(57)【要約】【課題】アノード室におけるフラッディングを簡易な構成で抑制する技術を提供する。【解決手段】燃料電池１０において、電解質膜１６と、電解質膜１６の一方の面に設けられているアノードと、電解質膜１６の他方の面に設けられているカソードと、アノードに隣接し、アノードに直接供給される燃料ガスを貯蔵するアノード室７０と、アノード室７０内に設けられ、水を吸収し、かつ、水を透過させるとともに燃料ガスを透過させない吸水部材２７と、吸水部材２７を介してアノード室７０と外部とを連通する連通路３８と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に設けられているアノードと、
前記電解質膜の他方の面に設けられているカソードと、
前記アノードに隣接し、該アノードに直接供給される燃料ガスを貯蔵するアノード室と、
前記アノード室内に設けられ、水を吸収し、かつ、該水を透過させるとともに前記燃料ガスを透過させない吸水部材と、
前記吸水部材を介して前記アノード室と外部とを連通する連通部と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記吸水部材は、前記アノード室の前記アノードと対向する面上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記吸水部材は、シート形状を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記吸水部材は、前記アノードより大きな面積を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記連通部は、前記吸水部材のアノード室側と反対側に間隔をおいて複数配列されてい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。
【請求項６】
前記連通部は、陽イオンが溶出しないように表面処理されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記吸水部材は、イオン交換樹脂膜からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記イオン交換樹脂膜は、酸素還元触媒を備えていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料電池と、
前記燃料電池で消費される燃料ガスが充填されているガス室と、水を吸収し保持する保水部材が設けられている排水室と、を有する燃料カートリッジと、
前記燃料カートリッジと前記燃料電池とを着脱可能に接続する接続機構と、を備え、
前記接続機構は、
接続時に前記ガス室と前記アノード室とを連通し燃料ガスを供給するガス供給路と、
接続時に前記連通部と前記排水室とを連通し前記アノード室内の水を前記吸水部材を介して前記排水室に排水する排水路と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料電池と、
前記燃料電池で消費される燃料ガスが充填されるガス室と、外部から前記ガス室に燃料ガスを充填するための充填口と、前記ガス室の内部に設けられており前記燃料ガスを吸蔵するガス吸蔵合金と、水を吸収し保持する保水部材が設けられている排水室と、前記充填口の開閉に連動して開閉するとともに前記保水部材内の水を水蒸気として前記排水室から排出するための排気口と、を有する燃料タンクと、
前記ガス室から前記アノード室へ燃料ガスを供給するガス供給路と、
前記連通部と前記排水室とを連通し前記アノード室内の水を前記吸水部材を介して前記排水室に排水する排水路と、
前記ガス供給路および前記排水路の開閉を行う開閉機構と、を備え、
前記開閉機構は、
前記燃料電池の発電の際に前記ガス供給路を開き、前記ガス室に燃料ガスが充填される際に前記ガス供給路を閉じる第１の開閉部と、
前記燃料電池の発電の際に前記排水路を開き、前記ガス室に燃料ガスが充填される際に前記排水路を閉じる第２の開閉部と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
前記保水部材は、前記吸水部材よりも吸水性が高いことを特徴とする請求項９または１０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、水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極（アノード）と空気極（カソード）との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
【０００４】
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋+２ｅ−・・・・（１）
空気極：１／２Ｏ２+２Ｈ＋+２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・・（２）
アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒または触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。
【０００５】
アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部をカソードに向かって移動し、電子は外部回路を通ってカソードに移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素がアノードから移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成される。
【０００６】
カソードの生成水は、逆拡散の形で固体高分子膜を経由してアノードへ達することがある。このような生成水の存在により固体高分子膜付近での水分が過多となると、燃料ガスの拡散が阻害されることで、電池の性能が低下するおそれがある。一方、固体高分子膜が乾燥しすぎると、水素イオンの移動が妨げられるため、電池の性能が低下するおそれがある。そのため、アノード室やカソード室における生成水の量を適切に調整することが求められている。
【０００７】
そこで、アノード室とカソード室につながるようにそれぞれ吸水性高分子材を収容したカートリッジを設けた燃料電池装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、燃料ガスを内部に留めて消費する燃料電池において、ガス不純物の排出には必要に応じて制御弁を開弁するとともに、アノード側で生じた水が流れる流路にガスが不透過な吸水部材を配置し、水のみを外部に排出する構成が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
また、循環機構や排気ガスのパージ機構を有しない閉塞構造を有する燃料電池として、アノード室を構成する部材の一部で冷却された水を、アノード室の底部に設けられた導水路から外部に排出する構成が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−３２３９０７号公報
【特許文献２】特開２００７−２１３９２８号公報
【特許文献３】特開２００６−１６４９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、アノード室で凝縮された水を、アノード室の底部に設けられた導水路から外部に排出する燃料電池の場合、姿勢が常に変化する携帯用機器への採用は困難である。また、冷却部により水の結露が促進されるため、例えば、電極の上部に冷却部が位置している場合、凝縮した水が落下し電極を覆うことでいわゆるフラッディングが起こる可能性もある。
【００１１】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アノード室におけるフラッディングを簡易な構成で抑制す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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられているアノードと、電解質膜の他方の面に設けられているカソードと、アノードに隣接し、該アノードに直接供給される燃料ガスを貯蔵するアノード室と、アノード室内に設けられ、水を吸収し、かつ、該水を透過させるとともに燃料ガスを透過させない吸水部材と、吸水部材を介してアノード室と外部とを連通する連通部と、を備える。
【００１３】
この態様によると、例えば、逆拡散によりアノード室に水が移動するような場合であっても、吸水部材で水を吸収することでアノード上に留まる水を低減することができる。また、吸水部材の水は連通部から外部に排出されるので、燃料ガスを排出することなく、簡単な構成でフラッディングを抑制することができる。
【００１４】
一方、高電流で発電されている場合、電解質膜内をアノードからカソードへ向かって流れるプロトンが多くなり、プロトンとともにアノードからカソードへ向かって移動する水（同伴水）が増えるため、前述とは逆にアノード室が乾燥することが考えられる。しかしながら、この態様によると、水を含んだ吸水部材により、アノード室を加湿することができる。そのため、加湿により、（ａ）セル両面間(アノードとカソードとの間)の水濃度勾配が小さくなり、カソード側から逆拡散する水の量が抑制される、（ｂ）電解質膜が乾燥して抵抗が増加することが抑制される、という効果が得られる。
【００１５】
吸水部材は、アノード室のアノードと対向する面上に設けられていてもよい。これにより、例えば、発電時に高温となったアノードから蒸発した水が吸水部材に到達して凝縮した場合、吸水部材に凝縮水が吸収されるため、水滴が成長することが抑制される。そのため、成長した水滴によるフラッディングの発生が低減される。
【００１６】
吸水部材は、シート形状を有してもよい。これにより、アノード室の大きさをコンパクトにすることができる。
【００１７】
吸水部材は、アノードより大きな面積を有してもよい。これにより、アノードと対向する場所における水滴の成長をより確実に抑制することができる。
【００１８】
連通部は、吸水部材のアノード室側と反対側に間隔をおいて複数配列されていてもよい。これにより、アノード室内の水が偏りなく連通部を介して外部に排出される。
【００１９】
連通部は、陽イオンが溶出しないように表面処理されていてもよい。これにより、連通部で水滴ができた場合でも、陽イオンの溶出を防止できる。
【００２０】
吸水部材は、イオン交換樹脂膜からなってもよい。これによりセルを構成する電解質膜と同一の膜で吸水部材を構成することが可能となる。
【００２１】
イオン交換樹脂膜は、酸素還元触媒を備えていてもよい。これにより、イオン交換樹脂膜を透過した燃料ガス、例えば水素が酸素還元触媒上で排水路内の酸素と反応して水が生成する。この生成水でイオン交換樹脂膜が湿潤することにより、その後は水素の透過を抑制することができる。また、水素が透過しなくなると酸素との反応も起こらなくなり、過剰な水が生成することなくイオン交換樹脂膜の湿潤状態が適度に維持される。
【００２２】
本発明の別の態様は、燃料電池システムである。この燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池で消費される燃料ガスが充填されているガス室と水を吸収し保持する保水部材が設けられている排水室とを有する燃料カートリッジと、燃料カートリッジと燃料電池とを着脱可能に接続する接続機構と、を備える。接続機構は、接続時にガス室とアノード室とを連通し燃料ガスを供給するガス供給路と、接続時に連通部と排水室とを連通しアノード室内の水を吸水部材を介して排水室に排水する排水路と、を有する。
【００２３】
この態様によると、燃料カートリッジを燃料電池に接続すると、連通部と排水室とが連通され、アノード室内の水が吸水部材を介して排水室に排水される。また、排水室には保水部材が設けられているため、排水室の湿度の上昇が保水部材がない場合よりも抑えられ、排水室に貯留できる水の量を多くすることができる。さらに、燃料カートリッジを交換すれば、再度低湿の排水室が連通部と連通するので、長い時間にわたってフラッディングによる燃料電池の性能低下が低減される。ここで、吸水部材を介して排水室に排水されるアノード室内の水は、その状態が液体の場合だけでなく水蒸気であってもよい。
【００２４】
本発明のさらに別の態様もまた、燃料電池システムである。この燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池で消費される燃料ガスが充填されるガス室と、外部からガス室に燃料ガスを充填するための充填口と、ガス室の内部に設けられており燃料ガスを吸蔵するガス吸蔵合金と、水を吸収し保持する保水部材が設けられている排水室と、充填口の開閉に連動して開閉するとともに保水部材内の水を水蒸気として排水室から排出するための排気口と、を有する燃料タンクと、ガス室からアノード室へ燃料ガスを供給するガス供給路と、連通部と排水室とを連通しアノード室内の水を吸水部材を介して排水室に排水する排水路と、ガス供給路および排水路の開閉を行う開閉機構と、を備える。開閉機構は、燃料電池の発電の際にガス供給路を開き、ガス室に燃料ガスが充填される際にガス供給路を閉じる第１の開閉部と、燃料電池の発電の際に排水路を開き、ガス室に燃料ガスが充填される際に排水路を閉じる第２の開閉部と、を有する。
【００２５】
この態様によると、燃料電池の発電の際には連通部と排水室とが連通され、アノード室内の水が吸水部材を介して排水室に排水される。また、排水室には保水部材が設けられているため、排水室の湿度の上昇が保水部材がない場合よりも抑えられ、排水室に貯留できる水の量を多くすることができる。さらに、ガス室に燃料ガスが充填される際には水素などを吸蔵するガス吸蔵合金が発熱するため、その熱を利用することで排水室の水を蒸発させ外部へ排出させやすくなる。
【００２６】
保水部材は、吸水部材よりも吸水性が高い。これにより、吸水部材の連通部側の湿度が低下し、アノード室からの水の透過が促され、アノード室の内部の水が積極的に排出される。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、アノード室におけるフラッディングの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１の実施の形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線上の断面図である。
【図３】第２の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図４】第２の実施の形態に係る燃料電池の連通路近傍の要部断面図である。
【図５】第３の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００３０】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池の分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線上の断面図である。
【００３１】
燃料電池１０は、平面上に配設された複数のセル１１を備える。各セル１１は、アノード触媒層１２と、カソード触媒層１４と、アノード触媒層１２とカソード触媒層１４とに狭持された電解質膜１６からなる膜電極接合体を備える。アノード触媒層１２には、水素が供給される。また、カソード触媒層１４には、空気が供給される。燃料電池１０は、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
【００３２】
電解質膜１６は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード触媒層１２とカソード触媒層１４との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜１６は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。
【００３３】
アノード触媒層１２の一方の面に電解質膜１６が接合し、アノード触媒層１２の他方の面に集電体１８が接合している。この構造は、スプレー塗布、スクリーン印刷、転写法等によって電解質膜１６にアノード触媒層１２を形成した上に集電体１８をホットプレスすることにより得ることができる。アノード触媒層１２側の電解質膜１６の周縁部にアノード側ガスケット４０が設けられている。また、アノード側ガスケット４０を介して枠状のアノード側ハウジング２６が設置されている。
【００３４】
そして、アノード側ハウジング２６と、アノード側ハウジング２６の上面開口部を覆うように設けられているシート状の吸水部材２７とにより、燃料ガスである水素が貯蔵されるアノード室７０が形成されている。なお、各集電体１８の長手方向の端部は、アノード側ガスケット４０により押さえ付けられている。アノード室７０に貯蔵された水素は、集電体１８を介してアノード触媒層１２に供給される。
【００３５】
アノード側ハウジング２６を構成する材料としては、ステンレス系金属、チタン系合金などの金属材料、または、アクリル樹脂、エポキシ、ガラスエポキシ樹脂などの合成樹脂が挙げられる。
【００３６】
なお、アノード側ハウジング２６には、燃料電池１０の外部に設けられた燃料カートリッジ（図示せず）などから水素ガスが圧力差により充填される燃料充填口（図示せず）が設けられている。そして、アノード室７０内の水素が減少してきた場合に燃料カートリッジから水素が適宜補充される。
【００３７】
カソード触媒層１４の一方の面に電解質膜１６が接合し、カソード触媒層１４の他方の面に集電体２０が接合している。集電体２０の構成は集電体１８と同様である。カソード触媒層１４側の電解質膜１６の周縁部にカソード側ガスケット４２が設けられている。また、カソード側ガスケット４２を介して枠状のカソード側ハウジング３４が設置されている。なお、各集電体２０の長手方向の端部は、カソード側ガスケット４２により押さえ付けられている。
【００３８】
カソード側ハウジング３４の主面には、空気取り込み用の空気取込口（不図示）が設けられているフィルタ２８が取り付けられている。空気取込口から流入した空気は、カソード触媒層１４に到達する。カソード側ハウジング３４を構成する材料として、アノード側ハウジング２６について例示した材料を用いることができる。
【００３９】
各セル１１は、電気的に直列に接続されている。具体的には、隣接するセルにおいて、一方のセルの集電体１８と他方の集電体２０とが配線２４により接続されている。
【００４０】
さらに、本実施の形態に係る燃料電池１０は、図２に示すように、アノード側ハウジング２６の上方を覆うように装着されている外側ハウジング３６を備える。外側ハウジング３６は、アノード室７０の内面の一部を構成し、その内側の吸水部材２７と対向する位置に、外部と連通している複数本の溝状の連通路３８が間隔をおいて複数形成されている。
【００４１】
以下、本実施の形態で用いられる吸水部材２７の機能について説明する。
【００４２】
吸水部材２７に要求される特性としては、アノード室７０に存在する水を吸収できること、燃料ガスである水素が透過できないこと、水が透過できること、が挙げられる。このような特性を備えた材料の好適な例としては、イオン交換樹脂膜が挙げられる。このような材料を用いることで、一種類の膜で吸水部材２７を構成することが可能となる。より具体的には、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２，１１３５，１１５，１１７等が好ましい。
【００４３】
本実施の形態に係る燃料電池１０では、例えば、カソード触媒層１４で生成した水が逆拡散によりアノード室７０に移動するような場合であっても、水素を循環させて水を排出することができないため、そのままでは水が徐々に蓄積しアノード触媒層１２が覆われることになる。
【００４４】
そこで、本実施の形態では、吸水部材２７をアノード室７０に設けることで水を吸収し、アノード触媒層１２上に留まる水を低減することができる。吸水部材２７で吸水できる量は、装置の大きさや形状、吸水部材の大きさや材質に応じて最適な組み合わせを選択すればよい。例えば、吸水量を上げるには、面積を増やす、より厚い膜を使用する、より含水量の多いイオン交換膜を使用する、等の選択が可能である。以下では、具体的な例を挙げて説明する。
【００４５】
例えば、燃料電池１０を０．２Ａ／ｃｍ２で発電させた場合、カソード触媒層１４では、０．０６７ｇ／ｃｍ２・ｈの水が生成する。生成した水のうち１％が逆拡散水としてアノードに移動したと仮定すると、逆拡散水は６．７×１０−４ｇ／ｃｍ２・ｈとなる。吸水部材２７として、ナフィオン１１７（膜厚１８３μｍ、３６０ｇ／ｍ２）をセル面積と同じ量だけ用い、含水量を１０％と仮定した場合、３．６×１０−３ｇ／ｃｍ２の水を吸収することができる。よって、水が吸水部材２７を透過して連通路から外部へ排出できない場合であっても、吸水部材２７は、最低５時間発電したときに逆拡散によりアノードに移動した水を吸水することができる。
【００４６】
また、本実施の形態では、上述の吸水部材２７に加えて、吸水部材２７のアノード室７０に露出している面と反対側に連通路３８が設けられているので、アノード室７０に存在する水が吸水部材２７を透過して外部に排出される。また、水の排出とともに連通路３８に外気が取り込まれることで吸水部材２７の連通路３８側の表面の湿度が下がり、アノード室７０内の湿度との差が大きくなる。これにより、水濃度勾配が大きくなり、吸水部材２７における水の透過が促進される。また、燃料ガスを排出することなく、簡易な構成でフラッディングを抑制することができる。
【００４７】
また、連通路３８は、吸水部材２７のアノード室側と反対側に間隔をおいて複数配列されている。これにより、アノード室７０内の水が偏りなく連通路３８を介して外部に排出される。
【００４８】
吸水部材２７は、アノード室７０のアノード触媒層１２と対向する面上、換言すると、外側ハウジング３６の内面上に設けられている。そのため、例えば、発電時に高温となったアノード触媒層１２から蒸発した水が吸水部材２７に到達して凝縮した場合、吸水部材２７に凝縮水が吸収されるため、水滴が成長することが抑制される。そのため、成長した水滴によるフラッディングの発生が低減される。
【００４９】
一方、高電流で発電されている場合、電解質膜１６内をアノード触媒層１２からカソード触媒層１４へ流れるプロトンが多くなり、プロトンとともにアノード触媒層１２からカソード触媒層１４へ移動する水（同伴水）が増えるため、前述とは逆にアノード室７０が乾燥することが考えられる。しかしながら、本実施の形態に係る燃料電池１０によると、水を含んだ吸水部材２７により、アノード室７０を加湿することができる。そのため、加湿により、（ａ）セル１１の両面間(アノード触媒層１２とカソード触媒層１４との間)の水濃度勾配が小さくなり、カソード側から逆拡散する水の量が抑制される、（ｂ）電解質膜１６が乾燥して抵抗が増加することが抑制される、という効果が得られる。
【００５０】
また、吸水部材２７は、シート形状を有しており、これにより、アノード室７０の大きさをコンパクトにすることができる。また、本実施の形態に係る吸水部材２７は、アノード触媒層１２より大きな面積を有している。これにより、アノード触媒層１２と対向する場所における水滴の成長をより確実に抑制することができるとともに、より多くの水を吸収することができる。
【００５１】
連通路３８は、陽イオンが溶出しないように、テフロン（登録商標）などの樹脂やカーボンにより表面処理されている。外側ハウジング３６をステンレス系金属、チタン系金属、などの金属材料で構成した場合に、連通路３８に水滴ができると陽イオンが溶出する可能性がある。陽イオンを含む水滴が吸水部材２７と接すると、吸水部材２７の劣化が起こり、水が透過しにくくなる。そのため、連通路３８を上述のように表面処理することにより、上述の劣化を防ぐことができる。
【００５２】
連通路３８には、吸水部材２７の水を吸い上げるウィッキング材５６が充填されている。これにより、吸水部材２７から確実に連通路３８の外部側の端部まで水を移動させることができ、水を蒸散させることが容易となる。なお、ウィッキング材５６の材料としては、例えば、布、不織布、粒子焼結体、繊維束、スポンジ等の多孔質体が挙げられる。
【００５３】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係る燃料電池は、吸水部材の上方に燃料カートリッジと接続される連通路が設けられている点が第１の実施の形態と大きく異なる。以下では、主に第１の実施の形態と異なる点について説明し、第１の実施の形態と重複する説明は適宜省略する。
【００５４】
図３は、第２の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。図４は、第２の実施の形態に係る燃料電池の連通路近傍の要部断面図である。第２の実施の形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１１０と、燃料カートリッジ１２０と、燃料電池１１０と燃料カートリッジ１２０とを着脱可能に接続する接続機構１３０と、を備える。燃料カートリッジ１２０は、燃料電池１１０で消費される水素ガスが充填されているガス室１２２と、水を吸収し保持する保水部材１２４が設けられている排水室１２６と、を有する。
【００５５】
接続機構１３０は、接続時にガス室１２２とアノード室７０とを連通し燃料ガスを供給するガス供給路１３２と、接続時に連通路７２と排水室１２６とを連通しアノード室７０内の水を吸水部材２７を介して排水室１２６に排水する排水路１３４と、を有する。
【００５６】
連通路７２は、外側ハウジング３６に形成されている。また、燃料カートリッジ１２０は、排水室１２６と外部とを連通する排水路１３４が設けられている。排水路１３４の詳細は省略するが、要するに連通路７２に充填口１２８が挿入されることで、連通路７２が開放され、アノード室７０の水が吸水部材２７を介して排水可能となる。なお、接続機構１３０の構成は、接続時にガス供給路１３２からアノード室７０にガスが送られるとともに脱時にガス室１２２およびアノード室７０から水素ガスが漏れない構成であればよい。また、同様に、接続時にアノード室７０内の水を吸水部材２７を介して排水室１２６に排水できる構成であればよい。
【００５７】
保水部材１２４は、吸水部材２７より吸水性が高い乾燥剤、例えば、シリカゲル、酸化カルシウム、塩化カルシウム等が用いられる。このような保水部材１２４に連通路７２の水が吸収されると、吸水部材２７の連通路７２側の湿度が低下し、アノード室７０からの水の透過が促され、アノード室７０の内部の水が積極的に排出される。なお、本実施の形態に係る接続機構１３０は、燃料カートリッジ１２０が燃料電池１１０から取り外された場合には、連通路７２が自然に塞がれるように構成されている。吸水能力は、燃料カートリッジへの燃料充填時に保水部材１２４を乾燥させる、あるいは保水部材１２４を交換することにより維持される。
【００５８】
上述のように、燃料カートリッジ１２０を燃料電池１１０に接続すると、連通路７２と排水室１２６とが連通され、アノード室７０内の水が吸水部材２７を介して排水室１２６に排水される。また、排水室１２６には保水部材１２４が設けられているため、排水室１２６の湿度の上昇が保水部材１２４がない場合よりも抑えられ、排水室１２６に貯留できる水の量を多くすることができる。さらに、燃料カートリッジ１２０を交換すれば、再度低湿の排水室１２６が連通路７２と連通するので、長い時間にわたってフラッディングによる燃料電池１１０の性能低下が低減され。なお、連通路７２には吸水部材２７の水を吸い上げるウィッキング材が充填されていてもよい。
【００５９】
また、本実施の形態に係る燃料カートリッジ１２０は、図３に示すように、ガス室１２２の内部に水素吸蔵合金１３６が設けられている。ここで、水素吸蔵合金１３６とは、金属の中に水素を取り込むことで水素を一時的に貯蔵し、また必要に応じて水素を放出することができるものである。水素吸蔵合金１３６に用いられる金属・合金としては、例えば、チタン、マンガン、ジルコニウム、ニッケルなどの遷移元素が含まれている合金、希土類元素、ニオブなどが含まれている合金、バナジウム、マグネシウム、パラジウム、カルシウム等が含まれている合金、が挙げられる。
【００６０】
このような水素吸蔵合金１３６は、ガス室１２２に水素を含むガスが充填されると、ガス中の水素を内部に取り込む際に発熱する。そこで、この熱を利用することで、ガス室１２２に隣接する排水室１２６内の保水部材１２４に含まれる水を蒸発させることが可能となる。
【００６１】
より詳述すると、燃料電池１１０における発電により燃料カートリッジ１２０内の水素が消費され減少するとともに排水室１２６内に設けられた保水部材１２４に含まれる水が増大する。そのため、水素がある程度以下に減少した段階で燃料カートリッジ１２０を燃料電池１１０から外し、水素ガスを充填する。その際、水素吸蔵合金１３６は、ガス室１２２に充填される水素ガスを吸蔵する際に発熱するため、隣接する排水室１２６内部の保水部材１２４は加熱され、排水路１３４の一端を水素ガス充填時に開くようにしておくことで蒸発した水が外部へ排出される。
【００６２】
したがって、水素ガスが充填される度に保水部材１２４の保水機能が回復し、燃料電池１１０の発電時に生成される水を長期間にわたって安定して燃料電池システム１００の外部へ排出することが可能となる。その結果、燃料電池１１０におけるフラッディングが長期にわたり抑制され、燃料電池システム１００全体の寿命を延ばすことが可能となる。
【００６３】
（第３の実施の形態）
第２の実施の形態に係る燃料電池システム１００は、燃料カートリッジ１２０が燃料電池１１０に対して着脱可能に構成されている。それに対して、第３の実施の形態に係る燃料電池システムは、通常は取り外せないように燃料電池１１０に固定されている燃料タンクを備えている点が大きく異なる。
【００６４】
図５は、第３の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。以下では、主に第２の実施の形態と異なる点について説明し、第２の実施の形態と重複する説明は適宜省略する。
【００６５】
第３の実施の形態に係る燃料電池システム２００は、燃料電池１１０と、燃料タンク１３８と、燃料電池１１０と燃料タンク１３８との間に設けられているガス供給路１３２および排水路１３４と、ガス供給路１３２および排水路１３４におけるガスや水の流れを規制する開閉機構１４０と、を備える。燃料タンク１３８は、燃料電池１１０で消費される水素ガスが充填されているガス室１２２と、水を吸収し保持する保水部材１２４が設けられている排水室１２６と、を有する。
【００６６】
燃料タンク１３８は、ガス室１２２の内部に第２の実施の形態と同様に水素吸蔵合金１３６が設けられている。ガス室１２２を形成する筐体には、外部からガス室１２２内に水素ガスを充填するための充填口１４２が設けられている。また、本実施の形態に係る保水部材１２４は、排水室１２６全体を充填するような形状を有している。また、排水室１２６は、保水部材１２４に保水されている水が水蒸気となって外部へ排出するための外部排気口１４６が設けられている。外部排気口１４６は、保水部材１２４の水を水蒸気として排出するため、必ずしも排水室１２６の下部に設けられている必要はなく、周囲の部材の位置や構成を勘案して適当な位置に設ければよい。
【００６７】
本実施の形態に係る燃料電池システム２００は、図５に示すように、排水室１２６がガス室１２２とアノード室７０との間に配設されている。そのため、水素吸蔵合金１３６が発熱するような状況においてもその熱が燃料電池１１０に直接達することがなく、燃料電池１１０への熱の影響を緩和できる。特に、排水室１２６の内部に設けられている保水部材１２４は、保水されている水により熱伝達の緩衝材として機能する。
【００６８】
また、水素吸蔵合金１３６および保水部材１２４は、ガス室１２２および排水室１２６を隔てる仕切り壁に接触または近接するように配設されている。このように水素吸蔵合金１３６および保水部材１２４を配設することで、水素吸蔵合金１３６および保水部材１２４との間の熱の授受が効率よく行われることになる。加えて、アノード室７０と排水室１２６とが隣接しているため、アノード室７０から排出される水の移動経路を短くすることができ、燃料電池システム２００を小型化できる。
【００６９】
また、前述の充填口１４２および外部排気口１４６は、外部との連通状態を単独であるいは互いに連動して制御可能な連通機構（不図示）が設けられている。なお、連通機構は、充填口１４２および外部排気口１４６の開閉を自動であるいは他の部材の動きと連動して行える構成であるとよい。本実施の形態に係る燃料電池システム２００は、連通機構と前述の開閉機構１４０とが協同して作動することで、ガス室１２２に水素ガスを充填する際に排水室１２６内の水を効率よく外部に排出することができる。
【００７０】
具体的には、不図示のガス充填装置が充填口１４２に接続されると、充填口１４２の連通機構により充填口１４２が開口し、ガス充填装置とガス室１２２とが連通することで水素ガスがガス室１２２に充填される。また、ガスの充填時には外部排気口１４６も開口され、ガス充填時に水素吸蔵合金１３６が発する熱により蒸発した排水室１２６内の水が水蒸気として外部へ排出される。この際、開閉機構１４０は、排水路１３４およびガス供給路１３２に設けられている開閉部１４０ａ，１４０ｂを閉じる。
【００７１】
したがって、ガス充填装置により水素ガスが充填される度に保水部材１２４の保水機能が回復し、燃料電池１１０の発電時に生成される水を長期間にわたって安定して燃料電池システム２００の外部へ排出することが可能となる。その結果、燃料電池１１０におけるフラッディングが長期にわたり抑制され、燃料電池システム２００全体の寿命を延ばすことが可能となる。
【００７２】
一方、燃料電池システム２００は、燃料電池１１０による発電時には、充填口１４２および外部排気口１４６を連通機構により閉じるとともに、開閉部１４０ａ，１４０ｂを開閉機構１４０により開く。発電時、すなわち水素吸蔵合金１３６から水素ガスが放出されている時、水素吸蔵合金１３６は吸熱するため、排水室１２６やその内部の保水部材１２４は冷却される。そのため、排水室１２６はアノード室７０よりも低温となり、アノード室７０で生成される水（水蒸気）が排水室１２６へ向かう流れが促進される。
【００７３】
（第４の実施の形態）
上述の各実施の形態における吸水部材は、特にイオン交換樹脂膜からなる場合、極度に乾燥すると燃料ガスである水素ガスが透過する可能性がある。そこで、本実施の形態では、上述の吸水部材２７の両面のうち排水路１３４側の面に酸素還元触媒を備えている。これにより、吸水部材２７を透過した水素ガスが酸素還元触媒上で排水路１３４内の酸素と反応して水が生成する。この生成水でイオン交換樹脂膜が湿潤することにより、その後は水素の透過を抑制することができる。また、水素が透過しなくなると酸素との反応も起こらなくなり、過剰な水が精製することなくイオン交換樹脂膜の湿潤状態が適度に維持される。
【００７４】
酸化還元触媒としては、公知の白金系触媒を用いることが可能である。また、吸水部材２７はセル１１と異なり発電の必要はないため、活性は低くてもよい。そこでコストの観点から非白金系触媒を用いてもよい。非白金系触媒としては、炭窒化チタン粉末や複合炭窒化チタン粉末の窒素と炭素の含有量および処理条件により結晶性が制御された触媒などが例示されるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００７５】
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における燃料電池や燃料電池システムにおいて各種の設計変更等の変形を各実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。
【００７６】
例えば、第２の実施の形態に係る燃料カートリッジに水素吸蔵合金を用いた場合、水素を充填する際の発熱により保水部材や乾燥材に含まれている水分を蒸発させ、燃料カートリッジの排水室の性能を回復させてもよい。
【００７７】
また、各実施の形態に係る保水部材は、保水性能や吸水性能を向上するために、換言すれば表面積を増大させるために、薄く延ばして積層したり表面に凹凸を形成したりしたものであってもよい。
【００７８】
また、連通機構および開閉機構１４０による開閉のタイミングは必ずしも厳密に連動させる必要はなく、燃料電池システムの動作に支障のない範囲で一部を早めても遅らせてもよい。
【００７９】
また、第２の実施の形態や第３の実施の形態では、外側ハウジング３６に設けられている連通路７２は一つであるが、アノード室７０で生成した水を効率よく排水室１２６に移動させるためには連通路７２を複数設けるとよい。このような場合にはアノードを覆うようにウィッキング材を配置し、連通路７２の途中に燃料ガスを透過させないイオン交換樹脂膜を配設することも考えられるが、部材の種類や数が多くなり好ましくない。そこで、吸水部材２７にイオン交換樹脂膜を用いることで、連通路７２に別途部材を設けることなく生成水の吸水と水素ガスの排気室への漏洩を簡素な構成で抑制できる。
【符号の説明】
【００８０】
１０  燃料電池、  １１  セル、  １２  アノード触媒層、  １４  カソード触媒層、  １６  電解質膜、  ２６  アノード側ハウジング、  ２７  吸水部材、  ３６  外側ハウジング、  ３８  連通路、  ５６  ウィッキング材、  ７０  アノード室、  ７２  連通路、  １００  燃料電池システム、  １１０  燃料電池、  １２０  燃料カートリッジ、  １２２  ガス室、  １２４  保水部材、  １２６  排水室、  １２８  充填口、  １３０  接続機構、  １３２  ガス供給路、  １３４  排水路、  １３６  水素吸蔵合金、  １３８  燃料タンク、  １４０  開閉機構、  １４２  充填口、  １４６  外部排気口。
【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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