(57)【要約】【課題】液体燃料の導電率を向上させ、液体燃料の帯電を抑制する。【解決手段】液体燃料と、液体燃料を収容している容器と、を含み、液体燃料は、メタノールと水を含み、液体燃料に溶存する二酸化炭素量がＣCO2ｃｍ3／ｃｍ3であり、１．０１×１０5Ｐａの空気中において液体燃料に２５℃で溶存する溶解平衡時の二酸化炭素量がＣ0ｃｍ3／ｃｍ3であるとき、ＣCO2＞Ｃ0を満たす、燃料カートリッジおよびこれを具備する燃料電池システム。【選択図】図１
2016085845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料と、前記液体燃料を収容している容器と、を含み、
前記液体燃料は、メタノールと水を含み、
前記液体燃料に溶存する二酸化炭素量がＣCO2ｃｍ3／ｃｍ3であり、
１．０１×１０5Ｐａの空気中において前記液体燃料に２５℃で溶存する溶解平衡時の二酸化炭素量がＣ0ｃｍ3／ｃｍ3であるとき、ＣCO2＞Ｃ0を満たす、燃料カートリッジ。
【請求項２】
ＣCO2＞１０Ｃ0を満たす、請求項１に記載の燃料カートリッジ。
【請求項３】
前記液体燃料におけるメタノール濃度Ｃfuelが、４０質量％以上である、請求項１または２に記載の燃料カートリッジ。
【請求項４】
前記液体燃料の導電率が、１．０×１０-8Ｓ／ｍ以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料カートリッジ。
【請求項５】
前記二酸化炭素量ＣCO2が、０．０３ｃｍ3／ｃｍ3以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料カートリッジ。
【請求項６】
メタノールと水を含む液体燃料であって、
前記液体燃料に溶存する二酸化炭素量がＣCO2ｃｍ3／ｃｍ3であり、
１．０１×１０5Ｐａの空気中において前記液体燃料に２５℃で溶存する溶解平衡時の二酸化炭素量がＣ0ｃｍ3／ｃｍ3であるとき、ＣCO2＞Ｃ0を満たす、液体燃料。
【請求項７】
アノード、カソードおよび電解質膜を具備する燃料電池と、
前記アノードに液体燃料を供給する燃料供給部と、
前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
前記燃料供給部に前記液体燃料を供給する燃料カートリッジと、を具備し、
前記燃料カートリッジは、液体燃料と、前記液体燃料を収容している容器と、を含み、
前記液体燃料は、メタノールと水を含み、
前記液体燃料に溶存する二酸化炭素量がＣCO2ｃｍ3／ｃｍ3であり、
１．０１×１０5Ｐａの空気中において前記液体燃料に２５℃で溶存する溶解平衡時の二酸化炭素量がＣ0ｃｍ3／ｃｍ3であるとき、ＣCO2＞Ｃ0を満たす、燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料供給部は、前記燃料カートリッジを取り付ける取り付け口を具備し、
前記燃料カートリッジは、前記取り付け口に対して着脱可能である、請求項７に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料カートリッジ、液体燃料および燃料電池システムに関し、詳しくは、直接酸化型燃料電池システムに用いる液体燃料の帯電防止に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、車載用電源、家庭用コージェネレーションシステム用電源等として実用化されつつある。近年、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）等の小型電子機器の電源として燃料電池を用いることも検討されている。燃料電池は、燃料の補充によって連続発電が可能であることから、小型電子機器の利便性をさらに向上させ得るものと期待されている。
【０００３】
燃料電池のなかでも直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）は、常温で液体の燃料を直接酸化して電気エネルギを取り出すため、小型化が容易である。燃料としてメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、エネルギ効率および発電出力が優れており、ＤＯＦＣの中でも最も有望視されている（特許文献１〜４）。
【０００４】
ＤＭＦＣのアノードおよびカソードでは以下の反応が進行する。アノードでは、メタノールと水が反応して、二酸化炭素が生成し、カソードでは水が生成する。
アノード：  ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- 
カソード：  （３／２）Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ
【０００５】
液体燃料は可燃性を有するため、静電気の蓄積に注意する必要がある。化学物質を取り扱う工場火災は、帯電した化学物質への着火が原因となることが多い（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３１３０４６号公報
【特許文献２】特開２００７−８７７７６号公報
【特許文献３】特表２００９−５１２１４２号公報
【特許文献４】特開２００６−１２７８５１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「技術革新と社会変革」第１巻、第１号、ｐｐ．48-50、2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１によると、０．１ｍＪ以下の最小着火エネルギに相当する帯電電位は１ｋＶ以下である。一方、メタノールの最小着火エネルギは約０．１ｍＪである。液体燃料の温度、製造条件の変動、メタノール濃度の変動などを考慮すると、高い安全性を確保するためには、液体燃料の帯電電位を０．１ｋＶ以下に制御することが望ましい。
【０００９】
液体燃料の帯電電位を小さくするには、液体燃料の導電率を向上させればよい。しかし、特許文献４に記載されるように、液体燃料の導電率が高くなり、電気抵抗率が小さくなることは、液体燃料に溶存する不純物濃度が高くなることを意味する。不純物濃度が高くなると、燃料電池の長期駆動時の劣化を抑制することが困難となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記に鑑み、本発明の一局面は、液体燃料と、前記液体燃料を収容している容器と、を含み、前記液体燃料は、メタノールと水を含み、前記液体燃料に溶存する二酸化炭素量がＣCO2ｃｍ3／ｃｍ3であり、１．０１×１０5Ｐａの空気中において前記液体燃料に２５℃で溶存する溶解平衡時の二酸化炭素量がＣ0ｃｍ3／ｃｍ3であるとき、ＣCO2＞Ｃ0を満たす、燃料カートリッジに関する。
【００１１】
本発明の別の局面は、メタノールと水を含む液体燃料であって、前記液体燃料に溶存する二酸化炭素量がＣCO2ｃｍ3／ｃｍ3であり、１．０１×１０5Ｐａの空気中において前記液体燃料に２５℃で溶存する溶解平衡時の二酸化炭素量がＣ0ｃｍ3／ｃｍ3であるとき、ＣCO2＞Ｃ0を満たす、液体燃料に関する。
【００１２】
本発明の更に別の局面は、アノード、カソードおよび電解質膜を具備する燃料電池と、前記アノードに液体燃料を供給する燃料供給部と、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給部と、前記燃料供給部に前記液体燃料を供給する燃料カートリッジと、を具備し、前記燃料カートリッジは、液体燃料と、前記液体燃料を収容している容器と、を含み、前記液体燃料は、メタノールと水を含み、前記液体燃料に溶存する二酸化炭素量がＣCO2ｃｍ3／ｃｍ3であり、１．０１×１０5Ｐａの空気中において前記液体燃料に２５℃で溶存する溶解平衡時の二酸化炭素量がＣ0ｃｍ3／ｃｍ3であるとき、ＣCO2＞Ｃ0を満たす、燃料電池システムに関する。
【発明の効果】
【００１３】
二酸化炭素を液体燃料に積極的に溶存させることにより、液体燃料の導電率を向上させることができ、液体燃料の帯電を抑制することができる。また、アノード生成物でもある二酸化炭素は、燃料電池の長期的性能にほとんど影響を与えない。
【００１４】
本発明の新規な特徴を添付の請求の範囲に記述するが、本発明は、構成および内容の両方に関し、本発明の他の目的および特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明によりさらによく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】燃料カートリッジの外観を示す正面図である。
【図３】液体燃料におけるメタノール濃度と導電率との関係を示すグラフである。
【図４】５８質量％メタノール水溶液の導電率と溶存する二酸化炭素量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態に係る燃料カートリッジは、液体燃料と、液体燃料を収容している容器とを含む。容器内の液体燃料は、メタノールと水を含む。すなわち、通常の液体燃料はメタノール水溶液である。ただし、液体燃料に溶存する二酸化炭素量はＣCO2ｃｍ3／ｃｍ3で示す。ここで、１．０１×１０5Ｐａの空気中において液体燃料に２５℃で溶存する溶解平衡時の二酸化炭素量がＣ0ｃｍ3／ｃｍ3であるとき、容器内の液体燃料の二酸化炭素量ＣCO2は、ＣCO2＞Ｃ0を満たす。
【００１７】
液体燃料に溶存する二酸化炭素量ＣCO2もしくはＣ0は、それぞれ液体燃料１ｃｍ3あたりに溶存する二酸化炭素を仮に取り出すことができるとして、取り出した二酸化炭素の体積を標準状態（１．０１×１０5Ｐａ、２５℃）に換算した値である。また、１．０１×１０5Ｐａの空気とは、標準気圧のことである。Ｃ0は標準気圧で２５℃の液体燃料に溶存する二酸化炭素の自然溶存量（すなわちSATP（standard ambient temperature and pressure）における二酸化炭素の溶存量）に相当する。
【００１８】
液体燃料に溶存する二酸化炭素量が多いほど、液体燃料の導電率が高く、電気抵抗率が小さくなり、静電気が蓄積されにくくなる。よって、液体燃料に溶存する二酸化炭素量が多いほど、着火のおそれが低減し、高い安全性が確保される。ＣCO2＞Ｃ0を満たす限り、液体燃料には、通常よりも高濃度の二酸化炭素が溶存しているため、通常よりも安全性が高くなる。
【００１９】
液体燃料の帯電は、燃料電池システムの制御に対するノイズにも影響を与える。燃料電池システムには、燃料電池の出力および補機の出力を制御する制御部が設けられている。燃料電池システムの小型化の進行に伴い、制御部と燃料カートリッジとの距離が近くなり、液体燃料の帯電によるノイズの影響が大きくなりつつある。一方、ＣCO2＞Ｃ0を満たすことにより、ノイズの影響を低減することができる。より大きな効果を得る観点からは、ＣCO2＞１０Ｃ0を満たすことが好ましく、ＣCO2＞４０Ｃ0を満たすことが更に好ましい。
【００２０】
液体燃料の導電率を向上させる観点から、帯電防止剤を液体燃料に添加することも考えられる。しかし、帯電防止剤は、イオン種を生成する電解質であり、燃料電池を劣化させることが知られている。一方、二酸化炭素は、液体燃料に溶存させやすく、かつ燃料電池のアノードを汚染することもなく、燃料電池の長期的性能にほとんど影響を与えない。このことは、二酸化炭素がアノード生成物であることからも理解される。二酸化炭素の溶存量の増加により、液体燃料の導電率は顕著に向上する。よって、二酸化炭素を液体燃料に溶存させることには大きなメリットがある。
【００２１】
液体燃料におけるメタノール濃度Ｃfuelは、４０質量％以上であることが望ましい。これにより、限られた容積の燃料カートリッジに収容されるメタノール量をできるだけ多くすることができるため、カートリッジと燃料電池システムの小型化が容易となる。
【００２２】
液体燃料の着火を抑制できる帯電電位は１ｋＶ以下と見積もることができるが、液体燃料の温度、製造条件の変動、メタノール濃度の変動などを考慮すると、帯電電位を０．１ｋＶ以下とすることが望ましい。そのためには、液体燃料の導電率を１×１０-8Ｓ／ｍ以上とすることが望ましく、２×１０-8Ｓ／ｍ以上とすることが更に望ましい。
【００２３】
液体燃料に溶存する二酸化炭素量ＣCO2は、メタノール濃度Ｃfuelにもよるが０．０１ｃｍ3／ｃｍ3以上であることが好ましく、０．０３ｃｍ3／ｃｍ3以上であることが更に好ましい。特にメタノール濃度Ｃfuelが４０質量％以上である液体燃料に溶存する二酸化炭素量ＣCO2は、０．１ｃｍ3／ｃｍ3以上であることが望ましい。例えばメタノール濃度Ｃfuelが４０質量％であり、二酸化炭素量ＣCO2が０．１ｃｍ3／ｃｍ3以上であれば、液体燃料の導電率は２×１０-8Ｓ／ｍ以上になる。
【００２４】
次に、本発明の実施形態に係る液体燃料は、上記燃料カートリッジに収容される液体燃料であり、メタノールと水を含み、溶存する二酸化炭素量ＣCO2は、ＣCO2＞Ｃ0を満たす。ＣCO2＞Ｃ0を満たす液体燃料は、メタノール水溶液に二酸化炭素を積極的に溶存させるだけで調製することが可能である。よって、製造工程における安全管理が容易であり、製造コストを安価にすることができる。また、燃料カートリッジに収容される前後を問わず、液体燃料の保管時の安全管理も容易である。
【００２５】
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システムは、アノード、カソードおよび電解質膜を具備する燃料電池と、アノードに液体燃料を供給する燃料供給部と、カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給部と、燃料供給部に液体燃料を供給する上記燃料カートリッジとを具備する。よって、燃料電池システムは、運転時の安全性の確保が容易であり、液体燃料の帯電によるノイズの影響を受けにくい。燃料電池は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜を具備する高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）であることが好ましい。
【００２６】
上記燃料電池システムの燃料供給部は、燃料カートリッジを取り付ける取り付け口を具備することが好ましい。また、燃料カートリッジは、その取り付け口に対して着脱可能であることが好ましい。これにより、燃料電池システムへの液体燃料の補充が容易となる。
【００２７】
以下、本発明の実施形態について、更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００２８】
図１を参照して、本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムについて説明する。図示例の直接酸化型燃料電池システム１０は、ＤＭＦＣである燃料電池１１と、燃料電池１１の燃料入口に、希釈された液体燃料を供給する循環ポンプ１２と、燃料カートリッジ１３から液体燃料２０を循環ポンプ１２の吸込側に供給する燃料ポンプ１４と、燃料電池１１の酸化剤入口に酸化剤（空気）を供給する空気ポンプ１５とを具備する。燃料ポンプ１４の上流側には、燃料カートリッジ１３を装着するための取り付け口１４ａが設けられている。循環ポンプ１２、燃料カートリッジ１３、取り付け口１４ａおよび燃料ポンプ１４は、燃料供給部を構成し、空気ポンプ１５は、酸化剤供給部を構成している。燃料電池１１の燃料出口は循環タンク１６と接続され、燃料電池１１の酸化剤出口も循環タンク１６と接続されている。燃料出口からは、未使用燃料および二酸化炭素が排出され、酸化剤出口からは、未消費酸化剤および反応生成水が排出される。循環タンク１６は、循環ポンプ１２の吸込側に接続されている。二酸化炭素の一部は、例えば循環タンク１６が具備する気液分離膜（図示せず）を介して外部に放出される。
【００２９】
循環ポンプ１２、燃料ポンプ１４および空気ポンプ１５の出力は、制御部１７により制御される。制御部１７には、演算部１７ａおよび記憶部１７ｂを備えたマイクロコンピュータなどが用いられる。記憶部１７ｂには、燃料電池システムの制御に必要な各種データが記憶されている。燃料電池１１の出力電力は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を通して外部に出力される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は制御部１７により制御することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の出力側に、燃料電池１１の発電電力を蓄電する二次電池１９を接続することで、システム１０に二次電池１９を含ませてもよい。
【００３０】
燃料電池の本体は、一般に、２以上のセルを電気的に直列に接続するように積層したスタックを含んでいる。セルは、電解質膜と、電解質膜を間に挟むように配置されたアノードとカソードを含んでいる。アノードと電解質膜とカソードの積層体は、ＭＥＡ（膜−電極接合体：Membrane Electrode Assembly）と称される。電解質膜には、水素イオン伝導性の高分子電解質が用いられる。アノードには、液体燃料であるメタノール水溶液が供給され、カソードには、酸化剤（空気）が供給される。アノードは、通常、アノード触媒層およびアノード拡散層を含み、アノード触媒層が電解質膜に接している。カソードは、通常、カソード触媒層およびカソード拡散層を含み、カソード触媒層が電解質膜に接している。アノード拡散層は、燃料流路と連絡しており、燃料流路は、燃料電池１１の燃料入口および燃料出口と連絡している。カソード拡散層は、酸化剤流路と連絡しており、酸化剤流路は、燃料電池の酸化剤入口および酸化剤出口と連絡している。
【００３１】
図２に、燃料カートリッジ１３の一例の外観を示す。燃料カートリッジ１３は、液体燃料２０と、液体燃料２０を収容する容器２１とで構成されている。燃料カートリッジ１３を、その取り付け口１４ａに装着するまでは、液体燃料２０は容器２１内に密閉されている。よって、容器２１内の液体燃料２０の二酸化炭素濃度は高濃度に維持される。
【００３２】
燃料カートリッジ１３は、燃料ポンプ１４の上流側に設けられた取り付け口１４ａに対して着脱可能であり、燃料カートリッジ１３が空になると別の新しい燃料カートリッジ１３に交換できる。燃料カートリッジ１３を取り付け口１４ａに装着することにより、容器２１内の液体燃料２０は燃料ポンプ１４に移動できるようになる。
【００３３】
容器２１は、通常、容器本体２１ａと、容器本体２１ａの開口を塞ぐキャップ２１ｂとを有する。キャップ２１ｂは、燃料カートリッジ１３を取り付け口１４ａに対して着脱可能とする機構および／または燃料カートリッジ１３が取り付け口１４ａに装着されたときに容器２１内の液体燃料２０が燃料ポンプ１４に移動することを許容する機構を具備することが好ましい。
【００３４】
容器本体２１ａの材料としては、耐メタノール性を有する樹脂（ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィンや、オレフィンと他のモノマーとの共重合体）、ガラス、耐腐食性を有する金属（例えばステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１４、ＳＵＳ３０４）などを用いることができる。キャップ２１ｂにも同様の材料を用いることができる。容器本体２１ａは、液体燃料２０に溶出する成分（例えば樹脂に添加される可塑剤）を含まないことが望ましい。
【００３５】
図３に、液体燃料（メタノール水溶液）のメタノール濃度と導電率との関係を示す。低導電率側の曲線Ａは、溶存する二酸化炭素量がＣ0である液体燃料のメタノール濃度と導電率との関係を示している。一方、高導電率側の曲線Ｂは、２５℃で飽和するまで二酸化炭素を溶存させた液体燃料のメタノール濃度と導電率との関係を示している。
【００３６】
図３から理解されるように、液体燃料のメタノール濃度が高くなるほど、二酸化炭素の溶存量の増加に対する導電率の上昇率は小さくなる傾向がある。一方、メタノール濃度が高い液体燃料ほど、二酸化炭素を多く溶存させることができる。例えば、標準気圧の２５℃の空気中には、体積比で０．０３９％（分圧０．０００３５ａｔｍ）の二酸化炭素が存在する。このとき、純水に対する二酸化炭素の自然溶存量は、３×１０-4ｃｍ3／ｃｍ3である。これに対し、メタノール濃度が５８質量％のメタノール水溶液および純メタノールに対する自然溶解量は、それぞれ純水の場合の２．３倍および３．１倍である。
【００３７】
図３が示すように、液体燃料には、メタノール濃度に応じて相応の二酸化炭素を溶存させることができ、相応に安全性の向上やノイズ低減の効果を得ることができる。すなわちＣCO2＞Ｃ0の関係、更にはＣCO2＞１０Ｃ0の関係が満たされることにより、相応の効果を得ることができる。ただし、液体燃料の帯電電位を０．１ｋＶ以下とする観点からは、液体燃料の導電率が１×１０-8Ｓ／ｍ以上となるまで、更には２×１０-8Ｓ／ｍ以上となるまで二酸化炭素濃度を高めることが望ましい。
【００３８】
燃料カートリッジおよび燃料電池システムの小型化の観点から、燃料カートリッジに収容されている液体燃料のメタノール濃度は４０質量％以上、更には５０質量％以上であることが好ましい。一方、液体燃料の導電率を顕著に上昇させる観点からは、液体燃料のメタノール濃度は１００質量％未満が好ましく、８０質量％以下が好ましく、６０質量％以下が更に好ましい。これらの上限と下限は任意に組み合わせることができる。
【００３９】
メタノール濃度が４０質量％以上の液体燃料の場合、導電率を十分に上昇させる観点から、溶存する二酸化炭素量ＣCO2は０．０３ｃｍ3／ｃｍ3以上が好ましい。また、メタノール濃度が５８質量％以上の液体燃料の場合、溶存する二酸化炭素量ＣCO2は０．０４ｃｍ3／ｃｍ3以上が好ましい。このとき、液体燃料の導電率は、少なくとも１×１０-8Ｓ／ｍ以上になる。
【００４０】
次に、液体燃料の製造方法について例を挙げて説明する。
まず、一般的な方法でメタノール水溶液を調製する。例えば、メタノールを純水で所望の濃度Ｃfuelに希釈することにより、メタノール水溶液を調製することができる。工業的に使用されるメタノールおよび工業用水には、微量の不純物が含まれている。よって、精製後のメタノールと水（例えばイオン交換水や蒸留水）を用いることが望ましい。メタノールの希釈を２５℃の大気中で行う場合、得られたメタノール水溶液に溶存する二酸化炭素量はＣ0ｃｍ3／ｃｍ3である。この状態のメタノール水溶液を、以下、原料メタノール水溶液と称する。
【００４１】
原料メタノール水溶液は、メタノールおよび水以外の不純物をできるだけ含まないことが望ましく、２５℃における電気抵抗率は２×１０6Ω・ｃｍ以上（導電率は５×１０-9Ｓ／ｍ以下）であることが望ましい。
【００４２】
次に、原料メタノール水溶液に所望量の二酸化炭素を導入し、溶存する二酸化炭素量をＣCO2ｃｍ3／ｃｍ3まで上昇させる（ＣCO2＞Ｃ0）。二酸化炭素の導入方法としては、特に限定されないが、原料メタノール水溶液に二酸化炭素を吹き込む、もしくは原料メタノール水溶液を二酸化炭素でバブリング（bubbling）する方法、原料メタノール水溶液に対して固形の二酸化炭素（ドライアイス）を投入する方法などが挙げられる。例えば３００ｍＬの原料メタノール水溶液に流量１Ｌ／分で二酸化炭素をバブリングすると、５分程度で二酸化炭素の溶解が飽和し、導電率の上昇も飽和する。
【００４３】
液体燃料中に溶存する二酸化炭素量は、溶存炭酸ガス計（Ｏｘｙｇｕａｒｄ  ＣＯ２：ケー・エンジニアリング株式会社製等）や、溶存ＣＯ2センサ（ＩｎＰｒｏ  ５５００ｉ:メトラー・トレド株式会社製等）を用いて測定することが可能である。
【００４４】
メタノール原液（undiluted methanol）または所望の液体燃料よりも高濃度のメタノール水溶液を、炭酸水で希釈することにより、液体燃料を調製してもよい。炭酸水は、純水に二酸化炭素を加圧充填することにより得ることができる。
【００４５】
溶存する二酸化炭素量がＣCO2ｃｍ3／ｃｍ3であるメタノール水溶液は、液体燃料として燃料カートリッジ２０の容器本体２１ａに開口から注液され、その後、キャップ２１ｂにより開口が密閉される。あるいは、原料メタノール水溶液を容器本体２１ａに注液した後、容器本体２１ａ内の原料メタノール水溶液に対して二酸化炭素をバブリングなどにより導入してもよい。また、容器本体２１ａ内に、メタノール原液または所望の液体燃料よりも高濃度のメタノール水溶液と、炭酸水とを、別々に、または同時に注液し、その後、キャップ２１ｂにより開口を密閉してもよい。
【００４６】
図４に、メタノール濃度５８質量％のメタノール水溶液の導電率と溶存する二酸化炭素量との関係を示す。例えばメタノール水溶液に対して二酸化炭素を５分間程度バブリング（bubbling）することにより、１．２ｃｍ3／ｃｍ3程度の二酸化炭素を溶存させることができる。このときの導電率は７．５×１０-8Ｓ／ｍ程度であり、安全性が顕著に向上すると考えられる。
【００４７】
なお、燃料電池システムにおいて、アノードに供給される希釈された液体燃料のメタノール濃度は、０．５ｍｏｌ／Ｌ〜８ｍｏｌ／Ｌであることが好ましく、１ｍｏｌ／Ｌ〜２ｍｏｌ／Ｌであることが更に好ましい。アノードに導入される液体燃料のメタノール濃度が高すぎると、メタノールクロスオーバー（ＭＣＯ）が多くなるおそれがある。
【００４８】
次に、実施例に基づき、本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されない。
【００４９】
（実施例１）
十分に精製された純水とメタノール原液を準備し、これらを大気中において所定割合で混合して、表１に示すメタノール濃度Ｃfuelのメタノール水溶液をそれぞれ調製した。得られたメタノール水溶液の２５℃における大気圧下での導電率および溶存する二酸化炭素量（Ｃ0）を表１に示す。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
次に、容量３００ｍＬのビーカーにメタノール水溶液を入れ、内径２ｍｍのパーフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＦＡ）製チューブの先端をメタノール水溶液中に差し込み、ビーカーの開口をパラフィンフィルムで覆った。その後、ＰＦＡ製チューブの先端から流量１Ｌ／分で二酸化炭素をメタノール水溶液に吹き込み、水溶液をバブリングさせ、所定時間経過毎にメタノール水溶液の導電率を測定した。いずれのメタノール水溶液においても導電率が徐々に上昇し、約５分後には導電率の上限値に達した。このとき、二酸化炭素の溶存量が飽和したものと判断して、二酸化炭素のバブリングを停止した。バブリングを停止した直後のメタノール水溶液の二酸化炭素の溶存量（ＣCO2）および導電率を表２に示す。バブリングを停止した後、３０分間、メタノール水溶液の導電率の測定を継続したところ、導電率の低下はほとんど見られなかった。
【００５２】
【表２】
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【００５３】
次に、二酸化炭素濃度が飽和したメタノール水溶液（液体燃料）をポリエチレン製の容量５Ｌの容器に注液し、ポリエチレン製のキャップで密閉して燃料カートリッジを製造した。
【００５４】
上記燃料カートリッジの帯電試験を実施した。コロナ帯電ガン（ＧＣ９０：株式会社グリーンテクノ製）を用いて５ｋＶの静電気を燃料カートリッジに照射し、燃料カートリッジを帯電させた。次に、静電電位計測器（ＳＴＡＴＩＲＯＮ−ＤＺ３：インプレックス株式会社製）で静電気を測定するとともに、径が３／８インチ（９．５ｍｍ）の接地してある金属球体を帯電させたカートリッジ表面に徐々に接触させ、スパークが発生するか否かを観察した。このとき、二酸化炭素の溶存量がＣCO2（ここでは飽和状態）である液体燃料を充填したカートリッジでは、いずれもスパークが発生しないことを確認した。結果を表３に示す。
【００５５】
（実施例２）
イオン交換水に２００ｋＰａで二酸化炭素を加圧充填して炭酸水を調製した。炭酸水の２５℃での導電率は、５５×１０-8Ｓ／ｍであった。一方、十分に精製したメタノールの２５℃での導電率は４.３×１０-10Ｓ／ｍであった。１００ｍＬのメスフラスコにメタノールを５１．２６ｇ量り取り、更に炭酸水を全量が１００ｍＬになるように注ぎ、メタノール濃度Ｃfuelが５８質量％であり、十分な二酸化炭素が溶存するメタノール水溶液（液体燃料）を調製した。得られた液体燃料の導電率は４．０３×１０-8Ｓ／ｍであった。
【００５６】
得られた液体燃料を実施例１と同様に、ポリエチレン製の容量５Ｌの容器に注液し、ポリエチレン製のキャップで密閉して、燃料カートリッジを製造した。
得られた燃料カートリッジを用いて、実施例１と同様に、帯電試験を実施し、スパークが発生しないことを確認した。結果を表３に示す。
【００５７】
（比較例１）
二酸化炭素を吹き込まなかったこと以外、実施例１と同様にして、メタノール濃度５８質量％のメタノール水溶液（溶存する二酸化炭素量Ｃ0、導電率０．２４×１０-8Ｓ／ｍ）をポリエチレン製の容量５Ｌの容器に注液し、ポリエチレン製のキャップで密閉して、燃料カートリッジを製造した。
得られた燃料カートリッジを用いて、実施例１と同様にして、帯電試験を実施したところ、スパークが発生することを確認した。結果を表３に示す。
【００５８】
【表３】
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【００５９】
（実施例３）
上記燃料カートリッジを用い、以下の燃料電池システムを組み立て、運転状態を評価した。厚さ５０μｍのパーフルオロカーボンスルホン酸／テトラフルオロエチレン共重合体の高分子電解質膜を準備し、高分子電解質膜の一方の面に、１００×１００ｍｍの長方形でＰｔ−Ｒｕ量が３ｍｇ／ｃｍ2のアノード触媒層を形成した。高分子電解質膜の他方の面には、１００×１００ｍｍの長方形で、Ｐｔ量が１ｍｇ／ｃｍ2のカソード触媒層を形成した。
【００６０】
アノード触媒層にアノード拡散層を接合し、カソード触媒層にカソード拡散層を接合して、ＭＥＡを構成した。ＭＥＡの周囲にガスケット配置し、燃料流路と燃料を分配するための内部マニホールドを有する１４０×１２０ｍｍの長方形のアノード側セパレータと、酸化剤流路と酸化剤を分配するための内部マニホールドを有する１４０×１２０ｍｍの長方形のカソード側セパレータとでＭＥＡを挟み込み、積層方向の両端にステンレス鋼板の一対の端板を配置し、サイズが１４０×１２０ｍｍであるＤＭＦＣのセルスタックを得た。
【００６１】
セルスタックの燃料入口にシリコンチューブを差し込み、循環ポンプと接続した。循環ポンプの上流に、燃料ポンプを介して、燃料カートリッジを接続した。セルスタックの酸化剤入口には、空気フィルターを介して、圧縮空気を供給する空気ブロアを接続した。
【００６２】
セルスタックの燃料出口および酸化剤出口には、それぞれ入口と同様に、シリコンチューブを差し込み、これらの流路を循環タンクに接続した。循環タンクには、容量５０ｃｍ3のポリプロピレン製容器を使用した。
【００６３】
燃料ポンプ、循環ポンプおよび空気ブロアの出力は、循環タンク内のメタノール濃度が一定になるように、マイクロコンピュータにより制御した。上記制御により、アノードには、１ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を、６０ｃｍ3／分の流量で供給した。カソードには、無加湿の空気を、１５０００ｃｍ3／分の流量で供給した。燃料電池の出力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して、菊水電子工業（株）製の電子負荷装置（ＰＬＺ１６４ＷＡ）に接続した。１５０ｍＡ／ｃｍ2の一定の電流密度となるように調節して連続発電を行った。
【００６４】
実施例１、実施例２、比較例で作製した、いずれもメタノール濃度５８質量％の燃料カートリッジを上記システムに接続して、連続発電を行った。セルスタックの出力特性、および出力の劣化に大きな差異は見られなかった。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明に係る燃料カートリッジおよび液体燃料は、携帯電子機器、アウトドアレジャー用電源、非常用バックアップ電源等に使用される燃料電池システムに適している。
【符号の説明】
【００６６】
１０：燃料電池システム、１１：燃料電池、１２：循環ポンプ、１３：燃料カートリッジ、１４：燃料ポンプ、１４ａ：取り付け口、１５：空気ポンプ、１６：循環タンク、１７：制御部、１７ａ：演算部、１７ｂ：記憶部、１８：ＤＣ／ＤＣコンバータ、１９：二次電池、２０：液体燃料、２１：容器、２１ａ：容器本体、２１ｂ：キャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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