(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体と燃料容器との間に設けられた第一圧電ポンプを含む燃料供給部と、
前記燃料電池本体の出力値に基づいて、前記燃料供給部の駆動を制御する燃料制御部と、
を含み、
前記燃料電池本体の出力の一部を前記第一圧電ポンプに供給し、前記第一圧電ポンプを駆動するように構成され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、前記第一圧電ポンプを複数含み、複数の前記第一圧電ポンプがそれぞれ異なる燃料容器に接続さ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１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体に酸化剤を供給するとともに、第二圧電ポンプを含む酸化剤供給部と、
前記燃料電池本体の出力値に基づいて、前記酸化剤供給部の駆動を制御する酸化剤制御部と、
をさらに含み、
前記燃料電池本体の出力の一部を前記第二圧電ポンプに供給し、前記第二圧電ポンプを駆動するように構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に酸化剤を供給するとともに、第二圧電ポンプを含む酸化剤供給部と
前記燃料電池本体の出力値に基づいて、前記酸化剤供給部の駆動を制御する酸化剤制御部と、
を含み、
前記燃料電池本体の出力の一部を前記第二圧電ポンプに供給し、前記第二圧電ポンプを駆動するように構成され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乃至４いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の出力を直交変換するインバータ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６】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体と燃料容器との間に設けられた圧電ポンプを含む燃料供給部と、
前記燃料電池本体の出力値に基づいて、前記燃料供給部の駆動を制御する燃料制御部と、
を少なくとも含み、
前記燃料電池本体の出力の一部を前記圧電ポンプに供給し、前記圧電ポンプを駆動するように構成された燃料電池システムの駆動方法であって、
前記圧電ポンプを駆動する周波数を制御することによって液体燃料の循環量を制御することを特徴とする燃料電池システムの駆動方法。
【請求項７】
請求項１乃至５いずれかに記載の燃料電池システムを搭載したことを特徴とする携帯型電気機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムを用いた携帯型電気機器、および燃料電池の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の情報化社会の到来とともに、パーソナルコンピュータ等の電子機器で扱う情報量が飛躍的に増大し、それに伴い、電子機器の消費電力も著しく増加してきた。特に、携帯型の電子機器では、処理能力の増加に伴って消費電力の増加が問題となっている。現在、このような携帯型の電子機器では、一般的にリチウムイオン電池が電源として用いられているが、リチウムイオン電池のエネルギー密度は理論的な限界に近づいている。そのため、携帯型の電子機器の連続使用期間を延ばすために、ＣＰＵの駆動周波数を抑えて消費電力を低減しなければならないという制限があった。
【０００３】
このような状況の中で、リチウムイオン電池に変えて、エネルギー密度が大きく、熱交換率の高い燃料電池を電子機器の電源として用いることにより、携帯型の電子機器の連続使用期間が大幅に向上することが期待されている。
【０００４】
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原料として、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型や、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。
【０００５】
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。
３Ｈ２  →  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−    （１）
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。
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ６Ｈ＋  ＋  ＣＯ２  ＋  ６ｅ−    （２）
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。
３／２Ｏ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ    （３）
【０００６】
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、小型化および軽量化を図ることができ、携帯型の電子機器へ適用することの利点が大きい。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。
【０００７】
一方、燃料電池の運転方法として、従来ＤＣ（直流）ポンプや電磁ポンプが用いられていた。また、燃料電池の運転効率を向上させる方法として、ダイヤフラム型ポンプを用いたガス循環ポンプシステムが提案されている（特許文献１）。しかし、燃料電池は他の電源に比べて出力の安定性が悪いため、従来のポンプによる駆動方法では、高い出力を安定して発揮させることが困難であった。また、たとえば携帯電話用電源など、携帯型の電子機器に適用する場合、電源の容積が小さく、また、利用可能な電力に制限があるため、小型化が難しく消費電力の大きい従来のポンプを実装することは困難であった。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−２５９９１２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、携帯型の機器に用いる場合、特に高い出力を安定して発揮させるための小型で簡便な機構を有する燃料電池システムの提供がますます望まれる。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、小型で消費電力が小さい燃料電池システムを提供することにある。本発明の別の目的は、高い出力特性を有し、これが安定して発揮される燃料電池システムを提供することにある。本発明のさらに別の目的は、携帯型電気機器を小型化および軽量化することにある。本発明のさらにまた別の目的は、高い出力を安定して発揮させる簡便な燃料電池の駆動方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体と燃料容器との間に設けられた第一圧電ポンプを含む燃料供給部と、
前記燃料電池本体の出力値に基づいて、前記燃料供給部の駆動を制御する燃料制御部と、
を含み、
前記燃料電池本体の出力の一部を前記第一圧電ポンプに供給し、前記第一圧電ポンプを駆動するように構成されたことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体に酸化剤を供給するとともに、第二圧電ポンプを含む酸化剤供給部と、前記燃料電池本体の出力値に基づいて、前記酸化剤供給部の駆動を制御する酸化剤制御部と、をさらに含み、前記燃料電池本体の出力の一部を前記第二圧電ポンプに供給し、前記第二圧電ポンプを駆動するように構成されてもよい。
また、本発明によれば、
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に酸化剤を供給するとともに、第二圧電ポンプを含む酸化剤供給部と
前記燃料電池本体の出力値に基づいて、前記酸化剤供給部の駆動を制御する酸化剤制御部と、
を含み、
前記燃料電池本体の出力の一部を前記第二圧電ポンプに供給し、前記第二圧電ポンプを駆動するように構成されたことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の出力を直交変換するインバータをさらに含んでもよい。
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池本体の出力値に基づいて、燃料制御部または前記酸化剤制御部にて燃料または酸化剤の量の供給量が制御されてもよい。たとえば、燃料電池の出力値が予め設定されたしきい値より大きい場合は燃料または酸化剤の量を減少させ、しきい値より小さい場合は燃料または酸化剤の量を増加させることができる。こうすることにより、燃料電池の出力を効率よく制御し、これを向上、安定化することができる。また、燃料電池本体の出力値が大きい場合は燃料または酸化剤の供給量を減少させることにより、燃料供給部または酸化剤供給部を省電力化することができる。たとえば、本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料制御部または前記酸化剤制御部は、前記燃料電池本体の出力値を略一定に制御することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の出力を直交変換するインバータをさらに含み、直交変換された前記出力が前記燃料供給部または前記酸化剤供給部を駆動する構成とすることができる。こうすることにより、燃料電池本体の出力の一部を用いて効率よく供給部を駆動させることができる。したがって、簡易な構成で燃料電池システムの特性をより一層向上させることができる。たとえば、前記燃料制御部または前記酸化剤制御部が、前記燃料供給部または前記酸化剤供給部を駆動する周波数を制御する構成とすることができる。こうすることにより、燃料電池本体の出力をより広い範囲で制御することができる。また、燃料または酸化剤の供給量をより一層精密に制御することができる。
【００１４】
本発明の燃料電池システムにおいては、燃料供給部または前記酸化剤供給部が圧電ポンプを含む。圧電ポンプを用いることにより、燃料制御部または酸化剤制御部が、燃料供給部または酸化剤供給部を駆動する周波数または電圧を制御することが可能となる。したがって、燃料電池システムの出力を向上し、より一層安定化することができる。また、燃料供給部または酸化剤供給部の消費電力を減少させることができ、燃料供給部または酸化剤供給部の耐久性が向上する。さらに、燃料電池システムを小型軽量化することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料制御部は、複数の成分を含む前記燃料の供給量と、前記複数の成分の混合率を制御する構成とすることができる。こうすることにより、燃料電池本体に供給する燃料の成分を、出力に応じて任意に調節することが可能となる。燃料制御部が燃料の成分の濃度を調節することによって、燃料が高濃度である場合に生じる弊害を解消しつつ、燃料電池本体を効率よく運転することが可能となる。なお、本明細書においては、水など、通常希釈に用いられる成分も、燃料の一成分とする。したがって、燃料制御部はこれらの成分の供給量や混合率も制御する。
【００１６】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池本体と、前記燃料電池本体に燃料または酸化剤を供給する圧電ポンプと、を含むため、燃料または酸化剤の供給や、生成した気体の排出を効率よく行うことができる。従って、燃料電池本体における触媒利用効率を高めることができるため、燃料電池システムの出力特性を向上させ、安定化することができる。
【００１７】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の出力を直交変換するインバータをさらに含み、直交変換された前記出力が前記第一圧電ポンプまたは前記第二圧電ポンプを駆動する構成とすることができる。こうすることにより、燃料電池本体の出力の一部を用いて効率よく第一圧電ポンプまたは第二圧電ポンプを駆動させることができる。したがって、簡易な構成で燃料電池システムの特性をより一層向上させることができる。
【００１８】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記圧電ポンプはバイモルフ型圧電ポンプとすることができる。こうすることにより、圧電ポンプからの吐出量を通常のユニモルフ型等の圧電ポンプと比較して多くすることができるため、より広い範囲で精密に吐出量を制御することができる。また、消費電力が低いため、圧電ポンプの駆動に必要な電力を低下させることができる。また、圧電ポンプからの発熱が抑制されるため、燃料電池システムの安全性、信頼性を向上させることができる。
【００１９】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体に有機液体燃料が供給される構成とすることができる。有機液体燃料が供給される場合においても、本発明の構成を採用することにより、高い出力が安定して発揮される燃料電池システムとすることができる。
【００２０】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料を供給する前記第一圧電ポンプを複数含み、複数の前記第一圧電ポンプがそれぞれ異なる燃料容器に接続されている構成とすることができる。こうすることにより、異なる燃料容器からそれぞれ異なる物質を供給することができるため、これらの物質の混合比率を変化させることにより、燃料電池本体に供給する燃料の組成を調節することが可能となる。制御部が燃料の成分の組成を調節することによって、燃料が高濃度である場合に生じる弊害を解消しつつ、燃料電池本体を効率よく運転することが可能となる。また、燃料成分を効率的に供給することができるため、資源を有効利用することができる。
【００２１】
本発明によれば、前記燃料電池システムを搭載したことを特徴とする携帯型電気機器が提供される。本発明に係る携帯型電気機器は、上述の燃料電池システムを搭載しているため、燃料電池本体から高い出力が安定して供給される。したがって、携帯型電気機器の信頼性を向上することができる。また、燃料電池システムが小型軽量であり、さらに機器に実装されたインバータ等を併用することも可能となるため、携帯型電気機器全体を小型軽量化することができる。
【００２２】
本発明によれば、
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体と燃料容器との間に設けられた圧電ポンプを含む燃料供給部と、
前記燃料電池本体の出力値に基づいて、前記燃料供給部の駆動を制御する燃料制御部と、
を少なくとも含み、
前記燃料電池本体の出力の一部を前記圧電ポンプに供給し、前記圧電ポンプを駆動するように構成された燃料電池システムの駆動方法であって、
前記圧電ポンプを駆動する周波数を制御することによって液体燃料の循環量を制御することを特徴とする燃料電池システムの駆動方法が提供される。
本発明においては、圧電ポンプを用いて燃料電池に燃料または酸化剤を供給する。圧電ポンプを用いることにより、燃料電池に燃料または酸化剤を効率よく供給することができる。また、ポンプの消費電力を減少させることができ、ポンプの耐久性が向上する。したがって、簡易な構成で燃料電池の出力を向上させ、安定化することができる。
【００２３】
本発明においては、燃料電池の出力値に基づいて、前記燃料電池に供給する燃料または酸化剤の量を制御する。たとえば、燃料電池の出力値が予め設定されたしきい値より大きい場合は燃料または酸化剤の量を減少させ、しきい値より小さい場合は燃料または酸化剤の量を増加させることができる。こうすることにより、燃料電池の出力を効率よく制御し、安定化することができる。
【００２４】
本発明の燃料電池の駆動方法において、前記燃料が複数の成分を含み、前記燃料電池の出力に基づいて、前記複数の成分の混合率を制御する構成とすることができる。こうすることにより、燃料電池に供給する燃料の成分組成を調節することができる。したがって、燃料が高濃度である場合に生じる弊害を解消しつつ、燃料電池本体を効率よく運転することが可能となる。また、燃料成分を効率的に供給することができるため、資源を有効利用することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下の実施の形態で説明する燃料電池システムの用途は特に限定されないが、たとえば携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等の小型電気機器に適切に用いられる。
【００２６】
はじめに、以下の各実施形態に適用可能な燃料電池システムの基本構成について説明する。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成の一例を示す図である。図１の燃料電池システムは、燃料電池本体１００と、燃料容器４２５と、燃料容器４２５から燃料電池本体１００に燃料１２４を供給する燃料供給部４６５と、燃料電池本体１００からの出力を直交変換し、また燃料供給部４６５からの燃料１２４の供給量を変化させるインバータ４６１と、負荷４５３からの出力および参照出力４６７を参照し、インバータ４６１を介して燃料供給部４６５を制御する燃料制御部４６３とを備える。同様に、燃料電池本体１００への酸化剤１２６（通常は外気）の供給についても、酸化剤供給部４５９、インバータ４５５、および酸化剤制御部４５７を備える。なお、負荷４５３とは、上述した電気機器における抵抗である。
【００２７】
燃料供給部４６５および酸化剤供給部４５９には、圧電ポンプを用いる。こうすることにより、従来の電磁ポンプ等を用いた場合に比べ、ポンプの小型軽量化が可能となり、また耐久性も向上する。また、ポンプの駆動に必要な電力が低減する。また、ポンプからの燃料１２４または酸化剤１２６の供給量を、インバータ４５５またはインバータ４６１における振動数または電圧を変化させることにより良好に制御することができる。インバータ４５５またはインバータ４６１の振動数を変化させた場合、単位時間あたりのポンプの吐出頻度が変化する。また、これらの電圧を変化させた場合、圧電素子の変位量の変化により、１回の吐出あたりの吐出量が変化する。したがって、いずれを変化させた場合においても、燃料１２４または酸化剤１２６の供給量を調節することができる。
【００２８】
圧電ポンプとして、たとえばバイモルフ型圧電ポンプが好ましく用いられる。バイモルフ型とすることにより、ポンプからの吐出量を、通常のユニモルフ型等の圧電ポンプと比較して多くすることができるため、周波数による制御がより広い範囲で可能となる。また、燃料１２４または酸化剤１２６の供給量をより一層精密に制御することができる。また、バイモルフ型圧電ポンプを用いることにより、消費電力の低下や、ポンプからの発熱の抑制、ポンプからの電磁的なノイズの発生の抑制、等の利点が得られる。
【００２９】
また、燃料容器４２５と燃料電池本体１００とは、燃料供給部４６５を介して燃料１２４が循環可能な構成となっており、燃料１２４として液体燃料を用いた際に、燃料極において発生する二酸化炭素等の気体が効率よく燃料極から除去される。このため、燃料極における触媒の利用効率が向上し、燃料電池本体１００の出力を向上させることができる。一方、酸化剤１２６の供給、排出についても、酸化剤供給部４５９を用いることにより、酸化剤供給部４５９を用いずに自然吸引とした場合に比べ、効率よい供給、排出が可能となる。酸化剤供給部４５９を用いることにより、酸化剤１２６の供給量が増加し、燃料電池本体１００の出力を向上させることができる。
【００３０】
図１の燃料電池システムでは、燃料制御部４６３または酸化剤制御部４５７においてインバータ４６１、インバータ４５５の振動数または電圧を制御することにより、燃料供給部４６５、酸化剤供給部４５９から燃料電池本体１００に供給される燃料１２４、酸化剤１２６の量が制御される。そこで次に、燃料制御部４６３または酸化剤制御部４５７におけるインバータ４６１、インバータ４５５の振動数または電圧の制御方法について説明する。
【００３１】
燃料制御部４６３または酸化剤制御部４５７は、フィードバック制御を行うことにより、インバータ４６１、インバータ４５５の振動数または電圧を変化させる。フィードバック制御の方法に特に制限はないが、たとえば図２（ａ）に示す方法を用いることができる。なお、図２においては、燃料１２４の供給について例示されているが、酸化剤１２６の供給についても同様の手法により制御可能である。
【００３２】
図２（ａ）において、燃料制御部４６３には、負荷４５３からの出力信号および参照出力４６７の信号が入力され、これらを変数とする量を算出する演算を行う。そして、算出された量と、予め設定された一定のしきい値との大小関係を比較し、フィードバック制御を行う。演算は、たとえばこれらの比や差とする。燃料制御部４６３または酸化剤制御部４５７におけるフィードバック回路に特に制限はないが、たとえば図２（ｂ）、図２（ｃ）に示す構成とすることができる。図２（ｂ）は、このフィードバック制御を行うための燃料電池システムの構成の一例を示す図である。図２（ｂ）において、燃料１２４の供給量は圧電ポンプ４７９を用いて制御される。負荷４５３および燃料電池本体１００には、第１の電圧計４１７および第２の電圧計４１９が図２（ｃ）に示すように接続されており、第１の電圧計４１７、第２の電圧計４１９の値はそれぞれ負荷４５３からの出力および参照出力４６７として燃料制御部４６３に入力される。また、図２（ｃ）は、図２（ｂ）における第１の電圧計４１７と第２の電圧計４１９との間の回路構成の一例を示す図であり、燃料電池本体１００と並列にツェナーダイオード４７１を設けた例である。ツェナーダイオード４７１を設けることにより、一定の参照出力４６７が得られ、第２の電圧計４１９によりこれを検出することができる。
【００３３】
燃料制御部４６３で計算された上述の演算量と、予め設定されたしきい値との大小関係を比較した結果、負荷４５３からの信号と、参照出力４６７からの信号との比または差がしきい値より低い場合、燃料制御部４６３は、インバータ４６１の周波数または電圧を増加させる。これにより、燃料容器４２５から圧電ポンプ４７９を介して燃料電池本体１００に供給される燃料１２４の量が増加し、また燃料極で生成した気体がより一層速やかに燃料容器４２５に回収されるため、燃料電池本体１００の出力が上昇する。一方、上記の比または差がしきい値を上回った場合、燃料制御部４６３は、インバータ４６１の周波数または電圧を減少させる。こうすることにより、圧電ポンプ４７９の駆動電力を省力化することができる。
【００３４】
図３（ａ）、図３（ｂ）は、図１の燃料電池システムの、燃料制御部４６３または酸化剤制御部４５７におけるフィードバック回路の構成の別の例を示す図である。以下、燃料１２４の供給を例に説明する。図３（ａ）は、このフィードバック制御を行うための燃料電池システムの構成の一例を示す図である。図３（ａ）において、負荷４５３および燃料電池本体１００には、第１の電圧計４１７および第２の電圧計４１９が図３（ｂ）に示すように接続されており、第１の電圧計４１７、第２の電圧計４１９の値はそれぞれ負荷４５３からの出力および参照出力４６７として燃料制御部４６３に入力される。図３（ｂ）は、図３（ａ）における第１の電圧計４１７と第２の電圧計４１９との間の回路構成の一例を示す図であり、燃料電池本体１００と直列にツェナーダイオード４７１が設けられた例である。図３の構成においても、一定の参照出力４６７が得られ、第２の電圧計４１９によりこれを検出することができる。
【００３５】
以上は参照出力４６７を設けて負荷４５３からの出力と比較する場合の制御方法であるが、燃料１２４の供給は、参照出力４６７を設けずに、燃料電池本体１００からの出力のみを検知して、この大きさが一定となるようにインバータ４６１の周波数または電圧を変化させる方法によっても可能である。また、図１においては、燃料制御部４６３がインバータ４６１を制御する構成が例示されているが、燃料制御部４６３は、燃料供給部４６５から直交変換された出力を直接制御する構成とすることもできる。
【００３６】
図１の燃料電池システムにおいては、上述のフィードバック回路により燃料１２４または酸化剤１２６の供給が制御されるため、高い出力を安定して発揮させることが可能となる。なお、図１の燃料電池システムを携帯型電子機器に搭載する場合、たとえば第４の実施形態において後述するように、機器に実装されたインバータを併用することができるため、機器全体をさらに小型軽量化することができる。
【００３７】
図７は、二つの燃料供給部４６５を備えた燃料電池システムの構成の一例である。図７（ａ）は、二つの燃料供給部４６５を備え、これらがそれぞれ第１の燃料容器４０７および第２の燃料容器４０９に接続された構成の燃料電池システムである。第１の燃料容器４０７および第２の燃料容器４０９からは、それぞれ第１の成分４８１および第２の成分４８３が供給される。二つの燃料供給部４６５は、いずれもインバータ４６１に接続しており、燃料制御部４６３によってそれぞれの供給量が制御される。たとえば、第２の成分４８３を燃料となる成分、第１の成分４８１を希釈するための成分、とした場合、燃料電池本体１００の出力が低下した場合、第２の燃料容器４０９からの供給量を増加させ、燃料電池本体１００の出力が高い場合は、第１の燃料容器４０７からの供給量を増加させる。
【００３８】
図７（ａ）の燃料電池システムでは、第１の成分４８１および第２の成分４８３のそれぞれの供給量を、燃料制御部４６３において調節する。したがって、燃料電池本体１００からの出力をさらに安定させることができる。第１の成分４８１および第２の成分４８３が液体である場合、図７（ａ）の構成は特に効果的である。燃料電池本体１００に有機液体燃料が供給される直接型の燃料電池システムの場合、通常有機液体の水溶液が燃料１２４として供給されるが、有機液体の濃度が低すぎると、燃料電池本体１００の出力が低下してしまい、有機液体成分の濃度が高すぎると、これが拡散して酸化剤極に到達してしまういわゆるクロスオーバーの問題があった。そこで、これらの成分の混合量を燃料制御部４６３にて制御することにより、有機液体成分の使用量を最小限に節約し、かつ燃料電池本体１００の出力を安定させることが可能となる。
【００３９】
また、図７（ｂ）は、二つの燃料供給部４６５を有する燃料電池システムの別の構成を示す図である。図７（ｂ）の燃料電池システムには、第１の成分４８１と第２の成分４８３とを混合する混合部４８５が備えられている。燃料制御部４６３が混合部４８５を制御することにより、混合部４８５における第１の成分４８１と第２の成分４８３との混合割合が制御される。燃料電池システムにたとえばスロットバルブあるいは圧電バルブなどを用いた混合部４８５を設けることにより、第１の成分４８１と第２の成分４８３とを混合部４８５で予め混合し、燃料電池本体１００に供給することが可能となる。したがって、燃料電池本体１００に供給される燃料１２４中の成分濃度を均一にすることができるため、燃料電池本体１００の出力をさらに精度よく制御することができる。
【００４０】
なお、図７（ａ）および図７（ｂ）の燃料電池システムにおいて、燃料供給部４６５は、三つ以上とすることもできる。また、酸化剤供給部４５９についても、同様に複数とすることもできる。
【００４１】
次に、図１に示される燃料電池システムにおける、燃料電池本体１００の構成について説明する。図８は、図１に示した燃料電池本体１００の単セル構造１０１を模式的に示した断面図である。燃料電池本体１００は、単数または複数の単セル構造１０１を有する。各単セル構造１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４から構成される。燃料電池本体１００において、単セル構造１０１の燃料極１０２には、燃料極側セパレータ１２０を介して燃料１２４が供給される。また、各単セル構造１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤極側セパレータ１２２を介して酸化剤１２６が供給される。
【００４２】
固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体電解質膜１１４を構成する材料としては、スルフォン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１,４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族縮合系高分子；スルフォン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製）（登録商標）、アシプレックス（旭化成社製））；カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭硝子社製）（登録商標））；等が例示される。
【００４３】
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む触媒層１０６および触媒層１１２をそれぞれ基体１０４および基体１１０上に形成した構成とすることができる。基体１０４および基体１１０の表面は撥水処理してもよい。
【００４４】
燃料極１０２に用いる触媒層１０６の触媒としては、白金、金、銀、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、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、またはこれらの合金等が例示される。酸化剤極１０８に用いる触媒層１１２の触媒としては、触媒層１０６と同様のものを用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、触媒層１０６および触媒層１１２の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもどちらでもよい。
【００４５】
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。
【００４６】
触媒層１０６および触媒層１１２における固体電解質の微粒子は、同一のものであっても異なるものであってもよい。ここで、固体電解質の微粒子は、固体電解質膜１１４と同じ材料を用いることができるが、固体電解質膜１１４とは異なる材料や、複数の材料を用いることもできる。
【００４７】
燃料極１０２、酸化剤極１０８ともに、基体１０４および基体１１０としては、カーボンペーパー、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。また、基体１０４および基体１１０の撥水処理にはポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を用いることができる。
【００４８】
次に、本発明における単セル構造１０１の製造方法を説明する。
【００４９】
固体電解質膜１１４をたとえば有機高分子材料で構成する場合、固体電解質膜１１４は、有機高分子材料を溶媒に溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることにより得ることができる。
【００５０】
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、たとえば以下の方法で得ることができる。まず、一般的に用いられている含浸法によって炭素粒子に触媒を担持させる。次に触媒を担持させた炭素粒子と固体電解質の微粒子を溶媒に分散させ、ペースト状としたのち、撥水化処理を行った基体１０４または基体１１０に塗布する。基体１０４または基体１１０へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷法等の方法を用いることができる。ペーストを塗布した後、たとえば、加熱温度１００℃〜２５０℃、加熱時間３０秒間〜３０分で乾燥させることによって燃料極１０２および酸化剤極１０８が得られる。
【００５１】
次に、固体電解質膜１１４を、燃料極１０２および酸化剤極１０８で挟み、ホットプレスすることにより、単セル構造１０１を得る。このとき、触媒層１０６および触媒層１１２が固体電解質膜１１４と接するようにする。たとえば固体電解質膜１１４や触媒層１０６および触媒層１１２中の固体電解質の微粒子を有機高分子で構成する場合、ホットプレスの条件は、これらの有機高分子の軟化温度やガラス転位温度を超える温度とすることができる。具体的には、たとえば、温度１００〜２５０℃、圧力１〜１００ｋｇ／ｃｍ２、時間１０秒〜３００秒とする。
【００５２】
以上のようにして、単セル構造１０１が形成される。また、得られた単セル構造１０１を積み重ねることにより、複数の単セル構造１０１が直列に接続された燃料電池セルスタックを得ることができる。
【００５３】
このように構成された燃料電池本体１００において、各単セル構造１０１の燃料極１０２には、燃料１２４が供給される。また、各単セル構造１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤１２６が供給される。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。また、燃料容器４２５への燃料１２４の供給は、たとえば注入により行うことができる。また、燃料の入ったカートリッジを用い、これを交換する構成とすることもできる。酸化剤１２６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。
【００５４】
このようにして得られた燃料電池システムは、燃料極１０２への燃料１２４の供給および排出が良好に制御されているため、燃料１２４を効率よく燃料極１０２に供給すると共に、燃料極１０２で生じた気体を速やかに除去することができる。また、燃料供給部４６５または酸化剤供給部４５９にバイモルフ型等の圧電ポンプ４７９を用いているため、ポンプの消費電力が小さく、かつ小型化が可能である。さらに、燃料１２４の供給および排出を制御する燃料制御部４６３におけるフィードバック制御を、燃料供給部４６５における電圧または振幅の制御に反映させることができるため、燃料供給部４６５における燃料の供給、排出をより精度よく行うことができる。以上より、燃料電池本体１００において高い出力が安定的に発揮することが可能な燃料電池システムが実現される。
【００５５】
（第１の実施形態）
本実施形態に係る燃料電池システムの構成を図４に示す。図４の燃料電池システムにおいては、燃料供給部４６５に、バイモルフ型圧電ポンプを用いる。バイモルフ型圧電ポンプとして、たとえばバイモルポンプ（極光社製、登録商標）や、ＦＤＫ社製のバイモルフ型圧電素子等を用いる。バイモルフ型圧電ポンプの駆動電源は、燃料電池本体１００からの出力の一部をインバータ４６１において直交変換し、供給する。また、燃料電池本体１００は、図８の構成を有し、固体電解質膜１１４には固体高分子電解質膜を用いる。燃料電池本体１００における燃料極１０２には、メタノール水溶液が燃料１２４として供給され、酸化剤１２６としては空気中の酸素を用いる。
【００５６】
燃料供給部４６５にバイモルフ型圧電ポンプを用いることにより、ポンプの駆動に必要な電力を省力化することができる。また、燃料電池本体１００に燃料１２４を安定的に供給するとともに、燃料極１０２で生成した二酸化炭素等の気体を速やかに燃料容器４２５に回収することができる。したがって、燃料電池本体１００に優れた出力特性を発揮させることができる。
【００５７】
（第２の実施形態）
本実施形態に係る燃料電池システムの構成を図５に示す。図５の燃料電池システムは、第１の実施形態に記載の燃料電池システム（図４）において、酸化剤極１０８に酸化剤１２６を供給するためのバイモルフ型圧電ポンプをさらに設けたものである。第１の実施形態と同様に、酸化剤供給部４５９として設けられたバイモルフ型圧電ポンプの駆動電源は、燃料電池本体１００からの出力の一部をインバータ４６１において直交変換し、供給する。
【００５８】
こうすることにより、燃料供給部４６５に加え、さらに酸化剤供給部４５９からの酸化剤１２６（外気）の供給量が自然吸気時よりも増加するため、燃料電池本体１００の出力特性をさらに向上させることが可能となる。
【００５９】
なお、図５の燃料電池システムにおいて、インバータ４６１とインバータ４５５とは、一つを共用することができる。こうすることにより、さらなる省電力化が可能である。
【００６０】
（第３の実施形態）
本実施形態に係る燃料電池システムは、第２の実施形態に記載の燃料電池システムにおいて、単セル構造１０１の出力特性をインバータ回路にフィードバックし、圧電ポンプに供給する電圧あるいは周波数を制御する機構を設けた構成である。本実施形態に係る燃料電池システムは、図１の構成を有する。
【００６１】
以下、燃料１２４の供給を例に、制御方法を説明する。燃料制御部４６３は、図２（ｂ）に示すフィードバック機構を有する。負荷４５３からの信号すなわち第１の電圧計４１７からの信号と、図１における参照出力４６７（図２（ｂ）には図示せず。）すなわち第２の電圧計４１９からの信号とを比較し、この比または差が一定となるように負荷４５３からの出力を制御する。負荷４５３からの信号と、参照出力４６７からの信号との比または差が基準値より低い場合、燃料制御部４６３は、インバータ４６１の周波数または電圧を増加させる。これにより、燃料供給部４６５を介して燃料電池本体１００に供給される燃料１２４の量が増加し、また燃料極１０２で生成した気体がより一層速やかに燃料容器４２５に回収されるため、出力が上昇する。一方、上記の比または差が基準値を上回った場合、燃料制御部４６３は、インバータ４６１の周波数または電圧を減少させる。酸化剤１２６の供給についても同様に、図１に示すように酸化剤制御部４５７において制御される。
【００６２】
以上のように、本実施形態における燃料電池システムによれば、燃料制御部４６３および酸化剤制御部４５７におけるフィードバック制御により、燃料電池本体１００の出力が低い場合には、これを向上させ、高い場合には低下させることができるため、燃料電池本体１００の出力特性を高く安定したものとすることができる。
【００６３】
（第４の実施形態）
本実施形態に係る燃料電池システムは、第３の実施形態に記載の燃料電池システムにおいて、二つの燃料供給部４６５を用いた構成である。本実施形態に係る燃料電池システムは、図７（ａ）の構成を有する。
【００６４】
図７（ａ）の燃料電池システムにおいて、二つの燃料供給部４６５は、それぞれ第１の燃料容器４０７および第２の燃料容器４０９に接続されている。第１の燃料容器４０７および第２の燃料容器４０９からは、それぞれ第１の成分４８１である水および第２の成分４８３であるメタノールが供給される。二つの燃料供給部４６５は、いずれもインバータ４６１に接続しており、燃料制御部４６３によってそれぞれの供給量が制御される。たとえば、燃料電池本体１００の出力が低下した場合、メタノールすなわち第２の燃料容器４０９からの供給量を増加させ、燃料電池本体１００の出力が高い場合は、水すなわち第１の燃料容器４０７からの供給量を増加させる。
【００６５】
このように、本実施形態に係る燃料電池システムは、水およびメタノールのそれぞれの供給量を燃料制御部４６３において調節することができるため、メタノールの使用量を必要最小限とし、燃料電池本体１００からの出力を安定させることができる。
【００６６】
なお、本実施形態においては、燃料電池システムの構成を図７（ａ）に示される構成としたが、図７（ｂ）に示される構成とすることができる。図７（ｂ）の燃料電池システムには、混合部４８５が備えられているため、水とメタノールが混合部４８５で予め混合されて、燃料電池本体１００に供給される。こうすることにより、燃料電池本体１００に供給される燃料１２４中のメタノール濃度を均一にすることができるため、燃料電池本体１００の出力をさらに精度よく制御可能である。
【００６７】
（第５の実施形態）
本実施形態は、燃料電池システムが搭載された携帯型パーソナルコンピュータに関する。図６は、本実施形態に係る携帯型パーソナルコンピュータ４７３を示す図である。携帯型パーソナルコンピュータ４７３は、キーボード４７５側の底面に燃料容器４２５が設けられており、液晶ディスプレイ４７７側に燃料電池本体１００が実装されている。また、ヒンジ部に、燃料供給部４６５となる圧電ポンプが組み込まれている。燃料供給部４６５は、図２のフィードバック回路を有する燃料制御部（図示せず）によって制御される。
【００６８】
携帯型パーソナルコンピュータ４７３はこのような構成であるため、燃料容器４２５と燃料電池本体１００との間をヒンジ部に設けられた燃料供給部４６５を介して燃料が図６中の矢印に示されるように循環する。また、燃料供給部４６５からの燃料の供給は、第３の実施形態と同様に制御されるため、搭載された燃料電池本体１００が安定して高い出力を発揮することができる。
【００６９】
さらに、携帯型パーソナルコンピュータ４７３においては、液晶ディスプレイ４７７用に実装されているインバータ（図示せず）を、圧電ポンプの電源として用いることができる。したがって、電源の併用により構成が簡素化し、携帯型パーソナルコンピュータ４７３の小型軽量化、小電力化が可能である。液晶ディスプレイ４７７用に実装されているインバータとして、たとえば液晶のバックライト用のインバータを併用することが可能となる。この場合、燃料制御部は、燃料供給部４６５から直交変換された出力を直接制御する構成とすることもできる。
【００７０】
以上、本発明を実施の形態および実施例をもとに説明した。この実施の形態および実施例は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、そうした例を説明する。
【００７１】
たとえば、図１の燃料電池システムにおいて、燃料容器４２５と燃料供給部４６５との間に燃料改質機が設けられた構成とすることにより、燃料改質機で改質された燃料１２４の燃料電池本体１００への供給について、燃料制御部４６３によって制御することが可能となる。こうすることにより、外部改質方式の燃料電池システムにおいても、燃料電池本体１００からの出力を向上させ、安定させることができる。
【００７２】
また、図１の燃料電池システムにおいては、燃料供給部４６５または酸化剤供給部４５９をバイモルフ型圧電ポンプとした場合、これらを制御する方法として、燃料制御部４６３または酸化剤制御部４５７を設けるかわりに、バイモルフ圧電素子の振幅方向の可動範囲を機械的に調整する制御部材を設け、これにより変化させる方法を用いることができる。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、圧電ポンプを含み、燃料電池本体の出力の一部を圧電ポンプに供給することにより、小型で消費電力が小さい燃料電池システムが実現される。また、本発明によれば、燃料電池本体の出力値に基づいて、供給部から燃料電池本体へ供給される燃料または酸化剤の量を制御する構成を採用することにより、高い出力特性を有し、これが安定して発揮される燃料電池システムが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る携帯型パーソナルコンピュータを示す斜視図である。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
【図８】本発明に係る燃料電池システムに用いられる燃料電池本体の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
１００  燃料電池本体
１０１  単セル構造
１０２  燃料極
１０４  基体
１０６  触媒層
１０８  酸化剤極
１１０  基体
１１２  触媒層
１１４  固体電解質膜
１２０  燃料極側セパレータ
１２２  酸化剤極側セパレータ
１２４  燃料
１２６  酸化剤
４０７  第１の燃料容器
４０９  第２の燃料容器
４１７  第１の電圧計
４１９  第２の電圧計
４２５  燃料容器
４５３  負荷
４５５  インバータ
４５７  酸化剤制御部
４５９  酸化剤供給部
４６１  インバータ
４６３  燃料制御部
４６５  燃料供給部
４６７  参照出力
４７１  ツェナーダイオード
４７３  携帯型パーソナルコンピュータ
４７５  キーボード
４７７  液晶ディスプレイ
４７９  圧電ポンプ
４８１  第１の成分
４８３  第２の成分
４８５  混合部
【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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【図６】
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【図７】
0003724470.tif 000008
【図８】
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