(57)【要約】【課題】燃料を循環して利用して効率利用を図りつつ、循環利用中の燃料濃度の低下を抑える。【解決手段】この燃料電池は、電解質と、電解質の両側にそれぞれ配置されたアノード極とカソード極とを備えるアルカリ型の燃料電池である。燃料電池システムは、この燃料電池と、燃料電池の排出口に接続され、燃料電池から未反応の燃料等を含む排燃料を排出する排出経路と、燃料電池に燃料を導入する導入口に接続され、排燃料を循環して燃料電池に供給する循環経路とを有している。また、燃料電池システムは、排出経路と循環経路とに連結して両経路の間に設置され、排出経路から流入する前記排燃料から水を分離して除去し、水が分離除去された後の濃縮燃料を、前記循環経路に流入させる燃料/水分離手段とを備えている。【選択図】図１
2008293850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、前記電解質の両側にそれぞれ配置されたアノード極とカソード極とを備えるアルカリ型の燃料電池と、
前記燃料電池の排出口に接続され、前記燃料電池から未反応の燃料等を含む排燃料を排出する排出経路と、
前記燃料電池に燃料を導入する導入口に接続され、前記排燃料を循環して燃料電池に供給する循環経路と、
前記排出経路と前記循環経路とに連結して両経路の間に設置され、前記排出経路から流入する前記排燃料から水を分離して除去し、水が分離除去された後の濃縮燃料を、前記循環経路に流入させる燃料/水分離手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料/水分離手段は、
前記排出経路に接続する再循環部と、
前記再循環部に接し、前記再循環部との境界が、前記排燃料中の燃料を選択的に透過させるパーベーパレーション膜によって区画され、かつ、前記排燃料中の、前記パーベーパレーション膜を透過した濃縮燃料が導入され、前記循環経路に接続されて、前記循環経路に濃縮燃料を供給するための燃料凝集部と、
を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。
【請求項３】
前記燃料は、アルコールであって、
前記パーベーパレーション膜は、ハイシリカゼオライト、シリコンゴム、ハイシリカゼオライト混入シリコンゴム、及び、トリメチルシリルプロピンからなる群のうち、いずれかを含む膜であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記再循環部の入口及び出口に接続し、前記再循環部の出口から排出される排燃料を、前記再循環部の入口側に再循環させる再循環管を、更に備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料/水分離手段は、
前記排出経路と、前記循環経路と、に連通する燃料凝集部と、
前記燃料凝集部に接し、前記燃料凝集部との境界が、前記排燃料中の水を選択的に透過させるパーベーパレーション膜によって区画され、かつ、前記排燃料中の、前記パーベーパレーション膜を透過した水が導入される水導入部と、
を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。
【請求項６】
前記燃料/水分離手段は、
前記排出経路に接続され、排燃料が流入する再循環部と、
前記再循環部内の排燃料中の燃料を選択的に蒸発させる加熱手段と、
前記再循環部と、前記循環経路との間に接続され、前記再循環部において蒸発した燃料が導入されて、前記循環経路に燃料を供給するための燃料凝集部と、
を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。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システムを運転する際に、前記燃料/水分離手段を通過した排燃料を循環させて前記燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池システム及びその運転方法に関する。更に、具体的には、アルカリ型の燃料電池を有し、燃料を循環して用いる燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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ある。このうちアルカリ型燃料電池は、一般的にアノード極とカソード極とこの両極を隔てる電解液とで構成され、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（又は大気等）が供給される。アノード極では供給された水素が水素原子となり、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イオンと反応することで水が生成される。この反応で発生した電子は外部の電極に送られる。一方、カソード極ではアノード極で取り出された電子が外部回路を介して供給されると、カソード極に吸着した酸素分子がこれを受け取り、電解液の水と反応して水酸化イオンが生成される。
【０００３】
例えば、特開２００２−８７０６号公報に開示されたアルカリ型燃料電池では、アノード極に水素を供給するシステムとして、アノード極側に反応室を設けて、この反応室内で純水素を発生させるシステムが開示されている。この反応室内には水酸化カリウム水溶液が充填されている。燃料電池の運転に際しては、反応室内にケイ素が供給され、反応室内でケイ素と水酸化カリウムとが反応して純水素が生成される。ここで生成された水素がアノード極に供給されて、上記の電気化学反応が起こることとなる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−８７０６号公報
【特許文献２】特開２００６−２３６７７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで燃料の有効利用を図るため、アノード極に供給する燃料を循環して用いる場合がある。しかしアルカリ型燃料電池では、アノード極において水素と酸素とが反応して、水が生成される。このため、アノード極に水溶性の燃料を循環させて供給する場合、燃料が水と混合して、燃料の濃度が次第に低下する場合がある。しかし、発電性能を高く維持するためには、ある程度濃度の高い燃料が供給されることが好ましい。
【０００６】
これに対して、例えば燃料濃度を検出し、その濃度がある程度低くなった時点で一旦燃料を排出して、新しい燃料を供給する方法が考えられる。しかし、排出された燃料中には未反応の燃料が含まれている場合がある。燃料の有効利用の観点からは、このような燃料の無駄な排出は抑えられることが好ましい。
【０００７】
この発明は、上記の課題を解決することを目的として、燃料を循環して用いるアルカリ型燃料電池において、燃料の濃度低下を抑えつつ燃料の有効利用率を向上できるように改良した燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料としてアルコールが供給される燃料電池であって、
電解質と、前記電解質の両側にそれぞれ配置されたアノード極とカソード極とを備えるアルカリ型の燃料電池と、
前記燃料電池の排出口に接続され、前記燃料電池から未反応の燃料等を含む排燃料を排出する排出経路と、
前記燃料電池に燃料を導入する導入口に接続され、前記排燃料を循環して燃料電池に供給する循環経路と、
前記排出経路と前記循環経路とに連結して両経路の間に設置され、前記排出経路から流入する前記排燃料から水を分離して除去し、水が分離除去された後の濃縮燃料を、前記循環経路に流入させる燃料/水分離手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃料/水分離手段は、
前記排出経路に接続する再循環部と、
前記再循環部に接し、前記再循環部との境界が、前記排燃料中の燃料を選択的に透過させるパーベーパレーション膜によって区画され、かつ、前記排燃料中の、前記パーベーパレーション膜を透過した濃縮燃料が導入され、前記循環経路に接続されて、前記循環経路に濃縮燃料を供給するための燃料凝集部と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明において、前記燃料は、アルコールであって、
前記パーベーパレーション膜は、ハイシリカゼオライト、シリコンゴム、ハイシリカゼオライト混入シリコンゴム、及び、トリメチルシリルプロピンからなる群のうち、いずれかを含む膜であることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第２又は第３の発明において、前記再循環部の入口及び出口に接続し、前記再循環部の出口から排出される排燃料を、前記再循環部の入口側に再循環させる再循環管を、更に備えることを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第１の発明において、前記燃料/水分離手段は、
前記排出経路と、前記循環経路と、に連通する燃料凝集部と、
前記燃料凝集部に接し、前記燃料凝集部との境界が、前記排燃料中の水を選択的に透過させるパーベーパレーション膜によって区画され、かつ、前記排燃料中の、前記パーベーパレーション膜を透過した水が導入される水導入部と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第１の発明において、前記燃料/水分離手段は、
前記排出経路に接続され、排燃料が流入する再循環部と、
前記再循環部内の排燃料中の燃料を選択的に蒸発させる加熱手段と、
前記再循環部と、前記循環経路との間に接続され、前記再循環部において蒸発した燃料が導入されて、前記循環経路に燃料を供給するための燃料凝集部と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、燃料電池システムの運転方法であって、第１から第６のいずれかの発明の燃料電池システムを運転する際に、前記燃料/水分離手段を通過した排燃料を循環させて前記燃料電池に供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、燃料電池システムは、排出経路から流入する排燃料から水を分離して除去し、水が分離除去された後の濃縮燃料を、循環経路に流入させる燃料/水分離手段を備えている。これにより、アルカリ型燃料電池において、生成水の混入による燃料濃度の低下を抑えつつ、燃料を循環して利用することができる。従って、燃料の有効利用を図りつつ、燃料電池に比較的高い濃度の燃料を供給することで発電性能を高く維持することができる。
【００１６】
第２又は第３の発明によれば、燃料/水分離手段は、再循環部との境界が、排燃料中の燃料を選択的に透過させるパーベーパレーション膜によって区画された燃料凝集部を有している。これにより、再循環部に導入された排燃料中の燃料を、パーベーパレーション膜を透過させることで高い濃度で回収することができる。従って、燃料凝集部に回収された濃縮燃料を燃料の循環経路に供給することができ、燃料を循環して用いる場合にも、燃料濃度の低下を抑えることができる。
【００１７】
第４の発明によれば、燃料電池システムは再循環部の入口及び出口に接続し、再循環部の出口から排出される排燃料を、前記再循環部の入口側に再循環させる再循環管を備える。これにより、再循環管に残った排燃料は、再循環管を通過して再び燃料/水分離手段に供給され、これを通過することとなる。従って、一度、燃料/水分離手段を通過した際に回収しきれずに残った排燃料中の燃料を回収することができ、より有効に燃料を利用することができる。
【００１８】
第５の発明によれば、燃料/水分離手段は、燃料凝集部との境界が、排燃料中の水を選択的に透過させるパーベーパレーション膜によって区画された水導入部を有している。これにより、燃料凝集部に導入された排燃料中の水を、パーベーパレーション膜を透過させることで、選択的に除去することができる。従って、燃料凝集部に導入された排燃料の燃料濃度を高くすることができ、燃料を循環して用いる場合にも、燃料濃度の低下を抑えることができる。
【００１９】
第６の発明によれば、燃料/水分離手段は、排燃料が導入される再循環部内において、加熱手段によって、排燃料中の燃料を選択的に蒸発させることができる。また、この蒸発した燃料は、燃料凝集部に回収されて、再び循環経路から燃料電池に供給される。従って燃料を循環して用いる場合にも、燃料濃度の低下を抑えることができる。
【００２０】
第７の発明によれば、燃料電池システムは、燃料/水分離手段を通過した排燃料を燃料電池に再循環させるようにして運転される。従って、燃料の有効利用を図りつつ、燃料濃度の低下を抑えて、燃料電池の運転を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。
【００２２】
実施の形態１．
［実施の形態１の燃料電池システムの全体構成について］
図１は、この発明の実施の形態の燃料電池システムの構成について説明するための模式図である。図１に示すシステムは、アルカリ型の燃料電池２を備えている。燃料電池２はアニオン交換膜１０（電解質）を有している。アニオン交換膜１０の両側にはアノード極１２及びカソード極１４が配置されている。アノード極１２及びカソード極１４の両外側には集電板１６が配置されている。
【００２３】
アノード極１２側の集電板１６には燃料経路１８が接続している。燃料電池２に供給された燃料（実施の形態１ではエタノール）は、燃料経路１８から集電板１６を介してアノード極１２に供給され、アノード極１２から燃料経路１８側に電気化学反応により生成された水や未反応の燃料等（以下「排燃料」とする）が排出される。一方、カソード極１４側の集電板１６には酸素経路２０が接続している。酸素経路２０から集電板１６を介してカソード極１４に大気が供給され、カソード極１４から酸素経路２０側に未反応の酸素を含む大気オフガスが排出される。
【００２４】
燃料電池２の燃料導入口（図示せず）において、燃料電池２の燃料経路１８は、燃料供給管２２（循環経路）に接続している。燃料供給管２２の燃料電池２との接続部とは反対側は２つに分岐し、一方において、燃料としてのエタノールを供給する燃料タンク２４に接続し、他方において更に複数に分岐して、後述する構造を有する分離器３０（燃料/水分離手段）に接続している。燃料供給管２２は、分離器３０内を介して、分離器３０の下流側の配管４０によって真空ポンプ（図示せず）に連通している。
【００２５】
一方、燃料電池２の燃料排出口（図示せず）において、燃料電池２の燃料経路１８は、燃料排出管４２（排出経路）に接続している。燃料排出管４２には、燃料電池２のアノード極１２から排出された排燃料が排出される。燃料排出管４２は、燃料電池２に接続している側とは反対側において複数に分岐して、分離器３０に接続している。燃料排出管４２は、分離器３０内を介して、分離器３０に接続された再循環管４４に連通している。再循環管４４の分離器３０との接続部とは反対側の端部は、分離器３０と燃料排出管４２との接続部よりも上流側の燃料排出管４２に合流して接続している。また、再循環管４４は、この燃料排出管４２に接続する循環系とは分岐して、バルブ４６を介して排出管４８に接続している。
【００２６】
図２は、この発明の実施の形態１における燃料電池システムに搭載された分離器３０について説明するための模式図である。図２は、図１におけるX-Y方向の断面を表している。図１及び図２を参照して、分離器３０は複数の再循環部６０を有している。再循環部６０は、両端においてそれぞれ、分離器３０外部に接続された燃料排出管４２と再循環管４４とに接続している。
【００２７】
再循環部６０の外周壁は、パーベーパレーション膜によって形成されている。パーベーパレーション膜は、蒸発した排燃料中のエタノールを選択的に透過する孔のない均質膜である。再循環部６０の周りには、再循環部６０との境界が、パーベーパレーション膜によって分離された燃料凝集部６２が形成されている。燃料凝集部６２は、一方において燃料供給管２２に連通し、他方の端部において、配管４０に接続して真空ポンプに連通している。燃料凝集部６２の外側には、冷却水が流通する冷却部６４が設置されている。
【００２８】
［実施の形態１の燃料電池システムの運転に関して］
燃料電池２の運転に際しては、アノード極１２には燃料として、アルコール等の水素を含む液体燃料が供給される。具体的に実施の形態１の燃料電池システムでは、燃料としてエタノールを用いる。アノード極１２に燃料が供給されると、アノード極１２の触媒作用によりエタノール中の水素原子が取り出され、この水素原子とアニオン交換膜１０を通過した水酸化物イオンとが反応して水が生成されると共に、電子が放出される。アノード極１２での反応は、純水素を燃料とする場合には、次式（１）のようになり、エタノールを燃料とする場合には次式（２）のようになる。
Ｈ２＋２ＯＨ−  →  ２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−    ・・・（１）
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ＋１２ＯＨ−  →  ２ＣＯ２＋９Ｈ２Ｏ＋１２ｅ−    ・・（２）
【００２９】
一方、カソード極１４には大気（又は酸素）が供給される。カソード極１４に大気が供給されると、大気中の酸素分子はカソード極１４の触媒作用により、いくつかの段階を経て、電極から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（３）のようになる。
１/２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  ２ＯＨ−        ・・・・（３）
【００３０】
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、燃料電池全体では次式（４）のように水の生成反応が起こり、このときの電子が両極側の集電板１６を介して移動し、これにより電流が流れて発電することになる。
Ｈ２＋１/２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ        ・・・・（４）
【００３１】
ところで、式（１）又は（２）に示すように、このアルカリ型燃料電池の電気化学反応では、水はアノード極１２側で生成される。従って、エタノールのように水溶性の燃料を循環して用いる場合、燃料電池２の運転が長時間になるにつれて、燃料中に混入する生成水の量が多くなり、次第に燃料濃度が低くなることが考えられる。
【００３２】
これに対して、実施の形態１の燃料電池システムでは、エタノールの循環経路（燃料供給管２２、燃料排出管４２等）の途中に設置された分離器３０によってエタノール中に混入した水分が分離、除去される。以下に燃料電池システムにおける分離器３０の作用について説明する。
【００３３】
燃料電池２の燃料経路１８から燃料排出管４２に排出された排燃料は、燃料排出管４２内を通って分離器３０内の再循環部６０に流入する。ここで再循環部６０の外側の燃料凝集部６２は、真空ポンプによって減圧された状態となっている。また、再循環部６０と燃料凝集部６２の境界面はパーベーパレーション膜で形成されている。パーベーパレーション膜は、上記おようにエタノールと水を含む排燃料中のエタノールのみを選択的に透過させる性質を有している。従って、燃料凝集部６２との圧力差が推進力となって、再循環部６０に供給された排燃料中のエタノールのみが、パーベーパレーション膜を通過して燃料凝集部６２に移動する。一方、排燃料中の水はパーベーパレーション膜を透過することができないため、再循環部６０内部にそのまま残される。
【００３４】
このように、再循環部６０内の排燃料から、パーベーパレーション膜を透過することで濃縮されて、燃料凝集部６２内に回収されたエタノールは、外周に配置された冷却部６４において冷却されて液化する。その後、エタノールは、燃料凝集部６２から分離器３０から燃料供給管２２に排出される。エタノールは、燃料供給管２２から、再び燃料電池２に燃料として供給される。
【００３５】
また、燃料供給管２２から供給されるエタノールの流量が不足している場合には、その不足分のみが燃料供給源２４から追加して供給される。これにより燃料電池２内には所定の圧力で常に必要な量の燃料が供給されることとなる。
【００３６】
一方、パーベーパレーション膜を透過せず、再循環部６０内に残った水分を含む排燃料は、分離器３０に接続する再循環管４４に排出される。再循環管４４に排出された排燃料は、分離器３０の上流側において燃料排出管４２に合流し、燃料排出管４２内を流通する燃料電池２からの排燃料に混合されて、再び分離器３０内に流入する。
【００３７】
また、この燃料電池システムでは分離器３０から再循環管４４に排出された排燃料のエタノール濃度を検出する。このエタノール濃度が、基準値以下に薄まっている場合には、バルブ４６を開放し、エタノール濃度が低くなった排燃料を排出管４８から外部に排出する。
【００３８】
以上のように、実施の形態１の燃料電池システムによれば、排燃料を循環して用いて燃料の有効利用を図りつつ、循環する燃料からエタノールを選択的に回収して循環させることができるため、燃料電池２に供給されるエタノールの濃度を高く維持することができる。また、再循環管４４によって排燃料を循環させることで、排燃料は分離器３０内を繰り返し通過することとなる。従って、一度の分離では回収しきれずに、再循環部６０内の排燃料中にエタノールが残っている場合であっても、この排燃料が再び分離器３０内を通過する際に、排燃料中のエタノールを回収することができる。従って、エタノールをより有効に利用することができる。また、エタノール濃度が基準値以下となっていることを検知すると排燃料が外部に排出される。これにより循環して用いる燃料のエタノール濃度が過度に低下するのを抑えることができる。
【００３９】
ところで、上記のようにエタノールと水分とを分離するパーベーパレーション膜としては種々のものが存在する。具体的に、例えばハイシリカゼオライト（疎水性のゼオライト）、シリコンゴム、トリメチルシリルプロピレン、ハイシリカゼオライト混入シリコンゴム等の高分子膜が挙げられる。
【００４０】
図３は、このようなパーベーパレーション膜の特性を説明するための図である。図３において、横軸は各膜に供給したエタノールのモル分率[mol.%]を示し、縦軸は、透過流速{[kg/(m2・h)]及び透過蒸気エタノールモル分率[mol.%]を示している。図３から、例えば、ハイシリカゼオライト膜（２）を用いた場合には、エタノールの濃度が低い供給液から、比較的早い透過流速で、70〜90[mol.%]のエタノール濃縮液が得られることがわかる。但し、例えばシリコンゴムのように、ハイシリカゼオライト膜（２）ほどの高い分離の性能を発揮しないものであっても、ある程度燃料中から水分を除去することができる。従って、パーベーパレーション膜としてシリコンゴム等を用いても、燃料を濃縮して循環させることができ、燃料の有効利用を図ることができる。
【００４１】
なお、実施の形態１のシステムでは、燃料電池２の運転中は常に分離器３０を通してエタノールと水との分離をする場合について説明した。しかし、エタノールと水との分離を、排燃料中のエタノール濃度が低下した場合にのみ行なうこととしてもよい。具体的には例えば、分離器３０をバイパスする経路を設けて、エタノールの濃度が低下したことを濃度計や時間カウントにより検知し、濃度が基準濃度以下に低下したと判断された場合にのみ運転することとしてもよい。
【００４２】
また、実施の形態１では、排燃料中のエタノール濃度を検出し、エタノール濃度が基準値以下となっている場合に、バルブ４６を開放して排燃料を外部に排出する場合について説明した。しかし、この発明においてバルブ４６の開閉、即ち、分離器３０内に排燃料を循環させる方法は、これに限るものではない。例えば、排燃料を分離器３０内に循環させる基準時間を定め、その基準時間の経過が認められた場合にバルブ４６を開放し、エタノール濃度の薄まった排燃料を排出するようにしてもよい。
【００４３】
また、図１及び図２において説明した分離器３０の形状及び構造はこれに限るものではない。この発明において燃料と水とを分離する分離手段は、排燃料が回収される燃料凝集部６２と再循環部６０との境界面がパーベーパレーション膜により形成されているものであればよく、各部の形状や構造等を問うものではない。また、エタノールの効率的な回収のためには、回収されたエタノールを冷却する冷却部６４が配置されることが好ましいが、他の部分での冷却ができる場合には、分離器３０に冷却部６４が設置されていなくても良い。
【００４４】
なお、この実施の形態１では、燃料としてエタノールを用いたため、再循環部６０と燃料凝集部６２との境界面にエタノールを選択的に透過する膜を用いたパーベーパレーション法を利用する場合について説明した。しかし、この発明は燃料をエタノールとする場合に限るものではない。この発明は、エタノール以外の燃料を用いる場合にも、その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ることで、燃料と水とを分離して燃料を濃縮して回収して循環利用することができる。つまり、再循環部６０と燃料凝集部６２とを分離するパーベーパレーション膜は、燃料の種類に応じて選択すればよい。各燃料に応じたパーベーパレーション膜は、種々に研究され知られているものであるからここでの詳細な列挙は省略するが、例えば、ＮＨ３を燃料として用いる場合には、キトサン膜を使用することができる。また、例えば、ＣＨ４を燃料として用いる場合には、ジグリコールアミン液体膜を形成させた多孔質膜を使用することができる。
【００４５】
また、この発明は排燃料中の燃料を、パーベーパレーション膜を透過させることで選択的に回収する場合に限るものではなく、例えば、水を選択的に透過するパーベーパレーション膜を、再循環部６０と燃料凝集部６２との境界に用いることもできる。このようなシステムとする場合は、分離器３０の再循環部６０内に燃料が残ることとなる。従って、このようなシステムは、再循環部６０に燃料供給管２２を接続し、燃料凝集部６２に再循環管４４を接続したような構造とすることで実現することができる。
【００４６】
また、実施の形態では、燃料電池としてアニオン交換膜１０を用いたアルカリ型燃料電池を用いる場合について説明した。しかし、この発明はこのような燃料電池に限るものではなく、例えばアニオン交換膜１０に替えて、KOH等の陰イオンを通過させる電解質を用いたアルカリ電池等であってもよい。
【００４７】
なお、図１においては、説明の簡略化のため、燃料電池２内に、１のアニオン交換膜１０とその両側に配置された一対の電極（アノード極１２及びカソード極１４）のみを例示している。しかし燃料電池は、アニオン交換膜１０と一対の電極からなるいわゆる膜−電極接合体（ＭＥＡ）をセパレータで隔離して複数積層したスタック構造としてもよい。また、アノード極１２とカソード極１４の触媒層の表面にそれぞれ拡散層を配置したものであってもよい。
【００４８】
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成について説明するための模式図である。図４の燃料電池システムは、エタノールと水との分離のシステムが異なる点を除いて、図１のシステムと同様の構成を有している。
【００４９】
図４において、燃料供給管２２と燃料排出管４２との間には、エタノールと水とを分離する分離装置７０（燃料/水分離手段）が設置されている。エタノール/水分離装置７０内は、燃料排出管４２に接続する分離部７２を有している。分離部７２にはその内部に導入された排燃料を加熱する加熱装置７４が設置されている。加熱装置７４設置部の下流側は、燃料凝集部７６と再循環部７８とに分岐している。燃料凝集部７６の近傍には、冷却装置８０が設置されている。燃料凝集部７６は、分離装置７０の外部に接続された燃料供給管２２に接続している。一方、再循環部７８は、燃料分離部７２に接続している。また、再循環部７８は、排燃料の循環系とは分岐してバルブ８２を介して、排出管８４に接続している。
【００５０】
ところで排燃料中には主に水とエタノールとが含まれているが、エタノールの沸点は78℃程度であり水の沸点よりも低い。実施の形態２の分離装置７０はこれを利用して排燃料を蒸留することでエタノールを濃縮して循環する。具体的に、燃料電池２から排出された排燃料は、燃料排出管４２から分離部７２に流入し、加熱装置７４によって排燃料が加熱される。ここで加熱装置７４は、排燃料をエタノールの沸点以上かつ水の沸点よりも低い温度範囲に加熱するように設定されている。従って分離部７２において排燃料中のエタノールのみが気化されるため、上方の燃料凝集部７６には主としてエタノールが流入する。燃料凝集部７６内のエタノールは、冷却装置８０によって冷却されて液化する。その後、濃縮されたエタノールは燃料凝集部７６の下流側に接続する燃料供給管２２を通り、燃料電池２に再び供給される。
【００５１】
一方、水は沸点に到達するまで加熱されないためそのまま排燃料の流通方向に配置された再循環部７８に流入し、再び上流側まで流れて燃料分離部７２に合流することとなる。この循環において水分量が多くなり燃料分離部７２における燃料濃度が基準以上に低くなった場合には、バルブ８２が開放されて、再循環部７８から排出管８４を介して排燃料が外部に排出される。
【００５２】
このように、実施の形態２の分離装置７０によってもエタノールと水とを確実に分離することができる。従ってエタノール濃度の低下を抑えつつ、エタノールを循環して用いることができ、燃料を有効に利用することができる。
【００５３】
なお、実施の形態２においては燃料としてエタノール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、他の燃料を燃料として用いたものでもよい。この場合にも、その燃料の沸点を考慮して加熱装置７４により加熱温度を設定して、蒸留法を用いるものとすればよい。また、燃料よりも水の沸点の方が低い場合には、水を蒸発して燃料を蒸発させない温度に設定して、水を図４の燃料凝集部７６に回収し分離装置７０に循環して流入させるようにし、燃料を図４の再循環部７８に回収して燃料供給管２２に供給するようにすればよい。
【００５４】
なお、分離装置７０は実施の形態２に説明した構造に限るものではない。具体的に、燃料と水との沸点の違いを利用した所謂蒸留法を用いるものであれば、装置の具体的な構造は他の構造であってもよい。
【００５５】
また、燃料と水の分離方法として、実施の形態１ではパーベーパレーション法を用い、実施の形態２では単蒸留法を用いる場合について説明したが、この発明はこれに限るものではなく、例えば逆浸透法や、膜蒸留法、蒸気透過法等を用いて、排燃料中の燃料を回収するものであってもよい。
【００５６】
以上の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。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】この発明の実施の形態１における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。
【図２】この発明の実施の形態１における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。
【図３】この発明の実施の形態１において分離器にパーベーパレーション膜として使用できる膜の特性について説明するための図である。
【図４】この発明の実施の形態２における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】
【００５８】
１０  アニオン交換膜
１２  アノード極
１４  カソード極
１６  集電板
１８  燃料経路
２０  酸素経路
２２  燃料供給管
３０  分離器
４０  配管
４２  燃料排出管
４４  再循環管
４６  バルブ
４８  排出管
６０  再循環部
６２  燃料凝集部
６４  冷却部
７０  分離装置
７２  分離部
７４  加熱装置
７６  燃料凝集部
７８  再循環部
８０  冷却部
８２  バルブ
８４  排出管
【図１】
2008293850.tif 000003
【図２】
2008293850.tif 000004
【図３】
2008293850.tif 000005
【図４】
2008293850.tif 000006