(57)【要約】      （修正有）【課題】有機物を燃料とする燃料電池システムにおいて排出気体成分中に含まれる原料有機物、およびアルデヒド、ケトン、カルボン酸、カルボン酸エステル、一酸化炭素等の不完全酸化物を効率良く無害化する燃料電池システムを提供する。【解決手段】正極３と負極４との間にイオン伝導膜５を有し、正極に酸化剤１を、負極に有機物含有液体燃料２を供給する機構を有する燃料電池システムであって、負極排出物８の全部または一部を、前記酸化剤と混合して正極に供給することを特徴とする燃料電池システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と負極との間にイオン伝導膜を有し、正極に酸化剤を、負極に有機物含有液体燃料を供給する機構を有する燃料電池システムであって、負極排出物の全部または一部を、前記酸化剤と混合して正極に供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記イオン伝導膜がプロトン伝導性固体高分子膜である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸化剤が空気または酸素である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記有機物含有液体燃料がメタノールおよび水を含有する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記負極排出物を気体成分と液体成分に分離し、分離した液体成分を燃料として利用する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記正極の触媒がＰｔ担持カーボンブラックである請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記負極の触媒がＰｔＲｕ担持カーボンブラックである請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項８】
正極と負極との間にイオン伝導膜を有し、正極に酸化剤を、負極に有機物含有液体燃料を供給する機構を有する燃料電池システムにおいて、負極排出物の全部または一部を、前記酸化剤と混合して正極に供給することを特徴とする負極排出物の無害化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極と負極との間にイオン伝導膜を有し、正極に酸化剤を、負極に有機物含有液体燃料を供給する機構を有する燃料電池システムであって、排出ガスに含まれる未反応燃料および不完全酸化物を無害化する燃料電池システムに関する。特に直接メタノール型燃料電池から排出される未反応メタノール及び副生成物であるホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチル、一酸化炭素を無害化する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境対策と利便性に優れた発電システムとして燃料電池に注目が集まっている。特に燃料としてメタノール水溶液を用いる直接メタノール型燃料電池は、燃料が液体であるという特徴から、小型・携帯用として期待され、開発が進んでいる。
【０００３】
しかしながら、直接メタノール型燃料電池は燃料極での反応でメタノールの部分酸化物であるホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチル、一酸化炭素が生成してしまい、排出物中に含まれるという欠点がある。また、未反応のメタノールが排出されることもある。メタノール及びその部分酸化物は人体に有害であり、特にホルムアルデヒドは、近年シックハウス症候群の原因物質の一つとされており、厚生労働省は室内でのホルムアルデヒド濃度の基準値を０．０８ｐｐｍとしている。従って、直接メタノール型燃料電池を電源として使用するには、建物内、飛行機・電車、自動車等の交通手段など、閉空間での使用が適さないという大きな問題がある。
【０００４】
直接メタノール型燃料電池において排出物を気体と液体に分離後、気体成分を吸収または分解するフィルターを備えた気体成分回収手段を用いる方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら気体成分回収手段としてフィルターを用いて吸収または分解するとの記載があるのみで、具体的に有効な手段は提示されていない。
【０００５】
一般に有害な気体成分の無害化には吸着法または分解法が用いられる。たとえばホルムアルデヒドを効率よく吸着する方法が開示されているが（例えば、特許文献２参照）、使用後吸着剤を交換するか、または吸着した成分を処理する手段が必要である。また、一酸化炭素のように活性炭やゼオライト等の一般的な吸着剤に吸着されない物質は処理されずそのまま排出される欠点がある。光触媒を用いる場合は光を当てるという操作あるいは光を当てる装置が必要となる。
【特許文献１】特開２００３−２２３９２０号公報
【特許文献２】特開２００１−１７９０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、有機物を燃料とする燃料電池において排出気体成分中に含まれる原料有機物、およびアルデヒド、ケトン、カルボン酸、カルボン酸エステル、一酸化炭素等の不完全酸化物を効率良く無害化する燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記の課題を解決する為に燃料電池の排出物成分を詳細に分析し鋭意検討を重ねた結果、不完全酸化物は主に負極で生成していることを見出し、負極で生じた不完全酸化物を酸化剤と共に正極に供給することによって、燃料電池性能にほとんど悪影響を与えず、コストアップに繋がる補機を燃料電池システムに設置することなく無害化できることを見出し、本発明に到達した。すなわち本発明はつぎのとおりである。
１．  正極と負極との間にイオン伝導膜を有し、正極に酸化剤を、負極に有機物含有液体燃料を供給する機構を有する燃料電池システムであって、負極排出物の全部または一部を、前記酸化剤と混合して正極に供給することを特徴とする燃料電池システム。
２．  前記イオン伝導膜がプロトン伝導性固体高分子膜である第１項記載の燃料電池システム。
３．  前記酸化剤が空気または酸素である第１項記載の燃料電池システム。
４．  前記有機物含有液体燃料がメタノールおよび水を含有する第１項記載の燃料電池システム。
５．  前記負極排出物を気体成分と液体成分に分離し、分離した液体成分を燃料として利用する第１項記載の燃料電池システム。
６．  前記正極の触媒がＰｔ担持カーボンブラックである第１項記載の燃料電池システム。
７．  前記負極の触媒がＰｔＲｕ担持カーボンブラックである第１項記載の燃料電池システム。
８．  正極と負極との間にイオン伝導膜を有し、正極に酸化剤を、負極に有機物含有液体燃料を供給する機構を有する燃料電池システムにおいて、負極排出物の全部または一部を、前記酸化剤と混合して正極に供給することを特徴とする負極排出物の無害化方法。
【発明の効果】
【０００８】
液体燃料を直接供給する燃料電池から排出される有害成分が、効率良く安定的に無害化でき、燃料電池を屋内・屋外を問わず安全に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、メタノール水溶液を用いた直接メタノール型燃料電池からの排出物を無害化する燃料電池システムを説明するが、メタノール水溶液以外の燃料、例えば、ジメチルエーテル、ギ酸、ギ酸メチル、エタノール等を含有する燃料直接供給型燃料電池システムにも適用することができる。
【００１０】
直接メタノール型燃料電池用のイオン伝導膜にはプロトン伝導性固体高分子膜が用いられるが、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子膜が好ましい。
【００１１】
正極および負極の触媒には、公知の触媒が用いられるが、特開２００５−６３７４９号公報に記載された方法、すなわち担体と有機塩基および還元剤の存在下、金属ハロゲン化物を液相還元し、生成した金属微粒子を担体に沈着させる方法により得られる金属担持触媒を用いることが好ましい。中でも、正極触媒にはＰｔ担持カーボンブラック、負極触媒にはＰｔＲｕ担持カーボンブラックが好適である。
【００１２】
不完全酸化物は負極から排出され、正極からはほとんど排出されない。すなわち、正極の触媒は発電環境下でクロスオーバーしてきたメタノールを二酸化炭素まで完全酸化する。このため、負極からの排出成分を正極に供給することでメタノールおよびその部分酸化物であるホルムアルデヒド、一酸化炭素、ギ酸、ギ酸メチルを酸化無害化することができる。
【００１３】
図１に本発明の燃料電池システムの一例を示す。燃料電池の正極に空気または酸素をポンプで送り込むアクティブ型燃料電池の場合、負極からの排出成分は気液分離器において気相と液相に分離される。
【００１４】
液相成分には未反応の燃料が含まれているため、回収して再度負極に供給してもよい。気相には二酸化炭素、未反応のメタノール、メタノールの部分酸化物であるホルムアルデヒド、一酸化炭素、ギ酸、ギ酸メチルが含まれる。この気相成分はポンプから供給される空気または酸素と混合され、正極に供給される。この際気相成分に液相成分が多少混入しても差し支えない。
【００１５】
正極へ供給されるメタノール等の有機物の量はイオン伝導膜を通して正極に到達するメタノールの量より少ないため、燃料電池の出力に大きな影響はない。正極に供給されたメタノール及びその部分酸化物は正極の触媒上で酸素と反応し二酸化炭素まで完全に酸化される。正極の排出成分は未反応の空気および酸素、水、二酸化炭素である。水は気液分離器により回収し燃料の希釈に利用しても良い。
【実施例】
【００１６】
次に本発明を、実施例をもって更に詳細に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されるものではない。
なお、メタノールについてはメタネーターを用いＦＩＤをディテクターとしたガスクロマトグラフィー、ホルムアルデヒドについてはジニトロフェニルヒドラジンと反応させた後高速液体クロマトグラフィー、ギ酸についてはイオンクロマトグラフィーにより、それぞれ定量した。
【００１７】
実施例１
イオン伝導膜として市販のＮａｆｉｏｎ（登録商標）、正極触媒として特開２００５−６３７４９号公報記載の方法により調製したＰｔ担持カーボンブラック（Ｐｔ担持量３０ｗｔ％）、負極触媒として特開２００５−６３７４９号公報記載の方法により調製したＰｔＲｕ担持カーボンブラック（Ｐｔ担持量２０ｗｔ％、Ｒｕ担持量１０ｗｔ％）を使用した電極層を有する直接メタノール型燃料電池において、図１に示すように負極排出物を気液分離し、気相成分を空気と混合して燃料電池の正極に供給した。燃料電池の運転温度は７０℃とした。正極の排出物を気液分離して気相成分および液相成分をそれぞれ分析したところ、メタノール、ギ酸、ホルムアルデヒドのいずれも基準値（メタノール：日本産業衛生学会  ２００ｐｐｍ、ホルムアルデヒド：ＷＨＯ のガイドライン値  ０．０８ｐｐｍ、ギ酸：日本産業衛生学会  ５ｐｐｍ）を大きく下回っていた。
【００１８】
比較例１
実施例１において負極排出物を気液分離した後、気相成分を捕集分析したところ、メタノール、ギ酸、ホルムアルデヒドのいずれも基準値（メタノール：日本産業衛生学会  ２００ｐｐｍ、ホルムアルデヒド：ＷＨＯ のガイドライン値  ０．０８ｐｐｍ、ギ酸：日本産業衛生学会  ５ｐｐｍ）を大きく上回っていた。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】燃料電池システムの一例
【符号の説明】
【００２０】
１  空気または酸素
２  有機物燃料
３  正極
４  負極
５  イオン伝導膜
６  燃料電池
７  正極排出物
８  負極排出物
９  気液分離器
１０  気相成分
１１  液相成分
【図１】
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