(57)【要約】【課題】  液体燃料を直接燃料電池本体に供給し発電する燃料電池システムにおいて、安定出力、及び高発電効率を有する燃料電池システム、及び燃料供給方法を提供する。【解決手段】  燃料供給ポンプ１０２及び制御装置１０３を備え、通常モードと、気泡除去モードとを実行する。気泡除去モードでは、燃料電池本体１０１へ供給する液体燃料の流量を通常モードに比べて大きくかつ通常モードの流量から急峻に流量を変化させる。よって燃料電池本体に滞留している炭酸ガス気泡を燃料電池本体から除去することができ、安定出力及び高発電効率を達成可能である。【選択図】図１
2005100886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料（１３０）を燃料電池本体（１０１）へ直接に供給して発電を行う燃料電池システムであって、
上記燃料電池本体への上記液体燃料の供給を行う燃料供給ポンプ（１０２）と、
上記燃料供給ポンプに対して、上記燃料電池本体へ通常流量にて上記液体燃料を供給する通常モードと、上記通常流量を超える流量であり上記燃料電池本体に滞留する炭酸ガス気泡を除去する気泡除去流量にて上記燃料電池本体へ上記液体燃料を供給し上記通常流量から急峻に上記気泡除去流量へ変化させる気泡除去モードとを実行する制御装置（１０３）と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
上記通常流量は、上記燃料電池本体での発電による燃料消費分を補う最低限の流量であり、上記気泡除去流量は、上記通常流量の２倍以上の流量である、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
上記制御装置は、上記通常モードと上記気泡除去モードとを繰り返し実行し、上記通常流量を流す実行時間に対して１／２以下の実行時間にて上記気泡除去流量を流す、請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
上記制御装置は、上記燃料電池本体の発電状態を監視し、該発電状態に応じて上記通常モードと上記気泡除去モードとを実行する、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
上記燃料供給ポンプと上記燃料電池本体とを結び途中に分岐部を有しない燃料供給配管（１１９）をさらに有する、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
液体燃料（１３０）を燃料電池本体（１０１）へ直接に供給して発電を行う燃料電池システムにて実行される燃料供給方法において、
上記燃料電池本体へ通常流量にて上記液体燃料を供給する通常モードと、上記通常流量を超える流量であり上記燃料電池本体に滞留する炭酸ガス気泡を除去する気泡除去流量にて上記燃料電池本体へ上記液体燃料を供給し上記通常流量から急峻に上記気泡除去流量へ変化させる気泡除去モードとを繰り返し実行する、
ことを特徴とする燃料供給方法。
【請求項７】
上記通常流量は、上記燃料電池本体での発電による燃料消費分を補う最低限の流量であり、上記気泡除去流量は、上記通常流量の２倍以上の流量であり、上記通常流量を流す実行時間に対して１／２以下の実行時間にて上記気泡除去流量を流す、請求項６記載の燃料供給方法。
【請求項８】
上記燃料電池本体の発電状態を監視し、該発電状態に応じて上記通常モードと上記気泡除去モードとを実行する、請求項６又は７記載の燃料供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を有する燃料電池システムに関し、特に液体燃料を直接燃料電池本体に供給することによって発電する燃料電池システム、及び燃料電池本体への燃料供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代のクリーンかつ高効率なエネルギー源として、燃料電池が注目されている。なかでも、高分子電解質膜の両側にアノード極およびカソード極をそれぞれ接合した固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）は電気自動車用電源や家庭用分散型電源として適した特徴を有しており、急速に開発が進んでいる。近年、この固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の技術をベースとし、メタノールやジメチルエーテルを改質せずに直接アノード極に供給して発電する直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）の開発が活発化している。この直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、メタノールなどの有機燃料を水素リッチなガスに改質するための改質器や水素容器が不用であるため小型化が容易であり、移動型電源として注目されている。
ＤＭＦＣは、一般に燃料電池セルを直列に接続してスタック構成をとり、燃料や空気を燃料電池セルに強制供給する循環型の燃料電池システムと、スタック構成をとらずに燃料や空気を自然供給させる開放型の燃料電池システム２種類のタイプが知られている。このうち、特に循環型のタイプは小型で高出力を得ることができるため開発が進められている（例えば特許文献１参照。）。ここで、循環型の燃料電池では、燃料や空気を燃料電池本体へ強制供給するためのポンプやコンプレッサー等の補機を必要とする。
【０００３】
又、ＤＭＦＣの燃料電池セルの概略図を図７に示す。燃料電池セル１０は、固体高分子電解質膜１の両側にアノード部２とカソード部３を配している。アノード部２は、触媒層４及び燃料拡散層６を有し、カソード部３は、触媒層５及びガス拡散層７を有する。又、燃料拡散層６及びガス拡散層７の外側に隣接して、燃料や空気を供給するための流路８Ａや９Ａを備えたセパレータ８、９を備える。触媒層４にはＰｔ−Ｒｕ触媒が、触媒層５にはＰｔ触媒が使用される。燃料拡散層６及びガス拡散層７は、セパレータ８，９の流路８Ａ、９Ａから燃料及び空気を触媒層４，５にそれぞれ供給するための通路となり、かつ集電の機能を有する必要があり、一般的には多孔質な導電材料であるカーボンペーパが用いられている（例えば特許文献２参照。）。
一方、燃料電池に直接液体燃料を供給する例えばＤＭＦＣでは、アノード極では以下の反応機構によりメタノール及び水が反応する。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
又、例えば燃料がジメチルエーテルの場合、以下の反応機構によってジメチルエーテル及び水が反応する。
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ  →  ２ＣＯ２＋１２Ｈ＋＋１２ｅ−
上述の反応機構に示されるように、ＤＭＦＣ等の直接燃料を供給する燃料電池では、燃料電池のアノード極の反応ではＣＯ２が発生する。発生したＣＯ２は燃料拡散層６を通過してセパレータ８の流路８Ａにて燃料と共に回収される。
【特許文献１】米国特許５５９９６３８号
【特許文献２】特開２００２−５６８５６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アノード部２で発生するＣＯ２は、気体のため、供給される燃料と比較して、体積が非常に大きく、速やかに回収される必要がある。しかしながら、セパレータ流路８Ａでは燃料が循環しており、燃料拡散層６を通って触媒層４に燃料が供給されることで、燃料が浸透しているため、ＣＯ２は燃料拡散層６や触媒層４に気泡の状態で滞留しやすく、回収されにくい。ＣＯ２が回収されないことで、ＣＯ２の滞留部分では、燃料の供給がスムーズに行われず、燃料が接触する有効面積が実質的に減少してしまい、燃料電池の性能低下をもたらすという問題がある。又、ＣＯ２による気泡が一定の大きさになれば、燃料拡散層６や触媒層４から排出され回収されるが、該作用は不定期に行われるため、安定した燃料電池の性能が得られにくいという問題もある。
【０００５】
これらの問題点を避けるため、例えば上記特許文献２では、触媒層と固体高分子膜との間に燃料供給経路を配置している。しかしながら、この構成では触媒層と固体高分子膜とが接触していないため両者間の水素イオン導電性が低下するという問題を生じる。水素イオン導電性を補うためには燃料溶液を酸性にする必要があり、安全面での問題が生じる。又、固体高分子膜を触媒層で固定しないため、固体高分子膜の膨潤を防止するための構成が必要となり、構造が複雑化してしまうという問題もある。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、液体燃料を直接燃料電池本体に供給することによって発電する燃料電池システムにおいて、アノード部から発生する気体を効率的に除去して、安定した出力及び高い発電効率を有する燃料電池システム、及び燃料電池への燃料供給方法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】
【０００６】
本発明の第１態様である燃料電池システムは、液体燃料を燃料電池本体へ直接に供給して発電を行う燃料電池システムであって、
上記燃料電池本体への上記液体燃料の供給を行う燃料供給ポンプと、
上記燃料供給ポンプに対して、上記燃料電池本体へ通常流量にて上記液体燃料を供給する通常モードと、上記通常流量を超える流量であり上記燃料電池本体に滞留する炭酸ガス気泡を除去する気泡除去流量にて上記燃料電池本体へ上記液体燃料を供給し上記通常流量から急峻に上記気泡除去流量へ変化させる気泡除去モードとを実行する制御装置と、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
又、上記通常流量は、上記燃料電池本体での発電による燃料消費分を補う最低限の流量であり、上記気泡除去流量は、上記通常流量の２倍以上の流量であるように構成してもよい。
【０００８】
又、上記制御装置は、上記通常モードと上記気泡除去モードとを繰り返し実行し、上記通常流量を流す実行時間に対して１／２以下の実行時間にて上記気泡除去流量を流すように構成してもよい。
【０００９】
又、上記制御装置は、上記燃料電池本体の発電状態を監視し、該発電状態に応じて上記通常モードと上記気泡除去モードとを実行するように構成してもよい。
【００１０】
又、上記燃料供給ポンプと上記燃料電池本体とを結び途中に分岐部を有しない燃料供給配管をさらに有するように構成してもよい。
【００１１】
又、本発明の第２態様である燃料供給方法は、液体燃料を燃料電池本体へ直接に供給して発電を行う燃料電池システムにて実行される燃料供給方法において、
上記燃料電池本体へ通常流量にて上記液体燃料を供給する通常モードと、上記通常流量を超える流量であり上記燃料電池本体に滞留する炭酸ガス気泡を除去する気泡除去流量にて上記燃料電池本体へ上記液体燃料を供給し上記通常流量から急峻に上記気泡除去流量へ変化させる気泡除去モードとを繰り返し実行する、
ことを特徴とする。
【００１２】
上記第２態様において、上記通常流量は、上記燃料電池本体での発電による燃料消費分を補う最低限の流量であり、上記気泡除去流量は、上記通常流量の２倍以上の流量であり、上記通常流量を流す実行時間に対して１／２以下の実行時間にて上記気泡除去流量を流すようにしてもよい。
【００１３】
上記第２態様において、上記燃料電池本体の発電状態を監視し、該発電状態に応じて上記通常モードと上記気泡除去モードとを実行するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１態様の燃料電池システム及び第２態様の燃料供給方法によれば、燃料供給ポンプ及び制御装置を備え、通常モードと、気泡除去モードとを実行するようにした。気泡除去モードでは、燃料電池本体へ供給する液体燃料の流量が通常モードの場合に比べて大きく、かつ通常モードにおける流量から急峻に流量を変化させることにより、燃料電池本体に滞留している炭酸ガス気泡を燃料電池本体から除去することができる。したがって、安定した出力及び高い発電効率を有する燃料電池システムが可能になる。又、気泡除去流量を通常流量の２倍以上とすることで、効果的に炭酸ガス気泡の除去が可能である。
【００１５】
又、通常モードと気泡除去モードとを繰り返し実行し、かつ通常モードの実行時間に対して１／２以下の時間にて気泡除去モードを実行することで、気泡除去モードは通常モードに対してパルス的に作用する。よって、常時高流量を流し炭酸ガスを除去する場合に比べて燃料供給ポンプの消費電力を大幅に削減することができる。よって、燃料供給ポンプでの消費電力の増加を抑えつつ、安定した発電を行うことができる。
【００１６】
又、燃料電池本体の発電状態を監視しながら、気泡除去流量及び気泡除去モードの実行時間を制御することでも、燃料供給ポンプにおける消費電力の増加を抑えつつ、安定した発電を行うことができる。
【００１７】
又、燃料供給ポンプから燃料電池本体へつながる配管に分岐部を設けないことで、通常モードから気泡除去モードへの変更時における液体燃料の流量変化を直接に燃料本体へ作用させることができる。よって、より効果的に炭酸ガス気泡を燃料電池本体から除去することができ、安定した発電を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施形態である燃料電池システム、及び該燃料電池システムにて実行される燃料供給方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において同じ構成部分については同じ符号を付している。
図１に示す、上記実施形態の燃料電池システム１００は、基本的構成として、燃料電池本体１０１と、燃料電池本体１０１へ液体燃料の供給を行う燃料供給ポンプ１０２と、制御装置１０３とを備え、本実施形態では、さらに燃料混合タンク１０４、燃料タンク１０５、水タンク１０６、気液分離装置１０７、及びポンプ及びバルブ１０８、１０９、１１０を備える。尚、上記燃料供給ポンプ１０２もバルブを含んでおり、又、燃料供給ポンプ１０２についてポンプ及びバルブ１０２と記す場合もある。
上記燃料電池本体１０１は、図７を参照して上述した構成と同じ構成を有し、図示簡略化のため図１では、電解質膜部１１１、アノード部１１２、及びカソード部１１３のみを示し、セパレータ等は省略している。ここで、電解質膜部１１１、アノード部１１２、及びカソード部１１３は、図７に示す固体高分子電解質膜１、アノード部２、及びカソード部３に相当し、それぞれ図７の場合と同様の構成を有する。よって図示していないがアノード部１１２及びカソード部１１３には、それぞれセパレータが設けられており、これらのセパレータには、液体燃料及び例えば空気がそれぞれ別々に供給される。又、アノード部１１２及びカソード部１１３には外部出力１２５が接続されている。又、燃料電池本体１０１は、１つからなる単セル構造でも良く、又、複数個の単セルを直列に接続したスタック構造を有してもよい。本実施形態では、単セルの構造を採っている。
【００１９】
カソード部１１３には、ポンプ及びバルブ１１０が接続され、例えば毎分１リットルの量にて空気供給経路１１４を通してカソード部１１３へ気体酸化剤としての空気又は酸素が供給される。又、カソード部１１３は、排出経路１１５、気液分離装置１０７及び液体排出経路１１６を介して水タンク１０６に接続される。よって、カソード部１１３を通過した空気もしくは酸素は、カソード部１１３で生成された水と共に、排出経路１１５を通って気液分離装置１０７に供給される。気液分離装置１０７では水と気体とを分離し、分離された水は、液体排出経路１１６を通って水タンク１０６に供給される。
水タンク１０６は、水供給経路１１７、並びにポンプ及びバルブ１０９を介して燃料混合タンク１０４に接続され、水タンク１０６から燃料混合タンク１０４に水が供給される。
【００２０】
燃料混合タンク１０４には、燃料供給経路１１８、並びにポンプ及びバルブ１０８を介して燃料タンク１０５が接続されるとともに、希釈燃料供給経路１１９、並びにポンプ及びバルブ１０２を介してアノード部１１２に接続される。さらに、アノード部１１２と燃料混合タンク１０４とは希釈燃料回収経路１２０を介して接続されている。
燃料タンク１０５は、燃料電池用の燃料、好適な一例としてメタノール、エタノール、ジメチルエーテル等の有機溶液、特にメタノールが収容されており、該燃料は、燃料供給経路１１８並びにポンプ及びバルブ１０８を通って燃料混合タンク１０４に供給される。
よって燃料混合タンク１０４では、燃料タンク１０５から供給される燃料を、水タンク１０６から供給される水、及び希釈燃料回収経路１２０から供給される液体燃料にて、所望の濃度に希釈し蓄える。蓄えられた、液体燃料に相当する燃料電池用の希釈燃料１３０は、ポンプ及びバルブ１０２の作動により、燃料混合タンク１０４から希釈燃料供給経路１１９並びにポンプ及びバルブ１０２を通ってアノード部１１２へ供給される。このとき、ポンプ及びバルブ１０２を通ってアノード部１１２へ供給される希釈燃料１３０の流量は、制御装置１０３によって制御される。該制御に関する詳しい説明は後述する。アノード部１１２を通過して消費された希釈燃料１３０は、希釈燃料回収経路１２０を通り燃料混合タンク１０４に回収される。燃料混合タンク１０４には気体排出弁１２１が設置されており、回収された希釈燃料１３０中の炭酸ガスを放出できる。
【００２１】
ポンプ及びバルブ１０２，１０８〜１１０におけるポンプの方式は特に限定されず、ソレノイド式や、ロータリー式、ダイヤフラム式等いかなる方式でもよい。
制御装置１３０は、上述のようにアノード部１１２へ供給される希釈燃料１３０の流量を制御するためポンプ及びバルブ１０２の動作制御を行うとともに、燃料混合タンク１０４にて所望濃度の希釈燃料１３０を作成するためポンプ及びバルブ１０８，１０９の動作制御を行い、又、カソード部１１３への空気等の供給量を制御するためポンプ及びバルブ１１０の動作制御を行う。尚、制御装置１０３は、最低限、希釈燃料１３０の流量制御を行うポンプ及びバルブ１０２の動作制御を実行すればよい。
【００２２】
以上のように構成された燃料電池システム１００における動作について、特に燃料供給方法について、以下に説明する。
燃料電池システム１００は、ポンプ及びバルブ１０２によって、希釈燃料１３０が燃料混合タンク１０４から希釈燃料供給経路１１９を通してアノード部１１２に供給される。又、ポンプ及びバルブ１１０によって、空気が空気供給経路１１４を通してカソード部１１３に供給される。アノード部１１２及びカソード部１１３では、それぞれ触媒作用の反応によって発電され、外部出力１３０へ電力が供給される。
又、カソード部１１３を通過した空気は、排出経路１１５を通って気液分離装置１０７に供給される。気液分離装置１０７では、気体と、カソード部１１３で生成された水とが分離され、気体は外部に放出され、水は液体排出経路１１６を通して水タンク１０６へ供給される。又、アノード部１１２を通過した希釈燃料１３０は、希釈燃料回収経路１２０を通りアノード部１１２で生成された炭酸ガスを含んだまま燃料混合タンク１０４に回収される。回収された希釈燃料１３０に含まれる炭酸ガスは、気体排出弁１２１から燃料混合タンク１０４の外部へ放出される。又、燃料混合タンク１０４では、上述したように希釈燃料１３０が生成される。以上のようにして発電動作が実行される。
【００２３】
上述の発電動作中に実行される燃料供給方法について以下に説明する。
制御装置１０３は、ポンプ及びバルブ１０２に対して、アノード部１１２へ通常流量にて希釈燃料１３０を供給する通常モードと、上記通常流量を超える流量であり燃料電池本体１０１のアノード部１１２に滞留する炭酸ガス気泡を除去する気泡除去流量にてアノード部１１２へ希釈燃料１３０を供給し上記通常流量から急峻に、つまりパルス的に上記気泡除去流量へ変化させる気泡除去モードとを実行させる制御を行う。ここで急峻とは、上記通常流量から上記気泡除去流量へ達する時間、及び上記気泡除去流量から上記通常流量へ達する時間、つまり流量変化に用いられる時間が、２秒以内であることであり、より好ましくは１秒以内である。さらに、流量の変化に用いられる時間は、使用するポンプにおいて可能な範囲で短いことが好ましい。
【００２４】
上記通常流量と上記気泡除去流量との概念図を図２に示す。図２において、符号１４１にて示す部分が上記通常流量に相当し、符号１４２にて示す部分が上記気泡除去流量に相当する。又、気泡除去流量１４２を流す期間を含む上記気泡除去モードが符号１４３にて示す部分に相当し、通常流量１４１を流す期間を含む上記通常モードが符号１４４にて示す部分に相当する。上記通常流量は、燃料電池本体１０１での発電による燃料消費分を補うように供給される希釈燃料１３０の最低限の流量であり、具体的には、１ミリリットル／分程度である。上記気泡除去流量は、上記通常流量の２倍以上の流量であるのが好ましい。２倍未満の流量であると、上記滞留する炭酸ガスを効果的に回収できず、安定した出力が得られにくい。上述のようにパルス的に気泡除去流量をアノード部１１２へ供給することで、アノード部１１２を構成する触媒層や燃料拡散層に滞留している炭酸ガスを効果的に回収することが可能となる。
又、制御装置１０３は、図２に示すように、上記通常モードと上記気泡除去モードとを繰り返し実行し、上記通常流量を流す実行時間に対して１／２以下の実行時間にて上記気泡除去流量を流す。即ち、パルス的な上記気泡除去モードの実行、換言すると上記気泡除去流量の供給時間は、上記通常モードの実行、換言すると上記通常流量の供給時間の２分の１以下であることが好ましい。これは、上記気泡除去流量の供給時間が１／２を超えると燃料供給ポンプ１０２の使用電力が増加するため、補機の消費電力が増加してしまう。それにより燃料電池システムとしての発電効率が減少するからである。上述のようにパルス的な流量の供給時間を短くすることで、ポンプの消費電力の増加を抑えることができる。
【００２５】
上記気泡除去モードが有効である点、及び上記気泡除去流量は、上記通常流量の２倍以上の流量が好ましいことについて、図３を参照して説明する。図３は、燃料電池本体１０１から０．４Ｖの出力で１時間作動させたときの元発電量を左縦軸にとり、該元発電量から燃料供給ポンプ１０２の１時間分の消費電力を減算した実質的電力量を右縦軸にとり、上記気泡除去流量と、上記元発電量及び上記実質的電力量との関係を示したグラフである。ここで、２０秒周期で燃料供給ポンプ１０２は作動し、上記通常モードでは、上記通常流量を１ミリリットル／分とし１５秒間作動させ、上記気泡除去モードでは上記気泡除去流量を２〜５ミリリットル／分と変化させ５秒間作動させた。尚、流量が１ミリリットル／分のときには、パルス的な燃料供給は行わない。
【００２６】
図３から明らかなように、パルス的な燃料供給を行わない場合に比べて、パルス的な燃料供給を行う方が上記元発電量、及び「元発電量−消費電力」に相当する上記実質的電力量の各値とも大きく増加しており、本実施形態の気泡除去モードが効果的であることを証明している。又、図３から判断すると、気泡除去流量は、上記元発電量から見れば１ミリリットル／分を超える場合が良く、上記実質的電力量から見れば３ミリリットル／分程度が良好である。但し、図３からも明らかなように、本実施形態の燃料電池本体１０１では、最大発電量は約４８０ｍＷｈであり、該値の１割程度の出力低下、つまり約４３０ｍＷｈの出力でも使用上全く問題ないと考えられる。よって、図３から判断すると、気泡除去流量としては、６ミリリットル／分程度までは十分、使用可能である。本実施形態では、上記６ミリリットル／分程度以下の値で、余裕をみて５ミリリットル／分に設定している。したがって、気泡除去流量としては、上記通常流量の２倍以上、好ましくは２〜５倍程度、つまり２〜５ミリリットル／分程度、さらには、２〜３倍程度、つまり２〜３ミリリットル／分程度がより好ましい。
【００２７】
次に、上記気泡除去流量の供給時間が上記通常流量の供給時間の２分の１以下であることが好ましいことについて、図４を参照して説明する。図４でも図３の場合と同様に、上記元発電量を左縦軸にとり、上記実質的電力量を右縦軸にとる。図４は、通常流量を１ミリリットル／分とし、気泡除去流量を５ミリリットル／分としたとき、気泡除去流量を流す時間を０〜２０秒まで変化させた場合における上記元発電量及び上記実質的電力量の変化を示すグラフである。尚、気泡除去流量を流す時間が２０秒のときには、気泡除去流量を５ミリリットル／分とした連続運転となる。
図４から明らかなように、図３の場合と同様に、気泡除去モードつまりパルス的な燃料供給を行う方が上記元発電量を増加させることができ、又、気泡除去流量を流す時間つまりパルス時間が約７秒を超えると、上記元発電量は、パルス時間の長短に関係なくなり、ほぼ最大発電量を維持する。しかしながら、気泡除去流量を流す時間が約３秒を超えると、燃料供給ポンプ１０２の消費電力の増加を無視できなくなることから、上記実質的電力量が減少していく。一方、上述のように最大発電量の１割程度の出力低下でも使用上全く問題ないことから、図４から判断すると、気泡除去流量を流す時間つまりパルス時間は、約１０秒でも良いと考えられる。該１０秒を採用すると、上記通常流量を流す時間は、約２０秒までの値に設定することができる。本実施形態では、通常流量を流す時間を上記約２０秒以下の値である１５秒に設定しているので、気泡除去流量を流す時間は、その１／２以下、つまり７．５秒以下の値であり余裕をみて５秒に設定している。尚、気泡除去流量を流す時間つまりパルス時間の下限値は、燃料供給ポンプ１０２の消費電力からみて、上述の約３秒と考えられる。
【００２８】
以上説明したように、燃料電池本体１０１へ供給する希釈燃料１３０を、パルス的に高流量にして供給することで、燃料供給ポンプ１０２における消費電力の増加を最小限に抑え、かつアノード部１１２の触媒層や燃料拡散層に滞留しているＣＯ２を効果的に回収することが可能となる。それにより、安定した出力と高い発電効率を有する燃料電池システムを提供することができる。又、上記実施形態の燃料電池システムでは、システム構成自体は、制御装置を除き基本的に従来構成を変更する必要がないため、又、制御装置も制御プログラムの変更で対応可能であることから、本実施形態は、従来の燃料電池システムに適用しやすい利点もある。
【００２９】
又、パルス的な高流量の供給は、本実施形態のように規則的でもよいが、不規則でもよい。又、制御装置１０３が燃料電池本体１０１の発電状態を監視し、該監視結果に応じて、燃料供給ポンプ１０２の動作制御を行い、上記通常モードと上記気泡除去モードとを実行するようにしてもよい。
又、燃料混合タンク１０４からアノード部１１２への希釈燃料供給経路１１９には、特に燃料供給ポンプ１０２からアノード部１１２までの間には、分岐経路がないことが好ましい。分岐経路がないことでパルス的な高流量の流量の減衰を防止でき、効果的にＣＯ２を回収できるからである。
【００３０】
又、通常流量と気泡除去流量との差を大きくするという観点から、制御装置１０３の動作制御により図５に示すように、気泡除去モード１４３に移行する直前に、通量流量１４１よりも少ない低流量１４５にて希釈燃料１３０の供給を行う低流量モード１４６を実行することもできる。上記低流量モード１４６を設けることで、気泡除去モード１４３における気泡除去流量１４２を変更することなく、即ち燃料供給ポンプ１０２の消費電力を変更することなく、より大きな流量差を生じさせることができる。よって、上記実質的電力量を変更することなく、アノード部１１２からの炭酸ガス除去効率を向上させることができる。
【００３１】
尚、上述した実施形態は燃料電池システムの一例を示したものであり、液体燃料をパルス的に高流量にてアノード部へ供給する機能が備わればよい。したがって、例えば図６に示すような、簡易化した燃料電池システム１５０、即ち、カソード部１１２の生成水を回収せず、又、燃料タンク１０５を設けずに、希釈燃料１３０を燃料電池本体１０１へ供給する燃料電池システムであってもよく、さらにその他の構成を採ることもできる。
【実施例】
【００３２】
上記簡易型の燃料電池システム１５０における一実施例について以下に説明する。
燃料には２Ｍのメタノール水溶液を用いた。燃料電池本体１０１は、図７に示す構成の単セルを用い、固体高分子膜１１１にはパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子である商品名ナフィオン（ＤｕＰｏｎｔ社製）を用いた。ガス拡散層と燃料拡散層にはカーボンペーパを用い、アノード部１１２の触媒層にはＰｔ−Ｒｕ坦治炭素触媒を１．７ｍｇ／ｃｍ２の量で、カソード部１１３の触媒層にはＰｔ坦治炭素触媒を１．５ｍｇ／ｃｍ２の量で用いた。又、セパレータには流路を形成したカーボン板を用いて外部出力への電極と兼用した。本例のセルにおける有効面積は、１６ｃｍ２である。
燃料供給ポンプ１０２は、ソレノイド式を用い、カソード部１１３への空気供給ポンプ１１０はロータリー式を用いた。燃料供給ポンプ１０２の制御装置１０３には、プログラム可能なパルス発信機を用いた。カソード部１１３への空気の供給流量は、１リットル／分とし、アノード部１１２への燃料供給は、制御装置１０３により条件を変更して行った。尚、ポンプ等の補機の使用電力は、外部から供給した。
以下に、燃料供給条件の変化について表１に示す。表１において、「実施例１」及び「実施例２」は、上述した気泡除去モードを実行した場合であり、「比較例１」及び「比較例２」は従来例に相当し上記気泡除去モードを実行しない場合である。
【００３３】
【表１】
2005100886.tif 000003
【００３４】
上述の各燃料供給条件において、燃料電池本体１０１を０．４Ｖの出力で１時間作動させたときの上記元発電量と、燃料供給ポンプ１０２及び空気供給ポンプ１１０の消費電力量とを表２に示す。
【表２】
2005100886.tif 000004
【００３５】
表２から明らかなように、上記気泡除去モードを実行した実施例１及び実施例２は、従来同様、通常供給量だけで運転を行った比較例１に比べて、燃料電池の発電量が大きく増加し、かつポンプの消費電力の上昇が抑制されている。これに対し、比較例２では燃料電池の発電量は大きく増加しているが、ポンプの消費電力も大きく増加してしまっている。よって、表２からも、上記気泡除去モードの実行が燃料電池本体の安定出力及び高発電効率に有効であることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係る燃料電池システム及び燃料供給方法は、液体燃料を直接燃料電池本体へ供給して発電を行う電源システム、特にノート型パーソナルコンピュータ等の携帯機器用の移動型の燃料電池システムに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、本発明の実施形態である燃料電池システムの一構成例を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池システムにて実行される本発明の実施形態である燃料供給方法を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態である燃料供給方法において、パルス供給の時間を変化させて燃料供給を行った場合における電力量を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の実施形態である燃料供給方法において、パルス供給の時間を変化させて燃料供給を行った場合における電力量を示すグラフである。
【図５】図５は、図２に示す燃料供給方法の変形例を示す図である。
【図６】図６は、図１に示す燃料電池システムの変形例を示す図である。
【図７】図７は、変量電池本体部分の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０１…燃料電池本体、１０２…燃料供給ポンプ、１０３…制御装置、
１３０…希釈燃料。
【図１】
2005100886.tif 000005
【図２】
2005100886.tif 000006
【図３】
2005100886.tif 000007
【図４】
2005100886.tif 000008
【図５】
2005100886.tif 000009
【図６】
2005100886.tif 000010
【図７】
2005100886.tif 000011