JP2006049032A - 燃料カートリッジ及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 起電部で生成された生成水および副生成物の十分な処理機能を備えつつ、燃料電池システムの容積効率を向上させることが可能な構成を有する燃料カートリッジ及びそれを備えた燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】 燃料電池システムでは、燃料カートリッジ２が、剛体からなる本体容器６と、本体容器６の内部に配設された柔軟性のある袋状容器７とを備えた二重構造に構成されている。袋状容器７は燃料が充填された燃料タンクとなっている。また、本体容器６の内部でかつ袋状容器７の外側は起電装置４で生成された生成物を回収する回収タンク８となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ダイレクトメタノール型の燃料電池システム及びそれに用いられる燃料カートリッジに関するものである。

近年の情報化社会を支える携帯電子機器の電源として、あるいは大気汚染や地球温暖化に対処するための電源として、燃料電池に対する期待が高まっている。この燃料電池の中でも、メタノールから直接、水素イオンを取り出すことにより発電を行うダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、改質器が不要であり体積エネルギー密度が高いという特質を有するため、ＤＭＦＣを用いた燃料電池システムの携帯電子機器への応用の期待が高まりつつある。

燃料電池システムは、一般に、起電部（セル）を有する起電装置を備えており、セルは、アノード集電体とアノード触媒層とを有するアノード極（燃料極）と、カソード集電体とカソード触媒層とを有するカソード極（空気極）と、アノード極とカソード極の間に配置される電解質膜とを備えて構成されている。

従来から、燃料電池システムとしては、燃料である１００％のメタノールが蓄えられた燃料カートリッジと、この１００％のメタノールが水によって希釈されて保持されるメタノール水溶液容器とを備えるとともに、メタノール水溶液をアノード極へ供給する送液ポンプやカソード極へ空気を供給する送気ポンプなどの複数の補機を備えたいわゆるアクティブ型の燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池システムとしては、送液ポンプや送気ポンプなどの補機を備えずに、メタノール水溶液や空気を自然対流あるいは毛細管現象を利用して、アノード極あるいはカソード極へ供給するいわゆるパッシブ型の燃料電池システムも提案されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２で提案された燃料電池システムは、予め希釈されたメタノール水溶液が蓄えられた燃料カートリッジを備えている。
特開２００４−１５２７４１号公報 特開２０００−２６８８３５号公報

燃料電池システムにおいて、アノード極では、供給されたメタノール水溶液が下式（１）に従って反応して二酸化炭素と水素イオンと電子に解離する。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ ・・・（１）
生成された水素イオンは、電解質膜をアノード極からカソード極へ移動する。そして、カソード極で、水素イオンと空気中の酸素とが下式（２）に従って反応し水を生成する。
３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ ・・・（２）

このように燃料電池システムにおいては、発電によって、１のメタノールに対して３の分子割合で生成される生成水の処理が問題となる。また、メタノール分子と水分子がアノード極で分解される過程で、ホルムアルデヒドや蟻酸など種々のメタノール部分酸化物や、一酸化炭素などの有害物質が生成される可能性がある。さらに、アノード極に供給されたメタノール分子の一部は、未反応のまま電解質膜を透過（クロスオーバー)し、カソード極で酸化される過程においても、ホルムアルデヒドや蟻酸などの部分酸化物が生成される可能性がある。しかし、上記の特許文献に記載された燃料電池システムではこの生成水等の処理に対する十分な解決策が提案されていない。ここで、この生成水等を処理する方法としては、余分になった生成水等を空気中に自然放散させる方法と、燃料カートリッジとは別に設けられた回収タンクに余分となった生成水等を回収する方法とが考えられる。

しかしながら、前者の方法では、燃料電池システムの周囲の湿度が高い場合には、余分になった生成水等を空気中に十分に放散することができず、生成水等を自然放散させる放出口付近に結露が生じたり、かびが発生するおそれがある。一方、後者の方法では、別途回収タンクを設ける必要があることから、燃料電池システムが大型化して容積効率が低下するばかりでなく、生成水等の回収用ポンプが必要になる。さらに、燃料カートリッジの交換作業に加え、回収タンクのメンテナンス作業も必要になる。

また、上記の特許文献に記載された燃料電池システムにおける燃料カートリッジでは、カートリッジ内部が負圧とならないように、供給したメタノールあるいはメタノール水溶液の体積分だけ、外部から空気を燃料カートリッジ内部に取り込んでやる必要があり、燃料カートリッジ内部は液体と気体（空気）が共存した状態となっている。そのため、燃料電池システムの姿勢によって、燃料カートリッジの流出口に空気が存在すると、自然対流で燃料を供給することはできず、また、送液ポンプを用いても燃料を適切に供給することはできない。すなわち、内部に液体と気体（空気）が共存する燃料カートリッジを備えた燃料電池システムは、携帯電子機器といった姿勢が変化する機器に適さないといった問題がある。

さらに、上記特許文献１に記載されたいわゆるアクティブ型の燃料電池システムでは、複数の補機を備えていることから、起電装置で発電された電力を複数の補機が消費してしまい、燃料電池システム全体でみた場合に発電効率が低いといった問題がある。

一方、上記特許文献２に記載されたいわゆるパッシブ型の燃料電池システムでは、自然対流あるいは毛細管現象を利用しているため、アノード極あるいはカソード極へ供給されるメタノール水溶液や空気の供給量には、ばらつきが生じる。そのため、アノード極あるいはカソード極における化学反応は、効率良く行われているとはいえない。また、強制的に上記の化学反応を止めることはできない。そのため、発電が不要な場合においても、燃料であるメタノールが消費されてしまう。従って、パッシブ型の燃料電池システムでも発電効率が低いといった問題がある。

そこで、本発明の課題は、起電部で生成された生成水等の十分な処理機能を備えつつ、燃料電池システムの容積効率を向上させることが可能な構成を有する燃料カートリッジ及びそれを備えた燃料電池システムを提供することにある。また、本発明の課題は、姿勢の変化に関係なく燃料の供給が可能となる燃料カートリッジ及びそれを備えた燃料電池システムを供給することにある。

さらに、本発明の課題は、発電効率を向上させることが可能な構成を備えた燃料電池システムを提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明は、燃料電池システムを構成する起電装置へ供給される燃料が充填された燃料カートリッジにおいて、剛体からなる本体容器と、該本体容器の内部に配設された柔軟性のある袋状容器とを備えた二重構造に構成され、前記袋状容器に前記燃料が充填され、前記本体容器の内部でかつ前記袋状容器の外側は前記起電装置で生成された生成物を回収する回収タンクとなっていることを特徴とする。

本発明の燃料カートリッジは、剛体からなる本体容器と、本体容器の内部に配設され、燃料が充填された柔軟性のある袋状容器との二重構造に構成されている。また、本体容器の内部でかつ袋状容器の外側は起電装置で生成された生成物を回収する回収タンクとなっている。すなわち、例えば、燃料としてのメタノール水溶液の減少によって生じた本体容器内部の空間を、例えば、生成物としての生成水を回収する回収タンクとして利用できるようになっている。そのため、回収タンクを別途設ける必要がなく、燃料電池システムの容積効率を向上させることができる。

また、袋状容器に燃料が充填されており、かつ、袋状容器は柔軟性を有する。そのため、袋状容器に外部から圧力を加えてやれば、あるいは、袋状容器から燃料を吸引してやれば、燃料カードリッジの姿勢に関係なく、燃料カートリッジからの燃料の供給が可能となる。

さらに、生成物の回収タンクは、燃料カートリッジの本体容器の内部に形成されているため、燃料を使い終わった燃料カートリッジを交換することで、回収タンクも同時に交換されることになる。そのため、回収タンク専用のメンテナンス作業が不要となり、燃料電池システムのメンテナンス作業が容易になる。

ここで、本明細書において、「剛体からなる本体容器」とは、本体容器内部の圧力と本体容器外部の圧力との差圧によって、その容積および形状がほとんど変化することがない容器をいう。また、「柔軟性のある袋状容器」とは、容器に充填された内容物の容量変化にしたがって、その形状を柔軟に変化させることができる袋状の容器をいう。さらに、「袋状容器に燃料が充填されている」とは、袋状容器の内部には燃料のみが存在する場合、又は、無視できる程度の微量の空気等の気体と燃料とのみが混在している場合をいうものとする。尚、「生成物」は、例えば、生成水あるいは、ホルムアルデヒドや蟻酸、一酸化炭素等の副生成物である。

本発明において、前記本体容器の内部には、前記生成物の少なくとも一部を吸着するフィルターが配設されていることが好ましい。この場合には、起電装置で生成される例えば、ホルムアルデヒド、蟻酸又は一酸化炭素等の有害物質などをフィルターで吸着することができる。そのため、起電装置から回収した排気ガスを、回収タンクから大気中へ放出するような場合であっても、有害物質が放出されることはなく、クリーンな燃料電池システムの提供が可能となる。また、起電装置で生成される生成水を吸着するフィルターが配設されている場合には、フィルターで水分が吸着されることから、起電装置からの排気ガスを大気中へ放出する場合に、放出口付近に結露が生じたり、かびが発生する可能性は非常に低くなる。

また、本発明では、前記燃料カートリッジと、起電部を有する起電装置と、前記燃料カートリッジと前記起電装置との間に配設されたポンプとを備えた燃料電池システムであって、前記ポンプの流入口は前記起電部を構成するカソード極へ接続され、かつ前記ポンプの流出口は前記回収タンクに接続され、前記ポンプは、前記カソード極で生成された生成水と前記カソード極内の空気とを吸引することで前記カソード極に酸素を供給し、尚かつ、前記生成水を前記回収タンクに回収することを特徴とする。

本発明の燃料電池システムでは、ポンプは、その流入口がカソード極へ接続されており、カソード極で生成された生成水とカソード極内の空気とを吸引することでカソード極に酸素を供給している。また、ポンプは、その流出口が回収タンクに接続されており、生成水を回収タンクに回収している。すなわち、１つのポンプに、カソード極で生成された生成水の回収機能、カソード極への酸素の供給機能を持たせることができる。従って、個々の機能を備えた２つのポンプを備える場合と比較して燃料電池システムの小型化を図ることができ、容積効率を向上させることができる。また、ポンプの数が減るため、補機で消費される電力を低減することができ、その結果、発電効率を向上させることができる。

本発明において、前記ポンプは、さらに前記本体容器の内部圧力を高めるように構成されていることが好ましい。この場合には、ポンプが、本体容器の内部圧力を高めているため、本体容器の内部に配設された袋状容器に圧力を加えることができ、それによって、燃料をアノード極へ供給することが可能となる。そのため、１つのポンプに、さらに、アノード極への燃料供給機能を持たせることができる。従って、さらに、燃料電池システムの小型化を図ることができ、容積効率を向上させることができる。また、補機で消費される電力を低減することができ、その結果、発電効率を向上させることができる。さらに、袋状容器に外部から圧力を加えることで、燃料をアノード極へ供給するように構成されていることから、燃料電池システムがどのような姿勢であっても、燃料の供給が可能になる。

さらに、本発明は、前記燃料カートリッジと、起電部を有する起電装置と、前記燃料カートリッジと前記起電装置との間に配設されたポンプとを備えた燃料電池システムであって、前記ポンプの流入口は前記起電部を構成するカソード極へ接続され、かつ前記ポンプの流出口は前記回収タンクに接続され、前記ポンプは、前記カソード極で生成された生成水と前記カソード極内の空気とを吸引することで前記カソード極に酸素を供給し、尚かつ、前記本体容器の内部圧力を高めることを特徴とする。

本発明では、ポンプは、その流入口がカソード極へ接続されており、カソード極で生成された生成水とカソード極内の空気とを吸引することでカソード極に酸素を供給している。また、ポンプは、その流出口が回収タンクに接続され、本体容器の内部圧力を高めているため、本体容器の内部に配設された袋状容器に圧力を加えることができ、それによって、燃料をアノード極へ供給することが可能となる。すなわち、１つのポンプに、２つの機能を持たせることができるため、燃料電池システムの小型化を図ることができ、容積効率を向上させることができる。また、補機で消費される電力を低減することができ、その結果、発電効率を向上させることができる。さらに、袋状容器に外部から圧力を加えることで、燃料をアノード極へ供給するように構成されていることから、燃料電池システムがどのような姿勢であっても、燃料の供給が可能になる。

さらにまた、本発明は、前記燃料カートリッジと、起電部を有する起電装置と、前記燃料カートリッジと前記起電装置との間に配設されたポンプとを備えた燃料電池システムであって、前記ポンプの流入口は前記起電部を構成するカソード極へ接続され、かつ前記ポンプの流出口は前記回収タンクに接続され、前記ポンプは、前記カソード極で生成された生成水を前記回収タンクに回収し、尚かつ、前記本体容器の内部圧力を高めることを特徴とする。

本発明では、ポンプは、その流入口がカソード極へ接続され、かつその流出口が回収タンクに接続されおり、生成水を回収タンクに回収している。また、ポンプは、本体容器の内部圧力を高めているため、本体容器の内部に配設された袋状容器に圧力を加えることができ、それによって、燃料をアノード極へ供給することが可能となる。すなわち、１つのポンプに、２つの機能を持たせることができるため、燃料電池システムの小型化を図ることができ、容積効率を向上させることができる。また、補機で消費される電力を低減することができ、その結果、発電効率を向上させることができる。さらに、袋状容器に外部から圧力を加えることで、燃料をアノード極へ供給するように構成されていることから、燃料電池システムがどのような姿勢であっても、燃料の供給が可能になる。

本発明において、前記袋状容器は、開閉制御可能なバルブを介して前記起電部を構成するアノード極へ接続されていることが好ましい。この場合には、バルブを閉じている間は、袋状容器からの燃料の流出を防止することができ、発電に必要なときにのみ燃料をアノード極へ供給することができるため、発電効率を向上させることができる。また、例えば、燃料電池システムが携帯機器に使用されるような場合であっても、携帯機器の搬送時の振動や衝撃によって燃料が流出してしまうおそれはなく、燃料を有効に利用することができる。

本発明において、前記燃料電池システムはさらに、前記本体容器の内部圧力と前記アノード極の排出口の圧力との差圧、あるいは前記本体容器の内部圧力と該本体容器の外部圧力との差圧を所定圧力に維持する圧力調整機構を備えることが好ましい。この場合には、
本体容器の内部圧力とアノード極の排出口との差圧を所定圧力に維持することができるため、バルブの開閉によってアノード極へ供給される燃料の供給量を制御することができる。尚、本体容器の内部圧力と外部圧力との差圧を所定圧力に維持することで、本体容器の内部圧力とアノード極の排出口との差圧を間接的に所定圧力に維持することができる。

本発明において、前記起電装置は前記起電部を複数備えるとともに、複数の前記アノード極のそれぞれに対応して設けられた複数の前記バルブを備えるように構成しても良い。この場合には、起電部を複数備えても、燃料の吐出先の制御が可能となる。また、１つのアノード極への供給流路が目詰まりを起こすような場合があっても、その供給流路に対して燃料を吐出することができるため、目詰まりを解消して、燃料供給の整流化を図ることができる。

本発明において、前記ポンプの流入口はさらに、前記起電部を構成するアノード極へ接続されていることが好ましい。この場合には、アノード極で生成された二酸化炭素などを吸引することができるため、アノード極に負圧を発生させて、燃料をアノード極へ効率よく供給することが可能となる。その結果、発電効率を向上させることができる。

以上のように本発明にかかる燃料カートリッジでは、燃料の減少によって生じた袋状容器と本体容器内部との間の空間を、生成物を回収する回収タンクとして利用できるようになっている。そのため、回収タンクを別途設けなくても、例えば、カソード極で生成された生成水を十分に処理することができる。しかも、回収タンクを別途設ける必要がないため、燃料電池システムの容積効率を向上させることができる。

また、燃料は、柔軟性を有する袋状容器に充填されているおり、袋状容器の中には、空気等の気体は無視できる程度にしか混在していない。そのため、袋状容器に外部から圧力を加える、あるいは、袋状容器から燃料を吸引してやれば、燃料カードリッジの姿勢に関係なく、燃料カートリッジからの燃料の供給が可能となる。

さらに、本発明にかかる燃料電池システムでは、１つのポンプに、カソード極で生成された生成水の回収機能、カソード極への酸素の供給機能及びアノード極への燃料供給機能のうち少なくとも２つの機能を持たせることができる。そのため、燃料電池システムの小型化を図ることができ、容積効率を向上させることができる。また、ポンプの数が減るため、補機で消費される電力を低減することができ、その結果、発電効率を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

（燃料電池システムの構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの基本構成を示す概念図である。

本形態の燃料電池システム１は、ＤＭＦＣを用いたものであり、例えば、携帯電子機器に使用される。図１において、燃料電池システム１は、燃料が充填された燃料カートリッジ２と、起電部（セル）を有する起電装置４と、燃料カートリッジ２と起電装置４との間に配設された補機３とを備えて構成されている。本形態における燃料は、例えば、６４重量％のメタノール水溶液である。

起電装置４の起電部は、アノード集電体とアノード触媒層とを有するアノード極２１と、カソード集電体とカソード触媒層とを有するカソード極２２と、アノード極２１とカソード極２２の間に配置される電解質膜２３とを備えて構成されている。

アノード極２１には、メタノール水溶液の供給口２１ａと、アノード極２１での化学反応によって生成されるＣＯ_２等が排出される排出口２１ｂとが設けられている。また、カソード極２２には、空気の供給口２２ａと、カソード極２２での化学反応によって生成される生成水やカソード極２２内の空気等が排出される排出口２２ｂとが設けられている。

燃料カートリッジ２は、本体容器６と、この本体容器６の内部に配設された袋状容器７とを備えた二重構造に構成されており、本体容器６の内部でかつ袋状容器７の外側は、起電装置４で生成される生成物を回収する回収タンク８となっている。また、本体容器６の内部には、生成物の少なくとも一部を吸着するフィルター９が配設されている。本形態では、生成物は、起電装置４で正常に生成される生成水、二酸化炭素、及び、反応過程で生成され、それ以上反応せずに回収される蟻酸、ホルムアルデヒド、一酸化炭素等の副生成物である。

本体容器６は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の剛性を有する樹脂材料から形成されており、本体容器６の内部圧力と外部圧力（大気圧）との差圧によってはその容積および形状がほとんど変化しないような剛体となっている。また、本体容器６は、起電装置４から排出された生成物や空気が流入する流入口１０と、メタノール水溶液がアノード極２１へ向かって流出される流出口１１と、本体容器６内部の気体が排気される排気口１２とを備えている。ここで、流入口１０と排気口１２とは、回収タンク８に連通し、流出口１１は、袋状容器７に連通するようになっている。尚、本体容器６は、例えば、５０ｍｍ×３０ｍｍ×１５０ｍｍの直方体状に形成されている。

袋状容器７は、その内部に充填された内容物の容量変化にしたがって、その形状を柔軟に変化させることができる柔軟性を有する容器であり、例えば、レトルト食品に用いられる袋状の容器などのように、ポリプロピレンとアルミとナイロンとが積層されたラミネートフィルムから形成されている。袋状容器７にはメタノール水溶液が充填されており、この袋状容器７は燃料タンクとなっている。袋状容器７と流出口１１とは、メタノール水溶液の流出路によって接続されている。尚、袋状容器７の最大容積は例えば、２００ｍＬとなっている。

本体容器６の内部でかつ袋状容器７の外側に形成された回収タンク８は、主にカソード極２２で生成された生成水を収納するようになっている。
ここで、カソード極２２で生成された生成水の大部分は水蒸気となって回収タンク８に送り込まれるが、回収タンク８の内壁や本体容器６の表面は、カソード極２２より温度が低いため、水蒸気の一部は凝固して水滴になり回収タンク８内に回収されることになる。

ここで、メタノールの分子量は３２であり、水の分子量は１８であることから、例えば、メタノール２モルと水２モルのメタノール水溶液は１００ｇの６４重量％の混合液になる。このときの体積は、約１１６ｃｃである。１００ｇの６４重量％メタノール水溶液が、上述した式（１）、（２）によって、起電部で全て水に変化した場合には、６モルの水が生成されることになり、生成水の質量は１０８ｇ、体積は１０８ｃｃとなる。すなわち、燃料タンクである袋状容器７から１１６ｃｃのメタノール水溶液が送出され、回収タンク８には最大で１０８ｃｃの生成水が回収されることになる。従って、袋状容器７から送出されたメタノール水溶液の消費量以上の量の生成水が回収タンク８に回収されることはないため、燃料カートリッジ２では、カソード極２２で生成された生成水を十分に回収することができる。

フィルター９は、高分子吸水性樹脂からなる吸水シートと、ホルムアルデヒド等の有害物質を吸着する有害物質吸着シートとを備えるとともに、これらのシートの周りに、例えば、ゴアテックス（登録商標）を用いた水セパレータを備えている。回収された生成物のうち、滴下した水は水セパレータを透過することができず、回収タンク８に滞留する。そして、このフィルター９を介して排気口１２から、本体容器６内部の気体が排気可能となっている。より具体的には、流入口１０から本体容器６の内部に流入した生成水やホルムアルデヒド等の有害物質あるいは空気のうち、水セパレータを、水蒸気を含んだ気体のみが透過し、透過した気体のうち、吸水シート及び有害物質吸着シートで水分及び有害物質が吸着され、有害物質を含まずかつ水分の少ない気体が、本体容器６内部から排気可能となっている。

補機３は、図１に示すように、ポンプ１６とバルブ１７と圧力調整機構１８とを備えている。

ポンプ１６は、例えば、気体と液体との混合流体の送出が可能なエアポンプであり、具体的には、ダイヤフラムポンプあるいはピストンポンプである。ポンプ１６では、第１の流入口１６ａ１がカソード極２２の排出口２２ｂに接続され、第２の流入口１６ａ２がアノード極２１の排出口２１ｂに接続されている。また、流出口１６ｂは、燃料カートリッジ２の流入口１０に接続されている。そして、ポンプ１６は、カソード極２２で生成された生成水等やカソード極２２の空気等を吸引することで、供給口２２ａからカソード極２２に酸素を供給し、尚かつ、カソード極２２で生成された生成水等を回収タンク８に回収するとともに、本体容器６の内部圧力を高めるようになっている。また、アノード極２１で生成された二酸化炭素等も吸引するようになっている。

ここで、仮に、燃料電池システム１では、１００ｇの６４重量％メタノール水溶液を１０時間で消費するとした場合、１分当たりのメタノール水溶液の消費量は０．１６７ｇとなり、分子量に換算すると、メタノール０．００３３モルに相当する。カソード極２２における化学反応では、メタノール分子１に対して１．５個の酸素分子が必要であるから、０．００５モルの酸素が必要になる。すなわち、０．１１２Ｌの酸素が必要になる。空気中の酸素は約２０％であるから、カソード極２２へは０．５６Ｌ／ｍｉｎの空気を供給する必要がある。実際には空気中の全ての酸素が利用できるわけではないので、ポンプ１６は、より大きな空気供給量、例えば１Ｌ／ｍｉｎのポンプ性能を備えることが好ましい。

バルブ１７は、開閉制御可能なバルブであり、その流入口１７ａは、燃料カートリッジ２の流出口１１に接続され、流出口１７ｂは、アノード極２１の供給口２１ａに接続されている。すなわち、袋状容器７は、バルブ１７を介してアノード極２１へ接続されている。バルブ１７の開閉アクチュエータとしては、ソレノイドあるいはモータといった種々のアクチュエータを使用することができる。

圧力調整機構１８は、本体容器６の内部圧力とアノード極２１の排出口２１ｂの圧力との差圧、あるいは本体容器６の内部圧力と外部圧力（大気圧）との差圧を所定圧力に調整、維持するためのものであり、燃料カートリッジ２の排気口１２に接続されている。尚、本形態における圧力調整機構１８は、本体容器６の内部圧力とアノード極２１の排出口２１ｂの圧力との差圧を所定圧力に調整、維持することを目的とするが、本体容器６の内部圧力と外部圧力との差圧を所定圧力に調整、維持する場合には、近似的に、本体容器６の内部圧力とアノード極２１の排出口２１ｂの圧力との差圧を所定圧力に調整、維持することができるようになる。

この圧力調整機構１８は、例えば、上記の差圧が所定圧力以上となった場合に、弁が開状態とされて気体の放出が行われる放出口を備えた圧力調整弁である。この圧力調整弁としては、圧力センサと弁の開閉を行う開閉アクチュエータとを備え、圧力センサの検出結果に基づいて弁の開閉が行われるものを用いることができる。また、バネによって弁が閉状態に付勢されるとともに、上記の差圧が所定圧力となると、バネの付勢力に抗して弁が開状態とされ、気体の放出が行われる圧力調整弁を用いることもできる。さらには、圧力調整弁でなくても良く、例えば、圧力センサを備え、圧力センサの検出結果に基づいてポンプ１６の出力調整を行うような圧力調整機構１８であっても良い。

（燃料電池システムの動作）
以上のように構成された燃料電池システム１の動作を以下に説明する。

燃料電池システム１の運転開始に際しては、まず、バルブ１７を閉状態として、ポンプ１６を十分に作動させる。それによって、本体容器６の内部圧力を高める。本体容器６の内部圧力が高まってくると、圧力調整機構１８の作用で本体容器６の内部圧力とアノード極２１の排出口２１ｂの圧力との差圧、あるいは本体容器６の内部圧力と外部圧力（大気圧）との差圧は、所定圧力に維持される。例えば、所定圧力として１０〜２０ｋＰａ程度の圧力に維持される。より具体的には１０ｋＰａ程度の圧力に維持される。尚、維持される圧力は上記に限定されるわけではなく、これより大きくても、小さくても良い。

この状態では、袋状容器７の表面には例えば１０ｋＰａの圧力がかかっているため、バルブ１７を開状態とすると、メタノール水溶液は、袋状容器７からバルブ１７を経由してアノード極２１へ供給される。また、この状態でバルブ１７を閉状態とすれば、メタノール水溶液の供給も停止される。

ここで、バルブ１７を通過する単位時間当りのメタノール水溶液の流量、すなわち、アノード極２１へのメタノール水溶液の供給量は、本体容器６の内部圧力とアノード極２１の排出口２１ｂの圧力との差圧によって決まってくる。従って、圧力調整機構１８によって、本体容器６の内部圧力とアノード極２１の排出口２１ｂの圧力との差圧を一定に維持することでメタノール水溶液の供給量を制御することができる。また、圧力調整機構１８として、圧力センサと弁の開閉を行う開閉アクチュエータとを備えた圧力調整弁を用いた場合には、圧力センサと開閉アクチュエータとによって、維持される本体容器６の内部圧力とアノード極２１の排出口２１ｂの圧力との差圧、あるいは本体容器６の内部圧力と外部圧力との差圧を可変調整することができ、それによって、メタノール水溶液の供給量を可変制御することができる。

メタノール水溶液が供給されたアノード極２１では、上述した式（１）の化学反応が起こり、メタノール水溶液が水素イオンと電子と二酸化炭素に解離する。水素イオンは電解質膜を透過してカソード極２２へ移動し、電子は電気回路を経てカソード極２２へ移動する。また、アノード極２１で生成された二酸化炭素等は、ポンプ１６によって吸引され、排出口２１ｂから排出される。ここで、ポンプ１６の第２の流入口１６ａ２が排出口２１ｂに接続されていることから、ポンプ１６が作動すると排出口２１ｂの近辺には負圧が発生するため、バルブ１７を開いた際にメタノール水溶液を効率よくアノード極２１へ供給することができる。

一方、カソード極２２では、ポンプ１６の吸引力によって、供給口２２ａから新しい空気が流れ込む。すなわち、ポンプ１６が作動している間は、上述した式（２）の化学反応に必要な酸素が供給口２２ａからカソード極２２へ常時供給される。また、カソード極２２へは、電解質膜を透過して水素イオンが供給され、電気回路を経て電子が供給される。従って、上述した式（２）の化学反応が起こり、水が生成される。生成された生成水は、カソード極２２の空気等と一緒にポンプ１６によって吸引され、排出口２２ｂから排出される。

アノード極２１の排出口２１ｂから排出された二酸化炭素等あるいは、カソード極２２の排出口２２ｂから排出された生成水や空気等は、ポンプ１６によって、回収タンク８へ回収される。尚、アノード極２１の排出口２１ｂ又は、カソード極２２の排出口２２ｂからは、蟻酸、ホルムアルデヒド、一酸化炭素といった有害物質が排出されることがあり、これらの有害物質もポンプ１６によって、回収タンク８に回収される。

ポンプ１６の運転で、回収タンク８の圧力、すなわち、本体容器６の内部圧力が次第に上昇していく。そして、本体容器６の内部圧力とアノード極２１の排出口２１ｂの圧力との差圧、あるいは本体容器６の内部圧力と外部圧力との差圧が所定圧力以上となった場合には、圧力調整機構１８が作動し、本体容器６内部の気体がフィルター９及び排気口１２を介して、圧力調整機構１８の放出口から放出される。このときには、フィルター９を構成する水セパレータを、水蒸気を含んだ気体のみが透過し、透過した気体のうち、吸水シート及び有害物質吸着シートで水分及び有害物質が吸着され、有害物質を含まずかつ水分の少ない気体が、本体容器６内部から排気されることになる。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態の燃料カートリッジ２は、剛体からなる本体容器６と、本体容器６の内部に配設された燃料タンクとしての柔軟性のある袋状容器７とを備えた二重構造に構成されている。また、本体容器６の内部でかつ袋状容器７の外側は、起電装置４で生成された生成物を回収する回収タンク８となっている。すなわち、メタノール水溶液の減少によって生じた本体容器６内部の空間を、生成物、主としてカソード極２２で生成された生成水を回収する回収タンク８として利用できるようになっている。そのため、回収タンクを別途設ける必要がなく、燃料電池システム１の容積効率を向上させることができる。尚、上述のように、回収タンク８での生成水の回収能力は十分であり、燃料電池システム１は、カソード極２２で生成された生成水の十分な処理機能を備えている。

また、袋状容器６に燃料としてメタノール水溶液が充填されている。すなわち、袋状容器６の中には、空気等の気体は無視できる程度にしか混在しておらず、かつ、袋状容器６は柔軟性を有する。そのため、袋状容器６に外部から圧力を加えてやれば、燃料カードリッジ２の姿勢に関係なく、燃料カートリッジ２からメタノール水溶液を供給することが可能となる。

さらに、本体容器６が剛体からなるため、その内部に配設された袋状容器７が柔軟性を有するものであっても、燃料カートリッジ２の外部からの力によって、燃料タンクである袋状容器７が損傷することはない。そのため、可燃性液体であるメタノール水溶液を安全に取り扱うことができる。

また、回収タンク８は、燃料カートリッジ２の本体容器６の内部に形成されているため、メタノール水溶液を使い終わった燃料カートリッジ２を交換することで、回収タンク８も同時に交換されることになる。そのため、回収タンク専用のメンテナンス作業が不要となり、燃料電池システム１のメンテナンス作業が容易になる。

本形態では、本体容器６の内部には、フィルター９が配設されており、フィルター９は、有害物質を吸着する有害物質吸着シートと吸水シートを備えるとともに、水セパレータを備えている。そのため、ホルムアルデヒド、蟻酸又は一酸化炭素等と有害物質などを有害物質吸着シートで吸着することができ、起電装置４から回収した排気ガスを、回収タンク８から大気中へ放出する場合に、有害物質が放出されることはなく、クリーンな燃料電池システム１の提供が可能となる。また、水セパレータを透過した水蒸気は、吸水シートに吸着されることから、排気ガスの放出口付近に結露が生じたり、かびが発生する可能性は非常に低くなる。

また、本形態の燃料電池システム１では、ポンプ１６は、第１の流入口１６ａ１がカソード極２２へ接続されており、カソード極２２で生成された生成水とカソード極２２内の空気とを吸引することでカソード極２２に供給口２２ａから酸素を供給している。また、ポンプ１６は、流出口１６ｂが回収タンク８に接続されており、生成水を回収タンク８に回収するとともに、本体容器６の内部圧力を高めている。そのため、ポンプ１６を作動することで、本体容器６の内部に配設された燃料タンクとしての袋状容器７に圧力を加えることができ、それによって、メタノール水溶液をアノード極２１へ供給することが可能となる。すなわち、１つのポンプ１６に、カソード極２２で生成された生成水の回収機能、カソード極２２への酸素の供給機能及びアノード極２１へのメタノール水溶液供給機能を持たせることができる。従って、燃料電池システム１の小型化を図ることができ、容積効率を向上させることができる。また、ポンプが１つで済むことから、補機３で消費される電力を低減することができ、その結果、発電効率を向上させることができる。さらに、袋状容器７に外部から圧力を加えることで、メタノール水溶液をアノード極２１へ供給するように構成されていることから、燃料電池システム１がどのような姿勢であっても、メタノール水溶液のアノード極２１への供給が可能になる。

また、ポンプ１６の流出口１６ｂが回収タンク８に接続されていることから、回収タンク８がエアポンプであるポンプ１６のマフラーの役割を兼ねることができる。そのため、ポンプ１６の運転音を小さくすることができ、静かな燃料電池システム１の提供が可能となる。

本形態では、袋状容器７は、開閉制御可能なバルブ１７を介してアノード極２１へ接続されている。そのため、バルブ１７を閉じている間は、袋状容器７からのメタノール水溶液の流出を防止することができ、発電に必要なときにのみメタノール水溶液をアノード極２１へ供給することができるため、発電効率を向上させることができる。また、例えば、燃料電池システム１が携帯機器に使用されるような場合であっても、携帯機器の搬送時の振動や衝撃によってメタノール水溶液がアノード極２１へ流出してしまうおそれはなく、メタノール水溶液を有効に利用することができる。

本形態では、補機３は、本体容器６の内部圧力とアノード極２１の排出口２１ｂの圧力との差圧、あるいは本体容器６の内部圧力と外部圧力との差圧を所定圧力に調整、維持する圧力調整機構１８を備えている。そのため、本体容器６の内部圧力とアノード極２１の排出口２１ｂとの差圧を所定圧力に維持することでき、バルブ１７の開閉によってアノード極２１へ供給されるメタノール水溶液の供給量を制御することができる。

本体容器６の内部圧力とアノード極２１の排出口２１ｂとの差圧は、圧力調整機構１８によって所定圧力に維持された差圧であるため、高地や航空機内などの気圧が低い環境であっても、メタノール水溶液の供給条件は一定に保たれ、メタノール水溶液の供給を安定して制御することができる。

本形態では、ポンプ１６の第２の流入口１６ａ２が、アノード極２１へ接続されている。そのため、アノード極２１で生成された二酸化炭素などを吸引することができ、バルブ１７を開いた際にアノード極２１に負圧を発生させて、メタノール水溶液をアノード極２１へ効率よく供給することが可能となる。従って、アノード極２１に形成される流路をより狭く、きめ細やかにすることができ、その結果、発電効率を向上させることができる。

（他の実施の形態）
上述した形態は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形可能である。

例えば、起電装置４が起電部を複数備える場合には、複数のアノード極２１のそれぞれに対応して設けられた複数のバルブ１７を備えるように構成しても良い。このように構成することで、複数のアノード極２１のうちから、メタノール水溶液を吐出するアノード極２１を選択できることになり、メタノール水溶液の吐出先の制御が可能となる。また、１つのアノード極２１へのメタノール水溶液の供給流路が目詰まりを起こすような場合があっても、その目詰まりを起こした供給流路に対してメタノール水溶液を吐出することができるため、目詰まりを解消して、メタノール水溶液の供給を整流化することができる。

また、起電装置４が起電部を複数備える場合には、カソード極２２の排出口２２ｂを１つの配管にまとめてポンプ１６の第１の流入口１６ａ１に接続しても良い。あるいは、複数のカソード極２２のそれぞれに対応して設けられた複数のバルブを介して、カソード極２２の排出口２２ｂをポンプ１６の第１の流入口１６ａ１に接続して、順次、カソード極２２で生成された生成水等を吸引するようにしても良い。後者の場合には、１つのカソード極２２とポンプ１６との間の排出流路に目詰まりが生じても、その目詰まりを起こした排出流路から生成水等を吸引することができるため、目詰まりを解消して、生成水等の排出を整流化することができる。

さらに、ポンプ１６は、必ずしもアノード極２１へのメタノール水溶液供給機能を備えている必要はなく、袋状容器７とバルブ１７との間に液体ポンプを設け、この液体ポンプでメタノール水溶液を供給するようにしても良い。尚、液体ポンプとして容積型のポンプを用いた場合には、液体ポンプの運転回転数によってメタノール水溶液の供給量を制御することができる。

さらにまた、ポンプ１６は、必ずしもカソード極２２への酸素の供給機能を備えている必要はなく、別途、酸素供給用のエアポンプを設けてカソード極２２の供給口２２ａへ空気を供給するようにしても良い。また、カソード極２２で生成された生成水の回収が必ずしも必要でない場合には、ポンプ１６は生成水の回収機能を備えている必要はない。

さらに、高濃度のメタノールを袋状容器７に充填する場合には、以下の構成を用いることで、回収した生成水を希釈に用いることが出来る。すなわち、補機３がさらに、カソード極２２で生成された生成水と高濃度メタノールとを混合する混合容器を備えるとともに、回収タンク８に回収された生成水を混合容器に導く流路とバルブを備え、混合容器の流入口がこのバルブ及びバルブ１７に接続され、かつ、混合容器の流出口がアノード極２１に接続されるように構成してやれば良い。このように構成することで、高濃度のメタノールを燃料タンクとしての袋状容器７に充填することができるため、燃料電池システム１の容積効率を更に向上させることも可能となる。

さらにまた、燃料カートリッジ２に、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグを設けるとともに、メタノール水溶液の濃度、残容量等のデータの書き換え可能なメモリを設けるようにしても良い。

また、圧力調整機構１８は、補機３ではなく、燃料カートリッジ２に備えるように構成しても良いし、ポンプ１６の圧縮能力やフィルター９での損失等によって、本体容器６の内部圧力とアノード極２１の排出口２１ｂの圧力との差圧を所定圧力に維持できる場合には、圧力調整機構１８を設けなくても良い。

さらに、本体容器６の内部圧力とアノード極２１の排出口２１ｂの圧力との差圧を検出して、バルブ１７の開閉時間を制御することで、メタノール水溶液の供給量を制御してやる場合には、圧力調整機構１８を設けなくても良いし、袋状容器７とカソード極２１との間に流量センサを設け、この流量センサに基づいてメタノール水溶液の供給量を制御してやる場合にも、圧力調整機構１８を設けなくても良い。この場合、ポンプ１６によって回収した起電装置４からの排気ガスを大気中に放出する必要があれば、圧力調整機構１８の位置に排気弁を設けてやれば良い。

さらにまた、フィルター９が備える吸水シートは吸水性を備えるものであれば良く、必ずしも高分子吸水性樹脂を用いる必要はない。また、排気口１２から水蒸気を放出しても良い場合には、フィルター９は吸水シートを必ずしも備えている必要はない。

本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの基本構成を示す概念図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料カートリッジ
３ 補機
４ 起電装置
６ 本体容器
７ 袋状容器
８ 回収タンク
９ フィルター
１６ ポンプ
１６ａ１ 第１の流入口（流入口）
１６ａ２ 第２の流入口（流入口）
１６ｂ 流出口
１７ バルブ
１８ 圧力調整機構
２１ アノード極
２２ カソード極

Claims (10)

1. 燃料電池システムを構成する起電装置へ供給される燃料が充填された燃料カートリッジにおいて、
   剛体からなる本体容器と、該本体容器の内部に配設された柔軟性のある袋状容器とを備えた二重構造に構成され、
   前記袋状容器に前記燃料が充填され、前記本体容器の内部でかつ前記袋状容器の外側は前記起電装置で生成された生成物を回収する回収タンクとなっていることを特徴とする燃料カートリッジ。
2. 前記本体容器の内部には、前記生成物の少なくとも一部を吸着するフィルターが配設されていることを特徴とする請求項１記載の燃料カートリッジ。
3. 請求項１又は２記載の燃料カートリッジと、起電部を有する起電装置と、前記燃料カートリッジと前記起電装置との間に配設されたポンプとを備えた燃料電池システムであって、
   前記ポンプの流入口は前記起電部を構成するカソード極へ接続され、かつ前記ポンプの流出口は前記回収タンクに接続され、
   前記ポンプは、前記カソード極で生成された生成水と前記カソード極内の空気とを吸引することで前記カソード極に酸素を供給し、尚かつ、前記生成水を前記回収タンクに回収することを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記ポンプは、さらに前記本体容器の内部圧力を高めることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 請求項１又は２記載の燃料カートリッジと、起電部を有する起電装置と、前記燃料カートリッジと前記起電装置との間に配設されたポンプとを備えた燃料電池システムであって、
   前記ポンプの流入口は前記起電部を構成するカソード極へ接続され、かつ前記ポンプの流出口は前記回収タンクに接続され、
   前記ポンプは、前記カソード極で生成された生成水と前記カソード極内の空気とを吸引することで前記カソード極に酸素を供給し、尚かつ、前記本体容器の内部圧力を高めることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１又は２記載の燃料カートリッジと、起電部を有する起電装置と、前記燃料カートリッジと前記起電装置との間に配設されたポンプとを備えた燃料電池システムであって、
   前記ポンプの流入口は前記起電部を構成するカソード極へ接続され、かつ前記ポンプの流出口は前記回収タンクに接続され、
   前記ポンプは、前記カソード極で生成された生成水を前記回収タンクに回収し、尚かつ、前記本体容器の内部圧力を高めることを特徴とする燃料電池システム。
7. 前記袋状容器は、開閉制御可能なバルブを介して前記起電部を構成するアノード極へ接続されていることを特徴とする請求項３から６いずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池システムはさらに、前記本体容器の内部圧力と前記アノード極の排出口の圧力との差圧、あるいは前記本体容器の内部圧力と該本体容器の外部圧力との差圧を所定圧力に維持する圧力調整機構を備えることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記起電装置は前記起電部を複数備えるとともに、複数の前記アノード極のそれぞれに対応して設けられた複数の前記バルブを備えることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
10. 前記ポンプの流入口はさらに、前記起電部を構成するアノード極へ接続されていることを特徴とする請求項３から６いずれかに記載の燃料電池システム。

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