(57)【要約】【課題】燃料供給のための電力消費を低減し、簡易で小型な構成で燃料供給を行なう。【解決手段】燃料容器１０は、燃料電池本体１に燃料を供給するために用いられる。燃料容器１０は、アノード燃料１２が充填されるアノード燃料室１４と、燃料供給部材１１が配設される燃料供給部材室１３を有し、これらの間には、圧力により変位可能な隔壁１５が配置されている。燃料供給部材１１は、燃料電池本体１で生成された水と作用して、その体積が増大する物質または水と反応して気体を生成する物質により構成されている。そして燃料電池本体１から生成水が導入され、燃料供給部材１１が作用を受けると、隔壁１５が圧力を受けて変位し、アノード燃料室１４からアノード燃料１２が押し出されて、燃料電池本体１に供給される。【選択図】図３
2006120528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料を供給するための燃料供給方法において、燃料電池で燃料が消費されたときに生成される生成水の作用により体積が増加する燃料供給部材を用い、該燃料供給部材の体積の増加によって燃料を燃料電池に供給することを特徴とした燃料電池の燃料供給方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の燃料供給方法において、前記燃料供給部材は、前記生成水を吸収して体積を増加させることを特徴とした燃料電池の燃料供給方法。
【請求項３】
燃料電池に燃料を供給するための燃料供給方法において、燃料電池で燃料が消費されたときに生成される生成水の作用により反応が生じて気体を発生させる燃料供給部材を用い、該燃料供給部材が発生した気体によって燃料を燃料電池に供給することを特徴とした燃料電池の燃料供給方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１に記載の燃料電池の燃料供給方法において、前記燃料電池に燃料を供給する燃料容器に圧力により変位可能な隔壁を用い、前記燃料供給部材に前記生成水が作用することで生じる圧力により前記隔壁を変位させ、該隔壁の変位によって燃料を前記燃料電池に供給するようにしたことを特徴とする燃料電池の燃料供給方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１に記載の燃料電池の燃料供給方法において、前記燃料としてアルコールを含有する燃料を用いることを特徴とした燃料電池の燃料供給方法。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池の燃料供給方法において、前記アルコールは、エタノールを含有することを特徴とした燃料電池の燃料供給方法。
【請求項７】
燃料電池に燃料を供給するために用いる燃料容器であって、該燃料容器は、燃料電池に供給するための燃料が充填される燃料室と、該燃料室を構成する壁部の一部を隔壁とし、該隔壁を介して燃料室に隣接して配置される燃料供給部材室とを有し、該燃料供給部材室は、燃料電池で生成された生成水の作用により、体積が増加するかもしくは気体を発生する燃料供給部材が配設され、前記隔壁は、前記供給部材の体積の増加もしくは前記気体の発生による圧力に応じて燃料室の容積を小さくするように変位可能に構成されていることを特徴とする燃料容器。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料容器において、前記隔壁は、前記圧力で変位した際にも、前記燃料容器から前記燃料電池に燃料を供給するための燃料供給口を塞がないように構成されていることを特徴とする燃料容器。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料容器において、該燃料容器は、前記隔壁が前記圧力で変位した際に、該隔壁が前記燃料供給口を塞がないように該燃料供給口近傍における前記隔壁の変位を止めるためのストッパを備えることを特徴とする燃料容器。
【請求項１０】
請求項７ないし９のいずいれか１に記載の燃料容器において、該燃料容器は、燃料電池で生成された生成水が前記燃料供給部材室に導入されるように、前記燃料供給部材室と前記燃料電池とを連結するための生成水導入路を有し、該生成水導入路には、開閉可能な弁が備えられていることを特徴とする燃料容器。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料容器において、前記生成水導入路には、前記開閉可能な弁が２箇所に設けられ、該２箇所の弁の間で前記燃料供給部材室に対する前室が形成されていることを特徴とする燃料容器。
【請求項１２】
請求項７ないし１１のいずれか１に記載の燃料容器と、燃料電池とを有し、該燃料電池が前記燃料容器からの燃料の供給を受けるとともに、前記燃料容器の前記燃料供給部材室に対して前記燃料電池で生成された生成水を導入するように構成されていることを特徴とする電源システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電源システムにおいて、前記燃料電池の燃料がアルコールを含有するものであることを特徴とする電源システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の電源システムにおいて、前記アルコールは、エタノールを含有するものであることを特徴とする電源システム。
【請求項１５】
請求項１２ないし１４のいずれか１に記載の電源システムを備えた携帯機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の燃料供給方法、燃料容器、電源システム及び該電源システムを備えた携帯機器に関し、さらに詳しくは、燃料電池の生成水を利用して該燃料電池に燃料を供給する方法およびこれを実現する燃料容器、およびその燃料容器と燃料電池とを備えた電源システム、およびその電源システムを備えた携帯機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
温暖化ガスに代表される環境問題の観点から、クリーンエネルギー源としての燃料電池が急ピッチで開発されてきている。これは、燃料電池の排出物が基本的には水のみになることによるものである。
また別な観点として、携帯機器の電源としての燃料電池にも期待が高まっている。これは、燃料電池のエネルギー密度が、従来の電池と比較して高いことから、携帯機器の駆動時間を飛躍的に長くできるためである。
【０００３】
上記のような燃料電池において、効率良く反応を起こすためには一定量以上の燃料を供給することが必要である。しかしながら燃料電池の発電において燃料供給のためのポンプなどの動力にエネルギーを消費すると、発電効率が下がってしまう。また、とくに携帯機器に用いる場合においては、このような周辺機器が小型化、軽量化の妨げとなっており、周辺機器はより小型で発電効率の良い燃料電池の課題となっている。また携帯機器の用途では、燃料電池が生成する水の排出が問題となっており、排出される水は何からの形で回収しなくてはならないという問題もある。
【０００４】
ポンプ等を使用することなく燃料電池に燃料を供給するための機構に関し、例えば、特許文献１では、シリンダ状の燃料室の内部圧力に応じて、ばねにより燃料室を圧縮することにより、燃料を押し出して供給するようにした構成が開示されている。しかしながら、上記特許文献１の構成では、燃料消費と連動して燃料を供給することが困難である。
【特許文献１】特開２０００−３１４３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、その目的は、生成水を燃料の供給動力に利用して、燃料供給のための電力消費を低減し、簡易で小型な構成で燃料供給を行なうようにした燃料電池の燃料供給方法を提供することである。
【０００６】
さらに本発明の他の目的は、上記の燃料供給方法において、燃料の供給をより簡便かつ効率的に行うことである。
さらに本発明の他の目的は、上記の燃料供給方法において、燃料の供給動力を生じさせる部材と燃料との混合を防ぎ、効率的に燃料供給を行なうことである。
【０００７】
さらに本発明の他の目的は、上記の燃料供給方法において、燃料電池の駆動時間を向上させる燃料を供給することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の燃料供給方法において、環境保全性および安全性が高い燃料を供給することである。
【０００８】
さらに本発明の他の目的は、燃料電池に燃料を供給するための燃料容器において、燃料の供給動力を生じさせる部材と燃料との混合を防ぎ、効率的に燃料供給を行なうことができるようにした燃料容器を提供することである。
【０００９】
さらに本発明の他の目的は、上記の燃料容器において、燃料の供給動力を生じさせる部材と燃料との混合を防ぐ機構が燃料供給を妨げないように、信頼性をもって動作する燃料容器を提供することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の燃料容器において、燃料の供給動力を生じさせる圧力を、燃料電池側に戻すことなく、燃料の供給に効果的に用いることができるようにすることである。
さらに本発明の他の目的は、上記の燃料容器により燃料電池に効率的に燃料を供給するようにした電源システムを提供することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の電源システムにおいて、燃料電池の駆動時間を向上させる燃料を供給することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の電源システムにおいて、環境保全性および安全性が高い燃料を供給することである。
さらに本発明の他の目的は、上記の電源システムを備えた小型・軽量で携帯性のよい機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、燃料電池に燃料を供給するための燃料供給方法において、燃料電池で燃料が消費されたときに生成される生成水の作用により体積が増加する燃料供給部材を用い、該燃料供給部材の体積の増加によって燃料を燃料電池に供給することを特徴とする。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載の燃料電池の燃料供給方法において、前記燃料供給部材は、前記生成水を吸収して体積を増加させることを特徴とする。
【００１２】
請求項３の発明は、燃料電池に燃料を供給するための燃料供給方法において、燃料電池で燃料が消費されたときに生成される生成水の作用により反応が生じて気体を発生させる燃料供給部材を用い、該燃料供給部材が発生した気体によって燃料を燃料電池に供給することを特徴とする。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれか１に記載の燃料電池の燃料供給方法において、前記燃料電池に燃料を供給する燃料容器に圧力により変位可能な隔壁を用い、前記燃料供給部材に前記生成水が作用することで生じる圧力により前記隔壁を変位させ、該隔壁の変位によって燃料を前記燃料電池に供給するようにしたことを特徴とする。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれか１に記載の燃料電池の燃料供給方法において、前記燃料としてアルコールを含有する燃料を用いることを特徴とする。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項５に記載の燃料電池の燃料供給方法において、前記アルコールは、エタノールを含有することを特徴とする。
【００１６】
請求項７の発明は、燃料電池に燃料を供給するために用いる燃料容器であって、該燃料容器は、燃料電池に供給するための燃料が充填される燃料室と、該燃料室を構成する壁部の一部を隔壁とし、該隔壁を介して燃料室に隣接して配置される燃料供給部材室とを有し、該燃料供給部材室は、燃料電池で生成された生成水の作用により、体積が増加するかもしくは気体を発生する燃料供給部材が配設され、前記隔壁は、前記供給部材の体積の増加もしくは前記気体の発生による圧力に応じて燃料室の容積を小さくするように変位可能に構成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項８の発明は、請求項７に記載の燃料容器において、前記隔壁は、前記圧力で変位した際にも、前記燃料容器から前記燃料電池に燃料を供給するための燃料供給口を塞がないように構成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項９の発明は、請求項８に記載の燃料容器において、該燃料容器は、前記隔壁が前記圧力で変位した際に、該隔壁が前記燃料供給口を塞がないように該燃料供給口近傍における前記隔壁の変位を止めるためのストッパを備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項１０の発明は、請求項７ないし９のいずいれか１に記載の燃料容器において、該燃料容器は、燃料電池で生成された生成水が前記燃料供給部材室に導入されるように、前記燃料供給部材室と前記燃料電池とを連結するための生成水導入路を有し、該生成水導入路には、開閉可能な弁が備えられていることを特徴とする。
【００２０】
請求項１１の発明は、請求項１０に記載の燃料容器において、前記生成水導入路には、前記開閉可能な弁が２箇所に設けられ、該２箇所の弁の間で前記燃料供給部材室に対する前室が形成されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項１２の発明は、請求項７ないし１１のいずれか１に記載の燃料容器と、燃料電池とを有し、該燃料電池が前記燃料容器からの燃料の供給を受けるとともに、前記燃料容器の前記燃料供給部材室に対して前記燃料電池で生成された生成水を導入するように構成されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項１３の発明は、請求項１２に記載の電源システムにおいて、前記燃料電池の燃料がアルコールを含有するものであることを特徴とする。
【００２３】
請求項１４の発明は、請求項１３に記載の電源システムにおいて、前記アルコールは、エタノールを含有するものであることを特徴とする。
【００２４】
請求項１５の発明は、請求項１２ないし１４のいずれか１に記載の電源システムを備えた携帯機器である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の燃料電池の燃料供給方法によれば、生成水を燃料の供給動力に利用して、燃料供給のための電力消費を低減し、簡易で小型な構成で燃料供給を行なうようにすることができる。ここでは、生成水を有効に利用することにより、燃料消費と連動した燃料供給を行ない、燃料供給のための動力が削減可能となる。
さらに本発明の燃料供給方法によれば、上記の燃料供給方法において、燃料の供給をより簡便かつ効率的に行うことができる。
さらに本発明の燃料供給方法によれば、上記の燃料供給方法において、燃料の供給動力を生じさせる部材と燃料との混合を防ぎ、効率的に燃料供給を行なうことができる。
【００２６】
さらに本発明の燃料供給方法によれば、上記の燃料供給方法において、燃料電池の駆動時間を向上させる燃料を供給することができる。
さらに本発明の燃料供給方法によれば、上記の燃料供給方法において、環境保全性および安全性が高い燃料を供給することができる。
【００２７】
また本発明の燃料容器によれば、燃料の供給動力を生じさせる部材と燃料との混合を防ぎ、効率的に燃料供給を行なうことができるようになる。
さらに本発明の燃料容器によれば、上記の燃料容器において、燃料の供給動力を生じさせる部材と燃料との混合を防ぐ機構が燃料供給を妨げないように、信頼性をもって動作する燃料容器を提供することである。
さらに本発明の燃料容器によれば、上記の燃料容器において、燃料の供給動力を生じさせる圧力を、燃料電池側に戻すことなく、燃料の供給に効果的に用いることができる。
【００２８】
また本発明の電源システムによれば、上記の燃料容器により効率的に燃料を供給することができるシステムを提供することができる。
さらに本発明の電源システムによれば、上記の電源システムにおいて、燃料電池の駆動時間を向上させる燃料を供給することができる。
さらに本発明の電源システムによれば、上記の電源システムにおいて、環境保全性および安全性が高い燃料を供給することができる。
また本発明の携帯機器によれば、上記の電源システムを備えた小型・軽量で携帯性のよい機器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】
【００２９】
以下に本発明の実施の形態を添付された図面を参照しながら具体的に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同様の機能を有する部分には同じ符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００３０】
プロトン伝導型電解質を使用した燃料電池を例にとり、その発電概念図を図１に示す。
図１において、１は燃料電池本体、２は伝導電解質膜、３はアノード、４はカソード、５はアノード側セパレータ、６はカソード側セパレータ、７はアノード燃料（主に水素やアルコール）の流路となる溝、８カソード燃料（主に空気や酸素）や生成水の流路となる溝である。燃料電池の発電部は、実際には、上記のような燃料電池本体１のように構成されたセルが、多数積み重ねられたセルスタックとして構成される。
【００３１】
燃料電池本体１は、その基本的構成要素として、中心にイオン伝導体（図１の場合はプロトン伝導体）よりなる伝導電解質膜２を有し、その両側に電極としてアノード３およびカソード４が配置された構成を有している。アノード３及びカソード４は、通常、拡散層と触媒とを有して構成され、拡散層で燃料を拡散するとともに、触媒によって反応を促進させる。例えば、アノード３は、白金や白金・ルテニウム等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる燃料極で、カソード４は、白金等の触媒微粒子が付着した炭素電極からなる空気極として構成される。また、伝導電解質膜２は、例えば、アノード３とカソード４との間に介装されたフィルム状のイオン導電膜(交換膜)により構成される。
【００３２】
伝導電解質膜２にプロトン伝導型の電解質が使用される場合、アノード３側にプロトン源となるアノード燃料（水素、アルコールなど）が供給されると、アノード３内の触媒作用により、アノード燃料から水素イオンが発生する。このとき、発生する電子は外部回路に流れ出る。そして発生した水素イオンは、伝導電解質膜２を伝搬してカソード４に達する。そしてカソード４に酸化剤（空気、酸素など）からなるカソード燃料が供給されることにより、水素イオンと酸素と外部回路を通して流れてくる電子とが反応し、水が生成される。以上が発電の概念で、これを反応式として表すと以下のようになる。
【００３３】
アノード反応；Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-（水素燃料の場合）
カソード反応；２Ｈ+  ＋  １／２Ｏ2  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ
全反応；Ｈ2＋１／２Ｏ2 → Ｈ2Ｏ
【００３４】
上記のような燃料電池において、効率良く反応を起こすためには一定量以上の燃料を供給することが必要である。ここで燃料電池本体１では、上記の全反応を見ても明らかなように、水が排出物として発生してくる。発電初期においては、燃料が拡散して電極触媒で反応を起こすことで、徐々に生成水が発生してくる。本発明では、燃料供給のためのポンプなどの動力機器を用いることなく、上記反応によって得られる生成水を利用することで、燃料を効率的に燃料電池本体１に供給することにより、小型で発電効率のよい電源システムを提供することができる。
【００３５】
図２は、本発明の燃料供給部材による燃料供給の原理を模式的に説明するための図で、図中、１０は燃料容器、１１は燃料供給部材、１２はアノード燃料、２０は生成水導入路、２１はアノード燃料供給路、２１ａは燃料容器１０からアノード燃料供給路２１にアノード燃料１２を供給するための燃料供給口である。燃料電池本体１において上記の反応によって生成する水を利用して、燃料電池本体１のアノード３への燃料の供給を行う。ここでは、水と作用してその体積を増加させる燃料供給部材１１を使用する。燃料供給部材１１は、燃料容器１０の内部に配設され、その体積が増加したときにアノード燃料１２に作用して圧力を加え、アノード燃料１２をアノード燃料供給路２１に送出して、燃料電池本体１に供給する。
【００３６】
上記の反応によって水が発生するのはカソード４側であるので、カソード４側のセパレータ６と、燃料容器１０とが生成水導入路２０にて連結される。カソード４側で生成した水は、生成水導入路２０を通って、燃料供給部材１１とアノード燃料１２とが配置された燃料容器１０に流れ込み、燃料供給部材１１がその水と作用して体積を増加させる。これにより上記のように体積を増加させた燃料供給部材１１によりアノード燃料１２に対して圧力が加わり、アノード燃料１２が燃料供給口２１ａからアノード燃料供給路２１に送出され、燃料電池本体１のアノード３側に供給される。
【００３７】
図３は、本発明の燃料容器及びその燃料容器を用いた電源システムの構成例を概念的に説明するための図で、図中、１３は燃料供給部材室、１４はアノード燃料室、１５は隔壁、２２は生成水導入路開閉弁、２３はアノード燃料供給路開閉弁である。燃料電池本体１と、その燃料電池本体１に対して燃料を供給するとともに燃料電池本体１から生成水を導入する配管系を含む燃料容器１０とによる全体の構成が、本発明の電源システムに該当する。ここで電源システムは、後述する構成例のように、燃料電池本体１の動作や燃料供給を制御する制御装置等の周辺機器が通常含まれる。
【００３８】
図３に示す構成において、燃料容器１０には、燃料供給部材１１を配設する燃料供給部材室１３と、アノード燃料１２が充填されるアノード燃料室１４とが形成されている。ここでは、アノード燃料室１４を構成する壁部の一部が隔壁１５として構成され、燃料供給部材室１３は、その隔壁１５を介してアノード燃料室１４に隣接して配置されている。
【００３９】
この隔壁１５は、圧力に応じて変位可能に構成され、燃料供給部材１１が生成水によりその体積を増加させたときに、その体積の増加による圧力に応じて変位し、アノード燃料室１４の容積を小さくして、アノード燃料供給路２１にアノード燃料１２を送出する。このような圧力に応じて変位可能な隔壁１５は、フレキシブルな部材であってもよく、シリンダのように平面を維持したまま移動する部材であってもよい。
【００４０】
例えば、図２のような構成で、アノード燃料１２が液体の場合、燃料容器１０では、アノード燃料１２と燃料供給口２１ａとが、燃料供給部材１１に対して重力方向の下方に存在しなければアノード燃料１２がうまく供給されない。これに対して、図３に示すように、燃料供給部材室１３とアノード燃料室１４との間に隔壁１５を設けることにより、アノード燃料１２と燃料供給部材１１の位置関係に自由度が増す。さらに、隔壁１５を有することで、アノード燃料１２と燃料供給部材１１との混合がなくなるため、各部材の選択性が広くなる。
【００４１】
具体的には、隔壁１５がない場合は、図４のように燃料供給部材と生成水の混合物１１´がアノード燃料１２に対して下（または上）に偏ってしまい、アノード燃料１２がアノード燃料供給路２１に完全に供給される前に、この混合物１１´が燃料供給口２１ａを塞いでしまうことがある。そこで、図５に示すように、隔壁１５を燃料供給部材１１とアノード燃料１２との間に設けることにより、上記のような燃料供給部材１１の偏りを防ぐことができる。このときに、隔壁１５の面を燃料供給口２１ａの形成面に平行とすることにより、燃料供給のための圧力をアノード燃料１２に無駄なく加えることができる。
【００４２】
更に図６に示すように、燃料供給口２１ａの配設位置によっては、アノード燃料１２をアノード燃料供給路２１に完全に供給する前に、燃料供給口２１ａが隔壁１５で塞がれてしまうことがある。このような状態になることを防ぐために、図７のように、燃料供給口２１ａの近傍に、隔壁１５が変位しても燃料供給口２１ａを塞がないようにした隔壁ストッパ１９を設ける。ここで隔壁１５が、シリコンゴムのような外力によって変形する部材であるとき、燃料供給口２１ａを塞ぐことなく燃料容器１０に充填されたアノード燃料１２を最後まで供給することができる。また、図８に示すように、予め隔壁１５の形状を、燃料供給口２１ａを塞ぐことのない形状にしておいてもよい。つまり、隔壁１５は、上記のような構成により、フレキシブルな部材であってもよく、シリンダのように面を保持したまま移動する部材であってもよい。
【００４３】
上記の各例において、燃料供給部材１１として、生成水の作用によりその体積が増加する部材を用いたが、燃料供給部材１１は、生成水の作用により気体を発生させる部材であってもよい。生成水導入路２０から燃料容器１０に生成水が導入され、燃料供給部材１１が反応して気体を発生すると、燃料供給部材室１３内の圧力が増大し、隔壁１５を変位させ、これによりアノード燃料１２を燃料電池本体１に供給することができる。
【００４４】
上記のように、水の作用により体積を増加させる燃料供給部材１１によれば、生成水を取り込むことで燃料供給部材１１の分子の自由度が増し、その体積が増加する。または、水と反応して気体を発生する燃料供給部材１１では、発生した気体により燃料供給部材室１３の圧力が増大する。そしてこれらにより、変位可能な隔壁１５に圧力を加えることができ、内圧の上がったアノード燃料室１４から燃料が供給される。ここで燃料容器１０の材料としては、燃料室に圧力が伝えられるように、内圧が上昇しても変形しないものを用いることが好ましく、プラスチックやガラス、ステンレスなどを用いることが可能である。
【００４５】
次に、燃料容器１０に連結される生成水導入路２０には、図３に示すような開閉可能な弁（生成水導入路開閉弁）２２を設けることが望ましい。生成水導入路２０から燃料容器１０の燃料供給部材室１３に対して生成水が導入され、燃料供給部材１１と生成水とが作用したとき、生成水導入路開閉弁２２を閉じることにより、燃料供給部材１１の体積膨張による圧力を燃料供給に有効に使うことができる。また、アノード燃料供給路開閉弁２３により、アノード燃料供給路２１の開閉を行うことができ、燃料電池本体１に向かう燃料供給を自在に制御することができる。
【００４６】
図９は、本発明の他の実施形態による燃料容器及びその燃料容器を用いた電源システムの構成例を概念的に説明するための図で、図中、１７はカソード燃料室、１８はカソード燃料、２４はカソード燃料供給路、２５はカソード燃料供給路開閉弁である。
本実施形態では、燃料容器１０には、上記燃料供給部材室１３およびアノード燃料室１４に加えて、カソード燃料１８が充填されるカソード燃料室１７が形成される。ここでは、燃料供給部材室１３を中央にしてその一方の側にアノード燃料室１４が形成され、他方の側にカソード燃料室１７が形成される。
【００４７】
燃料供給部材室１３とカソード燃料室１７との間には、上記隔壁１５と同様な構成で、圧力に応じて変位する隔壁１６が配設される。このような構成により、燃料供給部材１１の体積が生成水の作用によって増加したときに、もしくは燃料供給部材１１が生成水と作用して気体が発生したときに、各隔壁１５，１６が変位してアノード燃料１２とカソード燃料１８とを燃料電池本体１側に供給することが可能となる。
【００４８】
図１０は、本発明の燃料容器の更に他の構成例を説明するための図で、図中、２２ａ，２２ｂは生成水導入路の開閉弁、２６は生成水導入路に形成される前室である。
本実施形態では、燃料電池本体１のカソード４側から燃料容器１０に生成水を導入するための生成水導入路２０に、二つの開閉弁２２ａ，２２ｂを設け、これらの開閉弁２２ａ，２２ｂの間の仕切られた空間として前室２６を形成する。このような前室２６を備えた構成とすることで、燃料供給部材室１３内の上昇した圧力を生成水の導入時に逃がすことなく、安定した燃料供給を実現することができる。
【００４９】
具体的には、燃料供給部材室１３側の開閉弁２２ａを閉じてから、燃料電池本体１側の開閉弁２２ｂを開放し、燃料電池本体１において生成した生成水を前室２６に導入する。続いて、燃料電池本体１側の開閉弁２２ｂを閉じて、燃料供給部材室１３側の開閉弁２２ａを開放することにより、前室２６の生成水を燃料供給部材室１３に導入することができる。この構成は、特に燃料供給部材１１が気体を発生する場合においてより効果的である。また各開閉弁２２ａ、２２ｂは、どちらか一方が開放したときは他方は閉じているように連動していることが望ましい。
【００５０】
次に燃料供給部材１１の具体例について説明する。本発明に使用される燃料供給部材１１は、上述のように、水が作用して体積を増加させる物質または水が作用して気体を発生する物質である。水が作用して体積を増加させる物質として例えば、圧縮されたスポンジ、吸水性ポリマーや吸水スポンジ、水膨張型ゴムなどを使用することができる。これらは、水により圧縮が解除され、体積を増加させる。
【００５１】
上記燃料供給部材１１に使用可能な吸水性ポリマーとしては、具体的には合成高分子／天然高分子として、アクリル化合物やジビニルベンゼン、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドなどの架橋性モノマーなどをグラフト重合したポリエーテル、ポリビニルアルコール誘導体、セルロース誘導体、デンプン誘導体、ポリアクリル酸系等の材料が使用できる。特にアクリル酸系材料が吸水率の面から好ましい。アクリル酸系材料は、多量の水を吸い取って膨れ上がる性質、いわゆる吸水性をもつ物質であり、微少なすき間を含む三次元構造をもっているため吸水率も高く、また吸水スピードも速く好ましい。さらに具体的にはアクリル酸ナトリウム架橋体が好ましい。
【００５２】
さらに、上記のような水の作用により体積を増加させる燃料供給部材１１では、生成水が効果的に吸収されるため、カソード電極のフラッディング現象が防止される。フラッディング現象とは、カソード内に存在する触媒上の反応領域が水に浸ることにより、酸化剤（カソード燃料）が反応領域に接触できなくなることで、その結果カソード反応抵抗が大きくなり、発電性能が著しく阻害される現象のことをいう。
【００５３】
また水が作用して気体を発生させる燃料供給部材１１としては、例えば炭酸水素ナトリウムと、フマル酸、クエン酸、マレイン酸等の酸との組み合わせを用いて、これにより二酸化炭素を発生させたり、アルカリ金属や、アルカリ土類金属等の金属類を用いて、水と反応させて水素を発生させたりすることができる。
【００５４】
炭酸水素ナトリウムとフマル酸などの酸とを用いる場合には、これらの反応を利用して二酸化炭素を発生させる。この場合、それぞれが固体であるため反応が起こりにくく、水溶液中で反応がより促進されるため、燃料電池で生成した水を加えることが効果的となる。さらに、炭酸水素ナトリウムと固体の酸を水または水溶液を透過する膜で隔てることで、これらが接触することによる反応を防止し、生成水により水溶液化した部材のみで反応を起こすようにすることができる。
【００５５】
図１１は、図１０の構成を利用して、炭酸水素ナトリウムとフマル酸などの酸とによって二酸化炭素を発生させる構成例を示す図である。図１０と同様に、燃料電池本体１のカソード４側から燃料容器１０に生成水を導入するための生成水導入路２０には、二つの開閉弁２２ａ，２２ｂが設けられ、これらの開閉弁２２ａ，２２ｂの間の仕切られた空間として前室２６が形成されている。そして、ここでは燃料供給部材１１として、炭酸水素ナトリウム（固体）とフマル酸（固体）とを用いて、これらと生成水とを反応させることにより、二酸化炭素を発生させる。
【００５６】
この場合、フマル酸１１ｂを前室２６に配置し、炭酸水素ナトリウム１１ａを燃料供給部材室１３に配置する。まず燃料電池本体１から導入された生成水が、前室２６のフマル酸（固体）１１ｂに供給されることで、フマル酸水溶液が生成される。そして燃料供給部材室１３側の開閉弁２２ａを開放することにより、フマル酸水溶液が燃料供給部材室１３の炭酸水素ナトリウム１１ａと混合され、以下に示す反応式の反応が起こり、気体が発生する。
【００５７】
ＣＨ2（ＣＯＯＨ）2＋ＮａＨＣＯ3→ＣＨ2（ＣＯＯＨ）ＣＯＯＮａ＋Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2↑
または
ＣＨ2（ＣＯＯＨ）2＋２ＮａＨＣＯ3→ＣＨ2（ＣＯＯＮａ）2＋２Ｈ2Ｏ＋２ＣＯ2↑
【００５８】
つまり、固体または液体が作用して気体を発生させることで、燃料供給部材室１３の圧力増加を効率的に起こす形態となる。具体的には上記の反応式のように、炭酸水素ナトリウム０.１ｍｏｌとフマル酸０.１ｍｏｌからフマル酸ナトリウムの他、二酸化炭素が０.１ｍｏｌ発生する。反応前後で体積を比較すると、反応前の重量が２０ｇであり、比重を約１とすれば体積は２０ｍｌ前後となる。反応で生じる０.１ｍｏｌの二酸化炭素は常温の気体で約２Ｌとなり、反応前の燃料供給部材体積の約１００倍になる。これは前記の吸水性ポリマーが起こす体積の増加よりも、反応により気体を生じた場合の方が、体積の増加率は大きく燃料供給を行なう力が大きいことを示す。またアルカリ金属から水素を発生する場合も同様である。よって、燃料容器１０に少量の燃料供給部材１１を有することで燃料供給を効果的に行うことができ、携帯性も損なわない。
【００５９】
また、上記のようなフマル酸と炭酸水素ナトリウムを用いた構成において、吸水性ポリマーが併用されていてもよく、吸水性ポリマーに保持された生成水に対してフマル酸と炭酸水素ナトリウムが溶解して、二酸化炭素を発生させる反応が起きるため、発生した二酸化炭素によって燃料供給を行なうことができる。吸水性ポリマーに保持されている生成水に対するフマル酸の溶解の速度が、吸水性ポリマーに保持されていない生成水に対する溶解の速度に比べて遅いため、反応が緩やかに起こり、生成水を供給する開閉弁２２ｂを操作する際にも、燃料容器１０の急激な内圧の上昇による生成水の逆流などを起こすことなく容易にその操作を行なうことができる。
【００６０】
なお、燃料供給部材１１については、上記の材料に限定されず、適宜その機能を満足する素材や物質を適用することができる。
【００６１】
次に、燃料容器１０に充填される燃料は、燃料電池本体１に合わせて適宜設定されるものであるが、基本的にはいかなる燃料も充填可能である。しかしながら、燃料としては、体積および重量エネルギー密度に優れるものを使用することが好ましい。燃料容器１０は、容器であるが故に一定の体積しか有していない。したがって、本発明の実施にあたっては、体積および重量エネルギー密度にすぐれる燃料を使用することが好ましい。特に体積エネルギー密度にすぐれる燃料が好ましい。したがって気体状燃料は体積エネルギー密度に劣るため好ましくなく、液体状燃料、固体状燃料を用いることが好ましい。
【００６２】
例えば１分子の酸化反応より取り出すことができる電子数は、水素であれば２個、メタノールであれば６個、エタノールであれば１２個であることから、各々の分子１ｍｏｌから取り出せるクーロン量はそれぞれ理論値として、９６５００×２Ｃ、９６５００×６Ｃ、９６５００×１２Ｃとなる。各々の密度、分子量を考慮し、１ｃｃ当たりのクーロン量に換算すると、エネルギー密度は、水素が約９Ｃ／ｃｃ、メタノールが約１４４００Ｃ／ｃｃ、エタノールが１５２００Ｃ／ｃｃとなる。つまり常圧の気体としての水素は単位体積あたりのエネルギー密度は著しく低くなることなる。メタノールとエタノールは、酸化反応に水分子がそれぞれ、１分子、３分子必要であるが（以下の式）、これを加味しても液体燃料が優れることは明らかである。
【００６３】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→６Ｈ+  ＋  ６ｅ-  ＋  ＣＯ2
Ｃ2Ｈ5ＯＨ＋３Ｈ2Ｏ→１２Ｈ+  ＋  １２ｅ-  ＋  ２ＣＯ2
【００６４】
本発明のように燃料容器１０の内部で発生させた内圧の上昇により燃料を供給する場合、常温常圧で液体あるいは固体状態の燃料がやはり好ましい。
アノード燃料としては、具体的にはガソリン、液体状炭化水素、液体状アルコールなどの固体状、および液体状燃料が使用できるが、燃料電池本体１の小型化が可能な点、および体積エネルギー密度に優れる点により、アルコール燃料を使用することが好ましい。アルコール燃料を使用することにより、燃料電池の駆動時間を向上さることが可能になる。なかでも、炭素数４以下のアルコールを使用することが好ましく、この場合、安全性が高く、生合成が可能である点（環境面）からエタノールを使用することがさらに好ましい。
【００６５】
図１２は、上記のような燃料容器１０を使用した電源システムの構成例を説明するための概略図である。
本例の燃料容器１０には、図３に示すようなアノード燃料１２と燃料供給部材１１とが封入されている。本例では、カソード燃料としては、空気を用いるものとし、アノード燃料１２としてエタノール等の水素を含む液体燃料（アルコール類）を用いるものとする。勿論、図１０のような燃料容器１０によってカソード燃料も燃料容器１０から供給するように構成してもよい。
【００６６】
燃料容器１０は、燃料電池本体１が備えられる発電モジュール３０に接続され、発電モジュール３０で発電された電気エネルギーにより、負荷４０を駆動することができる。
発電モジュール３０は、発電部である燃料電池本体１と、燃料電池本体１の出力を制御するための出力制御部３２と、負荷４０の駆動状態に応じて出力制御部３２の動作を制御する動作制御部３１とを有している。燃料電池本体１の反応により生成された生成水は、燃料容器１０の燃料供給部材１１に導入され、燃料供給部材１１に作用することにより、アノード燃料１２が発電モジュール３０に供給される。
【００６７】
上記発電モジュール３０において、動作制御部３１は、負荷４０の駆動状態に関する情報（負荷駆動情報）に基づいて、燃料電池本体１の発電状態を制御する。具体的には、動作制御部３１は、燃料電池本体１が駆動していない状態で負荷４０を起動させる指令を検出した場合に、出力制御部３２に対して燃料電池本体１を起動させるための動作制御信号を出力し、また、燃料電池本体１が駆動している状態で、負荷４０を停止する指令を検出した場合は、出力制御部３２に対して、燃料電池本体１を停止させるための動作制御信号を出力する。
【００６８】
また、動作制御部３１は、燃料電池本体１が駆動している状態で、負荷４０の駆動状態の変動を検出した場合には、出力制御部３２に対して、燃料電池本体１から負荷４０に供給される電気エネルギーが、負荷４０の駆動状態に対応した適切な値となるように、燃料電池本体１における電気エネルギーの発生量（発電量）を調整するための動作制御信号を出力する。
【００６９】
出力制御部３２は、上記動作制御部３１からの動作制御信号に基づいて、燃料電池本体１への発電用燃料（アノード燃料）の供給量を制御する燃料制御部３３と、燃料電池本体１へのカソード燃料（ここでは空気）の供給量を制御する空気制御部３４と、アノード燃料を改質して、アノード燃料に含有される水素をガス化して供給する改質部３５と、液体燃料からの燃料や水により自発的に発電し、少なくとも負荷４０がオフの時に、燃料制御部３３、空気制御部３４、改質部３５に電力を供給する副発電部３６と、を有して構成されている。
【００７０】
副発電部３６は、燃料容器１０に連通する管から毛細管現象により送出された液体燃料が改質器なしに直接供給されることにより発電する直接型燃料電池、あるいは燃料容器１０から送出された液体燃料が気化する際に上昇する圧力でタービンを回転し発電するガスタービン型やロータリーエンジン型発電器により構成することができる。また副発電部３６は、少なくとも負荷４０がオフ時に、動作制御部３１が負荷駆動情報をモニタリングするために必要な電力を動作制御部３１に供給するとともに、オフ時の待機電力を負荷４０に供給する。
【００７１】
空気制御部３４は、燃料電池本体１のカソード４に供給する酸素ガスの量を電気的にポンプを駆動して供給するように設定されていてもよく、また、燃料電池本体１における単位時間当たりの酸素の最大消費量に相当する空気（大気）を供給できるものであれば、大気と燃料電池本体１とが連通した通気孔として構成してもよい。燃料電池本体１における電気化学反応に用いられる量の空気が、通気孔を介して常時供給されるように構成することで、出力制御部３２は、電気化学反応の進行状態を燃料制御部３３のみで制御することができる。
【００７２】
なお、上述したような電気化学反応により負荷４０に供給される駆動電力は、図１２のシステムにおいては燃料電池本体１のアノード３に供給される水素ガス（Ｈ２）の量に依存する。したがって、改質部３５によって燃料電池本体１のアノード３に供給される水素ガス（Ｈ２）の量を制御することにより、すなわち、燃料制御部３３によってアノード燃料１２の量を制御することにより、負荷４０に供給される電気エネルギーを任意に調整することができる。
また、図１３は、燃料電池を使用した電源システムの他の構成例を説明するための概略図で、図１２の改質部３５を用いずに燃料制御部３３から直接に燃料電池本体１にアノード燃料を供給する構成を示すものである。図１３の直接液体燃料供給システムにおいては、燃料電池本体１のアノード３に供給される液体燃料の量に依存する。したがって、燃料制御部３３によってアノード燃料の量を制御することにより、負荷４０に供給される電気エネルギーを任意に調整することができる。図１３の他の要素については、図１２と同様であるので、その繰り返しの説明は省略する。
【００７３】
以上説明したように、本発明によって、反応の進行に応じて発生する生成水が有効に利用されて燃料が供給されるため、簡便な電源システムとなる。したがって、燃料供給のために消費する動力が少なく、エネルギー効率が高い燃料電池が提供できる。本発明による電源システムは、エネルギー効率に優れるため軽量であり、携帯機器への搭載が可能である。
【００７４】
（実施例１）
図３に示すごとくの電源システムを作成した。燃料供給部材１１には給水性ポリマーを使用した。そしてアノード燃料１２として水素、カソード燃料として酸素を使用し、燃料供給路開閉弁２３を開放することで、水素がアノード側で酸化される燃料電池反応を生じさせた。これに伴い、カソード３側では生成水が発生し、その生成水が生成水導入路２０を通って燃料容器１０に導入され、燃料供給部材１１である吸水性ポリマーに取りこまれ、その体積が増加した。このとき、図３における生成水導入路開閉弁２２と、燃料供給路開閉弁２３とは、常に開放しておいた。この結果、吸水性ポリマーの体積増加により、アノード燃料室１４の水素が押し出され、発電のための燃料が順次燃料電池本体１に向けて供給された。
【００７５】
（実施例２）
図９に示すごとくの電源システムを作成した。燃料供給部材１１には、炭酸水素ナトリウムとマレイン酸とを用いた。そしてアノード燃料１２としてメタノール、カソード燃料１８として酸素を使用し、生成水導入路開閉弁２２を閉めた状態で、燃料電池反応を生じさせた。この反応に伴って生成した水は、生成水導入路開閉弁２２が閉じているため、カソード４と生成水導入路開閉弁２２との間の流路に滞留した。そして生成水導入路開閉弁２２を開放することにより、生成水は燃料容器１０に導入され、燃料供給部材１１として配置した炭酸水素ナトリウムとマレイン酸とを溶解して反応を起こした。
【００７６】
そして生成水を燃料容器１０に導入した後、生成水導入路開閉弁２２を閉じると、生成水により発生した二酸化炭素によって燃料供給部材室１３の内圧が上昇した。ここで、アノード燃料供給路開閉弁２３と、カソード燃料供給路開閉弁２５とを開放することにより、隔壁１５，１６を加圧する力によって押された各燃料が燃料電池本体１に供給された。ここでは、燃料供給部材１１を約２ｇ配置したことにより、約６０ｍｌの燃料を供給することができた。
【００７７】
（実施例３）
図１１に示すごとくの燃料容器により電源システムを作成した。燃料供給部材１１には、炭酸水素ナトリウムとマレイン酸とを用いた。そしてアノード燃料１２としてメタノール、カソード燃料１８として酸素を使用し、燃料電池反応を生じさせた。この反応に伴って生成した水は、燃料電池本体１側の生成水導入路開閉弁２２ｂを通って前室２６に導入された。そして、燃料供給部材１１側の生成水導入路開閉弁２２ａを開放することにより、生成水は燃料容器１０に導入され、燃料供給部材１１として配置した炭酸水素ナトリウムとマレイン酸とを溶解して反応を起こした。
【００７８】
そして生成水を燃料容器１０に導入した後、生成水導入路開閉弁２２ａを閉じ、生成水により発生した二酸化炭素によって燃料供給部材室１３の内圧が上昇した。ここで、アノード燃料供給路開閉弁２３と、カソード燃料供給路開閉弁２５とを開放することにより、隔壁１５，１６を加圧する力によって押された各燃料が燃料電池本体１に供給された。ここでは、燃料供給部材１１を約１ｇ配置したことにより、約５０ｍｌの燃料を供給することができた。そして再度生成水を燃料容器１０に導入するために、燃料電池本体１側の生成水導入路開閉弁２２ｂを開放するときは、燃料供給部材１１側の生成水導入路開閉弁２２ａが閉じているため、二酸化炭素によって上昇した内圧が燃料電池本体１側に開放されることなく、燃料電池本体１から前室２６に生成水を導入することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】プロトン伝導電解質を使用した燃料電池の発電概念を説明するための図である。
【図２】本発明の燃料供給部材による燃料供給の原理を模式的に説明するための図である。
【図３】本発明の燃料容器及びその燃料容器を用いた電源システムの構成例を概念的に説明するための図である。
【図４】燃料容器における燃料供給部材とアノード燃料の挙動について説明するための図である。
【図５】燃料容器における燃料供給部材とアノード燃料の挙動について説明するための他の図である。
【図６】燃料容器における燃料供給部材とアノード燃料の挙動について説明するための更に他の図である。
【図７】燃料容器における燃料供給部材とアノード燃料の挙動について説明するための更に他の図である。
【図８】燃料容器における燃料供給部材とアノード燃料の挙動について説明するための更に他の図である。
【図９】本発明の他の実施形態による燃料容器及びその燃料容器を用いた電源システムの構成例を概念的に説明するための図である。
【図１０】本発明の燃料容器の更に他の構成例を説明するための図である。
【図１１】図１０の構成を利用して、炭酸水素ナトリウムとフマル酸などの酸とによって二酸化炭素を発生させる構成例を示す図である。
【図１２】燃料容器を使用した電源システムの構成例を説明するための概略図である。
【図１３】燃料容器を使用した電源システムの他の構成例を説明するための概略図である。
【符号の説明】
【００８０】
１…燃料電池本体、２…伝導電解質膜、３…アノード、４…カソード、５…アノード側セパレータ、６…カソード側セパレータ、７…アノード燃料、８…カソード燃料、１０…燃料容器、１１…燃料供給部材、１１ａ…炭酸水素ナトリウム、１１ｂ…フマル酸、１２…アノード燃料、１３…燃料供給部材室、１４…アノード燃料室、１５，１６…隔壁、１７…カソード燃料室、１９…隔壁ストッパ、２０…生成水導入路、２１…アノード燃料供給路、２１ａ…燃料供給口、２２…生成水導入路開閉弁、２２ａ，２２ｂ…開閉弁、２３…アノード燃料供給路開閉弁、２４…カソード燃料供給路、２５…カソード燃料供給路開閉弁、２６…前室、３０…発電モジュール、３１…動作制御部、３２…出力制御部、３３…燃料制御部、３４…空気制御部、３５…改質部、３６…副発電部。
【図１】
2006120528.tif 000003
【図２】
2006120528.tif 000004
【図３】
2006120528.tif 000005
【図４】
2006120528.tif 000006
【図５】
2006120528.tif 000007
【図６】
2006120528.tif 000008
【図７】
2006120528.tif 000009
【図８】
2006120528.tif 000010
【図９】
2006120528.tif 000011
【図１０】
2006120528.tif 000012
【図１１】
2006120528.tif 000013
【図１２】
2006120528.tif 000014
【図１３】
2006120528.tif 000015