(57)【要約】【課題】燃料電池システムの小型化を図りつつ、燃料電池の冷却機能を確保する。【解決手段】陰イオンを伝導する電解質膜と、該電解質膜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有する燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給する、少なくともＮとＨを含む燃料を液体で貯蔵する貯蔵手段と、貯蔵手段に貯蔵される液体燃料を、燃料電池に気化して供給する燃料供給系とを備えるものとする。燃料としては、例えば、アンモニアやヒドラジンを用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜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有する燃料電池と、
前記燃料電池に供給する、少なくともＮとＨを含む燃料を液体で貯蔵する貯蔵手段と、
前記貯蔵手段に貯蔵される液体燃料を、前記燃料電池に気化して供給する燃料供給系と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料は、アンモニアまたはヒドラジンであ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】
前記アノード極側から排出される排燃料から、燃料成分と水とを分離させる分離手段と、
前記分離手段から分離された燃料成分を、再び、前記燃料電池に供給させるための循環経路とを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。
【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、燃料としてＮ及びＨを含む燃料が用いられるアルカリ型の燃料電池を用いる燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、アルカリ型、固体高分子型等、様々な種類のものが知られている。一般に、これらの燃料電池の発電においては、アノード極に燃料として水素又は水素の原料となる燃料が供給され、カソード極に酸素や空気等が酸化剤として供給される。このように反応剤が供給されると、アルカリ型燃料電池のカソード極では酸素から水酸化物イオンが生成され、水酸化物イオンは電解液を透過してアノード極に到達する。アノード極では供給された燃料から水素原子が生成され、カソード極側から移動した水酸化物イオンと反応することで水が生成される。例えば、下記特許文献１には、燃料として、アンモニアやヒドラジン、モノメチルヒドラジン等が用いられる燃料電池が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３４６８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池の電気化学反応においては反応熱が発生するため、燃料電池はその発電に伴って発熱する。従って燃料電池を適切な運転温度に維持するためには、燃料電池の運転中、燃料電池を冷却するシステムが必要となる。しかしながら、このような冷却のためのシステムは、燃料電池の小型化の妨げとなる場合があり、燃料電池の小型化が望まれるような場合には好ましいものではない。
【０００５】
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、燃料電池の小型化を図りつつ、燃料電池の冷却機能を確保す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】
【０００６】
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、
電解質膜と、該電解質膜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有する燃料電池と、
前記燃料電池に供給する、少なくともＮとＨを含む燃料を液体で貯蔵する貯蔵手段と、
前記貯蔵手段に貯蔵される液体燃料を、前記燃料電池に気化して供給する燃料供給系と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃料は、アンモニアまたはヒドラジンであることを特徴とする。
【０００８】
第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記アノード極側から排出される排燃料から、燃料成分と水とを分離させる分離手段と、
前記分離手段から分離された燃料成分を、再び、前記燃料電池に供給させるための循環経路とを備えることを特徴とする。
【０００９】
なお、ここで、排燃料からの燃料成分と水との分離とは、排燃料から燃料が完全に分離される場合に限らず、排燃料中から燃料成分がある程度の高い濃度となるように分離されるものであればよい。従って例えば、分離された燃料成分にはある程度の水が混入していてもよく、また、分離された水にはある程度の燃料成分が混入していてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
第１の発明によれば、燃料電池システムは、燃料を液体で貯蔵する一方、燃料電池に燃料を供給する際には、燃料を気化して供給することができる。このシステムによれば、燃料が気化する際に奪われる気化熱により、運転中の燃料電池を効率的に冷却することができる。従って、運転中の燃料電池の温度上昇を抑え適正な運転温度に維持することができる。またこのシステムでは、燃料電池の冷却のための装置等を省略することができるため、燃料電池の小型化を図ることができる。
【００１１】
第２の発明によれば、燃料としてアンモニアまたはヒドラジンが用いられる。アンモニアまたはヒドラジンは、１気圧〜１０気圧の範囲かつ常温で液体となるため貯蔵が容易であり、また気化の際に大きな気化熱を奪うため冷却の効果も大きい。また、これらの燃料は炭素を含まないため、発電の際二酸化炭素を発生させない点でも利点を有する。
【００１２】
第３の発明によれば、排燃料から燃料成分を抽出して再び循環利用することができる。これにより、燃料濃度を高く維持しつつ、循環して利用することができ燃料利用率を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】
【００１３】
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。
【００１４】
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、陰イオンを伝導体とするアルカリ型燃料電池２を有している。燃料電池２は固体高分子電解質膜であるアニオン交換膜１０（電解質膜）を有している。アニオン交換膜１０の両側にはそれぞれ、アノード極１２とカソード極１４とが形成されている。
【００１５】
アニオン交換膜１０は、カソード極１４の電極触媒で生成される水酸化物イオンをアノード極１２側に移動させることができる媒体である。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を用いることができる。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。
【００１６】
アノード極１２及びカソード極１４のそれぞれは、触媒粒子を電解質溶液（あるいはアイオノマー）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。各極１２、１４の触媒粒子は、後述する各電極での反応を触媒する機能を有するものである。具体的な触媒粒子としては、例えば、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。
【００１７】
図１を参照して、アノード極１２に接して、セパレータ１６が設けられている。セパレータ１６には、燃料が流通する燃料流路と、燃料流路の上流及び下流にそれぞれ連通して形成された燃料流入孔及び燃料排出孔とが形成されている。カソード極１４に接して、セパレータ１８が設けられている。セパレータ１８には、空気が流通する酸素流路と、酸素流路の上流及び下流にそれぞれ連通して形成された酸素流入孔及び酸素排出孔とが形成されている。また、両セパレータ１６、１８は、それぞれ金属で形成され、集電板としての機能をもつ部分を有する。セパレータ１６、１８は、燃料電池２の外部に設けられた外部回路２０に接続している。
【００１８】
図１においては、上記のように構成されたアニオン交換膜１０及びアノード極１２、カソード極１４からなる発電部とその両側に配置された一対のセパレータ１６、１８を１組のみ図示したが、実際には、燃料電池２は、発電部がセパレータを介して複数積層されたスタック構造を有している。このように複数の発電部がセパレータを介して積層される場合、アノード極１２側のセパレータ１６の燃料流入孔及び燃料排出孔は、それぞれ１つに連結して燃料供給マニホールド２２及び燃料排出マニホールド２４を構成する。同様に、カソード極１４側のセパレータ１８の酸素流入孔及び酸素排出孔は、それぞれ１続きに連結して酸素供給マニホールド（図示せず）及び酸素排出マニホールド（図示せず）を構成する。
【００１９】
燃料電池２の燃料供給マニホールド２２の燃料導入口には燃料供給路３０が接続している。燃料供給路３０は燃料供給源３２に接続している。燃料供給源３２は、燃料としてのアンモニア（ＮＨ３）を１０気圧程度に圧縮した状態で液体として貯蔵している。燃料供給路３０にはレギュレータ３４が取り付けられ、これにより、燃料供給源３２から供給される圧縮燃料は、燃料供給路３０内において所定の燃料供給圧となるように調整されている。
【００２０】
一方、燃料電池２の燃料排出マニホールド２４の燃料排出口には、循環経路３６の一端が接続している。循環経路３６の途中には気液分離器３８及びストリッピング装置４０が設置されている。気液分離器３８には排気路４２が接続している。
【００２１】
ストリッピング装置４０（分離手段）の下部には、外部から空気を供給するための空気導入路４４と、外部に処理水を排出するための排水路４６とが接続している。ストリッピング装置４０内部には、多孔板４８とダウンカマー５０とが設けられている。ストリッピング装置４０より下流側において、循環経路３６の端部は燃料供給路３０に接続している。
【００２２】
一方、図示を省略するが、燃料電池２の酸素供給マニホールドの酸素導入口には、外部から空気を導入するための空気供給路が接続している。空気供給路の途中には加湿器が設置されており、これによって空気はカソード極１４に供給される前にある程度加湿される。一方、燃料電池２の酸素排出マニホールドの酸素排出口には空気排出路が接続している。空気排出路は外部に向けて開放されており、カソード極１４側から排出される空気オフガスはこの空気排出路を介して外部に放出される。
【００２３】
このシステムにおいて、燃料としてのアンモニアは、燃料供給路３０を介して燃料電池２内の燃料供給マニホールド２２を通って各セパレータ１６の燃料流路に供給され、アノード極１２における反応に用いられる。未反応の燃料や生成物等を含む排燃料は、燃料排出マニホールド２４を介して循環経路３６に排出される。一方、空気供給路にはブロアーやコンプレッサー（図示せず）等により、外部から空気が取り込まれて圧送される。圧送された空気は加湿器において加湿され、燃料電池２内の酸素供給マニホールドからカソード極１４の酸素流路に供給される。カソード極１４から排出される未反応の酸素を含む空気オフガスは、酸素排出マニホールドから空気排出路を介して外部に排出される。
【００２４】
ここで、アノード極１２に供給された燃料は、アノード極１２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セパレータ１６から外部回路２０を通過してカソード極１４側に移動する。アノード極１２に燃料としてアンモニアが供給されて、これが分解される場合には、結果的に、アノード極１２では次式（１）に示す反応が起きる。
２ＮＨ４＋＋８ＯＨ−  →  ８Ｈ２Ｏ＋Ｎ２＋６ｅ−    ・・・（１）
【００２５】
一方、カソード極１４に空気が供給されると、カソード極１４の電極触媒の機能により、いくつかの段階を経て、酸素分子（Ｏ２）と水とから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１２側に移動する。カソード極１４での反応は、次式（２）のようになる。
１/２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  ２ＯＨ−        ・・・・（２）
【００２６】
以上のようなアノード極１２側とカソード極１４側における反応をまとめると、燃料電池２全体では水の生成反応が起きており、電子は両極間を、外部回路２０を介して移動する過程で回路の負荷に対して仕事を行い、これによりエネルギーが取り出されることとなる。
【００２７】
上記のように、燃料電池２の発電中の電気化学反応において、式（１）に示すようにアノード極１２では燃料から水と窒素（Ｎ２）とが生成される。従って、燃料電池２から排出される排燃料には未使用の燃料の他に、多くの水分と窒素とが含まれることになる。つまり、未使用の燃料は多量の水分により薄められた状態となっている。従って排燃料を循環して利用するためには、排燃料に含まれる窒素と水とをある程度除去し、燃料の濃度を高く保つことができるようにすることが望ましい。
【００２８】
従って、この実施の形態の燃料電池システムは気液分離器３８とストリッピング装置４０とを有している。気液分離器３８は、排燃料を、液体であるアンモニア水溶液と気体である窒素とに分離して、排燃料から窒素を除去する。分離された窒素は、排気路４２を介して空気に放出されるか、あるいは、この燃料電池２の使用環境に応じて他の適切な方法により処理される。
【００２９】
一方、ストリッピング装置４０は、アンモニアストリッピング法により、アンモニア水溶液からアンモニアを抽出する装置である。具体的に、ストリッピング装置４０の上部に接続された循環経路３６からは、窒素が除去された後の排燃料であるアンモニア水溶液が導入される。アンモニア水溶液は多孔板４８にせき止められるが、ダウンカマー５０から下部に次第に移動する。ストリッピング装置４０の下部からは、空気導入路４４を介してラジエターファンの空気の一部がキャリアガスとして導入される。導入された空気は、ストリッピング装置４０の多孔板４８の孔内を通過して、多孔板４８にせき止められたアンモニア水溶液中を流れ、下段から上段に向けて移動する。
【００３０】
この過程においてアンモニア水溶液の気液接触によりアンモニアが気相に移動していく。これによりアンモニア水溶液中から次第にアンモニアが除去される。残った水分は上段から下段にダウンカマー５０を通って流れて下方に移動し、最終的にはストリッピング装置４０の下部に設置された排水路４６から排水される。ここで気相に移動したアンモニアは、循環経路３６を通って再び燃料供給路３０内に合流し、新たに燃料供給源３２から供給された燃料と混合して、燃料電池２に供給される。
【００３１】
ここで、上記の電気化学反応における反応熱により燃料電池の発電には発熱が伴う。しかし、燃料電池の劣化等を抑制し、効果的な発電を行うためには、燃料電池の運転温度を適切な温度範囲内に維持することが望まれる。従って、燃料電池の運転中は反応熱による温度上昇を抑えるべく燃料電池を冷却することが必要となる。一般的には、例えば、燃料電池の反応部に冷却水を循環させることで燃料電池を冷却する方法が用いられる。
【００３２】
この燃料電池システムでは燃料電池２の運転温度を100[℃]とすることが望ましい。但し、これは、触媒の活性化や、アニオン交換膜１０の耐久性、起動エネルギー、水の水蒸気化、ラジエター（図示せず）のサイズ等を考慮して決定したものであり、この発明を拘束するものではない。
【００３３】
この実施の形態の燃料電池システムにおいては、燃料供給源３２には、１０気圧程度に圧縮されたアンモニアが液体として貯蔵されている。燃料として燃料電池２内に供給される際には、レギュレータ３４により所定の供給圧にまで減圧されて供給される。アンモニアは燃料供給路３０及び燃料供給マニホールド２２内を通過する間に次第に気化して液体から気体となる。なお、アンモニアは、燃料供給マニホールド２２内で一度気体となるが、アノード極１２の燃料流路に導入されると付近に存在する水に溶けて、アンモニア水となって燃料流路を流通することとなる。
【００３４】
ところで、アンモニアが気化する際には22.3[KJ/mol]の気化熱を奪う。従って、燃料供給路３０及び燃料供給マニホールド２２内でアンモニアが気化すると、その気化熱により燃料供給路３０や燃料供給マニホールド２２近傍が冷却される。燃料供給マニホールド２２を構成するセパレータ１６、１８は金属で形成されているため、熱伝導率が高い。従って、燃料供給マニホールド２２内がアンモニアの気化によって冷却されると、その温度は効率的にセパレータ１６全体、ひいては燃料電池２の発電部内全体に伝わって、燃料電池２全体が冷却される。従って、液体アンモニアの供給により燃料電池２内が必然的に冷却され、燃料電池２の温度上昇が抑えられる。
【００３５】
以上のように、実施の形態１のシステムによれば、液体のアンモニアを気化して供給することにより、特に大掛かりな冷却系を設けることなく、燃料電池２を冷却することができる。つまり、この実施の形態のシステムによれば、冷却水や冷却水を冷却する冷却ファン等からなる冷却系を省略することができ、燃料電池の簡素化、小型化を図ることができる。
【００３６】
なお、この実施の形態では燃料としてアンモニアを用いる場合について説明したが、この発明において燃料電池の燃料はアンモニアに限るものではない。燃料としては、１〜１０気圧程度の常温で液体となる燃料であって、燃料供給圧において気体となり、気化の際に気化熱を奪うものであればよい。具体的に例えばヒドラジン等を用いることができる。
【００３７】
また、この実施の形態では、ストリッピング装置４０に排燃料を導入する前に、気液分離器３８を通過させることで排燃料から窒素を除去する場合について説明した。しかし、この発明はこのように気液分離器３８を有するものに限られるものではない。
【００３８】
また、この実施の形態においては、セパレータ１６、１８が金属で形成されている場合について説明した。これにより、セパレータ１６、１８の熱伝導率を高くして、気化熱による冷却を効果的に行うことができる。しかし、この発明はこれに限るものではなく、セパレータが他の部材により形成されているものであってもよい。また、この発明は、このようにセパレータの熱伝導により燃料電池を冷却するものに限るものではない。例えば、従来のように冷却水等の冷却媒体をセパレータ内に流通させることで、燃料電池を冷却するものとし、この冷却媒体を気化熱による温度低下が大きい部分において冷却するような構造としたものとすることもできる。
【００３９】
また、この燃料電池２を例えば車両に搭載して主電源として利用するような場合、単位時間当たりに多量の水素が必要となる。このように多量な水素を発生させるべくアンモニアをＮとＨに効果的に分解するためには、600[℃]以上に加熱して触媒を通して高分解した後、Ｈ２を更にアノード極で分解するなどの方法が考えられる。しかしながら、この場合、その分解のためのシステムが煩雑で複雑化することが考えられる。従って、燃料電池及びそれを搭載するシステム内のスペースの小型化を考慮して、例えば、車両に搭載する場合には、エアコン等の補機を駆動するための補助電源とするなど、比較的電力の小さなものに適用することが望ましい。また、この燃料電池システムは、車両に搭載する場合に限らず、例えば電動車椅子、介護用やアトラクション用ロボット等の10[kW]以下の小型電源等として用いるのに好適である。
【００４０】
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する構造は、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。
【００４１】
なお、この実施の形態における燃料供給源３２は、この発明の「貯蔵手段」に該当し、燃料供給路３０、レギュレータ３４及び燃料供給マニホールド２２は「燃料供給系」に該当し、ストリッピング装置４０は「分離手段」に該当し、循環経路３６は「循環経路」に該当する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【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。
【符号の説明】
【００４３】
２  燃料電池
１０  アニオン交換膜
１２  アノード極
１４  カソード極
１６、１８  セパレータ
２０  外部回路
２２  燃料供給マニホールド
２４  燃料排出マニホールド
３０  燃料供給路
３２  燃料供給源
３４  レギュレータ
３６  循環経路
３８  気液分離器
４０  ストリッピング装置
４２  排気路
４４  空気導入路
４６  排水路
４８  多孔板
５０  ダウンカマー
【図１】
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