(57)【要約】【課題】出力パワーを向上することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明による電池システムは、燃料電池モジュールとポンプとを含む。燃料電池モジュールは、陽極フローチャネルプレートと膜電極接合体とを含み、膜電極接合体は、陽極フローチャネルプレート近傍に設置される。陽極フローチャネルプレートは反応槽を有し、反応槽は中空槽体である。中空槽体は、底部に位置する注入口と、頂部に位置する排出口とを有する。また、ポンプは異なる流量で陽極反応液体を注入口から反応槽に注入し、ポンプが陽極反応液体を反応槽に注入するときに、反応槽内の元の陽極反応液体を排出口から送出する。【選択図】図２
2008135367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
反応槽を有する陽極フローチャネルプレートと、前記陽極フローチャネルプレートの近傍に配置される膜電極接合体とを含む燃料電池モジュールであって、当該反応槽は、中空状であり、少なくとも一つの注入口と、少なくとも一つの排出口とを有する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールに接続さるポンプであって、当該ポンプは、異なる流量で陽極反応液体を前記注入口から前記反応槽に注入するために用いられ、当該ポンプにより当該陽極反応液体を前記反応槽に注入している時に、前記反応槽内にある元の当該陽極反応液体は、前記排出口から排出されるポンプと、
を含む、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記反応槽の頂部は、前記反応槽の側壁から前記排出口まで、前記反応槽の底部と離れる方向に向けて次第に縮小されるように形成される、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記陽極フローチャネルプレートの反応槽内には、ガイドブロックがさらに設けられる、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ポンプは、前記陽極反応液体を、前記注入口から前記反応槽へ第一の流量と第二の流量で交互に注入し、当該第二の流量は、当該第一の流量より低い、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システムは、前記ポンプに電気的に接続される制御ユニットを更に含み、当該制御ユニットは、前記ポンプの動作を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記反応槽内には、前記陽極反応液体の濃度を検出するための濃度検出器が設置され、当該濃度検出器は、前記制御ユニットと電気的に接続され、前記制御ユニットは、前記陽極反応液体の濃度に基づいて前記ポンプの動作を制御する、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記反応槽内には、前記反応槽内の前記陽極反応液体の液面レベルを検出するための液面レベル検出器が設置され、当該液面レベル検出器は、前記制御ユニットと電気的に接続され、前記制御ユニットは、前記反応槽内の前記陽極反応液体の液面レベルに基づいて前記ポンプの動作を制御する、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御ユニットは、前記燃料電池システムにより出力された出力パワーまたは出力エネルギーに基づいて前記ポンプの動作を制御する、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池システムは、前記制御ユニットと電気的に接続される温度検出器を更に含み、当該温度検出器は、前記反応槽の中、前記膜電極接合体の近傍、または、前記膜電極接合体と接触するように設置され、前記制御ユニットは、当該温度検出器により検出された検出結果に基づいて前記ポンプの動作を制御する、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記陽極反応液体は、前記膜電極接合体の反応により陰極反応生成物を生成し、前記制御ユニットは、当該陰極反応生成物の収集量に基づいて前記ポンプの動作を制御する、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池システムは、収集槽と、当該収集槽内に設置される液面レベル検出器とを更に含み、当該収集槽は、前記燃料電池モジュールに接続され、前記陰極反応生成物は、当該収集槽に排出され、当該液面レベル検出器は、前記制御ユニットと電気的に接続される、
請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池システムは、収集槽と、当該収集槽内に設けられ、前記制御ユニットに電気的に接続される重量検出器または液体圧力検出器とを更に含み、当該収集槽は、前記燃料電池モジュールに接続され、前記陰極反応生成物は、当該収集槽に排出される、
請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記陽極反応液体は、前記膜電極接合体の反応により、陽極反応生成物を生成し、前記制御ユニットは、当該陽極反応生成物の圧力の変化に基づいて前記ポンプの動作を制御する、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池システムは、収集槽と、当該収集槽内に設けられる圧力検出器と、当該収集槽の出口に設けられるストップ弁または減圧弁とを更に含み、当該収集槽は、前記陽極反応生成物を収集するために用いられ、当該圧力検出器は、前記制御ユニットと電気的に接続される、
請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記制御ユニットは、前記膜電極接合体における開路電圧に基づいて前記ポンプの動作を制御する、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料電池システムは、前記燃料電池モジュールの重量を検出するための重量検出器をさらに含み、当該重量検出器は、前記制御ユニットに電気的に接続され、前記制御ユニットは、前記燃料電池モジュールの重量の変化に基づいて前記ポンプの動作を制御する、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記膜電極接合体は、プロトン交換膜と、陽極触媒層と、陰極触媒層と、陽極気体拡散層と、陰極気体拡散層とを含み、前記陽極触媒層と前記陰極触媒層は、それぞれ、前記プロトン交換膜の両側に配置され、前記陽極気体拡散層は、前記陽極触媒層と陽極との間に設置され、前記陰極気体拡散層は、前記陰極触媒層と陰極との間に設置される、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記燃料電池システムは、二次電池を更に含み、前記膜電極接合体の開路電圧を検知するときに、前記膜電極接合体の外部負荷への電力供給が停止され、このとき、当該二次電池は、当該外部負荷に必要な電力の少なくとも一部を供給する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記燃料電池モジュールは、陽極集電板と陰極集電板とを更に含み、当該陽極集電板は、前記陽極フローチャネルプレートと前記膜電極接合体との間に設けられ、前記膜電極接合体は、当該陽極集電板と当該陰極集電板との間に設けられる、
請求項１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、電池に関し、特に燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、通常、水電解の逆反応を利用し化学エネルギーを電エネルギーに転換する発電装置である。直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）を例として言えば、この電池は、主に膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）と、陽極集電板と、陰極集電板とからなる。ＭＥＡは、プロトン交換膜（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ：ＰＥＭ）と、陽極触媒層と、陰極触媒層と、陽極気体拡散層（Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ：ＧＤＬ）と、陰極気体拡散層とからなる。そのうち、陽極触媒層と陰極触媒層は、それぞれ、プロトン交換膜の両側に配置され、陽極気体拡散層と陰極気体拡散層は、それぞれ、陽極触媒層と陰極触媒層の外側に配置される。また、陽極集電板と陰極集電板は、それぞれ、陽極気体拡散層と陰極気体拡散層の外側に配置される。陽極集電板と陰極集電板は、電気を収集し、及び、外部と電気的に接続するために用いられる。
【０００３】
ＤＭＦＣは、メチルアルコール水溶液を燃料の供給源とし、メチルアルコール、酸素及び水の相関する電極反応により電流を生成する。ＤＭＦＣにおける化学反応式は、次の通りである。
【０００４】
陽極：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ―
陰極：３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ―  →  ３Ｈ２Ｏ
総反応：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋３／２Ｏ２  →  ＣＯ２＋３Ｈ２Ｏ
ＤＭＦＣは、通常、反応槽を有する陽極フローチャネルプレート（Ａｎｏｄｅ  Ｆｌｏｗ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｐｌａｔｅ）をさらに含み、この反応槽内には、反応するためのメチルアルコール水溶液を輸送する液体流路がある。図１を参照する。従来の反応槽１００内の液体流路は、蛇行流路（Ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ  Ｆｌｏｗ  Ｆｉｅｌｄ）１１０であり、この蛇行流路１１０の両端は、注入口１１２と排出口１１４を有する。従来技術では、持続的に運転するポンプによりメチルアルコール水溶液５０を注入口１１２から反応槽１００に持続的に注入し、メチルアルコール水溶液５０が蛇行流路１１０に沿って流動し排出口１１４から送出される。また、メチルアルコール水溶液５０が持続的に流動し、陽極反応により生成される二酸化炭素６０も蛇行流路１１０に沿って流動し、流路を塞ぎ止めないので、燃料電池の性能に影響を与えない。ところが、メチルアルコール水溶液５０の流量が不足で、反応による二酸化炭素６０を反応槽１００からリアルタイムに持って行かせず、二酸化炭素６０が流路内に停滞する場合、燃料電池の効率が直ぐ低下し、さらには、逆反応を生成し、膜電極接合体（ＭＥＡ）を損傷することもある。
【０００５】
しかし、ポンプによる輸送は電力を消費し、また、ポンプにより消費された電力は燃料電池により提供されれば、燃料電池により出力される、実際に利用できるパワーが低下する。また、燃料電池の性能が反応温度の増加につれて向上し、反応槽内１００内のメチルアルコール水溶液５０が排出口１１４から持続的に送出されるときに、反応による熱エネルギーも持って行かれるので、反応温度が低くなり、出力パワーが低下する。また、ポンプが持続的に運転する場合、ポンプの使用寿命が一般的に燃料電池の使用寿命より短いので、従来の燃料電池を一定期間使用した後に、ポンプを交換しなければならず、これにより、メンテナンスに不便やコストの増加などの問題を引き起こす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、出力パワーを向上することのできる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した目的を達成するために、本発明による燃料電池システムは、燃料電池モジュールとポンプとを含む。燃料電池モジュールは、陽極フローチャネルプレートと、この陽極フローチャネルプレートの近傍に配置される膜電極接合体とを含む。陽極フローチャネルプレートは、反応槽を有する。この反応槽は、中空槽体であり、底部に設けられる注入口と、頂部に設けられる排出口とを有する。また、ポンプは、陽極反応液体（Ｒｅａｃｔｉｏｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を注入口から反応槽に異なる流量で適時に注入させ、且つ、ポンプにより陽極反応液体を反応槽に注入する時に、反応槽内にある元の陽極反応液体が排出口から送出される。
【０００８】
前述した反応槽の頂部は、例えば、反応槽の側壁から排出口まで、反応槽の底部と離れる方向に向けて次第に縮小されるように形成される。
【０００９】
前述した陽極フローチャネルプレートの反応槽内には、例えば、ガイドブロックが設けられる。
【００１０】
前述したポンプは、陽極反応液体を注入口から反応槽に第一の流量と第二の流量で交互に注入させ、且つ、第二の流量は、第一の流量より低い。
【００１１】
前述した燃料電池システムは、ポンプに電気的に接続される制御ユニットを更に含み、制御ユニットは、ポンプの動作を制御する。
【００１２】
前述した反応槽内には、陽極反応液体の濃度を検出するための濃度検出器が設置される。この濃度検出器は、制御ユニットと電気的に接続され、この制御ユニットは、陽極反応液体の濃度に基づいてポンプの動作を制御する。
【００１３】
前述した反応槽内には、反応槽内の陽極反応液体の液面レベルを検出するための液面レベル検出器が設置される。この液面レベル検出器は、制御ユニットと電気的に接続され、制御ユニットは、反応槽内の陽極反応液の液面レベルに基づいてポンプの動作を制御する。
【００１４】
前述した制御ユニットは、例えば、燃料電池システムにより出力されたパワーに基づいてポンプの動作を制御する。
【００１５】
前述した制御ユニットは、例えば、燃料電池により出力されたエネルギーに基づいてポンプの動作を制御する。
【００１６】
前述した燃料電池システムは、制御ユニットと電気的に接続される温度検出器を更に含む。この温度検出器は、反応槽内、膜電極接合体付近、または、膜電極接合体と接触するように設置され、温度検出器による検出結果に基づいてポンプの動作を制御する。
【００１７】
前述した燃料電池システムにおいて、膜電極接合体が反応するときに陽極反応液体より陰極反応生成物が生成され、制御ユニットは、この陰極反応生成物の収集量に基づいてポンプの動作を制御する。
【００１８】
前述した燃料電池システムは、収集槽と、この収集槽内に設置される液面レベル検出器とを更に含む。収集槽は、燃料電池モジュールに接続され、陰極反応生成物が収集槽に排出される。液面レベル検出器は、制御ユニットと電気的に接続される。
【００１９】
前述した燃料電池システムは、収集槽と、この収集槽内に設けられ、制御ユニットに電気的に接続される重量検出器または液体圧力検出器とを更に含む。収集槽は、燃料電池モジュールに接続され、陰極反応生成物はこの収集槽に排出される。
【００２０】
前述した燃料電池システムにおいて、膜電極接合体が反応するときに陽極反応液体より陽極反応生成物が生成され、制御ユニットは、この陽極反応生成物の圧力の変化に基づいてポンプの動作を制御する。
【００２１】
前述した燃料電池システムは、収集槽と、この収集槽内に設けられる圧力検出器と、この収集槽の一出口に設けられるストップ弁または減圧弁とを更に含む。この収集槽は、陽極反応生成物を収集するために用いられ、圧力検出器は、制御ユニットと電気的に接続される。
【００２２】
前述した制御ユニットは、例えば、膜電極接合体における開路電圧（Ｏｐｅｎ−Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ：ＯＣＶ）の大小に基づいてポンプの動作を制御する。
【００２３】
前述した制御ユニットは、例えば、燃料電池モジュールの重量の変化に基づいてポンプの動作を制御する。
【００２４】
前述した燃料電池システムは、燃料電池の重量を検出するための重量検出器を更に含む。この重量検出器は、制御ユニットと電気的に接続される。
【００２５】
また、前述した膜電極接合体は、プロトン交換膜と、陽極触媒層と、陰極触媒層と、陽極気体拡散層と、陰極気体拡散層と、を含んでもよい。そのうち、陽極触媒層と陰極触媒層は、それぞれ、プロトン交換膜の両側に配置され、陽極気体拡散層は、陽極触媒層と陽極との間に設置され、陰極気体拡散層は、陰極触媒層と陰極との間に設置される。
【００２６】
前述した燃料電池システムは、二次電池を更に含む。膜電極接合体の開路電圧を検知するときに、膜電極接合体の外部負荷への電力提供が停止され、このとき、二次電池は、外部負荷に必要な電力の少なくとも一部を提供する。
【００２７】
前述した燃料電池モジュールは、陽極集電板と陰極集電板を更に含む。そのうち、陽極集電板は、陽極フローチャネルプレートと膜電極接合体との間に設けられ、膜電極接合体は、陽極集電板と陰極集電板との間に設けられる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、ポンプにより陽極反応液体を異なる流量で反応槽に注入することにより、反応温度を上げるのに役立ち、燃料電池の出力パワーを上げることができる。また、ポンプが持続的な高速運転を行う必要ないので、電力消費を節約し、燃料電池により出力される、実際に利用できるパワーを上げることができるのみならず、ポンプの使用寿命を延長することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
次に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
【００３０】
図２と図３を参照する。本発明の一実施例に係る燃料電池システム２００は、燃料電池モジュール２０２とポンプ２４０を含む。本実施例において、燃料電池システム２００は、直接メタノール型燃料電池を例とする。ポンプ２４０は、陽極反応液体７０を異なる流量で燃料電池モジュール２０２へ提供する。陽極反応液体７０は、例えば、メチルアルコール水溶液であり、燃料電池モジュール２０２の陽極反応生成物は、例えば、二酸化炭素（ＣＯ２）であり、陰極反応生成物は、例えば、水である。なお、陽極反応液体７０は、アルコール、プロピルアルコールまたは他の適合する溶液であっても良い。
【００３１】
燃料電池モジュール２０２は、陽極フローチャネルプレート２１０、膜電極接合体２３０、陽極集電板２１４および陰極集電板２２０を含む。そのうち、膜電極接合体２３０は、陽極フローチャネルプレート２１０の近傍に配置される。陽極フローチャネルプレート２１０は、反応槽２１２を有する。反応槽２１２は、底部２１２ａに位置する注入口２１２ｂと、頂部２１２ｃに位置する排出口２１２ｄとを有する。陽極集電板２１４は、陽極フローチャネルプレート２１０と膜電極接合体２３０との間に設けられ、膜電極接合体２３０は、陽極集電板２１４と陰極集電板２２０との間に設けられる。
【００３２】
なお、本実施例において、陽極反応液体７０が持続的に流動する必要がないので、図１に示すような従来の反応槽１００を採用すれば、反応により生成された陽極反応生成物が流路を塞ぎ止める。そのため、図３に示すように、本実施例に採用される反応槽２１２は、中空槽体である。これにより、反応により生成された陽極反応生成物（例えば、二酸化炭素８０）が浮力により陽極反応液体７０の液面に集まる。また、反応が進行するときに陽極反応液体７０が消耗するので、陽極反応液体７０の液面が下がり、これにより得られた空き領域が二酸化炭素８０の散逸領域となる。
【００３３】
流体（例えば、二酸化炭素８０或いは陽極反応液体７０）を排出口２１２ｄに集め、反応槽２１２から外に排出させるために、反応槽２１２の頂部２１２ｃは、例えば、反応槽２１２の側壁２１２ｅから排出口２１２ｄまで、反応槽２１２の底部２１２ａと離れる方向に向けて次第に縮小するように形成される。また、反応槽２１２内には、ガイドブロック２１６が設置されても良い。これにより、反応槽２１２内の流体は矢印９０ａ、９０ｂが示す方向に流動する。また、ポンプ２４０を起動した後に、陽極反応液体７０が反応槽２１２に進入した後の流場が不安定な流場であり、安定な流場のような、反応による副産物が流場の死角（例えば、領域Ａ１とＡ２）に集まり排出されにくい問題を改善するのに役立つ。
【００３４】
陽極集電板２１４は、例えば、多孔性集電板である。陽極反応生成物が陽極集電板２１４の貫通孔（図示せず）に生成される時に、浮力により膜電極接合体２３０から離れて反応槽２１２の上方または壁に達し、流路を塞ぎ止めない。陽極反応生成物は、最終に、反応槽２１２の上方にある排出口２１２ｄから燃料電池モジュール２０２外部へ排出される。陽極集電板２１４の材料は、導電材料であっても良く、例えば、チタン或いはその合金、メチルアルコール腐食防止処理が行われた他の任意の金属、または、積層回路基板の製作プロセスにより製作された多孔性集電板（表面メッキ）である。陰極集電板２２０は、例えば、多孔性集電板であり、且つ、複数の貫通孔を有する。
【００３５】
膜電極接合体２３０は、プロトン交換膜２３２と、陽極触媒層２３４ａと、陰極触媒層２３４ｂと、陽極気体拡散層２３６ａと、陰極気体拡散層２３６ｂとを含んでも良い。陽極触媒層２３４ａと陰極触媒層２３４ｂは、それぞれ、プロトン交換膜２３２の両側に配置され、陽極気体拡散層２３６ａは、陽極触媒層２３４ａと陽極２１０との間に設けられ、陰極気体拡散層２３６ｂは、陰極触媒層２３４ｂと陰極２２０との間に設けられる。陽極気体拡散層２３６ａと陰極気体拡散層２３６ｂの材料は、主に炭である。陽極触媒層２３４ａの材料は、例えば、プラチナ／ルテニウム（Ｐｔ／Ｐｕ）合金、プラチナ／ルテニウム合金メッキした炭粒子、プラチナメッキした炭粒子、または、その他の適合する材料である。陰極触媒層２３４ｂの材料は、例えば、プラチナ合金、プラチナ合金メッキした炭粒子、プラチナメッキした炭粒子、または、その他の適合する材料である。プロトン交換膜２３２は、水素プロトンを輸送するための電解質膜として用いられ、プロトン交換膜２３２は、例えば、高分子膜である。
【００３６】
陽極触媒層２３４ａは、陽極反応液体７０に反応を生成させる。メチルアルコール水溶液を例とすれば、陽極触媒層２３４ａは、メチルアルコールに含まれる水素原子をプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分解させ、且つ、陽極集電板２１４側で二酸化炭素（即ち、陽極反応生成物）を生成させる。また、空気が陰極集電板２２０の貫通孔から進入し、その後、陰極気体拡散層２３６ｂを介して陰極触媒層２３４ｂに達する。プロトン（Ｈ＋）が陰極触媒層２３４ｂ側に遷移される。電子（ｅ−）が外部回路を介して陰極触媒層２３４ｂ側に達し、且つ、陰極触媒層２３４ｂにより、空気に含まれる酸素と共に水（即ち、陰極反応生成物）を形成する。この陰極反応生成物は、燃料電池モジュール２０２から、燃料電池モジュール２０２と接続される水収集槽２６０へ排出される。
【００３７】
ポンプ２４０は、燃料電池モジュール２０２と混合槽２７０との間に接続され、混合槽２７０内の陽極反応液体７０を第一の流量と第二の流量で注入口２１２ｂから反応槽２１２に交互に注入する。第二の流量は、第一の流量より低い。本実施例において、ポンプ２４０は、例えば、第一の回転速度と、第一の回転速度より低い第二の速度とで運転し、混合槽２７０内の陽極反応液体７０を交互に第一の流量と第二の流量で注入口２１２ｂから反応槽２１２に注入させる。ポンプ２４０が第一の回転速度（第一の流量に対応する）で運転するときに、反応槽内に注入された陽極反応液体の量が、例えば、反応槽２１２の容積とほぼ等しい、または、膜電極接合体２３０の陽極集電板２１４をほぼオーバーする。第二の回転速度は、例えば、ポンプ２４０の最小回転速度または零速度であり、なお、第二の回転速度は、零速度であるときに、第二の流量は、零である。ポンプ２４０が陽極反応液体７０を反応槽２１２に注入させるときに、反応槽２１２内の元の陽極反応液体７０が排出口２１２ｄから送出され、回収槽２８０に回収される。より詳しく言えば、回収槽２８０が、水収集槽２６０と混合槽２７０との間に接続され、混合槽２７０が更に反応液体供給槽２９０に接続され、混合槽２７０内の陽極反応液体の濃度が標準濃度より低くなるときに、混合槽２７０と反応液体供給槽２９０との間に接続される供給ポンプ３００を駆動し、濃度の相対的に高い陽極反応液体を混合槽２７０に注入させ、これにより、陽極反応液の濃度が高くなる。
【００３８】
本実施例において、燃料電池システム２００は、ポンプ２４０に接続される制御ユニット２５０を更に含む。制御ユニット２５０は、ポンプ２４０の運転を制御し、陽極反応液体７０を交互に第一の流量と第二の流量で注入口２１２ｂから反応槽２１２に注入させる。言い換えると、従来技術に採用した定流量のポンプにより陽極反応液体を持続に反応槽に注入させる方法と異なり、本実施例に係る方法は、ポンプ２４０が第一の流量で陽極反応液体７０を反応槽２１２に注入させ、陽極反応液体が満ちた時に、ポンプ２４０の流量を第一の流量より低い第二の流量に切り替えし、そして、反応が所定時間経過した後に、ポンプ２４０の流量を再び第一の流量に切り替えて、第一の流量で反応槽２１２外部の陽極反応液体７０を反応槽２１２に注入させるのである。
【００３９】
本実施例において、制御ユニット２５０は、ポンプ２４０を周期的に（例えば、数分間毎に）制御し、反応槽２１２外の陽極反応液体７０を反応槽２１２に注入させることができる。他の実施例において、反応槽２１２内に濃度検出器（図示せず）を設置しても良く、この濃度検出器は、制御ユニット２５０に電気的に接続される。濃度検出器は、陽極反応液体７０の濃度を検出するために用いられ、制御ユニット２５０は、陽極反応液体の濃度に基づいてポンプ２４０の運転を制御する。陽極反応液体７０の濃度が最低の標準値まで低くなったときに、制御ユニット２５０は、ポンプ２４０の運転を制御し、反応槽２１２外部の陽極反応液体７０を反応槽２１２に注入させる。もう一つの実施例において、反応槽２１２内において、反応槽２１２内の陽極反応液体７０の液面レベルを検出するための液面レベル検出器（図示せず）を設置しても良い。液面レベル検出器は、制御ユニット２５０と電気的に接続され、制御ユニット２５０は、反応槽２１２内の陽極反応液体７０の液面レベルに基づいてポンプ２４０の運転を制御する。これにより、陽極反応液体７０の液面が一定の下限値まで下がったときに、制御ユニット２５０は、ポンプの動作を制御し、反応槽２１２外部の陽極反応液体７０を第一の流量で反応槽２１２に注入させる。
【００４０】
他の実施例において、制御ユニット２５０は、燃料電池システム２００の出力パワーに基づいてポンプ２４０の運転を制御することもできる。例えば、燃料電池システム２００の元の出力パワーが１２ワットであれば、出力パワーが１１．５ワットまで下がったときに、制御ユニット２５０は、ポンプ２４０の運転を制御し、反応槽２１２外部の陽極反応液体７０を反応槽２１２に注入させる。もう一つの実施例において、制御ユニット２５０は、燃料電池システム２００により出力されるエネルギーに基づいてポンプ２４０の運転を制御することもできる。例えば、燃料電池システムにより出力されたエネルギーが所定のワット-時間（Ｗａｔｔ−Ｈｏｕｒ）になったときに、制御ユニット２５０は、ポンプ２４０の運転を制御し、反応槽２１２外部の陽極反応液体７０を第一の流量で反応槽２１２に注入させる。
【００４１】
他の実施例において、制御ユニット２５０は、燃料電池システム２００内の温度に基づいてポンプ２４０の運転を制御することもできる。例えば、燃料電池システム２００は、更に、少なくとも一つの温度検出器（図示せず）を含み、この温度検出器は、制御ユニット２５０と電気的に接続される。制御ユニット２５０は、温度検出器による結果に基づいてポンプ２４０の運転を制御する。温度検出器が設置される箇所が一つの温度フィードバック点となる。温度検出器は、反応槽２１２内、膜電極接合体２３０近傍、または、膜電極接合体２３０と接触するように設置されても良く、または、その他の適合する箇所に設置されても良い。これにより、制御ユニット２５０は、温度検出器により検出された温度の大小に基づいてポンプ２４０の運転を制御することが出来る。温度フィードバック点において検出された温度値が所定の温度値より高くまたは低くなった場合、制御ユニット２５０は、ポンプを運転させる。例えば、温度検出器が反応槽２１２内に設置される場合、この温度検出器により連続的に検出された５回の温度値が全て所定の温度値より低くなれば、反応全体の熱釈放が既にピークになったことを意味し、この時に、制御ユニット２５０は、ポンプの動作を開始し、反応槽２１２外部の陽極反応液体７０を反応槽２１２に注入させる。また、反応槽２１２内に設置される温度検出器により検出された温度値が、注入口２１２ｂに設置される温度検出器により事前に検出された陽極反応液体７０の温度より高くなった（例えば、５℃高くなる）ときに、制御ユニット２５０は、ポンプ２４０の運転を開始させ、反応槽２１２外部の陽極反応液体７０を第一の流量で反応槽２１２に注入させる。
【００４２】
制御ユニット２５０は、燃料電池システム２００の陰極反応生成物の収集量が一定の程度になることに基づいてポンプ２４０の運転を制御する。例えば、水収集槽２６０には液面レベル検出器（図示せず）が設置され、この液面レベル検出器は制御ユニット２５０に電気的に接続される。水収集槽２６０内の水位が所定のレベルになったときに、液面レベル検出器が制御ユニット２５０にその旨を通知し、制御ユニット２５０がポンプ２４０の運転を起動し、反応槽２１２外部の陽極反応液体７０を第一の流量で反応槽２１２に注入させる。また、重量検出器または液体圧力検出器により、水収集槽２６０内の水の量を検出しても良い。
【００４３】
本発明において、制御ユニット２５０は、燃料電池システム２００の陽極反応生成物の圧力の変化に基づいてポンプ２４０の運転を制御しても良い。例えば、反応槽２１２の上方にある排出口２１２ｄには、例えば、ストップ弁（図示せず）が設置され、陽極反応液体７０が反応槽２１２に注入された後に、ストップ弁がクローズされ、反応槽２１２が密閉の槽体となる。反応槽２１２の上方には圧力検出器（図示せず）が設けられ、陽極産物の圧力が一定の程度に達したときに、制御器ユニット２５０は、ポンプ２４０の運転を開始し、反応槽２１２外部の陽極反応液体７０を第一の流量で反応槽に注入させる。
【００４４】
また、本発明において、燃料電池モジュール２０２の外部収集槽（図示せず）を増設することにより陽極反応生成物を収集してもよい。収集槽の出口にはストップ弁（図示せず）が設置され、このストップ弁は、減圧弁（図示せず）により取り替えられても良い。また、収集槽内には、圧力検出器（図示せず）が設けられ、この圧力検出器は、制御ユニット２５０に電気的に接続される。陽極反応液体７０が反応槽２１２内に注入された後に、収集槽内にあるストップ弁（または、減圧弁）が気体を直ぐにストップし、陽極産物の圧力が一定の程度に達した時に、圧力検出器は、その旨を制御ユニットに通知し、制御ユニット２５０は、ポンプ２４０の運転を開始させ、反応槽２１２外部の陽極反応液体７０を第一の流量で反応槽２１２に注入させる。
【００４５】
他の実施例において、制御ユニット２５０は、燃料電池システム２００の膜電極接合体２３０における開路電圧が所定の電圧より低いまたは高いかに基づいてポンプ２４０の運転を制御することもできる。例えば、陽極反応液体７０が反応槽２１２に注入された後に、電圧検出器により開路電圧Ｖ０をリアルタイムに検出する。一定期間後に、検出された開路電圧がＶ０より低くなるときに、制御ユニット２５０がポンプ２４０の運転を起動させ、反応槽２１２外部の陽極反応液体７０を第一の流量で反応槽２１２に注入させる。或いは、陽極反応液体７０が反応槽２１２内に注入された後に、直ぐに開路電圧を連続的に検出し、連続的に検出された５回の電圧値が全て所定の電圧値より低いのであれば、且つ、この現象が一定の時間帯（例えば、一分間）内に例えば３回出現すれば、全体の出力パワーが既にピークになったことを意味し、このときに、制御ユニット２５０は、ポンプ２４０の運転を起動させ、反応槽２１２外部の陽極反応液体７０を第一の流量で反応槽２１２に注入させる。
【００４６】
燃料電池システム２００は、例えば、二次電池（図示せず）を更に含み、また、膜電極接合体２０２の開路電圧を検出するときに、膜電極接合体２０２の外部負荷への電力供給を停止する必要がある。この時、二次電池は、外部負荷に必要な電力の少なくとも一部を提供する。二次電池は、スーパーコンデンサーまたはリチウムイオン電池であっても良い。
【００４７】
他の実施例において、制御ユニット２５０は、燃料電池システム２００の燃料電池モジュール２０２の重量の変化に基づいてポンプ２４０の運転を制御する。例えば、陽極反応液体７０が反応槽２１２に注入された後に、陽極反応生成物と陰極反応生成物が生成される。陽極反応生成物は、排出口２１２ｄから外部へ排出され、陰極反応生成物は、ファン（図示せず）により持ち去れ、又は、水収集槽２６０に収集されるので、燃料電池モジュール２０２の重量に変化が生じる。これにより、燃料電池システム２００は、燃料電池モジュール２０２の重量を検出するための重量検出器を含んでもよく、この重量検出器は、制御ユニット２５０に接続される。重量が所定の値より低くなったときに、制御ユニット２５０は、ポンプ２４０の運転を開始させ、反応槽２１２外部の陽極反応液体７０を第一の流量で反応槽２１２に注入させる。
【００４８】
ポンプ２４０が交互に第一の流量と第二の流量で反応槽２１２外部の陽極反応液体７０を反応槽２１２に注入することができるので、ポンプ２４０の電力消費を有効に減少し、燃料電池システム２００により出力される、実際の利用できるパワーを向上することができる。また、本実施例は、ポンプ２４０の使用寿命を大幅に上げることができるので、ポンプ２４０の故障の原因で燃料電池システム２００を修理する回数を減らし、維持コストを削減することができる。また、ポンプ２４０が持続的な高速運転をしないので、騒音を有効に低減することができる。さらに、反応が進行するときに、陽極反応液体７０が熱エネルギーを排出口から持続的に持って行かないので、反応による熱エネルギーを有効に利用することにより、反応温度を高くさせ、燃料電池システム２００の出力パワーを向上させることができる。
【００４９】
以下、実際に測定された本実施例の燃料電池システム２００と従来技術の燃料電池との一定時間経過後のデータについて説明する。従来技術の燃料電池により出力された電力（パワー）が約１０．２３ワットであり、排出口から排出された陽極反応液体の温度が約３８℃である。本実施例の燃料電池システム２００により出力された電力（パワー）が約１１．５５ワットであり、排出口２１２ｄから排出された陽極反応液体７０の温度が約４５℃ないし４８℃である。また、従来技術のポンプが運転するときの平均電力消費が約０．８ワットであるが、本実施例のポンプ２４０が、例えば、８分間毎に一回運転し、且つ、一回に僅か１０秒間運転するので、毎秒の平均電力消費が０．１ワットより遥かに低くなる。従来技術と比べ、本実施例の燃料電池システム２００により出力されるパワーが、さらに０．７ワット以上増加する。従って、本実施例の燃料電池システム２００により出力される、実際に利用できるパワーが、従来技術の１２０％以上に達することができる。
【００５０】
ゆえに、本発明は、少なくとも次の利点を有する。
【００５１】
１、本発明は、ポンプにより陽極反応液体を第一の流量と第二の流量で交互に反応槽に注入することにより、反応が進行するときに排出口から排出される陽極反応液体の量が少なくなると同時に、熱エネルギーの損失を減少することもできるので、反応温度を上げるのに役立ち、燃料電池の出力パワーを向上することができる。
【００５２】
２、ポンプが持続的な高速運転をしないので、騒音を低減し電量の消費を節約し、燃料電池から出力される、実際に利用できるパワーを向上することが出来る。また、ポンプの使用寿命を延長し、維持コストを削減することもできる。
【００５３】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来の反応槽を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す図である。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す図である。
【図２Ｃ】本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す図である。
【図２Ｄ】本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す図である。
【図３】図２の反応槽を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
５０  メチルアルコール水溶液
６０、８０  二酸化炭素
７０  陽極反応液体
９０ａ、９０ｂ  矢印
１００、２１２  反応槽
１１０  蛇行流路
１１２、２１２ｂ  注入口
１１４、２１２ｄ  排出口
２００  燃料電池システム
２０２  燃料電池モジュール
２１０  陽極フローチャネルプレート
２１２ａ  底部
２１２ｃ  頂部
２１２ｅ  側壁
２１４  陽極集電板
２１６  ガイドブロック
２２０  陰極集電板
２３０  膜電極接合体
２３２  プロトン交換膜
２３４ａ  陽極触媒層
２３４ｂ  陰極触媒層
２３６ａ  陽極気体拡散層
２３６ｂ  陰極気体拡散層
２４０  ポンプ
２５０  制御ユニット
２６０  水収集槽
２７０  混合槽
２８０  回収槽
２９０  反応液体供給槽
３００  供給ポンプ
Ａ１、Ａ２  領域
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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