(57)【要約】【課題】  取り扱いが容易な構成で、燃料電池内で発生した副生成物を回収し、無害化した二酸化炭素を電池の外部へ放出する燃料電池用カートリッジを提供する。【解決手段】  燃料電池に対して着脱可能に設けられ、燃料電池へ燃料１２４を供給する燃料電池用カートリッジであって、燃料１２４を収容するとともに、燃料１２４を燃料電池に供給する注入口１２２３を有する燃料室１２２１と、燃料電池から排出される排ガス１７０５を回収する回収口１７０７および排ガス１７０５を外部に放出する排出口１７１３を有し、内部に排ガス中に含まれる化学物質を溶解するための水１７０１が収容される回収室１７０３と、を備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に対して着脱可能に設けられ、前記燃料電池へ液体燃料を供給する燃料電池用カートリッジであって、
前記燃料電池に前記液体燃料を供給するための燃料供給口を有し、前記液体燃料を収容する燃料室と、
前記燃料電池から排出される排ガスを回収する排ガス回収口および前記排ガスを外部に放出するガス排出口を有し、内部に前記排ガス中に含まれる化学物質を溶解するための液体が収容される排ガス回収室と、
を備えることを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記液体のｐＨが、２以上９以下であることを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記排ガス回収口は、前記燃料電池の酸化剤極から排出される排ガスを回収することを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記排ガスが前記液体中に導かれるように構成されたことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記排ガス回収口に設けられた多孔質の気泡発泡部を含み、前記排ガスが、前記気泡発泡部を介して前記排ガス回収室内に気泡として導入されることを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記排ガス回収室の内部が、気液分離膜により、前記排ガス回収口を有する室と、前記ガス排出口を有する室の二室に仕切られ、前記排ガス回収口を備えている室に前記液体を収容することを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記ガス排出口に設けられたガス吸着フィルタを含み、前記気液分離膜を通過した前記排ガスが前記ガス吸着フィルタを介して外部に排出されるように構成されたことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項８】
請求項１乃至７いずれかに記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記ガス排出口に設けられ、前記気液分離膜を通過した前記排ガスを酸化する酸化部を含むことを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の燃料電池用カートリッジにおいて、
前記液体は、水であることを特徴とする燃料電池用カートリッジ。
【請求項１０】
燃料極、酸化剤極およびこれらに挟持される電解質膜を備えた燃料電池と、
前記燃料極に対して液体燃料を供給する燃料供給系と、
前記燃料極または前記酸化剤極で発生した気体を回収する気体回収系と、
前記燃料供給系および前記気体回収系に対して着脱可能に設けられた燃料電池用カートリッジと、
を備え、
前記燃料電池用カートリッジが請求項１乃至８いずれかに記載の燃料電池用カートリッジであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、
前記気体回収系が回収した前記気体を排出する排出口を有し、
前記燃料電池用カートリッジの前記排ガス回収口および前記燃料電池の前記気体回収系の前記排出口のいずれか一方を覆うように設けられた隔膜、および他方に設けられた中空針を備え、前記燃料電池用カートリッジが前記燃料電池に接続されたとき、前記中空針が前記隔膜を貫通し、前記排ガス回収口および前記排出口が連通することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の前記気体回収系の前記排出口と前記燃料電池用カートリッジの前記排出ガス回収口の間に設けられ、前記燃料電池の前記気体回収系で回収された排ガスを酸化する酸化部を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用カートリッジに関し、特に、電池内部で発生した副生成物を含む排ガスを外部に放出する手段を備えた燃料電池用カートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。
【０００３】
燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
【０００４】
３Ｈ２  →  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−    （１）
【０００５】
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（２）のようになる。
【０００６】
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ６Ｈ＋  ＋  ＣＯ２  ＋  ６ｅ−    （２）
【０００７】
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（３）のようになる。
【０００８】
３／２Ｏ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ    （３）
【０００９】
特に、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、燃料電池の小型化および実用化に向けての利点が大きい。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。
【００１０】
このような直接型の燃料電池においては、上記式（２）に示すように、燃料極では電気化学反応によって二酸化炭素が発生する。また、上記式（３）に示すように、酸化剤極では水が発生する。燃料電池においては、これら以外に未反応の燃料や電気化学反応の副生成物であるホルムアルデヒドやギ酸等の有害物質も発生する。燃料は酸化剤極側にもクロスオーバするため、このような副生成物は燃料極側のみならず、酸化剤極側でも発生する。
【００１１】
特許文献１には、燃料電池の電気化学反応によって生成した反応生成物を排出する反応生成物排出口と、反応生成物排出口に接続され、反応生成物を貯蔵するための反応生成物貯蔵室を含む容器とを含む燃料電池が開示されている。また、ここでは、未反応の燃料および電気化学反応の副生成物であるホルムアルデヒドやギ酸等の有害物質を吸着するための活性炭やゼオライトなどの吸着材やこれらの有害物質を分解させるための銀などの貴金属触媒、無機触媒、または微生物触媒を、単独または適宜組み合わせて容器内に添加しておくことが記載されている。これにより、これらの有害物質が容器内に回収された場合であっても、容器の処理やリサイクル上の問題を解消することができる。
【００１２】
また、特許文献２には、内部が、水を透過しない材料からなる隔壁により２室に分割され、隔壁により分割された２室のうち１室が、燃料電池からの排出物を収容する目的で使用される燃料カートリッジが開示されている。
【００１３】
この燃料カートリッジの一室は、燃料電池に供給される燃料が収容され、燃料の消費に伴って内容積が減少し、燃料カートリッジの他室は、燃料電池から排出された排出物によって内容積が増加していく構成となっている。燃料カートリッジの他室には、吸水性材料が収容されており、排出物に含まれるメタノールを含む水とともに、中間生成物が吸収されて保持される。吸水性材料としては、アニオン系給水ポリマーまたはノニオン系の吸水ポリマーなどを用いている。このようにして、燃料カートリッジ内に収容された排出物は燃料がなくなったときに燃料カートリッジとともに燃料電池から取り外されて廃棄される。
【００１４】
また、特許文献３には、燃料収納容器、燃料供給部、燃料極および燃料排出部を密閉して接続し、燃料極から排出される燃料酸化生成物を吸収する生成物吸収部を有する燃料電池システムが開示されている。この生成物吸収部は、物理吸着により二酸化炭素を固定化する活性炭などや、化学反応により二酸化炭素を吸収するアルカリ性固体もしくは液体が用いられている。
【特許文献１】特開２００３−１３２９３１号公報
【特許文献２】特開２００３−９２１２８号公報
【特許文献３】特開２００３−２５７４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上記文献１、２記載の従来の燃料電池用カートリッジでは、燃料電池内で発生した水または二酸化炭素などの生成物とともに中間生成物を容器内に回収して燃料電池用カートリッジとともに廃棄するように構成されている。そのため容器内に二酸化炭素が充満し、回収容器が膨張したり、容器内の内圧が高まったりするという問題があった。
【００１６】
さらに、従来の燃料電池用カートリッジにおいて、排出物を吸水性材料に吸収させて回収する場合、経時的に排出物を回収する吸水性材料の容量が増加するとともに、排出物の吸収効率が経時的に低下するといった問題点があった。また、従来の燃料電池用カートリッジでは、固体の吸着剤を使用していたが、この場合、排出物に水蒸気が含まれていると、吸着剤の表面に水蒸気が吸着するため吸着効率が低下するといった問題点があった。
【００１７】
特許文献３では、二酸化炭素を吸収する液体を用いる例が開示されているので、回収容器の膨張などの問題は避けられる。しかし、密閉系であるため、吸収剤として二酸化炭素を吸収しない材料を使う場合には膨張などは避けられない。したがって、吸収剤はアルカリ溶液等に限定される。たとえば、水１ｍｌに対して二酸化炭素は１．１ｍｌしか溶けないので（水温２５℃）、水は、このような密閉構造には使うことができない。また、この燃料電池用カートリッジでは、燃料極側からの排出物のみを回収する構成であるので、酸化剤極にクロスオーバした未反応の燃料ガスや二酸化炭素、およびその副生成物は回収されない。
【００１８】
また、生成物の吸収に伴い、吸収効率が低下した場合は、生成物吸収部の容器毎交換する必要があり、容器の再利用はできなかった。
【００１９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、取り扱いが容易な構成で、燃料電池内で発生した副生成物を回収し、無害化した二酸化炭素は電池の外部へ放出するため、ガス充満による容器の膨張などが生じず、複数回の使用に耐える燃料電池用カートリッジを提供するとともに、燃料電池システムの保全性および信頼性を向上させることのできる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池に対して着脱可能に設けられ、前記燃料電池へ液体燃料を供給する燃料電池用カートリッジであって、前記燃料電池に前記液体燃料を供給するための燃料供給口を有し、前記液体燃料を収容する燃料室と、前記燃料電池から排出される排ガスを回収する排ガス回収口および前記排ガスを外部に放出するガス排出口を有し、内部に前記排ガス中に含まれる化学物質を溶解するための液体が収容される排ガス回収室と、を備えることを特徴とする燃料電池用カートリッジが提供される。
【００２１】
本発明によれば、メタノール等の燃料ガスや電池内で発生した副生成物（ギ酸、ギ酸メチル、ホルムアルデヒドなど）等を含む排ガスを、排ガス回収室内の液体と接触させて通過させることによって、排ガス中に含まれる副生成物を溶解させて回収することができ、これにより無害化された二酸化炭素を電池の外部に放出することができ、排ガス回収室がガス充満で膨張したり、内圧が高まったりすることはない。
【００２２】
このように排ガス中に含まれる副生成物のみを液体に回収することができ、無害化された二酸化炭素は電池の外部に放出できるので、副生成物を収容する液体の体積が経時的に増加することもない。また吸水性材料を用いたときのように、経時的に吸収効率が低下することもない。
【００２３】
本発明の燃料電池用カートリッジにおいて、前記排ガス回収口は、前記燃料電池の酸化剤極から排出される排ガスを回収することができる。この構成によれば、燃料電池の酸化剤極にクロスオーバした未反応の燃料ガスや二酸化炭素、およびその副生成物を回収することができる。
【００２４】
本発明の燃料電池用カートリッジにおいて、前記排ガスが前記液体中に導かれるように構成することができる。この構成によれば、排ガスを液体中に導くことにより排ガスに含まれる副生成物を液体に効率よく溶解することができる。
【００２５】
本発明の燃料電池用カートリッジにおいて、前記排ガス回収口に設けられた多孔質の気泡発泡部を含み、前記排ガスが、前記気泡発泡部を介して前記排ガス回収室内に気泡として導入されることができる。
【００２６】
ここで、気泡発泡部としては多孔質のエアストーンを用いることができる。多孔質のエアストーンは、たとえば、１３００℃程度の高温で焼入れされたセラミック製のものや、プラスチック材を発泡させ、圧縮し成型して得られるウレタン樹脂製のものであり、これを介して排ガスを排ガス回収室内に気泡として導入することにより、副生成物の液体への溶解効率を向上させることができる。
【００２７】
本発明の燃料電池用カートリッジにおいて、前記排ガス回収室に気液分離膜を設けることができる。ここで、気液分離膜は、たとえば、ポリエーテルスルホンやアクリル共重合体などからなる疎水性膜である。この構成によれば、排ガス回収室内の液体を通過した排ガスを気液分離膜を介して分離し、無害化された二酸化炭素を外部に放出することができる。
【００２８】
本発明の燃料電池用カートリッジにおいて、前記ガス排出口に設けられたガス吸着フィルタを含み、前記気液分離膜を通過した前記排ガスが、前記ガス吸着フィルタを介して外部に排出されるように構成することができる。
【００２９】
ここで、ガス吸着フィルタの材料としては、活性炭、活性炭表面にアミン系化合物を修飾したもの、ジニトロフェニルヒドラジン（ＤＮＰＨ）、または過マンガン酸カリウムが例示される。特に、吸着能力の点から活性炭表面にアミン系化合物を修飾したものが好適である。ガス吸着フィルタを介して排ガスを電池の外部に放出するので、液体によって回収されなかった排ガスに含まれる副生成物を回収することができ、より確実に副生成物を排ガスから除去することができる。
【００３０】
本発明の燃料電池用カートリッジにおいて、前記ガス排出口に設けられ、前記気液分離膜を通過した前記排ガスを酸化する酸化部を含むことができる。
【００３１】
ここで、酸化部は、ガス排出口に設けられた触媒であってもよい。ここで用いる触媒としては、たとえば、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉのうちの少なくとも一種を含む金属、合金、またはそれらの酸化物を用いることができる。これらの触媒は、排ガスを効率よく酸化させることができる。
【００３２】
また、酸化部は触媒による排ガスの酸化を促進させるために酸化促進手段を設けても良い。酸化促進手段は、たとえば、ガスまたは触媒を加熱する加熱部等を具備した構成とすることができる。このようにすれば、排ガス回収室内の液体を透過した後の排ガスに含まれる副生成物を効率よく確実に酸化させることができる。また、燃料電池を長時間使用した後に、触媒により酸化しきれなかった成分や液状化した成分が触媒に付着した場合であっても、そのような成分を効率よく、より確実に酸化させて完全に除去することができ、性能を維持することができる。また、酸化促進手段は、酸素を含む気体を供給する酸素供給部を有することができる。
【００３３】
本発明の燃料電池用カートリッジにおいては、前記液体は、二酸化炭素を吸収する材料に限定されず、入手が容易な水、アルコールでも使用できる。ただし、漏洩しても集電体等の部材を著しく酸化することがないように、ｐＨ２以上であることが好ましく、ｐＨ３以上であることがより好ましい。また、強いアルカリ性の液体が電解質膜に付着した場合、プロトン伝導度を下げる等の劣化を及ぼすことを発明者らは確認しているので、ｐＨ９以下であることが好ましく、ｐＨ８以下であることがより好ましい。本発明の主旨に適合する代表的な液体は水である。水は極性溶媒であるため、副生成物を溶解しやすく、本発明の目的に特に好適である。
【００３４】
本発明によれば、燃料極、酸化剤極およびこれらに挟持される電解質膜を備えた燃料電池と、前記燃料極に対して液体燃料を供給する燃料供給系と、前記燃料極または前記酸化剤極で発生した気体を回収する気体回収系と、前記燃料供給系および前記気体回収系に対して着脱可能に設けられた燃料電池用カートリッジと、を備え、前記燃料電池用カートリッジが上記燃料電池用カートリッジであることを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００３５】
この構成によれば、気体回収系により、燃料電池の燃料極および酸化剤極の両方から排出される排ガスを回収することができるので、酸化剤極にクロスオーバした未反応の燃料ガスや、二酸化炭素、およびその副生成物を含む排ガスを液体と接触させて通過させることによって、酸化剤極から発生した排ガス中に含まれる副生成物も溶解させて回収することができる。このように、燃料電池内で発生した副生成物を燃料カートリッジ内で回収し、無害化された二酸化炭素を外部に放出することができる。
【００３６】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記気体回収系が回収した前記気体を排出する排出口を有し、前記燃料電池用カートリッジの前記排ガス回収口および前記燃料電池の前記気体回収系の前記排出口のいずれか一方を覆うように設けられた隔膜、および他方に設けられた中空針を備え、前記燃料電池用カートリッジが前記燃料電池に接続されたとき、前記中空針が前記隔膜を貫通し、前記排ガス回収口および前記排出口が連通することができる。
【００３７】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池は、燃料極に液体燃料を供給する直接型燃料電池とすることができる。燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。
【００３８】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の前記気体回収系の前記排出口と前記燃料電池用カートリッジの前記排出ガス回収口の間に設けられ、前記燃料電池の前記気体回収系で回収された排ガスを酸化する酸化部を含むことができる。
【００３９】
ここで、酸化部は、前記燃料電池の前記気体回収系の前記排出口と前記燃料電池用カートリッジの前記排出ガス回収口の間に設けられた触媒であってもよい。ここで用いる触媒としては、たとえば、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉのうちの少なくとも一種を含む金属、合金、またはそれらの酸化物を用いることができる。これらの触媒は、排ガスを効率よく酸化させることができる。
【００４０】
また、酸化部は触媒による排ガスの酸化を促進させるために酸化促進手段を設けても良い。酸化促進手段は、たとえば、ガスまたは触媒を加熱する加熱部等を具備した構成とすることができる。このようにすれば、排ガス回収室内の液体を透過する前の排ガスに含まれる、未反応の燃料ガスや副生成物を効率よく確実に酸化させることができる。また、燃料電池を長時間使用した後に、触媒により酸化しきれなかった成分や液状化した成分が触媒に付着した場合であっても、そのような成分を効率よく、より確実に酸化させて完全に除去することができ、性能を維持することができる。また、酸化促進手段は、酸素を含む気体を供給する酸素供給部を有することができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、内部に液体が収容される排ガス回収室を備えているため、燃料電池内で発生した副生成物を回収し、無害化した二酸化炭素は電池の外部に放出する、複数回の使用に耐える燃料電池用カートリッジを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００４３】
以下、本発明に係る燃料電池用カートリッジの例について説明する。以下の例では、ダイレクトメタノール型燃料電池の例を挙げて説明するが、燃料の種類はメタノールに限られず種々の態様を採用することができる。
【００４４】
また、本発明の実施の形態における燃料電池用カートリッジは、燃料電池に使用され、交換可能である。燃料電池は、携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤ等の小型電気機器に適用可能である。
（第一の実施の形態）
図１は本実施の形態における燃料電池用カートリッジの構造を模式的に示した図である。図１（ａ）は、燃料電池用カートリッジの側断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の燃料電池用カートリッジの上面図である。
【００４５】
燃料カートリッジ１２２０は、燃料１２４を収容する燃料室１２２１と、図示されない燃料電池から排出される排ガス１７０５に含まれる物質を溶解する水１７０１を収容する回収室１７０３と、を備える。燃料室１２２１は、燃料１２４を燃料電池に供給する注入口１２２３と、注入口１２２３の端部に設けられた隔膜１２４５と、を含む。回収室１７０３は、排ガス１７０５を回収する回収口１７０７が開口する一端および排ガス１７０５を外部に放出する排出口１７１３が開口する他端を有する。回収口１７０７は、燃料電池の少なくとも酸化剤極から排出される排ガス１７０５を回収する。回収室１７０３は、回収口１７０７の端部に設けられた隔膜１７０９と、水１７０１を通過した排ガス１７０５を水１７０１から分離する気液分離膜１７１１と、排出口１７１３に設けられたガス吸着フィルタ１７１５と、を含む。
【００４６】
このように、回収室１７０３は、気液分離膜１７１１により第一の領域と第二の領域に区画される。第一の領域には水１７０１が収容され、第二の領域にはガス吸着フィルタ１７１５が設けられる。気液分離膜１７１１を通過した排ガス１７０５がガス吸着フィルタ１７１５を介して外部に排出されるように構成されている。
【００４７】
本実施の形態において、水１７０１は、燃料カートリッジ１２２０に予め収容されていた構成としているが、これに限定されるものではなく、燃料カートリッジ１２２０に水１７０１を注入する閉止可能な注入口を設け、注入口から水１７０１を注入可能な構成とすることも可能である。さらに、燃料カートリッジ１２２０に水１７０１を排出する閉止可能な排出口を設け、排ガス１７０５の副生成物を溶解した後の水１７０１を排出口を介して排出し、所定の廃液処理系統にて回収することもできる。水１７０１を排出口から排出した後に、再度注入口から水１７０１を注入することができる。このようにして水１７０１を交換できる構成とすることもできる。
【００４８】
また、回収室１７０３を燃料カートリッジ１２２０から着脱可能とし、交換可能な構成とすることもできる。本実施の形態の燃料カートリッジ１２２０において、通常の運転状態では、水１７０１は、排ガス１７０５に含まれる副生成物を溶解するのに必要十分な容量を有しているが、このような回収室１７０３を交換可能にする構成は、副生成物が過剰に発生してしまったような異常運転を想定した場合に有用である。
【００４９】
また、このような場合を想定し、燃料カートリッジ１２２０は、水１７０１に溶解した副生成物が所定の量を超え、飽和状態になっているかを検知する検知部を設けることもできる。
【００５０】
検知部は、水１７０１のｐＨを色変化で識別可能なリトマス液やＢＴＢ溶液などを予め水１７０１に溶解させ、さらに回収室１７０３に外部から内部の水１７０１が見えるように窓を設けておく構成とすることができる。この構成により、ホルムアルデヒドなどの副生成物の溶解により、ｐＨが酸性に変化し、色が変化した水１７０１を窓から確認できるので、水１７０１に副生成物が飽和状態になっていることを通知できることとなる。
【００５１】
あるいは、検知部は、回収室１７０３に水１７０１を媒体とした１対の電極を設け、この１対の電極と電気的に接続可能な導通用電極と、導通用電極間の導電率を測定する測定部と、を筐体１２０３側に設けた構成とすることもできる。この構成により、水１７０１で副生成物が飽和状態になっていると、導電率が低下するため、状態を検知することができる。検知部は、測定された導電率が所定の値を下回った場合に、通知する手段、たとえば表示部など、を設けることができる。
【００５２】
隔膜１２４５および隔膜１７０９は、弾性、伸縮性を有するとともに、燃料１２４および水１７０１を透過しない材質からなるのが好ましい。
【００５３】
また、本実施の形態において、排ガス１７０５は、水１７０１の中に導入され、通過するように構成されているが、これに限定されるものではない。たとえば、水１７０１の上部を排ガス１７０５が通過するような構成でもよい。あるいは、霧状、滴状または流水状の水１７０１を回収室１７０３内の排ガス１７０５の通路上に噴霧、噴水または流水するように構成してもよい。
【００５４】
気液分離膜１７１１は、たとえば、ポリエーテルスルホンやアクリル共重合体などからなる疎水性膜である。このような気液分離膜１７１１としては、ゴアテックス（ジャパンゴアテックス(株)社製）（登録商標）、バーサポア（日本ポール社製）（登録商標）、スーポア（日本ポール(株)社製）（登録商標）などが例示される。
【００５５】
図２は燃料カートリッジ１２２０の燃料電池への取り付け箇所を示す断面図である。
【００５６】
燃料電池の筐体１２０３は、燃料電池に燃料１２４を供給する燃料供給流路１２０７と、燃料電池で発生した排ガス１７０５を回収する排ガス回収流路１７２１と、燃料供給流路１２０７と外部を連通するように設けられた中空針１２５７と、排ガス回収流路１７２１と外部を連通するように設けられた中空針１７２３と、を備えている。
【００５７】
燃料カートリッジ１２２０は、凸部１７２５がバネ１７２６を介して取り付けられたバネ取付部１７２７を含み、凸部１７２５は、燃料カートリッジ１２２０の側面外側に向かって突出するとともに、バネ１７２６により側面外側方向に向かって押圧される。
【００５８】
燃料電池の筐体１２０３は、燃料カートリッジ１２２０の凸部１７２５が嵌合する凹部１７２９を有する。また、燃料カートリッジ１２２０は、バネ１７２６の弾性を解除し、凸部１７２５を筐体１２０３の凹部１７２９から脱着させる図示されない解除部を有する。このように構成された燃料カートリッジ１２２０と燃料電池の筐体１２０３は、燃料カートリッジ１２２０の凸部１７２５が筐体１２０３の凹部１７２９に嵌合することにより、互いに着脱可能に接続される。なお、燃料カートリッジ１２２０を燃料電池の筐体１２０３に着脱可能に接続するための構成は、これに限定されず、様々な変形例があることは、当業者には理解されるところである。
【００５９】
図２において、燃料カートリッジ１２２０が燃料電池の筐体１２０３に装着されたとき、燃料カートリッジ１２２０の隔膜１２４５および隔膜１７０９が筐体１２０３の中空針１２５７および中空針１７２３によってそれぞれ穿刺され、燃料カートリッジ１２２０の燃料室１２２１と燃料供給流路１２０７および燃料カートリッジ１２２０の回収室１７０３と排ガス回収流路１７２１が中空針１２５７および中空針１７２３を介してそれぞれ連通される。ここで、隔膜１２４５および隔膜１７０９は、中空針１２５７および中空針１７２３との間の穿孔部分をシールドすることができる伸縮性を有する材料により構成されることが好ましい。隔膜１２４５および隔膜１７０９は、たとえば、高密度ゴムやセプタムにより構成することができる。
【００６０】
以上のように構成された燃料カートリッジ１２２０の効果について、図１および図２を用いて以下に説明する。
【００６１】
燃料カートリッジ１２２０が燃料電池の筐体１２０３に装着されたとき、中空針１７２３が燃料カートリッジ１２２０の隔膜１７０９を穿刺し、燃料カートリッジ１２２０の回収室１７０３と燃料電池の排ガス回収流路１７２１とが中空針１７２３を介して連通する。
【００６２】
これにより、燃料電池内で発生し、排ガス回収流路１７２１に回収された排ガス１７０５が、燃料カートリッジ１２２０の回収室１７０３に中空針１７２３を介して導入される。燃料カートリッジ１２２０の回収室１７０３に導入された排ガス１７０５は、回収室１７０３の長手方向の距離Ｌ（図１参照）を移動する間、排ガス１７０５に含まれる副生成物が回収室１７０３に収容されている水１７０１に溶解し、回収される。排ガス１７０５に含まれる副生成物は、未反応の燃料や電気化学反応の副生成物であるホルムアルデヒド、ギ酸、およびギ酸メチルなどを含む。
【００６３】
これらの副生成物は、極性溶媒である水１７０１に溶解しやすく、回収室１７０３内に収容されている水１７０１内を通過する間に、水１７０１に溶解する。ここで、水１７０１は、排ガス１７０５に含まれる副生成物を溶解するのに必要十分な容量を有する。
【００６４】
本実施の形態において、副生成物を溶解する液体として水１７０１を用いたが、これに限定されるものではない。液体は、他の極性溶媒であってもよく、たとえば、アルコール、エーテルなどでもよい。しかし、水１７０１は、入手しやすく扱いも簡単であるので、液体として好適である。
【００６５】
排ガス１７０５は気液分離膜１７１１を介して、回収室１７０３の排出口１７１３に排出される。さらに排ガス１７０５は、ガス吸着フィルタ１７１５を通過し、排ガス１７０５に残留する副生成物がさらに除去され、燃料カートリッジ１２２０の外部に無害化された排気ガス１７１７として放出される。排気ガス１７１７は主に二酸化炭素を含む。
【００６６】
このように、水１７０１に副生成物のみが回収され、無害化された排気ガス１７１７は外部に放出される。ここで、水１７０１は、副生成物を回収してもその体積が経時的に増加することもなく、また、吸水性材料などを用いたときのように、経時的に吸収効率が低下することもない。
【００６７】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池内で発生した副生成物のみを燃料カートリッジ１２２０により回収し、無害化した二酸化炭素を電池の外部に放出することができる。
【００６８】
また、副生成物を収容する液体の体積が経時的に増加することもなく、吸水性材料を用いたときのように、経時的に吸収効率が低下することもないので、簡単な構成で、排ガス中の副生成物を効率よく回収できる。
（第二の実施の形態）
図３は、燃料電池用カートリッジの他の実施の形態を示す図である。燃料カートリッジの回収室１７０３は、回収口１７０７に設けられた多孔質のエアストーン１７３１を含む。エアストーン１７３１により、排ガス１７０５は回収室１７０３内に気泡１７３３として導入される。
【００６９】
ここで、多孔質のエアストーン１７３１は、たとえば、１３００度程度の高温で焼入れされたセラミック製のものや、プラスチック材を発泡させ、圧縮し成型して得られるウレタン樹脂製のものを使用することができる。あるいは、エアストーン１７３１は、軽石なども使用できる。エアストーン１７３１は、球状、円柱状、プレート状など様々な形状のものを使用できる。エアストーン１７３１を介して排ガス１７０５を回収室１７０３内に気泡１７３３として導入することにより、副生成物の水１７０１への溶解効率を向上させることができる。
（第三の実施の形態）
図４は、燃料電池用カートリッジの他の実施の形態を示す図である。燃料カートリッジ１２２０は、排出口１７１３に設けられた排出通路８３１内に、気液分離膜１７１１を通過した排ガス１７０５を酸化する触媒８３５を有する。ここで用いる触媒としては、たとえば、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉのうちの少なくとも一種を含む金属、合金、またはそれらの酸化物を用いることができる。これらの触媒は、排ガス１７０５を効率よく酸化させることができる。
【００７０】
また、触媒８３５による排ガス１７０５の酸化を促進させるために酸化促進手段（不図示）を設けても良い。酸化促進手段は、たとえば、ガスまたは触媒を加熱する加熱部（不図示）等を具備した構成とすることができる。このようにすれば、回収室１７０３内の液体を透過した後の排ガス１７０５に含まれる副生成物を効率よく確実に酸化させることができる。また、燃料電池を長時間使用した後に、触媒により酸化しきれなかった成分や液状化した成分が触媒に付着した場合であっても、そのような成分を効率よく、より確実に酸化させて完全に除去することができ、性能を維持することができる。また、酸化促進手段は、酸素を含む気体を供給する酸素供給部（不図示）を有することができる。
（第四の実施の形態）
図５は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムのブロック構成図である。
【００７１】
本実施の形態の燃料電池システム１７４０は、複数の燃料電池単位セル（不図示）を含む燃料電池セル群１０００と、燃料電池セル群１０００に燃料１２４を供給する燃料カートリッジ１２２０と、を備える。燃料電池システム１７４０において、燃料カートリッジ１２２０は、燃料電池セル群１０００が設けられた筐体１２０３に着脱可能に接続される。
【００７２】
燃料電池セル群１０００の燃料電池単位セルは、燃料極（不図示）および酸化剤極（不図示）と、これらの間に設けられた固体電解質膜（不図示）を含み、燃料極には燃料１２４が、酸化剤極には酸化剤１２６がそれぞれ供給されて電気化学反応により発電する。燃料電池単位セルは、燃料極に液体燃料が供給される直接型の燃料電池である。燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。酸化剤１２６としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。
【００７３】
燃料電池システム１７４０は、燃料極に対して燃料１２４を供給する燃料供給系（図２の燃料供給流路１２０７を含む。）と、燃料極または酸化剤極で発生した気体を回収する気体回収系（図２の排ガス回収流路１７２１を含む。）と、燃料供給系および気体回収系に対して着脱可能に設けられた燃料カートリッジ１２２０と、を備える。
【００７４】
本実施の形態の燃料電池システム１７４０において、気体回収系は、少なくとも酸化剤極で発生した気体を回収する。これにより、燃料電池の酸化剤極にクロスオーバした未反応の燃料ガスや二酸化炭素、およびその副生成物を回収することができる。
【００７５】
燃料電池システム１７４０は、燃料電池セル群１０００の燃料電池単位セルの燃料極に燃料１２４を供給する燃料流路３１０と、燃料電池セル群１０００の燃料電池単位セルの酸化剤極に酸化剤１２６を供給する酸化剤流路３１２と、を含む。
【００７６】
さらに燃料電池システム１７４０は、燃料カートリッジ１２２０から供給された燃料１２４を一時的に貯蔵する燃料容器８１１を含む。燃料１２４は燃料カートリッジ１２２０の燃料室１２２１からポンプ１７５１を介して燃料容器８１１に注入され、さらにポンプ１７５３を介して燃料流路３１０に供給される。また、酸化剤１２６はポンプ１７５５を介して酸化剤流路３１２に供給される。
【００７７】
燃料電池システム１７４０は、燃料容器８１１および燃料流路３１０内では、燃料１２４から発生した未反応の燃料ガス１７４１および燃料電池の電気化学反応により生じた副生成物を含む排ガス１７４２を分離する気液分離膜が設けられた気液分離膜室８１５を有する。
【００７８】
気液分離膜室８１５の気液分離膜によって分離された排ガス１７４３と、酸化剤流路３１２において、燃料電池の電気化学反応により生じた副生成物を含む排ガス１７４５と、がポンプ１７５７を介して燃料カートリッジ１２２０の回収室１７０３に回収される。
【００７９】
図５において、ポンプ１７５１、燃料容器８１１、ポンプ１７５３、および燃料流路３１０は燃料供給系を構成し、気液分離膜室８１５およびポンプ１７５７は気体回収系を構成する。
【００８０】
なお、ポンプ１７５１、ポンプ１７５３、ポンプ１７５５、およびポンプ１７５７は、図示されない制御部により流量制御される。
【００８１】
次に、図５を参照して、このように構成された燃料電池システム１７４０の効果を説明する。
【００８２】
燃料電池システム１７４０において、燃料カートリッジ１２２０からポンプ１７５１を介して燃料容器８１１に補給された燃料１２４から発生した未反応の燃料ガス１７４１は、気液分離膜室８１５の気液分離膜を介して排ガス１７４３として排出される。また、燃料流路３１０の燃料１２４から発生した未反応の燃料ガスと、燃料電池の電気化学反応により生じた副生成物を含む排ガス１７４２も気液分離膜室８１５の気液分離膜を介して排ガス１７４３として排出される。
【００８３】
また、酸化剤流路３１２において、燃料電池の電気化学反応により生じた副生成物を含む排ガス１７４５と、気液分離膜室８１５の気液分離膜を介して排出された排ガス１７４３とは、ともに回収され、ポンプ１７５７を介して筐体１２０３から燃料カートリッジ１２２０に排ガス１７０５として排出される。
【００８４】
このようにして筐体１２０３において発生した排ガス１７０５が燃料カートリッジ１２２０の回収室１７０３に回収され、回収室１７０３において、上記実施の形態で述べたように、排ガス１７０５に含まれる副生成物が回収され、無害化された二酸化炭素が燃料カートリッジ１２２０を介して燃料電池システム１７４０の外部に放出される。本実施の形態の燃料電池システム１７４０によれば、燃料極から発生した排ガスのみだけでなく、酸化剤極から発生した排ガスも回収できるので、酸化剤極にクロスオーバした未反応の燃料ガスや二酸化炭素、その副生成物も回収することができる。
【００８５】
以上説明したように、簡単な構成で、燃料電池内で発生した副生成物を回収し、無害化した二酸化炭素を電池の外部へ放出し、燃料電池システムの保全性および信頼性を向上させることができる。
【００８６】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００８７】
たとえば、図５の燃料電池システム１７４０において、燃料電池の気体回収系の排出口と燃料カートリッジ１２２０の図１における回収口１７０７の図１における隔膜１７０９の間に設けられ、燃料電池の気体回収系で回収された排ガスを酸化する酸化部を含むことができる。
【００８８】
ここで、酸化部は、燃料電池の気体回収系の排出口と燃料電池用カートリッジ１２２０の回収口１７０７の間に設けられた触媒であってもよい。ここで用いる触媒としては、たとえば、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉのうちの少なくとも一種を含む金属、合金、またはそれらの酸化物を用いることができる。これらの触媒は、排ガスを効率よく酸化させることができる。
【００８９】
また、酸化部は触媒による排ガスの酸化を促進させるために酸化促進手段を設けても良い。酸化促進手段は、たとえば、ガスまたは触媒を加熱する加熱部等を具備した構成とすることができる。このようにすれば、燃料カートリッジ１２２０の回収室１７０３内の液体を透過する前の排ガスに含まれる、未反応の燃料ガスや副生成物を効率よく確実に酸化させることができる。また、燃料電池を長時間使用した後に、触媒により酸化しきれなかった成分や液状化した成分が触媒に付着した場合であっても、そのような成分を効率よく、より確実に酸化させて完全に除去することができ、性能を維持することができる。また、酸化促進手段は、酸素を含む気体を供給する酸素供給部を有することができる。
【００９０】
また、回収室１７０３は、燃料室１２２１との間の隔壁を構成する部分を、弾性、伸縮性を有するとともに、燃料１２４および水１７０１を透過しない材質からなるのが好ましい。このように構成された燃料カートリッジ１２２０によれば、燃料電池の運転に伴い発生する水の回収による回収室１７０３内の水１７０１の増加に伴って、回収室１７０３の容積を増加させることが可能となる。
【００９１】
たとえば、燃料電池の酸化剤極で発生する水が水蒸気となって排ガス１７０５に含まれ、回収室１７０３に回収されるとき、回収室１７０３内の水１７０１の体積は増加し、燃料室１２２１内の燃料１２４が使用され、燃料１２４の体積は減少する。燃料室１２２１および回収室１７０３の間の隔壁を構成する部分を、弾性および伸縮性を有する材質で構成すれば、水１７０１の体積の増加分を燃料１２４の体積が減少する分で若干補うことができる。これにより、燃料カートリッジ１２２０全体の容積を小さくすることができる。あるいは、燃料電池の運転に伴い発生する水の回収による回収室１７０３内の水１７０１の増加を考慮して、回収室１７０３内に収容される水１７０１の量を予め少なめにしておくこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】実施の形態に係る燃料電池用カートリッジの構造を模式的に示した図である。
【図２】燃料電池用カートリッジの取付部を示す断面図である。
【図３】燃料電池用カートリッジの他の実施の形態を示す図である。
【図４】燃料電池用カートリッジの他の実施の形態を示す図である。
【図５】実施の形態に係る燃料電池システムのブロック構成図である。
【符号の説明】
【００９３】
１２４  燃料
１２６  酸化剤
３１０  燃料流路
３１２  酸化剤流路
８１１  燃料容器
８１５  気液分離膜
８３１  排出通路
８３５  触媒
１０００  燃料電池セル群
１２０３  筐体
１２０７  燃料供給流路
１２２０  燃料カートリッジ
１２２１  燃料室
１２２３  注入口
１２４５  隔膜
１２５７  中空針
１７０１  水
１７０３  回収室
１７０５  排ガス
１７０７  回収口
１７０９  隔膜
１７１１  気液分離膜
１７１３  排出口
１７１５  ガス吸着フィルタ
１７１７  排気ガス
１７２１  排ガス回収流路
１７２３  中空針
１７２５  凸部
１７２６  バネ
１７２７  バネ取付部
１７２９  凹部
１７３１  エアストーン
１７３３  気泡
１７４０  燃料電池システム
１７４１  燃料ガス
１７４２  排ガス
１７４３  排ガス
１７４５  排ガス
１７５１  ポンプ
１７５３  ポンプ
１７５５  ポンプ
１７５７  ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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