(57)【要約】【課題】燃料電池の酸素極の触媒層の内部や表面の水等の液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面の電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去できるとともに該触媒層に円滑に空気（酸素）を供給でき、それにより酸素極での反応を円滑化して、それだけ発電効率を向上させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】酸素極１３に隣設され、液導出口１５１及び空気供給用通気孔１５２を有するカソード室（液回収室）１５を備えた燃料電池１を用いた燃料電池システムＡである。室１５内気体の排気部１５Ｅを備えるとともに、液導出口１５１に接続された送液ポンプＭＰ４及び液溜め部１５４を備えており、ポンプＭＰ４は、正運転により、室１５内液体を導出口１５１から吸引導出可能であり、逆運転により、導出口１５１から室１５内への液体押し込みが可能であり、ポンプＭＰ４が正逆運転されるに伴い通気孔１５２から室１５内への空気供給と排気部１５Ｅからの排気が行われる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体及び該電池本体の酸素極に隣設され、液導出口及び空気供給用通気孔を有する液回収室を備えた燃料電池を用いた燃料電池システムであり、該液回収室内気体を該液回収室から排出するための排気部を備えているとともに、前記液導出口に接続された送液ポンプ及び液溜め部を備えており、該送液ポンプ及び液溜め部はこの順序で該液導出口に接続されており、該送液ポンプは、正運転により、該液回収室内液体を該液導出口から吸引導出可能であり、逆運転により、該液導出口から該液回収室内への液体押し込みが可能であり、該送液ポンプが正逆運転されるに伴い前記空気供給用通気孔から該液回収室内への空気供給と前記排気部からの排気が行われることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気供給用通気孔を開閉する弁が設けられており、前記排気部は、前記液回収室壁に設けた排気孔と該排気孔を開閉する弁とを含んでおり、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されるとき、該液回収室内に発生する負圧により、前記空気供給用通気孔を開閉する弁が開く一方、前記排気部の排気孔を開閉する弁が閉じ、前記送液ポンプの逆運転により前記液回収室内へ液体が押し込まれるとき、該液回収室内に発生する正圧により、前記空気供給用通気孔を開閉する弁が閉じる一方、前記排気部の排気孔を開閉する弁が開く請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記排気部は前記送液ポンプと前記液導出口との間に接続された気液分離器であり、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されるとき、該液回収室内に発生する負圧により、前記空気供給用通気孔から該液回収室内に空気が吸引されるとともに、前記気液分離器において前記液導出口から吸引導出されてくる液体から気体が分離、排出され、前記送液ポンプの逆運転により前記液回収室内へ液体が押し込まれるとき、該液回収室内の気体が前記空気供給用通気孔から吐出される請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記空気供給用通気孔に空気ポンプが接続されており、前記排気部は前記送液ポンプと前記液導出口との間に接続された気液分離器であり、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されるとき、前記気液分離器において前記液導出口から吸引導出されてくる液体から気体が分離、排出され、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されることで空間となる該液回収室内部分に前記空気ポンプから空気が供給され、前記送液ポンプの逆運転により前記液回収室内へ液体が押し込まれるとき、該液回収室内の気体が前記空気ポンプを介して吐出される請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記液回収室内面には撥水処理が施されている請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池は、燃料として、高濃度燃料液を希釈液で希釈した燃料液を用いる電池であり、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内から吸引導出する液体を希釈液収容容器へ回収可能とした請求項１から５のいずれか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、電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体及び該電池本体の酸素極に隣設され、液導出口及び空気供給用通気孔を有する液回収室を備えた燃料電池を用いた燃料電池システム、例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)のように、高濃度燃料液を水などの希釈液で希釈した燃料液を用いる燃料電池を利用した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ユビキタス社会の幕開けとともに電池の長寿命化に対する要求が高まってきている。従来のリチウム電池はその理論限界に近づきつつあり、これ以上の大幅な性能向上は望めなくなりつつある。そんな中、重量（容積）あたりのエネルギー密度の高さから従来の電池に比べて大幅な長寿命化が可能な燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池の中でも特に(1) 構造が簡単、(2) 水素スタンドなどの大規模なインフラ整備を要することなく燃料の入手が容易、(3) 低コスト、低温での動作が可能などの点から、例えば携帯機器（ノート形パーソナルコンピュータ、携帯電話機、各種携帯情報端末（ＰＤＡ）機器等）向けの燃料電池として適していると言えるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が注目されており、盛んに研究されている。
【０００４】
ＤＭＦＣ型燃料電池を採用した燃料電池システムは燃料供給の方法により二つのタイプに分類される。一つはアクティブ型と呼ばれるもので、電池への燃料供給をポンプにより行うタイプであり、もう一つはパッシブ型と呼ばれるもので、ポンプを用いずに毛細管力等により燃料を供給するタイプである。
【０００５】
ここでＤＭＦＣの反応式を示す。
燃料極（アノード）側での反応：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+ 
酸素極（カソード）側での反応：(3/2) Ｏ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ- →３Ｈ2 Ｏ
全反応          ：ＣＨ3 ＯＨ＋(3/2) Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
【０００６】
この反応式によればメタノールと水は燃料極において等モルで反応し、ＣＯ2 と６個の電子とプロトンを生成し、ＣＯ2 は外部に排出され、電子は外部回路を通って酸素極（空気極）に、プロトンは電界質層を通って酸素極（空気極）にそれぞれ別ルートで送られ、そこで反応し、水分子３個を生成する。全反応としてはＣＯ2 と２分子のＨ2 Ｏを生成する。
かかるＤＭＦＣは、例えば、特開２００３−１３２９２４号公報等に記載されている。    
【０００７】
また、上記反応式によればメタノールと水は燃料極において等モルで反応するが、実際に燃料極に供給される燃料液には、通常、濃度が３〜５％と低濃度のメタノール水溶液が用いられる。その理由は、メタノールが燃料極で上記の反応を起こさないまま電解質膜を透過して空気極へ到達してしまうというクロスオーバーという現象を防ぐためである。クロスオーバー現象は燃料中のメタノール濃度が高いほど起こりやすい。このようなクロースオーバー現象が発生すると、ＤＭＦＣの二つの極（燃料極及び酸素極）のうち燃料極で起こるべきメタノールの反応が酸素極でも起こり、燃料の無駄と酸素極側の電位低下による電池効率の著しい低下が起こる。従って、通常は、水で希釈した上記の低濃度のメタノール水溶液が用いられる。
【０００８】
このように燃料にアルコールを採用する燃料電池に供給される燃料液には、高濃度燃料液を希釈液で希釈した低濃度燃料液が採用されるのであるが、この場合、予めアルコール濃度を所定濃度まで希釈した溶液を燃料液収容容器に貯蔵し、ポンプを用いて燃料電池に供給する方法も考えられるが、発電時は常に燃料液を供給し続ける必要があるため燃料液がすぐに消費され、頻繁に燃料液収容容器を交換するか、該容器に燃料液を補給しなければならない。
【０００９】
燃料液収容容器を大きくすれば容器交換頻度や該容器への燃料液補給頻度は少なくなるが、小型化を目的とした携帯用の燃料電池システムには不向きである。
この点、例えば、前記の特開２００３−１３２９２４号公報や、特開２００４−１５２５６１号公報は、酸素極から発生する水を回収し、高濃度のアルコールと混合してアルコール濃度を希釈し、燃料電池に供給する方法を提案している。
【００１０】
また、ＤＭＦＣ型燃料電池に限らず、一般に、燃料電池においては、既述のように、酸素極側に電池の電気化学反応により水が生成され、ＤＭＦＣでは、酸素極側に水が生成されるとともに、場合によっては、燃料極側から電解質膜を通って酸素極側へ液が移動してくることもある。
【００１１】
いずれにしても、水等の液体は、酸素極から速やかに排除しないと、酸素極に十分な空気（酸素）を供給できなくなって発電状態が悪化する。
この点、特開２００１−１８５１８１号公報は、燃料として水素を用いる燃料電池において、酸素極への空気（酸素）供給を、酸素極に隣設された室をブロアーで排気して負圧を発生させ、該負圧により外部から該室内へ空気を吸引するとともに該室内の液を蒸発させて排出し、或いはさらに、該室内へ空気を供給するブロアーも設けることを開示している。
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−１３２９２４号公報
【特許文献２】特開２００４−１５２５６１号公報
【特許文献３】特開２００１−１８５１８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、燃料電池システムにおいてはなお次のような問題がある。
すなわち、前記ＤＭＦＣを利用した燃料電池システムを例にとると、電池における電気化学反応により既述のとおり、水が生成される。また、燃料極側から電解質膜を通って酸素極側へ液が移動してくることもある。
【００１４】
これらの液は、酸素極に隣設された、空気（酸素）取り入れのための通気孔を有する液回収室（カソード室）で受けて、該回収室から廃棄したり、高濃度燃料液を希釈する希釈液収容容器へ回収されたりするのであるが、かかる液回収室内の液は、一部が酸素極における触媒槽の表面や内部等に付着、滞留して離れ難くなる場合がある。かかる触媒槽の表面や内部等に付着、滞留する水等の液体は電池の反応効率を低下させる。
【００１５】
また、液体中の不純物や反応による副生成物が酸素極の触媒層上に付着して正常な反応を阻害することもある。                                                            ＤＭＦＣでは、燃料極側から電解質膜を通過して酸素極側へ移行してくることがある液に溶存していた空気等の気体が酸素極の触媒層の表面で析出して滞留し、電池の正常な反応を阻害することもある。
【００１６】
かかる触媒層の内部や表面に付着した水等の液体、不純物、副生成物等は、特開２００１−１８５１８１号公報に記載されているように、液回収室内を負圧に設定するだけでは、なお、十分に除去できない場合がある。
【００１７】
そこで本発明は、電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体及び該電池本体の酸素極に隣設され、液導出口及び空気供給用通気孔を有する液回収室を備えた燃料電池を用いた燃料電池システムであって、電池酸素極の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする水等の液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去できるとともに該酸素極の触媒層に円滑に空気（酸素）を供給でき、それにより電池酸素極での反応を円滑化して、それだけ発電効率を向上させることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は前記課題を解決するため、
電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体及び該電池本体の酸素極に隣設され、液導出口及び空気供給用通気孔を有する液回収室を備えた燃料電池を用いた燃料電池システムであり、該液回収室内気体を該液回収室から排出するための排気部を備えているとともに、前記液導出口に接続された送液ポンプ及び液溜め部を備えており、該送液ポンプ及び液溜め部はこの順序で該液導出口に接続されており、該送液ポンプは、正運転により、該液回収室内液体を該液導出口から吸引導出可能であり、逆運転により、該液導出口から該液回収室内への液体押し込みが可能であり、該送液ポンプが正逆運転されるに伴い前記空気供給用通気孔から該液回収室内への空気供給と前記排気部からの排気が行われる燃料電池システムを提供する。
【００１９】
本発明に係る燃料電池システムによると、燃料電池の酸素極に隣り合う液回収室の液導出口に接続された送液ポンプを正運転することで、液回収室内液体を該液導出口から吸引導出でき、逆運転することで、液導出口から液回収室内へ液体を押し込むことができる。  かくして、液回収室内に液導出口へ向かう正液流、液回収室奥側へ向かう逆液流を発生させることができ、かかる液体の正逆流により、酸素極の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする液体、或いはさらに電池反応により生じることがある副生成物等が揺さぶられ、液流にのせられることで、それらが該触媒層の内部や表面に滞留してしまうことが抑制される。
【００２０】
入れ替わるべき気体が、酸素極の触媒層表面やその内部、或いは、液回収室内の段差部その他の凹所や内壁面に付着することがあっても、また、付着しようとしても、かかる液体の正逆流により、揺さぶられ、或いは、液体の正逆流に伴う液回収室内の気圧変動により、該気体による気泡が圧縮膨張を繰り返して揺さぶられ、それにより気泡はかかる部位から容易に脱離し、円滑に電池外へ除去されることが可能となる。
【００２１】
また、前記送液ポンプが正逆運転されるに伴い前記空気供給用通気孔から該液回収室内への空気供給と前記排気部からの排気が行われるから、酸素極触媒層へ十分な空気（酸素）を供給することができる。
これらにより、電池酸素極の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去できるとともに該酸素極の触媒層に円滑に空気（酸素）を供給でき、それにより電池酸素極での反応を円滑化して、それだけ発電効率を向上させることができる。
【００２２】
以下に上記本発明に係る燃料電池システムのより具体的な例を列挙する。
＜第１例の燃料電池システム＞
前記燃料電池システムにおいて、
前記空気供給用通気孔を開閉する弁が設けられており、前記排気部は、前記液回収室壁に設けた排気孔と該排気孔を開閉する弁とを含んでおり、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されるとき、該液回収室内に発生する負圧により、前記空気供給用通気孔を開閉する弁が開く一方、前記排気部の排気孔を開閉する弁が閉じ、前記送液ポンプの逆運転により前記液回収室内へ液体が押し込まれるとき、該液回収室内に発生する正圧により、前記空気供給用通気孔を開閉する弁が閉じる一方、前記排気部の排気孔を開閉する弁が開く燃料電池システム。
【００２３】
＜第２例の燃料電池システム＞
前記燃料電池システムにおいて、
前記排気部は前記送液ポンプと前記液導出口との間に接続された気液分離器であり、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されるとき、該液回収室内に発生する負圧により、前記空気供給用通気孔から該液回収室内に空気が吸引されるとともに、前記気液分離器において前記液導出口から吸引導出されてくる液体から気体が分離、排出され、前記送液ポンプの逆運転により前記液回収室内へ液体が押し込まれるとき、該液回収室内の気体が前記空気供給用通気孔から吐出される燃料電池システム。
【００２４】
＜第３例の燃料電池システム＞
前記燃料電池システムにおいて、
前記空気供給用通気孔に空気ポンプが接続されており、前記排気部は前記送液ポンプと前記液導出口との間に接続された気液分離器であり、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されるとき、前記気液分離器において前記液導出口から吸引導出されてくる液体から気体が分離、排出され、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内液体が前記液導出口から吸引導出されることで空間となる該液回収室内部分に前記空気ポンプから空気が供給され、前記送液ポンプの逆運転により前記液回収室内へ液体が押し込まれるとき、該液回収室内の気体が前記空気ポンプを介して吐出される燃料電池システム。
【００２５】
既述のいずれの燃料電池システムにおいても、液付着、滞留を抑制するために、また、液回収室内外間に通気が行われる孔部分から液回収室内液体が漏洩することを抑制するために、前記液回収室内面には、撥水処理を施してもよい。
かかる撥水処理は、液回収室内面のうち、少なくとも、液回収室内外間に通気が行われる孔部分がある液回収室内面部分に施すことが望ましい。
【００２６】
前記燃料電池としては、例えば、燃料として、高濃度燃料液を希釈液で希釈した燃料液を用いる電池を挙げることができる。このタイプの燃料電池を採用する場合、前記送液ポンプの正運転により前記液回収室内から吸引導出する液体を希釈液収容容器へ回収可能としてもよい。
【００２７】
かかる燃料電池の代表例として、ＤＭＦＣを挙げることができ、その場合、「高濃度燃料液」として、メタノール、高濃度メタノール水溶液を例示でき、希釈液として水、水を主成分とする液を挙げることができる。この希釈液には、ＤＭＦＣの酸素極（換言すれば、空気極或いはカソード）側で生成される水を利用できる。
【００２８】
また、各ポンプは、システムの小型化、コンパクト化のためにマイクロポンプが推奨されるが、これに限定されない。
マイクロポンプは、システムの小型化、コンパクト化のために燃料電池に一体化して形成してもよい。
【００２９】
マイクロポンプとしては、第１絞り流路、第１絞り流路より短い第２絞り流路、第１、第２の絞り流路間のポンプ室、ポンプ室容積を変動可能のポンプ室に臨むダイアフラム及び該ダイアフラムに設置された駆動アクチュエータを含み、該駆動アクチュエータにパルス電圧を印加することで該パルス電圧波形に応じて、第１絞り流路（又は第２絞り流路）からポンプ室に液体が吸引され、第２絞り流路（又は第１絞り流路）からポンプ室内液体が吐出されるポンプを例示できる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように本発明によると、電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体及び該電池本体の酸素極に隣設され、液導出口及び空気供給用通気孔を有する液回収室を備えた燃料電池を用いた燃料電池システムであって、電池酸素極の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする水等の液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去できるとともに該酸素極の触媒層に円滑に空気（酸素）を供給でき、それにより電池酸素極での反応を円滑化して、それだけ発電効率を向上させることができる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
＜図１に示す燃料電池システム＞
図１の燃料電池システムＡは、燃料電池としてダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）１を採用しており、この電池１に燃料液供給部Ｆから燃料液を供給して発電させることができる。
【００３２】
電池１は、電解質膜１１の両面にアノード（燃料極）１２とカソード（換言すれば、酸素極或いは空気極）１３を接合したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)構造のもので、アノード１２にはセパレータを貼り合わせてアノード室（燃料供給室）１４を形成してあり、カソード１３にもセパレータを貼り合わせてカソード室（液回収室）１５を形成してある。
【００３３】
ここでは、アノード１２は電解質膜１１に接する触媒層（例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの）とこれに積層されたカーボンペーパ等の電極からなり、カソード１３も電解質膜１１に接する同様の触媒層とこれに積層された同様の電極からなっている。アノード室１４は、燃料液供給口１４１及び燃料液回収口１４２を有している。
【００３４】
アノード室１４はさらに、その室壁に電池１の電気化学反応によりアノード１２側で発生する炭酸ガスを外部へ放出するための通気孔１４３を有している。通気孔１４３は室内から外への気体の通過は許すが、室内から外への液体の通過を阻止するように、例えばフッソ系樹脂（例えばＰＴＦＥ）で撥水処理を施したものである。
【００３５】
カソード室１５は電気化学反応によりカソード側に生成される液（水）やアノード側から電解質膜１１を通過してカソード側へ移動してくることがある液を、カソード１３の全体から回収する液通路及び該液通路から液を導出する液導出口１５１を有しており、さらに、カソード１３に対し外部から空気（酸素）を取り入れるための空気供給用の通気孔１５２及びカソード室１５内気体を外部へ放出するための排気部１５Ｅも有している。
【００３６】
カソード室１５では、図５に拡大して示すように、空気供給用通気孔１５２のそれぞれに、該孔を開閉する弁ｖ１を設けてある。排気部１５Ｅは、液導出口１５１とは反対側の端部壁に設けてある。排気部１５Ｅは、該端部壁に形成した排気孔１５３とこれを開閉する弁ｖ２とからなっている。カソード室１５の内面には、弁ｖ１及び通気孔１５２の内周面、さらには、排気部の弁ｖ２及び排気孔１５３の内周面を含め、室内から外への液体の通過を阻止するように、例えばフッソ系樹脂（例えばＰＴＦＥ）で撥水処理ｆを施してある。
【００３７】
燃料液供給部Ｆは、高濃度燃料液（本例では、略１００％濃度のメタノール）を収容する容器Ｃ１に接続された高濃度燃料液供給路Ｌ１を含んでいるとともに、希釈液（本例では水又は水を主成分とする液）を収容する容器Ｃ２に接続された希釈液供給路Ｌ２を含んでいる。
【００３８】
高濃度燃料液供給路Ｌ１には、その途中に、容器Ｃ１の高濃度燃料液を送り出すためのポンプＭＰ１を接続してあり、希釈液供給路Ｌ２には、その途中に、容器Ｃ２内の希釈液を送りだすポンプＭＰ２を接続してある。
供給路Ｌ１、Ｌ２は合流部Ｌ３で合流しており、該合流部Ｌ３からアノード室１４の燃料供給口１４１へ混合流路Ｌ４が延びており、気液分離器Ｆ２を介して燃料供給室１４の燃料供給口１４１に接続さている。
【００３９】
気液分離器Ｆ２は、アノード側で発生するガスが燃料供給口１４１から混合流路Ｌ４の方へ入り込むことを防止するためのもので、ここで気液を分離して気体を外部へ放出する。
アノード室１４の液回収口１４２は、回収路Ｌ５で希釈液収容容器Ｃ２に連通している。回収路５は、アノード側で使用され、メタノール濃度が低下した余剰の燃料液等の液体を容器Ｃ２へ導くものであるが、その途中にはポンプＭＰ３を接続してある。
また、液回収口１４２とポンプＭＰ３との間との間に、液回収口１４２から流出してくる液体からガスを分離して外部へ放出する気液分離器Ｆ１を接続してある。
【００４０】
燃料電池１のカソード室１５の液導出口１５１は気液分離器Ｆ３を介して液回収路Ｌ６にて希釈液収容容器Ｃ２へ配管接続されており、その途中にポンプＭＰ４及び液溜め部１５４がこの順序で接続されている。気液分離器Ｆ３は液導出口１５１から出てくる液体から気体を分離、排出するためのものである。
かかるポンプＭＰ４等は、カソード室１５内の液体を希釈液として用いことができるように、該液体を容器Ｃ２へ回収する液回収部ＲＥを形成している。
【００４１】
前記の気液分離器Ｆ１、Ｆ２及びＦ３は、気液を分離して気体を外部へ放出可能なものであればよく、例えば、それ自体知られている気液分離膜を利用した気液分離器を採用できる。
図１の燃料電池システムＡは、さらに、ポンプＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３及びＭＰ４の駆動回路Ｄ及びポンプ駆動回路Ｄを制御する制御部Ｃｏｎｔを含んでいる。
【００４２】
燃料供給部ＦにおけるポンプＭＰ１、ポンプＭＰ２及びポンプＭＰ３並びにカソード側のポンプＭＰ４は、送液可能なものであればよいが、ここでは、基本構成が図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すもので、図２（Ｃ）や図２（Ｄ）に示す駆動波形信号が印加されることで送液動作を行うマイクロポンプ（図２上「ＭＣ」と総称する。）である。
【００４３】
先ず、構成について説明すると、マイクロポンプＭＣは、液通路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ５或いはＬ６内に設定されたポンプ室ＰＣ、上流側液流路部分Ｌｉとポンプ室ＰＣとの間に形成された絞り流路ｆ１、下流側液流路部分Ｌｏとポンプ室ＰＣとの間に形成された絞り流路ｆ２、ポンプ室ＰＣに臨設されたダイアフラムＤＦ及び該ダイアフラムＤＦに貼設された、アクチュエータの１例である圧電素子ＰＺＴを含んでいる。絞り流路ｆ１とｆ２は断面積は略同じであるが、下流側流路ｆ２の方が上流側流路ｆ１より長い。
【００４４】
ポンプＭＣは、圧電素子ＰＺＴにパルス電圧を印加してポンプ室壁（ダイアフラム）ＤＦを振動させることで、印加パルス電圧波形に応じてポンプ室ＰＣを収縮膨張させ、第１絞り流路ｆ１（又は第２絞り流路ｆ２）からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引し、第２絞り流路ｆ２（又は第１絞り流路ｆ１）からポンプ室内液体を吐出できる。
【００４５】
さらに説明すると、圧電素子ＰＺＴを駆動するパルス電圧として、駆動回路Ｄから例えば図２（Ｃ）に示すように急峻な立ち上がり、緩やかな立ち下がりを示すパルス電圧波形を採用することで、印加電圧の急峻な立ち上がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを急激に変形させてポンプ室ＰＣを急激に収縮させると、長い流路ｆ２では流路抵抗により液体が層流状に流れる一方、短い流路ｆ１では液体が乱流となり、流路ｆ１からの液体の流出が抑制される。これにより、流路ｆ２からポンプ室内液体を吐出することができる。      
【００４６】
また、印加電圧の緩やかな立ち下がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを緩やかに復帰動作させてポンプ室ＰＣを緩やかに膨張させると、短い流路ｆ１からはポンプ室ＰＣ内へ液体が流入する一方、このとき流路ｆ１より流路抵抗が大きい長い流路ｆ２からの液体吐出が抑制される。これにより、流路ｆ１からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引できる。
ポンプＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３、ＭＰ４のそれぞれは、かかる基本構造を有し、かかる動作原理で送液を行うものである。
【００４７】
そこで、図１の燃料電池システムＡにおいて、ポンプＭＰ１、ＭＰ２のそれぞれにおいて、上流側（容器Ｃ１、Ｃ２側）に流路ｆ１を下流側（電池１側）に流路ｆ２を配置することで、ポンプＭＰ１、ＭＰ２を交互に或いは同時に駆動して希釈された燃料液を順方向の流れ（正流）で電池１のアノード室１４へ供給できる。
また、ポンプＭＰ３については、上流側（電池１側）に流路ｆ１を下流側（容器Ｃ２側）に流路ｆ２を配置することで、ポンプＭＰ３駆動して、アノード室１４から使用済燃料液を容器Ｃ２へ回収できる。
さらに、ポンプＭＰ４については、上流側（電池１側）に流路ｆ１を下流側（容器Ｃ２側）に流路ｆ２を配置することで、ポンプＭＰ４駆動して、電池のカソード室１５から容器Ｃ２へ液回収を行える。
【００４８】
図３は、マイクロポンプＭＰ１、ＭＰ２を交互に駆動して高濃度燃料液と希釈液とを交互に混合流路Ｌ４へ送り込む様子を例示しており、交互に送り込まれた高濃度燃料液と希釈液は混合流路を進む間に相互に拡散、混合して希釈された燃料液となり、カソード室１４へ供給される。
マイクロポンプＭＰ１、ＭＰ２を同時に駆動して高濃度燃料液と希釈液と同時に混合流路Ｌ４へ送り込んでも、それら両液が混合流路を進む間に混合され、希釈された燃料液が得られる。
【００４９】
また、駆動回路Ｄから図２（Ｄ）に示す緩やかな立ち上がり、急峻な立ち下がりを示すパルス電圧を印加すると、流路ｆ２からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引し、流路ｆ１からポンプ室内液体を吐出できる。このように、ポンプＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３及びＭＰ４のそれぞれは、逆方向流を発生させるようにも駆動でき、これにより、必要に応じ、アノード室１４内やカソード室１５内に逆流を発生させることもできる。
なお、マイクロポンプは、システムのコンパクト化のためにアノード室１４、カソード室１５と一体的に形成してもよい。
【００５０】
この燃料電池システムＡによると、制御部Ｃｏｎｔの指示のもとにポンプ駆動回路Ｄが各ポンプの圧電素子に駆動信号を入力することで、ポンプＭＰ１により容器Ｃ１から高濃度燃料液を合流部Ｌ３へ送るとともに、ポンプＭＰ２により容器Ｃ２から希釈用液を合流部Ｌ３へ送り、これら液体をひき続き混合流路Ｌ４において混合し、かくして得られる希釈された燃料液（例えば約３％のメタノール水溶液）を燃料電池１に供給し、発電に供し、負荷ＬＤに電力を供給できる。
【００５１】
また、ポンプＭＰ３の働きにより、アノード室１４内の使用済燃料液を容器Ｃ２へ回収することができる。
さらに、燃料電池１における電気化学反応によりカソード１３側に生成される水や、アノード１２側から電解質膜１１を通過してカソード１３側へ到来することがある液体は、ポンプＭＰ４の働きでカソード室１５から容器Ｃ２へ回収できる。なお、燃料電池システムの使用開始当初には、容器Ｃ２に初期水を収容しておけばよい。
【００５２】
図１に示す燃料電池システムＡは基本的には上記のようにして発電させることができるのであるが、電池１における電気化学反応によりアノード（燃料極）１２側に発生する炭酸ガスや燃料液中の不純物、反応に伴う副生成物等を円滑に除去して、発電効率を上げるために、ポンプＭＰ１〜ＭＰ３を例えば次の〔例１〕又は〔例２〕の如く動作するように、制御部Ｃｏｎｔにポンプ駆動回路Ｄを制御させる。なお、〔例１〕、〔例２〕では燃料液供給にあたりポンプＭＰ１、ＭＰ２を交互に駆動する。
【００５３】
〔例１〕
図４（Ａ）に示すように、ポンプ群ＭＰ１、ＭＰ２と、ポンプＭＰ３とを交互に正運転する。ポンプＭＰ１とＭＰ２とを交互に正運転するとき、アノード室１４内は、大気圧に対して加圧状態となる。ポンプ群ＭＰ１、ＭＰ２が停止され、代わりにポンプＭＰ３が正運転されるときアノード室１４内は、大気圧に対して減圧（負圧）状態となる。
なお、ポンプＭＰ３は、既述のポンプ構造のとおり絞り流路ｆ１、ｆ２があるものの、圧電素子ＰＺＴで駆動されていないときは、液の流通が可能である。しかし、その液流通の程度では、ポンプＭＰ１とＭＰ２とを交互に正運転するとき、アノード室１４内は、大気圧に対して加圧状態となる。
【００５４】
かかるアノード室１４内の加圧、減圧を繰り返すことで、アノード１４への燃料液供給を行いつつ、炭酸ガスを圧縮膨張させて移動し易くし、通気孔１４３から排出させる。液回収口１４２から流出する液に混じった炭酸ガスは気液分離器Ｆ１により除去され、燃料供給口１４１から逆流することがあり得る液に混じった炭酸ガスは気液分離器Ｆ２にて除去される。また、燃料液中の不純物や反応に伴う副生成物も動きやすくなり、アノード室外へ円滑に排出される。
このように、炭酸ガスを効率よく排出させながら燃料液を供給する。
【００５５】
〔例２〕
図４（Ｂ）に示すように、ポンプＭＰ１、ＭＰ２をそれらの間においては交互に、しかし、ポンプ群ＭＰ１、ＭＰ２として見た場合は該ポンプ群を連続的に正運転しながら、ポンプＭＰ３を間欠的に逆運転する。ポンプＭＰ３の逆運転時、アノード室１４内圧を上げることができ、その加圧状態に対し、ポンプＭＰ３の停止時にはアノード室１４内を相対的に減圧できる。
【００５６】
かかるアノード室１４内の加圧減圧により、アノード１４への燃料液供給を行いつつ、炭酸ガスを圧縮膨張させて移動し易くし、通気孔１４３から排出させる。液回収口１４２から流出する液に混じった炭酸ガスは気液分離器Ｆ１により除去され、燃料供給口１４１から流出することがあり得る液に混じった炭酸ガスは気液分離器Ｆ２にて除去される。また、燃料液中の不純物や反応に伴う副生成物も動きやすくなり、カソード室外へ円滑に排出される。
このように、炭酸ガスを効率よく排出させながら燃料液を供給する。
【００５７】
また、図１に示す燃料電池システムＡでは、電池１における電気化学反応によりカソード（酸素極）１３側に発生する水や、アノード１２側から電解質膜１１を通ってカソード１３側へ移動してくることがある液体、或いはさらに電池反応による副生成物等がカソード１３の触媒層の内部や表面に付着して滞留し、そのために該触媒層への空気（酸素）の供給が不十分とならないように、ポンプＭＰ４が例えば次の如く動作するように、制御部Ｃｏｎｔにポンプ駆動回路Ｄを制御させる。
【００５８】
図６に示すように、予め定めた期間Ｔａにおいて、ポンプＭＰ４に正逆運転を繰り返させることで、カソード室１５内に液導出口１５１へ向かう正液流、カソード室１５の奥側へ向かう逆液流を交互に発生させ、かかる液体の正逆流により、カソード１３の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする液体、或いはさらに電池反応により生じることがある副生成物等を揺さぶり、該液流にのせることで、それらが該触媒層の内部や表面に滞留してしまうことを抑制する。
【００５９】
さらに、カソード室１５内の入れ替わるべき気体が、酸素極の触媒層表面やその内部、或いは、液回収室内の段差部その他の凹所や内壁面に付着することがあっても、また、付着しようとしても、前記の液体の正逆流により、揺さぶられ、或いは、液体の正逆流に伴うカソード室１５内の気圧変動により、該気体による気泡が圧縮膨張を繰り返して揺さぶられ、それにより気泡はかかる部位から容易に脱離し、円滑に電池外へ除去されることが可能となる。
【００６０】
また、ポンプＭＰ４の正運転時には、カソード室１５内の液体が液導出口１５１から吸引導出されることでカソード室１５内の気圧が大気圧に対し負圧となり、これにより空気供給用通気孔１５２を開閉する弁ｖ１が開いて外から空気がカソード室１５内へ吸引、供給される一方、排気部１５Ｅにおいては、排気孔１５３を開閉する弁ｖ２が閉じられる。      
【００６１】
ポンプＭＰ４の逆運転時には、液導出口１５１とポンプＭＰ４間の流路中の液体、ポンプＭＰ４内に残存していることがある液体、或いはさらに液溜め部１５４内の液体が、液導出口１５１からカソード室１５内へ押し込まれ、これによりカソード室１５内に発生する正気圧により、通気孔１５２を開閉する弁ｖ１が閉じる一方、排気孔１５３を開閉する弁ｖ２が開いて、いままで存在していた、酸素濃度の低下した気体が外部へ排出される。  このように、ポンプＭＰ４が正逆運転されるに伴い通気孔１５２からカソード室１５内への空気供給と排気部１５Ｅからの排気が行われるから、カソード１３の触媒層へ十分な空気（酸素）を円滑に供給することができる。
【００６２】
これらにより、カソード１３の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去できるとともにカソード１３の触媒層に円滑に空気（酸素）を供給でき、それによりカソード１３側での反応を円滑化して、それだけ発電効率を向上させることができる。
【００６３】
期間Ｔａの次の期間Ｔｂでは、ポンプＭＰ４を連続的に正運転して、カソード室１５から液体を容器Ｃ２へ回収する。さらに次の期間Ｔｃ（＜Ｔｂ）では、液溜め部１５４内の液を用いて、カソード室１５内へ液を供給し、その後、再び前記期間Ｔａのときと同様にポンプＭＰ４を正逆運転する。
以上の動作を繰り返させる。
【００６４】
図７はカソード室１５の他の例を示している。図７に示すカソード室１５では、カソード室壁に複数の空気供給用通気孔１５２’が形成されている。各通気孔１５２’は、図５のカソード室１５における通気孔１５２と異なり弁ｖ１は設けられておらず、気体の通過は許すが、液体の通過は阻止する程度の小径に形成されている。カソード室１５の内面には例えばフッ素系樹脂（例えばＰＴＦＥ）により撥水処理ｆを施してある。
【００６５】
このカソード室１５の場合も、カソード１３の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする水等の液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去するとともにカソード１３の触媒層に円滑に空気（酸素）を供給できるように、ポンプＭＰ４が例えば次の如く動作するように、制御部Ｃｏｎｔにポンプ駆動回路Ｄを制御させる。
【００６６】
すなわち、図８に示すように、予め定めた期間Ｔａ’において、ポンプＭＰ４に正逆運転を繰り返させることで、カソード室１５内に正液流、逆液流を交互に発生させ、かかる液体の正逆流により、カソード１３の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする液体、或いはさらに電池反応により生じることがある副生成物等を揺さぶり、該液流にのせることで、それらが該触媒層の内部や表面に滞留してしまうことを抑制する。
【００６７】
さらに、カソード室１５内の入れ替わるべき気体が、酸素極の触媒層表面やその内部、或いは、液回収室内の段差部その他の凹所や内壁面に付着することがあっても、また、付着しようとしても、前記の液体の正逆流により、揺さぶられ、或いは、液体の正逆流に伴うカソード室１５内の気圧変動により、該気体による気泡が圧縮膨張を繰り返して揺さぶられ、それにより気泡はかかる部位から容易に脱離し、円滑に電池外へ除去されることが可能となる。
【００６８】
また、ポンプＭＰ４の正運転時には、カソード室１５内の液体が液導出口１５１から吸引導出されることでカソード室１５内の気圧が大気圧に対し負圧となり、これにより空気供給用通気孔１５２から空気がカソード室１５内へ吸引、供給される一方、液導出口１５１から吸引導出された液体中の気体が気液分離器Ｆ３において分離され、排出される。ここでは、気液分離器Ｆ３が排気部として機能する。
【００６９】
ポンプＭＰ４の逆運転時には、液導出口１５１とポンプＭＰ４間の流路中の液体、ポンプＭＰ４内に残存していることがある液体、或いはさらに液溜め部１５４内の液体が、液導出口１５１からカソード室１５内へ押し込まれ、これによりカソード室１５内に発生する正気圧により、通気孔１５２からカソード室１５内の、酸素濃度の低下した気体が外部へ排出される。  
【００７０】
これらにより、カソード１３の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去できるとともにカソード１３の触媒層に円滑に空気（酸素）を供給でき、それによりカソード１３での反応を円滑化して、それだけ発電効率を向上させることができる。
【００７１】
期間Ｔａ’の次の期間Ｔｂ’では、ポンプＭＰ４を連続的に正運転して、カソード室１５から液体を容器Ｃ２へ回収する。さらに次の期間Ｔｃ’（＜Ｔｂ’）では、液溜め部１５４内の液を用いて、カソード室１５内へ液を供給し、その後、再び前記期間Ｔａ’のときと同様にポンプＭＰ４を正逆運転する。
以上の動作を繰り返させる。
【００７２】
図９（Ａ）はカソード室１５のさらに他の例を示している。図９に示すカソード室１５では、空気供給用通気孔として、液導出口１５１とは反対側端部におけるカソード室壁に、排気孔も兼ねる通気孔１５３’が形成されており、これに空気ポンプ２を接続してある。カソード室内面には撥水処理ｆが施されている。
【００７３】
空気ポンプ２は、図９（Ｂ）に示すようにダイアフラムポンプであり、ケース２１におけるポンプ室２０に対して、該ケースにダイアフラム２２を張設してあり、これをアクチュエータの１例である圧電素子２３で振動させて、ポンプ室２０の容積を増減できるようにしたものである。
【００７４】
ケース２１にはポンプ室２０に通じる吸気孔２４及び吐出孔２６が形成されており、吸気孔２４に対して弁２５が、吐出孔２６に対して弁２７が設けられている。
ダイアフラム２２が、変形してポンプ室２０の容積を縮めると、弁２５は弁座Ｓ１に当接する一方、弁２７が開いてポンプ室内空気を吐出し、カソード室１５の通気孔１５３’からカソード室１５内へ空気を供給できる。
【００７５】
ダイアフラム２２が反対側へ変形してポンプ室２０の容積が増すと、弁２７が弁座Ｓ２に当接する一方、弁２５が開き、ポンプ室２０内へ空気を吸引することができる。
かかるダイアフラム２２の変形に伴うポンプ室２０の容積の増減によりポンプ室２０内へ空気を吸い込み、吸い込んだ空気をカソード室１５内へ供給する。
【００７６】
ポンプ２の弁２５、２７は、圧電素子２３によるダイアフラム２２の駆動に伴って開閉動作するが、ダイアフラム２２が駆動されないときは、弁座Ｓ１、Ｓ２から離れ、孔２４、２６によるポンプ室内外間の通気が自由となる。
ポンプ２も制御部Ｃｏｎｔの指示のもとに駆動回路Ｄにて駆動する。
【００７７】
このカソード室１５の場合も、カソード１３の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする水等の液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去するとともにカソード１３の触媒層に円滑に空気（酸素）を供給できるように、ポンプＭＰ４及びポンプ２が例えば次の如く動作するように、制御部Ｃｏｎｔにポンプ駆動回路Ｄを制御させる。
【００７８】
すなわち、図１０に示すように、期間Ｔ１においてポンプ２をオフし、ポンプＭＰ４を正運転する。そのとき、カソード室１５内の液体は液導出口１５１から導出され、容器Ｃ２に回収される。該液体中の気体は気液分離器Ｆ３において分離、排出される。ここでは、気液分離器Ｆ３は排気部として機能する。また、ポンプ２がオフされ、ポンプＭＰ４が正運転される期間Ｔ１では、カソード室１５内は負圧になるので、オフ状態のポンプ２を介して通気孔１５３’からカソード室１５内へ空気が吸引される。
【００７９】
次の期間Ｔ２では、ポンプＭＰ４をオフし、ポンプ２を正運転する。このとき、ポンプ２によりカソード室１５内へ空気が強制的に供給され、カソード室１５内に充満した空気は液導出口１５１から気液分離器Ｆ３にまで達し、ここから余剰の空気が排出される。しかし、かかるカソード室１５内への空気供給においては、気流によりカソード１３の表面等における水等の液体が液導出口１５１付近に押し出され、液導出口の周辺に水が滞留（極端な場合は液導出口を閉鎖）し、気液分離器にまで水を到達させることができないことがある。
【００８０】
そこで、さらに次の期間Ｔ３（＜Ｔ１）では、ポンプ２をオフし、ポンプＭＰ４を逆運転し、液溜め部１５４内の液体を用いて液導出口１５１とその周辺にまで液体を供給し、液導出口周辺の水を呼び込み、その状態からポンプＭＰ４を正運転に切り替える。以上のポンプ動作を繰り返させる。
【００８１】
かくして、カソード１３の触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする液体、或いはさらに該触媒層の内部や表面に付着した、或いは付着しようとする電池反応の副生成物等を速やかに該触媒層から除去できるとともにカソード１３の触媒層に円滑に空気（酸素）を供給でき、それによりカソード１３での反応を円滑化して、それだけ発電効率を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、燃料電池を利用した燃料電池システムにおいて、燃料電池の酸素極側に生成する水等を酸素極側から円滑に除去するとともに酸素極に空気（酸素）を円滑に供給して発電効率を向上させることに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの１例を示す図である。
【図２】図２（Ａ）は燃料電池システムで採用可能のマイクロポンプ例の断面図であり、図２（Ｂ）は同マイクロポンプの平面図であり、図２（Ｃ）はマイクロポンプを正運転するときの駆動信号波形例を示しており、（Ｄ）はマイクロポンプを逆運転するときの駆動信号波形例を示している。
【図３】二つのマイクロポンプで高濃度燃料液と希釈液とを交互に送液して希釈された燃料液を電池に供給する例を示す図である。
【図４】図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、それぞれ、図１の燃料電池システムによるアノード側ポンプの動作例を示すタイミングチャートである。
【図５】図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池構造を拡大して示す図である。
【図６】図１の燃料電池システムによる、カソード側ポンプ及び弁の動作例を示すタイミングチャートである。
【図７】カソード室の他の例を示す図である。
【図８】図７に示す構造のカソード室を採用する場合のカソード側ポンプの動作例を示すタイミングチャートである。
【図９】カソード室のさらに他の例を示す図である。
【図１０】図９に示す構造のカソード室を採用する場合のカソード側ポンプの動作例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００８４】
Ａ  燃料電池システム
１  燃料電池
１１  電解質膜
１２  アノード（燃料極）
１３  カソード（酸素極）
１４  アノード室（燃料供給室）
１４１  燃料液供給口
１４２  燃料液回収口
１４３  通気孔
１５  カソード室（液回収室）
１５１  液導出口
１５２  空気供給用通気孔
ｖ１  通気孔１５２の弁
１５Ｅ  排気部
１５３  排気孔
ｖ２  排気孔１５３の弁
１５４  液溜め部
ｆ  撥水処理部
１５２’空気供給用通気孔兼排気孔
１５３’  通気孔兼排気孔
２  空気ポンプ
２０  ポンプ室
２１  ポンプケース
２２  ダイアフラム
２３  圧電素子
２４  吸気孔
２５  弁
Ｓ１  弁座
２６  吐出孔
２７  弁
Ｓ２  弁座
Ｆ  燃料液供給部
Ｃ１  高濃度燃料液収容容器
Ｃ２  希釈液収容容器
Ｌ１  高濃度燃料液供給路
Ｌ２  希釈液供給路
Ｌ３  合流部
Ｌ４  混合流路
Ｌ５  液回収路
Ｌ６  液回収路
ＭＰ１〜ＭＰ４、ＭＣ  マイクロポンプ
ＰＣ  ポンプ室
ｆ１、ｆ２  絞り流路
Ｌｉ  上流側通路
Ｌｏ  下流側通路
ＤＦ  ダイアフラム
ＰＺＴ  圧電素子
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３  気液分離器
Ｄ  ポンプ駆動回路
Ｃｏｎｔ  制御部
ＬＤ  負荷
【図１】
2006278130.tif 000003
【図２】
2006278130.tif 000004
【図３】
2006278130.tif 000005
【図４】
2006278130.tif 000006
【図５】
2006278130.tif 000007
【図６】
2006278130.tif 000008
【図７】
2006278130.tif 000009
【図８】
2006278130.tif 000010
【図９】
2006278130.tif 000011
【図１０】
2006278130.tif 000012