JP2004349029A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の運転に消費されるエネルギーを抑え、高い運転効率が得られる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】金属水素錯化合物例えば水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)のアルカリ水溶液を燃料とするボロハイドライド燃料電池と水素を燃料とする水素燃料電池とを組み合わせる。水素燃料電池の酸化剤極側にて生成された水分をボロハイドライド燃料電池に供給される酸化剤中の水分として利用し、またボロハイドライド燃料電池にて生成された水素を水素燃料電池の燃料として利用する。
【選択図】 図1
【解決手段】金属水素錯化合物例えば水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)のアルカリ水溶液を燃料とするボロハイドライド燃料電池と水素を燃料とする水素燃料電池とを組み合わせる。水素燃料電池の酸化剤極側にて生成された水分をボロハイドライド燃料電池に供給される酸化剤中の水分として利用し、またボロハイドライド燃料電池にて生成された水素を水素燃料電池の燃料として利用する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばテトラヒドロホウ酸塩などの金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が供給される燃料電池を用いたシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、負極及び正極に夫々燃料及び酸化剤を連続的に供給しそのときに起こる化学反応により得られるエネルギーを電気的エネルギーに変換する装置であり、環境にやさしいクリーンな動力源として注目を集めている。例えばメタノールを改質して水素リッチなガスを取り出し、この水素リッチなガスを燃料として用いる燃料電池は従来から良く知られているが、最近において水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)などの水素化ホウ素錯化合物の液体燃料を用いた燃料電池(ボロハイドライド燃料電池)が検討されている。例えば水素化ホウ素ナトリウムはアルカリ溶液中において安定しており、BH4−をBO2−に変換するときの電気化学的電位がより卑になることから理論電圧が高く、また水素を発生させる改質器が不要であるなどの利点がある。この種の燃料電池は特許文献1及び2に記載されている。
【0003】
例えば特許文献1には、図6に示すボロハイドライド燃料電池が知られている。この燃料電池は、樹脂などの絶縁性のケース体11内を高分子電解質膜からなる透過膜12により2つの領域に区画し、一方の領域には酸化剤極13が透過膜12の一面側に接触して設けられ、また他方の領域には燃料極14が透過膜12の他面側に接触して設けられている。更に酸化剤極13とケース体11の一方の側面との間には酸化剤例えば空気を通流させる第1の流路部15が形成され、また燃料極14とケース体11の他方の側面との間には燃料を通流させる第2の流路部16が形成されている。
【0004】
このような燃料電池においては、第1の流路部15に例えば加湿された空気を通流させると共に第2の流路部16に水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液である燃料を通流させると、燃料極14では8電子反応である(1)式の反応が主として起こる。
【0005】
NaBH4+8NaOH→NaBO2+6H2O+8Na++8e− (1)
燃料極14で生成したナトリウムイオン(Na+)は、透過膜12を通過して酸化剤極13に移動し、電子は外部に接続された図示しない回路を通して酸化剤極13に受け渡される。そして、酸化剤極13では、下記の(2)式に示すように、外部に接続された回路を通して電子が受け渡され、外部から酸化剤として供給された酸素(O2)及び水(H2O)と、燃料極14から移動してきたナトリウムイオンとが触媒作用により反応して水酸化ナトリウムを生成する。また燃料極14から移動してきた水素イオンが酸素と反応して水を生成する反応も起こっている。
【0006】
2O2+4H2O+8Na++8e−→8NaOH (2)
【特許文献1】
特表2000−502842:図1
【特許文献2】
特開2002−50325:図2
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
この種の燃料電池は、燃料電池を運転するのに必要なエネルギーをできるだけ小さく抑えながら大きな電気エネルギーを取り出し、高い運転効率を図ることが必要である。しかしながら水素ガスを燃料とする水素燃料電池にあっては、水素ガスを得るために例えばメタノールを改質するためのエネルギーが必要であり、またボロハイドライド燃料電池にあっては、酸化剤極12に供給する酸化剤例えば酸素又は空気には水分を含ませることが必要であることから加湿器が必要とされるし、更に燃料極14にて生成した水素ガスを処理するためのエネルギーも必要である。このように燃料電池を運転するためにエネルギーが必要であり、そのエネルギーが小さいとは言い難いことから、運転効率の向上が困難になっており、燃料電池の普及を阻む要因の一つになっている。
【0008】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高い運転効率が得られる燃料電池システムを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、例えば上述のボロハイドライド燃料電池と水素燃料電池とを組み合わせ、水素燃料電池の酸化剤極側にて生成された水分をボロハイドライド燃料電池に供給される酸化剤中の水分として利用し、またボロハイドライド燃料電池にて生成された水素を水素燃料電池の燃料として利用するという発想に基づいてなされたものである。
【0010】
即ち、本発明の燃料電池システムは、電解質膜により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第1の燃料電池と、
前記燃料極室にて生成された水素を燃料から分離するための気液分離部と、
電解質体により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、水素ガスが燃料として燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第2の燃料電池と、
前記気液分離部にて分離された水素ガスを第2の燃料電池の燃料極室に供給する手段と、を備えたことを特徴とする。
【0011】
他の発明の燃料電池システムは、電解質膜により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第1の燃料電池と、
電解質体により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、水素ガスが燃料として燃料極室に供給されると共に酸素ガスが酸化剤極室に供給される第2の燃料電池と、
この第2の燃料電池の酸化剤極室から排出される水分を含んだ酸素ガスを第1の燃料電池の酸化剤極室に供給する手段と、を備えたことを特徴とする。この場合、第1の燃料電池の燃料極室にて生成された水素を燃料から分離するための気液分離部と、この気液分離部にて分離された水素ガスを第2の燃料電池の燃料極室に供給する手段と、を備えた構成とすることが好ましい。
【0012】
本発明によれば、第1の燃料電池及び第2の燃料電池の一方にて生成された成分を他方にて利用し、更にはまた他方にて生成された成分を一方にて利用しているので、システム全体において高い運転効率が得られる。第1の燃料電池の燃料として用いられる金属水素錯化合物は例えば水素化ホウ素錯化合物である。また本発明において「酸素ガスが酸化剤極室に供給される」とは、空気を酸化剤極室に供給する場合も含む。
【0013】
本発明の具体的な構造としては、例えばバイポーラプレートあるいはセパレータなどと呼ばれている導電体プレートの一面側及び他面側に夫々第1の燃料電池の電極及び第2の燃料電池の電極を接触させて、第1の燃料電池及び第2の燃料電池の直列接続構造を構成したものを挙げることができる。ここでいう電極とは、燃料極室の燃料極あるいは酸化剤極室の酸化剤極である。更に第1の燃料電池または第1の燃料電池同士を直列接続した第1の燃料電池スタックと、第2の燃料電池または第2の燃料電池同士を直列接続した第2の燃料電池スタックと、を導電体プレートを介して交互に直列接続してなり、導電体プレートの一面側及び他面側には第1の燃料電池または第2の燃料電池の電極が接触している構成とすることができる。例えば1個の第1の燃料電池と1個の第2の燃料電池とを交互に導電体プレートを介在させて多数直列に接続するようにしてもよいし、あるいは複数の第1の燃料電池同士を直列接続した燃料電池スタックと1個の第2の燃料電池とを交互に導電体プレートを介在させて多数直列に接続するようにしてもよいし、更にはまた複数の第1の燃料電池同士を直列接続した燃料電池スタックと複数の第2の燃料電池同士を直列接続した燃料電池スタックとを交互に導電体プレートを介在させて多数直列に接続するようにしてもよい。この場合第1の(第2の)燃料電池スタックは、例えば複数の第1の(第2の)燃料電池が導電体プレートにより直列接続されたものである。このような構成によれば、第2の燃料電池が発熱しても、第1の燃料電池の燃料の通流により冷却される効果がある。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図1を用いて説明する。図1は本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの基本構成を示す図であり、この燃料電池システムは、金属水素錯化合物例えば水素化ホウ素錯化合物である水酸化ホウ素ナトリウム(NaBH4)のアルカリ水溶液例えば水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液を燃料とするボロハイドライド燃料電池2と、水素(H2)を燃料とする水素燃料電池3とを組み合わせてなる。ボロハイドライド燃料電池2は第1の燃料電池2に相当し、水素燃料電池3は第2の燃料電池3に相当する。
【0015】
前記第1の燃料電池2は、例えば絶縁材からなるケース体(図示していない)内に燃料極(負極)21と酸化剤極(正極)22とを透過膜である電解質膜23を介して対向配置し、燃料極21における電解質膜23とは反対側の領域に燃料流路24を、また酸化剤極22における電解質膜23とは反対側の領域に酸化剤流路25を夫々形成して構成される。燃料極21及び燃料流路24は燃料極室(負極室)20aを構成し、酸化剤極22及び酸化剤流路25は酸化剤極室(正極室)20bを構成している。
【0016】
前記燃料流路24には燃料供給路41及び燃料排出路42が接続され、燃料供給部26からポンプP1及び燃料供給路41を介して供給された燃料、この例では水酸化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液が燃料流路24を通って燃料排出路42から排出されるようになっている。また後述するように、第1の燃料電池2から排出される燃料には電極反応により水素が含まれるため、この水素を燃料から分離するために燃料排出路42には気液分離部43が設けられている。気液分離部43としては、例えば上面に気液分離膜が張られた気液分離室内に燃料流路24からの液体を通過させることにより、当該液体中の水素ガスが気液分離膜を通って上方側に移動する構造のものを用いることができる。
【0017】
更にまた、酸化剤流路25には酸化剤供給路44及び酸化剤排出路45が接続され、酸化剤供給路44から供給された酸化剤が酸化剤流路25を通って酸化剤排出路45から排出されるようになっている。前記酸化剤供給路44の基端側は第2の燃料電池3に接続されており、第2の燃料電池3から排出される水分を含んだ酸化剤例えば酸素叉は空気が供給される。この酸化剤供給路44は、第2の燃料電池3から見ると酸化剤排出路に担当するものであるため、この「44」で示されるいわば酸化剤供給/排出路を便宜上、接続路と呼ぶことにする。
【0018】
一方第2の燃料電池3は、例えば絶縁材からなるケース体(図示していない)内に燃料極31と酸化剤極32とを電解質体33を介して対向配置し、燃料極31における電解質体33とは反対側の領域に燃料流路34を、また酸化剤極31における電解質体33とは反対側の領域に酸化剤流路35を夫々形成して構成される。燃料極31及び燃料流路34は燃料極室(負極室)30aを構成し、酸化剤極32及び酸化剤流路35は酸化剤極室(正極室)30bを構成している。
【0019】
前記燃料流路34には燃料供給路46及び燃料排出路47が接続され、前記気液分離部43から分離された水素ガスは、ミスト分離部40にてミストが分離され、ポンプP2及び燃料供給路46を介して燃料流路34内に流入し、ここから燃料排出路47に排出されるようになっている。
【0020】
前記酸化剤流路35には酸化剤供給路48及び接続路44が接続され、酸化剤供給部36からポンプP3及び燃料供給路48を介して供給された酸化剤、例えば酸素ガスは酸化剤流路35を通って接続路44から排出されるようになっている。なおここでいう酸素ガスは、例えば高純度の酸素ガスのみならず、空気も含む意味である。
【0021】
前記第1の燃料電池2において透過膜である電解質膜23としては例えば陽イオン透過性膜などからなる高分子電解質膜を用いることができ、陽イオン透過性膜としては例えば商品面「ナフィオン」(デュポン株式会社製)を用いることができるが、陰イオン透過性膜あるいは陽イオン、陰イオンの両方を透過する双極性透過膜などを用いることができる。
【0022】
また、燃料極21、31及び酸化剤極22、32としては、白金を分散した炭素または鉄、ニッケル、クロム、銅、白金、パラジウムなどの金属あるいはそれら金属の合金が用いられ、発電効率や耐久性がよく、低コストという点でニッケルまたはニッケル・クロム合金の多孔体例えば粒状焼結体や発泡材を基材とし、その表面に白金、パラジウムなどの貴金属からなる触媒をメッキして触媒層を形成したものなどが用いられる。この実施の形態では例えば両面に触媒層が形成された燃料極を用いる。
【0023】
燃料極21としては、上記の電極材料を用いてもよいが、特に好ましいのは水素吸蔵合金又はその水素化物である。この水素吸蔵合金又はその水素化物は、水素を可逆的に吸収、放出し得るものであれば特に制限はなく、例えばMg2Ni合金、Mg2NiとMgとの共晶合金のようなMg2Ni系合金のA2B型合金、ZrNi2系合金、TiNi2系合金などのラベス相系AB2型合金、TiFe系合金のようなAB型合金、LaNi5系合金のようなAB5型合金、TiV2系合金のようなBCC型合金の中から任意に選ぶことができる。
【0024】
この中で好ましいのは、LaNi4.7AL0.3合金、MmNi0.45Mn0.4Al0.3Co0.75合金(但しMmはミッシュメタル)、MmNi325Co0.75Mn0.20Al0.30合金(但しMmはミッシュメタル)、Ti0.5Zr0.5Mn0.8Cr0.8Ni0.4、Ti0.5Zr0.5V0.5Ni、Ti0.5Zr0.5V0.75Ni1.25、Ti0.5Zr0.5V0.5Ni1.5、Ti0.1Zr0.9V0.2Mn0.6Co0.1Ni1.1、MmNi337Co0.78Mn0.10Al0.33(但しMmはミッシュメタル)などである。
【0025】
第1の燃料電池2の燃料としては、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液が用いられ、金属水素錯化合物としては例えば水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム(KBH4)、または水素化ホウ素リチウム(LiBH4)などの水素化ホウ素錯化合物を挙げることができるが、その他に水素化アルミニウムリチウム(LiAlH4)、水素化ホウ素亜鉛(Zn(BH4)2)などを挙げることができる。アルカリ水溶液としては、例えば水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物を用いることができる。アルカリ水溶液の濃度は、あまり高濃度にすると金属水素錯化合物が溶解しにくくなるので、例えば30重量%の範囲で選択することが好ましく、例えば20重量%に調整される。金属水素錯化合物は、目的とする発電容量及びアルカリ水溶液に対する溶解性を考慮して例えば0.1〜50重量%の濃度で用いるのが好ましい。
【0026】
次に上述実施の形態の作用について説明する。先ず第1の燃料電池2について述べると、第2の燃料電池3から排出された水分を含む酸化剤、この例では水分と空気との混合気体が接続路44を介して酸化剤流路25に供給される。前記混合気体は、例えば35〜90℃の温度で例えば30〜70%程度の水分が含まれている。酸化剤流路25を通流した混合気体は酸化剤排出路45から排出される。
【0027】
一方燃料供給部26から例えば水素化ホウ素ナトリウムを水酸化ナトリウムに溶解させてなる燃料がポンプP1により燃料流路24に供給される。燃料は燃料流路24を通流し、多孔質体である燃料極21内に浸透していき、このとき従来技術の項目でも述べたように(3)式(既述の(1)式に相当する)で示される8電子反応が主として起こり、また(4)式で示される4電子反応も起こっていると考えられる。
【0028】
NaBH4+8NaOH→NaBO2+6H2O+8Na++8e− (3)
NaBH4+4NaOH→NaBO2+2H2O+2H2+4Na++4e−(4)
このようにして燃料極21から電子が、外部に接続された回路に取り出されると共に、燃料中のナトリウムイオンが透過膜からなる電解質膜23を通って酸化剤極22側に移動し、既述の(2)式に示したようにナトリウムイオンと酸素及び水分とからなる水酸化ナトリウムが生成される。
【0029】
前記燃料流路24内で生成された生成物(NaBO2、H2O、H2)及び反応には使われなかった余剰燃料(NaBH4、NaOH)は燃料排出路42を介して気液分離部43に送られ、ここで気液分離される。分離された液体成分であるNaBH4、NaOH、NaBO2、H2Oは図示されない液体排出路から排出され、気体である水素(H2)は、ミスト分離部40にてミストが除去された後、ポンプP3によって燃料供給路46を介して第2の燃料電池3の燃料流路34に供給される。
【0030】
そして第2の燃料電池3においては、下記の式(5)に示すように、触媒材料である例えばプラチナを触媒として付着させた燃料極31により水素が反応して、水素イオン(H+)、電子(e−)が生成する。燃料極31で生成した水素イオンは、前記した陽イオン透過性膜あるいは希硫酸水溶液やリン酸水溶液からなる電解質体33を通過して正極32に移動し、電子は外部に接続された図示しない回路を通して酸化剤極32に受け渡される。
【0031】
H2→2H++2e− (5)
また、反応に使われなかった余剰燃料(H2)は燃料排出路47を介して排出される。
【0032】
一方第2の燃料電池3の酸化剤流路35に供給される酸化剤である例えば酸素ガスは、酸化剤供給部36からポンプP3によって酸化剤供給路48を介して酸化剤流路35に供給される。そして酸化剤極32において、式(6)に示すように、外部に接続された回路を通して電子が受け渡され、酸化剤として供給された酸素と、燃料極31から移動してきた水素イオンとが反応して水を生成する。
【0033】
(1/2)O2+2H++2e−→H2O (6)
したがって、燃料電池3の全体の反応としては、下記の式(7)に示すように、水素が酸素と反応して、水が生成する反応が生じる。
【0034】
H2+(1/2)O2→H2O (7)
ここで、酸化剤流路35内で生成された水分及び反応には使われなかった余剰酸化剤である空気は接続路44を介して前記液体燃料電池2の酸化剤流路25に供給される。
【0035】
なお燃料電池システムの運転の立ち上がり時について述べておく。先ず第2の燃料電池3において酸化剤供給部36から酸化剤である例えば空気をポンプP3によって酸化剤流路35に送り、第1の燃料電池2において燃料供給部26から水素化ホウ素化ナトリウムが溶解した水酸化ナトリウム水溶液をポンプP1によって燃料流路24に送る。第2の燃料電池3の酸化剤極32には、まだ水素が燃料流路34に供給されていないので、未反応の空気だけが接続路44を介して第1の燃料電池2の酸化剤流路25に送られる。第1の燃料電池2においては、燃料流路24に供給された、水素化ホウ素化ナトリウムが溶解した水酸化ナトリウム水溶液と酸化剤流路25に供給された空気とが反応して、水素が生成される。この生成された水素は気液分離部43で液体と分離した後、ポンプP2によって第2の燃料電池3の燃料流路34に送られる。燃料流路34に水素が供給されると電極反応が進行して酸化剤流路35側には水が生成される。この水分を含む空気が第1の燃料電池2の酸化剤流路25に供給され、次第に第1の燃料電池2及び第2の燃料電池3とが定常の起動状態となる。
【0036】
上述の実施の形態によれば、第1の燃料電池(ボロハイドライド燃料電池)2の燃料極室20aにて生成された水素を当該燃料極室20aから排出される排出液から分離して第2の燃料電池(水素燃料電池)3の燃料として利用しているため、第2の燃料電池3のための水素発生器が不要になり、また第1の燃料電池2から排出される水素の処理の負荷が軽減される。また第1の燃料電池2の酸化剤極32における電極反応に必要な水分として第2の燃料電池3の酸化剤極室30bにて生成された水分を利用しているので、加湿器が不要になり、加湿のために消費していたエネルギーを節約できる。このため燃料電池の運転に必要なエネルギーを低減できるので、高い運転効率が得られる。
【0037】
なお本発明では、第2の燃料電池3の燃料として第1の燃料電池2からの水素だけでは不足する場合には、別途水素発生のための装置を併用してもよく、この場合であっても水素の発生のためのエネルギーを低減できる効果がある。また第1の燃料電池2にて使用される水分として、第2の燃料電池3にて生成された水分だけでは不足する場合には、加湿器を併用してもよく、この場合でも加湿エネルギーを低減できる効果がある。
【0038】
更に本発明の燃料電池システムから電力を取り出すにあたっては、第1の燃料電池2及び第2の燃料電池3に夫々負荷を接続してもよいが、例えば図2(a)、(b)に示すように第1の燃料電池2及び第2の燃料電池3を互いに直列にあるいは並列に接続して電力を取り出すようにしてもよい。
【0039】
そしてまた第1の燃料電池2及び第2の燃料電池3の組み合わせについては、例えば図2(c)に示すように1個の第2の燃料電池3にて生成した水分を複数の第1の燃料電池2に分配供給してもよいし、あるいは例えば図2(d)に示すように1個の第1の燃料電池2から発生した水素を複数の第2の燃料電池3に分配供給してもよい。前者の場合、第1の燃料電池2にて生成した水素を第2の燃料電池3の燃料としなくてもよいし、後者の場合、第2の燃料電池3にて生成した水分を第1の燃料電池2にて利用しなくてもよい。
【0040】
次に第1の燃料電池2及び第2の燃料電池3を交互に配列して燃料電池スタックを構成する実施の形態について図3及び図4を参照しながら説明する。図3は、2個の第1の燃料電池2の組と2個の第2の燃料電池3の組とを、交互に配列した構成であり、図を見やすくするために各燃料電池2、3を互いに離して記載してあるが、これらはバイポーラプレートなどとよばれている導電体プレートであるセパレータを介して直列に接続されている。
【0041】
図3において燃料供給部2の燃料(NaBH4、NaOH)はポンプP1によって燃料供給路41を介して第1の燃料電池2の燃料極室20aの各々に分配供給される。そして第1の燃料電池2の燃料極室20aの各々から排出された生成物(NaBO2、H2O、H2)及び余剰燃料(NaBH4、NaOH)は燃料排出路42を介して気液分離部43に流入し、ここで液体(NaBH4、NaOH、NaBO2、H2O)と気体(H2)とに分離される。分離された液体は液体排出路49を介して排出され、気体はミスト分離部40を介してポンプP2によって第2の燃料電池3の燃料極室30aの各々に分配供給される。
【0042】
一方酸化剤供給部36から酸素ガスこの例では空気がポンプP3によって酸化剤供給路48を介して第2の燃料電池3の酸化剤極室30bの各々に分配供給される。そして各酸化剤極室30bの各々から夫々排出される生成物及び余剰酸素は接続路44を介して第1の燃料電池2の酸化剤極室20bの各々に分配供給される。更に酸化剤極室20bの各々から排出される生成物(NaOH、H2O)及び余剰酸素(空気)は酸化剤排出路45を介して排出される。
【0043】
このようにスタック構造を構成する場合、燃料を複数の燃料電池に分配供給する代わりに複数の燃料電池に順番に供給するようにしてもよい。例えば水素を第2の燃料電池3に供給する場合、水素を1番目の燃料電池3に供給し、ここから排出された水素を2番目の燃料電池3に供給するといった手法でもよい。また酸化剤についても複数の燃料電池に分配供給する代わりに複数の燃料電池に順番に供給するようにしてもよい。
【0044】
図4は、図3に示した燃料電池スタックにおいて、第1の燃料電池2及び第2の燃料電池3をセパレータにより直列接続した構成を示している。図中51、52、53はセパレータであり、セパレータ51、52の間に第1の燃料電池2が設けられ、セパレータ52、53の間に第2の燃料電池3が設けられている。図3の構成と対応させるならば、セパレータ51の図中左側には第1の燃料電池2が設けられ、セパレータ53の図中右側には第2の燃料電池3が設けられる。
【0045】
図5は、セパレータ51、52の間に第1の燃料電池2を設けた構造を示す図であり、同図も参照しながら説明すると、セパレータ51、52、53には両面に燃料あるいは酸化剤が通流するための例えば屈曲した溝部からなる流路が形成されており、例えばセパレータ51であれば、一面側及び他面側に夫々燃料流路24及び酸化剤流路25が形成されている。またセパレータ52の一面側及び他面側には、夫々第2の燃料電池3の燃料流路34及び第1の燃料電池2の酸化剤流路25が形成されている。更にセパレータ53の一面側及び他面側には、夫々第2の燃料電池3の燃料流路34及び酸化剤流路35が形成されている。
【0046】
セパレータ51、52、53には、一面側の流路及び他面側の流路に燃料あるいは酸化剤を供給するための供給孔61と、これら流路から燃料あるいは酸化剤を排出するための排出孔62と、が穿設されている。供給孔61はセパレータ51、52、53の上面と流路上端との間に形成され、排出孔62はセパレータ51、52、53の下面と流路下端との間に形成されている。また第1及び第2の燃料電池2、3の電極はセパレータに接触している。即ちセパレータ51の一面側及び他面側には第1の燃料電池2の燃料極21及び酸化剤極22(図示せず)が接触し、セパレータ52の一面側及び他面側には夫々第2の燃料電池3の燃料極31及び第1の燃料電池2の酸化剤極22が接触し、セパレータ53の一面側及び他面側には第2の燃料電池3の燃料極31及び酸化剤極32(図示せず)が接触している。71、72、81、82はガスケットであり、これらガスケット71、72、81、82は中央部に窓が形成されていて、つまり角型リング形状に形成されていて、窓の部分に夫々電極21、22、31、32が嵌合されている。またこの例ではガスケット82内に電解液33が収容されている。
【0047】
水素燃料電池は、電極反応により例えば110℃まで昇温し、このままでは電解質膜が軟化して破損することになるが、セパレータ(この例では52)を介してボロハイドライド燃料電池(第1の燃料電池2)に接続すれば、ボロハイド燃料電池内を流れる液体燃料が冷却液の役割を果たすので、水素燃料電池の昇温が抑えられるという利点がある。
【0048】
なお燃料電池スタックを構成するにあたっては、第1の燃料電池2及び第2の燃料電池3を1個づつ交互にセパレータを介して接続してもよいし、3個以上づつ組にして各組を交互にセパレータを介して接続してもよい。そして第1の燃料電池2及び第2の燃料電池の各々の個数は、第1の燃料電池2における水素の発生量、第2の燃料電池3における水素の消費量との関係により、更にはまた第2の燃料電池3における水分の発生量及び第1の燃料電池2の消費量に応じて決定すればよい。
【0049】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、2種類の燃料電池を組み合わせ、一方の燃料電池にて生成された水素を他方の燃料電池の燃料として利用し、また他方の燃料電池にて生成された水分を一方の燃料電池に利用しているので、燃料電池を運転するために消費されるエネルギーを少なくすることができ、運転効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図2】本発明の燃料電池システムの適用例を示す概略構成図である。
【図3】本発明の他の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す斜視図である。
【図4】本発明の更に他の実施の形態に係る燃料電池システムを示す断面図である。
【図5】図4の燃料電池システムの構成部品を分解して示す分解斜視図である。
【図6】ボロハイドライド燃料電池を示す断面図である。
【符号の説明】
2 第1の燃料電池(ボロハイドライド燃料電池)
21 燃料極
22 酸化剤極
23 電解質膜
24 燃料流路
25 酸化剤流路
3 第2の燃料電池(水素燃料電池)
31 燃料極
32 酸化剤極
33 電解質体
34 燃料流路
35 酸化剤流路
41 燃料供給路
42 燃料排出路
43 気液分離部
51〜53 セパレータ
61 供給孔
62 排出孔
71、72、81、82 ガスケット
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばテトラヒドロホウ酸塩などの金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が供給される燃料電池を用いたシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、負極及び正極に夫々燃料及び酸化剤を連続的に供給しそのときに起こる化学反応により得られるエネルギーを電気的エネルギーに変換する装置であり、環境にやさしいクリーンな動力源として注目を集めている。例えばメタノールを改質して水素リッチなガスを取り出し、この水素リッチなガスを燃料として用いる燃料電池は従来から良く知られているが、最近において水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)などの水素化ホウ素錯化合物の液体燃料を用いた燃料電池(ボロハイドライド燃料電池)が検討されている。例えば水素化ホウ素ナトリウムはアルカリ溶液中において安定しており、BH4−をBO2−に変換するときの電気化学的電位がより卑になることから理論電圧が高く、また水素を発生させる改質器が不要であるなどの利点がある。この種の燃料電池は特許文献1及び2に記載されている。
【0003】
例えば特許文献1には、図6に示すボロハイドライド燃料電池が知られている。この燃料電池は、樹脂などの絶縁性のケース体11内を高分子電解質膜からなる透過膜12により2つの領域に区画し、一方の領域には酸化剤極13が透過膜12の一面側に接触して設けられ、また他方の領域には燃料極14が透過膜12の他面側に接触して設けられている。更に酸化剤極13とケース体11の一方の側面との間には酸化剤例えば空気を通流させる第1の流路部15が形成され、また燃料極14とケース体11の他方の側面との間には燃料を通流させる第2の流路部16が形成されている。
【0004】
このような燃料電池においては、第1の流路部15に例えば加湿された空気を通流させると共に第2の流路部16に水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液である燃料を通流させると、燃料極14では8電子反応である(1)式の反応が主として起こる。
【0005】
NaBH4+8NaOH→NaBO2+6H2O+8Na++8e− (1)
燃料極14で生成したナトリウムイオン(Na+)は、透過膜12を通過して酸化剤極13に移動し、電子は外部に接続された図示しない回路を通して酸化剤極13に受け渡される。そして、酸化剤極13では、下記の(2)式に示すように、外部に接続された回路を通して電子が受け渡され、外部から酸化剤として供給された酸素(O2)及び水(H2O)と、燃料極14から移動してきたナトリウムイオンとが触媒作用により反応して水酸化ナトリウムを生成する。また燃料極14から移動してきた水素イオンが酸素と反応して水を生成する反応も起こっている。
【0006】
2O2+4H2O+8Na++8e−→8NaOH (2)
【特許文献1】
特表2000−502842:図1
【特許文献2】
特開2002−50325:図2
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
この種の燃料電池は、燃料電池を運転するのに必要なエネルギーをできるだけ小さく抑えながら大きな電気エネルギーを取り出し、高い運転効率を図ることが必要である。しかしながら水素ガスを燃料とする水素燃料電池にあっては、水素ガスを得るために例えばメタノールを改質するためのエネルギーが必要であり、またボロハイドライド燃料電池にあっては、酸化剤極12に供給する酸化剤例えば酸素又は空気には水分を含ませることが必要であることから加湿器が必要とされるし、更に燃料極14にて生成した水素ガスを処理するためのエネルギーも必要である。このように燃料電池を運転するためにエネルギーが必要であり、そのエネルギーが小さいとは言い難いことから、運転効率の向上が困難になっており、燃料電池の普及を阻む要因の一つになっている。
【0008】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高い運転効率が得られる燃料電池システムを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、例えば上述のボロハイドライド燃料電池と水素燃料電池とを組み合わせ、水素燃料電池の酸化剤極側にて生成された水分をボロハイドライド燃料電池に供給される酸化剤中の水分として利用し、またボロハイドライド燃料電池にて生成された水素を水素燃料電池の燃料として利用するという発想に基づいてなされたものである。
【0010】
即ち、本発明の燃料電池システムは、電解質膜により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第1の燃料電池と、
前記燃料極室にて生成された水素を燃料から分離するための気液分離部と、
電解質体により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、水素ガスが燃料として燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第2の燃料電池と、
前記気液分離部にて分離された水素ガスを第2の燃料電池の燃料極室に供給する手段と、を備えたことを特徴とする。
【0011】
他の発明の燃料電池システムは、電解質膜により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第1の燃料電池と、
電解質体により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、水素ガスが燃料として燃料極室に供給されると共に酸素ガスが酸化剤極室に供給される第2の燃料電池と、
この第2の燃料電池の酸化剤極室から排出される水分を含んだ酸素ガスを第1の燃料電池の酸化剤極室に供給する手段と、を備えたことを特徴とする。この場合、第1の燃料電池の燃料極室にて生成された水素を燃料から分離するための気液分離部と、この気液分離部にて分離された水素ガスを第2の燃料電池の燃料極室に供給する手段と、を備えた構成とすることが好ましい。
【0012】
本発明によれば、第1の燃料電池及び第2の燃料電池の一方にて生成された成分を他方にて利用し、更にはまた他方にて生成された成分を一方にて利用しているので、システム全体において高い運転効率が得られる。第1の燃料電池の燃料として用いられる金属水素錯化合物は例えば水素化ホウ素錯化合物である。また本発明において「酸素ガスが酸化剤極室に供給される」とは、空気を酸化剤極室に供給する場合も含む。
【0013】
本発明の具体的な構造としては、例えばバイポーラプレートあるいはセパレータなどと呼ばれている導電体プレートの一面側及び他面側に夫々第1の燃料電池の電極及び第2の燃料電池の電極を接触させて、第1の燃料電池及び第2の燃料電池の直列接続構造を構成したものを挙げることができる。ここでいう電極とは、燃料極室の燃料極あるいは酸化剤極室の酸化剤極である。更に第1の燃料電池または第1の燃料電池同士を直列接続した第1の燃料電池スタックと、第2の燃料電池または第2の燃料電池同士を直列接続した第2の燃料電池スタックと、を導電体プレートを介して交互に直列接続してなり、導電体プレートの一面側及び他面側には第1の燃料電池または第2の燃料電池の電極が接触している構成とすることができる。例えば1個の第1の燃料電池と1個の第2の燃料電池とを交互に導電体プレートを介在させて多数直列に接続するようにしてもよいし、あるいは複数の第1の燃料電池同士を直列接続した燃料電池スタックと1個の第2の燃料電池とを交互に導電体プレートを介在させて多数直列に接続するようにしてもよいし、更にはまた複数の第1の燃料電池同士を直列接続した燃料電池スタックと複数の第2の燃料電池同士を直列接続した燃料電池スタックとを交互に導電体プレートを介在させて多数直列に接続するようにしてもよい。この場合第1の(第2の)燃料電池スタックは、例えば複数の第1の(第2の)燃料電池が導電体プレートにより直列接続されたものである。このような構成によれば、第2の燃料電池が発熱しても、第1の燃料電池の燃料の通流により冷却される効果がある。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図1を用いて説明する。図1は本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの基本構成を示す図であり、この燃料電池システムは、金属水素錯化合物例えば水素化ホウ素錯化合物である水酸化ホウ素ナトリウム(NaBH4)のアルカリ水溶液例えば水酸化ナトリウム(NaOH)水溶液を燃料とするボロハイドライド燃料電池2と、水素(H2)を燃料とする水素燃料電池3とを組み合わせてなる。ボロハイドライド燃料電池2は第1の燃料電池2に相当し、水素燃料電池3は第2の燃料電池3に相当する。
【0015】
前記第1の燃料電池2は、例えば絶縁材からなるケース体(図示していない)内に燃料極(負極)21と酸化剤極(正極)22とを透過膜である電解質膜23を介して対向配置し、燃料極21における電解質膜23とは反対側の領域に燃料流路24を、また酸化剤極22における電解質膜23とは反対側の領域に酸化剤流路25を夫々形成して構成される。燃料極21及び燃料流路24は燃料極室(負極室)20aを構成し、酸化剤極22及び酸化剤流路25は酸化剤極室(正極室)20bを構成している。
【0016】
前記燃料流路24には燃料供給路41及び燃料排出路42が接続され、燃料供給部26からポンプP1及び燃料供給路41を介して供給された燃料、この例では水酸化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液が燃料流路24を通って燃料排出路42から排出されるようになっている。また後述するように、第1の燃料電池2から排出される燃料には電極反応により水素が含まれるため、この水素を燃料から分離するために燃料排出路42には気液分離部43が設けられている。気液分離部43としては、例えば上面に気液分離膜が張られた気液分離室内に燃料流路24からの液体を通過させることにより、当該液体中の水素ガスが気液分離膜を通って上方側に移動する構造のものを用いることができる。
【0017】
更にまた、酸化剤流路25には酸化剤供給路44及び酸化剤排出路45が接続され、酸化剤供給路44から供給された酸化剤が酸化剤流路25を通って酸化剤排出路45から排出されるようになっている。前記酸化剤供給路44の基端側は第2の燃料電池3に接続されており、第2の燃料電池3から排出される水分を含んだ酸化剤例えば酸素叉は空気が供給される。この酸化剤供給路44は、第2の燃料電池3から見ると酸化剤排出路に担当するものであるため、この「44」で示されるいわば酸化剤供給/排出路を便宜上、接続路と呼ぶことにする。
【0018】
一方第2の燃料電池3は、例えば絶縁材からなるケース体(図示していない)内に燃料極31と酸化剤極32とを電解質体33を介して対向配置し、燃料極31における電解質体33とは反対側の領域に燃料流路34を、また酸化剤極31における電解質体33とは反対側の領域に酸化剤流路35を夫々形成して構成される。燃料極31及び燃料流路34は燃料極室(負極室)30aを構成し、酸化剤極32及び酸化剤流路35は酸化剤極室(正極室)30bを構成している。
【0019】
前記燃料流路34には燃料供給路46及び燃料排出路47が接続され、前記気液分離部43から分離された水素ガスは、ミスト分離部40にてミストが分離され、ポンプP2及び燃料供給路46を介して燃料流路34内に流入し、ここから燃料排出路47に排出されるようになっている。
【0020】
前記酸化剤流路35には酸化剤供給路48及び接続路44が接続され、酸化剤供給部36からポンプP3及び燃料供給路48を介して供給された酸化剤、例えば酸素ガスは酸化剤流路35を通って接続路44から排出されるようになっている。なおここでいう酸素ガスは、例えば高純度の酸素ガスのみならず、空気も含む意味である。
【0021】
前記第1の燃料電池2において透過膜である電解質膜23としては例えば陽イオン透過性膜などからなる高分子電解質膜を用いることができ、陽イオン透過性膜としては例えば商品面「ナフィオン」(デュポン株式会社製)を用いることができるが、陰イオン透過性膜あるいは陽イオン、陰イオンの両方を透過する双極性透過膜などを用いることができる。
【0022】
また、燃料極21、31及び酸化剤極22、32としては、白金を分散した炭素または鉄、ニッケル、クロム、銅、白金、パラジウムなどの金属あるいはそれら金属の合金が用いられ、発電効率や耐久性がよく、低コストという点でニッケルまたはニッケル・クロム合金の多孔体例えば粒状焼結体や発泡材を基材とし、その表面に白金、パラジウムなどの貴金属からなる触媒をメッキして触媒層を形成したものなどが用いられる。この実施の形態では例えば両面に触媒層が形成された燃料極を用いる。
【0023】
燃料極21としては、上記の電極材料を用いてもよいが、特に好ましいのは水素吸蔵合金又はその水素化物である。この水素吸蔵合金又はその水素化物は、水素を可逆的に吸収、放出し得るものであれば特に制限はなく、例えばMg2Ni合金、Mg2NiとMgとの共晶合金のようなMg2Ni系合金のA2B型合金、ZrNi2系合金、TiNi2系合金などのラベス相系AB2型合金、TiFe系合金のようなAB型合金、LaNi5系合金のようなAB5型合金、TiV2系合金のようなBCC型合金の中から任意に選ぶことができる。
【0024】
この中で好ましいのは、LaNi4.7AL0.3合金、MmNi0.45Mn0.4Al0.3Co0.75合金(但しMmはミッシュメタル)、MmNi325Co0.75Mn0.20Al0.30合金(但しMmはミッシュメタル)、Ti0.5Zr0.5Mn0.8Cr0.8Ni0.4、Ti0.5Zr0.5V0.5Ni、Ti0.5Zr0.5V0.75Ni1.25、Ti0.5Zr0.5V0.5Ni1.5、Ti0.1Zr0.9V0.2Mn0.6Co0.1Ni1.1、MmNi337Co0.78Mn0.10Al0.33(但しMmはミッシュメタル)などである。
【0025】
第1の燃料電池2の燃料としては、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液が用いられ、金属水素錯化合物としては例えば水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム(KBH4)、または水素化ホウ素リチウム(LiBH4)などの水素化ホウ素錯化合物を挙げることができるが、その他に水素化アルミニウムリチウム(LiAlH4)、水素化ホウ素亜鉛(Zn(BH4)2)などを挙げることができる。アルカリ水溶液としては、例えば水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物を用いることができる。アルカリ水溶液の濃度は、あまり高濃度にすると金属水素錯化合物が溶解しにくくなるので、例えば30重量%の範囲で選択することが好ましく、例えば20重量%に調整される。金属水素錯化合物は、目的とする発電容量及びアルカリ水溶液に対する溶解性を考慮して例えば0.1〜50重量%の濃度で用いるのが好ましい。
【0026】
次に上述実施の形態の作用について説明する。先ず第1の燃料電池2について述べると、第2の燃料電池3から排出された水分を含む酸化剤、この例では水分と空気との混合気体が接続路44を介して酸化剤流路25に供給される。前記混合気体は、例えば35〜90℃の温度で例えば30〜70%程度の水分が含まれている。酸化剤流路25を通流した混合気体は酸化剤排出路45から排出される。
【0027】
一方燃料供給部26から例えば水素化ホウ素ナトリウムを水酸化ナトリウムに溶解させてなる燃料がポンプP1により燃料流路24に供給される。燃料は燃料流路24を通流し、多孔質体である燃料極21内に浸透していき、このとき従来技術の項目でも述べたように(3)式(既述の(1)式に相当する)で示される8電子反応が主として起こり、また(4)式で示される4電子反応も起こっていると考えられる。
【0028】
NaBH4+8NaOH→NaBO2+6H2O+8Na++8e− (3)
NaBH4+4NaOH→NaBO2+2H2O+2H2+4Na++4e−(4)
このようにして燃料極21から電子が、外部に接続された回路に取り出されると共に、燃料中のナトリウムイオンが透過膜からなる電解質膜23を通って酸化剤極22側に移動し、既述の(2)式に示したようにナトリウムイオンと酸素及び水分とからなる水酸化ナトリウムが生成される。
【0029】
前記燃料流路24内で生成された生成物(NaBO2、H2O、H2)及び反応には使われなかった余剰燃料(NaBH4、NaOH)は燃料排出路42を介して気液分離部43に送られ、ここで気液分離される。分離された液体成分であるNaBH4、NaOH、NaBO2、H2Oは図示されない液体排出路から排出され、気体である水素(H2)は、ミスト分離部40にてミストが除去された後、ポンプP3によって燃料供給路46を介して第2の燃料電池3の燃料流路34に供給される。
【0030】
そして第2の燃料電池3においては、下記の式(5)に示すように、触媒材料である例えばプラチナを触媒として付着させた燃料極31により水素が反応して、水素イオン(H+)、電子(e−)が生成する。燃料極31で生成した水素イオンは、前記した陽イオン透過性膜あるいは希硫酸水溶液やリン酸水溶液からなる電解質体33を通過して正極32に移動し、電子は外部に接続された図示しない回路を通して酸化剤極32に受け渡される。
【0031】
H2→2H++2e− (5)
また、反応に使われなかった余剰燃料(H2)は燃料排出路47を介して排出される。
【0032】
一方第2の燃料電池3の酸化剤流路35に供給される酸化剤である例えば酸素ガスは、酸化剤供給部36からポンプP3によって酸化剤供給路48を介して酸化剤流路35に供給される。そして酸化剤極32において、式(6)に示すように、外部に接続された回路を通して電子が受け渡され、酸化剤として供給された酸素と、燃料極31から移動してきた水素イオンとが反応して水を生成する。
【0033】
(1/2)O2+2H++2e−→H2O (6)
したがって、燃料電池3の全体の反応としては、下記の式(7)に示すように、水素が酸素と反応して、水が生成する反応が生じる。
【0034】
H2+(1/2)O2→H2O (7)
ここで、酸化剤流路35内で生成された水分及び反応には使われなかった余剰酸化剤である空気は接続路44を介して前記液体燃料電池2の酸化剤流路25に供給される。
【0035】
なお燃料電池システムの運転の立ち上がり時について述べておく。先ず第2の燃料電池3において酸化剤供給部36から酸化剤である例えば空気をポンプP3によって酸化剤流路35に送り、第1の燃料電池2において燃料供給部26から水素化ホウ素化ナトリウムが溶解した水酸化ナトリウム水溶液をポンプP1によって燃料流路24に送る。第2の燃料電池3の酸化剤極32には、まだ水素が燃料流路34に供給されていないので、未反応の空気だけが接続路44を介して第1の燃料電池2の酸化剤流路25に送られる。第1の燃料電池2においては、燃料流路24に供給された、水素化ホウ素化ナトリウムが溶解した水酸化ナトリウム水溶液と酸化剤流路25に供給された空気とが反応して、水素が生成される。この生成された水素は気液分離部43で液体と分離した後、ポンプP2によって第2の燃料電池3の燃料流路34に送られる。燃料流路34に水素が供給されると電極反応が進行して酸化剤流路35側には水が生成される。この水分を含む空気が第1の燃料電池2の酸化剤流路25に供給され、次第に第1の燃料電池2及び第2の燃料電池3とが定常の起動状態となる。
【0036】
上述の実施の形態によれば、第1の燃料電池(ボロハイドライド燃料電池)2の燃料極室20aにて生成された水素を当該燃料極室20aから排出される排出液から分離して第2の燃料電池(水素燃料電池)3の燃料として利用しているため、第2の燃料電池3のための水素発生器が不要になり、また第1の燃料電池2から排出される水素の処理の負荷が軽減される。また第1の燃料電池2の酸化剤極32における電極反応に必要な水分として第2の燃料電池3の酸化剤極室30bにて生成された水分を利用しているので、加湿器が不要になり、加湿のために消費していたエネルギーを節約できる。このため燃料電池の運転に必要なエネルギーを低減できるので、高い運転効率が得られる。
【0037】
なお本発明では、第2の燃料電池3の燃料として第1の燃料電池2からの水素だけでは不足する場合には、別途水素発生のための装置を併用してもよく、この場合であっても水素の発生のためのエネルギーを低減できる効果がある。また第1の燃料電池2にて使用される水分として、第2の燃料電池3にて生成された水分だけでは不足する場合には、加湿器を併用してもよく、この場合でも加湿エネルギーを低減できる効果がある。
【0038】
更に本発明の燃料電池システムから電力を取り出すにあたっては、第1の燃料電池2及び第2の燃料電池3に夫々負荷を接続してもよいが、例えば図2(a)、(b)に示すように第1の燃料電池2及び第2の燃料電池3を互いに直列にあるいは並列に接続して電力を取り出すようにしてもよい。
【0039】
そしてまた第1の燃料電池2及び第2の燃料電池3の組み合わせについては、例えば図2(c)に示すように1個の第2の燃料電池3にて生成した水分を複数の第1の燃料電池2に分配供給してもよいし、あるいは例えば図2(d)に示すように1個の第1の燃料電池2から発生した水素を複数の第2の燃料電池3に分配供給してもよい。前者の場合、第1の燃料電池2にて生成した水素を第2の燃料電池3の燃料としなくてもよいし、後者の場合、第2の燃料電池3にて生成した水分を第1の燃料電池2にて利用しなくてもよい。
【0040】
次に第1の燃料電池2及び第2の燃料電池3を交互に配列して燃料電池スタックを構成する実施の形態について図3及び図4を参照しながら説明する。図3は、2個の第1の燃料電池2の組と2個の第2の燃料電池3の組とを、交互に配列した構成であり、図を見やすくするために各燃料電池2、3を互いに離して記載してあるが、これらはバイポーラプレートなどとよばれている導電体プレートであるセパレータを介して直列に接続されている。
【0041】
図3において燃料供給部2の燃料(NaBH4、NaOH)はポンプP1によって燃料供給路41を介して第1の燃料電池2の燃料極室20aの各々に分配供給される。そして第1の燃料電池2の燃料極室20aの各々から排出された生成物(NaBO2、H2O、H2)及び余剰燃料(NaBH4、NaOH)は燃料排出路42を介して気液分離部43に流入し、ここで液体(NaBH4、NaOH、NaBO2、H2O)と気体(H2)とに分離される。分離された液体は液体排出路49を介して排出され、気体はミスト分離部40を介してポンプP2によって第2の燃料電池3の燃料極室30aの各々に分配供給される。
【0042】
一方酸化剤供給部36から酸素ガスこの例では空気がポンプP3によって酸化剤供給路48を介して第2の燃料電池3の酸化剤極室30bの各々に分配供給される。そして各酸化剤極室30bの各々から夫々排出される生成物及び余剰酸素は接続路44を介して第1の燃料電池2の酸化剤極室20bの各々に分配供給される。更に酸化剤極室20bの各々から排出される生成物(NaOH、H2O)及び余剰酸素(空気)は酸化剤排出路45を介して排出される。
【0043】
このようにスタック構造を構成する場合、燃料を複数の燃料電池に分配供給する代わりに複数の燃料電池に順番に供給するようにしてもよい。例えば水素を第2の燃料電池3に供給する場合、水素を1番目の燃料電池3に供給し、ここから排出された水素を2番目の燃料電池3に供給するといった手法でもよい。また酸化剤についても複数の燃料電池に分配供給する代わりに複数の燃料電池に順番に供給するようにしてもよい。
【0044】
図4は、図3に示した燃料電池スタックにおいて、第1の燃料電池2及び第2の燃料電池3をセパレータにより直列接続した構成を示している。図中51、52、53はセパレータであり、セパレータ51、52の間に第1の燃料電池2が設けられ、セパレータ52、53の間に第2の燃料電池3が設けられている。図3の構成と対応させるならば、セパレータ51の図中左側には第1の燃料電池2が設けられ、セパレータ53の図中右側には第2の燃料電池3が設けられる。
【0045】
図5は、セパレータ51、52の間に第1の燃料電池2を設けた構造を示す図であり、同図も参照しながら説明すると、セパレータ51、52、53には両面に燃料あるいは酸化剤が通流するための例えば屈曲した溝部からなる流路が形成されており、例えばセパレータ51であれば、一面側及び他面側に夫々燃料流路24及び酸化剤流路25が形成されている。またセパレータ52の一面側及び他面側には、夫々第2の燃料電池3の燃料流路34及び第1の燃料電池2の酸化剤流路25が形成されている。更にセパレータ53の一面側及び他面側には、夫々第2の燃料電池3の燃料流路34及び酸化剤流路35が形成されている。
【0046】
セパレータ51、52、53には、一面側の流路及び他面側の流路に燃料あるいは酸化剤を供給するための供給孔61と、これら流路から燃料あるいは酸化剤を排出するための排出孔62と、が穿設されている。供給孔61はセパレータ51、52、53の上面と流路上端との間に形成され、排出孔62はセパレータ51、52、53の下面と流路下端との間に形成されている。また第1及び第2の燃料電池2、3の電極はセパレータに接触している。即ちセパレータ51の一面側及び他面側には第1の燃料電池2の燃料極21及び酸化剤極22(図示せず)が接触し、セパレータ52の一面側及び他面側には夫々第2の燃料電池3の燃料極31及び第1の燃料電池2の酸化剤極22が接触し、セパレータ53の一面側及び他面側には第2の燃料電池3の燃料極31及び酸化剤極32(図示せず)が接触している。71、72、81、82はガスケットであり、これらガスケット71、72、81、82は中央部に窓が形成されていて、つまり角型リング形状に形成されていて、窓の部分に夫々電極21、22、31、32が嵌合されている。またこの例ではガスケット82内に電解液33が収容されている。
【0047】
水素燃料電池は、電極反応により例えば110℃まで昇温し、このままでは電解質膜が軟化して破損することになるが、セパレータ(この例では52)を介してボロハイドライド燃料電池(第1の燃料電池2)に接続すれば、ボロハイド燃料電池内を流れる液体燃料が冷却液の役割を果たすので、水素燃料電池の昇温が抑えられるという利点がある。
【0048】
なお燃料電池スタックを構成するにあたっては、第1の燃料電池2及び第2の燃料電池3を1個づつ交互にセパレータを介して接続してもよいし、3個以上づつ組にして各組を交互にセパレータを介して接続してもよい。そして第1の燃料電池2及び第2の燃料電池の各々の個数は、第1の燃料電池2における水素の発生量、第2の燃料電池3における水素の消費量との関係により、更にはまた第2の燃料電池3における水分の発生量及び第1の燃料電池2の消費量に応じて決定すればよい。
【0049】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、2種類の燃料電池を組み合わせ、一方の燃料電池にて生成された水素を他方の燃料電池の燃料として利用し、また他方の燃料電池にて生成された水分を一方の燃料電池に利用しているので、燃料電池を運転するために消費されるエネルギーを少なくすることができ、運転効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図2】本発明の燃料電池システムの適用例を示す概略構成図である。
【図3】本発明の他の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す斜視図である。
【図4】本発明の更に他の実施の形態に係る燃料電池システムを示す断面図である。
【図5】図4の燃料電池システムの構成部品を分解して示す分解斜視図である。
【図6】ボロハイドライド燃料電池を示す断面図である。
【符号の説明】
2 第1の燃料電池(ボロハイドライド燃料電池)
21 燃料極
22 酸化剤極
23 電解質膜
24 燃料流路
25 酸化剤流路
3 第2の燃料電池(水素燃料電池)
31 燃料極
32 酸化剤極
33 電解質体
34 燃料流路
35 酸化剤流路
41 燃料供給路
42 燃料排出路
43 気液分離部
51〜53 セパレータ
61 供給孔
62 排出孔
71、72、81、82 ガスケット
Claims (6)
- 電解質膜により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第1の燃料電池と、
前記燃料極室にて生成された水素を燃料から分離するための気液分離部と、
電解質体により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、水素ガスが燃料として燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第2の燃料電池と、
前記気液分離部にて分離された水素ガスを第2の燃料電池の燃料極室に供給する手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 電解質膜により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液からなる燃料液が燃料極室に供給されると共に酸化剤が酸化剤極室に供給される第1の燃料電池と、
電解質体により燃料極室と酸化剤極室とに区画され、水素ガスが燃料として燃料極室に供給されると共に酸素ガスが酸化剤極室に供給される第2の燃料電池と、
この第2の燃料電池の酸化剤極室から排出される水分を含んだ酸素ガスを第1の燃料電池の酸化剤極室に供給する手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 第1の燃料電池の燃料極室にて生成された水素を燃料から分離するための気液分離部と、
この気液分離部にて分離された水素ガスを第2の燃料電池の燃料極室に供給する手段と、を備えたことを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。 - 導電体プレートの一面側及び他面側に夫々第1の燃料電池の電極及び第2の燃料電池の電極を接触させて、第1の燃料電池及び第2の燃料電池の直列接続構造を構成したことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の燃料電池システム。
- 第1の燃料電池または第1の燃料電池同士を直列接続した第1の燃料電池スタックと、第2の燃料電池または第2の燃料電池同士を直列接続した第2の燃料電池スタックと、を導電体プレートを介して交互に直列接続してなり、導電体プレートの一面側及び他面側には第1の燃料電池または第2の燃料電池の電極が接触していることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の燃料電池システム。
- 金属水素錯化合物が水素化ホウ素錯化合物であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の燃料電池システム。
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