(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、アノード側反応室、およびカソード側反応室を有し、前記アノード側反応室に燃料を供給して電気エネルギを得る燃料電池と、
当該燃料電池に供給される燃料を収納する燃料収納手段と、
当該燃料電池に供給され、前記アノード側反応室内の燃料濃度を所定範囲内に希釈することに使用する水を収納する水収納手段と、
前記アノード側反応室と前記水収納手段とを連通し、前記アノード側反応室で反応が終了した溶液を前記水収納手段に流通させる連通配管と、
前記水収納手段から溢れた水を保持する保持手段と、
前記水収納手段内の燃料濃度を検出する燃料濃度検出手段と、
前記燃料濃度検出手段からの燃料濃度検出信号に応じて、前記アノード側反応室内の燃料濃度が前記所定範囲内となるように前記燃料および前記水の供給量を制御する供給制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記保持手段は、水を吸収保持するゲル状吸収体を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記保持手段は、水を吸収保持する吸収体と、水の少なくとも一部を大気に蒸散させる蒸散体とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料は、メタノールとされ、前記アノード側反応室外側には、前記メタノールと水との反応後に生成される二酸化炭素を分離する気液分離膜が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムを備えたことを特徴とする機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびこの燃料電池システムを備えた機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、外部から連続的に供給される燃料と酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギを取り出すものである。燃料電池は、他の発電方式に比べて高効率で二酸化炭素の排出量が少ないため、環境問題が顕著になっている近年注目されている。
例えば高分子電解質形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)は、低い温度で動作が可能で起動時間が短く、小型化も可能である。この高分子電解質形燃料電池は、高分子固体電解質膜を空気側電極と燃料側電極とで挟んだ構造のＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)を備え、空気側電極に空気（酸素）を供給し、燃料側電極にメタノールや改質した水素などの燃料を供給することにより、電気化学的反応が起こり電力が発生する（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１６２１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような高分子電解質形燃料電池のうち、例えば直接メタノール形燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell, DMFC）は、燃料電池にメタノール水溶液を燃料として直接供給し電気エネルギを得るため、ＰＥＦＣとは異なり水素を収納する容器や、燃料を改質して水素を取り出す改質器などが不要となる。したがって、直接メタノール形燃料電池は、長時間連続的に使用する必要がある携帯電話やノートパソコン等の携帯機器用の携帯電源として従来型の一次電池や二次電池に取って代わるものとして注目されている。
しかしながら、このような直接メタノール型燃料電池では、燃料電池にメタノール水溶液を燃料として供給するため、燃料電池で反応が終了した後の廃液を収納しなければならず、燃料電池全体の軽量化を図ることが難しい。また、廃液の収納スペースを確保する必要もあるため、燃料電池の小型化を促進することも困難となっている。
【０００５】
本発明の目的は、小型化、軽量化を促進できる燃料電池システムおよびこの燃料電池システムを備えた機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、電解質膜、アノード側反応室、およびカソード側反応室を有するとともに、アノード側反応室に燃料を供給して電気エネルギを得る燃料電池と、当該燃料電池システムに供給される燃料を収納する燃料収納手段と、当該燃料電池システムに供給される水を収納する水収納手段と、アノード側反応室と水収納手段とを連通する連通配管とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、アノード側反応室と水収納手段とを連通する連通配管を備えているので、アノード側反応室で反応が終了して燃料が消費された溶液は、連通配管を通って水収納手段に収納される。この溶液は、水収納手段から再び燃料電池システムに供給されるので、燃料電池に供給した水の再利用が可能となり、燃料電池での反応のために確保する水の総量が最小限に抑制される。これにより、燃料電池システムの軽量化が図られるとともに、水の総量が最小限に抑制されることにより、水収納手段の小型化が促進されるので、これに伴い燃料電池システムの小型化が促進される。
【０００７】
本発明では、燃料および水の供給動作を制御する供給制御手段と、水収納手段内の燃料濃度を検出する燃料濃度検出手段とを備え、供給制御手段は、燃料濃度検出手段からの燃料濃度検出信号に応じて、アノード側反応室内の燃料濃度が所定範囲内となるように燃料および水の供給量を制御する構成とされていることが望ましい。
燃料電池で反応が終了した溶液は、ほとんどが水であるものの、燃料電池の反応効率のばらつきなどによって、微量の未反応の燃料を含んでいる場合がある。このような場合には、長時間燃料電池を使用して反応後の水を水収納手段に戻すと、水収納手段内の水に燃料が混合される。
この発明によれば、燃料濃度検出手段が設けられているので、水収納手段内の水に含まれる燃料の濃度を検出し、供給制御手段が、濃度検出信号に応じて、アノード側反応室に供給する水および燃料の供給量を制御することにより、アノード側反応室内の燃料濃度を所定範囲内に制御する。したがって、水収納手段内に燃料が混合された場合でも、アノード側反応室内に安定した燃料濃度の燃料が供給される。よって、燃料電池の反応効率および発電量が安定する。
【０００８】
本発明では、水収納手段から溢れた水を保持する保持手段が設けられていることが望ましい。
燃料電池システムでは、アノード側反応室から排出される溶液には、アノード側反応室で生成される副生成物や、未反応の燃料が含まれている場合があり、これらの溶液を連通配管を介して水収納手段に蓄積すると、水収納手段内の水の量が過剰となる場合がある。
この発明によれば、保持手段が設けられているので、水収納手段から溢れた水が外部に漏れることなく保持手段で保持されるから、燃料電池システムの取扱性が向上する。また、保持手段が設けられているので、燃料電池に供給するのに必要な水の量を収納する大きさで水収納手段を構成し、水収納手段に収納しきれない余剰分を保持手段で保持することが可能となるため、水収納手段の寸法が必要最小限に抑制され、水収納手段の小型化が促進される。
【０００９】
本発明では、保持手段は、水を吸収保持するゲル状吸収体を備えたことが望ましい。
この発明によれば、保持手段がゲル状吸収体を備えているので、水収納手段から溢れた水が確実にゲル状吸収体に保持される。これにより、燃料電池システムからの水漏れが確実に防止され、燃料電池システムの取扱性が向上するとともに、燃料電池システムの信頼性が良好となる。
【００１０】
本発明では、保持手段は、水を吸収保持する吸収体と、水の少なくとも一部を大気に蒸散させる蒸散体とを備えたことが望ましい。
この発明によれば、保持手段が吸収体と蒸散体とを備えて構成されているので、水収納手段から溢れた水が吸収体で吸収可能となることで燃料電池からの水漏れの発生が防止されるとともに、蒸散体により水の少なくとも一部が大気に蒸散されるため、燃料電池システムの軽量化が促進される。なお、この場合において、蒸散体によって水の一部を一時的に保持して大気に蒸散させるので、過剰な水が蒸散されることがなく、例えばこの燃料電池システムを携帯機器に適用した場合でも、衣服をぬらすなどの不具合が防止される。
【００１１】
本発明では、燃料は、メタノールとされ、アノード側反応室外側には、メタノールと水との反応後に生成される二酸化炭素を分離する気液分離膜が設けられていることが望ましい。
この発明によれば、気液分離膜が設けられているので、アノード側反応室で反応が終了した溶液から二酸化炭素が分離される。したがって、水収納手段により純度の高い水が収納され、より一層安定した燃料供給が行われる。
また、気液分離膜が設けられているので、アノード側反応室で生成された二酸化炭素が良好に除去されることにより、アノード側反応室内に良好に燃料が充填され、燃料電池の反応効率が良好となる。
【００１２】
本発明の機器は、前述の燃料電池システムを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、機器が前述の燃料電池システムを備えているので、前述の燃料電池システムの効果と同様の効果が得られ、燃料電池システムの軽量化、小型化が促進される。これにともない、機器の軽量化、小型化も促進される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池システムおよび機器によれば、連通配管が設けられているので、アノード側反応室に供給された水を水収納手段に戻すことができ、燃料電池システムに確保しなければならない水の総量が最小限に抑制でき、燃料電池システムおよび機器の軽量化、小型化が促進できるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には本実施形態の燃料電池システム１００の概略図が示されている。この図１において、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、この燃料電池１に供給されるメタノール（燃料）を収納するメタノールタンク（燃料収納手段）１０１と、メタノールを所定の濃度に希釈して燃料電池１に供給される純水（水）を収納する純水タンク（水収納手段）１０２と、メタノールタンク１０１からメタノールを送液するメタノールポンプ１０３と、純水タンク１０２から純水を送液する純水ポンプ１０４と、メタノールおよび純水を混合し、この所定濃度のメタノール水溶液を燃料電池１に供給するミキサ１０５と、メタノールおよび純水の供給動作を制御する供給制御手段１０６とを備えている。
【００１５】
図２には燃料電池１の側断面図が示されている。燃料電池１は、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）であり、図２に示されるように、燃料電池セル１０がケース１１に収納されて構成されている。なお、本実施形態では、説明を簡略化するため、図２に示すように単一の燃料電池セル１０で構成した燃料電池１を図示するが、もちろん燃料電池１が、この燃料電池セル１０を複数枚積層したスタック構造とされていてもよい。
【００１６】
燃料電池セル１０は、電解質膜としての高分子固体電解質膜２と、この高分子固体電解質膜２の両面に一体的に形成されるアノード電極３およびカソード電極４と、アノード電極３側に配置される燃料拡散層５と、カソード電極４側に配置される空気拡散層６と、これら燃料拡散層５および空気拡散層６の外側にそれぞれ設けられるとともに、アノード電極３およびカソード電極４の間に発生した電気エネルギを取り出す集電体７，８とを備えている。この燃料電池セル１０は、ケース１１に収納され、ガスケット１２によって高分子固体電解質膜２の両側から挟持されている。これにより、ケース１１内部は、高分子固体電解質膜２を挟んでアノード電極３側とカソード電極４側とに封止されて分離されている。
すなわち、ケース１１内壁とアノード電極３との間の領域は、液密に構成され、燃料が供給されるアノード側反応室としての燃料室３１となっている。また、ケース１１内壁とカソード電極４との間の領域は、空気が供給されるカソード側反応室としての空気室４１となっている。なお、燃料としては、メタノール(CH3OH)水溶液が供給される。
【００１７】
ケース１１のアノード電極３側には、燃料を燃料室３１に供給するための燃料供給口１１１と、アノード電極３での反応が終了した燃料を外部に排出するための燃料排出口１１２とが形成されている。この燃料排出口１１２には、排出された溶液が流通する連通配管としての再循環配管１０８が接続されており、この再循環配管１０８が純水タンク１０２に接続されることにより、燃料室３１と純水タンク１０２とが連通している。
ケース１１のカソード電極４側には、空気を空気室４１に供給するための複数の空気供給口１１３が形成されている。この空気供給口１１３は、大気に開放されることで、空気室４１への空気の供給を自然吸気とする構造となっている。なお。空気室４１への空気供給は、エアポンプなどによって空気室４１に強制的に空気を供給する構造であってもよい。
【００１８】
高分子固体電解質膜２の両面には、外縁から所定幅寸法を隔てた所定範囲内に略矩形状のアノード電極３およびカソード電極４が一体的に形成されている。高分子固体電解質膜２は、プロトン伝導性高分子で構成される高分子固体電解質樹脂が、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(Poly Tetra Fluoro Ethylene, PTFE)フィルムの多孔空隙部に含浸されることにより構成されている。高分子固体電解質樹脂としては、例えばナフィオン（デュポン社商標）等のパーフルオロスルホン酸系ポリマー、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマーなどが採用できる。また場合によってはこの高分子固体電解質樹脂に、電子導電性の生じない範囲で白金などの触媒やカーボン粉末、各種セラミックス粉末などを加えてもよい。
【００１９】
なお、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムは、ＰＴＦＥの塊を延伸多孔化して得られる、多数の微小結節とそれらの微小結節から延出して微小結節相互を三次元的に連結する微細繊維とからなる構造を有する多孔質ＰＴＦＥフィルムであり、このフィルムには、厚み方向に貫通する多数の孔が形成される。本実施形態においてこの延伸多孔質ＰＴＦＥフィルムの膜厚は、１〜１００μｍ、好ましくは３〜３０μｍで、孔径は０．０５〜５μｍ、好ましくは０．５〜２μｍで、空隙率は６０％〜９８％、好ましくは８０〜９２％である。膜厚が薄すぎると短絡やガス漏れ（クロスリーク）が発生しやすくなり、厚すぎると電気抵抗が高くなる。また孔径が小さすぎると高分子固体電解質樹脂の含浸が困難となり、大きすぎると高分子固体電解質樹脂の保持力が弱くなり、また補強効果も弱くなる。そして、空隙率が小さすぎると高分子固体電解質膜としての抵抗が大きくなり、大きすぎると一般にＰＴＦＥ自体の強度が弱くなり補強効果が得られない。
【００２０】
アノード電極３およびカソード電極４は、メタノールの分解のための触媒を担持したカーボン触媒電極膜から構成される。ここで、触媒としては、例えば白金等が採用できる。なお、アノード電極３側では、メタノールと触媒との反応により発生する中間生成物である一酸化炭素ＣＯの被毒を防止するため、少なくともアノード電極３側の触媒には、白金およびルテニウムの合金等を採用することがより好ましい。
ここで、高分子固体電解質膜２、アノード電極３、およびカソード電極４は、一体的に形成されて膜電極接合体２０が構成されている。
燃料拡散層５および空気拡散層６は、メッシュの金属フォーム（例えばスチールウール等）からなる多孔性膜であり、供給される燃料および酸素をそれぞれ拡散してアノード電極３およびカソード電極４に導く。なお、これら燃料拡散層５および空気拡散層６は、それぞれ、アルミニウム、ステンレス鋼等であってもよく、またスポンジチタン等の多孔性金属材料、カーボンペーパ紙にカーボンを担持したものやカーボンクロス等であってもよい。
また、集電体７，８には、それぞれ図示しないリード線が接続されており、外部の負荷に接続されている。
【００２１】
メタノールタンク１０１および純水タンク１０２は、燃料室３１への流路が開閉可能なバルブ１０１Ａ，１０２Ａを備えている。これらのバルブ１０１Ａ，１０２Ａは、供給制御手段１０６に電気的に接続されており、供給制御手段１０６からの指令によりそれぞれ個別に開閉可能となっており、その開度も調整可能となっている。なお、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２は、一体のケースの内部が仕切られて形成されている構成であることが好ましく、例えばいわゆるカートリッジ方式で、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２が同時に簡単に交換可能な構造であることが望ましい。
図３には、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２の概略図が示されている。この図３において、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２は一体的に形成されており、それぞれメタノールポンプ１０３および純水ポンプ１０４に連通する配管が接続されている。また、純水タンク１０２には、燃料室３１に連通する再循環配管１０８が接続されている。この再循環配管１０８により、燃料室３１で反応が終了した溶液が純水タンク１０２に収納される。また、前述の図１に示されるように、純水タンク１０２には、純水タンク１０２内の水に含まれるメタノール濃度を検出する燃料濃度検出手段としてのメタノールセンサ１０７が設けられている。再循環配管１０８によって燃料室３１からの溶液を純水タンク１０２に戻すと、溶液内に含まれる微量のメタノールが長期間の使用により蓄積し、純水タンク１０２内の水がある程度のメタノールを含むメタノール水溶液となる場合がある。そこで、このメタノールセンサ１０７は、純水タンク１０２内のメタノール濃度を検出し、メタノール濃度検出信号（燃料濃度検出信号）を供給制御手段１０６に出力する。
【００２２】
純水タンク１０２は、メタノールタンク１０１内のメタノール量に対して、燃料電池１での反応に必要な量の水が収納できるだけの容量で形成されている。この純水タンク１０２には、純水タンク１０２から溢れた水を吸収保持する保持手段としての吸収パッド９が設けられている。
吸収パッド９は、蒸散体としての蒸散層９１と、吸収体としての吸収層９２とが積層されて一体的に構成されている。蒸散層９１は、純水タンク１０２に隣接して、つまり純水タンク１０２の一側面に当接して配置されており、水分保持能力を有する任意の材料で構成される。この蒸散層９１には、純水タンク１０２に連通する配管９３が設けられており、純水タンク１０２から溢れた余剰分の水がこの配管９３を通って蒸散層９１に流れると、蒸散層９１はこの水を一時的に内部に保持するとともに、一定量ずつ表面から大気に蒸散させる。したがって、この蒸散層９１は大気に対向して配置されていることが望ましく、例えば燃料電池システム１００全体をケースに収納する場合などでは、ケースに複数の通気口などを設け、蒸散層９１を通気口に対向して配置すればよい。また、蒸散層９１は、蒸散効率を高めるため、表面積が大きくなるように構成されることが望ましく、例えば蒸散層９１が当接される純水タンク１０２側面よりも大きい面積の板状（シート状）に形成すれば、当該純水タンク１０２周囲に蒸散層９１が突出して蒸散面積が大きくなる。
【００２３】
吸収層９２は、例えば高分子吸収体などで構成されるゲル状吸収体で、蒸散層９１で吸収蒸散しきれない水分を吸収し、内部に保持する。吸収層９２の寸法は、蒸散層９１と同じ面積の板状（シート状）に形成されることが望ましく、燃料室３１から回収される溶液の量や、蒸散層９１で蒸散できる水分量などを勘案して適宜設定されることが望ましい。
【００２４】
メタノールポンプ１０３および純水ポンプ１０４は、ミキサ１０５に接続されており、それぞれ所定量のメタノールおよび純水をメタノールタンク１０１および純水タンク１０２からミキサ１０５に送液する。これらのポンプ１０３，１０４は、供給制御手段１０６に電気的に接続されており、供給制御手段１０６からの送液指令信号によりポンプ１０３，１０４のＯＮ，ＯＦＦが制御される。
ミキサ１０５は、燃料供給口１１１に接続されており、供給制御手段１０６からの混合指令信号に基づいて、メタノールタンク１０１からのメタノールと、純水タンク１０２からの純水を混合し、メタノールが純水中に均一に分散されたメタノール水溶液を作成する混合手段となっている。なお、メタノールのみ、または純水のみを燃料室３１に供給する場合には、ミキサ１０５は一種類の液体を混合するのみで、実質的にはその機能を発揮することなく液体が通過するのみとなる。
ここで、本実施形態ではメタノールタンク１０１、バルブ１０１Ａ、およびメタノールポンプ１０３を備えてメタノール供給手段が構成されており、また純水タンク１０２、バルブ１０２Ａ、および純水ポンプ１０４を備えて水供給手段が構成されている。
【００２５】
供給制御手段１０６は、燃料室３１内のメタノール水溶液の濃度を予め設定された所定範囲内に維持するように、メタノールおよび水の供給量を制御する。つまり、供給制御手段１０６は、バルブ１０１Ａ，１０２Ａの開度を調整することにより、所定濃度のメタノール水溶液を供給するとともに、メタノールセンサ１０７からのメタノール濃度検出信号に基づいて、バルブ１０１Ａ，１０２Ａの開度を制御し、燃料室３１に供給されるメタノール水溶液の濃度を所定濃度範囲内に制御する。
具体的には、供給制御手段１０６は、メタノールセンサ１０７からのメタノール濃度検出信号に基づいてバルブ１０１Ａの開度を演算する演算手段（図示せず）を備える。演算手段には、例えばメタノール濃度検出信号に基づいて、純水タンク１０２内の水を所定濃度のメタノール水溶液とするのに必要なメタノールの追加量を算出し、バルブ１０１Ａの開度を算出する演算式が記憶されている。供給制御手段１０６は、この演算手段の演算結果に基づいてバルブ１０１Ａを開度を制御する。
ここで、燃料室３１内におけるメタノール水溶液の濃度の所定範囲は、燃料室３１内でのメタノールと触媒との反応効率が良好となり、かつ高分子固体電解質膜２のクロスオーバーが良好に防止される範囲で設定されることが好ましく、燃料電池１の容量、高分子固体電解質膜２の材質、性能などを勘案して適宜設定され、例えば３％〜５％または１mol/l〜８mol/lの範囲内で設定される。
【００２６】
次に、このような燃料電池システム１００の動作について説明する。
まず、燃料電池システム１００の起動時には、供給制御手段１０６から出力される初期メタノール水溶液供給指令により、燃料室３１にメタノール水溶液を充満させる。この指令信号により、バルブ１０１Ａ，１０２Ａが開き、メタノールおよび純水がそれぞれ送液される。このとき、バルブ１０１Ａ，１０２Ａの開度は、メタノール水溶液の濃度が所定範囲内となるように、あらかじめ設定されている。メタノールおよび純水は、メタノールポンプ１０３および純水ポンプ１０４によってミキサ１０５に送られ、ミキサ１０５で均一に混合された後、燃料室３１に供給される。
【００２７】
燃料室３１では、メタノール水溶液がアノード電極３の触媒によって下記の式(１)の酸化反応を生じ、この反応により二酸化炭素ＣＯ２とプロトンＨ＋と電子ｅ−とを生成する。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …(１)
プロトンＨ＋は、高分子固体電解質膜２を透過してカソード電極４側に移動することにより、集電体７，８の両端に電圧が生じる。プロトンＨ＋がカソード電極４側に到達すると、このプロトンＨ＋と、外部負荷を通って仕事をした後にカソード電極４に到達した電子ｅ−とがカソード電極４の触媒によって空気室４１内の空気中の酸素Ｏ２と反応して式(２)の還元反応が生じる。
3/2Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ  …(２)
アノード電極３側で反応が終了した溶液は、再循環配管１０８を通って純水タンク１０２に収納される。この溶液は、純水タンク１０２内の純水と混合し、再び純水ポンプ１０４によって送液されて、メタノールを所定濃度のメタノール水溶液に希釈するのに使用される。また、カソード電極４側で生成された水は、水蒸気の状態で空気供給口１１３を通って大気に開放される。
【００２８】
再循環配管１０８を通って純水タンク１０２に収納される溶液には、燃料室３１で未反応であったメタノールが少量含まれている場合がある。この場合には、燃料電池システム１００を長時間使用すると、純水タンク１０２内にメタノールが蓄積され、純水タンク１０２内の水が濃度の薄いメタノール水溶液となる。
そこで、供給制御手段１０６は、メタノールセンサ１０７からのメタノール濃度検出信号を監視し、演算手段がメタノール濃度検出信号に基づいてバルブ１０１Ａの開度を演算する。供給制御手段１０６は、この演算結果に基づいて随時バルブ１０１Ａの開度を調整、制御する。
【００２９】
燃料室３１から再循環配管１０８を通って純水タンク１０２に回収される溶液には、未反応のメタノールやその他、メタノールと水との反応により生成される、例えば二酸化炭素、蟻酸、ホルムアルデヒド、一酸化炭素等の副生成物が含まれているため、燃料電池システム１００を使用するにしたがい、純水タンク１０２内の水が増加して過剰となる場合がある。この余剰分の水は、純水タンク１０２から溢れると、配管９３を通って吸収パッド９の蒸散層９１に供給される。配管９３からの水は、蒸散層９１全面に拡散され、蒸散層９１に一時的に保持されるとともに、蒸散層９１表面から一定量ずつ大気に蒸散される。
また、蒸散層９１で保持、蒸散しきれないさらなる余剰分の水は、蒸散層９１から吸収層９２に移動し、吸収層９２に吸収、保持される。
メタノールタンク１０１内のメタノールがなくなった場合には、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２にそれぞれメタノールおよび純水を追加するか、またはメタノールタンク１０１および純水タンク１０２ごと交換すればよい。
また、吸収パッド９は所定量以上の水を吸収した場合に交換すればよく、吸収パッド９がメタノールタンク１０１および純水タンク１０２と一体に設けられている場合には、メタノールタンク１０１および純水タンク１０２を交換する際に吸収パッド９もともに交換すればよい。この際、吸収パッド９の吸収能力および蒸散能力は、メタノールタンク１０１内のメタノール量に応じて、メタノールタンク１０１内のメタノールが燃料電池１で反応したときに発生する水の量を勘案して設定されることが望ましい。
【００３０】
このような本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(１) 再循環配管１０８により燃料室３１と純水タンク１０２とを連通したので、燃料室３１で反応が終了した溶液を純水タンク１０２に収納することができる。したがって、燃料室３１に供給した水を、メタノールの希釈用に再利用できるので、純水タンク１０２にあらかじめ収納する水を少なくでき、純水タンク１０２の小型化を促進できる。よって、燃料電池システム１００の小型化、軽量化を促進できる。
【００３１】
(２) 供給制御手段１０６が、メタノールセンサ１０７からのメタノール濃度検出信号に基づいてバルブ１０１Ａの開度を制御してメタノールの供給量を調整するので、燃料室３１内のメタノール水溶液の濃度を所定範囲内に制御できる。したがって、燃料室３１での反応効率を安定させることができ、燃料電池１から安定した発電量が得られる。
【００３２】
(３) 純水タンク１０２から溢れた余剰分の水を吸収パッド９で吸収するので、純水タンク１０２には、燃料電池１で使用する必要分の水のみを収納でき、純水タンク１０２の容量を最小限に抑制できる。これにより、純水タンク１０２の小型化を促進できるとともに、燃料電池システム１００の小型化を促進できる。
【００３３】
(４) 吸収パッド９が、蒸散層９１を備えているので、純水タンク１０２から溢れた余剰分の水の一部を大気に蒸散できる。したがって、燃料室３１から回収された溶液の全量を燃料電池システム１００内で保持する必要がなく、燃料電池システム１００の軽量化を促進できる。この場合において、蒸散層９１が水を一時的に保持し、その一部の一定量を蒸散させるので、蒸散量を調整でき、燃料電池システム１００外部を濡らすなどの不具合を良好に回避できる。
また、吸収パッド９がゲル状吸収体で構成される吸収層９２を備えているので、蒸散層９１で保持、蒸散しきれない水分を吸収層９２で吸収、保持することができる。したがって、吸収パッド９での水分の吸収をより確実にできるとともに、蒸散層９１の蒸散量を過剰にすることなく適量に保持できる。
【００３４】
なお、本発明は前述の実施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。
供給制御手段は、メタノール濃度検出信号に基づいてバルブ１０１Ａの開度を演算する演算手段を備えているものに限らず、例えば燃料濃度検出信号に対する適切な燃料供給量（前述の実施形態ではバルブ１０１Ａの開度）をテーブルやマップとして記憶する記憶手段を備えていてもよい。この場合には、供給制御手段は、記憶手段に記憶されたテーブル等で、検出された燃料濃度検出信号に対応する燃料供給量（バルブの開度）を読み込み、燃料供給量を制御すればよい。この場合には、記憶手段に予め燃料濃度検出信号に対する燃料供給量が記憶されているので、供給制御手段で演算等する必要がなく、制御が簡略化するとともに、燃料電池システム１００の省力化を促進できる。
また、燃料濃度検出手段による濃度検出は、連続的に行うものに限らず、例えば所定時間毎に検出してもよい。このように構成すれば、燃料濃度検出のために必要な電力を節約できるので、省力化を促進できる。
燃料濃度検出手段は、必ずしも設けられていなくてもよく、例えばアノード側反応室に供給される燃料のほとんど全てが反応に供される場合などでは、アノード側反応室から排出される溶液には燃料がほとんど含まれないので、水収納手段に燃料が過剰に蓄積されることがない。
【００３５】
保持手段が、蒸散体および吸収体を積層して構成されている場合において、蒸散体は水収納手段に隣接、当接されているものに限らず、例えば吸収体が水収納手段に隣接、当接されていてもよい。この場合には、水収納手段から吸収体を挟んで反対側の蒸散体に連通する配管を設けて、水収納手段から溢れた水を蒸散体に供給するように構成すればよい。この場合でも、蒸散体を大気側に対向配置すると、蒸散体からの水分の蒸散を促進できる。また、蒸散体が水収納手段と吸収体との間に挟まれないので、大気への対向面積が大きくなるため、蒸散効率が良好となる。
保持手段は、必ずしも蒸散体が設けられていなくてもよく、例えば、保持手段として吸収体のみが設けられ、水収納手段から溢れた水の全量を吸収体で吸収、保持する構成であってもよい。
保持手段は、必ずしも必要ではなく、例えば水収納手段の収納能力を、アノード側反応室から回収される溶液の量を勘案して設定すれば、連通配管を通って溶液の全量が水収納手段に収納されて溢れることがないので、保持手段を設ける必要がない。
【００３６】
保持手段が蒸散体を備えている場合には、蒸散体を加熱する加熱手段を設けて、蒸散体からの水の蒸散を促進するように構成してもよい。この場合に加熱手段としては、例えば蒸散体近傍に設けられる発熱体を用いてもよいし、燃料電池の反応効率を良好に保持できる範囲内で、燃料電池における発熱量を利用してもよい。また、蒸散体の蒸散を促す蒸散促進手段としては、加熱手段を設けるものの他、例えば送風手段を設けてもよい。
【００３７】
燃料がメタノールである場合には、アノード側反応室外側に、メタノールと水との反応後に生成される二酸化炭素を分離する気液分離膜が設けられていてもよい。この場合には、アノード側反応室での反応によって生成された二酸化炭素が気液分離膜によって分離されて外部に排出されるので、連通配管には二酸化炭素が除去された溶液が流通する。したがって、水収納手段に収納される溶液に気体が混在せず、より純度の高い水を戻すことができるとともに、気体が混入した燃料水溶液がアノード側反応室に供給されるのを良好に防止できる。
また、気液分離膜によってアノード側反応室内の二酸化炭素が除去されるので、燃料が良好にアノード側反応室内の触媒に接触するから、燃料電池の反応効率を向上させることができる。
【００３８】
連通配管で水収納手段に収納された水は、燃料電池の燃料を希釈して水溶液を作成する用途の他、例えばカソード側反応室に空気とともに少量の水を送って電解質膜を適度な湿度に保持するために用いてもよい。
または、連通配管で水収納手段に収納された水は、燃料電池に供給される燃料の水溶液を作成する用途の他、例えば燃料電池システムが改質器を有する場合では、改質器に供給される燃料の水溶液を作成する用途に用いてもよい。
燃料は、メタノールに限らず、任意の材料が採用できる。また、燃料電池システムが改質器を含む場合では、燃料はメタノールなどのアルコール系燃料の他、例えばデカリンなどの有機ハイドライド燃料や、水素化ホウ素ナトリウムなどのボロハイドライド燃料などの任意の材料が採用されている。
本発明の燃料電池システムは、軽量化、小型化を促進できるので、例えば携帯電話やノートパソコンなどの携帯機器、車、その他任意の機器に適用できる。
【００３９】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムを示す概略図。
【図２】燃料電池の側断面図。
【図３】水収納手段および保持手段を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４１】
１…燃料電池、２…高分子固体電解質膜（電解質膜）、３…アノード電極、４…カソード電極、９…吸収パッド（保持手段）、３１…燃料室（アノード側反応室）、４１…空気室（カソード側反応室）、９１…蒸散層（蒸散体）、９２…吸収層（吸収体）、１００…燃料電池システム、１０１…メタノールタンク（燃料収納手段）、１０２…純水タンク（水収納手段）、１０６…供給制御手段、１０７…メタノールセンサ（燃料濃度検出手段）、１０８…再循環配管（連通配管）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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