JP2007250410A - 燃料電池発電システム用燃料、燃料電池発電システム用燃料収容容器、および、燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料に炭素を用いることで一般の携帯用燃料電池発電システムにおいて生じる水蒸気の発生の無い燃料電池発電システム用燃料を提供する。
【解決手段】燃料電池発電システム１は、燃料電池発電システム用燃料１１a〜cを収容した燃料容器１１と、前記燃料電池発電システム用燃料に気体を供給することで一酸化炭素を生成させるポンプ２２，２３と、前記一酸化炭素を含有するに至った前記燃料電池発電システム用燃料１１a〜cと酸素とを反応させて発電させる燃料電池本体６と、必要に応じ前記燃料電池本体６通過後の燃料ガスと酸素を燃焼させる触媒燃焼器１３と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料を供給するための容器と、その燃料をガス化する触媒と、その容器から供給されるＣＯ含有ガスを酸素供給手段から供給される酸素とによって発電を行う燃料電池本体を備えてなる燃料電池発電システム用燃料、燃料電池発電システム用燃料収容容器、および燃料電池発電システムに関する。

燃料電池には、使用する電解質の種類により、固体高分子形、リン酸形、アルカリ形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形等の型式がある。このような各種の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体に水素を供給する方法としては、ボンベ等に貯蔵した水素を供給する方法が挙げられる。それ以外では、たとえば天然ガス、プロパンガス、メタノール等の種々の燃料と、改質反応に必要な水とを別々に改質器に供給し、改質器において改質触媒を用いて燃料を水素リッチガスに改質することによって供給されているのが一般的である（たとえば、特許文献１〜３参照）。

また、近年小型化およびポンプの省略化のために、エーテル、水およびアルコールを混合し、その蒸気圧を用いて燃料を供給するシステムが提案されている（特許文献４参照）。

また、炭素を燃料とするものに、直接炭素を燃料として燃料極とする方式が提案されている（非特許文献１参照）。

一方、携帯用の固体酸化物形燃料電池（SOFC）として、ジメチルエーテルもしくはプロパンガスを燃料として使用する燃料電池システムが提案されている（非特許文献２参照）。
特開２００１−２３６７３号公報 特開２００１−９６１６０号公報 特開２００２−２８９２４５号公報 特開２００４−３１９４６７号公報 伊原 学、「固体炭素燃料を用いたリチャージブル固体酸化物燃料電池の発電特性と電極構造の関係」、第13回ＳＯＦＣ研究発表会講演要旨集、（2004）Ｐ136-139 NEDO 平成14年度採択「DME・LPGを燃料としたマイクロ固体酸化物型燃料電池の研究」業務委託報告書（平成17年５月）

特許文献1〜４、非特許文献２に記載の携帯用燃料電池発電システムでは、燃料に、水素、メタノール、ジメチルエーテル、エタノール等いずれを用いても、最終的に水蒸気が発生し、排出側に結露する形で残り、完全に除去することはシステム上不可能である。

また、従来の燃料電池システムでは、燃料を改質するための改質器を必要としており、改質のために別途水等を供給する必要がある。燃料に液体を用いる場合、対策がなされている例もあるが、一般には燃料を供給するための送液ポンプが必要である。したがって、送液ポンプを設置するための場所を必要とし、装置が大型化する。さらに、ポンプに供給するための電力は、燃料電池本体の発電により生じる電力の一部を使用することとなるため、燃料電池本体の発電効率を低下させる。
燃料に炭素を用いる非特許文献１のシステムは、燃料電池燃料極に燃料として炭素を保持させて発電するシステムであり、水蒸気発生という上記課題は解決しているものの、充電のため都市ガス等を接続する必要があり、携帯用途としての連続性には疑問がある。

上記非特許文献２記載のシステムでは、特殊引火物であるジメチルエーテルや、圧力の高いプロパンを燃料として用いており、携帯用途としての安全性が懸念される。

本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、省スペース性にすぐれ、水蒸気を発生しない携帯用燃料電池システムを提供することにある。

本願発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討した。その結果、燃料に炭素を用いて、炭素中に触媒を分散させることで上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

請求項１の燃料電池発電システム用燃料は、上記の課題を解決するために、炭素および前記炭素を燃焼させるための燃焼触媒を含むことを特徴としている。

上記の構成によれば、燃料が水素源を含まず、かつ、液体燃料ではない炭素を燃料とすることで、水蒸気を放出せず、省スペースで発電することができる。また、上記燃焼触媒（炭素酸化触媒）と炭素とを共存させることで、炭素を空気中の酸素により酸化し、燃料電池に燃料ガスとして一酸化炭素を供給することができる。

請求項２の燃料電池発電システム用燃料は、上記の課題を解決するために、触媒はFe、Co、Ni、Zn、Au、Ag、Pt、Pd、Ruからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属を含むことを特徴としている。

前記金属は、必要に応じ、Al₂Ｏ₃、SiO₂、ZrO₂、MgO、CaO等の酸化物を担体に担持させ分散させた構成であってもよい。

請求項３の燃料電池発電システム用燃料は、上記の課題を解決するために、炭素の少なくとも一部は、燃焼触媒の存在下に炭化水素を熱分解させることにより前記燃焼触媒上に析出させた炭素成分からなることを特徴としている。

上記の構成によれば、燃料容器に容易に炭素を充填することが可能となり、使用済みの燃料に炭化水素を通すことで、繰り返し炭素を充填しリサイクルすることができる。

請求項４の燃料電池発電システム用燃料は、上記の課題を解決するために、炭素は、平均粒子径が５０μｍ以下のグラファイトを含むことを特徴としている。

上記の構成によれば、炭素が十分な表面積を有していることで、炭素と燃焼触媒との反応がより活発化しより効率的な燃料電池発電システムを提供することができる。

請求項５の燃料電池発電システム用燃料収容容器は、上記の課題を解決するために、請求項１〜４のいずれか1項記載の燃料電池発電システム用燃料を保持し、該燃料電池発電システム用燃料に対し供給されまたは排出される気体を透過させるためのフィルターを備えたことを特徴としている。

上記の構成によれば、燃料が水素源を含まず、かつ、液体燃料ではない炭素を燃料とすることで、水蒸気を放出せず、省スペースで発電することができる。また、上記炭素酸化触媒と炭素とを共存させることで、炭素を空気中の酸素により酸化し、燃料電池に燃料ガスとして一酸化炭素を供給することができる。また、炭素を外部に放出せず使用することが可能であり、また、燃料のリサイクルの際にフィルターを再利用することができる。

請求項６の燃料電池発電システムは、上記の課題を解決するために、請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池発電システム用燃料を収容した収容容器と、前記燃料電池発電システム用燃料に気体を供給することで一酸化炭素を生成させるポンプと、前記一酸化炭素を含有するに至った燃料電池発電システム用燃料と酸素とを反応させて発電させる燃料電池本体と、を備えたことを特徴としている。

上記の構成によれば、炭素を空気により酸化し、燃料電池に燃料ガスとして一酸化炭素を供給することができるので、水蒸気を放出せず、省スペースで発電できる燃料電池発電システムを提供することができる。尚、前記燃料電池発電システムは、必要に応じ、前記燃料電池本体通過後の燃料ガスと酸素とを燃焼させる燃焼器を備えていてもよい。

本発明の燃料電池発電システム用燃料は、以上のように、炭素および前記炭素を燃焼させるための燃焼触媒を含む構成である。本発明の燃料電池発電システム用燃料収容容器は、燃料電池発電システム用燃料を保持し、該燃料電池発電システム用燃料に対し供給されまたは排出される気体を透過させるためのフィルターを備えた構成である。また、本発明の燃料電池発電システムは、本発明の燃料電池発電システム用燃料を収容した収容容器と、前記燃料電池発電システム用燃料に気体を供給することで一酸化炭素を生成させるポンプと、前記一酸化炭素含有燃料と酸素とを反応させて発電させる燃料電池本体と、前記燃料電池本体通過後の燃料と酸素を燃焼させる燃焼器と、を備えた構成である。
それゆえ排出ガスに水蒸気を含まず、改質器等を含まない省スペースな携帯用燃料電池システム提供することができる。

本発明の一実施形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池発電システム1の概略構成を示す説明図である。本実施の形態の燃料電池発電システム１は、イオン導電性を有する固体酸化物電解質３と、該固体酸化物電解質３を挟持し互いに対向する燃料極４および空気極（酸化剤極）５と、から構成される燃料電池本体６を備えた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムである。

燃料電池本体６の燃料極４に対して燃料ガスとして一酸化炭素を供給するために、燃料を一酸化炭素リッチガスにするための能力を有した燃料容器１１が備えられている。用いる燃料は、炭素と燃焼触媒としてのニッケルが重量比で99：1 で構成され、前記燃料容器１１に収められている。

燃料の製造方法としては、特に限定されず、炭素と該炭素を燃焼（酸化）させるに充分な燃焼触媒とが共存したかたちであればその形態はいずれでもよい。たとえば、燃焼触媒に対し、高温下で炭化水素を熱分解反応させ、前記燃焼触媒表面に、たとえばひげ状の炭素（whisker carbon）を適当量析出させた形態からなる燃料としてもよい。この場合の設定温度は、用いる炭化水素原料や燃焼触媒の種類に応じて適宜定めればよく、特に限定されず、たとえば、ニッケル触媒の場合700〜800℃等が挙げられる。また、炭素粒子と燃焼触媒粒子とを混合して調製して燃料としてもよく、燃焼触媒を、Al₂Ｏ₃、SiO₂、ZrO₂、MgO、CaO等の酸化物を担体に担持させて分散させた触媒として構成してもよい。

燃料容器１１は、まず電気ヒータ１２により加熱される。加熱温度は、炭素の触媒燃焼が開始するに充分な温度であれば特に限定されないが、より好ましくは50〜500℃、さらに好ましくは、50〜300℃である。

加熱後、燃料発生用空気供給ポンプ２２より酸素が供給される。燃料中の炭素と空気中の酸素との燃焼触媒上の反応は（１）式に示すように部分酸化反応であり、ＣＯを発生させる。次に、（２）式に示すように完全酸化された場合は、後段の炭素により再び（３）式の反応で一酸化炭素に還元される。また、このＣＯとＣＯ_２の組成は、触媒や温度により定められるが、最終的に燃料電池本体６の燃料極４に供給される際に燃料極上で炭素の析出しない程度の組成で供給される。
Ｃ ＋ 1/2Ｏ_２ → ＣＯ …（１）
Ｃ ＋ Ｏ_２ → ＣＯ_２ …（２）
Ｃ ＋ ＣＯ_２ → ２ＣＯ …（３）
炭素燃料の酸化反応は発熱反応であるので、炭素燃料の着火後、その発熱によりＳＯＦＣは動作温度まで加熱される。その温度は、ＳＯＦＣを作動させるに充分な温度であれば特に限定されないが、より好ましくは500℃〜600℃、さらに好ましくは400℃〜500℃である。

燃料電池本体６の排出ガスは、触媒燃焼器１３内で燃焼され、（４）式の反応で残存しているＣＯガスはＣＯ_２に酸化される。これにより、無害なガスが、熱交換器１４を通過して、大気に排出される。
ＣＯ ＋ 1/2Ｏ_２ → ＣＯ_２ …（４）
次に、本実施の形態に係る燃料電池発電システム１の燃料を収容する燃料容器１１の構成について説明する。図２は、本発明に係る燃料容器１１の概略構成を示す説明図である。同図に示すように、燃料容器１１は、燃料４５（触媒含有炭素燃料）を収容するケーシング４４と、該ケーシング４４の長手方向両端に配設された燃料酸化ガス供給口４１および一酸化炭素リッチガス排出口４２と、前記燃料酸化ガス供給口４１および一酸化炭素リッチガス排出口４２に対し内側にそれぞれ設けられ燃料４５をケーシング４４内に安定に収容するとともに気体を透過させるメッシュ４３と、から主に構成されている。メッシュ４３（フィルター）の材質は特に限定はしないが、ＳＵＳ材質のいずれかもしくは、ＳｉＯ_２等のガラスファイバーとすることがより好ましい。前記材質等を用いることで繰り返し燃料容器１１を用いることがより容易となる。

燃料酸化ガス供給口４１側外部には、当該燃料酸化ガス供給口４１に機械的に挿入可能に形成されたパッキン状の供給側接続口４６が配置されている。供給側接続口４６には、空気等を導入するための空気供給管２４が接続されている。供給側接続口４６が燃料酸化ガス供給口４１に機械的に押し込まれることによりガスシールがより容易となる。

尚、空気供給管２４は、空気または酸素を燃料容器１１内に送入するために用いられるが、ＳＯＦＣ作動温度が比較的高温となった場合等、必要に応じ、空気等に替えて触媒燃焼器13から送出された排気ガスの一部を混合して送り込むことで、発熱反応である上記（１）式で示す反応と、吸熱反応である上記（３）式で示す反応とを同時に進行させる構成としてもよい。このような構成とすることで、過度に作動温度が高温となることを防止して温度調整を図ることが可能となる。
空気供給管２４より供給される酸素は供給側接続口４６を通って、燃料容器１１に供給される。本願明細書段落番号〔００１０〕に示した方法により、燃料容器中の炭素は、一酸化炭素に酸化され、一酸化炭素リッチガス排出口４２を通って排出される。

なお、燃料容器１１中の炭素は炭素燃料保持メッシュ４３により保持されており、ガス化しない限り容器の外には漏れない。炭素燃料保持メッシュは限定はしないが、50μｍ程度の穴の空いているＳＵＳメッシュが好適である。また、炭素燃料保持メッシュと燃料容器外枠は巻き込み等の機械加工で固定されている。

また、第１の実施の形態では、燃焼触媒としてニッケルを使用したが、これに限定するものではなく、たとえば、Fe、Co、Zn、Au、Ag、Au、Pt、Pd、Ru、単体もしくはそれぞれを混合することで得られる合金をAl₂Ｏ₃、SiO₂、ZrO₂、MgO、CaO等の酸化物に担持させることで燃焼触媒は得られる。

図３に本発明の他の実施の形態に係る燃料電池発電システムを、図4、図５にその断面図を示す。図４、図５は、それぞれ、図３中、「断面図４」，「断面図５」で示された矢線により得られる断面図である。尚、上記第１の実施の形態と同様の機能を有する部材には同一の部材番号を付しその説明を省略する。

図３〜図５に示すように、収納容器２には、真空断熱容器16、燃料タンク導入部51と燃料タンク排出部52、燃料発生用空気供給ポンプ22、燃料電池酸化ガス用空気供給ポンプ２３が備えられている。図１および図２で示した燃料容器11は、図３においては連続使用と、使用済み燃料容器の取り出しのために、同様の燃料容器が３本配置されている。それぞれ11a、11b、11cと称する。11a、11ｂ、11cの関係は、断熱回転式燃料容器固定具55が回転することで入れ替わり、燃料容器11a、11ｂ、11cの入れ替えが可能である。新しい燃料容器は燃料タンク導入部51より供給され、使用済みの燃料容器を押し出し、燃料タンク排出部52より排出される。使用済みの容器は、真空断熱容器16の外に配置され、外部から交換可能である。

燃料発生用空気供給ポンプ22から供給された空気は、熱交換器14で排出ガスと熱交換した後、空気供給管24を通り、燃料容器11cに供給される。燃料容器11cは電気ヒータ12により炭素の触媒燃焼温度まで加熱されており、（1）式の反応で炭素が酸化し、一酸化炭素リッチガスが発生する。発生した一酸化炭素リッチガスは、燃料タンク接続管61、燃料容器11b、一酸化炭素ガスリッチガス燃料電池供給管30を通り、燃料電池本体6の燃料極側に供給される。そこで、一酸化炭素は（5）式の反応で電解質を通って空気極側から供給される酸素イオンを酸化し、発電を行って二酸化炭素になる。空気極の空気の反応は（6）式の反応で、ここで供給される酸素は、燃料電池酸化ガス用空気供給ポンプ23から熱交換器14、燃料電池空気供給管を通って供給される。（５）の反応を行わなかった残りの一酸化炭素等を含む燃料電池の排出ガスは、燃料極側は燃料電池燃料極排気管２６、空気極側は燃料電池空気極排気管27を通って供給される。触媒燃焼器13に供給、混合され、式（4）の反応で未燃一酸化炭素は二酸化炭素に酸化される。反応熱はＳＯＦＣに供給され、酸化された無害な排出ガスは触媒燃焼器通過後排出ガス排気管28を通り、熱交換器14で、空気供給管24および燃料電池酸化ガス用空気供給管２５から供給される空気と熱交換し、25〜60℃の低温になってから排気管29を通って大気に排出される。

CO + O^2- → CO₂ + 2e^- … （5）
O₂ + 4e^- → 2O^2- … （6）
図６に、上記燃料電池発電システム１を用い、燃料ガスに一酸化炭素を用いた場合の固体酸化物形燃料電池の発電特性の評価結果を示す。図６に示されるように、一酸化炭素での最大出力は0.14Ｗ・cm-²で、基準となる水素での最大出力の0.15W・ｃｍ-²と大きな差がなく発電が可能であった。

本発明の燃料電池システム、燃料電池システムの燃料、及び燃料電池システムの密閉容器の用途としては、たとえば、ノートパソコン用電源、電気自転車、可搬電源としての用途があげられる。エンジン型の発電機と比べて稼動の際の振動や騒音が低いため、静穏な状況が求められる場所においても適応が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの一例を示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムに好適な燃料容器の一例を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る燃料電池システムの一例を示す概略図の側断面図である。 本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る燃料電池システムの一例を示す概略図の断面図である。 本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る燃料電池システムの一例を示す概略図の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを模擬した条件での発電結果である。

符号の説明

１…燃料電池発電システム
２…収納容器
３…固体酸化物電解質
４…燃料極
５…空気極
６…燃料電池本体
１１…燃料容器
１２…電気ヒータ
１３…触媒燃焼器
１４…熱交換器
２２…燃料発生用空気供給ポンプ
２３…燃料電池酸化ガス用空気供給ポンプ
２４…空気供給管
２５…燃料電池酸化ガス用空気供給管
２６…燃料電池燃料極排気管
２７…燃料電池空気極排気管
２８…触媒燃焼器通過後排出ガス排気管
２９…排気管
３０…一酸化炭素ガスリッチガス燃料電池供給管
４１…燃料酸化ガス供給口
４２…一酸化炭素リッチガス排出口
４３…メッシュ（フィルター）
４４…ケーシング
４５…燃料
４６…供給側接続口
４７…排出側接続口
５１…燃料タンク導入部
５２…燃料タンク排出部
６１…燃料タンク接続管

Claims (6)

1. 炭素および前記炭素を燃焼させるための燃焼触媒を含むことを特徴とする燃料電池発電システム用燃料。
2. 燃焼触媒はFe、Co、Ni、Zn、Au、Ag、Pt、Pd、Ruからなる群より選ばれる少なくとも１種の金属を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム用燃料。
3. 炭素の少なくとも一部は、燃焼触媒の存在下に炭化水素を熱分解させることにより前記燃焼触媒上に析出させた炭素成分からなることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池発電システム用燃料。
4. 炭素は、平均粒子径が５０μｍ以下のグラファイトを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料電池発電システム用燃料。
5. 請求項１〜４のいずれか1項記載の燃料電池発電システム用燃料を保持し、該燃料電池発電システム用燃料に対し供給されまたは排出される気体を透過させるためのフィルターを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム用燃料収容容器。
6. 請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池発電システム用燃料を収容した収容容器と、前記燃料電池発電システム用燃料に気体を供給することで一酸化炭素を生成させるポンプと、前記一酸化炭素を含有するに至った前記燃料電池発電システム用燃料と酸素とを反応させて発電させる燃料電池本体と、を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。