(57)【要約】【課題】有機化合物の脱水素反応とその逆反応とを利用し燃料電池で発電する熱発電システムにおいて、水素濃淡型の燃料電池の採用を可能にすること。【解決手段】本発明の「熱再生型の燃料電池システム」では、水素生成器１で有機化合物Ｃをその脱水素化合物Ｄと水素ガスＨとに分解し、分離回収器２で脱水素化合物Ｄを回収して水素ガスＨを燃料電池３に送る。そのカソード３２で再生された水素ガスＨは、気体用ポンプ６１で水素化反応器４に送られ、脱水素化合物Ｄを水素化して有機化合物Ｃを再生する。気体用ポンプ６１の作用でカソード３２は減圧されており、水素化反応器４からの逆流はないので、燃料電池３には水素濃淡型を採用できる。【選択図】図１
2007287357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の有機化合物を加熱して脱水素反応を起こし、この有機化合物からその脱水素化合物と水素ガスとを含む混合ガスを生成する水素生成器と、
この水素生成器から供給されたこの混合ガスからこの水素ガスを分離し、その残りからこの脱水素化合物を回収する分離回収器と、
この分離回収器からこの水素ガスを供給され、この水素ガスからプロトンを生成する一方の電極（アノード）と、このアノードからこれらのプロトンが供給される他方の電極（カソード）との間で、発電作用を発揮する燃料電池と、
を有する熱再生型の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、前記アノード側の水素分圧の方が前記カソード側の水素分圧よりも高い水素濃淡型の燃料電池であり、
このカソード側において前記プロトンから生成された水素ガスで、前記分離回収器から回収された前記脱水素化合物を水素化し、もって前記有機化合物を再生させる水素化反応器を有し、
この水素化反応器が、このカソードから離れて設置されていることを特徴とする、
熱再生型の燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素生成器は、前記有機化合物を加熱する熱源として、内燃機関の排気ガスに含まれる排熱を利用する、
請求項１に記載された熱再生型の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素生成器は、前記有機化合物を加熱する熱源として、外燃機関のボイラーを加熱した後の排煙に含まれる排熱と、蒸気タービン駆動後の蒸気に含まれる排熱とのうちいずれかを利用する、
請求項１に記載された熱再生型の燃料電池システム。
【請求項４】
前記分離回収器は、前記水素生成器から供給された前記混合ガスを冷却することにより、この混合ガスから前記脱水素化合物を液化したうえで回収し、もってこの混合ガスから水素リッチな燃料ガスを分離して前記燃料電池に供給する気液分離器である、
請求項１に記載された熱再生型の燃料電池システム。
【請求項５】
前記分離回収器は、その内部空間を仕切る水素分離膜をもち、前記混合ガスのうちこの水素分離膜を透過した分を前記水素ガスとして前記燃料電池に供給し、この混合ガスのうちこの水素分離膜を透過せずに残った残留分から前記脱水素化合物を回収する膜分離器である、
請求項１に記載された熱再生型の燃料電池システム。
【請求項６】
前記分離回収器と前記水素化反応器とは一体化されている、
請求項１に記載された熱再生型の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池の前記カソード側から前記水素化反応器に向けて前記水素ガスを送る気体用ポンプと、前記分離回収器から前記水素化反応器に向けて前記脱水素化合物を送る液体用ポンプとのうち、少なくとも前者を有する、
請求項１に記載された熱再生型の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水素化反応器から前記水素生成器に向けて前記有機化合物を圧送するリターンポンプと、
前記燃料電池の前記カソード側から前記水素化反応器に向けて前記水素ガスを送る流路に設けられた水素ガス逆止弁と、
前記気液分離器から前記水素化反応器に向けて前記脱水素化合物を送る流路に挿置された液体用逆止弁とを有する、
請求項１に記載された熱再生型の燃料電池システム。
【請求項９】
前記有機化合物は２−プロパノールであり、前記脱水素化合物はアセトンである、
請求項１に記載された熱再生型の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記水素生成器の内部における脱水素操作温度は、１８０℃以上３００度以下である、
請求項９に記載された熱再生型の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記水素化反応器の内部における水素化操作温度は、２０℃以上６０度以下である、
請求項９に記載された熱再生型の燃料電池システム。
【請求項１２】
所定の有機化合物を加熱して沸騰させ、この有機化合物の脱水素反応によりその脱水素化合物と水素ガスとを含む混合ガスを生成する水素生成器と、
この混合ガスからこの脱水素化合物を回収する一方、この混合ガスからこの水素ガスを分離する分離回収器と、
この分離回収器で分離されたこの水素ガスが供給される一方の電極（アノード）と、このアノードからプロトンが供給される他方の電極（カソード）とをもち、両電極の間に起電力が生じる燃料電池と、
この燃料電池のこのカソード側でこれらのプロトンから生成された水素ガスと、この分離回収器から回収されたこの脱水素化合物とを化合させることにより、この脱水素化合物を水素化して前記有機化合物を再生させる再生手段と、
を有する熱再生型の燃料電池システムにおいて、
前記再生手段が、前記カソードで生成される前記水素ガスを収容する前室と、この前室から供給されるこの水素ガスで前記脱水素化合物を水素化して前記有機化合物を再生する後室とに、分かれて形成されていることを特徴とする、
熱再生型の燃料電池システム。
【請求項１３】
所定の有機化合物を加熱して脱水素反応を起こし、この有機化合物からその脱水素化合物と水素ガスとを含む混合ガスを生成する脱水素反応過程と、
この混合ガスからこの水素ガスを分離し、その残りからこの脱水素化合物を回収する分離回収過程と、
この水素ガスを供給され、一方の電極（アノード）で生成されたプロトンが他方の電極（カソード）に移動して、両電極間に起電力が生じる燃料電池の発電過程と、
このカソード側でこれらのプロトンから再生された水素と、この分離回収過程で回収されたこの脱水素化合物とを化合させ、この脱水素化合物を水素化してこの有機化合物を再生させる水素化過程と、
を有し、
この水素化過程で再生されたこの有機化合物が、前記脱水素反応過程に再び供給される燃料電池の燃料循環方法において、
前記発電過程には、前記カソードで前記プロトンから水素ガスが再生される水素ガス再生過程が含まれ、
前記水素化過程は、この水素ガス再生過程で再生されたこの水素ガスが供給されて前記脱水素化合物が水素化される過程であり、
この水素ガス再生過程とこの水素化過程とは、互いに段階を分けて行われることを特徴とする、
熱再生型燃料電池システムの燃料循環方法。
【請求項１４】
所定の有機化合物を加熱して沸騰させ、この有機化合物の脱水素反応によりその脱水素化合物と水素ガスとを含む混合ガスを生成する脱水素反応過程と、
この混合ガスからこの脱水素化合物を回収する一方、この混合ガスからこの水素ガスを分離する分離回収過程と、
この水素ガスが比較的濃厚に供給される一方の電極（アノード）と、このアノードからプロトンが供給され水素ガスが再生される他方の電極（カソード）との間で、水素濃淡型燃料電池の発電作用を生じる発電過程と、
この燃料電池の外部で、この燃料電池のこのカソード側で再生された水素ガスと、この分離回収過程で回収されたこの脱水素化合物とを化合させることにより、この脱水素化合物を水素化して前記有機化合物を再生させる再生過程と、
を有することを特徴とする、
熱再生型燃料電池システムの燃料循環方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池による発電技術の技術分野に属し、分けても熱エネルギーを用いて燃料を再生するタイプの燃料電池システムやその方法の技術分野に属する。それゆえ本発明は、エンジンやボイラーなどから出る排熱や太陽熱・地熱など何らかの熱源を利用して発電する熱発電技術の技術分野にも属する。
【背景技術】
【０００２】
（概況）
熱再生型の燃料電池システムは、基本的に外部からは熱の供給を受けるだけで、水素などの燃料供給を受けることを必要としないことを目指した物質循環型ないし燃料再生型の熱発電装置である。そして、燃料電池の燃料循環方法は、このような熱再生型の燃料電池システムにおいて、燃料電池で消費された燃料を再生して再び燃料電池に供給することができるようにする方法である。
【０００３】
この分野での基礎研究ないし技術開発の歴史は未だ浅く、したがって公開されている文献の数もそれほど多くはない。
【０００４】
（特許文献１）
特許文献１には、有機化合物液を加熱しその沸点以上の温度で脱水素触媒と接触させて水素を含む混合ガスを生成する水素生成器と、この混合ガスを冷却して水素を取り出す水素分離器とを有する熱再生型の燃料電池システムが提案されている。この技術に使用する燃料電池は、燃料電池に供給される燃料を再生して循環させるのが容易になるように、ベンゼン等の有機化合物の水素化反応によって起電力を得る水素−有機化合物型の燃料電池である。
【０００５】
この特許文献では、自動車用発電装置として使用することを想定しているので、水素生成器を加熱する熱源にはエンジンで加熱された冷却水（ふつう１００℃前後）の排熱を利用し、逆に水素分離器を冷却するためにラジエータ内に水素分離器を配置する旨の記載がある。なお、この文献においては、実施例としてシクロヘキサン／ベンゼン／水素を循環させる閉鎖系が開示されており、その燃料電池のベンゼン電極（カソード）では、ベンゼンと水素とからシクロヘキサンを生成するアセトン水素化反応が起きている。
【０００６】
（特許文献２）
特許文献２には、前述の特許文献１とほぼ同様の熱再生型の燃料電池システムが開示されている。この技術は、やはり物質については循環系ないし閉鎖系であるが、その作動流体として、前述の特許文献１と同様にシクロヘキサン／ベンゼン／水素が循環する第一の実施形態の他に、イソプロパノール／アセトン／水素が循環する第二の実施形態も開示されている。
【０００７】
なお、同文献の両実施形態のうち前者には、その実施形態を示す図１中の脱水素反応器１（本発明での「水素生成器」に相当）を約３００℃で運用する旨の記載があるものの、これを加熱する熱源に関する指定は無いようである。
【０００８】
（非特許文献１）
非特許文献１には、太陽熱によって燃料電池の燃料を再生することにより１００℃程度での熱入力から燃料電池で発電する技術の基礎研究を目的として、熱再生型ないし循環型の燃料電池システムに関する予備実験の成果が報告されている。
【０００９】
同文献の冒頭には、２−プロパノールからアセトンと水素とを生じる「２−プロパノール脱水素反応」を示す化学反応式と、その逆反応である「アセトン水素化反応」を示す化学反応式とが記載されている。また、同文献の図１および図２として熱再生型燃料電池および太陽熱電池の反応を示す原理図が開示されており、同様に図３および図４には気相型および液相型の太陽熱電池の構成を示す概念図が開示されている。
【特許文献１】特開平８−３３９８１６号公報
【特許文献２】特開２００２−２０８４３０号公報
【非特許文献１】安藤祐司、田中忠良、高島工                                  研究論文「太陽熱を利用する熱再生型燃料電池の予備実験」                      「太陽エネルギー」Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．６（第４２頁−第４８頁）              日本太陽エネルギー学会・１９９９年１１月３０日発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前述の背景技術のうち本発明に最も近いものは、おそらく特許文献１に開示されていている熱再生型の燃料電池システムである。そこで、同文献に開示されていた熱再生型の燃料電池システムをもって「従来技術」と呼ぶことにする。
【００１１】
従来技術では燃料電池として水素ベンゼン型の燃料電池を用いており、そのカソードで起こる陰極反応は、水素とアセトンとから２−プロパノールを生じるものである。それゆえ、同文献に具体的な記載はないが、この技術にあまり高い熱電変換効率を期待することは難しい。
【００１２】
また、同文献の技術では、高々１００℃程度のエンジン冷却水を熱源にしており、外気との間の熱落差が小さいから、熱機関の原理的から類推して熱効率が低くならざるを得ない。そのうえ、同文献の図１にある「水素生成器７」では、ベンゼン／シクロヘキサン混合液から脱水素反応によって水素ガスを取り出すことになっているが、惜しむらくは操作温度が低すぎて脱水素反応がほとんど進まない可能性がある。したがって、高い効率で排熱エネルギーを取り出すことは難しいばかりではなく、エンジン冷却水への排熱はエンジン排気中の排熱に比べて絶対量も小さいから、同文献の技術には大電力を期待することはできない。
【００１３】
このように、例えば特許文献１に開示されていたような従来技術では、その熱電変換効率があまり高いとは言えず、そこに改善の余地があった。また従来技術では、前述のように、使用している燃料電池の形式が水素ベンゼン型という特殊な形式に限られてしまっており、研究開発が最も進んでいて普及もしている水素濃淡型の燃料電池をそのまま使用することができない。
【００１４】
そこで本発明は、水素濃淡型の燃料電池が使用可能な熱再生型の燃料電池システム（ないしその燃料循環方法）を提供することをもって解決すべき第一の課題とする。本発明はまた、できればその熱電変換効率を従来技術よりも幾分なりとも改善することを第二の課題とするが、これをもって必須の課題とはしない。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記課題を解決するために、発明者は以下の手段を発明した。なお、以下の手段に付せられた順序数は、本願出願時に特許請求の範囲に記載された請求項の番号にそれぞれ対応している。
【００１６】
なお、本発明の名称は「熱再生型の燃料電池システム」および「燃料電池の燃料循環方法」としたが、単に「熱電変換装置／方法」としてもよいし、「熱発電装置／方法」などとしても構わない。また、その熱源をエンジン等の排熱に限定すれば、「廃熱発電装置／方法」とか「排熱回収装置／方法」とか「排熱利用装置／方法」とかにしても、いっこうに構わない。
【００１７】
［装置発明］
（第１手段）
本発明の第１手段は、水素生成器、分離回収器および燃料電池を有する熱再生型の燃料電池システムであることを前提としている。
【００１８】
ここで、水素生成器とは、所定の有機化合物を加熱して脱水素反応を起こし、この有機化合物からその脱水素化合物と水素ガスとを含む混合ガスを生成する機器である。また、分離回収器とは、この水素生成器から供給されたこの混合ガスからこの水素ガスを分離し、その残りからこの脱水素化合物を回収する機器である。そして、燃料電池とは、この分離回収器からこの水素ガスを供給され、この水素ガスからプロトンを生成する一方の電極（アノード）と、このアノードからこれらのプロトンが供給される他方の電極（カソード）との間で、発電作用を発揮する機器である。
【００１９】
本手段の特徴は、次の三つである。第一に、前記燃料電池は、前記アノード側の水素分圧の方が前記カソード側の水素分圧よりも高い水素濃淡型の燃料電池であることである。第二に、本手段は、このカソード側において前記プロトンから生成された水素ガスで、前記分離回収器から回収された前記脱水素化合物を水素化し、もって前記有機化合物を再生させる水素化反応器を有することである。第三に、この水素化反応器が、このカソードから離れて設置されていることである。
【００２０】
本手段では、脱水素化合物が水素化されてもとの有機化合物に再生されるのは、燃料電池内部のカソードにおいてではなく、カソードから離れて設けられた水素化反応器においてである。それゆえ、本手段においては、熱再生型の燃料電池システムの構成要素たる燃料電池として、水素ベンゼン型のものではなく、最も一般的な燃料電池である水素濃淡型のものを採用することができる。
【００２１】
したがって本手段によれば、安価でありながら効率も信頼性も高い燃料電池を採用して熱再生型の燃料電池システムを構成することができ、前述の第一の課題を達成することができる。さらにその結果として、前述の第二の課題（熱電変換効率の向上）と併せて、信頼性が向上し、コストダウンも可能になるという効果もある。
【００２２】
（第２手段）
本発明の第２手段は、前述の第１手段において、前記水素生成器は、前記有機化合物を加熱する熱源として、内燃機関の排気ガスに含まれる排熱を利用することを特徴とする。本手段では、ピストンエンジンやガスタービンエンジンなどの高温の排気ガス（ふつう数百℃程度）から排熱を取り出すので、その熱源と冷却源（例えば外気や海水など）との間で温度差をより大きくとることができる。したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、熱源と冷却源との温度差（水力発電になぞらえれば落差に相当）が大きいから、その熱電変換効率もより大きくできるという効果がある。
【００２３】
（第３手段）
本発明の第３手段は、前述の第１手段において、前記水素生成器は、前記有機化合物を加熱する熱源として、外燃機関のボイラーを加熱した後の排煙に含まれる排熱と、蒸気タービン駆動後の蒸気に含まれる排熱とのうちいずれかを利用することを特徴とする。したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、ボイラーや蒸気タービンをもつ各種の発電所や、船舶や機関車など大型の輸送機関で採用することにより、排熱を有効利用してその熱効率を向上させることができるという効果がある。
【００２４】
（第４手段）
本発明の第４手段は、前述の第１手段において、前記分離回収器は気液分離器であることを特徴とする。ここで気液分離器とは、前記水素生成器から供給された前記混合ガスを冷却することにより、この混合ガスから前記脱水素化合物を液化したうえで回収し、もってこの混合ガスから水素リッチな燃料ガスを分離して前記燃料電池に供給する機器のことである。
【００２５】
本手段では、分離回収器は、混合ガスからそれに含まれる脱水素化合物を液化して分離回収する気液分離器であるから、その構造が簡素であるばかりではなく、化学的にも安定して腐食されにくい材料で構成することができる。したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、分離回収器が壊れにくく、長期間に渡って安定して使用することができるという効果がある。
【００２６】
（第５手段）
本発明の第５手段は、前述の第１手段において、前記分離回収器が膜分離器であることを特徴とする。ここで膜分離器とは、その内部空間を仕切る水素分離膜をもち、前記混合ガスのうちこの水素分離膜を透過した分を前記水素ガスとして前記燃料電池に供給し、この混合ガスのうちこの水素分離膜を透過せずに残った残留分から前記脱水素化合物を回収する機器である。
【００２７】
本手段では、水素分離膜をもって水素ガスを分離して燃料電池に供給するので、分離回収器を簡素な構成とすることができる。したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、分離回収器を小型軽量化し易いという効果がある。
【００２８】
（第６手段）
本発明の第６手段は、前述の第１手段において、前記分離回収器と前記水素化反応器とは一体化されていることを特徴とする。
【００２９】
ここで、水素化反応器は脱水素化合物を水素化するという発熱反応をさせるための機器であるから、ふつう冷却を要する。一方、分離回収器も、それが気液分離器であれ膜分離器であれ、脱水素化合物を液化して前述の水素化反応器に送る機能を持つ機器であれば、やはり冷却を要する。それゆえ、分離回収器から冷却されて液化した脱水素化合物が水素化反応器に送られ、さらに水素化反応器で再び水素化されて有機化合物に戻る際にもやはり冷却を要する。さすれば、本手段のように分離回収器と水素化反応器とを一体化しておけば、両者を冷却する冷媒を通すうえでも合理的であるし、液化した脱水素化合物を分離回収器から水素化反応器に回収するうえでも合理的である。
【００３０】
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果に加えて、分離回収器と水素化反応器とが一体でコンパクトになるから、その分だけシステム全体の小型軽量化と廉価性とを推し進めることができるという効果がある。
【００３１】
（第７手段）
本発明の第７手段は、前述の第１手段において、前記燃料電池の前記カソード側から前記水素化反応器に向けて前記水素ガスを送る気体用ポンプと、前記分離回収器から前記水素化反応器に向けて前記脱水素化合物を送る液体用ポンプとのうち、少なくとも前者を有することを特徴とする。
【００３２】
本手段では、水素濃淡型の燃料電池のカソード側が気体用ポンプで直接的に減圧されるから、カソード側での水素分圧が低く保たれ、燃料電池の起電力や出力が高まるという効果がある。また、気体用ポンプに不具合が生じない限り、水素化反応器で生じた脱水素化合物が燃料電池のカソード側に逆流することがないから、カソード側の雰囲気に２−プロパノールやアセトンが混入することがない。また、二つのポンプが循環システムに組み込まれているので、両ポンプを独立して制御すればよりきめ細かな制御が可能になるという効果が期待できる。
【００３３】
（第８手段）
本発明の第８手段は、前述の第１手段において、前記水素化反応器から前記水素生成器に向けて前記有機化合物を圧送するリターンポンプと、前記燃料電池の前記カソード側から前記水素化反応器に向けて前記水素ガスを送る流路に設けられた水素ガス逆止弁と、前記気液分離器から前記水素化反応器に向けて前記脱水素化合物を送る流路に挿置された液体用逆止弁とを有することを特徴とする。
【００３４】
本手段では、ポンプが一つで済むからシステム構成が簡素となり、より安価に製造することができるという効果がある。一方、両逆止弁にそれぞれ調整可能なバルブを組み込んで独立に制御できるようにしておけば、きめ細かな制御を施すことも可能である。
【００３５】
（第９手段〜第１１手段）
本発明の第９手段は、前述の第１手段において、前記有機化合物は２−プロパノールであり、前記脱水素化合物はアセトンであることを特徴とする。本発明の第１０手段は、この第９手段において、前記水素生成器の内部における脱水素操作温度は、１８０℃以上３００度以下であることを特徴とする。また、本発明の第１１手段は、同じく第９手段において、前記水素化反応器の内部における水素化操作温度は、２０℃以上６０度以下であることを特徴とする。
【００３６】
［装置発明の別バージョン］
（第１２手段）
本発明の第１２手段は、水素生成器、分離回収器、燃料電池および再生手段を有する熱再生型の燃料電池システムである。ここで、水素生成器とは、所定の有機化合物を加熱して沸騰させ、この有機化合物の脱水素反応によりその脱水素化合物と水素ガスとを含む混合ガスを生成する機器である。また、分離回収器とは、この混合ガスからこの脱水素化合物を回収する一方、この混合ガスからこの水素ガスを分離する機器である。さらに、燃料電池とは、この分離回収器で分離されたこの水素ガスが供給される一方の電極（アノード）と、このアノードからプロトンが供給される他方の電極（カソード）とをもち、両電極の間に起電力が生じる発電手段である。一方、再生手段とは、この燃料電池のこのカソード側でこれらのプロトンから生成された水素ガスと、この分離回収器から回収されたこの脱水素化合物とを化合させることにより、この脱水素化合物を水素化して前記有機化合物を再生させる機器である。
【００３７】
本手段の特徴は、前記再生手段が、前記カソードで生成される前記水素ガスを収容する前室と、この前室から供給されるこの水素ガスで前記脱水素化合物を水素化して前記有機化合物を再生する後室とに、分かれて形成されていることである。その結果、本手段によれば前述の第１手段とほぼ同様の作用効果を得ることができる。
【００３８】
すなわち本手段では、再生手段が前室と後室とに別れており、前室はカソードに接しているから燃料電池の一部として形成されているが、後室はこの前室とは別になっているから燃料電池の外部に配設されている。そして、前室は燃料電池のカソードで生成される水素ガスをいったん収容しておいて順次後室に供給し、後室ではこの水素ガスで脱水素化合物が水素化されて有機化合物が再生される。ここで、脱水素化合物が水素化されてもとの有機化合物に再生されるのは、カソードに接して燃料電池内に形成されている前室においてではなく、この前室から離れて設けられた後室においてである。
【００３９】
したがって本手段においては、前述の第１手段と同様に、熱再生型の燃料電池システムの構成要素たる燃料電池に、水素ベンゼン型のものではなく、最も一般的な水素濃淡型の燃料電池を採用することができる。その結果、本手段によれば、安価でありながら効率も信頼性も高い燃料電池を採用して熱再生型の燃料電池システムを構成することができるようになるから、前述の第一の課題を達成することができる。さらに前述の第二の課題（熱電変換効率の向上）と併せて、その信頼性が向上し、装置価格の低減も可能になるという効果もある。
【００４０】
なお、本手段に対しても、第１手段に対する第２手段〜第１１手段のそれぞれに相当する限定を加えることができ、それぞれについて前述の各手段にほぼ相当する作用効果が得られる。
【００４１】
［方法発明］
（第１３手段）
本発明の第１３手段は、脱水素反応過程、分離回収過程、発電過程および水素化過程を有し、水素化過程で再生された有機化合物が脱水素反応過程に再び供給される燃料電池の燃料循環方法であることを前提とする。
【００４２】
ここで、脱水素反応過程は、所定の有機化合物を加熱して脱水素反応を起こし、この有機化合物からその脱水素化合物と水素ガスとを含む混合ガスを生成する化学反応過程である。次に、分離回収過程は、この混合ガスからこの水素ガスを分離し、その残りからこの脱水素化合物を回収する物理過程である。そして、発電過程は、この水素ガスを供給され、一方の電極（アノード）で生成されたプロトンが他方の電極（カソード）に移動して、両電極間に起電力が生じる燃料電池の化学反応過程である。また、水素化過程は、このカソード側でこれらのプロトンから再生された水素と、この分離回収過程で回収されたこの脱水素化合物とを化合させ、この脱水素化合物を水素化してこの有機化合物を再生させる化学反応過程である。前述のように、この水素化過程で再生されたこの有機化合物が前記脱水素反応過程に再び供給されて、この熱再生型の燃料電池システムでは燃料電池の燃料が循環する。
【００４３】
さて、本手段の「熱再生型燃料電池の燃料循環方法」がもつ特徴は、前記発電過程に、前記カソードで前記プロトンから水素ガスが再生される水素ガス再生過程が含まれ、前記水素化過程は、この水素ガス再生過程で再生されたこの水素ガスが供給されて前記脱水素化合物が水素化され、この水素ガス再生過程とこの水素化過程とは、互いに段階を分けて行われることである。
【００４４】
さて、本手段の「熱再生型燃料電池の燃料循環方法」がもつ特徴は、次の三つである。先ず第一の特徴は、前記発電過程には、前記カソードで前記プロトンから水素ガスが再生される水素ガス再生過程が含まれることである。次に第二の特徴は、前記水素化過程は、この水素ガス再生過程で再生されたこの水素ガスが供給されて前記脱水素化合物が水素化される過程であることである。最後に第三の特徴は、この水素ガス再生過程とこの水素化過程とは、互いに段階を分けて行われることである。
【００４５】
すなわち本手段では、カソードでプロトンから水素ガスが再生される水素ガス再生過程が前記発電過程に含まれている。そして、前記水素化過程では、この水素ガス再生過程で再生されたこの水素ガスが供給されて前記脱水素化合物が水素化され、この水素ガス再生過程とこの水素化過程とは、互いに段階を分けて行われる。
【００４６】
それゆえ、燃料電池のカソードでは水素が発生するだけで、カソードに接触する部分で有機化合物が再生されることはないから、本手段の方法で使用する燃料電池には、水素ベンゼン型のものではなく、最も一般的な水素濃淡型の燃料電池を採用することができる。したがって本手段によれば、安価でありながら効率も信頼性も高い燃料電池を採用して熱再生型燃料電池の燃料循環方法を実施することができるようになるから、前述の第一の課題を達成することができる。さらに前述の第二の課題（熱電変換効率の向上）と併せて、その信頼性が向上し、装置価格の低減も可能になるという効果もある。
【００４７】
なお、本手段に対しても、第１手段に対する第２手段〜第１１手段のそれぞれに相当する限定を加えることができ、それぞれについて前述の各手段にほぼ相当する作用効果が得られる。
【００４８】
［方法発明の別バージョン］
（第１４手段）
本発明の第１４手段は、脱水素反応過程、分離回収過程、発電過程および再生過程を有することを特徴とする「熱再生型燃料電池システムの燃料循環方法」である。
【００４９】
ここで、脱水素反応過程とは、所定の有機化合物を加熱して沸騰させ、この有機化合物の脱水素反応によりその脱水素化合物と水素ガスとを含む混合ガスを生成する反応過程である。また、分離回収過程とは、この混合ガスからこの脱水素化合物を回収する一方、この混合ガスからこの水素ガスを分離する過程である。そして、発電過程とは、この水素ガスが比較的濃厚に供給される一方の電極（アノード）と、このアノードからプロトンが供給され水素ガスが再生される他方の電極（カソード）との間で、水素濃淡型燃料電池の発電作用を生じる過程である。最後に、再生過程とは、この燃料電池の外部で、この燃料電池のこのカソード側で再生された水素ガスと、この分離回収過程で回収されたこの脱水素化合物とを化合させることにより、この脱水素化合物を水素化して前記有機化合物を再生させる過程である。
【００５０】
本手段では、脱水素反応過程で有機化合物から生成された水素ガスと脱水素化合物とのうち、分離回収過程を経て水素は水素濃淡型燃料電池のアノード側に供給され、電離してプロトンとなってカソード側に抜けた後、カソードで再び水素ガスに戻る。一方、脱水素化合物の方は、分離回収過程を経て水素ガスとおおむね分離された後、再生過程でカソードから供給される水素ガスによって水素化され、再び有機化合物に戻る。それゆえ、この方法では、水素濃淡型の燃料電池を循環系内に含んで、有機化合物／その脱水素化合物／水素が系内を循環するようになっている。
【００５１】
そして本手段では、本手段を定義する文中に明記されているように、燃料電池として、水素ベンゼン型のものではなく、最も一般的な水素濃淡型の燃料電池が採用されている。したがって本手段によれば、安価でありながら効率も信頼性も高い燃料電池を採用して、熱再生型燃料電池の燃料循環方法を実施することができるようになるから、前述の第一の課題を達成することができる。さらに、水素濃淡型の燃料電池であれば、研究が進んでいて発電効率が高くなっていおり、前述の第二の課題（熱電変換効率の向上）が達成される他、信頼性も高く、装置価格の低減も可能になる。
【００５２】
なお、本手段に対しても、第１手段に対する第２手段〜第１１手段のそれぞれに相当する限定を加えることができ、それぞれについて前述の各手段にほぼ相当する作用効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
本発明の「熱再生型の燃料電池システム」および「燃料電池の燃料循環方法」がもつ実施形態については、当業者に実施可能な理解が得られるように、以下の実施例で明確かつ十分に説明する。なお、本願出願時点において、以下の実施例１およびその各種変形態様のうちいずれかが本発明の最良の実施形態に当たるものと、発明者は考えている。
【実施例１】
【００５４】
（実施例１の構成）
本発明の実施例１としての「熱再生型の燃料電池システム」（装置発明）は、その全体構成を図１に示すように、水素生成器１、分離回収器２、燃料電池３および水素化反応器４を有する排熱発電装置である。
【００５５】
本実施例のシステムにはさらに、燃料電池３のカソード３２側から水素化反応器４に向けて水素ガスＨを送る気体用ポンプ６１と、分離回収器２０からやはり水素化反応器４に向けて脱水素化合物たるアセトンＤを送る液体用ポンプ６２とが、装備されている。そして、両ポンプ６１，６２の働きによって同図中の矢印方向へ流れが生じ、これらの機器１，２，３，４が構成する閉鎖系の中を、２−プロパノールＣ／アセトンＤ／水素Ｈが循環するようになっている。
【００５６】
先ず、水素生成器１は、有機化合物たる２−プロパノールＣを加熱して熱分解による脱水素反応を起こし、その脱水素化合物たるアセトンＤと水素ガスＨとを含む混合ガスＤ，Ｈを生成する機器である。水素生成器１の内部で起こる２−プロパノールＣの脱水素反応は、次の化学反応式（化１）で表される。
【００５７】
【化１】
2007287357.tif 000003
【００５８】
水素生成器１は、その反応容器を加熱ジャケット１０で包まれており、内燃機関たるガソリンエンジンの排気ガスを加熱ジャケット１０内に導入して、その排気ガスに含まれる排熱が、反応容器内の２−プロパノールＣを加熱する熱源として利用される。この際、加熱ジャケット１０に導入される排気ガス自体の温度は数百℃程度であるが、水素生成器１の反応容器内の温度（脱水素操作温度Ｔ１）の正常範囲は、１８０℃以上３００度以下である。なお、加熱ジャケット１０の内部空間での圧力は、０．１５〜０．２５ＭＰａ程度である。
【００５９】
次に、分離回収器２は、水素生成器１から供給された水素ガスＨとアセトンＤとの混合ガスＤ，Ｈの供給を受け、混合ガスＤ，Ｈから水素ガスＨを分離して燃料電池３に送り、混合ガスＤ，Ｈの残りからアセトンＤを回収する機器である。ここで分離回収器２は、その内部容器の周囲に形成された空冷器２０に冷却空気Ａを導入し、水素生成器１から供給された混合ガスＤ，Ｈを冷却してアセトンＤを液化し、気液分離を行うする気液分離器である。
【００６０】
すなわち分離回収器２は、混合ガスＤ，ＨからアセトンＤの大半を液化したうえで回収し、もって混合ガスＤ，Ｈから水素リッチな燃料ガス（簡単に水素ガスＨと呼ぶ）を分離して燃料電池３に供給する機能を持つ。なお、分離回収器２の内部空間における気液分離温度Ｔ２は約５０℃であって、この圧力（約０．１ＭＰａ）でのアセトンＤの凝縮温度（５６℃）よりも低い。
【００６１】
そして、燃料電池３は、分離回収器２から水素ガスＨを供給され、水素ガスＨからプロトンｐを生成する一方の電極（アノード３１）と、アノード３１から電解質膜３０を通じてプロトンｐが供給される他方の電極（カソード３２）との間で、発電作用を発揮する機器である。燃料電池３は、アノード３１側の水素分圧の方がカソード３２側の水素分圧よりも高い水素濃淡型の燃料電池である。燃料電池３は水素濃淡型であるから、カソード３２側での反応（アノード反応）では、アノード３１から電解質膜３０を透過してきたプロトンｐと、外部の負荷Ｌを流れてきた電子ｅとが合わさって、水素ガスＨが再生されるだけである。この際、アノード３１で起こる反応（アノード反応）の化学反応式は化２であり、カソード３２で起こる反応（カソード反応）の化学反応式は化３である。
【００６２】
【化２】
2007287357.tif 000004
【００６３】
【化３】
2007287357.tif 000005
【００６４】
なお、燃料電池３の作動温度Ｔ３は、８０℃程度である。また、気液分離器２から供給された水素ガスＨの分圧はアノード流路３１０で０．１ＭＰａ程度、逆に気体用ポンプ６１によって水素ガスＨが吸い出される際のカソード流路３２０での水素ガスＨの分圧は０．０１ＭＰａ程度である。
【００６５】
最後に、水素化反応器４には、燃料電池３のカソード３２側においてプロトンｐから生成された水素ガスＨと、分離回収器２から回収されたアセトンＤとが、前述のように両ポンプ６１，６２の作用で供給される。水素化反応器４は、燃料電池３のカソード３２とは離れて設置されており、前述のように燃料電池３と水素化反応器４との間には気体用ポンプ６１が挿置されている。
【００６６】
そして、水素化反応器４の内部空間４００では、アセトンＤが水素ガスＨで水素化されて２−プロパノールＣが再生される。この水素化反応は次の化学反応式（化４）で表され、その際の温度（水素化操作温度Ｔ４）の正常範囲は２０℃以上６０度以下である。
【００６７】
【化４】
2007287357.tif 000006
【００６８】
水素化反応器４の内部で起きるアセトンＤの水素化反応は発熱反応であり、水素化反応器４を包む冷却器４０に冷却空気Ａが導入されて、水素生成器４の内部温度は上記正常範囲に保たれる。
【００６９】
以上をまとめると、本実施例の熱再生型の燃料電池システムがもつ大きな特徴は、第一に燃料電池３が水素濃淡型の燃料電池であることであり、すなわち燃料電池３のカソード３２側においてプロトンｐから水素ガスＨが生成されることである。そして第二に、分離回収器２で回収された脱水素化合物たるアセトンＤを水素化して、有機化合物たる２−プロパノールＣを再生させための水素化反応器４は、燃料電池３のカソード３２から離れて設置されていることである。
【００７０】
（実施例１の要素構成）
本実施例の「熱再生型の燃料電池システム」は前述のような構成を持つが、本項ではその構成要素１，２，３，４，６１，６２のうち燃料電池３の構成と水素化反応器４の構成とについて詳述する。
【００７１】
先ず燃料電池３は、前述のように最も一般的な水素濃淡型であるから、その要素構成は図２に示すように、電解質膜（導電膜ともいう）３０と、電解質膜３０を挟んで接合されたアノード３１およびカソード３２と、それぞれの気体供給板３３，３４とをもつ。ここで、アノード３１およびカソード３２は、それぞれカーボンペーパに触媒としての白金Ｐｔを担持させたものである。そして、気体供給板３３は、アノード３１との間に内部空間（アノード流路３１０）を形成し、アノード流路３１０に気液分離器２から水素ガスＨが供給される。一方、気体供給板３４は、カソード３２との間に内部空間（カソード流路３２０）を形成し、カソード３２で生成された水素ガスＨは、カソード流路３２０を通じて気体用ポンプ６１によって吸い出され、水素化反応器４に供給される。
【００７２】
なお、本実施例のテストプラント（つまり実験室レベルの試作装置）においては、燃料電池３が単相で構成されていたが、製品レベルで実施する際には、アノード３１／電解質膜３０／カソード３２は幾重にも積層され、燃料電池３はスタック構造を形成することになる。
【００７３】
次に水素化反応器４は、図３（ａ）〜（ｂ）に示すように化学的な安定性の高いテフロン製の角柱容器４４の中に導電膜４１が保持されており、導電膜４１の両側には水素ガスＨが導入される水素流路４０１とアセトンＤの蒸気が導入されるアセトン流路４０２とが形成されている。ここで、水素流路４０１およびアセトン流路４０２を併せて水素化反応器４の内部空間４００と呼ぶことにする。そして図３（ｃ）に示すように、導電膜４１の両面にはＰｔ／Ｒｕ触媒４３を担持したカーボンペーパ４２が張り合わされており、水素ガスＨが導電膜４１を透過してアセトンＤと接触し、触媒４３の作用で脱水素化合物たるアセトンＤを水素化する。水素化反応器４ではこのようにして、有機化合物たる２−プロパノールＣが再生される。
【００７４】
なお、本実施例のテストプラントでは、前述のように、図３（ａ）〜（ｃ）に示す単層の導電膜４１で水素化反応器４を構成した。しかし、実際に製品として水素化反応器４を製造する際には、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、複数層の導電膜４１の間に交互に水素流路４０１およびアセトン流路４０２を形成した複層構造で水素化反応器４を構成することになろう。
【００７５】
（実施例１の作用効果）
本実施例の「熱再生型の燃料電池システム」は、以上のように構成されているので、以下のような作用効果を発揮する。
【００７６】
すなわち本実施例のシステムでは、その反応モデルを模式図にして図５に示すように、先ず、水素生成器１で前記化１の脱水素反応Ｐ１が起こり、有機化合物たる２−プロパノールＣが、脱水素化合物たるアセトンＤと水素ガスＨとに分解される。この際の反応は吸熱反応であり、水素生成器１にはエンジン排気Ｅから排熱が供給されて（図１参照）高温で運用される。こうして生成されたアセトンＤと水素ガスＨとは、気液分離器２で分離された後、水素ガスＨは燃料として燃料電池３のアノード３１側に送られ、アセトンＤは液体用ポンプ６２で水素化反応器４に送られる。
【００７７】
次に、水素濃淡型の燃料電池３では、アノード３１では水素ガスＨからプロトンｐと電子ｅを生じるアノード反応Ｐ３１（上記化２参照）が起こり、カソード３２ではプロトンｐと電子ｅから水素ガスＨを再生するカソード反応Ｐ３２（上記化３参照）が起こる。このような燃料電池反応Ｐ３により、燃料電池３ではアノード３１とカソード３２との間に電位差が生じて、起電力ないし発電作用が発揮される。そして、カソード３２で生じた水素ガスＨは、気体用ポンプ６１で水素化反応器４に送られ、前述のアセトンＤを水素化して２−プロパノールＣを再生する水素化反応Ｐ４（上記化４参照）に使われる。
【００７８】
このように、本実施例では、脱水素化合物たるアセトンＤが水素化されて元の有機化合物たる２−プロパノールＣに再生されるのは、燃料電池３内部のカソード３２においてではなく、カソード３２から離れて設けられた水素化反応器４においてである。それゆえ、本実施例においては、熱再生型の燃料電池システムの構成要素たる燃料電池３として、技術的に未熟で高価な水素ベンゼン型などではなく、最も一般的な水素濃淡型のものを採用することができる。
【００７９】
したがって、本実施例の「熱再生型の燃料電池システム」によれば、大きく分けて次の二つの効果が得られる。
【００８０】
第一に、安価でありながら高効率で信頼性も高い水素濃淡型の燃料電池３を採用して、熱再生型の燃料電池システムを構成することができるという効果があり、解決すべき課題のうち第一の課題を達成することができる。
【００８１】
第二に、燃料電池３の効率が高いここと、水素生成器１の熱分解効率が高いこととから、熱電変換効率の向上も達成することができるという効果があり、第二の課題をも達成することができる。
【００８２】
なぜならば、本実施例では、ピストンエンジンやガスタービンエンジンなどの高温の排気ガス（ふつう数百℃程度）から排熱を取り出すので、その熱源と冷却源（冷却空気Ａたる外気）との間で温度差をより大きくとることができるからである。具体的には、発明者が試作したテストプラントでは、計算上１５％程度の排熱エネルギーをエンジン排気Ｅから回収することができているはずである。
【００８３】
また、本実施例によれば、その構成から次の二つの利点が付帯的に生じる。
【００８４】
先ず、分離回収器２が物理的な気液分離器であるから、構造が簡素であるうえ化学的に安定した材料で安価に作ることができ、製造コストが安価であるうえに長期間に渡って安定して使用することができるという効果がある。
【００８５】
次に、気体用ポンプ６１および液体用ポンプ６２が循環システムに組み込まれているので、両ポンプ６１，６２を独立して制御すれば、よりきめ細かな制御が可能になるという効果が期待できる。また、気体用ポンプ６１で直接的に燃料電池３のカソード流路３２０を減圧できるので、図８（ａ）に示すように、水素濃淡型の燃料電池３の起電力を高めることができるという効果もある。
【００８６】
（実施例１と比較例１との対比）
本発明の実施例１と比較対照するために、先ず特許文献１を参考にした熱再生型の燃料電池システムを想定し、これを「比較例１」と呼ぶことにする。
【００８７】
すなわち比較例１は、図６に示すように、水素生成器１Ａ、分離回収器２Ａ、燃料電池３Ａおよび冷却器８Ａを有する熱再生型の燃料電池システムである。そして比較例１は、次の点で本発明の実施例１と異なっている。
【００８８】
第一に、水素生成器１Ａの加熱熱源が数百℃のエンジン排気Ｅではなく、高々１００℃程度のエンジン冷却水Ｗである点である。それゆえ、水素生成器１の操作温度は数十℃ないし百℃程度にしかなり得ず、本実施例のように２−プロパノールＣ／アセトン／水素の循環は無理である。そこで比較例１では、有機化合物ＣＡにはシクロヘキサンを使い、その結果、脱水素化合物ＤＡはベンゼンとなって、シクロヘキサン／ベンゼン／水素の閉鎖循環系が形成されている。
【００８９】
第二に、ベンゼンＤＡがカソード流路３２０Ａに導入され、その水素化反応がカソード３２Ａで起こるから、燃料電池３Ａはベンゼン型にならざるを得ない。しかし、現時点ではベンゼン型の燃料電池３Ａの技術は未熟であり、その発電効率が低いばかりではなく、その価格は高く、その信頼性は低く、その寿命は短いという短所を持つ。
【００９０】
第三に、本実施例とは異なって本比較例には水素化反応器４がないから、カソード３２Ａ側にはシクロヘキサンとベンゼンとが混在してしまい、燃料電池３Ａの発電機能が劣化してしまう。
【００９１】
（実施例１と比較例２との対比）
次に、「比較例２」として、前述の比較例１の有機化合物ＣＡを本実施例と同様に２−プロパノールＣとした熱再生型の燃料電池システムを想定し、同じく図６に示すシステム構成で２−プロパノール／アセトン／水素の閉鎖循環系を形成したとしよう。すると、図７に示すように、カソード反応で２−プロパノールＣの水素化が行われるようになり、やはり不都合が生じる。
【００９２】
すなわち、水素生成器１Ａでの操作温度Ｔ１Ａが低いので、２−プロパノールＣの脱水素反応はほとんど進まないであろうし、燃料電池３Ａの形式は水素濃淡型ではなくアセトン型でなければいけなくなる。その結果、比較例２も、アセトン型の燃料電池に付随する短所を持ってしまうに至る。
【００９３】
そして、水素生成器１での脱水素反応は完全では有り得ないから、本実施例と違って水素化反応器４をもたない以上、分離回収器２Ａで分離されたアセトンにはどうしても幾分か２−プロパノールＣが混ざってしまう。それゆえ、燃料電池３Ａのカソード３２側に供給されるアセトンＤにも２−プロパノールＣが混入し、その混入比率は運転時間と共に増えてゆく。ところが、カソード３２Ａ側でのアセトン中に２−プロパノールＣが含まれる濃度を横軸にして燃料電池３Ａの起電力を試算してみると、図(ｂ)に示すように、混入濃度が高まるにつれて起電力はどんどん低下していく。したがって、本比較例では、運転時間が経つにつれて起電力を含む発電機能が衰えていくという不都合が生じる。
【００９４】
しかも、アセトン型の燃料電池３Ａの起電力は１００ｍＶ以下であって、ふつうは数十ｍＶ程度にしかならない。したがって、比較例２の起電力は本実施例の半分無いし三分の一程度でしかなく、比較例２で所望の電圧を得るためには、燃料電池の積層数を本実施例の二倍ないし三倍にする必要がある。
【００９５】
（実施例１と熱電素子との比較）
なお、エンジン排気からその排熱を取り出して有効利用する熱発電技術としては、本発明のように燃料電池を利用したものの他に、熱電素子を用いて発電する技術も既に提案されている（例えば特願２００４−１１０１２８号に記載）。このように熱電素子を用いた排熱発電技術では、熱電素子それ自体の熱電変換効率は５％程度であるが、排気から熱電素子に熱を取り入れる際の効率が３０％程度であるから、システム全体としての熱電変換効率は１．５％程度に過ぎない。
【００９６】
一方、本実施例の「熱再生型の燃料電池システム」によれば、それ自体の効率が１５％程度と高いので、排熱の取り入れ効率を同じく３０％程度としても、システム全体としての熱電変換効率は４．５％程度に達する。
【００９７】
したがって、上記出願の熱電素子による排熱発電技術と比較しても、本実施例の方が３倍程度も発電効率が高い。
【００９８】
（実施例１の別表現）
前述の実施例１の構成を、前述の第１２手段の構成に則り、以下のように捕らえることもできる。
【００９９】
すなわち、本発明の実施例１としての「熱再生型の燃料電池システム」は、再び図１に示すように、水素生成器１、分離回収器２、燃料電池３および再生手段５を有する。ここで、水素生成器１とは、有機化合物たる２−プロパノールＣを加熱して沸騰させ、２−プロパノールＣの脱水素反応により脱水素化合物たるアセトンＤと水素ガスＨとを含む混合ガスＤ，Ｈを生成する機器である。また、分離回収器２とは、混合ガスＤ，Ｈからこの脱水素化合物を回収する一方、混合ガスＤ，Ｈから水素ガスＨを分離する機器である。さらに、燃料電池３とは、分離回収器２で分離された水素ガスＨが供給されるアノード３１と、アノード３１からプロトンｐが供給されるカソード３２とをもち、両電極３１，３２の間に起電力が生じる発電手段である。一方、再生手段５とは、燃料電池３のカソード３１側でプロトンｐから生成された水素ガスＨと、分離回収器２から回収されたアセトンＤとを化合させることにより、アセトンＤを水素化して２−プロパノールＣを再生させる機器である。
【０１００】
本実施例の特徴は、再生手段５が、カソード３２で生成される水素ガスＨを収容する前室３２０と、前室３２０から供給される水素ガスＨでアセトンＤを水素化して２−プロパノールＣを再生する後室４００とに、分かれて形成されていることである。すなわち、有機化合物たる２−プロパノールＣを再生する再生手段５は、前室と後室とに分かれて構成されており、この前室は前述のカソード流路３２０である一方、この後室は前述の水素化反応器４である。より厳密には、再び図３（ａ）〜（ｃ）または図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、水素化反応器４の内部空間たる水素流路４０１およびアセトン流路４０２をもって、再生手段５の後室４００とする。
【０１０１】
換言すると、再び図１に示すように、再生手段５は、前室（燃料電池３のカソード流路３２０）と、後室（水素化反応器４）とに別れて構成されている。そのうち、前室３２０は、カソード３２に接するカソード流路３２０として燃料電池３の一部に形成されているが、その一方、後室４００は、前室３２０とは別に燃料電池３の外部に水素化反応器４として配設されている。そして、前室３２０は燃料電池３のカソード３２で生成される水素ガスＨをいったん収容しておいて順次後室４００に供給し、後室４００では水素ガスＨでアセトンＤが水素化されて２−プロパノールＣが再生される。ここで、アセトンＤが水素化されてもとの２−プロパノールＣに再生されるのは、カソード３２に接して燃料電池３内に形成されている前室３２０においてではなく、前室３２０から離れて設けられた後室４００においてである。
【０１０２】
そして、再生手段５の前室３２０と後室４００との間には気体用ポンプ６１が配設されており、前室３２０（すなわちカソード流路）は減圧されてカソード３２での水素分圧が低く保たれている。そのうえ、気体用ポンプ６１の作用で、流れは前室３２０から後室４００への一方通行であり、後室４００（すなわち水素化反応器４の内部空間）からアセトンＤなどが逆流してくることもない。したがって水素濃淡型の燃料電池３は、高い起電力および出力を保ち続けることができる。
【０１０３】
（実施例１の方法）
本項では、本発明のうち方法発明の実施例として前述の実施例１を捕らえ直し、「燃料電池の燃料循環方法」の実施例として説明する。
【０１０４】
すなわち、本実施例は、再び図５に示すように、脱水素反応過程Ｐ１、分離回収過程Ｐ２、発電過程Ｐ３および水素化過程Ｐ４を有する「熱再生型燃料電池の燃料循環方法」である。そして、水素化過程Ｐ４で再生された有機化合物たる２−プロパノールＣは、脱水素反応過程Ｐ１に再び供給されて系内を循環するようになっている。
【０１０５】
ここで、脱水素反応過程１は、有機化合物たる２−プロパノールＣを加熱して脱水素反応を起こし、２−プロパノールＣからその脱水素化合物たるアセトンＤと水素ガスＨとを含む混合ガスを生成する化学反応過程である。次に、分離回収過程Ｐ２は、混合ガスＤ，Ｈから水素ガスＨを分離し、その残りからアセトンＤを回収する物理過程である。そして、発電過程Ｐ３は、水素ガスＨを供給され、アノード３１で生成されたプロトンｐがカソード３２に移動して、両電極３１，３２間に起電力が生じる燃料電池３の化学反応過程である。また、水素化過程Ｐ４は、カソード３２側でプロトンｐから再生された水素Ｈと、分離回収過程Ｐ２で回収されたアセトンＤとを化合させ、アセトンＤを水素化して２−プロパノールＣを再生させる化学反応過程である。
【０１０６】
さて、本実施例がもつ特徴は、第一に、発電過程Ｐ３に、カソード３２でプロトンｐから水素ガスＨが再生される水素ガス再生過程Ｐ３２が含まれることである。そして第二に、水素化過程４は、水素ガス再生過程Ｐ３２で再生された水素ガスＨが供給されてアセトンＤが水素化される過程であり、水素ガス再生過程Ｐ３２とは段階を分けて、水素化過程Ｐ４の後で行われることである。
【０１０７】
それゆえ、本実施例では、燃料電池３のカソード３２では水素Ｈが発生するだけで、カソード３２に接触する部分で有機化合物たる２−プロパノールＣが再生されることはない。その結果、燃料電池３には、水素ベンゼン型のものではなく、最も一般的な水素濃淡型の燃料電池を採用することができる。さらに、カソード流路３２０に２−プロパノールＣやアセトンＤが混じったり、カソード流路３２０の水素分圧が高くなったりするような不都合は起きない。
【０１０８】
したがって、本実施例によれば、安価でありながら効率も信頼性も高い燃料電池３を採用して熱再生型燃料電池の燃料循環方法を実施することができるようになり、前述の第一の課題を達成することができる。さらに前述の第二の課題（熱電変換効率の向上）と併せて、その信頼性が向上し、装置価格の低減も可能になるという効果もある。
【０１０９】
なお、本実施例の別表現として、前述の第１４手段の構成に則り、本実施例の構成を以下のように表すこともできる。
【０１１０】
すなわち本実施例は、同じく図５に示すように、脱水素反応過程Ｐ１、分離回収過程Ｐ２、発電過程Ｐ３および再生過程Ｐ４を有することを特徴とする「熱再生型燃料電池システムの燃料循環方法」である。ここで、脱水素反応過程Ｐ１、分離回収過程Ｐ２および発電過程Ｐ３は、すでに説明したとおりである。一方、再生過程Ｐ４は、前述の水素化過程Ｐ４に相当する。すなわち、再生過程Ｐ４とは、水素濃淡型の燃料電池３の外部で、燃料電池３のカソード３２側で再生された水素ガスＨと、分離回収過程Ｐ２で回収された脱水素化合物たるアセトンＤとを化合させることにより、アセトンＤを水素化して有機化合物たる２−プロパノールＣを再生させる過程である。
【０１１１】
（実施例１の変形態様１）
本実施例の変形態様１として、図９に示すように、水素化反応器４から水素生成器１に向けて（あるいは水素生成器１から分離回収器２に向けて）２−プロパノールＣを圧送するリターンポンプ７０を有する「熱再生型の燃料電池システム」を実施することもできる。本変形態様には、燃料電池３のカソード３２側から水素化反応器４に向けて水素ガスＨを送る流路に設けられた水素ガス逆止弁７１と、気液分離器２から水素化反応器４に向けてアセトンＤを送る流路に挿置された液体用逆止弁７２とを有する。
【０１１２】
本変形態様では、水素ガス逆止弁７２の作用で水素化反応器４からカソード３２に２−プロパノールＣやアセトンＤが逆流しないから、水素濃淡型の燃料電池３を採用することができるという実施例１の利点が損なわれない。それでいて、ポンプが一つで済むから、システム構成が簡素となり、より安価に製造することができるという効果がある。
【０１１３】
もちろん、本変形態様の構成やその作用効果を説明するには、前述の実施例１と同様に、装置発明の別表現で説明することや、方法発明の実施例として説明することも、あるいはその別表現で説明することも可能である。
【０１１４】
（実施例１の各種変形態様）
本実施例のその他の変形態様として、解決手段の項で説明した各手段のうち第３手段、第５手段および第６手段に相当する「熱再生型の燃料電池システム」の実施が可能であり、そのような変形態様では各手段に特有の作用効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】実施例１としての熱再生型の燃料電池システムの構成を示すブロック図。
【図２】実施例１がもつ水素濃淡型燃料電池の要素構成を示す断面図。
【図３】実施例１がもつ水素化反応器の基本的な要素構成を示す組図。                  （ａ）正断面図    （ｂ）側断面図    （ｃ）導電膜表面の断面拡大図。
【図４】実施例１がもつ水素化反応器の実際的な構成を示す組図。                      （ａ）正断面図    （ｂ）側断面図    （ｃ）導電膜表面の断面拡大図。
【図５】実施例１の各部で起きる化学反応を示す模式図。
【図６】比較例１および比較例２のシステム構成を示すブロック図。
【図７】比較例２の各部で起きる化学反応を示す模式図。
【図８】実施例１と比較例２とで燃料電池の起電力を比較する組図。                    （ａ）実施例１における燃料電池の起電力変化を示すグラフ。                    （ｂ）比較例２における燃料電池の起電力変化を示すグラフ。
【図９】実施例１の変形態様１がもつシステム構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【０１１６】
１：水素生成器    １０：加熱ジャケット（エンジン排気で加熱）
２：気液分離器（分離回収器として）    ２０：空冷器
３：水素濃淡型の燃料電池
３０：電解質膜    ３０１：導電膜    ３０２：カーボンペーパ
３１：アノード    ３１０：アノード流路
３２：カソード    ３２０：カソード流路（再生手段５の前室として）
３３，３４：気体案内板
４：水素化反応器    ４０：空冷器
４００：内部空間（再生手段５の後室として）
４０１：水素流路    ４０２：アセトン流路
４１：導電膜    ４２：カーボンペーパ    ４３：触媒（Ｐｔ／Ｒｕ）
４４：角柱容器（テフロン製）
５：再生手段
（その前室は燃料電池３のカソード流路３２０、
その後室は水素化反応器４の内部空間４００）
６１：気体用ポンプ    ６２：液体用ポンプ
７０：リターンポンプ    ７１：水素ガス逆止弁    ７２：液体用逆止弁
Ｃ：２−プロパノール（有機化合物として）    Ｄ：アセトン（脱水素化合物として）
Ａ：冷却空気    Ｅ：排気ガス    Ｆ：燃料ガス    Ｈ：水素ガス    Ｌ：負荷
ｅ：電子    ｐ：プロトン（水素イオンすなわち陽子）
Ｐ１：脱水素反応過程（有機化合物の熱分解過程）        Ｔ１：脱水素操作温度
Ｐ２：分離回収過程（凝縮または浸透膜による気液分離）  Ｔ２：気液分離温度
Ｐ３：発電過程（燃料電池の発電作用）                  Ｔ３：燃料電池の作動温度
Ｐ３１：プロトン生成過程（アノード反応）
Ｐ３２：水素ガス再生過程（カソード反応）
Ｐ４：水素化過程（有機化合物の再生過程）              Ｔ４：水素化操作温度
（以下は比較例１の構成要素等）
１Ａ：水素生成器
１０Ａ：ウオータージャケット（エンジン冷却水で加熱）
Ｔ１Ａ：脱水素操作温度    Ｗ：エンジン冷却水
３Ａ：燃料電池
３０Ａ：電解質膜
３１Ａ：アノード    ３１０Ａ：アノード流路
３２Ａ：カソード    ３２０Ａ：カソード流路
Ｐ３２Ａ：カソード反応
８Ａ：冷却器
【図１】
2007287357.tif 000007
【図２】
2007287357.tif 000008
【図３】
2007287357.tif 000009
【図４】
2007287357.tif 000010
【図５】
2007287357.tif 000011
【図６】
2007287357.tif 000012
【図７】
2007287357.tif 000013
【図８】
2007287357.tif 000014
【図９】
2007287357.tif 000015