JP4390482B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アノードとカソードの間に配置された電解質膜を有する燃料電池本体と、当該燃料電池本体にて発電を行うための燃料供給系等の補機とを備える燃料電池システムに関するものであり、特にメタノールなどの有機液体燃料を上記アノードに直接供給しながら上記燃料電池本体にて発電を行う燃料電池システム及びその発電方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話、携帯型情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型オーディオ、携帯型ビジュアル機器など携帯用電子機器の普及が進んでいる。従来、このような携帯用電子機器は、一次電池又は二次電池によって駆動している。二次電池は一定量の電力使用後に充電する必要があるため、充電機器と充電時間が必要となる。また、二次電池では、ニッカド電池又はリチウムイオン電池が用いられ、小型で高エネルギー密度を持つ電池が開発されているが、より長時間連続駆動が可能な二次電池が要望されている。
【０００３】
この要望にこたえるため、充電を必要としない燃料電池システムが提案されている。燃料電池システムは、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的にエネルギーに変換する発電機である。このような燃料電池システムの中では、パーフルオロカーボンスルフォン酸系の電解質を用いてアノード極で水素ガスを還元し、カソード極で酸素を還元して発電を行うという固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が知られており、このようなＰＥＦＣは、出力密度が高い電池であるという特徴を有しており、その開発が進められている。
【０００４】
しかしながら、このようなＰＥＦＣに用いられる水素ガスは容積エネルギー密度が低く、燃料タンクの体積を大きくする必要があることや、燃料ガス、酸化ガスを燃料電池本体（発電部）に供給する装置、電池性能を安定にするため加湿する装置などの補機が必要であるため燃料電池システムが大型になるため、携帯電子機器用の電源としては適さない。
【０００５】
一方、メタノールから直接プロトンを取り出すことにより発電を行う直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、ＰＥＦＣと比較してその出力が小さくなるという欠点があるものの、燃料の体積エネルギー密度を上げることができることと、燃料電池本体の補機を減らすことができるため小型化が可能となる。このため、携帯機器用電源として注目されており、幾つかの提案がなされている。
【０００６】
ここで、ＤＭＦＣにおける燃料電池本体で行なわれる発電のための反応として、アノードにおいて行なわれる反応を化１に、カソードにおいて行なわれる反応を化２に示す。
【０００７】
【化１】
ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ ＋ＣＯ_２
【０００８】
【化２】
６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ ＋ ３／２Ｏ_２ → ３Ｈ_２Ｏ
【０００９】
化１及び化２に示すように、当該発電により、アノードでは二酸化炭素が生成され、カソードでは水が生成されるため、継続した発電を行うためには当該生成された二酸化炭素と水の処理を行う必要がある。
【００１０】
このような従来のＤＭＦＣ方式の燃料電池システムの構成としては、燃料としてのメタノール水溶液が収容された循環タンクから、ポンプを用いてアノードにメタノール水溶液を供給し、当該アノードに供給されたメタノール水溶液を再び循環タンクに戻して回収し、再び燃料として使うという燃料循環方式が採用されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照、図１及び図２）。
【００１１】
一方、カソードにおいては発電に伴って、水が生成されることとなるが、このように生成された水は、水回収装置により回収されて、メタノール水溶液が収容されている循環タンクに供給されている。
【００１２】
【特許文献１】
特表平１１−５１０３１１号公報
【特許文献２】
米国特許第５５９９６３８号明細書
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＤＭＦＣ方式においては、化１及び化２に示すように、アノードに供給されたメタノール水溶液のうちの１ｍｏｌのメタノールと１ｍｏｌの水が消費されて発電が行なわれると、カソードにおいて３ｍｏｌの水が生成されることとなる。従って、これらの生成された水を全て回収して循環タンクに供給すれば、当該循環タンク内のメタノール水溶液の濃度の低下を著しく促進させることとなり、発電可能時間の低下や発電される電力量の低下を招くこととなるという問題がある。
【００１４】
このような問題を解決するために、上記水回収装置にて回収された水のうちより、一部の水のみを循環タンクに供給して、メタノール水溶液の濃度の著しい低下を防止するという方法が考えられるが、このような方法は、自動車用や大型装置用の燃料電池システムとしては採用することができるものの、循環タンクに回収されない他の水を排水する必要が生じ、当該排水に伴って、携帯電子機器に内蔵される電子機器や回路に水分が付着したり、結露が発生したりするおそれが高く、携帯電子機器用の燃料電池システムとしては採用することができないという問題がある。
【００１５】
また、携帯電子機器用の燃料電池システムとして用いる場合には、燃料電池システム自体を小型化されたものとする必要があるが、この小型化に伴って発電される電力量も小さくなる。この小さくなった電力量の中で、当該燃料電池システムにおけるポンプ等の補機を駆動するための電力が自己消費されることとなるため、このような補機はなるべく少なく、かつ、その消費電力も少なくする必要がある。例えば、燃料電池システムの発電の出力が１２Ｗであれば、補機の消費電力は２Ｗ以下とすることが好ましい。
【００１６】
しかしながら、上記従来の方式では、燃料を供給するための燃料供給装置（例えば燃料供給ポンプ等）や水を回収するための水回収設備（例えば、水回収ポンプ等）等の補機が多く必要となり、上記自己消費される電力を低減することができないだけでなく、システム自体が複雑になり、小型化が難しいという問題がある。
【００１７】
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、メタノール等の有機液体燃料を用いて発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料供給系等の補機の構成の小型化及び簡素化を図ることができ、携帯電子機器用として用いることができる小型化された燃料電池システムを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１９】
本発明の第１態様によれば、アノードと、カソードと、上記アノードと上記カソードとの間に配置された電解質膜と、上記電解質膜の夫々の表面に配置された拡散層とを有する燃料電池本体と、空気供給装置とを備え、上記アノード側に配置された上記拡散層が親水性を有し、かつ上記カソード側に配置された上記拡散層が疎水性を有することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００２０】
本発明の第２態様によれば、アノードと、カソードと、上記アノードと上記カソードとの間に配置された電解質膜と、上記電解質膜の夫々の表面に配置された拡散層とを有する燃料電池本体と、
液体燃料を上記アノードに供給可能に収容する燃料容器と、
上記燃料容器内の空間を、上記液体燃料を収容する燃料収容室と、上記燃料電池本体における発電によって上記カソードにて生成される生成物を回収して収容する生成物収容室とに区分し、かつ、当該区分の位置が移動可能に上記燃料容器に備えられた可動仕切り部と、
上記カソードに空気を供給する空気供給装置とを備え、
上記アノード側に配置された上記拡散層が親水性を有し、かつ上記カソード側に配置された上記拡散層が疎水性を有することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００２１】
本発明の第３態様によれば、上記燃料収容室に収容されている上記液体燃料を上記アノードに供給可能に、上記燃料収容室と上記アノードとを連通する燃料供給通路と、
上記生成物を上記カソードから上記生成物収容室に回収可能に、上記カソードと上記生成物収容室とを連通する生成物回収通路とを備える第２態様に記載の燃料電池システムを提供する。
【００２２】
本発明の第４態様によれば、上記空気供給装置は、上記カソードにて生成される生成物を上記生成物回収通路を通じて上記生成物収容室に回収させるとともに、上記生成物収容室を加圧して、上記可動仕切り部を上記燃料収容室側に移動させて、上記燃料収容室から上記燃料供給通路を通じて上記アノードに上記液体燃料を供給するように、上記カソードに空気を供給する空気供給ポンプである第３態様に記載の燃料電池システムを提供する。
【００２３】
本発明の第５態様によれば、上記カソードで生成された上記生成物を、気体と液体に分離可能な気液分離装置をさらに備え、
上記気液分離装置により分離された上記液体を、上記生成物収容室に回収させる第２態様から第４態様のいずれか１つに記載の燃料電池システムを提供する。
【００２４】
本発明の第６態様によれば、上記気液分離装置は、上記分離された気体を排気することにより、当該気液分離装置内を所定の圧力に保つ圧力調整弁を備える第５態様に記載の燃料電池システムを提供する。
【００２５】
本発明の第７態様によれば、上記燃料容器は、上記燃料収容室に収容されている上記液体燃料の収容量を検出可能な燃料収容量検出装置を備える第２態様から第６態様のいずれか１つに記載の燃料電池システムを提供する。
【００２６】
本発明の第８態様によれば、上記燃料収容量検出装置は、上記燃料容器における上記可動仕切り部の移動位置を検出可能な移動位置検出装置である第７態様に記載の燃料電池システムを提供する。
【００２７】
本発明の第９態様によれば、上記燃料収容量検出装置は、上記可動仕切り部の移動位置又は上記液体燃料の収容量を、上記燃料容器外部から視認可能に上記燃料容器に備えられた視認窓である第７態様に記載の燃料電池システムを提供する。
【００２８】
本発明の第１０態様によれば、上記燃料容器は、
上記燃料収容室に上記液体燃料を充填する充填部と、
上記生成物収容室より上記生成物を回収する回収部とを備え、
上記燃料容器の外部から上記充填部を通して上記燃料収容室に、上記液体燃料を充填しながら、上記燃料収容室を加圧して上記可動仕切り部を上記生成物収容室側に移動させ、上記回収部を通して上記生成物収容室から上記燃料容器の外部に、上記生成物を回収させる第２態様から第９態様のいずれか１つに記載の燃料電池システムを提供する。
【００２９】
本発明の第１１態様によれば、上記アノード側に配置された上記拡散層は、当該アノードの上部から供給される液体燃料を、毛細管現象あるいは重力の作用により、上記電解質膜の表面に拡散させて供給する第１態様から第１０態様のいずれか１つに記載の燃料電池システムを提供する。
【００３０】
本発明の第１２態様によれば、アノードと、カソードと、上記アノードと上記カソードとの間に配置された電解質膜と、上記電解質膜の夫々の表面に配置された拡散層とを有する燃料電池本体と、
液体燃料を上記アノードに供給可能に収容する燃料容器と、
上記燃料容器内の空間を、上記液体燃料を収容する燃料収容室と、上記燃料電池本体における発電によって上記カソードにて生成される生成物を回収して収容する生成物収容室とに区分し、かつ、当該区分の位置が移動可能に上記燃料容器に備えられた可動仕切り部と、
上記アノードの少なくとも一部をその内部に配置し、かつ、上記燃料容器より供給される上記液体燃料を、当該アノードに供給可能に収容する中間容器と、
上記カソードに空気を供給する空気供給装置とを備え、
上記アノード側に配置された上記拡散層が親水性を有し、かつ上記カソード側に配置された上記拡散層が疎水性を有すること特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００３１】
本発明の第１３態様によれば、上記液体燃料は、上記発電により上記アノードにて消費される上記液体燃料の液量と、当該発電により上記カソードにて生成される上記生成物の液化された状態の液量とが、略同量となるような濃度を有するメタノール水溶液である第１態様から第１２態様のいずれか１つに記載の燃料電池システムを提供する。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システム１０１の模式的な構成を示す模式構成図を図１に示す。
【００３４】
図１に示すように、燃料電池システム１０１は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換して発電を行なう発電部である燃料電池本体１０２と、この発電に必要な燃料等を燃料電池本体１０２に供給する等の補機系とを備えている。また、この燃料電池システム１０１は、有機系の液体燃料の一例であるメタノール水溶液を燃料として、このメタノールから直接的にプロトンを取り出すことにより発電を行なう直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）である。
【００３５】
図１に示すように、燃料電池本体１０２は、アノード（燃料極）１、カソード（空気極）２、アノード１とカソード２との間に配置された電解質膜３、及び電解質膜３の夫々の表面に配置された拡散層として、アノード側拡散層１ｃ、カソード側拡散層２ｃを備えている。アノード１は、供給されるメタノールに対して酸化反応を行ない、プロトンと電子を取り出す反応（アノード反応）を行なう機能を有している。当該電子は、アノード１とカソード２とを電気的に接続する図示しない外部回路（発電回路）を通してカソード２へ移動し、当該プロトンは、電解質膜３を通してカソード２へ移動する。また、カソード２は、外部から供給される酸素と、アノード１より電解質膜３を通して移動してきたプロトンと、上記外部回路を通して流れてきた電子とを用いて還元反応を行なって、水を生成するという反応（カソード反応）を行なう機能を有している。このようにアノード１にて酸化反応を、カソード２にて還元反応を夫々行ない、上記外部回路に電子を流すことで、電流を発生させて発電を行なうことができる。
【００３６】
具体的には、電解質膜３として、例えば液体燃料のクロスオーバーを従来の１／１０とした電解質膜を用いる。電解質膜３は、一方の表面に、アノード１のアノード触媒として、炭素系粉末担体に白金とルテニウム、あるいは白金とルテニウムの合金を分散させて担持したものを形成し、他方の表面に、カソード２のカソード触媒として、炭素系担体に白金微粒子を分散担持したものを形成している。この電解質膜３に触媒を形成したものは、膜電極組立体と呼ばれている。アノード側の拡散層１ｃは例えば、カーボンペーパーに親水処理をしたもので、カソード側の拡散層２ｃは例えば、カーボンペーパーに疎水処理をしたものである。なお、このような親水性の処理は、例えば、カーボンペーパーを水蒸気で賦活処理することで行なうことで、親水性を高めることができる。また、疎水性の処理は、例えば、カーボンペーパーにポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂のディスパーションを含浸させることで、疎水性を付与することができる。燃料電池本体１０２は、上記膜電極組立体の夫々の表面に夫々の拡散層１ｃ及び２ｃを密着させた後、セパレータを介してハウジングに固定することにより形成することができる。また、それぞれの拡散層１ｃ及び２ｃは電極としても用いる。
【００３７】
なお、拡散層１ｃ及び２ｃは、上記カーボンペーパーが用いられる場合に代えて、カーボンクロスが用いられるような場合であってもよい。電解質膜３としては、例えばDupont社のナフィオン（商品名称）を３枚重ねて使用することにより、クロスオーバーを低減することができる。また、電解質膜３として、例えば、サブミクロンオーダーの細孔を有する多孔質膜に、電解質ポリマーを充填した細孔フィリング電解質膜やセラミックス多孔体に電解質ポリマーを充填したものを用いても良い。
【００３８】
また、図１に示すように、アノード１は、上記アノード反応を実施可能にその内部にメタノール水溶液を供給させるための燃料供給口１ａと、当該アノード反応により生成される二酸化炭素を排出させるための排気弁１２とを備えている。
【００３９】
また、カソード２は、上記カソード反応の実施のために用いられる酸素を供給するために、例えば、空気を用い、当該空気をその内部に供給するための空気供給口２ａと、当該カソード反応にて生成される生成物の一例である水（液相又は気相のいずれの状態、あるいは夫々の状態が混在した状態のいずれの場合をも含む）を上記内部より排出させるための排出口２ｂとを備えている。なお、この生成物は水を主成分として含むものであるが、その他に、ギ酸、ギ酸メチル、及びメタノール（後述するクロスオーバーによる）等も含まれる場合がある。
【００４０】
次に、燃料電池システム１０１における上記補機系の構成について説明する。上記補機系の構成としては、燃料電池本体１０２のアノード１にメタノール水溶液を供給するための補機構成と、カソード２に空気を供給するための補機構成と、カソード２にて生成された生成物である水を回収するための補機構成とが備えられている。
【００４１】
まず、図１に示すように、上記燃料供給のための補機構成としては、メタノール水溶液を液体燃料としてアノード１に供給可能に収容する燃料容器の一例である燃料タンク１５と、燃料タンク１５とアノード１の燃料供給口１ａとを接続する燃料供給通路の一例である燃料供給管路１６とを備えている。
【００４２】
燃料タンク１５は、その内側の空間に、液体燃料を収容する燃料収容室の一例である燃料室８と、カソード２にて生成された生成物として、主に水を回収する生成物収容室の一例である水回収室６とを有している。また、燃料タンク１５には、その内壁に沿って自由に移動可能であり、上記内側の空間を、燃料室８と水回収室６とに区分する可動仕切り部の一例である可動仕切り板７を備えている。すなわち、燃料タンク１５においては、可動仕切り板７が移動されて、上記区分の位置が移動することにより、燃料室８の容積及び水回収室６の容積を変化させることが可能となっている。なお、燃料室８の容積と水回収室６の容積との合計が燃料タンク１５の容積となっているため、燃料室８と水回収室６のうちの一方の容積が増加された場合には、その増加された容積分だけ、他方の容積が減少されることとなる。
【００４３】
また、燃料供給管路１６の一端が燃料室８に接続されており、燃料室８に収容されている液体燃料が、燃料供給管路１６を通して、燃料供給口１ａよりアノード１に供給することが可能となっている。また、燃料供給管路１６の途中には、燃料供給管路１６を通して供給される液体燃料の供給量（流量）を、調整可能な調整弁１１が設けられている。なお、この調整弁１１は、その開度を閉止させることにより、燃料室８に連通されている燃料供給管路１６を閉止することが可能となっている。また、燃料タンク１５の燃料室８には、例えば、初期状態で重量百分率で６３．８ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液が液体燃料として収容されている。
【００４４】
次に、上記空気を供給するための補機構成としては、カソード２の空気供給口２ａにその一端が接続された空気（酸素）供給用通路の一例である空気供給管路１７と、空気供給供給管路１７の途中に配置され、空気供給管路１７を通して、空気をカソード２内に供給する空気供給装置の一例（あるいは空気供給ポンプの一例）である空気ポンプ１３とが備えられている。この空気ポンプ１３としては、小型でかつ消費電力が小さいものを用いることが好ましく、例えば、モータ式ポンプ（逆止弁付、吐出量：０〜２Ｌ／分、吐出圧力：３０ｋＰａ）を用いており、使用時は、例えば、１Ｌ／分で空気を供給する。また、燃料電池本体１０２にて発電が行なわれる際に、空気ポンプ１３が駆動されてカソード２内に必要な空気（あるいは酸素）が供給され、当該発電が停止されるときには、空気ポンプ１３の駆動が停止されることとなる。
【００４５】
また、上記水を回収するための補機構成としては、カソード２の排出口２ｂと、燃料タンク１５の水回収室６とを連通して、カソード２にて生成された水を、水回収室６に供給して回収させる生成物回収通路の一例である水回収管路１８が備えられている。
【００４６】
カソード２においては、発電により水を主成分として含む生成物が生成されることとなるものの、カソード２内部には、空気ポンプ１３により空気が供給されている。そのため、この生成物と空気との混合物（例えば、気液混合物）が、カソード２より排出口２ｂを通して水回収管路１８に送り出されることになる。また、この混合物には、生成された水が水蒸気として含まれることも多い。従って、このような気体及び液体が混ざり合った状態の混合物を、気体と液体とに分離して、当該液体を水回収管路１８に送り出す気液分離装置の一例である気液分離器４が、水回収管路１８の途中に設けられている。さらに、気液分離器４と燃料タンク１５との間における水回収管路１８には、水回収室６への水回収管路１８を閉止するための弁８０が設けられている。
【００４７】
ここで、この気液分離器４の模式的な構造を示す模式図を図２に示す。図２に示すように、気液分離器４は、上記液体である水８２をその下方に、上記気体８１をその上方に、夫々分離させた状態で収容する気液分離室４ａと、カソード２よりの水回収管路１８の端部であって、この気液分離室４ａ内の空間の下方に配置された導入管１９と、気液分離室４ａの上方の空間に連通され、当該空間内に収容された余分な気体を排気することにより、当該空間内を所定の圧力に調整する圧力調整弁１４と、気液分離室４ａの底部近傍に配置された水排出口２０とを備えている。
【００４８】
また、図２に示すように、導入管１９は、気液分離室４ａ内に収容される水に浸漬されるように配置されており、さらに、当該水と、導入管１９の外表面との接触面積を大きくするために、例えば、螺旋状等に曲げられた形状を有している。導入管１９がこのような配置及び形状を有していることにより、水回収管路１８を通して送り込まれる上記混合物を、導入管１９を通過させる際に、その周囲の水と効率的な熱交換を行なって凝縮させ、液化させた状態で気液分離室４ａに導入することができる。また、上記混合物内に残留している気体は、気液分離室４ａの上方へと移動することとなる。一方、気液分離室４ａの底部近傍に水排出口２０が配置されていることにより、当該室内上方の気体８１を流出させることなく、当該室内下方の水８２を、水排出口２０を通して排出することが可能となっている。なお、水排出口２０を通して排出された水は、水回収管路１８を通して、水回収室６に収容されることとなる。
【００４９】
また、このような水回収管路１８と通しての上記混合物及び水の流通は、空気ポンプ１３の駆動によるカソード２内の加圧により、カソード２内で生成された水と空気の混合物が排出口２ｂを通して水回収管路１８内に送り出されることにより行なわれる。
【００５０】
ここで、燃料タンク１５に備えられた可動仕切り板７の構造について、図１５及び図１６に示す模式図を用いて説明する。
【００５１】
まず、可動仕切り板７は、燃料タンク１５を、液体燃料を収容する燃料室８と、水を収容する水回収室６とに区分する機能を有している。また、区分された夫々の室には、互いに異なる種類の流体が収容されるため、可動仕切り板７は、両室の流体が混ざり合うことがないような構成とする必要がある。そのため、図１５（Ａ）、及び図１５（Ａ）における部分拡大図である図１５（Ｂ）に示すように、可動仕切り板７の周部７ａと燃料タンク１５の内壁１５ａとの間に隙間が生じないように、周部７ａにパッキン７ｂが取り付けられている。また、可動仕切り板７の捩れによる剛性を高めるため、可動仕切り板７の形成厚みを厚く、例えば、５ｍｍ程度の厚さで形成している。
【００５２】
また、可動仕切り板７の移動を安定した状態で行なうことを可能とするため、例えば、図１６（Ａ）、及び図１６（Ａ）におけるＡ−Ａ’線断面図である図１６（Ｂ）に示すように、燃料タンク１５の内側に、可動仕切り板７の移動を案内する案内レール２１を設けることもできる。このような案内レール２１は、図１６（Ａ）の図示上下方向に沿って配置させることが好ましく、さらに、より安定した移動を可能とするために、複数本の案内レール２１を設けることが望ましい。なお、図１６においては、２本の案内レール２１を備えさせている場合について示している。また、夫々の案内レール２１と可動仕切り板７との間には、隙間が生じないように、パッキン等を設けることが望ましい。
【００５３】
また、このような燃料電池システム１０１においては、燃料電池システム１０１における発電に関連する夫々の動作を、互いに関連付けながら統括的な制御を行う制御装置１０３が備えられている。制御装置１０３は、空気ポンプ１３の駆動によるカソード２への空気の供給動作や、燃料電池本体１０２にて発電される電力量等の制御を行なうことが可能となっている。また、調整弁１１や弁８０として、自動制御弁を用いて、夫々の弁の開閉動作あるいは開度調整動作が、制御装置１０３により行なわれるような場合であってもよい。
【００５４】
このような機能及び構成を有する燃料電池システム１０１において、発電が行なわれる場合における液体燃料の供給（補給）動作、及び生成される水の回収動作について説明する。なお、以降の夫々の動作は、燃料電池システム１０１における制御装置１０３により互いの動作が関連付けられながら、統括的に制御されることにより行なわれる。
【００５５】
まず、燃料タンク１５において、液体燃料として、例えば、重量百分率で６３．８ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液を１００ｍｌを燃料室８に収容させて、水回収室６には多少の水を収容させた状態を初期状態とする。このとき、例えば、調整弁１１及び弁８０は閉止された状態とされている。
【００５６】
その後、調整弁１１及び弁８０が開放されるとともに、空気ポンプ１３が起動されて、空気供給管路１７を通じてカソード２内に空気を供給する。このカソード２内への空気の供給により、水回収管路１８を通じて、水回収室６内も加圧されることになる。これにより、可動仕切り板７が燃料室８側に付勢されて移動され、燃料室８の容積が縮小され、収容されている液体燃料が、燃料供給管路１６を通して、アノード１内に供給されることになる。この供給に際して、アノード１内にガスが存在しているような場合には、当該ガスは排気弁１２を通じて外部に排気される。
【００５７】
アノード１に液体燃料が供給されることにより、アノード１にて当該液体燃料が用いられてアノード反応が行なわれ、一方、カソード２にて供給された空気、すなわち酸素が用いられてカソード反応が行なわれる。これにより、図示しない発電回路にて所定の電力量の発電が行なわれる。このように、燃料電池本体１０２にて発電が行なわれることにより、アノード１にて発電された電力量に応じた量の液体燃料が消費されるとともに、カソード２にて当該電力量に応じた量の水が生成されることになる。
【００５８】
カソード２にて生成された水は、当該水と空気の混合物として、空気ポンプ１３による加圧力でもって、カソード２内より排出口２ｂを通して水回収管路１８に送り出される。その後、当該混合物は、気液分離器４に導入され、当該導入の際に、当該混合物に含まれている水蒸気等が導入管１９において凝縮されて液化された状態で、気液分離室４ａ内に導入されることとなる。また、気液分離室４ａ内においては、その上方に気体８１が収容され、液体、すなわち水８２はその下方に収容される。これにより、気液分離室４ａ内で、当該混合物が気体８１と、水８２とに分離されることになる。
【００５９】
その後、気液分離室４ａの下方に収容された水８２は、水排出口２０及び水回収管路１８を通して水回収室６に送り込まれて回収される。このような水の送り出し動作は、気液分離室４ａ内が、空気ポンプ１３により加圧されていることにより可能となる。なお、気液分離室４ａ内の圧力が、所定の圧力以上とされるような場合にあっては、圧力調整弁１４により気体の排出が行なわれ、上記所定の圧力が保たれる。例えば、気液分離室４ａ内の上記所定の圧力としては、２〜１０ｋＰａの範囲のいずれかの圧力、好ましくは５ｋＰａ程度の圧力とされる。また、水回収室６には、このように水が送り込まれるような場合に代えて、水と当該水に含まれている気体（空気等）とが送り込まれるような場合であってもよい。
【００６０】
また、燃料タンク１５においては、水回収室６に水が回収されることにより、水回収室６内がさらに加圧され、可動仕切り板７が燃料室８側にさらに付勢される。一方、アノード１においては液体燃料が消費されたため、その圧力が低下することとなり、当該圧力の低下は、燃料供給管路１６を通じて、燃料室８の圧力をも低下させることになる。従って、燃料室８の圧力が水回収室６の圧力よりも低下するため、両室間に圧力差が生じ、上記付勢されている可動仕切り板７が燃料室８側に移動されて、燃料室８の容積が縮小される。これにより、燃料室８に収容されている液体燃料の一部が、燃料供給管路１６を通して、アノード１に供給され、アノード１にて消費された液体燃料の補給が行なわれる。
【００６１】
このようにアノード１に補給された液体燃料は発電に用いられて消費され、一方、カソード２においては当該発電に伴って水が生成される。このような動作が繰り返して継続的に行なわれることにより、アノード１にて消費された液体燃料の補給動作と、カソード２にて生成された水の回収動作とが、同時的にかつ継続的に行なわれ、燃料電池本体１０２にて、所定の電力量の発電が継続して行なわれる。
【００６２】
また、このような液体燃料の補給動作と水の回収動作は、空気ポンプ１３により空気がカソード２内に供給されて、カソード２内が加圧されることにより可能となるものである。言い換えれば、空気ポンプ１３は、水回収管路１８を通じて、水回収室６を加圧し、可動仕切り板７を移動させて、燃料室８に収容されている液体燃料を燃料供給管路１６を通じてアノード１内に補給することが可能な圧力でもって、カソード２内に空気を供給することができる機能（例えば、このような吐出圧力を有している）を有している。
【００６３】
その後、燃料室８の液体燃料が使い切られた場合、又は、発電を停止する場合には、空気ポンプ１３の駆動を停止させるとともに、調整弁１１及び弁８０が閉止される。
【００６４】
なお、このような燃料電池システム１０１においては、発電により消費された液体燃料の容積分と略等しい量の液体燃料を、当該発電により生成された水を用いて供給するとともに、当該水の回収を行なっているため、発電により消費される液体燃料の容積と、生成される水の容積が略同じであることが望ましい。すなわち、このような条件を満たし得るような濃度の液体燃料、例えば、６０〜７０ｗｔ％程度の範囲のいずれかの濃度、例えば、６３．８ｗｔ％程度の濃度のメタノール水溶液を用いることが望ましい。
【００６５】
上記第１実施形態によれば、以下のような種々の効果を得ることができる。
【００６６】
燃料タンク１５からアノード１に供給された液体燃料が、親水性を有する拡散層１ｃを通して拡散され、すばやく触媒を形成した電解質膜３に供給することができる。特に、燃料供給管路１６の端部が、アノード１の上部に配置され、当該端部を通じて供給される液体燃料が、拡散層１ｃの上方に供給されるような場合であっても、拡散層１ｃの親水性による毛細管現象あるいは重力の作用とにより、上記液体燃料を拡散させながら、電解質膜３から構成される膜電極組立体の表面全体に均一かつ効率的な供給を行なうことができる。
【００６７】
また、カソード２では、発電で生成した水を、疎水性を有する拡散層２ｃにより、セパレーター側へ排出することができる。また、当該水の排出は、拡散層２ｃが疎水性を有しているため、効率よくカソード２の外部へ排出することができる。また、拡散層２ｃの疎水性と空気ポンプ１３の加圧によって、アノード１側から液体燃料が電解質膜３を浸透してくるクロスオーバーを低減する効果もある。
【００６８】
また、燃料電池システム１０１において、発電が行なわれることによりカソード２にて生成物として水が生成されることとなるが、このようにして生成された水を、燃料タンク１５の水回収室６に回収することができるため、当該水を排水することがない。これにより、排水等を伴うような燃料電池システムを採用することができないという特徴を有する携帯電子機器用の燃料電池システムとして、燃料電池システム１０１を適用することができる。
【００６９】
また、このような水の回収は、空気ポンプ１３によるカソード２への空気の供給に伴うカソード２内の加圧によって、生成された水が水回収管路１８を通して水回収室６に送り込まれることにより行なわれるため、このような水の回収のための専用の動力設備（例えば、水回収ポンプ等）を設ける必要がない。従って、燃料電池システム１０１における補機系の構成を簡素化することができる。
【００７０】
さらに、このように回収される水のために専用の水回収タンク等を設けなくても、発電に伴い収容されている液体燃料が減少する燃料タンクを、可動仕切り板で区分することにより、当該水の回収先として使用することができる。従って、さらに、補機系の構成を簡素化することができる。
【００７１】
また、カソード２より水回収管路１８内に、水だけでなく空気等も混合されて送り出される、すなわち混合物として送り出されることとなるが、水回収管路１８の途中には、気液分離器４が設けられているため、当該混合物を気体と液体とに分離して、液体である水を水回収室６に回収させることができる。従って、その収容容積に限りがある燃料タンクを用いて、効率的な水の回収を行なうことができる。
【００７２】
また、気液分離器４には、水回収管路１８の端部である導入管１９が、気液分離室４ａ内に収容されている水に浸漬され、かつ、その水との接触面積が大きくなるように備えられていることにより、上記混合物に含まれる水蒸気を凝縮させて液化させた状態で回収することができる。また、このようにすることで、水蒸気の状態で、水が外部に放出されることを防止することができ、携帯電子機器の電源に適した燃料電池システムを提供することができる。
【００７３】
また、発電に伴って、アノード１では、液体燃料が消費されることとなるが、当該消費された液体燃料の補給を、水の回収による水回収室６の加圧により、可動仕切り板７を燃料室８側に移動させることにより行なうことができるため、当該液体燃料の補給のための専用の燃料供給設備（燃料ポンプ等）を設ける必要を無くすことができる。従って、補機系の構成をさらに簡素化することができる。
【００７４】
このように補機系の構成を簡素化することで、燃料電池システムを小型化することができるとともに、当該補機系にて自己消費される電力量を低減することもできる。従って、小型化され、効率的な発電を行なうことができる携帯電子機器用の電源に適した燃料電池システムを提供することができる。
【００７５】
（第２実施形態）
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムにおける燃料タンク２５の模式的な構成を示す模式図を図３に示す。なお、燃料電池システム全体の構成は、上記第１実施形態の燃料電池システム１０１と同じ構成となっているため、その説明は省略するものとする。
【００７６】
図３に示すように、燃料タンク２５は、可動仕切り板７によって区分された室である液体燃料１０が収容される燃料室８と、水回収管路１８から送られてきた水（若しくは、水と気体の混合物）を回収可能に収容する水回収室６とを備えている点については、上記第１実施形態の燃料タンク１５と同様である。ただし、燃料タンク２５には、液体燃料１０の収容量（すなわち、残量）を検出するためのレベルセンサ２６が備えられている。
【００７７】
レベルセンサ２６は、例えば、磁気センサを用いることができる。また、可動仕切り板７の側面端部（図示右側端部）に磁性材料で形成された小さな被検出部２７を埋め込んでおくことにより、レベルセンサ２６にて被検出部２７を非接触で検出することができる。従って、可動仕切り板７の移動位置を検出することができ、燃料室８に収容されている液体燃料の収容量を検出することができる。
【００７８】
なお、このようにして検出された液体燃料の収容量は、例えば、制御装置１０３等に入力して、燃料電池システムの外部より認識可能に表示させることもできる。また、本第２実施形態においては、レベルセンサ２６と被検出部２７が、燃料収容量検出装置、及び移動位置検出装置の一例となっている。
【００７９】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池システムが内蔵された燃料電池パッケージ３０の外観の模式斜視図を図４に示す。
【００８０】
図４に示すように、燃料電池パッケージ３０は、収容されている液体燃料の残量を外部から視認可能な視認窓の一例である燃料確認窓８３を備えている点において、上記第１実施形態の燃料電池システム１０１と異なる構成を有しているものの、その他の構成については燃料電池システム１０１と同様である。
【００８１】
図４に示すように、燃料確認窓８３は、燃料タンクにおける可動仕切り板７を視認性の良い色、例えば白色で構成して、燃料電池パッケージ３０の外殻ケースに、可動仕切り板７を目視可能に備えられたものである。また、燃料確認窓８３の縁部分には、燃料収容量の読み取り用の目盛を作製することにより、液体燃料１０がどれぐらいあるか、また、残っている液体が液体燃料１０なのか水９なのかを判断することができる。従って、燃料電池パッケージ３０において確実に液体燃料の残量を確認することができるとともに、当該確認のために電力を自己消費することがないため、効率的な発電を行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【００８２】
なお、本第３実施形態では、可動仕切り板７の色を白色の例で説明したが、蛍光色や夜光色にしてももちろん良い。
【００８３】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態にかかる燃料電池システムにおける燃料タンク３５の模式的な構成を示す模式図を図５に示す。なお、燃料電池システム全体の構成は、上記第１実施形態の燃料電池システム１０１と同じ構成となっているため、その説明は省略するものとする。
【００８４】
図５に示すように、燃料タンク３５は、可動仕切り板７によって区分された室である液体燃料１０が収容される燃料室８と、水回収管路を通して送り込まれる水あるいは水と気体の混合物を回収可能に収容する水回収室６とを備える点においては、上記第１実施形態の燃料タンク１５と同じ構成となっている。ただし、燃料タンク３５においては、液体燃料１０の収容量を検出するための位置センサ３６が備えられている点において異なる構成となっている。
【００８５】
位置センサ３６としては、例えば、磁気センサや静電センサを用いることができ、可動仕切り板７の移動範囲における複数の位置に位置センサ３６を備えさせることが望ましい。また、可動仕切り板７の側面端部に磁性体で形成される小さな被検出部３７を埋め込んでおくことにより、位置センサ３６の設置位置に位置された可動仕切り板７の被検出部３７を非接触で検出して、可動仕切り７の移動位置を検出することができる。
【００８６】
また、この位置センサ３６による検出結果を制御装置等に出力させることにより、この燃料電池システムが電源として用いられている携帯電子機器等に燃料の残量を知らせることができる。また、本第４実施形態においては、位置センサ３６と被検出部３７が、燃料収容量検出装置、及び移動位置検出装置の一例となっている。
【００８７】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態にかかる燃料電池システムが備える燃料タンク４５の模式図を図６に示す。なお、燃料電池システム全体の構成は、上記第１実施形態の燃料電池システム１０１と同じ構成となっている。
【００８８】
図６に示すように、燃料タンク４５は、可動仕切り板７によって区分された室である液体燃料１０が収容される燃料室８と、水あるいは水と気体との混合物を回収可能に収容する水回収室６とを備えている。また、燃料タンク４５は、燃料室８への液体燃料１０の充填を行なう充填部の一例である燃料充填用接続器４２と、水回収室６に収容された水９の回収を行なう回収部の一例である水回収用接続器４１とを備えている。また、水回収用接続器４１と燃料充填用接続器４２には共に漏れ防止機構が備わっている。なお、水回収室６に水とともに気体が収容されているような場合にあっては、水回収用接続器４１を通して、水とともに気体を回収することもできる。
【００８９】
また、図７に、燃料充填時における燃料タンク４５と燃料充填器５３の接続状態の模式図を示す。図７に示すように、燃料充填器５３は、例えば、その内側の空間が、燃料室５７と水回収室５５とに、上記空間にて移動可能なピストン５６によって区分されている。また、燃料タンク４５に備えられた燃料充填用接続器４２と水回収用接続器４１が、燃料充填器５３に備えられた燃料充填用接続器５９と水回収用接続器５８とに夫々解除可能に結合されている。
【００９０】
このような状態で、燃料室５７の容積を減少させるように、かつ、水回収室５５の容積を増大させるように、ピストン５５を押し込む（すなわち、図示上方に移動させる）ことにより、燃料充填用接続器５９及び４２を通じて、燃料タンク４５の燃料室８への液体燃料の充填を行なうとともに、当該充填により燃料室８内を加圧して、可動仕切り板７を水回収室６側に移動させることにより、水回収用接続器４１及び５８を通じて、燃料タンク４５の水回収室６の水を、燃料充填器５３の水回収室５５に回収させることができる。すなわち、液体燃料の充填と水回収を同時に行うことができる。
【００９１】
また、水回収用接続器４１及び５８と燃料充填用接続器４２及び５９は、夫々、例えば、市販されている図８に示すようなソケット部とプラグ部から構成される接続器で実現する。なお、図８はソケット部の構造を示す断面図であり、図９はプラグ部の構造を示す断面図である。また、図１０は上記ソケット部と上記プラグ部とが結合した場合の構造を示す断面図である。
【００９２】
図８に示すように、上記ソケット部は、ソケット本体６０、バルブホルダ６１、バルブスプリング６２、バルブ６３、パッキン６４、Ｏリング６５、スリーブスプリング６６、スリーブ６７、スチールボール６８、及びストップリング６９を備えている。また、図９に示すように、上記プラグ部は、プラグ本体７０と、バルブホルダ７１、バルブスプリング７２、バルブ７３、及びパッキン７４を備えている。これらの構成から明らかなように、上記プラグ部のバルブ７３の構造は上記ソケット部のバルブ６３の構造と同じ構造である。
【００９３】
また、図１０に示すように、ソケット部とプラグ部との連結時は、ソケット部のスリーブ６７をソケット本体６０側に動かした状態で、プラグ本体７０を押し込むと、スリーブスプリング６６の力でスリーブ６７が元の位置に戻り、スチールボール６８がプラグ本体７０の外周にロックされて連結する。この時、ソケット部及びプラグ部の夫々の通路を閉止しているバルブ６３及び７３が、互いに押し合うことにより、夫々の通路が開き流体が流れる構造であり、外部への流体の漏れはＯリング６５でシールされる。
【００９４】
一方、分離時は、ソケット部のスリーブ６７をソケット本体６０側に動かすとスチールボール６８が外周方向へ移動可能となり、バルブスプリング６２及び７２の反力でプラグ本体７０がソケット部から分離する。この分離と同時にソケット部側及びプラグ部側ともにバルブ３３及び７３が閉まり流体の流れを止める構造である。
【００９５】
このような構造のソケット部及びプラグ部を用いることにより、切り離している時も接続しているときも液体の漏れを防ぎ、安全に燃料の充填をすることができる。また、例えば、燃料タンク４５に備えられた水回収用接続器４１をプラグ形状、燃料充填用接続器４２をソケット形状に、燃料充填器５３に備えられた水回収用接続器５８をソケット形状に、燃料充填用接続器５９をプラグ形状にすることにより、燃料充填器５３を接続する組み合わせが１通りに決まるため、誤って燃料タンク４５の燃料室８に水を供給することもない。
【００９６】
なお、燃料タンク４５における燃料充填用接続器４２と水回収用接続器４１の設置位置は、図１３及び図１４の燃料タンク４５の模式図に示すように、可動仕切り板７の移動範囲における図示上限位置（図１３参照）よりも上方に燃料充填用接続器４２を、当該移動範囲における図示下限位置（図１４参照）よりも下方に水回収用接続器４１を、夫々配置させることが好ましい。このように配置することで、燃料タンク４５の容積を最大限に利用して、液体燃料の補給及び水の回収を行なうことができる。
【００９７】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態にかかる燃料電池システム１２１の模式的な構成を示す模式図を図１１に示す。図１１に示すように、燃料電池システム１２１は、上記第１実施形態の燃料電池システム１０１と異なる構造の燃料電池本体１２２等を備えているものの、その他の補器系の構成については、燃料電池システム１０１と同様な構成を有している。以下に、この異なる構造についてのみ説明するものとする。なお、図１１に示すように、燃料電池システム１２１は、燃料電池本体１２２、空気ポンプ３１３、気液分離器３０４、弁３８０、燃料タンク３１５、水回収室３０６、燃料室３０８、及び調整弁３１１を備えている。
【００９８】
図１１に示すように、燃料電池システム１２１は、燃料電池本体１２２におけるアノード３０１をその内側の空間に配置し、かつ、燃料タンク３１５から供給される液体燃料を、アノード３０１に供給可能に収容する中間容器の一例である中間タンク３２５を備えている。
【００９９】
また、燃料電池本体１２２のアノード３０１は、その図示下部に配置された燃料供給口３０１ｂと、その図示上部に配置された二酸化炭素等の気体の排出口３０１ａとを備えている。また、この燃料供給口３０１ｂは、中間タンク３２５に収容された液体燃料中に浸漬されるように、アノード３０１が配置されている。これにより、燃料供給口３０１ｂを通じて、アノード３０１内に液体燃料を供給することが可能となっている。また、中間タンク３２５には、二酸化炭素等のガスを排気する排気弁３１２が備えられている。
【０１００】
ここで、燃料電池本体１２２のより詳細な構造を示す模式図を図１２に示す。図１３に示すように、燃料電池本体１２２は、アノード側拡散層３０１ｄとカソード側拡散層３０２ｄと、その間に配置された電解質膜３０３とアノード側触媒層３０３ａとカソード側触媒層３０３ｂと、アノード側セパレーター３０１ｓとカソード側セパレーターと、ハウジング３０１ｈ、３０２ｈを備えている。電解質膜３０３とアノード側触媒層３０３ａ、カソード側触媒層３０３ｂは膜電極組立体と呼ばれている。電解質膜３０３として、例えば液体燃料のクロスオーバーを従来の１／１０とした電解質膜を用いる。膜電極組立体は、電解質膜３０３の一方の表面に、アノード触媒３０３ａとして、炭素系粉末担体に白金とルテニウム、あるいは白金とルテニウムの合金を分散させて担持したものを形成し、他方の表面に、カソード触媒３０３ｂとして、炭素系担体に白金微粒子を分散担持したものを形成している。アノード側の拡散層３０１ｄは例えば、カーボンペーパーに親水処理をしたもので、カソード側の拡散層３０２ｄは例えば、カーボンペーパーに疎水処理をしたものである。なお、このような親水性の処理は、例えば、カーボンペーパーを水蒸気で賦活処理することで行なうことで、親水性を高めることができる。また、疎水性の処理は、例えば、カーボンペーパーにポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂のディスパーションを含浸させることで、疎水性を付与することができる。燃料電池本体１２２は、膜電極組立体にそれぞれの拡散層密着させた後、アノード側セパレータ３０１ｓとカソード側セパレータ３０２ｓを介してハウジング３０１ｈ、３０２ｈで固定することにより形成することができる。また、それぞれの拡散層３０１ｄ及び３０２ｄは電極としても用いられる。
【０１０１】
図１８（Ａ）にカソード側セパレータ３０２ｓの正面図を、図１８（Ｂ）に図１８（Ｂ）におけるカソード側セパレータ３０２ｓのＡ−Ａ’線断面図を示す。図１８（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、カソード側セパレータ３０２ｓは、例えば、非導電性の樹脂で形成され、厚み方向に扁平な板状本体５０１で構成され、その一方の表面に凹凸の一例である溝５０２が設けられている。カソード側セパレータ３０２ｓと膜電極組立体は、溝５０２が設けられている側の表面をカソード側拡散層３０２ｄに押圧するように接触し、溝５０２とカソード側拡散層３０２ｄとで囲まれる領域を空気の通路として形成する。カソード側セパレータ３０２ｓの表面に設けられた溝５０２は、板状本体５０１の上端と下端との間を蛇行して設けられている。また、カソード３０２の空気供給口に接続する導入口５０３とカソード３０２の排出口に接続する排出口５０４につながっているため、カソード３０２の空気供給口から供給された空気は、導入口５０３から溝５０２を通り、排出口５０４を経由してカソード３０２の排出口から外部に放出される。
【０１０２】
図１９は、アノード３０１に用いられるアノード側セパレータ３０１ｓの構成を示す模式図である。
【０１０３】
図１９に示すように、アノード側セパレータ３０１ｓは、その本体５１０が厚み方向に扁平な波板形状（凹凸の一例である）に構成され、アノード３０１の燃料供給口と排出口とを結ぶ方向に波の頂線５１５が沿うように組み込まれる。本実施形態では、隣り合う波の頂線５１５間の距離は概ね１〜５ｍｍ程度であり、セパレータの厚み、すなわち、波の振幅は、１〜５ｍｍ程度であることが望ましい。例えば、アノード側に溝を４本以上配置できるようにする。
【０１０４】
また、アノード側セパレータ３０１ｓは、接触するハウジング３０１ｈの内壁及び拡散層３０１ｄ（すなわち、膜電極組立体）の表面と隣り合う波の頂線５１５によって囲まれた波の谷の部分に、液体燃料を通す通路５１１及び５１２を形成する。図１９に示すアノード側セパレータ３０１ｓは、上面から見てその断面が正弦波形状であるため、ハウジング側通路５１２と膜電極組立体側通路５１１との面積は略同じとなっている。
【０１０５】
また、燃料電池本体１２２は、その排出口が燃料供給口よりも高位位置に設けられているため、液体燃料がアノード３０１の通路５１１及び５１２に流入し、当該液体燃料を用いて行なわれるアノード反応により発生した二酸化炭素は、アノード３０１の排出口の方向に上昇し、排出される。この二酸化炭素の上昇に伴いアノード３０１中の液体燃料も上記方向に移動し、アノード３０１の排出口から外部に排出される。アノード３０１中の液体燃料が上昇すると、アノード３０１の燃料供給口からは中間タンク３２５に貯留されている液体燃料がアノード３０１内に流入する。また、アノード３０１にて発生した二酸化炭素を効率良く排出することが可能となる。
【０１０６】
なお、拡散層は、上記カーボンペーパーが用いられる場合に代えて、カーボンクロスが用いられるような場合であってもよい。電解質膜３０３としては、例えばDupont社のナフィオン（商品名称）を３枚重ねて使用することにより、クロスオーバーを低減することができる。また、電解質膜３０３として、例えば、サブミクロンオーダーの細孔を有する多孔質膜に、電解質ポリマーを充填した細孔フィリング電解質膜やセラミックス多孔体に電解質ポリマーを充填したものを用いても良い。
【０１０７】
このような構成の燃料電池システム１２１おいては、燃料タンク３１５から中間タンク３２５に供給された燃料が、燃料供給口３０１ｂを通じてアノード３０１内に供給される。アノード３０１内においては、当該液体燃料が、親水性を有する拡散層３０１ｄの毛細管現象によって吸い上げられて拡散されながら、上記膜電極組立体の電解質膜３０３の表面に供給され、アノード反応が行なわれる。一方、カソード３０２においては、カソード反応により電解質膜３０３の表面にて生成された水が、拡散層３０２ｄにより排出される。拡散層３０２ｄは疎水性を有しているため、良好な排水性でもって、水をカソード３０２の外部に排出される。また、拡散層３０２ｄの疎水性と空気ポンプ３１３の加圧によって、アノード３０１側から電解質膜３０３を通して液体燃料が浸透してくるクロスオーバーを低減する効果もある。
【０１０８】
また、上記第１実施形態から上記第６実施形態までのいずれかの燃料電池システムを燃料電池パック４０１として用いた携帯電子機器の一例であるノート型パーソナルコンピュータの模式斜視図を図１７（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図１７に示すように、燃料電池システムの小型化を図ることにより、このようにノート型パーソナルコンピュータの電源として適用することができる。
【０１０９】
なお、上記夫々の実施形態においては、拡散層としてカーボンペーパーを用いた例について説明したが、他にカーボンクロスや発泡金属材料を用いてもよい。
【０１１０】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【０１１１】
【発明の効果】
本発明の上記第１態様によれば、アノードに供給された液体燃料が、親水性を有するアノード側の拡散層を通して拡散され、すばやく電解質膜に供給することができる。例えば、供給される液体燃料が、上記拡散層の一部分にのみ供給されるような場合であっても、上記拡散層の親水性による毛細管現象あるいは重力の作用とにより、上記液体燃料を拡散させながら、上記電解質膜の表面全体に均一かつ効率的な供給を行なうことができる。
【０１１２】
また、カソードでは、発電で生成された生成物、例えば水を、疎水性を有するカソード側の拡散層により排出することができる。また、当該水の排出は、上記拡散層が疎水性を有しているため、効率よく上記カソードの外部へ排出することができる。
【０１１３】
また、上記拡散層の疎水性と空気供給装置による上記カソード内の加圧によって、上記アノード側から液体燃料が上記電解質膜を浸透してくるクロスオーバーを低減する効果もある。
【０１１４】
従って、燃料電池本体において、効率的な液体燃料の供給と、効率的な生成物の排出を行なうことができ、効率的な発電を行なうことができる燃料電池システムを提供することができる。また、このような効率的な発電を可能としながら、燃料電池システムの構成を複雑化することもなく、燃料電池システムのコンパクト化を実現することもできる。
【０１１５】
本発明の上記第２態様又は上記第３態様によれば、上記第１態様による効果にさらに加えて、燃料電池システムにおいて、発電が行なわれることによりカソードにて生成物が生成されることとなるが、このような生成物を、燃料容器の生成物収容質に回収することができるため、当該生成物をそのまま排出することがない。特に、このような生成物は、例えば、水等の液体であることが多いが、このような場合にあっては、上記水等の排水を伴うような燃料電池システムを採用することができないという特徴を有する携帯電子機器用の燃料電池システムとして、本態様の燃料電池システムを適用することができる。
【０１１６】
また、このような生成物の回収は、空気供給装置による上記カソードへの空気の供給に伴う当該カソード内の加圧によって、生成された上記生成物が生成物回収通路を通じて上記生成物回収室に送り込まれることにより行なわれるため、このような生成物の回収のための専用の動力設備（例えば、生成物回収ポンプ等）を設ける必要がない。従って、燃料電池システムにおける補機系の構成を簡素化することができる。
【０１１７】
さらに、このように回収される生成物のために専用の回収容器等を設けなくても、発電に伴って収容されている液体燃料が減少する上記燃料容器を、可動仕切り部で区分することにより、当該減少した空間を当該生成物の回収先として使用することができる。従って、さらに、補機系の構成を簡素化することができる。
【０１１８】
また、発電に伴って、上記アノードでは、液体燃料が消費されることとなるが、当該消費された液体燃料の補給を、上記生成物の回収による上記生成物回収室の加圧により、上記可動仕切り部を燃料収容室側に移動させることにより行なうことができるため、当該液体燃料の補給のための専用の燃料供給設備（例えば、燃料ポンプ等）を設ける必要を無くすことができる。従って、補機系の構成をさらに簡素化することができる。
【０１１９】
このように補機系の構成を簡素化することで、燃料電池システムを小型化することができるとともに、当該補機系にて自己消費される電力量を低減することもできる。従って、小型化され、効率的な発電を行なうことができる携帯電子機器用の電源に適した燃料電池システムを提供することができる。
【０１２０】
また、燃料電池システムにおいて、上記発電に伴って生成される上記生成物の回収と、上記発電に伴って消費される上記液体燃料の補給とを、上記空気供給装置による上記カソードへの空気の供給でもって、同時的に行なうことができ、効率的な上記液体燃料の補給と、上記生成物の回収とを実現することができる燃料電池システムを提供することができる。
【０１２１】
また、上記アノードにおいて発電にて消費された液体燃料の補給は、上記液体燃料電池本体にて所定の電力量の発電を継続して実施可能とするように行なわれる、例えば、当該発電に消費された液体燃料と同量の上記液体燃料が、上記アノードに当該発電の実施と同時的に供給されることにより、安定した電力の供給（発電）を行なうことができる燃料電池システムを提供することができる。
【０１２２】
本発明の上記第４態様によれば、上記空気供給装置は、上記生成物回収通路及び上記生成物収容室を介して、上記可動仕切り部を上記燃料収容室側に移動させ、上記燃料収容室より上記燃料供給通路を介して上記液体燃料を上記アノードに供給可能とする圧力でもって、上記カソード内に上記空気を供給する空気供給ポンプである、すなわち、このような圧力をその吐出圧力として上記空気の供給を行なう空気供給ポンプであることにより、上記生成物の回収と、上記液体燃料の補給との同時的な実施を可能とすることができる。
【０１２３】
本発明の上記第５態様によれば、上記カソードより生成物回収通路内に、生成物だけでなく空気等も混合されて混合物として送り出されることとなるが、上記生成物回収通路の途中には、気液分離装置が設けられているため、当該混合物（あるいは生成物自体）を気体と液体とに分離して、液体の状態で上記生成物を上記生成物回収室に回収させることができる。従って、その収容容積に限りがある上記燃料容器を用いて、効率的な生成物の回収を行なうことができる。従って、補機系の構成をさらに小さなものとすることができ、携帯電子機器用の電源に適した燃料電池システムを提供することができる。
【０１２４】
本発明の上記第６態様によれば、上記気液分離装置に、当該気液分離装置内を所定の圧力に保つ圧力調整弁が備えられていることにより、上記生成物の継続した回収に伴って、その圧力が高まり過ぎることを防止することができる。また、それとともに、上記液体燃料の補給と上記生成物の回収とを同時的に行なうことができるような圧力を、上記所定の圧力として保つことができる。
【０１２５】
本発明の上記第７態様によれば、上記燃料容器が、上記燃料収容室に収容されている上記液体燃料の収容量を検出可能な燃料収容量検出装置を備えていることにより、発電により消費された液体燃料の残量を確実に検出することができ、上記液体燃料の補充時期等をユーザーに知らせることができる。
【０１２６】
本発明の上記第８態様によれば、上記燃料収容量検出装置として、上記可動仕切り部の移動位置を検出可能な移動位置検出装置を用いることにより、上記液体燃料の残量及び上記生成物の回収量を確実に認識することができる。
【０１２７】
本発明の上記第９態様によれば、上記燃料収容量検出装置として、視認窓を用いることにより、発電された電力の自己消費量を低減することができる。
【０１２８】
本発明の上記第１０態様によれば、上記燃料容器が、上記燃料収容室に上記液体燃料を充填する充填部と、上記生成物収容室より上記生成物を回収する回収部とを備え、上記燃料容器外から上記充填部を通して上記燃料収容室に、上記液体燃料を充填しながら、上記燃料収容室を加圧して上記可動仕切り部を上記生成物収容室側に移動させ、上記回収部を通して上記生成物収容室から上記燃料容器外に、上記生成物を回収させることにより、上記充填と上記回収とを同時的にかつ効率的に実現することができる。
【０１２９】
本発明の上記第１１態様によれば、上記アノードは、上記供給される液体燃料を、毛細管減少あるいは重力の作用とにより、上記記電解質膜の表面に拡散させて供給する拡散層を備えることにより、上記アノードに供給される液体燃料を、上記拡散層により上記電解質膜に効率的に供給することができ、効率的な発電を行なうことができる。
【０１３０】
本発明の上記第１２態様によれば、上記燃料電池本体が、上記アノードの少なくとも一部をその内部に配置し、かつ、上記燃料供給通路により供給される上記液体燃料を、当該アノードに供給可能に収容する中間容器をさらに備えるような場合であっても、上記夫々の態様による効果を得ることができる燃料電池システムを提供することができる。
【０１３１】
本発明の上記第１３態様によれば、上記液体燃料が、上記発電により上記アノードにて消費される上記液体燃料の液量と、当該発電により上記カソードにて生成される上記生成物の液化された状態の液量とが、略同量となるような濃度を有するメタノール水溶液であることにより、上記生成物を回収することで、上記可動仕切り部を移動させて、当該移動量に相応する量の上記液体燃料を上記アノードに供給することができる。従って、上記生成物の回収と上記液体燃料の補給との同時的な実施を可能としながら、継続的な発電を行なうことができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムの模式構成図である。
【図２】 図１の燃料電池システムが備える気液分離器の構成を示す模式図である。
【図３】 本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムが備える燃料タンクの構成を示す模式図である。
【図４】 本発明の第３実施形態にかかる燃料電池システムが収容された燃料電池パッケージの外観斜視図である。
【図５】 本発明の第４実施形態にかかる燃料電池システムが備える燃料タンクの構成を示す模式図である。
【図６】 本発明の第５実施形態にかかる燃料電池システムが備える燃料タンクの構成を示す模式図である。
【図７】 図６の燃料タンクが、燃料充填器に接続された状態を示す模式図である。
【図８】 燃料タンクと燃料充填器の接続に用いられるソケット部の断面図である。
【図９】 燃料タンクと燃料充填器の接続に用いられるプラグ部の断面図である。
【図１０】 ソケット部とプラグ部との接続状態を示す断面図である。
【図１１】 本発明の第６実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す模式構成図である。
【図１２】 図１１の燃料電池システムが備える燃料電池本体の模式構造図である。
【図１３】 上記第５実施形態の燃料タンクの模式図である。
【図１４】 上記第５実施形態の燃料タンクの模式図である。
【図１５】 （Ａ）は上記第１実施形態の燃料タンクの可動仕切り板の模式構造図であり、（Ｂ）は（Ａ）における可動仕切り板の部分拡大図である。
【図１６】 （Ａ）は上記第１実施形態の燃料タンクの可動仕切り板の模式構造図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ’線断面図である。
【図１７】 燃料電池パックを搭載したノート型パーソナルコンピュータの斜視図であり、（Ａ）は画面が開いた状態であり、（Ｂ）は画面が閉じた状態である。
【図１８】 上記第６実施形態におけるカソード側セパレータの模式図であり、（Ａ）はセパレータの正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ’線断面図（Ｂ）である。
【図１９】 上記第６実施形態におけるアノード側セパレータの外観図である。
【符号の説明】
１…アノード、１ａ…燃料供給口、２…カソード、２ａ…空気供給口、２ｂ…排出口、３…電解質膜、４…気液分離器、４ａ…気液分離室、６…水回収室、７…可動仕切り板、８…燃料室、９…水、１０…液体燃料、１１…調整弁、１２…排気弁、１３…空気ポンプ、１４…圧力調整弁、１５…燃料タンク、１６…燃料供給管路、１７…空気供給管路、１８…水回収管路、１９…導入管、２０…水排出口、２６…レベルセンサ、２７…被検出部、３０…燃料電池パッケージ、３６…位置センサ、３７…被検出部、４１…水回収用接続器、４２…燃料充填用接続器、１０１…燃料電池システム、１０２…燃料電池本体、１０３…制御装置。

Claims (11)

1. アノード（１、３０１）と、カソード（２、３０２）と、上記アノードと上記カソードとの間に配置された電解質膜（３、３０３）と、上記電解質膜の上記アノード側の表面及び上記カソード側の表面にそれぞれ配置された拡散層（１ｃ、２ｃ、３０１ｄ、３０２ｄ）とを有する燃料電池本体（１０２、１２２）と、
   液体燃料を上記アノードに供給可能に収容する燃料容器（１５、２５、３５、４５、３１５）と、
   上記燃料容器内の空間を、上記液体燃料を収容する燃料収容室（８、３０８）と、上記燃料電池本体における発電によって上記カソードにて生成される生成物を回収して収容する生成物収容室（６、３０６）とに区分し、かつ、当該区分の位置が移動可能に上記燃料容器に備えられた、剛性を有する可動仕切り板（７、３０７）と、
   上記燃料収容室に収容されている上記液体燃料を上記アノードに供給可能に、上記燃料収容室と上記アノードとを連通する燃料供給通路（１６）と、
   上記生成物を上記カソードから上記生成物収容室に回収可能に、上記カソードと上記生成物収容室とを連通する生成物回収通路（１８）と、
   上記カソードに空気を供給する空気供給装置（１３、３１３）とを備え、
   上記アノード側に配置された上記拡散層（１ｃ、３０１ｄ）が親水性を有し、かつ上記カソード側に配置された上記拡散層（２ｃ、３０２ｄ）が疎水性を有し、
   上記空気供給装置は、上記カソードにて生成される生成物を上記生成物回収通路を通じて上記生成物収容室に回収させるとともに、上記生成物収容室を加圧して、上記可動仕切り板を上記燃料収容室側に移動させて、上記燃料収容室から上記燃料供給通路を通じて上記アノードに上記液体燃料を供給するように、上記カソードに空気を供給する、ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 上記空気供給装置は、空気供給ポンプ（１３、３１３）である請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 上記カソードで生成された上記生成物を、気体と液体に分離可能な気液分離装置（４、３０４）をさらに備え、
   上記気液分離装置により分離された上記液体を、上記生成物収容室に回収させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 上記気液分離装置は、上記分離された気体を排気することにより、当該気液分離装置内を所定の圧力に保つ圧力調整弁（１４、３１４）を備える請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 上記燃料容器は、上記燃料収容室に収容されている上記液体燃料の収容量を検出可能な燃料収容量検出装置（２６及び２７、３６及び３７、８３）を備える請求項１から４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 上記燃料収容量検出装置は、上記燃料容器における上記可動仕切り部の移動位置を検出可能な移動位置検出装置（２６及び２７、３６及び３７）である請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 上記燃料収容量検出装置は、上記可動仕切り部の移動位置又は上記液体燃料の収容量を、上記燃料容器外部から視認可能に上記燃料容器に備えられた視認窓（８３）である請求項５に記載の燃料電池システム。
8. 上記燃料容器は、
   上記燃料収容室に上記液体燃料を充填する充填部（４２）と、
   上記生成物収容室より上記生成物を回収する回収部（４１）とを備え、
   上記燃料容器の外部から上記充填部を通して上記燃料収容室に、上記液体燃料を充填しながら、上記燃料収容室を加圧して上記可動仕切り部を上記生成物収容室側に移動させ、上記回収部を通して上記生成物収容室から上記燃料容器の外部に、上記生成物を回収させる請求項１から７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. 上記アノード側に配置された上記拡散層は、当該アノードから供給される液体燃料を、毛細管現象あるいは重力の作用により、上記電解質膜の表面に拡散させて供給する請求項１から８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
10. アノード（３０１）と、カソード（３０２）と、上記アノードと上記カソードとの間に配置された電解質膜（３０３）と、上記電解質膜の上記アノード側の表面及び上記カソード側の表面にそれぞれ配置された拡散層（３０１ｄ、３０２ｄ）とを有する燃料電池本体（１２２）と、
    液体燃料を上記アノードに供給可能に収容する燃料容器（３１５）と、
    上記燃料容器内の空間を、上記液体燃料を収容する燃料収容室（３０８）と、上記燃料電池本体における発電によって上記カソードにて生成される生成物を回収して収容する生成物収容室（３０６）とに区分し、かつ、当該区分の位置が移動可能に上記燃料容器に備えられた、剛性を有する可動仕切り板（３０７）と、
    上記アノードの少なくとも一部をその内部に配置し、かつ、上記燃料容器より供給される上記液体燃料を、当該アノードに供給可能に収容する中間容器（３２５）と、
    上記燃料収容室に収容されている上記液体燃料を上記中間容器に供給可能に、上記燃料収容室と上記中間容器とを連通する燃料供給通路（１６）と、
    上記生成物を上記カソードから上記生成物収容室に回収可能に、上記カソードと上記生成物収容室とを連通する生成物回収通路（１８）と、
    上記カソードに空気を供給する空気供給装置（３１３）とを備え、
    上記アノード側に配置された上記拡散層（３０１ｄ）が親水性を有し、かつ上記カソード側に配置された上記拡散層（３０２ｄ）が疎水性を有し、
    上記空気供給装置は、上記カソードにて生成される生成物を上記生成物回収通路を通じて上記生成物収容室に回収させるとともに、上記生成物収容室を加圧して、上記可動仕切り板を上記燃料収容室側に移動させて、上記燃料収容室から上記燃料供給通路を通じて上記中間容器に上記液体燃料を供給するように、上記カソードに空気を供給する、こと特徴とする燃料電池システム。
11. 上記液体燃料は、上記発電により上記アノードにて消費される上記液体燃料の液量と、当該発電により上記カソードにて生成される上記生成物の液化された状態の液量とが、略同量となるような濃度を有するメタノール水溶液である請求項１から１０のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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