(57)【要約】【課題】ポータブル電子機器の電源としても適用可能な小型の燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム（１）は、原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質部（２０）と、改質ガスを燃料極に供給すると共に酸素を含む酸化剤ガスを酸化剤極に供給して発電を行う燃料電池本体（３０）と、燃料電池本体（３０）を運転した際に燃料極側から排出される水素を含む排出ガスの少なくとも一部を改質部（２０）に循環させる循環用ガス流路（４０）を備える。また、燃料電池システム（２）は、改質部（２０）と、燃料電池本体（３０）と、改質部（２０）で改質ガスを得る際に生じた水素の少なくとも一部を改質部（２０）に循環させる循環用ガス流路（４０）を備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質部と、前記改質ガスを燃料極に供給すると共に酸素を含む酸化剤ガスを酸化剤極に供給して発電を行う燃料電池本体とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体を運転した際に前記燃料極側から排出される水素を含む排出ガスの少なくとも一部を前記改質部に循環させる循環用ガス流路を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質部と、前記改質ガスを燃料極に供給すると共に酸素を含む酸化剤ガスを酸化剤極に供給して発電を行う燃料電池本体とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記改質部で改質ガスを得る際に生じた水素の少なくとも一部を前記改質部に循環させる循環用ガス流路を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、前記循環用ガス流路の途中に、当該循環用ガス流路に導かれたガスの中から水素を分離する水素分離部を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記原料が、ジメチルエーテル又はジメチルエーテルを含む混合物であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記原料が、ジメチルエーテルとメタノールの混合物又はジメチルエーテルとエタノールの混合物であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記改質部の原料導入管路に、ベンチュリ効果により前記循環用ガス流路に負圧を生じさせて当該循環用ガス流路内のガスを吸引するベンチュリポンプを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に小型化に適した燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＯＡ機器、オーディオ機器、無線機器などの各種機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、さらにポータブル性が要求されている。このような要求を満足するための電源として、従来は、手軽な一次電池や二次電池が使用されている。しかし、一次電池や二次電池は、機能上使用時間に制限があり、このような電池を用いたＯＡ機器等では使用時間が限定される。
【０００３】
すなわち、一次電池を使用した場合、電池の放電が終わった後に電池を交換してＯＡ機器を動かすことはできるものの、その重量に対して使用時間が短く、ポータブルな機器には不向きである。また、二次電池では放電が終わると充電できる半面、充電のための電源が必要なため使用場所が制限されるのみならず、充電に時間がかかる。特に、二次電池を組み込んだＯＡ機器等では、電池の放電が終わっても電池を交換することが困難なため、機器の使用時間の制限は免れない。このように、各種小型機器を長時間作動させるには、従来の一次電池や二次電池の延長では対応が難しく、より長時間の作動に適した電池が要求されている。
【０００４】
このような問題の一つの解決策として、最近、燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができるという利点を有するだけでなく、燃料のみ交換すれば連続して発電できるという利点を有しているため、小型化ができれば消費電力が小さいＯＡ機器等の小型機器の作動に極めて有利なシステムといえる。
【０００５】
また、一般的な燃料電池の分野において、天然ガス、ナフサ等の軽質炭化水素やメタノール等のアルコール類を原料とし、これを改質用触媒が内部に備えられた改質器で改質して水素を含む改質ガスを生成し、これを燃料電池の燃料極に供給すると共に酸化剤極に空気を供給して発電する燃料電池本体とを組み合わせた燃料電池システムが開発されている。このような燃料電池システムは、メタノールのような液体燃料を用いた直接型メタノール燃料電池等に比べ、出力電圧が高く高効率が得られるため、高性能化が期待できる。
【０００６】
また、改質器を備えた燃料電池システムの原料として、メタノール等のアルコール類の他にも種々な原料が検討されている。中でもジメチルエーテルは、メタノールに比べて毒性が少なく、室温で液化するため貯蔵・運搬が容易といった点から注目されている。このため、ジメチルエーテルを改質するための触媒開発もさかんに行われている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２３６７３号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開２００１−９６１６０号公報
【０００９】
【特許文献３】
特開２００２−２８９２４５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の改質型燃料電池システムでは、燃料を改質する改質器が必要なため、この改質器の容積の大きさが、燃料電池システム全体の小型化を図るうえで障害となっているという問題があった。
【００１１】
本発明の課題は、上記従来のもののもつ問題点を排除して、燃料を改質する改質効率を向上させることで、改質器の容積を小型化し、それにより燃料電池システム全体の小型化を図ることのできる燃料電池システムを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するものであり、原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質部と、前記改質ガスを燃料極に供給すると共に酸素を含む酸化剤ガスを酸化剤極に供給して発電を行う燃料電池本体とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体を運転した際に前記燃料極側から排出される水素を含む排出ガスの少なくとも一部を前記改質部に循環させる循環用ガス流路を備えた構成である。
【００１３】
また、本発明は、原料を改質して水素を含有する改質ガスを得る改質部と、前記改質ガスを燃料極に供給すると共に酸素を含む酸化剤ガスを酸化剤極に供給して発電を行う燃料電池本体とを備えた燃料電池システムにおいて、前記改質部で改質ガスを得る際に生じた水素の少なくとも一部を前記改質部に循環させる循環用ガス流路を備えた構成である。
【００１４】
また、本発明は、上記の燃料電池システムにおいて、前記循環用ガス流路の途中に、当該循環用ガス流路に導かれたガスの中から水素を分離する水素分離部を備えた構成である。
【００１５】
また、本発明は、上記の燃料電池システムにおいて、前記原料が、ジメチルエーテル又はジメチルエーテルを含む混合物である。
【００１６】
また、本発明は、上記の燃料電池システムにおいて、前記原料が、ジメチルエーテルとメタノールの混合物又はジメチルエーテルとエタノールの混合物である。
【００１７】
また、本発明は、上記の燃料電池システムにおいて、前記改質部の原料導入管路に、ベンチュリ効果により前記循環用ガス流路に負圧を生じさせて当該循環用ガス流路内のガスを吸引するベンチュリポンプを備えた構成である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明による燃料電池システムの第１の実施の形態を示す概略的構成図であり、この燃料電池システム１は、燃料部１０、改質部２０、燃料電池本体３０および循環用ガス流路４０を備えている。
【００１９】
燃料部１０は、原料タンク１１と水タンク１２とで構成される。原料タンク１１に収容される原料としては、天然ガス、プロパン、ナフサ等の軽質炭化水素、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメチルエーテル等のエーテル類などが用いられる。これら各種の原料の中で、ジメチルエーテル又はジメチルエーテルを含む混合物がとくに好ましいものである。すなわち、ジメチルエーテルの改質反応は、［ＣＨ３ＯＣＨ３＋Ｈ２Ｏ→２ＣＨ３ＯＨ］ついで［ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋３Ｈ２］のように進行する。ここで、改質部２０に水素が存在すると、触媒表面で解離反応により生じた水素原子（Ｈ）がジメチルエーテルのエーテル結合に作用してエーテル結合（Ｃ−Ｏ−Ｃ）が切れやすくなるため、［ＣＨ３ＯＣＨ３＋Ｈ２Ｏ→２ＣＨ３ＯＨ］で表されるジメチルエーテルのメタノールへの分解反応が促進される。その後、［ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋３Ｈ２］で表されるメタノールの水蒸気改質反応は容易に進行する。その結果、ジメチルエーテルの転化率が向上する。よって、改質器２０を小型にでき、燃料電池システム１を小型化することが可能となる。また、ジメチルエーテルは、炭素を２個以上有する炭化水素の中では改質反応の温度（改質温度）を約３５０℃程度以下と比較的低温である。そのため、炭素を２個以上有する炭化水素の原料の中では断熱構造が容易となり、小型化しやすい。また、ジメチルエーテルを含む混合物、具体的には、ジメチルエーテルとメタノールとの混合物、ジメチルエーテルとエタノールとの混合物などを用いる場合も、混合物にジメチルエーテルが含まれることで改質温度の低温化に寄与するものであるから、混合物におけるジメチルエーテルの含有率は、少なくとも５０モル％以上が好ましく、できれば７５モル％程度を上回ることが好ましいと考えられる。
【００２０】
燃料部１０には、適宜の取り出し手段により原料タンク１１から取り出された原料と水タンク１２から取り出された水とを加熱して気化させるための気化部１５が接続され、気化部１５は後述するベンチュリポンプ４２を介して改質部２０に接続されている。
【００２１】
改質部２０は、気化した原料（原料ガス）を改質して水素を含有する改質ガスを生成するものであり、そのため改質触媒が充填されている。改質部２０に充填される改質触媒としては、公知の改質触媒を用いることができる。例えば、原料ガスが天然ガスやナフサ等の軽質炭化水素の場合は、ＮｉＯ−Ａｌ２Ｏ３などのニッケル系触媒、ＮｉＯ−Ｋ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３、ＮｉＯ−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３などのアルカリ金属含有Ｎｉ触媒、Ｒｕ−Ａｌ２Ｏ３などのルテニウム系触媒を用いることができる。また、原料ガスがメタノールの場合は、ＣｕＯ−ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３、Ｃｕ−ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３などの銅−亜鉛系触媒を用いることができる。また、原料ガスがジメチルエーテルの場合は、Ｐｔ−Ａｌ２Ｏ３、Ｐｄ−Ａｌ２Ｏ３、Ｒｈ−Ａｌ２Ｏ３、Ｐｔ−ゼオライト、Ｐｄ−ゼオライト、Ｒｈ−ゼオライトなどの貴金属−固体酸触媒、Ｃｕ−Ａｌ２Ｏ３、Ｃｕ−ゼオライトなどの銅−固体酸触媒、Ｃｕ−Ｒｈ−Ａｌ２Ｏ３、Ｃｕ−Ｒｈ−ゼオライトなどの銅−貴金属−固体酸触媒を用いることができる。また、これらの触媒を２種以上混合した混合物を用いても良い。
【００２２】
前記改質触媒である貴金属−固体酸触媒、銅−固体酸触媒において、全触媒重量中の貴金属あるいは銅の割合（担持量）としては、０．２５重量％から１重量％以下の範囲であることが好ましい。前記担持量が１重量％を超えると材料コストの上昇を招き、ひいては燃料電池システム全体のコストの上昇を招く。前記担持量のさらに好ましい範囲は、０．２５重量％以上０．５重量％以下である。なお、銅−貴金属−固体酸触媒においては、銅と貴金属の担持量の合計が、この範囲であることが好ましい。
【００２３】
また、前記固体酸触媒であるＡｌ２Ｏ３は、γ−Ａｌ２Ｏ３であることが好ましい。そして、改質部２０にはＣＯ除去部２５が接続されている。
【００２４】
ＣＯ除去部２５は、改質ガスから一酸化炭素（ＣＯ）を除去するものであり、ＣＯ除去方法としては、［ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２］で表されるＣＯの水性ガスシフト反応によりＣＯを除去または低減させる方法、［ＣＯ＋１／２Ｏ２→ＣＯ２］で表されるＣＯの選択酸化反応を利用してＣＯを除去または低減させる方法、［ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ］で表されるＣＯの選択メタン化反応を用いてＣＯを除去または低減させる方法などを適用することができる。また、これらの方法を複数組み合わせても良い。そのため、ＣＯ除去部２５にはＣＯ除去触媒が充填されている。ＣＯ除去部２５に充填されるＣＯ除去触媒としては、ＣＯの水性ガスシフト反応を用いる場合は、ＣｕＯ−ＺｎＯ、Ｃｕ−ＺｎＯなどの銅−亜鉛系触媒、Ｐｔ−Ａｌ２Ｏ３、Ｐｄ−Ａｌ２Ｏ３、Ｒｕ−Ａｌ２Ｏ３などの貴金属系触媒を用いることができる。また、ＣＯの選択酸化反応を用いる場合は、ＣｕＯ−ＭｎＯなどの銅−マンガン系触媒、Ｆｅ２Ｏ３−ＭｎＯなどの鉄−マンガン系触媒を用いることができる。また、ＣＯの選択メタン化反応を用いる場合は、Ｒｕ−Ａｌ２Ｏ３などの貴金属系触媒を用いることができる。
【００２５】
燃料電池本体３０は、プロトン導電性を有する電解質膜３１を燃料極３２と酸化剤極３３とで挟み込んだ構成の起電部を複数積層したユニットセルを備えた構造のものとすることができる。プロトン導電性を有する電解質膜３１としては、例えばスルホン酸基またはカルボン酸基などの陽イオン交換基を有すフルオロカーボン重合体よりなるものが好ましい。具体的には、商品名：ナフィオン（Ｄｕ  Ｐｏｎｔ社製）などを使用することができる。また、燃料極３２および酸化剤極３３は、導電性の多孔質体と、その上に形成された触媒層とを備える。燃料極３２および酸化剤極３３には、例えば、白金担持カーボンブラック粉末をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂結着材で保持させた多孔質シートを用いることができる。この多孔質シートは、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体やその重合体で被覆された微粒子を含むことを許容する。
【００２６】
このような燃料電池本体３０の燃料極３２には、ＣＯ除去部２５が接続されてＣＯを除去した改質ガスが供給され、また、燃料電池本体３０の酸化剤極３３には、圧縮ポンプ３５が接続されて圧縮された空気が供給される。燃料極３２に供給された改質ガス中の水素と、酸化剤極３３に供給された空気中の酸素は、燃料極３２で［Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−］のように反応する一方、酸化剤極３３で［１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ］のように反応して、水を生じるとともに発電が行われる。燃料電池本体３０の運転にともない、燃料極３２における反応［Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−］で余剰となったガスは、燃料極３２から排出ガスとして排出されるが、この排出ガス中には未反応の水素が含まれている。同様に、燃料電池本体３０の運転にともない、酸化剤極３３における反応［１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ］で余剰となったガスは、酸化剤極３３から排出ガスとして排出されるが、この排出ガス中には未反応の酸素が含まれている。
【００２７】
燃料電池本体３０の燃料極３２の排出管路と、気化部１５と改質部２０との接続管路は、循環用ガス流路４０で接続されている。すなわち、気化部１５と改質部２０との接続管路にベンチュリポンプ４２が設けられ、このベンチュリポンプ４２は、気化部１５から改質部２０に向けた混合ガスが絞り部を流れることで循環用ガス流路４０側に負圧を生じ、この負圧を利用して循環用ガス流路４０内のガスをベンチュリポンプ４２内に吸引して、気化部１５からの混合ガスとともに改質部２０へ供給するものであり、ベンチュリポンプ４２の循環用ガス流路４０側には逆流を防止するための一方向バルブが設けられている。
【００２８】
循環用ガス流路４０は、改質によって生じた水素の一部を改質部２０に循環させるものであり、この場合は、改質部２０で改質によって生じた水素がＣＯ除去部２５を経て燃料電池本体３０の燃料極３２に供給され、燃料極３２における反応［Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−］を経て燃料極３２から排出される未反応な水素を含む排出ガスの一部が、ベンチュリポンプ４２によるベンチュリ効果を利用して、循環用ガス流路４０を通って改質部２０に循環される。循環用ガス流路４０の途中には水素分離部４１が接続されている。
【００２９】
水素分離部４１は、循環用ガス流路４０に導入されたガスの中から水素を分離するものであり、そのため水素分離膜を備えている。水素分離部４１が備える水素分離膜としては、例えば、水素吸蔵合金を利用した水素分離膜、高分子を利用した水素分離膜、無機材料を利用した水素分離膜など、公知の水素分離膜を用いることができる。水素吸蔵合金を利用した水素分離膜としては、パラジム、パラジウム合金の薄膜などを挙げることができる。また、高分子を利用した水素分離膜としては、ポリイミド、ポリアミドなどを挙げることができる。また、無機材料を利用した水素分離膜としては、シリカ膜、ゼオライト膜、ジルコニア膜などを挙げることができる。
【００３０】
また、燃料極３２から排出される未反応な水素を含む排出ガスのうち、循環用ガス流路４０に導かない残りの排出ガスは、改質部２０に接するように配置した図示しない燃焼部に供給し、空気の供給を受けて燃料させることにより生ずる燃焼熱を利用して改質部２０を加熱するように構成することができる。
【００３１】
この燃料電池システム１は上記のように、改質部２０で改質によって生じた水素がＣＯ除去部２５を経て燃料電池本体３０の燃料極３２に供給され、燃料極３２において所定の反応を経て燃料極３２から排出される未反応な水素を含む排出ガスの一部が、ベンチュリポンプ４２によるベンチュリ効果を利用して循環用ガス流路４０に導入され、水素分離部４１を通ることで導入ガスの中から分離された水素が循環用ガス流路４０を通って改質部２０に循環されるため、改質部２０における原料ガスの改質反応の転化率が向上して改質効率を向上させることができる。この原料ガスの改質効率の向上にともなって水素の生産性が向上する。したがって、改質部２０の容積を小型化することが可能で、燃料電池システム全体の小型化を図ることができる。
【００３２】
なお、この燃料電池システム１における循環用ガス流路４０の場合、必要に応じて、水素分離部４１を設けないことも可能であり、また、ベンチュリポンプ４２に代えて例えば図３に示すような通常タイプのポンプ４３を用いて、燃料電池本体３０の燃料極３２から排出される未反応な水素を含む排出ガスの一部を改質部２０に循環させることができる。
【００３３】
図２は、本発明による燃料電池システムの第２の実施の形態を示す概略的構成図であり、図１の実施の形態において説明した構成部分と同一機能を奏する構成部分には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。
【００３４】
この燃料電池システム２は、循環用ガス流路４０が、改質部２０の出口から気化部１５と改質部２０との接続管路（ベンチュリポンプ４２）に接続されている。そのためこの燃料電池システム２は、改質部２０で改質によって生じた水素の一部が、ベンチュリポンプ４２によるベンチュリ効果を利用して循環用ガス流路４０に導入され、水素分離部４１を通ることで導入ガスの中から分離された水素が循環用ガス流路４０を通って改質部２０に循環されるため、改質部２０における原料ガスの改質反応の転化率が向上して改質効率を向上させることができる。この原料ガスの改質効率の向上にともなって水素の生産性が向上する。したがって、改質部２０の容積を小型化することが可能で、燃料電池システム全体の小型化を図ることができる。
【００３５】
この燃料電池システム２における循環用ガス流路４０の場合も、必要に応じて、水素分離部４１を設けないことが可能であり、また、ベンチュリポンプ４２に代えて例えば図３に示すような通常タイプのポンプ４３を用いて、改質部２０で改質によって生じた水素の一部を改質部２０に循環させることができる。
【００３６】
図３は、本発明による燃料電池システムの第３の実施の形態を示す概略的構成図であり、図１の実施の形態において説明した構成部分と同一機能を奏する構成部分には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。
【００３７】
この燃料電池システム３は、循環用ガス流路４０が、ＣＯ除去部２５の出口から改質部２０の入口に接続されている。また、この循環用ガス流路４０には、図１、図２に示すような水素分離部４１が接続されていない。また、この循環用ガス流路４０には、図１、図２に示すようなベンチュリポンプ４２に代えて通常タイプのポンプ４３が接続されている。そのためこの燃料電池システム３は、改質部２０で改質によって生じた水素がＣＯ除去部２５を経てＣＯを除去され、そのＣＯ除去後の水素の一部が、ポンプ４３により循環用ガス流路４０に導入され、循環用ガス流路４０を通って改質部２０に循環されるため、改質部２０における原料ガスの改質反応の転化率が向上して改質効率を向上させることができる。この原料ガスの改質効率の向上にともなって水素の生産性が向上する。したがって、改質部２０の容積を小型化することが可能で、燃料電池システム全体の小型化を図ることができる。
【００３８】
この燃料電池システム３における循環用ガス流路４０の場合は、必要に応じて、図１、図２に示すような水素分離部４１を設けることが可能であり、また、通常タイプのポンプ４３に代えて例えば図１、図２に示すようなベンチュリポンプ４２を用いて、改質部２０で改質により生じてＣＯ除去部２５を経てＣＯを除去された水素の一部を改質部２０に循環させることができる。
【００３９】
以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
＜実施例１＞
図１に示した構成を有する燃料電池システム１を作製した。原料としては液化ジメチルエーテルを用いた。ジメチルエーテル改質触媒としては、Ｃｕ−γＡｌ２Ｏ３（Ｃｕ：１０重量％）を用い、改質部２０に充填した。ＣＯ除去部２５は、シフト触媒（Ｐｔ−Ａｌ２Ｏ３）を充填したシフト部と、ＣＯ選択メタネーション触媒（Ｒｕ−Ａｌ２Ｏ３）を充填したメタン化部との２段階構成とした。また、水素分離部４１としては、厚さ５μｍのＰｄ薄膜からなる水素分離膜を使用した。
【００４０】
まず、燃料として、ジメチルエーテルと水蒸気の混合ガス（モル比１：４）を流量コントローラを用いて改質部２０に導入した。次いで、改質により得られた改質ガスをＣＯ除去部２５に導入し、改質ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にまで除去した。このようにして得られた改質ガスを燃料ガスとし、配管を介して接続された燃料電池本体３０の燃料極３２に供給するとともに、圧縮ポンプ３５を用いて空気を燃料電池本体３０の酸化剤極３３に供給し、燃料電池を運転した。なお、水素供給量は１００ｃｃ／ｍｉｎとした。
【００４１】
燃料電池の運転時、燃料極３２から排出された水素を含有する排出ガスの一部を、ベンチュリポンプ４２を用いて循環用ガス流路４０に導入した。循環用ガス流路４０に導入された排出ガスは、Ｐｄ薄膜の水素分離膜から成る水素分離部４１で水素と他の成分に分離された後、水素のみを改質部２０に循環させた。
【００４２】
このようにして構成された燃料電池システム１に電子負荷装置を接続し、発電特性を確認したところ、約１０Ｗの出力が得られた。
このとき、改質部の体積は５ｃｃであった。
【００４３】
＜実施例２＞
図１に示した構成を有する燃料電池システム１を作製した。原料としては液化ジメチルエーテルを用いた。ジメチルエーテル改質触媒としては、Ｐｄ−γＡｌ２Ｏ３（Ｐｄ：１重量％）を用い、改質部２０に充填した。ＣＯ除去部２５は、シフト触媒（Ｐｔ−Ａｌ２Ｏ３）を充填したシフト部と、ＣＯ選択メタネーション触媒（Ｒｕ−Ａｌ２Ｏ３）を充填したメタン化部との２段階構成とした。また、水素分離部４１としては、厚さ５μｍのＰｄ薄膜からなる水素分離膜を使用した。
【００４４】
まず、燃料として、ジメチルエーテルと水蒸気の混合ガス（モル比１：４）を流量コントローラを用いて改質部２０に導入した。次いで、改質により得られた改質ガスをＣＯ除去部２５に導入し、改質ガス中のＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にまで除去した。このようにして得られた改質ガスを燃料ガスとし、配管を介して接続された燃料電池本体３０の燃料極３２に供給するとともに、圧縮ポンプ３５を用いて空気を燃料電池本体３０の酸化剤極３３に供給し、燃料電池を運転した。なお、水素供給量は１００ｃｃ／ｍｉｎとした。
【００４５】
燃料電池の運転時、燃料極３２から排出された水素を含有する排出ガスの一部を、ベンチュリポンプ４２を用いて循環用ガス流路４０に導入した。循環用ガス流路４０に導入された排出ガスは、Ｐｄ薄膜の水素分離膜から成る水素分離部４１で水素と他の成分に分離された後、水素のみを改質部２０に循環させた。
【００４６】
このようにして構成された燃料電池システム１に電子負荷装置を接続し、発電特性を確認したところ、約１０Ｗの出力が得られた。
このとき、改質部の体積は５ｃｃであった。
【００４７】
＜比較例１＞
改質によって生じた水素の一部を改質部に循環させない構成の燃料電池システムを作製した。このとき、実施例１，２と同様に１０Ｗの出力を得るための改質部の体積としては、１５ｃｃとなった。
【００４８】
このように、燃料電池本体３０の燃料極３２から排出された水素を含有する排出ガスの一部を改質部２０に循環させた構造の実施例１，２においては、改質によって生じた水素の一部を改質部に循環させない構造の比較例１に比べ、改質部２０の体積を小さくすることが可能となった。この違いは、改質によって生じた水素の一部を改質部２０に循環させることによって、改質反応の転化率が向上したことに起因している。また、図２、図３に示した構成を有する燃料電池システム２，３を用いた場合においても、同様な結果が得られた。
【００４９】
＜比較例２＞
改質部に水素を供給するため、改質によって生じた水素を改質部に循環させる代わりに、水素が充填された水素ボンベを水素供給ラインを介して改質部に接続した。このような構成の燃料電池システムを作製し、１０Ｗの出力を得た。このとき、改質部の体積としては実施例１，２と同様に５ｃｃであったが、水素ボンベ、水素供給ラインの設置によりシステム全体は大型化してしまった。
【００５０】
以上のように、本発明に係る燃料電池システム１，２，３によれば、改質器２０を小型にできるため、燃料電池システム全体を小型化できることが確認できた。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、原料の改質反応の転化率が向上して改質効率を向上させることができ、これにともなって水素の生産性が向上するため、改質器の容積を小型化することができ、燃料電池システム全体の小型化を図ることができる。したがって、ポータブル電源の他、ノート型パソコン、ＶＴＲ等といった電子機器用の電源として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池システムの第１の実施の形態を示す概略的構成図である。
【図２】本発明による燃料電池システムの第２の実施の形態を示す概略的構成図である。
【図３】本発明による燃料電池システムの第３の実施の形態を示す概略的構成図である。
【符号の説明】
１，２，３  燃料電池システム
１０  燃料部
１１  原料タンク
１２  水タンク
１５  気化部
２０  改質部
２５  ＣＯ除去部
３０  燃料電池本体
３１  電解質膜
３２  燃料極
３３  酸化剤極
３５  圧縮ポンプ
４０  循環用ガス流路
４１  水素分離部
４２  ベンチュリポンプ
４３  ポンプ
【図１】
2004342413.tif 000003
【図２】
2004342413.tif 000004
【図３】
2004342413.tif 000005