燃料電池排出水素処理用水素ポンプの研究
学生員
正員

非会員
非会員

服部恩田
草田
畑井

紀公士(豊橋技術科学大学)
和夫 (豊橋技術科学大学)
栄久 (東海旅客鉄道株式会社)亜喜良(東海旅客鉄道株式会社)

学生員
非会員
非会員

池田
寺井本吉

孝伸
元昭
智行

(豊橋技術科学大学)(東海旅客鉄道株式会社)(東海旅客鉄道株式会社)

Study on Hydrogen Pump for Processing Exhaust Hydrogen from Fuel Cell
Kikuo Hattori, Student member, Takanobu Ikeda, Student member, Kazuo Onda, Member(Toyohashi UniVersity ofTechnology), Motoaki Terai, Non‑member, Shigehisa Kusada, Non‑member, Tomoyuki Motoyoshi, Non‑member, Akira Hatai,Non‑member(Central Japan Railway Company)

1

まえがき

H+

化石燃料の枯渇と地球温暖化の問題解決策として、高効H2 or

H2H+率の固体高分子形燃料電池(PEFC)が注目され、燃料電池自H 2O
カソードいる。PEFC は水素を 100％反応させることができないので、電解質膜

アノード

動車の動力源や家庭用分散電源として世界的に開発されて多少の水素が排燃料に含まれる。この排水素が密閉空間などに排気される場合は問題となるので、この排水素を何らe-かの方法で処理することが望まれる。

O2残水素

そこで本研究は、PEFC から排出される水素を少なくするために、①燃料電池モードで電圧を印加してでも空気中酸

図 1 電池反応、水素ポンプの原理図
Fig1 Principle diagram of reaction cell andhydrogen pump

素と反応させて水とする、②電力を用いて電池化学的水素ポンプ(以下水素ポンプと略記)で回収する、の 2 方式の基本的な実験をしたのでその結果を報告する。

2 水素処理の基本的な考え方
2.1 電池反応セルの原理

カソード：2 H + + 2e − → H 2 ( Pc )図 1 の点線部を加えた構成が電池反応セルを示し、燃料(5)

この時、水素を圧力 Pa から圧力 Pc まで昇圧する電圧 V は、濃淡電池に従い次式で表され、電力消費モードとなる。

電池と同じである。アノードおよびカソードの三相界面でV =それぞれ 以下の電気化学反応が進む。
アノード: H 2 → 2 H + + 2e −(1)

カソード： 2 H + + 2e − + 1 / 2O2 → H 2 O(2)

このときのセル電圧は次式で表される。
1V=⊿G RT PH 2 ( PO2 ) 2ln+− i･r −η
2F2FPH 2O(3)PRT
ln c + ir + η2FPa(6)3 実験
3.1 電池反応セルの実験
図 2 の点線部を加えた構成が電池反応セルの実験構成である。流量を制御し、加湿器で調湿した水素、空気をセルのアノード、カソードにそれぞれ供給する。そして、バイポ

ここで、F：ファラデー定数、R：気体定数、T：温度、i･r：ーラ電源で電流を流すことにより、水素を空気中酸素と反抵抗過電圧、i：電流密度、r：単位面積当りの膜抵抗、η：応させ水とする。この時、カソード出口で残った水素をガ反応と拡散過電圧。セル電圧が正であれば発電モード、負スクロにより分析する。

であれば電力消費モードとなる。

3.2

2.2

水素ポンプの原理

水素ポンプの実験

図 2 に点線部を除いて水素ポンプの実験構成を示す。ア

点線部分を除いて図 1 に原理を示す。水素は以下のようノード側に流量を制御し、加湿した水素を供給する。そしな反応を通して、アノードからカソードへと搬送される。て、セルに電圧を加え、水素をカソード側に搬送する。こアノード：H 2 ( Pa ) → 2 H + + 2e −(4)の時、気液分離器後に設置した排圧弁でカソード出口水素

100

-0.4
セル温度：６０℃
加湿温度：６０℃

高精度精密流量計
セル電圧[V]

圧力計
排圧弁
カソード

アノード

気液分離器
MFC

80

MEA：燃料電池用

-0.3

60

セル温度：６０℃
加湿温度：６０℃-0.2

MEA：水電界用
40

気液分離器
-0.1

セル温度：７０℃

MFC(Mass Flow Controller)

セル

排水素回収率[%]バイポーラ電源20

加湿温度：７０℃
MEA：水電界用

00

加湿器

加湿器

0ボンベ
(Air)

ボンベ
（Ｈ ２）

0.1

0.20.3電流密度[A/cm2 ]0.40.5

図 4 セル圧力が大気圧の水素ポンプの V-I 特性
Fig.4 Atmospheric V-I characteristics of hydrogen pump

図 2 実験構成図
Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus

5012040100計で測定する。
水素流量[cc/min]

3.3 試験した膜・電極接合体(MEA)
MEA としては、燃料電池用の Gore-Select 膜と無電解鍍金により触媒を担持した水電界用 Nafion 膜を用いた。

4 実験結果4.1 電池反応セルの実験結果

60℃、水素搬送量
70℃、水素搬送量
理論値
60℃、電流効率
70℃、電流効率

302060
アノード側流量：水素３８cc/min
セル温度：６０、７０℃
加湿温度：６０、７０℃
MEA：水電界用

10

燃料電池用 MEA、水電界用 MEA での V-I 特性を図 3 に示す。燃料電池用 MEA では、加湿温度を上げると V-I 特性

80400200が改善されていることが分かる。加湿温度が 50、60℃では電流効率[%]

圧力を一定に調整し、大気圧に減圧した水素を石鹸膜流量0.10.20.3
電流密度[A/cm2]

0.40.5V-I 特性の違いは見られず、加湿エネルギーを考慮すれば、えられる。また、セル温度、加湿温度が適切であれば、排図 5 大気圧セルでのカソード出口水素流量
Fig.5 Flow rate cathode exit hydrogen at atmospheric pump

水素処理率が測定誤差限界である 98％まで、セル電圧は約ぼ直線的に増加した。燃料電池用 MEA より優れた水素ポ

0.5V と発電モードで運転できることが分かった。水電界用ンプ特性を持つ水電界用 MEA は、セル温度と加湿温度をMEA では、すぐに電圧がマイナスとなり、その後は直線的70℃に設定すると電流密度 0.49A/cm2 で 165mV のセル電に電圧を加えるという結果となった。

圧で 98％の水素を回収することが分かった。電池反応セル

4.2と同様に、水素処理率 100％の 0.5A/cm2 まで実験をしたが、カソード加湿温度はセル温度より 10℃低い 50℃で充分と考

水素ポンプの実験結果

図 4 にセル圧力が大気圧の時の V-I 特性を示す。セル温

0.49A/cm2 以上では計器の測定誤差内となり、セル電圧が度と加湿温度が 60℃よりも 70℃と高い方が水素を回収す急上昇したり、急降下するので、図には示さなかった。

るセル電圧が小さいことが分かる。また、全ての実験におカソード出口における水素流量の測定結果を図 5 に示す。

いて、測定誤差限界である排水素回収率 98％まで電圧はほカソード出口でほぼ印加電流に相当する水素が搬送されていることが分かる。つまり、搬送水素量から求めた電流効●：燃料電池用MEA(加湿温度60℃)▲：燃料電池用MEA(加湿温度50℃)■：燃料電池用MEA(加湿温度40℃)
×：燃料電池用MEA(加湿温度30℃)○：水電界用MEA

1.51.2100
ネルンスト起電力80
排水素処理率[%]

セル電圧[V]

0.9600.6400.32000-0.30.10.20.30.4

電流密度[A/cm2]率はほぼ 100％と理論どおりであることが分かる。

5まとめ
電池反応セルでは、燃料電池用 MEA の方が特性は良く、水素処理率 98％まで発電モードであった。また、水素ポンプでは、水電界用 MEA の方が燃料電池用 MEA より特性はわずかに良く、98％まで水素を回収することができた。両者を比較すると、電池反応セルが発電モードであったので、本実験範囲では、発電する電池反応セルが有利であると分0.50かった。水電界用 MEA は(独)産総研関西センターの西村靖雄氏、藤原直子氏のご指導により作製したことを付記し、

図 3 電池反応セルの V-I 特性
Fig3 V-I characteristics of reaction cell

感謝の意を表する。