(57)【要約】【課題】  燃料電池などの水素を使用する機器に水素を供給するための水素供給用カートリッジであって、機器の運転停止時に存在する余剰水素を迅速に処理できる水素供給用カートリッジと、該水素供給用カートリッジを用いた燃料電池発電システムとを提供する。【解決手段】  水素を用いる装置に接続が可能な水素供給用カートリッジであって、反応により水素を発生する水素発生物質を収容可能な収容容器と、発生した水素の余剰分を除去し外部への散逸を防止するための水素除去装置とを有することを特徴とする水素供給用カートリッジ、並びに、酸素を還元する正極と、水素を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を備えた燃料電池本体、および前記水素供給用カートリッジを備えたことを特徴とする燃料電池発電システムである。【選択図】  図２
2009221072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を用いる装置に接続が可能な水素供給用カートリッジであって、
反応により水素を発生する水素発生物質を収容可能な収容容器と、発生した水素の余剰分を除去し外部への散逸を防止するための水素除去装置とを有することを特徴とする水素供給用カートリッジ。
【請求項２】
水素を用いる装置との接続を切り離す際に、水素除去装置が作動する請求項１に記載の水素供給用カートリッジ。
【請求項３】
水素除去装置が、水素との反応性を有する物質、または水素酸化活性を有する触媒を含んでいる請求項１または２に記載の水素供給用カートリッジ。
【請求項４】
水素除去装置が、水素吸蔵合金を有している請求項３に記載の水素供給用カートリッジ。
【請求項５】
水素発生物質として、水と反応して水素を発生する材料を収容し、
前記水素発生物質に対して連続的または断続的に水を供給する手段を有する請求項１〜４のいずれかに記載の水素供給用カートリッジ。
【請求項６】
水素発生物質が、金属水素化物である請求項５に記載の水素供給用カートリッジ。
【請求項７】
水素発生物質が、アルミニウム、ケイ素、亜鉛およびマグネシウム、並びにこれらの１種以上の元素を主体とする合金よりなる群から選択される少なくとも１種の金属である請求項５に記載の水素供給用カートリッジ。
【請求項８】
酸素を還元する正極と、水素を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を備えた燃料電池本体、および請求項１〜７のいずれかに記載の水素供給用カートリッジを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、民生用コージェネレーションや自動車用などの移動体用発電器、携帯用電源として有用な固体高分子形燃料電池を有する燃料電池発電システムに用いることができる水素供給用カートリッジ、および該水素供給用カートリッジを備えた燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、室温から１００℃以下までの低温で動作し、迅速な起動停止、高出力密度が可能であるなどの特徴を有するため、民生用コージェネレーションや自動車用などの移動体用発電器、携帯用電源として期待されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌｌ  Ｃｅｌｌ）は、電解質膜層としての水素イオン伝導性高分子電解質膜と、その両面に配された触媒層と、更にその両面に配されたガス拡散層なる多孔質の電極基材で構成された電極・電解質一体化物（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有している。
【０００４】
ＰＥＭＦＣに使用する燃料としては、可燃性ガスである水素が挙げられるが、こうした水素を製造する方法としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム、ケイ素、亜鉛などの水素発生物質と水とを化学反応させて水素を発生させる方法が公知である。具体的には、例えば特許文献１に、水素発生物質と水との発熱反応を利用して、更に供給する水を制御することで発熱反応を安定に保持する方法、および水素発生物質もしくは水のいずれか、またはそれらの両者を加熱することで反応を容易に進行させることが提案されている。
【０００５】
ところで、特許文献１の図３によると、水素発生物質への水などの供給を減少または停止した場合、水素発生が直ちに止まらず、しばらく継続する現象が確認される。これは、例えば水素発生物質としてアルミニウム粉末を使用する場合、初めにアルミニウム粉末表面に形成されている皮膜（酸化皮膜）をアルカリなどによって溶解するなどしてから、供給する水をアルミニウム粉末内部に浸透させて水素を発生させるが、水の供給を止めた後も、系内に残存している水との反応によって、水素発生がしばらく継続するためである。
【０００６】
そのため、例えば、燃料電池などの水素を使用する機器に適用される水素供給用カートリッジにおいて、水素の確保に特許文献１に記載の方法を利用した場合、機器の運転の停止と同時に水素発生物質への水の供給を停止しても、水素供給用カートリッジ内で水素発生がしばらく継続する。よって、水素供給用カートリッジを機器から取り外す際に、系外への水素の漏出を防ぐには、水素発生物質への水の供給停止から水素供給用カートリッジの取り外しまでに、かなりの時間をおく必要がある。
【０００７】
前記のような問題を解決する技術として、例えば、燃料電池を格納するスタックケースに冷却液を充満して、前記冷却液内に漏れ出てくる気体を集め、気液分離後に気体を触媒燃焼する触媒燃焼器を備えた燃料電池システムが提案されている（特許文献２）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−４５６４６号公報
【特許文献２】特開２００２−１３４１３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、特許文献２の技術では、燃料電池システムを格納したスタックケース内に冷却液を封入する必要があるが、特に携帯機器用途などの場合、機器が常に一定方向を向いている訳ではないため、漏れ出てくる気体を効率よく捕集することが難しい。また、水素を捕集し除去する構成を含めた燃料電池発電システムが大型化する虞がある。
【００１０】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池などの水素を使用する機器に水素を供給するための水素供給用カートリッジであって、機器の運転停止時に存在する余剰水素を迅速に処理できる水素供給用カートリッジと、該水素供給用カートリッジを用いた燃料電池発電システムとを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成し得た本発明の水素供給用カートリッジは、水素を用いる装置に接続が可能な水素供給用カートリッジであって、反応により水素を発生する水素発生物質を収容可能な収容容器と、発生した水素の余剰分を除去し外部への散逸を防止するための水素除去装置とを有することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の燃料電池発電システムは、酸素を還元する正極と、水素を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を備えた燃料電池本体、および本発明の水素供給用カートリッジを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、運転停止後の機器から取り外す際に、簡単な操作で余剰水素を迅速に除去できる水素供給用カートリッジを提供できる。よって、本発明の水素供給用カートリッジを用いた本発明の燃料電池発電システムでは、例えば水素供給用カートリッジの交換時に系外への水素の漏出を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１に、本発明の燃料電池発電システムの構成例の概略図を示す。１は燃料電池であり、電気的に直列に接続された複数の電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）１００を有しており、外部負荷６（燃料電池発電システムが適用される電子機器など）に接続されている。２は、燃料電池１へ燃料である水素を供給するための水素製造装置であり、例えば、この水素製造装置２が、本発明の水素供給用カートリッジを有していてもよく、水素製造装置２が本発明の水素供給用カートリッジのみで構成されていてもよい。また、燃料電池１と水素製造装置２との間には、燃料流路４が形成されている。５は通気経路である。更に、燃料流路４の横の矢印は、水素の流通方向である（後記の各図面においても同じである。）
【００１５】
３はストップバルブで、燃料電池１の運転停止に合わせて閉じることで、水素製造装置２から燃料電池１への水素の供給を遮断し、また、燃料電池１の運転時に合わせて開くことで、水素製造装置２から燃料電池１への水素の供給を可能とするためのものである。
【００１６】
なお、本発明の燃料電池発電システムには、ストップバルブは必須ではないが、ストップバルブを設ける場合には、図１に示すように、水素製造装置２と燃料電池１との間に配置することが好ましい。更に、図１では、外部負荷６が、スイッチング可能に燃料電池１に接続された構成を示しているが、外部負荷６は燃料電池１に常時接続した状態で構成してもよい。
【００１７】
図２に、本発明の水素供給用カートリッジの一例を模式的に示している。図２では、水素供給用カートリッジ２０を燃料電池発電システムから取り外し、水素除去装置２０ｂを作動させた状況を図示しているが、各構成要素の理解を容易にするために、一部の構成要素については、断面であることを示す斜線を付していない（後記の図３においても、同様である。）。
【００１８】
本発明の水素供給用カートリッジ２０は、図２に示すように、水素発生物質を収容するための水素発生物質収容容器２０ａと、水素除去装置２０ｂとを有している。なお、水素発生物質収容容器２０ａには、水を供給して水素発生物質と水とを反応させ、水素を発生させる。そのため、水素発生物質収容容器２０ａは、反応容器としての役割も担っている。
【００１９】
水素除去装置２０ｂは、燃料電池発電システムが停止時、すなわち水素供給用カートリッジ２０の水素発生速度が低下した後、水素供給用カートリッジ２０を燃焼電池発電システムから取り外す場合に作動させる。
【００２０】
なお、図２に示す水素供給用カートリッジ２０は、燃料電池発電システムから取り外した後、水素発生物質収容容器２０ａの水素導出パイプ２９と水素除去装置２０ｂとを、ネジ構造により固定して、水素除去装置２０ｂを作動させる構成を有している。このような構成を採用することで、水素発生物質収容容器２０ａからの水素の漏れをより確実に防止しつつ、水素発生物質収容容器２０ａと水素除去装置２０ｂとを接合することができる。
【００２１】
図２に示す水素供給用カートリッジ２０に係る水素除去装置２０ｂは、正極と負極とを導通可能にしたＭＥＡ２００を有している。ＭＥＡ２００は、酸素を還元する正極触媒層２０２と、水素を酸化する負極触媒層２０４とを有しており、更に、正極触媒層２０２と負極触媒層２０４との間に固体電解質膜２０３を備えている。また、正極触媒層２０２の固体電解質膜２０３側の面の反対面には、積層された正極拡散層２０１を有しており、負極触媒層２０４の固体電解質膜２０３側の面の反対面には、積層された負極拡散層２０５を有している。
【００２２】
正極拡散層２０１および負極拡散層２０５は、多孔性の電子伝導性材料などから構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。なお、正極拡散層２０１や負極拡散層２０５の触媒層側には、更なる撥水性向上および触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子［ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂粒子など］を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
【００２３】
負極触媒層２０４は、負極拡散層２０５を介して拡散してきた水素を酸化する機能を有している。負極触媒層２０４は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂バインダを更に含有していてもよい。
【００２４】
負極触媒層２０４の含有する触媒としては、水素を酸化できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子が挙げられる。また、前記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムおよび金よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素と白金との合金であってもよい。
【００２５】
また、負極触媒層２０４に用いる触媒を構成する金属微粒子として、白金合金を使用する場合、白金合金は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、クロム、金、鉄、モリブデンおよびスズからなる群から選択される少なくとも１種の金属と白金との合金で構成される微粒子であってもよい。
【００２６】
更に、負極触媒層２０４の触媒を構成する金属微粒子の平均粒子径は、金属微粒子の表面積を大きくして、水素酸化反応活性をより高める観点から、２〜５ｎｍであることが好ましい。
【００２７】
触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、ＢＥＴ比表面積が１０〜２０００ｍ２／ｇであり、平均粒子径が２０〜１００ｎｍのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への前記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行うことができる。
【００２８】
前記炭素粉末と前記触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末１００質量部に対して、触媒が５〜４００質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層が構成できるからである。また、例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法（例えば、コロイド法）で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが前記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性が得られるからである。
【００２９】
負極触媒層２０４に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。
【００３０】
負極触媒層２０４におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、２〜２００質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が前記の量で含有されていれば、負極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００３１】
負極触媒層２０４に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、ＰＴＦＥ、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（ＰＦＡ）、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−エチレン共重合体（Ｅ／ＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）およびポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体およびエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などを用いることができる。
【００３２】
負極触媒層２０４におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、０．０１〜１００質量部であることが好ましい。バインダが前記の量で含有されていれば、負極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００３３】
正極触媒層２０２は、正極拡散層２０１を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有している。正極触媒層２０２は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂バインダを更に含有していてもよい。
【００３４】
正極触媒層２０２の含有する触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、負極触媒層に係る触媒として例示した前記の各触媒を用いることができる。正極触媒層に係る前記炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダについても、負極触媒層に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダとして例示した前記の各材料を用いることができる。
【００３５】
固体電解質膜２０３は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体電解質膜２０３を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体電解質膜２０３の材料として用いることができる。
【００３６】
そして、ＭＥＡ２００は、正極拡散層２０１の上部に配置された正極集電板２１と、負極拡散層２０４の下部に配置された負極集電板２２とで挟持されており、正極集電板２１と負極集電板２２とは、例えばボルト２４とナット２５により固定されている。なお、２３はシリコンゴムなどからなるシール材である。
【００３７】
正極集電板２１および負極集電板２２は、例えば、白金、金などの貴金属や、ステンレス鋼などの耐食性金属、またはカーボンなどから構成されている。また、それらの材料に耐食性向上のために、表面にメッキや塗装が施されている場合もある。
【００３８】
正極集電板２１には複数の空気孔２１ａが形成されており、これら空気孔２１ａを通じて大気中の酸素がＭＥＡ２００の正極に供給されるようになっている。一方、負極集電板２２には複数の水素導入孔２２ａが形成されており、これら水素導入孔２２ａを通じて水素発生物質収容容器２０ａの水素導出パイプ２９から排出された水素がＭＥＡ２００の負極に供給される。また、正極集電板２１と負極集電板２２には、導電板２７が接続されている。
【００３９】
そして、図２に示す水素供給用カートリッジ２０では、燃料電池発電システムから取り外したときに、ネジ部２６によって水素発生物質収容容器２０ａと水素除去装置２０ｂとを連結すると、ＭＥＡ２００の正極−負極間が導電板２７によって導通状態となり、水素発生物質収容容器２０ａから水素除去装置２０ｂ内に供給された水素が消費される。よって、燃料電池発電システムから取り外した水素供給用カートリッジ２０から生じる水素を完全に無くすか、またはその水素量を大幅に低減することができる。
【００４０】
図２に示す水素除去装置２０ｂでは、ＭＥＡ２００の正極と負極とを、導電板２７を介して接続しているが、かかる導電板２７としては、例えば、燃料電池発電システムに係る燃料電池１の停止後、ＭＥＡ２００の正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるのに要する時間が１分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、導電板２７を用いなくても、このような時間でＭＥＡ２００の正極−負極間の電圧を前記のように下げることができるのであれば、ＭＥＡ２００の正極と負極とは、導電板２７を用いずにリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【００４１】
また、導電板２７の表面に絶縁膜２８などを設けることで、漏電を防ぐことができる。ここでの絶縁膜２８は、電気伝導性のない材料であれば特に制限はなく、例えば、ポリプロピレンやネオプレンゴムなどを用いることができる。
【００４２】
なお、水素発生物質と水とを反応させて水素を発生させる反応では発熱を伴うため、かかる反応を行う水素発生物質収容容器２０ａ（詳しくは後述する）の内部において、水素発生反応が進行している際には、例えば容器の表面温度が上昇する。よって、図２に示すように、水素供給用カートリッジ２０において、水素発生物質収容容器２０ａ近傍に温度センサー２０ｃを設置し、温度センサー２０ｃにより水素発生物質収容容器２０ａの表面温度を計測することで、水素発生反応の進行の程度を把握することができる。例えば、燃料電池発電システムから水素供給用カートリッジ２０を取り外す際には、温度センサー２０ｃにより計測される水素発生物質収容容器２０ａの表面温度が、８０℃以下であることが好ましく、５０℃以下であることがより好ましい。水素発生物質収容容器２０ａの表面温度が前記温度を超えている場合には、容器内部での水素発生反応が非常に進行しているため、水素除去装置２０ｂによる水素除去効率が低下する虞があるからである。
【００４３】
なお、燃料電池発電システムから水素供給用カートリッジを取り外す際の温度の下限については特に制限はなく、燃料電池発電システムが使用される環境の温度［通常は常温（２５℃程度）］であってもよい。
【００４４】
水素発生物質収容容器２０ａの表面温度を計測する温度センサー２０ｃの取付け位置は、容器表面の温度変化を正確に検知できる場所であれば、容器内部および表面の一部に設置してもよく、また、図１に示す燃料電池発電システムに係る燃料経路４の一部に設置するなど特に制限はないが、外部温度に左右されず計測できる位置が好ましく、例えば、容器２０ａの外底部または底部近傍の外側面などが望ましい。
【００４５】
温度センサー２０ｃは、容器温度を正確に計測できるものであれば特に制限されず、例えば、白金測温抵抗体、サーミスタ、熱電対、ＩＣ化温度センサーなどの接触式センサー；熱を検知する放射温度計などの非接触式センサー；などが用いられるが、小型で感度の良いものとして、サーミスタや熱電対が好適に用いられる。
【００４６】
水素発生物質収容容器２０ａの表面温度は、その温度変化を温度センサー２０ｃでモニタリングし、マイクロコンピューターなどの回路上で計算処理することが好ましい。また、容器２０ａの表面温度が、燃料電池発電システムから水素供給用カートリッジ２０を取り外すのに適した温度であることを示す表示灯を設置することがより好ましい。
【００４７】
図２に示す水素供給用カートリッジ２０では、水素除去装置２０ｂを１個だけ有しているが、水素供給用カートリッジは水素除去装置を複数個（２個、３個、４個など）有していてもよい。水素供給用カートリッジが水素除去装置を複数個有する場合、より多くの個数を有することで、例えば触媒が劣化するなどして１つの水素除去装置の水素除去性能が低下したとしても、他の水素除去装置によって補うことができるため、水素の除去性能をより長期間にわたって保持し得る水素供給用カートリッジとすることができる。なお、水素供給用カートリッジに係る水素除去装置に使用するＭＥＡの面積（平面視での面積）の目安は、例えば、負極触媒層におけるＰｔ触媒の量が０．３ｍｇ／ｃｍ２である場合には、水素１ｍｌ／ｍｉｎに対し、好ましくは２．０ｍｍ２以上、より好ましくは３．０ｍｍ２以上であって、好ましくは１０ｍｍ２以下、より好ましくは６．０ｍｍ２であればよく、これにより水素除去性能を良好に保持することができる。
【００４８】
また、図３には、本発明の水素供給用カートリッジの他の例を模式的に示している。図３中、図２と機能が共通する構成要素は、共通の符号を付して重複説明を避ける。図３中、（ａ）は、水素供給用カートリッジを燃料電池発電システムから取り外した直後で水素除去装置の作動前の状態を示しており、（ｂ）は、水素除去装置が作動した状態を示している。
【００４９】
図３の水素供給用カートリッジ２０では、その蓋部分が水素除去装置２０ｂとなっており、この水素除去装置２０ｂは、水素発生物質収容容器２０ａを入れた外容器３０と蝶番３３とで固定されている。水素供給用カートリッジ２０を燃料電池発電システムに取り付ける場合、ロック装置３４を解除すると、板バネ３１の作用で水素除去装置２ｂが垂直方向に開き、更に外容器３０内のバネ３２の作用で水素導出パイプ２９がせり上がった状態となり、燃料電池発電システムに取り付けやすくなる。
【００５０】
また、図３の水素供給用カートリッジ２０では、燃料電池発電システムに取り付ける場合に、温度センサー２０ｃが水素発生物質収容容器２０ａの側面に接する。
【００５１】
図３に示す水素供給用カートリッジ２０を燃料電池発電システムから取り外して蓋を閉じると、水素発生物質収容容器２０ａが下方へ移動する。このように、図３に示す水素供給用カートリッジでは、燃料電池発電システムから取り外した後に蓋の役割を果たす部分が水素除去装置となっているため、図２に示す水素供給用カートリッジの場合と同様に、燃料電池発電システムから取り外した後にも水素発生物質収容容器２０ａから排出され続ける余剰水素を消費することができる。
【００５２】
図３のように水素発生物質収容容器２０ａと水素除去装置２０ｂが一体化している場合、水素除去装置２０ｂの作動忘れや、紛失を防ぐことができる。更に、燃料電池発電システムにおいて、例えば水素供給用カートリッジ２０を外すレバーと蓋が連動した機構とすることによって、水素供給用カートリッジ２０の取り外しと同時に蓋を閉める機構、すなわち、水素供給用カートリッジ２０の取り外しと同時に自動的に水素除去装置２０ｂが作動する機構とすることもできる。また、水素除去装置２０ｂは、水素供給用カートリッジ２０の本体部、すなわち、水素発生物質収容容器２０ａや外容器３０に対して完全に着脱可能な構成とすることもできる。
【００５３】
水素供給用カートリッジの有する水素発生物質収容容器２０ａは、水素を発生させる水素発生物質を収納可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水素発生物質収容容器２０ａ内の水素発生物質に水を供給するための供給口や水素の導出口以外から水や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水および水素を透過しにくく、かつ１２０℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。なお、図２および図３では図示していないが、水素発生物質収容容器２０ａには、内部に水を取り入れるための水供給口も設けられる。
【００５４】
図２および図３には、水素供給用カートリッジが有する水素除去装置として、ＭＥＡを備えた水素除去装置を示したが、このように、水素除去装置としては、水素酸化活性を有する触媒を含むものが好ましく用いられる。また、水素酸化活性を有する触媒を含む水素除去装置としては、前記のＭＥＡを有するもの以外にも、例えば、水素酸化活性を有する触媒を含有するフィルター、筒状などの外装体に水素酸化活性を有する触媒を充填したものなどを、用いることもできる。なお、水素酸化活性を有する触媒としては、例えば、ＭＥＡの負極触媒層における触媒として先に例示した各種触媒などを用いることができる。
【００５５】
また、水素供給用カートリッジに係る水素除去装置には、水素との反応性を有する物質を含むものも好ましく用いることができる。水素との反応性を有する物質としては、例えば、塩化ナトリウムなどの塩化物；水素吸蔵合金；などを用いることができる。
【００５６】
水素吸蔵合金としては、Ｍｍ（ミッシュメタル）−Ｎｉ系、Ｔｉ−Ｖ系、Ｚｒ−Ｎｉ系、Ｍｇ−Ｎｉ系などの種々の合金が知られている。特に、Ｍｍ−Ｎｉ系合金およびＴｉ−Ｖ系合金は、電池の電極材や水素貯蔵材として使用されている。また、水素吸蔵合金においては、更に水素吸蔵量を増加させる方策として、新合金の探索の他に、例えば、メカニカルアロイングや液体急冷凝固法による合金組織の超微細化・非晶質化など、水素吸蔵合金の作製プロセッシングの開発、材料中の微細組織の制御が試みられている。例えば、合金系は公知のＭｇ-Ｎｉ系であるが、メカニカルアロイングにより合金を非晶質にすることにより、室温でも水素の吸放出が可能な非晶質Ｍｇ−Ｎｉ系水素吸蔵合金などを用いることで、余剰の水素を効率よく吸収させることが可能である。
【００５７】
なお、水素供給用カートリッジを燃料電池発電システムに接続するには、例えば、図２に示す水素供給用カートリッジの有するネジ部２６を利用して、燃料電池発電システムの所定位置（例えば、燃料電池の有する燃料流路や、後述する図４に示す水素製造装置の燃料流路）に接続する方法や、燃料電池発電システムにおける水素供給用カートリッジの取り付け位置（燃料流路や、水素発生物質収容容器への水供給部）に筒状に成形した部位（管など）を設け、これらに、水素供給用カートリッジの有する水素発生物質収容容器の水素導出口や水供給口に設けた筒状に成形した部位（管など）を挿入し、接続部分（管の挿入部分）をＯリングなどのパッキングによって密閉して、水素や水の漏れを防止する方法などが採用できる。
【００５８】
図４に、本発明の燃料電池発電システムに適用可能な水素製造装置の構成例を模式的に示している。図４に示す水素製造装置２は、水素供給用カートリッジ２０と、水素供給用カートリッジ２０の有する水素発生物質収容容器２０ａ内の水素発生物質に連続的または断続的に水を供給する手段とを備えたものである。
【００５９】
すなわち、水素製造装置２は、水素供給用カートリッジ２０と、水を収容する水収容容器４２とを有しており、水素供給用カートリッジ２０の有する水素発生物質収容容器２０ａに、水収容容器４２から水を供給し、水素発生物質収容容器２０ａ内において水素発生物質と水とを反応させて水素を製造する。水素発生物質収容容器２０ａで発生した水素は、水素導出パイプ２９ａ、２９ｂで構成される燃料流路を経て、燃料電池１に供給される。
【００６０】
水収容容器４２から水素供給用カートリッジ２内の水素発生物質収容容器２０ａに水を供給する水供給パイプ４０には、水供給ポンプ４３が設けられている。なお、水収容容器４２に収容する水は、中性の水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液などのいずれであってもよく（すなわち、少なくとも水を含む液体であればよく）、使用する水素発生物質との反応性などに応じて好適なものを選択すればよい。
【００６１】
水素供給用カートリッジ２０には、例えば、図２や図３に示す構成の水素供給用カートリッジが使用できる。また、水収容容器４２は脱着式とすることもできる。これにより、水素供給用カートリッジ２０の有する水素発生物質収容容器２０ａ内の水素発生物質が消費されつくしたり、容器４２内の水がなくなったりした場合に、これらを取り外し、水素発生物質収容容器２０ａ内に水素発生物質が充填された水素供給用カートリッジ２０や水が充填された水収容容器４２を新たに取り付けることで、再び水素製造を行うことが可能となる。
【００６２】
水素発生物質収容容器２０ａに収容される水素発生物質としては、水と１２０℃以下の低温で反応して水素を発生し得るものであれば特に制限はない。例えば、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属；アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の１種以上の元素を主体とする合金；金属水素化物；などが好適に使用できる。
【００６３】
アルミニウム、ケイ素、亜鉛およびマグネシウムの中の１種以上の元素を主体とする合金の場合には、主体となる前記の各元素以外の元素については特に限定されない。ここで、「主体」とは、合金全体に対して８０質量％以上、より好ましくは９０質量％以上含有されていることを意味する。
【００６４】
アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の１種以上の元素を主体とする合金は、常温では水と反応しにくいが、加熱することにより水との発熱反応が容易となる物質である。なお、本明細書において常温とは、２０〜３０℃の範囲の温度である。
【００６５】
例えば、アルミニウムと水の場合、水素および酸化生成物を生成する反応は次式のようになる。
２Ａｌ＋６Ｈ２Ｏ  →  Ａｌ２Ｏ３・３Ｈ２Ｏ＋３Ｈ２    （１）
２Ａｌ＋４Ｈ２Ｏ  →  Ａｌ２Ｏ３・Ｈ２Ｏ＋３Ｈ２      （２）
２Ａｌ＋３Ｈ２Ｏ  →  Ａｌ２Ｏ３＋３Ｈ２             （３）
【００６６】
なお、前記の金属や合金からなる水素発生物質は、表面に酸化皮膜を形成して安定化する。このため、水素発生物質の粒径をできるだけ小さくし、反応面積を大きくすることが好ましい。例えば、水素発生物質の形態としては、０．１〜１００μｍの粒径の粒状またはフレーク状であることが好ましく、粒径は、０．１〜５０μｍであることがより好ましい。水素発生物質の粒径が１００μｍ以下であることにより、スムーズに水素発生が起こるからである。更に水素発生物質の粒径を小さくすると水素発生速度が増加するが、０．１μｍより粒径が小さくなると、引火性が高まり取り扱いが困難になる。また、嵩密度が小さくなるため、水素発生物質の充填密度が低下し、エネルギー密度が低下しやすくなる。このため、水素発生物質の粒径は、０．１μｍ以上とすることが好ましい。
【００６７】
なお、本明細書でいう水素発生物質の粒径は、平均粒径であり、体積基準の積算分率５０％における粒子直径の値を意味している。平均粒径の測定方法としては、例えば、レーザー回折・散乱法などを用いることができる。具体的には、水などの液相に分散させた測定対象物質にレーザー光を照射することによって検出される散乱強度分布を利用した粒子径分布の測定方法である。レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置としては、例えば、日機装株式会社製の「マイクロトラックＨＲＡ」などを用いることができる。
【００６８】
また、水素発生物質として用い得る金属水素化物としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウムまたは水素化ホウ素カリウムなどが挙げられる。これらの金属水素化物は、アルカリ水溶液中では比較的安定であるが、触媒が存在する場合、速やかに水と反応して水素を発生することができる。触媒としては例えばＰｔ、Ｎｉなどの金属や酸などを用いることができる。
【００６９】
例えば水素化ホウ素ナトリウムの場合、次式のように反応し、水素を発生することができる。
ＮａＢＨ４＋２Ｈ２Ｏ  →  ＮａＢＯ２＋４Ｈ２          （４）
【００７０】
水素発生物質は、前記例示のものを１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００７１】
また、前記の水素発生物質を、水と反応して発熱する発熱物質（水素発生物質以外の物質）と共に用いることにより、低温（例えば５℃程度）の水を供給しても、前記発熱物質の発熱によって反応系内の温度を高めて、迅速な水素発生を可能とし得る。
【００７２】
水と反応して発熱する発熱物質は、例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カルシウムなどのように、水との反応により水酸化物となったり、水和することにより発熱するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物、塩化物、硫酸化合物などを例示することができる。また、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムなどの金属水素化物などのように水との反応により水素を生成するものは、前記の通り、水素発生物質として使用することが可能であるが、前記の金属や合金を水素発生物質として使用する場合の発熱物質としても用いることができる。
【００７３】
なお、例えば発熱物質に関して、鉄粉のように酸素と反応して発熱するものも知られている。しかし、鉄粉を発熱物質として使用する場合には、反応時に酸素を導入しなければならず、前記のように水素発生物質と発熱物質が同一の反応容器内に配される場合は、発生する水素の純度が低下したり、水素発生物質が酸素によって酸化されて水素発生量が低下したりするなどの問題が生じやすくなる。そのため、発熱物質としては、水と反応して発熱する材料が好適に用いられる。
【００７４】
特に、水素発生物質として、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の１種以上の元素を主体とする合金を使用する場合には、前記発熱物質を併用することが好ましい。他方、水素発生物質として前記の金属水素化物を用いる場合には、前記発熱物質を併用しなくても、比較的良好な速度で水素を製造できるが、発熱物質を併用して、更に水素発生速度を高めてもよい。
【００７５】
水素発生物質と前記発熱物質を併用する場合には、水素発生物質収容容器に導入する水素発生物質と発熱物質の合計１００質量％中、水素発生物質の量を８５質量％以上とすることが好ましい。水素発生物質と発熱物質の合計中の水素発生物質量が少なすぎると、水素発生量が低下したり、発熱物質量が多すぎることによって発熱が激しくなり水素発生反応を制御し難くなる虞がある。
【００７６】
なお、前記の発熱物質は、水素発生物質と均一または不均一に混合してなる混合物として水素発生物質収容容器に入れてもよく、水素発生物質と別に水素発生物質収容容器に入れてもよい。後者の場合には、例えば、発熱物質を、水素発生物質収容容器に係る水供給パイプ（図６中、４０）の管口部近傍に偏在させて配置することが好ましい。このように発熱物質を配置することにより、より効率的に反応系内を加熱することができる。
【００７７】
水収容容器４２については特に制限はなく、例えば、従来の水素製造装置２と同様の水を収容するタンクなどが採用できる。
【００７８】
水収容容器４２中の水が、水供給パイプ４０を通じて水素供給用カートリッジ２０の有する水素発生物質収容容器２０ａに供給されることで、容器２０ａ内の水素発生物質と反応して水素を発生するが、水素発生物質収容容器２０ａ内に存在する未反応の水が、発生した水素中に混入し、これらの混合物が水素導出パイプ２９ｂを通じて水素製造装置２外に排出される場合がある。
【００７９】
よって、図４に示すように、水素製造装置２には、燃料電池１と水素製造装置２とを連結する燃料流路内に、凝縮水分離器４４を設けることが好ましい。凝縮水分離器４４は、水素導出パイプ２９ａを介して水素発生物質収容容器２０ａと連結されており、また、水素導出パイプ２９ｂが取り付けられている。水素発生物質収容容器２０ａから排出された水素との混合物中の水は、水素導出パイプ２９ａ内で冷却されることで凝縮水となる。この凝縮水を伴う水素が凝縮水分離器４４に導入されると、凝縮水が重力によって凝縮水分離器４４の下部に落下して分離される。
【００８０】
そして、図４に示しているように、凝縮水分離器４４と水収容容器４２とを水回収パイプ４１で連結しておくことで、凝縮水分離器４４で分離した水を水収容容器４２に回収することができる。このように、凝縮水分離器４４で分離した水を回収することにより、水素発生のために使用する水の実質的な供給量を少なくすることが可能となり、水収容容器４２をよりコンパクトにすることができる。
【００８１】
なお、図４では、水収容容器が水素供給用カートリッジと別体の水素製造装置を示したが、水素供給用カートリッジが、水素発生物質収容容器および水素除去装置と共に、水収容容器を有していてもよく、例えば、前記の通り、水素供給用カートリッジのみで水素製造装置を構成していても構わない。すなわち、前記の凝縮水分離器も、水素供給用カートリッジが有していてもよいが、その場合、水素供給用カートリッジの構造が複雑になって、水素供給用カートリッジをコンパクトにすることが難しくなることから、凝縮水分離器は、水素供給用カートリッジの外部に設けることが好ましい。
【００８２】
図５に、本発明の燃料電池発電システムに係る燃料電池の構成例を模式的に示す。なお、図５は断面図であるが、各構成要素の理解を容易にするために、一部の構成要素については、断面であることを示す斜線を付していない。また、図５では、後述する図６や図７に示す燃料電池発電システムに係る燃料電池１におけるＭＥＡの正極と負極とを導通可能にするための構成については示していない。
【００８３】
図５の燃料電池１では、正極拡散層１０１および正極触媒層１０２からなる正極と、固体電解質膜１０３と、負極拡散層１０５および負極触媒層１０４からなる負極とが、順次積層されてなるＭＥＡ１００を３個有しており、これらのＭＥＡ１００が平面状に配置されている。
【００８４】
それぞれのＭＥＡ１００の正極側には、正極集電プレート５７ａ、５７ｂ、正極絶縁プレート５３、および正極パネルプレート５１が順次配置されている。また、それぞれのＭＥＡ１００の負極側には、負極集電プレート５８ａ、５８ｂ、負極絶縁プレート５４、および負極パネルプレート５２が順次配置されている。
【００８５】
そして、全てのＭＥＡ１００が、正極パネルプレート５１と負極パネルプレート５２とに挟持されて一体化している。また、図５では明らかにしていないが、隣り合うＭＥＡ１００同士は、正極集電プレート５７ａ、５７ｂと負極集電プレート５８ａ、５８ｂとの電気的接続によって、直列に接続されている。
【００８６】
正極集電プレート５７ａ、５７ｂ、正極絶縁プレート５３および正極パネルプレート５１には、燃料電池１外の酸素を空気として正極に導入するための酸素導入孔が複数設けられている。そして、正極集電プレート５７ａ、５７ｂの酸素導入孔、正極絶縁プレート５３の酸素導入孔、および正極パネルプレート５１の酸素導入孔により、正極パネルプレート５１の外表面からＭＥＡ１００の正極拡散層１０１にまで到達する開口部が複数形成されており、これら開口部から、燃料電池外の酸素（空気）が拡散により正極拡散層１０１に供給される構造となっている。
【００８７】
また、図５の燃料電池１では、負極集電プレート５８ａ、５８ｂ、負極絶縁プレート５４および負極パネルプレート５２に、燃料タンク部６０内の燃料（水素）を負極に導入するための燃料導入孔が複数設けられている。そして、負極集電プレート５８ａ、５８ｂの燃料導入孔、負極絶縁プレート５４の燃料導入孔、および負極パネルプレート５２の燃料導入孔により、負極パネルプレート５２の燃料タンク部６０側表面からＭＥＡ１００の負極拡散層１０５にまで到達する開口部が複数形成されており、これら開口部から、燃料タンク部６０内の燃料が負極拡散層１０５に供給される構造となっている。
【００８８】
図５の燃料電池１では、正極パネルプレート５１と負極パネルプレート５２（更には燃料タンク部６０）は、ボルト６３とナット６４によって固定されている。図５中、５９ａおよび５９ｂはシールである。
【００８９】
正極拡散層１０１、正極触媒層１０２、固体電解質膜１０３、負極触媒層１０４および負極拡散層１０５は、それぞれ、図２で説明したＭＥＡ２００に係る正極拡散層２０１、正極触媒層２０２、固体電解質膜２０３、負極触媒層２０４および負極拡散層２０５と同様の材料で構成することができる。
【００９０】
図６に、本発明の燃料電池発電システムの他の構成例の概略図を示している。図６中、図１と機能が共通する構成要素は、共通の符号を付して重複説明を避ける（後記の図７および図８においても、同じである）。図６の燃料電池発電システムでは、燃料電池１の有する個々のＭＥＡ１００において、その正極と負極とが、導通可能となるように抵抗７を介してリード体などにより接続されている。
【００９１】
燃料電池発電システムに係る燃料電池においては、その運転が停止した後においても、燃料電池内に水素が残留し、これによってＭＥＡの正極および負極が劣化し、燃料電池の寿命が損なわれることがある。しかし、図６に示す燃料電池発電システムでは、外部負荷６がオフとなり、燃料電池１の運転が停止した際に、個々のＭＥＡ１００において、例えば、正極−負極間を繋ぐリード体に設けたスイッチをオンにするなどして正極と負極とを導通させることにより、燃料電池１内に残留している水素を消費することができる。このように、図２に示す燃料電池発電システムでは、燃料電池１内に残留する水素による燃料電池１の劣化を抑制して、燃料電池を長寿命化することができる。
【００９２】
図６の燃料電池発電システムでは、燃料電池１の有する各ＭＥＡ１００における正極と負極とを、抵抗７を介して接続しているが、かかる抵抗７としては、例えば、燃料電池発電システムに係る燃料電池１の停止後、ＭＥＡ１００の正極−負極間の電圧が０．１Ｖ以下となるのに要する時間が１分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、抵抗７を用いなくても、このような時間でＭＥＡ１００の正極−負極間の電圧を前記のように下げることができるのであれば、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。
【００９３】
更に、図７には、本発明の水素供給用カートリッジに係る燃料電池発電システムの他の構成例の概略図を示している。図７に示す燃料電池発電システムでは、燃料電池１と水素製造装置２との間に、モニタリング装置８が配置されている。モニタリング装置８は、特に漏れなどのない水素専用の装置であれば、限定されるものではないが、例えば、流速をモニタリングするデジタルマスフローメーターや送気圧力をモニタリングするデジタルマノメーターなどを用いることができる。こうしたモニタリング装置を用いることで、直接ガスの挙動を把握でき、水素供給用カートリッジの取り外しの可否判断に反映させることができる。
【００９４】
これまで図１〜図７を用いて本発明を説明したが、図１〜図７は、本発明の一例を示したものに過ぎず、本発明の水素供給用カートリッジおよび本発明の燃料電池発電システムは、図１〜図７に示すものに限定される訳ではない。
【実施例】
【００９５】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではない。
【００９６】
実施例１
＜燃料電池の作製＞
図８に示す構成の燃料電池発電システムを作製した。燃料電池１には、図５に示す構成のもの（ＭＥＡ１００を３個直列に接続して構成したもの）を２個直列に接続して用いた。ＭＥＡ１００の正極および負極には、カーボンクロス上にＰｔ担持カーボンを塗布した電極（Ｅ-ＴＥＫ社製「ＬＴ１４０Ｅ−Ｗ」、Ｐｔ量：０．５ｍｇ／ｃｍ２）を用いた。また、固体電解質膜にはデュポン社製「ナフィオン１１２」を用いた。各電極は２５ｍｍ×９２ｍｍ、固体電解質膜は２９ｍｍ×９６ｍｍとした。
【００９７】
正極パネルプレート５１には、ステンレス３０４製で厚みが２ｍｍのものを用いた。正極開口部２１は１×１３ｍｍの長方形型の穴を、図５に示すように各ＭＥＡ１００の正極拡散層１０１上部に当たる部分全域にわたり、合計７２個配置した。負極パネルプレート５２も同様の材質、形状とした。すなわち、負極パネルプレートにおいては、正極パネルプレートに係る酸素導入孔が、負極開口部（図５中、６２）を形成するための燃料導入孔となる。
【００９８】
正極集電プレート５７ａ、５７ｂには、ニッケルに金メッキを施した厚み０．３ｍｍのものを用いた。また、正極絶縁プレート５３には、ガラスエポキシ樹脂製で厚みが０．５ｍｍのものを用いた。正極集電プレート５７ａ、５７ｂ、および正極絶縁プレート５３の酸素導入孔の配置は、正極パネルプレート５１の酸素導入孔と共に正極開口部６１が形成できるような配置とした。
【００９９】
また、負極集電プレート５８ａ、５８ｂは、正極集電プレート５７ａ、５７ｂと同様の材質、形状とし、負極絶縁プレート５４も、正極絶縁プレート５３と同様の材質、形状とした。
【０１００】
燃料タンク部６０には、ガラスエポキシ樹脂製で厚み３ｍｍのものを用いた。中央のタンク内部の深さは２ｍｍである。また、シール５９ａ、５９ｂには、シリコン製で厚み０．２ｍｍのものを用いた。電極の納まる部分に空いた穴のサイズは２６ｍ×９３ｍｍとした。
【０１０１】
以上の各部材を、図５に示す順序で積層し、ボルト６３とナット６４とを用いて締め込んで、ＭＥＡ１００を３個有する燃料電池１を２個作製した。
【０１０２】
＜水素供給用カートリッジの作製＞
水素供給用カートリッジには、図２に示す構成のものを用いた。水素供給用カートリッジ２０に係る水素除去装置２０ｂの有するＭＥＡ２００の構成部材は、前記の燃料電池のＭＥＡと同様のものを用いた。電極は３０ｍｍ四方とし、固体電解質膜は３５ｍｍ四方とした。正極集電板２１には、 ステンレス３０４に金メッキを施した厚み２ｍｍのものを用いた。空気孔２１ａは、１×３０ｍｍの長方形型の穴をＭＥＡ２００の正極拡散層２０１上部に当たる部分全域にわたり配置した。負極集電板２２も、正極集電板２１と同様の形状、材質とした。シール２３には、シリコンゴム製で厚み０．２ｍｍのものを用いた。電極の納まる部分に空いた穴のサイズは３１ｍｍ四方とした。
【０１０３】
以上の各部材を、図２に示す順序で積層し、ボルト２４とナット２５とを用いて締め込んで、ＭＥＡ２００を作製した。また、ＭＥＡ２００の正極と負極とを導電させるための導電板２７と漏電防止用の絶縁膜２８とを、図２に示す位置に設けた。更に水素発生収容容器２０ａとネジにより固定できるようにして水素除去装置２０ｂを作製した。
【０１０４】
また、水素発生物質収容容器２０ａには、内容積５０ｃｍ３のポリプロピレン製角柱状の容器の上部に、図２に示すネジ部２６と水素導出パイプ２９とを設けたものを用い、その中に、平均粒径６μｍのアルミニウム粉末（水素発生物質）２０．７ｇと、酸化カルシウム（発熱物質）３．５ｇとを入れた。そして、この水素発生物質収容容器２０ａと、前記の水素除去装置２０ｂとで、水素供給用カートリッジを構成した。
【０１０５】
＜水素製造装置の作製＞
水素製造装置には、図４に示す構成のものを用いた。水供給パイプ４３、水素導出パイプ２９ａ、２９ｂおよび水回収パイプ４１には、内径２ｍｍ、外径３ｍｍのポリプロピレン製のパイプを用いた。また、水収容容器４２には、内容積５０ｃｍ３のポリプロピレン製角柱状の容器を用い、その中に水を３０ｇ入れた。更に、凝縮水分離器４４には、内容積３０ｃｍ３のポリプロピレン製角柱状の容器を用いた。これらの部材と、前記の水素供給用カートリッジとを、図４に示す構成となるように接続して、水素製造装置を組み立てた。
【０１０６】
＜燃料電池発電システムの組み立て＞
前記の燃料電池と水素製造装置とを図８に示すように配置して、燃料電池発電システムを組み立てた。
【０１０７】
＜発電試験＞
水供給ポンプ４３によって、水収容容器４２内の水を水素供給用カートリッジ２０の有する水素発生物質収容容器２０ａへ供給して水素を発生させ、外部負荷６によって燃料電池１の発電試験を４．０Ｖの定電圧で２時間行った。なお、後述する燃料電池１の運転停止時には、抵抗７を作動させて、燃料電池発電システム内の残留水素を除去した。
【０１０８】
燃料電池１の運転を停止すると同時に、水素供給用カートリッジ２０の有する水素発生物質収容容器２ａへの水の供給を停止し、発電システムを停止後、水素発生物質収容容器２０ａに設置した温度センサー２０ｃにより計測された温度が５０℃以下になったところで水素供給用カートリッジ２０を取り外し、水素除去装置２０ｂを作動させて、余剰水素を除去した。このとき、余剰水素が除去されているか確認するため、水素供給用カートリッジ２０にモニタリング装置（ＫＯＦＬＯＣ社製「マスフロー３６６０」）を取り付け、水素発生物質収容容器２０ａからの水素発生速度、および水素供給用カートリッジの取り外しから１時間後までの、外部に排出される水素の総量を計測した。その結果を表１に示す。
【０１０９】
比較例１
水素除去装置を設置しない以外は、実施例１と同様にして水素供給用カートリッジを作製し、この水素供給用カートリッジを用いた以外は、実施例１と同様にして燃料電池発電システムを作製した。そして、実施例１と同様の発電試験を行い、燃料電池発電システムの停止後に水素供給用カートリッジを取り外して、水素発生物質収容容器からの水素発生速度、および水素供給用カートリッジの取り外しから１時間後までの、外部に排出される水素の総量を、実施例１と同様にして計測した。その結果を表１に併記する。
【０１１０】
【表１】
2009221072.tif 000003
【０１１１】
表１に示すように、水素除去装置を持たない水素供給用カートリッジを用いて構成した比較例１の燃料電池発電システムでは、システムの停止後に取り外した水素供給用カートリッジから１３７ｍｌの水素が５．０ｍｌ／ｍｉｎの速度で排出されており、比較的長時間水素の排出が継続したが、水素除去装置を備えた水素供給用カートリッジを用いて構成した実施例１の燃料電池発電システムは、システムの停止後に取り外した水素供給用カートリッジから排出される水素が、水素除去装置に内蔵されたＭＥＡの正極と負極とを導通状態としたことで、負極の触媒反応によって迅速に酸化されたため、水素供給用カートリッジから排出される水素量が極めて少ない。よって、実施例１の水素供給用カートリッジ（燃料電池発電システム）であれば、水素供給用カートリッジの取り外し後において余剰水素を迅速に処理でき、系外への排出量を低減できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明の水素供給用カートリッジでは、燃料電池などの機器の運転停止後、水素供給用カートリッジの取り外し時における水素の系外への排出を抑制できる。そのため、本発明の水素供給用カートリッジを適用した機器（例えば、本発明の燃料電池発電システム）は、屋内使用などに好適である。また、前記の水素の系外への排出抑制を、比較的簡易な機構で達成できるため、燃料電池発電システムを始めとする各種水素利用機器の小型化も容易である。よって、本発明の水素供給用カートリッジは、高機能のポータブル型電子機器の電源用途を始めとして、例えば、従来の燃料電池が適用されている各種用途の燃料カートリッジとして好ましく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの構成例を示す模式図である。
【図２】本発明の水素供給用カートリッジの構成例を示す模式図である。
【図３】本発明の水素供給用カートリッジの他の構成例を示す模式図である。
【図４】本発明の水素供給用カートリッジを用いた水素製造装置の構成例を示す模式図である。
【図５】本発明の燃料電池発電システムに係る燃料電池の構成例を示す断面模式図である。
【図６】本発明の燃料電池発電システムの他の構成例を示す模式図である。
【図７】本発明の燃料電池発電システムの他の構成例を示す模式図である。
【図８】実施例１の燃料電池発電システムの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１１４】
１    燃料電池
２    水素製造装置
２０  水素供給用カートリッジ
２０ａ  水素発生物質収容容器
２０ｂ  水素除去装置
１００、２００  電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）
【図１】
2009221072.tif 000004
【図２】
2009221072.tif 000005
【図３】
2009221072.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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