(57)【要約】【課題】  システム起動時（発電動作開始時）に燃料電池本体の電解質膜の湿潤状態を良好に保持して、発電動作に係る電気化学反応を促進し、所定の電気エネルギーを良好に取り出すことができる燃料電池システム、及び、該燃料電池システムに適用可能な発電用燃料容器を提供する。【解決手段】  燃料電池システムは、発電用燃料と水が個別に封入された燃料カートリッジ２０と、発電用燃料を改質して水素ガスを取り出す改質部１２と、水素ガスと酸素とを用いた電気化学反応により電気エネルギーを生成する発電セル部１１と、燃料カートリッジ２０から発電用燃料及び水を個別に取り出して、改質部１２及び発電セル部１１へ供給する燃料供給制御部１４及び水供給制御部１５と、を備え、発電セル部１１における発電動作に先立って、該電解質膜を所定の湿潤状態に保持するように構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電動作を行う燃料電池本体を備えた燃料電池システムにおいて、
発電用燃料及び水を個別に封入した燃料容器と、
前記燃料容器から前記水を取り出して、前記燃料電池本体に供給する水供給制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水供給制御手段は、少なくとも前記燃料電池本体における前記発電動作に先立って、前記水供給制御手段により前記燃料電池本体に水を供給して、前記燃料電池本体の電解質膜を所定の湿潤状態に保持する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】
前記燃料容器から取り出された前記発電用燃料を改質して前記水素を生成し、前記燃料電池本体の燃料極に供給する改質手段を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水供給制御手段は、前記燃料容器から取り出した前記水を、前記改質手段に供給することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システムは、前記燃料電池本体における前記発電動作に伴って生成される水を回収し、該水を少なくとも前記燃料電池本体に供給する水回収制御手段を、さらに有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水回収制御手段は、前記燃料電池本体から回収した前記水を、前記電解質膜に供給することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水供給制御手段は、前記水回収制御手段が水を回収して前記電解質膜に供給し始めると、前記燃料電池本体への水の供給を停止することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料容器は、前記発電用燃料が封入された燃料封入部と、前記水が封入された水封入部とからなり、
前記燃料封入部の両端部に、前記発電用燃料を取り出すための燃料取出口と、前記燃料封入部内で前記発電用燃料を前記燃料取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部と、が設けられ、
前記水封入部の両端部に、前記水を取り出すための水取出口と、前記水封入部内で前記水を前記水取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部と、が設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
水素と酸素を用いた触媒反応により電気エネルギーを生成する発電動作を行う燃料電池本体を備えた燃料電池システムの発電用燃料容器において、
前記水素を生成するための発電用燃料が封入された燃料封入部と、
少なくとも前記燃料電池本体における前記発電動作に先立って、前記燃料電池本体の電解質膜を所定の湿潤状態に保持するために用いられる水が封入された水封入部と、
を有し、
前記燃料封入部と前記水封入部が一体的に形成されていることを特徴とする発電用燃料容器。
【請求項１０】
前記水封入部は、前記燃料電池本体における発電動作に用いる前記水素を生成するための改質反応に用いられる量の前記水がさらに封入されていることを特徴とする請求項９記載の発電用燃料容器。
【請求項１１】
前記燃料封入部は、両端部に、前記発電用燃料を取り出すための燃料取出口と、前記燃料封入部内で前記発電用燃料を前記燃料取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部と、が設けられ、
前記水封入部は、両端部に、前記水を取り出すための水取出口と、前記水封入部内で前記水を前記水取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部と、が設けられていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の発電用燃料容器。
【請求項１２】
前記発電用燃料容器は、前記燃料封入部及び前記水封入部に設けられた前記各開口部を介して注入される空気の圧力により、前記発電用燃料及び前記水が前記各取出口から取り出されることを特徴とする請求項１１記載の発電用燃料容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び発電用燃料容器に関し、特に、発電用燃料から生成された水素ガスを用いて発電動作を行う燃料改質供給型の燃料電池システム、及び、該燃料電池システムに適用して良好であって、燃料電池本体を含む発電モジュールに対して着脱可能な構造を有する発電用燃料容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題やエネルギー問題への関心の高まりに伴い、次世代の主流となる電源システム（又は、発電システム）として、温暖化ガスや汚染物質をほとんど排出しないため環境への影響（環境負荷）が極めて小さく、かつ、旧来の発電システムに比較して極めて高い発電効率（エネルギー変換効率）を実現することができる燃料電池（又は、燃料電池を用いた電源システム）の本格的な普及に向けた研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
このような燃料電池を用いた電源システムは、例えば、自動車分野において、排気ガス等の排出による環境負荷が大きいガソリンエンジンやディーゼルエンジンに代わる駆動装置である電気モータの駆動電源として、また、事業所や家庭等の電力分野において、電力会社の発電所からの電力に代わる低損失の発電設備として、実用化や製品化され、今後、一層普及することが期待されている。
【０００４】
そして、このような燃料電池システムにおいては、近年、システムを大幅に小型化して、ノート型パーソナルコンピュータ（ノートパソコン）やデジタルカメラ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯電話等の携帯型の電子機器（携帯機器）の電源ユニットとして適用する試みが盛んに行われている。
【０００５】
ここで、周知の燃料電池（固体高分子型燃料電池）の例について、簡単に説明する。
一般に、固体高分子膜を電解質膜（イオン交換膜）とする燃料電池（固体高分子型燃料電池）における発電動作は、アノード極（燃料極）において発電用燃料から水素イオンと電子が生成され、該水素イオンが電解質膜を介して透過し、カソード極（酸素極）側で酸素分子と結合する際に、アノード極側からカソード極側へ移動する電子を取り出すことにより電気エネルギー（電力）を得ることができるものである。
【０００６】
また、燃料電池（アノード極側）に供給される発電用燃料としては、水素ガスが直接供給されることが望ましいが、このような水素ガスを直接燃料電池に供給するシステムは、水素ガスの生成、貯蔵、供給等における技術面や安全面における取り扱いの難しさや、経済的な観点等から、事業所における発電設備や自動車等の駆動電源等の比較的大型のシステムにおいてのみ実用化が図られている。
【０００７】
これに対して、小型の電子機器（携帯機器）等への適用が検討されている燃料電池システムにおいては、比較的入手や取り扱いが容易で、製造コストも安価な、エタノールやメタノール等の炭化水素系の液体燃料（アルコール類）を適用したものが実用化されている。そして、このような燃料電池システムにおける液体燃料からなる発電用燃料の供給方式としては、当該発電用燃料（メタノール等）を直接燃料電池本体のアノード極に供給する燃料直接供給方式と、該発電用燃料を改質して得られる水素ガスをアノード極に供給する燃料改質供給方式と、が知られている。
【０００８】
図７は、燃料直接供給方式を採用した固体高分子型の燃料電池を示す概略構成図であり、図８は、燃料改質供給方式を採用した固体高分子型の燃料電池を示す概略構成図である。ここで、同等又は同一の構成については同一の符号を付して説明する。
図７に示すように、まず、燃料電池本体１１０Ａは、概略、所定の触媒微粒子（例えば、白金や白金・ルテニウム等）が付着した炭素電極からなるアノード極１１１と、所定の触媒微粒子（白金等）が付着した炭素電極からなるカソード極１１２と、アノード極１１１とカソード極１１２の間に介挿されたフィルム状の電解質膜（イオン交換膜）１１３と、を有して構成されている。
【０００９】
そして、このような構成を有する燃料電池本体１１０Ａに対して、燃料直接供給方式においては、図７に示すように、アノード極１１１側に、発電用燃料（例えば、メタノールＣＨ３ＯＨ）及び水Ｈ２Ｏが直接供給され、一方、カソード極１１２には大気（空気）中の酸素Ｏ２が供給される。
【００１０】
この燃料直接供給方式の燃料電池における発電動作に係る電気化学反応は、アノード極１１１にメタノールＣＨ３ＯＨが直接供給されると、次の化学反応式（１１）に示すように、触媒反応により電子ｅ−が分離して水素イオン（プロトン）Ｈ＋が発生し、電解質膜１１３を介してカソード極１１２側に通過するとともに、アノード極１１１を構成する炭素電極により電子ｅ−が取り出されて負荷ＬＤに供給される。
２ＣＨ３ＯＨ＋２Ｈ２Ｏ → １２Ｈ＋＋１２ｅ−＋２ＣＯ２          ・・・（１１）
なお、この化学反応においては、メタノールＣＨ３ＯＨのほかに、反応を促進するために水Ｈ２Ｏを必要とするため、数％のメタノール水溶液が適用される。
【００１１】
一方、カソード極１１２に空気（酸素Ｏ２）が供給されることにより、次の化学反応式（１２）に示すように、触媒により負荷ＬＤを経由した電子ｅ−と電解質膜１１３を通過した水素イオンＨ＋と空気中の酸素Ｏ２が反応して、副生成物として水（Ｈ２Ｏ）が生成される。
１２Ｈ＋＋３Ｏ２＋１２ｅ− → ６Ｈ２Ｏ          ・・・（１２）
【００１２】
このような一連の触媒反応（電気化学反応）は、固体高分子膜からなる電解質膜１１３では、概ね室温から数十℃程度の比較的低温の温度条件で進行し、電気エネルギー（電力）以外の副生成物は基本的に水Ｈ２Ｏのみとなる。なお、このような電気化学反応により取り出される電気エネルギーは、燃料電池本体１１０Ａのアノード極１１１に供給される発電用燃料（メタノール及び水）の量に依存する。
【００１３】
また、燃料改質供給方式においては、図８に示すように、図７と同等の構成を有する燃料電池本体１１０Ｂにおいて、図示を省略した改質器（詳しくは後述する）により発電用燃料（例えば、メタノールＣＨ３ＯＨ）を改質して得られた水素ガスＨ２がアノード極１１１側に供給され、一方、カソード極１１２には大気（空気）中の酸素Ｏ２が供給される。
【００１４】
これにより、燃料改質供給方式の燃料電池における発電動作に係る電気化学反応は、アノード極１１１に水素ガスＨ２が供給されると、次の化学反応式（１３）に示すように、触媒反応により電子（ｅ−）が分離して水素イオンＨ＋が発生し、電解質膜１１３を介してカソード極１１２側に通過するとともに、アノード極１１１を構成する炭素電極により電子ｅ−が取り出されて負荷ＬＤに供給される。
２Ｈ２ → ４Ｈ＋＋４ｅ−          ・・・（１３）
【００１５】
一方、カソード極１１２に空気（酸素Ｏ２）が供給されることにより、次の化学反応式（１４）に示すように、触媒により負荷ＬＤを経由した電子ｅ−と電解質膜１１３を通過した水素イオンＨ＋と空気中の酸素Ｏ２が反応して、副生成物として水（Ｈ２Ｏ）が生成される。
４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ− → ２Ｈ２Ｏ          ・・・（１４）
【００１６】
このような一連の電気化学反応（（１３）式及び（１４）式）は、概ね６０〜８０℃の比較的低温の温度条件で進行し、電気エネルギー（電力）以外の副生成物は基本的に水Ｈ２Ｏのみとなる。なお、このような電気化学反応により取り出される電気エネルギーは、燃料電池本体１１０Ｂのアノード極１１１に供給される水素ガスＨ２の量に依存する。
【００１７】
ところで、上述した各燃料供給方式の燃料電池における発電動作において、電解質膜における水素イオンＨ＋の伝導（通過）には、厳密には、水素イオンＨ＋に水Ｈ２Ｏ（水分）が結合したＨ３Ｏ＋イオンの形で行われるため、上記電気化学反応を促進して発電効率を高めるためには、電解質付近の雰囲気を水蒸気飽和状態（湿潤状態）にする必要があることが知られている。このような燃料電池の発電動作については、例えば、特許文献１等に詳しく記載されている。
【００１８】
ここで、燃料直接供給方式の燃料電池においては、上述したように、アノード極に発電用燃料（メタノール等）と水からなるメタノール水溶液が直接供給されることにより、電解質付近の雰囲気を良好に水蒸気飽和状態（湿潤状態）にすることができるので、上記発電動作に係る電気化学反応を、良好に促進することができ、また、燃料電池システムの構成を簡素化することができるものの、この方式の燃料電池においては、一般に、燃料改質供給方式の燃料電池に比較して、発電効率（エネルギー変換効率）が低いという問題を有していた。
【００１９】
これに対して、燃料改質供給方式の燃料電池においては、上述した発電動作に係る電気化学反応のみに着目した場合、水Ｈ２Ｏ（水分）を必要としないため、電解質付近の雰囲気を良好に水蒸気飽和状態（湿潤状態）にするために、加湿器等の手段を設ける必要があるうえ、発電用燃料（メタノール等）を改質して水素ガスＨ２を生成するための改質器を設ける必要があり、燃料電池システムの構成が複雑化するものの、この方式の燃料電池においては、一般に、燃料直接供給方式の燃料電池に比較して、発電効率（エネルギー変換効率）が高いという特徴を有している。
【００２０】
したがって、燃料電池システムを、携帯型の電子機器の電源ユニットとしての搭載する場合、例えば、ノートパソコンやＰＤＡ等のように、表示パネル（画面）の大きさや入力機構（キーボード等）の使い勝手の問題等により、携帯電話器やポータブル音響機器等のように極端な小型軽量化をする必要がない、あるいは、小型化がさほど重要ではない機器においては、小型化が可能であるものの発電効率が劣る燃料直接供給方式の燃料電池システムよりも、極端な小型化ができないものの、発電効率に優れる燃料改質供給方式の燃料電池システムを適用する方が好ましい。
【００２１】
【特許文献１】特開２００４−１７８８８９号公報  （第１頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
上述したように、燃料改質供給方式の燃料電池システムにおいては、燃料電池本体における発電動作に係る電気化学反応を促進するために、電解質膜（イオン交換膜）を湿潤状態に保持する必要があるが、このような湿潤状態を保持するために、例えば、特許文献１等に記載されているように、燃料電池本体における発電動作（すなわち、化学反応式（１３）、（１４）からなる電気化学反応）時に副生成物として生成される水を回収して、電解質膜付近に供給する構成が提案されている。
【００２３】
しかしながら、燃料電池本体における発電動作に係る電気化学反応において、副生成物として生成される水を回収して、燃料電池本体の電解質膜に供給するためには、上記発電動作が安定的に実行されている必要がある。そのため、発電動作が開始された後、化学反応式（１３）、（１４）からなる電気化学反応が定常的に促進されている発電動作状態においては、副生成物である水を回収して、電解質膜に供給し、所定の湿潤状態に保持することができるが、発電動作の開始時や開始直後（システム起動時）においては、副生成物である水を回収して、電解質膜を所定の湿潤状態に良好に保持することができないという問題を有している。
【００２４】
このような問題を解決する手法としては、例えば、燃料電池システムを搭載した電子機器の出荷時点等において、予め電解質膜を加湿して水蒸気飽和状態にしておくことも考えられるが、当該電子機器の出荷後、気象条件等により電解質膜が乾燥して発電動作が不可能となったり、凍結により電解質層が破壊されたりする動作不良やシステム不良が発生する可能性があり、輸送や保管、機器休止時の環境管理（特に温度、湿度管理）を厳密に行わなければならないという問題を有している。
【００２５】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、システム起動時（発電動作開始時）に燃料電池本体の電解質膜の湿潤状態を良好に保持して、発電動作に係る電気化学反応を促進し、所定の電気エネルギーを良好に取り出すことができる燃料電池システム、及び、該燃料電池システムに適用可能な発電用燃料容器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
請求項１記載の発明は、発電動作を行う燃料電池本体を備えた燃料電池システムにおいて、
発電用燃料及び水を個別に封入した燃料容器と、
前記燃料容器から前記水を取り出して、前記燃料電池本体に供給する水供給制御手段と、
を有することを特徴とする。
【００２７】
前記燃料電池システムは、前記燃料容器から取り出された前記発電用燃料を改質して前記水素を生成し、前記燃料電池本体の燃料極に供給する改質手段を更に備えてもよい。
前記水供給制御手段は、前記燃料電池本体の電解質膜を所定の湿潤状態に保持するために必要な最低限の量の前記水を、前記燃料電池本体に供給するように設定することが好ましい。
この場合、前記水供給制御手段は、前記燃料容器から取り出した前記水を、前記改質手段に供給してもよい。
【００２８】
前記燃料電池システムは、前記改質手段に供給する前記発電用燃料の量を制御することにより、前記燃料電池本体に供給する前記水素の量を制御する燃料供給制御手段を、さらに有するようにしてもよい。
前記燃料電池システムは、前記燃料電池本体における前記発電動作に伴って生成される水を回収し、該水を少なくとも前記燃料電池本体に供給する水回収制御手段を、さらに有するようにしてもよい。
【００２９】
前記水回収制御手段は、前記燃料電池本体から回収した前記水を、前記電解質膜に供給することが好ましい。改質器が設けられていれば、水回収制御手段が改質器に水を供給することも可能である。
前記燃料容器は、前記発電用燃料が封入された燃料封入部と、前記水が封入された水封入部とからなり、前記燃料封入部の両端部に、前記発電用燃料を取り出すための燃料取出口と、前記燃料封入部内で前記発電用燃料を前記燃料取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部と、が設けられ、前記水封入部の両端部に、前記水を取り出すための水取出口と、前記水封入部内で前記水を前記水取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部と、が設けられていることが好ましい。
【００３０】
前記燃料電池システムは、該燃料電池システム周辺の空気を取り込んで、前記燃料容器を構成する前記燃料封入部及び前記水封入部に設けられた前記各開口部を介して、前記空気を注入する空気供給制御手段を、さらに有するようにしてもよい。
この場合、前記空気供給制御手段は、前記燃料電池システム周辺から取り込んだ前記空気を、前記燃料電池本体の空気極に供給する。
【００３１】
前記燃料電池システムは、少なくとも、前記燃料電池本体に前記水素、前記酸素及び前記水を供給する各供給経路、及び、前記燃料電池本体から排出される各種生成物の各排出経路に、各経路を個別に開閉制御する経路開閉手段を、さらに有し、前記燃料電池本体における前記発電動作時には、前記経路開閉手段を開状態に設定し、前記燃料電池本体における非発電動作時には、前記経路開閉手段を閉状態に設定することが好ましい。
前記発電用燃料は、炭化水素系の液体燃料であることが好ましい。
前記燃料電池システムは、前記燃料容器が少なくとも前記燃料電池本体に対して、着脱可能に構成されていることが好ましい。
【００３２】
請求項９記載の発明は、水素と酸素を用いた触媒反応により電気エネルギーを生成する発電動作を行う燃料電池本体を備えた燃料電池システムの発電用燃料容器において、前記水素を生成するための発電用燃料が封入された燃料封入部と、少なくとも前記燃料電池本体における前記発電動作に先立って、前記燃料電池本体の電解質膜を所定の湿潤状態に保持するために用いられる水が封入された水封入部と、を有し、前記燃料封入部と前記水封入部が一体的に形成されていることを特徴とする。
【００３３】
前記水封入部は、少なくとも前記燃料電池本体の電解質膜を所定の湿潤状態に保持するために必要な最低限の量の前記水が封入されていることが好ましい。
前記水封入部は、前記燃料電池本体における発電動作に用いる前記水素を生成するための改質反応に用いられる量の前記水がさらに封入されていることがより好ましい。
【００３４】
前記燃料封入部は、両端部に、前記発電用燃料を取り出すための燃料取出口と、前記燃料封入部内で前記発電用燃料を前記燃料取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部と、が設けられ、前記水封入部は、両端部に、前記水を取り出すための水取出口と、前記水封入部内で前記水を前記水取出口方向に押圧するための気体が流入する開口部と、が設けられていることが好ましい。
【００３５】
前記発電用燃料容器は、前記燃料封入部及び前記水封入部に設けられた前記各開口部を介して注入される空気の圧力により、前記発電用燃料及び前記水が前記各取出口から取り出されるように設定されていてもよい。
前記発電用燃料は、水を用いた前記改質反応により、前記水素が生成される、炭化水素系の液体燃料であることが好ましい。
【発明の効果】
【００３６】
本発明は、発電用燃料と水を個別の封入部に封入した発電用燃料容器（燃料カートリッジ）を備え、該発電用燃料容器に封入された適量の水を、燃料電池本体（発電セル部）を構成する電解質膜（イオン交換膜）に供給して、所定の湿潤状態（水蒸気飽和状態）に保持するように構成されている。
【００３７】
ここで、発電用燃料容器に封入される水の量は、燃料電池本体における発電動作が定常状態に移行した後は、該発電動作に伴って副生成物として生成される水を回収して、電解質膜に再度供給することにより、所定の湿潤状態を保持することができるので、少なくとも、発電動作の開始に先立って、電解質膜を所定の湿潤状態に保持するために必要な最低限の量、さらには、発電動作の開始に際して、発電動作に用いる水素を発電用燃料から生成する改質反応に必要とされる量を付加した量の水が封入されている。
【００３８】
これにより、電解質膜を速やかに所定の湿潤状態に保持することができるので、良好に発電することができるとともに、発電用燃料容器に、当該発電動作の開始に用いられる最低限の量の水を封入すればよく、燃料電池容器のその他の容積を発電用燃料（メタノール等）の封入に割り当てることができるので、上記発電動作を長期にわたり継続することができ、バッテリ駆動時間の長寿命化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明に係る燃料電池システム及び発電用燃料容器について、実施の形態を示して詳しく説明する。
＜第１の実施形態＞
＜燃料電池システム＞
まず、本発明に係る燃料電池システムの全体構成について説明する。
【００４０】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。ここで、上述した従来技術に示した燃料電池と同等の構成については、同一又は同等の符号を付してその説明を簡略化する。
図１に示すように、本発明に係る燃料電池システムは、概略、メタノールＣＨ３ＯＨ等の炭化水素系の発電用燃料と水Ｈ２Ｏが個別に封入された燃料カートリッジ（燃料容器、発電用燃料容器）２０と、該燃料カートリッジ２０から取り出された発電用燃料（メタノールＣＨ３ＯＨ）を改質して水素ガスＨ２を取り出す改質部（改質手段）１２と、水素ガスＨ２と酸素Ｏ２とを用いた電気化学反応により電気エネルギーを生成する発電セル部（燃料電池本体）１１と、発電セル部１１における電気化学反応により生成された副生成物である水Ｈ２Ｏを回収するとともに、少なくとも発電セル部１１の電解質膜（イオン交換膜）への当該水の供給状態を制御する水回収制御部（水回収制御手段）１３と、燃料カートリッジ２０に封入された発電用燃料の改質部への供給状態を制御する燃料供給制御部（燃料供給制御手段）１４と、少なくとも燃料カートリッジ２０に封入された水の発電セル部１１の電解質膜への供給状態を制御する水供給制御部（水供給制御手段）１５と、を備えた構成を有している。
【００４１】
ここで、発電セル部１１、改質部１２、水回収制御部１３、燃料供給制御部１４及び水供給制御部１５は、発電モジュール１０を構成し、該発電モジュール１０に対して、燃料カートリッジ２０が着脱可能に構成されている。したがって、後述するように、発電モジュール１０は、例えば、本発明に係る燃料電池システムが搭載される電子機器に内蔵され、あたかも乾電池やバッテリ等を交換する場合と同様の使い勝手で、該電子機器（発電モジュール）に対して、燃料カートリッジのみを着脱（交換）することにより発電用燃料及び水が補給される。
【００４２】
以下、各構成について詳しく説明する。
（発電セル部１１）
本実施形態に係る燃料電池システムに適用される発電セル部（燃料電池本体）１１は、図８に示した固体高分子型の燃料電池と同等の構成を有し、概略、白金や白金・ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなるアノード極（燃料極）と、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなるカソード極（空気極）と、アノード極とカソード極の間に介挿された高分子フィルムからなる電解質膜（イオン交換膜）と、を有し、アノード極側には、後述する改質部１２により発電用燃料（メタノールＣＨ３ＯＨ）を改質して得られた水素ガスＨ２が供給され、一方、カソード極側には大気（空気）中の酸素Ｏ２が供給されるように構成されている。
【００４３】
ここで、本実施形態に係る発電セル部１１においては、燃料カートリッジ２０の燃料封入部２１から取り出されたメタノールＣＨ３ＯＨが改質部１２により改質されて、水素ガスＨ２のみがアノード極に供給されるとともに、燃料カートリッジ２０の水封入部２２から取り出された水Ｈ２Ｏが直接、又は、発電セル部１１における発電動作に伴って副生成物として生成される水Ｈ２Ｏが回収されて、電解質膜に供給される。発電セル部１１への水素ガスＨ２及び水Ｈ２Ｏの供給状態（供給タイミング及び供給量）は、後述する燃料供給制御部１４、及び、水供給制御部１５又は水回収制御部１３により、適宜制御される。さらに、カソード極は、例えば、外気と連通し、酸素を含む空気（外気）が直接かつ常時供給されるように構成されている。
【００４４】
特に、発電セル部１１（電解質膜）への水の供給は、少なくとも、システム起動時（発電動作開始時及び開始直後）においては、水供給制御部１５により燃料カートリッジ２０の水封入部２２に封入された水Ｈ２Ｏが直接供給されて、当該電解質膜が所定の湿潤状態（水蒸気飽和状態）に保持されるように制御され、発電セル部１１における発電動作が定常状態に移行した後においては、水供給制御部１５からの水Ｈ２Ｏの供給を停止して、水回収制御部１３により発電セル部１１における発電動作に伴って生成され、回収された水Ｈ２Ｏが供給されて、当該電解質膜が所定の湿潤状態（水蒸気飽和状態）に保持されるように制御される。
【００４５】
（改質部１２）
図２は、本実施形態に係る燃料電池システムに適用される改質部の一構成例を示す概念図である。図３は、本実施形態に係る燃料電池システムに適用される改質部（燃料改質器、ＣＯ除去器）おける化学反応の一例を示す概念図である。
【００４６】
本実施形態に係る燃料電池システムに適用される改質部１２は、図２に示すように、燃料カートリッジから供給されたメタノールＣＨ３ＯＨ及び少量の水Ｈ２Ｏを加熱して気化させる燃料気化器（蒸発器）１２ａと、気化されたメタノール（メタノールガス）及び水（水蒸気）から所定の触媒反応により、水素ガスＨ２を生成する燃料改質器１２ｂと、燃料改質器１２ｂにおいて、水素ガスＨ２の生成の際に副生成物として生成される一酸化炭素ＣＯ及び水Ｈ２Ｏから所定の触媒反応により、水素ガスＨ２と二酸化炭素ＣＯ２を生成するＣＯ除去器１２ｃと、少なくとも燃料気化器１２ａ及び燃料改質器１２ｂにおける化学反応を促進するための温度条件を制御する薄膜ヒータＨａ、Ｈｂ及び燃焼器１２ｄと、燃料カートリッジから供給されたメタノールＣＨ３ＯＨを気化させて、燃焼器１２ｄに供給する燃料気化器（蒸発器）１２ｅと、を備えて構成されている。
【００４７】
ここで、薄膜ヒータＨａ、Ｈｂは、改質初期には、図示を省略した電源（例えば、蓄電池等の補助電源）からの電力により発熱し、改質された水素が供給されることによって発電セル部１１が発電してからは、発電セル部１１において生成された電気エネルギー（電力）を電源として切り換えて発熱することで発熱温度が制御され、一方、燃焼器１２ｄは、燃料気化器１２ｅにより気化したメタノールガスの燃焼（酸化作用）により発熱温度が制御される。
【００４８】
このような温度制御機構に加えて、改質された水素が供給されることによって発電セル部１１が発電してからは、発電セル部１１で発電に利用されなかった残存した水素及び外部から取り込んだ空気中の酸素を燃焼器１２ｄに供給することにより燃焼器１２ｄ内で水素の燃焼反応を引き起こして高い熱量の発熱をもたらす。
【００４９】
したがって、発電以降は、燃焼器１２ｄが改質部１２の主たる熱源となって、薄膜ヒータＨａ、Ｈｂにより補助的に加熱して温度条件の細かな調整（微調整）が行われることになり、比較的少ない電気エネルギー（電力）で所望の温度条件（後述する数百℃程度の温度条件）を実現することができ、生成された電気エネルギーの消費を抑制することができる。
【００５０】
このような構成を有する改質部１２での加熱によって、燃料気化器１２ａにおける吸熱気化反応、燃料改質器１２ｂにおける触媒反応（吸熱水蒸気改質反応）、そしてＣＯ除去器１２ｃにおける触媒反応（発熱水性シフト反応及び発熱選択酸化反応）が実現される。
具体的には、改質部１２において、例えば、メタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏから、水素ガスＨ２を生成する場合にあっては、図３（ａ）に示すように、まず、燃料気化器１２ａにおける蒸発過程において、後述する薄膜ヒータＨａ及び燃焼器１２ｄを制御して、メタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏの沸点程度の温度条件にあわせて燃料気化器１２ａの加熱温度（例えば、概ね１００℃以上）に設定することにより、燃料カートリッジ２０から供給されたメタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏを個別に加熱して、もしくは、混合液体を一括して加熱して気化する。
【００５１】
次いで、燃料改質器１２ｂにおける水蒸気改質反応過程において、薄膜ヒータＨｂ及び燃焼器１２ｄを制御して、概ね３００℃程度の温度条件に設定することにより、４９．４kJ/molの熱エネルギーを吸熱して、次の化学反応式（１）に示すように、水素Ｈ２と微量の二酸化炭素ＣＯ２を生成する。なお、この水蒸気改質反応においては、水素Ｈ２と二酸化炭素ＣＯ２以外に副生成物として微量の一酸化炭素ＣＯが生成される。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ３Ｈ２＋ＣＯ２        ・・・（１）
【００５２】
したがって、このような有害な副生成物を除去するため、図３（ｂ）に示すように、ＣＯ除去器１２ｃにおける水性シフト反応過程により、一酸化炭素に対して水Ｈ２Ｏ（水蒸気）を反応させることにより、４０．２kJ/molの熱エネルギーを発熱して、次の化学反応式（２）に示すように、二酸化炭素ＣＯ２と水素Ｈ２が生成される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ →ＣＯ２＋Ｈ２        ・・・（２）
【００５３】
さらに、ＣＯ除去器１２ｃにおける選択酸化反応過程により、水性シフト反応において二酸化炭素と水素に変換されなかった一酸化炭素ＣＯに対して、酸素Ｏ２を反応させることにより２８３．５kJ/molの熱エネルギーを発熱して、次の化学反応式（３）に示すように、二酸化炭素ＣＯ２が生成される。
ＣＯ＋（１／２）Ｏ２ →ＣＯ２            （３）
【００５４】
ここで、ＣＯ除去器１２ｃにおける水性シフト反応過程及び選択酸化反応過程においても、図示を省略したが、ＣＯ除去器１２ｃに付設された温度調節機構（具体的には、吸熱器や冷却器等）により、上記熱エネルギーの発熱に対応した（上記熱エネルギーを吸収する）温度条件が設定されるものであってもよい。
【００５５】
なお、燃焼器１２ｄに供給される発電用燃料（メタノールＣＨ３ＯＨ）は、後述する燃料カートリッジ２０から燃料供給制御部１４を介して供給されるものであってもよいし、上述した発電セル部１１のアノード極における化学反応に寄与せず、未反応のまま残留した水素ガスＨ２を回収して供給するものであってもよい。
【００５６】
（燃料供給制御部１４）
燃料供給制御部１４は、燃料カートリッジ２０（燃料封入部２１）と発電モジュール１０との着脱可能な接続を行なうためのインターフェースとしての機能を有するとともに、少なくとも燃料カートリッジ２０に封入された発電用燃料（メタノールＣＨ３ＯＨ）を、上述した改質部１２に対して供給するタイミング及び供給量を制御する機能を有している。
【００５７】
（水供給制御部１５）
水供給制御部１５は、燃料カートリッジ２０（水封入部２２）と発電モジュール１０との着脱可能な接続を行なうためのインターフェースとしての機能を有するとともに、少なくとも燃料カートリッジ２０に封入された水Ｈ２Ｏを、上述した改質部１２及び発電セル部１１に対して供給するタイミング及び供給量を制御する機能を有している。
【００５８】
なお、燃料供給制御部１４及び水供給制御部１５は、具体的には、例えば、燃料カートリッジ２０と改質部１２間、及び、燃料カートリッジ２０と発電セル部１１間の燃料供給経路や水供給経路に、液体ポンプや流量制御バルブ等（もしくは、これらと同等の機能を有する供給機構）を備えた構成を適用することができる。
【００５９】
（水回収制御部１３）
水回収制御部１３は、発電セル部１１における発電動作に係る電気化学反応において、副生成物として生成される水Ｈ２Ｏを回収して、少なくとも発電セル部１１に再度供給し、電解質膜（イオン交換膜）を所定の湿潤状態に保持する。さらに、水回収制御部１３により回収された水の一部は、改質部１２（燃料気化器１２ａ、ＣＯ除去器１２ｃ）に供給されて各化学反応に用いられるようにしてもよい。なお、水回収制御部１３は、具体的には、液体ポンプや流量制御バルブ、流路切換バルブ等（もしくは、これらと同等の機能を有する供給機構）を備えた構成を適用することができる。
【００６０】
（燃料カートリッジ２０）
図４は、本発明に係る燃料電池システムに適用可能な燃料カートリッジの一例を示す概略構成図である。なお、図４（ａ）においては、燃料カートリッジの構成を明確に図示するために便宜的にハッチングを施した。
【００６１】
図４（ａ）に示すように、燃料カートリッジ２０は、発電用燃料であるメタノールＣＨ３ＯＨが封入されたパッケージからなる燃料封入部２１と、所定量の水Ｈ２Ｏが封入されたパッケージからなる水封入部２２とからなり、例えば、直方体形状を有する燃料封入部２１の一面の長手方向に形成された半円状の断面を有する凹部に、円筒状の水封入部２２が嵌合して一体化された構成を有している。
【００６２】
ここで、燃料封入部２１及び水封入部２２は、各々個別にメタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏが封入され、いずれも一端側に、上述した発電モジュール１０（燃料供給制御部１４、水供給制御部１５）へメタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏを取り出す（供給する）ための燃料取出部（燃料取出口）２１ａ及び水取出部（水取出口）２２ａが設けられ、また、他端側に各封入部の内部に大気（外気）が連通するための開口部２１ｃ、２２ｃが設けられている。
【００６３】
燃料取出部２１ａ及び水取出部２２ａは、発電モジュール１０に燃料カートリッジ２０が装着された状態でのみ、開状態となって、内部に封入されたメタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏが発電モジュール１０側に吐出され、一方、発電モジュール１０から燃料カートリッジ２０を取り外した状態では、閉状態となって、メタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏが外部に吐出しないように構成された逆止弁として機構を備えている。
【００６４】
また、燃料封入部２１及び水封入部２２内に封入されたメタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏが、燃料カートリッジ２０の傾きに関わらず、上記燃料取出部２１ａ及び水取出部２２ａ方向に所定の圧力で常時押圧されて、最終的に各取出部２１ａ、２２ａを介して全て吐出されるように、各取出部２１ａ、２２ａに対してメタノールＣＨ３ＯＨ又は水Ｈ２Ｏを介した反対側（メタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏの各封入部２１、２２の取出部２１ａ、２２ａ側とは反対の他端側）に高粘性の液状の追従体２１ｂ、２２ｂが挿入されている。
【００６５】
燃料取出部２１ａから発電用燃料が改質部１２に流出されると、追従体２１ｂには流出した発電用燃料の容積の分の負圧が加わって追従体２１ｂが発電用燃料の末端界面とともに燃料取出部２１ａの方にスライドするので界面で空隙ができることがない。そして、発電用燃料及び追従体２１ｂのスライドによって燃料封入部２１にできた空間に生じる負圧と大気圧との圧力差によって開口部２１ｃを介して流入した空気（大気）が流入して内部空間を常圧に戻すように構成されている。
【００６６】
同様に、水取出部２２ａから水が改質部１２に流出されると、追従体２２ｂには流出した水の容積の分の負圧が加わって追従体２２ｂが水の末端界面とともに水取出部２２ａの方にスライドするので界面で空隙ができることがない。そして、水及び追従体２２ｂのスライドによって水封入部２２にできた空間に生じる負圧と大気圧との圧力差によって開口部２２ｃを介して流入した空気（大気）が流入して内部空間を常圧に戻すように構成されている。
【００６７】
これにより、本実施形態に係る燃料電池システムが搭載される電子機器の傾きに関わらず、燃料カートリッジ２０に封入されたメタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏを取出部２１ａ、２２ａ方向に押圧して、発電モジュール１０に供給されるように制御することができるので、多様な姿勢で使用され、かつ、振動等が加わる携帯型の電子機器においても良好に適用することができる。
【００６８】
また、燃料封入部２１に封入されるメタノールＣＨ３ＯＨの量は、発電セル部１１における発電動作による電気エネルギーの生成を長期にわたり安定して持続させるために極力多く封入され、一方、水封入部２２に封入される水Ｈ２Ｏの量は、後述するように、発電セル部１１における発電動作の初期の段階（システム起動時）において、電解質膜を所定の湿潤状態（水蒸気飽和状態）に保持するための必要最低限の量が封入されている。
【００６９】
さらに、本実施形態に係る燃料カートリッジ２０は、上述した発電モジュール１０に対して、着脱可能なように構成されている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料カートリッジ２０を単独で取り扱い、流通可能とするものであって、例えば、ノートパソコンやＰＤＡ等の電子機器の本体に、上述した発電セル部１１、改質部１２、水回収制御部１３、燃料供給制御部１４及び水供給制御部１５からなる発電モジュール１０が内蔵され、該発電モジュール１０に対して燃料カートリッジ２０を装着することにより、発電用燃料及び水が発電モジュール１０に供給されて後述する発電動作が可能となり、電子機器本体に所定の電気エネルギー（駆動電力）が供給される。
【００７０】
なお、本実施形態に係る燃料電池システムにおいて、発電用燃料がなくなり、発電モジュールから取り外された燃料カートリッジは、所定のリサイクルルートを介して回収され、再度発電用燃料及び水を封入して再利用することが望ましいが、回収されることなく廃棄された場合、もしくは、回収後、廃棄処分された場合であっても、有害物質（例えば、有機塩素化合物や重金属等）の発生等、環境に影響を与えることのない、又は、その影響の少ない材質より形成されていることが望ましい。
【００７１】
また、本実施形態に係る燃料電池システムに用いられる発電用燃料としては、少なくとも、上述した燃料電池からなる発電セル部において、高いエネルギー変換効率で電気エネルギーを生成することができ、かつ、発電用燃料が封入された上記燃料カートリッジが使用後、自然界に投棄又は埋め立て処分されて、残存する発電用燃料が大気中や土壌中、水中に漏れ出し、あるいは、焼却処分されて排出された場合等であっても、自然環境に対して汚染物質とならない燃料、具体的には、上記メタノールのほか、エタノール、ブタノール（アルコール類）等の炭化水素系の液体燃料を良好に適用することができる。
【００７２】
ここで、本実施形態に係る燃料電池システムに適用可能な発電用燃料は、いずれも揮発性及び可燃性が高い物質が多いので、当該燃料が燃料カートリッジをガス透過する現象を極力抑制するために、例えば、アルミ蒸着されたポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）袋内に密封するような、比較的簡易な周知の封入方法によりガスバリヤを施すようにしてもよい。
【００７３】
なお、本実施形態においては、図４（ａ）に示したように、燃料カートリッジ２０の形状として、直方体形状を有する燃料封入部２１と、円筒形状を有する水封入部２２とを勘合して一体化した構成を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図４（ｂ）に示すように、相互に直方体形状を有する燃料封入部２１及び水封入部２２の特定の一外面を密着させて一体化した構成を有するものであってもよいし、図４（ｃ）に示すように、半円形の断面を有する柱状体からなる燃料封入部２１及び水封入部２２の側方の平面相互を密着させて一体化し、全体として円柱状の燃料カートリッジを構成するものであってもよい。
【００７４】
＜燃料電池システムの動作説明＞
次に、上述したような構成を有する燃料電池システムにおける発電動作について説明する。
【００７５】
本実施形態に係る燃料電池システムにおける発電動作は、まず、発電モジュール１０に燃料カートリッジ２０を装着することにより、水供給制御部１５により水封入部２２から適量の水Ｈ２Ｏが取り出され、発電セル部１１の電解質膜に供給される。これにより、発電セル部１１における発電動作に先立って、電解質膜（イオン交換膜）が所定の湿潤状態に保持される。
【００７６】
次いで、燃料電池システムが内蔵された電子機器が起動すると、改質部１２が薄膜ヒータＨａ、Ｈｂによって速やかに所定の温度に加熱され、さらに燃料供給制御部１４により燃料封入部２１から所定量の発電用燃料（メタノールＣＨ３ＯＨ）が取り出され、改質部１２（燃料気化器、燃焼器）に供給されるとともに、水供給制御部により水封入部２２から適量の水が取り出され、改質部１２（燃料気化器１２ａ、ＣＯ除去器１２ｃ）に供給される。これにより、改質部１２におけるメタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏを用いた所定の水蒸気改質反応及び水性シフト反応、選択酸化反応が促進され、発電セル部１１のアノード極に水素ガスＨ２が供給されるとともに、最終的な副生成物である微量の二酸化炭素ＣＯ２がシステムの外部（大気中）に放出される。
【００７７】
一方、発電セル部１１の電解質膜１１３では、水封入部２２から取り込まれた水素イオンのキャリアとなる水がアノード極側及びカソード極側から供給されて電解質膜１１３の厚さ方向に速やかに浸透される。発電セル部１１のカソード極は、常時外気と連通するように構成されているので、アノード極に所定量の水素ガスＨ２が供給されることにより、上述した電気化学反応式（３）、（４）に基づいて、アノード極とカソード極との間に電子が流れることにより電気エネルギーが取り出されるとともに、カソード極において副生成物として水Ｈ２Ｏが生成される。この水Ｈ２Ｏは、水回収制御部１３により回収されて、発電セル部１１の電解質膜、及び、改質部１２に再び供給される。
【００７８】
そして、発電セル部１１における発電動作が定常状態（安定的に電気エネルギーを出力する状態）に移行して、水回収制御部１３を介して発電セル部１１に供給される水Ｈ２Ｏにより、電解質膜が所定の湿潤状態に保持されるようになると（すなわち、回収された水Ｈ２Ｏが発電セル部１１に供給される循環サイクルが確立した段階で）、水供給制御部１５による燃料カートリッジ２０（水封入部２２）から発電セル部１１及び改質部１２への水Ｈ２Ｏの供給が遮断される。
【００７９】
ここで、水回収制御部１３により回収される水Ｈ２Ｏの量は、上述した化学反応式（３）、（４）に示したように、改質部１２における一連の化学反応において使用される水の量よりも多くなるので、電解質膜を湿潤状態に保持するために使用する適量の水以外を、当該改質部１２に供給することができる。
【００８０】
すなわち、本実施形態に係る燃料電池システムにおいては、発電セル部１１における発電動作の初期の段階（システム起動時）のみ、発電セル部１１の電解質膜を所定の湿潤状態に保持するために必要な最低限の量の水が燃料カートリッジ２０（水封入部２２）から供給され、当該発電動作が定常状態に移行した後においては、当該燃料カートリッジ２０からの水の供給を遮断して、発電セル部１１において副生成物として生成された水を循環させて、電解質膜を所定の湿潤状態に保持する。そのため、水封入部２２に封入される水の量は、発電セル部１１における発電動作の初期段階（システム起動時）において、電解質膜を所定の湿潤状態に保持するために必要な最低限の量に基づいて設定される。
【００８１】
したがって、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、発電セル部（燃料電池本体）における発電動作の開始（システム起動）に先立って、発電セル部に水分を供給して電解質膜を所定の湿潤状態（水蒸気飽和状態）に保持することができるので、燃料カートリッジから取り出した発電用燃料を改質して水素ガスを発電セル部のアノード極に供給することにより、迅速に発電動作を開始することができる。
【００８２】
この場合、発電セル部における発電動作前及び発電動作直後の状態では、燃料カートリッジに発電用燃料（メタノール等）とは別個に封入された水を供給することにより、上記電解質膜を良好に湿潤状態に保持することができ、発電動作が定常状態に移行した後には、燃料カートリッジからの水の供給を停止して、発電動作に伴って生成された水を再利用することにより、当該発電動作を継続することができる。
【００８３】
これにより、本実施形態に係る燃料電池システムに適用される燃料カートリッジに封入される水は、極少量でよく、その他の容積を発電用燃料の封入に割り当てることができるので、上記発電動作の迅速化とともに、発電動作の長期継続化（バッテリ駆動時間の長寿命化）を実現することができる。
【００８４】
また、発電用燃料とともに水を封入した燃料カートリッジが、発電モジュール（もしくは、発電モジュールが内蔵された電子機器）に対して着脱可能なように構成されているので、発電用燃料の残量がなくなったときや少なくなったとき等には、電子機器の使用に際して乾電池やバッテリを交換する場合と同様に、燃料カートリッジを取り替える（交換する）だけの操作で、発電用燃料と水の補給を簡易に行うことができ、使い勝手のよい電源システムを実現することができる。
【００８５】
なお、電解質膜は常に水蒸気飽和状態に保持されていることが望ましいが、一旦発電動作を終了した後、比較的長い時間、システム（電子機器）を起動しない場合等においては、電解質膜が乾燥して、次回のシステム起動時に発電動作が正常に行われない動作不良を生じる可能性がある。そこで、上述したような構成に加えて、電解質膜の湿潤状態を検出するセンサを備え、当該検出結果に基づいて、電解質膜を常に所定の湿潤状態に保持するように、水供給制御部により燃料カートリッジからの水の供給状態を制御するようにしてもよい。これによれば、発電動作に先立って、常時電解質膜を所定の湿潤状態に保持することができるので、迅速かつ良好に燃料電池システム（又は、電子機器）を起動させることができる。
【００８６】
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。ここで、上述した第１の実施形態と同等の構成については、同一又は同等の符号を付してその説明を簡略化又は省略する。
【００８７】
上述した第１の実施形態においては、発電セル部１１において、カソード極における化学反応に用いられる酸素Ｏ２（空気）を供給する構成として、カソード極が外気（大気）と連通する構成を示し、また、燃料カートリッジ２０において、各封入部２１、２２に封入されたメタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏを各取出部２１ａ、２２ａ側から取り出して熱電モジュール１０に供給する構成として、各封入部２１、２２のメタノールＣＨ３ＯＨ及び水Ｈ２Ｏの他端側（取出部２１ａ、２２ａとは反対側の端部）に、追従体２１ｂ、２２ｂを封入するとともに、各封入部２１、２２の他端側に開口部２１ｃ、２２ｃを設けて大気を連通させて、大気圧により追従体２１ｂ、２２ｂを押圧する構成を示したが、本実施形態においては、発電セル部１１のカソード極側、及び、燃料カートリッジ２０の各封入部２１、２２に、空気（又は、酸素）を積極的に供給するようにした構成を有している。
【００８８】
具体的には、本実施形態に係る燃料電池システムは、図５に示すように、上述した第１の実施形態に示した構成（図１参照）に加えて、例えば、外気を取り込んで、所定の流量の空気（酸素Ｏ２）を、発電セル部１１のカソード極側（空気極）に接続されたセル側供給経路を介して供給するとともに、所定の気圧の空気を、燃料カートリッジ２０の燃料封入部２１及び水封入部２２の各々の他端側に設けられた開口部２１ｃ、２２ｃに接続されたカートリッジ側供給経路を介して供給するための空気供給制御部（空気供給制御手段）１６を備えた構成を有している。
【００８９】
ここで、空気供給制御部１６の構成としては、例えば、エアポンプや流量制御バルブ、流路切換バルブ等を備えた構成（又は、同等の機能を有する機構）を適用することができ、図５に示したように、該空気供給制御部１６を発電モジュール１０内に設けるものであってもよいし、発電モジュール１０及び燃料カートリッジ２０の外部、すなわち、燃料電池システムが搭載される電子機器に内蔵するように設けるものであってもよい。
【００９０】
これにより、発電セル部のカソード電極において、発電動作に係る一連の電気化学反応を促進するために十分な酸素が供給されるとともに、燃料カートリッジの各封入部に内挿された追従体が押圧されて、発電用燃料及び水を発電モジュール側へ所定の吐出量で押し出すことができるので、燃料電池システムの使用環境（大気圧や使用角度、振動等）にかかわらず、発電セル部及び改質部における一連の化学反応が促進されて、安定した発電動作を実現することができ、該燃料電池システムが搭載された電子機器を良好に駆動させることができる。
【００９１】
＜第３の実施形態＞
図６は、本発明に係る燃料電池システムの第３の実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。ここで、上述した第１又は第２の実施形態と同等の構成については、同一又は同等の符号を付してその説明を簡略化又は省略する。
【００９２】
本実施形態に係る燃料電池システムは、図６に示すように、上述した第２の実施形態に示した構成（図５参照）において、少なくとも、発電セル部１１へ水素ガスＨ２や水Ｈ２Ｏ、酸素Ｏ２等を供給する全ての経路（供給経路）、もしくは、主要な経路、及び、発電セル部１１や改質部１２において生成される副生成物を排出する経路（排出経路）に開閉バルブ（経路開閉手段）ＶＬ１〜ＶＬ７を設けた構成を有し、燃料電池システムの駆動時（発電動作時）には、各開閉バルブＶＬ１〜ＶＬ７を開状態に設定して、水素ガスＨ２や水Ｈ２Ｏ、酸素Ｏ２の供給、及び、副生成物の排出経路における外気との連通を可能とし、一方、燃料電池システムの休止時（非発電動作時）には、各開閉バルブＶＬ１〜ＶＬ７を閉状態に設定して発電セル部への水素ガスＨ２や水Ｈ２Ｏ、酸素Ｏ２の供給、及び、副生成物の排出経路における外気との連通を遮断するように制御される。
【００９３】
これにより、少なくとも燃料電池システムの休止時（非発電動作時）には、各開閉バルブが閉状態に設定されて、発電セル部と外部とのつながりが遮断されることになり、電解質膜に浸透した水分が、水素ガスや水、酸素等を供給するための経路や副生成物の排出経路を介して蒸発する（放出される）ことがないので、電解質膜の乾燥を防止して所定の湿潤状態（水分）を良好に保持することができる。
【００９４】
したがって、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、一旦発電セル部の電解質膜を所定の湿潤状態に設定すれば、システムの休止時に該電解質膜の水分が良好に保持されるので、システムの休止後の発電動作の開始（システム起動）に先立って、燃料カートリッジ（水封入部）から発電セル部に水分を供給することなく、迅速かつ良好に発電動作を開始することができる。
【００９５】
また、システムの休止時に燃料カートリッジの水封入部から水を供給することなく、電解質膜の湿潤状態が良好に保持されるので、水封入部に封入する水の量を削減することができ、その分、燃料封入部への発電用燃料の封入量を多くすることができ、発電動作の長期継続化（バッテリ駆動時間の長寿命化）を実現することができる。
【００９６】
さらに、開閉バルブをシステム駆動時及びシステム休止時の各タイミングで、開閉制御することにより、各状態に対応した経路にのみ、必要な発電用燃料や水素ガス、水、酸素等が流れることになるので、燃料電池システム内部の各箇所における圧力変動や外部の圧力変動が生じた場合であっても、発電用燃料や水素ガス、水、酸素等の漏れ（リーク）を抑制して、良好なシステムの駆動を実現することができる。
【００９７】
なお、本実施形態において、図６に示した各開閉バルブＶＬ１〜ＶＬ７は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成において、少なくともシステムの休止時（非発電動作時）に、発電セル部１１の電解質膜の乾燥を抑制又は防止することができると考えられる経路に設けた一例であって、本発明に係る燃料電池システムはこれに限定されるものではないことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムに適用される改質部の一構成例を示す概念図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムに適用される改質部（燃料改質器、ＣＯ除去器）おける化学反応の一例を示す概念図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムに適用可能な燃料カートリッジの一例を示す概略構成図である。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの第３の実施形態の全体構成を示す概略ブロック図である。
【図７】燃料直接供給方式を採用した固体高分子型の燃料電池を示す概略構成図である。
【図８】燃料改質供給方式を採用した固体高分子型の燃料電池を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００９９】
１０      発電モジュール
１１      発電セル部
１２      改質部
１２ａ    燃料気化器
１２ｂ    燃料改質器
１２ｃ    ＣＯ除去器
１２ｄ    燃焼器
１３      水回収制御部
１４      燃料供給制御部
１５      水供給制御部
１６      空気供給制御部
２０      燃料カートリッジ
２１      燃料封入部
２２      水封入部
【図１】
2006079955.tif 000003
【図２】
2006079955.tif 000004
【図３】
2006079955.tif 000005
【図４】
2006079955.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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