燃料電池排出水素処理の研究（豊橋技術科学大学）○服部紀公士、池田孝伸、市原敬士、荒木拓人、恩田和夫(東海旅客鉄道株式会社) 寺井元昭、草田栄久、本吉智行、畑井亜喜良
Study on Electrochemical Processing of Exhaust Hydrogen from Fuel Cell
Kikuo Hattori, Takanobu Ikeda, Keiji Ichihara, Takuto Araki, Kazuo Onda
Motoaki Terai, Shigehisa Kusada, Tomoyuki Motoyoshi, Akira Hatai
Toyohashi University of Technology
1-1 Hibarigaoka, Tenpaku, Toyohashi, Aichi 441-8580, JapanPolymer Electrolyte Fuel Cell exhausts a small amount of hydrogen because PEFC cannot consume a 100% of hydrogen when the hydrogen not allowed to exhaust foam enclosed
space some process are required to treat the exhaust hydrogen. In this study, we haveconducted the following fundamental experiments to treat the exhaust hydrogen by twomethods. One is a hydrogen reacting cell with oxygen in air (fuel cell mode), other is ahydrogen pump cell which transfers hydrogen electrochemically. At fuel cell mode, V-I
characteristics by MEA for fuel cell is better than that by MEA for water electrolysis. The
fuel cell mode shows a high cell voltage until hydrogen treatment ratio ηＨ of 98%. Athydrogen pump mode, the cell voltage by MEA for water electrolysis is lower than that forfuel cell. The hydrogen pump mode also shows a good performance until ηＨ of 98%.
Fuel cell mode which can produce electricity may be superior to hydrogen pump mode
which consumes electricity.

カソードアノード

1．緒言
固体高分子形燃料電池は水素を 100％反応させることができないので、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、この排水素を何らかの方法で処理することが望まれる。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素と反応させて水とする、②外部から電力を加えて電気化学的水素ポンプ(1)、(2)(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行ったので報告する。
バイポーラ電源高精度精密流量計
2．実験方法圧力計
2.1 電池反応セルの実験 図 1 の点線排圧弁部を加えた構成が燃料電池動作をする
電池反応セルの実験構成である。流量気液分離器
気液分離器
を制御し、加湿器で調湿した水素、空MFC(MassFlow Controller)
MFC
セル
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、バイポーラ電加湿器
加湿器
源で電流を流すことにより、水素を空ボンベボンベ
気中酸素と反応させ水とする。この時、
(Air)
（Ｈ ２）
カソード出口で残った水素をガスクロ
Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatusマトグラフィーにより分析する。
2.2 水素ポンプの実験 図 1 に点線部を除いて水素ポンプの実験構成を示す。アノード側に流量を制御し、加湿した水素を供給すし、セルに電圧を加え、水素をカソード側に搬送する。カソード出口水素は気液分離器後に排圧弁で、大気圧に減圧され、石鹸膜流量計で流量を測定される。
2.3 使用した膜・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解用 Nafion 膜を用いた。
3．結果及び考察●1.51003.1 電池反応セルの実験結果 燃料電
ネルンスト起電力
1.280
池用と水電界用の MEA の V-I 特性を0.9
図 2 に示す。燃料電池用 MEA では、60
加湿温度を上げると V-I 特性が改善さ0.6れている。加湿温度が 50、60℃では400.3
V-I 特性の違いは見られず、加湿エネ
200ルギーを考慮すれば、カソード加湿温
00.1
0.20.30.40.5
度はセル温度より 10℃低い 50℃で充-0.30
電流密度[A/cm ]分と考えられる。また、セル温度、加湿温度が適切であれば、排水素処理率
100-0.4Fig2 V-I characteristics of reaction cellが測定誤差限界である 98％まで、セル
セル温度：６０℃
加湿温度：６０℃
80
MEA：燃料電池用
電圧は約 0.5V と発電モードで運転で-0.3きるた。水電界用 MEA では、すぐに
60
セル温度：６０℃
電圧がマイナスとなり、その後は直線
加湿温度：６０℃-0.2
MEA：水電界用的に電圧を加えるという結果となった。
40
3.2 水素ポンプの実験結果 図 3 にセル
セル温度：７０℃-0.1
圧力が大気圧の時の V-I 特性を示す。
20
加湿温度：７０℃
MEA：水電界用
セ ル 温 度 と加湿温度が 60℃より も0070℃と高い方が水素を回収するセル
00.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.40.450.5]電流密度[A/cm
電圧が小さくなる。また、全ての実験において、測定誤差限界である排水素Fig.3 Atmospheric V-I characteristics of hydrogen pump
回収率 98％まで電圧はほぼ直線的に増加した。燃料電池用 MEA より優れた水 V-I 特性を示した水電解用 MEA はセル温度と加湿温度を 70℃にすると電流50120
密度 0.49A/cm2 で 165mV のセル電圧で 98％の水素を回収した。なお、電池
40100
反応セルと同様に、水素処理率 100％60℃、水素搬送量の 0.5A/cm2 ま で 実 験 を し た が 、308070℃、水素搬送量0.49A/cm2 以上では計器の測定誤差内
理論値60℃、電流効率となり、セル電圧が急上昇したり急降
206070℃、電流効率下するので、図には示さなかった。
アノード側流量：水素３８cc/min
セル温度：６０、７０℃
カソード出口における水素流量の測定
加湿温度：６０、７０℃
1040MEA：水電界用結果を図 4 に示す。カソード出口でほ020
ぼ印加電流に相当する水素が搬送され
00.1
0.2
0.3
0.40.5電流密度[A/cm ]ていることが分かる。つまり、搬送水Fig.4 Flow rate cathode exit hydrogen at atmospheric pump
素量から求めた電流効率はほぼ 100％であった。
参考文献
1. 奥谷、村橋 ，平成 15 年電気学会電力・エネルギー部門大会前刷 pB-189
2. 関口 、角崎 ，富山県工業技術センター研究報告 No.16, pⅡ-36(2002)
セル電圧[V]

排水素処理率[%]：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

セル電圧[V]

排水素回収率[%]2

電流効率[%]

水素流量[cc/min]22