(57)【要約】【課題】燃料電池の運転に消費されるエネルギーを抑え、高い運転効率が得られる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】金属水素錯化合物例えば水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）のアルカリ水溶液を燃料とするボロハイドライド燃料電池と水素を燃料とする水素燃料電池とを組み合わせる。水素燃料電池の酸化剤極側にて生成された水分をボロハイドライド燃料電池に供給される酸化剤中の水分として利用し、またボロハイドライド燃料電池にて生成された水素を水素燃料電池の燃料として利用する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第１の燃料電池と、
前記燃料極室にて生成された水素を燃料から分離するための気液分離部と、
電解質体により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、水素ガスが燃料として燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第２の燃料電池と、
前記気液分離部にて分離された水素ガスを第２の燃料電池の燃料極室に供給する手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
電解質膜により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第１の燃料電池と、
電解質体により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、水素ガスが燃料として燃料極室に供給されると共に酸素ガスが酸化剤極室に供給される第２の燃料電池と、
この第２の燃料電池の酸化剤極室から排出される水分を含んだ酸素ガスを第１の燃料電池の酸化剤極室に供給する手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
第１の燃料電池の燃料極室にて生成された水素を燃料から分離するための気液分離部と、
この気液分離部にて分離された水素ガスを第２の燃料電池の燃料極室に供給する手段と、を備えたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
導電体プレートの一面側及び他面側に夫々第１の燃料電池の電極及び第２の燃料電池の電極を接触させて、第１の燃料電池及び第２の燃料電池の直列接続構造を構成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
第１の燃料電池または第１の燃料電池同士を直列接続した第１の燃料電池スタックと、第２の燃料電池または第２の燃料電池同士を直列接続した第２の燃料電池スタックと、を導電体プレートを介して交互に直列接続してなり、導電体プレートの一面側及び他面側には第１の燃料電池または第２の燃料電池の電極が接触していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
金属水素錯化合物が水素化ホウ素錯化合物であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばテトラヒドロホウ酸塩などの金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が供給される燃料電池を用いたシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、負極及び正極に夫々燃料及び酸化剤を連続的に供給しそのときに起こる化学反応により得られるエネルギーを電気的エネルギーに変換する装置であり、環境にやさしいクリーンな動力源として注目を集めている。例えばメタノールを改質して水素リッチなガスを取り出し、この水素リッチなガスを燃料として用いる燃料電池は従来から良く知られているが、最近において水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）などの水素化ホウ素錯化合物の液体燃料を用いた燃料電池（ボロハイドライド燃料電池）が検討されている。例えば水素化ホウ素ナトリウムはアルカリ溶液中において安定しており、ＢＨ４−をＢＯ２−に変換するときの電気化学的電位がより卑になることから理論電圧が高く、また水素を発生させる改質器が不要であるなどの利点がある。この種の燃料電池は特許文献１及び２に記載されている。
【０００３】
例えば特許文献１には、図６に示すボロハイドライド燃料電池が知られている。この燃料電池は、樹脂などの絶縁性のケース体１１内を高分子電解質膜からなる透過膜１２により２つの領域に区画し、一方の領域には酸化剤極１３が透過膜１２の一面側に接触して設けられ、また他方の領域には燃料極１４が透過膜１２の他面側に接触して設けられている。更に酸化剤極１３とケース体１１の一方の側面との間には酸化剤例えば空気を通流させる第１の流路部１５が形成され、また燃料極１４とケース体１１の他方の側面との間には燃料を通流させる第２の流路部１６が形成されている。
【０００４】
このような燃料電池においては、第１の流路部１５に例えば加湿された空気を通流させると共に第２の流路部１６に水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液である燃料を通流させると、燃料極１４では８電子反応である（１）式の反応が主として起こる。
【０００５】
ＮａＢＨ４＋８ＮａＯＨ→ＮａＢＯ２＋６Ｈ２Ｏ＋８Ｎａ＋＋８ｅ−    （１）
燃料極１４で生成したナトリウムイオン（Ｎａ＋）は、透過膜１２を通過して酸化剤極１３に移動し、電子は外部に接続された図示しない回路を通して酸化剤極１３に受け渡される。そして、酸化剤極１３では、下記の（２）式に示すように、外部に接続された回路を通して電子が受け渡され、外部から酸化剤として供給された酸素（Ｏ２）及び水（Ｈ２Ｏ）と、燃料極１４から移動してきたナトリウムイオンとが触媒作用により反応して水酸化ナトリウムを生成する。また燃料極１４から移動してきた水素イオンが酸素と反応して水を生成する反応も起こっている。
【０００６】
２Ｏ２＋４Ｈ２Ｏ＋８Ｎａ＋＋８ｅ−→８ＮａＯＨ                    （２）
【特許文献１】
特表２０００−５０２８４２：図１
【特許文献２】
特開２００２−５０３２５：図２
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この種の燃料電池は、燃料電池を運転するのに必要なエネルギーをできるだけ小さく抑えながら大きな電気エネルギーを取り出し、高い運転効率を図ることが必要である。しかしながら水素ガスを燃料とする水素燃料電池にあっては、水素ガスを得るために例えばメタノールを改質するためのエネルギーが必要であり、またボロハイドライド燃料電池にあっては、酸化剤極１２に供給する酸化剤例えば酸素又は空気には水分を含ませることが必要であることから加湿器が必要とされるし、更に燃料極１４にて生成した水素ガスを処理するためのエネルギーも必要である。このように燃料電池を運転するためにエネルギーが必要であり、そのエネルギーが小さいとは言い難いことから、運転効率の向上が困難になっており、燃料電池の普及を阻む要因の一つになっている。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高い運転効率が得られる燃料電池システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、例えば上述のボロハイドライド燃料電池と水素燃料電池とを組み合わせ、水素燃料電池の酸化剤極側にて生成された水分をボロハイドライド燃料電池に供給される酸化剤中の水分として利用し、またボロハイドライド燃料電池にて生成された水素を水素燃料電池の燃料として利用するという発想に基づいてなされたものである。
【００１０】
即ち、本発明の燃料電池システムは、電解質膜により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第１の燃料電池と、
前記燃料極室にて生成された水素を燃料から分離するための気液分離部と、
電解質体により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、水素ガスが燃料として燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第２の燃料電池と、
前記気液分離部にて分離された水素ガスを第２の燃料電池の燃料極室に供給する手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
他の発明の燃料電池システムは、電解質膜により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第１の燃料電池と、
電解質体により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、水素ガスが燃料として燃料極室に供給されると共に酸素ガスが酸化剤極室に供給される第２の燃料電池と、
この第２の燃料電池の酸化剤極室から排出される水分を含んだ酸素ガスを第１の燃料電池の酸化剤極室に供給する手段と、を備えたことを特徴とする。この場合、第１の燃料電池の燃料極室にて生成された水素を燃料から分離するための気液分離部と、この気液分離部にて分離された水素ガスを第２の燃料電池の燃料極室に供給する手段と、を備えた構成とすることが好ましい。
【００１２】
本発明によれば、第１の燃料電池及び第２の燃料電池の一方にて生成された成分を他方にて利用し、更にはまた他方にて生成された成分を一方にて利用しているので、システム全体において高い運転効率が得られる。第１の燃料電池の燃料として用いられる金属水素錯化合物は例えば水素化ホウ素錯化合物である。また本発明において「酸素ガスが酸化剤極室に供給される」とは、空気を酸化剤極室に供給する場合も含む。
【００１３】
本発明の具体的な構造としては、例えばバイポーラプレートあるいはセパレータなどと呼ばれている導電体プレートの一面側及び他面側に夫々第１の燃料電池の電極及び第２の燃料電池の電極を接触させて、第１の燃料電池及び第２の燃料電池の直列接続構造を構成したものを挙げることができる。ここでいう電極とは、燃料極室の燃料極あるいは酸化剤極室の酸化剤極である。更に第１の燃料電池または第１の燃料電池同士を直列接続した第１の燃料電池スタックと、第２の燃料電池または第２の燃料電池同士を直列接続した第２の燃料電池スタックと、を導電体プレートを介して交互に直列接続してなり、導電体プレートの一面側及び他面側には第１の燃料電池または第２の燃料電池の電極が接触している構成とすることができる。例えば１個の第１の燃料電池と１個の第２の燃料電池とを交互に導電体プレートを介在させて多数直列に接続するようにしてもよいし、あるいは複数の第１の燃料電池同士を直列接続した燃料電池スタックと１個の第２の燃料電池とを交互に導電体プレートを介在させて多数直列に接続するようにしてもよいし、更にはまた複数の第１の燃料電池同士を直列接続した燃料電池スタックと複数の第２の燃料電池同士を直列接続した燃料電池スタックとを交互に導電体プレートを介在させて多数直列に接続するようにしてもよい。この場合第１の（第２の）燃料電池スタックは、例えば複数の第１の（第２の）燃料電池が導電体プレートにより直列接続されたものである。このような構成によれば、第２の燃料電池が発熱しても、第１の燃料電池の燃料の通流により冷却される効果がある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図１を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの基本構成を示す図であり、この燃料電池システムは、金属水素錯化合物例えば水素化ホウ素錯化合物である水酸化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）のアルカリ水溶液例えば水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液を燃料とするボロハイドライド燃料電池２と、水素（Ｈ２）を燃料とする水素燃料電池３とを組み合わせてなる。ボロハイドライド燃料電池２は第１の燃料電池２に相当し、水素燃料電池３は第２の燃料電池３に相当する。
【００１５】
前記第１の燃料電池２は、例えば絶縁材からなるケース体（図示していない）内に燃料極（負極）２１と酸化剤極（正極）２２とを透過膜である電解質膜２３を介して対向配置し、燃料極２１における電解質膜２３とは反対側の領域に燃料流路２４を、また酸化剤極２２における電解質膜２３とは反対側の領域に酸化剤流路２５を夫々形成して構成される。燃料極２１及び燃料流路２４は燃料極室（負極室）２０ａを構成し、酸化剤極２２及び酸化剤流路２５は酸化剤極室（正極室）２０ｂを構成している。
【００１６】
前記燃料流路２４には燃料供給路４１及び燃料排出路４２が接続され、燃料供給部２６からポンプＰ１及び燃料供給路４１を介して供給された燃料、この例では水酸化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液が燃料流路２４を通って燃料排出路４２から排出されるようになっている。また後述するように、第１の燃料電池２から排出される燃料には電極反応により水素が含まれるため、この水素を燃料から分離するために燃料排出路４２には気液分離部４３が設けられている。気液分離部４３としては、例えば上面に気液分離膜が張られた気液分離室内に燃料流路２４からの液体を通過させることにより、当該液体中の水素ガスが気液分離膜を通って上方側に移動する構造のものを用いることができる。
【００１７】
更にまた、酸化剤流路２５には酸化剤供給路４４及び酸化剤排出路４５が接続され、酸化剤供給路４４から供給された酸化剤が酸化剤流路２５を通って酸化剤排出路４５から排出されるようになっている。前記酸化剤供給路４４の基端側は第２の燃料電池３に接続されており、第２の燃料電池３から排出される水分を含んだ酸化剤例えば酸素叉は空気が供給される。この酸化剤供給路４４は、第２の燃料電池３から見ると酸化剤排出路に担当するものであるため、この「４４」で示されるいわば酸化剤供給／排出路を便宜上、接続路と呼ぶことにする。
【００１８】
一方第２の燃料電池３は、例えば絶縁材からなるケース体（図示していない）内に燃料極３１と酸化剤極３２とを電解質体３３を介して対向配置し、燃料極３１における電解質体３３とは反対側の領域に燃料流路３４を、また酸化剤極３１における電解質体３３とは反対側の領域に酸化剤流路３５を夫々形成して構成される。燃料極３１及び燃料流路３４は燃料極室（負極室）３０ａを構成し、酸化剤極３２及び酸化剤流路３５は酸化剤極室（正極室）３０ｂを構成している。
【００１９】
前記燃料流路３４には燃料供給路４６及び燃料排出路４７が接続され、前記気液分離部４３から分離された水素ガスは、ミスト分離部４０にてミストが分離され、ポンプＰ２及び燃料供給路４６を介して燃料流路３４内に流入し、ここから燃料排出路４７に排出されるようになっている。
【００２０】
前記酸化剤流路３５には酸化剤供給路４８及び接続路４４が接続され、酸化剤供給部３６からポンプＰ３及び燃料供給路４８を介して供給された酸化剤、例えば酸素ガスは酸化剤流路３５を通って接続路４４から排出されるようになっている。なおここでいう酸素ガスは、例えば高純度の酸素ガスのみならず、空気も含む意味である。
【００２１】
前記第１の燃料電池２において透過膜である電解質膜２３としては例えば陽イオン透過性膜などからなる高分子電解質膜を用いることができ、陽イオン透過性膜としては例えば商品面「ナフィオン」（デュポン株式会社製）を用いることができるが、陰イオン透過性膜あるいは陽イオン、陰イオンの両方を透過する双極性透過膜などを用いることができる。
【００２２】
また、燃料極２１、３１及び酸化剤極２２、３２としては、白金を分散した炭素または鉄、ニッケル、クロム、銅、白金、パラジウムなどの金属あるいはそれら金属の合金が用いられ、発電効率や耐久性がよく、低コストという点でニッケルまたはニッケル・クロム合金の多孔体例えば粒状焼結体や発泡材を基材とし、その表面に白金、パラジウムなどの貴金属からなる触媒をメッキして触媒層を形成したものなどが用いられる。この実施の形態では例えば両面に触媒層が形成された燃料極を用いる。
【００２３】
燃料極２１としては、上記の電極材料を用いてもよいが、特に好ましいのは水素吸蔵合金又はその水素化物である。この水素吸蔵合金又はその水素化物は、水素を可逆的に吸収、放出し得るものであれば特に制限はなく、例えばＭｇ２Ｎｉ合金、Ｍｇ２ＮｉとＭｇとの共晶合金のようなＭｇ２Ｎｉ系合金のＡ２Ｂ型合金、ＺｒＮｉ２系合金、ＴｉＮｉ２系合金などのラベス相系ＡＢ２型合金、ＴｉＦｅ系合金のようなＡＢ型合金、ＬａＮｉ５系合金のようなＡＢ５型合金、ＴｉＶ２系合金のようなＢＣＣ型合金の中から任意に選ぶことができる。
【００２４】
この中で好ましいのは、ＬａＮｉ４．７ＡＬ０．３合金、ＭｍＮｉ０．４５Ｍｎ０．４Ａｌ０．３Ｃｏ０．７５合金（但しＭｍはミッシュメタル）、ＭｍＮｉ３２５Ｃｏ０．７５Ｍｎ０．２０Ａｌ０．３０合金（但しＭｍはミッシュメタル）、Ｔｉ０．５Ｚｒ０．５Ｍｎ０．８Ｃｒ０．８Ｎｉ０．４、Ｔｉ０．５Ｚｒ０．５Ｖ０．５Ｎｉ、Ｔｉ０．５Ｚｒ０．５Ｖ０．７５Ｎｉ１．２５、Ｔｉ０．５Ｚｒ０．５Ｖ０．５Ｎｉ１．５、Ｔｉ０．１Ｚｒ０．９Ｖ０．２Ｍｎ０．６Ｃｏ０．１Ｎｉ１．１、ＭｍＮｉ３３７Ｃｏ０．７８Ｍｎ０．１０Ａｌ０．３３（但しＭｍはミッシュメタル）などである。
【００２５】
第１の燃料電池２の燃料としては、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液が用いられ、金属水素錯化合物としては例えば水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム（ＫＢＨ４）、または水素化ホウ素リチウム（ＬｉＢＨ４）などの水素化ホウ素錯化合物を挙げることができるが、その他に水素化アルミニウムリチウム（ＬｉＡｌＨ４）、水素化ホウ素亜鉛（Ｚｎ（ＢＨ４）２）などを挙げることができる。アルカリ水溶液としては、例えば水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物を用いることができる。アルカリ水溶液の濃度は、あまり高濃度にすると金属水素錯化合物が溶解しにくくなるので、例えば３０重量％の範囲で選択することが好ましく、例えば２０重量％に調整される。金属水素錯化合物は、目的とする発電容量及びアルカリ水溶液に対する溶解性を考慮して例えば０．１〜５０重量％の濃度で用いるのが好ましい。
【００２６】
次に上述実施の形態の作用について説明する。先ず第１の燃料電池２について述べると、第２の燃料電池３から排出された水分を含む酸化剤、この例では水分と空気との混合気体が接続路４４を介して酸化剤流路２５に供給される。前記混合気体は、例えば３５〜９０℃の温度で例えば３０〜７０％程度の水分が含まれている。酸化剤流路２５を通流した混合気体は酸化剤排出路４５から排出される。
【００２７】
一方燃料供給部２６から例えば水素化ホウ素ナトリウムを水酸化ナトリウムに溶解させてなる燃料がポンプＰ１により燃料流路２４に供給される。燃料は燃料流路２４を通流し、多孔質体である燃料極２１内に浸透していき、このとき従来技術の項目でも述べたように（３）式（既述の（１）式に相当する）で示される８電子反応が主として起こり、また（４）式で示される４電子反応も起こっていると考えられる。
【００２８】
ＮａＢＨ４＋８ＮａＯＨ→ＮａＢＯ２＋６Ｈ２Ｏ＋８Ｎａ＋＋８ｅ−        （３）
ＮａＢＨ４＋４ＮａＯＨ→ＮａＢＯ２＋２Ｈ２Ｏ＋２Ｈ２＋４Ｎａ＋＋４ｅ−（４）
このようにして燃料極２１から電子が、外部に接続された回路に取り出されると共に、燃料中のナトリウムイオンが透過膜からなる電解質膜２３を通って酸化剤極２２側に移動し、既述の（２）式に示したようにナトリウムイオンと酸素及び水分とからなる水酸化ナトリウムが生成される。
【００２９】
前記燃料流路２４内で生成された生成物（ＮａＢＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２）及び反応には使われなかった余剰燃料（ＮａＢＨ４、ＮａＯＨ）は燃料排出路４２を介して気液分離部４３に送られ、ここで気液分離される。分離された液体成分であるＮａＢＨ４、ＮａＯＨ、ＮａＢＯ２、Ｈ２Ｏは図示されない液体排出路から排出され、気体である水素（Ｈ２）は、ミスト分離部４０にてミストが除去された後、ポンプＰ３によって燃料供給路４６を介して第２の燃料電池３の燃料流路３４に供給される。
【００３０】
そして第２の燃料電池３においては、下記の式（５）に示すように、触媒材料である例えばプラチナを触媒として付着させた燃料極３１により水素が反応して、水素イオン（Ｈ＋）、電子（ｅ−）が生成する。燃料極３１で生成した水素イオンは、前記した陽イオン透過性膜あるいは希硫酸水溶液やリン酸水溶液からなる電解質体３３を通過して正極３２に移動し、電子は外部に接続された図示しない回路を通して酸化剤極３２に受け渡される。
【００３１】
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                                          （５）
また、反応に使われなかった余剰燃料（Ｈ２）は燃料排出路４７を介して排出される。
【００３２】
一方第２の燃料電池３の酸化剤流路３５に供給される酸化剤である例えば酸素ガスは、酸化剤供給部３６からポンプＰ３によって酸化剤供給路４８を介して酸化剤流路３５に供給される。そして酸化剤極３２において、式（６）に示すように、外部に接続された回路を通して電子が受け渡され、酸化剤として供給された酸素と、燃料極３１から移動してきた水素イオンとが反応して水を生成する。
【００３３】
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ                        （６）
したがって、燃料電池３の全体の反応としては、下記の式（７）に示すように、水素が酸素と反応して、水が生成する反応が生じる。
【００３４】
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ                                  （７）
ここで、酸化剤流路３５内で生成された水分及び反応には使われなかった余剰酸化剤である空気は接続路４４を介して前記液体燃料電池２の酸化剤流路２５に供給される。
【００３５】
なお燃料電池システムの運転の立ち上がり時について述べておく。先ず第２の燃料電池３において酸化剤供給部３６から酸化剤である例えば空気をポンプＰ３によって酸化剤流路３５に送り、第１の燃料電池２において燃料供給部２６から水素化ホウ素化ナトリウムが溶解した水酸化ナトリウム水溶液をポンプＰ１によって燃料流路２４に送る。第２の燃料電池３の酸化剤極３２には、まだ水素が燃料流路３４に供給されていないので、未反応の空気だけが接続路４４を介して第１の燃料電池２の酸化剤流路２５に送られる。第１の燃料電池２においては、燃料流路２４に供給された、水素化ホウ素化ナトリウムが溶解した水酸化ナトリウム水溶液と酸化剤流路２５に供給された空気とが反応して、水素が生成される。この生成された水素は気液分離部４３で液体と分離した後、ポンプＰ２によって第２の燃料電池３の燃料流路３４に送られる。燃料流路３４に水素が供給されると電極反応が進行して酸化剤流路３５側には水が生成される。この水分を含む空気が第１の燃料電池２の酸化剤流路２５に供給され、次第に第１の燃料電池２及び第２の燃料電池３とが定常の起動状態となる。
【００３６】
上述の実施の形態によれば、第１の燃料電池（ボロハイドライド燃料電池）２の燃料極室２０ａにて生成された水素を当該燃料極室２０ａから排出される排出液から分離して第２の燃料電池（水素燃料電池）３の燃料として利用しているため、第２の燃料電池３のための水素発生器が不要になり、また第１の燃料電池２から排出される水素の処理の負荷が軽減される。また第１の燃料電池２の酸化剤極３２における電極反応に必要な水分として第２の燃料電池３の酸化剤極室３０ｂにて生成された水分を利用しているので、加湿器が不要になり、加湿のために消費していたエネルギーを節約できる。このため燃料電池の運転に必要なエネルギーを低減できるので、高い運転効率が得られる。
【００３７】
なお本発明では、第２の燃料電池３の燃料として第１の燃料電池２からの水素だけでは不足する場合には、別途水素発生のための装置を併用してもよく、この場合であっても水素の発生のためのエネルギーを低減できる効果がある。また第１の燃料電池２にて使用される水分として、第２の燃料電池３にて生成された水分だけでは不足する場合には、加湿器を併用してもよく、この場合でも加湿エネルギーを低減できる効果がある。
【００３８】
更に本発明の燃料電池システムから電力を取り出すにあたっては、第１の燃料電池２及び第２の燃料電池３に夫々負荷を接続してもよいが、例えば図２（ａ）、（ｂ）に示すように第１の燃料電池２及び第２の燃料電池３を互いに直列にあるいは並列に接続して電力を取り出すようにしてもよい。
【００３９】
そしてまた第１の燃料電池２及び第２の燃料電池３の組み合わせについては、例えば図２（ｃ）に示すように１個の第２の燃料電池３にて生成した水分を複数の第１の燃料電池２に分配供給してもよいし、あるいは例えば図２（ｄ）に示すように１個の第１の燃料電池２から発生した水素を複数の第２の燃料電池３に分配供給してもよい。前者の場合、第１の燃料電池２にて生成した水素を第２の燃料電池３の燃料としなくてもよいし、後者の場合、第２の燃料電池３にて生成した水分を第１の燃料電池２にて利用しなくてもよい。
【００４０】
次に第１の燃料電池２及び第２の燃料電池３を交互に配列して燃料電池スタックを構成する実施の形態について図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、２個の第１の燃料電池２の組と２個の第２の燃料電池３の組とを、交互に配列した構成であり、図を見やすくするために各燃料電池２、３を互いに離して記載してあるが、これらはバイポーラプレートなどとよばれている導電体プレートであるセパレータを介して直列に接続されている。
【００４１】
図３において燃料供給部２の燃料（ＮａＢＨ４、ＮａＯＨ）はポンプＰ１によって燃料供給路４１を介して第１の燃料電池２の燃料極室２０ａの各々に分配供給される。そして第１の燃料電池２の燃料極室２０ａの各々から排出された生成物（ＮａＢＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２）及び余剰燃料（ＮａＢＨ４、ＮａＯＨ）は燃料排出路４２を介して気液分離部４３に流入し、ここで液体（ＮａＢＨ４、ＮａＯＨ、ＮａＢＯ２、Ｈ２Ｏ）と気体（Ｈ２）とに分離される。分離された液体は液体排出路４９を介して排出され、気体はミスト分離部４０を介してポンプＰ２によって第２の燃料電池３の燃料極室３０ａの各々に分配供給される。
【００４２】
一方酸化剤供給部３６から酸素ガスこの例では空気がポンプＰ３によって酸化剤供給路４８を介して第２の燃料電池３の酸化剤極室３０ｂの各々に分配供給される。そして各酸化剤極室３０ｂの各々から夫々排出される生成物及び余剰酸素は接続路４４を介して第１の燃料電池２の酸化剤極室２０ｂの各々に分配供給される。更に酸化剤極室２０ｂの各々から排出される生成物（ＮａＯＨ、Ｈ２Ｏ）及び余剰酸素（空気）は酸化剤排出路４５を介して排出される。
【００４３】
このようにスタック構造を構成する場合、燃料を複数の燃料電池に分配供給する代わりに複数の燃料電池に順番に供給するようにしてもよい。例えば水素を第２の燃料電池３に供給する場合、水素を１番目の燃料電池３に供給し、ここから排出された水素を２番目の燃料電池３に供給するといった手法でもよい。また酸化剤についても複数の燃料電池に分配供給する代わりに複数の燃料電池に順番に供給するようにしてもよい。
【００４４】
図４は、図３に示した燃料電池スタックにおいて、第１の燃料電池２及び第２の燃料電池３をセパレータにより直列接続した構成を示している。図中５１、５２、５３はセパレータであり、セパレータ５１、５２の間に第１の燃料電池２が設けられ、セパレータ５２、５３の間に第２の燃料電池３が設けられている。図３の構成と対応させるならば、セパレータ５１の図中左側には第１の燃料電池２が設けられ、セパレータ５３の図中右側には第２の燃料電池３が設けられる。
【００４５】
図５は、セパレータ５１、５２の間に第１の燃料電池２を設けた構造を示す図であり、同図も参照しながら説明すると、セパレータ５１、５２、５３には両面に燃料あるいは酸化剤が通流するための例えば屈曲した溝部からなる流路が形成されており、例えばセパレータ５１であれば、一面側及び他面側に夫々燃料流路２４及び酸化剤流路２５が形成されている。またセパレータ５２の一面側及び他面側には、夫々第２の燃料電池３の燃料流路３４及び第１の燃料電池２の酸化剤流路２５が形成されている。更にセパレータ５３の一面側及び他面側には、夫々第２の燃料電池３の燃料流路３４及び酸化剤流路３５が形成されている。
【００４６】
セパレータ５１、５２、５３には、一面側の流路及び他面側の流路に燃料あるいは酸化剤を供給するための供給孔６１と、これら流路から燃料あるいは酸化剤を排出するための排出孔６２と、が穿設されている。供給孔６１はセパレータ５１、５２、５３の上面と流路上端との間に形成され、排出孔６２はセパレータ５１、５２、５３の下面と流路下端との間に形成されている。また第１及び第２の燃料電池２、３の電極はセパレータに接触している。即ちセパレータ５１の一面側及び他面側には第１の燃料電池２の燃料極２１及び酸化剤極２２（図示せず）が接触し、セパレータ５２の一面側及び他面側には夫々第２の燃料電池３の燃料極３１及び第１の燃料電池２の酸化剤極２２が接触し、セパレータ５３の一面側及び他面側には第２の燃料電池３の燃料極３１及び酸化剤極３２（図示せず）が接触している。７１、７２、８１、８２はガスケットであり、これらガスケット７１、７２、８１、８２は中央部に窓が形成されていて、つまり角型リング形状に形成されていて、窓の部分に夫々電極２１、２２、３１、３２が嵌合されている。またこの例ではガスケット８２内に電解液３３が収容されている。
【００４７】
水素燃料電池は、電極反応により例えば１１０℃まで昇温し、このままでは電解質膜が軟化して破損することになるが、セパレータ（この例では５２）を介してボロハイドライド燃料電池（第１の燃料電池２）に接続すれば、ボロハイド燃料電池内を流れる液体燃料が冷却液の役割を果たすので、水素燃料電池の昇温が抑えられるという利点がある。
【００４８】
なお燃料電池スタックを構成するにあたっては、第１の燃料電池２及び第２の燃料電池３を１個づつ交互にセパレータを介して接続してもよいし、３個以上づつ組にして各組を交互にセパレータを介して接続してもよい。そして第１の燃料電池２及び第２の燃料電池の各々の個数は、第１の燃料電池２における水素の発生量、第２の燃料電池３における水素の消費量との関係により、更にはまた第２の燃料電池３における水分の発生量及び第１の燃料電池２の消費量に応じて決定すればよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、２種類の燃料電池を組み合わせ、一方の燃料電池にて生成された水素を他方の燃料電池の燃料として利用し、また他方の燃料電池にて生成された水分を一方の燃料電池に利用しているので、燃料電池を運転するために消費されるエネルギーを少なくすることができ、運転効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの適用例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の他の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の更に他の実施の形態に係る燃料電池システムを示す断面図である。
【図５】図４の燃料電池システムの構成部品を分解して示す分解斜視図である。
【図６】ボロハイドライド燃料電池を示す断面図である。
【符号の説明】
２    第１の燃料電池（ボロハイドライド燃料電池）
２１  燃料極
２２  酸化剤極
２３  電解質膜
２４  燃料流路
２５  酸化剤流路
３    第２の燃料電池（水素燃料電池）
３１  燃料極
３２  酸化剤極
３３  電解質体
３４  燃料流路
３５  酸化剤流路
４１  燃料供給路
４２  燃料排出路
４３  気液分離部
５１〜５３    セパレータ
６１      供給孔
６２      排出孔
７１、７２、８１、８２    ガスケット
【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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