(57)【要約】【課題】  本発明は、アルカリ形燃料電池のシステム効率を低下させることなく、長期にわたり二酸化炭素による性能劣化が少ない燃料電池スタックならびに燃料電池システムを提供する。【解決手段】  有機化合物を含む液体燃料を燃料とするアルカリ形燃料電池スタックと、燃料タンクから前記燃料電池スタックに液体燃料を供給する燃料供給ラインと、前記燃料電池スタックのアノードから排出される排出燃料を前記燃料タンクに回収する燃料回収ラインと、を備えたアルカリ形燃料電池発電システムであって、前記燃料電池スタックのアノードから排出される排出燃料中に溶存した二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去手段を備え、前記二酸化炭素除去手段が、前記排出燃料の溶液中にカソード排ガスの気泡を放出する手段、または、前記カソード排ガス中に前記排出燃料の液滴を噴出する手段を備えることを特徴とする。【選択図】  図１
2014011001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機化合物を含む液体燃料を燃料とし、アニオン型電解質の両面に一対のアノードおよびカソードが配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された一対のセパレータを単位セルとし、前記単位セルを複数個積層した燃料電池スタックと、
燃料タンクから前記燃料電池スタックに液体燃料を供給する燃料供給ラインと、
前記燃料電池スタックのアノードから排出される排出燃料を前記燃料タンクに回収する燃料回収ラインと、を備えたアルカリ形燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池スタックのアノードから排出される排出燃料中に溶存した二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去手段を備え、
前記二酸化炭素除去手段が、前記排出燃料の溶液中にカソード排ガスの気泡を放出する手段、または、前記カソード排ガス中に前記排出燃料の液滴を噴出する手段を備えることを特徴とするアルカリ形燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記二酸化炭素除去手段が、前記燃料回収ライン、前記燃料タンク、または、前記燃料電池のアノード出口マニホールドの内部に設けられていることを特徴とするアルカリ形燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記二酸化炭素除去手段が前記燃料回収ラインを構成する配管の内部に設けられ、前記配管内の排出燃料の溶液中にカソード排ガスの気泡を放出することを特徴とするアルカリ形燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料回収ラインを構成する配管は、一部の配管径が大きくなるように構成され、配管径の大きい部分に前記二酸化炭素除去手段が設けられていることを特徴とするアルカリ形燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
二酸化炭素除去手段が前記燃料回収ラインに設けられた散気槽であり、
前記散気槽内の排出燃料の溶液中にカソード排ガスを散気することを特徴とするアルカリ形燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記二酸化炭素除去手段から排出される排ガスをラジエータで冷却し、凝縮した凝縮液を回収して燃料タンクに流通する流路を備えたことを特徴とするアルカリ形燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ラジエータは前記排ガスの排出経路の上流に設けられた第１のラジエータと、その下流に設けられた第２のラジエータで構成され、
前記液体燃料の有機化合物の沸点が水の沸点よりも低い場合に、
前記第１のラジエータから排出される排ガス温度が前記有機化合物の沸点以上、水の沸点よりも低い温度となり、前記第２のラジエータから排出される排ガス温度が前記有機化合物の沸点よりも低い温度となるように、前記第１のラジエータ及び前記第２のラジエータの冷却量を制御することを特徴とするアルカリ形燃料電池発電システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１のラジエータで凝縮した凝縮液を水回収タンクに回収し、
前記第２のラジエータで凝縮した凝縮液を前記燃料タンクに回収することを特徴とするアルカリ形燃料電池発電システム。
【請求項９】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１のラジエータに冷却用空気を送風する第１のファンと、
前記第２のラジエータに冷却用空気を送風する第２のファンと、
前記第２のファンから送風され、前記第２のラジエータから排出される冷却用空気を前記第１のファンへ供給する第１の冷却用空気排出ラインと、
前記第１のファンから送風され、前記第１のラジエータから排出される冷却用空気を前記燃料電池スタックのカソードに供給する第２の冷却用空気排出ラインと、を備えることを特徴とするアルカリ形燃料電池発電システム。
【請求項１０】
請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ラジエータは前記排ガスの排出経路の上流に設けられた第１のラジエータと、その下流に設けられた第２のラジエータで構成され、
前記液体燃料の有機化合物の沸点が水の沸点よりも高い場合に、
前記第１のラジエータから排出される排ガス温度が前記有機化合物の沸点よりも低く、水の沸点以上の温度となり、前記第２のラジエータから排出される排ガス温度が前記水の沸点よりも低い温度となるように、前記第１のラジエータ及び前記第２のラジエータの冷却量を制御することを特徴とするアルカリ形燃料電池発電システム。
【請求項１１】
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１のラジエータで凝縮した凝縮液を前記燃料タンクに回収し、
前記第２のラジエータで凝縮した凝縮液を水回収タンクに回収することを特徴とするアルカリ形燃料電池発電システム。
【請求項１２】
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１のラジエータに冷却用空気を送風する第１のファンと、
前記第２のラジエータに冷却用空気を送風する第２のファンと、
前記第２のファンから送風され、前記第２のラジエータから排出される冷却用空気を前記第１のファンへ供給する第１の冷却用空気排出ラインと、
前記第１のファンから送風され、前記第１のラジエータから排出される冷却用空気を前記燃料電池スタックのカソードに供給する第２の冷却用空気排出ラインと、を備えることを特徴とするアルカリ形燃料電池発電システム。
【請求項１３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
二酸化炭素分離膜を介して二酸化炭素吸収材に吸収する二酸化炭素分離器を備え、
前記二酸化炭素分離器に燃料タンク中の燃料を供給し、燃料中の二酸化炭素を分離することを特徴とするアルカリ形燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアニオン交換型電解質膜を用いたアルカリ形燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の大量消費による地球温暖化・環境汚染問題は深刻な問題となっている。この問題に対する対処手段として、化石燃料を燃やす内燃機関に代わり、発電による排出物の環境に対する負荷が少なく、クリーンで高効率な発電システムである固体高分子型燃料電池が注目を集めている。
【０００３】
燃料電池は、少なくとも固体又は液体の電解質及び所望の電気化学反応を誘起する二個の電極であるアノード及びカソードから構成され、その燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに高効率で変換する発電機である。
【０００４】
こうした燃料電池において、電解質膜に固体高分子電解質膜を用い、水素を燃料とするものは固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）と呼ばれ、メタノールを燃料とするものは直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）と呼ばれる。なかでも、液体燃料を使用するＤＭＦＣは燃料の体積エネルギー密度が高いために小型の可搬型又は携帯型の電源として有効なものとして注目されている。
【０００５】
現在開発されているＤＭＦＣの発電部である、膜・電極接合体(MEA)に使用されているパーフルオロスルホン酸系樹脂やスルホン化芳香族炭化水素系樹脂などの電解質膜は、イオン交換基としてスルホン酸基が導入された、プロトン交換型といわれるものである。電解質膜および電極は強酸性雰囲気となるため、電極触媒として使用できるのは、白金系貴金属にほぼ限定されている。しかし、白金は大変高価であるため、燃料電池システムのコストを大きく押し上げる要因となっており、燃料電池を普及させるためには、白金を使用しない燃料電池の開発が望まれている。
【０００６】
上記課題に対し、特許文献1には電解質膜や電極中のイオン交換基としてアミン基に代表されるアニオンを導入した、アニオン交換型電解質膜を用いた燃料電池システムが開示されている。アニオン交換型電解質膜を用いるアルカリ形燃料電池(ＡＦＣ：Alkali Fuel Cell)は、電解質膜および電極は強アルカリ雰囲気となるために、Fe、Ni、Coといった安価な材料を触媒に使用できることから、従来のプロトン交換型電解質を用いた燃料電池と比較して大幅なコスト低減が期待できる。ただし、メタノールを燃料に使用したＡＦＣの電池反応は（式１）〜（式３）で表され、アノードでは発電により二酸化炭素が生成する。
【０００７】
アノード：ＣＨ3ＯＨ＋６ＯＨ- → ＣＯ2＋５Ｈ2Ｏ＋６ｅ-  ・・・（式１）
カソード：３／２Ｏ2＋３Ｈ2Ｏ＋６ｅ- → ６ＯＨ-       ・・・（式２）
全  体  ：ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2 → ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ     ・・・（式３）
そのため、ＡＦＣでは運転を継続すると、アノードでの二酸化炭素の生成により燃料溶液中に二酸化炭素が溶解してシステム内を循環することで、燃料溶液中のアルカリ溶媒やアニオン型電解質、電極内のアニオン型電解質が劣化してイオン伝導が低下することが考えられる。また、燃料溶液中に使用するアルカリ溶媒の種類によっては難溶性の塩を生じて、電極中の触媒上に析出して触媒の反応面積を減少させて反応を妨げる場合がある。したがって、ＡＦＣにおいては燃料溶液中の二酸化炭素を効率的に除去する必要がある。
【０００８】
燃料溶液中の二酸化炭素を除去するために、特許文献１では液体燃料貯蔵部中の二酸化炭素を除去するために、貯蔵部内に二酸化炭素を吸着するＯＨ型アニオン交換樹脂を配置している。また、特許文献２では液体燃料貯留部に温度により二酸化炭素を吸収または放出する特性を有する二酸化炭素吸収部を設置し、二酸化炭素を除去するとともに二酸化炭素吸収部を再生可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１８５９１９号公報
【特許文献２】特開２００９−２９５４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の特許文献１のようにＯＨ型アニオン交換樹脂を配置した場合、二酸化炭素の吸収量がアニオン交換樹脂の吸収量の限界に達すると、貯蔵部内の液体燃料中に含まれる二酸化炭素を吸収できなくなるという課題がある。一方、特許文献２では二酸化炭素吸収部が二酸化炭素の吸収限界に達すると二酸化炭素吸収部の温度を制御して二酸化炭素を放出し、二酸化炭素吸収部を再生することができる。しかし、二酸化炭素吸収部の温度を制御するための熱源が必要となり、エネルギーを余計に消費するか、または、システムの他で発生した熱を伝達する必要があるために機構が複雑になるという課題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、アルカリ形燃料電池のシステム効率を低下させることなく、長期にわたり二酸化炭素による燃料電池スタックの性能劣化が少ない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】
【００１２】
上記の課題を解決するための本発明の要旨は次のとおりである。
【００１３】
有機化合物を含む液体燃料を燃料とし、アニオン型電解質の両面に一対のアノードおよびカソードが配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置された一対のセパレータを単位セルとし、前記単位セルを複数個積層した燃料電池スタックと、燃料タンクから前記燃料電池スタックに液体燃料を供給する燃料供給ラインと、前記燃料電池スタックのアノードから排出される排出燃料を前記燃料タンクに回収する燃料回収ラインと、を備えたアルカリ形燃料電池発電システムであって、前記燃料電池スタックのアノードから排出される排出燃料中に溶存した二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去手段を備え、前記二酸化炭素除去手段が、前記排出燃料の溶液中にカソード排ガスの気泡を放出する手段、または、前記カソード排ガス中に前記排出燃料の液滴を噴出する手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
このように、本発明では、排出燃料溶液とカソードからの排ガスを接触させることで、排出燃料溶液に溶存した二酸化炭素の一部を排ガス中に取り込むことで排出燃料溶液中の二酸化炭素濃度を低下させることができる。ここで、気泡または液滴の状態で排出燃料溶液と排ガスを接触させることで接触面積を増加させ、排出燃料溶液から排ガス中への二酸化炭素放出量の増加を図っている。
【００１５】
二酸化炭素除去手段は、積層形燃料電池から排出燃料溶液を燃料タンクに回収する燃料回収ラインの途中、積層形燃料電池の排出燃料溶液を排出するマニホールド内、あるいは、排出燃料溶液が回収された燃料タンク内に設けることが可能である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によって、アルカリ形燃料電池のシステム効率を低下させることなく、長期にわたり二酸化炭素による燃料電池スタックの性能劣化が少ない燃料電池システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る直接メタノール形燃料電池システムの構成図。
【図２】本発明の実施例に係る散気槽を説明する図。
【図３】本発明の実施例に係る二酸化炭素除去手段の変形例を示す図。
【図４】本発明に係る直接メタノール形燃料電池システムの構成図。
【図５】本発明に係る直接メタノール形燃料電池システムの構成図。
【図６】本発明に係るセパレータの展開斜視図。
【図７】セパレータを用いたスタックの展開斜視図。
【図８】マニホールド内にカソード排ガス散気部を設けたスタックの概念模式図。
【図９】本発明に係る直接メタノール形燃料電池システムの構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態を示す。
【実施例１】
【００１９】
本発明に係る有機化合物を含む液体燃料を燃料として発電するアニオン交換型電解質膜を用いたアルカリ形燃料電池について、メタノールを燃料とする直接メタノール形アルカリ燃料電池を例にして説明する。直接メタノール形アルカリ燃料電池システムの基本構成の一例を図１に示す。アルカリ形燃料電池システムは発電部である単セルを積層したスタック21、燃料タンク22に貯蔵されている燃料をスタック21に供給するための燃料ポンプ28を備えた燃料供給ライン52、スタック21から未反応の残燃料を燃料タンク22に回収するための燃料回収ライン52、スタック21に空気を供給するためのブロア27を備えた空気供給ライン53、スタック21から排ガスを排出するための排ガス排出ライン54、スタック21のアノード出口からの排出燃料中にカソード出口からの排ガスを散気するカソード排気散気部32を備えた散気槽24、散気槽24より排出された残燃料を含む排ガス中の水分を凝縮するための高温側ラジエータ25とその温度制御をする高温型ラジエータファン30、高温側ラジエータ25より排出された残燃料を含む排ガス中の燃料を回収するための低温側ラジエータ26とその温度制御をする低温型ラジエータファン31、高温側ラジエータ25で凝縮させた水を回収する水回収タンク46、低温側ラジエータ26より排出された残燃料を回収するための燃料回収ライン33、低温型ラジエータファン31より低温側ラジエータ26に供給された冷却空気を高温型ラジエータファン30の吸気側に排出するための低温ラジエータ冷却用空気排出ライン34、高温型ラジエータファン30より低温側ラジエータ25に供給された冷却空気をブロア27の吸気側に排出するための高温ラジエータ冷却用空気排出ライン35、燃料タンク22の燃料消費による燃料減少を検知する水位センサ36、燃料タンク22内のメタノール濃度を検出するメタノール濃度センサ37、スタック21の温度をモニタリングするスタック温度センサ38、高温側ラジエータ25の排気温度をモニタリングする高温側ラジエータ排気温度センサ39、低温側ラジエータ26の排気温度をモニタリングする高温側ラジエータ排気温度センサ40、高濃度メタノールカートリッジ23から燃料タンク22にメタノールを供給する高濃度メタノールポンプ29、水位センサ36やメタノールセンサ37をモニタリングして高濃度メタノールカートリッジ23または水回収タンク46から燃料タンク22にメタノールまたは水を供給する高濃度メタノールポンプ29、水ポンプ47の流量調節・運転・停止、発電量に基づく燃料ポンプ28の流量調節・運転・停止、発電量とスタック温度センサ38の測定値に基づくブロア27の流量調節・運転・停止、高温側ラジエータ排気温度センサ39の測定値に基づく高温側ラジエータファン30の流量調節・運転・停止、低温側ラジエータ排気温度センサ40の測定値に基づく低温側ラジエータファン31の流量調節・運転・停止などのシステムを制御するモニタ・制御回路41、を有する。
【００２０】
スタック21は、イオン伝導基がOH-に代表されるアニオン交換型の固体高分子電解質膜を挟んでアノードとカソードが形成された膜電極接合体(ＭＥＡ)と、アノードとカソードに燃料および酸化剤ガスを供給するセパレータとからなる単セルを複数枚直列に積層したものである。このスタック21に燃料であるメタノール水溶液と酸化剤ガスである空気あるいは酸素を供給することにより発電を行う。
【００２１】
ここで、（式1）に示したように、アルカリ形燃料電池では、アノード側で反応により二酸化炭素が生成するため、対策を取ることなく長時間運転すると、燃料溶液中に二酸化炭素が溶解してシステム内を循環することで、燃料溶液中のアルカリ溶媒やアニオン型電解質、電極内のアニオン型電解質が劣化してイオン伝導が低下するといった課題が生じる。
【００２２】
そこで、本実施例の燃料電池システムでは、二酸化炭素除去手段として散気槽24を燃料回収ライン52に設け、散気槽24で排出燃料溶液中の二酸化炭素を除去することを特徴とする。図２に本実施例の散気槽24の構成を示す。スタック21のアノード出口から排出された排出燃料溶液は燃料回収ライン52を通って散気層24へ供給される。一方、スタック21のカソード出口から排出された排ガスは排ガス排出ライン54から散気槽24内のカソード排ガス散気部32に送られ、散気槽21内の排出燃料溶液中に気泡として放出される。排出燃料溶液と排ガスの気泡が接触することにより、排出燃料中に溶存する二酸化炭素の一部が気相中に放出され、排ガスとともに二酸化炭素が除去される。排出燃料溶液中の二酸化炭素を取り込んだ排ガスは、散気槽24の気相部分から排出され高温側ラジエータ25に送られる。また、散気槽24に溜まった排出燃料溶液は燃料回収ライン52を介して燃料タンク22に回収される。
【００２３】
散気槽24から排出される排ガス中には、排出燃料溶液から放出した二酸化炭素の他に気相中に蒸発した燃料成分の一部が含まれている。そこで、散気槽24から排出される燃料成分を含む排ガスは高温側ラジエータ25と低温側ラジエータ26を流通することにより、気相中の燃料や水を凝縮させて排ガス中から燃料や水を取り除いた後にシステム系外に排出する。ここで、高温側ラジエータ25と低温側ラジエータ26の２つを設ける理由は、液体燃料を構成する燃料成分と水の沸点の違いを利用して、排ガス中に含まれる燃料と水を分離して回収するためである。具体的には、高温側ラジエータ排ガス温度センサ39の温度を燃料溶液に含まれる有機化合物（燃料成分）の沸点よりも高く、水の沸点よりも低い温度になるように制御し、低温温側ラジエータ排ガス温度センサ40の温度を燃料溶液に含まれる有機化合物の沸点よりも低くなるように制御する。高温側ラジエータ25、低温側ラジエータ26の温度制御は、温度センサの情報に基づいてモニタ・制御回路41で高温側ラジエータファン30、低温側ラジエータファン31から送風される冷却空気の流量を調整することにより行われる。本実施例のメタノール水溶液を燃料とした場合、高温側ラジエータ25では、高温側ラジエータ排ガス温度センサ39の温度をメタノール（有機化合物）の沸点である64.6℃以上、水の沸点である100℃よりも低い温度に制御する。これにより、高温側ラジエータ25で凝縮する液体成分の大半が水になる。高温側ラジエータ25で分離された水は水回収タンク46に回収され、回収された水は燃料タンク22内のメタノール濃度調整用の水として利用される。なお、高温側ラジエータ25から回収される水には燃料成分であるメタノールが一部含まれる場合があるが、燃料タンク内のメタノール濃度よりも低い濃度であるため、メタノール濃度調整用の水として問題はない。次に、低温側ラジエータ26では、低温温側ラジエータ排ガス温度センサ40の温度がメタノールの沸点である64.6℃よりも低い温度に制御する。これにより、低温側ラジエータ26では排ガス中に含まれるメタノールと高温側ラジエータ25で凝縮しなかった水が凝縮され、燃料回収ライン33により燃料タンクに回収され、燃料として利用される。
【００２４】
このように高温側ラジエータ25、低温側ラジエータ26の温度制御範囲は、使用する液体燃料中の有機化合物の沸点と水の沸点から設定すればよい。
【００２５】
なお、本実施例では、燃料化合物の沸点が水の沸点より低くなるメタノール水溶液の場合のシステム構成と制御を説明したが、逆に有機化合物の沸点が水の沸点より高くなる液体燃料でも高温側ラジエータ25と低温側ラジエータ26を用いて排ガス中に含まれる燃料と水の分離が可能である。この場合、上流の高温側ラジエータ25の排ガス温度を水の沸点以上で、且つ、有機化合物の沸点よりも低い温度に設定し、下流の低温側ラジエータ26の排ガス温度を水の沸点よりも低い温度に設定する。これにより、高温側ラジエータ25では燃料成分が選択的に凝縮され、低温側ラジエータ26で水が凝縮されるため、水と燃料を分離して回収することができる。この際、図１の構成とは高温側ラジエータ25、低温側ラジエータ26で凝縮する凝縮液の成分が逆になるため、高温側ラジエータ25の凝縮液を燃料タンクに回収し、低温側ラジエータ26の凝縮液を水回収タンクに回収する構成とする。
【００２６】
次に、本実施例のシステムでは、上述したようにラジエータの温度を制御すると同時に、低温側ラジエータ26より排出された冷却用空気は、低温側ラジエータ冷却用空気排出ライン34を通じて高温側ラジエータファン30の吸気側に供給され、少なくともその一部が高温側ラジエータ25に供給される。これにより、高温側ラジエータ25の入口空気温度を昇温することで高温側ラジエータ25が過冷却になることを防ぐことができる。また、高温側ラジエータ25より排出された冷却用空気は、高温側ラジエータ冷却用空気排出ライン35を通してブロア27の吸気側に供給され、少なくともその一部がスタック21に供給される。これにより、スタック21の温度を発電に適当な温度に保持することが可能となる。
【００２７】
なお、本実施例では、二酸化炭素除去手段として燃料回収ライン52の途中に散気槽24を設けた例を示したが、排出燃料溶液中に排ガスを散気できればよく、散気槽24は必須ではない。例えば、燃料回収ライン52を構成する配管の内部でカソード排ガスを散気する構成であってもよい。この場合には、配管の内部で気液を分離できるような空間を確保しておくことが好ましい。例えば、燃料回収ライン52を構成する配管の一部の配管径を大きくして気液を分離可能な空間を形成し、そこへカソード出口排空気を散気する構成とすればよい。
【００２８】
また、本実施例では排出燃料溶液中にカソード排ガスを散気する方法を採用したが、排出燃料溶液とカソード排ガスを接触させることで排出燃料溶液中の二酸化炭素をカソード排ガス中に取り込むものであるため、カソード排ガスを散気する方法以外も採用することができる。二酸化炭素除去手段の変形例を図３に示す。図３の例では、排ガスの気相中に排出燃料溶液の液滴を噴射する構成としたものである。二酸化炭素除去手段を構成する槽内に排ガス排出ライン54からカソード排ガスが供給され、排ガスが充填された気相領域が形成されている。この気相領域に複数の噴出孔を有する排出燃料溶液噴出部49が設けられている。排出燃料溶液噴出部49は燃料回収ライン52に接続されており、燃料回収ライン52から供給される排出燃料が排出燃料溶液噴出部49の噴出孔から液滴として排ガスの気相中に噴射する構成となっている。排出燃料溶液噴出部49の噴出孔から噴射された液滴は排ガスと接触することにより、液滴内に溶存している二酸化炭素の一部が排ガス中に放出されることで、排出燃料溶液中の二酸化炭素量を低減することができる。排出燃料溶液噴出部49から噴射され、排ガスにより二酸化炭素の一部が除去された排出燃料溶液は、燃料回収ライン52から燃料タンク22に回収される。また、排出燃料溶液中の二酸化炭素を取り込んだ排ガスは高温側ラジエータ25に送られる。図１に示した散気槽24を図３に示した機構に変更しても、排出燃料溶液からの二酸化炭素を除去することが可能である。
【００２９】
以上のように、本実施例では、アノードから排出される排出燃料溶液に含まれる二酸化炭素をカソード排ガスの気相中に放出させて除去する構成を採用することにより、長期に渡り二酸化炭素による性能劣化の少ない燃料電池発電システムとすることができる。
【実施例２】
【００３０】
図４は、本実施例に係る直接メタノール形アルカリ燃料電池システムの別の形態の一例である。図４のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。本実施例では、排出燃料溶液が回収された燃料タンク22内の液体燃料中にスタック21のカソード排ガスを散気することを特徴とする。図1のシステムとの相違点は、散気槽24が省略され、排ガス排出ラインと接続されたカソード排ガス散気部32を燃料タンク22内に設置し、燃料タンク22の気相部分に存在する排ガスを高温側ラジエータ25と低温側ラジエータ26に流通させる構成とした点である。排出燃料とともに排出燃料中に溶存した二酸化炭素が回収され、燃料タンク22の液体燃料には二酸化炭素が含まれるが、液体燃料中にカソード排ガス散気部32から排ガスの気泡を放出することにより、液体燃料中に溶存する二酸化炭素の一部を気相中に放出させて排ガスとともに除去することができる。また、本構成では実施例１で用いていた散気槽24が不要になることから、システムをより簡素化することができる。
【００３１】
なお、本実施例においても、燃料タンク22からの排ガスには燃料や水が含まれることから、実施例１と同様に高温側ラジエータ25と低温側ラジエータ26を流通させることにより、気相中の燃料や水を凝縮した後にシステム系外に排出するとともに、凝縮液を回収して再利用することが望ましい。
【実施例３】
【００３２】
図５は、本実施例に係る直接メタノール形アルカリ燃料電池システムの別の形態の一例である。図５のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。また、図６、７はスタック21の内部構成図である。本実施例では、スタック21のアノード出口のマニホールド4内の燃料中にスタック21のカソード出口排空気を散気することを特徴とする。
【００３３】
まず、図６，７を用いてスタック21の内部構成を説明する。図６はセパレータ１の鳥瞰図を示す。ただし、理解を助けるために、セパレータ１の表裏面に面するガスケット５も併記した。セパレータ１は周囲が平坦で、中央部を押出しプレス成型して流路を形成したものである。平坦部２はガスケット５を面接触するために必要な部位で、流路部３はセパレータの表裏に反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガスの総称）や冷却水を流通させるための凹凸状の溝である。さらに反応ガスおよび冷却水の出入り口となるマニホールド４が形成されている。セパレータ１の表裏面は平坦部２においてそれぞれ２枚のガスケット５が密着され、ガスケット付きセパレータ１０１を構成する。このガスケット付きセパレータ１０１は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ、膜―電極接合体）７等と組み合わせられて燃料電池が構成される。図７に電池構成の一例を示す。ガスケット５を張り合わせたセパレータ１０１は２種類で構成されている。両面に反応ガスを流通させるガスケット付きセパレータ１０１は１０１Ａの符合で表し、片面が反応ガス用、反対面が冷却水用を１０１Ｂの符合で表わした。一対のガスケット付きセパレータ１０１Ａあるいは１０１Ｂのガス流通面側でＭＥＡ７が挟持されており、一つのセル（単位セル）を形成する。この単位セルが複数個積層され、外部回路と接続される集電板８、絶縁板９および端板１０を用いて両端を締め付けることで燃料電池が構成される。燃料電池用膜／電極接合体７、セパレータ１０１、集電板８、絶縁板９、及び、端板１０には、燃料、酸化剤ガスや冷却水の出入り口となるマニホールド４が形成されている。燃料と酸化剤ガスはマニホールド４から供給され、セパレータ１０１のガス流路を通って、燃料がアノード、酸化剤ガスがカソードにそれぞれ供給されることで発電が行われる。未反応燃料を含む排液はセパレータ１０１のガス流路を通って出口側のマニホールド４から外部に排出される。また、冷却水用の流路が形成されたセパレータには、マニホールド４から供給された冷媒となる冷却水が流れ、単位セルの温度が所定の温度範囲内になるように冷却するための冷却部となる。冷却水用の流路が形成されたセパレータは、単位セル毎に設けても、複数個の単位セルに対して１個設けるようにしても良い。
【００３４】
このように各部材が積層された燃料電池スタックでは、各部材のマニホールド部の穴が連結することで配管となり、所定の空間が形成される。本実施例では、アノードから排出燃料を排出するためのマニホールド内にカソード排ガスの散気部を設けて、マニホールド内を流通する排出燃料中にカソード排ガスの気泡を放出するように構成したことを特徴とする。図８にマニホールド内にカソード排ガスの散気部を設けたスタックの概念模式図を示す。スタック21のアノードから排出燃料を排出するためのアノード出口マニホールド55の内部にカソードの排ガス排出ライン54と接続されたカソード排ガス散気部32が設けられている。アノード出口マニホールド55の内部で排出燃料は図中の矢印の方向に流れ、カソード排ガス散気部32から放出される排ガスの気泡と接触し、溶存した二酸化炭素の一部が除去されて端板10に流れる。端板10の内部には気液を分離可能な空間が形成されており、液相部分は燃料回収ライン52と接続され、排出燃料が燃料タンクに送られる。一方、端板10の内部の気相部分の排ガスは高温側ラジエータ25と接続された配管から排出される。なお、図８では端板10の内部に気液を分離可能な空間を形成した例で説明したが、気液分離部を別に設ける構成としても良い。このようにアノード出口マニホールドの内部にカソード排ガス散気部を設けることでも、マニホールド内を流通する排出燃料から二酸化炭素を除去することができる。また、本構成では実施例１で用いていた散気槽24が不要になることから、システムをより簡素化することができる。
【００３５】
なお、本実施例においても、排ガス中には燃料や水が含まれることから、実施例１と同様に高温側ラジエータ25と低温側ラジエータ26を流通させることにより、気相中の燃料や水を凝縮した後にシステム系外に排出するとともに、凝縮液を回収して再利用することが望ましい。
【実施例４】
【００３６】
図９は、本実施例に係る直接メタノール形アルカリ燃料電池システムの別の形態の一例である。図９のうち、既に説明した図１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。実施例１〜３では、カソード排ガスを利用した二酸化炭素除去手段のみを用いた例を説明したが、実施例１〜３の二酸化炭素除去手段と公知の二酸化炭素除去手段を併用してもよい。本実施例では、実施例１のシステムに対して、二酸化炭素分離膜44を介して二酸化炭素吸収材45を設置した二酸化炭素分離器42を燃料タンク22に接続し、二酸化炭素分離器ポンプ43にて燃料溶液を循環する二酸化炭素除去手段を併用したことを特徴とする。この構成では、散気槽21と二酸化炭素分離器42の両方で二酸化炭素が除去されるため、二酸化炭素の除去効果を高くできる。また、排出燃料に排ガスを散気する部位よりも下流に、二酸化炭素分離膜を介して二酸化炭素吸収材に吸収する二酸化炭素分離器を配置している。これにより、散気槽21によって排出燃料中の二酸化炭素の濃度を低下させた後に、二酸化炭素分離器42に二酸化炭素を除去する構成となるため、二酸化炭素分離器42での二酸化炭素除去量を少なくすることでき、その結果、二酸化炭素吸収材45の吸収量が限界にまでに達する時間を延長することができる。
【００３７】
本実施例では、二酸化炭素吸収材を用いた二酸化炭素分離器を併用した例を説明したが、この他にも液体燃料に水酸化カリウム、水酸化ナトリウムに代表されるアルカリ性物質を添加することも有効である。
【００３８】
以上の実施例では、液体燃料としてメタノール水溶液を例として説明したが、メタノール、エタノール等のアルコール、アンモニア、ヒドラジンなどのアルカリ燃料電池の燃料として公知の液体燃料を適用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  セパレータ
２  平坦部
３  流通部
４  マニホールド
５  ガスケット
６  ガス拡散層
７  膜電極接合体
８  集電板
９  絶縁板
１０  端板
１０１  ガスケットつきセパレータ。
２１  スタック
２２  燃料タンク
２３  高濃度メタノールカートリッジ
２４  散気槽
２５  高温側ラジエータ
２６  低温型ラジエータ
２７  ブロア
２８  燃料ポンプ
２９  高濃度メタノールポンプ
３０  高温側ラジエータファン
３１  低温型ラジエータファン
３２  カソード排ガス散気部
３３  燃料回収ライン
３４  低温ラジエータ冷却用空気排出ライン
３５  高温ラジエータ冷却用空気排出ライン
３６  水位センサ
３７  メタノールセンサ
３８  スタック温度センサ
３９  高温側ラジエータ排ガス温度センサ
４０  低温側ラジエータ排ガス温度センサ
４１  モニタ・制御回路
４２  二酸化炭素分離器
４３  二酸化炭素分離器ポンプ
４４  二酸化炭素分離膜
４５  二酸化炭素吸収材
４６  水回収タンク
４７  ポンプ
４８  気泡
４９  排出燃料溶液噴出部
５０  液滴
５１  燃料供給ライン
５２  燃料回収ライン
５３  空気供給ライン
５４  排ガス排出ライン
５５  アノード出口マニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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