燃料電池システム、燃料電池の運転方法、およびガス処理装置
燃料電池システム（８００）は、複数の燃料電池単位セル（１０１）と、これらの燃料電池単位セル（１０１）の電極反応で発生する二酸化炭素等のガスを取り込む孔（８０９）、およびガスを排出する排気口（８０７）が形成された容器（８０１）と、容器（８０１）内に設けられ、容器（８０１）に捕集されたガスを酸化する触媒層（８０５）と、を備え、触媒層（８０５）によって酸化された処理済みガス（８０６）を容器（８０１）の排出口（８０７）から排出するよう構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、燃料電池の運転方法、およびガス処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。
【０００３】
燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
【０００４】
３Ｈ２ → ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− （１）
【０００５】
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（２）のようになる。
【０００６】
ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ → ６Ｈ＋ ＋ＣＯ２ ＋ ６ｅ− （２）
【０００７】
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（３）のようになる。
【０００８】
３／２Ｏ２ ＋ ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ （３）
【０００９】
特に、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、燃料電池の小型化および実用化に向けての利点が大きい。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。
【００１０】
このような直接型の燃料電池においては、上記式（２）に示すように、燃料極では電気化学反応によって二酸化炭素が発生する。そのため、従来の燃料電池は、燃料極から二酸化炭素が除去されるように構成されている。
【００１１】
特許文献１には、燃料電池の電気化学反応によって生成した反応生成物を排出する反応生成物排出口と、反応生成物排出口に接続され、反応生成物を貯蔵するための反応生成物貯蔵室を含む容器とを含む燃料電池が開示されている。また、ここでは、未反応の燃料および電気化学反応の副生成物であるホルムアルデヒドやギ酸等の有害物質を吸着するための活性炭やゼオライトなどの吸着材やこれらの有害物質を分解させるための銀などの貴金属触媒、無機触媒、または微生物触媒を、単独または適宜組み合わせて容器内に添加しておくことが記載されている。これにより、これらの有害物質が容器内に回収された場合であっても、容器の処理やリサイクル上の問題を解消することができる。
【００１２】
また、特許文献２には、副生成物の回収袋に吸収保持部材を封入し、回収した副生成物を吸収、吸着固定、定着させる電源システムが開示されている。ここで、この回収袋の交換時期を知らせるために、回収袋の封入残量検出手段と、封入残量表示手段とが設けられている。
【特許文献１】特開２００３−１３２９３１号公報
【特許文献２】特開２００３−３６８７９号公報
【発明の開示】
【００１３】
【００１４】
しかしながら、このような従来の燃料電池においては、燃料電池から排出された未反応の燃料および副生成物を容器に回収し、回収した容器を燃料電池から取り外して処理するものであるため、回収後の容器は、ゴミとして処理するかリサイクル処理するといった手間がかかるといった問題があった。さらに、未反応の燃料や副生成物などが容器内にどの程度回収され、いつ取り外して空の容器と交換すべきかなどの目安となる封入残量表示機能を設ける必要があり、燃料電池の使用方法が煩雑になり、構造も複雑になり、燃料電池の小型化にも支障を来たすといった問題があった。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で、燃料電池から排出される未反応の燃料および副生成物を無害化して除去し、燃料電池システムの保全性および信頼性を向上させることのできる技術を提供することにある。
【００１６】
本発明によれば、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池セルと、燃料極に配して設けられ、燃料を収容する容器と、容器に含まれるガスを大気中に排出する排出通路と、排出通路に設けられ、ガスを酸化する触媒と、を含むことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１７】
ここで、容器に含まれるガスとは、未反応の燃料ガスや燃料電池の電気化学反応により生じた副生成物のことである。このような副生成物には、たとえば、ギ酸、ギ酸メチル、ホルムアルデヒドなどが含まれる。
【００１８】
本発明によれば、燃料電池から排出されるガスに、環境や人体に悪影響を及ぼすような有害な成分が含まれる場合であっても、触媒により酸化して無害化した後に大気中に排出することができる。これにより、環境上および人体に悪影響を及ぼすこともなく、燃料電池システムを安全に利用することができる。さらに、有害な成分による燃料電池の劣化や動作不良を防ぐこともでき、燃料電池システムの保全性および信頼性を向上させることができる。本発明の燃料電池システムは、たとえば既存の燃料電池システムに設けられているガス抜き用の排出通路内に触媒を設けるだけの簡単な構成で実現することもできる。
【００１９】
触媒としては、たとえば、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉのうちの少なくとも一種を含む金属、合金、またはそれらの酸化物を用いることができる。
【００２０】
本発明の燃料電池システムは、触媒によるガスの酸化を促進する酸化促進手段をさらに含むことができる。酸化促進手段は、ガスに酸素を供給する酸素供給部を有することができる。また、酸化促進手段は、ガスまたは触媒を加熱する加熱部を有することもできる。
【００２１】
このような構成によれば、容器から排気通路に導かれたガスを効率よく確実に酸化させることができる。また、燃料電池システムを長時間使用した後に、触媒により酸化しきれなかった成分や液状化した成分が触媒に付着した場合であっても、そのような成分を効率よく、より確実に酸化させて完全に除去することができ、性能を維持することができる。これにより、燃料電池システムの保全性および信頼性をさらに向上させることができる。
【００２２】
本発明の燃料電池システムは、排出通路中のガスを大気中に排出するのを促進する手段をさらに含むこともできる。これにより、排出通路中のガスを効率よく酸化して大気中に排出することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを含むことができ、容器は、複数の燃料電池セルのそれぞれの燃料極に配して設けることができる。このようにすると、複数の燃料電池セルを含む燃料電池であっても、一の排出通路に触媒を設けた構成とすることができるので、燃料電池システムの構成を簡略化することができる。
【００２４】
本発明の燃料電池システムは、燃料極に供給された燃料を回収するための回収用通路をさらに含み、排出通路は、回収用通路を通過する燃料に含まれるガスを大気中に排出するよう構成することができる。このようにすれば、回収される燃料中に含まれるガスを除去することができ、再利用する燃料の品質を高く保つことができる。
【００２５】
本発明の燃料電池システムは、容器と排出通路との間に設けられた気液分離膜をさらに含むことができ、触媒は、気液分離膜を介して排出通路に排出されたガスを酸化するよう構成することができる。これにより、燃料が液体の場合、液体燃料が排出通路に流入するのを防ぐことができ、燃料の回収率を高めることができるとともに、ガスのみを排出通路に排出して触媒により酸化した後に大気中に排出することができる。
【００２６】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池セルは、燃料極に液体燃料を供給する直接型燃料電池とすることができる。燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。
【００２７】
本発明によれば、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池セルと、燃料極に配して設けられ、燃料を収容する容器と、を含む燃料電池に取り付け可能に構成されたガス処理装置であって、容器に含まれるガスを取り込む取り込み口および当該ガスを排出する排気口が設けられたハウジングと、ハウジング内に設けられ、当該ハウジングに取り込まれたガスを酸化する触媒と、を含むことを特徴とするガス処理装置が提供される。ここで、触媒は、ハウジングの取り込み口から取り込まれたガスを酸化可能に配置されるとともに当該ガスが酸化された後に排気口から排出されるよう配置される。
【００２８】
この構成によれば、燃料電池から排出されるガスに、環境や人体に悪影響を及ぼすような有害な成分が含まれる場合であっても、ガス処理装置に含まれる触媒により酸化して無害化した後にガスを大気中に排出することができる。これにより、環境上および人体に悪影響を及ぼすこともなく、燃料電池システムを安全に利用することができる。ガス処理装置のハウジングの取り込み口は、燃料電池に設けられた、電極反応で発生する二酸化炭素を排出するための排出口に着脱可能に構成することができる。このようにすれば、このガス処理装置のハウジングの取り込み口を既存の燃料電池の容器の排出口に連通させるように設置するだけで、燃料電池から排出されるガスを酸化して無害化して大気中に排出することができる。
【００２９】
本発明のガス処理装置は、触媒によるガスの酸化を促進する酸化促進手段をさらに含むことができる。酸化促進手段は、ガスに酸素を供給する酸素供給部を有することができる。また、酸化促進手段は、ガスまたは触媒を加熱する加熱部を有することもできる。
【００３０】
このような構成によれば、ハウジングに取り込まれたガスを効率よく確実に酸化させることができる。また、この処理装置を長時間使用した後に、触媒により酸化しきれなかった成分や液状化した成分が触媒に付着した場合であっても、そのような成分を効率よく、より確実に酸化させて完全に除去することができ、性能を維持することができる。
【００３１】
また、本発明のガス処理装置は、燃料電池において、燃料極に供給された燃料を回収するための回収用通路に着脱可能に構成することもできる。
【００３２】
本発明によれば、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池セルから排出されるガスを、触媒により酸化した後に大気中に放出することを特徴とする燃料電池の運転方法が提供される。
【００３３】
これにより、燃料電池セルから排出されるガスを酸化して無害化した後に大気中に放出することができるので、ガス中に有害な成分が含まれる場合であっても、環境や人体への悪影響を防ぐことができる。
【００３４】
本発明の燃料電池の運転方法において、燃料電池セルは、燃料極に液体燃料を供給することにより駆動する直接型とすることができ、燃料電池は、燃料極に配して設けられ、液体燃料を収容する容器をさらに含むことができ、ガスは、燃料容器から排出することができる。ここで、燃料容器から排出されるガスとは、液温の高くなった未反応のメタノール等の液体燃料や燃料電池の電気化学反応により生じた副生成物のことである。
【００３５】
本発明の燃料電池の運転方法において、触媒による酸化を促進させる工程をさらに含むことができる。酸化を促進させる工程は、ガスに酸素を供給する工程を含むことができる。酸化を促進させる工程は、ガスまたは触媒を加熱する工程を含むことができる。
【００３６】
本発明によれば、燃料電池から排出されるガスを酸化処理して無害化した後に大気中に排出することができるので、環境上および人体への悪影響を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
【００３８】
［図１］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
［図２］図１に示した燃料電池システムのガス処理部を模式的に示した図である。
［図３］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
［図４］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
［図５］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
［図６］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した図である。
［図７］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００４０】
（第一の実施の形態）
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
燃料電池システム８００は、複数の燃料電池単位セル１０１と、これらの燃料電池単位セル１０１から排出されるガスを処理するガス処理部８０４とを含む。
【００４１】
燃料電池単位セル１０１は、燃料極１０２および酸化剤極１０８と、これらの間に設けられた固体電解質膜１１４を含み、燃料極１０２には燃料１２４が、酸化剤極１０８には酸化剤がそれぞれ供給されて電気化学反応により発電する。燃料電池単位セル１０１は、燃料極１０２に液体燃料が供給される直接型の燃料電池である。燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。
【００４２】
燃料電池システム８００は、燃料極１０２に供給する燃料１２４を収容する燃料容器８１１を含む。ガス処理部８０４は、燃料電池単位セル１０１の電気化学反応により生じた二酸化炭素等の反応生成物、未反応燃料ガスおよび副生成物などの処理が必要なガス８０２を捕集する容器８０１と、この容器８０１内に設けられ、容器８０１内に捕集されたガスのうち酸化処理の必要なガスを酸化させる触媒層８０５とを含む。
【００４３】
ここで、触媒層８０５に含まれる触媒としては、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉのうちの少なくとも一種を含む金属、合金、またはそれらの酸化物などが例示される。これらの触媒は、未反応の燃料ガスや副生成物を効率よく酸化させることができる。
【００４４】
本実施の形態において、触媒層８０５は、カーボンペーパー等の基体に塗布した形態とすることができる。この場合、触媒は、少なくともカーボンペーパーの一部を被覆していればよい。触媒は、一般的に用いられている含浸法によって炭素粒子に担持させることができる。触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック（デンカブラック（電気化学社製）（登録商標）、ＸＣ７２（Ｖｕｌｃａｎ社製）等）、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等が例示される。炭素粒子の粒径は、たとえば、０．０１〜０．１μｍ、好ましくは０．０２〜０．０６μｍとする。触媒層８０５は、触媒を担持させた炭素粒子を溶媒に分散させてペースト状とした後、これを基体に塗布、乾燥させることによって得ることができる。触媒層８０５の厚さに特に制限はないが、たとえば１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。
【００４５】
また、基体としては、カーボンペーパーの他に、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等の多孔性基体を用いることができる。
【００４６】
また、触媒層８０５は、触媒を多孔質金属シートなどに担持された形態とすることもできる。多孔質金属シートは、金属繊維シートを用いてもよく、その場合、金属繊維シートは、金属繊維を圧縮成形し、また必要に応じて圧縮焼結することにより得ることができる。
【００４７】
また、多孔質金属シートを構成する金属の表面に微細な凹凸構造を、たとえば電気化学的エッチングや化学的エッチング等のエッチングを用いて形成してもよい。この表面に凹凸構造が形成された金属繊維を有する多孔質金属シートに、触媒となる金属を、たとえば、電気めっき、無電解めっき等のめっき法、真空蒸着、化学蒸着（ＣＶＤ）等の蒸着法を用いて担持させてもよい。
【００４８】
燃料電池システム８００は、燃料容器８１１と容器８０１との間に介在する気液分離膜８１５をさらに含む。気液分離膜８１５は、たとえば、ポリエーテルスルホンやアクリル共重合体などからなる疎水性膜である。このような気液分離膜８１５としては、ゴアテックス（ジャパンゴアテックス（株）社製）（登録商標）、バーサポア（日本ポール社製）（登録商標）、スーポア（日本ポール（株）社製）（登録商標）などが例示される。
【００４９】
ガス処理部８０４において、容器８０１は、触媒層８０５により、上室８０１ａと下室８０１ｂとに分割される。下室８０１ｂには、燃料容器８１１から排出される未処理ガス８０２を取り込む取り込み口８０９が形成されている。この容器８０１の取り込み口８０９は、燃料電池単位セル１０１に供給される燃料１２４が収容される燃料容器８１１の一端の上部に設けられた開口部８１３と気液分離膜８１５を介して連通される。上室８０１ａの上端には処理済みガス８０６を排出する排気口８０７が形成される。
【００５０】
さらに、容器８０１の下室８０１ｂには、酸素８１６を供給する酸素供給口８１７が形成され、図示しない酸素供給手段から酸素８１６が供給される。尚、本実施の形態においては、酸素８１６が供給される構成としたが、必ずしも酸素を供給する構成とする必要はない。また、酸素供給口８１７からは、酸素を含む空気を供給することもでき、その他の気体を供給することもできる。酸素供給口８１７から何らかの気体を供給する構成とすることにより、容器８０１内に気流を生じさせることができ、容器８０１に排出された未処理ガス８０２を触媒層８０５を介して処理した後、排気口８０７から排出させる処理を促進することもできる。さらに、本実施の形態では、酸素供給手段により酸素を供給する構成としたが、酸素供給手段を含むことなく、単に、外気を取り込む構成とすることもできる。
【００５１】
また、燃料容器８１１の開口部８１３および気液分離膜８１５の間、気液分離膜８１５および容器８０１の取り込み口８０９の間、容器８０１の下室８０１ｂおよび触媒層８０５が担持されたカーボンペーパーの間、カーボンペーパーおよび容器８０１の上室８０１ａの間のそれぞれには、シール部材が介在する。
【００５２】
図２は、以上で説明した燃料電池システム８００のガス処理部８０４を示す分解図および組み立て図である。図２（ａ）は、燃料電池システム８００のガス処理部８０４の分解図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のガス処理部８０４を組み立てた組み立て図である。ガス処理部８０４は、燃料容器８１１に着脱可能に取り付けることもできる。
【００５３】
本実施の形態の燃料電池システム８００において、図２（ａ）の分解図に示されるように、ガス処理部８０４の容器８０１は、気液分離膜８１５と、酸素供給口８１７を有する第１の容器８７３と、触媒層８０５を担持したカーボンペーパーと、この触媒層８０５を担持したカーボンペーパーを両側から把持する二つの枠８７５と、排気口８０７を有する第２の容器８７７と、天板８７９とを含む。さらに、これらの間にはそれぞれ燃料１２４が漏れないようにするシール部材８８１が備えられている。
【００５４】
このようにして構成された燃料電池システム８００におけるガス処理部８０４を組み立てた図が、図２（ｂ）に示され、その断面は、図１に示したのと同様である。すなわち、天板８７９、第２の容器８７７および触媒層８０５が担持されたカーボンペーパーによって容器の上室８０１ａ（図１）が形成され、触媒層８０５が担持されたカーボンペーパー、第１の容器８７３および気液分離膜８１５によって容器の下室８０１ｂ（図１）が形成される。
【００５５】
次に、図１および図２を参照して、このように構成された燃料電池システム８００の作用を説明する。
燃料電池単位セル１０１の電気化学反応により、燃料極１０２では二酸化炭素が発生する。また、未反応の燃料１２４中に含まれる例えばメタノール等のアルコールの一部が蒸発し、気体となる。さらに、このとき、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、ギ酸メチル（ＨＣＯＯＣＨ３）、ホルムアルデヒド（ＨＣＯＨ）などの副生成物も発生する。容器８０１には、これらの二酸化炭素、アルコール、ギ酸、ギ酸メチル、ホルムアルデヒド等が未処理ガス８０２として気液分離膜８１５を介して排出される。容器８０１内に捕集された未処理ガス８０２は、以下の式（４）〜（７）に示すように、触媒層８０５により酸化される。
【００５６】
ＣＨ３ＯＨ ＋３／２Ｏ２ → ＣＯ２ ＋ ２Ｈ２Ｏ （４）
【００５７】
ＨＣＯＯＨ ＋１／２Ｏ２ →ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ （５）
【００５８】
ＨＣＯＯＣＨ３ ＋ ２Ｏ２ → ２ＣＯ２ ＋ ２Ｈ２Ｏ （６）
【００５９】
ＨＣＯＨ ＋Ｏ２ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ （７）
【００６０】
このように、未処理ガス８０２に含まれる未反応燃料ガスおよび副生成物は酸化されて、二酸化炭素および水が生成される。このようにして酸化された処理済みガス８０６は、排気口８０７を介して外部に放出される。ここで、酸素供給口８１７から酸素８１６を供給することにより、触媒層８０５による未処理ガス８０２の酸化を促進することができる。
【００６１】
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム８００によれば、燃料電池から排出されるガスを酸化処理して排出する構成なので、簡単な構成でガスの無害化を行うことができるので、環境および人体への悪影響を低減することができ、燃料電池システムの保全性および信頼性を向上させることができる。
【００６２】
（第二の実施の形態）
図３は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
本実施の形態における燃料電池システム８２０は、一つの燃料電池単位セル１０１毎にガス処理部８２４がそれぞれ設けられた点で上記実施の形態における燃料電池システム８００と異なる。
【００６３】
ここでは、燃料電池単位セル１０１上部にガス処理部８２４が設けられている。燃料電池単位セル１０１は、燃料容器８１１の開口部８１３に設けられ、燃料電池単位セル１０１の固体電解質膜１１４に形成された孔８２３上に気液分離膜８１５が設けられている。このような構成とすると、ガス処理部８２４を設ける領域を燃料電池単位セル１０１が設けられた領域と別に設ける必要がないため、燃料電池システムをコンパクトに構成でき、システムの小型化を図ることができる。
【００６４】
（第三の実施の形態）
図４は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
本実施の形態における燃料電池システム８３０は、触媒の形状が第一および第二の実施の形態とは異なる。燃料電池システム８３０は、ワイヤーウール形状の触媒８３５を含む。触媒８３５は、排出通路８３１の上端に設けられた排気口８０７内に充填されている。
【００６５】
本実施の形態において、ワイヤーウール形状の触媒８３５は、第一の実施の形態で説明した触媒層８０５に含まれる触媒と同様の金属、合金、またはそれらの酸化物とすることができる。
【００６６】
ここでは図示を省略しているが、第一の実施の形態および第二の実施の形態で図１および図３を参照して説明したのと同様、排出通路８３１は、酸素８１６を供給する酸素供給口８１７が形成された構成とすることができ、図示しない酸素供給手段から酸素８１６を供給することができる。
【００６７】
このように、燃料容器８１１から排出される未処理ガス８０２を酸化することのできる構成であれば、触媒８３５はどのような形状とすることもできる。たとえば、上述した金属、合金、またはその他の酸化物により構成されたワイヤを網状に形成したものを用いることもでき、ワイヤ線の形状のまま用いることもできる。
【００６８】
本実施の形態においても、第一および第二の実施の形態で説明したのと同様の効果を得ることができる。
【００６９】
（第四の実施の形態）
図５は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
本実施の形態における燃料電池システム８４０は、加熱部８４１を含む点で第一〜第三の実施の形態と異なる。ここでは、燃料電池システム８４０が第三の実施の形態で説明したのと同様のワイヤーウール形状の触媒８３５を含む構成を図示しているが、第一および第二の実施の形態で説明した触媒層８０５を含む構成とすることもでき、触媒の形状は特に限定されない。
【００７０】
加熱部８４１は、たとえばヒータとすることができ、排出通路８３１において、触媒８３５近傍を加熱するように配置されるのが好ましい。このようにすれば、触媒８３５に付着した未処理ガス８０２を効率よく確実に酸化させることができる。また、加熱部８４１は、排出通路８３１の周囲に設置された加熱用ヒータとすることもでき、排出通路８３１内の未処理ガス８０２を一旦、加熱部８４１に取り込み、加熱して、排出通路８３１に戻す構成にしてもよい。また、酸素供給口８１７から供給される酸素を加熱して供給する構成とすることもできる。これにより、触媒８３５による未処理ガス８０２の酸化を促進することができる。
【００７１】
このような加熱部８４１による処理は、燃料容器８１１から排出された未処理ガス８０２を処理する際に常時行うようにすることもできるが、たとえばある一定期間燃料電池システム８４０の運転を行った後に定期的に行うようにすることもできる。燃料電池システム８４０を長時間運転することにより、触媒８３５には、酸化しきれなかった成分や液状化した成分が付着して酸化効率が落ちることもある。そのような場合に、触媒８３５に付着した未処理ガス８０２を効率よく除去することにより、触媒８３５の酸化機能を元に戻すことができる。燃料電池システム８４０においては、燃料容器８１１から排出される未処理ガス８０２には上述したようなアルコール、ギ酸、ギ酸メチル、ホルムアルデヒド等以外の成分はほとんど含まれない。そのため、触媒８３５が不純物質により汚染されることもなく、触媒８３５に付着した未処理ガス８０２を加熱処理により定期的に除去することにより、触媒８３５の耐久性を高めることができる。
【００７２】
このように構成された燃料電池システム８４０において、燃料容器８１１から排出された未処理ガス８０２を加熱部８４１によって加熱することにより、触媒８３５による酸化処理を促進することができ、未処理ガス８０２を効率よく、より確実に酸化させて完全に除去することができ、触媒８３５の性能を維持することができる。これにより燃料電池システム８４０の保全性および信頼性を向上させることができる。
【００７３】
上記実施の形態では、触媒による排気混入物質の酸化を促進する酸化促進手段として、酸素供給手段と加熱手段について言及したが、これに限定されるものではなく、他の酸化促進手段として、たとえば、加圧手段、振動手段、攪拌手段などを用いることもできる。
【００７４】
さらに、他の実施の形態において、触媒は、光触媒であってもよく、その場合は、酸化促進手段は、光を照射する手段などであってもよい。光触媒としては、二酸化チタンなどの半導体や、有機金属錯体があり、たとえば、二酸化チタンの微粒子を白金に担持させたものを用いることができる。
【００７５】
（第五の実施の形態）
図６は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した部分断面平面図および断面立面図である。図６（ａ）は、本実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した部分断面平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００７６】
燃料電池システム８５０は、複数の燃料電池単位セル１０１と、複数の燃料電池単位セル１０１に配して設けられた燃料容器８１１と、燃料容器８１１に燃料１２４を供給するとともに、燃料容器８１１を循環した燃料１２４を回収する燃料タンク８５１とを含む。燃料容器８１１と燃料タンク８５１とは、燃料通路８５４および燃料通路８５５を介して連結される。ガス処理部８０４は、燃料通路８５５上に設けられる。
【００７７】
本実施の形態において、燃料容器８１１には、燃料通路８５４を介して燃料１２４が供給される。燃料１２４は、燃料容器８１１内に設けられた複数の仕切り板８５３に沿って流れ、複数の燃料電池単位セル１０１に順次供給される。複数の燃料電池単位セル１０１を循環した燃料１２４は、燃料通路８５５を介して燃料タンク８５１に回収される。
【００７８】
尚、燃料タンク８５１は、燃料容器８１１を含む燃料電池システム８５０本体と着脱可能に構成されたカートリッジとすることもできる。
【００７９】
本実施の形態の燃料電池システム８５０において、燃料通路８５５の開口部８５６に、容器８０１の取り込み口８５８が、気液分離膜８１５を介して連通され、燃料通路８５５から気液分離膜８１５を介して容器８０１内に、未処理ガス８０２が流れ込むようになっている。尚、容器８０１は、燃料通路８５５に着脱可能に構成することもできる。
【００８０】
容器８０１内に捕集された未処理ガス８０２は、第一の実施の形態と同様に、触媒層８０５により酸化され、無害化されて、容器８０１の排気口８０７から大気中に放出される。
【００８１】
なお、本実施の形態においては、一つのガス処理部８０４を燃料通路８５５上に設けた構成を説明したが、他の例において、第二の実施の形態で説明したように、複数の燃料電池単位セル１０１のそれぞれの上部にガス処理部８０４を設けた構成とすることもできる。
【００８２】
（第六の実施の形態）
図７は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した平面図および部分側断面図である。図７（ａ）は、本実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の線Ｃ−Ｃについての部分側断面図である。
【００８３】
本実施の形態において、燃料電池システム８６０は、ガス処理部８０４を、燃料タンク８５１の上部の一端に設けた点が第五の実施の形態と異なる。
【００８４】
燃料電池システム８６０において、燃料容器８１１の上部の一端に形成された開口部８６３に、気液分離膜８１５を介して容器８０１の取り込み口８０９が連通される。燃料容器８１１中の未処理ガス８０２は、気液分離膜８１５を介して容器８０１内に流入する。尚、容器８０１は、燃料容器８１１と着脱可能に構成することもできる。
【００８５】
このように構成された本実施の形態の燃料電池システム８６０において、容器８０１内に捕集された未処理ガス８０２は、第一の実施の形態と同様に、触媒層８０５により酸化され、無害化されて、容器８０１の排気口８０７から大気中に放出される。
【実施例】
【００８６】
図１に示した構成の燃料電池システム８００を作製し、排気口８０７から排出されるガス中のメタノールの濃度をガスクロマトグラフィで測定した。ここで、容器８０１内の温度が２５℃（室温）、容器８０１内の温度が４０℃（高温）の場合のそれぞれについて、酸素供給口８１７から酸素を供給した場合、および供給しなかった場合のメタノールの濃度を測定した。また、参照例として、容器８０１に触媒層８０５を設けなかった場合（容器８０１内の温度２５℃）のメタノールの濃度も測定した。結果を表１に示す。
【００８７】
【００８８】
表１に示すように、容器８０１内に触媒層８０５を設けることにより、触媒層を８０５を設けなかった場合と比較して排気口８０７から排出されるガス中のメタノールの濃度が低減された。これは、触媒層８０５の触媒により、メタノールが酸化されて除去されたためと考えられる。また、表１に示すように、容器８０１内の温度を４０℃とすることにより、容器８０１内の温度が２５℃のときに比べてメタノールの濃度を低減することができた。さらに、容器８０１内の温度が２５℃のときも４０℃のときも、容器８０１に酸素を供給することにより、排気口８０７から排出されるガス中のメタノールの濃度が低減された。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、燃料電池の運転方法、およびガス処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。
【０００３】
燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
【０００４】
３Ｈ２ → ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− （１）
【０００５】
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（２）のようになる。
【０００６】
ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ → ６Ｈ＋ ＋ＣＯ２ ＋ ６ｅ− （２）
【０００７】
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（３）のようになる。
【０００８】
３／２Ｏ２ ＋ ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ （３）
【０００９】
特に、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、燃料電池の小型化および実用化に向けての利点が大きい。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。
【００１０】
このような直接型の燃料電池においては、上記式（２）に示すように、燃料極では電気化学反応によって二酸化炭素が発生する。そのため、従来の燃料電池は、燃料極から二酸化炭素が除去されるように構成されている。
【００１１】
特許文献１には、燃料電池の電気化学反応によって生成した反応生成物を排出する反応生成物排出口と、反応生成物排出口に接続され、反応生成物を貯蔵するための反応生成物貯蔵室を含む容器とを含む燃料電池が開示されている。また、ここでは、未反応の燃料および電気化学反応の副生成物であるホルムアルデヒドやギ酸等の有害物質を吸着するための活性炭やゼオライトなどの吸着材やこれらの有害物質を分解させるための銀などの貴金属触媒、無機触媒、または微生物触媒を、単独または適宜組み合わせて容器内に添加しておくことが記載されている。これにより、これらの有害物質が容器内に回収された場合であっても、容器の処理やリサイクル上の問題を解消することができる。
【００１２】
また、特許文献２には、副生成物の回収袋に吸収保持部材を封入し、回収した副生成物を吸収、吸着固定、定着させる電源システムが開示されている。ここで、この回収袋の交換時期を知らせるために、回収袋の封入残量検出手段と、封入残量表示手段とが設けられている。
【特許文献１】特開２００３−１３２９３１号公報
【特許文献２】特開２００３−３６８７９号公報
【発明の開示】
【００１３】
【００１４】
しかしながら、このような従来の燃料電池においては、燃料電池から排出された未反応の燃料および副生成物を容器に回収し、回収した容器を燃料電池から取り外して処理するものであるため、回収後の容器は、ゴミとして処理するかリサイクル処理するといった手間がかかるといった問題があった。さらに、未反応の燃料や副生成物などが容器内にどの程度回収され、いつ取り外して空の容器と交換すべきかなどの目安となる封入残量表示機能を設ける必要があり、燃料電池の使用方法が煩雑になり、構造も複雑になり、燃料電池の小型化にも支障を来たすといった問題があった。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で、燃料電池から排出される未反応の燃料および副生成物を無害化して除去し、燃料電池システムの保全性および信頼性を向上させることのできる技術を提供することにある。
【００１６】
本発明によれば、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池セルと、燃料極に配して設けられ、燃料を収容する容器と、容器に含まれるガスを大気中に排出する排出通路と、排出通路に設けられ、ガスを酸化する触媒と、を含むことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１７】
ここで、容器に含まれるガスとは、未反応の燃料ガスや燃料電池の電気化学反応により生じた副生成物のことである。このような副生成物には、たとえば、ギ酸、ギ酸メチル、ホルムアルデヒドなどが含まれる。
【００１８】
本発明によれば、燃料電池から排出されるガスに、環境や人体に悪影響を及ぼすような有害な成分が含まれる場合であっても、触媒により酸化して無害化した後に大気中に排出することができる。これにより、環境上および人体に悪影響を及ぼすこともなく、燃料電池システムを安全に利用することができる。さらに、有害な成分による燃料電池の劣化や動作不良を防ぐこともでき、燃料電池システムの保全性および信頼性を向上させることができる。本発明の燃料電池システムは、たとえば既存の燃料電池システムに設けられているガス抜き用の排出通路内に触媒を設けるだけの簡単な構成で実現することもできる。
【００１９】
触媒としては、たとえば、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉのうちの少なくとも一種を含む金属、合金、またはそれらの酸化物を用いることができる。
【００２０】
本発明の燃料電池システムは、触媒によるガスの酸化を促進する酸化促進手段をさらに含むことができる。酸化促進手段は、ガスに酸素を供給する酸素供給部を有することができる。また、酸化促進手段は、ガスまたは触媒を加熱する加熱部を有することもできる。
【００２１】
このような構成によれば、容器から排気通路に導かれたガスを効率よく確実に酸化させることができる。また、燃料電池システムを長時間使用した後に、触媒により酸化しきれなかった成分や液状化した成分が触媒に付着した場合であっても、そのような成分を効率よく、より確実に酸化させて完全に除去することができ、性能を維持することができる。これにより、燃料電池システムの保全性および信頼性をさらに向上させることができる。
【００２２】
本発明の燃料電池システムは、排出通路中のガスを大気中に排出するのを促進する手段をさらに含むこともできる。これにより、排出通路中のガスを効率よく酸化して大気中に排出することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを含むことができ、容器は、複数の燃料電池セルのそれぞれの燃料極に配して設けることができる。このようにすると、複数の燃料電池セルを含む燃料電池であっても、一の排出通路に触媒を設けた構成とすることができるので、燃料電池システムの構成を簡略化することができる。
【００２４】
本発明の燃料電池システムは、燃料極に供給された燃料を回収するための回収用通路をさらに含み、排出通路は、回収用通路を通過する燃料に含まれるガスを大気中に排出するよう構成することができる。このようにすれば、回収される燃料中に含まれるガスを除去することができ、再利用する燃料の品質を高く保つことができる。
【００２５】
本発明の燃料電池システムは、容器と排出通路との間に設けられた気液分離膜をさらに含むことができ、触媒は、気液分離膜を介して排出通路に排出されたガスを酸化するよう構成することができる。これにより、燃料が液体の場合、液体燃料が排出通路に流入するのを防ぐことができ、燃料の回収率を高めることができるとともに、ガスのみを排出通路に排出して触媒により酸化した後に大気中に排出することができる。
【００２６】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池セルは、燃料極に液体燃料を供給する直接型燃料電池とすることができる。燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。
【００２７】
本発明によれば、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池セルと、燃料極に配して設けられ、燃料を収容する容器と、を含む燃料電池に取り付け可能に構成されたガス処理装置であって、容器に含まれるガスを取り込む取り込み口および当該ガスを排出する排気口が設けられたハウジングと、ハウジング内に設けられ、当該ハウジングに取り込まれたガスを酸化する触媒と、を含むことを特徴とするガス処理装置が提供される。ここで、触媒は、ハウジングの取り込み口から取り込まれたガスを酸化可能に配置されるとともに当該ガスが酸化された後に排気口から排出されるよう配置される。
【００２８】
この構成によれば、燃料電池から排出されるガスに、環境や人体に悪影響を及ぼすような有害な成分が含まれる場合であっても、ガス処理装置に含まれる触媒により酸化して無害化した後にガスを大気中に排出することができる。これにより、環境上および人体に悪影響を及ぼすこともなく、燃料電池システムを安全に利用することができる。ガス処理装置のハウジングの取り込み口は、燃料電池に設けられた、電極反応で発生する二酸化炭素を排出するための排出口に着脱可能に構成することができる。このようにすれば、このガス処理装置のハウジングの取り込み口を既存の燃料電池の容器の排出口に連通させるように設置するだけで、燃料電池から排出されるガスを酸化して無害化して大気中に排出することができる。
【００２９】
本発明のガス処理装置は、触媒によるガスの酸化を促進する酸化促進手段をさらに含むことができる。酸化促進手段は、ガスに酸素を供給する酸素供給部を有することができる。また、酸化促進手段は、ガスまたは触媒を加熱する加熱部を有することもできる。
【００３０】
このような構成によれば、ハウジングに取り込まれたガスを効率よく確実に酸化させることができる。また、この処理装置を長時間使用した後に、触媒により酸化しきれなかった成分や液状化した成分が触媒に付着した場合であっても、そのような成分を効率よく、より確実に酸化させて完全に除去することができ、性能を維持することができる。
【００３１】
また、本発明のガス処理装置は、燃料電池において、燃料極に供給された燃料を回収するための回収用通路に着脱可能に構成することもできる。
【００３２】
本発明によれば、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池セルから排出されるガスを、触媒により酸化した後に大気中に放出することを特徴とする燃料電池の運転方法が提供される。
【００３３】
これにより、燃料電池セルから排出されるガスを酸化して無害化した後に大気中に放出することができるので、ガス中に有害な成分が含まれる場合であっても、環境や人体への悪影響を防ぐことができる。
【００３４】
本発明の燃料電池の運転方法において、燃料電池セルは、燃料極に液体燃料を供給することにより駆動する直接型とすることができ、燃料電池は、燃料極に配して設けられ、液体燃料を収容する容器をさらに含むことができ、ガスは、燃料容器から排出することができる。ここで、燃料容器から排出されるガスとは、液温の高くなった未反応のメタノール等の液体燃料や燃料電池の電気化学反応により生じた副生成物のことである。
【００３５】
本発明の燃料電池の運転方法において、触媒による酸化を促進させる工程をさらに含むことができる。酸化を促進させる工程は、ガスに酸素を供給する工程を含むことができる。酸化を促進させる工程は、ガスまたは触媒を加熱する工程を含むことができる。
【００３６】
本発明によれば、燃料電池から排出されるガスを酸化処理して無害化した後に大気中に排出することができるので、環境上および人体への悪影響を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
【００３８】
［図１］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
［図２］図１に示した燃料電池システムのガス処理部を模式的に示した図である。
［図３］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
［図４］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
［図５］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
［図６］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した図である。
［図７］本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００４０】
（第一の実施の形態）
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
燃料電池システム８００は、複数の燃料電池単位セル１０１と、これらの燃料電池単位セル１０１から排出されるガスを処理するガス処理部８０４とを含む。
【００４１】
燃料電池単位セル１０１は、燃料極１０２および酸化剤極１０８と、これらの間に設けられた固体電解質膜１１４を含み、燃料極１０２には燃料１２４が、酸化剤極１０８には酸化剤がそれぞれ供給されて電気化学反応により発電する。燃料電池単位セル１０１は、燃料極１０２に液体燃料が供給される直接型の燃料電池である。燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。
【００４２】
燃料電池システム８００は、燃料極１０２に供給する燃料１２４を収容する燃料容器８１１を含む。ガス処理部８０４は、燃料電池単位セル１０１の電気化学反応により生じた二酸化炭素等の反応生成物、未反応燃料ガスおよび副生成物などの処理が必要なガス８０２を捕集する容器８０１と、この容器８０１内に設けられ、容器８０１内に捕集されたガスのうち酸化処理の必要なガスを酸化させる触媒層８０５とを含む。
【００４３】
ここで、触媒層８０５に含まれる触媒としては、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉのうちの少なくとも一種を含む金属、合金、またはそれらの酸化物などが例示される。これらの触媒は、未反応の燃料ガスや副生成物を効率よく酸化させることができる。
【００４４】
本実施の形態において、触媒層８０５は、カーボンペーパー等の基体に塗布した形態とすることができる。この場合、触媒は、少なくともカーボンペーパーの一部を被覆していればよい。触媒は、一般的に用いられている含浸法によって炭素粒子に担持させることができる。触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック（デンカブラック（電気化学社製）（登録商標）、ＸＣ７２（Ｖｕｌｃａｎ社製）等）、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等が例示される。炭素粒子の粒径は、たとえば、０．０１〜０．１μｍ、好ましくは０．０２〜０．０６μｍとする。触媒層８０５は、触媒を担持させた炭素粒子を溶媒に分散させてペースト状とした後、これを基体に塗布、乾燥させることによって得ることができる。触媒層８０５の厚さに特に制限はないが、たとえば１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。
【００４５】
また、基体としては、カーボンペーパーの他に、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等の多孔性基体を用いることができる。
【００４６】
また、触媒層８０５は、触媒を多孔質金属シートなどに担持された形態とすることもできる。多孔質金属シートは、金属繊維シートを用いてもよく、その場合、金属繊維シートは、金属繊維を圧縮成形し、また必要に応じて圧縮焼結することにより得ることができる。
【００４７】
また、多孔質金属シートを構成する金属の表面に微細な凹凸構造を、たとえば電気化学的エッチングや化学的エッチング等のエッチングを用いて形成してもよい。この表面に凹凸構造が形成された金属繊維を有する多孔質金属シートに、触媒となる金属を、たとえば、電気めっき、無電解めっき等のめっき法、真空蒸着、化学蒸着（ＣＶＤ）等の蒸着法を用いて担持させてもよい。
【００４８】
燃料電池システム８００は、燃料容器８１１と容器８０１との間に介在する気液分離膜８１５をさらに含む。気液分離膜８１５は、たとえば、ポリエーテルスルホンやアクリル共重合体などからなる疎水性膜である。このような気液分離膜８１５としては、ゴアテックス（ジャパンゴアテックス（株）社製）（登録商標）、バーサポア（日本ポール社製）（登録商標）、スーポア（日本ポール（株）社製）（登録商標）などが例示される。
【００４９】
ガス処理部８０４において、容器８０１は、触媒層８０５により、上室８０１ａと下室８０１ｂとに分割される。下室８０１ｂには、燃料容器８１１から排出される未処理ガス８０２を取り込む取り込み口８０９が形成されている。この容器８０１の取り込み口８０９は、燃料電池単位セル１０１に供給される燃料１２４が収容される燃料容器８１１の一端の上部に設けられた開口部８１３と気液分離膜８１５を介して連通される。上室８０１ａの上端には処理済みガス８０６を排出する排気口８０７が形成される。
【００５０】
さらに、容器８０１の下室８０１ｂには、酸素８１６を供給する酸素供給口８１７が形成され、図示しない酸素供給手段から酸素８１６が供給される。尚、本実施の形態においては、酸素８１６が供給される構成としたが、必ずしも酸素を供給する構成とする必要はない。また、酸素供給口８１７からは、酸素を含む空気を供給することもでき、その他の気体を供給することもできる。酸素供給口８１７から何らかの気体を供給する構成とすることにより、容器８０１内に気流を生じさせることができ、容器８０１に排出された未処理ガス８０２を触媒層８０５を介して処理した後、排気口８０７から排出させる処理を促進することもできる。さらに、本実施の形態では、酸素供給手段により酸素を供給する構成としたが、酸素供給手段を含むことなく、単に、外気を取り込む構成とすることもできる。
【００５１】
また、燃料容器８１１の開口部８１３および気液分離膜８１５の間、気液分離膜８１５および容器８０１の取り込み口８０９の間、容器８０１の下室８０１ｂおよび触媒層８０５が担持されたカーボンペーパーの間、カーボンペーパーおよび容器８０１の上室８０１ａの間のそれぞれには、シール部材が介在する。
【００５２】
図２は、以上で説明した燃料電池システム８００のガス処理部８０４を示す分解図および組み立て図である。図２（ａ）は、燃料電池システム８００のガス処理部８０４の分解図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のガス処理部８０４を組み立てた組み立て図である。ガス処理部８０４は、燃料容器８１１に着脱可能に取り付けることもできる。
【００５３】
本実施の形態の燃料電池システム８００において、図２（ａ）の分解図に示されるように、ガス処理部８０４の容器８０１は、気液分離膜８１５と、酸素供給口８１７を有する第１の容器８７３と、触媒層８０５を担持したカーボンペーパーと、この触媒層８０５を担持したカーボンペーパーを両側から把持する二つの枠８７５と、排気口８０７を有する第２の容器８７７と、天板８７９とを含む。さらに、これらの間にはそれぞれ燃料１２４が漏れないようにするシール部材８８１が備えられている。
【００５４】
このようにして構成された燃料電池システム８００におけるガス処理部８０４を組み立てた図が、図２（ｂ）に示され、その断面は、図１に示したのと同様である。すなわち、天板８７９、第２の容器８７７および触媒層８０５が担持されたカーボンペーパーによって容器の上室８０１ａ（図１）が形成され、触媒層８０５が担持されたカーボンペーパー、第１の容器８７３および気液分離膜８１５によって容器の下室８０１ｂ（図１）が形成される。
【００５５】
次に、図１および図２を参照して、このように構成された燃料電池システム８００の作用を説明する。
燃料電池単位セル１０１の電気化学反応により、燃料極１０２では二酸化炭素が発生する。また、未反応の燃料１２４中に含まれる例えばメタノール等のアルコールの一部が蒸発し、気体となる。さらに、このとき、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、ギ酸メチル（ＨＣＯＯＣＨ３）、ホルムアルデヒド（ＨＣＯＨ）などの副生成物も発生する。容器８０１には、これらの二酸化炭素、アルコール、ギ酸、ギ酸メチル、ホルムアルデヒド等が未処理ガス８０２として気液分離膜８１５を介して排出される。容器８０１内に捕集された未処理ガス８０２は、以下の式（４）〜（７）に示すように、触媒層８０５により酸化される。
【００５６】
ＣＨ３ＯＨ ＋３／２Ｏ２ → ＣＯ２ ＋ ２Ｈ２Ｏ （４）
【００５７】
ＨＣＯＯＨ ＋１／２Ｏ２ →ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ （５）
【００５８】
ＨＣＯＯＣＨ３ ＋ ２Ｏ２ → ２ＣＯ２ ＋ ２Ｈ２Ｏ （６）
【００５９】
ＨＣＯＨ ＋Ｏ２ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２Ｏ （７）
【００６０】
このように、未処理ガス８０２に含まれる未反応燃料ガスおよび副生成物は酸化されて、二酸化炭素および水が生成される。このようにして酸化された処理済みガス８０６は、排気口８０７を介して外部に放出される。ここで、酸素供給口８１７から酸素８１６を供給することにより、触媒層８０５による未処理ガス８０２の酸化を促進することができる。
【００６１】
以上のように、本実施の形態の燃料電池システム８００によれば、燃料電池から排出されるガスを酸化処理して排出する構成なので、簡単な構成でガスの無害化を行うことができるので、環境および人体への悪影響を低減することができ、燃料電池システムの保全性および信頼性を向上させることができる。
【００６２】
（第二の実施の形態）
図３は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
本実施の形態における燃料電池システム８２０は、一つの燃料電池単位セル１０１毎にガス処理部８２４がそれぞれ設けられた点で上記実施の形態における燃料電池システム８００と異なる。
【００６３】
ここでは、燃料電池単位セル１０１上部にガス処理部８２４が設けられている。燃料電池単位セル１０１は、燃料容器８１１の開口部８１３に設けられ、燃料電池単位セル１０１の固体電解質膜１１４に形成された孔８２３上に気液分離膜８１５が設けられている。このような構成とすると、ガス処理部８２４を設ける領域を燃料電池単位セル１０１が設けられた領域と別に設ける必要がないため、燃料電池システムをコンパクトに構成でき、システムの小型化を図ることができる。
【００６４】
（第三の実施の形態）
図４は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
本実施の形態における燃料電池システム８３０は、触媒の形状が第一および第二の実施の形態とは異なる。燃料電池システム８３０は、ワイヤーウール形状の触媒８３５を含む。触媒８３５は、排出通路８３１の上端に設けられた排気口８０７内に充填されている。
【００６５】
本実施の形態において、ワイヤーウール形状の触媒８３５は、第一の実施の形態で説明した触媒層８０５に含まれる触媒と同様の金属、合金、またはそれらの酸化物とすることができる。
【００６６】
ここでは図示を省略しているが、第一の実施の形態および第二の実施の形態で図１および図３を参照して説明したのと同様、排出通路８３１は、酸素８１６を供給する酸素供給口８１７が形成された構成とすることができ、図示しない酸素供給手段から酸素８１６を供給することができる。
【００６７】
このように、燃料容器８１１から排出される未処理ガス８０２を酸化することのできる構成であれば、触媒８３５はどのような形状とすることもできる。たとえば、上述した金属、合金、またはその他の酸化物により構成されたワイヤを網状に形成したものを用いることもでき、ワイヤ線の形状のまま用いることもできる。
【００６８】
本実施の形態においても、第一および第二の実施の形態で説明したのと同様の効果を得ることができる。
【００６９】
（第四の実施の形態）
図５は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した断面図である。
本実施の形態における燃料電池システム８４０は、加熱部８４１を含む点で第一〜第三の実施の形態と異なる。ここでは、燃料電池システム８４０が第三の実施の形態で説明したのと同様のワイヤーウール形状の触媒８３５を含む構成を図示しているが、第一および第二の実施の形態で説明した触媒層８０５を含む構成とすることもでき、触媒の形状は特に限定されない。
【００７０】
加熱部８４１は、たとえばヒータとすることができ、排出通路８３１において、触媒８３５近傍を加熱するように配置されるのが好ましい。このようにすれば、触媒８３５に付着した未処理ガス８０２を効率よく確実に酸化させることができる。また、加熱部８４１は、排出通路８３１の周囲に設置された加熱用ヒータとすることもでき、排出通路８３１内の未処理ガス８０２を一旦、加熱部８４１に取り込み、加熱して、排出通路８３１に戻す構成にしてもよい。また、酸素供給口８１７から供給される酸素を加熱して供給する構成とすることもできる。これにより、触媒８３５による未処理ガス８０２の酸化を促進することができる。
【００７１】
このような加熱部８４１による処理は、燃料容器８１１から排出された未処理ガス８０２を処理する際に常時行うようにすることもできるが、たとえばある一定期間燃料電池システム８４０の運転を行った後に定期的に行うようにすることもできる。燃料電池システム８４０を長時間運転することにより、触媒８３５には、酸化しきれなかった成分や液状化した成分が付着して酸化効率が落ちることもある。そのような場合に、触媒８３５に付着した未処理ガス８０２を効率よく除去することにより、触媒８３５の酸化機能を元に戻すことができる。燃料電池システム８４０においては、燃料容器８１１から排出される未処理ガス８０２には上述したようなアルコール、ギ酸、ギ酸メチル、ホルムアルデヒド等以外の成分はほとんど含まれない。そのため、触媒８３５が不純物質により汚染されることもなく、触媒８３５に付着した未処理ガス８０２を加熱処理により定期的に除去することにより、触媒８３５の耐久性を高めることができる。
【００７２】
このように構成された燃料電池システム８４０において、燃料容器８１１から排出された未処理ガス８０２を加熱部８４１によって加熱することにより、触媒８３５による酸化処理を促進することができ、未処理ガス８０２を効率よく、より確実に酸化させて完全に除去することができ、触媒８３５の性能を維持することができる。これにより燃料電池システム８４０の保全性および信頼性を向上させることができる。
【００７３】
上記実施の形態では、触媒による排気混入物質の酸化を促進する酸化促進手段として、酸素供給手段と加熱手段について言及したが、これに限定されるものではなく、他の酸化促進手段として、たとえば、加圧手段、振動手段、攪拌手段などを用いることもできる。
【００７４】
さらに、他の実施の形態において、触媒は、光触媒であってもよく、その場合は、酸化促進手段は、光を照射する手段などであってもよい。光触媒としては、二酸化チタンなどの半導体や、有機金属錯体があり、たとえば、二酸化チタンの微粒子を白金に担持させたものを用いることができる。
【００７５】
（第五の実施の形態）
図６は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した部分断面平面図および断面立面図である。図６（ａ）は、本実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した部分断面平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００７６】
燃料電池システム８５０は、複数の燃料電池単位セル１０１と、複数の燃料電池単位セル１０１に配して設けられた燃料容器８１１と、燃料容器８１１に燃料１２４を供給するとともに、燃料容器８１１を循環した燃料１２４を回収する燃料タンク８５１とを含む。燃料容器８１１と燃料タンク８５１とは、燃料通路８５４および燃料通路８５５を介して連結される。ガス処理部８０４は、燃料通路８５５上に設けられる。
【００７７】
本実施の形態において、燃料容器８１１には、燃料通路８５４を介して燃料１２４が供給される。燃料１２４は、燃料容器８１１内に設けられた複数の仕切り板８５３に沿って流れ、複数の燃料電池単位セル１０１に順次供給される。複数の燃料電池単位セル１０１を循環した燃料１２４は、燃料通路８５５を介して燃料タンク８５１に回収される。
【００７８】
尚、燃料タンク８５１は、燃料容器８１１を含む燃料電池システム８５０本体と着脱可能に構成されたカートリッジとすることもできる。
【００７９】
本実施の形態の燃料電池システム８５０において、燃料通路８５５の開口部８５６に、容器８０１の取り込み口８５８が、気液分離膜８１５を介して連通され、燃料通路８５５から気液分離膜８１５を介して容器８０１内に、未処理ガス８０２が流れ込むようになっている。尚、容器８０１は、燃料通路８５５に着脱可能に構成することもできる。
【００８０】
容器８０１内に捕集された未処理ガス８０２は、第一の実施の形態と同様に、触媒層８０５により酸化され、無害化されて、容器８０１の排気口８０７から大気中に放出される。
【００８１】
なお、本実施の形態においては、一つのガス処理部８０４を燃料通路８５５上に設けた構成を説明したが、他の例において、第二の実施の形態で説明したように、複数の燃料電池単位セル１０１のそれぞれの上部にガス処理部８０４を設けた構成とすることもできる。
【００８２】
（第六の実施の形態）
図７は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した平面図および部分側断面図である。図７（ａ）は、本実施の形態における燃料電池システムの構造を模式的に示した平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）の線Ｃ−Ｃについての部分側断面図である。
【００８３】
本実施の形態において、燃料電池システム８６０は、ガス処理部８０４を、燃料タンク８５１の上部の一端に設けた点が第五の実施の形態と異なる。
【００８４】
燃料電池システム８６０において、燃料容器８１１の上部の一端に形成された開口部８６３に、気液分離膜８１５を介して容器８０１の取り込み口８０９が連通される。燃料容器８１１中の未処理ガス８０２は、気液分離膜８１５を介して容器８０１内に流入する。尚、容器８０１は、燃料容器８１１と着脱可能に構成することもできる。
【００８５】
このように構成された本実施の形態の燃料電池システム８６０において、容器８０１内に捕集された未処理ガス８０２は、第一の実施の形態と同様に、触媒層８０５により酸化され、無害化されて、容器８０１の排気口８０７から大気中に放出される。
【実施例】
【００８６】
図１に示した構成の燃料電池システム８００を作製し、排気口８０７から排出されるガス中のメタノールの濃度をガスクロマトグラフィで測定した。ここで、容器８０１内の温度が２５℃（室温）、容器８０１内の温度が４０℃（高温）の場合のそれぞれについて、酸素供給口８１７から酸素を供給した場合、および供給しなかった場合のメタノールの濃度を測定した。また、参照例として、容器８０１に触媒層８０５を設けなかった場合（容器８０１内の温度２５℃）のメタノールの濃度も測定した。結果を表１に示す。
【００８７】
【００８８】
表１に示すように、容器８０１内に触媒層８０５を設けることにより、触媒層を８０５を設けなかった場合と比較して排気口８０７から排出されるガス中のメタノールの濃度が低減された。これは、触媒層８０５の触媒により、メタノールが酸化されて除去されたためと考えられる。また、表１に示すように、容器８０１内の温度を４０℃とすることにより、容器８０１内の温度が２５℃のときに比べてメタノールの濃度を低減することができた。さらに、容器８０１内の温度が２５℃のときも４０℃のときも、容器８０１に酸素を供給することにより、排気口８０７から排出されるガス中のメタノールの濃度が低減された。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池セルと、
前記燃料極に配して設けられ、燃料を収容する容器と、
前記容器に含まれるガスを大気中に排出する排出通路と、
前記排出通路に設けられ、前記ガスを酸化する触媒と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記触媒による前記ガスの酸化を促進する酸化促進手段をさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求の範囲第２項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸化促進手段は、前記ガスに酸素を供給する酸素供給部を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求の範囲第２項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸化促進手段は、前記ガスまたは前記触媒を加熱する加熱部を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムにおいて、
複数の前記燃料電池セルを含み、
前記容器は、前記複数の燃料電池セルのそれぞれの前記燃料極に配して設けられたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料極に供給された燃料を回収するための回収用通路をさらに含み、
前記排出通路は、前記回収用通路を通過する燃料に含まれるガスを大気中に排出するよう構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器と前記排出通路との間に設けられた気液分離膜をさらに含み、
前記触媒は、前記気液分離膜を介して前記排出通路に排出された前記ガスを酸化するよう構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池セルが、前記燃料極に液体燃料を供給する直接型燃料電池であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池セルと、前記燃料極に配して設けられ、燃料を収容する容器と、を含む燃料電池に取り付け可能に構成されたガス処理装置であって、
前記容器に含まれるガスを取り込む取り込み口および当該ガスを大気中に排出する排気口が設けられたハウジングと、
前記ハウジング内に設けられ、当該ハウジングに取り込まれた前記ガスを酸化する触媒と、を含み
前記触媒は、前記ハウジングの取り込み口から取り込まれた前記ガスが酸化された後に前記排気口から排出されるよう構成されたことを特徴とするガス処理装置。
【請求項１０】
請求の範囲第９項に記載のガス処理装置において、
前記触媒による前記ガスの酸化を促進する酸化促進手段をさらに含むことを特徴とするガス処理装置。
【請求項１１】
請求の範囲第１０項に記載のガス処理装置において、
前記酸化促進手段は、前記ガスに酸素を供給する酸素供給部を有することを特徴とするガス処理装置。
【請求項１２】
請求の範囲第１０項に記載のガス処理装置において、
前記酸化促進手段は、前記ガスまたは前記触媒を加熱する加熱部を有することを特徴とするガス処理装置。
【請求項１３】
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池セルから排出されるガスを、触媒により酸化した後に大気中に放出することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１４】
請求の範囲第１３項に記載の燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池セルは、前記燃料極に液体燃料を供給することにより駆動する直接型であって、
前記燃料電池は、前記燃料極に配して設けられ、前記液体燃料を収容する容器をさらに含み、
前記ガスは、前記燃料容器から排出されることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１５】
請求の範囲第１３項に記載の燃料電池の運転方法において、
前記触媒による酸化を促進させる工程をさらに含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１６】
請求の範囲第１５項に記載の燃料電池の運転方法において、
前記酸化を促進させる工程が、前記ガスに酸素を供給する工程を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１７】
請求の範囲第１５項に記載の燃料電池の運転方法において、
前記酸化を促進させる工程が、前記ガスまたは前記触媒を加熱する工程を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池セルと、
前記燃料極に配して設けられ、燃料を収容する容器と、
前記容器に含まれるガスを大気中に排出する排出通路と、
前記排出通路に設けられ、前記ガスを酸化する触媒と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記触媒による前記ガスの酸化を促進する酸化促進手段をさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求の範囲第２項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸化促進手段は、前記ガスに酸素を供給する酸素供給部を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求の範囲第２項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸化促進手段は、前記ガスまたは前記触媒を加熱する加熱部を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムにおいて、
複数の前記燃料電池セルを含み、
前記容器は、前記複数の燃料電池セルのそれぞれの前記燃料極に配して設けられたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料極に供給された燃料を回収するための回収用通路をさらに含み、
前記排出通路は、前記回収用通路を通過する燃料に含まれるガスを大気中に排出するよう構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記容器と前記排出通路との間に設けられた気液分離膜をさらに含み、
前記触媒は、前記気液分離膜を介して前記排出通路に排出された前記ガスを酸化するよう構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求の範囲第１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池セルが、前記燃料極に液体燃料を供給する直接型燃料電池であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池セルと、前記燃料極に配して設けられ、燃料を収容する容器と、を含む燃料電池に取り付け可能に構成されたガス処理装置であって、
前記容器に含まれるガスを取り込む取り込み口および当該ガスを大気中に排出する排気口が設けられたハウジングと、
前記ハウジング内に設けられ、当該ハウジングに取り込まれた前記ガスを酸化する触媒と、を含み
前記触媒は、前記ハウジングの取り込み口から取り込まれた前記ガスが酸化された後に前記排気口から排出されるよう構成されたことを特徴とするガス処理装置。
【請求項１０】
請求の範囲第９項に記載のガス処理装置において、
前記触媒による前記ガスの酸化を促進する酸化促進手段をさらに含むことを特徴とするガス処理装置。
【請求項１１】
請求の範囲第１０項に記載のガス処理装置において、
前記酸化促進手段は、前記ガスに酸素を供給する酸素供給部を有することを特徴とするガス処理装置。
【請求項１２】
請求の範囲第１０項に記載のガス処理装置において、
前記酸化促進手段は、前記ガスまたは前記触媒を加熱する加熱部を有することを特徴とするガス処理装置。
【請求項１３】
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜に配された燃料極および酸化剤極とを含む燃料電池セルから排出されるガスを、触媒により酸化した後に大気中に放出することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１４】
請求の範囲第１３項に記載の燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池セルは、前記燃料極に液体燃料を供給することにより駆動する直接型であって、
前記燃料電池は、前記燃料極に配して設けられ、前記液体燃料を収容する容器をさらに含み、
前記ガスは、前記燃料容器から排出されることを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１５】
請求の範囲第１３項に記載の燃料電池の運転方法において、
前記触媒による酸化を促進させる工程をさらに含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１６】
請求の範囲第１５項に記載の燃料電池の運転方法において、
前記酸化を促進させる工程が、前記ガスに酸素を供給する工程を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１７】
請求の範囲第１５項に記載の燃料電池の運転方法において、
前記酸化を促進させる工程が、前記ガスまたは前記触媒を加熱する工程を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００６４７９
【国際公開日】平成１７年１月２０日（２００５．１．２０）
【発行日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１１５３８（Ｐ２００５−５１１５３８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００９８１９
【国際出願日】平成１６年７月９日（２００４．７．９）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年１月２０日（２００５．１．２０）
【発行日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００９８１９
【国際出願日】平成１６年７月９日（２００４．７．９）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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