(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイレクトメタノール型の燃料電池と、
前記燃料電池のカソードの第１の出口及びアノードの第２の出口から前記燃料電池の排出物がそれぞれ導入され、前記排出物に含まれる不完全酸化物を除去するフィルタ装置と、を備え、
前記フィルタ装置は、
前記排出物に含まれる気相成分及び液相成分を分離する分離部と、
前記分離部により分離された前記気相成分を酸化反応させる反応部と、
前記分離部及び前記反応部を内部に収容する容器と、を備え、
前記容器は、
一端が前記分離部を基準にして前記反応部と反対側において前記容器の内部に開口し、他端が第１の流路を介して前記第１の出口と接続されている第１のコネクタと、
鉛直方向において前記分離部よりも下方で前記容器の内部に開口する第２のコネクタと、
前記分離部を基準にして前記反応部と同じ側において前記容器の内部に開口する第３のコネクタと、を有し、
前記容器の内部において、前記分離部を基準にして前記反応部とは反対側に空隙が形成されており、
前記第１のコネクタの一端は、前記空隙に対向するように前記容器の内部で開口しており、
前記第１のコネクタの軸方向は、前記分離部と重ならない燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記反応部は、鉛直方向において、前記分離部に対して上方に位置している燃料電池ステム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記フィルタ装置は、前記燃料電池の触媒を被毒して発電反応を阻害する阻害物を吸着する吸着部をさらに備え、
前記吸着部は、鉛直方向において、前記分離部に対して下方に位置するように前記容器の内部に収容されている燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
鉛直方向において前記フィルタ装置に対して下方に配置され、メタノールを含む液体燃料を貯蔵する燃料タンクをさらに備え、
前記第２のコネクタは、第２の流路を介して前記燃料タンクと接続されている燃料電池システム。
【請求項５】
ダイレクトメタノール型の燃料電池の排出物に含まれる不完全酸化物を除去するフィルタ装置であって、
前記排出物に含まれる気相成分及び液相成分を分離する分離部と、
前記分離部により分離された前記気相成分を酸化反応させる反応部と、
前記分離部及び前記反応部を内部に収容する容器と、を備え、
前記容器は、
前記分離部を基準にして前記反応部と反対側において前記容器の内部に開口する第１のコネクタと、
鉛直方向において前記分離部よりも下方で前記容器の内部に開口する第２のコネクタと、
前記分離部を基準にして前記反応部と同じ側において前記容器の内部に開口する第３のコネクタと、を有し、
前記容器の内部において、前記分離部を基準にして前記反応部とは反対側に空隙が形成されており、
前記第１のコネクタの一端は、前記空隙に対向するように前記容器の内部で開口しており、
前記第１のコネクタの軸方向は、前記分離部と重ならないフィルタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイレクトメタノール型の燃料電池を備える燃料電池システム及び当該燃料電池システムに用いられるフィルタ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直接メタノール型燃料電池において、正極排出物と負極排出物を気液分離器によって気液分離し、その後、気相成分をカーボン担体に白金を担持した、撥水性を有する触媒を用いて、酸化剤の存在下で処理する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。上記技術では、触媒において、燃料電池からの排ガス中に含まれるメタノールの不完全酸化物を酸化反応させて浄化した後、システム外部に排出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開２００７／１１６８７４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記技術では、気液分離器から触媒まで気相成分を移送する間に当該気相成分が冷やされて、触媒において結露が生じてしまう。このため、触媒における気相成分の酸化反応が滞り、当該気相成分に含まれる不完全酸化物の除去能力が低下するおそれがある、という問題がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の排出物に含まれる不完全酸化物の除去能力の低下を抑えることができる燃料電池システム及びフィルタ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［１］本発明に係る燃料電池システムは、ダイレクトメタノール型の燃料電池と、前記燃料電池のカソードの第１の出口及びアノードの第２の出口から前記燃料電池の排出物がそれぞれ導入され、前記排出物に含まれる不完全酸化物を除去するフィルタ装置と、を備え、前記フィルタ装置は、前記排出物に含まれる気相成分及び液相成分を分離する分離部と、前記分離部により分離された前記気相成分を酸化反応させる反応部と、前記分離部及び前記反応部を内部に収容する容器と、を備え、前記容器は、一端が前記分離部を基準にして前記反応部と反対側において前記容器の内部に開口し、他端が第１の流路を介して前記第１の出口と接続されている第１のコネクタと、鉛直方向において前記分離部よりも下方で前記容器の内部に開口する第２のコネクタと、前記分離部を基準にして前記反応部と同じ側において前記容器の内部に開口する第３のコネクタと、を有する燃料電池システムである。
【０００７】
［２］上記発明において、前記反応部は、鉛直方向において、前記分離部に対して上方に位置していてもよい。
【０００８】
［３］上記発明において、前記容器の内部において、前記分離部を基準にして前記反応部とは反対側に空隙が形成されており、前記第１のコネクタの一端は、前記空隙に対向するように前記容器の内部で開口しており、前記第１のコネクタの軸方向は、前記分離部と重ならなくてもよい。
【０００９】
［４］上記発明において、前記フィルタ装置は、前記燃料電池の触媒を被毒して発電反応を阻害する阻害物を吸着する吸着部をさらに備え、前記吸着部は、鉛直方向において、前記分離部に対して下方に位置するように前記容器の内部に収容されていてもよい。
【００１０】
［５］上記発明において、鉛直方向において前記フィルタ装置に対して下方に配置され、メタノールを含む液体燃料を貯蔵する燃料タンクをさらに備え、前記第２のコネクタは、第２の流路を介して前記燃料タンクと接続されていてもよい。
【００１１】
［６］本発明に係るフィルタ装置は、ダイレクトメタノール型の燃料電池の排出物に含まれる不完全酸化物を除去するものであり、前記排出物に含まれる気相成分及び液相成分を分離する分離部と、前記分離部により分離された前記気相成分を酸化反応させる反応部と、前記分離部及び前記反応部を内部に収容する容器と、を備え、前記容器は、前記分離部を基準にして前記反応部と反対側において前記容器の内部に開口する第１のコネクタと、鉛直方向において前記分離部よりも下方で前記容器の内部に開口する第２のコネクタと、前記分離部を基準にして前記反応部と同じ側において前記容器の内部に開口する第３のコネクタと、を有するフィルタ装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、分離部及び反応部を同一の容器に収容しているので、反応部において結露が生じ難くなる。これにより、フィルタ装置における不完全酸化物の除去能力の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】図２（Ａ）は、本発明の一実施の形態に係るフィルタ装置を上方から視た斜視図であり、図２（Ｂ）は、本発明の一実施の形態に係るフィルタ装置を上方から視た斜視断面図である。
【図３】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、本発明の一実施の形態に係るフィルタ装置の作用を説明するための断面図である。
【図４】図４は、図３（Ａ）のIV部の部分拡大図である。
【図５】図５は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの変形例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【００１６】
本実施形態の燃料電池システム１は、ノートパソコン、携帯電話、小型ビデオカメラ、自動車用の電源や、家庭・産業用の電源等として用いられる燃料電池を備え、外部負荷に対して電力を供給するためのシステムである。この燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２と、燃料タンク３１と、燃料ポンプ３２と、ブロワ３４と、メタノールポンプ３５と、凝縮器３６と、フィルタ装置４０と、を備えている。本実施形態における「燃料電池システム１」が本発明における「燃料電池システム」の一例に相当し、本実施形態における「燃料電池２」が本発明における「燃料電池」の一例に相当し、本実施形態における「燃料タンク３１」が本発明における「燃料タンク」の一例に相当し、本実施形態における「フィルタ装置４０」が本発明における「フィルタ装置」の一例に相当する。
【００１７】
燃料電池２は、ダイレクトメタノール型の燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）である。一の燃料電池２に代えて、複数の燃料電池２が積層された燃料電池スタックを用いてもよい。この燃料電池２は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane electrode assembly）２１と、当該膜電極接合体２１を挟む一対のアノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３と、当該一対のセパレータ２２，２３を挟む一対のエンドプレート２４，２５と、を有している。
【００１８】
膜電極接合体２１は、水素イオン（陽イオン）伝導性を有する略矩形の高分子電解質膜２１１と、略矩形のアノード触媒層２１２と、カソード触媒層２１３を含み、さらに、略矩形のアノードガス拡散層２１４とカソードガス拡散層２１５を含んでいる。アノード触媒層２１２とアノードガス拡散層２１４がアノードを構成し、カソード触媒層２１３とカソードガス拡散層２１５がカソードを構成する。
【００１９】
高分子電解質膜２１１としては、特に限定されるものではなく、通常の高分子電解質型燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。たとえば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（たとえば、米国Ｄｕｐｏｎｔ社製のｎａｆｉｏｎ（商品名、登録商標）、旭化成（株）社製のＡｃｉｌｅｘ（商品名、登録商標）、ジャパンゴアテックス（株）社製のＧＳＩＩ（商品名、登録商標）など）を使用することができる。
【００２０】
アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３は、電極触媒と、当該電極触媒を担持する導電性炭素粒子（カーボン粉末）と、水素イオン導電性を有する高分子電解質とで構成されている。
【００２１】
アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３における担体である導電性炭素粒子については、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料を用いるのが好ましい。このようなカーボン材料としては、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバ及びカーボンチューブなどを例示することができる。カーボンブラックとしては、たとえば、チャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック及びアセチレンブラックなどが挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理及び賦活処理することによって得ることができる。
【００２２】
アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３における電極触媒としては、白金又は白金合金を用いるのが好ましい。白金合金としては、白金以外の白金族の金属（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム）、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛及びスズからなる群より選択される１種以上の金属と、白金との合金であるのが好ましい。また、上記白金合金には、白金と上記金属との金属間化合物が含有されていてもよい。さらに、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒を混合して得られる電極触媒混合物を用いてもよく、アノードとカソードに同じ構成の電極触媒を用いても、異なる構成の電極触媒を用いてもよい。
【００２３】
アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３の外側に配置されるアノードガス拡散層２１４及びカソードガス拡散層２１５としては、当該分野において公知の種々のガス拡散層を用いることができる。これらのガス拡散層を構成する基材としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャ構造を有するカーボン微粉末、カーボンペーパー又はカーボンクロスなどを用いて製作された、導電性多孔質基材を用いることができる。また、排水性を向上させるために、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＥＡ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などのフッ素樹脂を代表とする撥水性材料（高分子）を上記基材の内部に分散させて、基材に撥水処理を施してもよい。さらに、電子導電性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維又はカーボン微粉末などの電子伝導性材料で上記基材を構成してもよい。なお、カソード及びアノードにおいて同じ構成のガス拡散層を用いても異なる構成のガス拡散層を用いてもよい。
【００２４】
一対のアノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３は、膜電極接合体２１の外側に配置されて、膜電極接合体２１を機械的に固定するための部材である。アノードセパレータ２２のうちの膜電極接合体２１と接触する面には、アノードにメタノール水溶液（ＭｅＯＨ）を含む液体燃料を供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質（以下、「アノード排出物」ともいう。）を反応場から外部に排出するためのアノード流路（不図示）が形成されている。同様に、カソードセパレータ２３のうちの膜電極接合体２１と接触する面には、カソードに酸化剤（空気）を供給し、電極反応生成物、膜電極接合体２１を透過（クロスオーバー現象）した未反応のメタノールを含む物質（以下、「カソード排出物」ともいう。）を反応場から外部に運び去るためのカソード流路（不図示）が形成されている。
【００２５】
こうしたアノード流路及びカソード流路は、図示はしないが、それぞれアノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３の表面に常法により溝を設けることによって形成されている。特に制限されるものではないが、アノード流路及びカソード流路は、たとえば、複数の直線上溝部と、隣接する直線状溝部を上流から下流へと連結する複数のＵターン状溝部とで構成されたサーペンタイン形状を有する。
【００２６】
一対のエンドプレート２４，２５は、一対のアノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３の外側に配置されて、膜電極接合体２１及び一対のセパレータ２２，２３を鋏保持するための部材である。エンドプレート２４は、燃料供給口２４１と、燃料排出口２４２とを有している。エンドプレート２５は、空気供給口２５１と、空気排出口２５２とを有している。燃料供給口２４１は、配管Ｆ１を介して燃料タンク３１に連通されている。燃料排出口２４２は、配管Ｆ２を介して燃料タンク３１に連通されている。空気供給口２５１は、配管Ｆ３を介してシステム外部に連通されている。空気排出口２５２は、配管Ｆ４を介してフィルタ装置４０に連通されている。本実施形態における「燃料排出口２４２」が本発明における「第２の出口」の一例に相当し、本実施形態における「空気排出口２５２」が本発明における「第１の出口」の一例に相当する。
【００２７】
燃料タンク３１には、液体燃料が貯蔵されている。システムが起動すると、配管Ｆ１に設けられた燃料ポンプ３２により、液体燃料が燃料タンク３１から燃料供給口２４１を通じて燃料電池２のアノードに供給される。一方、配管Ｆ３に設けられたブロワ３４により、システム外部の空気が空気供給口２５１を通じて燃料電池２のカソードに供給される。なお、ブロワ３４の吸入側には、吸入する空気に含まれる塵埃等を除去するフィルタ３３が設けられている。
【００２８】
アノードでは、下記（１）式で示すように、触媒による酸化反応により二酸化炭素、水素イオン、及び電子が生成される。アノードで生成された電子が外部の回路を通ることで、外部負荷５１に電力が供給される。一方、アノードで生成された水素イオンは、高分子電解質膜２１１を通過してカソードに移動する。カソードでは、下記（２）式で示すように、触媒による酸素の還元反応により水が生成される。下記（１）式及び（２）式が、本発明における「発電反応」に相当する。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …  （１）
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ  …  （２）
【００２９】
燃料排出口２４２から排出されるアノード排出物は、配管Ｆ２を介して燃料タンク３１に戻される。燃料タンク３１内では、戻されたアノード排出物のうち気相成分が液面に浮上するので、液相成分と気相成分とが概ね分離される。液面上に浮上した気相成分は、配管Ｆ５を介してフィルタ装置４０に導入される。本実施形態における「配管Ｆ２」及び「配管Ｆ５」が本発明における「第３の流路」の一例に相当する。
【００３０】
一方、空気排出口２５２から排出されるカソード排出物は、配管Ｆ４を介してフィルタ装置４０に導入される。配管Ｆ４には、カソードで生じた水蒸気を液化する機能を有する凝縮器３６が設けられている。凝縮器３６は、特に図示しない制御装置からの制御信号に基づき、配管Ｆ４を流れるカソード排出物への冷却能力を変化させて、水蒸気の液化量を調整できる。本実施形態における「配管Ｆ４」が本発明における「第１の流路」の一例に相当する。
【００３１】
ここで、アノード排出物の電極反応生成物には、液相成分として未反応の液体燃料（水及びメタノール）が含まれ、気相成分として上記（１）式のとおり二酸化炭素が含まれるが、メタノールが完全酸化されずに反応中間体として副生されるホルムアルデヒドや蟻酸（以下、「アノード不完全酸化物」という。）も気相成分に含まれている。また、カソード排出物の電極反応生成物には、液相成分として上記（２）式のとおり主として水が含まれ、気相成分として未反応の空気が含まれるが、アノードからカソードへ透過したメタノールが酸化反応して生成される二酸化炭素、メタノールが完全酸化されずに反応中間体として副生されるホルムアルデヒドや蟻酸（以下、「カソード不完全酸化物」という。）も気相成分に含まれている。
【００３２】
外部メタノールタンク５０には、高濃度のメタノールが貯蔵されている。燃料電池２での反応によりメタノールが消費され、燃料タンク３１に貯蔵される液体燃料のメタノール濃度が低下すると、メタノールポンプ３５を起動して、配管Ｆ７を介して外部メタノールタンク５０から燃料タンク３１に高濃度メタノールを追加燃料として供給する。
【００３３】
次に、本実施形態のフィルタ装置４０について、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照しながら詳細に説明する。図２（Ａ）は本発明の一実施の形態に係るフィルタ装置を上方から視た斜視図、図２（Ｂ）は本発明の一実施の形態に係るフィルタ装置を上方から視た斜視断面図である。
【００３４】
フィルタ装置４０は、燃料電池２から移送される排出物に含まれる不完全酸化物（アノード不完全酸化物及びカソード不完全酸化物を含む。）を除去する機能を有する。このフィルタ装置４０は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、容器４１と、分離部４２と、反応部４３と、吸着部４４と、を備えている。本実施形態における「不完全酸化物」が本発明における「不完全酸化物」の一例に相当し、本実施形態における「容器４１」が本発明における「容器」の一例に相当し、本実施形態における「分離部４２」が本発明における「分離部４２」の一例に相当し、本実施形態における「反応部４３」が本発明における「反応部」の一例に相当し、本実施形態における「吸着部４４」が本発明における「吸着部」の一例に相当する。
【００３５】
容器４１は、鉛直方向（図中Ｚ方向）に延びる円筒形状とされ、一端に円形状の開口を有する有底の本体部４１１と、本体部４１１の開口を覆うように当該本体部４１１の上方に設けられた蓋部４１２と、を有している。本体部４１１と蓋部４１２とは、特に図示しない係合手段によって着脱可能に係合している。この容器４１（具体的には、本体部４１１）の内部に分離部４２、反応部４３、及び吸着部４４を収容・保持することができる。このため、本実施形態では、各構成要素（分離部４２、反応部４３、及び吸着部４４）同士の間に、配管などが介在していない。なお、容器４１の形状は特に上述に限定されず、角柱形状であってもよい。
【００３６】
分離部４２は、フィルタ装置４０に導入される燃料電池２の排出物（アノード排出物及びカソード排出物を含む。）に含まれる気相成分と液相成分とを分離する機能を有する。この分離部４２は、ステンレス製の金属メッシュを積層したデミスタを用いることができる。なお、分離部４２を構成する材料としては、メタノールに耐食性があれば特に限定されず、たとえば、ステンレスに代えてフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）を用いてもよい。なお、分離部４２としては、デミスタを用いるものに限定されるものではなく、気液分離膜を用いたもの、邪魔板を用いたもの、サイクロン式分離器、重力による分離機構を用いたもの等を採用することができるが、気液分離性及びフィルタ装置４０の小型化の観点から、デミスタを採用することが好ましい。
【００３７】
分離部４２は、容器４１の内部に収容されている。本実施形態では、分離部４２は、本体部４１１の内面に特に図示しない固定手段によって固定されている。排出物が気液分離されることなく分離部４２を通過するのを防ぐため、分離部４２は、本体部４１１の内面との間に隙間が形成されない程度に充填されている。
【００３８】
反応部４３は、分離部４２により分離された排出物の気相成分を酸化反応させるために用いられ、少なくとも気相成分に含まれる不完全酸化物を酸化させ水と二酸化炭素に変換する機能を有する。気相成分の酸化反応に用いられる酸化剤としては、ブロワ３４により燃料電池２に供給され、当該燃料電池２での反応に寄与することなく排出された空気（酸素）を用いる。この反応部４３では、不完全酸化物の他に、排出物に同伴されフィルタ装置４０に入り込んだ未反応のメタノール蒸気も酸化され、水と二酸化炭素に分解される。
【００３９】
このような反応部４３は、触媒を担持させたステンレス製のメッシュ構造物、ハニカム構造物、又は発泡金属等を積層したものが用いられる。なお、反応部４３における排液性を向上する観点から、触媒を担持させたメッシュ構造物を用いることが好ましい。触媒としては、比較的低温状態（たとえば、５０℃）でメタノール蒸気や不完全酸化物の酸化反応に利用できるものが好ましく、具体的には、白金微粒子をカーボン担体に担持したものを用いることができる。なお、触媒としては、上記アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３における電極触媒と同様のものを用いてもよい。
【００４０】
反応部４３は、容器４１の内部に収容されており、鉛直方向において分離部４２に対して上方であって、当該分離部４２に重ねて配置されている。この反応部４３は、本体部４１１の内面に特に図示しない固定手段によって固定されている。排出物が反応部４３を通過することなくシステム外部に流出するのを防ぐため、反応部４３は、本体部４１１の内面との間に隙間が形成されない程度に充填されている。
【００４１】
本実施形態では、後述する排気コネクタ４１５に対して気相成分を滑らかに集合させるため、容器４１を密閉した状態において排気コネクタ４１５と反応部４３との間に間隙４７が形成されている。さらに気相成分を排気コネクタ４１５に集合し易くする観点から、容器４１の蓋部４１２を排気コネクタ４１５に向かって漸次的に縮径する円錐状に形成してもよい。
【００４２】
吸着部４４は、燃料電池２の触媒を被毒して上記（１）式及び（２）式の反応を阻害する阻害物を吸着する機能を有する。阻害物としては、燃料電池２のカソードに供給される空気に含まれる微量の窒素酸化物（ＮＯ，ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、アンモニア、硫化水素、有機溶剤蒸気やタール等の有機物、及び一酸化炭素等がある。このような阻害物が燃料電池２に入り込むと、電極触媒が被毒し劣化してしまい、燃料電池２の寿命が短くなる。しかし、吸着部４４は、阻害物を吸着除去する事が可能であるため、これによって、阻害物は燃料電池２に入り込みにくくなる事から、電極触媒の被毒を防いで、燃料電池２の長寿命化を実現する事が可能となる。このような吸着部４４としては、活性炭等の多孔質体を用いることができる。
【００４３】
吸着部４４は、容器４１の内部に収容されており、鉛直方向において分離部４２に対して下方であって、分離部４２と離間した状態で配置されている。また、後述する供給コネクタ４１３から導入されるカソード排出物に含まれる阻害物を効率良く捕集する観点から、吸着部４４は、当該供給コネクタ４１３よりも下方に配置されている。この吸着部４４は、本体部４１１の内面に特に図示しない固定手段によって固定されている。排出物が吸着部４４を通過することなくフィルタ装置４０の外部に流出するのを防ぐため、吸着部４４は、本体部４１１の内面との間に隙間が形成されない程度に充填されている。
【００４４】
本実施形態では、後述する排液コネクタ４１４に対して液相成分を滑らかに集合させるため、排液コネクタ４１４と吸着部４４との間に間隙４６が形成されている。さらに液相成分を排液コネクタ４１４に集合し易くする観点から、容器４１の底部を排液コネクタ４１４に向かって漸次的に縮径する円錐状に形成してもよい。
【００４５】
容器４１の内部において、分離部４２と吸着部４４との間には、空隙４５が形成されている。この空隙４５は、分離部４２を基準にして反応部４３とは反対側に位置している。なお、本発明において、吸着部４４は、フィルタ装置４０において必須の構成ではなく、必要に応じて省略することができる。この場合、空隙４５は、容器４１の内部において、分離部４２を基準にして反応部４３とは反対側であって、分離部４２と排液コネクタ４１４との間に形成される。
【００４６】
本実施形態の容器４１は、供給コネクタ４１３と、排液コネクタ４１４と、排気コネクタ４１５と、を有している。本実施形態における「供給コネクタ４１３」が本発明における「第１のコネクタ」の一例に相当し、本実施形態のおける「排液コネクタ４１４」が本発明における「第２のコネクタ」の一例に相当し、本実施形態における「排気コネクタ４１５」が本発明における「第３のコネクタ」の一例に相当する。
【００４７】
供給コネクタ４１３は、空気排出口２５２からカソード排出物をフィルタ装置４０（具体的には、容器４１）の内部に受け入れるためのコネクタである。この供給コネクタ４１３は、容器４１の本体部４１１の側面に設けられ、水平方向（図中Ｘ方向）に容器４１の中心から離れる方向に向けて延出している。
【００４８】
供給コネクタ４１３の一端は、分離部４２を基準にして反応部４３と反対側において容器４１の内部に開口している。特に、本実施形態では、この供給コネクタ４１３の一端は、空隙４５に対向するように容器４１の内部で開口している。この場合、カソード排出物は、供給コネクタ４１３から水平方向に向かって空隙４５に噴射され、断面視における本体部４１１の側面のうち供給コネクタ４１３が設けられる側と反対側の側面に吹き付けられる。供給コネクタ４１３の他端は、配管Ｆ４を介して空気排出口２５２と接続されている。
【００４９】
本実施形態では、カソード排出物が分離部４２に直接吹き付けることを防ぐため、供給コネクタ４１３の軸方向を分離部４２と重ならないようにする。すなわち、供給コネクタ４１３の軸方向が分離部４２の下側に位置する様に設ける様にする。ただし、特に上述に限定されず、供給コネクタ４１３の軸方向が、少なくとも分離部４２の一部と重なっていてもよく、たとえば、供給コネクタ４１３の一端を分離部４２と対向するように設けてもよい。
【００５０】
排液コネクタ４１４は、分離部４２で分離された液相成分をフィルタ装置４０の外部に排出するためのコネクタである。また、本実施形態では、排液コネクタ４１４は、燃料排出口２４２からアノード排出物をフィルタ装置４０（具体的には、容器４１）の内部に受け入れるためのコネクタも兼ねる。この排液コネクタ４１４は、液相成分を重力により効率良く集合させる観点から、鉛直方向において容器４１の最下端に設けられることが好ましい。本実施形態では、排液コネクタ４１４は、その軸が容器４１の軸と同軸上であって、容器４１の本体部４１１の底面に設けられている。
【００５１】
排液コネクタ４１４の一端は、鉛直方向において分離部４２よりも下方であって、分離部４２を基準にして反応部４３と反対側において容器４１の内部に開口している。この場合、排液コネクタ４１４の一端と吸着部４４とは、相互に対向配置されている。排液コネクタ４１４の他端は、配管Ｆ５を介して燃料タンク３１に接続されている。本実施形態では、燃料タンク３１を、鉛直方向においてフィルタ装置４０（具体的には、排液コネクタ４１４）に対して下方に配置しており、重力によって液相成分をフィルタ装置４０から燃料タンク３１に送ることができる。また、排液コネクタ４１４の他端は、配管Ｆ２，Ｆ５を介して燃料排出口２４２に接続されている。本実施形態における「配管Ｆ５」が本発明における「第２の流路」の一例に相当する。
【００５２】
排気コネクタ４１５は、分離部４２で分離され、反応部４３における酸化反応により変換されて通過した気相成分をフィルタ装置４０の外部に排出するためのコネクタである。この排気コネクタ４１５は、気相成分を効率良く集合させる観点から、鉛直方向において容器４１の最上端に設けられていることが好ましい。本実施形態では、排気コネクタ４１５は、その軸が容器４１の軸と同軸上であって、容器４１の蓋部４１２に設けられている。
【００５３】
排気コネクタ４１５の一端は、分離部４２を基準にして反応部４３と同じ側において容器４１の内部に開口している。この場合、排気コネクタ４１５の一端と反応部４３とは、相互に対向配置されている。排気コネクタ４１５の他端は、配管Ｆ６を介してシステム外部に連通している。
【００５４】
次に作用を説明する。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は本発明の一実施の形態に係るフィルタ装置の作用を説明するための断面図、図４は図３（Ａ）のIV部の部分拡大図である。
【００５５】
燃料電池システム１が起動すると、燃料電池２では、上記（１）式及び（２）式に示す反応が進み、燃料排出口２４２からはアノード排出物が排出され、空気排出口２５２からはカソード排出物が排出される。燃料排出口２４２から排出されたアノード排出物は、燃料タンク３１に送られ、気相成分が微小な液滴飛沫を同伴したまま配管Ｆ５を介して排液コネクタ４１４からフィルタ装置４０に導入される（図３（Ａ）中における網掛けの矢印で表示）。
【００５６】
空気排出口２５２から排出されたカソード排出物は、凝縮器３６を通じて水蒸気が概ね液化した後、配管Ｆ４を介して供給コネクタ４１３からフィルタ装置４０に導入される（図３（Ａ）における網掛けの矢印で表示）。カソード排出物は、空隙４５に向けて噴射され、本体部４１１の側面に衝突し、大きな液滴は重力によって落下する。
【００５７】
フィルタ装置４０に導入されたアノード排出物は、容器４１の内部（具体的には、空隙４５）でカソード排出物と合流し、これら排出物が微小な液滴飛沫を同伴したまま分離部４２に流入する。
【００５８】
図４に示すように、分離部４２に流入した排出物のうち気相成分は、当該分離部４２を通過して、流入した側と反対側に抜ける（図４における白抜きの矢印で表示）。一方、気相成分に同伴された液滴飛沫は、分離部４２を通過することができず、分離部４２のデミスタにおける慣性衝突、直接さえぎり、及びブラウン運動の作用により、しだいに大きな水滴を形成し、重力によって落下する（図４における黒塗りの矢印で表示）。このため、分離部４２において、排出物の液相成分及び気相成分が相互に分離される。
【００５９】
分離部４２を通過した気相成分は、反応部４３に流入する。反応部４３では、気相成分に含まれるメタノール蒸気及び不完全酸化物が酸化して、水及び二酸化炭素に変換される。反応部４３で生じた水は、メタノール蒸気及び不完全酸化物の燃焼熱により当該反応部４３の温度が１００℃程度に昇温されていることから、瞬時に気化する。
【００６０】
図３（Ｂ）に示すように、フィルタ装置４０の内部で分離された排出物のうち液相成分は、吸着部４４を通過した後、重力によって容器４１の下部に集合され、配管Ｆ５を介して排液コネクタ４１４をから燃料タンク３１に送られる（図３（Ｂ）の黒塗りの矢印で表示）。一方、気相成分は、反応部４３において不完全酸化物及びメタノール蒸気が除去された後、浮上して容器４１の上部に集合され、配管Ｆ６を介して排気コネクタ４１５からシステム外部に排出される（図３（Ｂ）の白抜きの矢印で表示）。
【００６１】
ここで、従来の燃料電池システムでは、燃料電池の排出物を気液分離する気液分離器と、当該気液分離器から送られる気相成分を酸化反応させる触媒とが分離して、それぞれ別々に設けられている。このため、気液分離器から触媒まで気相成分を移送する間に当該気相成分が冷やされて、触媒において結露が生じてしまう。この場合、触媒における気相成分の酸化反応が滞り、当該気相成分に含まれる不完全酸化物の除去能力が低下してしまう、という問題がある。この不完全酸化物としては、ホルムアルデヒドや蟻酸等の揮発性有機化合物（ＶＯＣ：Volatile organic compounds）が含まれるが、これらの排出量は厳しく規制されており、外部に放出する前の不完全酸化物の処理は必須である。
【００６２】
これに対し、本実施形態では、分離部４２と反応部４３とを同一の容器４１に収容している。このため、分離部４２と反応部４３との距離が短くなり、分離部４２を通過して反応部４３に到達するまでの時間が短縮される。これにより、分離部４２を通過して反応部４３に到達するまでの間に、気相成分に含まれる水蒸気が冷え難く、反応部４３において結露が生じ難い。これにより、反応部４３における不完全酸化物の酸化反応が滞って、フィルタ装置４０における不完全酸化物の除去能力が低下するのを抑制することができる。
【００６３】
なお、供給コネクタ４１３及び排液コネクタ４１４を、分離部４２を基準にして反応部４３と反対側において容器４１の内部に開口させることで、燃料電池２の排出物が、直接反応部４３に流入するのを防ぐことができる。これにより、気相成分と液相成分とがより分離された状態で気相成分が反応部４３に到達する事が可能となるため、液滴飛沫を同伴したままの気相成分が反応部に流入する事を抑制する事が可能となる。したがって、反応部４３における不完全酸化物の酸化反応の停滞をより確実に防ぐことができる。
【００６４】
また、本実施形態では、反応部４３を、鉛直方向において分離部４２に対して上方に位置させている。これにより、燃料電池２の排出物が、直接反応部４３に流入するのをより確実に防ぐことができ、フィルタ装置４０における不完全酸化物の除去能力の低下をさらに抑制することができる。
【００６５】
また、本実施形態では、供給コネクタ４１３の軸方向を、分離部４２と重ならないようにすることで、カソード排出物が分離部４２に直接吹き付けられることを防いでいる。なお、分離部４２にカソード排出物を直接吹き付けると、カソード排出物に含まれる多量の液滴が分離部のデミスタの網目に詰まり、分離部における圧力損失が増大して、分離部における気液分離能が低下するおそれがある。この場合、液滴飛沫を同伴したままの気相成分が反応部に流入して、反応部における不完全酸化物の酸化反応が停滞してしまうおそれがある。しかし、本実施形態では、供給コネクタ４１３の軸方向を分離部４２と重ならないように設けている為、カソード排出物が分離部４２に直接吹き付けられることを防ぐ事が可能となる。このため、カソード排出物に含まれる多量の液滴が分離部４２のデミスタの網目に詰まる事を抑制できる事から、分離部４２における圧力損失が増大して分離部４２における気液分離能が低下する事を抑制できる。したがって、液滴飛沫を同伴したままの気相成分が反応部４３に流入する事を抑制できるため、反応部４３における不完全酸化物の酸化反応の停滞を抑制する事が可能となる。
【００６６】
また、本実施形態のフィルタ装置４０は、燃料電池２の触媒を被毒して上記（１）式及び（２）式の反応を阻害する阻害物を吸着する吸着部４４を備えている。これにより、燃料電池２の電極触媒が被毒し劣化するのを抑え、燃料電池２の長寿命化を実現することができる。特に、本実施形態では、吸着部４４を分離部４２に対して下方に配置している。これにより、分離部４２で分離された液相成分に含まれる阻害物が重力によって吸着部４４に捕集される様になるため、上記の阻害物を効率的に捕集することができる。
【００６７】
また、本実施形態では、鉛直方向においてフィルタ装置４０（具体的には、排液コネクタ４１５）に対して下方に燃料タンク３１を配置し、配管Ｆ５を介して排液コネクタ４１４と燃料タンク３１とが接続されている。これにより、フィルタ装置４０で分離された液相成分は、燃料タンク３１に戻される。フィルタ装置４０で分離された液相成分は主として水であるが、本実施形態では、これを燃料タンク３１に送り、高濃度メタノールの希釈用として用いている。このため、アノードでの反応に必要な水を燃料電池２に供給する受水設備を燃料電池システム１の内部に設ける必要がなくなるため、システムの小規模化を図ることができる。また、受水設備の故障などシステムの不具合が生じないので、燃料電池システム１のメンテナンスが容易となる。
【００６８】
なお、フィルタ装置４０からの水（液相成分）の供給量（生成量）が、燃料タンク３１での必要量を上回る場合には、凝縮器３６の冷却能力を変化させて、カソード排出物に含まれる水分を水蒸気の状態でフィルタ装置４０に導入し、そのまま配管Ｆ６を介してシステム外部に水蒸気を排出すればよい。これにより、フィルタ装置４０から燃料タンク３１への水の供給量を適切に調整することができる。
【００６９】
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００７０】
たとえば、本実施形態の排液コネクタ４１４は、分離部４２で分離された液相成分をフィルタ装置４０の外部に排出するためのコネクタと、燃料排出口２４２から排出されたアノード排出物をフィルタ装置４０の内部に受け入れるためのコネクタとを兼ねるが、これらのコネクタを別々に設けてもよい。具体的には、図５に示すように、配管Ｆ５とは別に、燃料タンク３１とフィルタ装置４０とを接続する配管Ｆ８を設けて、燃料排出口２４２からアノード排出物をフィルタ装置４０の内部に受け入れるためのコネクタとして、当該配管Ｆ８に接続される供給コネクタ４１６を容器４１に設けてもよい。これにより、分離部４２で分離された液相成分と燃料排出口２４２から排出されたアノード排出物とを別々の配管によって流すことが可能となる為、上記の液相成分とアノード排出物とをより一層スムーズに送る事が可能となる。本例における「配管Ｆ２」及び「配管Ｆ８」が本発明における「第３の流路」の一例に相当し、本例における「供給コネクタ４１６」が本発明における「第４のコネクタ」の一例に相当し、本例における「排液コネクタ４１４」が本発明における「第２のコネクタ」の一例に相当し、本例における「配管Ｆ５」が本発明における「第２の流路」の一例に相当する。
【符号の説明】
【００７１】
１…燃料電池システム
２…燃料電池
２１…膜電極接合体
２１１…高分子電解質膜
２１２…アノード触媒層
２１３…カソード触媒層
２１４…アノードガス拡散層
２１５…カソードガス拡散層
２２…アノードセパレータ
２３…カソードセパレータ
２４…エンドプレート
２４１…燃料供給口
２４２…燃料排出口
２５…エンドプレート
２５１…空気供給口
２５２…空気排出口
３１…燃料タンク
３２…燃料ポンプ
３３…フィルタ
３４…ブロワ
３５…メタノールポンプ
３６…凝縮器
４０…フィルタ装置
４１…容器
４１１…本体部
４１２…蓋部
４１３…供給コネクタ
４１４…排液コネクタ
４１５…排気コネクタ
４１６…供給コネクタ
４２…分離部
４３…反応部
４４…吸着部
４５…空隙
４６…空隙
４７…空隙
Ｆ１〜Ｆ８…配管
５０…外部メタノールタンク
５１…外部負荷
【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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