(57)【要約】【課題】発電によって酸性又は塩基性の溶液が排出される燃料電池を使用する場合、外部にその溶液がそのまま漏出されることを回避、もしくは排出溶液の管理を容易とする。【解決手段】複数の燃料電池を含む燃料電池システムであって、電解質膜を有するセルを介して、酸素を含む酸化剤と水素を含む燃料との電気化学反応によって発電を行う、複数の燃料電池による燃料電池群であって、一部の燃料電池はその発電の結果酸性の溶液を排出する酸性型燃料電池として、他部の燃料電池はその発電の結果塩基性の溶液を排出する塩基性型燃料電池として構成される燃料電池群と、酸性型燃料電池と塩基性型燃料電池からの排出溶液を混合することで、燃料電池システムから排出されるシステム排出溶液の中和を行う中和部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池を含む燃料電池システムであって、
電解質膜を有するセルを介して酸素を含む酸化剤と水素を含む燃料との電気化学反応によって発電を行う、複数の燃料電池による燃料電池群であって、一部の燃料電池はその発電の結果酸性の溶液を排出する酸性型燃料電池として、他部の燃料電池はその発電の結果塩基性の溶液を排出する塩基性型燃料電池として構成される燃料電池群と、
前記酸性型燃料電池と前記塩基性型燃料電池からの排出溶液を混合することで、前記燃料電池システムから排出されるシステム排出溶液の中和を行う中和部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記中和部は、
前記酸性型燃料電池と前記塩基性型燃料電池からの排出溶液を、それぞれ貯留する溶液貯留部と、
前記溶液貯留部に貯留された前記酸性型燃料電池と前記塩基性型燃料電池の排出溶液の混合量を調整し、混合されて形成される前記システム排出溶液のｐＨ値を、ｐＨ値７近傍の所定値に調整するｐＨ調整部と、
を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ｐＨ調整部によって混合されるシステム排出溶液のｐＨ値が前記所定値に調整することができないと推定されるとき、前記酸性型燃料電池と前記塩基性型燃料電池の排出溶液の混合が禁止される、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池群は、
前記塩基性型燃料電池に相当する、陰イオンを透過させる電解質膜を有し、水素を含む燃料が塩基性溶液とともに供給される燃料電池と、
前記酸性型燃料電池に相当する、陽イオンを透過させる電解質膜を有し、水素を含む燃料が酸性溶液とともに供給される燃料電池と、
を少なくとも含んで構成される、請求項１から請求項３の何れかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムでの発電に際して発生する排出溶液の中和処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池においては、適切な燃料と酸化剤との電気化学反応により発電が行われるが、燃料と酸化剤の組合せに応じて、燃料電池から排出される排出物も変化する。また、発電のための電気化学反応には直接的には関与しない物質を、該反応の促進を目的として添加する場合もあり、このような添加剤によっても、燃料電池から排出される排出物は変動する。
【０００３】
ここで、特許文献１に開示された技術では、燃料電池システムの燃料の供給プロセスにおいて二つの燃料電池が直列につながれており、上流側に位置するボロハイドライド燃料電池での電気化学反応で生成された水素が、下流側に位置するアルカリ型燃料電池に、気液分離膜を介して供給される構成となっている。これにより、燃料電池システムの運転の効率化、コンパクト化等を図ることが目的とされている。
【０００４】
また、特許文献２に開示された技術では、固体高分子型燃料電池から排出される余剰水には、発電のための電気化学反応に起因した二酸化炭素が溶け込むことで、酸性となり、これが外部に排出される。そこで、この余剰水にカルシウムやマグネシウムを含む中和剤を混ぜることで、環境への影響の削減を図っている。
【特許文献１】特開２００７−１２３１９号公報
【特許文献２】特開２００７−２５７９５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池は、ユーザの用途に応じて燃料と酸化剤の組合せを選択することで、環境負荷の少ない発電を行うことができるが、選択された燃料等によっては、発電が行われた燃料電池から排出される排出物の取り扱いに充分に留意しなければならない場合がある。その一つとして、燃料電池の発電によって環境基準を超えた酸性又は塩基性の溶液が排出される場合がある。このような酸性又は塩基性の排出溶液が外部に漏出するのは環境上、安全上好ましくない。また、このように漏出しないように管理をするにも、厳重な注意を要する。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、発電によって酸性又は塩基性の溶液が排出される燃料電池を使用する場合、外部にその溶液がそのまま漏出されることを回避、もしくは排出溶液の管理を容易とするための燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては、上記課題を解決するために、発電の結果酸性の溶液を排出する燃料電池と塩基性の溶液を排出する燃料電池とを含んで燃料電池システムを構成し、それぞれから排出される酸性の溶液と塩基性の溶液とを適切に混合して中和させることとした。これにより、排出溶液の中和のための付加的な構成を必要とせずに、環境的にも安全的にも好ましい状況を形成することが可能となる。
【０００８】
そこで、詳細には、本発明は、複数の燃料電池を含む燃料電池システムであって、電解質膜を有するセルを介して酸素を含む酸化剤と水素を含む燃料との電気化学反応によって
発電を行う、複数の燃料電池による燃料電池群であって、一部の燃料電池はその発電の結果酸性の溶液を排出する酸性型燃料電池として、他部の燃料電池はその発電の結果塩基性の溶液を排出する塩基性型燃料電池として構成される燃料電池群と、前記酸性型燃料電池と前記塩基性型燃料電池からの排出溶液を混合することで、前記燃料電池システムから排出されるシステム排出溶液の中和を行う中和部と、を備える。
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムは、発電の結果、酸性の溶液を排出する酸性型燃料電池と塩基性の溶液を排出する塩基性型燃料電池とを燃料電池群として、即ち少なくとも一つの酸性型燃料電池と少なくとも一つの塩基性型燃料電池を含む複数の燃料電池を備える。そのため、各型の燃料電池から酸性の溶液と塩基性の溶液とがそれぞれ排出されることになるため、これらの排出溶液が中和部によって混合され、燃料電池システム全体の排出溶液としては中和された溶液が形成されることになり、以て燃料電池システムから、環境面でも安全面でも好適な溶液の排出が行われる。
【００１０】
ここで、上記酸性型燃料電池と塩基性型燃料電池は、発電の結果、酸性の溶液と塩基性の溶液がそれぞれ排出されるものであればよく、必ずしも発電のために供給される燃料等に酸性や塩基性の溶液が含まれている必要はない。また、燃料電池群を構成する各燃料電池の相関関係については、燃料電池システムの中に酸性型燃料電池と塩基性燃料電池が含まれ、各燃料電池が燃料の供給や、発電に必要な処理等の側面で何等かの関係性を必ずしも有している必要はなく、各燃料電池が独立に発電処理を行うような形態でもよい。更には、当該燃料電池群については、各型の燃料電池からの排出溶液の一部又は全部が、中和部による混合、中和処理に供されるように構成されれば良く、当該排出溶液の一部が、中和部による混合、中和処理意外の目的で使用されるのを妨げるものではない。しかし、中和部の混合、中和処理以外の処理が行われる場合であっても、燃料電池システムから外部に酸性又は塩基性の溶液が漏出されるのを可及的に回避すべきであろう。
【００１１】
また、上記燃料電池システムにおいて、前記中和部は、前記酸性型燃料電池と前記塩基性型燃料電池からの排出溶液を、それぞれ貯留する溶液貯留部と、前記溶液貯留部に貯留された前記酸性型燃料電池と前記塩基性型燃料電池の排出溶液の混合量を調整し、混合されて形成される前記システム排出溶液のｐＨ値を、ｐＨ値７近傍の所定値に調整するｐＨ調整部と、を有するように構成してもよい。
【００１２】
溶液貯留部を有することで、燃料電池群を構成する各型の燃料電池から排出される酸性又は塩基性の溶液を一時的に貯留することが可能となる。その結果、ｐＨ調整部によって、システム排出溶液のｐＨを安定的に環境面でも安全面でも適切な範囲の値、即ち上記所定値に調整することが可能となる。このような構成は、特に、各型の燃料電池から排出されてくる酸性又は塩基性の溶液の生成速度やｐＨ値の違いを充分に吸収するものであるから、システム排出溶液の確実な中和に資する。
【００１３】
なお、ここで溶液貯留部に貯留されている各型の燃料電池からの排出溶液を混合する際、その混合排出溶液が充分に中和されない場合、即ち上記の所定値のｐＨ値に至らせることができない場合が考えられる。そのような場合には、中和部による排出溶液の中和を禁止し、溶液貯留部によって各型の燃料電池からの排出溶液の貯留を継続するのが好ましい。
【００１４】
また、上述までの燃料電池システムにおいて、燃料電池群を構成する各型の燃料電池の構成の一例として、前記燃料電池群が、前記塩基性型燃料電池に相当する、陰イオンを透過させる電解質膜を有し、水素を含む燃料が塩基性溶液とともに供給される燃料電池と、前記酸性型燃料電池に相当する、陽イオンを透過させる電解質膜を有し、水素を含む燃料が酸性溶液とともに供給される燃料電池と、を少なくとも含んで構成されるケースが挙げ
られる。より具体的には、前者の塩基性型燃料電池としては、アニオン交換膜を有するアルカリ型燃料電池が上げられ、後者の酸性型燃料電池としては、カチオン交換膜を有するいわゆる直接メタノール型燃料電池が採用可能であるが、上述したように、本発明に係る燃料電池システムはこれらの燃料電池に限られず、中和部による排出溶液の混合、中和が可能な限り様々な燃料電池の採用が可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電によって生じた酸性又は塩基性の溶液がそのままシステムの外部に漏出されることを防ぐことが可能となり、また、システム排出溶液の管理が容易となり、以て安全面でも環境面でも好適な燃料電池システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態に係る燃料電システム１は、移動体である車両の駆動装置である駆動モータに対して電力を供給する供給源として、船舶やロボット等の車両以外の移動体での電力供給源として、移動は行わないが電力の供給を受ける必要がある物に対する電力供給源として採用が可能である。
【００１７】
図１は、本発明に係る燃料電池システム１の概略構成を示す図である。この燃料電池システム１には、本発明の酸性型燃料電池に相当するいわゆるアルカリ型の燃料電池（ＡＦＣ：Alkaline Fuel Cell）である第一燃料電池４０と、いわゆる直接メタノール型の燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）である第二燃料電池５０とが備えられ、この２台の燃料電池によってシステムにおける燃料電池群が形成されている。本実施例では、説明の簡便のため図１に示すように酸性型燃料電池と塩基性型燃料電池がそれぞれ一台ずつシステム内に含まれるが、各型の燃料電池の数は更に増えても構わない。以下、燃料電池システム１の構成について説明する。
【００１８】
上述したように第一燃料電池４０はアルカリ型燃料電池である。この第一燃料電池４０は、アニオン交換膜４３を有し、その両側を正極４２、負極４４で挟んだ状態となっている。そして、正極４２に対して酸化剤を供給するべく該酸化剤が流れる酸化剤供給路４１が正極４２に隣接して設けられ、一方で、負極４４に対して燃料を供給するべく該燃料が流れる燃料供給路４５が負極４４に隣接して設けられている。なお、各電極及び各供給路の詳細具体的な構成は、従来からの技術によるものであるため本明細書では割愛する。
【００１９】
この第一燃料電池４０に対しては、燃料として水素が使用される。具体的には、燃料供給源３から供給される純水素と、塩基性溶液供給源６から供給される塩基性溶液の水酸化カリウム（ＫＯＨ）と水供給源８から供給される水とが、それぞれ供給路２２、２５を経て混合部１０で混合され、その混合物が更に供給路２２を介して、第一燃料電池４０内の燃料供給路４５に供給される。ここで、混合部１０は、図１には機能的に示されているが、具体的には、混合されて第一燃料電池４０の燃料として適切な燃料が形成されるように、各供給源３、６、８からの供給量を調整するとともに、各供給物が均等に混合されるようにコイル状の流路が形成され、各供給物（液）が流路の出口に達したときに充分に混合されるような構造を有している。
【００２０】
一方で、第一燃料電池４０に供給される酸化剤は、酸化剤供給源２から供給路２１を介して供給される酸素ガスである。この酸素ガスと水供給源８から供給路２７を介して供給される水分とが混合部９で混合され、以てその混合物が更に供給路２１を介して、第一燃料電池４０内の酸化剤供給路４１に供給される。ここで、混合部９は、混合部１０と同様に酸素ガスと水との混合量を適切に調整が可能であるとともに、両者の混合が均等に行わ
れるように適切な構造を有している。
【００２１】
このような構成を有する第一燃料電池４０においては、正極４２側と負極４４側では以下に示す電気化学反応が生じることで、燃料電池としての発電が行われる。
正極側：Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  →  ４ＯＨ−
負極側：２Ｈ２＋４ＯＨ−  →  ４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−
【００２２】
この電気化学反応において、燃料供給路４５に供給された燃料中の水酸化カリウムは直接的に該反応に寄与してはいないが、その存在により電極内の触媒反応の補助をする役目を有し、従って上記電気化学反応が効率的に行われることになる。その結果、第一燃料電池４０の発電が効率的に行われるが、一方で反応に直接供されない水酸化カリウムは溶液の形で、第一燃料電池４０の負極側からから排出されることになる。そこで、この水酸化カリウムを含む排出溶液は、排出路４６を介して塩基性排液貯留部３１に一時的に貯留される。なお、第一燃料電池４０の正極側からもオフガスを含め種々の排出物が出されるが、図１においてはその排出経路等の記載は省略している。
【００２３】
次に、第二燃料電池５０について述べる。この第二燃料電池５０は、上述したように直接メタノール型燃料電池である。この第二燃料電池５０は、カチオン交換膜５３を有し、その両側を正極５４、負極５２で挟んだ状態となっている。そして、正極５４に対して酸化剤を供給するべく該酸化剤が流れる酸化剤供給路５５が正極５４に隣接して設けられ、一方で、負極５２に対して燃料を供給するべく該燃料が流れる燃料供給路５１が負極５２に隣接して設けられている。なお、各電極及び各供給路の詳細具体的な構成は、従来からの技術によるものであるため本明細書では割愛する。
【００２４】
この第二燃料電池５０に対しては、燃料としてメタノール（ＣＨ３ＯＨ）が直接供給される。具体的には、燃料供給源４から供給されるメタノールと、酸性溶液供給源７から供給される酸性溶液の硫酸（Ｈ２ＳＯ４）と水供給源８から供給される水とが、それぞれ供給路２３、２６を経て混合部１１で混合され、その混合物が更に供給路２３を介して、第二燃料電池５０内の燃料供給路５１に供給される。ここで、混合部１１は、上記混合部１０と同様に燃料形成のためのメタノール等の混合量を適切に調整可能であるとともに、両者の混合が均等に行われるように適切な構造を有している。
【００２５】
また、第二燃料電池５０に供給される酸化剤は、酸化剤供給源５から供給路２４を介して供給される酸素ガスである。この酸素ガスと水供給源８から供給路２８を介して供給される水分とが混合部１２で混合され、以てその混合物が更に供給路２４を介して、第二燃料電池５０内の酸化剤供給路５５に供給される。ここで、混合部１２は、上記混合部１０と同様に酸素ガスと水との混合量を適切に調整が可能であるとともに、両者の混合が均等に行われるように適切な構造を有している。
【００２６】
このような構成を有する第二燃料電池５０においては、正極５４側と負極５２側では以下に示す電気化学反応が生じることで、燃料電池としての発電が行われる。
正極側：３Ｏ２＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−  →  ６Ｈ２Ｏ
負極側：２ＣＨ３ＯＨ＋２Ｈ２Ｏ  →  ２ＣＯ２＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−
【００２７】
この電気化学反応において、燃料供給路５１に供給された燃料中の硫酸は直接的に該反応に寄与してはいないが、その存在により電極内の触媒反応の補助をする役目を有し、従って上記電気化学反応が効率的に行われることになる。その結果、第二燃料電池５０の発電が効率的に行われるが、一方で反応に直接供されない硫酸は溶液の形で、第二燃料電池５０の負極側からから排出されることになる。そこで、この硫酸を含む排出溶液は、排出路５６を介して酸性排液貯留部３２に一時的に貯留される。なお、第二燃料電池５０の正
極側からもオフガスを含め種々の排出物が出されるが、図１においてはその排出経路等の記載は省略している。
【００２８】
また、燃料電池システム１には、システム全体の制御を司るシステム制御部（電子制御ユニット（ＥＣＵ）で構成される）３０が備えられている。このシステム制御部３０が、図示しない出力要求受付部（燃料電池システム１が車両に搭載される場合には、アクセルペダルの開度を検知する開度センサがこれに相当する。）が受け付けた出力要求に基づいて、第一燃料電池４０及び第二燃料電池５０の出力を制御することになる。その結果、燃料供給源３、４から各燃料電池に燃料が供給されて発電が行われ、それとともに各貯留部３１、３２に塩基性の排出溶液である水酸化カリウム溶液と、酸性の排出溶液である硫酸溶液が各燃料電池での燃料の消費量に応じて貯留されていくことになる。
【００２９】
ここで、塩基性排液貯留部３１と酸性排液貯留部３２とは、それぞれ排液通路４７、５７を介して混合調整部３３に繋がれている。これにより、塩基性排液貯留部３１に貯留された水酸化カリウム溶液と酸性排液貯留部３２に貯留された硫酸溶液は、混合調整部３３により混合されて、互いに中和されることで中性に近いｐＨ７近傍の混合排出溶液とされる。具体的には、環境に与える影響の少ない上水の基準であるｐＨ約５．８〜８．６の間のｐＨ値となるように、混合調整部３３による両排出溶液の混合が行われる。この混合調整部３３も、上記混合部１０等と同様に、図１には機能的に示されているが、具体的には、混合排出溶液のｐＨ値が上記の範囲に含まれるように、塩基性排液貯留部３１からの混合量と酸性排液貯留部３２からの混合量とを調整するとともに、両排出溶液が均等に混合されるようにコイル状の流路が形成され、それらが流路の出口に達したときに充分に混合されている構造を有している。
【００３０】
この混合調整部３３は、システム制御部３０に電気的に接続されており、そこからの制御指令に従って、上述した各貯留部からの排出溶液の混合、そしてそのｐＨ値の制御を行う。そこで、システム制御部３０によって行われる各燃料電池からの排出溶液の処理制御（以下、「燃料電池システム制御」と言う。）について、図２に基づいて説明する。図２に示す燃料電池システム制御は、システム制御部３０によって、所定のタイミングで、例えば一定間隔のタイミングで実行される。
【００３１】
先ず、Ｓ１０１では、塩基性排液貯留部３１によって貯留されている水酸化カリウム溶液のｐＨ値の検出と、酸性排液貯留部３２によって貯留されている硫酸溶液のｐＨ値の検出がそれぞれ行われる。具体的には、各貯留部に設けられているｐＨ値の検出センサ３４、３５からの出力値をシステム制御部３０が取得する。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。
【００３２】
Ｓ１０２では、Ｓ１０１で検出された各貯留部に貯留されている水酸化カリウム溶液と硫酸溶液のｐＨ値に基づいて、混合調整部３３による混合を行ったとき、混合排出溶液のｐＨ値が上記のｐＨ値範囲に収めること、即ち適正な中和が可能か否かの判定が行われる。例えば、各排出溶液のｐＨ値と、各貯留部に貯留されている排出溶液の容量に基づいて、混合排出溶液のｐＨ値がｐＨ約５．８未満になるであろうと推定されると、混合排出溶液が過塩基性状態であることを意味し、ｐＨ８．６超になるであろうと推定されると混合排出溶液が過酸性状態であることを意味するので、これらの場合は、各排出溶液の混合、中和は許可されないという判定が行われることになる。当該Ｓ１０２で中和が可能であると判定されるとＳ１０３、Ｓ１０４の処理が行われ、中和が不可能であると判定されるとＳ１０５、Ｓ１０６の処理が行われる。
【００３３】
ここで、Ｓ１０３では、Ｓ１０１で検出された各貯留部に貯留されている水酸化カリウム溶液と硫酸溶液のｐＨ値に基づいて、最終的な混合排出溶液のｐＨ値が上記の範囲に内
に収まるように、その混合比率を決定する。その後、Ｓ１０４では、Ｓ１０２で決定された混合比率に従って、混合調整部３３による水酸化カリウム溶液と硫酸溶液の混合が行われ、その混合排出溶液がシステム排出路６０を介して燃料電池システム１の外部へと移され、必要に応じて管理等される。このように燃料電池システム１では、システム外部に移される排出溶液は、上記のｐＨ約５．８〜８．６の内に収まっているため、環境面でも、安全面でも特段の心配がない。更に、各燃料電池からの排出溶液を一度各貯留部に貯留するため、後の両排出溶液の混合を安定的に行うことができる。
【００３４】
一方で、Ｓ１０５では、Ｓ１０２での判定結果を踏まえて、混合調整部３３による水酸化カリウム溶液と硫酸溶液の混合、中和は禁止される。そして、Ｓ１０６では、次ぎの燃料電池システム制御が実行されるタイミングで、各排出溶液の混合、中和が可能となるように、第一燃料電池４０および第二燃料電池５０の運転条件を調整する。例えば、塩基性排液貯留部３１に貯留された水酸化カリウムの量が、酸性排液貯留部３２に貯留された硫酸の量と比べて過少のためＳ１０２の判定において混合、中和ができないとされた場合には、塩基性排液貯留部３２に中和のために適切な量の水酸化カリウム溶液が貯留されるように、第一燃料電池４０の、第二燃料電池５０に対する相対的な発電負荷の比率が増加される。
【００３５】
このように図２に示す燃料電池システム制御によれば、燃料電池システム１から出されるシステム排出溶液のｐＨ値を環境面でも、安全面でも問題のない範囲に維持することが可能となる。
【００３６】
＜その他の実施例＞
本発明に係る燃料電池システムは、上述したように燃料電池の発電に使用する、電気化学反応を促進させるための添加剤（上記水酸化カリウム、硫酸等）に起因する排出溶液の処理にだけではなく、電荷化学反応の結果発生した生成物、もしくは燃料となる水素を天然ガスやメタノール等の有機化合物から水素を生成する過程から不可避的に生成される炭酸ガスや窒素酸化物等が燃料電池からの排出液に溶け込むことで、結果的に酸性又は塩基性の溶液が排出される場合の当該排出溶液の処理においても適用が可能である。例えば、いわゆるボロハイドライド（水素化ホウ素化合物）燃料電池において、その電解質膜にカチオン交換膜を使用する場合、正極側に水酸化ナトリウムが生成される。この水酸化ナトリウムが燃料電池からの排出溶液に含まれると、その排出溶液は強塩基性を示すため、好適に本発明に係る燃料電池システムを適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムで実行される、各型の燃料電池から排出される溶液の混合、中和を行うための制御フローチャートである。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・・燃料電池システム
３・・・・燃料供給源（水素）
４・・・・燃料供給源（メタノール）
６・・・・塩基性溶液供給源（水酸化カリウム）
７・・・・酸性溶液供給源（硫酸）
８・・・・水供給源
３１・・・・塩基性排液貯留部
３２・・・・酸性排液貯留部
３３・・・・混合調整部
３０・・・・システム制御部
４０・・・・第一燃料電池
５０・・・・第二燃料電池
【図１】
2010009808.tif 000003
【図２】
2010009808.tif 000004