(57)【要約】【課題】装置構成が小型化、簡素化された燃料電池を提供する。【解決手段】複数の発電セルと、前記複数の発電セルに接続された複数の流路と、前記複数の流路の開閉を行う流路切り替え部と、を具備する。前記流路切り替え部は、スライドすることで前記複数の流路の各々の開閉を行う少なくとも一の平面状の開閉部材を有している。【選択図】図１
2008052924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発電セルと、
前記複数の発電セルに接続された複数の流路と、
前記複数の流路の開閉を行う流路切り替え部と、
を具備し、
前記流路切り替え部は、スライドすることで前記複数の流路の各々の開閉を行う少なくとも一の平面状の開閉部材を有している、
燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載された燃料電池であって、
前記平面状の開閉部材は、前記複数の流路のうち、２本の流路に対応して設けられた兼用開閉部材を有し、
前記兼用開閉部材は、
前記２本の流路の夫々を閉状態にする２つの平板状の遮断部と、
前記２つの遮断部を、互いの相対位置が固定されるように支持する支持部と、を有し、
前記２つの遮断部を繋ぐ方向に平行に、スライド可能である
燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載された燃料電池であって、
前記各遮断部の幅は、前記流路の開口幅の２倍以上である
燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載された燃料電池であって、
前記複数の発電セルは、通常発電時と燃料濃度測定時との双方で発電する共用セル部を有し、
前記複数の流路は、
前記共用セル部に燃料を供給するＩＮ流路と、
前記共用セル部から燃料を排出する少なくとも２本のＯＵＴ流路と、
を有している
燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載された燃料電池であって、
更に、
前記発電セルに対して燃料を送出するポンプ部、
を具備し、
前記少なくとも２本のＯＵＴ流路は、通常発電用ＯＵＴ流路と、燃料測定用ＯＵＴ流路と、を含み、
前記通常発電用ＯＵＴ流路は、前記共用セル部と下流側の前記発電セルとを連通させるように設けられ、
前記燃料測定用ＯＵＴ流路は、前記共用セル部から排出された燃料を、他の前記発電セルを介さずに前記ポンプ部へ戻すように設けられている
燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載された燃料電池であって、
更に、
前記ポンプ部と前記流路切り替え部の動作を制御する制御部
を具備し、
前記制御部は、燃料濃度測定時において、
前記２本のＯＵＴ流路を閉にして前記共用セル部を燃料で満たし、
前記ＩＮ流路及び前記各ＯＵＴ流路の全てを閉にして、前記共用セル部を発電させ、
前記共用セル部が発電した発電量に基いて、燃料濃度を算出する
燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載された燃料電池であって、
前記制御部は、燃料濃度測定が終了すると、前記燃料測定用ＯＵＴ流路を開にして、前記共用セル部内の燃料を前記ポンプ部へ戻す
燃料電池。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれかに記載された燃料電池であって、
前記ポンプ部は、燃料の送出と流路の開閉との双方の機能を有している
燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載された燃料電池であって、
前記ポンプ部は、チュービングポンプである
燃料電池。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載された燃料電池であって、
前記複数の流路の少なくとも一部は、弾性を有するチューブで形成され、
前記流路切り替え部は、前記チューブを変形させることで前記複数の流路の開閉を行う加圧部材を有している
燃料電池。
【請求項１１】
複数の発電セルと、
前記複数の発電セルに接続された複数の流路と、
前記複数の発電セルに燃料を送出し、且つ、前記複数の流路のうちの一の流路に対する燃料供給を制御するバルブ兼用ポンプ、
を具備する
燃料電池。
【請求項１２】
請求項１１に記載された燃料電池であって、
前記バルブ兼用ポンプは、チュービングポンプである
燃料電池。
【請求項１３】
複数の発電セルと、
前記複数の発電セルに接続された複数の流路と、
前記複数の流路の開閉を行う流路切り替え部と、
を具備し、
前記複数の流路の少なくとも一部は、弾性を有するチューブで形成され、
前記流路切り替え部は、前記チューブを変形させることで前記複数の流路の開閉を行う加圧部材を有している
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池セルを有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスやメタノール等の燃料流体と、酸化用流体（例示；空気に含まれる酸素）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電装置である。例えば、固体高分子型の燃料電池の場合、発電体部分は、固体高分子からなる電解質膜を酸素側電極と燃料側電極とで挟み込んだ構造をなしている。その酸素側電極には酸素を供給するために空気が供給され、燃料側電極には燃料流体が供給される。そして、電気化学的な反応により発電が行われる。
【０００３】
固体高分子型の燃料電池は、小型、軽量であるという特徴を生かして、例えばノート型パーソナルコンピュータ等の携帯型電子機器の電源としての応用が検討されている。燃料電池の発電体部分（発電セル）は、電解質膜・電極複合体又はＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれている。複数の発電セルを電気的に直列に接続することでスタック構造の燃料電池が構成されている。
【０００４】
固体高分子型の燃料電池として、取扱の容易なメタノールを燃料として用いるダイレクトメタノール方式の燃料電池（ＤＭＦＣ）システムが知られている。ダイレクトメタノール方式の燃料電池システムでは、電子機器にメタノールで満たした燃料カートリッジが電子機器に装着される。燃料カートリッジ内のメタノールが燃料電池に供給されることで発電が行われる。
【０００５】
ダイレクトメタノール型の燃料電池では、発電時において、アノードにて下記反応式１による反応が、カソードにて下記反応式２による反応が、夫々起こる。
（反応式１）：ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  ＋  ＣＯ２
（反応式２）：６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  ＋  １．５Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ
【０００６】
反応式１に示されるように、アノード電極ではプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）と二酸化炭素（ＣＯ２）が発生する。発生した電子は外部回路を通ることによって発電に用いられ、二酸化炭素は大気中に排出され、プロトンはプロトン導電性電解質を通ってカソード電極に到達する。
【０００７】
一方、反応式２に示されるように、カソード電極ではアノード電極から到達したプロトンと、外部回路を通ってきた電子と、空気中の酸素とが反応して水が生成される。よって、ＤＭＦＣの生成物は理論的に水と二酸化炭素のみとなり環境にやさしいクリーンなものとして大気中に排出される。
【０００８】
固体高分子型の燃料電池には、燃料をアノードに供給する為の流路が設けられている。その流路は、必要に応じて燃料の流れる方向が変更できるように構成されることがある。例えば、特許文献１には、分岐路を有する流路において、三方弁によって燃料の流れる方向を切り替えることが記載されている。
【０００９】
ダイレクトメタノール型燃料電池システムでは、液体燃料に含まれるメタノールの濃度制御が高効率発電を行うための重要な要素である。メタノール濃度が低すぎる場合には、十分な量の燃料がＭＥＡに供給されずに低い電圧での発電しかできない。メタノール濃度が高すぎる場合には、メタノールがアノード電極で酸化されずにカソード電極に透過するクロスオーバー現象が発生し、発電効率が低下したりＭＥＡ周辺部材が燃料中に溶出したりしてしまうことがある。
【００１０】
燃料濃度を制御する為に、燃料電池システム中に濃度センサーを設けて、液体燃料に含まれるメタノール濃度を把握し制御することが考えられる。燃料濃度を測定するための方法としては、ＭＥＡの電圧値から燃料濃度を算出する方法（特許文献２参照）、超音波の伝播速度の違いを利用して燃料濃度を算出する方法（特許文献３参照）、等が知られている。また、特許文献４には、燃料電池スタックの他のセルと共通のＭＥＡをモニタセルとして、そのモニタセルの出力電圧から燃料濃度を求めることが記載されている。
【００１１】
ところで、既述のように、固体高分子型の燃料電池は、携帯機器の電源として期待されている。携帯機器用の電源装置に対しては、小型化や構成の簡素化の要求がある。そこで、燃料濃度を測定するための装置にも、燃料濃度を正確に測定できることはもちろんのこと、小型化や構成の簡素化が求められる。しかしながら、上述の何れの方法を用いても、燃料濃度測定の精度向上、装置構成の小型化や簡素化、の双方の要求を満たすことは難しかった。
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−１４１９９４号  公報
【特許文献２】特公平６−２６１３２号  公報
【特許文献３】特開平１１−２３５４１号  公報
【特許文献４】特開２００５−２４３４８０号  公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
即ち、本発明の目的は、装置構成が小型化、簡素化された燃料電池、を提供することにある。
本発明の他の目的は、燃料濃度を精度よく測定することのできる燃料電池、を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【００１５】
本発明にかかる燃料電池（１０）は、複数の発電セル（２１）と、複数の発電セル（２１）に接続された複数の流路（１〜３）と、複数の流路（１〜３）の開閉を行う流路切り替え部（４０）と、を具備する。流路切り替え部（４０）は、スライドすることで複数の流路の各々の開閉を行う少なくとも一の平面状の開閉部材（４１、４２）を有している。
【００１６】
このような構成とすれば、平面状の開閉部材（４１、４２）をスライドするだけで、流路の開閉を行うことができるので、燃料電池の構成を簡素化させることができる。
【００１７】
上記の燃料電池（１０）において、平面状の開閉部材（４１、４２）は、複数の流路（１〜３）のうち、２本の流路を開閉するように設けられた兼用開閉部材（４１）を有していることが好ましい。ここで、兼用開閉部材（４１）は、その２本の流路の夫々を閉状態にする２つの平板状の遮断部（４３）と、２つの遮断部（４３）を互いの相対位置が固定されるように支持する支持部（４３）とを有し、２つの遮断部（４３）を繋ぐ方向に平行にスライド可能である。
【００１８】
このような構成とすれば、複数設けられた流路（１〜３）の全てに対して開閉用の装置を設ける必要が無い。少なくとも２本の流路の開閉が、兼用開閉部材（４１）により行われるので、燃料電池の構成を簡素化させることができる。
【００１９】
上記の燃料電池（１０）において、各遮断部（４３）の幅は、その流路の開口幅の２倍以上であることが好ましい。
【００２０】
上記の燃料電池（１０）において、複数の発電セル（２１）は、通常発電時と燃料濃度測定時との双方で発電する共用セル部（２０）を有している。複数の流路（１〜３）は、共用セル部（２０）に燃料を供給するＩＮ流路（１）と、共用セル部（２０）から燃料を排出する少なくとも２本のＯＵＴ流路（２、３）と、を有していることが好ましい。
【００２１】
上記の燃料電池（１０）は、更に、発電セル（２１）に対して燃料を送出するポンプ部（３０）を具備し、少なくとも２本のＯＵＴ流路（２、３）は、通常発電用ＯＵＴ流路（３）と、濃度測定用ＯＵＴ流路（２）とを含み、通常発電用ＯＵＴ流路（３）は、共用セル部（２０）と下流側の発電セル（２１）とを連通させるように設けられ、濃度測定用ＯＵＴ流路（２）は、共用セル部（３０）から排出された燃料が、他の発電セル（２１）を介さずにポンプ部（３０）へ戻るように設けられていることが好ましい。
【００２２】
このような構成にすれば、共用セル部（２０）に送出された燃料を、下流側の発電セル（２１）へ送ることもできるし、共用セル部（２０）から直接ポンプ部（３０）へ戻すこともできる。燃料の流れる方向を、濃度測定時と通常発電時とで使い分けることができる。
【００２３】
上記の燃料電池（１０）は、更に、ポンプ部（３０）とその流路切り替え部の動作を制御する制御部（５０）を具備し、制御部（５０）は、燃料濃度測定時において、２本のＯＵＴ流路（２、３）を閉にして共用セル部（２０）を燃料で満たし、ＩＮ流路（１）及び各ＯＵＴ流路（２、３）の全てを閉にして、共用セル部（２０）を発電させ、共用セル部（２０）が発電した発電量に基いて、燃料濃度を算出することが好ましい。
【００２４】
このような構成にすれば、燃料濃度を正確に検出することができる。共用セル部を密閉した状態で発電させた時の発電量は、ＭＥＡや集電部材などの他の部材の抵抗などには依存しない。ＭＥＡや集電部材などが劣化し、その抵抗値が濃度測定の度に一定となり難い場合でも、燃料濃度を正確に測定することができる。
【００２５】
上記の燃料電池（１０）において、制御部（５０）は、燃料濃度測定が終了すると、濃度測定用ＯＵＴ流路（２）を開にして、共用セル部（２０）内の燃料をポンプ部（３０）へ戻すことが好ましい。
【００２６】
上記の燃料電池（１０）において、ポンプ部（３０）は、燃料の送出と、ＩＮ流路（１）の開閉の両方を行うことが好ましい。ポンプ部（３０）は、チュービングポンプを含むことが好ましい。
【００２７】
上記の燃料電池（１０）において、複数の流路（１〜３）の少なくとも一部は、弾性を有するチューブで形成され、流路切り替え部（４０）は、そのチューブを変形させることで複数の流路（１〜３）の開閉を行う加圧部材（４５）を有していることが好ましい。
【００２８】
本発明にかかる燃料電池（１０）は、その他の形態において、複数の発電セル（２１）と、複数の発電セル（２１）に接続された複数の流路（１〜３）と、複数の発電セル（２１）に燃料を送出し、且つ、複数の流路（１〜３）のうちの一の流路に対する燃料供給を制御するバルブ兼用ポンプ、を具備する。
【００２９】
この燃料電池（１０）において、そのバルブ兼用ポンプは、チュービングポンプであることが好ましい。
【００３０】
本発明にかかる燃料電池（１０）は、その他の形態において、複数の発電セル（２１）と、複数の発電セル（２１）に接続された複数の流路（１〜３）と、複数の流路（２１）の開閉を行う流路切り替え部（４０）と、を具備する。複数の流路（１〜３）の少なくとも一部は、弾性を有するチューブで形成されている。流路切り替え部（４０）は、チューブを変形させることで複数の流路（１〜３）の開閉を行う加圧部材（４５）を有している。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に依れば、装置構成が小型化、簡素化された燃料電池、が提供される。
本発明に依れば、更に、燃料濃度を精度よく測定することのできる燃料電池、が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について説明する。本実施形態に係る燃料電池１０は、モバイル機器用の電源として好適である。以下に述べる本実施形態の工夫により、装置構成が簡素化されるので、小型化が強く要求されるモバイル機器用の電源として有利であるからである。
【００３３】
図１を参照して、燃料電池１０の構成について説明する。燃料電池１０は、フレーム６０と、燃料を発電セルに送出する為のポンプ３０と、制御部５０と、共用セル部２０を有する複数の発電セル２１と、流路切り替え部４０と、ＩＮ流路１と、ＯＵＴ流路２、３と、を有している。尚、本実施形態では、燃料として、メタノールを用いる場合について説明する。
【００３４】
図１は、燃料電池１０の構成を概略的に示す平面図である。説明の為、一部の構成は透視させて示している。フレーム６０は直方体状である。フレーム６０に、複数の発電セル２１が配置されている。本実施形態では、複数の発電セル２１の数は６個であり、互いに重ならないように、同一平面上に３行×２列で配置されている。
【００３５】
複数の発電セル２１のセルの各々は、燃料室（図示は省略）と、ＭＥＡと、を有している。燃料室は、フレーム６０に設けられた凹部であり、燃料であるメタノール溶液が貯えられるようになっている。ＭＥＡは、燃料室の上に配置されている。ＭＥＡは、固体高分子電解質膜がアノード電極とカソード電極とによって挟みこまれた構造となっている。ＭＥＡは、アノード電極を燃料室側として配置されており、燃料室に貯えられたメタノール溶液がアノード電極に供給されることで発電する。アノード電極及びカソード電極には、夫々集電体が接続されており、複数の発電セル２１が電気的に直列に接続されている。
【００３６】
複数の発電セル２１の燃料室には、燃料が複数の発電セル２１を直列に流れるように流路が接続されている。複数の発電セル２１のうち、燃料供給の最上流側の発電セル２１は、共用セル部２０となっている。共用セル部２０は、単一の発電セル２１を含んでいる。この共用セル部２０の発電セル２１は、燃料濃度測定用と通常発電用の発電セルを兼ねるものである。尚、共用セル部２０内の発電セル２１は、必ずしも単一である必要はなく、２以上の発電セルであってもよい。但し、詳細は後述するが、発電セルの数が少ないほど、濃度測定時において測定に要する時間が短縮される。また、共用セル部２０には、共用セル部２０を発電させてその特性（電圧など）を測定する機構（図示せず）が接続されている。
【００３７】
ＩＮ流路１は、ポンプ３０と共用セル部２０とを接続するように設けられている。燃料ポンプ３０から送出された燃料は、ＩＮ流路１を介して複数の発電セル２０のうちの共用セル部２０に供給される。
【００３８】
ＯＵＴ流路３は、共用セル部２０から排出される燃料を、下流側の発電セル２１を介してポンプ３０へ戻すように設けられている。ＯＵＴ流路３は、燃料が複数の発電セル２０を直列に流れるように設けられている。
【００３９】
一方、ＯＵＴ流路２は、共用セル部２０とポンプ３０を直接に接続するように設けられている。共用セル部２０からＯＵＴ流路２側へ排出された燃料は、下流側の他の発電セル２１を経由せずに、直接ポンプ３０に戻されるようになっている。
【００４０】
尚、ＩＮ流路１及びＯＵＴ流路２、３において、ポンプ３０とフレーム６０までの区間は筒状のチューブで構成され、フレーム６０内部の区間はフレーム６０に形成された空洞で構成されている。
【００４１】
２つのＯＵＴ流路（ＯＵＴ流路２とＯＵＴ流路３）は、いずれも共用セル部２からすぐ下流側の発電セル２１方向へ延びるように設けられている。ＯＵＴ流路３は、真っ直ぐに伸びて下流側の発電セル２１へ接続している。一方、ＯＵＴ流路２は、下流側の発電セル２１には接続されずに、途中で折り曲げられてフレーム６０の外に引き出されている。
【００４２】
流路切り替え部４０は、流路中の燃料の流れを開閉するためのものである。流路切り替え部は、ＯＵＴ流路２、３を開閉する兼用開閉部材４１と、ＩＮ流路１を開閉する開閉板４２とを有している。
【００４３】
兼用開閉部材４１は、２つのＯＵＴ流路２、３が下流側に向かって伸びている部分に設けられている。兼用開閉部材４１は、２つのＯＵＴ流路２、３を横切るように配置されている。ここで、フレーム６０には、２つのＯＵＴ流路２、３を横切るように溝（図示せず）が設けられている。兼用開閉部材４１は、その溝に沿ってスライドすることで、２つのＯＵＴ流路２、３を繋ぐ方向にスライド可能となっている。兼用開閉部材４１のスライドは、例えば兼用開閉部材４１に駆動機構を取り付けておくことで行うことができる。
【００４４】
図７（ａ）〜（ｃ）を参照して、兼用開閉部材４１の形状について説明する。兼用開閉部材４１は、２つの遮断部４３と、遮断部４３同士を物理的に接続する接続部４４とを有している。遮断部４３は、平板状である。また、遮断部４３の幅は、２本のＯＵＴ流路の幅の２倍よりも広くなっている。
【００４５】
図７（ａ）は、兼用開閉部材４１によって、２つのＯＵＴ流路２、３が両方とも閉じられた様子を説明する図である。図７（ａ）に示されるように、各遮断部４３が、２本のＯＵＴ流路の夫々に対応して、開口を遮るよう配置される。この時、２本のＯＵＴ流路は、何れも燃料が流れない状態となる。
【００４６】
図７（ｂ）は、２つのＯＵＴ流路２、３を両方とも開にした様子を説明する図である。兼用開閉部材４１の遮断部４３は、２本のＯＵＴ流路それぞれの開口を遮らない位置に配置されている。この時、２本のＯＵＴ流路は、両方とも燃料が流れることが可能である。
【００４７】
図７（ｃ）は、２本のＯＵＴ流路のうち、一方が開であり、他方が閉の状態を示す図である。図７（ｃ）において、兼用開閉部材４１は、図７（ａ）の状態から、ＯＵＴ流路（２、３）の開口幅分ほど、図面上の左へスライドさせた状態となっている。遮断部４３の幅は、ＯＵＴ流路（２、３）の幅の２倍よりも広くなっているので、一方の（左側の）遮断部４３は依然としてＯＵＴ流路３の開口を遮っている。これに対して、他方の（右側の）遮断部４３は、ＯＵＴ流路２の開口部から外れている。従って、一方のＯＵＴ流路２では燃料が通過可能であるが、他方のＯＵＴ流路３は燃料が流れない。
【００４８】
このように、兼用開閉部材４１をスライドさせるだけで、２本の流路を、（Ａ）何れも開、（Ｂ）片方だけ開、（Ｃ）両方が閉、の状態に切り替えることができる。
【００４９】
尚、兼用開閉部材４１を図７（ｃ）で示された位置とは逆の方向にスライドさせれば、燃料の通行可能な流路と燃料の流れない流路とを逆にすることができる。
【００５０】
また、図７（ｃ）において、兼用開閉部材４１をＯＵＴ流路（２、３）の開口幅分ほどスライドさせた場合について説明したが、ＯＵＴ流路（２、３）間の距離分ほどスライドさせて、一方の流路を遮断していた遮断部４３により、他方の流路が遮断されるようにしてもよい。但し、この場合には、兼用開閉部材４１がスライドする距離が大きくなるために、図７（ｃ）で示される例よりも省スペース化の観点からは不利となる。
【００５１】
図１に戻り、流路切り替え部４０の構成の説明を続ける。ＩＮ流路１には、開閉板４２が設けられている。開閉板４２も平板状であり、スライドすることによってＩＮ流路１の開閉を行うようになっている。
【００５２】
制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、時計機構、記憶装置などを有するコンピュータに例示され、インストールされたプログラムによってその機能を実現する。制御部は、流路切り替え部４０、ポンプ部３０などの、燃料電池１０の諸構成の動作を制御する。また、制御部には、予め、共用セル部２０において限界電流に達する時の燃料濃度、及び共用セル部２０に貯えられる燃料の容量（容量データ）、がデータとして記憶されている。
【００５３】
上述のように構成された燃料電池１０の動作方法について、以下に説明する。尚、以下に述べる動作は、制御部５０によって実現される。
【００５４】
図２（ａ）は、通常発電時における、共用セル部１０と流路切り替え部４０の状態を示す概略構成図である。図２（ａ）に示されるように、通常発電時には、制御部５０により、開閉板４２がＩＮ流路１の開口部から外れた位置に配置され、ＩＮ流路１が開の状態になっている。また、兼用開閉部材４１は、ＯＵＴ流路３が開、ＯＵＴ流路２が閉の状態となるように配置される。流路切り替え部４０がこのように配置されていることによって、ポンプ３０から送出された燃料はＩＮ流路１を介して共用セル部２０の燃料室に流れ込む。共用セル部２０へ流れ込んだ燃料の一部は、共用セル部２０のＭＥＡに供給されて発電に消費される。共用セル部２０で消費されなかった燃料は、ＯＵＴ流路３から排出される。ＯＵＴ流路３へ排出された燃料は、下流側の発電セル２１へと送られる。このようにして、燃料は、ＯＵＴ流路３を介して複数の発電セル２１を直列に循環し、最下流に配置された発電セル２１から排出された後にフレーム６０外へと出て、最終的にポンプ部３０に戻される。燃料が全ての発電セル２１に対して供給されるので、全ての発電セル２１が発電する。
【００５５】
一方、燃料濃度の測定時には、まず、図２（ｂ）に示されるように、ＩＮ流路１が開の状態であり、ＯＵＴ流路２とＯＵＴ流路３は閉の状態とされる。この状態で、ポンプ部３０から燃料が送出される。燃料の送出は、共用セル部２０の燃料室が満たされるまで行われる。
【００５６】
共用セル部２０の燃料室が燃料で満たされると、図２（ｃ）に示されるように、ＩＮ流路１が閉じられる。この図２（ｃ）の状態では、ＩＮ流路１、ＯＵＴ流路２、３の全てが閉であるので、共用セル部２０に対して外部からの燃料の出入りはない。このように、燃料の出入を遮断した状態で、共用セル部２０から所定の電流値を掃引して定電流発電させる。共用セル部２０の発電に伴ない燃料が消費されていくので、燃料濃度は除々に低くなっていく。やがて、限界電流に達する。限界電流となると、それ以上共用セル部２０は発電できなくなる。制御部５０は、限界電流に達するまでの経過時間を測定する。
【００５７】
続いて、測定された経過時間に基いて、限界電流に達するまでに共用セル部２０が発電した発電量が算出される。その発電量は、掃引した電流値と経過時間との積として求めることができる。このようにして求めた発電量は、発電によって消費されたメタノール量に依存している。制御部５０は、発電量から、メタノールの消費量を算出する。更に、予め格納されていた、「容量データ（共用セル部２０の容量）」と、「共用セル部２０において限界電流に達する時の燃料濃度」とに基いて、発電前のメタノール濃度（燃料濃度）を算出する。ここで、発電前のメタノール濃度の算出は、次の論理を利用している。限界電流に達した時に、燃料溶液の状態は「限界電流に達する時の燃料濃度」となっている。従って、発電によって消費されたメタノール分の燃料濃度を、「限界電流に達する時の燃料濃度」に足し合わせれば、発電前の燃料濃度を求めることができるのである。
【００５８】
尚、燃料濃度を求める手法については、共用セル部２０を密閉した状態で限界電流に達するまで発電を行い、その発電量に基いて燃料濃度を算出することができれば、上述の手法に限られなくてもよい。例えば、予め、発電時間と燃料濃度との相関関係を掃引電流値毎に求めておき、その相関関係をテーブル化して制御部５０に格納しておいてもよい。この相関関係を利用することでも、発電時間から燃料濃度を測定することができる。尚、この場合の発電時間は、掃引電流値毎に定められているので、間接的に発電量を意味している。
【００５９】
このように、限界電流に達するまでの発電量に基いて燃料濃度を算出することで、値の変化し易い発電時の諸条件（電圧や各部材の抵抗値など）に依存せず、正確な燃料濃度を測定することができる。
【００６０】
燃料濃度の測定が終了すると、制御部５０は、流路切り替え部４０を、図２（ｄ）に示される状態にする。即ち、ＯＵＴ流路２を開、ＯＵＴ流路３を閉の状態にする。これにより、濃度測定で用いられた燃料は、下流側の発電セル２１へは送られずに、ＯＵＴ流路２を介して排出される。尚、図２（ｄ）では、ＩＮ流路１が開の状態となっているが、ＩＮ流路１は開、閉のどちらでもよい。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態にかかる燃料電池に依れば、平面状の開閉部材をスライドするだけで、２本の流路（ＯＵＴ流路２とＯＵＴ流路３）の開閉を自在に行うことができる。流路の開閉を行うための部材を、ＯＵＴ流路２とＯＵＴ流路３の双方に備えつける必要は無く、構成が簡素化されている。
【００６２】
また、燃料濃度の測定に際して、通常発電時に用いられる発電セルが、燃料濃度測定用として兼用されるので、燃料濃度を検出するための構成を別途に追加する必要は無い。従って、燃料電池を小型化させることができる。
【００６３】
さらに、複数の発電セル２１の全体に燃料を供給して発電を行うことで燃料濃度を測定するわけではなく、複数の発電セル２１の一部に燃料を供給して発電させることで測定を行うので、燃料供給、排出に要する時間、限界電流に達するまでの発電時間、の双方の観点から短時間に測定を行うことができる。
【００６４】
また、燃料が限界電流に達するまでに発電した発電量に基いて初期の燃料濃度が算出されるので、正確に燃料濃度を求めることができる。このようにして濃度を求めれば、値の変化し易い発電時の諸条件（電圧や各部材の抵抗値など）に依存せずに濃度が算出されるからである。
【００６５】
（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、本実施形態にかかる燃料電池の構成を概略的に示す構成図である。本実施形態では、第１の実施形態と比較して、ＯＵＴ流路２が共用セル部２０から伸びる方向が異なっている。また、これに伴なって、兼用開閉部材４１の設けられる位置も異なっている。また、共用セル部２０の燃料室の構成についても工夫されている。尚、以下の説明において、第１の実施形態と同じ構成については、説明が省略される。尚、図３においても、制御部５０の図示は省略されている。
【００６６】
図３に示されるように、ＩＮ流路１及びＯＵＴ流路２は、共用セル部２０から同じ方向に伸びるように接続されている。ＩＮ流路１及びＯＵＴ流路２は、いずれも、フレーム６０内ではフレーム６０の空洞であり、フレーム６０外では筒状の管によって形成されている。一方、ＯＵＴ流路３は、ＩＮ流路１及びＯＵＴ流路２とは反対側へ向かって伸びており、下流側の発電セル２１に接続している。
【００６７】
兼用開閉部材４１は、２本の流路（ＩＮ流路１及びＯＵＴ流路２）がフレーム６０と交差する位置において、フレーム６０の外側に、フレーム側面と平行に取りつけられている。兼用開閉部材４１と、その２本の流路との位置関係は、第１の実施形態で図７を用いて説明したものと同様である。即ち、２本の流路を繋ぐ方向にスライド可能であり、（ａ）ＩＮ流路１及びＯＵＴ流路２が開、（ｂ）ＩＮ流路１が開でＯＵＴ流路２が閉、（ｃ）ＩＮ流路１及びＯＵＴ流路２が閉、（ｄ）ＩＮ流路１が閉でＯＵＴ流路２が開、の４つの状態に切り替えることが可能となっている。
【００６８】
図４（a）〜（ｃ）は、共用セル部２０の燃料室の構造を概略的に示す図である。共用セル部２０の燃料室には、仕切り２２が設けられている。仕切り２２は、一端で燃料室の側壁に接続されており、他端は開放されている。その一端は、ＩＮ流路１とＯＵＴ流路２との間でフレーム６０に接続されている。尚、図４において、矢印は燃料の流れる方向を示している。
【００６９】
図４（ａ）は、通常発電時における燃料室の状態を示している。兼用開閉部材４１によってＩＮ流路１が開、ＯＵＴ流路２が閉にされている。また、開閉板４２によってＯＵＴ流路３が開にされている。燃料は、ＩＮ流路１から共用セル部２０に流れ込む。共用セル部２０で消費されなかった燃料は、ＯＵＴ流路３を介して、下流の発電セル２１側へ排出される。
【００７０】
図４（ｂ）は、燃料濃度を測定する際の燃料室の状態を示している。兼用開閉部材４１によってＩＮ流路１及びＯＵＴ流路２が閉に、開閉板４２によってＯＵＴ流路３も閉になっている。この状態で、共用セル部２０を発電させることで、燃料濃度が算出される。
【００７１】
図４（ｃ）は、共用セル部２０から下流側の発電セル２１を経由させずに直接にポンプ３０へ燃料を戻すときの状態を示している。兼用開閉部材４１によってＩＮ流路１及びＯＵＴ流路２が共に開、開閉板４２によってＯＵＴ流路３は閉となっている。燃料は、ＩＮ流路１から共用セル部２０に流れ込み、ＯＵＴ流路２から排出される。このとき、仕切り２２があることによって、ＩＮ流路１から流れ込んだ燃料は、燃料室全体を周るような流れを作る。即ち、燃料室全体に、燃料が行き渡る。
【００７２】
以上説明した本実施形態では、ＩＮ流路１とＯＵＴ流路２とを、共用セル部２０からフレーム外部に向けて同じ方向に伸ばし、兼用開閉部材４１をフレーム６０の側面に取りつけることで、構成が更に簡素化されている。すなわち、フレーム６０の内側に兼用開閉部材４１を取りつける場合には、兼用開閉部材４１がスライド可能に配置されるように、フレーム６０の形状を工夫する必要が有るが、本実施形態では、兼用開閉部材４１を側面に取りつけるだけで良いので、特にフレーム６０の形状を工夫する必要はない。
【００７３】
また、燃料室内に仕切り２２を設けることによって、ＩＮ流路１とＯＵＴ流路２とが、共用セル部２０の同じ側に接続されていたとしても、燃料の流れを偏らせずに全体に行き渡らせることができる。
【００７４】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について説明する。図５は、本実施形態にかかる燃料電池の構成を概略的に示す構成図である。本実施形態では、第１の実施形態と比較して、ポンプ３０と開閉板４２とに替えて、ポンプ機能と流路開閉機能の双方の機能を有するチュービングポンプが用いられる。なお、ポンプ３０と開閉板４２以外の点については、第１の実施形態と同様であり、説明を省略する。また、図５において、制御部５０の図示は省略されている。
【００７５】
チュービングポンプとしては、例えば、チュービングポンプ（商品名、アクアテック社製）のものを用いることができる。このように、チュービングポンプを用いることにより、ポンプ３０と開閉板４２とを別々に設ける必要が無くなるので、装置構成を更に簡素化させることができる。
【００７６】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について説明する。本実施の形態においては、第１の実施形態における開閉板４２に替えて、加圧部材４５が用いられる。また、ＩＮ流路１において、ポンプ３０からフレーム６０までを接続する区間は、弾性を有するチューブによって構成されている。
【００７７】
図９（a）は、ＩＮ流路１が開の状態を示す断面図である。加圧部材４５は、ＩＮ流路１のチューブの上下に夫々配置されている。上下の加圧部材４５は、そのチューブを挟むように上下方向（図９（a）中、矢印に示す方向）に移動可能である。図９（a）に示されるように、加圧部材４５が、そのチューブと接触しない位置、又はチューブに対して圧力が加わらない位置に配置されているときに、ＩＮ流路１は開となる。
【００７８】
図９（ｂ）は、ＩＮ流路１が閉の状態を示す断面図である。上下の加圧部材４５によって、チューブは押しつぶされている。このように、加圧部材４５によってチューブに圧力を加えて押しつぶすことで、ＩＮ流路１を閉の状態にすることができる。上下の加圧部材を、互いに離れる方向へ移動させれば、チューブが元の形状に戻り、図９（a）に示されるようにＩＮ流路１を開にすることができる。
【００７９】
このように、ＩＮ流路１のうち、フレーム６０外の区間（ポンプ３０からフレーム６０までを接続する区間）を、弾性を有するチューブによって構成して、上下に加圧部材を配置することによっても、ＩＮ流路１の開閉を行うことができる。
【００８０】
また、本実施形態では、ＩＮ流路１の開閉について説明したが、ＯＵＴ流路２について、同様の工夫を行ってもよい。
【００８１】
（実施例）
続いて、発明者によって実験された実施例について説明する。図６は、実施例で用いた燃料電池１０の構成を示す概略図である。図６に示すように、４つの発電セル２１を、フレーム６０上に平面的に並べた。フレーム６０には、各発電セル２１を直列に燃料が流れるような流路（符号３）が形成されている。また、最上流側の発電セル２１には、ＩＮ流路１とＯＵＴ流路３が、同じ方向に伸びるように接続されている。フレーム６０の側部には、兼用開閉部材４１がスライド運動をできるように取り付けられており、兼用開閉部材４１によってＩＮ流路１とＯＵＴ流路２の開閉が行われる。尚、兼用開閉部材４１のスライド運動は、図示しないモーターを介して行われる。
【００８２】
このように構成された燃料電池１０を用いて、燃料濃度の測定を行った。測定にあたっては、まず、ＩＮ流路１を開、ＯＵＴ流路２を開、ＯＵＴ流路３を閉となるようにし、最上流側の発電セル２１（共用セル部１０）に燃料を供給した。共用セル部１０の燃料室を燃料で満たした後、ＩＮ流路１を閉、ＯＵＴ流路２を閉として、燃料の出入を遮断した。そして、共用セル部１０を定電流発電させて経過時間を測定した。なお、燃料としては、メタノール溶液を使用した。
【００８３】
このような燃料濃度測定を、予め初期濃度が既知であるメタノール溶液に対して行った。また、燃料溶液の初期濃度を、５ｖｏｌ％〜３０ｖｏｌ％の間で変更しながら複数回の測定を行った。また、各初期濃度のメタノール溶液に対して、発電時に掃引する電流値を１Ａ、２Ａ、３Ａの夫々として測定を行った。
【００８４】
図８は、その測定結果を、初期濃度を横軸、発電時間を縦軸として示したグラフである。図８に示されるように、各掃引電流毎に、初期濃度と発電時間との間に良好な直線関係が得られた。このことは、初期濃度が未知のメタノール溶液に対しても、本発明の方法を用いて発電時間を測定することで、初期濃度を正確に算出することができることを示唆している。
【００８５】
尚、上述の燃料濃度測定が終了した後に、ＩＮ流路１を開、ＯＵＴ流路２を閉、ＯＵＴ流路３を開として、複数の発電セル２１全体に燃料を供給した。そして、複数の発電セル２１全体を発電させたところ、問題無く発電が行われることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】第１の実施形態にかかる燃料電池の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態において、共用セル部へ接続される流路の状態を示す説明図である。
【図３】第２の実施形態にかかる燃料電池の概略構成図である。
【図４】第２の実施形態において、共用セル部へ接続される流路の状態を示す説明図である。
【図５】第３の実施形態にかかる燃料電池の概略構成図である。
【図６】実施例で用いた燃料電池の概略構成図である。
【図７】兼用開閉部材の構成を示す図である。
【図８】実施例の実験結果を示すグラフである。
【図９】第４の実施形態における流路切り替え部の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８７】
１      ＩＮ流路
２      ＯＵＴ流路（燃料濃度測定用）
３      ＯＵＴ流路（通常発電用）
１０      燃料電池
２０      共用セル部
２１      発電セル
２２      仕切り
３０      ポンプ部
４０      流路切り替え部
４１      兼用開閉部材
４２      開閉板
４３      遮断部
４４      支持部
５０      制御部
６０      フレーム
【図１】
2008052924.tif 000003
【図２】
2008052924.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008052924.tif 000007
【図６】
2008052924.tif 000008
【図７】
2008052924.tif 000009
【図８】
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【図９】
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