JP4412939B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、有機液体燃料を利用する燃料電池システム、及びその燃料電池システムに利用可能な燃料貯蔵装置に関する。

燃料電池の一形態として、近年、直接型メタノール燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ）が注目されている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノールを改質せずに直接負極に供給し、メタノールと酸素の電気化学的反応により電力を得るものである。メタノールは、水素に比べて、単位体積当たりのエネルギーが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も少ないため、自動車や携帯機器などの電源への利用が期待されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００１−１８５１８５号公報

ＤＭＦＣでは、負極（燃料極）において、メタノールと水から二酸化炭素と水素イオンが生成する反応が、正極（空気極）において、空気中の酸素と水素イオンから水が生成する反応が起きる。このとき、燃料極側では、反応中間生成物または副生成物として、ホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチルなどが生成する。これらの中間生成物の生成量は非常に微量であり、たとえば家電装置などの電源として用いる程度の規模のＤＭＦＣでは、高々ｐｐｍのオーダーであると考えられる。しかしながら、ホルムアルデヒドなどの人体に有害な物質の排出量が、所定の安全基準を超えることは許されないから、有害物質の系外への排出量を最小限に抑える技術が必要である。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、安全性の高い燃料電池システムを実現する技術を提供することにある。

本発明のある態様は、燃料電池システムに関する。この燃料電池システムは、有機液体燃料により動作する燃料電池装置と、前記燃料電池装置から排出される流体に含まれる有害物質を吸着する吸着部と、を含むことを特徴とする。燃料電池装置において生成するホルムアルデヒドなどの有害物質を吸着部により吸着することにより、系外に排出される有害物質の量を最小限に抑えることができる。これにより、安全性の高い燃料電池システムを実現することができる。

前記吸着部は、前記燃料電池システムから気体を排出する排気部に設けられてもよい。排気部は、排気のための構成を含み、たとえば、気体を排気するための配管や、排気口などを含む。排気口から排気される前に吸着部を通過させることにより、有害物質の排出量を抑えることができる。前記吸着部は、前記有機液体燃料の経路に設けられてもよい。有機液体燃料を循環させて燃料電池装置に供給するとき、その循環経路上に吸着部を設けることにより、燃料電池装置において生成した有害物質を、循環中に吸着部に吸着させて除去することができる。

前記吸着部は、交換可能に設けられてもよい。吸着部の吸着能力を超える量の有害物質が生成した場合、有害物質が吸着されずに系外へ排出される可能性があるが、吸着部を交換することにより、適切に有害物質を吸着させることができる。燃料電池システムは、前記燃料電池装置に有機液体燃料を供給するための燃料供給装置をさらに含み、前記吸着部は、前記燃料供給装置と一体的に設けられてもよい。これにより、燃料供給装置の交換時に、吸着部を交換することができ、吸着部の吸着能力が飽和して有害物質が系外へ排出されることを防ぐことができる。

燃料電池システムは、前記燃料供給装置から供給される前記有機液体燃料を一時的に貯蔵し、前記燃料電池装置に有機液体燃料を供給するとともに、前記燃料電池装置から未反応の有機液体燃料を取得して、有機液体燃料を循環させるための貯蔵部をさらに含み、前記貯蔵部に含まれる気体は、前記吸着部を通過して、前記燃料電池システムの外に排出されてもよい。

本発明の別の態様は、燃料供給装置に関する。この燃料供給装置は、有機液体燃料を貯蔵する貯蔵部と、前記貯蔵部に貯蔵された前記有機液体燃料を燃料電池装置に供給するための供給口と、前記燃料電池装置から排出された流体を取得するための受入口と、前記流体に含まれる気体を排出する排出口と、前記気体に含まれる有害物質を吸着する吸着部と、を含むことを特徴とする。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、安全性の高い燃料電池システムを実現する技術を提供することができる。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す。燃料電池システム１０は、燃料電池装置２０、燃料電池装置２０に有機液体燃料を供給するための燃料供給装置の一例である燃料カートリッジ３０、燃料カートリッジ３０の有機液体燃料を希釈して燃料電池装置２０に供給するためのポンプ４０、燃料電池装置２０に空気を供給するためのエアポンプ５０、有害物質を吸着するための吸着部６０を含む。燃料電池装置２０は、正極層と負極層の間に、ナフィオン（登録商標）などの水素イオン伝導性を有する固体高分子電解質膜を配した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」と表記する）を、導電性のセパレータを介して複数積層させたスタックを含む。ＭＥＡの負極（燃料極）には、メタノール、エタノールなどのアルコール類や、エーテル類などの有機液体燃料が、改質せずに直接供給され、ＭＥＡの正極（空気極）には、空気が供給される。そして、ＭＥＡにおける有機液体燃料と酸素の電気化学的反応により電力が取り出される。

燃料電池システム１０の動作時には、燃料カートリッジ３０の供給口３２からポンプ４０を介して有機液体燃料が燃料電池装置２０に供給される。このとき、高濃度の有機液体燃料をそのまま燃料電池装置２０の燃料極に供給すると、有機液体燃料がＭＥＡの固体高分子電解質膜を透過して空気極側に移動し、空気極側で有機液体燃料が反応して逆起電力が生じる恐れがある。そのため、図示しない水貯蔵タンクなどから水を供給し、燃料電池装置２０を効率よく運転するために最適な濃度に有機液体燃料を希釈してから燃料電池装置２０に供給する。希釈する水の量を制御するために、有機液体燃料の濃度を検知する濃度センサを設けてもよい。

燃料電池装置２０の各ＭＥＡの燃料極では、有機液体燃料と水が反応して二酸化炭素と水素イオンが生じる。未反応の有機液体燃料と、反応により生成した二酸化炭素などの生成物は、配管７０を介して燃料カートリッジ３０の受入口３４に戻される。燃料カートリッジ３０では、液体と気体が分離され、気体は吸着部６０を介して排出口３６から排出され、排気部の一例である配管７２および排気口９０を介して系外へ排出される。

燃料電池装置２０の各ＭＥＡの空気極には、吸入口８０からエアポンプ５０により取り入れられた空気が供給される。空気極では、空気中の酸素と水素イオンが反応して水が生じる。未反応の空気は、配管８４を介して排気口８２から系外へ排出される。反応により生成した水は、配管７０を介して燃料カートリッジ３０へ供給されてもよいし、図示しない水貯蔵タンクへ供給されてもよいし、図示しない排水口から系外へ排出されてもよい。

本実施の形態の燃料電池装置２０では、有機液体燃料の酸化反応を利用して電力を得るので、メタノールなどの、炭素、水素、および酸素を構成元素とする有機液体燃料では、反応による最終生成物は、二酸化炭素と水である。しかしながら、反応の途中には、さまざまな反応中間生成物が生成しうる。たとえば、メタノールを燃料として用いる場合、メタノールの酸化反応などにより、ホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチルなどが生成することが分かっている。ホルムアルデヒドなど、人体に害を与える恐れがある物質が反応中間生成物として生成する可能性がある場合は、燃料電池システム１０から系外に排出されるその物質の量が安全基準を超えないようにする必要がある。また、有機液体燃料の蒸気についても、同様に、安全基準を超える量が系外へ排出されないように配慮する必要がある。本実施の形態では、排気口９０の前段に吸着部６０を設けることにより、有害物質を吸着部６０に吸着し、系外に排出しないようにする。これにより、安全な燃料電池システム１０を提供することができる。

吸着部６０は、燃料電池システム１０内に存在する有害物質を吸着または吸収するために設けられる。吸着部６０は、たとえば、ホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチル、アルコールなどを吸着または吸収する吸着材を含む。吸着材は、物理吸着により有害物質を吸着するものであってもよいし、化学吸着により有害物質を吸着するものであってもよいし、化学反応により有害物質を吸収するものであってもよい。吸着材の一例として、セピオライト、椰子殻活性炭、ゼオライト、モルデナイト、2,4-ジフェニルヒドラジンなどを用いてもよい。吸着部６０は、１種の吸着材から構成されてもよいし、複数種の吸着材を組み合わせて構成されてもよい。吸着部６０は、特定の有害物質のみを選択的に吸着または吸収するものであってもよいし、有害物質以外の物質も同時に吸着または吸収するものであってもよい。吸着部６０は、化学反応により有害物質を無害な物質に変換するものであってもよい。

本実施の形態では、ポンプ４０により希釈されて燃料電池装置２０に供給された有機液体燃料のうち、未反応分を燃料カートリッジ３０に戻すので、燃料カートリッジ３０内の有機液体燃料は、運転に伴って薄くなる。燃料カートリッジ３０内の有機液体燃料の濃度が、燃料電池装置に供給すべき燃料の濃度を下回ると、燃料カートリッジ３０を交換する必要がある。交換時期を判別するために、燃料カートリッジ３０内の有機液体燃料の濃度を検知する濃度センサを設けてもよい。この濃度センサは、前述した希釈水の量を判断するための濃度センサと共用してもよい。

本実施の形態では、燃料カートリッジ３０の交換時に、吸着部６０も交換できるよう、吸着部６０を燃料カートリッジ３０と一体的に設けている。これにより、吸着部６０を使用し続けて吸着能力が飽和し、系内の有害物質を吸着しきれずに系外へ排出してしまう可能性を低減することができる。燃料カートリッジ３０の提供主体が、ユーザから使用済みの燃料カートリッジ３０を回収し、燃料を再び充填し、吸着部６０を再生して、その燃料カートリッジ３０を再び市場に出すというビジネスモデルが成立する。吸着部６０の再生方法として、有害物質を物理吸着または化学吸着により吸着させている場合は、吸着材を加熱し、所定の温度で所定時間保持することにより、吸着した物質を脱離させてもよい。有害物質を化学反応により吸収している場合は、化学反応により元の状態に再生させてもよい。

吸着部６０を燃料カートリッジ３０と一体的に設けず、有機液体燃料の循環経路の任意の位置に設けてもよい。この場合も、吸着部６０を交換可能に設けることが好ましいが、吸着部６０の吸着能力が十分に高く、吸着部６０の寿命が、燃料電池装置２０などの燃料電池システム１０内の他の構成の寿命と同程度またはそれ以上である場合は、この限りではない。有機液体燃料の循環経路中に吸着部６０を設ける場合、燃料電池装置２０に供給される有機液体燃料中のホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチルなどの不純物を除去することができるので、これらの不純物に起因する起電力の低下などを抑止することができる。

（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す。本実施の形態の燃料電池システム１０は、図１に示した第１の実施の形態の燃料電池システム１０に加え、空気極側の排気口８２にも吸着部６２を備える。それ以外の構成については、第１の実施の形態と同様であり、同様の構成には同じ符号を付している。

前述したように、有機液体燃料が固体高分子電解質膜を透過して空気極側に移動し、空気極側にも有害物質が生成する可能性がある。そのため、本実施の形態では、空気極からの配管８４と排気口８２との間に、燃料カートリッジ３０と一体的に設けられた吸着部６２を設ける。これにより、空気極側に生成する微量の有害物質も適切に処理し、系外に排出することを防ぐことができるので、より安全性の高い燃料電池システム１０を提供することができる。吸着部６２の構成については、第１の実施の形態で説明した吸着部６０の構成と同様である。

本実施の形態では、吸着部６２についても、吸着部６０と同様に、燃料カートリッジ３０と同時に交換可能とするために、燃料カートリッジ３０と一体的に設けているが、別の例では、燃料電池装置２０から空気の排気口８２までの配管の任意の位置に設けられてもよい。また、空気を循環させて燃料電池装置２０に供給する場合は、循環経路の任意の位置に吸着部６２を設けてもよい。

（第３の実施の形態）
図３は、第３の実施の形態に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す。本実施の形態の燃料電池システム１０は、図２に示した第２の実施の形態の燃料電池システム１０の構成において、吸着部６０が吸着部６２の機能を兼ね備える。それ以外の構成については、第２の実施の形態と同様であり、同様の構成には同じ符号を付している。

本実施の形態では、空気極側の配管８４を吸着部６０に接続し、燃料電池装置２０の空気極から排出される気体を、吸着部６０を介して排気口９０から排気させる。これにより、安全性の高い燃料電池システム１０を提供することができる。また、吸着部６２を吸着部６０で兼用することにより構成を簡略化し、燃料カートリッジ３０を小型化かつ軽量化することができる。

（第４の実施の形態）
図４は、第４の実施の形態に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す。本実施の形態の燃料電池システム１０は、図１に示した第１の実施の形態の燃料電池システム１０に加え、貯蔵部の一例である希釈循環タンク４４、ポンプ４２、配管７４を備える。第１の実施の形態と同様の構成には同じ符号を付している。

燃料電池システム１０の運転時には、燃料カートリッジ３０に貯蔵された高濃度の有機液体燃料がポンプ４０により希釈循環タンク４４へ供給される。希釈循環タンク４４では、図示しない水貯蔵タンクから希釈水が供給され、有機液体燃料が所定の濃度に希釈される。希釈された有機液体燃料は、ポンプ４２により燃料電池装置２０の燃料極へ供給される。燃料電池装置２０の燃料極から排出された未反応の有機液体燃料と二酸化炭素は、配管７０を介して希釈循環タンク４４へ戻されて気液分離される。気体は配管７４を介して吸着部６０へ送られ、有害物質が吸着されて、排気口９０から排出される。有機液体燃料は、適宜燃料カートリッジ３０から追加されつつ、希釈循環タンク４４と燃料電池装置２０の間で循環される。

燃料カートリッジ３０内の有機液体燃料を使い切ると、燃料カートリッジ３０を交換する必要があるが、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、燃料カートリッジ３０の交換時に吸着部６０も交換できるよう、吸着部６０を燃料カートリッジ３０と一体的に設けている。これにより、吸着部６０を定期的に交換し、有害物質を適切に吸着させることができる。別の例では、吸着部６０は、希釈循環タンク４４、配管７０などの有機液体燃料の循環経路に設けられてもよいし、配管７４などの排気経路に設けられてもよい。

（第５の実施の形態）
図５は、第５の実施の形態に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す。本実施の形態の燃料電池システム１０は、図４に示した第４の実施の形態の燃料電池システム１０に加え、第２の実施の形態と同様、空気極側の排気口８２にも吸着部６２を備える。それ以外の構成については、第４の実施の形態と同様であり、同様の構成には同じ符号を付している。

本実施の形態では、空気極からの配管８４と排気口８２との間に吸着部６２を設けるので、空気極側に生成する微量の有害物質も適切に処理し、系外に排出することを防ぐことができる。これにより、より安全性の高い燃料電池システム１０を提供することができる。

（第６の実施の形態）
図６は、第６の実施の形態に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す。本実施の形態の燃料電池システム１０は、図５に示した第５の実施の形態の燃料電池システム１０の構成において、吸着部６０が吸着部６２の機能を兼ね備える。それ以外の構成については、第５の実施の形態と同様であり、同様の構成には同じ符号を付している。

本実施の形態では、空気極側の配管８４を吸着部６０に接続し、燃料電池装置２０の空気極から排出される気体を、吸着部６０を介して排気口９０から排気させる。これにより、安全性の高い燃料電池システム１０を提供することができる。また、吸着部６２を吸着部６０で兼用することにより構成を簡略化し、燃料カートリッジ３０を小型化かつ軽量化することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

第１の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。 第２の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。 第３の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。 第４の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。 第５の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。 第６の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。

符号の説明

１０・・・燃料電池システム、２０・・・燃料電池装置、３０・・・燃料カートリッジ、４０，４２・・・ポンプ、４４・・・希釈循環タンク、５０・・・エアポンプ、６０，６２・・・吸着部、７０，７２，８４・・・配管、８０・・・吸入口、８２・・・排気口、９０・・・排気口。

Claims (4)

1. 有機液体燃料により動作する燃料電池装置と、
   前記燃料電池装置に有機液体燃料を供給するための燃料供給装置と、
   前記燃料電池装置において反応しなかった前記有機液体燃料と、前記燃料電池装置における反応により生成した生成物とを含む流体を、前記燃料供給装置へ戻す配管と、
   前記流体に含まれる有害物質を吸着する吸着部と、を含み、
   前記吸着部は、前記燃料供給装置において液体と分離された気体を排出する経路に設けられ、
   前記吸着部は、前記燃料供給装置に一体的に設けられ、前記燃料供給装置とともに交換可能に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池装置の空気極において生成した気体を排出するための配管と排気口との間に、前記燃料供給装置と一体的に設けられた第２の吸着部を更に含む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. 有機液体燃料により動作する燃料電池装置と、
   前記燃料電池装置に有機液体燃料を供給するための燃料供給装置と、
   前記燃料供給装置から供給される前記有機液体燃料を一時的に貯蔵し、前記燃料電池装置に有機液体燃料を供給するとともに、前記燃料電池装置から未反応の有機液体燃料を取得して、有機液体燃料を循環させるための貯蔵部と、
   前記燃料電池装置において反応しなかった前記有機液体燃料と、前記燃料電池装置における反応により生成した生成物とを含む流体を、前記貯蔵部へ戻す配管と、
   前記流体に含まれる有害物質を吸着する吸着部と、を含み、
   前記吸着部は、前記貯蔵部において液体と分離された気体を排出する経路に設けられ、 前記吸着部は、前記燃料供給装置に一体的に設けられ、前記燃料供給装置とともに交換可能に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記燃料電池装置の空気極において生成した気体を排出する排気部ための配管と排気口との間に、前記燃料供給装置と一体的に設けられた第２の吸着部を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
   

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