(57)【要約】【課題】アニオン交換電解質の中和を抑制できるアルカリ形燃料電池システムを提供する。【解決手段】アニオン交換電解質膜を用いたアルカリ形燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、前記アルカリ形燃料電池に供給する燃料のｐＨを測定または推定するｐＨ測定手段と、前記ｐＨ測定手段の測定結果または推定結果に基づき、前記アルカリ形燃料電池に供給する燃料にアルカリ性溶液を添加し、燃料のｐＨを制御するｐＨ制御手段を備えることを特徴とする。【選択図】  図２
2013097937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アニオン交換電解質膜を用いたアルカリ形燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
前記アルカリ形燃料電池に供給する燃料のｐＨを測定または推定するｐＨ測定手段と、
前記ｐＨ測定手段の測定結果または推定結果に基づき、前記アルカリ形燃料電池に供給する燃料にアルカリ性溶液を添加し、燃料のｐＨを制御するｐＨ制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記ｐＨ測定手段が燃料のｐＨを電位差測定により計測する手段であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記ｐＨ測定手段が燃料のｐＨを半導体センサにより計測する手段であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、燃料がブロムチモールブルー（ＢＴＢ）もしくはフェノールフタレイン溶液の少なくとも１つを含み、前記ｐＨ測定手段が燃料溶液の色による吸光度変化により燃料のｐＨを計測する手段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に記載の燃料電池システムにおいて、前記ｐＨ測定手段は、燃料中に浸漬されたアニオン交換膜と、前記アニオン交換膜の抵抗を測定する抵抗測定装置を有し、アニオン交換膜の抵抗値変化により、燃料のｐＨを計測す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に記載の燃料電池システムにおいて、前記ｐＨ測定手段がアノード表面のｐＨを半導体センサにより計測する手段であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、アルカリ性溶液が、酸性溶液で破壊される膜により燃料溶液と分離されており、燃料が酸性になった場合に、膜が破壊され、アルカリ性溶液が燃料中に混合されることで燃料のｐＨを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、アルカリ性溶液を燃料溶液と分離している蓋が酸により収縮もしくは破壊される高分子により抑えられており、燃料が二酸化炭素により酸性になった場合に、高分子が収縮もしくは破壊され、アルカリ性溶液が燃料中に混合されることで燃料のｐＨを制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記アルカリ形燃料電池に供給する燃料を貯蔵する燃料タンクを備え、前記ｐＨ制御手段により前記燃料タンク内の燃料のｐＨを７〜１４に制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記アルカリ形燃料電池に供給する燃料を貯蔵する燃料タンクを備え、前記燃料タンクの燃料溶液中にブロムチモールブルー（ＢＴＢ）溶液を含み、前記ＢＴＢ溶液の色による吸光度変化を基に、アルカリ性溶液の添加量を制御する燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記アルカリ形燃料電池に供給する燃料を貯蔵する燃料タンクと、前記燃料タンク内にアニオン交換膜および前記アニオン交換膜の抵抗値を測定する抵抗測定装置を有し、前記燃料タンク内のアニオン交換膜の抵抗値を基に、アルカリ性溶液の添加量を制御する燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池セルの発電電圧または抵抗値を基に、アルカリ性溶液の添加量を制御する燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアルカリ形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電効率が高く、環境性に優れており、現在、大きな課題となっている環境問題、エネルギ問題の解決に貢献可能な次世代の発電装置として期待されている。
【０００３】
こうした燃料電池の中で、アニオン交換電解膜を用いるアルカリ形燃料電池は、カチオン交換電解質膜を用いる酸形燃料電池のように燃料電池内部が強酸性雰囲気にならないため、触媒に貴金属以外の金属を使用できることで注目されている。
【０００４】
アルカリ形燃料電池では、アノードに水素や、メタノール、アンモニア等が燃料として供給され、カソードに酸素や空気が酸化剤として供給される。ここで、カソードに供給される空気には二酸化炭素が含まれおり、（１）式に示すように、アルカリ性のアニオン交換電解質が中和されて、イオン伝導度が低下することが問題となっている。
２ＯＨ-＋ＣＯ2→ＣＯ32-＋Ｈ2Ｏ                     …（１）
【０００５】
また、メタノール等のアルコールを燃料として用いた場合にも、（２）式に示した反応のように、発電中に二酸化炭素が生成するため、同様にアルカリ性のアニオン交換電解質が中和されて、イオン伝導度が低下することが問題となっている。
ＣＨ3ＯＨ＋６ＯＨ-→ＣＯ3＋５Ｈ2Ｏ＋６ｅ-          …（２）
【０００６】
このようなアニオン交換電解質の中和を抑制する手法としては、例えば特許文献１に記載のように、燃料電池に電圧を印加し、水酸化物イオンを生成させる方法がある。また特許文献２では、アルカリ形燃料電池の燃料であるエタノールにアルカリ性溶液である水酸化カリウムや水酸化ナトリウムなどのイオン伝導性を有する材料を混合する方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１８２５８９号公報
【特許文献２】特開２００８−２１８３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、電圧を印加する方法では、電圧を印加して水酸化物イオンを生成させるためには１.５Ｖ以上の電圧を印加する必要があり、その結果、電解質や電極の劣化が進行することが想定される。
【０００９】
また、アルカリ性溶液である水酸化カリウムを添加した燃料を用いる場合、燃料が酸性にならないように燃料のｐＨを高くする必要がある。その結果、燃料の取り扱いに注意を要する必要があり、また燃料電池システムで用いる燃料タンクや配管の種類が限られ、さらに燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記のような課題を踏まえ、アニオン交換電解質の中和を抑制できるアルカリ形燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る実施態様の１つであるアニオン交換電解質膜を用いたアルカリ形燃料電池を備える燃料電池システムは、アルカリ形燃料電池に供給する燃料のｐＨを測定または推定するｐＨ測定手段と、ｐＨ測定手段の測定結果または推定結果に基づき、アルカリ形燃料電池に供給する燃料にアルカリ性溶液を添加し、燃料のｐＨを制御するｐＨ制御手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、アニオン交換電解質の中和を抑制できるアルカリ形燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る燃料電池セルの断面模式図。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの模式図。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す模式図。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す模式図。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す模式図。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す模式図。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す模式図。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す模式図。
【図９】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す模式図。
【図１０】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す模式図。
【図１１】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す模式図。
【図１２】本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明について詳述する。
【００１５】
本発明の燃料電池システムの構成を更に詳細に説明する。
【００１６】
本発明はアニオン交換電解質膜と、前記アニオン交換電解質膜の一方の面上に設けられた触媒とアニオン交換電解質を含むアノードと、前記アニオン交換電解質膜の他方の面上に設けられた触媒とアニオン交換電解質を含むカソードと、燃料を供給する部材と、空気を供給する部材と、集電用部材と、を備える燃料電池システムにおいて、アルカリ形燃料電池に供給する燃料のｐＨを測定または推定するｐＨ測定手段と、ｐＨ測定手段の測定結果または推定結果に基づき、アルカリ形燃料電池に供給する燃料にアルカリ性溶液を添加し、燃料のｐＨを制御するｐＨ制御手段を有する燃料電池システムである。燃料のｐＨを測定または推定しながらｐＨを調整するため、燃料タンク内の燃料を必要以上に高いｐＨにする必要がなくなり、燃料の取り扱いが容易になり、また燃料電池システムで用いる燃料タンクや配管の種類が限られ、さらに燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題は起こらなくなる。
【００１７】
本発明の燃料電池システムで用いられるアニオン交換電解質膜は、アニオンを伝導する特性を有していれば特に限定されず、公知の如何なるものでもよい。このようなアニオン交換電解質膜としては、一般にアニオン交換電解質のみからなる膜と基材となる多孔質膜にアニオン交換樹脂を含浸させたものがある。このようなアニオン交換電解質としては１〜３級アミノ基、４級アンモニウム基、４級ホスホニウム基、４級ピリジニウム基、ピリジル基、ホスファゼン基などのアニオン交換基を有する高分子材料を用いることが好ましい。また、アノードとカソードに含まれるアニオン交換電解質と、アニオン交換電解質膜は、同一の材料を用いても良いし、異なる材料であっても良い。
【００１８】
本発明の燃料電池システムで用いられるアノードの触媒は、燃料を酸化する触媒活性を有していれば特に限定されるものではないが、水素、メタノール、およびエタノールを燃料として用いる場合には白金、パラジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケルやこれらの合金などを用いることができる。また、これらの触媒はカーボンブラック、活性炭等のカーボン担体に担持されていても良い。また、カソードは酸素を還元する触媒とアニオン交換電解質を含む電極である。カソードの触媒は、酸素を還元する触媒活性を有していれば特に限定されるものではないが、白金、金、パラジウム、鉄、コバルト、ニッケルやこれらの合金などを用いることができ、アノードと同様にカーボン担体に担持されていても良い。
【００１９】
本発明の燃料電池システムで用いられる燃料としては、特に制限はないが、一般にはメタノール、エタノール等のアルコール、アンモニア、ヒドラジンやこれらの水溶液のほかに、水素が挙げられる。
【００２０】
本発明の燃料電池システムでＰＨ制御のために用いられるアルカリ性溶液としては、アルカリ性の水溶液であれば特に制限はないが、アルカリ金属の水酸化物もしくはアルカリ土類金属の水酸化物のうち少なくとも１つの化合物を含む水溶液であることが好ましい。
例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素ナトリウムから選ばれる少なくとも１つの化合物を含む水溶液であることが好ましい。
【００２１】
本発明の燃料電池システムにおける燃料のｐＨ測定手段としては、電位差測定によるｐＨ測定、半導体センサによるｐＨ測定、ブロムチモールブルー（ＢＴＢ）溶液もしくはフェノールフタレイン溶液等のｐＨにより色が変化する溶液を添加することで吸光度変化を利用したｐＨ測定、アニオン交換膜の抵抗変化によるＰＨ測定によって燃料のｐＨを測定または推定する手段である。
【００２２】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料のｐＨ制御手段の一つとしては、ｐＨ測定手段で測定されたｐＨを基にアルカリ性溶液の添加量を制御し、ｐＨを調整する手段が挙げられる。また、ｐＨを基にしないでも、燃料のｐＨを推定できる電位差測定での電位差、半導体センサの測定値、溶液の吸光度測定での吸光度、アニオン交換膜の抵抗、燃料電池の発電性能、燃料電池スタックまたは燃料電池セルの抵抗を基にアルカリ性溶液の添加量を制御し、ＰＨを制御する手段が挙げられる。
【００２３】
また、燃料溶液へアルカリ性溶液を添加する方法としては、アルカリ性溶液が、酸性溶液で破壊される膜により燃料溶液と分離されており、燃料が二酸化炭素により酸性になった場合に、膜が破壊され、アルカリ性溶液が燃料中に混合されることでＰＨを制御することも可能である。また、アルカリ性溶液を燃料溶液と分離している蓋が酸により収縮もしくは破壊される高分子により抑えられており、燃料が二酸化炭素により酸性になった場合に、高分子が収縮もしくは破壊され、アルカリ性溶液が燃料中に混合されることでｐＨを制御することも可能である。
【００２４】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料タンク内の燃料のｐＨは７〜１４に制御することが好ましい。
【００２５】
図１に本発明に係る燃料電池セルの断面模式図を示す。燃料電池セルとは燃料電池システムの一部である。アニオン交換電解質膜１の両面にアノード２とカソード３が配置された膜／電極接合体をアノード集電体４とカソード集電体５で挟み、ガスケット６によりシールされる。また、アノード集電体４とカソード集電体５は、外部回路７を介して接続される。ここで、アノード２は燃料を酸化する触媒とアニオン交換電解質を含む電極である。また、カソード３は酸素を還元する触媒とアニオン交換電解質を含む電極である。また、図示していないが、アノード２とアノード集電体４の間、カソード３とカソード集電体５の間に拡散層を配置しても良い。ここで、拡散層はカーボンペーパー、カーボンクロスなどを用いることができる。
【００２６】
図２に本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。本発明に係る燃料電池システムにおいて燃料電池セル８のアノードには燃料タンク９から配管１１を通して燃料が供給されるが、燃料タンク９にアルカリ性溶液を投入可能な部位１０を有しており、この部分からアルカリ性溶液を投入することで、燃料のｐＨを調整可能である。本システムにおいては、燃料タンク９内にある燃料のｐＨを調整するために、燃料タンク９に燃料へアルカリ性溶液する部位１０を有する。燃料タンク９においてアルカリ性溶液の投入が可能であるため、燃料のｐＨ調整が可能である。ｐＨの調整が可能であるため、燃料を必要以上に高いｐＨにする必要がなくなる。その結果、燃料の取り扱いが容易になり、また燃料電池システムで用いる燃料タンクや配管の種類が限られ、さらに燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題は起こらなくなる。ここで、タンク内にアルカリ性溶液を入れると、タンク内の燃料のｐＨを均一に保つことが可能であり、燃料のｐＨを常に均一に保つことで、性能も一定に保つことが可能である。
【００２７】
図３に本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。本発明に係る燃料電池システムにおいて燃料電池セル８のアノードには燃料タンク９から配管１１を通して燃料が供給されるが、燃料を燃料電池セルに供給する配管１１にアルカリ性溶液を投入可能な部位１２を有しており、この部分からアルカリ性溶液を投入することで、燃料のｐＨを調整可能である。本システムにおいては、燃料電池セル８に投入する燃料のｐＨを調整するために、配管部１２で燃料へアルカリ性溶液を添加する機能を有する。配管部１２でアルカリ性溶液の投入が可能であるため、燃料のｐＨ調整が可能である。ｐＨの調整が可能であるため、燃料を必要以上に高いｐＨにする必要がなくなる。その結果、燃料の取り扱いが容易になり、また燃料電池システムで用いる燃料タンクや配管の種類が限られ、さらに燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題は起こらなくなる。ここで、燃料配管内にアルカリ性溶液を入れると、燃料配管を通る燃料のｐＨを調整することができ、必要以上のアルカリ性溶液を入れる必要がない。また、アルカリ性溶液を添加することで、性能を一定に保つことが可能である。
【００２８】
図４に本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。本発明に係る燃料電池システムにおいて燃料電池セル８のアノードには燃料タンク９から配管１１を通して燃料が供給されるが、燃料タンク９と燃料を燃料電池セルに供給する配管１１にアルカリ性溶液を投入可能な部位１０、１２を有しており、この部分からアルカリ性溶液を投入することで、燃料のｐＨを調整可能である。本システムにおいては、燃料電池セル８に投入する燃料のｐＨを調整するために、燃料タンク９にアルカリ性溶液を投入する部位１０を有し、かつ配管部１２で燃料へアルカリ性溶液を添加する機能を有する。燃料のｐＨを調整するために、燃料タンク内の燃料へアルカリ性溶液を添加する機能を有する。燃料タンクにアルカリ性溶液の投入が可能であるため、燃料のｐＨ調整が可能である。燃料タンク９や配管部１２においてアルカリ性溶液の投入が可能であるため、燃料電池セル８に投入する燃料のｐＨ調整が可能である。ｐＨの調整が可能であるため、燃料を必要以上に高いｐＨにする必要がなくなる。その結果、燃料の取り扱いが容易になり、また燃料電池システムで用いる燃料タンクや配管の種類が限られ、さらに燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題は起こらなくなる。ここで、本システムにおいては、タンク内と、燃料配管内の両方でアルカリ性溶液を入れることが可能である。そのため、タンク内で燃料のｐＨ調整が可能であるが、さらに燃料配管を通る燃料のｐＨを調整することができ、必要以上のアルカリ性溶液を入れる必要がない。また、アルカリ性溶液を添加することで、ｐＨを均一に保つことが可能であり、性能を一定に保つことが可能である。
【００２９】
図５に本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。本発明に係る燃料電池システムにおいて燃料電池セル８のアノードには燃料タンク９から配管１１を通して燃料が供給されるが、燃料タンク９と燃料を燃料電池セルに供給する配管１１のいずれかまたは両方にアルカリ性溶液を投入可能な部位１０、１２を有しており、電位差測定器１３による測定値に基づいてアルカリ性溶液を投入することで、燃料のｐＨを調整可能である。本システムにおいては、燃料セル８に投入する燃料のｐＨを調整するために、燃料タンク９に燃料へアルカリ性溶液する部位１０を有するか、もしくは、配管部１２で燃料へアルカリ性溶液を添加する機能を有する。また、燃料タンク９において電位差測定器１３を有しているためｐＨの測定結果に基づきｐＨの調整が可能であるため、燃料を必要以上に高いｐＨにする必要がなくなる。その結果、燃料の取り扱いが容易になり、また燃料電池システムで用いる燃料タンクや配管の種類が限られ、さらに燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題は起こらなくなる。ここで、本システムにおいては、タンク内のｐＨを電位差測定器により正確に測定することが可能であることが特徴である。
【００３０】
図６に本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。本発明に係る燃料電池システムにおいて燃料電池セル８のアノードには燃料タンク９から配管１１を通して燃料が供給されるが、燃料タンク９と燃料を燃料電池セルに供給する配管１１のいずれかまたは両方にアルカリ性溶液を投入可能な部位１０、１２を有しており、電位差測定器１４による測定値に基づいてアルカリ性溶液を投入することで、燃料のｐＨを調整可能である。本システムにおいては、燃料セル８に投入する燃料のｐＨを調整するために、燃料タンク９に燃料へアルカリ性溶液する部位１０を有するか、もしくは、配管部１２で燃料へアルカリ性溶液を添加する機能を有する。また、燃料セル８において電位差測定器１４を有しているため、ｐＨの測定結果に基づきｐＨの調整が可能であるため、燃料を必要以上に高いｐＨにする必要がなくなる。その結果、燃料の取り扱いが容易になり、また燃料電池システムで用いる燃料タンクや配管の種類が限られ、さらに燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題は起こらなくなる。ここで、本システムにおいては、電位差測定器を燃料電池セル８に配置しており、電池セルそのものに投入される燃料のｐＨを連続的に正確に測定することが可能であり、必要以上のアルカリ性溶液を入れることがなくなる。その結果、燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題は起こらなくなる。
【００３１】
図７に本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。本発明に係る燃料電池システムにおいて燃料電池セル８のアノードには燃料タンク９から配管１１を通して燃料が供給されるが、燃料タンク９と燃料を燃料電池セルに供給する配管１１のいずれかまたは両方にアルカリ性溶液を投入可能な部位１０、１２を有しており、半導体センサ１５による測定値に基づいてアルカリ性溶液を投入することで、燃料のｐＨを調整可能である。本システムにおいては、燃料セル８に投入する燃料のｐＨを調整するために、燃料タンク９に燃料へアルカリ性溶液する部位１０を有するか、もしくは、配管部１２で燃料へアルカリ性溶液を添加する機能を有する。また、燃料タンク９において半導体センサ１５を有しているためｐＨの測定結果に基づきｐＨの調整が可能であるため、燃料を必要以上に高いｐＨにする必要がなくなる。その結果、燃料の取り扱いが容易になり、また燃料電池システムで用いる燃料タンクや配管の種類が限られ、さらに燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題は起こらなくなる。ここで、本システムにおいては、タンク内のｐＨを半導体センサにより正確に測定することが可能であり、半導体センサは小型であるため、燃料タンク内の容積を小さくすることができる。
【００３２】
図８に本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。本発明に係る燃料電池システムにおいて燃料電池セル８のアノードには燃料タンク９から配管１１を通して燃料が供給されるが、燃料タンク９と燃料を燃料電池セルに供給する配管１１のいずれかまたは両方にアルカリ性溶液を投入可能な部位１０、１２を有しており、半導体センサ１６による測定値に基づいてアルカリ性溶液を投入することで、燃料のｐＨを調整可能である。本システムにおいては、燃料セル８に投入する燃料のｐＨを調整するために、燃料タンク９に燃料へアルカリ性溶液する部位１０を有するか、もしくは、配管部１２で燃料へアルカリ性溶液を添加する機能を有する。また、燃料セル８において半導体センサ１６を有しているため、ｐＨの測定結果に基づきｐＨの調整が可能であるため、燃料を必要以上に高いｐＨにする必要がなくなる。その結果、燃料の取り扱いが容易になり、また燃料電池システムで用いる燃料タンクや配管の種類が限られ、さらに燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題は起こらなくなる。ここで、本システムにおいては、半導体センサを燃料電池セル８に配置しており、電池セルそのものに投入される燃料のｐＨを連続的に正確に測定することが可能であり、必要以上のアルカリ性溶液を入れることがなくなる。その結果、燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題は起こらなくなる。また半導体センサは小型であるため、燃料電池セルへの影響は小さい。
【００３３】
図９に本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。本発明に係る燃料電池システムにおいて燃料電池セル８のアノードには燃料タンク９から配管１１を通して燃料が供給されるが、燃料タンク９と燃料を燃料電池セルに供給する配管１１のいずれかまたは両方にアルカリ性溶液を投入可能な部位１０、１２を有しており、また燃料中にＢＴＢ溶液もしくはフェノールフタレイン溶液を含み、吸光度測定器１７による燃料の吸光度測定値に基づいてアルカリ性溶液を投入することで、燃料のｐＨを調整可能である。本システムにおいては、燃料セル８に投入する燃料のｐＨを調整するために、燃料タンク９に燃料へアルカリ性溶液する部位１０を有するか、もしくは、配管部１２で燃料へアルカリ性溶液を添加する機能を有する。また、燃料タンク９において吸光度測定器１７による燃料の吸光度測定値に基づいてｐＨの調整が可能であるため、燃料を必要以上に高いｐＨにする必要がなくなる。その結果、燃料の取り扱いが容易になり、また燃料電池システムで用いる燃料タンクや配管の種類が限られ、さらに燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題は起こらなくなる。
【００３４】
図１０に本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。本発明に係る燃料電池システムにおいて燃料電池セル８のアノードには燃料タンク９から配管１１を通して燃料が供給されるが、燃料タンク９と燃料を燃料電池セルに供給する配管１１のいずれかまたは両方にアルカリ性溶液を投入可能な部位１０、１２を有しており、アニオン交換膜およびその抵抗測定器１８の抵抗値に基づきアルカリ性溶液を投入することで、燃料のｐＨを調整可能である。本システムにおいては、燃料セル８に投入する燃料のｐＨを調整するために、燃料タンク９に燃料へアルカリ性溶液する部位１０を有するか、もしくは、配管部１２で燃料へアルカリ性溶液を添加する機能を有する。また、燃料タンク９においてアニオン交換膜およびその抵抗測定器１８の抵抗値に基づきｐＨの調整が可能であるため、燃料を必要以上に高いｐＨにする必要がなくなる。その結果、燃料の取り扱いが容易になり、また燃料電池システムで用いる燃料タンクや配管の種類が限られ、さらに燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題は起こらなくなる。
【００３５】
図１１に本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。本発明に係る燃料電池システムにおいて燃料電池セル８のアノードには燃料タンク９から配管１１を通して燃料が供給されるが、アルカリ性溶液が、酸性溶液で破壊される膜により燃料溶液と分離されているアルカリ性溶液を添加する添加機構１９を有しており、燃料が酸性になった場合に、膜が破壊され、アルカリ性溶液が燃料中に混合されることで、燃料のｐＨを調整可能である。本システムにおいては、燃料セル８に投入する燃料のｐＨを調整するために、燃料タンク９に燃料へアルカリ性溶液する部位１０を有するか、もしくは、配管部１２で燃料へアルカリ性溶液を添加する機能を有する。また、燃料タンク９において燃料が酸性になった場合に、アルカリ性溶液が燃料中に混合されるため、ｐＨの調整が可能であり、燃料を必要以上に高いｐＨにする必要がなくなる。その結果、燃料の取り扱いが容易になり、また燃料電池システムで用いる燃料タンクや配管の種類が限られ、さらに燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題は起こらなくなる。ここで、本システムにおいては、センサや測定器を用いないため、電源を用意する必要がないことが特徴である。
【００３６】
図１２に本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。本発明に係る燃料電池システムにおいて燃料電池セル８のアノードには燃料タンク９から配管１１を通して燃料が供給されるが、アルカリ性溶液が、酸性溶液で破壊される膜により燃料溶液と分離されているアルカリ性溶液を添加する添加機構２０を有しており、燃料が酸性になった場合に、膜が破壊され、アルカリ性溶液が燃料中に混合されることで、燃料のｐＨを調整可能である。本システムにおいては、燃料セル８に投入する燃料のｐＨを調整するために、燃料タンク９に燃料へアルカリ性溶液する部位１０を有するか、もしくは、配管部１２で燃料へアルカリ性溶液を添加する機能を有する。また、配管部１１において燃料が酸性になった場合に、アルカリ性溶液が燃料中に混合されるため、ｐＨの調整が可能であり、燃料を必要以上に高いｐＨにする必要がなくなる。その結果、燃料の取り扱いが容易になり、また燃料電池システムで用いる燃料タンクや配管の種類が限られ、さらに燃料タンクや配管の寿命が短くなるという問題は起こらなくなる。ここで、本システムにおいては、センサや測定器を用いないため、電源を用意する必要がないことが特徴である。
【００３７】
［実施例］
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３８】
〔実施例１〕
アニオン交換電解質膜の両面に、白金がカーボンに担持された触媒と、アニオン交換電解質と、溶媒とを混合したスラリーを塗布することで膜／電極接合体を作製した。次に、得られた膜／電極接合体を拡散層であるカーボンクロスを介して、集電体で挟みこみ、本実施例に係る燃料電池セルを作製した。
【００３９】
次に、燃料電池のアノードに、燃料タンクから１０％メタノール水溶液を供給し、カソードに露点６０℃の空気を供給して、電池温度６０℃にて電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。この５分間発電時の平均電圧を１００％とする。その後、発電を停止し、２４時間放置した。２４時間後、図５、図７に示すように燃料タンク中の燃料のＰＨを電位差測定器と半導体センサを用いて測定しながらアルカリ性溶液（０.１ｍｏｌ／Ｌ水酸化カリウム）をポンプを用いて添加し、燃料のｐＨを７〜１０に制御した。その後、ＰＨを制御した１０％メタノール水溶液、カソードに空気を供給して、再び、電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。その結果、この５分間発電時の平均電圧は３００％であった。
【００４０】
〔実施例２〕
実施例１と同様にして作製した燃料電池セルを用いた。
【００４１】
次に、燃料電池のアノードに、燃料タンクから１０％メタノール水溶液を供給し、カソードに露点６０℃の空気を供給して、電池温度６０℃にて電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。この５分間発電時の平均電圧を１００％とする。その後、発電を停止し、２４時間放置した。２４時間後、図９に示すように燃料タンク中の燃料にフェノールフタレイン溶液を添加し、吸光度測定をしながら、アルカリ性溶液（０.１ｍｏｌ／Ｌ水酸化カリウム）をポンプを用いて添加し、燃料のｐＨを制御した。燃料のＰＨは電位差測定器の測定値から、７〜１０であった。その後、ｐＨを制御した１０％メタノール水溶液、カソードに空気を供給して、再び、電流密度５０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。その結果、この５分間発電時の平均電圧は３００％であった。
【００４２】
〔実施例３〕
実施例１と同様にして作製した燃料電池セルを用いた。
【００４３】
次に、燃料電池のアノードに、燃料タンクから１０％メタノール水溶液を供給し、カソードに露点６０℃の空気を供給して、電池温度６０℃にて電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。この５分間発電時の平均電圧を１００％とする。その後、発電を停止し、２４時間放置した。２４時間後、図９に示すように燃料タンク中の燃料にＢＴＢ溶液を添加し、吸光度測定をしながら、アルカリ性溶液（０.１ｍｏｌ／Ｌ水酸化カリウム）をポンプを用いて添加し、燃料のＰＨを制御した。燃料のＰＨは電位差測定器の測定値から、７〜１０であった。その後、ｐＨを制御した１０％メタノール水溶液、カソードに空気を供給して、再び、電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。その結果、この５分間発電時の平均電圧は３００％であった。
【００４４】
〔実施例４〕
実施例１と同様にして作製した燃料電池セルを用いた。
【００４５】
次に、燃料電池のアノードに、燃料タンクから１０％メタノール水溶液を供給し、カソードに露点６０℃の空気を供給して、電池温度６０℃にて電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。この５分間発電時の平均電圧を１００％とする。その後、発電を停止し、２４時間放置した。２４時間後、図１０に示すように燃料タンク中にアニオン交換膜とその抵抗測定器を配置し、アニオン交換膜の抵抗値を基に、アルカリ性溶液（０.１ｍｏｌ／Ｌ水酸化カリウム）をポンプを用いて添加し、燃料のＰＨを制御した。燃料のＰＨは電位差測定器の測定値から、７〜１０であった。その後、ｐＨを制御した１０％メタノール水溶液、カソードに空気を供給して、再び、電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。その結果、この５分間発電時の平均電圧は３１０％であった。
【００４６】
〔実施例５〕
実施例１と同様にして作製した燃料電池セルを用いた。
【００４７】
次に、燃料電池のアノードに、燃料タンクから１０％メタノール水溶液を供給し、カソードに露点６０℃の空気を供給して、電池温度６０℃にて電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。この５分間発電時の平均電圧を１００％とする。その後、発電を停止し、２４時間放置した。２４時間後、図５に示すようにアノードに燃料タンクから１０％メタノール水溶液、カソードに空気を供給して、再び、電流密度１０ｍＡ／cm2で数秒間発電を行った。その結果、発電時の平均電圧は３０％であった。そこで、発電電圧を基にアルカリ性溶液（０.１ｍｏｌ／Ｌ水酸化カリウム）をポンプを用いて添加し、燃料のＰＨを制御した。発電電圧が安定した際の燃料のｐＨは電位差測定器の測定値から、７〜１０であった。その際の平均電圧は２９０％であった。
【００４８】
〔実施例６〕
実施例１と同様にして作製した燃料電池セルを用いた。
【００４９】
次に、燃料電池のアノードに、燃料タンクから１０％メタノール水溶液を供給し、カソードに露点６０℃の空気を供給して、電池温度６０℃にて電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。この５分間発電時の平均電圧を１００％とする。その後、発電を停止し、２４時間放置した。２４時間後、図６、図８示すように燃料電池セルのアノードのＰＨを電位差測定器と半導体センサを用いて測定しながらアルカリ性溶液（０.１ｍｏｌ／Ｌ水酸化カリウム）をポンプを用いて添加し、燃料のｐＨが７〜１０に制御した。その後、ｐＨを制御した１０％メタノール水溶液、カソードに空気を供給して、再び、電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。その結果、この５分間発電時の平均電圧は２７０％であった。
【００５０】
〔実施例７〕
実施例１と同様にして作製した燃料電池セルを用いた。
【００５１】
次に、燃料電池のアノードに、燃料タンクから１０％メタノール水溶液を供給し、カソードに露点６０℃の空気を供給して、電池温度６０℃にて電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。この５分間発電時の平均電圧を１００％とする。その後、発電を停止し、２か月間放置した。図１１に示すように放置する際に燃料タンクの燃料中にポリアミド樹脂でアルカリ性溶液（０.１ｍｏｌ／Ｌ水酸化カリウム）を分離したものを添加した。２４時間後、燃料電池セルのアノードのｐＨを電位差測定器で測定したところ、ｐＨが７〜１０に制御されていた。ｐＨを制御した１０％メタノール水溶液、カソードに空気を供給して、再び、電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。その結果、この５分間発電時の平均電圧は３００％であった。
【００５２】
〔実施例８〕
実施例１と同様にして作製した燃料電池セルを用いた。
【００５３】
次に、燃料電池のアノードに、燃料タンクから１０％メタノール水溶液を供給し、カソードに露点６０℃の空気を供給して、電池温度６０℃にて電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。この５分間発電時の平均電圧を１００％とする。その後、発電を停止し、２４時間放置した。２４時間後、図９に示すように燃料タンク中の燃料にフェノールフタレイン溶液を添加し、吸光度測定をしながら、アルカリ性溶液（０.１ｍｏｌ／Ｌ水酸化カリウム）をポンプを用いて図１のアルカリ性溶液投入部１２から添加し、燃料のｐＨを制御した。燃料のアノードでのｐＨは半導体センサの測定値から、７〜１０であった。その後、ｐＨを制御した１０％メタノール水溶液、カソードに空気を供給して、再び、電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。その結果、この５分間発電時の平均電圧は３００％であった。
【００５４】
〔比較例１〕
実施例１と同様にして作製した燃料電池セルを用いた。
【００５５】
次に、燃料電池のアノードに、燃料タンクから１０％メタノール水溶液を供給し、カソードに露点６０℃の空気を供給して、電池温度６０℃にて電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。この５分間発電時の平均電圧を１００％とする。その後、発電を停止し、２４時間放置した。２４時間後、アノードに燃料タンクから１０％メタノール水溶液、カソードに空気を供給して、再び、電流密度１０ｍＡ／cm2で５分間発電を行った。その結果、この５分間発電時の平均電圧は７０％であった。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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