(57)【要約】【課題】固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ，ＰＥＦＣ以下同じ）の稼働中に電流消費が増大して発電損失が増加するのを防ぐために、別途形成した遠赤外線の放射率を高めた加工繊維又は保温材を、固体高分子型燃料電池に水素及び酸素を供給する各導管に取り付けて、当該導管を保温する固体高分子型燃料電池の発電損失を低減する方法を提供する。【解決手段】セラミックス、鉱石、炭化物を混合又は塗布して形成した遠赤外線の放射率を高めた加工繊維を保温材とした、また、この保温材を固体高分子型燃料電池に水素及び酸素を供給する夫々の導管に取り付ける、固体高分子型燃料電池の発電損失を低減する方法とした。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素を反応させて発電する固体高分子型燃料電池において、セラミックス、鉱石、炭化物を混合又は塗布して形成した遠赤外線の放射率を高めた加工繊維を、上記固体高分子型燃料電池に水素及び酸素を供給する夫々の導管に取り付けて当該導管を保温することを特徴とした、固体高分子型燃料電池の発電損失を低減する方法。
【請求項２】
水素と酸素を反応させて発電する固体高分子型燃料電池において、産業廃棄物の燃え殻や煤塵から炭素成分を分離精製して炭素含有率を８０％以上に高めた素材を防水性、耐久性及び断熱性を整えたプラスチック製の保護袋又は容器に封入して保温材を形成し、当該保温材を上記固体高分子型燃料電池に水素及び酸素を供給する夫々の導管に取り付けて当該導管を保温することを特徴とした、固体高分子型燃料電池の発電損失を低減する方法。
【請求項３】
水素と酸素を反応させて発電する固体高分子型燃料電池において、産業廃棄物の陶磁器屑から高温焼結成分を選別して約５ｍｍ３以下の粒又は細片とし、当該粒又は細片を防水性、耐久性及び断熱性を備えたプラスチック製の保護袋または容器に封入して保温材を形成し、当該保温材を上記固体高分子型燃料電池に水素及び酸素を供給する夫々の導管に取り付けて当該導管を保温することを特徴とした、固体高分子型燃料電池の発電損失を低減する方法。
【請求項４】
水素と酸素を反応させて発電する固体高分子型燃料電池において、産業廃棄物の燃え殻や煤塵から炭素成分を分離精製して炭素含有率を約８０％以上に高めた素材と、産業廃棄物の陶磁器から高温焼結成分を選別して約５ｍｍ３以下の粒又は細片とし、上記炭素成分から成る素材と上記高温焼結成分を選別した粒又は細片を混合し、当該混合物を防水性、耐久性及び断熱性を備えたプラスチック製の保護袋または容器に封入して保温材を形成し、当該保温材を上記固体高分子型燃料電池に水素及び酸素を供給する夫々の導管に取り付けて当該導管を保温することを特徴とした、固体高分子型燃料電池の発電損失を低減する方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、固体分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ，ＰＥＦＣ以下同じ）の稼働中に電流消費が増大して発電損失が増加するのを防ぐために、別途形成した遠赤外線の放射率を高めた加工繊維又は保温材を、固体高分子型燃料電池に水素及び酸素を供給する各導管に取り付けて、当該導管を保温する固体高分子型燃料電池の発電損失を低減する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  固体高分子型燃料電池は、電解質に高分子膜を利用した、水素と酸素を反応させて発電する燃料電池であり、一般の電池と同じような内部抵抗をもっているため、一定の出力であっても、発電電圧が低下して発電電流が増加すると内部抵抗を通る電流が増加するため発電損失は増大する。上記内部抵抗は、運転中に燃料電池内の気体の拡散やイオンの移動に伴い発生する抵抗成分の和であり、気体の拡散に関係する抵抗成分は、反応に関係する気体分子が電解質に近づく過程で発生するものであり、イオンの移動に関係する抵抗成分は、イオンが電解質を通過する過程で発生するものであるとされている。【０００３】  また上記発電損失は、電流がこの内部抵抗を通ることにより発生する気体の熱が、流動中に導管壁を通して伝導または放射として移動することによって、燃料電池の発電反応に微小な変動が発生し易くなり、その影響は発電電圧の低下傾向になって現れると推定される。そのため、出力の上昇とともに発電電圧の低下傾向が増してそれを補うための発電電流が増加することとなり、その結果、内部抵抗による電流消費が増大して発電損失が増加することとなる。【０００４】  一方、従来白色系のセラミックや鉱石、木炭や海藻などの炭化物を微粉末状にして原糸に練り込んだり、繊維の表面に塗布したりして遠赤外線の放射率を高めた加工繊維は、同じ厚さの未加工の繊維よりも体温の保温力が向上するため、防寒対策衣料やスポーツ用品、寝具などに利用されている。【０００５】  この加工繊維の特徴は、混合または塗布されている無機成分が人体から放射される赤外線の透過を抑制するとともに、人体に吸収されやすい１０μｍ前後の特定波長域を含む繊維からの遠赤外線の放射率を、未加工の繊維よりもバランスよく高めることであり、そのため人体から発散される赤外線が繊維を透過する比率が低減され、かつ繊維から人体への遠赤外線の放射率が増える分、繊維の保温作用は強化されることとなる。【０００６】  その反面、無機成分の混入または塗布により繊維としての強度や加工性などは未加工の繊維よりも低下するため、製品化では未加工の原糸を混紡することで補強したり、不織布や中綿のような引っ張り強度を必要としない素材での利用が実施されている。【０００７】  また産業廃棄物の燃え殻や煤塵に含まれる炭素成分は多孔質であり、水溶性の重金属イオン塩類、揮発ガス成分などを吸収しており、微粉状で飛散しやすいため、燃料としての利用は難しく、一般的には廃棄物焼却炉で焼却処理されるか、または、薬剤添加による重金属イオンの溶出防止措置を施してから管理型処分場へ埋立処分されている。重金属イオンや塩類などの吸着がきわめて少なく、土壌を汚染するおそれのない高純度の炭素成分を含む煤塵は、土壌の導電性を高める特性から近隣で接地を改善する工事の資材として再利用されている。【０００８】  さらに炭素成分の比率が比較的大きい煤塵は、製鉄用の還元剤やセメント製造用の助燃材として有効利用されているが、いずれも発生事業者が運搬と処理に要する費用を負担する産業廃棄物処理に止まり、炭素成分を原料または炭素資源として扱う再利用は行われていない。石油焚きボイラーなどで発生する燃え殻や煤塵の一部については、水��ラリーとしてバナジウムや硫酸アンモニウムを分離して回収し、並行して比較的精製された炭素成分を分離する方法が実施されているが、ニッケルなどの重金属イオンが溶出することや燃料を始めとする炭素成分の用途はないため、再利用は行われず、産業廃棄物の処理処分に止まっている。【０００９】  産業廃棄物の陶磁器屑には、製造や加工工程から発生する不良品屑や研磨屑、修理や改造工事で発生する絶縁部品屑や耐火材屑、製造設備や排気処理装置から排出される使用済みセラミックス系触媒屑などがある。【００１０】  大型の陶磁器屑は中間処理で数ミリ程度に破砕され、一部は舗装材やブロックなど建設資材に再利用されている。良質な陶磁器屑は、破砕処理後さらに分粒や粉体加工を経て、窯業原料や研磨剤として再利用が実施されている。陶磁器屑は元来、有害物質の溶出の恐れがないため安定型の埋立処分が可能であり、建設資材以外の再利用は高コストになるため推進は極めて難しいとされている。
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】  しかしながら、まず固体高分子型燃料電池においては、出力の増加とともに発電電圧が低下して発電電流が増加する傾向が顕著となり、内部抵抗を通る電流が増加することにより発電損失が増大する、という問題点があるが、上記固体高分子型燃料電池に水素及び酸素を供給する導管は、普通保温されるものではなく、何の処置もされていないのが実情である。さらに、固体高分子型燃料電池に供給される水素は、石油の改質というプロセスを経て生産しているため、その発電損失の増加は石油の消費量の増加と二酸化炭素の排出増加につながるという問題点を有する。
【００１２】  また上記遠赤外線の放射率を高めた加工繊維は、体温での使用を前提としているため耐熱温度が低く、高温になる個所を保温する目的では使うことができないため、工業的な用途がない。さらに冬期に低温になる屋外の給水配管の凍結防止用保温材には一般的には発泡材または無機繊維が用いられており、それらと比較して遠赤外線の放射率を高めた加工繊維の断熱性には差がなく、凍結防止対策向けの保温材では高コストになるため工業的に利用されていない。
【００１３】  さらに燃え殻や煤塵中の炭素成分は、発熱量や還元作用があるにもかかわらず、水に溶出する重金属イオンや塩類が多く含まれ、揮発ガス成分を含む飛散しやすい粉体で燃料として利用できないことから、廃棄物処理処分されているという問題点がある。また炭素成分の再利用方法として、高純度の炭素成分を含む煤塵に限定された、導電性を利用しての接地を改良する工事資材以外の用途がないという問題点がある。
【００１４】  また炭素成分の発熱量や還元作用の有効利用は、発生事業者が運搬と処理の費用を負担する産業廃棄物処理の範囲に止まるため利益が発生することはなく、また、発生事業者が炭素成分を分離して精製しても、運搬費用を補償する付加価値の高い用途がないため再利用できないという問題点がある。
【００１５】  次に、陶磁器屑は費用をかけて破砕処理しても、そこから新たな用途開拓や製品化への展開につなげることは難しく、高温焼結成分を選別してもその特性を活用する付加価値の高い利用方法がないという問題点がある。また陶磁器屑の建設資材としての再利用は、砂利や砕石などの天然資材と競合するため収益率が低く、運搬と中間処理の費用を発生事業者が負担しなければ実施できないこと、また、需要がある色や形状、強度は限られるため、再利用は一部分に止まることが避けられないという問題点がある。
【００１６】  この発明はこれらの点に鑑みて為されたもので、固体高分子型燃料電池における水素及び酸素の導管に、遠赤外線の放射率を高めた加工繊維又は保温材を取り付けることにより、流動中における導管壁を通しての気体の熱移動を抑制して保温を強化し、発電反応の円滑化を推進して発電電圧を上昇させるとともに、内部抵抗による電流消費を減少させることで発電撹失の低減を得、さらに上記加工繊維や保温材を形成する素材に新たな付加価値を与える、固体高分子型燃料電池の発電損失を低減する方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】  請求項１の発明は、水素と酸素を反応させて発電する固体高分子型燃料電池において、セラミックス、鉱石、炭化物を混合又は塗布して形成した遠赤外線の放射率を高めた加工繊維を、上記固体高分子型燃料電池に水素及び酸素を供給する夫々の導管に取り付けて当該導管を保温する固体高分子型燃料電池の発電損失を低減する方法とした。
上記の導管に、上記の加工繊維を取り付けることにより、熱移動が抑制されて保温が強化されるため、発電反応の円滑化が推進されて発電電圧が上昇するとともに、内部抵抗による電流消費が減少することで発電損失の低減が得られることとなる。
【００１８】  請求項２の発明は、水素と酸素を反応させて発電する固体高分子型燃料電池において、産業廃棄物の燃え殻や煤塵から炭素成分を分離精製して炭素含有率を約８０％以上に高めた素材を防水性、耐久性及び断熱性を備えたプラスチック製の保護袋又は容器に封入して保温材を形成し、当夜保温材を上記固体高分子型燃料電池に水素及び酸素を供給する夫々の導管に取り付けて当該導管を保温する固体高分子型燃料電池の発電損失を低減する方法とした。
【００１９】  燃え殻や煤塵から分離精製される炭素成分は、プラスチック製の保護袋または容器に封入する条件で利用すれば、飛散防止と混入または吸着している不純物からの有害成分の溶出防止が同時に達成できる。
【００２０】  炭素成分は多孔質であるため崇比重は小さく、水中では不溶性の爽雑物よりも浮力が大きく沈降速度は小さいことから、燃え殻や煤塵を水スラリーにしてから撹拌速度を調節することで、炭素成分の比重差による分離精製は約８０％以上の炭素純度まで達成可能である。さらに、超音波振動を加えながら純水洗浄を行うことで炭素成分に吸着しているイオンを脱離、低減することにより、約９０％以上の炭素純度まで高度精製が可能である。
【００２１】  請求項３の発明は、水素と酸素を反応させて発電する固体高分子型燃料電池において、産業廃棄物の陶磁器屑から高温焼結成分を選別して約５ｍｍ３以下の粒又は細片とし、当該粒又は細片を防水性、耐久性及び断熱性を備えたプラスチック製の保護袋または容器に封入して保温材を形成し、当該保温材を上記固体高分子型燃料電池に水素及び酸素を供給する夫々の導管に取り付けて当該導管を保温する固体高分子型燃料電池の発電損失を低減する方法とした。
【００２２】  焼成温度が低い陶器屑からは高温焼結成分の回収は殆どできないため、発生段階で磁器屑と陶器屑は分別し混合を避ける必要がある。陶器屑は、常圧下では約８００℃以上、減圧下では４５０℃以上で再度焼成して焼結を進ませ組織を緻密化させることにより、高温焼結成分の回収は可能となる。
【００２３】  装飾と水分の吸収防止のために陶磁器の表面に施されている上薬のガラス質層は、下地よりも熱伝達率が大きく遠赤外線の放射率を高める作用は劣ることから、高温焼結成分への混入を少なくする方法、または細片にして空隙率を上げ熱伝達率を小さくする方法が保温効果の確保に有効である。
【００２４】  保温材を構成する炭素成分や高温焼結成分の水分管理は重要であり、吸着限度を超える過剰な水分の漢人は保温効果を著しく低下させ、発電損失を低減する機能を消失させることとなる。また、保温材の構成成分は多孔質であることから吸湿力が強く、水分の吸着量が多くなるはど保温効果は低下するため、プラスチック製の保護袋または容器の密封性の確保は重要である。浸水や吸湿した構成成分は、乾燥させて水分含有率を下げることで再利用が可能である。
【００２５】  請求項４の発明は、水素と酸素を反応させて発電する固体高分子型燃料電池において、産業廃棄物の燃え殻や煤塵から炭素成分を分離精製して炭素含有率を約８０％以上に高めた素材と、産業廃棄物の陶磁器屑から高温焼結成分を選別して約５ｍｍ３以下の粒又は細片とし、上記炭素成分から成る素材と上記高温焼結成分を選別した粒又は細片を混合し、当該混合物を防水性、耐久性及び断熱性を備えたプラスチック製の保護袋または容器に封入して保温材を形成し、当該保温材を上記固体高分子型燃料電池に水素及び酸素を供給する夫々の導管に取り付けて当該導管を保温する固体高分子型燃料電池の発電損失を低減する方法とした。
【００２６】  保温材の厚みが極めて薄くなるか、または、保温材に封入された粒子が比較的大きく隙間が発生しやすい場合は、保護袋の片面にアルミニウム膜などを設けて粒子に吸収されずに透過する放射を反射、散乱させ、断熱性を補う方法が有効である。また、屋外設置では、風雨や紫外線による保護袋または容器の劣化、破損防止のため強固な支持材を追加することが有効である。
【００２７】  この保温材は、流動する気体から導管壁を通して伝導または放射として移動する熱を炭素成分や高温焼結成分で吸収し、それからの放射に変換された熱を保温対象物に伝えることで熱損失を低減するものであり、熱移動に伴って発生する微小な気体の流速変動を抑制することにより固体高分子型燃料電池の発電反応を助勢し、発電電圧の低下傾向が回復することで内部抵抗による電流消費が減少することから、発電損失の低減効果を得るものである。
【実施の形態】
【００２８】  以下この発明の実施の形態例を図に基づいて説明する。
ここでは、産業廃棄物の燃え殻や煤塵から形成した保温材により説明する。まず産業廃棄物の燃え殻や煤塵を水洗して金属イオンや塩類を除去し、炭素成分を分離、精製して炭素含有率を約８０％に高めた炭素素材１を設け、これを塩化ビニール又はプラスチック製の袋又は容器２に封入して、図１の保温材３を製造する。
【００２９】  これは市販の合成樹脂製の袋や容器の中空部に充填する方法が可能である。また、上記塩化ビニール又はプラスチック製の袋又は容器２への炭素素材１の封入は、炭素素材１の飛散防止、有害物の溶出防止、水分の干渉防止の役目をするもので、防水性、耐久性及び断熱性を備えたものでなければならない。さらに、この保温材３の外面に支持材４を重合し、一体化したものである。また、炭素素材１が薄い場合は必要に応じて、上記保温材３と支持材４との間にアルミ箔を設ける場合もある。
【００３０】  図２は上記の保温材３の他の実施の形態例における保温材３’を示したもので、上記炭素素材１の、配管側に位置する面に、上記袋又は容器２と同様な保護フィルム５を設け、上記炭素素材１の大気側に位置する面には、緩衝材（膜）６、アルミニウム薄膜７、さらに断熱性のある合成樹脂又は紙等からなる基材８を順に重合して設け、これらを一体化して形成したものである。なお、上記緩衝材（膜）６、アルミニウム薄膜７は、炭素素材１が厚い場合は、なくてもよい。
【００３１】  次にこの保温材３を実際に取付ける様子を説明する。図３は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）Ａを発電試験装置に接続した説明図を示し、左側に設けた太陽電池１０から電流を電解セル１１に供給し、中央に設けた酸素タンク１２と水素タンク１３夫々から水を電解セル１１に送って電気分解により夫々のタンク１２，１３に酸素と水素を送り、これらの酸素タンク１２と水素タンク１３夫々から導管１６を通じて酸素と水素を固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）Ａに供給して発電し、得られた電流を右側に設けた送風機１４を設置したモーター１５に供給している。
【００３２】  この説明図の固体高分子型燃料電池Ａに供給される水素及び酸素の入口側の導管１６ａの外周に、炭素素材１、後述する加工繊維１７、同様に高温焼結素材１８から形成される保温材３’を取付けることにより、以下の実施例１〜４に示す発電電圧の低下傾向が回復することによる発電損失の低減効果、即ち発電電圧の上昇と発電効率の向上により、送風機１４の回転数が増加して送風力の増強効果が得られた。
【００３３】  実施例１及び実施例２は、遠赤外線の放射率を高めた加工繊維１７を保温材３として使用するものであるが、ここで使用するセラミックス、鉱石、炭化物を混合又は塗布して形成した遠赤外線の放射率を高めた加工繊維１７としては、既存の方法で形成されたものを使用する。そして、図３の固体高分子型燃料電池Ａに供給される水素及び酸素の入口側の導管１６ａの外周に保温材３としてこの加工繊維１７を取付け、それらの結果を表１及び表２に示す。
【００３４】  実施例１．遠赤外線の放射率を高めた加工繊維１７を保温材３として使用した場合
（１）遠赤外線加工素材：セラミックス微粉末
（１）繊維形状：３０％セラミックス入りフェルト
（２）厚さ：約１ｍｍ
（３）取付け面積：４ｃｍ２
【００３５】
【表１】
2005310728.tif 000003
【００３６】  実施例２．遠赤外線の放射率を高めた加工繊維１７を保温材３として使用した場合
（１）遠赤外線加工素材：備長炭微粉末
（１）繊維形状：３０％備長炭入りフェルト
（２）厚さ：約０．３ｍｍ
（３）取付け面積：４ｃｍ２
【００３７】
【表２】
2005310728.tif 000004
【００３８】  さらに実施例３は、炭素素材１から成る保温材３を、また実施例表４は高温焼結素材１８から成る保温材３を、図３の固体高分子型燃料電池Ａに供給される水素及び酸素の入口１６ａの外周に夫々取付けたもので、それらの結果を表３及び表４に示す。
【００３９】  実施例３．炭素素材１を封入した保温材３を使用した場合
（１）回収原料：石油焚きボイラ捕捉煤塵
（２）性状：粒径１ｍｍ以下の多孔質微粉末
（３）取付け面積：４ｃｍ２
【００４０】
【表３】
2005310728.tif 000005
【００４１】  実施例４．高温焼結素材１８を封入した保温材３を使用した場合
（１）回収原料：絶縁碍子屑
（２）性状：粒径１００μｍ以下の微粉末
（３）取付け面積：４ｃｍ２
【００４２】
【表４】
2005310728.tif 000006
【００４３】  炭素素材１と高温焼結素材１８は単独でも、あるいは混合して保温材３に充填してもよい。また保温材を固体高分子型燃料電池Ａに酸素と水素を供給する導管１６に取付けるのに、導管１６の入口側の導管１６ａの外周に取付けているが、これは、この発明の必須要件ではない。
【発明の効果】
【００４４】  請求項１の発明によれば、セラミックス、鉱石、炭化物を混合または塗布することで遠赤外線の放射率を高めた加工繊維を、固体高分子型燃料電池に供給される水素及び酸素の導管に取り付けることで、その発電損失を低減する方法を提供するものであり、また、主に衣料用に限定されているその加工繊維の工業的な利用方法を提供するものである。
【００４５】  請求項２、請求項３又は請求項４の何れかの発明によれば、産業廃棄物の燃え殻や煤塵から分離精製される炭素成分、又は陶磁器屑から選別される高温焼結成分をプラスチック製の保護袋等に封入することで、遠赤外線の放射率を高めた加工繊維と同様な効果が得られる保温材により固体高分子型燃料電池の発電損失を低減する方法を提供すると共に、産業廃棄物から分離しても用途がない炭素成分と高温焼結成分に付加価値の高い用途を与えるものである。
【００４６】  その効果は、第一に固体高分子型燃料電池の発電損失を低減することによる燃料の節減など省エネルギーへの貢献があげられる。次に、焼却や廃棄処分される産業廃棄物に含まれる炭素成分の再利用を推進し、かつ、炭酸ガスの発生を抑制することによる地球温暖化防止対策への支援があげられる。また、陶磁器屑を再利用することによる、産業廃棄物の発生の抑制と資源化への支援があげられる。
さらに、保温材の構成素材となるプラスチックは優れた防水性や耐久性、断熱性などの特性を満足すれば市販品や同等品が使えるため、再利用のプラスチック製品の利用は十分可能であり、廃プラスチック類の再利用の推進に役立つものである。
【００４７】  しかも、単純な構造であるため耐久性に優れかつ修理も容易であり、強度の調節は主に取付面積で可能であるなど、使用者が性能や形状、取付位置などを比較的自由に選択または変更、あるいは工夫できる安価な効率対策用の装置を提供するものである。加えて、炭素成分や高温焼結成分からの放射の特性を活用することにより、化学反応装置のガス導管用の保温材として、工業分野での有効な利用方法を提案するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態例の保温材を示す縦断面図である。
【図２】  この発明の他の実施の形態例の保温材を示す縦断面図である。
【図３】  この発明の実施の形態例等の夫々の保温材を取付ける固体高分子型燃料電池を接続した発電試験装置の説明図である。
【符号の説明】
１    炭素素材
２    プラスチック製の容器
３    保温材
３’  保温材
１６  固体高分子型燃料電池に水素及び酸素を供給する導管
１７  加工繊維
１８  高温焼結素材
Ａ    固体高分子型燃料電池
【図１】
2005310728.tif 000007
【図２】
2005310728.tif 000008
【図３】
2005310728.tif 000009