(57)【要約】【目的】構造が簡単で小型化が容易であり、高出力の得られる燃料電池及び燃料電池用酸素供給装置を提供する。【構成】本発明の燃料電池は、酸素と水素の電気化学反応を行う燃料電池スタック１と、該燃料電池スタック１に該酸素を供給する酸素供給装置３と、該燃料電池スタック１に該水素を供給する水素供給装置２とを備えている。酸素供給装置３には酸素富化膜１０を用いて酸素濃度を高める酸素富化装置６が設けられている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素と水素の電気化学反応を行う燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに該酸素を供給する酸素供給手段と、該燃料電池スタックに該水素を供給する水素供給手段とを備える燃料電池において、
前記酸素供給手段には酸素富化膜を用いて酸素濃度を高める酸素富化手段が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
酸素供給手段には、酸素富化手段の下流側に加湿装置が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
酸素富化手段には、酸素富化膜中に磁界を形成して常磁性体を引き付けるための磁界発生手段が設けられていること特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
磁界発生手段は酸素富化膜中に分散された磁性粒子であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
酸素を燃料電池スタックに供給する燃料電池用酸素供給装置において、
酸素富化膜を用いて酸素濃度を高める酸素富化手段が備えられていることを特徴とする燃料電池用酸素供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び燃料電池用酸素供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の出力を上げるための方法として、燃料電池スタックに供給される空気の圧力を高くする方法が知られている。この方法によれば、燃料電池のカソード極側の酸素分圧が高くなるため、カソード極の限界電流密度を上げることができる。しかし、空気の圧力を高くするためにはエアポンプの作動圧を高くしなければならず、騒音の増大を招くこととなる。また、エンジンからの排気ガス圧を利用し、ターボとスーパーチャージャーとによる二段加圧によって空気圧を高くすることも考えられるが、エアポンプの構造が複雑となり、大型化を招いてしまう。
【０００３】
このため、空気の圧力を上げるのではなく、燃料電池スタックへ供給する空気中の酸素の濃度を高めるための酸素富化装置を設け、これにより、酸素分圧を高めて燃料電池の出力を上げることも提案されている（特許文献１）。この酸素富化装置では、ゼオライトの入った吸着筒を２本用意し、一方の吸着筒で空気中の窒素を選択的に吸着させて酸素の濃度を高めて燃料電池スタックへ供給する。そして、一方の吸着筒による酸素供給の終了後、他方の吸着筒による酸素供給が開始されるとともに、一方の吸着等を減圧し、ゼオライトに吸着している窒素を放出させる。こうした操作を２本の吸着筒間で交互に行い、継続的に酸素濃度の高まった空気を供給することができる。
【特許文献１】特開２０００−２６０４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記特許文献１に記載の酸素富化装置を用いた燃料電池では、２本の吸着筒が必要となり、しかもその２本の吸着筒間で窒素の吸着及び脱離を交互に行わせるため、複雑な配管や制御弁を設けなくてはならない。このため装置が複雑となり、小型化も困難で、製造費用も高騰化する。
【０００５】
本発明は、上記従来の実情に鑑みなされたものであり、構造が簡単で小型化が容易であり、高出力の得られる燃料電池及び燃料電池用酸素供給装置を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の局面の燃料電池は、酸素と水素の電気化学反応を行う燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに該酸素を供給する酸素供給手段と、該燃料電池スタックに該水素を供給する水素供給手段とを備える燃料電池において、前記酸素供給手段には酸素富化膜を用いて酸素濃度を高める酸素富化手段が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
この燃料電池では、酸素を燃料電池スタックに供給する酸素供給手段に、酸素富化膜が用いられている。酸素富化膜は酸素の透過係数が窒素の透過係数よりも大きくされており、酸素富化膜を境として圧力差を設けた場合、高圧側から低圧側に移動する単位時間当たりの酸素の量が、窒素のそれよりも多くなる。このため、酸素富化膜から低圧側へ放出されるガス中の酸素濃度は、高圧側に供給されるガス中の酸素濃度よりも大きくなり、燃料電池スタック側を低圧とすれば、燃料電池スタックに酸素富化された空気が供給され、燃料電池の出力が大きくなる。また、この燃料電池では、酸素供給手段に窒素を吸着させるためのゼオライト等の吸着剤を用いる必要がなく、窒素の吸着と脱離とを交互に行わせるための複雑な配管や制御弁を設ける必要もない。このため、酸素富化手段の構造が単純となり、小型化も容易となる。
酸素富化膜としては、シリコーン膜、シリコーンポリカーボネート膜等の市販の酸素富化膜を用いることができる。これらの酸素選択透過膜は多孔体によって支持されていてもよい。
【０００８】
本発明の第２の局面の燃料電池は、酸素供給手段には、酸素富化手段の下流側に加湿装置が設けられていることとした。燃料電池スタックに用いられている高分子電解質膜は水分含有量が少なくなるとプロトン伝導性が低下し、電池の内部抵抗が上昇する。このため、酸素供給手段に加湿装置を設けることが行われている。加湿装置は酸素富化手段の上流側に設置することも可能であるが、下流側に加湿装置を設けることがより好ましい。その理由は以下のとおりである。すなわち、本発明の燃料電池では酸素富化膜を用いた酸素富化を行っており、酸素富化装置に流入する空気は酸素濃度の高いガスと、酸素濃度の低いガスとに分離され、酸素濃度の高いガスのみが燃料電池スタックに供給される。このため、加湿装置を酸素富化手段の下流側に設ければ、酸素濃度を高められたガスのみを加湿装置によって加湿すればよく、加湿装置への負荷が小さくなり、ひいては、加湿装置をより小型化することができる。
【０００９】
本発明の第３の局面の燃料電池は、酸素富化手段には、酸素富化膜中に磁界を形成して常磁性体を引き付けるための磁界発生手段が設けられていることとした。
こうであれば、磁界発生手段が酸素選択透過膜の中に磁界を形成し、常磁性体である酸素を引き付けることとなる。このため、磁界が存在しない場合に比べて、酸素の溶解度係数が大きくなるので、酸素の拡散速度も速くなる。このため、酸素富化膜を境に圧力差を設けた場合、酸素富化の効率がより高くなる。
磁界発生手段としては、酸素富化膜中に磁性粒子を分散させたり、酸素富化膜の一面側に超伝導コイルを近づけ、電流を流すことによって酸素富化膜中に強力な磁界を発生させたり、酸素富化膜の一面側に強力な永久磁石を近づけたりすることが挙げられる。
【００１０】
本発明の第４の局面の燃料電池は、磁界発生手段は酸素富化膜中に分散された磁性粒子であることとした。酸素富化膜中に分散させた磁性粒子は、常磁性体である酸素を吸引するため、高圧側に存在する酸素を酸素富化膜中に引っ張り込むことにより、より速く酸素富化膜中に溶解する。また、磁性粒子の近傍では磁力線が密となり、大きな力で酸素が吸引されるため、酸素濃度が高くなる。このため、酸素富化膜の溶解度係数が高くなり、溶解度係数と拡散係数の積である透過係数も大きくなり、酸素富化の効率がより高められる。
【００１１】
本発明の燃料電池用酸素供給装置は、酸素を燃料電池スタックに供給する燃料電池用酸素供給装置において、酸素富化膜を用いて酸素濃度を高める酸素富化手段が備えられていることを特徴とする。
この燃料電池用酸素供給装置では、酸素富化膜を用いて酸素濃度を高める酸素富化手段が備えられているため、上述したように。酸素富化膜を境に圧力差を設けるだけで空気中の酸素が窒素よりもより多く低圧側へ拡散移動する。このため、燃料電池スタックに酸素富化された空気を供給することが可能となり、燃料電池の出力が大きくなる。また、ゼオライト等の吸着剤を用いる必要がなく、複雑な配管や制御弁を設ける必要もないため、構造が単純となり、小型化も容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を具体化した実施形態１及び実施形態２について、図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
（実施形態１）
実施形態１の燃料電池は、図１に示すように、燃料電池スタック１と、水素を燃料電池スタック１に供給するための水素供給装置２と、酸素富化した空気を燃料電池スタック１に供給するための酸素供給装置３とを備えている。
【００１４】
燃料電池スタック１の図示しないカソード側セパレータには、酸素富化された空気を導入するためのマニホールド４が接続されており、マニホールド４の上流側には空気供給ポンプ５が接続されている。空気供給ポンプ５のさらに上流側には、酸素富化装置６が設けられており、酸素富化装置６には防塵フィルタ６ａを通過した空気が供給されるようになっている。マニホールド４と空気供給ポンプ５の間には、燃料電池スタック１から回収された水を噴霧するための噴霧器９が設けられている。マニホールド４と噴霧器９と空気供給ポンプ５と酸素富化装置６と防塵フィルタ６ａとが酸素供給装置３である。
【００１５】
酸素富化装置６には、図２に示すように、酸素富化膜１０を境として、空気供給室７と減圧室８とが備えられている。空気供給室７には流入管７ａと流出管７ｂとが接続されており、流入管７ａは図示しない送風機を介して防塵フィルタ６ａ（図１参照）に接続されている。減圧室８には、酸素富化された空気を取り出すための富化ガス流出管８ａが接続されており、富化ガス流出管８ａは空気供給ポンプ５（図１参照）に接続されている。
【００１６】
また、図１に示すように、水素供給装置２には水素タンク２ａが設けられており、水素タンク２ａは水素レギュレータ２ｂ、２ｃを介して燃料電池スタック１の図示しないアノード側セパレータに接続されており、水素ポンプ２ｄによって水素は循環可能とされている。燃料電池スタック１のカソード側セパレータは、空気ダクト１１を介して凝縮器１２に接続されている。凝縮器１２で回収された水は回収ポンプ１３により水タンク１４に集められ、さらに直噴水ポンプ１５によって噴霧器９に送られるようになっている。また、燃料電池スタック１において発電した電力はIGBT１６によって制御されながらキャパシタ１７に蓄電されるようになっている。
【００１７】
以上のように構成された燃料電池では、水素が水素供給装置２によって燃料電池スタック１のアノード側セパレータに供給され、酸素富化された空気が酸素供給装置３によって燃料電池スタック１のカソード側セパレータに供給される。そして、燃料電池スタック１において水素が電気化学的に酸化され、酸素が電気化学的に還元され、電流が取り出されるとともに、生成した水は、残ったガスとともに空気ダクト１１を介して凝縮器１２に送られ水が回収される。こうして回収された水は、回収ポンプ１３により水タンク１４に集められ、さらに直噴水ポンプ１５によって噴霧器９に送られ、酸素富化装置６から供給される酸素が富化された空気中に水を噴霧することによって加湿する。噴霧器９によって加湿された酸素富化空気は、マニホールド４から燃料電池スタック１のカソード側セパレータに供給され、燃料電池スタック１内の図示しないプロトン伝導性高分子電解質の乾燥が防止される。噴霧器９は酸素富化装置６の下流側に位置しているため、酸素富化装置６に流入する空気のうち、酸素富化された空気のみを噴霧器９によって加湿すればよい。このため、凝縮器１２の容量をそれほど大きくする必要がなくなり、小型化が可能となる。
【００１８】
また、酸素供給装置３において、酸素富化装置６に接続されている図示しない送風機を駆動することにより、防塵フィルター６ａから空気が取り入れられ、図２に示す流入管７ａを介して空気供給室７に送られ、流出管７ｂから排出される。このとき、同時に空気供給ポンプ５が駆動されて減圧室８を減圧する。これにより、空気供給室７と減圧室８との間で圧力差が生じ、この圧力差がドライビングフォースとなって酸素富化膜６の中を酸素や窒素が拡散移動する。ここで、酸素富化膜６はシリコーンやシリコーンポリカーボネート等を用いているため、酸素の方が窒素よりも多量に減圧室８側に移動し、減圧室８側に酸素が富化された空気が富化ガス流出管８ａから放出され、空気供給室７側では窒素成分が多くなった空気が流出管７ｂから排出される。こうして、富化ガス流出管８ａから放出された酸素富化空気は、空気供給ポンプ５を通って噴霧器９から水の噴霧を受けて加湿された後、マニホールド４を通り、燃料電池スタック１のカソード側セパレータに供給される。これにより、燃料電池スタック１には酸素富化された空気が供給されるため、限界電流密度が高められ、その結果燃料電池の出力が大きくなる。
【００１９】
（実施形態２）
実施形態２の燃料電池は、酸素富化膜として、図３に示すように、シリコーンやシリコーンポリカーボネートからなる基材２１に磁性粒子２２が分散されている酸素富化膜２０が用いられている。その他の構成については図１に示す実施形態１の燃料電池及び図２に示す酸素富化装置と同じであり、詳細な説明を省略する。この酸素富化膜２０は以下の方法によって製造することができる。
【００２０】
＜酸素富化膜の調製＞
（キャスティング法）
酸素富化膜の基剤としては、シリコーンやシリコーンポリカーボネートを用いることができる。これらの基剤を有機溶媒に溶解し、さらに磁性粒子を加え、撹拌混合して磁性粒子分散液とする。磁性粒子としてはネオジム磁石等の希土類磁石の微粉末、マグネタイト微粉末、Ｍｎ−Ｚn系複合フェライト等のフェライト系磁石の微粉末等を用いることができる。また、図４に示すように、磁性粒子２３に界面活性剤２４が吸着したものが媒体中に分散されている市販の磁性流体（株式会社シグマハイケミカル製の磁性流体）を用いることも可能である。
こうして得られた磁性粒子分散液をガラス基板やフッ素樹脂板の上に薄く延ばし、有機溶媒を蒸発させることによって、図５に示すように、磁性粒子２２が基材２１に分散した酸素富化膜２０となる。このとき、ガラス基板やフッ素樹脂板を回転させながらキャスティングするスピンコート法を適用すれば、薄くて均一な酸素富化膜とすることができる。
（カレンダー加工法）
上記キャスティング法に替え、カレンダー加工による製膜も可能である。すなわち、熱可塑性の酸素選択透過膜の基剤と、上記種々の磁性粒子とをプラスチック成型用の押し出し機に投入し、加熱溶融しながら練り込み、カレンダー加工によって酸素富化膜とする。
【００２１】
以上のように構成された実施形態２の燃料電池では、図３に示すように、酸素富化装置
６の酸素富化膜２０中には磁性粒子２２が分散されているため、常磁性である酸素は磁性粒子２２によって酸素富化膜２０中に引き込まれる。このため、酸素の酸素富化膜２０中への溶解速度が速くなる。また、磁性粒子２２の近傍には密な磁力線が生じるため、酸素が吸引される力が大きくなり、本来の酸素の溶解度係数よりも大きくなり、よりたくさんの酸素が酸素富化膜２０中に溶解する。このため、時間当たりの酸素の移動量は磁性粒子２２が存在しない場合よりも大きくなる。このため、酸素富化装置６による酸素富化効率が向上し、より酸素濃度の高い酸素富化空気が燃料電池スタック１のカソード側セパレータに供給される。このため、カソード側の限界電流密度がさらに高められ、その結果燃料電池の出力がさらに大きくなる。
【００２２】
この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態の燃料電池のブロック図である。
【図２】実施形態１の酸素富化装置の模式断面図である。
【図３】実施形態２の酸素富化装置の模式断面図である。
【図４】磁性流体中の磁性粒子の模式図である。
【図５】実施形態２の酸素富化膜の模式断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１…燃料電池スタック
３…酸素供給装置（燃料電池用酸素供給装置）
２…水素供給装置
６…酸素富化装置
１０，２０…酸素富化膜
２２…磁性粒子（磁界発生手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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