(57)【要約】【課題】  高い運転効率が得られ、且つ、コンパクトな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のアルカリ水溶液が負極室に供給されるボロハイドライド燃料電池と、水素ガスが燃料として負極室に供給されるアルカリ型燃料電池との直列接続構造であり、ボロハイドライド燃料電池の負極室にて生成された水素ガスがボロハイドライド燃料電池の負極室とアルカリ型燃料電池の負極室との間に設けられた気液分離膜を介してアルカリ型燃料電池の負極室に直接供給される。【選択図】  図１
2007012319.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層により、負極を備えた負極室と正極を備えた正極室とに区画され、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が負極室に供給されると共に酸素ガスが正極室に供給される第１の燃料電池と、
陰イオンを透過させる電解質層により負極を備えた負極室と正極を備えた正極室とに区画され、水素ガスが燃料として負極室に供給されると共に水分を含む酸素ガスが正極室に供給される第２の燃料電池と、
前記第１の燃料電池の負極室と前記第２の燃料電池の負極室とを仕切り、気体は通過するが、液体は通過しない気液分離層と、
前記第１の燃料電池の負極室にて生成された水素ガスが前記気液分離層を介して前記第２の燃料電池の負極室に供給されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１の燃料電池及び第２の燃料電池は、互いに対向する一方のプレート及び他方のプレートからなる一対のプレートの間に設けられ、
前記気液分離層は、前記一方のプレートの面を第１の領域と第２の領域に分割するように設けられ、
前記第１の領域と対向するように第１の燃料電池の負極が設けられると共に、この負極における他方のプレート側には第１の燃料電池の電解質層を介して正極が設けられ、
前記第２の領域と対向するように第２の燃料電池の負極が設けられると共に、この負極における他方のプレート側には第２の燃料電池の電解質層を介して正極が設けられ、
第１の燃料電池の酸素ガスの通流空間及び第２の燃料電池の酸素ガスの通流空間は、他方のプレート側において共通化されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
他方のプレートに対向するように正極が設けられ、この正極のうち、第１の領域に対向する部位が第１の燃料電池の正極として機能し、第２の領域に対向する部位が第２の燃料電池の正極として機能す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４】
金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を貯槽する燃料貯槽部と、
前記第２の燃料電池の負極室から排出されるアルカリ水溶液と前記第２の燃料電池の正極室から排出されるアルカリ水溶液とを貯溜する貯溜部と、
前記燃料貯槽部からの金属水素錯化合物のアルカリ水溶液と前記貯溜部からのアルカリ水溶液とを混合して前記第１の燃料電池の負極室に供給するための混合部と、
前記燃料貯槽部からの金属水素錯化合物のアルカリ水溶液と前記貯溜部からのアルカリ水溶液との混合比を調整するための調整部と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
電解質層により、負極を備えた負極室と正極を備えた正極室とに区画され、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が負極室に供給されると共に酸素ガスが正極室に供給される第１の燃料電池と、
陰イオンを透過させる電解質層により負極を備えた負極室と正極を備えた正極室とに区画され、水素ガスが燃料として負極室に供給されると共に水分を含む酸素ガスが正極室に供給される第２の燃料電池と、
前記第２の燃料電池の負極は、第１の燃料電池の負極室の燃料液に対して空間を介して上方側に位置し、前記空間は第２の燃料電池の負極室を形成し、第１の燃料電池の負極室から発生した水素ガスが第２の燃料電池の負極室に供給されることを特徴とする燃料電池システム。
【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のいずれか一に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、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。
【背景技術】
【０００２】
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、例えば水素ガスを燃料として用いる燃料電池（例えば、アルカリ型燃料電池）は従来から良く知られている。また、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）が検討されており、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されている。このボロンハイドライド燃料電池では、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、また水素発生器が不要であるなどの利点がある。
【０００３】
これらの燃料電池は、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アルカリ型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ると共に当該水素ガスを加湿するためのエネルギーが必要である。またボロハイドライド燃料電池にあっては、負極にて生成した水素ガスを処理するためのエネルギーが必要である。このように燃料電池を運転するため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。
【０００４】
このようなことから本発明者らは、ボロハイドライド燃料電池と水素型燃料電池とを組み合わせ、ボロハイドライド燃料電池の負極にて生成された水素ガスを水素型燃料電池の負極の燃料として利用することで、運転効率の向上を図っている（特許文献３参照）。この燃料電池システムは、ボロハイドライド燃料電池の負極室側から排出される使用済みの燃料液から気液分離部によって水素ガスを取り出し、続いて水素ガスに混入しているＮａ＋等のアルカリ金属イオン（ミスト）をミスト除去手段で除去して、この水素ガスを加湿器で加湿した後、水素型燃料電池の負極室側に供給している。なお、ミスト除去手段によって水素ガスに混入しているミストを除去する理由は、ミストが混入した水素ガスを水素型燃料電池の負極室側に供給した場合、アルカリ金属の結晶が水素型燃料電池の負極及び電解質膜中に析出して負極及び電解質膜が劣化してしまうということから、これを防ぐためである。また水素ガスを加湿する理由は、水素型燃料電池の電解質膜の乾燥（膜抵抗の増大）による出力密度の低下を防ぐためである。
【０００５】
このため上記燃料電池システムでは、気液分離部、ミスト除去手段及び加湿器が必要であり、これらは二つの燃料電池の外部に配置されるため、燃料電池システムのコンパクト化が阻まれている。また上記燃料電池システムでは、水素ガスを加湿するための加湿エネルギーが必要である。
【０００６】
【特許文献１】特表２０００−５０２８４２：図１
【特許文献２】特開２００２−５０３２５：図２
【特許文献３】特開２００４−３４９０２９：図１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、且つ、コンパクトな燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、電解質層により、負極を備えた負極室と正極を備えた正極室とに区画され、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が負極室に供給されると共に酸素ガスが正極室に供給される第１の燃料電池と、
陰イオンを透過させる電解質層により負極を備えた負極室と正極を備えた正極室とに区画され、水素ガスが燃料として負極室に供給されると共に水分を含む酸素ガスが負極室に供給される第２の燃料電池と、
前記第１の燃料電池の負極室と前記第２の燃料電池の負極室とを区画し、気体は通過するが、液体は通過しない気液分離層と、
前記第１の燃料電池の負極室にて生成された水素ガスが前記気液分離層を介して前記第２の燃料電池の負極室に供給されることを特徴とする。
【０００９】
本発明の具体的な構造としては、前記第１の燃料電池及び第２の燃料電池は、互に対向する一方のプレート及び他方のプレートからなる一対のプレートの間に設けられ、
前記気液分離層は、前記一方のプレートの面を第１の領域と第２の領域とに分割するように設けられ、
前記第１の領域を対向するように第１の燃料電池の負極が設けられると共に、この負極における他方のプレート側には第１の燃料電池の電解質層を介して正極が設けられ、
前記第２の領域と対向するように第２の燃料電池の負極が設けられると共に、この負極における他方のプレート側には第２の燃料電池の電解質層を介して正極が設けられ、
第１の燃料電池の酸素ガスの通流空間及び第２の燃料電池の酸素ガスの通流空間は、他方のプレート側において共通化された構造を挙げることができる。
【００１０】
また、上述した燃料電池においては、他方のプレートに対向するように正極が設けられ、この正極のうち、第１の領域に対向する部位が第１の燃料電池の正極として機能し、第２の領域に対向する部位が第２の燃料電池の正極として機能する構成にある。
【００１１】
さらに上述の燃料電池システムにおいて、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を貯槽する燃料貯槽部と、前記第２の燃料電池の負極室から排出されるアルカリ水溶液と前記第２の燃料電池の正極室から排出されるアルカリ水溶液とを貯溜する貯溜部と、前記燃料貯槽部からの金属水素錯化合物のアルカリ水溶液と前記貯溜部からのアルカリ水溶液とを混合して前記第１の燃料電池の負極室に供給するための混合部と、前記燃料貯槽部からの金属水素錯化合物のアルカリ水溶液と前記貯溜部からのアルカリ水溶液との混合比を調整するための調整部と、を備えた構成としてもよい。
【００１２】
また本発明の他の燃料電池システムは、電解質層により、負極を備えた負極室と正極を備えた正極室とに区画され、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が負極室に供給されると共に酸素ガスが正極室に供給される第１の燃料電池と、
陰イオンを透過させる電解質層により負極を備えた負極室と正極を備えた正極室とに区画され、水素ガスが燃料として負極室に供給されると共に水分を含む酸素ガスが正極室に供給される第２の燃料電池と、
前記第２の燃料電池の負極は、第１の燃料電池の負極室の燃料液に対して空間を介して上方側に位置し、前記空間は第２の燃料電池の負極室を形成し、第１の燃料電池の負極室から発生した水素ガスが第２の燃料電池の負極室に供給されることを特徴とする。
【００１３】
なお、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としては例えば水素化ホウ素錯化合物が挙げられる。さらに本発明において「酸素ガスが正極室に供給される」とは、空気を正極室に供給する場合も含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、第１の燃料電池（ボロハイドライド燃料電池）の負極室にて生成された水素ガスを、第２の燃料電池（アルカリ型燃料電池）にて利用しているので運転効率が高い。
【００１５】
また第２の燃料電池において、正極室側からＯＨ−が移動して負極室にて水分（Ｈ2Ｏ）が生成され、燃料である水素ガスは必然的に加湿されるため、第１の燃料電池から第２の燃料電池に送られる水素ガスについては加湿する必要がない。さらに気液分離層を通過してきた水素ガスにはＮａ＋等のアルカリ金属イオンが混入しているが、当該アルカリ金属イオンは前記Ｈ2Ｏと反応して水酸化アルカリとなって排出されるため、アルカリ金属イオンが負極及び電解質層に付着するといったこともないのでアルカリ金属イオンを除去する必要がない。このため加湿器及びミスト除去手段が不要となることから第１の燃料電池と第２の燃料電池との直接接続構造、即ち第１の燃料電池の負極室と第２の燃料電池の負極室とを気液分離層を介して一体化させる構造を取ることができるので、燃料電池システムのコンパクト化を図ることができる。
【００１６】
さらに加湿エネルギーが不要なことから燃料電池システムを運転するのに必要なエネルギーが小さくなるのでエネルギー効率も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（本発明の第１の実施の形態）
図１は本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１の基本構成を示す図であり、この燃料電池システム１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と、水素（Ｈ2）ガスを燃料とするアルカリ型燃料電池とを直列に接続して構成されている。ボロハイドライド燃料電池は第１の燃料電池２に相当し、アルカリ型燃料電池は第２の燃料電池３に相当する。
【００１８】
前記第１の燃料電池２及び前記第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）内に一体的に収納されている。
【００１９】
先ず前記第１の燃料電池２の構成について説明すると、前記第１の燃料電池２は、負極２１と正極２２とを電解質層である電解質膜２３を介して対向配置し、負極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、また正極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。前記負極２１及び燃料流路２４は負極室２０ａを構成し、正極２２及び酸化剤流路２５は正極室２０ｂを構成している。
【００２０】
続いて前記第２の燃料電池３の構成について説明すると、前記第２の燃料電池３は、負極３１と正極３２とを陰イオンを透過させる電解質層である電解質膜３３を介して対向配置し、負極３１における電解質膜３３とは反対側の領域に燃料流路３４を、また正極３２における電解質膜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。前記負極３１及び燃料流路３４は負極室３０ａを構成し、酸化剤極３２及び酸化剤流路３５は正極室３０ｂを構成している。
【００２１】
そして前記第１の燃料電池２の負極室２０ａと前記第２の燃料電池３の負極室３０ａとの間には気体は通過するが、液体は通過しない気液分離層である気液分離膜４が介設されていて、この気液分離膜４により負極室２０ａ、負極室３０ａが仕切られている。即ち、後述するように第１の燃料電池２の負極室２０ａで生成された水素ガスが前記気液分離膜４を通って第２の燃料電池３の負極室３０ａに供給されるようになっている。前記気液分離層４としては、例えば微孔性ポリテトラフルオロエチレン膜など多孔質フッ素系樹脂膜が好ましく、また多孔質フッ素系樹脂膜と他の気体透過性材料例えば織布、不織布、フェルトなどとの積層複合体、さらにこれらに撥水性処理を施して用いてもよい。なおフッ素系樹脂としては、テトラフルオロエチレンとエチレン、パーフルオロアルキルビニールエーテルなどとの共重合体を挙げることができる。
【００２２】
前記燃料流路２４には燃料供給路４１及び燃料排出路４２が接続されている。前記燃料供給路４１には上流側から燃料貯槽部５、バルブＶ１、ポンプＰ１、混合部５１、バルブＶ２がこの順に接続されている。また前記混合部５１には戻り水供給管５２を介して後述するように前記第２の燃料電池の負極室３０ａ及び正極室３０ｂから排出されるアルカリ水溶液を貯溜するための貯溜部５３が接続されている。なお、正極室３０ｂから排出されるアルカリ水溶液には余剰燃料である酸素ガスも含まれているため、前記貯留部５３には当該貯留部５３内の気相部に溜まる酸素ガスを排気するための排気口が形成されている。前記戻り水供給管５２には、ポンプＰ２及びバルブＶ３が介設されている。なお、実施の形態においては、このアルカリ水溶液を戻り水と呼んで説明することにする。前記混合部５１は、燃料貯槽部５からの燃料と貯溜部５３からの戻り水とが十分混合されるように例えばコイル状の流路が形成され、両液が当該流路の出口側に達したときに十分混合される構成になっている。そして前記混合部５１で濃度が調整された燃料液である金属水素錯化合物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。
【００２３】
ここで金属水素錯化合物のアルカリ水溶液とは、具体的には金属水素錯化合物である例えば水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）をアルカリ水溶液である水酸化ナトリウム水溶液に例えば５〜２０重量％溶解させ、水酸化ナトリウムの濃度が例えば５〜２０重量％に調整された水溶液である。また金属水素錯化合物は水素化ホウ素ナトリウムに限られず、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）などを用いてもよい。またアルカリ水溶液は水酸化ナトリウムに限られず、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物を用いてもよい。
【００２４】
前記酸化剤流路２５には酸化剤供給路４４及び酸化剤排出路４５が接続され、酸化剤供給源６からバルブＶ４、ポンプＰ３及び酸化剤供給路４４を介して酸化剤流路２５に酸化剤、例えば酸素ガスが供給されるようになっている。前記酸化剤排出路４５の基端側は第２の燃料電池３に接続されており、この酸化剤排出路４５は、第２の燃料電池３から見ると酸化剤供給路に相当するため、この「４５」で示される酸化剤排出／供給路を便宜上、接続路と呼ぶことにする。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。
【００２５】
前記燃料流路３４には燃料排出路５０が接続され、後述するように負極３１において水酸化物イオン（ＯＨ−）と水素ガス（Ｈ2）との反応により生成された水（Ｈ2Ｏ）、具体的には後述するようにアルカリ水溶液が燃料流路３４を通って燃料排出路５０から排出されるようになっている。また前記排出路５０は貯溜部５３に接続されている。
【００２６】
前記酸化剤流路３５には上述した接続路４５及び酸化剤排出路５４が接続され、後述するように第１の燃料電池２の正極室２０ｂから排出されたアルカリイオンを同伴した水分を含む酸素ガスが前記接続路４５を介して酸化剤流路３５に供給されるようになっている。また前記排出路５４は貯溜部５３に接続されている。
【００２７】
前記第１の燃料電池２における電解質膜２３としては陽イオン交換膜などからなる高分子電解質膜を用いることができ、また前記第２の燃料電池３において電解質膜３３としては陰イオン交換膜などからなる高分子電解質膜を用いることができる。この陽イオン交換膜及び陰イオン交換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。また第２の燃料電池３において、陰イオン交換膜などの電解質膜の代わりに負極３１と正極３３との間を水酸化カリウム（ＫＯＨ）又は水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液などの電解質液を満たした構成であってもよい。
【００２８】
また、負極２１、３１及び正極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負極が用いられる。
【００２９】
さらに負極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。
【００３０】
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）、ＭｍＮｉ3.75Ｃｏ0.75Ｍｎ0.20Ａｌ0.30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、ＭｍＮｉ3.87Ｃｏ0.78Ｍｎ0.10Ａｌ0.38（但しＭｍはミッシュメタル）などである。
【００３１】
またこの燃料電池システム１は、後述する作用説明中で述べるように第１の燃料電池２の燃料流路２４に供給される金属水素錯化合物のアルカリ水溶液の濃度調整を行うためのプログラムを備えた制御部５５を有している。
【００３２】
次に上述の実施の形態の作用について図１及び図２を参照しながら説明する。前記酸化剤供給源６から酸化剤である例えば酸素ガスをポンプＰ３によって第１の燃料電池２の酸化剤流路２５に供給する。
【００３３】
一方燃料貯槽部５から混合部５１に、水酸化ナトリウム水溶液に水素化ホウ素ナトリウムを溶解させて既述のように調整した燃料液を所定の量供給すると共に、貯溜部５３から混合部５１に戻り水を所定の量供給する。運転の立ち上げ時においては、貯溜部５３内に例えば純水あるいはアルカリ濃度を調整したアルカリ水溶液を溜めておいてもよい。そして混合部５１内を通流することで上記２つの溶液が混合され、当該水酸化ナトリウム水溶液に溶解している水素化ホウ素ナトリウムの濃度を設定濃度となるように燃料液を調整する。具体例を挙げると、燃料貯槽部５からの水素化ホウ素ナトリウムの濃度が１０〜２０重量％の燃料液と、貯溜部５３からの戻り水とを混合して水素化ホウ素ナトリウムの濃度が５〜１５重量％の燃料液を得、この燃料液を第１の燃料電池２の燃料流路２４に供給する。この燃料は燃料流路２４を通流し、多孔質体である負極２１内に浸透していき、このとき下記の（１）式で示される８電子反応が主として起こり、また下記の（２）式で示される４電子反応も起っていると考えられる。
【００３４】
ＮａＢＨ4＋８ＮａＯＨ→ＮａＢＯ2＋６Ｈ2Ｏ＋８Ｎａ＋＋８ｅ−……（１）
ＮａＢＨ4＋４ＮａＯＨ→ＮａＢＯ2＋２Ｈ2Ｏ＋２Ｈ2＋４Ｎａ＋＋４ｅ−……（２）
このようにして負極２１から電子が、負極２１、正極２２間に接続された図示しない負荷に取り出されると共に、燃料中のナトリウムイオン（Ｎａ＋）が陽イオン交換膜からなる電解質膜２３を通って正極２２側に移動する。その際ナトリウムイオンは３〜５個の水（Ｈ2Ｏ）分子を同伴する。前記正極２２においては下記の（３）式に示すようにナトリウムイオンと水と酸化剤流路２５に供給された酸素とが反応することで水酸化ナトリウムが生成される。
【００３５】
２Ｏ2＋４Ｈ2Ｏ＋８Ｎａ＋＋８ｅ−→８ＮａＯＨ……（３）
このように酸化剤流路２５内で生成された水酸化ナトリウム水溶液と、反応には使われなかった余剰燃料（Ｏ2）とは、即ちナトリウムイオンを同伴した水分を含む酸素ガスは、接続路４５を介して第２燃料電池３の酸化剤流路３５に供給される。
【００３６】
また既述の（２）式に示すように上記燃料液と負極２１との電極反応により生成した水素ガスは気液分離膜４を通って第２の燃料電池３の負極室３０ａに移動し、下記の（４）式に示すように水素ガスと第２の燃料電池３の正極３２から移動してきた水酸化物イオン（ＯＨ−）とが反応することで水（Ｈ2Ｏ）と電子（ｅ−）が生成される。
【００３７】
２Ｈ2＋４ＯＨ−→４Ｈ2Ｏ＋４ｅ−……（４）
この電子は外部に接続された図示しない負荷を通って正極３２に受け渡される。また燃料流路３４内で生成された水は気液分離膜４を通過してきた水素ガスに混入しているＮａ＋等のアルカリ金属イオンと反応し貯溜部５３に送られる。
【００３８】
なお、前記燃料流路２４内で生成された生成物（ＮａＢＯ2、Ｈ2Ｏ）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から排出される。
【００３９】
第２の燃料電池３の正極３２では、下記の（５）式に示すように、負極３１、正極３２間に接続された負荷を通ってきた電子と、酸化剤流路３５に供給されたナトリウムイオンを同伴した水分を含む酸素ガスとが反応することで水酸化物イオン（ＯＨ−）が生成される。
【００４０】
Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−……（５）
この水酸化物イオンは上述したように陰イオン交換膜からなる電解質膜３３を通過して負極３１側に移動し、既述の（４）式の反応に寄与することになる。
【００４１】
したがって、燃料電池３の全体の反応としては、下記の（６）式に示すように、水素が酸素と反応して、水が生成する反応が生じる。
【００４２】
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ……（６）
また前記酸化剤流路３５で反応に使われなかったナトリウムイオンを同伴する水分（アルカリ水溶液）は余剰燃料である酸素ガスと共に酸化剤排出路５１を介して貯溜部５３に送られる。
【００４３】
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の負極室２０ａにて生成された水素ガスを、第２の燃料電池（アルカリ型燃料電池）３にて利用しているので運転効率が高い。
【００４４】
また第２の燃料電池３において、正極室３０ｂ側からＯＨ−が移動して負極室３０ａにてＨ2Ｏが生成されるため、第１の燃料電池２から第２の燃料電池３に送られる水素ガスについては前記Ｈ2Ｏによって必然的に加湿されることから、別途加湿する必要がない。さらに気液分離膜４を通過してきた水素ガスにはＮａ＋等のアルカリ金属イオンが混入しているが、当該アルカリ金属イオンは、負極室３０ａにて生成された前記Ｈ2Ｏと反応して水酸化アルカリとなるため、アルカリ金属イオンが負極３１及び電解質膜３３に付着析出して、これらを劣化させるおそれがなく、従ってアルカリ金属イオンを除去する必要がない。このため加湿器及びミスト除去手段が不要となり、この結果第１の燃料電池２と第２の燃料電池３との直接接続構造、即ち第１の燃料電池２の負極室２０ａと第２の燃料電池３の負極室３０ａとを気液分離膜４を介して一体化させる構造を取ることができるので、燃料電池システムのコンパクト化を図ることができる。
【００４５】
さらに加湿エネルギーが不要なことから燃料電池システムを運転するのに必要なエネルギーが小さくなるのでエネルギー効率も向上する。
【００４６】
また上述の実施の形態によれば、第２の燃料電池３の負極室３０ａ及び正極室３０ｂから排出されるアルカリ水溶液例えば水酸化ナトリウム水溶液をいわばフィードバックして、その戻り水と燃料貯槽部５に蓄えられている水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液（燃料液）とを混合して燃料の濃度を調整して第１の燃料電池２の燃料流路２４に供給するようにしているので、燃料電池から排出されるアルカリ水溶液を再利用することができる。このためアルカリ水溶液の使用量を抑えることができるので、低コスト化に寄与する。なお、ここでいう燃料の濃度とは、水素化ホウ素ナトリウムの濃度及びアルカリ濃度を指すが、例えばアルカリ濃度は概ねある許容範囲に入っているものとして、水素化ホウ素ナトリウムの濃度の調整のみを目的とする場合も本発明の範囲に含まれる。
（本発明の第２の実施の形態）
続いて図１の構成をより具現化した例について図３から図５を参照しながら説明する。図３は前記第１の燃料電池２と前記第２の燃料電池３とを、互いに対向する一対のプレートの間に設け、一つの燃料電池スタックとして構成した例を示している。以下の説明において、図１に相当する部分については便宜上同じ符号を付しておく。図３中６Ａ及び６Ｂは、例えば導電性材料からなるセパレータである。前記セパレータ６Ａの一方の面には、前記気液分離膜４によって第１の領域８ａと第２の領域８ｂとに分割されており、図４に示すように第１の領域８ａには、屈曲路をなす溝６０が形成され、この溝６０は金属水素錯化合物のアルカリ水溶液が通流するための流路であると共に、第２の領域８ｂには網目状の路をなす溝６１が形成され、この溝６１は水素ガス及びアルカリ水溶液が通流するための流路である。前記流路（溝）６０は先の実施の形態において燃料流路２４に相当し、前記流路（溝）６１は先の実施の形態において燃料流路３４に相当する。
【００４７】
また図４に示すように前記セパレータ６Ａにおける流路６０の左下端には供給口６０ａが形成されており、前記流路６０の右上端には排出口６０ｂが形成されている。従って前記流路６０の左下端の供給口６０ａに供給された金属水素錯化合物のアルカリ水溶液は当該流路６０を流れて排出口６０ｂから排出される。さらに前記セパレータ６Ａにおける流路６１の右下端には排出口６１ａが形成されており、先の実施の形態で述べたように気液分離膜４を透過した水素ガスが当該流路６1内に拡散されると共に第２の燃料電池３の負極３１の電極反応により生成した水（アルカリ水溶液）が当該流路６１を流れて排出口６１ｂから排出される。
【００４８】
前記セパレータ６Ｂの一方の面には、屈曲路をなす溝６２が形成されており、この溝６２は酸素ガスが通流するための流路である。前記流路（溝）６２はセパレータ６Ａに形成された第１の領域８ａと第２の領域８ｂとの投影領域に形成されており、第１の燃料電池２の正極２２に酸素ガスを供給するための流路と第２の燃料電池の正極３２に酸素ガスを供給するための流路とが共通化されている。また図３に示すように前記セパレータ６Ｂにおける流路６２の左上端には供給口６２ａが形成されており、前記流路６２の右下端には排出口６２ｂが形成されている。従って前記流路６２の左上端の供給口６２ａに供給された酸素ガスは当該流路６２を流れ、そして先の実施の形態で述べたように第１の燃料電池２の正極２２の電極反応により生成した水（アルカリ水溶液）が当該流路６２の排出口６２ｂから排出される。なお、前記流路６２は先の実施の形態において酸化剤流路２５及び酸化剤流路３５に相当する。
【００４９】
図３中７Ａ及び７Ｂは、ガスケットであり、当該ガスケット７Ａ及び７Ｂの面には、第１の領域８ａと対向する部分に窓７１ａ及び７２ａが夫々形成されていると共に第２の領域８ｂと対向する部分に窓７１ｂ及び７２ｂが夫々形成されている。前記ガスケット７Ａの窓部７１ａには第１の燃料電池２の負極２１が密に嵌合されており、前記ガスケット７Ａの窓部７１ｂには第２の燃料電池３の負極３１が密に嵌合されている。また前記ガスケット７Ｂの窓部７２ａには第１の燃料電池２の正極２２が密に嵌合されており、前記ガスケット７Ｂの窓部７２ｂには第２の燃料電池３の正極３２が密に嵌合されている。さらに前記負極２１と前記正極２２との間には電解質膜２３が配置されると共に前記負極３１と前記正極３２との間には電解質膜３３が配置されている。こうして前記セパレータ６Ａに形成された第１の領域８ａと対向する部分には負極２１、電解質膜２３、正極２２がこの順に積層されると共に前記セパレータ６Ａに形成された第２の領域８ｂと対向する部分には負極３１、電解質膜３３、正極３２がこの順に積層され、これらは例えば接着剤などで互いに固定されている。なお、図３においてバルブＶ１〜Ｖ４は便宜上省略してある。
【００５０】
この燃料電池スタックでは、図５に示すように金属水素錯化合物のアルカリ水溶液が燃料供給路４１から供給口６０ａを介して流路６０に供給されると共に酸素ガスが酸化剤供給路４４から供給口６２ａを介して流路６２に供給されると、既述の（２）式に示すように第１の燃料電池２の負極２１の電極反応により水素ガスが発生し、当該水素ガスは気液分離膜４を透過して流路６１内に拡散され、第２の燃料電池３の正極３２から移動してきた水酸化物イオン（ＯＨ−）と反応することで既述の（４）式に示すように水（アルカリ水溶液）が生成される。この水は流路６１を通流して流路６１の排出口６１ａから排出される。また酸素ガスが流路６２を通流するに当たって、第１の領域８ａの投影領域を通流したときには第１の燃料電池２の負極２１から移動してきたナトリウムイオン（Ｎａ＋）と反応することで既述の（３）式に示すように水酸化ナトリウム水溶液が生成し、第２の領域８ｂの投影領域を通流したときには既述の（５）式に示すように第２の燃料電池３の正極３２の電極反応により水酸化物イオン（ＯＨ−）が生成し、この水酸化物イオンは電解質膜３３を通過して負極３１側に移動する。そして水酸化ナトリウム水溶液は流路６２を通流して流路６２の排出口６２ａから排出される。このようにプレートを第１の領域８ａ及び第２の領域８ｂに分割して各領域を第１の燃料電池２の負極室及び第２の燃料電池３の負極室に割り当て、また正極室を共通化することにより、薄型の燃料電池システムを構成することができる。
【００５１】
また図６に示すように、図３に示した燃料電池スタックを複数枚例えば５枚配列し、ポンプＰ１によって金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を燃料供給路４１を介してセパレータ６Ａの一方の面に形成された流路６０の各々に分配供給すると共にポンプＰ３によって酸素ガスを酸化剤供給路４４を介してセパレータ６Ｂの一方の面に形成された流路６２の各々に分配供給する構成であってもよい。なお、図６においてバルブＶ１〜Ｖ３は便宜上省略してある。このような構成にすれば、スタックの数を調整することで所望の電力量を負荷に供給することができる。
（本発明の第３の実施の形態）
本発明の他の実施の形態について、図７を用いて説明する。図７は本発明の他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る。なお、以下の説明において図１と同じ構成にある部分については便宜上同じ符号を付してある。図７中７０は例えば絶縁材からなるケース体である。前記ケース体７０内の下方側には電解質膜２３が設置されており、当該電解質膜２３により負極２１を備えた負極室２０ａと正極２２を備えた正極室２０ｂとに区画され、ボロハイドライド燃料電池（第１の燃料電池２）として構成されていると共に前記ケース体７０の上方側には電解質膜３３が設置されており、当該電解質膜３３により負極３１を備えた負極室３０ａと正極３２を備えた正極室３０ｂとに区画され、アルカリ型燃料電池（第２の燃料電池３）として構成されている。
【００５２】
先ず第１の燃料電池２の構成について説明すると、前記正極室２０ｂには板状の正極２２がその一面側を電解質膜２３に接触するように設けられると共に、前記正極２２と他面側のケース体７０との間には、酸化剤である酸素ガスの流路部７１をなす空間が形成されている。この流路部７１の一端側及び他端側には酸化剤供給路４４及び酸化剤排出路４５が夫々接続されており、前記酸化剤供給路４４には上流側から酸化剤供給源６、バルブＶ４及びポンプＰ３がこの順に設けられている。前記酸化剤排出路（接続路）４５の基端側は後述する流路部７２に接続されている。
【００５３】
前記負極室２０ａには板状の負極２１がその一面側を電解質膜２３に接触するように設けらている。また前記負極室２０ａには金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液Ｄが満たされている。
【００５４】
続いて第２の燃料電池の構成について説明すると、前記正極室３０ｂには板状の正極３２がその一面側を電解質膜３３に接触するように設けられると共に、前記正極３２と他面側のケース体７０との間には、水分を含む酸素ガスの流路部７２をなす空間が形成されている。この流路部７２の一端側及び他端側には接続路４５及び酸化剤排出路５４が夫々接続されている。
【００５５】
前記負極室３０ａには板状の負極３１がその一面側を電解質膜３３に接触するように設けられると共に、前記負極３１と前記負極室２０ａに満たされている燃料液Ｄの液面との間には、水素ガスの供給部７３をなす空間が形成されている。
【００５６】
続いて上述の実施の形態の作用について述べる。前記酸化剤供給源６から酸化剤である例えば酸素ガスをポンプＰ３によって第１の燃料電池２の流路部７２に供給すると、第１の燃料電池２の負極室２０ａでは既述の（２）式に示すように燃料液Ｄと負極２１との電極反応により水素ガスが生成される。当該水素ガスは燃料液Ｄ中から第２の燃料電池３の供給部７３に向かって移動する。即ち燃料液Ｄの液面から水素ガスが放出され、第２の燃料電池２の供給部７３に水素ガスが供給されることになる。
【００５７】
そして燃料中のナトリウムイオンが電解質膜２３を通って正極２２側に移動し、既述の（３）式のように第１の燃料電池２の流路部７１では水酸化ナトリウム水溶液が生成する。前記流路部７１において水酸化ナトリウムと、反応には使われなかった余剰燃料（Ｏ2）とは、即ちナトリウムイオンを同伴した水分を含む酸素ガスは、接続路４５を介して第２の燃料電池の流路部７２に供給される。
【００５８】
第２の燃料電池３の流路部７２にナトリウムイオンを同伴した水分を含む酸素ガスが供給されると、既述の（５）式に示すように第２の燃料電池３の正極３２の電極反応により水酸化物イオン（ＯＨ−）が生成し、この水酸化物イオンは電解質膜３３を通過して負極３１側に移動する。
【００５９】
そして第２の燃料電池３の供給部７３に供給された水素ガスと正極３２側から移動してきた水酸化物イオンとによって既述の（４）式に示すように水（アルカリ水溶液）が生成される。当該水は重力によって下方側の第１の燃料電池２の負極室２０ａに満たされている燃料液Ｄに落下することになる。
【００６０】
このような構成にある燃料電池システムであっても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
また図８に示すように、一方の第１の燃料電池２の流路部７１の一端側及び第２の燃料電池３の流路部７２の一端側に他方の第１の燃料電池２の流路部７１の一端側及び第２の燃料電池３の流路部７２の一端側を夫々並列に連結した構成であってもよい。このような構成の場合、一方の第１の燃料電池２の流路部７１に供給された酸素ガスは他方の第１の燃料電池の流路部７１にも供給されると共に、他方の第２の燃料電池３の流路部７２に供給された水分を含む酸素ガスは一方の第２の燃料電池３の流路部７２にも供給されることになる。このような構成にすれば、より多くの電気量を負荷に供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】上記の実施の形態の作用を示す説明図である。
【図３】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４】上記燃料電池システムに用いられるセパレータを示す概略平面図である。
【図５】上記の実施の形態の作用を示す説明図である。
【図６】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７】本発明の実施の形態に係る他の燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る他の燃料電池システムを示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００６３】
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（アルカリ型燃料電池）
３１  燃料極
３２  酸化剤極
３３  電解質膜
３４  燃料流路
３５  酸化剤流路
４    気液分離膜
４２  燃料排出路
６Ａ、６Ｂ  セパレータ
７Ａ、７Ｂ  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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【図７】
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【図８】
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