JP2009224264A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アノード極側から排出される排燃料中の燃料と水とを分離すると共に、カソード極側を十分に加湿をする。
【解決手段】陰イオンを伝導する電解質膜と、該電解質膜の両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを有し、炭化水素系の燃料が用いられるアルカリ型燃料電池と、アルカリ型燃料電池から排出された排燃料から、未反応の燃料と水とを分離する分離手段とを備える。この分離手段において分離された水は、カソード極の加湿に用いられる。
【選択図】図１

Description

この発明は燃料電池システムに関する。更に、具体的には、燃料として炭化水素系の燃料が用いられるアルカリ型の燃料電池を用いる燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池としては、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型などが知られている。このうち、アルカリ型燃料電池は、アノード極には燃料として水素又は水素の原料となる燃料が供給され、カソード極には酸素や大気等が酸化剤として供給される。アノード極では供給された燃料から水素原子が生成され、この水素原子がカソード極側から電解液を透過してアノード極に到達した水酸化物イオンと反応することで水が生成される。また、燃料としてエタノール等の炭化水素系の燃料を用いる場合、アノード極では燃料から水素原子が取り出される反応の過程で二酸化炭素が発生する。従って、アノード極から排出される排燃料には、未反応の燃料に加えて、水や二酸化炭素が混入することとなる。従って、排燃料を循環させて排燃料中の未反応の燃料を有効に利用するためには、排燃料中に含まれる水や二酸化炭素を除去できるシステムが望まれる。

この点、例えば、下記特許文献１には、プロトン伝導型の燃料電池の排燃料に混入する二酸化炭素を除去する装置を設けた燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムにおいては、排燃料中から二酸化炭素が除去された後、燃料水溶液を再循環させて燃料電池に供給している。

特開２００４−３４９２６７号公報 特開２００５−０３２６０２号公報

しかし、アルカリ型燃料電池ではアノード極において水が生成される。このため水溶性の燃料を用いて、上記従来技術のように二酸化炭素を除去した燃料水溶液を循環利用しようとした場合、排燃料から取り出される燃料水溶液中の生成水量は次第に増加し、燃料の濃度が次第に低下することとなる。燃料濃度の低下が進むと、燃料電池の発電効率が低下し、ひいては必要な電力を取り出すことができない事態を生じ得る。このため燃料を循環利用しつつ、高い発電性能を維持するためには、循環利用される燃料中の燃料濃度をある程度高く維持することが望まれる。

一方、アルカリ型燃料電池のカソード極には、一般に酸化剤として大気や酸素等が導入されるため、水酸化物イオンの生成のためには水が必要とされる。また、電解質膜やその電解質溶液に触媒粒子を混入させて形成される電極は、ある程度の湿潤状態に保たれることが望ましい。しかし、カソード極側は酸化ガスの流入による乾燥が起きやすい上、アルカリ型燃料電池のカソード極側では水が生成されないため、カソード極では水分が不足する事態となりやすい。このため、燃料電池の高い発電性能を確保するためには、カソード極を十分に加湿し、必要な水分を供給することが望まれる。

従ってこの発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、アノード極側から排出される排燃料中の燃料と水とを分離すると共に、カソード極側を十分に加湿をすることができるよう改良された燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
陰イオンを伝導する電解質膜と、該電解質膜の両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを有し、炭化水素系の燃料が用いられるアルカリ型燃料電池と、
前記アルカリ型燃料電池から排出された排燃料から、未反応の燃料と水とを分離する分離手段と、を備え、
前記分離手段において分離された水を、前記カソード極の加湿に用いることを特徴とする。

ここで、分離手段による未反応の燃料と水との分離には、１００％の純度で燃料と水とが分離される場合に限らず、排燃料からある程度高い濃度で燃料を分離するものも含む。また、排燃料から分離された燃料と水とには、排燃料中に含まれる他の物質が含まれる場合もある。

第２の発明は、第１の発明において、
前記カソード極に供給される酸化剤を加湿する加湿手段と、
前記分離手段において分離された水を、前記加湿手段に導入するための経路と、
を、更に備えることを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記分離手段において分離された水から、二酸化炭素を除去する除去手段を、更に備えることを特徴とする。

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記分離手段と、前記アルカリ型燃料電池に燃料を導入するための燃料供給路とを接続し、前記分離手段において分離された燃料を前記燃料供給路に流入させる循環経路を、更に備えることを特徴とする。

第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、前記分離手段は、パーベーパレーション膜を用いることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池システムは、排燃料から、未反応の燃料と水とを分離する分離手段を備えると共に、分離手段において分離された水をカソード極に供給される酸化剤の加湿に用いることができる。これにより、アルカリ型燃料電池を用いる場合においても、高い燃料濃度を維持しつつ、燃料の循環利用による燃料の有効利用を図ることができる。また、排燃料から分離した水をカソード極の加湿に用いることができるため、外部からの水分の導入等を行うことなく、カソード極に必要な水分を十分供給することができる。

第２の発明によれば、酸化剤を加湿する加湿手段に、排燃料から分離された水を導入することができる。これにより、加湿手段に十分な水を導入することでき、酸化剤をより確実に加湿して、カソード極に十分な水分を供給することができる。

第３の発明によれば、排燃料から分離された水から、更に二酸化炭素を除去することができる。従って、二酸化炭素の混入によって、燃料や酸化剤の供給が阻害されるのを抑制することができる。

第４の発明によれば、分離手段と、燃料供給路とを接続する循環経路を設けて、排燃料から分離された燃料を、燃料供給路に流入させることができる。これにより、燃料濃度の低下を抑制しつつ燃料を効率的に循環利用することができる。従って、燃料の排出が不要となり、燃料利用率を向上させることができる。

第５の発明によれば、分離手段は、パーベーパレーション膜を用いて燃料と水とを分離する。これにより水溶性の燃料を用いる場合にも、確実に燃料と水とを分離することができ、燃料の利用率を向上させることができる。また、パーベーパレーション膜による燃料と水との分離は、比較的小型のシステムで実行することが可能であるため、燃料電池の大型化を抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

実施の形態．
図１は、この発明の実施の形態の燃料電池について説明するための模式図である。図１に示す燃料電池システムは、陰イオンを伝導体とするアルカリ型燃料電池２を有している。燃料電池２は固体高分子電解質膜であるアニオン交換膜１０（電解質膜）を有している。アニオン交換膜１０の両側にはそれぞれ、アノード極１２とカソード極１４とが形成されている。

アニオン交換膜１０は、カソード極１４の電極触媒で生成される水酸化物イオンをアノード極１２側に移動させることができる媒体である。アニオン交換膜１０としては、例えば、１〜３級アミノ基、４級アンモニウム基、ピリジル基、イミダゾール基、４級ビリジウム基、４級イミダゾリウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜を用いることができる。また、固体高分子の膜としては、例えば、炭化水素系及びフッ素系樹脂などがあげられる。

アノード極１２及びカソード極１４のそれぞれは、触媒粒子を電解質溶液（あるいはアイオノマー）に混合してアニオン交換膜１０に塗布することで構成された電極触媒層を有している。各電極１２、１４の触媒粒子は、後述する各電極での反応を触媒する機能を有するものである。具体的な触媒粒子としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）により形成されたもの、あるいは、これらの金属のいずれかをカーボン等の担体に担持させたもの、あるいはこれらの金属原子を中心金属とする有機金属錯体、あるいは、このような有機金属錯体を担体に担持させたもの等が挙げられる。

図１を参照して、アノード極１２のアニオン交換膜１０に接する面とは反対の面には、燃料が流通する燃料流路１６が設けられている。カソード極１４のアニオン交換膜１０に接する面とは反対側の面には酸素流路１８が設けられている。アノード極１２及びカソード極１４のそれぞれに接して、集電板２０、２２が設置されている。アノード極１２とカソード極１４とにそれぞれ設置された集電板２０、２２は燃料電池２の外部に設けられた外部回路２４に接続している。

燃料電池２の燃料導入口には燃料供給路３０が接続している。燃料供給路３０は燃料供給源３２に接続している。燃料供給源３２は、燃料としてのエタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）を１０気圧程度に圧縮して液体として貯蔵している。

一方、燃料電池２の燃料排出口には燃料排出路３４が接続している。燃料排出路３４は分離器３６（分離手段）に接続している。分離器３６内部は、パーベーパレーション膜４０が設置されている。パーベーパレーション膜４０は、水を選択的に透過する膜である。具体的にパーベーパレーション膜４０としては、例えば、複合ポリビニルアルコール、ポリイミド膜、キトサン膜、ゼオライト膜等を用いることができる。

分離器３６内は、パーベーパレーション膜４０によって、第１空間４２と第２空間４４との２つの空間に分けられている。分離器３６の第１空間４２には、燃料排出路３４が接続すると共に、循環経路４６の一端が接続している。第２空間４４には、経路４８の一端が接続している。

循環経路４６の他端は燃料供給路３０に接続している。経路４８の他端は凝縮器５０（除去手段）に接続している。凝縮器５０には、真空ポンプ５２及び排出路５４及び経路５６が接続している。排出路５４は外部に向けて開放されている。経路５６は凝縮器５０との接続部とは反対側の端部において、加湿器５８（加湿手段）に接続している。

一方、燃料電池２の大気導入口には、外部から大気を導入するための大気供給路６０が接続している。加湿器５８は大気供給路６０の途中に設置されている。燃料電池２の大気排出口には大気排出路６２が接続している。大気排出路６２は外部に向けて開放されている。

このシステムにおいて、燃料電池２の運転温度は１０５〜１２０℃とする。これは、触媒の活性化や、アニオン交換膜１０の耐久性、起動エネルギー、水の水蒸気化、ラジエター（図示せず）のサイズ等を考慮して決定したものであり、この発明を拘束するものではない。

このシステムにおいて、燃料としてのエタノールは、燃料供給源３２から減圧あるいは噴射器（図示せず）を介して気化して燃料供給路３０に供給され、燃料電池２内の燃料流路１６に流通してアノード極１２での反応に用いられる。また、未反応の燃料や生成物等を含む排燃料は燃料排出路３４に排出される。一方、大気供給路６０にはブロアーやコンプレッサー（図示せず）等により、外部から大気が取り込まれて圧送される。圧送された大気は加湿器５８において加湿され、燃料電池２のカソード極１４の酸素流路１８に供給される。カソード極１４から排出される未反応の酸素を含む大気オフガスは大気排出路６２を介して外部に排出される。

ここで、アノード極１２に供給された燃料は、アノード極１２の電極触媒の機能により分解されて水素原子となり、アニオン交換膜１０を通過した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）とが反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。このとき放出される電子は集電板２０から外部回路２４を通過してカソード極１４側の集電板２２に移動する。アノード極１２に燃料としてエタノールが供給されて、これが分解される場合には、結果的に、アノード極１２では次式（１）に示す反応が起きる。
ＣＨ_３ＣＨ_２ＯＨ＋１２ＯＨ⁻ → ９Ｈ_２Ｏ＋２ＣＯ_２＋１２ｅ⁻ ・・・（１）

一方、カソード極１４に大気が供給されると、大気中の酸素分子（Ｏ_２）はカソード極１４の電極触媒の機能により、いくつかの段階を経て電子を受け取って水酸化物イオンが生成される。水酸化物イオンはアニオン交換膜１０を通過してアノード極１２側に移動する。カソード極１４での反応は、次式（２）のようになる。
１/２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ → ２ＯＨ⁻ ・・・・（２）

以上のようなアノード極１２側とカソード極１４側における反応をまとめると、燃料電池２全体では次式（３）のように水の生成反応が起き、電子は両極側の集電板２０、２２間を、外部回路２４を介して移動する過程で回路の負荷に対して仕事を行い、これによりエネルギーが取り出されることとなる。
Ｈ_２＋１/２Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ ・・・・（３）

上記のように，燃料電池２の発電中の電気化学反応において、式（１）に示すようにアノード極１２では、燃料から水と二酸化炭素とが生成される。従って、燃料電池２から排出される排燃料には、未使用の燃料の他に、多くの二酸化炭素と水とが含まれることになる。従って排燃料を循環して利用するためには、排燃料に含まれる二酸化炭素と水とをある程度除去することが望ましい。

従って、この実施の形態の燃料電池システムは、分離器３６を有している。分離器３６はパーベーパレーション法により、排燃料を、燃料と、水及び二酸化炭素とに分離する装置である。具体的に、パーベーパレーション膜４０は、水及び二酸化炭素を選択的に透過する。従って、燃料排出路３４から分離器３６の第１空間４２に排燃料が導入されると、真空ポンプ５２の吸引によって、排燃料から、水と水に溶解している二酸化炭素とがパーベーパレーション膜４０を通過して第２空間４４に移動する。従って、排燃料からは水と二酸化炭素とがある程度除去され、第１空間４２には燃料成分が残される。第１空間４２に残された燃料は、循環経路４６を通って再び燃料供給路３０内に流入し、燃料電池２に供給される。これにより、循環利用される燃料の濃度を高く維持することができる。

一方、第２空間４４に移動した水と二酸化炭素とは、真空ポンプ５２による吸引力により経路４８内を通って凝縮器５０に導入される。凝縮器５０では水と二酸化炭素とが冷却されて、液体である水と気体である二酸化炭素とに分離する。二酸化炭素は排出路５４から外部に放出される。あるいは途中でトラップするようにしてもよい。

凝縮器５０において分離された水は、経路５６を移動して、大気供給路６０の途中に設置された加湿器５８に導入される。大気供給路６０から導入された大気は、一旦、加湿器５８に導入されて、加湿器５８内の水により加湿される。その後、加湿された大気がカソード極１４に供給される。

以上説明したように、この発明の実施の形態によれば、排燃料から燃料成分を確実に分離することができ、燃料濃度の低下を抑えて燃料を循環利用することができる。ここで、燃料と、水及び二酸化炭素とは、パーベーパレーション膜４０を用いたパーベーパレーション法により分離される。これにより分離のための装置の大型化及びこれに伴う燃料電池の大型化を抑えつつ、燃料と水との分離を行うことができる。

また、この実施の形態では、凝縮器５０内で二酸化炭素と水とを更に分離して、水を加湿器５８において利用している。これにより加湿のための複雑なシステムを用いることなく、加湿用の水分を十分に確保することができ、カソード極１４に、式（２）に示す反応に必要な水分を供給すると共に、カソード極１４側の乾燥を抑制することができる。

また、二酸化炭素を除去した水を用いることで、カソード極１４への大気の流通等の阻害や酸化によるカソード極１４等の劣化をより確実に抑えることができる。但し、この発明は、凝縮器５０のように二酸化炭素と水とを分離する手段を有するものに限るものではなく、分離器３６において分離された状態の水と二酸化炭素とを、そのまま加湿器５８に導入するものとしてもよい。

また、この実施の形態では、加湿器５８を通過させることで大気を加湿することにより、カソード極１４側を確保する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、凝縮器５０において分離された水、あるいは、分離器３６において分離された状態の水と二酸化炭素とを、直接、カソード極１４側に導入することで、カソード極１４を加湿するものであってもよい。

また、実施の形態では、燃料としてエタノールを提供する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、炭化水素系の燃料であれば他の燃料を用いるものであってもよい。具体的には、燃料としては、エタノールの他に、メタノール、ジメチルエーテル、プロパン、ブタン、プロパノール、ブタノール、エチレングリコールなど、沸点が１００℃程度の常温で液体のものか、あるいは１０気圧以下に減圧した状態で、常温で液体となるものを用いることが望ましい。

また、実施の形態では説明の簡略化のため、アニオン交換膜１０の両側に一対の電極１２、１４が配置された１つの発電部のみを有する燃料電池２を図示して説明した。しかし、この発明において燃料電池はこれに限るものではなく、発電部がセパレータを介して積層されたスタック構造を有する燃料電池であってもよい。

また、実施の形態では、分離器３６内にパーベーパレーション膜４０を設置してパーベーパレーション法により燃料と水（及び二酸化炭素）との分離を行う場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、分子ふるい膜を用いて燃料と水（及び二酸化炭素）とを分離するものであってもよい。

また、この実施の形態では、水を選択的に透過するパーベーパレーション膜４０を用いる場合について説明した。しかしこの発明はこれに限るものではなく、燃料を選択的に透過するパーベーパレーション膜を用いて、燃料を分離するものであってもよい。このような膜としては、例えば、シリコンゴム、トリメチルシリルプロピレン、ゼオライト、ハイシリカゼオライト、ハイシリカゼオライト混入シリコンゴム等を用いることができる。

なお、実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

この発明の実施の形態の燃料電池システムについて説明するための模式図である。

符号の説明

２ 燃料電池
１０ アニオン交換膜
１２ アノード極
１４ カソード極
１６ 燃料流路
１８ 酸素流路
２０、２２ 集電板
２４ 外部回路
３０ 燃料供給路
３２ 燃料供給源
３４ 燃料排出路
３６ 分離器
４０ パーベーパレーション膜
４２ 第１空間
４４ 第２空間
４６ 循環経路
４８ 経路
５０ 凝縮器
５２ 真空ポンプ
５４ 排出路
５６ 経路
５８ 加湿器
６０ 大気供給路
６２ 大気排出路

Claims (5)

1. 陰イオンを伝導する電解質膜と、該電解質膜の両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを有し、炭化水素系の燃料が用いられるアルカリ型燃料電池と、
   前記アルカリ型燃料電池から排出された排燃料から、未反応の燃料と水とを分離する分離手段と、を備え、
   前記分離手段において分離された水を、前記カソード極の加湿に用いることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記カソード極に供給される酸化剤を加湿する加湿手段と、
   前記分離手段において分離された水を、前記加湿手段に導入するための経路と、
   を、更に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記分離手段において分離された水から、二酸化炭素を除去する除去手段を、更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記分離手段と、前記アルカリ型燃料電池に燃料を導入するための燃料供給路とを接続し、前記分離手段において分離された燃料を前記燃料供給路に流入させる循環経路を、更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
5. 前記分離手段は、パーベーパレーション膜を用いることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の燃料電池システム。

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