(57)【要約】【課題】  燃料電池の信頼性を向上し、かつ小型化を可能とした燃料電池システムを提供する。【解決手段】  液体ポンプを用いず、順行運転と逆行運転の二つの燃料供給方法により燃料電池に燃料を供給、発電するための燃料電池システムであって、第１の燃料タンクＣ１と、第２の燃料タンクＣ２と、前記第１の燃料タンク内に貯蔵されるメタノール水溶液燃料を加圧し前記燃料を供給する空気供給ポンプＡＰと、前記第２の燃料タンクＣ２内に供給される燃料を加圧し燃料電池に前記燃料を供給する弾性エネルギー蓄積体２７を備えることにより、燃料電池の長寿命化を可能とする。【選択図】  図１
2006040593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルの空気極に空気を供給する空気ポンプと、
燃料液体を溜めることができ前記セルの燃料極を中央にしてその両側に配設される第１、第２の燃料タンクと、
前記第１の燃料タンクに設けられ送り出す燃料液体を前記空気ポンプによって加圧する第１の加圧手段と、
前記第２の燃料タンクに設けられ前記セルの燃料極を通過して流入した燃料液体の加圧力を蓄積する第２の加圧手段と、
前記第２の燃料タンクに流入した燃料液体量を検出する液量検出手段と、
前記第１の燃料タンクの燃料液体を前記燃料極を経て前記第２の燃料タンクへ供給して発電する順行運転と、前記第２の燃料タンクの内の燃料を加圧して第２の燃料タンクの燃料液体を前記燃料極を経て前記第１の燃料タンクへ供給して発電する逆行運転とを切り換えるための切り換え回路と、
前記液量検出手段からの信号により前記切り換え回路を制御するコントローラとを設けた燃料電池システム。
【請求項２】
前記コントローラは、
順行運転では前記空気ポンプから第１の燃料タンクに空気を供給して燃料液体をセルの燃料極を経て第２の燃料タンクに供給し、前記第２の燃料タンクに供給される燃料の供給圧力を前記弾性エネルギー蓄積体に蓄え、前記逆行運転では、前記順行運転で前記弾性エネルギー蓄積体に蓄えられた弾性エネルギーによって第２の燃料タンクからセルの燃料極を経て第１の燃料タンクに液体燃料を供給するよう構成した
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
第１の加圧手段は、前記空気ポンプから供給される空気によって増加する加圧室の圧力が燃料液体を収容する第１の容量可変容器を縮小させるように構成した
請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
第２の加圧手段は、弾性エネルギー蓄積体と、この弾性エネルギー蓄積体によって縮小方向に付勢されるとともに前記セルの燃料極を通過して流入した燃料液体によって前記付勢に抗して膨張する第２の容量可変容器とで構成した
請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
第２の加圧手段は、セルの燃料極を通過して流入した燃料液体によってから拡張するとともに第２の容量可変容器に、自身の容量が縮小する方向の付勢を持たせて構成した
請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
第２の加圧手段は、弾性エネルギー蓄積体と、前記セルの燃料極を通過して流入した燃料液体によって前記弾性エネルギー蓄積体から作用する付勢力と自身の付勢力とに抗して膨張する第２の容量可変容器とで構成した
請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記切り換え回路は、
自己保持機構を有する開閉バルブまたは自己保持機構を有する３方切り換え弁からなる
請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記液量検出手段は、接触式センサーからなる
請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１の燃料タンク内の容量可変容器内に初期充填される燃料容量が、前記第２タンク内の容量可変容量の上限と、燃料供給経路と、燃料極容積の総和より多くなるように構成した
請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第１の燃料タンクを着脱可能なカートリッジとした
請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
セルの燃料極を中央にしてその両側に第１、第２の燃料タンクを配置し、起動によって前記セルの空気極へ酸化としての空気を供給する空気ポンプによって第１の燃料タンクの内部圧力を加圧して第１の燃料タンクからセルの燃料極を経て第２の燃料タンクへ燃料液体を輸送し、第２の燃料タンクでは流入した燃料液体の加圧力を第２の加圧手段によって蓄積し、
第２の燃料タンクに流入した燃料液体の量が上限値に達したことを検出して前記空気ポンプによる第１の燃料タンクの内部圧力の加圧を解除し、かつ第２の加圧手段の蓄積力によって第２の燃料タンクの燃料液体をセルの燃料極を経て第１の燃料タンクへ輸送して発電する
燃料電池発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体電解質膜を使用して発電する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発電方式は多くの方式が考案されているが、小型化できる利点から、直接メタノール型燃料電池が注目されている。直接メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣと表記する）のセル１（ＭＥＡ ＝ Membrane Electrode Assembly）の構成を図８に示す。
【０００３】
燃料電池のセル１は、固体電解質膜２の両面に電極触媒層３，４を形成し、固体電解質膜２の一方の側の電極触媒層３を介して固体電解質膜２の片面にメタノール水溶液５を供給し、固体電解質膜２のもう一方の側の電極触媒層４に酸素６を供給するように構成されている（非特許文献１）。
【０００４】
この発電原理を説明する。
セル１は固体電解質膜２の片側に電極触媒層３を有する燃料極７が形成され、固体電解質膜２のもう一方の側に電極触媒層４を有する空気極８が形成されている。燃料極７に燃料のメタノール水溶液５を供給すると、燃料極７で化学反応が進行して、二酸化炭素とプロトンと電子とが生成する。
【０００５】
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−
このうち、プロトンは固体電解質膜２を透過し、電子は外部回路を経由したのち、これらのプロトンと電子と空気極８に供給した酸素とで、空気極８で化学反応が進行して、水を生成する。
【０００６】
燃料極７に供給するメタノール水溶液のメタノールと水の理論濃度は、モル比で１：１（６４重量％メタノール水溶液）であるが、固体電解質膜２をメタノールが透過して空気極８に到達（メタノールクロスオーバー）することで電池出力が低下する。実際のメタノール水溶液の最適濃度は約３０〜３重量％くらいになり、メタノールと水が発電反応すると水が余る状態になる。
【０００７】
ＤＭＦＣの燃料供給方式は次の２通りに大別される。
１つは液体ポンプのような補機を用い強制的に燃料を供給させる能動方式であり、他は毛細管現象など利用してセル内で消費された燃料分のみ、補機無しで供給する受動方式である。
【０００８】
この二つの方式を比較すると、受動方式は補機が不要なため小型化には適するが、発電時にセル内で燃料濃度が低下するので、電池出力が安定しない。一方、能動方式では、常に供給される燃料の濃度が安定するため電池出力が安定するという利点がある。
【０００９】
図９は能動方式のＤＭＦＣ（特許文献２）を引用したもので、高濃度メタノールがメタノール貯蔵タンク９にセットされており、メタノール貯蔵タンク９は燃料＋水注入装置１０を介して循環タンク１１に接続されている。ポンプ１２によって循環タンク１１から取り出されたメタノール水溶液５は、セル１の燃料極７と熱交換器１３を介して循環タンク１１に戻るように循環経路が形成されている。また、セル１の空気極８には、酸化剤供給装置１４を介して空気が供給されている。
【００１０】
これによってセル１では、メタノール水溶液が電池反応を起こして、メタノールが消費されて二酸化炭素が発生する。この低濃度になったメタノール液とガスの混合流体は循環タンク１１に戻り、二酸化炭素ガスは重力分離され循環タンク１１の上方から排出される。一方、前記電池反応によってメタノールと水が消費されて燃料が減るので、燃料＋水注入装置１０から最適なメタノール燃料となる濃度で所定量が循環タンク１１の内部に注入される。１５は水回収装置である。
【００１１】
また、（特許文献３）には、燃料タンクの燃料貯蔵領域にストックされている燃料液体を、液体ポンプを使用してセルの燃料極に供給し、燃料極を通過した使用済み燃料液体を前記燃料タンクの内部を可動障壁で前記燃料貯蔵領域とは分離した廃棄物貯蔵領域に回収する燃料電池システムが示されている。前記廃棄物貯蔵領域にはスプリングが設けられているが、このスプリングは、燃料貯蔵領域の内部圧を大気圧よりも高く燃料液体の安定した流れを実現することを目的としている。
【非特許文献１】工業調査会「電子材料」２００３年２月  第３１頁                                「携帯用小型燃料電池」（神谷信行）
【特許文献１】特許第２９３９９７８号公報
【特許文献２】特表平１０−５０７５７２号公報
【特許文献３】特開２００３−１４２１３５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来の能動方式では燃料をポンプ１２によって循環させる必要があるが、循環させる液体内に空気が混入した場合にポンプ１２が誤動作を起こし停止する問題がある。
【００１３】
また、このポンプ１２は液体用ポンプであって、駆動トルクが空気用ポンプに比べ高いため、軸受け部の寿命が短く、長時間にわたって連続駆動させることが困難である。
本発明は、能動方式ＤＭＦＣにおいて、液体用ポンプを用いず流路に空気や気泡が混入したことによるトラブルを低減し、且つ、長寿命で信頼性の高いコンパクトな能動方式の燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の請求項１記載の燃料電池システムは、セルの空気極に空気を供給する空気ポンプと、燃料液体を溜めることができセルの燃料極を中央にしてその両側に配設される第１、第２の燃料タンクと、前記第１の燃料タンクに設けられ送り出す燃料液体を前記空気ポンプによって加圧する第１の加圧手段と、前記第２の燃料タンクに設けられ前記セルの燃料極を通過して流入した燃料液体の加圧力を蓄積する第２の加圧手段と、第２の燃料タンクに流入した燃料液体量を検出する液量検出手段と、前記第１の燃料タンクの燃料液体を前記燃料極を経て前記第２の燃料タンクへ供給して発電する順行運転と、前記第２の燃料タンクの内の燃料を加圧して第２の燃料タンクの燃料液体を前記燃料極を経て前記第１の燃料タンクへ供給して発電する逆行運転とを切り換えるための切り換え回路と、前記液量検出手段からの信号により前記切り換え回路を制御するコントローラとを設けたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１において、前記コントローラは、順行運転では前記空気ポンプから第１の燃料タンクに空気を供給して燃料液体をセルの燃料極を経て第２の燃料タンクに供給し、前記第２の燃料タンクに供給される燃料の供給圧力を前記弾性エネルギー蓄積体に蓄え、前記逆行運転では、前記順行運転で前記弾性エネルギー蓄積体に蓄えられた弾性エネルギーによって第２の燃料タンクからセルの燃料極を経て第１の燃料タンクに液体燃料を供給するよう構成したことを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項３記載の燃料電池システムは、請求項１において、第１の加圧手段は、前記空気ポンプから供給される空気によって増加する加圧室の圧力が燃料液体を収容する第１の容量可変容器を縮小させるように構成したことを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項４記載の燃料電池システムは、請求項１において、第２の加圧手段は、弾性エネルギー蓄積体と、この弾性エネルギー蓄積体によって縮小方向に付勢されるとともに前記セルの燃料極を通過して流入した燃料液体によって前記付勢に抗して膨張する第２の容量可変容器とで構成したことを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項５記載の燃料電池システムは、請求項１において、第２の加圧手段は、セルの燃料極を通過して流入した燃料液体によってから拡張するとともに第２の容量可変容器に、自身の容量が縮小する方向の付勢を持たせて構成したことを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項６記載の燃料電池システムは、請求項１において、第２の加圧手段は、弾性エネルギー蓄積体と、前記セルの燃料極を通過して流入した燃料液体によって前記弾性エネルギー蓄積体から作用する付勢力と自身の付勢力とに抗して膨張する第２の容量可変容器とで構成したことを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項７記載の燃料電池システムは、請求項１において、前記切り換え回路は、自己保持機構を有する開閉バルブまたは自己保持機構を有する３方切り換え弁からなることを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項８記載の燃料電池システムは、請求項１において、前記液量検出手段は、接触式センサーからなることを特徴とする。
本発明の請求項９記載の燃料電池システムは、請求項１において、前記第１の燃料タンク内の容量可変容器内に初期充填される燃料容量が、前記第２タンク内の容量可変容量の上限と、燃料供給経路と、燃料極容積の総和より多くなるように構成したことを特徴とする。
【００２２】
本発明の請求項１０記載の燃料電池システムは、請求項１において、前記第１の燃料タンクを着脱可能なカートリッジとしたことを特徴とする。
本発明の請求項１１記載の燃料電池発電方法は、セルの燃料極を中央にしてその両側に第１、第２の燃料タンクを配置し、起動によって前記セルの空気極へ酸化としての空気を供給する空気ポンプによって第１の燃料タンクの内部圧力を加圧して第１の燃料タンクからセルの燃料極を経て第２の燃料タンクへ燃料液体を輸送し、第２の燃料タンクでは流入した燃料液体の加圧力を第２の加圧手段によって蓄積し、第２の燃料タンクに流入した燃料液体の量が上限値に達したことを検出して前記空気ポンプによる第１の燃料タンクの内部圧力の加圧を解除し、かつ第２の加圧手段の蓄積力によって第２の燃料タンクの燃料液体をセルの燃料極を経て第１の燃料タンクへ輸送して発電することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の燃料電池システムによると、液体ポンプを使用せずに一つの空気ポンプにより、燃料供給と酸化剤供給を行うことが可能となり、燃料内に気体が混入した状態でも燃料供給が可能で出力特性を安定させることができる。また、機構的な可動部が無いので寿命が長く長時間連続駆動させることを可能とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の燃料電池システムを図１〜図７に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図５は本発明の燃料電池システムの構成とその運転過程を示している。
【００２５】
図１は本発明の燃料電池システムにおける初期及び停止時の状態を示す。
この燃料電池システムは、図８の構成と同じセル１と、第１，第２の燃料タンクＣ１，Ｃ２と、単一の空気ポンプＡＰと、これらの間を接続する空気供給経路Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５と、この空気供給経路に接続された切り換え回路としての開閉バルブＶ１，Ｖ２や気液分離器Ｌ１，Ｌ２などを組み合わせて構成されている。５０はコントローラで、第２の燃料タンクＣ２に流入した燃料液体量を検出する液量検出手段ＳとしてのセンサーＳより入力される信号を元に各運転状態に応じて開閉バルブＶ１，Ｖ２、空気ポンプＡＰを制御している。
【００２６】
具体的には、セル１の燃料極７を中央にしてその両側に、第１，第２の燃料タンクＣ１，Ｃ２が配設されている。第１の燃料タンクＣ１の内部には、送り出す燃料液体を前記空気ポンプＡＰによって加圧する第１の加圧手段３０として、第１の容量可変容器２３とこの第１の容量可変容器２３により閉鎖される加圧室２４が設けられている。第１の容量可変容器２３の内部に液体燃料である希釈メタノールが封入されている。
【００２７】
この第１の容量可変容器２３は耐メタノール性を有する材質からなり、外圧により形状を変化させることが可能なもので、可撓性を有する袋状、具体例としてはベローズ状の容器を挙げることができ、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）に代表されるフッ素樹脂製の袋や、フッ素樹脂にて内部をコーティングされた袋状のもの等を用いることができる。
【００２８】
第２の燃料タンクＣ２の内部には、前記セル１の燃料極７を通過して流入した燃料液体の加圧力を蓄積する第２の加圧手段４０として、第２の容量可変容器２５と、送り込まれた燃料液体によって膨張した第２の容量可変容器２５によって圧縮される弾性エネルギー蓄積体２７とが設けられている。
【００２９】
ここで、第２の容量可変容器２５は、第１の容量可変容器２３と同様の耐メタノール性を有する材質からなり、外圧により形状を変化させることが可能なものが好ましく、可撓性を有する袋状、具体例としてはベローズ状の容器を挙げることができ、ＰＴＦＥに代表されるフッ素樹脂製の袋や、フッ素樹脂にて内部をコーティングされた袋状のもの等を用いることができる。
【００３０】
第２の燃料タンクＣ２には、第２の容量可変容器２５の拡張と収縮を妨げないように一部を開放した空間２６が形成されており、この空間２６内に弾性エネルギー蓄積体２７が設置される。本実施例では、前記弾性エネルギー蓄積体として圧縮バネを用いるが、所定圧力において弾性変形するものであればよい。
【００３１】
第１の容量可変容器２３は第１の配管１６と発電後の燃料中に含まれる二酸化炭素を分離するため第１の気液分離器Ｌ１を介してセル１の燃料極７の一端に接続されている。燃料極７の他端は第２の配管１７と燃料中に含まれる二酸化炭素を分離するため気液分離器Ｌ２を介して第２の容量可変容器２５に接続されている。
【００３２】
第１の燃料タンクＣ１の加圧室２４は、空気供給経路Ｐ４と開閉バルブＶ１と空気供給経路Ｐ３，Ｐ１を介して空気ポンプＡＰの吐出口に接続されている。また、第１の燃料タンクＣ１の加圧室２４は空気供給経路Ｐ４と開閉バルブＶ２と空気供給経路Ｐ５を介して大気に開放されている。
【００３３】
弾性エネルギー蓄積体２７は、図１に示す装置停止時や、図２に示す起動状態及び逆行運転から順行運転への切り替わりの状態（容量可変容器２５が空の状態）において、第２の容量可変容器２５に対し圧力を与えて第２の容量可変容器２５に燃料が残らないように配置する。このときの圧力値は、逆行運転を可能とする値であれば良く、逆行運転において必要とされる流量や、第１、第２の配管経路１６，１７と、燃料極７と、第１の容量可変容器２３から受ける抵抗等により決定される。
【００３４】
第２の燃料タンクＣ２に取り付けられたセンサーＳは、第２の容量可変容器２５に供給された液体燃料が上限量に達したか、液体燃料が下限量に達したかを検出するセンサーで、第２の燃料タンクＣ２に固定配置された上限検出接点Ｓ２と下限検出接点Ｓ３と、第２の容量可変容器２５に取り付けられ第２の容量可変容器２５の拡張状態に応じて上限検出接点Ｓ２と下限検出接点Ｓ３との間を移動するセンサー接点Ｓ１とから構成された接触式センサーが設けられている。
【００３５】
具体的には、第２の燃料タンクＣ２に設けられた下限検出接点Ｓ３と第２の容量可変容器２５に取り付けられたセンサー接点Ｓ１が接触して、電気的に導通状態を検出するポイントを下限量とし、同様に上限検出接点Ｓ２と容量可変容器２５に設けられたセンサー接点Ｓ１が接触し、電気的に導通状態を検出するポイントを上限量とする。なお、下限量については第２の燃料タンクＣ２内の第２の容量可変容器２５が空になった状況を検知すればよい。
【００３６】
この燃料電池システムは、センサーＳの出力信号を入力信号としたコントローラ５０によって、次のように運転されるように構成されている。なお、コントローラ５０によって開閉状態を切り換えることができる開閉バルブＶ１，Ｖ２には電磁弁などが使用される。この電磁弁は、消費電量を低減するため、流路切り換え時にのみ電力が消費され、流路開状態、閉状態を任意に選択できかつ流路状態保持中は電力を消費しない自己保持機能を有する電磁弁が好ましい。コントローラ５０には起動時に各種バルブなどを作動させるための起動専用電池を備えている。
【００３７】
液体燃料であるメタノール水溶液をセル１へ供給する方法として、第１の燃料タンクＣ１側からセル１を経て第２の燃料タンクＣ２側への供給状態を順行運転とし、第２の燃料タンクＣ２側からセル１を経て第１の燃料タンクＣ１側への供給状態を逆行運転とする。図１が初期及び停止時の状態であるが、図２は起動状態および逆行運転から順行運転への切り替わりを示す。図３は順行運転状態、図４は順行運転から逆行運転への切り替わりを示すものであり、図５は逆行運転の状態を示す。
【００３８】
−−  初期及び停止状態  −−
図１に燃料電池システム初期及び停止状態を示す。初期状態としては、バルブＶ１は閉状態にセットされており、第２の燃料タンクＣ２内にはメタノール水溶液が入っていない状態となっており、メタノール水溶液は配管経路１６，１７、セル１の燃料極７と第１の燃料タンクＣ１内の第１の容量可変容器２３内に存在する。開閉バルブＶ２が開放状態に切り換えられている。
【００３９】
起動を指示すると、コントローラ５０がこの起動指示を検出して、図２に示した起動状態および逆行運転から順行運転へ切り替わる。
−−  起動状態  −−
この図２に示す起動状態において、空気ポンプＡＰをオンにすると同時に、第１の開閉バルブＶ１が開状態に、第２の開閉バルブＶ２が閉状態にコントローラ５０からの信号により制御される。空気ポンプＡＰから供給される空気は、空気供給経路Ｐ１，Ｐ２、セル１内の空気極８を経て、大気に開放される経路と、空気供給経路Ｐ１，Ｐ３、第１の開閉バルブＶ１、空気供給経路Ｐ４，第１の燃料タンクＣ１内の加圧室２４の経路に供給され、順行運転を開始する。
【００４０】
また、開閉バルブＶ１を介して第１の燃料タンクＣ１の加圧室２４に送り込まれた空気によって第１の容量可変容器２３が次第に収縮し、配管経路１６と第１の気液分離器Ｌ１を介してセル１の燃料極７を通過し、配管経路１７と第２の気液分離器Ｌ２を介して第２の燃料タンクＣ２の第２の容量可変容器２５に送り込まれて、この第２の容量可変容器２５が弾性エネルギー蓄積体２７の付勢に抗して膨張する。
【００４１】
第１の容量可変容器２３の容積、及びメタノール水溶液の最低必要とされる初期充填容量は、発電動作によってメタノールが消費され、メタノール水溶液が所定の電力を得ることのできる最低濃度となった状態の残存メタノール水溶液量でも順行運転から逆行運転への切り換えが可能となる量が好ましい。
【００４２】
順行運転と逆行運転に必要な量とは、すなわち前記上限検出接点Ｓ２とセンサー接点Ｓ１を接触させるための量である。具体的には第２の容量可変容器２５及び配管経路１７，１８、燃料極７の全ての容量を満たすことのできるメタノール水溶液の量である。
【００４３】
また、第２の燃料タンクＣ２内に設置される第２の容量可変容器２５の容量は、１回の順行・逆行運転で、セル１の燃料極７と配管経路１６，１７に充填された燃料を全て入れ替えることができる量、すなわち配管経路１６，１７、燃料極７の容積の総和よりも大きく設定することが好ましい。
【００４４】
−−  順行運転及び順行運転から逆行運転への切り換え  −−
図２，図３に示す順行運転状態において、空気ポンプＡＰによって加圧されて増加する加圧室２４の圧力が第１の燃料タンクＣ１内の第１の容量可変容器２３を縮小させて、第１の容量可変容器２３からメタノール水溶液が、配管経路１６を通ってセル１内の燃料極７に供給され、発電を行う。セル1の燃料極７から排出される未反応メタノール水溶液と二酸化炭素の気液混合流体が配管経路１７に設けられる気液分離器Ｌ２によって分離され、二酸化炭素は大気に開放され、未反応メタノール水溶液のみ第２の燃料タンクＣ２内に設けられる第２の容量可変容器２５内に送られる。第２の容量可変容器２３内に送られたメタノール水溶液は弾性エネルギー蓄積体２７にエネルギーを蓄えながら（ここでは圧縮バネが圧縮される状態である）第２の容量可変容器２５を膨張させる。
【００４５】
この順行運転は、図４に示すように第２の燃料タンクＣ２内に設けられた容量可変容器２５に設置されたセンサー接点Ｓ１と、第２の燃料タンクＣ２に設置された上限検出接点Ｓ２とが接触したことをコントローラ５０が検出して、バルブＶ１を開状態、バルブＶ２を閉状態にするまで行われる。
【００４６】
−−  逆行運転  −−
図４，図５に本発明の燃料電池システムの逆行運転状態を示す。順行運転にてエネルギーを蓄えられた弾性エネルギー蓄積体２７（ここでは圧縮されたバネとする）により逆行運転が行われる。具体的には、開閉バルブＶ２を開状態，開閉バルブＶ１を閉状態にセットし、第１の燃料タンクＣ１の加圧室２４を大気解放状態とする。一方、第２の燃料タンクＣ２内に設けられている圧縮されたバネは大気開放状態となった燃料タンクＣ１内の加圧室２４と圧力バランスを保つため第２の容量可変容器２５を圧縮し始める（可変容量容器２５よりメタノール水溶液を供給開始する）。第２の容量可変容器２５からメタノール水溶液が配管経路１７を通ってセル１内の燃料極７に供給され、発電を行う。セル１の燃料極から排出される未反応メタノール水溶液と二酸化炭素の気液混合流体が配管経路１６に設けられる気液分離器Ｌ１によって分離され、二酸化炭素は大気に開放され、未反応メタノール水溶液のみ第１の燃料タンクＣ１内に設けられる第１の容量可変容器２３内に送られる。この逆行運転は、図２に示す状態、すなわち第２の燃料タンクＣ２内に設けられた第２の容量可変容器２５に設置されたセンサー接点Ｓ１と、第２の燃料タンクＣ２に設置された下限検出接点Ｓ３とが接触し、バルブＶ１を閉状態、バルブＶ２を開状態にするまで行われる。
【００４７】
−−  停止状態  −−
燃料電池システムが所定の発電を行えなくなった場合や、前記センサーＳにおいて下限量を検出した時点から所定の時間内に上限検出できない場合には、図１に示す停止状態に切り換えられる。
【００４８】
そのような状態を検出した場合に開閉バルブＶ１を閉状態、Ｖ２を開状態にする。なお、この実施の形態ではシステムを停止させると運転状態によらず常に図１に示す状態に復帰し、装置起動時は常に順行運転から行うことが可能であり、燃料電池システムの起動時の状態をいちいち確認することなく運転を開始することができる。
【００４９】
このように、液体ポンプを用いることなく、一つの空気ポンプＡＰによって燃料供給と酸化剤供給を行うことが可能となり、燃料液体の供給に液体ポンプを使用しないため小型軽量化を実現できるとともに、液体燃料内に気体の混入が非常に少なく出力特性を安定させることができる。
【００５０】
また、機構的な可動部無いので寿命が長く長時間連続駆動させることを可能とすることができる。
また、運転ステージ切り換えタイミングの検出をセンサーＳにより簡単に行うことが可能である。
【００５１】
また、順行運転と逆行運転の繰り返しにより燃料供給を行うため、燃料は燃料電池セルに対して往復運動をするように供給される。そのため燃料供給配管のコーナー部分や、フィルタの役割を兼ねる気液分離部に堆積物が溜まったりすることがない。
【００５２】
また、燃料経路において直接外気にさらされる部分が無い（実質的に閉鎖されている）ため、燃料系に外部からゴミが進入する恐れがなく、使用時の姿勢制約を受けない。
（実施の形態２）
図２，図３における破線Ａ部と、図４，図５における破線Ｂ部の２つの開閉バルブＶ１，Ｖ２は、図６，図７に示すように一つの３方向バルブＶ３とすることにより、バルブ数を少なくすることができ、よりシステムを簡略にすることができる。この三方向バルブＶ３単体の場合もコントローラ５０によって同様の制御を行うことも可能である。また、Ｖ３もＶ１，Ｖ２と同様に、消費電力を低減するため、流路切り換え時にのみ電力を消費し、流路状態保持中は電力を消費しない自己保持機能を有する三方向バルブが好ましい。
【００５３】
上記の各実施の形態において、第２の燃料タンクＣ２は燃料電池システムに固定して設置されるのに対して、第１の燃料タンクＣ１は例えば着脱式カートリッジとして設ける。第１の燃料タンクＣ１と燃料電池システムとの着脱個所は、（特許文献３）の燃料タンクの着脱機構などを使用することができる。
【００５４】
上記の各実施の形態において、センサーＳはセンサー接点Ｓ１を第２の容量可変容器２５に設けたが、弾性エネルギー蓄積体２７に設け構成することもできる。また、上限検出接点Ｓ２、下限検出接点Ｓ３のどちらか一方にのみ接触式センサーを用い、他方の検出を接触式センサーを検知してからの運転時間により検出するように構成することもできる。
【００５５】
なお、上記の各実施の形態では、第２の燃料タンクＣ２の内部には、第２の容量可変容器２５と、弾性エネルギー蓄積体２７とを設け、第２の容量可変容器２５に流入した燃料液体によって弾性エネルギー蓄積体２７が圧縮され、燃料液体の流れ方向を切り換えた場合には、弾性エネルギー蓄積体２７によって第２の容量可変容器２５を縮小させて燃料液体を送り出すように構成したが、弾性エネルギー蓄積体２７を設けずに第２の容量可変容器２５だけで、第２の加圧手段４０を構成することもできる。具体的には、容量可変容器２５自体が弾性エネルギー蓄積体を兼ねるものでもよく、第２の容量可変容器２５に、セルの燃料極を通過して流入した燃料液体によって拡張するとともに、自身の容量が縮小する方向の付勢を持たせて構成する。また、弾性エネルギー蓄積体２７と、前記セルの燃料極を通過して流入した燃料液体によって前記弾性エネルギー蓄積体２７から作用する付勢力と自身の付勢力とに抗して膨張する第２の容量可変容器２５とで構成することもできる。
【００５６】
なお、上記の各実施の形態の第１の加圧手段３０は、加圧室２４と第１の容量可変容器２３とで構成したが、第１の容量可変容器２３を設けずに燃料液体を第１の燃料タンクＣ１に収容して、第１の燃料タンクＣ１の空き空間に前記空気ポンプＡＰから供給される空気によって容積が拡大する容器を加圧室２４の代わりに設けて構成することもできる。また、第１の加圧手段３０は、第１の容量可変容器２３に燃料液体を収容して、第１の燃料タンクＣ１の空き空間に前記空気ポンプから供給される空気によって容積が拡大する容器を前記加圧室２４の代わりに設けて構成することもできる。また、第１の燃料タンクＣ１に機密状態で可動する可動隔壁を設け、可動隔壁で仕切られた一方に前記空気ポンプＡＰから空気を供給し、可動隔壁で仕切られた他方に燃料液体を収容し、空気ポンプＡＰから供給される空気によって前記可動隔壁が移動して前記他方を加圧して燃料液体を押し出すようにして第１の加圧手段３０を構成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の燃料電池システムは、信頼性の向上と小型軽量化を実現することができ、この種の燃料電池を電源として使用する各種の携帯機器に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の燃料電池システムにおける初期及び停止状態の構成図
【図２】同実施の形態の起動状態および逆行運転から順行運転への切り替わり状態の構成図
【図３】同実施の形態の順行運転状態の構成図
【図４】同実施の形態の順行運転から逆行運転への切り替わり状態の構成図
【図５】同実施の形態の逆行運転状態の構成図
【図６】別の実施の形態の順行運転状態の要部の構成図
【図７】別の実施の形態の逆行運転状態の要部の構成図
【図８】燃料電池の発電システムを説明するセルの拡大断面図
【図９】従来の燃料電池の構成図
【符号の説明】
【００５９】
１    セル
７    燃料極
８    空気極
１６，１７    配管経路
２３    第１の容量可変容器（容量可変容器）
２４    加圧室
２５    第２の容量可変容器（容量可変容器）
２６    一部を開放する空間
２７    弾性エネルギー蓄積体
３０    第１の加圧手段
４０    第２の加圧手段
５０    コントローラ
Ｖ１，Ｖ２    開閉バルブ
Ｖ３    ３方向バルブ
ＡＰ    空気ポンプ
Ｃ１    第１の燃料タンク
Ｃ２    第２の燃料タンク
Ｌ１    第１の気液分離器
Ｌ２    第２の気液分離器
Ｐ１〜Ｐ５    空気供給経路
Ｓ      センサー（液量検出手段）
Ｓ１    センサー接点
Ｓ２    上限検出接点
Ｓ３    下限検出接点
【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】
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【図８】
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【図９】
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