(57)【要約】【課題】生成した有害物質を分解し、外部に排出させないようにした燃料電池を提供する。【解決手段】ケーシング内に、電解質膜２２の一方の面にカソード層２４が形成され、他方の面にアノード層２６が形成されたセル２０がセパレータを介して複数配設され、供給されるメタノール等の燃料と酸素等の酸化剤との間で、電解質膜２２を介して酸化還元反応が生起されて起電力が生じる燃料電池において、内部で発生した有害物質が接触する部位に、有害物質分解剤が担持されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配されたアノード層およびカソード層からなるセルを含む燃料電池において、
前記ケーシング内で発生したガスのうち有機成分を含むガスを分解する分解剤を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
ケーシング内に、電解質膜の一方の面にカソード層が形成され、他方の面にアノード層が形成されたセルがセパレータを介して複数配設され、供給されるメタノール等の燃料と酸素等の酸化剤との間で、前記電解質膜を介して酸化還元反応が生起されて起電力が生じる燃料電池において、
内部で発生した有機成分を含むガスが接触する部位に、分解剤が担持されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記分解剤が金属フタロシアニン誘導体であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
発生するガスの排出通路に前記分解剤を設けたことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記アノード層に供給される燃料を回収するための回収用通路を含み、該回収用通路に前記分解剤を設けたことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記有機成分を含むガスが前記セパレータの壁面に担持されている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７】
前記アノード層およびカソード層が、ガス拡散層に触媒層を形成したものから成り、
該ガス拡散層のうち少なくともアノード層のガス拡散層に前記分解剤が担持されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ガス拡散層がカーボンペーパーもしくはカーボンクロスからなることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記触媒層が、触媒金属が担持された、カーボン粉末もしくはカーボンナノファイバーを含むことを特徴とする請求項７または８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記触媒金属が、白金もしくは白金ルテニウムであることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記回収用通路と外部との境界に設けられた気液分離膜を含み、前記分解剤が、前記気液分離膜を介して大気中に放出される前記有機成分を含むガスを分解するように構成されたことを特徴とする請求項５項記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記カソード層から発生するガスを大気中に排出する通路を含み、前記分解剤が該排出通路に設置されており、カソード層で発生したガスのうち有機成分を含むガスを分解して大気中に排出するように構成されたことを特徴とする請求項１〜５記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池セルが、前記アノード層に液体燃料を供給する直接型燃料電池であることを特徴とする請求項１〜３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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来の燃料電池システムにおけるセル１０の構造の一例を示す。
１２は電解質膜である。この電解質膜１２の一方の面にカソード層１４が形成され、他方の面にアノード層（燃料極）１６が形成されてセル１０構造が構成される。カソード層１４とアノード層１６には図示しない電極板が取り付けられ、この両電極板にリード線（図示せず）が取り付けられる。
このセル１０がセパレータ（図示せず）を介して複数積層された状態でケーシング（図示せず）内に配設されて燃料電池システムに構成される。
上記セル１０に、燃料と、酸素または酸素含有ガス（酸化剤）とが供給され、電解質膜１２を介して酸化還元反応が生起されて起電力が生じるのである。
【０００３】
カソード層１４およびアノード層１６には、電極反応を促進する触媒金属を担持させた電極材１４ａ、１６ａがそれぞれ設けられている。この電極材に電極板が取り付けられて電極に形成される。
電極材には種々のものが検討されているが、燃料やガスの拡散層となるカーボンクロス（あるいはカーボンペーパー）１４ｂ、１６ｂに触媒層１４ｃ、１６ｃがそれぞれ形成されて成る。
触媒層１４ｃ、１６ｃは、カーボンナノファイバーやカーボン粉末等の炭素材に白金やルテニウムの触媒金属を担持し、この触媒金属を担持したカーボン粉末をナフィオン溶液等の溶媒に混合してペースト状に形成し、このペーストをカーボンクロス１４ｂ、１６ｂに塗布し、次いで加温して溶媒を揮散させることによって形成される（特許文献１）。
【特許文献１】特開平６−２０７１０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特にメタノールを燃料とした燃料電池システムの場合、電極反応においてメタノールが十分に酸化されず、燃料極側でホルムアルデヒドが発生し、さらにホルムアルデヒドとメタノールが反応してギ酸メチルが生成される。ホルムアルデヒドやギ酸メチルはいずれも発生する量は僅かだが、鼻や肺を刺激し、有害である。
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、生成した有機成分を含むガスを分解し、外部に排出させないようにした燃料電池システムを提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る燃料電池システムは、ケーシング内に、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配されたアノード層およびカソード層からなるセルを含む燃料電池において、前記ケーシング内で発生したガスのうち有機成分を含むガスを分解する分解剤を含むことを特徴とする。
【０００６】
また本発明に係る燃料電池システムは、ケーシング内に、電解質膜の一方の面にカソード層が形成され、他方の面にアノード層が形成されたセルがセパレータを介して複数配設され、供給されるメタノール等の燃料と酸素等の酸化剤との間で、前記電解質膜を介して酸化還元反応が生起されて起電力が生じる燃料電池において、内部で発生した有機成分を含むガスが接触する部位に、分解剤が担持されていることを特徴とする。
【０００７】
前記分解剤に金属フタロシアニン誘導体を好適に用いることができる。
分解剤を発生するガスの排出通路に設けるとよい。
また、前記アノード層に供給される燃料を回収するための回収用通路を含み、該回収用通路に前記分解剤を設けたことを特徴とする。
また、前記有機成分を含むガスが前記セパレータの壁面に担持されていることを特徴とする。
【０００８】
また、前記アノード層およびカソード層が、ガス拡散層に触媒層を形成したものから成り、該ガス拡散層のうち少なくともアノード層のガス拡散層に前記分解剤が担持されていることを特徴とする。
前記ガス拡散層をカーボンペーパーもしくはカーボンクロスで構成できる。
また、前記触媒層が、触媒金属が担持された、カーボン粉末もしくはカーボンナノファイバーを含むことを特徴とする。
触媒金属が、白金もしくは白金ルテニウムであることを特徴とする。
【０００９】
また、前記回収用通路と外部との境界に設けられた気液分離膜を含み、前記分解剤が、前記気液分離膜を介して大気中に放出される前記有機成分を含むガスを分解するように構成されたことを特徴とする。
また、前記カソード層から発生するガスを大気中に排出する通路を含み、前記分解剤が該排出通路に設置されており、カソード層で発生したガスのうち有機成分を含むガスを分解して大気中に排出するように構成されたことを特徴とする。
前記燃料電池セルが、前記アノード層に液体燃料を供給する直接型燃料電池であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池システムの、内部で発生した有機成分を含むガスが接触する部位に、分解剤を担持させたので、有機成分を含むガスを分解、除去でき、有機成分を含むガスが外部に排出されるのを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（実施例１）
図１は、本発明に係る燃料電池システムにおけるセル２０構造の一例を示す説明図である。
２２は電解質膜である。この電解質膜２２の一方の面にカソード層２４が形成され、他方の面にアノード層（燃料極）２６が形成されてセル２０構造が構成される。カソード層２４とアノード層２６には図示しない電極板が取り付けられ、この両電極板にリード線（図示せず）が取り付けられる。
このセル１０がセパレータ（図示せず）を介して複数積層された状態でケーシング（図示せず）内に配設されて燃料電池システムに構成される。
上記セル２０に、燃料と、酸素または酸素含有ガス（酸化剤）とが供給され、電解質膜２２を介して酸化還元反応が生起されて起電力が生じるのである。
なお、燃料電池システム自体の種類は特に限定されるものではない。
【００１２】
カソード層２４およびアノード層２６には、電極反応を促進する触媒金属を担持させた電極材２４ａ、２６ａがそれぞれ設けられている。この電極材に電極板が取り付けられて電極に形成される。
電極材には種々のものが検討されているが、燃料やガスの拡散層となるカーボンクロス（あるいはカーボンペーパー）２４ｂ、２６ｂに触媒層２４ｃ、２６ｃがそれぞれ形成されて成る。
【００１３】
触媒層２４ｃ、２６ｃは、カーボンナノファイバーやカーボン粉末等の炭素材に白金やルテニウムの触媒金属を担持し、この触媒金属を担持したカーボン粉末をナフィオン溶液等の溶媒に混合してペースト状に形成し、このペーストをカーボンクロス２４ｂ、２６ｂに塗布し、次いで加温して溶媒を揮散させることによって形成される。
触媒層のカーボンナノファイバーは、例えば気相成長法によって形成した、ＶＧＣＦ（登録商標）等のカーボンナノチューブを用いると好適である。
【００１４】
本発明では、燃料電池システム内部で発生した有機成分を含むガスが接触する部位に、分解剤を担持させるのである。
分解剤は金属フタロシアニン誘導体が好適である。
金属フタロシアニン誘導体は、常温で触媒作用を発揮し、燃料電池システムの燃料極側で発生したホルムアルデヒドやギ酸メチルなどの有機成分を含むガスを吸着し、分解する。このように、燃料電池システム内で発生した有機成分を含むガスが燃料電池システム内で分解されてしまい、外部にはほとんど排出されなくなるので、好適である。
【００１５】
金属フタロシアニン誘導体としては、Fe（III）−オクタカルボキシフタロシアニン
（oaPc）、Fe（III）−テトラカルボキシフタロシアニン（taPc）などを用いることが
できる。
【００１６】
所要部位に金属フタロシアニン誘導体を担持させるには、たとえば所要部材に金属フタロシアニン溶液を噴霧するとか、所要部材を金属フタロシアニン溶液に浸漬するなどし、次いで乾燥した後水洗することによって所要部材表面に金属フタロシアニンを担持させるのである。
【００１７】
分解剤を担持させる部位は、燃料電池システム内外部であって、内部で発生した有機成分を含むガスが接触する部位であればよい。
例えば、該部位は、ケーシング壁面、あるいはセパレータの壁面であって、該部位に分解剤を担持させるようにすることができる。
【００１８】
あるいは、アノード層２４およびカソード層２６のガス拡散層のうち少なくともアノード層２４側のガス拡散層であるカーボンクロス（あるいはカーボンペーパー）２４ｂに分解剤が担持させるようにするとよい。ガス拡散層には、生じた有機成分を含むガスもよく浸透するので、それだけ分解、除去効果を高めることができる。
【００１９】
あるいは、アノード層２４およびカソード層２６の触媒層のうち、少なくともアノード層２４側の触媒層２４ｃに分解剤を担持させるようにしてもよい。
また、上記分解剤を担持させる部位は、上記のうちの適宜複数箇所としてもよい。
【００２０】
（実施例２）
図２は、本発明の別の実施例における燃料電池システム３０の構造を示した断面図である。燃料電池システム３０は、複数の燃料電池単位セル３２と、これら燃料電池単位セル３２から発生する不完全に反応した有機成分や燃料から蒸発した有機成分のガスを分解する分解剤３４とを含む。
【００２１】
単位セル３２は、燃料極（アノード層）３５および酸化剤極（カソード層）３６と、これらの間に設けられた固体高分子電解質膜３７を含み、燃料極３５には燃料が、酸化剤極３６には酸化剤がそれぞれ供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール等の炭化水素系の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は水溶液とすることができる。酸化剤としては通常空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。
【００２２】
燃料極３５に燃料が供給されて発電されるが、未反応の燃料や不完全に反応した燃料は電気化学反応によって二酸化炭素等の反応生成物と一緒に燃料回収用通路３８を通って、燃料タンク（図示せず）に回収される。このとき、生成物である二酸化炭素を燃料電池システム３０の外部に排出する必要がある。本実施例では、この排出部４０を図２のように燃料回収用通路３８の一部に設けた。なお、燃料タンクやその他の燃料の流路に設けることも可能である。排出部４０には、気液分離膜４１と組み合わせて、金属フタロシアニン誘導体からなる排出ガスの分解剤３４を設置した。
【００２３】
一般的に排出部４０から排出されるガスには二酸化炭素の他に、不完全に反応した燃料やメタノール等の燃料の蒸気も含まれており、気液分離膜４１を通してこれらの有機成分も大気中に排出される可能性がある。本実施例では、気液分離膜４１に設置した金属フタロシアニン誘導体からなる排出ガスの分解剤３４がこれらの有機成分を分解して大気中に排出する方式になっている。
【００２４】
実際に、排出部４０に気液分離膜４１だけを設けた場合と、気液分離膜４１に金属フタロシアニン誘導体からなる排出ガスの分解剤３４を設置した場合に、燃料電池システム３０から排出されるガス中の有機成分の濃度をガスクロマトグラフによって分析した。その結果、気液分離膜４１だけを設けた場合には、二酸化炭素中に２００ｐｐｍ程度のメタノールが含まれていたが、気液分離膜４１に金属フタロシアニン誘導体からなる排出ガスの分解剤３４を設置した場合には検出限界以下に低減することができた。
【００２５】
（実施例３）
図３は、本発明のさらに別の実施例における燃料電池システム３０の構造を示した断面図である。燃料電池システム３０は、複数の燃料電池単位セル３２と、これら燃料電池単位セル３２から発生する不完全に反応した有機成分や燃料から蒸発した有機成分のガスを分解する第１の分解剤３４および第２の分解剤３３とを含む。
【００２６】
単位セル３２は、燃料極（アノード層）３５および酸化剤極（カソード層）３６と、これらの間に設けられた固体高分子電解質膜３７を含み、燃料極３５には燃料が、酸化剤極３６には酸化剤がそれぞれ供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール等の炭化水素系の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は水溶液とすることができる。酸化剤としては通常空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。
【００２７】
燃料極３５に燃料が供給されて発電されるが、未反応の燃料や不完全に反応した燃料は電気化学反応によって二酸化炭素等の反応生成物と一緒に燃料回収用通路３８を通って、燃料タンク（図示せず）に回収される。このとき、生成物である二酸化炭素を燃料電池システム３０の外部に排出する必要があるので、図２の場合と同様に、排出部４０を燃料回収用通路３８の一部に設け、この排出部４０に、気液分離膜４１と組み合わせて、金属フタロシアニン誘導体からなる排出ガスの第１の分解剤３４を設置した。
【００２８】
本実施例ではさらに、酸化剤極３６側で発生する有機成分のガスを分解するために、燃料電池システム３０からの空気等の排出部４３にも、金属フタロシアニン誘導体からなる排出ガスの上記第２の分解剤３３を設けた。酸化剤極３６側で有機成分のガスが発生するのは、高分子電解質膜３７をクロスオーバーによって燃料の一部が通過するからである。
【００２９】
実際に、酸化剤極３６側の排出部４３に金属フタロシアニン誘導体からなる排出ガスの第２の分解剤３３を設置した場合と設置しなかった場合の排出ガス中の有機成分の濃度をガスクロマトグラフによって分析した。その結果、金属フタロシアニン誘導体からなる排出ガスの第２の分解剤３３を設置しなかった場合には、空気等の排出ガス中に５０ｐｐｍ程度のメタノール等が含まれていたが、設置した場合には検出限界以下に低減することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】燃料電池システムのセル構造を示す模式的な説明図である。
【図２】燃料電池システムの他の実施例を示す説明図である。
【図３】燃料電池システムのさらに他の実施例を示す説明図である。
【図４】従来の燃料電池システムのセル構造を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
２０  セル
２２  電解質膜
２４  カソード層
２４ａ  電極材
２４ｂ  カーボンクロス（カーボンペーパー）
２４ｃ  触媒層
２６  アノード層
２６ａ  電極材
２６ｂ  カーボンクロス（カーボンペーパー）
２６ｃ  触媒層
３０  燃料電池システム
３２  単位セル
３３  第２の分解剤
３４  （第１の）分解剤
３５  燃料極
３６  酸化剤極
３７  固体高分子電解質膜
３８  燃料回収用通路
４０  排出部
４１  気液分離膜
４３  排出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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