(57)【要約】【課題】  構成を簡単にでき、長寿命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。【解決手段】  メタノール水溶液タンク１０１に、燃料電池１内における適切なメタノール水溶液の濃度より高濃度のメタノール水溶液を収納する。メタノールセンサ１０４からのメタノール濃度検出信号が所定範囲下限未満のときに、メタノール水溶液を供給し、所定範囲上限より大きくなったときに供給を停止する。メタノール水溶液タンク１０１に予めメタノールが水溶液の状態で収納されているので、混合手段が不要となり燃料電池システム１００の構成を簡単にできる。また、メタノール水溶液が高濃度なので、供給するメタノール水溶液の量に対する燃料電池システム１００の稼働時間を長くでき、燃料電池システム１００の長寿命化を促進できる。【選択図】  図１
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【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するとともに、前記アノード側反応室に供給される燃料と前記カソード側反応室に供給される酸素とを反応させて電気エネルギを得る燃料電池と、
前記燃料電池に供給される前記燃料の水溶液を収納するとともに、前記燃料の水溶液を前記アノード側反応室に供給する燃料供給手段と、
前記アノード側反応室内の前記燃料の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濃度検出信号に基づいて、前記燃料供給手段の動作を制御する供給制御手段とを備え、
前記燃料の水溶液の濃度は、前記アノード側反応室内の前記燃料の設定濃度よりも高濃度である
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、
前記供給制御手段は、前記燃料濃度検出手段からの濃度検出信号が所定範囲下限未満となったときに、前記燃料供給手段から前記アノード側反応室に前記燃料の水溶液を供給し、前記濃度検出信号が所定範囲上限より大きくなったときに、前記燃料供給手段からの前記燃料の水溶液の供給を停止する構成とされている
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。
【０００５】
直接メタノール形燃料電池を備えた燃料電池システムとしては、メタノールと水とがそれぞれ別のタンクに貯蔵され、これらメタノールおよび水の供給量をそれぞれ調整することによって燃料電池に供給するメタノール水溶液の濃度が所定の濃度となるように調整するものがある。しかしながら、このような供給方法では、メタノールを水に均一に分散させるためにミキサなどの混合手段が必要となり、燃料電池システムの構成が複雑となる。
また、他の燃料電池システムでは、予め燃料電池に供給するのに適した濃度のメタノール水溶液を貯蔵しておき、燃料電池に常に所定量のメタノール水溶液を供給することにより、メタノール水溶液を循環させるものがある。しかしながら、このような構成の燃料電池システムにおいても、燃料電池でのメタノール水溶液の消費量に関わらず、所定濃度のメタノール水溶液を常時燃料電池に供給しなければならないため、メタノール水溶液を効率的に反応に供することができず、燃料電池システムの効率および寿命を向上させることができない。
【０００６】
本発明の目的は、構成を簡略化でき、長寿命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】
【０００７】
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供給される燃料とカソード側反応室に供給される酸素とを反応させて電気エネルギを得る燃料電池と、燃料電池に供給される燃料の水溶液を収納するとともに、燃料の水溶液をアノード側反応室に供給する燃料供給手段と、アノード側反応室内の燃料の濃度を検出する燃料濃度検出手段と、燃料濃度検出手段からの濃度検出信号に基づいて、燃料供給手段の動作を制御する供給制御手段とを備え、燃料の水溶液の濃度は、アノード側反応室内の燃料の設定濃度よりも高濃度であることを特徴とする。
この発明によれば、燃料供給手段には予め燃料の水溶液が貯留されているので、燃料が水溶液中に均一に分散した状態で燃料電池に供給される。したがって、燃料電池での反応効率が良好となり、燃料電池の出力が安定する。また、燃料が予め水溶液の状態で貯留されているので、ミキサなどの混合手段が不要となり、燃料電池システムの構成が簡略化する。
さらに、燃料供給手段に貯留される燃料の水溶液の濃度は、アノード側反応室内の燃料の設定濃度よりも高濃度となっているので、貯留される燃料の水溶液の量に対する燃料電池システムの稼働時間が長くなり、燃料電池システムの長寿命化が促進される。また反対に、所定の稼働時間に対する燃料の水溶液の量が少なくなるので、燃料電池システムの小型化が促進される。
【０００８】
本発明では、供給制御手段は、燃料濃度検出手段からの濃度検出信号が所定範囲下限未満となったときに、燃料供給手段からアノード側反応室に燃料の水溶液を供給し、濃度検出信号が所定範囲上限より大きくなったときに、燃料供給手段からの燃料の水溶液の供給を停止する構成とされていることが望ましい。
この発明によれば、供給制御手段は、アノード側反応室内の燃料濃度が所定範囲下限未満となると燃料の水溶液を供給し、所定範囲上限より大きいと燃料の水溶液の供給を停止するので、アノード側反応室内の燃料の水溶液の濃度が所定範囲内に維持される。したがって、アノード側反応室での燃料の反応効率が安定し、燃料電池の出力が安定する。また、供給制御手段が燃料供給手段を間欠的に動作させるので、燃料電池システムの省力化が促進され、これによっても燃料電池システムの長寿命化が促進される。
【０００９】
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構成が簡単になることにより、機器の構成も簡略化する。また、燃料電池システムの省力化の促進により、燃料電池システムの長寿命化が図られ、機器の長寿命化が促進される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池システムおよび機器によれば、燃料電池および機器の構成を簡略化できるとともに、長寿命化を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】
【００１１】
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水溶液（燃料の水溶液）が収納されるメタノール水溶液タンク（燃料収納手段）１０１と、燃料電池１の起動初期に燃料電池１内のメタノール水溶液の濃度を調整するための純水が収納される純水タンク１０２と、メタノール水溶液タンク１０１および純水タンク１０２からメタノール水溶液を送液するポンプ１０３と、燃料電池１内のメタノール水溶液のメタノール濃度を検出するメタノールセンサ（燃料濃度検出手段）１０４と、メタノール水溶液の供給動作を制御する供給制御手段１０５と、燃料電池１内での反応が終了した液体を廃液として収納する廃液タンク１０６とを備えている。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、廃液タンク１０６が接続されている。
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
メタノール水溶液タンク１０１は、所定濃度のメタノール水溶液が収納されており、燃料室３１への流路が開閉可能なバルブ１０１Ａを備えている。このバルブ１０１Ａは、供給制御手段１０５に電気的に接続されており、供給制御手段１０５からの指令により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、メタノール水溶液タンク１０１は、いわゆるカートリッジ方式で、燃料電池システム１００から着脱可能で、簡単に交換可能な構造であることが望ましい。
純水タンク１０２には、燃料電池１の起動時に燃料室３１内のメタノール水溶液の濃度を所定範囲内に調整するために、燃料電池１の起動時に必要な量の純水が収納されている。この純水タンク１０２は、バルブ１０２Ａを備えるとともに、純水タンク１０２からの配管は、メタノール水溶液タンク１０１とポンプ１０３との間の配管に接続されている。したがって、バルブ１０２Ａの開度が調整されることにより、純水がメタノール水溶液に混合可能となっている。バルブ１０２Ａは、供給制御手段１０５に電気的に接続され、供給制御手段１０５からの指令により、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、純水タンク１０２とバルブ１０２Ａとの間に別のポンプを設けて、純水タンク１０２の純水を積極的にメタノール水溶液に供給する構成としてもよい。また、純水タンク１０２は、メタノール水溶液タンク１０１と同様に、燃料電池システム１００に対して着脱可能な、いわゆるカートリッジ式に構成されていることが望ましく、また、メタノール水溶液タンク１０１と一体で形成されていることが望ましい。純水タンク１０２がメタノール水溶液タンク１０１と一体で形成される場合には、メタノール水溶液タンク１０１を交換する際に純水タンク１０２も交換できるので、交換作業を簡略化できる。
【００１９】
ポンプ１０３は、供給制御手段１０５に電気的に接続されており、供給制御手段１０５からの送液指令信号によりポンプ１０３のＯＮ，ＯＦＦが制御される。この送液指令信号により、ポンプ１０３は、所定量のメタノール水溶液を燃料室３１に送液する。
ここで、本実施形態ではメタノール水溶液タンク１０１、バルブ１０１Ａ、およびポンプ１０３を備えて燃料供給手段が構成されている。
メタノールセンサ１０４は、燃料室３１と廃液タンク１０６とを連通する配管や、燃料室３１内に取り付けられ、燃料室３１から排出される廃液中のメタノール水溶液のメタノール濃度、または燃料室３１内に充填されたメタノール水溶液のメタノール濃度を検出するものである。このメタノールセンサ１０４としては、例えば赤外線透過吸収式の光式メタノール濃度センサ等、任意の方式のものが採用できる。
【００２０】
供給制御手段１０５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、メタノール水溶液および水の供給量を制御する。つまり、供給制御手段１０５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１０４からのメタノール濃度検出信号（燃料濃度検出信号）に基づいて、バルブ１０１Ａの開閉動作およびその開度を制御し、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１０５は、燃料電池システム１００の起動時には、燃料電池１内に所定濃度範囲内のメタノール水溶液を充填するために、バルブ１０１Ａ，１０２Ａを予め設定された開度に調整するとともに、通常運転時には、メタノールセンサ１０４からのメタノール濃度検出信号に基づいて、燃料室３１内のメタノール濃度が所定濃度範囲下限未満であった場合には、バルブ１０１Ａを開き、メタノール濃度が所定濃度範囲上限より大きい場合には、バルブ１０１Ａを閉じる制御を行う。
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。また、メタノール水溶液タンク１０１に収納されるメタノール水溶液の濃度は、１％〜５０％の間で設定されており、燃料室３１内のメタノール水溶液濃度の所定範囲下限よりも高濃度に設定されている。
【００２１】
廃液タンク１０６は、燃料排出口１１２に接続されており、燃料室３１から排出された廃液を収納する。この廃液タンク１０６は、メタノール水溶液タンク１０１および純水タンク１０２とは別に設けられて個別に交換可能に設けられていてもよい。また、メタノール水溶液タンク１０１および純水タンク１０２に一体的に形成されていてもよい。この場合には、メタノール水溶液タンク１０１および純水タンク１０２内のメタノール水溶液または純水を使い切ってメタノール水溶液タンク１０１および純水タンク１０２を交換する際に、廃液タンク１０６も同時に交換可能となるので、交換操作が簡便となり取扱性が向上する。
【００２２】
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１０５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。この際、メタノール水溶液タンク１０１内のメタノール水溶液は、燃料室３１に供給される適切な濃度よりも高濃度となっているので、純水で適切な濃度に希釈する必要がある。そこで、供給制御手段１０５は、メタノール水溶液供給指令信号により、バルブ１０１Ａ，１０２Ａを予め設定された開度に調整するとともに、ポンプ１０３を駆動し、メタノール水溶液および純水を所定比で送液する。これにより、メタノール水溶液および純水が均一に混合されて所定範囲内の濃度となり、ポンプ１０３によって燃料室３１に供給される。所定量のメタノール水溶液が燃料室３１に供給されると、供給制御手段１０５は、バルブ１０１Ａ，１０２Ａを閉じ、ポンプ１０３を停止する。なお、燃料室３１へのメタノール水溶液の供給量は、燃料室３１に供給されるメタノール水溶液の流量を測定する方法や、ポンプ１０３での送液速度を予め設定しておき、所定時間経過後に送液を停止する方法など、任意の方法が採用できる。
【００２３】
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、廃液として廃液タンク１０６に収納される。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。
【００２４】
燃料室３１内での反応が進むと、メタノール水溶液内のメタノールが消費され、水リッチな状態となってくる。メタノールセンサ１０４では、燃料室３１内のメタノール水溶液のメタノール濃度を検出し、供給制御手段１０５に送信する。供給制御手段１０５は、メタノールセンサ１０４からのメタノール濃度検出信号を監視し、メタノール濃度が所定範囲下限未満となったとき、バルブ１０１Ａおよびポンプ１０３に送液指令信号を出力する。この送液指令信号により、バルブ１０１Ａが開くとともに、ポンプ１０３が駆動し、メタノール水溶液タンク１０１から高濃度のメタノール水溶液が燃料室３１に供給される。
供給制御手段１０５は、メタノール水溶液供給中もメタノールセンサ１０４からのメタノール濃度検出信号を監視し、メタノール濃度が所定範囲上限より大きくなったとき、バルブ１０１Ａおよびポンプ１０３に送液停止指令信号を出力する。この送液停止指令信号により、バルブ１０１Ａが閉じるとともに、ポンプ１０３が停止し、メタノール水溶液の送液が停止される。
燃料電池システム１００の通常稼働時には、以上の動作が繰り返し行われる。
【００２５】
メタノール水溶液タンク１０１内のメタノール水溶液がなくなった場合には、メタノール水溶液タンク１０１にメタノール水溶液を追加するか、またはメタノール水溶液タンク１０１を交換すればよい。このとき、純水タンク１０２がメタノール水溶液タンク１０１と一体で設けられている場合には、メタノール水溶液タンク１０１の交換と同時に純水タンク１０２も交換すればよい。同様に、廃液タンク１０６に所定量以上の廃液が収納された場合には、廃液タンク１０６内の廃液を廃棄するか、または廃液タンク１０６ごと交換すればよい。
【００２６】
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) メタノール水溶液タンク１０１に予め所定濃度のメタノール水溶液が収納されているので、メタノールをある程度水に分散させた状態で燃料室３１に供給できる。したがって、燃料室３１内でメタノールを均一に分散させることができ、アノード電極３での反応効率を良好にできる。よって、燃料電池１の出力を安定させることができ、燃料電池システム１００の動作を安定させることができる。
また、メタノール水溶液タンク１０１に予めメタノール水溶液が収納されているので、通常運転時にメタノールと純水とを混合して供給する必要がなく、ミキサなどの混合手段が不要となる。したがって、燃料電池システム１００の構成を簡単にでき、製造コストを低減できる。燃料電池システム１００の構成が簡単になることにより、供給制御手段１０５での制御の構成も簡単になるから、燃料電池システム１００の省力化を促進できる。
さらに、メタノール水溶液タンク１０１に高濃度のメタノール水溶液が収納されているので、メタノール水溶液タンク１０１内のメタノール水溶液の量に対する燃料電池１の稼働時間を長くできる。したがって、燃料電池システム１００の長寿命化を促進できる。
【００２７】
(２) メタノール水溶液タンク１０１内に収納されるメタノール水溶液のメタノール濃度が、燃料室３１内の所定濃度範囲の下限より高濃度に設定されているので、メタノール水溶液を間欠的に供給することで、燃料室３１内のメタノール水溶液を所定濃度範囲内に維持できる。したがって、ポンプ１０３やバルブ１０１Ａの動作を連続的に行う必要がないので、燃料電池システム１００の消費電力を削減でき、これによっても燃料電池システム１００の省力化を促進できる。
【００２８】
(３) 燃料電池システム１００の通常運転時には、メタノール水溶液タンク１０１から高濃度のメタノール水溶液を供給するので、メタノール水溶液を希釈するための純水が不要となる。したがって、純水タンク１０２に収納される純水の量を、燃料電池システム１００の起動時に必要な量のみに抑制できるから、純水タンク１０２の小型化、軽量化を促進できる。
【００２９】
(４) 供給制御手段１０５が、メタノールセンサ１０４からのメタノール濃度検出信号に基づいて、メタノール濃度が所定範囲下限未満であるときにバルブ１０１Ａを開き、所定範囲上限より大きいときにバルブ１０１Ａを閉じる制御を行うので、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。
また、供給制御手段１０５が、燃料室３１内のメタノール水溶液のメタノール濃度が所定範囲下限未満でメタノール水溶液を供給し、所定範囲上限より大きいときにメタノール水溶液の供給を停止するので、ある程度の濃度幅を有して燃料室３１内のメタノール濃度を制御できる。したがって、ポンプ１０３やバルブ１０１Ａを頻繁にＯＮ，ＯＦＦするのを防止でき、これによっても燃料電池システム１００の消費電力を削減でき、省力化を促進できる。
【００３０】
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、メタノール濃度が所定範囲下限未満となったときに燃料の水溶液を供給し、所定範囲上限より大きくなったときに供給を停止する制御を行うものに限らず、例えば前述の実施形態において、供給制御手段１０５が、メタノール濃度検出信号に基づいてバルブ１０１Ａの開度を演算する演算手段を備えていてもよい。この場合には、演算手段がメタノール濃度検出信号からバルブ１０１Ａの開度およびポンプ１０３の駆動時間（送液時間）などを演算し、供給制御手段１０５がその演算結果に基づいてバルブ１０１Ａおよびポンプ１０３を制御すればよい。このような構成によれば、演算手段によりメタノール水溶液の供給停止のタイミングが予めわかるので、メタノール水溶液の供給中にメタノールセンサ１０４でメタノール濃度を監視する必要がなく、さらなる省力化を図ることができる。
【００３１】
また、供給制御手段は、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。
さらに、供給制御手段は、メタノール水溶液を間欠的にアノード側反応室に供給するものに限らず、例えばメタノール水溶液を連続的に供給し、その供給量を連続的あるいは間欠的に制御するものであってもよい。
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。
【００３２】
燃料電池に供給されるメタノール水溶液の濃度は、所定範囲下限より高濃度に設定されている場合に限らず、例えば所定範囲上限より高濃度に設定されていてもよく、要するに、燃料電池内におけるメタノール水溶液の適切な濃度より高濃度に設定されていればよい。
ポンプは必ずしも必要なく、例えば燃料電池内の燃料が消費されると、体積が減少することにより、燃料電池内が負圧となるから、この負圧の作用によってメタノール水溶液タンクから自動的にメタノール水溶液が供給されるように構成してもよい。
【００３３】
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、アノード側反応室内に二酸化炭素が滞留するのを確実に防止できる。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。
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。
【００３４】
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】
【００３５】
【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。
【符号の説明】
【００３６】
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、３１…燃料室（アノード側反応室）、４１…空気室（カソード側反応室）、１００…燃料電池システム、１０１…メタノール水溶液タンク、１０２…純水タンク、１０４…メタノールセンサ（燃料濃度検出手段）、１０５…供給制御手段。
【図１】
2005317436.tif 000003
【図２】
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