(57)【要約】【課題】燃料中の二酸化炭素を吸収すると共に、二酸化炭素を吸収する吸収部を再利用できるものとする。【解決手段】この燃料電池システムは、電解質と、その両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを備え、液体燃料の供給を受けて発電する燃料電池を有する。また、アノード極から排出される排燃料が流入すると共に、排燃料がアノード極に供給されるように配置された燃料貯留部を備える。燃料貯留部には、第１温度帯域において二酸化炭素を吸収し、第２温度帯域において吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収部を設置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、その両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを備え、液体燃料の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記アノード極から排出される排燃料が流入すると共に、該排燃料が前記アノード極に供給されるように配置された燃料貯留部と、
前記燃料貯留部に配置され、第１温度帯域において二酸化炭素を吸収し、第２温度帯域において吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記二酸化炭素吸収部は、リチウムシリケート、カリウムシリケート、ナトリウムシリケート、及び、ナトリウムジルコネートのうち、すくなくともいずれか１を含む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】
前記燃料電池は、内燃機関を備える移動体に搭載され、
前記内燃機関の発する熱を、前記二酸化炭素吸収部に伝達する熱伝達手段を、更に備え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。
【請求項４】
前記二酸化炭素吸収部の温度を制御する温度制御手段を更に備え、
前記温度制御手段は、二酸化炭素吸収部の二酸化炭素吸収量に応じて、前記二酸化炭素吸収部の温度を、前記第１温度帯域あるいは前記第２温度帯域に制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項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】
この発明は燃料電池システムに関する。更に具体的には、液体燃料の供給を受けて発電する燃料電池を備え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、特許文献１には、メタノール等の炭化水素系液体燃料の供給を受けて発電する直接メタノール型の燃料電池が開示されている。この燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体電解質と、その両側のアノード極（負極）及びカソード極（正極）を有している。また、アノード極には液体燃料を貯蔵する貯蔵部が隣接して設けられている。アノード極は貯蔵部に接することで、貯蔵部内に貯留された液体燃料を供給される。
【０００３】
このように貯蔵部がアノード極に接するように設けられている場合、燃料電池の発電時にアノード極で生成された二酸化炭素は、液体燃料と共に貯蔵部内に滞留することとなる。このため特許文献１では、貯蔵部内の液体燃料に混合する二酸化炭素を除去すべく、貯蔵部内に、二酸化炭素を吸着するＯＨ型アニオン交換樹脂を配置している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１８５９１９号公報
【特許文献２】特開２００４−１５２７４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１において、ＯＨ型アニオン交換樹脂は二酸化炭素の吸収量が限界到達するともはや貯蔵部内の液体燃料中の二酸化炭素を吸収することができない状態となる。またこのようにＯＨ型アニオン交換膜等従来の吸着剤は、限界量まで二酸化炭素を吸着すると、再び二酸化炭素を吸収できる状態に戻し再利用することは困難なものとなる。
【０００６】
また、特に、水酸化物イオンを伝導体とするアルカリ型燃料電池の場合、電解質やアノード触媒層、カソード触媒層付近に用いられる電解質溶液はアルカリ性のものとなる。従って二酸化炭素が存在する環境に晒されると、電解質溶液が劣化しイオン伝導率が低下することが考えられる。また、電解質溶液と二酸化炭素との反応により生じる塩が、触媒表面の反応場に析出する場合があり、その結果反応面積を減少させる事態を生じ得る。従って、アルカリ型の燃料電池においては、燃料中の二酸化炭素をより効率的に多量に除去することが望まれる。
【０００７】
従ってこの発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池内の二酸化炭素を効率的に吸収すると共に、二酸化炭素の吸収部を再利用できるよう改良された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】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
電解質と、その両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを備え、液体燃料の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記アノード極から排出される排燃料が流入すると共に、該排燃料が前記アノード極に供給されるように配置された燃料貯留部と、
前記燃料貯留部に配置され、第１温度帯域において二酸化炭素を吸収し、第２温度帯域において吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収部と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記二酸化炭素吸収部は、リチウムシリケート、カリウムシリケート、ナトリウムシリケート、及び、ナトリウムジルコネートのうち、すくなくともいずれか１を含むことを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記燃料電池は、内燃機関を備える移動体に搭載され、
前記内燃機関の発する熱を、前記二酸化炭素吸収部に伝達する熱伝達手段を、更に備えることを特徴とする。
【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、
前記二酸化炭素吸収部の温度を制御する温度制御手段を更に備え、
前記温度制御手段は、二酸化炭素吸収部の二酸化炭素吸収量に応じて、前記二酸化炭素吸収部の温度を、前記第１温度帯域あるいは前記第２温度帯域に制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明によれば、燃料貯留部に、第１温度帯域において二酸化炭素を吸収し、第２温度帯域において吸収した二酸化炭素を放出する二酸化炭素吸収部を備える。これにより、二酸化炭素吸収部の温度を変化させることで燃料貯留部内の二酸化炭素の吸収と、吸収した二酸化炭素の二酸化炭素吸収部からの放出を行なうことができる。従って、燃料貯留部内の二酸化炭素を除去することができると共に、二酸化炭素吸収部の二酸化炭素吸収量が限界量に達した後でも、その二酸化炭素を放出させることで、二酸化炭素吸収部を再利用することができる。
【００１３】
第２の発明によれば、二酸化炭素吸収部は、リチウムシリケート、カリウムシリケート、ナトリウムシリケート、及び、ナトリウムジルコネートのうち、すくなくともいずれか１を含む。これらの吸収剤により二酸化炭素の吸収と放出を確実に行なうことができる。
【００１４】
第３の発明によれば、燃料電池が配置された移動体内の内燃機関が発する熱を、二酸化炭素吸収部に伝達することができる。これにより内燃機関の排熱を有効に利用して、二酸化炭素吸収部を必要な温度帯域に加熱することができる。
【００１５】
第４の発明によれば、二酸化炭素吸収部の二酸化炭素吸収量に応じて、その温度を第１温度帯域あるいは第２温度帯域に制御することができる。従って必要に応じて二酸化炭素吸収部による二酸化炭素の吸収状態と放出状態とを切り替えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
実施の形態．
図１は、この発明の実施の形態の燃料電池について説明するための模式図である。図１に示す燃料電池システムは、内燃機関を有する車両等の移動体に搭載されて用いられる。この燃料電池システムは、陰イオンを伝導体とするアルカリ型の燃料電池２を有している。
【００１８】
燃料電池２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の両側にはそれぞれ、アノード触媒層１２とカソード触媒層１４とが形成されている。アノード触媒層１２とカソード触媒層１４の両外側（即ち、アニオン交換膜１０に接する面とは反対側）には拡散層１６、１８がそれぞれ配置され、アニオン交換膜１０とアノード触媒層１２とカソード触媒層１４とは、両側の拡散層１６、１８により挟持されている。アノード触媒層１２側の拡散層１６の外側には集電板２０が配置され、集電板２０の外側に、燃料を流通させるための燃料流路２２が形成されている。カソード触媒層１４側の拡散層１８の外側には集電板２４が配置され、集電板２４の外側に、空気（酸素）を流通させるための空気流路２６が形成されている。集電板２０、２４の端子には外部回路２８が接続している。
【００１９】
空気流路２６の空気導入口３２、空気排出口３４には、それぞれ、空気供給路３６、空気排出路３８が、それぞれ接続している。一方、燃料流路２２の燃料導入口４０と燃料排出口４２には、燃料循環部４４（燃料貯留部）が接続している。
【００２０】
燃料循環部４４は、貯留部４６と、貯留部４６にそれぞれ接する流路４８と流路５０とを備えている。流路４８は、貯留部４６と燃料導入口４０とを接続し、燃料流路２２に燃料循環部４４内を循環する燃料を流入させる。流路５０は貯留部４６と燃料排出口４２とを接続し、燃料流路２２から排出される排燃料を貯留部４６に導入する。
【００２１】
流路５０の途中には、二酸化炭素を吸収する吸収部５２（二酸化炭素吸収部）が取り付けられている。吸収部５２には、リチウムシリケート（Ｌｉ４ＳｉＯ４）粉末を担体に担持させた二酸化炭素吸収剤が充填されている。また、流路５０には、燃料循環部４０内に燃料（含、排燃料）を還流させるための送液ポンプ（図示せず）が取り付けられている。これにより流路５０を流れる排燃料は、吸収部５２を通過した後、貯留部４６内に流入し、再び流路４８から燃料流路２２に供給される。吸収部５２付近には加熱装置５４が設置されている。加熱装置５４は内燃機関（図示せず）の排熱を利用することで吸収部５２を過熱する。これにより、このシステムでは内燃機関の運転中は、内燃機関の排ガスが加熱装置５４に導入されることで、吸収部５２が500℃程度に加熱される。
【００２２】
このシステムにおいて、カソード極（１４、１８及び２２）側には、空気供給路３６及び空気流路２６を介して空気が供給される。カソード触媒層１４では空気と水と電子とにより水酸化物イオン（ＯＨ−）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触媒層１２側に移動する。一方、アノード極（１２、１６及び２０）側には、燃料として例えばエタノール水溶液が、燃料循環部４４及び燃料流路２２を介して供給される。供給されたエタノールはアノード触媒層１２により分解され、エタノール中の水素原子と、アニオン交換膜１０を透過して移動した水酸化物イオンとが反応して水が生成される。このとき放出された電子は集電板２０に回収され外部回路２８を通過してカソード極（１４、１８及び２４）側の集電板２４に移動する。アノード触媒層１２に燃料としてエタノールが供給される場合には、結果的に、アノード触媒層１２では次式（１）に示す反応が起きる。
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ＋１２ＯＨ−  →  ９Ｈ２Ｏ＋２ＣＯ２＋１２ｅ−    ・・・（１）
【００２３】
ところで、この燃料電池システムは、燃料循環部４４の流路５０中に二酸化炭素を吸収する吸収部５２を有している。吸収部５２に充填された吸収剤は約450〜700℃の温度域（第１温度帯域）で二酸化炭素を吸収する性質を有している。具体的には、吸収部５２内で吸収剤であるリチウムシリケートは、下記式（２）の平衡反応を起こし、450〜700℃の温度域では二酸化炭素を吸収する。
Ｌｉ４ＳｉＯ４＋ＣＯ２⇔Ｌｉ２ＳｉＯ３＋Ｌｉ２ＣＯ３        ・・・・（２）
【００２４】
ここで、この実施の形態においては、内燃機関の排熱を利用する加熱装置５４により、内燃機関の運転中は吸収部５２が500℃程度に加熱される。車両に搭載される燃料電池２の場合、内燃機関の運転中に燃料電池２が運転されることが多い。従って、燃料電池２の通常運転中は、吸収部５２は500℃程度に加熱され、二酸化炭素を吸収する吸収状態となる。従って、流路５０を流通する排燃料中の二酸化炭素の多くが吸収部５２に吸収される。これにより、貯留部４６に導入され再び燃料電池に供給される排燃料中の二酸化炭素濃度を小さく抑えることができる。
【００２５】
また吸収部５２の吸収剤の温度を上昇させると、上記（２）式の二酸化炭素放出の反応速度が速まり、700℃以上の温度帯域（第２温度帯域）では吸収された二酸化炭素が再び放出される。この実施の形態のシステムでは、吸収部５２の二酸化炭素吸収量がその限界を超える前の所定のタイミングで、吸収部５２の温度を第２温度帯域に加熱することで、吸収部５２を再生することとする。
【００２６】
具体的には、例えば、循環部４４の燃料を新たな燃料に交換する際などに吸収部５２を取り外した状態で第２温度帯域まで加熱する。これにより吸収部５２に吸収された二酸化炭素を外部に放出することができる。従って、吸収部５２の吸収剤を再び多量の二酸化炭素を吸収できる状態に再生することができ、吸収部５２を繰り返し再利用することができる。
【００２７】
以上説明したように、この実施の形態によれば、燃料電池２の運転中に吸収部５２が500℃程度に加熱されることにより、燃料循環部４４内を循環する燃料中に混入する二酸化炭素を効果的に除去することができる。これにより、二酸化炭素による電解質溶液の劣化や、触媒表面の塩の析出を抑制することができる。
【００２８】
また、吸収部５２を700℃域の第２温度帯域に加熱することで、吸収した二酸化炭素を放出させ、再び多量の二酸化炭素を吸収できる状態とすることができる。従って、この実施の形態によれば、吸収部５２を繰り返し使用することができる。
【００２９】
なお、実施の形態では、吸収部５２に吸収した二酸化炭素を、例えば燃料循環部４４の燃料の交換時に、外部の加熱手段により加熱する場合について説明した。これにより、燃料電池システムは、吸収部５２を500℃程度に加熱する加熱装置５４のみを有すればよく、複雑な温度制御なく二酸化炭素の吸収と、吸収部５２の再利用を実現することができる。しかし、この発明はこれに限るものではなく、吸収部５２の温度を、第１温度帯域と第２温度帯域に制御して加熱する手段を有するものであってもよい。このような例を図２に示す。
【００３０】
図２は、この発明の実施の形態における他の燃料電池システムを説明するための模式図である。例えば、図２の例のように、燃料電池システムは、制御装置６０を有し、加熱装置５４による吸収部５２の加熱温度を、第１温度帯域と第２温度帯域に制御できるものとする。また、例えば、吸収部５２と貯留部４６とを接続する流路５０を開閉するバルブ６２と、吸収部５２に接続し、バルブ６４が取り付けられた排気管６６とを有する構造とする。
【００３１】
このような他の例のシステムにおいて、燃料電池２の運転中、通常は吸収部５２を第１温度帯域に制御する。一方、吸収部５２による二酸化炭素の吸収量が限界量に近い所定量を超えた段階では、吸収部５２の温度を第２温度帯域に切り替える。このとき流路５０をバルブ６２により閉鎖し、吸収部５２に接続する排気管６６をバルブ６４により開閉する。これにより吸着部５２に吸着した二酸化炭素は、排気管６６を介して外部に放出され、吸収部５２は再び二酸化炭素を多量に吸収できる状態となる。なお、このような加熱装置による吸収部５２の加熱も、車両の内燃機関の排熱を利用して行なうものであってもよい。
【００３２】
また、この実施の形態では、燃料電池システムが内燃機関を有する車両等の移動体に搭載され、内燃機関の排熱を利用することで吸収部５２を加熱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、燃料電池システムは移動体以外に利用されるものであってもよい。この場合にも、燃料電池２の運転中に吸収部５２を少なくとも第１温度帯域に加熱できる加熱手段を設置することにより、吸収部５２による二酸化炭素の吸収を行なうことができる。あるいは、燃料電池の発熱量が大きい場合にはその発熱をそのまま利用して吸収部５２を第１温度帯域に加熱することで、燃料中の二酸化炭素を吸収するようにすることもできる。
【００３３】
また、この実施の形態では、吸収部５２内に吸収剤として主としてＬｉ４ＳｉＯ４のリチウムシリケートを充填して用いる場合について説明した。しかし、この発明はこのリチウムシリケートを用いるものに限るものではなく、ある温度帯域（第１温度帯域）で二酸化炭素を吸収し、他の温度帯域（第２温度帯域）で放出できる性質を有するものであれば、他の吸収部であってもよい。具体的に、例えば、Ｌｉ４ＳｉＯ４のリチウムシリケートに限らず、ＬｉｘＳｉｙＯｚのリチウムシリケートを主とする吸着剤を充填したものであってよい。なお、ここでx、y、zは、x+4y-2z=0を満たす自然数である。また、リチウムシリケートに替えて、カリウムシリケート（Ｋ２ＳｉＯ３）やナトリウムシリケート（Ｎａ２ＳｉＯ３）、ナトリウムジルコネート等を用いることもできる。
【００３４】
また、説明の簡略化のため燃料電池２が、アニオン交換膜１０とアノード極（１２、１６、２０）とカソード極（１４、１８、２４）を有する１の単電池のみを有する場合を図示して説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、複数の単電池がセパレータを介して積層された構造を有するものであってもよい。この場合にも同様に燃料循環部内に二酸化炭素を吸収する吸収部５２を配置することで、燃料電池に供給される燃料中の二酸化炭素を除去し燃料電池の劣化等を抑制することができる。また、このような吸収部５２は、燃料循環部内ではなく、燃料電池２内の各単電池が接する燃料流路内等に設置するものであってもよい。
【００３５】
なお、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する構造や、方法におけるステップ等は、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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の実施の形態の燃料電池システムについて説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態の他の燃料電池システムについて説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００３７】
２  燃料電池
１０  アニオン交換膜
１２  アノード触媒層
１４  カソード触媒層
１６  拡散層
１８  拡散層
２０  集電板
２２  燃料流路
２４  集電板
２６  空気流路
２８  外部回路
３２  空気導入口
３４  空気排出口
３６  空気供給路
３８  空気排出路
４０  燃料導入口
４２  燃料排出口
４４  燃料循環部
４６  貯留部
４８、５０  流路
５２  吸収部
５４  加熱装置
６０  制御装置
６２  バルブ
６４  バルブ
６６  排気管
【図１】
2009295481.tif 000003
【図２】
2009295481.tif 000004