(57)【要約】【課題】空気中の二酸化炭素の除去および燃料の分解物の処理を同時に達成することのできる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料側電極５、燃料側電極５と対向配置される酸素側電極６、および、燃料側電極５と酸素側電極６との間に介在され、アニオン交換膜からなる電解質層７を有するセルを含む燃料電池１と、酸素側電極６に対して空気を供給する空気供給用配管路１４と、燃料側電極５に対して供給された燃料の分解物を含む排出物を排出する燃料排出用配管路１２と、空気供給用配管路１４および燃料排出用配管路１２に選択的に介在され、二酸化炭素を可逆的に捕捉するイオン交換樹脂カートリッジ１６ａ、１６ｂを含む二酸化炭素除去部４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料側電極、前記燃料側電極と対向配置される酸素側電極、および、前記燃料側電極と前記酸素側電極との間に介在され、水酸化物イオンをイオン導電種とする電解質層を有するセルを含む燃料電池と、
前記酸素側電極に対して空気を供給する空気供給経路と、
前記燃料側電極に対して供給された燃料の分解物を含む排出物を排出する排出経路と、
前記空気供給経路および前記排出経路に選択的に介在され、二酸化炭素を可逆的に捕捉する二酸化炭素除去部材を含む二酸化炭素除去部と
を備えていることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記排出経路において、前記燃料電池の下流側、かつ、選択的に介在される前記二酸化炭素除去部材の上流側に、前記排出物を液体成分と気体成分とに分離するための気液分離部および前記気体成分を凝縮するための凝縮部を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料がヒドラジンであり、前記排出物がアンモニアを含有していることを特徴とする、請求項１または２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、燃料電池システム、詳しくは、電解質層を有する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在まで、燃料電池としては、アルカリ形（ＡＦＣ）、固体高分子形（ＰＥＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体電解質形（ＳＯＦＣ）などの各種のものが知られている。なかでも、アルカリ形や固体高分子形の燃料電池は、比較的低温で運転できることから、例えば、自動車用途などの、各種用途での使用が検討されている。また、水酸化物イオンをイオン導電種とする、アルカリ形燃料電池やアニオン交換膜を用いた固体高分子形燃料電池は、電極触媒に白金以外の安価な金属を用いることができるというメリットがある。
【０００３】
このような固体高分子形燃料電池として、例えば、アニオン交換膜からなる電解質層と、電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える燃料電池において、燃料側電極に、燃料として、ヒドラジンなどの、少なくとも水素および窒素を含有する化合物を供給することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００６−２４４９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかるに、特許文献１に記載されるような燃料電池では、アニオン交換膜が空気中の二酸化炭素により悪影響を受けるという不具合がある。そのため、酸素側電極に供給される空気に含まれる二酸化炭素を除去することが望まれる。二酸化炭素は吸着剤により除去できるが、吸着剤は、性能維持のため、定期的に再生する必要がある。
また、特許文献１に記載される燃料電池には、分解物としてアンモニアが生成する。そのため、アンモニアを貯蔵または無害化するための装置が必要となるなどの不具合がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、空気中の二酸化炭素の除去および燃料の分解物の処理を同時に達成することのできる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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料側電極、前記燃料側電極と対向配置される酸素側電極、および、前記燃料側電極と前記酸素側電極との間に介在され、水酸化物イオンをイオン導電種とする電解質層を有するセルを含む燃料電池と、前記酸素側電極に対して空気を供給する空気供給経路と、前記燃料側電極に対して供給された燃料の分解物を含む排出物を排出する排出経路と、前記空気供給経路および前記排出経路に選択的に介在され、二酸化炭素を可逆的に捕捉する二酸化炭素除去部材を含む二酸化炭素除去部とを備えていることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明の燃料電池システムは、前記排出経路において、前記燃料電池の下流側、かつ、選択的に介在される前記二酸化炭素除去部材の上流側に、前記排出物を液体成分と気体成分とに分離するための気液分離部および前記気体成分を凝縮するための凝縮部を備えていることが好適である。
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料がヒドラジンであり、前記排出物がアンモニアを含有していることが好適である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池システムでは、二酸化炭素除去部材が空気供給経路に介在されているときには、空気中の二酸化炭素を除去することができる。一方、二酸化炭素除去部材が排出経路に介在されているときには、燃料の分解物を利用して二酸化炭素除去部材を再生することができる。
従って、本発明の燃料電池システムでは、空気中の二酸化炭素の除去および燃料の分解物の処理を同時に達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
Ｉ．装置構成
図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。
図２は、本発明の燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。なお、図２では、便宜上、複数の燃料電池セルのうち、１つだけ示し、その他の燃料電池セルについては省略して示している。
【００１０】
図１において、燃料電池システムＳは、燃料としてヒドラジン類が供給される燃料電池１と、ヒドラジン類を貯蔵するための燃料タンク２と、空気を供給するための空気源３と、空気中の二酸化炭素を除去するための二酸化炭素除去部４とを備えている。
燃料電池１は、例えば、アルカリ形（ＡＦＣ）、アニオン交換形固体高分子形（ＰＥＦＣ）など、公知の燃料電池であって、燃料電池セル（単セル）を複数積み重ねたスタック構造に形成されている。なお、以下では、燃料電池１を固体高分子形燃料電池として、その構成を説明する。
【００１１】
燃料電池１は、図２に示されるように、燃料側電極５、酸素側電極６、および、燃料側電極５と酸素側電極６との間に介在される電解質層７を有する。
燃料側電極５は、電解質層７の一方の面に対向接触されている。燃料側電極５の材料としては、特に制限されず、例えば、触媒が担持された担体などが挙げられる。
担体としては、特に制限されず、例えば、カーボンなどが挙げられる。
【００１２】
触媒としては、特に制限されず、例えば、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）などの周期表第８〜１０（ＶＩＩＩ）族元素や、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの周期表第１１（ＩＢ）族元素など、さらには、これらの組み合わせなどが挙げられ、好ましくは、Ｐｔ（白金）が挙げられる。
一方、酸素側電極６は、電解質層７の他方の面に対向接触されている。酸素側電極６の材料としては、特に制限されず、例えば、燃料側電極５と同一材料の触媒が担持された担体などが挙げられる。
【００１３】
電解質層７としては、その膜内をアニオン（とりわけ、水酸化物イオン（ＯＨ-））が移動できるアニオン交換膜であれば、特に制限されず、例えば、４級アンモニウム基、ピリジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜（アニオン交換樹脂）が挙げられる。
燃料電池１は、さらに、燃料供給部材８および空気供給部材９を備えている。
【００１４】
燃料供給部材８は、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、燃料側電極５に対向接触されている。そして、この燃料供給部材８には、燃料側電極５の全体に燃料を接触させるための燃料側流路１０が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。
空気供給部材９は、燃料供給部材８と同様に、ガス不透過性の導電性部材からなり、その一方の面が、酸素側電極６に対向接触されている。そして、この空気供給部材８にも、酸素側電極６の全体に空気を接触させるための酸素側流路１３が、一方の面から凹む葛折状の溝として形成されている。
【００１５】
燃料電池１において、各燃料電池セルの燃料側流路１０は、互いに連通している。そして、その最上流側端部には、図１に示すように、燃料供給用配管路１１の下流側端部が接続されており、その最下流側端部には、排出経路としての燃料排出用配管路１２の上流側端部が接続されている。
同様に、各燃料電池セルの酸素側流路１３も互いに連通している。そして、その最上流側端部には、空気供給経路としての空気供給用配管路１４の下流側端部が接続されており、その最下流側端部には、空気排出用配管路１５の上流側端部が接続されている。
【００１６】
燃料タンク２には、燃料としてヒドラジン類が、例えば、ヒドラジン類の水溶液として貯蔵されており、燃料供給用配管路１１の上流側端部が接続されている。
ヒドラジン類としては、例えば、無水ヒドラジン（ＮＨ2ＮＨ2）、水加ヒドラジン（ＮＨ2ＮＨ2・Ｈ2Ｏ）などのヒドラジン、トリアザン（ＮＨ2ＮＨＮＨ2）、テトラザン（ＮＨ2ＮＨＮＨＮＨ2）などが挙げられ、好ましくは、無水ヒドラジン、水加ヒドラジンが挙げられる。
【００１７】
空気源３は、空気を燃料電池１に供給できれば特に限定されず、例えば、エアコンプレッサなどが用いられる。空気源３には、空気供給用配管路１４の上流側端部が接続されている。
二酸化炭素除去部４は、二酸化炭素除去部材としての複数（本実施形態では２つ）のイオン交換樹脂カートリッジ１６ａおよび１６ｂと、支持部１７と、モーター１８とを備えている。
【００１８】
イオン交換樹脂カートリッジ１６ａおよび１６ｂは、二酸化炭素を可逆的に捕捉できれば特に限定されず、例えば、ジメチルアミノ基などの弱塩基性の官能基を有するイオン交換樹脂などが用いられる。イオン交換樹脂カートリッジ１６ａおよび１６ｂの官能基が弱塩基性であると、アンモニアなどの弱塩基性化合物を効率よくイオン交換することができ、イオン交換樹脂カートリッジ１６ａおよび１６ｂを容易に再生することができる。
【００１９】
なお、２つのイオン交換樹脂カートリッジ１６ａおよび１６ｂは、後述するように、二酸化炭素除去部４において、空気供給配管路１４における空気源３の下流側かつ燃料電池１の上流側に介在される除去位置と、燃料排出用配管路１２における燃料電池１の下流側に介在される再生位置とに選択的に配置される。
支持部１７は、その一端部において、２つのイオン交換樹脂カートリッジ１６ａおよび１６ｂを、それらが互いに間隔を隔てて並列するように支持している。また、支持部１７は、その他端部において、モーター１８に接続されている。
【００２０】
そして、二酸化炭素除去部４では、モーター１８の駆動力によって、支持部１７を回転させることにより、２つのイオン交換樹脂カートリッジ１６ａおよび１６ｂをそれらの間を軸中心とする周方向に移動させる。それにより、一方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ａを除去位置に配置し、他方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ｂを再生位置に配置するか、または、一方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ａを再生位置に配置し、他方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ｂを除去位置に配置する。なお、図１では、一方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ａを除去位置に配置し、他方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ｂを再生位置に配置する状態が示されている。
【００２１】
また、燃料排出用配管路１２における燃料電池１と二酸化炭素除去部４との間には、気液分離部１９、凝縮部２１およびアンモニア水タンク２２が介在されている。
気液分離部１９は、燃料排出用配管路１２において、燃料電池１の下流側かつ二酸化炭素除去部４の上流側に設けられている。また、気液分離部１９には、還流用配管路２０の上流側端部が接続されている。還流用配管路２０の下流側端部は、燃料タンク２に接続されている。
【００２２】
気液分離部１９としては、排出物を気体成分（アンモニア、窒素、水蒸気）と液体成分（ヒドラジン類の水溶液）とに分離できれば特に限定されず、例えば、気液分離器、ミストセパレーターなどが用いられる。気液分離部１９の分離機構としては、衝突型、サイクロン型、邪魔板型、ワイヤーメッシュ型などが挙げられる。
還流用配管路２０は、気液分離部１９で分離された液体成分を燃料タンク２に還流させるために、気液分離部１９と燃料タンク２を接続するように設けられている。
【００２３】
凝縮部２１は、燃料排出用配管路１２において、気液分離部１９の下流側かつ二酸化炭素除去部４の上流側に設けられている。
凝縮部２１としては、気体成分を凝縮し、アンモニア水と窒素とに分離することができれば特に限定されず、例えば、各種コンデンサなどが用いられる。
アンモニア水タンク２２は、燃料電池システムＳが発電していないときなどに、凝縮部２１によって凝縮されたアンモニア水を一時的に貯蔵しておくために、燃料排出用配管路１２において、凝縮部２１の下流側かつ二酸化炭素除去部４の上流側に設けられている。
【００２４】
なお、燃料電池システムＳでは、図示しないが、上記した各種管路に、必要により、ポンプなどが設けられる。
ＩＩ．作用効果
次に、燃料電池システムＳの作用効果について詳述する。
燃料電池システムＳでは、燃料電池１の酸素側電極６に、空気が供給される。空気は、空気源３から空気供給用配管路１４を介して除去位置に配置される一方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ａを通過するように、酸素側電極６に供給される。このとき、イオン交換樹脂カートリッジ１６ａは、例えば、下記式で示すように、空気中の二酸化炭素を捕捉する。
【００２５】
−ＮＲ2＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ→−ＮＨＲ2ＨＣＯ3
（Ｒは、アルキル（メチル）基である。）
また、酸素側電極６に空気が供給されるのと同時に、例えば、燃料として無水ヒドラジン（ＮＨ2ＮＨ2）を用いた場合には、無水ヒドラジンが、無水ヒドラジン水溶液として、燃料タンク２から燃料供給用配管路１１を介して燃料電池１の燃料側電極５に供給される。
【００２６】
すると、電解質層７を酸素側電極６から燃料側電極５に向かって水酸化物イオンが移動することで、各電極において、典型的には、下記反応式（１）および（２）のように、反応が起こり、起電力が発生する。
（１）Ｎ2Ｈ4＋４ＯＨ-→Ｎ2＋４Ｈ2Ｏ＋４ｅ-（燃料側電極）
（２）Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ＋４ｅ-→４ＯＨ-（酸素側電極）
そのため、燃料電池１では、下記反応式（３）に示されるような、反応により、起電力が発生する。
【００２７】
（３）Ｎ2Ｈ4＋Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ→Ｎ2＋４Ｈ2Ｏ
なお、上記反応の他に、燃料側電極では、無水ヒドラジンの自然分解が起こり、分解物として、アンモニア（ＮＨ3）が生成する。また、アンモニアは、上記反応の副次的反応により、分解物として生成する場合もある。
そして、燃料の分解物として窒素（Ｎ2）、アンモニア（ＮＨ3）および水（Ｈ2Ｏ）が生成する。
【００２８】
なお、無水ヒドラジンが無水ヒドラジン水溶液として燃料側電極５に供給されるため、燃料側電極５からは、窒素、アンモニア、水および未反応の無水ヒドラジンを含有する排出物が燃料排出用配管路１２に排出される。そして、燃料排出用配管路１２に排出された排出物は、気液分離部１９に供給される。
そして、気液分離部１９は、排出物を、未反応の無水ヒドラジンおよび水を含む液体成分と、窒素、アンモニアおよび水蒸気を含む気体成分とに分離する。液体成分は還流用配管路２０を介して燃料タンク２に戻され、気体成分は燃料排出用配管路１２を介して凝縮部２１に供給される。
【００２９】
次いで、凝縮部２１は、気体成分を凝縮し、アンモニア水と窒素とに分離する。そして、窒素は燃料電池システムＳの系外に放出され、アンモニア水は燃料排出用配管路１２を介してアンモニア水タンク２２に供給され、必要により、一時的に貯蔵される。
次いで、アンモニア水は、アンモニア水タンク２２から、再生位置に配置される他方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ｂに供給される。すると、他方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ｂは、例えば、下記式で示すように、二酸化炭素を脱離して再生される。なお、副生する炭酸アンモニウムは、イオン交換樹脂カートリッジ１６ｂから排出され、回収される。
【００３０】
−ＮＨＲ2ＨＣＯ3＋２ＮＨ3→−ＮＲ2＋（ＮＨ4）2ＣＯ3
（Ｒは、アルキル（メチル）基である。）
そして、再生された他方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ｂは、除去位置に配置される一方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ａの捕捉能力が低下したときには、モーター１８の駆動力による支持部１７の回転により、一方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ａに代替して除去位置に配置される。このとき、一方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ａは、再生位置に配置される。その後、他方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ｂにより、上記と同様に空気中の二酸化炭素が捕捉されると同時に、一方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ａが、上記と同様に再生される。
【００３１】
このように、二酸化炭素除去部４では、一方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ａが除去位置に配置され、空気中の二酸化炭素を捕捉しているときに、他方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ｂは再生位置に配置され、二酸化炭素を脱離して再生される。
そして、再生された他方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ｂは、除去位置に配置される一方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ａの捕捉能力が低下したときには、一方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ａと交換される。
【００３２】
その後、他方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ｂが二酸化炭素を捕捉し、一方のイオン交換樹脂カートリッジ１６ａが再生される。
従って、燃料電池システムＳでは、二酸化炭素除去部４により、空気中の二酸化炭素の除去および燃料の分解物の処理を同時に達成することができる。
（変形例）
排出用配管路１２において、気液分離部１９および凝縮部２１を設けずに、排出物を直接イオン交換樹脂カートリッジ１６ｂに供給してもよい。排出物は塩基性であるため、イオン交換樹脂カートリッジ１６ｂを再生することができる。
【００３３】
なお、排出物は、強塩基性であるため、イオン交換樹脂カートリッジ１６ａおよび１６ｂが、４級アンモニウム基などの強塩基性の官能基を有するイオン交換樹脂であっても再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
１        燃料電池
４        二酸化炭素除去部
５        燃料側電極
６        酸素側電極
７        電解質層
１２      燃料排出用配管路
１４      空気供給用配管路
１６ａ    イオン交換樹脂カートリッジ
１６ｂ    イオン交換樹脂カートリッジ
１９      気液分離部
２１      凝縮部
【図１】
2009199770.tif 000003
【図２】
2009199770.tif 000004