JP2006339071A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】頻繁な起動停止と短時間起動が可能で高エネルギー密度が実現できるともに、装置のコンパクト化に適した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】２−プロパノール水溶液が供給され２−プロパノール水溶液の電解反応によって水素を生成する電解改質セル８〜１２を有する電解改質部１と、電解改質部１で生成された水素を用いて燃料電池発電を行う燃料電池セル１３〜１５を有し、電解改質部１に接続された燃料電池部２と、を設ける。燃料電池部２を電解改質部１に電気的に接続して、燃料電池発電によって発生した電力の少なくとも一部が電解改質セル８〜１２に供給されて２−プロパノール水溶液の電解反応のために使用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料を改質して水素を生成し、生成された水素を用いて燃料電池による発電を行う燃料電池システムに関する。

ノートパソコン、携帯電話機等の携帯機器における消費電力が年々増加していることに伴い、Ｌｉ（リチウム）イオン２次電池に代わる高エネルギー密度エネルギー源として、燃料電池が注目を浴びている。これまで携帯機器用燃料電池としては、非特許文献１〜３に示すように、直接メタノール形燃料電池と固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の開発が主に進められてきた。直接メタノール形燃料電池は、メタノール（ＣＨ₃ＯＨ）水溶液をそのまま供給して発電を行う燃料電池である。また、固体高分子形燃料電池は水素（Ｈ₂）を供給して発電を行うものであり、携帯機器用燃料電池として用いる場合には、水素吸蔵合金に貯蔵した水素、あるいは、メタノール水溶液を用いて燃料処理部の改質器によってメタノール水蒸気改質反応を行わせることにより製造した水素を使用する。

しかしながら直接メタノール形燃料電池では、燃料電池セルにおいてメタノールがアノードから固体高分子電解質膜を透過してカソードに移動するメタノールクロスオーバーという現象が起こり、燃料電池の性能が低下するので、メタノール水溶液中でのメタノール濃度を高くすることができず、燃料電池としてのエネルギー密度を増加させることが容易でない。

水素吸蔵合金に貯蔵した水素を供給する固体高分子形燃料電池では、水素吸蔵合金にはその質量の５％以下の水素しか貯蔵できないので、質量エネルギー密度を大きくできないという問題点がある。

メタノール水溶液を用いて燃料処理部の改質器においてメタノール水蒸気改質反応を行わせることにより製造した水素を供給して発電を行う固体高分子形燃料電池は、改質器の温度を２５０℃〜３００℃に維持する必要があるので、断熱と短時間起動が難しく、頻繁な起動停止には適していない。また燃料処理部には、改質器以外に、メタノール水溶液を気化させる気化器が必要であり、さらに、メタノール水蒸気改質反応において副生物として生成する一酸化炭素（ＣＯ）を除去して水素含有改質ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下とするために、一酸化炭素を酸素（Ｏ₂）と反応させることによって二酸化炭素（ＣＯ₂）に変換するＣＯ選択酸化器が必要である。したがって、この種の固体高分子形燃料電池では、装置の大型化が避けられない。
加茂友一：「直接型メタノール燃料電池及び周辺技術の開発課題」，燃料電池，第４巻，第２号，４〜７頁，燃料電池開発情報センター（２００４） 秋山一也：「ＭＨ水素貯蔵タンク一体型マイクロＰＥＦＣの開発」，燃料電池，第４巻，第２号，８〜１１頁，燃料電池開発情報センター（２００４） 神谷信行：「特集 次世代の新エネルギー「燃料電池」の魅力 携帯用小型燃料電池」，電子材料，第４２巻，第２号，３１〜３７頁，工業調査会（２００３）

上述したように、携帯機器用の燃料電池には、エネルギー密度が小さい、頻繁な起動停止や短時間起動に適さない、あるいは小型化が難しい、という解決すべき課題がある。

本発明の目的は、頻繁な起動停止と短時間起動が可能で高エネルギー密度が実現できるともに、装置のコンパクト化に適した燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、２−プロパノール水溶液が供給され２−プロパノール水溶液の電解反応によって水素を生成する電解改質セルを有する電解改質部と、電解改質部で生成された水素を用いて燃料電池発電を行う燃料電池セルを有し、電解改質部に接続された燃料電池部と、を有する。この燃料電池システムでは、燃料電池部が電解改質部に電気的に接続し、燃料電池発電によって発生した電力の少なくとも一部が改質セルに供給されて電解反応のために使用されるようにすることが極めて好ましい。

すなわち本発明の燃料電子システムは、２−プロパノールと水との電解反応によって水素を生成し、この生成された水素を用いて燃料電池発電により電力を発生させようとするものである。２−プロパノールと水との電解反応による水素の生成には、外部から電力の供給が必要であるが、この電力としては、燃料電池部で発電した電力の一部を使用するようにする。

２−プロパノール水溶液の電解改質では２−プロパノールのクロスオーバー現象がおきにくいので、２−プロパノールの濃度を高くすることが可能であり、システム全体としてのエネルギー密度を高めることができる。また、電解改質は常温に近い温度領域で行うことができ、また一酸化炭素の発生がなくてＣＯ選択酸化器が不要となるので、頻繁な起動停止や短時間起動に適するとともに、システム全体をコンパクトの構成することが可能になる。

本発明では、燃料電池システムの始動のために、電解改質部に対して燃料電池部とは電気的に並列に接続した始動用電源を設けることが好ましい。始動用電源としては、例えば、直流電源、２次電池、１次電池、太陽電池、コンデンサのうちの一つ以上が用いられる。

本発明の燃料電池システムおいて電解改質セルは、例えば、２−プロパノールと水とを電気化学反応させることにより二酸化炭素、水素イオン及び電子を生成するアノードと、アノードに隣接して設けられ、水素イオン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜に隣接して設けられ、電解質膜中をアノードから移動してきた水素イオンと外部回路を介してアノードから移動してきた電子とを電気化学反応させることによって水素を生成する、カソードと、を有する。また燃料電池セルは、例えば、電解改質部で生成された水素が供給され、水素の電気化学反応により水素イオンと電子とを生成するアノードと、アノードに隣接して設けられ、水素イオン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜に隣接して設けられ、外部から少なくとも酸素が供給され、電解質膜中をアノードから移動してきた水素イオンと外部回路を介してアノードから移動してきた電子と酸素とを電気化学反応させることによって水を生成するカソードと、を有する。

本発明の燃料電池システムにおいては、毛細管現象を利用して２−プロパノール水溶液が電解改質セルのアノードに供給されるようにしてもよい。電解改質部が水素を含むガスと排液とを排出するときには、電解改質部と燃料電池部の間にガスを排液から分離する気液分離機構が設けることが好ましい。電解改質部で生成された水素を燃料電池セルに供給する前に一時的に貯蔵する水素貯蔵部を設けてもよい。電解改質部と燃料電池部の間に、電解改質部から排出されるガスから水素を分離する水素分離機構を設けてもよい。

本発明によれば、頻繁な起動停止と短時間起動が可能で高エネルギー密度が実現できるとともに、装置のコンパクト化が容易である燃料電池システムが得られる。

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。本発明の燃料電池システムは、燃料として２−プロパノール（(ＣＨ₃)₂ＣＨＯＨ、別名：イソプロピルアルコール）水溶液を使用し、２−プロパノールと水（Ｈ₂Ｏ）との電解反応によって水素を製造し、製造された水素を用いて燃料電池による発電を行うものである。２−プロパノールの電解反応には電力が必要であるが、その電力としては、燃料電池によって発電された電力の一部が用いられる。なお、本出願人は既に特願２００５−１１６９２９において、２−プロパノール水溶液から電解反応によって水素を製造するプロセスを提案している。

図１は、本発明の実施の一形態の燃料電池システムの構成を示す図である。この燃料電池システムは、電解反応により２−プロパノール水溶液から水素を製造する電解改質部１と、製造された水素から電力を発生する燃料電池部２と、この燃料電池システムの始動時に電解改質部１に対して直流電力を供給する始動用電源３と、電解改質部１の各カソードに接続してカソード排ガスとカソード排液とを分離する気液分離機構４と、電解改質部１の各アノードに接続してアノード排ガスとアノード排液とを分離する気液分離機構５と、水素を一時的に貯蔵する水素貯蔵部６と、電解改質部１に対して２−プロパノール水溶液を供給する２−プロパノール水溶液供給機構７と、気液分離機構４と水素貯蔵部６との間に配置され、気液分離機構４から送られてきたカソード排ガスから水素を分離し、分離した水素を水素貯蔵部６に供給する水素分離機構２５と、を備えている。電解改質部１のカソード排ガスは、２−プロパノールと水との電解反応によって生成した水素を主成分とし、アノード排ガスはこの電解反応によって生成した二酸化炭素を主成分としている。なお、気液分離機構５から排出されるアノード排液は、未反応の２−プロパノール水溶液を主成分とするものである。そこでこのアノード排液は、２−プロパノール水溶液供給機構７を介してあるいは介さずに電解改質部１にリサイクルされるようになっている。

後述するようにこの燃料電池システムでは、電解改質部１において２−プロパノールと水との電解反応によって水素を生成するために必要な直流電力として、燃料電池部２で発電した電力の一部を使用している。そこで、燃料電池部２と電解改質部１とは、外部回路５２によって電気的に接続され、電解反応に必要な電力が燃料電池部２から電解改質部１に供給されるようになっている。燃料電池部２で発生した電力を消費する負荷５０は、外部回路５１を介して燃料電池部２に電気的に接続する。

燃料電池システムの始動時においては燃料電池部２は発電しておらず、そのため、電解改質部１は水素ガスを発生することができず、そのままでは燃料電池部２に水素を供給できないのでいつまでたっても燃料電池システムは起動しないことになる。そこでこの燃料電池システムでは、始動時には始動用電源３からの電力を電解改質部１に供給して水素を発生させ、発生した水素が燃料電池部２に供給されて燃料電池部２が発電を開始した後は燃料電池部２からの電力によって電解改質部１における電解改質反応が進行するようにしている。そのような始動用電源３としては、例えば、直流電源、２次電池、１次電池、太陽電池、コンデンサのうちの一つ以上が用いられる。始動用電源３は外部回路２６を介して電解改質部１に電気的に接続している。始動用電源３は、電解改質部１から見て燃料電池部２に対して電気的に並列に接続されるようにしてもよい。

電解改質部１は複数の電解改質セル８〜１２が並列または直列に接続して構成されたものである。電解改質セル８〜１２はいずれも同じ構成のものである。図２はこのような電解改質セルの構成を示している。

電解改質セルは、２−プロパノール水溶液を電解して水素を発生させる電解反応を実行させる際の単位セルとなるものである。電解改質セルは、２−プロパノールと水の電気化学反応により二酸化炭素と水素イオン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）が生成するアノード３０と、アノード３０に接して設けられ水素イオン伝導性を有する電解質膜３１と、アノード３０とは反対側で電解質膜３１に接するように設けられ水素を生成するカソード３２とから構成されており、電解質膜３１はアノード３０及びカソード３２によって挟まれている。アノード３０には、２−プロパノール水溶液が、例えば毛細管現象を用いて供給される。カソード３２は、電解質膜３１中をアノード３０から移動してきた水素イオンと外部回路２６または外部回路５２から移動してきた電子とを電気化学反応させることによって、水素ガスを生成させる。電解質膜３１は好ましくは固体高分子電解質膜からなる。アノード３０からの排液（アノード排液）及び二酸化炭素を含む排ガス（アノード排ガス）は上述したように気液分離機構５に送られ、カソード３２からの排液（カソード排液）及び水素を含む排ガス（カソード排ガス）は気液分離機構４に送られる。始動用電源３から外部回路２６を介してアノード３０に正の電位を、カソード３２に負の電位を印加することにより、あるいは、燃料電池部から外部回路５２を介してアノード３０に正の電位を、カソード３２に負の電位を印加することにより、外部回路２６または外部回路５２を介してアノード３０とカソード３２の間に所定の電流が流れるようになり、２−プロパノールと水との電解反応が進行する。

燃料電池部１は複数の燃料電池セル１３〜１５が直列に接続して構成されたものである。燃料電池セル８〜１２はいずれも同じ構成のものである。図３はこのような燃料電池セルの構成を示している。

燃料電池セルは、電解改質部１で製造された水素を用いて電気化学反応によって発電を行う際の単位セルとなるものである。燃料電池セルは、水素ガスが供給され水素の電気化学反応により水素イオンと電子とが生成するアノード４０と、アノードに接して設けられ水素イオン伝導性を有する電解質膜４１と、外部から空気または酸素が供給され、電解質膜４１中をアノード４０から移動してきた水素イオンと外部回路５１，５２を経由してアノードから移動してきた電子と酸素との電気化学反応により水を生成させるカソード４２とを備えている。電解質膜４１は好ましくは固体高分子電解質膜からなる。大気圧すなわち０．１ＭＰａの環境下では、温度が１００℃以上であれば、カソード４２において水は気相ですなわち水蒸気として生成する。カソード４２からは、生成した水とカソード排ガスとが排出される。

以上説明した燃料電池システムでは、電解改質部１の電解改質セルの数を５個とし、燃料電池部２の燃料電池セルの数を３個としているが、電解改質セルの数と燃料電池セルの数は任意に設定することができる。また、本実施形態の燃料電子システムでは、電解改質部１と燃料電池部２を直列に接続して一体化したものとして構成することができる。

次に、この燃料電池システムの動作について説明する。

まず、２−プロパノール水溶液供給機構７により、２−プロパノール水溶液を電解改質部１に供給する。この場合、２−プロパノール水溶液供給機構７内に２−プロパノール水溶液を貯蔵するタンク（図示せず）を設けてそこから毛細管現象あるいはポンプ（図示せず）を利用して２−プロパノール水溶液を電解改質部１に供給してもよいし、あるいは、水タンク（図示せず）と２−プロパノールタンク（図示せず）を設けてそれらから水と２−プロパノールとを２−プロパノール水溶液供給機構７に供給し、２−プロパノール水溶液供給機構７の内部で２−プロパノール水溶液を調製して毛細管現象あるいはポンプ（図示せず）を利用して２−プロパノール水溶液を電解改質部１に供給してもよい。電解改質部１では、各電解改質セル８〜１２のアノード３０に２−プロパノール水溶液が供給される。

この燃料電池システムにおける始動時、すなわち燃料電池部２での発電開始前では、始動用電源３から外部回路２６を介して電解改質セル８〜１２に電解電力を供給し、電解改質セルのアノード３０とカソード３２の間に電解電圧を印加し、電解電流が流れるようにする。これによって２−プロパノール水溶液の電解反応によって、水素が生成する。初期段階での水素が生成され、その水素が燃料電池部２に供給されて燃料電池部２が発電を開始した後は、燃料電池部２から外部回路５２を介して電解改質セル８〜１２に対して電解電力が供給され、この燃料電池部２からの電力により、２−プロパノール水溶液の電解反応による水素製造が行なわれる。なお、電解改質セルに印加されるべき好適な電圧値と、始動用電源３あるいは燃料電池部２から出力される電圧値とは一般に異なっているから、始動用電源３や燃料電池部２から電解改質セル８〜１２への電解電力の供給は、電力変換装置を介して行うことが好ましい。

２−プロパノール水溶液電解では、電解改質セルのアノード３０において、(1)式に示すように、２−プロパノールと水の電気化学反応により二酸化炭素と水素イオンと電子が生成する。

(ＣＨ₃)₂ＣＨＯＨ ＋ ５Ｈ₂Ｏ → ３ＣＯ₂ ＋ １８Ｈ⁺ ＋ １８ｅ^- (1)
電解改質セルのアノード３０で生成したアノード排ガス及び排液は、気液分離機構５において二酸化炭素を含むアノード排ガスと未反応２−プロパノール水溶液からなるアノード排液とに分離される、二酸化炭素を含むアノード排ガスは、例えば大気中に放出される。一方、アノード排液２０は、２−プロパノール水溶液供給機構７もしくは電解改質セル８〜１２のアノード３０にリサイクルされる。なお、気液分離機構５は必ずしも必要であるわけではなく、アノード３０から、未反応の２−プロパノール水溶液（アノード排液）と二酸化炭素（アノード排ガス）とを直接分離して取り出すことができる場合もあり、気液分離機構を経ることなくアノード排ガスのみを大気中に放出することも可能である。

電解改質部１内に、電解改質セルのアノード３０に隣接して燃料供給部（図示せず）を設け、燃料供給部に対して２−プロパノール水溶液供給機構７から毛細管現象あるいはポンプ（図示せず）を利用して２−プロパノール水溶液を供給し、次に燃料供給部から電解改質セルのアノード３０に毛細管現象を利用して２−プロパノール水溶液を供給することも可能である。電解改質部１の電解改質セル８〜１２に対して始動用電源３から外部回路２６を介して電解電力を供給する場合、また電解改質セル８〜１２に燃料電池部２から外部回路５２を介して電解電力を供給する場合には、電解改質セルは、始動用電源３または燃料電池部２と直列に接続してもよいし、並列に接続してもよい。

(1)式に示した電解改質セルのアノード３０での電気化学反応には触媒が必要である。この触媒としては、白金触媒、白金・ルテニウム触媒等の貴金属系触媒が有効である。電解改質セルのアノード３０で生成した水素イオンは、水素イオン伝導性を有する電解質膜３１中を移動し、電解改質セルのカソード３２に到達する。この水素イオン伝導性を有する電解質膜３１の一例としては、スルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸膜が挙げられる。また、アノード３０で生成した電子は、始動用電源３を含む外部回路２６または燃料電池部２を含む外部回路５２を移動し、カソード３２に到達する。カソード３２では、(2)式に示すように、外部回路２６または外部回路５２を移動してきた電子と電解質膜３１中を移動してきた水素イオンとの電気化学反応により、水素が生成する。

１８Ｈ⁺ ＋ １８ｅ^- → ９Ｈ₂ (2)
このカソード３２での電気化学反応にも触媒が必要である。この触媒としても、白金触媒、白金・ルテニウム触媒等の貴金属触媒が有効である。

(1)式に示した電解改質セルのアノード３０での電気化学反応と(2)式に示したカソード３２での電気化学反応をまとめると、２−プロパノール水溶液電解反応は、(3)式に示すように、２−プロパノールと水から二酸化炭素と水素が生成する反応となる。

(ＣＨ₃)₂ＣＨＯＨ ＋ ５Ｈ₂Ｏ → ３ＣＯ₂ ＋ ９Ｈ₂ (3)
図２に示した電解改質セルを使用し、パーフルオロスルホン酸膜の一種である商品名ナフィオン１１７（デュポン社製）を電解質膜３１に用いるとともに、白金触媒をアノード３０及びカソード３２の電解触媒として用い、メタノール水溶液、エタノール（Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ）水溶液、２−プロパノール水溶液、及び水のそれぞれを電気分解し、電解電圧と電解時間との関係を調べた。いずれの場合も、電解電流は１Ａ（電解電流密度は０．０４３Ａ／ｃｍ²）とした。各水溶液中のメタノール、エタノール及び２−プロパノールの濃度はすべて８モル／リットルとした。結果を図４に示す。

図４に示すように、２−プロパノール水溶液は、メタノール水溶液と同様に、水を電気分解する場合に比べて低い電圧で電気分解を行うことができ、電解法による水素製造に必要な電力を削減できる。このため、２−プロパノール水溶液電解により水素を製造し、燃料電池でこの水素と酸素の電気化学反応により発電を行えば、負荷に電力を供給するとともに、２−プロパノール水溶液電解に必要な電力を確保することが可能となる。

２−プロパノール水溶液電解とメタノール水溶液電解を比較すると、メタノール水溶液電解では、メタノール水溶液が電解改質セルのアノードから電解質膜を透過してカソードに移動するメタノールクロスオーバーという現象が起こるが、２−プロパノール水溶液電解では、２−プロパノール水溶液がアノードから電解質膜を透過してカソードに移動することはほとんどない。すなわち、２−プロパノール水溶液供給機構７から電解改質部１へ供給した２−プロパノール水溶液は、すべて水素製造に有効に利用することができる。これは、２−プロパノール水溶液を用いた燃料電池システムでは、メタノール水溶液を用いた直接メタノール形燃料電池と比較して、高エネルギー密度を実現できることを示している。

２−プロパノール水溶液供給機構７から電解改質部１への２−プロパノール水溶液の供給量と電解改質部１に供給する電解電力は、燃料電池部２の発電電力に合わせて制御する。なお、毛細管現象を利用して２−プロパノール水溶液供給機構７から電解改質部１へ２−プロパノール水溶液を供給する場合には、(1)式に示した電気化学反応により消費した分だけ自動的に２−プロパノール水溶液が補給されるので、２−プロパノール水溶液の供給量を特に制御する必要はない。また、本実施形態の燃料電池システムでは、電解改質部１への電解電力の供給を停止するとただちに水素製造を停止し、電解改質部１への電解電力の供給を開始するとただちに水素製造を開始する。従って、この燃料電池システムは、頻繁な起動停止と短時間の起動が可能であるといえる。

燃料改質部１の電解改質セル８〜１２のカソード３２で生成したカソード排液及び排ガスは気液分離機構４に供給され、気液分離機構４はカソード排液とカソード排ガスとを分離する。ここでカソード排液は、電解改質セルのアノード３０から電解質膜３１を透過してカソード３２に移動した水が主成分である。カソード排ガスは、カソード３２で生成した水素を含んでいる。カソードからカソード排液が発生しない場合には場合には気液分離機構４は不要であり、水素を含むカソード排ガスが燃料改質部１から直接排出される。水素を含むカソード排ガスは、必要に応じてパラジウム膜等の水素分離膜を用いた水素分離機構２５に供給され、水素ガスと排出ガスとに分離するとともに、分離した水素ガスは、水素貯蔵部６を経て、燃料電池部２の各燃料電池セル１３〜１５に供給される。なお、水素貯蔵部６は、燃料電池部２の発電電力が変動した場合のバッファ機能を有している。水素分離機構２５と水素貯蔵部６は必ずしも必要ではなく、電解改質部１からの水素を含むカソード排ガスをそのまま燃料電池部２の燃料電池セル１３〜１５に供給してもよい。あるいは、気液分離機構４からのカソード排ガスを水素貯蔵部６に直接供給してもよい。あるいは、水素分離機構２５で分離した水素をそのまま燃料電池部２の燃料電池セル１３〜１５に供給してもよい。

２−プロパノール水溶液の電解反応では、副生物として一酸化炭素が発生しないので、電解改質部１からの水素を含むカソード排ガス中には一酸化炭素が含まれない。したがって、電解改質部１にはＣＯ選択酸化器を設ける必要はない。

燃料電池部２の燃料電池セル１３〜１５においては、水素、あるいは、電解改質部１からの水素を含むカソード排ガスがアノード４０に供給され、酸素または空気がカソード４２に自然拡散あるいはファン（図示せず）またはブロア（図示せず）により供給される。燃料電池部２の燃料電池セルのアノード４０では、(4)式に示す水素の電気化学反応により、水素イオンと電子が生成する。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- (4)
(4)式に示したアノード４０での電気化学反応には触媒が必要である。このアノード４０での触媒としては、電解改質セルのアノード３０及びカソード３２の触媒と同様に、白金触媒、白金・ルテニウム触媒等の貴金属系触媒が有効である。燃料電池セルのアノード４０で生成した水素イオンは、水素イオン伝導性を有する電解質膜４１中を移動し、カソード４２に到達する。水素イオン伝導性を有する電解質膜４１の一例としては、電解改質セルの電解質膜３１と同様に、スルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸膜が挙げられる。また、燃料電池セルのアノード４０で生成した電子は、負荷５０を含む外部回路５１及び電解改質部１を含む外部回路５２を移動し、カソード４２に到達する。この電子が外部回路５１及び外部回路５２を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池部２の発電電力として取り出すことができる。この場合、アノード４０が負極となり、カソード４２が正極となる。燃料電池部２からの発電電力は、外部回路５１及び外部回路５２と電力変換装置（図示せず）とを介して、負荷５０及び電解改質部１にそれぞれ供給される。

燃料電池セルのカソード４２では、(5)式に示すように、アノード４０から電解質膜４１中を移動してカソード４２に到達した水素イオン、アノード４０から外部回路５１及び外部回路５２を経てカソード４２へ移動してきた電子、及びカソード４２に供給された酸素（または供給された空気中の酸素）の電気化学反応により、水が生成する。水の沸点以上であれば、水蒸気として水が生成する。

２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ＋ ０．５Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ (5)
(5)式に示したカソード４２での電気化学反応にも触媒が必要である。このカソード４２の触媒としては、アノード４０での触媒と同様に、白金触媒、白金・ルテニウム触媒等の貴金属系触媒が有効である。燃料電池セルにおける、(4)式に示したアノード４０での電気化学反応と(5)式に示したカソード４２での電気化学反応をまとめると、燃料電池セル１３〜１５での発電反応は、(6)式に示すように、水素と酸素から水が生成する反応となる。

Ｈ₂ ＋ ０．５Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ (6)
燃料電池セルのカソード４２で生成した液体または気体の水は、環境中に放出してもよいし、容器で回収してもよい。なお、燃料電池セルのアノード４０に水素分離機構２５で分離した水素を供給する場合には、水素をすべて発電に利用することができるので、発電中に燃料電池セルのアノード４０から排ガスを放出する必要がないが、燃料電池セルのアノード４０に水素を含むカソード排ガスを供給する場合には、二酸化炭素等の発電に寄与しないガスが含まれる可能性があるので、燃料電池セルにはパージ弁（図示せず）を設けて、間欠的に、パージする必要がある。パージ弁を設ける場合には、パージガスに水素が含まれる可能性があるので、水素を空気中の酸素と燃焼させる燃焼器（図示せず）を必要に応じて設置する。

本実施形態の燃料電池システムでは、電解改質部１と燃料電池部２を直列に接続して一体化することにより、装置のコンパクト化が可能である。なお、電解改質部１と燃料電池部２との間に、必要に応じて気液分離機構４と水素分離機構２５と水素貯蔵部６のいずれか一つ以上を設ける場合には、電解改質部１及び燃料電池部２と、気液分離機構４、水素分離機構２５及び水素貯蔵部６のうちのいずれか一つ以上とを一体化することにより、装置のコンパクト化が可能である。

本発明の実施の一形態の燃料電池システムの構成を示す図である。 電解改質部を構成する電解改質セルの構成を示す図である。 燃料電池部を構成する燃料電池セルの構成を示す図である。 メタノール水溶液、エタノール水溶液、２−プロパノール水溶液、及び水をそれぞれ電気分解するときの電解電圧と電解時間との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 電解改質部
２ 燃料電池部
３ 始動用電源
４，５ 気液分離機構
６ 水素貯蔵部
７ ２−プロパノール水溶液供給機構
８〜１２ 電解改質セル
１３〜１５ 燃料電池セル
２５ 水素分離機構
２６，５１，５２ 外部回路
３０ （電解改質セルの）アノード
３１ （電解改質セルの）電解質膜
３２ （電解改質セルの）カソード
４０ （燃料電池セルの）アノード
４１ （燃料電池セルの）電解質膜
４２ （燃料電池セルの）カソード
５０ 負荷

Claims (9)

1. ２−プロパノール水溶液が供給され前記２−プロパノール水溶液の電解反応によって水素を生成する電解改質セルを有する電解改質部と、
   前記電解改質部で生成された水素を用いて燃料電池発電を行う燃料電池セルを有し、前記電解改質部に接続された燃料電池部と、
   を有する燃料電池システム。
2. 前記電解改質セルは、
   ２−プロパノールと水とを電気化学反応させることにより二酸化炭素、水素イオン及び電子を生成する、電解改質セルのアノードと、
   前記電解改質セルのアノードに隣接して設けられ、水素イオン伝導性を有する電解改質セルの電解質膜と、
   前記電解改質セルの電解質膜に隣接して設けられ、前記電解改質セルの電解質膜中を前記電解改質セルのアノードから移動してきた前記水素イオンと外部回路を介して前記電解改質セルのアノードから移動してきた前記電子とを電気化学反応させることによって水素を生成する、電解改質セルのカソードと、
   を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池セルは、
   前記電解改質部で生成された水素が供給され、前記水素の電気化学反応により水素イオンと電子とを生成する、燃料電池セルのアノードと、
   前記燃料電池セルのアノードに隣接して設けられ、水素イオン伝導性を有する燃料電池セルの電解質膜と、
   前記燃料電池セルの電解質膜に隣接して設けられ、外部から少なくとも酸素が供給され、前記燃料電池セルの電解質膜中を前記燃料電池セルのアノードから移動してきた前記水素イオンと外部回路を介して前記燃料電池セルのアノードから移動してきた前記電子と前記酸素とを電気化学反応させることによって水を生成する、燃料電池セルのカソードと、
   を有する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池部が前記電解改質部に電気的に接続し、前記燃料電池発電によって発生した電力の少なくとも一部が前記電解改質セルに供給されて前記電解反応のために使用される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記電解改質部に対して前記燃料電池部とは電気的に並列に接続した電源を有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 毛細管現象を利用して前記２−プロパノール水溶液が前記電解改質セルのアノードに供給される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記電解改質部は水素を含むガスと排液とを排出し、前記電解改質部と前記燃料電池部の間に前記ガスを前記排液から分離する気液分離機構が設けられている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記電解改質部で生成された水素を前記燃料電池セルに供給する前に一時的に貯蔵する水素貯蔵部を有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記電解改質部と前記燃料電池部の間に、前記電解改質部から排出されるガスから水素を分離する水素分離機構を有する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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