(57)【要約】【課題】  取扱性を良好にできる燃料電池システムおよびこの燃料電池システムを備えた機器を提供すること。【解決手段】  燃料電池１の空気室と純水タンク１０２とを連通する再循環配管１０８を設ける。空気室で生成された水を純水タンク１０２に収納するので、燃料電池システム１００外部への水漏れを防止できるとともに燃料電池１で生成された水を再利用できる。また、寒冷地での使用においても燃料電池１外部が凍結することがないので、燃料電池システム１００の取扱性を向上させることができる。【選択図】 図１
2005302518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、アノード側反応室、およびカソード側反応室を有するとともに、前記アノード側反応室に燃料を供給して電気エネルギを得る燃料電池と、
当該燃料電池システムに供給される燃料を収納する燃料収納手段と、
当該燃料電池システムに供給される水を収納する水収納手段と、
前記カソード側反応室と前記水収納手段とを連通する連通配管とを備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記水収納手段から溢れた水を保持する保持手段が設けられている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記保持手段は、水を吸収保持するゲル状吸収体を備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記保持手段は、水を吸収保持する吸収体と、水の少なくとも一部を大気に蒸散させる蒸散体とを備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムを備えたことを特徴とする機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムおよびこの燃料電池システムを備えた機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、外部から連続的に供給される燃料と酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギを取り出すものである。燃料電池は、他の発電方式に比べて高効率で二酸化炭素の排出量が少ないため、環境問題が顕著になっている近年注目されている。
例えば高分子電解質形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)は、低い温度で動作が可能で起動時間が短く、小型化も可能である。この高分子電解質形燃料電池は、高分子固体電解質膜を空気側電極と燃料側電極とで挟んだ構造のＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)を備え、空気側電極に空気（酸素）を供給し、燃料側電極にメタノールや改質した水素などの燃料を供給することにより、電気化学的反応が起こり電力が発生する（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１６２１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような高分子電解質形燃料電池のうち、特に直接メタノール形燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell, DMFC）は、燃料電池にメタノールを燃料として直接供給し電気エネルギを得るため、ＰＥＦＣとは異なり、水素を収納する容器や、燃料を改質して水素を取り出す改質器などが不要となる。したがって、直接メタノール形燃料電池は、長時間連続的に使用する必要がある携帯電話やノートパソコン等の携帯機器用の携帯電源として従来型の一次電池や二次電池に取って代わるものとして注目されている。
しかしながら、燃料電池では、空気側（カソード側）電極では酸素とプロトンとが反応することにより水が生成される。この水は通常では水蒸気の状態で大気に放出されるのが一般的であるが、この燃料電池を例えば携帯機器に利用した場合では、大量の水蒸気により衣服や鞄がぬれるなどの不具合が生じる可能性がある。また、寒冷地では生成される水が凍結して燃料電池が良好に動作しない可能性があるため、夜間の取扱に注意を要するなど、取扱性に問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、取扱性を良好にできる燃料電池システムおよびこの燃料電池システムを備えた機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、電解質膜、アノード側反応室、およびカソード側反応室を有するとともに、アノード側反応室に燃料を供給して電気エネルギを得る燃料電池と、当該燃料電池システムに供給される燃料を収納する燃料収納手段と、当該燃料電池システムに供給される水を収納する水収納手段と、カソード側反応室と水収納手段とを連通する連通配管とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、燃料電池のアノード側反応室では燃料が反応してプロトンと電子とが生成される。プロトンは、電解質膜を透過してカソード側反応室に移動し、これにより電解質膜両端に電気エネルギが発生する。一方、燃料電池のカソード側反応室では空気などに含まれる酸素と電解質膜を透過したプロトンとが反応して水が生成される。ここで、燃料電池のカソード側反応室には、水収納手段に連通する連通配管が設けられているので、カソード側反応室で生成された水はこの連通配管を通って水収納手段に蓄積される。この水は、燃料電池に再び供給され、再利用が図られる。
【０００７】
カソード側反応室で生成された水が水収納手段に収納されるので、水蒸気や水が大量に燃料電池システム外部に漏れることがない。よって、例えば燃料電池システムを携帯機器に適用する場合でも衣服を濡らすなどの不具合が防止されるので、燃料電池システムの適用範囲が広くなる。また例えば燃料電池システムを寒冷地で使用する場合でも、外部に放出された水蒸気が凍結するなどの不具合が解消されるので、燃料電池システムの取扱性が向上する。
さらに、カソード側反応室で生成された水が連通配管を通って水収納手段に収納され、燃料電池の燃料の水溶液として再利用されるので、水収納手段に予め確保しなければならない水の量が最小限に抑制され、水収納手段の小型化、軽量化が促進され、ひいては燃料電池システムの小型化、軽量化が促進される。
【０００８】
本発明では、水収納手段から溢れた水を保持する保持手段が設けられていることが望ましい。
燃料電池システムでは、消費される燃料の量に対してカソード側反応室で生成される水の量の方が多くなるため、生成される水の全てを水収納手段に蓄積すると、水の量が過剰となる場合がある。
この発明によれば、保持手段が設けられているので、水収納手段から溢れた水が外部に漏れることなく保持手段で保持されるから、燃料電池システムの取扱性が向上する。また、保持手段が設けられているので、燃料電池に供給するのに必要な水の量を収納する大きさで水収納手段を構成し、水収納手段に収納しきれない余剰分を保持手段で保持することが可能となるため、水収納手段の寸法が必要最小限に抑制され、水収納手段の小型化が促進される。
【０００９】
本発明では、保持手段は、水を吸収保持するゲル状吸収体を備えたことが望ましい。
この発明によれば、保持手段がゲル状吸収体を備えているので、水収納手段から溢れた水が確実にゲル状吸収体に保持される。これにより、燃料電池システムからの水漏れが確実に防止され、燃料電池システムの取扱性が向上するとともに、燃料電池システムの信頼性が良好となる。
【００１０】
本発明では、保持手段は、水を吸収保持するゲル状吸収体と、水の少なくとも一部を大気に蒸散させる蒸散体とを備えたことが望ましい。
この発明によれば、保持手段がゲル状吸収体と蒸散体とを備えて構成されているので、水収納手段から溢れた水がゲル状吸収体で吸収可能となることで燃料電池からの水漏れの発生が防止されるとともに、蒸散体により水の少なくとも一部が大気に蒸散されるため、燃料電池システムの軽量化が促進される。なお、この場合において、蒸散体によって水の一部を一時的に保持して大気に蒸散させるので、過剰な水が蒸散されることがなく、例えばこの燃料電池システムを携帯機器に適用した場合でも、衣服をぬらすなどの不具合が防止される。
【００１１】
本発明の機器は、前述の燃料電池システムを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、機器が前述の燃料電池システムを備えているので、前述の燃料電池システムの効果と同様の効果が得られ、取扱性が向上する。特に、機器が携帯機器である場合には、燃料電池で生成される水が外部に漏れて使用者の衣服を濡らすなどの不都合が解消されるので、有用である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池システムおよび機器によれば、カソード側反応室で生成する水を水収納手段に蓄積することにより水を処理するので、水が燃料電池から大量に放出されることがなく、燃料電池システムの取扱性を向上させることができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本発明の一実施形態にかかる燃料電池システム１００の概略構成図が示されている。この図１において、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、この燃料電池１に供給されるメタノール（燃料）を収納するメタノールタンク（燃料収納手段）１０１と、燃料電池１に供給され、かつメタノールを所定の濃度に希釈して燃料電池１での反応に供するための純水（水）を収納する純水タンク（水収納手段）１０２と、メタノールタンク１０１からメタノールを送液するメタノールポンプ１０３と、純水タンク１０２から純水を送液する純水ポンプ１０４と、メタノールおよび純水を混合し、所定濃度のメタノール水溶液を燃料電池１に供給するミキサ１０５と、メタノールおよび純水の供給動作を制御する供給制御手段１０６と、燃料電池１で反応が終了した廃液を収納する廃液手段としての廃液タンク１０７とを備えている。
【００１４】
図２には燃料電池１の側断面図が示されている。燃料電池１は、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）であり、図２に示されるように、燃料電池セル１０がケース１１に収納されて構成されている。なお、本実施形態では、説明を簡略化するため、図２に示すように単一の燃料電池セル１０で構成した燃料電池１を図示するが、もちろん燃料電池１が、この燃料電池セル１０を複数枚積層したスタック構造とされていてもよい。
【００１５】
燃料電池セル１０は、電解質膜としての高分子固体電解質膜２と、この高分子固体電解質膜２の両面に一体的に形成されるアノード電極３およびカソード電極４と、アノード電極３側に配置される燃料拡散層５と、カソード電極４側に配置される空気拡散層６と、これら燃料拡散層５および空気拡散層６の外側にそれぞれ設けられるとともに、アノード電極３およびカソード電極４の間に発生した電気エネルギを取り出す集電体７，８とを備えている。この燃料電池セル１０は、ケース１１に収納され、ガスケット１２によって高分子固体電解質膜２の両側から挟持されている。これにより、ケース１１内部は、高分子固体電解質膜２を挟んでアノード電極３側とカソード電極４側とに封止されて分離されている。
すなわち、ケース１１内壁とアノード電極３との間の領域は、液密に構成され、燃料が供給されるアノード側反応室としての燃料室３１となっている。また、ケース１１内壁とカソード電極４との間の領域は、空気が供給されるカソード側反応室としての空気室４１となっている。なお、燃料としては、メタノール(CH3OH)水溶液が供給される。
【００１６】
ケース１１のアノード電極３側には、燃料を燃料室３１に供給するための燃料供給口１１１と、アノード電極３での反応が終了した燃料を外部に排出するための燃料排出口１１２とが形成されている。また、ケース１１のカソード電極４側には、空気を空気室４１に供給するための空気供給口１１３が形成されている。この空気供給口１１３は、大気に開放されることで、空気室４１への空気の供給を自然吸気とする構造であってもよく、またエアポンプなどによって空気室４１に強制的に空気を供給する構造であってもよい。また、ケース１１のカソード電極４側には、カソード電極４での反応により生成された水を回収するための生成水排出口１１４が形成されている。この生成水排出口１１４には、回収された水が流通する連通配管としての再循環配管１０８（図１参照）が接続されており、この再循環配管１０８が純水タンク１０２に接続されることにより、空気室４１と純水タンク１０２とが連通している。
【００１７】
高分子固体電解質膜２の両面には、外縁から所定幅寸法を隔てた所定範囲内に略矩形状のアノード電極３およびカソード電極４が一体的に形成されている。高分子固体電解質膜２は、プロトン伝導性高分子で構成される高分子固体電解質樹脂が、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(Poly Tetra Fluoro Ethylene, PTFE)フィルムの多孔空隙部に含浸されることにより構成されている。高分子固体電解質樹脂としては、例えばナフィオン（デュポン社商標）等のパーフルオロスルホン酸系ポリマー、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマーなどが採用できる。また場合によってはこの高分子固体電解質樹脂に、電子導電性の生じない範囲で白金などの触媒やカーボン粉末、各種セラミックス粉末などを加えてもよい。
【００１８】
なお、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムは、ＰＴＦＥの塊を延伸多孔化して得られる、多数の微小結節とそれらの微小結節から延出して微小結節相互を三次元的に連結する微細繊維とからなる構造を有する多孔質ＰＴＦＥフィルムであり、このフィルムには、厚み方向に貫通する多数の孔が形成される。本実施形態においてこの延伸多孔質ＰＴＦＥフィルムの膜厚は、１〜１００μｍ、好ましくは３〜３０μｍで、孔径は０．０５〜５μｍ、好ましくは０．５〜２μｍで、空隙率は６０％〜９８％、好ましくは８０〜９２％である。膜厚が薄すぎると短絡やガス漏れ（クロスリーク）が発生しやすくなり、厚すぎると電気抵抗が高くなる。また孔径が小さすぎると高分子固体電解質樹脂の含浸が困難となり、大きすぎると高分子固体電解質樹脂の保持力が弱くなり、また補強効果も弱くなる。そして、空隙率が小さすぎると高分子固体電解質膜としての抵抗が大きくなり、大きすぎると一般にＰＴＦＥ自体の強度が弱くなり補強効果が得られない。
【００１９】
アノード電極３およびカソード電極４は、メタノールの分解のための触媒を担持したカーボン触媒電極膜から構成される。触媒としては、例えば白金等が採用できる。なお、アノード電極３側では、メタノールと触媒との反応により発生する中間生成物である一酸化炭素ＣＯの被毒を防止するため、少なくともアノード電極３側の触媒には、白金およびルテニウムの合金等を採用することがより好ましい。
ここで、高分子固体電解質膜２、アノード電極３、およびカソード電極４は、一体的に形成されて膜電極接合体２０が構成されている。
燃料拡散層５および空気拡散層６は、メッシュの金属フォーム（例えばスチールウール等）からなる多孔性膜であり、供給される燃料および酸素をそれぞれ拡散してアノード電極３およびカソード電極４に導く。なお、これら燃料拡散層５および空気拡散層６は、それぞれ、アルミニウム、ステンレス鋼等であってもよく、またスポンジチタン等の多孔性金属材料、カーボンペーパ紙にカーボンを担持したものやカーボンクロス等であってもよい。
また、集電体７，８には、それぞれ図示しないリード線が接続されており、外部の負荷に接続されている。
【００２０】
メタノールタンク１０１および純水タンク１０２は、燃料室３１への流路が開閉可能なバルブ１０１Ａ，１０２Ａを備えている。これらのバルブ１０１Ａ，１０２Ａは、供給制御手段１０６に電気的に接続されており、供給制御手段１０６からの指令によりそれぞれ個別に開閉可能となっており、その開度も調整可能となっている。なお、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２は、一体のケースの内部が仕切られて形成されている構成であることが好ましく、例えばいわゆるカートリッジ方式で、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２が同時に簡単に交換可能な構造であることが望ましい。
図３には、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２の概略図が示されている。この図３において、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２は一体的に形成されており、それぞれメタノールポンプ１０３および純水ポンプ１０４に連通する配管が接続されている。また、純水タンク１０２には、空気室４１に連通する再循環配管１０８が接続されている。この再循環配管１０８により、空気室４１で生成された水が純水タンク１０２に収納される。
【００２１】
純水タンク１０２は、メタノールタンク１０１内のメタノール量に対して、燃料電池１での反応に必要な量の水が収納できるだけの容量で形成されている。この純水タンク１０２には、純水タンク１０２から溢れた水を吸収保持する保持手段としての吸収パッド９が設けられている。
吸収パッド９は、蒸散体としての蒸散層９１と、吸収体としての吸収層９２とが積層されて一体的に構成されている。蒸散層９１は、純水タンク１０２に隣接して、つまり純水タンク１０２の一側面に当接して配置されており、水分保持能力のある任意の材料で構成される。この蒸散層９１には、純水タンク１０２に連通する配管９３が設けられており、純水タンク１０２から溢れた余剰分の水がこの配管９３を通って蒸散層９１に流れると、蒸散層９１はこの水を一時的に内部に保持するとともに、一定量ずつ表面から大気に蒸散させる。したがって、この蒸散層９１は大気に対向して配置されていることが望ましく、例えば燃料電池システム１００全体をケースに収納する場合などでは、ケースに複数の通気口などを設け、蒸散層９１を通気口に対向して配置すればよい。また、蒸散層９１は、蒸散効率を高めるため、表面積が大きくなるように構成されることが望ましく、例えば蒸散層９１が当接される純水タンク１０２側面よりも大きい面積の板状（シート状）に形成すれば、当該純水タンク１０２周囲に蒸散層９１が突出して蒸散面積が大きくなる。
【００２２】
吸収層９２は、例えば高分子吸収体などの任意の材料で構成されるゲル状吸収体で、蒸散層９１で吸収蒸散しきれない水分を吸収し、内部に保持する。吸収層９２の寸法は、蒸散層９１と同じ面積の板状（シート状）に形成されることが望ましく、空気室４１で生成される水の量や、蒸散層９１で蒸散できる水分量などを勘案して適宜設定されることが望ましい。
【００２３】
メタノールポンプ１０３および純水ポンプ１０４は、ミキサ１０５に接続されており、それぞれ所定量のメタノールおよび純水をメタノールタンク１０１および純水タンク１０２からミキサ１０５に送液する。これらのポンプ１０３，１０４は、供給制御手段１０６に電気的に接続されており、供給制御手段１０６からの送液指令信号によりポンプ１０３，１０４のＯＮ，ＯＦＦが制御される。
ミキサ１０５は、燃料供給口１１１に接続されており、供給制御手段１０６からの混合指令信号に基づいて、メタノールタンク１０１からのメタノールと、純水タンク１０２からの純水を混合し、メタノールが純水中に均一に分散されたメタノール水溶液を作成する混合手段となっている。なお、メタノールのみ、または純水のみを燃料室３１に供給する場合には、ミキサ１０５は一種類の液体を混合するのみで、実質的にはその機能を発揮することなく液体が通過するのみとなる。
ここで、本実施形態ではメタノールタンク１０１、バルブ１０１Ａ、およびメタノールポンプ１０３を備えてメタノール供給手段が構成されており、また純水タンク１０２、バルブ１０２Ａ、および純水ポンプ１０４を備えて水供給手段が構成されている。
【００２４】
供給制御手段１０６は、燃料室３１内のメタノール水溶液の濃度を予め設定された所定範囲内に維持するように、メタノールおよび水の供給量を制御する。メタノールおよび水の供給量の制御としては、具体的には、例えば所定範囲内の濃度のメタノール水溶液を常時一定量ずつ燃料室３１に供給して燃料室３１内のメタノール水溶液を循環させる方式や、また、燃料室３１内のメタノール水溶液の濃度を検出するメタノール濃度検出手段を設けて、このメタノール濃度検出手段からの検出信号に基づいて供給するメタノール水溶液の濃度を調整する方式など、燃料電池システム１００の用途や仕様に応じて適宜設定すればよい。
ここで、メタノール水溶液の濃度の所定範囲は、燃料室３１内でのメタノールと触媒との反応効率が良好となり、かつ高分子固体電解質膜２のクロスオーバーが良好に防止される範囲で設定されることが好ましく、燃料電池１の容量、高分子固体電解質膜２の材質、性能などを勘案して適宜設定され、例えば３％〜５％または１mol/l〜８mol/lの範囲内で設定される。
【００２５】
廃液タンク１０７は、燃料排出口１１２に接続されており、燃料室３１から排出された廃液を収納する。この廃液タンク１０７は、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２とは別に設けられて個別に交換可能に設けられていてもよい。また、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２に一体的に形成されていてもよい。この場合には、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２内のメタノールまたは純水を使い切ってメタノールタンク１０１および純水タンク１０２を交換する際に、廃液タンク１０７も同時に交換可能となるので、交換操作が簡便となり取扱性が向上する。
【００２６】
次に、このような燃料電池システム１００の動作について説明する。
まず、燃料電池システム１００の起動時には、供給制御手段１０６から出力される初期メタノール水溶液供給指令により、燃料室３１にメタノール水溶液を充満させる。この指令信号により、バルブ１０１Ａ，１０２Ａが開き、メタノールおよび純水がそれぞれ送液される。このとき、バルブ１０１Ａ，１０２Ａの開度は、メタノール水溶液の濃度が所定範囲内となるように、あらかじめ設定されている。メタノールおよび純水は、メタノールポンプ１０３および純水ポンプ１０４によってミキサ１０５に送られ、ミキサ１０５で均一に混合された後、燃料室３１に供給される。
【００２７】
燃料室３１では、メタノール水溶液がアノード電極３の触媒によって下記の式(１)の酸化反応を生じ、この反応により二酸化炭素ＣＯ２とプロトンＨ＋と電子ｅ−とを生成する。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …(１)
プロトンＨ＋は、高分子固体電解質膜２を透過してカソード電極４側に移動することにより、集電体７，８の両端に電圧が生じる。プロトンＨ＋がカソード電極４側に到達すると、外部負荷を通って仕事をした後にカソード電極４に到達した電子ｅ−と、空気室４１内の空気中の酸素Ｏ２とが、カソード電極４の触媒によって反応して式(２)の還元反応が生じる。
3/2Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ  …(２)
アノード電極３側で生成された二酸化炭素ＣＯ２や、メタノールと水との反応により生成される、例えば蟻酸、ホルムアルデヒド、一酸化炭素等の副生成物などは、反応の終了した液体とともに廃液として廃液タンク１０７に収納される。また、カソード電極４側で生成された水は、再循環配管１０８を通って純水タンク１０２に収納される。収納された水は、再び純水ポンプ１０４によって送液され、メタノールを所定濃度のメタノール水溶液に希釈するのに使用される。
【００２８】
空気室４１で生成される水は、上記の式(１)および式(２)からわかるように、１molのメタノールおよび純水に対して３mol生成される。したがって、燃料電池システム１００を使用するにしたがい、純水タンク１０２内の水が増加して過剰となる。この余剰分の水は、純水タンク１０２から溢れると、配管９３を通って吸収パッド９の蒸散層９１に供給される。配管９３からの水は、蒸散層９１全面に拡散され、蒸散層９１に一時的に保持されるとともに、蒸散層９１表面から一定量ずつ大気に蒸散される。
また、蒸散層９１で保持、蒸散しきれないさらなる余剰分の水は、蒸散層９１から吸収層９２に移動し、吸収層９２に吸収、保持される。
メタノールタンク１０１内のメタノールがなくなった場合には、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２にそれぞれメタノールおよび純水を追加するか、またはメタノールタンク１０１および純水タンク１０２ごと交換すればよい。同様に、廃液タンク１０７に所定量以上の廃液が収納された場合には、廃液タンク１０７内の廃液を廃棄するか、または廃液タンク１０７ごと交換すればよい。
また、吸収パッド９は所定量以上の水を吸収した場合に交換すればよく、吸収パッド９がメタノールタンク１０１および純水タンク１０２と一体に設けられている場合には、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２を交換する際に吸収パッド９もともに交換すればよい。この際、吸収パッド９の吸収能力および蒸散能力は、メタノールタンク１０１内のメタノール量に応じて、メタノールタンク１０１内のメタノールが燃料電池１で反応したときに発生する水の量を勘案して設定されることが望ましい。
【００２９】
このような本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(１) 再循環配管１０８により空気室４１と純水タンク１０２とを連通したので、空気室４１で生成される水を純水タンク１０２に収納することができる。したがって、空気室４１で生成された水が燃料電池システム１００外部に大量に漏れることがなく、燃料電池システム１００の取扱性を向上させることができる。これは、この燃料電池システム１００を携帯機器に利用する場合などでは、生成された水によって衣服などを濡らすのを防止できるため、特に有用である。また、燃料電池システム１００外部に大量に水が漏れるのを防止できるので、寒冷地での使用においても燃料電池１の凍結を確実に防止でき、これによっても燃料電池システム１００の取扱性を向上させることができるとともに、燃料電池システム１００の機器への適用範囲を広くすることができる。
【００３０】
(２) 再循環配管１０８が設けられているので、空気室４１で生成される水を純水タンク１０２に収納することで、水をメタノール希釈用の水として再利用できる。したがって、純水タンク１０２にあらかじめ収納する水を少なくできるため、純水タンク１０２の小型化を促進できる。よって、燃料電池システム１００の小型化、軽量化を促進できる。
【００３１】
(３) 純水タンク１０２から溢れた余剰分の水を吸収パッド９で吸収するので、純水タンク１０２には、燃料電池１で使用する分の純水のみを収納でき、純水タンク１０２の容量を最小限に抑制できる。これにより、純水タンク１０２の小型化を促進できるとともに、燃料電池システム１００の小型化を促進できる。
【００３２】
(４) 吸収パッド９が、蒸散層９１を備えているので、純水タンク１０２から溢れた余剰分の水の一部を大気に蒸散できる。したがって、空気室４１で生成された水の全量を燃料電池システム１００内で保持する必要がなく、燃料電池システム１００の軽量化を促進できる。この場合において、蒸散層９１が水を一時的に保持し、その一部の一定量を蒸散させるので、蒸散量を調整でき、燃料電池システム１００外部を濡らすなどの不具合を良好に回避できる。
また、吸収パッド９がゲル状吸収体で構成される吸収層９２を備えているので、蒸散層９１で保持、蒸散しきれない水分を吸収層９２で吸収、保持することができる。したがって、吸収パッド９での水分の吸収をより確実にできるとともに、蒸散層９１の蒸散量を過剰にすることなく適量に保持できる。
【００３３】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
保持手段が、蒸散体および吸収体を積層して構成されている場合において、蒸散体は水収納手段に隣接、当接されているものに限らず、例えば吸収体が水収納手段に隣接、当接されていてもよい。この場合には、水収納手段から吸収体を挟んで反対側の蒸散体に、水収納手段と連通する配管を設けて、水収納手段から溢れた水を蒸散体に供給するように構成すればよい。この場合でも、蒸散体を大気側に対向配置すると、蒸散体からの水分の蒸散を促進できる。また、蒸散体が水収納手段と吸収体との間に挟まれないので、大気への対向面積が大きくなるため、蒸散効率が良好となる。
保持手段は、必ずしも蒸散体が設けられていなくてもよく、例えば、保持手段として吸収体のみが設けられ、水収納手段から溢れた水の全量を吸収体で吸収、保持する構成であってもよい。
保持手段は、必ずしも必要ではなく、例えば水収納手段の収納能力を、カソード側反応室で生じる水の量を勘案して設定すれば、再循環配管を通って水の全量が水収納手段に収納されて溢れることがないので、保持手段を設ける必要がない。
【００３４】
保持手段が蒸散体を備えている場合には、蒸散体を加熱する加熱手段を設けて、蒸散体からの水の蒸散を促進するように構成してもよい。この場合に加熱手段としては、例えば蒸散体近傍に設けられる発熱体を用いてもよいし、燃料電池の反応効率を良好に保持できる範囲内で、燃料電池における発熱量を利用してもよい。また、蒸散体の蒸散を促す蒸散促進手段としては、加熱手段を設けるものの他、例えば送風手段を設けてもよい。
【００３５】
連通配管で水収納手段に収納された水は、燃料電池の燃料を希釈して水溶液を作成する用途の他、例えばカソード側反応室に空気とともに少量の水を送って電解質膜を適度な湿度に保持するために用いてもよい。
または、連通配管で水収納手段に収納された水は、燃料電池に供給される燃料の水溶液を作成する用途の他、例えば燃料電池システムが改質器を有する場合では、改質器に供給される燃料の水溶液を作成する用途に用いてもよい。
燃料は、メタノールに限らず、水溶液の状態で燃料電池に供給される任意の材料が採用できる。また、燃料電池システムが改質器を含む場合では、燃料はメタノールなどのアルコール系燃料の他、例えばデカリンなどの有機ハイドライド燃料や、水素化ホウ素ナトリウムなどのボロハイドライド燃料などの任意の材料が採用されている。
本発明の燃料電池システムは、小型化を促進でき、大量の水分を放出せず取扱性が良好であるので、例えば携帯電話やノートパソコンなどの携帯機器、車、その他任意の機器に適用できる。
【００３６】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムを示す概略構成図。
【図２】燃料電池の側断面図。
【図３】水収納手段および保持手段を示す斜視図。
【符号の説明】
【００３８】
１…燃料電池、２…高分子固体電解質膜（電解質膜）、３…アノード電極、４…カソード電極、９…吸収パッド（保持手段）、３１…燃料室（アノード側反応室）、４１…空気室（カソード側反応室）、９１…蒸散層（蒸散体）、９２…吸収層（吸収体）、１００…燃料電池システム、１０１…メタノールタンク（燃料収納手段）、１０２…純水タンク（水収納手段）、１０８…再循環配管（連通配管）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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