CN1842936A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的燃料电池系统，包括：燃料电池和净化装置，所述燃料电池含有阳极、阴极及夹在所述阳极和所述阴极之间的电解质，所述净化装置具有对从所述阳极排出的物质加以净化的催化剂层，其特征在于，净化装置具有含有催化剂层的多孔质片及配置在该多孔质片两侧的2个流路，在一方的流路中设有将从阳极排出的物质加以导入的导入口，在另一方的流路中设有导入空气的导入口、排出口，从阳极排出的物质流过多孔质片得到净化后从所述排出口排出。

Description

燃料电池系统
                                技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，所述燃料电池系统含有燃料电池和对从燃料电池排出的物质加以净化的净化装置。
                                背景技术
随着便携式小型电子设备例如手机和便携式信息终端(PDA)、笔记本PC、摄像机等的多功能化，设备的消耗电力和连续使用时间有增加的趋势。为了应对这样的情况，迫切需要设备电源的高能量密度化。目前电源主要使用锂二次电池，但在2005年，预测锂二次电池的能量密度在500Wh/L或200Wh/kg左右将达到极限。因此，作为替换锂二次电池的电源，期待高分子电解质型燃料电池(PEFC)早日实用化。在PEFC中，尤其是对有机燃料不改性为氢，而直接供给阳极进行发电的直接型燃料电池被认为有前途。有机燃料例如可使用甲醇、乙醇、二甲醚等。直接型燃料电池因有机燃料所具有的理论能量密度高、系统简化、燃料容易储藏等而受到关注，处于积极研究开发之中。
直接型燃料电池具有阳极、阴极及夹持在它们之间的高分子电解质膜，阳极及阴极分别具有与高分子电解质膜接触的催化剂层和配置在其外侧的气体扩散层。有机燃料和水的混合物直接供给阳极，氧化剂例如氧或空气供给阴极，通过燃料与氧化剂的电化学反应产生电力。
例如，有机燃料使用甲醇时的直接型燃料电池(DMFC)的电极反应如下。
阳极：
阴极：
即，在阳极，甲醇与水反应生成二氧化碳、质子、电子。质子通过电解质膜到达阴极。在阴极，氧、质子与经由外部回路的电子结合而生成水。因此，在阳极完全发生理想的反应时，从阳极排出的化学物质仅有二氧化碳(碳酸气体)。但是，一般来说，因为向阳极供给的是浓度为3～30wt％的甲醇水溶液，因而从阳极会排出没有参与反应的甲醇和大量过剩的水。而且，从阳极排出的物质中有时含有反应副生成物(甲醛、甲酸等)、及反应过程中的化学物质。
甲醇、甲醛及甲酸都被毒物剧毒物管理法指定为剧毒物。而且甲醛是住房装修污染(病症)(シックハウス)的主要原因，故其放出量受到严格限制。根据日本产业卫生学会有关允许浓度等的劝告(2002年度)，各物质的允许浓度为：甲醇：200ppm、甲醛：0.5ppm、甲酸：5ppm。在此，允许浓度是指1天8小时、一周40小时左右暴露在有害物质中时，几乎所有的工作人员在健康方面判断为都没有受到不良影响的浓度。而且，对于甲醛，日本厚生劳动省的室内浓度指导值提示为0.08ppm。
装载有直接型燃料电池的电子设备在室内长时间使用时，必须将从燃料电池排出的物质中的未反应燃料或副生成物的浓度抑制在不超过上述允许浓度的较低的水准。可以认为，解决该课题就等于把握了直接型燃料电池商品化的关键问题。
在DMFC中，作为对从阳极排出的甲醇和二氧化碳进行分离的方法，已有对气化的甲醇和二氧化碳的混合气体加以冷却从而使大部分甲醇冷凝的方法的提案。另外，也有利用分离膜将两者分离，仅将二氧化碳向外部排出的方法的提案。
但是，在前者的方法中，将对排出气体进行冷却直到甲醇的蒸汽压充分降低的机构设置在装载有DMFC的电子设备内的方法在现实中是极其困难的。对于后者的方法，若没有甲醇和二氧化碳的分离系数足够大、且二氧化碳的透过速度大的分离膜，就不能成为有效的方法。现实情况是无法得到具有优良功能的分离膜。
另一方面，也有将排出气体中的甲醇、甲醛等利用氧化催化剂，使之进行燃烧净化的方法和装置的提案。例如，专利文献1尽管不是涉及直接型燃料电池系统的，但揭示了一种燃料电池系统，其包括：用于气化甲醇和水的蒸发器；通过甲醇燃烧反应对该蒸发器进行加热用的加热器。这里，提出了利用用于对从加热器排出的未燃烧甲醇及甲醛进行捕捉的捕捉催化剂的方法。为了使未燃烧甲醇及甲醛氧化而将从燃料电池排出的氢和空气供给捕捉催化剂。
专利文献2揭示了使用燃料电池的直接型燃料电池系统，并提出了使用气液分离槽和过滤器的方法，其中，气液分离槽用于将电化学反应所生成的反应生成物分离成气体和液体，过滤器用于对分离后的气体中含有的副生成物加以吸收或分解。而且，过滤器使用载持了贵金属催化剂的蜂窝层等。
专利文献3尽管不是涉及直接型燃料电池系统的，但提出了一种使用以二氧化锰及氧化铜为主要成分的氧化催化剂，将燃烧排气中含有的微量甲醛氧化，从而对排气加以脱臭的方法。而且，提出了将氧化催化剂充填成层状的燃烧排气的脱臭用催化剂单元。
专利文献1：日本专利公开2001-17835号公报
专利文献2：日本专利公开2003-223920号公报
专利文献3：日本专利公开平9-206596号公报
专利文献1提出的捕捉催化剂被用作排气可流通的蜂窝载体的隔壁。因此，几乎所有的排气流过蜂窝载体的通孔，捕捉催化剂不能完全捕捉甲醇和甲醛。因此，难以将排气中的规定物质的浓度降低到法律限制的允许浓度以下。
专利文献2提出的燃料电池系统，如上所述，没有找到分离气体和液体的有效方法，难以利用气液分离槽进行完全的分离。即使将载持有催化剂的蜂窝层用于过滤器，也难以完全捕捉未反应燃料或副生成物。
而且，根据专利文献2，气体通过过滤器时压力损失大，故需要导入排出压力大的泵等，这导致系统整体大型化和电力损失增大。同样，在专利文献3中催化燃烧用的空气与排气一起流过过滤器，故也存在压力损失增大很大的问题。
                                发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供这样一种燃料电池系统，所述燃料电池系统能高效地净化从燃料电池的阳极排出的物质，且在输送净化所需的催化燃烧用的空气时能将压力损失抑制成较小。
本发明涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池和净化装置，所述燃料电池含有阳极、阴极及夹在所述阳极和所述阴极之间的电解质，所述净化装置具有对从所述阳极排出的物质加以净化的催化剂层，其特征在于，净化装置具有含有催化剂层的多孔质片及配置在该多孔质片两侧的2个流路，在一方的流路中设有将从阳极排出的物质加以导入的导入口，在另一方的流路中设有导入空气的导入口和排出口，从阳极排出的物质流过多孔质片，得到净化后从所述排出口排出。
从阳极排出的物质必定流过含有催化剂层的多孔质片后排出，因而绝大部分未反应燃料或副生成物具有与催化剂接触的机会。因而未反应燃料或副生成物高效地进行催化燃烧，变成水和二氧化碳。又，从阳极排出的物质在并不预先与空气混合的情况下，被导入具有催化剂层的净化装置，与空气各自独立地到达多孔质片。从多孔质片一侧扩散而来的燃料和从另一侧扩散而来的空气中的氧气与催化剂层内部的活性点接触而燃烧。不会出现从阳极排出的物质无法与催化剂层的活性点接触，被大量空气冲走的情况，能延长燃料与活性点接触并与氧气发生反应的滞留时间。而且，催化燃烧用的空气不需要流过多孔质片，故可将输送催化燃烧用空气时的压力损失抑制在较小。
本发明在燃料电池是将有机燃料直接供给阳极，将空气供给阴极的直接型燃料电池的场合尤其有效。有机燃料以液体状态直接供给阳极为佳，最好用溶剂稀释后作为溶液进行供给。溶剂最好使用水。
采用本发明，可实现不必对从阳极排出的物质加以回收并再次供给阳极就对该排出物质进行净化的非循环型燃料电池系统。非循环型的燃料电池系统中，最好通过使供给阳极的燃料的供给量无限接近发电所消耗的量，从而尽可能降低从阳极排出的未反应燃料。非循环型燃料电池系统不需要用于使燃料循环的装置，例如对从阳极排出的物质加以冷却的冷却器和气液分离器等，可实现小型的系统设计。
多孔质片最好是具有催化剂层及配置在该催化剂层两侧的多孔质扩散层的层叠结构。通过设置多孔质扩散层，使从阳极排出并被导入一方的流路的物质、被导入另一方的流路的空气均匀地供给催化剂层中。含有由催化燃烧生成的水和二氧化碳的空气也迅速地从排出口排出。因此，可以高水准同时实现提高催化燃烧的效率和降低压力损失。
从燃料电池的阴极排出的空气中有时会含有微量的一氧化碳和其他副生成物。因而导入净化装置的空气最好含有从燃料电池的阴极排出的空气。该场合，可将从阴极排出的空气中含有的一氧化碳和副生成物与从阳极排出的未反应燃料或副生成物同时通过催化燃烧加以净化。
出于提高催化剂层的催化剂活性，提高未反应燃料或副生成物的燃烧效率的目的，净化装置内部的温度最好设定在30～80℃。净化装置内部的温度越高，催化剂活性越高，但考虑到对便携式设备和系统的影响，30～80℃的范围是合适的。
催化剂层中的催化剂最好含有铂单体或铂与其他金属的合金或混合物。其他金属最好是从由钌、铁、钴、镍、铬、鉬、铑、钯、锇及铱构成的群中选择的至少1种。铂在存在氧气的氧化气氛下也稳定，对于甲醇的氧化反应显示出好的催化剂活性。因此，通过使用铂，即使在低温环境下也可提高催化燃烧的效率。
有机燃料最好至少包括甲醇。甲醇具有理论能量密度高、容易储藏、廉价的优点。甲醇最好作为甲醇水溶液直接供给阳极。
根据本发明，在燃料电池系统中，能高效地净化从燃料电池的阳极排出的物质，且在输送净化所需的催化燃烧用的空气时，能将压力损失抑制成较小。本发明可实现不将从阳极排出的物质再次向阳极循环，以此方式进行净化的非循环型燃料电池系统，可实现小型的系统设计。
                               附图说明
图1是表示本发明的一例净化装置的放大剖视图。
图2是表示本发明的一例燃料电池系统的概要图。
图3是表示本发明的燃料电池系统的其他例子的概要图。
                               具体实施方式
图1是表示本发明的一例净化装置的放大剖视图。在净化装置1的中心部设有成为未反应燃料或副生成物的催化燃烧场所的多孔质片2。多孔质片2由催化剂层3及夹持该催化剂层3的一对多孔质扩散层4构成。在多孔质片的两侧分别设有将从阳极排出的物质导入的流路10、将空气导入的流路12。在流路10中仅设有将从阳极排出的物质导入的导入口11，没有设置排出口。而在流路12中设有导入空气的导入口13、排出口14。
在多孔质片2的周缘部设有气体密封材料5，在多孔质片2的两个面上设有与气体密封材料厚度大致相同的多孔质扩散层4’，防止液体和空气从各流路泄漏。多孔质扩散层4’也可看作多孔质片2的一部分。配置有气体密封材料5的多孔质片2被分别在平坦面上设有槽的树脂浸渍石墨板6a及6b夹持。形成于树脂浸渍石墨板6a的槽成为将从阳极排出的物质导入的流路10，形成于树脂浸渍石墨板6b的槽成为导入空气的流路12。在树脂浸渍石墨板6a及6b的外侧设有分别对净化装置的温度加以控制用的加热器7a及7b。在加热器7a及7b的外侧设有端板8a及8b，它们由紧固螺栓9固定。流路形状是任意的。又，也可利用树脂浸渍石墨板以外的材料设置流路。
图2是表示本发明的一例燃料电池系统的概要图。燃料电池15由夹持电解质16的阳极17及阴极21构成，燃料及氧化剂分别供给阳极17及阴极21。在燃料电池15中通常设有控制其温度用的加热器(未图示)。在阳极17设有相邻的燃料流路(未图示)，燃料通过泵19从燃料罐18直接输送至燃料流路。而在阴极21设有相邻的氧化剂流路(未图示)，空气从外部通过泵20输送至氧化剂流路。
燃料流路出口与净化装置1的导入口11连通。在燃料电池15发电所没有消耗的燃料被导入流路10。例如，在含有将有机燃料的水溶液供给阳极的直接型燃料电池的系统中，含有未反应燃料的水溶液或其蒸汽从导入口11导入流路10。导入流路10内的水溶液或其蒸汽浸透多孔质扩散层4到达催化剂层3。
另一方面，空气从净化装置1的导入口13通过气泵22供给流路12。空气中的氧气在多孔质扩散层4内扩散，到达催化剂层3。尽管空气也可从外部空气供给，但将燃料电池15的氧化剂流路的出口与净化装置1的导入口13连通，利用从阴极排出的空气，可由此构筑环境负荷更小的系统。
在水溶液或其蒸汽通过催化剂层3的期间，未反应燃料与到达催化剂层3的氧气发生反应，变成水和二氧化碳。此时，利用加热器7a及7b对净化装置内部的多孔质片的温度设定在30～80℃，由此，可提高催化剂层3的催化活性，使未反应燃料高效地燃烧。此后，水和二氧化碳与从导入口13导入的空气一起从排出口14排出。
催化剂层没有特别的限定，只要是相对于未反应燃料或副生成物的燃烧具有活性的物质即可使用，例如，较好的是，可以使用含有载持了催化剂金属的导电性碳粒的薄膜。催化剂层的厚度例如为10～50μm程度是足够的，但不作特别限定。催化剂金属例如可使用铂、钌、铁、钴、镍、铬、鉬、铑、钯、锇、铱等。它们既可单独使用，也可2种以上组合使用。
多孔质扩散层可使用各种各样的多孔质材料，但最好使用对于未反应燃料、空气、二氧化碳等具有优异的扩散性的材料。例如，碳纸、碳布等能较好地用作多孔质扩散层。多孔质扩散层的厚度例如为100～500μm程度，但不作特别限定。
本发明适用于含有使用有机燃料的直接型燃料电池的系统。对有机燃料不作特别限定，可使用甲醇、二甲醚、乙二醇等。这些有机燃料最好作为水溶液使用。
实施形态2
图3是表示本发明的燃料电池系统的其他例子的概要图。对与实施形态1相同的组成构件标上与图2相同的符号。在实施形态1中，系对非循环型系统，即不必对从阳极排出的物质加以回收并再度供给阳极地进行净化，然后，向外部排出的系统进行了说明，以下，则是对循环型系统进行说明。
图3的燃料电池系统包括：对从燃料电池15的阳极排出的物质加以回收并进行冷却的冷却器23；将冷却后的物质分离成气体成分和液体成分的气液分离器24。将从阳极排出的物质在冷却器23冷却后，在气液分离器24尽可能地分离成气体成分和液体成分。在气液分离器24分离后的气体成分从净化装置1的导入口11导入流路10，在流过多孔质片2时得到净化。即，被利用泵22供给的空气中的氧气所氧化而变成水和二氧化碳后，向大气中放出。另一方面，液体成分则被回收到燃料罐18内。
在燃料罐18内例如储藏有有机燃料的水溶液。利用浓度传感器25对水溶液中的燃料浓度进行长时间的监视，当燃料罐18内的燃料浓度低于一定水准时，将有机燃料从储藏有有机燃料的原液罐26通过阀27进行适当的补充。这样的燃料浓度调节最好由自动控制系统进行。
在循环型的系统中，从燃料电池的阳极排出的物质中，绝大部分未反应燃料被回收，此后仅气体成分被净化装置净化。因而即使将净化装置内部的温度设定在较低的温度，例如小于等于60℃、小于等于40℃或小于等于30℃也可进行充分的净化。
以下根据实施例和比较例对本发明的燃料电池系统进行更具体的说明，但本发明并不局限于以下的实施例。
实施例1
构成了本发明的实施形态1的非循环型燃料电池系统。首先，按以下要领制作了用于对从燃料电池的阳极排出的物质加以净化的净化装置。
使平均一次粒径为30nm的导电性碳粒(荷兰的AKZOChemie公司生产的ケッチェンブラックEC)的50重量份，分别载持以各25重量份的、作为催化剂金属的平均粒径为30的铂和钌，以此作为催化剂载粒。将该催化剂载粒分散在异丙醇水溶液中，将其分散液与使高分子电解质分散在乙醇水溶液后的分散液混合。利用湿式微粉碎分散机(ビ一ズミル)搅拌所得到的混合液，调制成高分散状态的催化剂胶。催化剂浆中的催化剂载粒与高分子电解质的重量比为1∶1。作为高分子电解质使用了全氟碳磺酸离聚物(パ一フルオロカ一ボンスルホン酸ィオノマ一)(旭硝子(株式会社)生产的フレミオン)。
利用喷涂法将催化剂浆料涂敷在多孔质扩散层即厚度为180μm的碳纸(东レ(株式会社)生产的TGP-H060)上，通过将涂膜在大气中以常温干燥12小时，形成外部尺寸为60mm×60mm、厚度为30μm的催化剂层。催化剂层中含有的铂及钌的量分别为2mg/cm2(分别为72mg)。在催化剂层上进一步层叠成为多孔质扩散层的碳纸后，对整体进行冲压。这样得到含有催化剂层及配置在其两侧的多孔质扩散层的多孔质片。
在该多孔质片的周缘部配置气体密封材料，进一步如图1所示将上述碳纸层叠在多孔质片的上表面和下表面上后，利用一对厚度为5mm的树脂浸渍石墨板进行夹持。在树脂浸渍石墨板的与多孔质片相向的面上事先形成宽度为2mm、深度为2mm的螺旋形的流路。在一方的树脂浸渍石墨板的流路中仅设置导入口，在另一方的树脂浸渍石墨板的流路中设置导入口和排出口。两个流路的形状相同。在各树脂浸渍石墨板的外侧设置薄片状的温度控制用加热器，在加热器外侧设置端板，利用紧固螺栓将端板相互之间固定，从而完成净化装置。净化装置内部温度由加热器保持在60℃。
利用上述净化装置构成图2所示的燃料电池系统A。燃料电池使用了将由阳极、阴极及高分子电解质膜构成的单电池层叠10个构成的电池组。利用燃料泵将甲醇水溶液从燃料罐供给燃料电池的阳极。利用气泵将空气从外部空气供给阴极。将从燃料电池的阳极排出的水溶液或其蒸汽向净化装置的仅有导入口的流路导入，将空气从外部通过泵供给另一方的树脂浸渍石墨板的流路。
实施例2
在净化装置的制作过程中，不同之处在于，在多孔质扩散层上形成催化剂层后，不在催化剂层上进一步层叠多孔质扩散层，而是将仅有导入口的流路与催化剂层直接相对，其他如同实施例1，制得相同结构的净化装置。接着，除了使用该净化装置以外，构成与实施例1相同的燃料电池系统(系统B)，将从燃料电池的阳极排出的水溶液或其蒸汽向仅有导入口的流路导入，将空气供给具有导入口和排出口的流路。
实施例3
除了将多孔质片倒过来设置以外，其他如同实施例2，制得相同的净化装置。即，在此使具有导入口和排出口的流路与催化剂层直接相对。接着，除了使用该净化装置以外，构成与实施例2相同的燃料电池系统(系统C)，将从燃料电池的阳极排出的水溶液或其蒸汽向仅有导入口的流路导入，将空气供给具有导入口和排出口的流路。
实施例4
除了将净化装置的内部温度利用加热器保持在40℃以外，构成与实施例1相同的燃料电池系统(系统D)。
实施例5
除了将净化装置的内部温度利用加热器保持在30℃以外，构成与实施例1相同的燃料电池系统(系统E)。
实施例6
除了将氛围温度设定成小于20℃，将净化装置内部的温度用加热器保持在20℃以外，构成与实施例1相同的燃料电池系统(系统F)。
实施例7
除了将从燃料电池的阴极排出的空气通过泵向净化装置的具有导入口和排出口的流路导入以外，构成与实施例1相同的燃料电池系统(系统G)。
比较例1
将从燃料电池的阳极排出的水溶液或其蒸汽与空气预先混合后向净化装置的仅具有导入口的流路导入，不将空气从外部供给具有导入口和排出口的流路，除此之外，构成与实施例1相同的燃料电池系统(系统1)。
比较例2
通过将陶瓷制的厚度为10mm的蜂窝构造体(通孔的截面形状是一边为2mm的6角形)浸渍在与实施例1相同地调制的催化剂浆料中，使蜂窝构造体载持含有铂及钌的催化剂颗粒。使蜂窝构造体载持的铂及钌的量分别为72mg。
接着，将该蜂窝构造体代替多孔质片加以使用，除此之外制作了与实施例1相同结构的净化装置。将从燃料电池的阳极排出的水溶液或其蒸汽与空气预先混合后向净化装置的仅具有导入口的流路导入，不将空气从外部供给具有导入口和排出口的流路，除此之外，构成与实施例1相同的燃料电池系统(系统2)。
比较例3
利用喷涂法将催化剂浆料涂敷在树脂浸渍石墨板的螺旋形流路上，干燥后形成催化剂层。催化剂层中的铂及钌的量分别为72mg。此后，利用其他树脂浸渍石墨板的平坦面覆盖树脂浸渍石墨板的流路侧。在流路上设置导入口和排出口。利用加热器和端板夹持该树脂浸渍石墨板的组合，除此之外，与实施例1相同地制作了净化装置。
接着，利用该净化装置，将从燃料电池的阳极排出的水溶液或其蒸汽与空气预先混合后向净化装置的流路导入，除此之外，构成与实施例1相同的燃料电池系统(系统3)。
对于实施例1～7的系统A～G及比较例1～3的系统1～3，按以下要点对净化装置的催化燃烧的效率(净化率)和压力损失进行评价。结果如表1所示。
评价1
(i)净化率
在燃料电池的燃料罐内充填浓度为2mol/L的甲醇水溶液。甲醇水溶液由燃料泵从燃料罐直接供给燃料电池的阳极，使每个单电池的燃料流量为0.4ml/分钟。将空气利用气泵从外部供给燃料电池的阴极，使每个单电池的空气流量为1L/分钟。燃料电池的温度设定为60℃。然后，以100mA/cm2的电流密度，使燃料电池连续发电。此时，从燃料电池的阳极排出的水溶液或其蒸汽中含有的甲醇量为1.56×10-3mol/分钟。
将从阳极排出的水溶液或其蒸汽全部导入净化装置的规定导入口，进行氧化净化。导入净化装置的空气的流量为1L/分钟。从净化装置排出的净化后的水溶液或其蒸汽中含有的甲醇量设为α(mol/分钟)，则将α代入下式算出净化率。
净化率(％)＝{(1.56×10-3-α)/1.56×10-3}×100
(ii)压力损失
针对实施例1～7，对空气以1L/分钟的流量导入净化装置时的压力损失值进行了测量。另外，就比较例1～3，对从燃料电池的阳极排出的物质与空气的混合物以1L/分钟的流量导入净化装置时的压力损失值进行了测量。
表1
  净化装置   评价
  催化剂层的设置场所   空气的导入法   导入空气   温度   净化率(％)   压力损失(kPa)
  系统A   多孔质片   与来自阳极的排出物质分离   通常的空气   60℃   99.8   0.12
  系统B   多孔质片   与来自阳极的排出物质分离   通常的空气   60℃   97.1   0.12
  系统C   多孔质片   与来自阳极的排出物质分离   通常的空气   60℃   95.8   0.12
  系统D   多孔质片   与来自阳极的排出物质分离   通常的空气   40℃   96.2   0.12
  系统E   多孔质片   与来自阳极的排出物质分离   通常的空气   30℃   93.8   0.12
  系统F   多孔质片   与来自阳极的排出物质分离   通常的空气   20℃   91.1   0.12
  系统G   多孔质片   与来自阳极的排出物质分离   来自阴极的排出空气   60℃   99.6   0.12
  系统1   多孔质片   与来自阳极的排出物质预先混合   通常的空气   60℃   95.4   5.38
  系统2   蜂窝构造体   与来自阳极的排出物质预先混合   通常的空气   60℃   76.4   0.24
  系统3   螺旋形流路   与来自阳极的排出物质预先混合   通常的空气   60℃   68.6   0.15
在系统A～G中，因为在导入从燃料电池的阳极排出的物质的净化装置的流路中仅设置导入口，故从阳极排出的物质全部通过含有催化剂层的多孔质片。因此甲醇可全部与催化剂接触，通过催化燃烧而分解。表1中也是系统A～G净化率高。
将系统A和系统B、C进行比较，使用了将催化剂层用多孔质扩散层夹持的多孔质片的系统A的净化率特别高。可以认为这是因为设置在催化剂层两侧的多孔质扩散层的作用，使得从阳极排出的甲醇和空气中的氧气很好地向催化剂层供给，而且含有由甲醇分解生成的二氧化碳和水的空气从催化剂层很好地排出的缘故。
将系统A、D、E及F进行比较，发现通过增加净化装置内部的温度可提高净化率。这是因为催化剂活性增加，甲醇的燃烧效率提高的缘故。
通过将系统A与系统G进行比较，发现作为导入净化装置的空气既使利用从燃料电池的阴极排出的空气，也可获得与从外部空气导入空气的情况相同的效果。
将系统A与比较例的系统1进行比较，发现系统1的净化率下降。可以认为这是因为从阳极排出的物质预先与空气混合后连续地供给含有催化剂层的多孔质片，故甲醇和氧气被催化剂的活性点吸附并进行反应用的滞留时间缩短引起的。
将系统A与比较例的系统1进行比较，发现系统1的压力损失大幅度增大。可以认为这是因为空气与从阳极排出的物质一起流过多孔质片的缘故。而在系统2、3的情况下，尽管压力损失小，但净化率与系统A～G相比有很大的下降。可以认为这是因为被蜂窝构造体和流路担持的催化剂层无法完全捕捉水溶液中的甲醇的缘故。即，甲醇直接流过蜂窝构造体的通孔和流路的概率增大，净化率显著下降的缘故。
实施例8
构成了本发明的实施形态2的循环型燃料电池系统。
如同实施例1，制得对从燃料电池的阳极排出的物质加以净化的净化装置。不过，净化装置内部温度保持在30℃。
利用上述净化装置构成了图3所示的燃料电池系统H。燃料电池使用了与实施例1相同的将由阳极、阴极及高分子电解质膜构成的单电池层叠10个构成的电池组。利用燃料泵将甲醇水溶液从燃料罐供给燃料电池的阳极。利用气泵将空气从外部空气供给阴极。
使从燃料电池的阳极排出的物质流过设定在25℃的冷却器后，导入聚四氟乙烯制的气液分离器内，分离成气体成分和液体成分。
因为液状成分绝大部分是未反应甲醇和水，故适宜地回收到燃料罐内。对于燃料罐的甲醇水溶液中的甲醇浓度始终利用浓度传感器加以监视。当甲醇浓度小于1.8mol/L时，将甲醇从原液罐补充到燃料罐内以使浓度返回2mol/L。这样的浓度控制通过对设置在连接原液罐和燃料罐的配管上的阀的调节来进行。阀的开闭由与浓度传感器连接的自动控制系统来控制。
气体成分几乎都是二氧化碳和水蒸气，但因为含有微量的甲醇，故导入净化装置的仅有导入口的流路内。将空气通过泵从外部供给净化装置的具有导入口和排出口的流路。
实施例9
除了将氛围温度设定成小于20℃，将净化装置内部的温度用加热器保持在20℃以外，构成与实施例1相同的燃料电池系统(系统1)。
比较例4
利用与取代多孔质片而含有蜂窝构造体的比较例2相同地制作的净化装置，将从燃料电池的阳极排出的水溶液或其蒸汽与空气事先混合后向净化装置的仅具有导入口的流路导入，不将空气从外部供给具有导入口和排出口的流路，除此之外，构成与实施例1相同的燃料电池系统(系统4)。
比较例5
如同实施例3，制得利用与在树脂浸渍石墨板的螺旋型流路上具有催化剂层的净化装置，将从燃料电池的阳极排出的水溶液或其蒸汽与空气预先混合后向净化装置的流路导入，除此之外，构成与实施例1相同的燃料电池系统(系统5)。
就实施例8、9的系统H、I及比较例4、5的系统4、5，按以下要领对净化装置的催化燃烧的效率(净化率)、压力损失进行了评价。其结果如表2所示。
评价2
(i)净化率
在燃料电池的燃料罐内充填浓度为2mol/L的甲醇水溶液。甲醇水溶液通过燃料泵从燃料罐直接供给燃料电池的阳极，使每个单电池的燃料流量为2.0ml/分钟。用气泵将空气从外部供给燃料电池的阴极，使每个单电池的空气流量为1L/分钟。
燃料电池的温度设定为60℃。然后，以100mA/cm2的电流密度，使燃料电池连续发电。使从燃料电池的阳极排出的水溶液或其蒸汽流过设定在25℃的冷却器后进行冷却，利用气液分离器回收液体成分。被分离后的气体成分中含有的甲醇量为3.43×10-5mol/分钟。
将分离后的气体成分全部导入净化装置的规定导入口进行氧化净化。导入净化装置的空气的流量设定为1L/分钟。从净化装置排出的净化后的气体成分中含有的甲醇量设为β(mol/分钟)，则将β代入下式算出净化率。
净化率(％)＝{(3.43×10-5-β)/3.43×10-5}×100
(ii)压力损失
针对实施例8、9，将空气以1L/分钟的流量导入净化装置，测定此时的压力损失值。另外，针对比较例4、5，将从燃料电池的阳极排出的物质与空气的混合物以1L/分钟的流量导入净化装置，测定此时的压力损失值。
表2
  净化装置   评价
  催化剂层的设置场所   空气的导入法   导入空气   温度   净化率(％)   压力损失(kPa)
  系统H   多孔质片   与来自阳极的排出物质分离   通常的空气   30℃   99.9   0.12
  系统1   多孔质片   与来自阳极的排出物质分离   通常的空气   20℃   99.8   0.12
  系统4   蜂窝构造体   与来自阳极的排出物质预先混合   通常的空气   30℃   92.4   0.24
  系统5   螺旋形流路   与来自阳极的排出物质预先混合   通常的空气   30℃   89.6   0.15
从表2可见，系统H、I也具有与系统A同等以上的高净化率。而系统4、5中，尽管压力损失小，但净化率有下降的趋势。可以认为这是因为在被蜂窝构造体和流路载持的催化剂层中无法完全捕捉水溶液中的甲醇，而且在30℃左右的低温环境下催化剂的活性化不充分的缘故。
在上述实施例中，对含有作为有机燃料使用甲醇的直接型燃料电池(DMFC)的系统进行了说明，但本发明并不局限于此，也可适用于使用甲醇以外的有机燃料，例如二甲醚、乙二醇等的燃料电池系统。
产业上的可利用性
本发明的燃料电池系统可不受特别限定地应用于将燃料电池用作电源的各种各样的系统，尤其作为便携式小型电子设备例如手机和便携式信息终端(PDA)、笔记本PC、摄像机等的电源系统是有用的。而且，本发明的燃料电池系统也可用于例如作为电动小型摩托车、电动汽车、复合动力汽车等的电源系统。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，包括燃料电池和净化装置，所述燃料电池含有阳极、阴极及夹在所述阳极和所述阴极之间的电解质，所述净化装置具有对从所述阳极排出的物质加以净化的催化剂层，其特征在于，
所述净化装置具有含有所述催化剂层的多孔质片及配置在该多孔质片两侧的2个流路，
在一方的流路中设有用于导入从所述阳极排出的物质的导入口，
在另一方的流路中设有导入空气的导入口、和排出口，
从所述阳极排出的物质通过所述多孔质片后从所述排出口排出。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池是将有机燃料直接供给所述阳极，将空气供给所述阴极的直接型燃料电池。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，不必对从所述阳极排出的物质进行回收后再次供给阳极地，对该物质进行净化。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述多孔质片是具有催化剂层及配置在该催化剂层两侧的多孔质扩散层的层叠结构。
5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，导入所述另一方的流路内的空气含有从所述阴极排出的空气。
6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述净化装置内部的温度为30～80℃。
7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述催化剂层中的催化剂含有铂单体或铂与其他金属的合金或混合物，所述其他金属选自由钌、铁、钴、镍、铬、鉬、铑、钯、锇及铱构成的群中的至少1种。
8.如权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述有机燃料至少包括甲醇。
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