(57)【要約】【課題】使用範囲が制限されることがなく、携帯機器にも適用することができ、発電量をコントロールすることができる燃料電池システムを提供することにある。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２を備えた燃料電池システムであり、機械エネルギを駆動エネルギとして蓄積して供給する駆動エネルギ蓄積手段３１と、この駆動エネルギ蓄積手段３１からの駆動エネルギにより燃料を燃料電池２に供給する供給手段２２と、駆動エネルギ蓄積手段３１からの駆動エネルギを電気エネルギに変換する発電調速機３３と、この発電調速機３３にて変換された電気エネルギで駆動されて供給手段２２の駆動を制御する制御手段３６と、燃料電池２での発電状況を検出する発電状況検出手段２６とを備え、制御手段３６は、発電状況検出手段２６からの検出信号に基づいて供給手段２２を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料貯蔵手段から供給される燃料で電気化学反応を生じ、電気エネルギを出力する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
機械エネルギ、位置エネルギおよび熱エネルギのうち少なくともいずれか一つを駆動エネルギとして蓄積して供給する駆動エネルギ蓄積手段と、
この駆動エネルギ蓄積手段からの駆動エネルギにより前記燃料を前記燃料電池に供給する供給手段と、
前記駆動エネルギ蓄積手段からの駆動エネルギを電気エネルギに変換する発電機と、
この発電機にて変換された電気エネルギで駆動されて前記供給手段の駆動を制御する制御手段と、
前記燃料電池での発電状況を検出する発電状況検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記発電状況検出手段からの検出信号に基づいて前記供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池で発電された電気エネルギを蓄積する電気エネルギ蓄積手段を備え、
前記発電状況検出手段は、この電気エネルギ蓄積手段に蓄積された電気エネルギの蓄積量を前記発電状況として検出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料の濃度を調整する濃度調整手段を備え、
前記制御手段は、前記発電状況検出手段からの検出信号に基づいて前記濃度調整手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
電力供給先の負荷を検出する負荷検出手段および／または少なくとも発電させたい発電量を設定する発電量設定手段を備え、
前記制御手段には、前記負荷検出手段からの検出信号および／または前記発電量設定手段からの設定発電量に基づいて目標発電量を決定する発電量決定手段が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は複数設けられ、
前記制御手段には、いずれの燃料電池に燃料を供給するかを決定する燃料供給決定手段が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は複数設けられ、
前記制御手段には、これらの燃料電池の電気的な接続パターンを決定する接続パターン決定手段が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段には、前記供給手段の制御を一時的に停止させる制御停止手段が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
酸化ガスを前記燃料電池のカソードに送る送気手段が設けられ、
この送気手段は、前記駆動エネルギ蓄積手段からの駆動エネルギで駆動されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
濃度が異なる燃料が貯蔵された複数の前記燃料貯蔵手段と、
これら燃料貯蔵手段から供給される燃料の流量を切り替える流量切替手段とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
濃度が異なる燃料が貯蔵された複数の前記燃料貯蔵手段と、
これら燃料貯蔵手段ごとに設けられた複数の前記供給手段とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記駆動エネルギ蓄積手段に前記駆動エネルギを供給する駆動エネルギ供給手段を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、
駆動エネルギ供給手段は、前記燃料電池で発電した電気エネルギで駆動されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段には、前記燃料電池で発電された電気エネルギの一部を利用して前記発電機を起動させる発電機起動手段が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１〜請求項１３のいずれかに記載の燃料電池システムを備えることを特徴とする機器。
【請求項１５】
請求項１〜請求項１３のいずれかに記載の燃料電池システムを備えることを特徴とする発電ユニット。
【請求項１６】
請求項１〜請求項１３のいずれかに記載の燃料電池システムを備えることを特徴とする移動体。
【請求項１７】
請求項１〜請求項１３のいずれかに記載の燃料電池システムを備えることを特徴とする玩具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムを備える機器、発電ユニット、移動体、玩具に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、燃料電池と、該燃料電池に燃料および酸化ガス（例えば、空気）を供給する補助手段としての補機とを備え、燃料電池にて電気化学反応を起こさせて電気を発生する燃料電池システムが知られている。
この燃料電池は、電解質膜の両側にアノードとカソードの電極を備え、補機からアノードに水素や炭化水素などの燃料（還元剤）の供給を受けるとともに、カソードに酸素や空気などの酸化ガス（酸化剤）の供給を受け、電気化学反応を起こして電気を発生する。
【０００３】
また、補機としては、燃料電池を駆動するために、燃料を蓄積するための燃料蓄積手段としてのタンク、燃料を搬送するための燃料搬送手段としてのポンプ、酸化ガスを供給するためのコンプレッサ、燃料の改質を行う改質装置等、および各種センサ等がある。
そして、このような燃料電池システムの補機は、外部からの商用電源により電気エネルギを取得して、燃料電池システムを起動している（非特許文献１参照）。
また、燃料電池システムは、二次電池を具備し、補機はこの二次電池に蓄えられた電気エネルギを取得して、燃料電池システムを起動しているかもしくは、燃料電池で発電した電力の一部を用いることにより、燃料電池システムを起動している（特許文献１、２参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
日経メカニカル２０００年１２月号（Ｎｏ．５５５）Ｐ．３５−３７
【特許文献１】
特開平７−１５３４７６号公報（第１〜第５頁、図１、３）
【特許文献２】
特開平５−２１０７９号公報  （第４頁、図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１記載の技術では、外部の商用電源が必要となることから、例えば、屋外での使用が制限されるなど、使用範囲が制限されるという問題がある。
また、特許文献１、２記載の技術では、システム起動時のエネルギ源として二次電池を用いているので、燃料電池システムの小型化を図れず、携帯機器に適用することができないという問題がある。
さらに、小型の機器では、発電量も小さく、発電した電気エネルギを無駄にすることができないので、発電量をより緻密にコントロールすることが望まれている。
【０００６】
本発明の目的は、このような問題点に鑑みて、使用範囲が制限されることがなく、携帯機器にも適用することができ、発電量を正確にコントロールすることができる燃料電池システムおよび燃料電池システムを備える機器、発電ユニット、移動体、玩具を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、燃料貯蔵手段から供給される燃料で電気化学反応を生じ、電気エネルギを出力する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、機械エネルギ、位置エネルギおよび熱エネルギのうち少なくともいずれか一つを駆動エネルギとして蓄積して供給する駆動エネルギ蓄積手段と、この駆動エネルギ蓄積手段からの駆動エネルギにより前記燃料を前記燃料電池に供給する供給手段と、前記駆動エネルギ蓄積手段からの駆動エネルギを電気エネルギに変換する発電機と、この発電機にて変換された電気エネルギで駆動されて前記供給手段の駆動を制御する制御手段と、前記燃料電池での発電状況を検出する発電状況検出手段とを備え、前記制御手段は、前記発電状況検出手段からの検出信号に基づいて前記供給手段を制御することを特徴とする。
【０００８】
ここで、燃料電池としては、例えば、メタノールやメタン等の燃料を水素ガスに改質し、この水素ガスと酸化ガスとを利用して電気化学反応を生じる固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、または、メタノール等の燃料を改質せずに、電気化学反応を生じる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）等を採用できる。
また、駆動エネルギ蓄積手段としては、例えば、機械エネルギを蓄積可能に構成される、ぜんまい、ばね、板ばね、ゴム等の弾性部材や、位置エネルギを蓄積可能に構成される分銅引き等を採用することができる。
【０００９】
この発明によれば、機械エネルギ、位置エネルギおよび熱エネルギのうち少なくともいずれか一つを駆動エネルギとして、供給手段により燃料を燃料電池に供給して、燃料電池を起動させるから、商用電源や二次電池等を必要とすることがない。従って、商用電源を必要としないから、屋外での使用も可能となり使用範囲が制限されることがない。
また、二次電池を必要としないから、燃料電池システムの構造の小型化を図ることができ、携帯機器に適用することができる。
さらに、制御手段は、発電状況検出手段からの検出信号に基づいて供給手段を制御することから、より緻密なコントロールが可能となり、燃料の無駄な消費を防止したり、発電電力を容易に可変できる。
【００１０】
本発明では、前記燃料電池で発電された電気エネルギを蓄積する電気エネルギ蓄積手段を備え、前記発電状況検出手段は、この電気エネルギ蓄積手段に蓄積された電気エネルギの蓄積量を前記発電状況として検出するのが好ましい。
この発明によれば、電気エネルギ蓄積手段に蓄積された電気エネルギの蓄積量を発電状況として検出するので、燃料電池で発電された電気エネルギをそのまますぐに使用するのではなく、一旦、コンデンサ等の電気エネルギ蓄積手段に蓄積する場合に有効である。
【００１１】
本発明では、前記燃料の濃度を調整する濃度調整手段を備え、前記制御手段は、前記発電状況検出手段からの検出信号に基づいて前記濃度調整手段を制御するのが好ましい。
この発明によれば、制御手段は、発電状況検出手段からの検出信号に基づいて濃度調整手段を制御するので、燃料電池の発電に必要な燃料の濃度の高低を制御でき、負荷変動に応じて、必要な燃料の濃度を調整できる。
【００１２】
本発明では、電力供給先の負荷を検出する負荷検出手段および／または少なくとも発電させたい発電量を設定する発電量設定手段を備え、前記制御手段には、前記負荷検出手段からの検出信号および／または前記発電量設定手段からの設定発電量に基づいて目標発電量を決定する発電量決定手段が設けられているのが好ましい。
この発明によれば、例えば、電力供給先の負荷を負荷検出手段が検出し、この負荷が変化すると、負荷検出手段が検出信号を制御手段に送る。すると、この検出信号に基づいて、発電量決定手段が目標発電量を決定する。従って、変化した負荷に応じて、燃料電池の発電量を制御するようになるので、システムを安定的に駆動させることができる。
また、例えば、発電量設定手段により希望する発電量を設定すると、この設定発電量に基づいて発電量決定手段が目標発電量を決定するから、システムの駆動の途中に発電量を変えることができ、途中でシステムの駆動条件を変更できる。
【００１３】
本発明では、前記燃料電池は複数設けられ、前記制御手段には、いずれの燃料電池に燃料を供給するかを決定する燃料供給決定手段が設けられているのが好ましい。
この発明によれば、複数設けられた燃料電池のうち、燃料供給決定手段により、いずれの燃料電池に燃料を供給するかを決定するから、燃料を無駄なく必要とする燃料電池に供給でき、負荷変動に応じて、必要な燃料を供給することができる。
【００１４】
本発明では、前記燃料電池は複数設けられ、前記制御手段には、これらの燃料電池の電気的な接続パターンを決定する接続パターン決定手段が設けられているのが好ましい。
この発明によれば、例えば、負荷を大きな電圧で駆動する場合には、複数の燃料電池を接続パターン決定手段により直列に接続する。また、負荷が大きな電流で駆動する場合には、複数の燃料電池を接続パターン決定手段により並列に接続する。
従って、燃料電池の接続を接続パターン決定手段により切り替えるから、状況に応じて、発生する電気エネルギの電流や電圧の大きさを変化させることができ、負荷の駆動条件に応じて電気エネルギを供給することができる。
【００１５】
本発明では、前記制御手段には、前記供給手段の制御を一時的に停止させる制御停止手段が設けられているのが好ましい。
この発明によれば、制御停止手段が、供給手段の制御を一時的に停止させると、駆動エネルギ蓄積手段に蓄積されたエネルギが、一気に供給手段に供給され、供給手段も一気に駆動されることとなる。すると、一定量に保たれていた供給手段から燃料電池に供給される燃料の流量は、瞬間的に大きなものとなる。すると、燃料電池内においては、電気化学反応により生成した副生成物等をこの供給された燃料で、燃料電池外へ流し出すことになるから、燃料電池の性能を長期にわたって良好に維持することができる。
また、副生成物等を取り除くための特別な構造を必要としないので、システムが大型化する心配もない。
【００１６】
本発明では、酸化ガスを前記燃料電池のカソードに送る送気手段が設けられ、この送気手段は、前記駆動エネルギ蓄積手段からの駆動エネルギで駆動されるのが好ましい。
ここで、酸化ガスとしては、通常の空気や、酸素ガス等を採用することができる。
この発明によれば、送気手段により、燃料電池のカソードに酸化ガスを積極的に送ると、カソードにおける電気化学反応がより進むので、燃料電池が、発生する電気エネルギを大きくすることができる。
また、送気手段は、駆動エネルギ蓄積手段からのエネルギで駆動しているから、他に、一次、二次電池等を必要とせず、システムの小型化に寄与できる。
さらに、システム自身の電気エネルギの発生量も大きくなるので、発電効率も向上する。
【００１７】
本発明では、濃度が異なる燃料が貯蔵された複数の前記燃料貯蔵手段と、これら燃料貯蔵手段から供給される燃料の流量を切り替える流量切替手段とを備えているのが好ましい。
この発明によれば、負荷の大きさに応じて濃度の異なる燃料を供給するのであるが、この際には、濃度の異なる燃料を予め用意しておいて別々の燃料貯蔵手段に貯蔵しておけば良いので、燃料と希釈液とを混合して、システム内で燃料の濃度のコントロールをする必要がなく、制御が容易である。
【００１８】
本発明では、前記駆動エネルギ蓄積手段に前記駆動エネルギを供給する駆動エネルギ供給手段を備えているのが好ましい。
ここで、駆動エネルギ供給手段としては、モータ等を採用することができる。この発明によれば、例えば、駆動エネルギ供給手段は、燃料電池が発生した余剰の電気エネルギ、すなわち、負荷停止後に燃料電池内にたまっている燃料の反応で発生する電気エネルギやソーラーパネルによって発電される電気エネルギにより駆動される。そして、駆動エネルギ供給手段は、駆動エネルギ蓄積手段に駆動エネルギを供給する。従って、手動による駆動エネルギの蓄積操作を省くことができ、または、回転錘等を用いてぜんまいを巻く自動巻システムのようにシステムを動かさない場合も駆動エネルギを蓄積でき、取り扱い性が向上する。
また、余剰の電気エネルギを利用することで、無駄な燃料消費を抑制できる。
【００１９】
本発明では、駆動エネルギ供給手段は、前記燃料電池で発電した電気エネルギで駆動されるのが好ましい。
駆動エネルギ蓄積手段へ駆動エネルギを蓄積する速度は、燃料電池への燃料供給とは別系統である。よって、駆動エネルギ蓄積手段へ駆動エネルギを蓄積する手段の効率のよい領域で駆動できるので燃料電池が発電した電力を効率よく機械エネルギに変換、蓄積できる。例えば、駆動エネルギ供給手段として、モータを用いた場合、そのモータの最も効率のよい速度領域で駆動すればよい。
【００２０】
本発明では、前記制御手段には、前記燃料電池で発電された電気エネルギの一部を利用して前記発電機を起動させる発電機起動手段が設けられているのが好ましい。
例えば、電気エネルギ蓄積手段が２つある場合に、一方の電気エネルギ蓄積手段のエネルギ残量が機器を駆動できなくなる前に、燃料電池で発電を開始して、他の電気エネルギ蓄積手段に充電するので、機器を継続して使用できる。一方の電気エネルギ蓄積手段から他方の電気エネルギ蓄積手段へ電力供給が変わったことを使用者が確認できるので、他方の電気エネルギ蓄積手段で機器を駆動中に一方の電気エネルギ蓄積手段に充電、もしくは別（スペア）の電気エネルギ蓄積手段を機器に接続すれば、さらに長時間機器を連続使用できる。
また、一方の電気エネルギ蓄積手段で機器を駆動中に燃料を補給すれば、他方の電気エネルギ蓄積手段への再度の充電も可能である。以上のような使用方法をすればバッテリ切れ、充電不足で機器の使用が不可能になる心配がない。
さらに、他方の電気エネルギ蓄積手段から電力を供給中に外部負荷の消費電力が減った場合、燃料電池の余剰発電分を一方の電気エネルギ蓄積手段に充電するので、燃料の無駄がなく、長時間機器の使用ができる。
【００２１】
本発明の機器は、前述の燃料電池システムを備えることを特徴とする。
この発明によれば、前述と同様の作用・効果を備えることができるので、使用範囲の制限がなく、機器の小型化を図りつつ、発電量を正確にコントロールすることができる機器を提供できる。
【００２２】
本発明の発電ユニットは、前述の燃料電池システムを備えることを特徴とする。
ここで、発電ユニットとは、単独で電気エネルギを発生することができるユニットのことをいう。
この発明によれば、発電ユニットに燃料電池システムを備えるから、前述と同様の作用・効果を備えることができる。このため、使用範囲を選ばず、携帯機器のような小型化が要求され、発電量をコントロールすることができ、単独で電気エネルギを発生する発電ユニットの性能向上に寄与することができる。
【００２３】
本発明の移動体は、前述の燃料電池システムを備えることを特徴とする。
ここで、移動体とは、ラジコンの車や、飛行機等を採用することができる。
この発明によれば、前述と同様の作用・効果を備えるので、商用電源等の外部の電源を使用しにくい移動体の使用範囲の制限を取り除き、発電量をコントロールすることができ、より小型化を図ることができる。
【００２４】
本発明の玩具は、前述の燃料電池システムを備えることを特徴とする。
ここで、玩具としては、車等の玩具を採用することができる。
この発明によれば、前述と同様の作用・効果を備えることができるので、商用電源等の外部の電源を使用しにくい玩具の使用範囲の制限を取り除き、発電量をコントロールすることができ、より小型化を図ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態における燃料電池システム１の概略構成を示す図である。
燃料電池システム１は、メタノール溶液等の燃料および酸素や空気等の酸化ガスを利用した電気化学反応を生じ、電気エネルギを出力するものであり、燃料電池２と、燃料電池２を駆動させる駆動機構３とを備えて構成されている。
【００２６】
燃料電池２は、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）であり、図示を略すが、固体電解質膜と、この固体電解質膜を両側から挟持するように配置されるアノード電極およびカソード電極と、燃料拡散層と、空気拡散層とを備えて構成されている。
【００２７】
燃料電池２には、燃料貯蔵手段２１、供給手段２２、送気手段２３、気液分離器２４、および電気エネルギ蓄積手段２５が接続されている。
燃料貯蔵手段２１は、燃料を貯蔵するものであり、交換可能なカートリッジタイプの燃料タンク等を採用できる。
供給手段２２は、燃料貯蔵手段２１に貯蔵された燃料を燃料電池２に供給するものである。
送気手段２３は、酸化ガスである空気を燃料電池２のカソード電極に送るものである。供給手段２２および送気手段２３の具体的構成としては、後述する。
【００２８】
気液分離器２４は、燃料電池２から排出された燃料の廃液から未反応の燃料を分離するものである。なお、気液分離器２４で分離された燃料は、燃料電池２、燃料貯蔵手段２１および供給手段２２のいずれかに戻して、再利用するようにしてもよい。
【００２９】
電気エネルギ蓄積手段２５は、燃料電池２で発電された電気エネルギを蓄積するものであり、コンデンサ、二次電池、キャパシタ、バッテリ等を採用でき、発電状況検出手段２６および外部負荷４が接続されている。
発電状況検出手段２６は、燃料電池２での発電状況を検出するものであり、具体的には、電気エネルギ蓄積手段２５に蓄積された電気エネルギの蓄積量を発電状況として検出している。
【００３０】
駆動機構３は、機械エネルギを駆動エネルギとして蓄積して供給する駆動エネルギ蓄積手段３１と、この駆動エネルギ蓄積手段３１からの駆動エネルギを動力として供給手段２２および送気手段２３に伝達する動力伝達手段３２と、この動力伝達手段３２からの動力を電気エネルギに変換する発電機であり、動力伝達手段３２を設定速度内で動作させる発電調速機３３と、この発電調速機３３で得られた電気エネルギを整流し、所定の電圧に昇圧する整流昇圧手段３４と、この整流昇圧手段３４で得られた電気エネルギを蓄積する電力蓄積手段３５と、この電力蓄積手段３５からの電気エネルギで駆動され、発電調速機３３の駆動を制御する制御手段３６とを備えて構成されている。
【００３１】
図２には、この燃料電池システム１のユニット化された駆動機構３、供給手段２２および送気手段２３が示されている。
このユニットは、図２に示すように、略箱状に形成された筐体１０にて外郭が形成されている。この筐体１０は、中間に配置される第１筐体１１と、下方に配置される第２筐体１２と、第１筐体１１の上方に配置される第３筐体１３とを備えている。
【００３２】
第１筐体１１は、図２に示すように、略円盤状に形成された中空部材であり、その内部には、第１筐体１２側に開口した孔１１Ａと、駆動機構３が収容される略円形の収容部１１Ｂとが形成されている。
孔１１Ａの外周部分には、雄ねじからなる係合部１１Ｃが形成されている。
収容部１１Ｂの上部には、第３筐体１３と対応する位置に、挿通孔１１Ｄが形成されている。
【００３３】
第２筐体１２は、平面略正方形状に形成され、図２に示すように、その内部には、供給手段２２および駆動機構３の一部の設置空間となる凹部１２Ａが形成されている。
また、この凹部１２Ａの底面には、供給手段２２の後述するチューブ２２１の外形位置を規制する案内溝１２Ｂが形成されている。
そして、この凹部１２Ａの内周面には、雌ねじからなる係合部１２Ｃが形成されている。
さらに、第２筐体１２の開口部の周縁には、開口部に対応した大きさのナット状部材１２Ｄが設けられている。このナット状部材１２Ｄは、リング形状である。
なお、第１筐体１１の係合部１１Ｃと第１筐体１２の係合部１２Ｃとが係合して一体的に固定される。
第３筐体１３は、平面略円形状に形成され、図２に示すように、その内部には、駆動機構３から機械エネルギを得て作動する送気手段２３が内蔵されている。
【００３４】
次に、駆動機構３、供給手段２２、送気手段２３の順に具体的な構成を説明する。
駆動機構３は、前述したように、駆動エネルギ蓄積手段３１と、動力伝達手段３２と、発電調速機３３と、整流昇圧手段３４と、電力蓄積手段３５と、制御手段３６とを備えて構成されている。
【００３５】
駆動エネルギ蓄積手段３１は、図３に示すように、ぜんまい３１１と、このぜんまい３１１を収納する香箱３１２とを備えている。
香箱３１２は、中心部分に形成された香箱真３１２Ａを軸として回転自在に構成され、外周には動力伝達手段３２と噛合する香箱車３１２Ｂが形成されている。
ぜんまい３１１は、一端が香箱真３１２Ａに、他端が香箱車３１２Ｂの内周部分に固定されている。そして、香箱３１２は、ぜんまい３１１がほどけることにより香箱真３１２Ａを軸として回転し、ぜんまい３１１の機械エネルギが動力伝達手段３２に伝達される。
【００３６】
また、香箱真３１２Ａには、角穴車３１２Ｃが固定され、この角穴車３１２Ｃは、筐体１０の外部に突出して設けられた図示しない巻真に図示しない巻き上げ輪列を介して接続されている。そして、巻真の端部に設けられた竜頭を回すことで、香箱真３１２Ａが回転してぜんまい３１１を巻き上げることが可能となる。
【００３７】
動力伝達手段３２は、輪列であり、ぜんまい３１１の機械エネルギを順次伝達する。この動力伝達手段３２は、香箱車３１２Ｂと噛合する二番車３２１と、以下順に増速するように噛合した三番車３２２と、四番車３２３と、五番第一中間車３２４と、五番第二中間車３２５と、五番車３２６と、六番車３２７とを備えている。
そして、香箱車３１２Ｂの回転は、二番車３２１のかなへ伝達された後、二番車３２１の歯車から増速されて三番車３２２のかなへ、三番車３２２の歯車から増速されて四番車３２３のかなへ伝達される。さらに、四番車３２３の歯車から五番第１中間車３２４を介して増速されて五番第２中間車３２５のかなへ、五番第２中間車３２５の歯車から増速されて五番車３２６のかなへ、五番車３２６の歯車から増速されて六番車３２７のかなへ、六番車３２７の歯車から増速されて発電調速機３３へと伝達される。
そして、動力伝達手段３２は、上下に適宜形成された輪列受および地板に軸支されている。
【００３８】
発電調速機３３は、図３に示すように、永久磁石３３１Ｂが固定された調速ロータ３３１と、この調速ロータ３３１の回転によって永久磁石３３１Ｂの磁束を鎖交させる磁気回路形成用のステータ３３２とを備えている。
調速ロータ３３１は、動力伝達手段３２の六番車３２７の回転と連動して回転する。この調速ロータ３３１は、六番車３２７と噛合するロータかな３３１Ａ、永久磁石３３１Ｂおよび調速ロータ３３１の回転を滑らかにする慣性板３３１Ｃとを備えている。
【００３９】
ステータ３３２は、一対のステータ材３３２Ａと、このステータ材３３２Ａにそれぞれ巻線された一対のコイル３３２Ｂとを備えている。
ステータ材３３２Ａは、略平行に配置され、一対が配置された状態でその先端部分に孔３３２Ａ１が形成される。そして、この孔３３２Ａ１に、調速ロータ３３１の永久磁石３３１Ｂが配置される。
コイル３３２Ｂは、永久磁石３３１Ｂが回転することで生じるステータ材３３２Ａでの磁束変化を電力に変換する。
ステータ３３２からの交流出力は、昇圧整流、全波整流、半波整流、トランジスタ整流等からなる整流昇圧手段３４を通して整流され、コンデンサ等で構成された電力蓄積手段３５に充電供給される。
【００４０】
制御手段３６は、コイル３３２Ｂに電気的に接続されており、調速ロータ３３１およびステータ３３２で発電された電力で駆動される。この制御手段３６は、水晶振動子と、この水晶振動子からの周波数を分周して基準信号を出力する発振回路と、発電された交流電流の周波数を検出する検出回路と、検出された周波数と基準周波数とを比較してその差に応じた出力値を出力する制御回路とを備えている。
発振回路では、水晶振動子からの信号を用いて基準信号を出力する。制御回路では、この基準信号と検出回路からの回転検出信号とを比較し、その位相差等に応じて調速ロータ３３１を制動して動力伝達手段３２の回転周期を制御する。
【００４１】
なお、調速ロータ３３１の制動方法としては、ステータ３３２の出力端子間を短絡してショートブレーキを掛けたり、コイル３３２Ｂに流れる電流値を制御して制動量をコントロールすればよい。これにより、調速ロータ３３１の回転周期（回転速度）が所定の周期（速度）に保たれ、動力伝達手段３２および香箱３１２の回転周期（回転速度）が調速される。
【００４２】
次に、供給手段２２は、図２に示すように、内部を燃料が流通するチューブ２２１と、チューブ２２１上に配置されるボール２２２と、動力伝達手段３２の二番車３２１と共に回転するロータ駆動部２２３と、第１筐体１２に回動自在に固定されたロータ２２４と、ボール２２２の移動を規制するリテーナ２２５とを備えたチューブポンプである。
チューブ２２１の材料としては、シリコーンゴム、ポリウレタン、その他の弾性材料が採用できる。
【００４３】
ボール２２２は、図２に示すように、駆動機構３の駆動によりチューブ２２１を押圧しつつチューブ２２１上を転動してチューブ２２１内の燃料を移動させる。
このボール２２２は、複数設けられ（本実施形態では二つ）、後述するリテーナ２２５に保持され、駆動機構３の駆動により略円弧状に配置されたチューブ２２１上を転動する。
【００４４】
ロータ駆動部２２３は、略円盤状とされ、中心部分が二番車３２１（図３参照）固定された筒かな３２１Ｃ（図３参照）に接続されている。このため、ロータ駆動部２２３は、二番車３２１（図３参照）の回転に連動し、二番車３２１（図３参照）位置を中心として回転する。また、ロータ駆動部２２３の外周側には、円盤状部分の下方に略垂直に突出して複数の突出部２２３Ａが設けられている（本実施形態では二つ）。
【００４５】
ロータ２２４は、ボール２２２を押圧しつつチューブ２２１上で転動させる。このロータ２２４は、図２に示すように、略円盤状に形成され、第２筐体１２の案内溝１２Ｂの中心に対して回転可能に支持されている。
また、ロータ２２４の内周側には、ロータ駆動部２２３の突出部２２３Ａと嵌合するトラック孔２２４Ａが形成され、ロータ駆動部２２３の回転と連動してロータ２２４が回転する。さらに、ロータ２２４のボール２２２と対向する面には、押圧ゴム２２４Ｂが設けられ、ボール２２２に当接している。
このため、ボール２２２は、ロータ２２４に対して滑り難い状態となり、ロータ２２４の回転に伴って良好にチューブ２２１上を転動する。
【００４６】
リテーナ２２５は、略円盤状に形成され、ロータ２２４および第２筐体１２との間に設けられている。リテーナ２２５は、ロータ２２４には固定されずに独立して第２筐体１２に載置された状態となる。
【００４７】
一方、送気手段２３は、二枚のロータ２３１、２３２を備えたルーツポンプである。これらのロータ２３１、２３２は、外形形状がサイクロイド形、インボリュート形、またはエンベロープ形などからなり（本実施形態ではサイクロイド形）、互いに９０°位相をずらして配置されている。これらのロータ２３１、２３２は、第３筐体１３に対し、回転可能に支持されている。そして、ロータ２３１の回転軸は、駆動機構３の動力伝達手段３２の五番第２中間車３２５のほぞと一体の設けられており、五番第２中間車３２５とともに回転する。
【００４８】
図１〜図３および図４のフローチャートを参照して燃料電池システム１の動作を説明する。
まず、ぜんまい３１１をまきあげると、発電調速機３３のコギングトルクや動力伝達手段３２の摩擦抵抗、供給手段２２および送気手段２３の負荷の総和に対して、ぜんまい３１１からの動力が勝った時点で動力伝達手段３２が回転を始める（Ｓ１００）。
【００４９】
そして、発電調速機３３の調速ロータ３３１の回転により発電が開始され、整流昇圧手段３４を介して電力蓄積手段３５に電気エネルギが蓄積される。電力蓄積手段３５に蓄積された電気エネルギが一定量以上になると制御手段３６が起動する。
この制御手段３６は、調速ロータ３３１の回転数をカウントする（Ｓ１０１）。制御手段３６は、あらかじめ設定された調速ロータ３３１の回転数になるまで、調速ロータ３３１の累積回転数と設定した回転数とを比較する（Ｓ１０２）。調速ロータ３３１が回転を開始し、制御手段３６が起動してからの累積回転数が設定の回転回数に満たない間、調速ロータ３３１は、制御されずにぜんまい３１１からの動力により設定回転速度より高速で回転を続ける。そして、累積回転数が設定回転数に至ると、制御手段３６からの信号により調速ロータ３３１にブレーキがかけられ、設定速度に制御される。
【００５０】
そして、動力伝達手段３２によって、供給手段２２が駆動されると、燃料貯蔵手段２１から供給手段２２を経て、燃料電池２に燃料が供給される。
供給手段２２に動力が伝達されて、供給手段２２が燃料電池２に燃料を供給する際には、供給手段２２は、以下のような動作をしている。
調速ロータ３３１が制御されずに高速で回転する間は、燃料が多量に燃料電池２に送り込まれる。これによって、燃料電池システム１が起動する前に燃料電池２内に貯まっていた副生成物を速い流速の燃料で洗い流すことができ、副生成物によって低下した燃料電池２の性能を復活させることができる。
【００５１】
図２、３に示されるように、動力伝達手段３２が調速されることによって二番車３２１の筒かな３２１Ｃに接続されたロータ駆動部２２３は、所定回転速度で回転するとともに、ロータ２２４に回転運動を伝達する。そして、ロータ２２４は、回転する。
ロータ２２４が回転すると、押圧ゴム２２４Ｂに押圧されているボール２２２は摩擦によってチューブ２２１を押し潰しながら転動する。
これによって、チューブ２２１内の二つのボール２２２に挟まれた燃料が移動する。一方のボール２２２が案内溝１２Ｂの一方の端部まで移動すると、ボール２２２は押圧ゴムとともに回転を続けるので、チューブ２２１の押圧が解除される。
【００５２】
この状態で、他方のボール２２２が転動しながら燃料を案内溝１２Ｂに沿って押し出し、これによってチューブ２２１内の燃料が吐出される。一方のボール２２２は、その間に再び案内溝１２Ｂ上に配置され、チューブ２２１を押し潰して、他方のボール２２２とで挟まれた燃料を移動させる。これを繰り返すことによってチューブ２２１内の燃料は、連続で吐出される。
【００５３】
さらに、図４に戻って、動力伝達手段３２は、送気手段２３にも動力を伝達し、送気手段２３は、燃料電池２に空気を供給する。燃料と空気を供給された燃料電池２は、電気化学反応により、電気エネルギを出力する。燃料電池２から出力された電気エネルギは、電気エネルギ蓄積手段２５に蓄積される。電気エネルギ蓄積手段２５に蓄積された電気エネルギは、発電状況検出手段２６により、その蓄積量が検出される。この蓄積量を電圧Ｖとして、制御手段３６に送られる（Ｓ１０３）。
【００５４】
制御手段３６は、電気エネルギ蓄積手段２５で検出された電圧Ｖとあらかじめ制御手段３６に設定された設定電圧Ｖ０と比較する（Ｓ１０４）。電気エネルギ蓄積手段２５で検出された電圧Ｖが、設定電圧Ｖ０より大きくなるまで、上記（Ｓ１０３）の動作を続ける。
つまり、十分に電気エネルギが充電されるまで、調速ロータ３３１は、予め設定された設定速度ｖ０より速い速度で駆動される。
【００５５】
電気エネルギ蓄積手段２５で検出された電圧Ｖが、設定電圧Ｖ０より大きければ、電気エネルギ蓄積手段２５の充電が完了したと判断し、制御手段３６は、次に、調速ロータ３３１の回転速度ｖを検出する（Ｓ１０５）。
【００５６】
制御手段３６は、調速ロータ３３１の回転速度ｖとあらかじめ制御手段３６に設定された設定速度ｖ０と比較する（Ｓ１０６）。この比較した結果、設定速度ｖ０が回転速度ｖ以下である場合には、燃料の供給量が少ないことになるが、電気エネルギ蓄積手段２５には、十分充電されていることから無駄な燃料供給をしないためにそのまま、設定速度ｖ０が回転速度ｖ以下の状態を維持し、（Ｓ１０３）に戻って回転速度ｖを監視する。
【００５７】
調速ロータ３３１の回転速度ｖが設定速度ｖ０より大きければ、電気エネルギ蓄積手段２５に十分充電されているのにも関わらず燃料を多くとることになるから、燃料の無駄な供給をなくすために調速ロータ３３１のブレーキ量を大きくする。すなわち、調速ロータ３３１の速度が小さくなるように、制御手段３６が、発電調速機３３に制御信号を送る。そして上記（Ｓ１０３）からの動作を繰り返す。
【００５８】
〔第１実施形態の効果〕
従って、本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）機械エネルギを駆動エネルギとして、供給手段２２により燃料を燃料電池２に供給して、燃料電池２を起動させるから、商用電源や二次電池等を必要とすることがない。従って、商用電源を必要としないから、屋外での使用も可能となり使用範囲が制限されることがない。
また、二次電池を必要としないから、燃料電池システム１の構造の小型化を図ることができるので、携帯機器に適用することができる。
さらに、制御手段３６は、発電状況検出手段２６からの検出信号に基づいて供給手段２２を制御することから、より緻密なコントロールが可能となり、燃料の無駄な消費を防止したり、発電電力を容易に可変できる。
【００５９】
（２）電気エネルギ蓄積手段２５に蓄積された電気エネルギの蓄積量を発電状況として検出するので、燃料電池２で発電された電気エネルギをそのまますぐに使用するのではなく、一旦、コンデンサ等の電気エネルギ蓄積手段２５に蓄積する場合に有効である。
【００６０】
（３）送気手段２３により、燃料電池２のカソードに酸化ガスを積極的に送ると、カソードにおける電気化学反応がより進むので、燃料電池２での発電を効率的に行える。
また、送気手段２３は、駆動エネルギ蓄積手段３１からのエネルギで駆動しているから、他に、一次、二次電池等を必要とせず、燃料電池システム１の小型化に寄与できる。
さらに、送気手段２３の駆動に当たっては、燃料電池システム１自身で発電した電気エネルギを使用しているわけではないので、外部負荷４への電力供給も効率的である。
【００６１】
（４）ナット状部材１２Ｄにより、使用時には、ナット状部材１２Ｄを回転させ、チューブ２２１を圧縮し、非使用時には、ナット状部材１２Ｄを反対の方向に回転させて、チューブ２２１を元の形状に戻すようにする。従って、非使用時にチューブ２２１が変形したままの状態にしないから、チューブ２２１を長持ちさせることができる。また、チューブ２２１の変形（くせつき）による流量変化を防止できる。
【００６２】
（５）燃料電池２内に発生した副生成物を洗い流すことによって、燃料電池２の性能を復活させることができる。また、副生成物を洗い流すために特別な構造を必要とせず、燃料電池システム１の部品点数、コストの削減が実現できる。さらに、燃料貯蔵手段２１内の燃料がなくなり、燃料電池システム１が停止した場合や、停止していた燃料電池システム１を再度起動する場合も、燃料を補給した直後も、調速ロータ３３１が高速で回転し、燃料を素早く燃料電池２に送り込める。よって、燃料電池システム１が短時間で立ち上がる。
【００６３】
［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態を説明する。なお、以下の説明では既に説明した部分、部材と同一のものは同一符号を付してその説明を簡略する。
第２実施形態に係る機器である懐中電灯５は、前記第１実施形態の燃料電池システム１を備えたものである。
なお、第１実施形態の燃料電池システム１では、気液分離器２４を備えていたが、これに対して、第２実施形態の懐中電灯５では、気液分離器２４の代わりに、廃液タンク２４１を備えている点が異なる。
この廃液タンク２４１は、燃料電池２から排出された未反応の燃料や廃液を蓄積するものである。
懐中電灯５は、円筒形の筐体５１と、筐体５１の先端部分に設けられるリフレクタ５２と、リフレクタ５２の中心に設けられる電球５３と、筐体５１の先端部分を塞ぐ蓋５４と、筐体５１の基端部分を塞ぐ電池蓋５５とを備えて構成されている。
【００６４】
筐体５１の内部には、前述した燃料電池システム１が収納されている。また、筐体５１の先端側の側面には、スイッチ５１Ａが設けられている。
さらに、筐体５１の側面の中央部には、駆動機構３の駆動エネルギ蓄積手段３１に機械エネルギを供給するためのリング５１Ｂが設けられている。
なお、燃料貯蔵手段２１および廃液タンク２４１は、本実施形態では、一体に構成され、筐体５１の基端部分から挿入する。燃料貯蔵手段２１および廃液タンク２４１が一体に構成されたものの外周および筐体５１の対応する部分の内周面には、ガイドレールおよび溝がそれぞれ形成されている。
【００６５】
この懐中電灯５の使用手順を説明する。
まず、電気エネルギを発電するために、リング５１Ｂを筐体５１に対して、回転させ、駆動エネルギ蓄積手段３１のぜんまい３１１に、機械エネルギを蓄積する。その後は、前述したように、燃料電池２および駆動機構３が動作する。
【００６６】
〔第２実施形態の効果〕
従って、本実施形態によれば、前記第１実施形態の効果に加え、以下のような効果がある。
（６）通常の懐中電灯では、使用しない保管時であっても、二次電池等を備え、この二次電池は、未使用であってもわずかずつ電力を消費する。このため、緊急時にいざ使用する時に、電池の電力がなくなっているという場合がある。
しかしながら、本実施形態に係る懐中電灯５は、使用時にリング５１Ｂを回転させて、燃料電池２を駆動させてから必要とする電気エネルギを得るから、緊急時の使用に好適である。
【００６７】
［第３実施形態］
第３実施形態に係る燃料電池システム６は、図６に示されるように、第１実施形態に係る燃料電池システム１とは、燃料貯蔵手段２１が２個設けられている点、燃料貯蔵手段２１と供給手段２２との間に濃度調整手段２７が設けられている点、外部負荷４の負荷を検出する負荷検出手段４１が設けられている点、発電させたい発電量を設定する発電量設定手段である設定入力手段４２が設けられている点が異なる。
【００６８】
また、図７に示されるように、制御手段３６には、発電量決定手段３６１と、燃料供給決定手段３６２と、接続パターン決定手段３６３と、制御停止手段３６４とが設けられている点も異なる。
さらに、燃料電池システム６における燃料電池２は、図８に示されるように、６個それぞれは燃料電池セルをスタック構造としたスタック２０１〜２０６で構成されている。また、それぞれのスタック２０１〜２０６の前段には、燃料の供給を遮断するバルブＶａ１〜Ｖａ６が設けられている。また、それぞれのスタック２０１〜２０６の間には、これらの電気的な接続パターンを切り替えるための切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ１２が接続されている。
【００６９】
２個の燃料貯蔵手段２１の一方は、燃料を貯蔵する第１燃料貯蔵手段２１１であり、他方は、純水を貯蔵する第２燃料貯蔵手段２１２である。
濃度調整手段２７は、燃料貯蔵手段２１から供給される燃料の濃度を調整し、混合バルブで構成されている。
負荷検出手段４１は、外部負荷４の負荷を検出して、その検出信号を制御手段３６に送る。
【００７０】
制御手段３６の発電量決定手段３６１は、負荷検出手段４１および設定入力手段４２からの検出信号および設定発電量に基づいて目標発電量を決定する。
燃料供給決定手段３６２は、バルブＶａ１〜Ｖａ６に制御信号を送り、いずれのスタック２０１〜２０６に燃料を供給するかを決定する。
接続パターン決定手段３６３は、スタック２０１〜２０６の電気的な接続パターンを決定し、切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ１２に制御信号を送る。
制御停止手段３６４は、供給手段２２の制御を一時的に停止させる。
【００７１】
図６〜図８（一部図１〜３）および図９のフローチャートを参照して燃料電池システム６の動作を説明する。
まず、ぜんまい３１１をまきあげると、発電調速機３３のコギングトルクや動力伝達手段３２の摩擦抵抗、供給手段２２および送気手段２３の負荷の総和に対して、ぜんまい３１１からの動力が勝った時点で動力伝達手段３２が回転を始める（Ｓ３０１）。
【００７２】
そして、発電調速機３３の調速ロータ３３１の回転により発電が開始され、整流昇圧手段３４を介して電力蓄積手段３５に電気エネルギが蓄積される。電力蓄積手段３５に蓄積された電気エネルギが一定量以上になると制御手段３６が起動する。
この制御手段３６は、調速ロータ３３１の回転数をカウントする（Ｓ３０２）。制御手段３６は、あらかじめ設定された調速ロータ３３１の回転数になるまで、調速ロータ３３１の累積回転数と設定した回転数を比較し、燃料を素早く燃料電池２へ送るとともに、燃料電池２内の副生成物を洗い流す（Ｓ３０３）。
【００７３】
次に、制御手段３６は、調速ロータ３３１の回転速度ｖを検出する（Ｓ３０４）。制御手段３６は、調速ロータ３３１の回転速度ｖとあらかじめ制御手段３６に設定された設定速度ｖ０と比較する（Ｓ３０５）。調速ロータ３３１の回転速度ｖが、設定速度ｖ０より大きくなるまで、上記（Ｓ３０４）からの動作を続ける。
調速ロータ３３１の回転速度ｖが、設定速度ｖ０より大きくなると、調速ロータ３３１の回転速度ｖを制御する（Ｓ３０６）。そして、その際の外部負荷４であるモータの回転速度を読み込む（Ｓ３０７）。この読み込んだ外部負荷４であるモータの回転速度と設定入力手段４２で設定する外部負荷４であるモータの回転速度とを比較する（Ｓ３０８）。
【００７４】
この読み込んだ外部負荷４であるモータの回転速度が、設定入力手段４２で設定する外部負荷４のモータの回転速度よりも大きい場合には、燃料電池２へ供給される燃料の濃度を低くする。
一方、この読み込んだ外部負荷４であるモータの回転速度が、設定入力手段４２で設定する外部負荷４であるモータの回転速度よりも小さい場合には、燃料電池２の発電する電気エネルギを大きくするために、燃料の濃度を高くする。
【００７５】
濃度調整手段２７により２つの燃料貯蔵手段２１から燃料を混合する（Ｓ３０９）。この混合の際、燃料の濃度を高くしたい場合には、第１燃料貯蔵手段２１１からの燃料の供給を多くする。これに対し、燃料の濃度を低くしたい場合には、第２燃料貯蔵手段２１２からの純水の供給を多くする。
【００７６】
燃料電池２で出力され、電気エネルギ蓄積手段２５に蓄積された電気エネルギの電圧を発電状況検出手段２６により検出し、その検出信号を制御手段３６に送る（Ｓ３１０）。すると、制御手段３６は、発電状況検出手段２６からの検出信号に基づいて濃度調整手段２７を制御する。
【００７７】
そして、負荷検出手段４１により、外部負荷４であるモータの回転速度を検出し、負荷検出手段４１および発電量決定手段３６１からの検出信号および設定発電量に基づいて目標発電量を決定する。
【００７８】
ここで、図８に示されるように、電気エネルギ蓄積手段２５に蓄積される電気エネルギの量を変えるために、スタック２０１〜２０６の接続を変える。例えば、制御手段３６の接続パターン決定手段３６３からの信号により、ＳＷ９、ＳＷ１０をＯＦＦすると、スタック２０１〜２０３の出力は、電気エネルギ蓄積手段２５への接続を切断される。この状態で、ＳＷ１１、ＳＷ５、ＳＷ６をＯＮ、ＳＷ７、ＳＷ８をＯＦＦすると、電気エネルギ蓄積手段２５へは、スタック２０４〜２０６の３個を直列にした電圧を供給できる。
また、ＳＷ９、ＳＷ１０をＯＦＦしたまま、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ８をＯＦＦ、ＳＷ７をＯＮすると、スタック２０４、２０６の２個直列に接続した電圧を電気エネルギ蓄積手段２５に蓄積できる。
さらに、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７をＯＦＦ、ＳＷ８をＯＮすれば、スタック２０４のみの接続となる。このようにスタック２０１〜２０６の接続パターンを切り替える（Ｓ３１１）。なお、スタック２０１〜２０６の接続パターンは、上記したものに限られず、任意に組み合わせることができる。
【００７９】
その後、燃料供給決定手段３６２により、燃料を必要とするスタック２０１〜２０６に燃料が供給されるようにバルブＶａ１〜Ｖａ６の開閉を制御し、供給する燃料の量を変更する。例えば、上記したように、スタック２０４〜２０６の３個を直列にした電圧を供給できる状態にした場合には、他のスタック２０１〜２０３の電気エネルギを出力させても無駄となるので、対応するバルブＶａ１〜Ｖａ３を閉めて、スタック２０１〜２０３に燃料が供給されないようにする（Ｓ３１２）。
【００８０】
すると、燃料電池２全体として必要とする燃料の量が変わる。従って、調速ロータ３３１の速度を変更して、動力伝達手段３２に動力を伝達する。調速ロータ３３１の速度が変更されているため、供給手段２２が供給する燃料の量が変更される。（Ｓ３１３）。以上の（Ｓ３０７）〜（Ｓ３１３）の動作を繰り返す。
なお、制御停止手段３６４は、任意のタイミングで燃料電池２内の副生成物を洗い流す場合や、燃料電池システム６再起動時に素早く燃料を燃料電池２へ送る場合に用いる。
【００８１】
〔第３実施形態の効果〕
従って、本実施形態によれば、前記第１実施形態の効果に加え、以下のような効果がある。
（７）外部負荷４の負荷を負荷検出手段４１が検出し、この負荷が変化すると、負荷検出手段４１が検出信号を制御手段３６に送る。すると、この検出信号に基づいて、発電量決定手段３６１が目標発電量を決定する。従って、変化した負荷に応じて、燃料電池２の発電量を制御するようになるので、燃料電池システム６を安定的に駆動させることができる。また、発電量設定手段である設定入力手段４２により希望する発電量を設定すると、この設定発電量に基づいて発電量決定手段３６１が目標発電量を決定するから、燃料電池システム６の駆動の途中に発電量を変えることができ、途中で燃料電池システム６の駆動条件を変更できる。さらに、燃料電池システム６、外部負荷４のプログラム制御することも可能である。
【００８２】
（８）複数設けられたスタック２０１〜２０６（燃料電池２）のうち、燃料供給決定手段３６２により、いずれのスタック２０１〜２０６（燃料電池２）に燃料を供給するかを決定するから、燃料を無駄なく必要とするスタック２０１〜２０６（燃料電池２）に供給でき、負荷変動に応じて、必要な燃料を供給することができる。
【００８３】
（９）外部負荷４を大きな電圧で駆動する場合には、複数のスタック２０１〜２０６（燃料電池２）を接続パターン決定手段３６３により直列に接続する。また、外部負荷４が大きな電流で駆動する場合には、複数のスタック２０１〜２０６（燃料電池２）を接続パターン決定手段３６３により並列に接続する。
従って、スタック２０１〜２０６（燃料電池２）の接続を接続パターン決定手段３６３により切り替えるから、状況に応じて、発生する電気エネルギの電流や電圧の大きさを変化させるので、外部負荷４の駆動条件に応じて電気エネルギを供給することができる。
【００８４】
（１０）制御停止手段３６４が、供給手段２２の制御を一時的に停止させると、駆動エネルギ蓄積手段３１に蓄積されたエネルギが、一気に供給手段２２に供給され、供給手段２２も一気に駆動されることとなる。すると、一定量に保たれていた供給手段２２から燃料電池２に供給される燃料の流量は、瞬間的に大きなものとなる。すると、燃料電池２内においては、電気化学反応により生成した副生成物等をこの供給された燃料で、燃料電池２外へ流し出すことになるから、燃料電池２の性能を長期にわたって良好に維持することができる。その際、濃度調整手段２７により純水を流すと、さらに燃料を無駄なく利用できる。また、副生成物等を取り除くための特別な構造を必要としないので、燃料電池システム６が大型化する心配もない。さらに、任意のタイミングで、任意のスタック２０１〜２０６（燃料電池２）内の副生成物を洗い流すこともできる。
【００８５】
（１１）第１燃料貯蔵手段２１１と、純粋を貯蔵する第２燃料貯蔵手段２１２とから燃料を供給手段２２に供給する際に、制御手段３６は、発電状況検出手段２６からの検出信号に基づいて濃度調整手段２７を制御するので、燃料電池２の発電に必要な燃料の濃度の高低を制御でき、負荷変動に応じて、必要な燃料の濃度を調整できる。
【００８６】
［第４実施形態］
第４実施形態に係る発電ユニット７は、図１０に示されるように、前記第１実施形態の燃料電池システム１を備え、通常の乾電池と同様の形状、大きさを有している。なお、この図１０は、発電ユニット７の断面図を示したものである。
なお、第１実施形態の燃料電池システム１では、気液分離器２４を備えていたが、これに対して、第４実施形態の発電ユニット７では、気液分離器２４の代わりに、廃液タンク２４１を備えている点が異なる。
この廃液タンク２４１は、燃料電池２から排出された未反応の燃料や廃液を蓄積するものである。
発電ユニット７は、円筒形の筐体７１と、筐体７１の先端部分に設けられる正極蓋７２と、筐体７１の基端部分を塞ぐ負極蓋７３とを備えて構成されている。
【００８７】
筐体７１の内部には、前述した燃料電池システム１が設けられている。
また、筐体７１の側面の中央部には、駆動機構３の駆動エネルギ蓄積手段３１に機械エネルギを供給するためのリング７１Ｂが設けられている。
リング７１Ｂは、筐体７１に対して回転可能とされている。
【００８８】
この発電ユニット７の使用手順を説明する。
まず、電気エネルギを発電するために、リング７１Ｂを筐体７１に対して、回転させ、駆動エネルギ蓄積手段３１のぜんまい３１１に、駆動エネルギを蓄積する。その後は、前述したように、燃料電池２および駆動機構３が動作する。
なお、この発電ユニット７には、送気手段２３がなく、外部からの空気を燃料電池２まで挿通した空気孔２Ａから取り込むようにしている。
【００８９】
〔第４実施形態の効果〕
従って、本実施形態によれば、前記第１実施形態の効果に加え、以下のような効果がある。
（１２）本実施形態に係る発電ユニット７は、使用時にリング７１Ｂを回転させて、燃料電池２を駆動させてから必要とする電気エネルギを得るから、長期間の使用が可能である。また、通常の乾電池では、充電しない限り、廃棄処分とされるが、燃料貯蔵手段２１と廃液タンク２４１を交換して、使用すれば良いので、廃棄する必要がない。さらに、一般の乾電池と同様の形態をしているので、一般の乾電池を利用する機器の構造を変更することなく、機器を使用する際に、本実施形態に係る発電ユニット７で使用できる。
【００９０】
［第５実施形態］
第５実施形態に係る燃料電池システム８は、図１１に示されるように、第１実施形態に係る燃料電池システム１とは、駆動エネルギ蓄積手段３１に駆動エネルギを供給する駆動エネルギ供給手段３７が設けられている点、燃料電池２が出力する電気エネルギを蓄積する第１電気エネルギ蓄積手段２５１（２５）の他に、別の第２電気エネルギ蓄積手段２５２（２５）が設けられている点、この第２電気エネルギ蓄積手段２５２の電気エネルギの蓄積量を検出する第２発電状況検出手段２６２（２６）が設けられている点、これら第１電気エネルギ蓄積手段２５１、第２電気エネルギ蓄積手段２５２からの電力を外部負荷４および発電調速機３３へ供給先を切り替える切替手段４３が設けられている点、制御手段３６に、燃料電池２で発電された電気エネルギの一部を利用して発電調速機３３を起動させる発電機起動手段３６５が設けられている点が異なる。
【００９１】
駆動エネルギ供給手段３７は、モータで構成されている。
図１１（一部図１〜３）および図１２のフローチャートを参照して燃料電池システム６の動作を説明する。
【００９２】
第２電気エネルギ蓄積手段２５２には、あらかじめ、充電器等により電気エネルギが蓄積されている。外部負荷４は、この第２電気エネルギ蓄積手段２５２から電力を供給されている。この第２電気エネルギ蓄積手段２５２の電気エネルギの電圧Ｖ２を発電状況検出手段２６２により検出し、制御手段３６は、その検出信号を読み込む（Ｓ５００）、（Ｓ５０１）。
この検出した電圧Ｖ２と第２電気エネルギ蓄積手段２５２に設定された設定電圧Ｖ２０とを比較する。この比較は、電圧Ｖ２が設定電圧Ｖ２０より小さくなるまで定期的に繰り返される（Ｓ５０２）。
【００９３】
外部負荷４で電力が消費され、電圧Ｖ２が低下し、設定電圧Ｖ２０を下回ると、発電調速機３３のコイル３３２Ｂに通電され、調速ロータ３３１はコギングトルクに打ち勝って回転する。コイル３３２Ｂへの通電は、通常のアナログクォーツ時計のステッピングモータのようなパルス信号でよい。一度調速ロータ３３１が回転を始めると、あらかじめ巻き上げてあるぜんまい３１１からの動力で調速ロータ３３１は、回転を続ける。調速ロータ３３１の回転により発電が開始され、整流昇圧手段３４を介して電力蓄積手段３５に電気エネルギが蓄積される。電力蓄積手段３５に蓄積された電気エネルギが一定量以上になると制御手段３６が起動する（Ｓ５０３）。
動力伝達手段３２からの動力は、供給手段２２に伝達され、供給手段２２は、燃料電池２に燃料を供給する。燃料電池２は、燃料と空気により電気化学反応が進み、電気エネルギを出力する。燃料電池２から出力された電気エネルギは、第１電気エネルギ蓄積手段２５１に蓄積される。この蓄積された電気エネルギは、第１発電状況検出手段２６１により電圧Ｖ１として検出され、制御手段３６は、この検出信号を読み込む（Ｓ５０４）。
【００９４】
この検出した電圧Ｖ１と第１電気エネルギ蓄積手段２５１に設定された設定電圧Ｖ１０とを比較する。この検出した電圧Ｖ１が設定電圧Ｖ１０より大きくなるまで、つまり、十分に電気エネルギが充電されるまで、比較を続ける（Ｓ５０５）。
上記（Ｓ５０５）まで、第２電気エネルギ蓄積手段２５２から外部負荷４への電力の供給を行っていたが、（Ｓ５０５）以降は、つまり充電が完了すると、第１電気エネルギ蓄積手段２５１から外部負荷４ヘ電力を供給するように、切替手段４３で切り替える（Ｓ５０６）。
このとき、図示しない表示手段や音による警告手段で第２電気エネルギ蓄積手段２５２の電圧が低下したことを使用者に知らせる。使用者は、バッテリパックなどの第２電気エネルギ蓄積手段２５２を機器から取り外し、第２電気エネルギ蓄積手段２５２に充電後、再度機器に取り付ければ、機器を絶え間なく使用できる。
【００９５】
一方、制御手段３６は、調速ロータ３３１の回転速度ｖを検出する（Ｓ５０７）。制御手段３６は、調速ロータ３３１の回転速度ｖとあらかじめ制御手段に設定された設定速度ｖ０と比較する（Ｓ５０８）。
この調速ロータ３３１の回転速度ｖが、設定速度ｖ０より小さい場合には、調速ロータ３３１の速度制御を弱め、調速ロータ３３１の回転速度ｖが大きくなるように、制御手段３６から制御信号を送る（Ｓ５０９）。そして（Ｓ５０７）、（Ｓ５０８）の動作を続ける。
この調速ロータ３３１の回転速度ｖが、設定速度ｖ０より大きい場合には、調速ロータ３３１の速度制御を強め、調速ロータ３３１の回転速度ｖが小さくなるように、制御手段３６から制御信号を送る（Ｓ５１０）。
上記（Ｓ５１０）の後に、第１電気エネルギ蓄積手段２５１の蓄積された電気エネルギは、第１発電状況検出手段２６１により電圧Ｖ１として検出され、制御手段３６は、この検出信号を読み込む（Ｓ５１１）。
【００９６】
この検出した電圧Ｖ１と第１電気エネルギ蓄積手段２５１に設定された設定電圧Ｖ１１とを比較する（Ｓ５１２）。
この検出した電圧Ｖ１が、設定電圧Ｖ１１より小さい場合には、第１電気エネルギ蓄積手段２５１に充電した電気エネルギが十分でない。そのため、調速ロータ３３１の速度制御を弱め、調速ロータ３３１の回転速度ｖが大きくなるように、制御手段３６から制御信号を送り、設定速度ｖ１０を変更する（Ｓ５１３）。そして（Ｓ５０８）に戻り、動作を続ける。
外部負荷４の消費する電力が少なくなり、電圧Ｖ１が、設定電圧Ｖ１１より大きくなった場合には、第１電気エネルギ蓄積手段２５１から余剰分の電圧を、切替手段４３を経て、第２電気エネルギ蓄積手段２５２に充電する（Ｓ５１４）。この（Ｓ５１４）の動作後、再度、第１電気エネルギ蓄積手段２５１の蓄積された電気エネルギは、第１発電状況検出手段２６１により電圧Ｖ１として検出され、制御手段３６は、この検出信号を読み込む（Ｓ５１５）。
【００９７】
この検出した電圧Ｖ１と第１電気エネルギ蓄積手段２５１に設定された設定電圧Ｖ１２とを比較する（Ｓ５１６）。
この検出した電圧Ｖ１が、十分高く、設定電圧Ｖ１２より大きい場合には、調速ロータ３３１の速度制御を強め、調速ロータ３３１の回転速度ｖが小さくなるように、制御手段３６から制御信号を送り、設定速度ｖ１０を低速側へ変更し、燃料の供給を抑える（Ｓ５１７）。そして（Ｓ５０８）に戻り、動作を続ける。この検出した電圧Ｖ１が、設定電圧Ｖ１２より小さい場合には、第１電気エネルギ蓄積手段２５１から、第２電気エネルギ蓄積手段２５２への充電を停止する（Ｓ５１８）。
【００９８】
この（Ｓ５１８）の動作後、再度、第１電気エネルギ蓄積手段２５１の蓄積された電気エネルギは、第１発電状況検出手段２６１により電圧Ｖ１として検出され、制御手段３６は、この検出信号を読み込む（Ｓ５１９）。
この検出した電圧Ｖ１と第１電気エネルギ蓄積手段２５１に設定された設定電圧Ｖ１３とを比較する。この比較は、電圧Ｖ１がこの設定電圧Ｖ１３より大きくなるまで続ける（Ｓ５２０）。
この検出した電圧Ｖ１が、設定電圧Ｖ１３より小さくなった場合には、外部負荷４への電力の供給は、第１電気エネルギ蓄積手段２５１から第２電気エネルギ蓄積手段２５２になるように、切替手段４３で切り替える（Ｓ５２１）。
その後、燃料電池２内の燃料を計測し、燃料の残量を図示しない表示手段や音による警告手段等で警告する（Ｓ５２２）。そして（Ｓ５０１）からの動作を続ける。
【００９９】
なお、燃料電池２で出力する電気エネルギに余剰分がある場合、駆動エネルギ供給手段３７に電気エネルギを供給し、駆動エネルギ供給手段３７で機械エネルギを発生し、駆動エネルギ蓄積手段３１にエネルギを蓄積するようにしても良い。
さらに、発電調速機３３が停止している場合に、発電調速機３３を起動させるためには、発電機起動手段３６５を用いる。
【０１００】
この燃料電池システム８の使用例としては、例えば、電源ユニット内に、この燃料電池システム８を備えるようにするものが挙げられる。そしてこの電源ユニットは、ノートパソコン、携帯電話等の携帯機器と接続して用いる。
【０１０１】
〔第５実施形態の効果〕
従って、本実施形態によれば、前記第１実施形態の効果に加え、以下のような効果がある。
（１３）駆動エネルギ供給手段３７は、燃料電池２が発生した余剰の電気エネルギ、すなわち、負荷停止後に燃料電池２内にたまっている燃料の反応で発生する電気エネルギによって駆動される。駆動エネルギ蓄積手段３１へ駆動エネルギを蓄積する速度は、燃料電池２への燃料供給とは、別系統である。よって、駆動エネルギ蓄積手段３１へ駆動エネルギを蓄積する手段の効率の良い領域で駆動できるので、燃料電池２が発電した電気エネルギを効率よく機械エネルギに変換、蓄積できる。例えば、駆動エネルギ供給手段３７として、モータを用いた場合、そのモータの最も効率の良い速度領域で駆動すれば良い。
また、余剰の電気エネルギを利用することで、無駄な燃料消費を抑制できる。
【０１０２】
（１４）発電調速機３３が停止している場合に、発電調速機３３を起動させるために、駆動エネルギ蓄積手段３１からのエネルギを用い、アクチュエータ等を駆動すると大きなエネルギを供給してしまう。従って、発電機起動手段３６５によりコイル３３２Ｂにパルス信号を送るだけで、発電調速機３３を再び起動させることができるので、駆動エネルギ蓄積手段３１に蓄積されたエネルギを節約することができる。また、調速ロータ３３１の起動用のアクチュエータ等が必要ない。
【０１０３】
（１５）第２電気エネルギ蓄積手段２５２のエネルギ残量が機器を駆動できなくなる前に、燃料電池２で発電を開始して、第１電気エネルギ蓄積手段２５１に充電するので、機器を継続して使用できる。第２電気エネルギ蓄積手段２５２から第１電気エネルギ蓄積手段２５１へ電力供給が変わったことを使用者が確認できるので、第１電気エネルギ蓄積手段２５１で機器を駆動中に第２電気エネルギ蓄積手段２５２に充電、もしくは別（スペア）の第２電気エネルギ蓄積手段２５２を機器に接続すれば、さらに長時間機器を連続使用できる。
また、第２電気エネルギ蓄積手段２５２で機器を駆動中に燃料を補給すれば、第１電気エネルギ蓄積手段２５１への再度の充電も可能である。以上のような使用方法をすればバッテリ切れ、充電不足で機器の使用が不可能になる心配がない。
さらに、第１電気エネルギ蓄積手段２５１から電力を供給中に外部負荷４の消費電力が減った場合、燃料電池２の余剰発電分を第２電気エネルギ蓄積手段２５２に充電するので、燃料の無駄がなく、長時間機器の使用ができる。
【０１０４】
［第６実施形態］
第６実施形態に係る燃料電池システム９は、図１３に示されるように、第１実施形態に係る燃料電池システム１とは、濃度が異なる燃料が貯蔵された２個の燃料貯蔵手段２１と、燃料貯蔵手段２１から供給される燃料の流量を切り替える流量切替手段２９とを備えている点が異なる。
２個の燃料貯蔵手段２１のうち、一方は高濃度の燃料を貯蔵する第１燃料貯蔵手段２１１であり、他方は、低濃度の燃料を貯蔵する第２燃料貯蔵手段２１２である。
燃料貯蔵手段２１から供給手段２２へ燃料を供給する際に、２個の燃料貯蔵手段２１を切り替えて行う。例えば、高濃度の燃料のみを供給したい場合には、第１燃料貯蔵手段２１１に切り替える。低濃度の燃料のみを供給したい場合には、第２燃料貯蔵手段２１２に切り替える。
【０１０５】
〔第６実施形態の効果〕
従って、本実施形態によれば、前記第１実施形態の効果に加え、以下のような効果がある。
（１６）外部負荷４の負荷の大きさに応じて濃度の異なる燃料を供給するのであるが、この際には、濃度の異なる燃料を予め容易しておいて別々の燃料貯蔵手段２１（第１燃料貯蔵手段２１１および第２燃料貯蔵手段２１２）に貯蔵しておけば良いので、燃料と希釈液とを混合して、システム内で燃料の濃度のコントロールをする必要がなく、制御が容易である。
【０１０６】
〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、燃料電池システム１、６、８は、懐中電灯、乾電池、電源ユニット等として用いられていたが、これに限られず、これ以外の携帯機器、玩具、補助動力付き自転車等に応用するようにしても良い。
前記実施形態では、燃料電池２は、直接メタノール燃料電池であったが、これに限られず、改質機を付加しても良い。
前記実施形態では、駆動エネルギ蓄積手段３１としては、ぜんまい３１１を使用していたが、これに限られず、ばね、板ばね、ゴム等の弾性部材や、位置エネルギを蓄積可能に構成される分銅引き等を使用しても良い。
【０１０７】
【発明の効果】
本発明によれば、使用範囲が制限されることがなく、携帯機器にも適用することができ、発電量を正確にコントロールすることができる燃料電池システムおよび燃料電池システムを備える機器、発電ユニット、移動体、玩具を提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムを示すブロック図。
【図２】第１実施形態にかかる燃料電池システムを示す断面図。
【図３】第１実施形態にかかる駆動機構を示す平面図。
【図４】第１実施形態にかかる燃料電池システムの動作を示すフローチャート。
【図５】本発明の第２実施形態にかかる懐中電灯を示す断面図。
【図６】本発明の第３実施形態にかかる燃料電池システムを示すブロック図。
【図７】第３実施形態にかかる制御手段を示すブロック図。
【図８】第３実施形態にかかる燃料電池を示すブロック図。
【図９】第３実施形態にかかる燃料電池システムの動作を示すフローチャート。
【図１０】本発明の第４実施形態にかかる発電ユニットを示す断面図。
【図１１】本発明の第５実施形態にかかる燃料電池システムを示すブロック図。
【図１２】第５実施形態にかかる燃料電池システムの動作を示すフローチャート。
【図１３】本発明の第６実施形態にかかる燃料電池システムを示すブロック図。
【符号の説明】
１、６、８、９…燃料電池システム、２…燃料電池、３…駆動機構、４…外部負荷、５…懐中電灯、７…発電ユニット、２１…燃料貯蔵手段、２２…供給手段、２３…送気手段、２５…電気エネルギ蓄積手段、２６…発電状況検出手段、２７…濃度調整手段、２９…流量切替手段、３１…駆動エネルギ蓄積手段、３２…動力伝達手段、３３…発電調速機、３４…整流昇圧手段、３５…電力蓄積手段、３６…制御手段、３７…駆動エネルギ供給手段、４１…負荷検出手段、４２…設定入力手段、４３…切替手段、２０１〜２０６…スタック、２５１…第１電気エネルギ蓄積手段、２５２…第２電気エネルギ蓄積手段、２６１…第１発電状況検出手段、２６２…第２発電状況検出手段、３６１…発電量決定手段、３６２…燃料供給決定手段、３６３…接続パターン決定手段、３６４…制御停止手段、３６５…発電機起動手段、ＳＷ１〜ＳＷ１２…切替スイッチ、Ｖａ１〜Ｖａ６…バルブ
【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】
2004164954.tif 000009
【図８】
2004164954.tif 000010
【図９】
2004164954.tif 000011
【図１０】
2004164954.tif 000012
【図１１】
2004164954.tif 000013
【図１２】
2004164954.tif 000014
【図１３】
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