(57)【要約】【課題】燃料電池が長時間運転される場合にも劣化を抑えて、アノード極の燃料の分解活性を高く維持すると共に、燃料電池の発電性能を高く維持する。【解決手段】燃料電池用燃料として、少なくとも水素と炭素とを含む主燃料と、水素よりも酸化還元電位の低い水素含有化合物からなる燃料添加剤とを用いる。燃料電池システムは、電解質と、電解質の両側に配置されたアノード極とカソード極と、を備え、更に、上記の主燃料と燃料添加剤とを供給する燃料供給源を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも水素と炭素とを含む主燃料と、
水素よりも酸化還元電位の低い水素含有化合物からなる燃料添加剤と、
を含むことを特徴とする燃料電池用燃料。
【請求項２】
前記燃料添加剤は、水溶液がアルカリ性又は中性となる塩を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用燃料。
【請求項３】
前記燃料添加剤は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池用燃料。
【請求項４】
前記燃料添加剤は、ＮａＨ２ＰＯ２、ＮａＨ２ＰＯ４、Ｎａ２ＨＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ２、ＫＨ２ＰＯ４、Ｋ２ＨＰＯ４、及び、ＮａＢＨ４からなる群の中のいずれか１以上を含むことを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の燃料電池用燃料。
【請求項５】
前記燃料添加剤の主燃料に対する割合は、3%〜15%の範囲であることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項記載の燃料電池用燃料。
【請求項６】
イオン伝導性を有する材料からなる伝導補助剤を、更に含むことを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項記載の燃料電池用燃料。
【請求項７】
電解質と、
前記電解質の両側に配置されたアノード極とカソード極と、
前記アノード極に、少なくとも水素と炭素とを含む主燃料と、水素よりも酸化還元電位の低い水素含有化合物からなる燃料添加剤と、を供給する燃料供給手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料添加剤は、水溶液がアルカリ性又は中性となる塩を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料添加剤は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属を含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料添加剤は、ＮａＨ２ＰＯ２、ＮａＨ２ＰＯ４、Ｎａ２ＨＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ２、ＫＨ２ＰＯ４、Ｋ２ＨＰＯ４、及び、ＮａＢＨ４からなる群の中のいずれか１以上を含むことを特徴とする請求項７から９のうちいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料添加剤の全燃料中の割合は、3%〜15%の範囲であることを特徴とする請求項７から１０のうちいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料供給手段は、前記主燃料と共に、イオン伝導性を有する材料からなる伝導補助剤を、更に供給することを特徴とする請求項７から１１のうちいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記電解質は、陰イオンを通過させるものであることを特徴とする請求項７から１２のうちいずれか１項記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池用燃料及び燃料電池システムに関する。更に具体的には、水素と炭素とを含む材料を主燃料とする燃料電池用燃料及びこれによって発電する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば水素イオン（Ｈ＋）を伝導体とする燃料電池において、アノード極では供給された燃料が分解されて水素イオン及び電子を生じる。水素イオンは電解液中をイオン伝導してカソード極に達し、カソード極から供給される酸素と結合する。一方、電子は燃料極内を経由して外部電気回路を通ってカソード極に移動し、この間外部電気回路の負荷に対して仕事を行い、その結果、エネルギーが取り出されることとなる。従って、燃料電池の発電性能を向上させるためには、燃料電池のアノード極に供給された燃料を効率良く分解して多くの水素イオンと電子とを生じさせることが重要となる。
【０００３】
この点、例えば特開２００４−２８８３７８号には、燃料としてヒドラジンを用いる燃料電池が開示されている。この燃料電池には、アノード極として発泡Ｎｉ等の発泡金属からなる集電材の表面に水素吸蔵合金をスパッタ等により成膜したものが使用されている。この従来技術によれば、これによりアノード極の触媒としての反応面積を広く確保できると共に、水素吸蔵合金によってヒドラジンに対する分解活性を更に高くすることができるため、供給されたヒドラジンを効率良く酸化させて水素イオンを生成することができるとしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２８８３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記従来技術は、アノード極を電解液中に浸漬して構成されるヒドラジン燃料電池に関するものである。しかし、例えば、水酸化物イオンを伝導体とするアルカリ型燃料電池等、種々の燃料電池が存在し、また、各燃料電池において使用される燃料も多岐に渡る。
【０００６】
ここで、特に、燃料として炭素を含むものを用いる燃料電池においては、燃料を分解する過程において二酸化炭素（ＣＯ２）等を発生する。また、大気中にも二酸化炭素が存在する。従って、例え、アルカリ型の燃料電池であっても、その動作中に電極や電解質等は酸性環境下に晒されることとなる。その結果、燃料電池の動作時間が長時間となると、電極や電解質膜が劣化して電極での分解活性の低下などが起こり、燃料電池の出力が低下する事態を生じ得る。このため種々の燃料電池において、アノード極での燃料の分解性能を高く確保すると共に、長時間の動作においても、その性能を維持し得る耐久性の高い燃料電池が望まれている。
【０００７】
従って、この発明は、上記の課題を解決することを目的として、アノード極において燃料を効率良く分解すると共に、長時間の動作においても燃料電池の発電性能を高く維持できるように改良した燃料電池用燃料及びこの燃料により発電する燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池用燃料であって、
少なくとも水素と炭素とを含む主燃料と、
水素よりも酸化還元電位の低い水素含有化合物からなる燃料添加剤と、
を含むことを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃料添加剤は、水溶液がアルカリ性又は中性となる塩を含むことを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記燃料添加剤は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属を含むことを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第１から第３のいずれか１の発明において、前記燃料添加剤は、ＮａＨ２ＰＯ２、ＮａＨ２ＰＯ４、Ｎａ２ＨＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ２、ＫＨ２ＰＯ４、Ｋ２ＨＰＯ４、及び、ＮａＢＨ４からなる群の中のいずれか１以上を含むことを特徴とする。
【００１２】
第５の発明は、第１から第４のいずれか１の発明において、前記燃料添加剤の主燃料に対する割合は、3%〜15%の範囲であることを特徴とする。
【００１３】
第６の発明は、第１から第５のいずれか１の発明において、イオン伝導性を有する材料からなる伝導補助剤を、更に含むことを特徴とする。
【００１４】
第７の発明は、燃料電池システムであって、
前記電解質の両側に配置されたアノード極とカソード極と、
前記アノード極に、少なくとも水素と炭素とを含む主燃料と、水素よりも酸化還元電位の低い水素含有化合物からなる燃料添加剤と、を供給する燃料供給手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
第８の発明は、第７の発明において、前記燃料添加剤は、水溶液がアルカリ性又は中性となる塩を含むことを特徴とする。
【００１６】
第９の発明は、第７又は第８の発明において、前記燃料添加剤は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属を含むことを特徴とする。
【００１７】
第１０の発明は、第７から第９のいずれか１の発明において、前記燃料添加剤は、ＮａＨ２ＰＯ２、ＮａＨ２ＰＯ４、Ｎａ２ＨＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ２、ＫＨ２ＰＯ４、Ｋ２ＨＰＯ４、及び、ＮａＢＨ４からなる群の中のいずれか１以上を含むことを特徴とする。
【００１８】
第１１の発明は、第７から第１０のいずれか１の発明において、前記燃料添加剤の全燃料中の割合は、3%〜15%の範囲であることを特徴とする。
【００１９】
第１２の発明は、第７から第１１のいずれか１の発明において、前記燃料供給手段は、前記主燃料と共に、イオン伝導性を有する材料からなる伝導補助剤を、更に供給することを特徴とする。
【００２０】
第１３の発明は、第７から第１２のいずれか１の発明において、前記電解質は、陰イオンを通過させるものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
第１の発明によれば、燃料電池用燃料は、少なくとも水素と炭素とを含む主燃料と、水素よりも酸化還元電位の低い水素含有化合物からなる燃料添加剤とを含む。このような燃料を供給することにより、燃料電池のアノード極において、燃料の分解効率を高めると共に、酸化された燃料電池の電解質やアノード極等を還元することができるため、燃料電池の劣化を抑制することができる。従って、長時間の動作においても燃料電池の発電性能を高く維持することができる。
【００２２】
第２乃至第５の発明によれば、燃料電池用燃料にこれらの燃料添加剤を含めることにより、より確実にアノード極における燃料の分解効率を高めることができると共に、酸化により劣化した電解質や触媒等を還元することができ、長時間の動作においても燃料電池の発電性能を高く維持することができる。
【００２３】
第６の発明によれば、燃料電池用燃料に、伝導補助剤を含めることにより、アノード極の触媒粒子の周囲に適正な三相界面が形成された状態とすることができる。従って、アノード極の触媒を有効に利用して反応場の面積を増大させた状態に維持することができる。従って、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００２４】
第７の発明によれば、燃料電池システムは、少なくとも水素と炭素とを含む主燃料と、水素を含み、かつ水素よりも酸化還元電位の低い材料からなる燃料添加剤とを供給する燃料供給手段を備えている。これにより、燃料電池のアノード極の分解効率を高めることができると共に、酸化された燃料電池の電解質やアノード極等を還元することができ、長時間の動作においても燃料電池の発電性能を高く維持することができる。
【００２５】
第８乃至第１１の発明によれば、燃料にこれらの燃料添加剤を含めることにより、より確実にアノード極の分解効率を高めることができると共に、酸化により劣化した電解質や触媒等を還元することができ、長時間の動作においても燃料電池の発電性能を高く維持することができる。
【００２６】
第１２の発明によれば、燃料供給手段は、主燃料と共に、イオン伝導性を有する材料からなる伝導補助剤を更に供給することができる。これにより、アノード極の触媒粒子の周囲に適正な三相界面が形成された状態とすることができる。従って、アノード極の触媒を有効に利用して反応場の面積を増大させた状態に維持することができる。従って、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００２７】
第１３の発明によれば、電解質は、陰イオンを通過させるものである。このように、陰イオンをイオン伝導体とするアルカリ型燃料電池に、主燃料に燃料添加剤を加えた燃料を供給することにより、アルカリ型燃料電池の発電性能をより確実に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００２９】
実施の形態．
図１は、この発明の実施の形態の燃料電池システムの構成について説明するための図である。図１に示す燃料電池は陰イオンを伝導体とするアルカリ型燃料電池である。燃料電池はアニオン交換膜１０（電解質）を有している。アニオン交換膜１０の一面側には、アノード極２０が配置されている。アノード極２０には集電板２２が設置されている。アニオン交換膜１０のアノード極２０とは反対の面側には、カソード極３０が配置されている。カソード極３０には集電板３２が設置されている。
【００３０】
アノード極２０のアニオン交換膜１０に接する面とは反対の面には、アノード極２０に供給される燃料が流通する燃料流路４０が設けられている。燃料流路４０の上流側は燃料電池の外部に設けられた燃料供給路４２に接続している。燃料供給路４２は燃料供給源４４に接続している。燃料流路４０の下流側は燃料循環路４６に接続している。燃料循環路４６は燃料流路４０との接続部とは反対側において燃料供給路４２に接続している。燃料循環路４６の途中には燃料の循環系とは分岐して、燃料排出路４８が接続している。燃料排出路４８には燃料排出路４８を開閉するバルブ５０が設けられている。バルブ５０の開閉は図示しない制御装置により制御されている。
【００３１】
また、カソード極３０のアニオン交換膜１０に接する面とは反対側の面には酸素流路６０が設けられている。酸素流路６０の上流部には酸素供給路６２が接続し、下流部には、酸素排出路６４が接続している。
【００３２】
このような燃料電池システムにおいて、燃料供給源４４からは後述する燃料が供給される。供給された燃料は燃料供給路４２を介して燃料流路４０に流通し、燃料循環路４６に排出される。燃料電池の通常運転時にはバルブ５０は閉鎖され、燃料流路４０から排出された排燃料は燃料循環路４６を通って燃料供給路４２に流入し、再び燃料流路４０に燃料として供給される。つまり、この燃料電池システムは燃料を循環して繰り返し利用している。
【００３３】
但し、燃料電池が長時間運転されると燃料濃度が次第に低下する。燃料濃度が低下した場合にはバルブ５０が開放され、排燃料が外部に排出されて、燃料供給源４４から新たな燃料が供給される。燃料濃度の低下は、例えば燃料電池の出力が所定の判定値以下まで低下したか否かに基づいて判定される。
【００３４】
一方、酸素供給路６２により外部の大気が取り込まれて、酸化剤としてカソード極３０の酸素流路６０に供給される。カソード極３０から排出される未反応の酸素を含む大気オフガスは酸素排出路６４を介して外部に排出される。
【００３５】
ここで、アノード極２０に供給された燃料は、アノード極２０の電極触媒の機能により分解されて水素原子となり、アニオン交換膜１０を通過した水酸化物イオン（ＯＨ−）とが反応して水（Ｈ２Ｏ）が生成される。このとき放出される電子は集電板２２から外部回路を通過してカソード極側の集電板３２に移動する。具体的にアノード極２０での分解の過程において、例えば純水素が分解される場合には次式（１）に示す反応が起きる。
Ｈ２＋２ＯＨ−  →  ２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−        ・・・（１）
【００３６】
また、アノード極２０に、例えば燃料としてエタノールが供給され、これが分解される場合には次式（２）に示す反応が起きる。
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ＋１２ＯＨ−  →  ２ＣＯ２＋９Ｈ２Ｏ＋１２ｅ−  ・・・（２）
【００３７】
一方、カソード極３０に大気が供給されると、大気中の酸素分子（Ｏ２）はカソード極３０の電極触媒の機能により、いくつかの段階を経て電子を受け取って水酸化物イオンが生成される。水酸化物イオンはアニオン交換膜１０を通過してアノード極２０側に移動する。カソード極３０での反応は、次式（３）のようになる。
１/２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  ２ＯＨ−        ・・・（３）
【００３８】
以上のようなアノード極２０側とカソード極３０側における反応をまとめると、燃料電池全体では次式（４）のように水の生成反応が起き、電子は両極側の集電板２２、３２間を、外部電気回路を介して移動し、回路の負荷に対して仕事を行いエネルギーが取り出されることとなる。
Ｈ２＋１/２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ        ・・・（４）
【００３９】
このようなアルカリ型の燃料電池において、アニオン交換膜１０は、カソード極３０の電極触媒で生成される水酸化物イオンをアノード極２０側に移動させることができる媒体であれば特に限定されない。具体的にアニオン交換膜１０としては、例えば、１〜３級アミノ基、４級アンモニウム基、ピリジル基、イミダゾール基、４級ビリジウム基、４級イミダゾリ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）があげられる。また、固体高分子の膜としては、例えば、炭化水素系及びフッ素系樹脂などがあげられる。
【００４０】
アノード極２０及びカソード極３０のそれぞれは、少なくとも、触媒粒子を電解質溶液に混合してアニオン交換膜１０に塗布することで構成された電極触媒層を有している。これらの電極触媒層は、上記（１）、（２）又は（３）の反応を触媒する機能を有するものであれば特に限定されない。具体的には、例えば、アノード極２０及びカソード極３０の電極触媒層の触媒粒子としては、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）により形成されたもの、あるいは、これらの金属のいずれかをカーボン等の担体に担持させたもの、あるいはこれらの金属原子を中心金属とする有機金属錯体、あるいは、このような有機金属錯体を担体に担持させたもの等が挙げられる。
【００４１】
ところで、この実施の形態ではアノード極２０での燃料の分解効率を向上させ、かつ、長時間の運転においても燃料電池の性能を高く維持するため、燃料供給源４４から供給する燃料として、燃料電池の燃料として通常用いられる主燃料と、伝導補助剤と、水素含有化合物からなる燃料添加剤とを混合させたものを用いる。
【００４２】
具体的に、主燃料としては水素及び炭素を含むものを用いる。具体的には、例えば、アルコール、メタン、ジメチルエチル等を用いることができる。アルコールとしてはメタノール、エタノール、エチレングリコールや、プロパノール等を用いることができる。但し、燃料添加剤や伝導補助剤を混合して燃料として供給するものであるため、主燃料はエタノールのように常温で液体、もしくは水溶性のものが好ましい。特に、エタノールであれば比較的安価に入手可能な材料であるため、燃料電池のコストダウンにおいても有効である。
【００４３】
伝導補助剤は、アニオン交換膜１０と同様の機能、即ち、水酸化物イオンを伝導するイオン伝導性を有する材料によって構成される。上記のように、アニオン交換膜１０を通過した水酸化物イオンは、アノード極２０の触媒粒子上で燃料から分解された水素と結合することで電子を放出する。ここで、アノード極２０の触媒粒子上に水酸化物イオンが到達するためには、水酸化物イオンを運ぶ電解質溶液が触媒粒子周囲に存在し、燃料と電解質と触媒粒子との三相界面が形成されていることが必要となる。しかし、アノード極２０の触媒粒子の一部には、電解質溶液が存在しないために三相界面が形成されていない部分、あるいは電解質溶液の流出や劣化により三相界面が維持できなくなった部分が存在する場合があり、このような場合、その部分はアノード極での電気化学反応の反応場として機能できない状態となっている。
【００４４】
従って、実施の形態では、主燃料にイオン伝導性を有する材料からなる伝導補助剤を混合して供給する。これにより触媒粒子周囲にイオン伝導性を有する物質を供給することができるため、触媒粒子周囲に電解質溶液が存在するのと同じ状態とすることができる。従って、触媒粒子周囲の三相界面を適正な状態とし、アノード極２０の反応場を大きく確保することができる。従って、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００４５】
このような伝導補助剤としてはアノード極２０中で水酸化物イオンを移動させる機能を有するもの、即ち、アノード極２０をアルカリ雰囲気とするものであれば良い。従って、例えば、水酸化カリウムあるいは水酸化ナトリウム等の溶液や、あるいは、アニオン交換膜１０を構成する材料と同一の材料、トリエタノールアミン（Ｃ６Ｈ１５ＮＯ３）、トリエチレンジアミン（Ｃ４Ｈ１２Ｎ１２）、テトラエチレンジアミン（Ｃ４Ｈ１２Ｎ２）、イミダゾリウム系化合物等を用いることができる。
【００４６】
更に、この実施の形態では、主燃料に燃料添加剤を混合して供給する。燃料添加剤は、水素含有化合物であって、酸化還元電位が水素よりも低い材料によって構成され、アノード極２０の触媒に接することで発泡して水素を放出するものである。
【００４７】
上記のように主燃料は炭素を含むものを用いるため、その分解の過程で二酸化炭素が生成される。この二酸化炭素によってアニオン交換膜１０やアノード極２０の電極触媒が酸化されて劣化する場合がある。しかし、この実施の形態によれば、燃料添加剤が触媒に接することで発泡する水素によって、酸化されたアニオン交換膜１０やアノード極２０の電極触媒を還元することができる。従って、燃料電池が長時間運転される場合にも、アニオン交換膜１０やアノード極２０の劣化を抑えることができる。即ち、長時間の動作においても、アノード極２０の電極触媒の性能を高く維持することができ、燃料電池の発電性能を高く維持することができる。
【００４８】
また、燃料添加剤から発生した水素は、上記（１）式のように分解されて燃料電池の発電に用いられる。従って、主燃料に燃料添加剤を添加しても燃料電池の出力を高く維持することができる。
【００４９】
このような燃料添加剤は、水素含有化合物であって、酸化還元電位が水素よりも低い材料からなる。より具体的には、例えば、その水溶液がアルカリ性若しくは中性となる塩であることが望ましい。また、アルカリ金属、あるいはアルカリ土類金属を含むものが良い。より具体的には、ＮａＨ２ＰＯ２、ＮａＨ２ＰＯ４、Ｎａ２ＨＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ２、ＫＨ２ＰＯ４、Ｋ２ＨＰＯ４、及び、ＮａＢＨ４のいずれか若しくはこれらの混合物が好ましい。これらの水溶液は触媒に接することで水素を発泡し、その過程でアニオン交換膜１０やアノード極２０を還元することができる。また燃料電池の出力を高く確保するためには、より多くの水素を発泡するもの、即ち、水素原子を多く含有するものが好ましい。従って、特に、ＮａＨ２ＰＯ２、ＮａＨ２ＰＯ４、ＫＨ２ＰＯ２、ＫＨ２ＰＯ４等は効果的であると考えられる。
【００５０】
添加する燃料添加剤の量は特に限定されるものではない。但し、燃料添加剤は、長時間の動作においても、効率的にアニオン交換膜１０やアノード極２０を還元しその性能を維持できる程度に混入されることが望ましい。一方、燃料添加剤はアノード極２０の触媒に接することで水素を発泡するが、発泡する水素量が過度に多くなると気泡が触媒粒子に付着した状態となり、反応場を却って減少させることが考えられる。これに対し、例えば燃料流路４０に流す燃料の流速を速めることで、反応場の減少をある程度抑制することができる。しかし、過度に燃料の流速を速めると燃料電池の劣化を進行させることが考えられる。従って、燃料添加剤は、燃料電池の劣化させない範囲の燃料流速において、発泡する水素の触媒粒子への付着を許容範囲に抑えられる程度に混入されることが望ましい。
【００５１】
以上より、燃料添加剤の添加量は、アニオン交換膜１０やアノード極２０の効果的に還元し得る量を下限とし、かつ、燃料電池の耐久性を担保する燃料の流速において、発泡した水素付着による反応場の減少が許容範囲となる量を上限とする範囲に決定することが望まれる。具体的な範囲としては、主燃料に対する燃料添加剤の比率は3%以上が好ましく、更には20%以下が望ましく、特に、5%〜15%程度がより効果的と考える。
【００５２】
以上のように、この実施の形態によれば、燃料として、アルコール等の炭素と水素とを含む主燃料に、伝導補助剤及び燃料添加剤を添加したものを用いることで、アノード極２０における燃料の分解をより活性化して燃料電池の発電性能をより向上させると共に、酸化されたアニオン交換膜１０やアノード極２０を還元することで劣化を抑制して、燃料電池が長時間使用される場合にもその発電性能を高く維持することができる。
【００５３】
なお、この実施の形態では、主燃料に燃料添加剤と伝導補助剤とを混合する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、伝導補助剤を添加しないものであってもよい。伝導補助剤は適正な三相界面を形成するために燃料に混合するものであるが、伝導補助剤を添加しない場合であっても、燃料電池の劣化を抑制して発電性能を向上させる燃料添加剤による効果を得ることができる。
【００５４】
また、この実施の形態では、主燃料に、燃料添加剤と伝導補助剤とを混合したものを燃料として燃料供給源４４から供給する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、主燃料と、燃料添加剤、伝導補助剤との供給源を別々に有し、その濃度を調整しながら供給するものであってもよい。
【００５５】
また、この実施の形態では、燃料を循環して用いて濃度がある程度低くなった場合にのみ、バルブ５０を解放することで燃料を排出する構造とする場合について説明した。しかしこの発明はこれに限るものではなく、例えば、排燃料を常に外部に排出し、燃料供給源４４から供給される新しい燃料のみを燃料流路４０に供給する構造としてもよく、また、燃料濃度が低下するまでは、燃料を循環も排出もさせずに燃料流路４０に留めておくものであってもよい。但し、燃料添加剤は触媒粒子に接することで水素を発泡するものであるため、触媒粒子に付着する場合があるが、燃料を流通させない場合には付着した水素は除去されにくくなる。従って、燃料流路４０に燃料を留める構造とする場合には、水素付着による反応面の減少を抑制するため、例えば振動子等を用いるなど、付着した水素を除去するような機能を組み込むことが望ましい。
【００５６】
また、この実施の形態においては簡略化のため、燃料電池がアニオン交換膜１０とその両側に配置された一対の電極（アノード極２０及びカソード極３０）により構成される１の発電部を有するものについて説明した。しかしこの発明において燃料電池はこれに限るものではなく発電部が、集電板やセパレータを介して複数積層されたスタック構造を有するものであっても良い。この場合にも上記のような燃料添加剤が添加された燃料を供給することで、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００５７】
また、この実施の形態では、燃料電池としてアニオン交換膜１０を用いたアルカリ型燃料電池を用いる場合について説明した。しかし、この発明はこのような燃料電池に限るものではない。この発明は、例えばアニオン交換膜に替えて、ＫＯＨなどの陰イオンを透過させる電解質を用いたアルカリ型燃料電池に適用することもできる。また、燃料添加剤の種類によっては、アルカリ型の燃料電池に限らず、例えば固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池等に適用することもできる。
【００５８】
また、この実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明した構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００５９】
[実施例]
図２、図３は燃料中の燃料添加剤の濃度を変化させた場合の電流密度と電圧との関係、及び、電力密度と電流密度との関係をそれぞれ示す図である。図２において、横軸は電流密度[Amps/cm2]、縦軸は電圧[V]を表し、図３において、横軸は電流密度[Amps/cm2]、縦軸は電力密度[W/cm2]を表している。
【００６０】
この実験は、アニオン交換膜１０の膜厚40[μm]、反応面19[mm]×27[mm]の燃料電池を用いて、燃料の流速を200[ml/min]とし、動作温度を80[℃]とする条件下で行ったものである。主燃料として10%のエタノール水溶液を用い、伝導補助剤であるＫＯＨの主燃料に対する濃度は10%とした。燃料添加剤としてはＮａＨ２ＰＯ２を用いた。燃料添加剤の主燃料に対する濃度は、0%、3%、5%、10%、15%とし、各濃度の場合における電流密度、電圧、電力密度を検出した。図２、図３のそれぞれにおいて、曲線(a)、(b)、(C)、(d)、(e)のそれぞれは、燃料添加剤の濃度が、0%、3%、5%、10%、15%の場合を表している。
【００６１】
図２、３から、燃料添加剤ＮａＨ２ＰＯ２を添加していない場合（即ち、曲線(a)の添加量0%の場合）と比較すると、電流密度が約0.3[Amps/cm2]以下の領域では、燃料添加剤を添加した全ての場合（曲線（b）〜(e)の場合）において、電圧[V]及び電力密度[W/cm2]共に高い値となっており、発電性能が向上していることがわかる。また、燃料添加剤が5%以上添加された場合（曲線(c)〜(e)の場合）には、測定された全電流密度の領域（0〜1.00[Amps/cm2]）において、燃料添加剤を添加しない場合に比べて、高い電圧及び電力密度が得られたことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】この発明の実施の形態における燃料電池システムの構成について説明するための図である。
【図２】この発明の実施例における燃料電池の電流密度と電圧との測定結果を示すための図である。
【図３】この発明の実施例における燃料電池の電流密度と電圧との測定結果を示すための図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０  アニオン交換膜
２０  アノード極
２２  集電板
３０  カソード極
３２  集電板
４０  燃料流路
４２  燃料供給路
４４  燃料供給源
４６  燃料循環路
４８  燃料排出路
５０  バルブ
６０  酸素流路
６２  酸素供給路
６４  酸素排出路
【図１】
2009170228.tif 000003
【図２】
2009170228.tif 000004
【図３】
2009170228.tif 000005