燃料電池システム
【課題】 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を触媒体に接触させて発生させた水素ガスを水素燃料電池の燃料として用いるに当たって、アルカリ成分が原因で生じる当該燃料電池の不具合を解消することを目的とする燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】 アルカリ吸収液である水を収容する容器に水素ガスを供給してバブリングするように構成することで、水素ガスに含まれるアルカリ成分を除去することができる。また当該水素ガスには水分が加わるため電解質膜の湿性を長時間保つことができる。
【解決手段】 アルカリ吸収液である水を収容する容器に水素ガスを供給してバブリングするように構成することで、水素ガスに含まれるアルカリ成分を除去することができる。また当該水素ガスには水分が加わるため電解質膜の湿性を長時間保つことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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を触媒体に接触させて水素ガスを発生させ、この水素ガスを燃料電池の燃料として供給する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
テトラヒドロホウ酸塩例えば水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）などの固体の金属水素錯化合物と水とを反応させて水素ガスを得、この水素ガスを水素−酸素（空気）型の燃料電池の燃料として用いることが従来から知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
しかしながら、固体の水素化ホウ素ナトリウムに水を接触させると、一時に多量の水素が発生するために、取り扱いと共に水素発生量の制御が容易ではないことから、前記燃料電池の燃料として用いるのに最適な方法とは言えない。
【０００４】
そこで例えば特許文献２には、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）をアルカリ水溶液である水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液に溶解し、この水溶液を例えば基材であるニッケルの表面に白金を被覆させた触媒体に接触させることで水素ガスを発生させる方法が記載されている。これはアルカリ水溶液中では水素化ホウ素ナトリウムの性状が安定しているため水素ガスは発生せず、前記触媒体に接触すると下記の（１）式に示す化学反応を起こして水素ガスが発生するので、当該触媒体に接触させる水溶液の量を調節したり、若しくは触媒体の形状を適宜設計することで、水素発生量を容易に制御することができる。
【０００５】
ＮａＢＨ4＋２Ｈ2Ｏ→ＮａＢＯ2＋４Ｈ2……（１）
しかしながら、水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液を前記触媒体に接触させて発生させた水素ガスには、アルカリ成分例えば水素化ホウ素ナトリウムの安定剤として用いたＮａＯＨ、未反応のＮａＢＨ4及び当該反応により生成した副生成物であるＮａＢＯ2などが含有されている。このようなアルカリ成分を多く含有した水素ガスを水素−酸素（空気）型の燃料電池の燃料として燃料電池に供給すると燃料電池を構成する各構成部材に対して様々な影響を及ぼす。特に燃料電池を構成する構成部材の中で燃料極及び電解質膜において、次のような問題が生じる。
【０００６】
アルカリ成分を含有した水素ガスを燃料極に接触させると、水素ガス中のアルカリ成分が燃料極の表面に付着するので、時間の経過と共に燃料極の表面はアルカリ成分で被覆され、燃料極における電極反応が阻害されるという問題がある。
【０００７】
また燃料極における電極反応により生成した水素イオン（Ｈ＋）が電解質膜を通過するときにアルカリ成分中のナトリウムイオン（Ｎａ＋）も一緒に電解質膜を通過するので、このイオンの流れによって燃料極側から電解質膜中の水分の持ち去り（電気浸透現象）が盛んになり電解質膜中の水分が減少して、電解質膜が乾燥するおそれがある。このように電解質膜が乾燥してしまうと、結果的に燃料電池の出力電圧が低下してしまう。さらに水素ガスに含まれるアルカリ成分のアルカリ作用により燃料電池を構成する構成部材が腐食し劣化するという問題もある。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−６４５７２（請求項１〜３、図２）
【特許文献２】特開２００１−１９４０１（段落０００５、段落００１５、段落００２５〜００２６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、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を触媒体に接触させて発生させた水素ガスを水素燃料電池の燃料として用いるに当たって、アルカリ成分が原因で生じる当該燃料電池の不具合を解消することを目的とする燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を触媒体に接触させて、水素ガスを発生させる水素発生部と、
この水素発生部から発生した水素ガスに同伴されているアルカリ成分を除去するためのアルカリ除去手段と、
水素を燃料とする燃料電池と、
前記アルカリ除去手段からの水素ガスを前記燃料電池に供給するための手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また上記燃料電池システムにおいて前記アルカリ除去手段は、アルカリ吸収液を収容する容器と、水素ガスをアルカリ吸収液内にバブリングさせるためのバブリング手段と、を備えている。また前記容器は、水素ガスが順番にバブリングされて通過するように複数設けてもよい。
【００１２】
さらに上記燃料電池システムにおいて前記水素発生部は、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を貯溜する貯溜部と、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を触媒体に接触させるための反応部と、前記貯溜部からのアルカリ水溶液と前記アルカリ除去手段にてアルカリ成分を吸収した前記容器内の液体とを混合して反応部内に供給するための混合部と、を備えている。
【００１３】
また本発明の好ましい構成例としては、前記容器内の液体のアルカリ濃度を検出するアルカリ濃度検出部と、前記アルカリ濃度検出部にて検出されたアルカリ濃度に基づいて前記混合部における前記貯溜部からの金属水素錯化合物のアルカリ水溶液と前記容器からの液体との混合比を調整する制御部と、を備えた構成を挙げることができる。また前記燃料電池から排出された水を前記容器にアルカリ吸収液として供給することが好ましい。さらに前記アルカリ除去手段は、水素ガスが通過するように設けられ、酸を付着させたフィルタを含む構成であってもよい。なお、前記水素錯化合物は、例えばテトラヒドロホウ酸塩を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液を触媒体に接触させて発生させた水素ガスを水素燃料電池に供給するに当たって、水素ガスに同伴するアルカリ成分を除去しているため、燃料極における電極反応の阻害が抑えられると共に、アルカリ成分による燃料電池の構成部材の腐食劣化が抑えられる。
【００１５】
またアルカリ除去手段をアルカリ吸収液である水を収容する容器に水素ガスを供給してバブリングするように構成すれば水素ガスには水分が加わるため電解質膜の湿性を長時間保つことができる。
【００１６】
また本発明によれば、貯溜部に貯溜された金属水素錯化合物のアルカリ水溶液（燃料液）の金属水素錯化合物の濃度、あるいは更にアルカリ濃度を、アルカリ除去手段にてアルカリ成分を吸収した水（アルカリ水溶液）により調整して水素発生部に供給するようにしているので、アルカリ成分を再利用することができ、アルカリ成分の使用量を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態について図１から図３を用いて説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図であり、このシステムは金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を触媒体に接触させて水素ガスを発生させるための水素発生部１００と、水素ガスに含有されているアルカリ成分を除去するためのアルカリ除去手段５０と、アルカリ除去された水素ガスを燃料として起電力を発生する固体高分子型燃料電池である水素燃料電池例えば水素−酸素（空気）燃料電池７０（以下、燃料電池７０という。）とを組み合わせてなる。
【００１８】
ここで金属水素錯化合物のアルカリ水溶液とは、具体的には金属水素錯化合物である例えば水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）をアルカリ水溶液である例えば水酸化ナトリウム水溶液に例えば５〜２０重量％溶解させ、水酸化ナトリウムの濃度が例えば５〜２０重量％の水溶液である。また金属水素錯化合物は水素化ホウ素ナトリウムに限られず、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）などを用いてもよい。またアルカリ水溶液は水酸化ナトリウムに限られず、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物を用いてもよい。
【００１９】
前記水素発生部１００は、燃料液を触媒体に接触させるための反応部３０を備えている。この反応部３０は、図２（ａ）に示すように反応容器３１の天井部の中央領域には燃料液供給管２１が貫通するように設けられていると共に天井部には水素排出管３５が接続されている。さらに前記反応容器３１の天井部にはＬ字状の支持用ロッド３３の一端側が接続されており、前記支持用ロッド３３の他端側は前記燃料液供給管２１の先端部に挿設されている。図２（ｂ）に示すように前記燃料液供給管２１の先端部の両側壁の間には例えば板状の触媒体３２の上部が若干の隙間を保って挿入さており、前記触媒体３２は吊り具３４を介して前記支持用ロッド３３に支持されている。また前記反応容器３１の底部には触媒体３２の表面に沿って流れ落ちた燃料液を回収するための回収部３５が設けられている。
【００２０】
前記触媒体３２としては、ラネーＮｉなどの金属、Ｍｇ2Ｎｉなどの水素吸蔵合金及びそれらのフッ化処理物などが用いられる。また触媒体３２の形状としては板状に限られず、当該触媒体３２を粉粒状にし、この粉粒体を例えば袋体に充填して用いてもよい。この場合、燃料液供給管２１の先端部に当該袋体が取り付けられ、袋体に燃料液が染み込むようになっている。
【００２１】
図１に戻って、前記燃料供液給管２１の上流端側にはバルブＶ２を介して混合部２０が接続されており、この混合部２０には、燃料液供給管１１及び後述する戻り水供給管６５が接続されている。前記燃料液供給管１１の上流端側には、流量調整機能を備えたポンプ１２及びバルブＶ１を介して燃料タンク１０が接続されている。また前記戻り水供給管６５の一端側には流量調整機能を備えたポンプ６６及びバルブＶ４を介して戻り水タンク６４に接続されている。前記戻り水タンク６４には、アルカリ除去手段５０にてアルカリ成分を吸収したアルカリ含有水が貯留されるようになっている。なお実施の形態においては、このアルカリ含有水を便宜上戻り水と呼んで説明することにする。前記混合部２０は、燃料タンク１０からの燃料と前記戻り水タンク６４からの戻り水とが十分混合されるように例えばコイル状の流路が形成され、両液が当該流路の出口側に達したときに十分混合される構成になっている。
【００２２】
一方反応部３０の出口側に設けられた前記水素排出管３５の下流側には温度調整部３６を介してアルカリ除去手段５０が接続されている。このアルカリ除去手段５０について図３に示すと、図中５１は、所定量のアルカリ吸収液である純水が入った容器である。この容器５１の底部には水素排出管３５の先端部が挿入されており、この先端部にはバブリング手段である例えば多孔質体からなるバブラー５２が設けられている。また前記容器５１の天井部の中央領域には、ミストセパレータ５３を介して水素供給管６２が接続されている。さらに前記容器５１の上部側面には給水管８１が接続されており、この給水管８１の上流端側にはポンプ８２及びバルブＶ５を介して水補給タンク８０が接続されている。また前記容器５１の底部の中央領域には排水管６３が接続されており、前記排水管６３の一端側には、戻り水タンク６４が接続されている。前記アルカリ除去手段５０には、図１に示すように容器５１内の液体のアルカリ濃度を検出するためのアルカリ濃度検出部６０と当該液体の液面レベルを検出するレベルセンサ６１とが設けられている。
【００２３】
また水素排出管３５と水素供給管６２とを繋ぐ管の間には容器５１内の過圧状態を防止するための逆止弁５４が介設されている。なお容器５１内に収容されている純水の温度を５０〜６０℃に加熱するために容器５１内の外周部を囲むように図示されない加熱手段例えばヒータが設けられている。
【００２４】
図１に示すように前記水素供給管６２の下流端側には燃料電池７０が接続されている。この燃料電池７０は、燃料極７１と酸化剤極７２との間に高分子電解質膜７３が介在しており、燃料極７１の一面には燃料電池７０の燃料である水素ガスが通流するための燃料通流路７４が形成されると共に、酸化剤極７２の一面には酸化剤である例えば空気が通流するための空気通流路７５が形成されている。前記高分子電解質膜７３には例えば交換基にスルホン酸をもつイオン交換膜が用いられ、電極には例えばカーボンに白金系金属触媒を担持したガス拡散電極が用いられる。
【００２５】
前記燃料通流路７４の一端側及び他端側には、夫々前記水素供給管６２及び排出管７６が接続されている。さらに空気通流路７５の一端側及び他端側には、夫々空気供給管７７及び空気排出管７８が接続されており、空気排出管７８の一端側には気液分離部７９を介して既述の水補給タンク８０が接続されている。
【００２６】
また燃料電池システムは、後述する作用で述べる種々の制御を行うためのプログラムを備えた制御部９０を有しており、この制御部９０により、反応部３０に供給される金属水素錯化合物のアルカリ水溶液の濃度及び供給量と、アルカリ除去手段５０の容器５１内のアルカリ吸収液の交換のタイミングや補給のタイミングなどが制御される。
【００２７】
続いて上述した燃料電池システムの作用について説明する。先ず、燃料タンク１０から混合部２０に水酸化ナトリウム水溶液に水素化ホウ素ナトリウムを溶解させて既述のように調整した燃料液を所定の量供給する共に、戻り水タンク６４から混合部２０に水を所定量供給する。運転の立ち上げ時においては、戻り水タンク６４に例えば純水あるいはアルカリ濃度を調整したアルカリ水溶液を溜めておく。そして混合部２０内を通流することで上記２つの溶液が混合され当該水酸化ナトリウム水溶液に溶解している水素化ホウ素ナトリウムの濃度を設定濃度となるように燃料液を調整する。具体例を挙げると、燃料タンク１０からの水素化ホウ素ナトリウムの濃度が１０〜２０重量％の燃料液と、戻りタンク６４からの戻り水とを混合して水素化ホウ素ナトリウムの濃度が５〜１５重量％の燃料液を得、この燃料液を反応部３０に供給する。
【００２８】
このように調整された燃料液を反応部３０の燃料液として用いると、当該燃料液を触媒体３２に接触させたとき反応により触媒体３２の表面に例えばメタホウ酸ナトリウム（ＮａＢＯ2）などの析出物の析出が抑えられる。即ち、水酸化ナトリウム水溶液に溶解している水素化ホウ素ナトリウムの濃度が高いと、触媒体３２の表面に析出物が析出して当該析出物により燃料液と触媒体３２との反応を阻害するので、水酸化ホウ素ナトリウムの濃度を析出物が析出しない程度の濃度まで調整している。
【００２９】
この燃料液は通常ではアルカリ水溶液中では水素化ホウ素ナトリウムの性状が安定しているため水素ガスは発生せず、前記触媒体３２に接触すると下記の（２）式に示すような化学反応を起こして水素ガスが発生する。
【００３０】
ＮａＢＨ4＋２Ｈ2Ｏ→ＮａＢＯ2＋４Ｈ2……（２）
供給された燃料液は、触媒体３２の両面に沿って液膜を形成しながら流下し、触媒体３２の下端部に達し、この間に水素化ホウ素ナトリウムは上記の（２）式に示した加水分解反応を行い、水素ガスを発生する。この水素ガスは反応容器３１の天井部の水素供給管３５の入り口へ送られる。また当該水素ガスには、アルカリ成分例えば水素化ホウ素ナトリウムの安定剤として用いたＮａＯＨ、未反応のＮａＢＨ4及び当該反応により生成した副生成物であるＮａＢＯ2などが同伴される。
【００３１】
上記（２）式により発生した水素ガスの温度は例えば８０〜１２０℃であり、燃料電池７０の燃料ガスとして供給するのに好ましい温度５０〜６０℃に調整するために水素供給管３５に介設された温度調整部３６により水素ガスを冷却する。また水素化ホウ素ナトリウムは、触媒体３２の両面を流展している間に酸化されて酸化物に変化し、この酸化物を含んだアルカリ水溶液は回収部３５に捕集される。
【００３２】
図３に示すようにアルカリ除去手段５０に供給された水素ガスは、所定量のアルカリ吸収液である例えば温度５０〜６０℃の純水が入った容器５１内のバブリング手段である前記バブラー５２を介して当該純水中に泡状に放出され、当該純水により水素ガスに同伴されているアルカリ成分（ＮａＯＨ、ＮａＢＨ4及びＮａＢＯ2）が取り除かれる。即ち、純水が当該アルカリ成分を吸収することになる。
【００３３】
前記容器５１内の気相部に放出された水素ガスは、前記容器５１の天井部に設置されたミストセパレータ５３でアルカリミストが除去され、そして前記容器５１の天井部から水素排出口を介して水素供給管６２へ送られる。水素ガスをアルカリ吸収液内にバブリングするとこの水素ガスに水分が同伴されるので、時間の経過と共に容器５１内の水が減少する。このためレベルセンサ６１で容器５１内の水面レベルを検知し、制御部９０はその水面レベルに応じて、給水管８１に設けられた流量調整部８２を調整して水補給タンク８０から容器５１内への給水量を制御する。例えば水面レベルが予め設定した下限レベルになったときに流量調整部８２を介して図示しないポンプにより水補給タンク８０内の水を容器５１内に供給し、水面が上限レベルになったときに給水を停止するといった制御が行われる。なお運転の立ち上げ時においては、水補給タンク８０には例えば予め少量の水が蓄えられている。
【００３４】
さらに容器５１内のアルカリ吸収液は、水素ガスに同伴されたアルカリ成分を吸収することにより、時間の経過と共にアルカリ成分の濃度が高くなる。そこでアルカリ濃度検出部６０で容器５１内の水のアルカリ濃度が予め設定した濃度になったときに、制御部９０の制御信号に基づいてバルブＶ３が開き、当該アルカリ吸収液を排出管６３を介して戻り水タンク６４に回収する。従って戻り水タンク６４に蓄えられている水のアルカリ濃度は概ね一定に保たれている。またこのとき容器５１内の水は全部回収されるのではなく、レベルセンサ６１の液面検出値が既述の下限レベルになったときにバルブＶ３が閉じられる。この下限レベルはバブラー５２よりも上方側に位置している。
【００３５】
こうして容器５１内の水が戻り水タンク６４に回収されると、つまり液面が下限レベルになると、制御部９０の制御信号に基づいてバルブＶ５が開き、ポンプ８２が駆動されて水補給タンク８０から給水管８１を介して所定量の水（液面が上限レベルになるまでの量）が供給される。一方戻り水タンク６４内の戻り水は、燃料タンク１０からの燃料と混合部２０にて混合されるが、戻り水中のアルカリ濃度が概ね一定であれば、制御部９０は、混合比が予め設定された値となるようにポンプ１２、６６に対して流量調整信号を出力する。また戻り水のアルカリ濃度を例えば戻り水タンク６４内に設けた濃度計（図示せず）により検出すると共に、燃料タンク１０内に設けた濃度計（図示せず）により燃料の濃度を検出し、制御部９０によりその検出結果に基づいて予め定めた演算式によりポンプ１２、６６に対して流量調整信号を出力して、混合液のアルカリ濃度が設定値となるように両液の混合比を調整するようにしてもよい。
【００３６】
続いて、アルカリ成分が除去された水素ガスは、水素供給管６２を通って燃料通流路７４の一端側から供給される。また空気通流路７５の一端側からは空気が供給される。燃料極７１側では下記（３）式に示す反応が起こり、酸化剤極７２側では下記（４）式に示す反応が起ることで燃料電池７０から電気が取り出される。
【００３７】
Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ− ……（３）
１／２Ｏ2＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ2Ｏ ……（４）
当該反応により酸化剤極７２側では水が生成されるので、この水と空気中に含まれる窒素ガスと未反応の酸素ガスとは空気通流路７５の他端側から排出される。排出されたガス成分は、気液分離部７９で水から分離され、外部に放出される。そして水は排出管７８を介して水補給タンク８０へと回収され、容器５１内に補給するための水として再利用される。
【００３８】
この実施の形態によれば、水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液を触媒体３２に接触させて発生させた水素ガスを、水を満たした容器５１内に供給してバブリングさせることで、水が水素ガスに含まれるアルカリ成分（ＮａＯＨ、ＮａＢＨ4及びＮａＢＯ2）を吸収して、水素ガス中のアルカリ濃度を低減することができるので、この水素ガスを燃料電池７０の燃料ガスとして長時間使用しても、燃料極７１にアルカリ成分が付着することが抑えられまたアルカリ作用により燃料電池７０を構成する構成部材が腐食し劣化するおそれが少ない。
【００３９】
また、水によりアルカリ成分が除去されると共に、水素ガスには水分が加わるため、この水素ガスを燃料電池７０の燃料として供給した場合、イオンの流れによる燃料極７１側から高分子電解質膜７３中の水分の持ち去り（電気浸透現象）を抑えると共に水素ガスに加わった水分が高分子電解質膜７３に浸透するので、高分子電解質膜７３の湿性を長時間保つことができ、結果的に燃料電池７０の出力電圧が安定する。
【００４０】
さらにこの実施の形態によれば、アルカリ除去手段５０にてアルカリ成分を吸収した水（アルカリ水溶液）をいわばフィードバックして、その戻り水と燃料タンク１０に貯溜された水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液（燃料液）とを混合して燃料の濃度を調整して反応部３０に供給するようにしているので、アルカリ成分を再利用することができる。このためアルカリ成分の使用量を抑えることができるので、低コスト化に寄与する。なおここでいう燃料の濃度とは、水素化ホウ素ナトリウムの濃度及びアルカリ濃度を指すが、例えばアルカリ濃度は概ねある許容範囲に入っているものとして、水素化ホウ素ナトリウムの濃度の調整のみを目的とする場合も本発明の範囲に含まれる。
【００４１】
さらにまたこの実施の形態では、酸化剤極７２における電極反応により生成した水を、気液分離部７９でガス成分と水とに分離した後、容器５１内の水の補給水として用いているので、電極反応により生成した水を既述した燃料電池システムにおいて再利用することができる。
【００４２】
ここで、上述した燃料電池システムに用いられるアルカリ除去手段５０の他の形態について図４〜図６に基づいて説明する。なお、図中において上述したアルカリ除去手段５０と同じ構成にある部分については同じ符号を付してある。
【００４３】
図４は、図３を用いて説明したバブラー５２を設置した容器５１を上下に２つ連結させて水素ガスを順番にバブリングさせて通過するように構成したものである。具体的に説明すると、下段の容器５１内に設置されたバブラー５２によりバブリングされた水素ガスは気相部である空間部５６から水素供給管５７を介して上段の容器５１内に設置されたバブラー５２に供給され、同様にバブラー５２により水素ガスをバブリングするものである。このように順番にバブリングすることで水素ガスに同伴されているアルカリ成分をより多く取り除くこと、つまり燃料電池７０に供給される水素ガス中のアルカリ濃度をより一層低減できる。なお、５５は給水管であり、下段の容器５１内の水がバブリングにより減少すると給水管５５を介して上段の容器５１内の水が下段の容器５１へ補給されるようになっている。
【００４４】
図５は、アルカリ吸収液である純水を満たした容器５１内にバブルキャップ５８が設置された形態である。この形態について説明すると前記水素供給管３５の基端側は屈曲しており、水素供給管３５の先端部が容器５１内の中央部まで延設されている。そしてバブルキャップ５８が水素供給管３５の先端口を塞ぐようにして設けられている。前記バブルキャップ５８の中は圧力差により気相部である空間部５９が形成されており、この空間部５９に水素ガスが供給されるようになっている。前記空間部５９に水素ガスが満たされてくると、バブルキャップ５８の中の圧力が大きくなるので、前記空間部５９からバブルキャップ５８の外方側へと水素ガスが放出され、水素ガスがバブリングされることになる。
【００４５】
図６は、図５を用いて説明したバブルキャップ５８を設置した容器５１を上下に２つ連結させて水素ガスを順番にバブリングさせて通過するように構成したものである。具体的に説明すると、下段の容器５１内に設置されたバブルキャップ５８によりバブリングした水素ガスは気相部である空間部２１に貯められる。そしてこの水素ガスは水素供給管２２を介して上段の容器５１に設置されたバブルキャプ５８の気相部である空間部５９に供給し、同様にバルブキャップ５８により水素ガスをバブリングするものである。このように順番にバブリングすることで水素ガスに含まれているアルカリ成分をより多く取り除くこと、つまり燃料電池７０に供給される水素ガス中のアルカリ濃度をより一層低減できる。なお、２３は給水管であり、下段の容器５１内の水がバブリングにより減少すると給水管２３を介して上段の容器５１内の水が下段の容器５１へ補給されるようになっている。
【００４６】
また上述した燃料電池システムにおいて、アルカリ濃度検出部６０、レベルセンサ６１、戻り水タンク６４及び水補給タンク８０を備えることを必要としない形態であってもよい。なお、この場合、前記燃料タンク１０に蓄えられている金属水素錯化合物のアルカリ水溶液は、反応部３０に供給するのに必要な濃度に予め調整されている。
【００４７】
アルカリ除去手段５０の他の例を図７に示す。アルカリ除去手段５０は箱体４０を備え、箱体４０内の中央部には酸が表面に塗布されたフィルタ４１が設置されており、前記フィルタ４１の面に対向するように流入口４２及び排気口４３が夫々開設されている。また前記排気口４３側には箱体４０内に吸引流を形成させるためのファン４４が設けられている。そして前記流入口４２及び排気口４３には既述した水素供給管３５及び水素供給管６２が夫々接続されている。
【００４８】
この実施の形態の作用について述べると、前記ファン４１を回転させることで箱体４０内には流入口４２から排気口４３へと向かう吸引流が形成される。この吸引流により水素供給管３５を介して流入口４２から流入されたアルカリ成分を含んだ水素ガスはフィルタ４１を通過し、排気口４３から排気され、水素供給管６２を介して燃料電池７０の燃料通流路７４に供給される。
【００４９】
この実施の形態によれば、水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液を触媒体３２に接触させて発生させた水素ガスを、酸を付着させたフィルタ４１に通過させることで、水素ガスに含まれるアルカリ成分がフィルタ４１に付着した酸によって中和されるので、上述と同様な効果を得ることができる。しかし、当該水素ガスは、水素発生部３０により発生した水素ガスに含まれている水分だけなので高分子電解質膜７３の湿性が若干劣る。
【００５０】
また図８に示すように、上述した燃料電池システムにおいて、気液分離部７９でガス成分と水とに分離した後、当該水を水補給タンク８０に供給せず水貯蔵部８３に蓄えるようにしてもよい。この形態について説明すると図中において前記水貯蔵部８３には給水管８４が設けられており、前記給水管８４の基端側はポンプ８２とバルブＶ５との間の給水管８１に接続されている。また前記給水管８４にはバルブＶ６が介設されている。なお、図中において燃料電池システムと同じ構成にある部分については同じ符号を付してある。
【００５１】
このような構成にすることで容器５１内の水を補給する水は主に水貯蔵部８３に蓄えられている水が使用され、水貯蔵部８３に蓄えられている水が不足したときに、予め水補給タンク８０に蓄えられている水を使用するようにしている。
【実施例】
【００５２】
次に本発明の効果を確認するために行った実験について述べる。
【００５３】
図１に示す混合部２０内の燃料液をＮａＢＨ4：ＮａＯＨ：Ｈ2Ｏ＝１５：８．５：７６．５重量％とし、この燃料液を図２に示す反応部３０において、ラネーＮｉの粉粒体２．５ｇが充填された袋体（触媒体３２）に供給して、水素ガスを１．３ｍＬ／ｍｉｎ発生させた。そしてこの水素ガス４０Ｌを図３に示すアルカリ除去手段５０に供給して、即ち６０℃に保持した純水５０ｍＬを収容した容器５１内に設置されたバブラー５２に供給してバブリングさせた。水素ガスをバブリングさせた後、前記容器５１内に収容されている水に含まれるアルカリ成分の量を測定した。測定方法は、４０Ｌの水素ガスをバブリングした後における容器５１内の水のｐＨ測定し、そのｐＨからＮａＯＨに換算して評価を行った。その結果、容器５１内の水にはＮａＯＨ換算で０．１ｇのアルカリ成分が含有されていることが確認された。このようなことから発生した水素ガスに同伴するアルカリ成分の量は、発生した水素ガスに対してＮａ換算で１．６％であった。
【００５４】
上述した実験結果により容器５１内の水にアルカリ成分が含有されることから水素ガスを水を満たした容器５１内に供給してバブリングさせることで、水素ガス中のアルカリ成分が取り除かれることが理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】上記燃料電池システムの一構成部分である水素発生部を示す説明図である。
【図３】上記燃料電池システムの一構成部分であるアルカリ除去手段を示す説明図である。
【図４】上記燃料電池システムの一構成部分であるアルカリ除去手段を示す説明図である。
【図５】上記燃料電池システムの一構成部分であるアルカリ除去手段を示す説明図である。
【図６】上記燃料電池システムの一構成部分であるアルカリ除去手段を示す説明図である。
【図７】本発明に係る他の燃料電池システムの一構成部分であるアルカリ除去手段を示す説明図である。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの他の実施の形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 燃料タンク
１２ 流量メータ
２０ 混合部
３０ 水素発生部
３６ 温度調整部
５０ アルカリ除去手段
６０ アルカリ濃度検出部
６１ レベルセンサ
７０ 固体高分子型燃料電池
７９ 気液分離部
８０ 水補給タンク
８２ 流量メータ
Ｖ１〜Ｖ５ バルブ
【技術分野】
【０００１】
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を触媒体に接触させて水素ガスを発生させ、この水素ガスを燃料電池の燃料として供給する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
テトラヒドロホウ酸塩例えば水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）などの固体の金属水素錯化合物と水とを反応させて水素ガスを得、この水素ガスを水素−酸素（空気）型の燃料電池の燃料として用いることが従来から知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
しかしながら、固体の水素化ホウ素ナトリウムに水を接触させると、一時に多量の水素が発生するために、取り扱いと共に水素発生量の制御が容易ではないことから、前記燃料電池の燃料として用いるのに最適な方法とは言えない。
【０００４】
そこで例えば特許文献２には、水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）をアルカリ水溶液である水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液に溶解し、この水溶液を例えば基材であるニッケルの表面に白金を被覆させた触媒体に接触させることで水素ガスを発生させる方法が記載されている。これはアルカリ水溶液中では水素化ホウ素ナトリウムの性状が安定しているため水素ガスは発生せず、前記触媒体に接触すると下記の（１）式に示す化学反応を起こして水素ガスが発生するので、当該触媒体に接触させる水溶液の量を調節したり、若しくは触媒体の形状を適宜設計することで、水素発生量を容易に制御することができる。
【０００５】
ＮａＢＨ4＋２Ｈ2Ｏ→ＮａＢＯ2＋４Ｈ2……（１）
しかしながら、水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液を前記触媒体に接触させて発生させた水素ガスには、アルカリ成分例えば水素化ホウ素ナトリウムの安定剤として用いたＮａＯＨ、未反応のＮａＢＨ4及び当該反応により生成した副生成物であるＮａＢＯ2などが含有されている。このようなアルカリ成分を多く含有した水素ガスを水素−酸素（空気）型の燃料電池の燃料として燃料電池に供給すると燃料電池を構成する各構成部材に対して様々な影響を及ぼす。特に燃料電池を構成する構成部材の中で燃料極及び電解質膜において、次のような問題が生じる。
【０００６】
アルカリ成分を含有した水素ガスを燃料極に接触させると、水素ガス中のアルカリ成分が燃料極の表面に付着するので、時間の経過と共に燃料極の表面はアルカリ成分で被覆され、燃料極における電極反応が阻害されるという問題がある。
【０００７】
また燃料極における電極反応により生成した水素イオン（Ｈ＋）が電解質膜を通過するときにアルカリ成分中のナトリウムイオン（Ｎａ＋）も一緒に電解質膜を通過するので、このイオンの流れによって燃料極側から電解質膜中の水分の持ち去り（電気浸透現象）が盛んになり電解質膜中の水分が減少して、電解質膜が乾燥するおそれがある。このように電解質膜が乾燥してしまうと、結果的に燃料電池の出力電圧が低下してしまう。さらに水素ガスに含まれるアルカリ成分のアルカリ作用により燃料電池を構成する構成部材が腐食し劣化するという問題もある。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−６４５７２（請求項１〜３、図２）
【特許文献２】特開２００１−１９４０１（段落０００５、段落００１５、段落００２５〜００２６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、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を触媒体に接触させて発生させた水素ガスを水素燃料電池の燃料として用いるに当たって、アルカリ成分が原因で生じる当該燃料電池の不具合を解消することを目的とする燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を触媒体に接触させて、水素ガスを発生させる水素発生部と、
この水素発生部から発生した水素ガスに同伴されているアルカリ成分を除去するためのアルカリ除去手段と、
水素を燃料とする燃料電池と、
前記アルカリ除去手段からの水素ガスを前記燃料電池に供給するための手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また上記燃料電池システムにおいて前記アルカリ除去手段は、アルカリ吸収液を収容する容器と、水素ガスをアルカリ吸収液内にバブリングさせるためのバブリング手段と、を備えている。また前記容器は、水素ガスが順番にバブリングされて通過するように複数設けてもよい。
【００１２】
さらに上記燃料電池システムにおいて前記水素発生部は、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を貯溜する貯溜部と、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を触媒体に接触させるための反応部と、前記貯溜部からのアルカリ水溶液と前記アルカリ除去手段にてアルカリ成分を吸収した前記容器内の液体とを混合して反応部内に供給するための混合部と、を備えている。
【００１３】
また本発明の好ましい構成例としては、前記容器内の液体のアルカリ濃度を検出するアルカリ濃度検出部と、前記アルカリ濃度検出部にて検出されたアルカリ濃度に基づいて前記混合部における前記貯溜部からの金属水素錯化合物のアルカリ水溶液と前記容器からの液体との混合比を調整する制御部と、を備えた構成を挙げることができる。また前記燃料電池から排出された水を前記容器にアルカリ吸収液として供給することが好ましい。さらに前記アルカリ除去手段は、水素ガスが通過するように設けられ、酸を付着させたフィルタを含む構成であってもよい。なお、前記水素錯化合物は、例えばテトラヒドロホウ酸塩を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液を触媒体に接触させて発生させた水素ガスを水素燃料電池に供給するに当たって、水素ガスに同伴するアルカリ成分を除去しているため、燃料極における電極反応の阻害が抑えられると共に、アルカリ成分による燃料電池の構成部材の腐食劣化が抑えられる。
【００１５】
またアルカリ除去手段をアルカリ吸収液である水を収容する容器に水素ガスを供給してバブリングするように構成すれば水素ガスには水分が加わるため電解質膜の湿性を長時間保つことができる。
【００１６】
また本発明によれば、貯溜部に貯溜された金属水素錯化合物のアルカリ水溶液（燃料液）の金属水素錯化合物の濃度、あるいは更にアルカリ濃度を、アルカリ除去手段にてアルカリ成分を吸収した水（アルカリ水溶液）により調整して水素発生部に供給するようにしているので、アルカリ成分を再利用することができ、アルカリ成分の使用量を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態について図１から図３を用いて説明する。図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図であり、このシステムは金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を触媒体に接触させて水素ガスを発生させるための水素発生部１００と、水素ガスに含有されているアルカリ成分を除去するためのアルカリ除去手段５０と、アルカリ除去された水素ガスを燃料として起電力を発生する固体高分子型燃料電池である水素燃料電池例えば水素−酸素（空気）燃料電池７０（以下、燃料電池７０という。）とを組み合わせてなる。
【００１８】
ここで金属水素錯化合物のアルカリ水溶液とは、具体的には金属水素錯化合物である例えば水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ4）をアルカリ水溶液である例えば水酸化ナトリウム水溶液に例えば５〜２０重量％溶解させ、水酸化ナトリウムの濃度が例えば５〜２０重量％の水溶液である。また金属水素錯化合物は水素化ホウ素ナトリウムに限られず、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）などを用いてもよい。またアルカリ水溶液は水酸化ナトリウムに限られず、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物を用いてもよい。
【００１９】
前記水素発生部１００は、燃料液を触媒体に接触させるための反応部３０を備えている。この反応部３０は、図２（ａ）に示すように反応容器３１の天井部の中央領域には燃料液供給管２１が貫通するように設けられていると共に天井部には水素排出管３５が接続されている。さらに前記反応容器３１の天井部にはＬ字状の支持用ロッド３３の一端側が接続されており、前記支持用ロッド３３の他端側は前記燃料液供給管２１の先端部に挿設されている。図２（ｂ）に示すように前記燃料液供給管２１の先端部の両側壁の間には例えば板状の触媒体３２の上部が若干の隙間を保って挿入さており、前記触媒体３２は吊り具３４を介して前記支持用ロッド３３に支持されている。また前記反応容器３１の底部には触媒体３２の表面に沿って流れ落ちた燃料液を回収するための回収部３５が設けられている。
【００２０】
前記触媒体３２としては、ラネーＮｉなどの金属、Ｍｇ2Ｎｉなどの水素吸蔵合金及びそれらのフッ化処理物などが用いられる。また触媒体３２の形状としては板状に限られず、当該触媒体３２を粉粒状にし、この粉粒体を例えば袋体に充填して用いてもよい。この場合、燃料液供給管２１の先端部に当該袋体が取り付けられ、袋体に燃料液が染み込むようになっている。
【００２１】
図１に戻って、前記燃料供液給管２１の上流端側にはバルブＶ２を介して混合部２０が接続されており、この混合部２０には、燃料液供給管１１及び後述する戻り水供給管６５が接続されている。前記燃料液供給管１１の上流端側には、流量調整機能を備えたポンプ１２及びバルブＶ１を介して燃料タンク１０が接続されている。また前記戻り水供給管６５の一端側には流量調整機能を備えたポンプ６６及びバルブＶ４を介して戻り水タンク６４に接続されている。前記戻り水タンク６４には、アルカリ除去手段５０にてアルカリ成分を吸収したアルカリ含有水が貯留されるようになっている。なお実施の形態においては、このアルカリ含有水を便宜上戻り水と呼んで説明することにする。前記混合部２０は、燃料タンク１０からの燃料と前記戻り水タンク６４からの戻り水とが十分混合されるように例えばコイル状の流路が形成され、両液が当該流路の出口側に達したときに十分混合される構成になっている。
【００２２】
一方反応部３０の出口側に設けられた前記水素排出管３５の下流側には温度調整部３６を介してアルカリ除去手段５０が接続されている。このアルカリ除去手段５０について図３に示すと、図中５１は、所定量のアルカリ吸収液である純水が入った容器である。この容器５１の底部には水素排出管３５の先端部が挿入されており、この先端部にはバブリング手段である例えば多孔質体からなるバブラー５２が設けられている。また前記容器５１の天井部の中央領域には、ミストセパレータ５３を介して水素供給管６２が接続されている。さらに前記容器５１の上部側面には給水管８１が接続されており、この給水管８１の上流端側にはポンプ８２及びバルブＶ５を介して水補給タンク８０が接続されている。また前記容器５１の底部の中央領域には排水管６３が接続されており、前記排水管６３の一端側には、戻り水タンク６４が接続されている。前記アルカリ除去手段５０には、図１に示すように容器５１内の液体のアルカリ濃度を検出するためのアルカリ濃度検出部６０と当該液体の液面レベルを検出するレベルセンサ６１とが設けられている。
【００２３】
また水素排出管３５と水素供給管６２とを繋ぐ管の間には容器５１内の過圧状態を防止するための逆止弁５４が介設されている。なお容器５１内に収容されている純水の温度を５０〜６０℃に加熱するために容器５１内の外周部を囲むように図示されない加熱手段例えばヒータが設けられている。
【００２４】
図１に示すように前記水素供給管６２の下流端側には燃料電池７０が接続されている。この燃料電池７０は、燃料極７１と酸化剤極７２との間に高分子電解質膜７３が介在しており、燃料極７１の一面には燃料電池７０の燃料である水素ガスが通流するための燃料通流路７４が形成されると共に、酸化剤極７２の一面には酸化剤である例えば空気が通流するための空気通流路７５が形成されている。前記高分子電解質膜７３には例えば交換基にスルホン酸をもつイオン交換膜が用いられ、電極には例えばカーボンに白金系金属触媒を担持したガス拡散電極が用いられる。
【００２５】
前記燃料通流路７４の一端側及び他端側には、夫々前記水素供給管６２及び排出管７６が接続されている。さらに空気通流路７５の一端側及び他端側には、夫々空気供給管７７及び空気排出管７８が接続されており、空気排出管７８の一端側には気液分離部７９を介して既述の水補給タンク８０が接続されている。
【００２６】
また燃料電池システムは、後述する作用で述べる種々の制御を行うためのプログラムを備えた制御部９０を有しており、この制御部９０により、反応部３０に供給される金属水素錯化合物のアルカリ水溶液の濃度及び供給量と、アルカリ除去手段５０の容器５１内のアルカリ吸収液の交換のタイミングや補給のタイミングなどが制御される。
【００２７】
続いて上述した燃料電池システムの作用について説明する。先ず、燃料タンク１０から混合部２０に水酸化ナトリウム水溶液に水素化ホウ素ナトリウムを溶解させて既述のように調整した燃料液を所定の量供給する共に、戻り水タンク６４から混合部２０に水を所定量供給する。運転の立ち上げ時においては、戻り水タンク６４に例えば純水あるいはアルカリ濃度を調整したアルカリ水溶液を溜めておく。そして混合部２０内を通流することで上記２つの溶液が混合され当該水酸化ナトリウム水溶液に溶解している水素化ホウ素ナトリウムの濃度を設定濃度となるように燃料液を調整する。具体例を挙げると、燃料タンク１０からの水素化ホウ素ナトリウムの濃度が１０〜２０重量％の燃料液と、戻りタンク６４からの戻り水とを混合して水素化ホウ素ナトリウムの濃度が５〜１５重量％の燃料液を得、この燃料液を反応部３０に供給する。
【００２８】
このように調整された燃料液を反応部３０の燃料液として用いると、当該燃料液を触媒体３２に接触させたとき反応により触媒体３２の表面に例えばメタホウ酸ナトリウム（ＮａＢＯ2）などの析出物の析出が抑えられる。即ち、水酸化ナトリウム水溶液に溶解している水素化ホウ素ナトリウムの濃度が高いと、触媒体３２の表面に析出物が析出して当該析出物により燃料液と触媒体３２との反応を阻害するので、水酸化ホウ素ナトリウムの濃度を析出物が析出しない程度の濃度まで調整している。
【００２９】
この燃料液は通常ではアルカリ水溶液中では水素化ホウ素ナトリウムの性状が安定しているため水素ガスは発生せず、前記触媒体３２に接触すると下記の（２）式に示すような化学反応を起こして水素ガスが発生する。
【００３０】
ＮａＢＨ4＋２Ｈ2Ｏ→ＮａＢＯ2＋４Ｈ2……（２）
供給された燃料液は、触媒体３２の両面に沿って液膜を形成しながら流下し、触媒体３２の下端部に達し、この間に水素化ホウ素ナトリウムは上記の（２）式に示した加水分解反応を行い、水素ガスを発生する。この水素ガスは反応容器３１の天井部の水素供給管３５の入り口へ送られる。また当該水素ガスには、アルカリ成分例えば水素化ホウ素ナトリウムの安定剤として用いたＮａＯＨ、未反応のＮａＢＨ4及び当該反応により生成した副生成物であるＮａＢＯ2などが同伴される。
【００３１】
上記（２）式により発生した水素ガスの温度は例えば８０〜１２０℃であり、燃料電池７０の燃料ガスとして供給するのに好ましい温度５０〜６０℃に調整するために水素供給管３５に介設された温度調整部３６により水素ガスを冷却する。また水素化ホウ素ナトリウムは、触媒体３２の両面を流展している間に酸化されて酸化物に変化し、この酸化物を含んだアルカリ水溶液は回収部３５に捕集される。
【００３２】
図３に示すようにアルカリ除去手段５０に供給された水素ガスは、所定量のアルカリ吸収液である例えば温度５０〜６０℃の純水が入った容器５１内のバブリング手段である前記バブラー５２を介して当該純水中に泡状に放出され、当該純水により水素ガスに同伴されているアルカリ成分（ＮａＯＨ、ＮａＢＨ4及びＮａＢＯ2）が取り除かれる。即ち、純水が当該アルカリ成分を吸収することになる。
【００３３】
前記容器５１内の気相部に放出された水素ガスは、前記容器５１の天井部に設置されたミストセパレータ５３でアルカリミストが除去され、そして前記容器５１の天井部から水素排出口を介して水素供給管６２へ送られる。水素ガスをアルカリ吸収液内にバブリングするとこの水素ガスに水分が同伴されるので、時間の経過と共に容器５１内の水が減少する。このためレベルセンサ６１で容器５１内の水面レベルを検知し、制御部９０はその水面レベルに応じて、給水管８１に設けられた流量調整部８２を調整して水補給タンク８０から容器５１内への給水量を制御する。例えば水面レベルが予め設定した下限レベルになったときに流量調整部８２を介して図示しないポンプにより水補給タンク８０内の水を容器５１内に供給し、水面が上限レベルになったときに給水を停止するといった制御が行われる。なお運転の立ち上げ時においては、水補給タンク８０には例えば予め少量の水が蓄えられている。
【００３４】
さらに容器５１内のアルカリ吸収液は、水素ガスに同伴されたアルカリ成分を吸収することにより、時間の経過と共にアルカリ成分の濃度が高くなる。そこでアルカリ濃度検出部６０で容器５１内の水のアルカリ濃度が予め設定した濃度になったときに、制御部９０の制御信号に基づいてバルブＶ３が開き、当該アルカリ吸収液を排出管６３を介して戻り水タンク６４に回収する。従って戻り水タンク６４に蓄えられている水のアルカリ濃度は概ね一定に保たれている。またこのとき容器５１内の水は全部回収されるのではなく、レベルセンサ６１の液面検出値が既述の下限レベルになったときにバルブＶ３が閉じられる。この下限レベルはバブラー５２よりも上方側に位置している。
【００３５】
こうして容器５１内の水が戻り水タンク６４に回収されると、つまり液面が下限レベルになると、制御部９０の制御信号に基づいてバルブＶ５が開き、ポンプ８２が駆動されて水補給タンク８０から給水管８１を介して所定量の水（液面が上限レベルになるまでの量）が供給される。一方戻り水タンク６４内の戻り水は、燃料タンク１０からの燃料と混合部２０にて混合されるが、戻り水中のアルカリ濃度が概ね一定であれば、制御部９０は、混合比が予め設定された値となるようにポンプ１２、６６に対して流量調整信号を出力する。また戻り水のアルカリ濃度を例えば戻り水タンク６４内に設けた濃度計（図示せず）により検出すると共に、燃料タンク１０内に設けた濃度計（図示せず）により燃料の濃度を検出し、制御部９０によりその検出結果に基づいて予め定めた演算式によりポンプ１２、６６に対して流量調整信号を出力して、混合液のアルカリ濃度が設定値となるように両液の混合比を調整するようにしてもよい。
【００３６】
続いて、アルカリ成分が除去された水素ガスは、水素供給管６２を通って燃料通流路７４の一端側から供給される。また空気通流路７５の一端側からは空気が供給される。燃料極７１側では下記（３）式に示す反応が起こり、酸化剤極７２側では下記（４）式に示す反応が起ることで燃料電池７０から電気が取り出される。
【００３７】
Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ− ……（３）
１／２Ｏ2＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ2Ｏ ……（４）
当該反応により酸化剤極７２側では水が生成されるので、この水と空気中に含まれる窒素ガスと未反応の酸素ガスとは空気通流路７５の他端側から排出される。排出されたガス成分は、気液分離部７９で水から分離され、外部に放出される。そして水は排出管７８を介して水補給タンク８０へと回収され、容器５１内に補給するための水として再利用される。
【００３８】
この実施の形態によれば、水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液を触媒体３２に接触させて発生させた水素ガスを、水を満たした容器５１内に供給してバブリングさせることで、水が水素ガスに含まれるアルカリ成分（ＮａＯＨ、ＮａＢＨ4及びＮａＢＯ2）を吸収して、水素ガス中のアルカリ濃度を低減することができるので、この水素ガスを燃料電池７０の燃料ガスとして長時間使用しても、燃料極７１にアルカリ成分が付着することが抑えられまたアルカリ作用により燃料電池７０を構成する構成部材が腐食し劣化するおそれが少ない。
【００３９】
また、水によりアルカリ成分が除去されると共に、水素ガスには水分が加わるため、この水素ガスを燃料電池７０の燃料として供給した場合、イオンの流れによる燃料極７１側から高分子電解質膜７３中の水分の持ち去り（電気浸透現象）を抑えると共に水素ガスに加わった水分が高分子電解質膜７３に浸透するので、高分子電解質膜７３の湿性を長時間保つことができ、結果的に燃料電池７０の出力電圧が安定する。
【００４０】
さらにこの実施の形態によれば、アルカリ除去手段５０にてアルカリ成分を吸収した水（アルカリ水溶液）をいわばフィードバックして、その戻り水と燃料タンク１０に貯溜された水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液（燃料液）とを混合して燃料の濃度を調整して反応部３０に供給するようにしているので、アルカリ成分を再利用することができる。このためアルカリ成分の使用量を抑えることができるので、低コスト化に寄与する。なおここでいう燃料の濃度とは、水素化ホウ素ナトリウムの濃度及びアルカリ濃度を指すが、例えばアルカリ濃度は概ねある許容範囲に入っているものとして、水素化ホウ素ナトリウムの濃度の調整のみを目的とする場合も本発明の範囲に含まれる。
【００４１】
さらにまたこの実施の形態では、酸化剤極７２における電極反応により生成した水を、気液分離部７９でガス成分と水とに分離した後、容器５１内の水の補給水として用いているので、電極反応により生成した水を既述した燃料電池システムにおいて再利用することができる。
【００４２】
ここで、上述した燃料電池システムに用いられるアルカリ除去手段５０の他の形態について図４〜図６に基づいて説明する。なお、図中において上述したアルカリ除去手段５０と同じ構成にある部分については同じ符号を付してある。
【００４３】
図４は、図３を用いて説明したバブラー５２を設置した容器５１を上下に２つ連結させて水素ガスを順番にバブリングさせて通過するように構成したものである。具体的に説明すると、下段の容器５１内に設置されたバブラー５２によりバブリングされた水素ガスは気相部である空間部５６から水素供給管５７を介して上段の容器５１内に設置されたバブラー５２に供給され、同様にバブラー５２により水素ガスをバブリングするものである。このように順番にバブリングすることで水素ガスに同伴されているアルカリ成分をより多く取り除くこと、つまり燃料電池７０に供給される水素ガス中のアルカリ濃度をより一層低減できる。なお、５５は給水管であり、下段の容器５１内の水がバブリングにより減少すると給水管５５を介して上段の容器５１内の水が下段の容器５１へ補給されるようになっている。
【００４４】
図５は、アルカリ吸収液である純水を満たした容器５１内にバブルキャップ５８が設置された形態である。この形態について説明すると前記水素供給管３５の基端側は屈曲しており、水素供給管３５の先端部が容器５１内の中央部まで延設されている。そしてバブルキャップ５８が水素供給管３５の先端口を塞ぐようにして設けられている。前記バブルキャップ５８の中は圧力差により気相部である空間部５９が形成されており、この空間部５９に水素ガスが供給されるようになっている。前記空間部５９に水素ガスが満たされてくると、バブルキャップ５８の中の圧力が大きくなるので、前記空間部５９からバブルキャップ５８の外方側へと水素ガスが放出され、水素ガスがバブリングされることになる。
【００４５】
図６は、図５を用いて説明したバブルキャップ５８を設置した容器５１を上下に２つ連結させて水素ガスを順番にバブリングさせて通過するように構成したものである。具体的に説明すると、下段の容器５１内に設置されたバブルキャップ５８によりバブリングした水素ガスは気相部である空間部２１に貯められる。そしてこの水素ガスは水素供給管２２を介して上段の容器５１に設置されたバブルキャプ５８の気相部である空間部５９に供給し、同様にバルブキャップ５８により水素ガスをバブリングするものである。このように順番にバブリングすることで水素ガスに含まれているアルカリ成分をより多く取り除くこと、つまり燃料電池７０に供給される水素ガス中のアルカリ濃度をより一層低減できる。なお、２３は給水管であり、下段の容器５１内の水がバブリングにより減少すると給水管２３を介して上段の容器５１内の水が下段の容器５１へ補給されるようになっている。
【００４６】
また上述した燃料電池システムにおいて、アルカリ濃度検出部６０、レベルセンサ６１、戻り水タンク６４及び水補給タンク８０を備えることを必要としない形態であってもよい。なお、この場合、前記燃料タンク１０に蓄えられている金属水素錯化合物のアルカリ水溶液は、反応部３０に供給するのに必要な濃度に予め調整されている。
【００４７】
アルカリ除去手段５０の他の例を図７に示す。アルカリ除去手段５０は箱体４０を備え、箱体４０内の中央部には酸が表面に塗布されたフィルタ４１が設置されており、前記フィルタ４１の面に対向するように流入口４２及び排気口４３が夫々開設されている。また前記排気口４３側には箱体４０内に吸引流を形成させるためのファン４４が設けられている。そして前記流入口４２及び排気口４３には既述した水素供給管３５及び水素供給管６２が夫々接続されている。
【００４８】
この実施の形態の作用について述べると、前記ファン４１を回転させることで箱体４０内には流入口４２から排気口４３へと向かう吸引流が形成される。この吸引流により水素供給管３５を介して流入口４２から流入されたアルカリ成分を含んだ水素ガスはフィルタ４１を通過し、排気口４３から排気され、水素供給管６２を介して燃料電池７０の燃料通流路７４に供給される。
【００４９】
この実施の形態によれば、水素化ホウ素ナトリウムのアルカリ水溶液を触媒体３２に接触させて発生させた水素ガスを、酸を付着させたフィルタ４１に通過させることで、水素ガスに含まれるアルカリ成分がフィルタ４１に付着した酸によって中和されるので、上述と同様な効果を得ることができる。しかし、当該水素ガスは、水素発生部３０により発生した水素ガスに含まれている水分だけなので高分子電解質膜７３の湿性が若干劣る。
【００５０】
また図８に示すように、上述した燃料電池システムにおいて、気液分離部７９でガス成分と水とに分離した後、当該水を水補給タンク８０に供給せず水貯蔵部８３に蓄えるようにしてもよい。この形態について説明すると図中において前記水貯蔵部８３には給水管８４が設けられており、前記給水管８４の基端側はポンプ８２とバルブＶ５との間の給水管８１に接続されている。また前記給水管８４にはバルブＶ６が介設されている。なお、図中において燃料電池システムと同じ構成にある部分については同じ符号を付してある。
【００５１】
このような構成にすることで容器５１内の水を補給する水は主に水貯蔵部８３に蓄えられている水が使用され、水貯蔵部８３に蓄えられている水が不足したときに、予め水補給タンク８０に蓄えられている水を使用するようにしている。
【実施例】
【００５２】
次に本発明の効果を確認するために行った実験について述べる。
【００５３】
図１に示す混合部２０内の燃料液をＮａＢＨ4：ＮａＯＨ：Ｈ2Ｏ＝１５：８．５：７６．５重量％とし、この燃料液を図２に示す反応部３０において、ラネーＮｉの粉粒体２．５ｇが充填された袋体（触媒体３２）に供給して、水素ガスを１．３ｍＬ／ｍｉｎ発生させた。そしてこの水素ガス４０Ｌを図３に示すアルカリ除去手段５０に供給して、即ち６０℃に保持した純水５０ｍＬを収容した容器５１内に設置されたバブラー５２に供給してバブリングさせた。水素ガスをバブリングさせた後、前記容器５１内に収容されている水に含まれるアルカリ成分の量を測定した。測定方法は、４０Ｌの水素ガスをバブリングした後における容器５１内の水のｐＨ測定し、そのｐＨからＮａＯＨに換算して評価を行った。その結果、容器５１内の水にはＮａＯＨ換算で０．１ｇのアルカリ成分が含有されていることが確認された。このようなことから発生した水素ガスに同伴するアルカリ成分の量は、発生した水素ガスに対してＮａ換算で１．６％であった。
【００５４】
上述した実験結果により容器５１内の水にアルカリ成分が含有されることから水素ガスを水を満たした容器５１内に供給してバブリングさせることで、水素ガス中のアルカリ成分が取り除かれることが理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】上記燃料電池システムの一構成部分である水素発生部を示す説明図である。
【図３】上記燃料電池システムの一構成部分であるアルカリ除去手段を示す説明図である。
【図４】上記燃料電池システムの一構成部分であるアルカリ除去手段を示す説明図である。
【図５】上記燃料電池システムの一構成部分であるアルカリ除去手段を示す説明図である。
【図６】上記燃料電池システムの一構成部分であるアルカリ除去手段を示す説明図である。
【図７】本発明に係る他の燃料電池システムの一構成部分であるアルカリ除去手段を示す説明図である。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの他の実施の形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 燃料タンク
１２ 流量メータ
２０ 混合部
３０ 水素発生部
３６ 温度調整部
５０ アルカリ除去手段
６０ アルカリ濃度検出部
６１ レベルセンサ
７０ 固体高分子型燃料電池
７９ 気液分離部
８０ 水補給タンク
８２ 流量メータ
Ｖ１〜Ｖ５ バルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を触媒体に接触させて、水素ガスを発生させる水素発生部と、
この水素発生部から発生した水素ガスに同伴されているアルカリ成分を除去するためのアルカリ除去手段と、
水素を燃料とする燃料電池と、
前記アルカリ除去手段からの水素ガスを前記燃料電池に供給するための手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記アルカリ除去手段は、アルカリ吸収液を収容する容器と、水素ガスをアルカリ吸収液内にバブリングさせるためのバブリング手段と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記容器は、水素ガスが順番にバブリングされて通過するように複数設けられたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水素発生部は、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を貯溜する貯溜部と、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を触媒体に接触させるための反応部と、前記貯溜部からのアルカリ水溶液と前記アルカリ除去手段によりアルカリ成分を吸収した前記容器内の液体とを混合して反応部内に供給するための混合部と、を備えたことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記容器内の液体のアルカリ濃度を検出するアルカリ濃度検出部と、
前記アルカリ濃度検出部にて検出されたアルカリ濃度に基づいて前記混合部における前記貯溜部からの金属水素錯化合物のアルカリ水溶液と前記容器からの液体との混合比を調整する制御部と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池から排出された水を前記容器にアルカリ吸収液として供給することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記アルカリ除去手段は、水素ガスが通過するように設けられ、酸を付着させたフィルタを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記金属水素錯化合物は、テトラヒドロホウ酸塩であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を触媒体に接触させて、水素ガスを発生させる水素発生部と、
この水素発生部から発生した水素ガスに同伴されているアルカリ成分を除去するためのアルカリ除去手段と、
水素を燃料とする燃料電池と、
前記アルカリ除去手段からの水素ガスを前記燃料電池に供給するための手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記アルカリ除去手段は、アルカリ吸収液を収容する容器と、水素ガスをアルカリ吸収液内にバブリングさせるためのバブリング手段と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記容器は、水素ガスが順番にバブリングされて通過するように複数設けられたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水素発生部は、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を貯溜する貯溜部と、金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を触媒体に接触させるための反応部と、前記貯溜部からのアルカリ水溶液と前記アルカリ除去手段によりアルカリ成分を吸収した前記容器内の液体とを混合して反応部内に供給するための混合部と、を備えたことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記容器内の液体のアルカリ濃度を検出するアルカリ濃度検出部と、
前記アルカリ濃度検出部にて検出されたアルカリ濃度に基づいて前記混合部における前記貯溜部からの金属水素錯化合物のアルカリ水溶液と前記容器からの液体との混合比を調整する制御部と、を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池から排出された水を前記容器にアルカリ吸収液として供給することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記アルカリ除去手段は、水素ガスが通過するように設けられ、酸を付着させたフィルタを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記金属水素錯化合物は、テトラヒドロホウ酸塩であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１０７９１８（Ｐ２００６−１０７９１８Ａ）
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２９２７６３（Ｐ２００４−２９２７６３）
【出願日】平成１６年１０月５日（２００４．１０．５）
【出願人】（５９５１５５９７８）株式会社水素エネルギー研究所 (10)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月５日（２００４．１０．５）
【出願人】（５９５１５５９７８）株式会社水素エネルギー研究所 (10)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]