昇圧回路５１によって電圧を昇圧した電力が充放電回路５２によって蓄電部５３（例えば、バッテリー）に蓄電される。蓄電部５３で蓄電された電気は、一部を発電装置１００の動作に利用し、余剰を負荷２０に出力することもできる。

また、各センサの測定結果が制御回路５４にフィードバックされ、制御回路５４はマイクロポンプ３５、エアポンプ４６、マイクロポンプ４３及びマイクロポンプ４５を制御する。これにより、燃料、空気、水等の流量が調整される。

この発電装置１００においては、燃料電池装置１の排出口１３から排出された水が熱交換器４４によって凝縮されるので、水回収部３３、ミキサー３６や加湿器４２に液体の水のみを供給することが容易であり、生成された水をほぼ全てを回収することができる。
また加湿器で供給される加湿された空気によって燃料電池装置１内の温度が著しく低減してしまう恐れがある場合、熱交換器４４に到達する前の高温の水蒸気を適宜加湿器４２に供給してマイクロポンプ４３から取り込まれた空気と混合させて燃料電池装置１に供給するようにしてもよい。

なお、上記実施形態では、固体酸化物型の燃料電池装置１において水素透過膜１４を設けたが、これに限らず、固体酸化物電解質膜４を高分子電解質膜に置き換えた高分子型燃料電池や他の燃料電池に適用してもよい。この場合、燃料極側の空間には、水素イオンのキャリアとなるための水が水蒸気の状態で気化されており、この水蒸気を水素と容易に分離することができる。

本発明を適用した燃料電池装置の断面図である。燃料電池装置を用いた発電装置のブロック図である。

符号の説明

１燃料電池装置
３燃料極膜
４固体酸化物電解質膜
５酸素極膜
１０、１２、１７内部空間
１３排出口
１４水素透過膜
４４熱交換器

Claims

ケースと、
前記ケースの内部に配置され、前記ケース内部を第一の内部空間と第三の内部空間とに仕切る膜電極接合体と、
前記ケースの内部に配置され、前記ケース内部を第二の内部空間と第三の内部空間とに仕切る燃料透過膜と、
前記ケース及び前記ケースの内部を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記膜電極接合体は、燃料極及び酸素極、前記燃料極及び前記酸素極との間に設けられている電解質膜で構成され、
前記第一の内部空間は、前記酸素極に接し、空気供給口及び空気排出口に連通し、
前記第二の内部空間は、燃料を供給する燃料供給口と燃料を排出する燃料排出口とに連通し、
前記第三の内部空間は、前記燃料極に接し、水蒸気を含む非燃料部材を排出する非燃料部材排出口に連通し、
前記燃料透過膜は、前記燃料を透過し、前記燃料と異なる前記非燃料部材を透過しないことにより、
前記非燃料部材と前記燃料とを分離して前記非燃料部材排出口から前記非燃料部材が回収されることを特徴とする燃料電池装置。
前記非燃料部材は、前記膜電極接合体で生成される副生成物であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
前記電解質膜が固体酸化物電解質膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
前記第三の内部空間において、前記燃料及び前記非燃料部材は、ともに気体であることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池装置。