(57)【要約】【課題】  膜電極組立体に液体燃料を供給することで発電を行なう燃料電池システムにおいて、上記燃料電池システムの停止時において、上記液体燃料の気化等による上記膜電極組立体の液体燃料からの露出および乾燥を防止して、上記燃料電池システムの再起動の安定化を図る。【解決手段】  膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に、上記液体燃料が到達しているかどうかを検出し、上記検出結果に基づいて上記液体燃料が到達していないと判断される場合に、上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に上記液体燃料を到達させるように、２次電力を用いて上記アノードへの上記液体燃料の供給を行い、上記液体燃料の上記到達の後、電力を生成可能に上記燃料電池本体の発電を開始する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、上記アノードと対向して配置されたカソードと、上記アノードと上記カソードとの間に配置された膜電極組立体とを有する燃料電池本体と、
液体燃料を上記アノードに供給する燃料供給装置と、
上記膜電極組立体における上記アノード側表面の全体に、上記液体燃料が到達しているかどうかを検出する燃料検出部と、
上記燃料供給装置の駆動に必要な電力の供給を行う電力供給装置と、
上記燃料電池本体における発電開始前に、上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に、上記液体燃料が到達しているかどうかを上記燃料検出部により検出させて、当該検出結果に基づいて上記液体燃料が到達していないと判断する場合に、上記電力供給装置により上記燃料供給装置を駆動させて上記アノードへの上記液体燃料の供給を行い、上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に上記液体燃料を到達させてから、電力を生成可能に当該燃料電池本体の発電を開始可能させる制御装置とを備える燃料電池システム。
【請求項２】
上記制御装置は、上記燃料供給装置による上記液体燃料の供給を開始させるとともに、上記燃料検出部により上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に上記液体燃料が到達しているかどうかを検出させて、上記燃料検出部により上記到達が検出された後、上記燃料電池本体の発電を開始可能させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
上記電力供給装置は、上記燃料検出部による検出動作に必要な電力を供給する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
上記燃料電池本体の少なくとも上記アノードをその内部に配置して、当該アノードに供給可能に上記液体燃料をその内部に収容する燃料容器をさらに備え、
上記燃料供給装置は、上記燃料容器に上記液体燃料を供給することで、上記アノードへの上記液体燃料の供給を行う請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
上記電力供給装置は、２次電池である請求項１から４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
アノードと、上記アノードと対向して配置されたカソードと、上記アノードと上記カソードとの間に配置された膜電極組立体とを有する燃料電池本体と、
上記燃料電池本体の少なくとも上記アノードをその内部に配置して、当該アノードに供給可能に液体燃料をその内部に収容する第１燃料容器と、
上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料よりもその濃度が高い液体燃料原液を上記第１燃料容器に供給可能に収容する第２燃料容器と、
上記第２燃料容器から上記第１燃料容器に上記液体燃料原液を供給する燃料供給装置と、
上記膜電極組立体における上記アノード側表面の全体に、上記液体燃料が到達しているかどうかを検出する燃料検出部と、
上記燃料供給装置の駆動に必要な電力の供給を行う電力供給装置と、
上記燃料電池本体における発電開始前に、上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に、上記液体燃料が到達しているかどうかを上記燃料検出部により検出させて、当該検出結果に基づいて上記液体燃料が到達していないと判断する場合に、上記電力供給装置により上記燃料供給装置を駆動させて、上記第２燃料容器から上記第１燃料容器への上記液体燃料原液の供給を行わせ、上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に上記液体燃料を到達させてから、電力を生成可能に当該燃料電池本体の発電を開始可能とさせる制御装置とを備える燃料電池システム。
【請求項７】
アノードと、上記アノードと対向して配置されたカソードと、上記アノードと上記カソードとの間に配置された膜電極組立体とを有する燃料電池本体と、
上記燃料電池本体の少なくとも上記アノードをその内部に配置して、当該アノードに供給可能に液体燃料をその内部に収容する第１燃料容器と、
上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料よりもその濃度が高い液体燃料原液を上記第１燃料容器に供給可能に収容する第２燃料容器と、
上記燃料電池本体における発電運転の際に、上記第２燃料容器から上記第１燃料容器に上記液体燃料原液を供給するとともに、発電停止の際に、上記膜電極組立体の上記アノード側表面を上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料中に浸漬させるように、上記第２燃料容器から上記第１燃料容器に上記液体燃料原液を供給する燃料供給装置とを備える燃料電池システム。
【請求項８】
上記第２燃料容器は上記第１燃料容器よりも高い位置に配置され、
上記燃料供給装置は、重力の作用でもって、上記第２燃料容器より上記第１燃料容器への上記液体燃料原液の供給を行なう燃料用重力供給部を備える請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
上記燃料供給装置は、動力の作用でもって、上記第２燃料容器から上記第１燃料容器に上記液体燃料原液を供給する燃料用動力供給部を備え、
上記燃料電池本体における発電運転の際に、上記燃料用動力供給部により上記液体燃料原液の供給を行わせ、上記発電停止の際に、上記燃料用重力供給部により上記液体燃料原液の供給を行わせる制御装置をさらに備える請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
上記アノードと上記カソードとを接続する発電回路と、
上記第１燃料容器における上記液体燃料の収容量を検出する収容量検出部と、
上記燃料電池本体における発電運転の際に上記発電回路を接続して、発電停止の際に上記発電回路を遮断する回路遮断スイッチとをさらに備え、
上記収容量検出部が、上記燃料容器に収容されている液体燃料より上記膜電極組立体の少なくとも一部が露出されるような当該液体燃料の収容量を検出すると、上記回路遮断スイッチにより、上記発電回路の遮断あるいは遮断保持を行なう請求項７から９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
上記燃料電池本体における発電により、上記カソードで生成された生成物を回収する生成物回収容器と、
上記燃料電池本体における発電停止の際に、上記膜電極組立体における上記アノード側表面を上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料中に浸漬さえるように、上記生成物回収容器から上記第１燃料容器に上記生成物を供給する生成物供給装置とをさらに備える請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
上記生成物回収容器は上記第１燃料容器よりも高い位置に配置され、
上記生成物供給装置は、重力の作用でもって、上記生成物回収容器より上記第１燃料容器への上記生成物の供給を行なう生成物用重力供給部を備える請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
上記生成物供給装置は、動力の作用でもって、上記生成物回収容器から上記第１燃料容器に上記生成物を供給する生成物用動力供給部を備え、
上記燃料電池本体における発電運転の際に、上記生成物用動力供給部により上記生成物の供給を行わせ、上記発電停止の際に、上記生成物用重力供給部により上記生成物の供給を行わせる制御装置をさらに備える請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
上記第１燃料容器に収容された上記液体燃料の濃度を検出する濃度検出装置をさらに備え、
上記制御装置は、上記濃度検出装置により検出された上記液体燃料の濃度が、発電可能な濃度範囲内に入るように、上記燃料用動力供給部による上記第１燃料容器への上記液体燃料原液の供給量と、上記生成物用動力供給部による上記第１燃料容器への上記生成物の供給量との制御を行う請求項１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
上記生成物は、水を主成分として含み、上記第１燃料容器に収容される上記液体燃料は、上記液体燃料原液を水で希釈したものである請求項７から１４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
上記液体燃料は、発電可能濃度範囲である１〜１０ｗｔ％の範囲内の濃度を有するメタノール水溶液であり、上記液体燃料原液は、上記メタノール水溶液よりも高い濃度を有するメタノール水溶液又はメタノール原液である請求項７から１５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
アノードと、上記アノードと対向して配置されたカソードと、上記アノードと上記カソードとの間に配置された膜電極組立体と、上記アノードと上記カソードとを接続する発電回路とを有する燃料電池本体と、
液体燃料を収容し、かつ、上記燃料電池本体の少なくとも上記アノードをその内部に配置して、当該収容された液体燃料を上記アノードに供給可能とする燃料容器と、
上記燃料容器における上記液体燃料の収容量を検出する収容量検出部と、
上記燃料電池本体における発電運転の際に上記発電回路を接続して、発電停止の際に上記発電回路を遮断する回路遮断スイッチと、
上記収容量検出部により、上記燃料容器に収容されている液体燃料より上記膜電極組立体の少なくとも一部が露出されるような当該液体燃料の収容量が検出されると、上記回路遮断スイッチにより上記発電回路を遮断させるあるいは遮断保持を行わせる制御装置とを備える燃料電池システム。
【請求項１８】
アノード、カソード、及び膜電極組立体を有する燃料電池本体と、上記アノードに供給可能に液体燃料を収容する第１燃料容器と、上記液体燃料よりもその濃度が高い液体燃料原液を上記第１燃料容器に供給可能に収容する第２燃料容器とを備える燃料電池システムにおける発電方法であって、
上記燃料電池本体における発電停止の際に、上記膜電極組立体における上記アノード側表面を上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料中に浸漬させるように、上記第２燃料容器から上記第１燃料容器に重力の作用でもって、上記液体燃料原液を供給して、上記燃料電池本体にて発電可能な状態を保持して、
上記燃料電池本体における発電運転の際に、上記第１燃料容器にて当該発電により消費された上記液体燃料の補給を行なうように、上記第２燃料容器から上記第１燃料容器に動力の作用でもって、上記液体燃料原液を供給して、上記燃料電池本体にて所定の電力量の発電を継続して行なう燃料電池システムにおける発電方法。
【請求項１９】
アノードと、カソードと、及び膜電極組立体を有する燃料電池本体における発電開始前に、上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に、上記液体燃料が到達しているかどうかを検出し、
上記検出結果に基づいて上記液体燃料が到達していないと判断される場合に、上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に上記液体燃料を到達させるように、２次電力を用いて上記アノードへの上記液体燃料の供給を行い、
上記液体燃料の上記到達の後、電力を生成可能に上記燃料電池本体の発電を開始可能とさせる燃料電池システムにおける発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アノードと上記アノードと対向して配置されたカソードとの間に配置された膜電極組立体を有する燃料電池本体と、当該燃料電池本体にて発電を行うための燃料供給系等の補機とを備える燃料電池システムに関するものであり、特にメタノールなどの有機液体燃料を前記アノードに直接供給しながら前記燃料電池本体にて発電を行う燃料電池システム及びその発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、携帯型情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型オーディオ、携帯型ビジュアル機器など携帯用電子機器の普及が進んでいる。従来、このような携帯用電子機器は、一次電池又は二次電池によって駆動している。二次電池は一定量の電力使用後に充電する必要があるため、充電機器と充電時間が必要となる。また、二次電池では、ニッカド（Ｎｉ−Ｃｄ）電池又はリチウムイオン電池が用いられ、小型で高エネルギー密度を持つ電池が開発されているが、より長時間連続駆動が可能な二次電池が要望されている。
【０００３】
この要望にこたえるため、充電を必要としない燃料電池システムが提案されている。燃料電池システムは、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的にエネルギーに変換する発電機である。このような燃料電池システムの中では、パーフルオロカーボンスルフォン酸系の電解質を用いてアノード極で水素ガスを還元し、カソード極で酸素を還元して発電を行うという固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell（ＰＥＦＣ））が知られており、このようなＰＥＦＣは、出力密度が高い電池であるという特徴を有しており、その開発が進められている。
【０００４】
しかしながら、このようなＰＥＦＣに用いられる水素ガスは容積エネルギー密度が低く、燃料タンクの体積を大きくする必要があることや、燃料ガス、酸化ガスを燃料電池本体（発電部）に供給する装置、電池性能を安定にするため加湿する装置などの補機が必要であるため燃料電池システムが大型になるため、携帯電子機器用の電源としては適さない。
【０００５】
一方、メタノールから直接プロトンを取り出すことにより発電を行う直接型メタノール燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell（ＤＭＦＣ））は、ＰＥＦＣと比較してその出力が小さくなるという欠点があるものの、燃料の体積エネルギー密度を上げることができることと、燃料電池本体の補機を減らすことができるため小型化が可能となる。このため、携帯機器用電源として注目されており、幾つかの提案がなされている。
【０００６】
ここで、ＤＭＦＣにおける燃料電池本体で行なわれる発電のための反応として、アノードにおいて行なわれる反応を化学式（１）に、カソードにおいて行なわれる反応を化学式（２）に示す。
【０００７】
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  ＋ＣＯ２      ・・・（１）
６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  ＋  ３／２Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ            ・・・（２）
【０００８】
それぞれの化学式（１）及び（２）に示すように、当該発電により、アノードでは二酸化炭素が生成され、カソードでは水（Ｈ２Ｏ）が生成されるため、継続した発電を行うためには当該生成された二酸化炭素と水の処理を行う必要がある。
【０００９】
このような従来のＤＭＦＣ方式燃料電池システムの構成としては、燃料としてのメタノール水溶液が収容された循環タンクから、ポンプを用いてアノードにメタノール水溶液を供給し、当該アノードに供給されたメタノール水溶液を再び循環タンクに戻して回収し、再び燃料として使うという燃料循環方式が採用されている（例えば、特許文献１の図１及び図２参照）。一方、カソードにおいては発電に伴って、水が生成されることとなるが、このように生成された水は、水回収装置により回収されて、メタノール水溶液が収容されている循環タンクに供給されている。このような方式の燃料電池システムにおいては、アノードとカソードとの間に配置された膜電極組立体に対して、上記アノードに管（配管、チューブ等）にてメタノール水溶液を供給することで、当該メタノール水溶液の供給を行なっていることから、膜電極組立体に管で燃料を供給する方式となっている。
【００１０】
このような膜電極組立体に管で燃料を供給する方式においては、燃料の供給及び循環を行なうための配管やその搬送設備の構成が大きなものとなり、燃料電池システム全体の構成も大きなものとなるという問題点がある。このような問題点を解決すべく、近年において、燃料の循環を伴わずに、燃料容器内に収容された燃料中に、膜電極組立体を浸漬させることで、当該膜電極組立体への燃料の供給を行なう膜電極組立体浸漬方式の燃料電池システムが開発されつつある。このような方式の燃料電池システムの構成例を図７に示す。
【００１１】
図７の燃料電池システム５０１は、アノード５５１とカソード５５２とその間に位置する膜電極組立体５５３から構成される燃料電池本体５０２と、空気ポンプ５５７と、生成物回収容器５５８と、第１燃料容器５５５と、第２燃料容器５５４と、燃料ポンプ５６１と、バルブ５５９と、気液分離膜５６０及び５５６とから構成される。燃料電池本体５０２のアノード５５１は、第１燃料容器５５５の内部に配置されている。燃料電池運転時は、空気ポンプ５５７から空気をカソード５５２に導入し、カソード５５２内より空気は生成物回収容器５５８へ排出される。また、第１燃料容器５５５に収容されるメタノール水溶液は、当該メタノール水溶液内に浸漬された状態の燃料供給口５５１ａを通じてアノード５５１内へ供給される。アノード５５１は、供給されるメタノール水溶液に対して酸化反応を行ない、プロトンと電子を取り出す反応（アノード反応）を行なう機能を有している。アノード５５１では反応により二酸化炭素が生成されるが、この二酸化炭素は、アノード５５１の図示上部に配置された排出口５５１ｂを通して第１燃料容器５５５へ導かれ、気液分離膜５６０を通して第１燃料容器５５５の外部へ排出される。一方、第２燃料容器５５４には、第１燃料容器５５５への補給用のメタノール水溶液が収容されており、第２燃料容器５５４に収容されたメタノール水溶液が、燃料ポンプ５６１及びバルブ５５９を通して第１燃料容器５５５に供給される。
【００１２】
【特許文献１】米国特許第５５９９６３８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、図７に示す従来の燃料電池システム５０１では、例えば停止時において第１燃料容器５５５内の水とメタノール（すなわち、メタノール水溶液）が気化し、気液分離膜５６０を通って外部へ流出するため、第１燃料容器５５５におけるメタノール水溶液の液面が低下するような場合がある。このような場合にあっては、膜電極組立体５５３がメタノール水溶液の液面より露出することとなり、このような露出状態にて放置されると、膜電極組立体５５３の当該露出部分が乾燥することとなる。
【００１４】
このようなメタノール水溶液の気化（蒸発）は、長期間、燃料電池システム５０１を使用しない場合に起き易く、特に、燃料電池システム５０１を備える電子機器が、高温環境に放置されるような場合には、第１燃料容器５５５及び第２燃料容器５５４の内圧が上昇し、上記メタノール水溶液の気化がさらに促進され、膜電極組立体５５３の乾燥状態がより発生し易くなる。例えば、第１燃料容器５５５に収容されるメタノール水溶液の容量が２００ｍｌ程度であるような場合にあっては、１日で約２〜３ｍｌのメタノール水溶液が蒸発する。
【００１５】
一方、このような膜電極組立体５５３の乾燥状態が発生するような場合であっても、当該乾燥状態となっただけでは膜電極組立体５５３自体が損傷することはなく、再び第１燃料容器５５５内にメタノール水溶液を供給して、メタノール水溶液中に膜電極組立体５５３を浸漬させて、膜電極組立体５５３の表面を濡れ状態とさせることで、再び、膜電極組立体５５３としての機能を発揮できる状態とすることができ、その後、燃料電池システム５０１において、発電を継続して行なうことができる。
【００１６】
しかしながら、このようなメタノール水溶液の液面低下により、膜電極組立体５５３の一部が露出した状態あるいはその結果乾燥した状態とされ、他部が濡れ状態とされた状態にて、燃料電池システム５０１を起動させ、電力を取り出すと、膜電極組立体における発電電圧のバラツキが発生し、極が反転する転極が発生する場合がある。膜電極組立体５５３において転極が発生すると、膜電極組立体自体が損傷して発電能力が低下してしまうため燃料電池システム５０１において、安定した発電を行なうことができない場合があるという問題がある。
【００１７】
このような膜電極組立体の損傷が生じるような場合における実験データの一例を以下に具体的に示す。
【００１８】
燃料電池システムとして、膜電極組立体浸漬型の燃料電池システムを用い、膜電極組立体のアノード側表面の全体に燃料が到達している（すなわち、全体が燃料中に浸漬されている）場合と、上記アノード側表面の一部に燃料が到達していない場合とのそれぞれの場合において、その発電時の出力の比較を行った。なお、発電時におけるその他の諸条件はそれぞれの場合について同じとし、定電流での出力の比較を行った。
【００１９】
上記膜電極組立体のアノード側表面の全体に燃料が到達している状態にて、燃料電池本体の発電を行って電力を取り出した場合では、上記膜電極組立体の単位面積あたりの出力は、５０ｍＷ／ｃｍ２であった。
【００２０】
一方、上記膜電極組立体のアノード側表面における表面積の約８０％にのみ燃料が到達している状態にて、燃料電池本体の発電を行って電力を取り出した場合では、単位面積あたりの出力は、３０ｍＷ／ｃｍ２であり、さらにこの状態で発電を継続すると出力が低下し、最後には出力が取れなくなった。
【００２１】
その後、発電を停止して、上記膜電極組立体のアノード側表面の全体に燃料が到達するようにアノードへの燃料補給を行い、当該到達している状態にて再び発電を行って電力を取り出した場合では、単位面積あたりの出力は、約２５ｍＷ／ｃｍ２となり、出力の回復は見られなかった。この状態では電力が供給される機器側に電力不足が起こり、機器を使用することができなくなる。
【００２２】
このように、膜電極組立体の一部が露出した状態では、膜電極組立体に対して燃料が部分的にしか供給されず、出力の不安定化を招き、さらに、燃料供給口が露出されていることによりアノードに収容されている燃料の対流を十分に行うことができず、燃料供給も不十分となることが要因と推測される。さらに、このような状態において燃料電池本体の発電を行って電力の取り出しを行ったため、膜電極組立体において、燃料と接触していない部分が損傷を受け、その後に燃料との接触を行っても、既に損傷を受けた状態では本来得られるべき出力密度を得ることができなくなっているものと考えられる。
【００２３】
このような膜電極組立体５５３がメタノール水溶液から露出した状態、あるいはその結果乾燥（特に部分的な乾燥）した状態の発生と、燃料電池システム５０１の起動とにより、誘発される膜電極組立体５５３の損傷という問題点は、従来の燃料電池システムにおいては着目されておらず、特に、近年開発されつつある膜電極組立体浸漬型の燃料電池システムにおいて、新たに見出された課題であるとともに、膜電極組立体が存在するような様々な種類の燃料電池システムにおいても、供給する課題であると言える。
【００２４】
また、燃料電池システム５０１における発電効率向上の観点からは、第１燃料容器５５５内における（あるいはアノード５５１内における）膜電極組立体５５３の膜面積効率が大きく設定されていることが望ましい。そのため、第１燃料容器５５５内（あるいはアノード５５１内）において、その表面積が大きく確保できるように膜電極組立体５５３が設置されることとなる。しかしながら、このような場合にあっては、第１燃料容器５５５内に収容されているメタノール水溶液の増減が、浸漬されている膜電極組立体５５３の液面よりの露出に、より影響し易くなることとなり、上述の膜損傷発生の問題点が一層顕著なものとなる。
【００２５】
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、膜電極組立体に液体燃料を供給することで発電を行なう燃料電池システムにおいて、上記燃料電池システムの停止時において、上記液体燃料の気化等による上記膜電極組立体の液体燃料からの露出および乾燥を防止して、上記燃料電池システムの再起動の安定化を図ることができる燃料電池システム及びその発電方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明は、上記目的を達成するため、以下のように構成している。
【００２７】
本発明の第１態様によれば、アノードと、上記アノードと対向して配置されたカソードと、上記アノードと上記カソードとの間に配置された膜電極組立体とを有する燃料電池本体と、
液体燃料を上記アノードに供給する燃料供給装置と、
上記膜電極組立体における上記アノード側表面の全体に、上記液体燃料が到達しているかどうかを検出する燃料検出部と、
上記燃料供給装置の駆動に必要な電力の供給を行う電力供給装置と、
上記燃料電池本体における発電開始前に、上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に、上記液体燃料が到達しているかどうかを上記燃料検出部により検出させて、当該検出結果に基づいて上記液体燃料が到達していないと判断する場合に、上記電力供給装置により上記燃料供給装置を駆動させて上記アノードへの上記液体燃料の供給を行い、上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に上記液体燃料を到達させてから、電力を生成可能に当該燃料電池本体の発電を開始可能させる制御装置とを備える燃料電池システムを提供する。
【００２８】
本発明の第２態様によれば、上記制御装置は、上記燃料供給装置による上記液体燃料の供給を開始させるとともに、上記燃料検出部により上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に上記液体燃料が到達しているかどうかを検出させて、上記燃料検出部により上記到達が検出された後、上記燃料電池本体の発電を開始可能させる第１態様に記載の燃料電池システムを提供する。
【００２９】
本発明の第３態様によれば、上記電力供給装置は、上記燃料検出部による検出動作に必要な電力を供給する第１態様又は第２態様に記載の燃料電池システムを提供する。
【００３０】
本発明の第４態様によれば、上記燃料電池本体の少なくとも上記アノードをその内部に配置して、当該アノードに供給可能に上記液体燃料をその内部に収容する燃料容器をさらに備え、
上記燃料供給装置は、上記燃料容器に上記液体燃料を供給することで、上記アノードへの上記液体燃料の供給を行う第１態様から第３態様のいずれか１つに記載の燃料電池システムを提供する。
【００３１】
本発明の第５態様によれば、上記電力供給装置は、２次電池である第１態様から第４態様のいずれか１つに記載の燃料電池システムを提供する。
【００３２】
本発明の第６態様によれば、アノードと、上記アノードと対向して配置されたカソードと、上記アノードと上記カソードとの間に配置された膜電極組立体とを有する燃料電池本体と、
上記燃料電池本体の少なくとも上記アノードをその内部に配置して、当該アノードに供給可能に液体燃料をその内部に収容する第１燃料容器と、
上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料よりもその濃度が高い液体燃料原液を上記第１燃料容器に供給可能に収容する第２燃料容器と、
上記第２燃料容器から上記第１燃料容器に上記液体燃料原液を供給する燃料供給装置と、
上記膜電極組立体における上記アノード側表面の全体に、上記液体燃料が到達しているかどうかを検出する燃料検出部と、
上記燃料供給装置の駆動に必要な電力の供給を行う電力供給装置と、
上記燃料電池本体における発電開始前に、上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に、上記液体燃料が到達しているかどうかを上記燃料検出部により検出させて、当該検出結果に基づいて上記液体燃料が到達していないと判断する場合に、上記電力供給装置により上記燃料供給装置を駆動させて、上記第２燃料容器から上記第１燃料容器への上記液体燃料原液の供給を行わせ、上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に上記液体燃料を到達させてから、電力を生成可能に当該燃料電池本体の発電を開始可能とさせる制御装置とを備える燃料電池システムを提供する。
【００３３】
本発明の第７態様によれば、アノードと、上記アノードと対向して配置されたカソードと、上記アノードと上記カソードとの間に配置された膜電極組立体とを有する燃料電池本体と、
上記燃料電池本体の少なくとも上記アノードをその内部に配置して、当該アノードに供給可能に液体燃料をその内部に収容する第１燃料容器と、
上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料よりもその濃度が高い液体燃料原液を上記第１燃料容器に供給可能に収容する第２燃料容器と、
上記燃料電池本体における発電運転の際に、上記第２燃料容器から上記第１燃料容器に上記液体燃料原液を供給するとともに、発電停止の際に、上記膜電極組立体の上記アノード側表面を上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料中に浸漬させるように、上記第２燃料容器から上記第１燃料容器に上記液体燃料原液を供給する燃料供給装置とを備える燃料電池システムを提供する。
【００３４】
本発明の第８態様によれば、上記第２燃料容器は上記第１燃料容器よりも高い位置に配置され、
上記燃料供給装置は、重力の作用でもって、上記第２燃料容器より上記第１燃料容器への上記液体燃料原液の供給を行なう燃料用重力供給部を備える第７態様に記載の燃料電池システムを提供する。
【００３５】
本発明の第９態様によれば、上記燃料供給装置は、動力の作用でもって、上記第２燃料容器から上記第１燃料容器に上記液体燃料原液を供給する燃料用動力供給部を備え、
上記燃料電池本体における発電運転の際に、上記燃料用動力供給部により上記液体燃料原液の供給を行わせ、上記発電停止の際に、上記燃料用重力供給部により上記液体燃料原液の供給を行わせる制御装置をさらに備える第８態様に記載の燃料電池システムを提供する。
【００３６】
本発明の第１０態様によれば、上記アノードと上記カソードとを接続する発電回路と、
上記第１燃料容器における上記液体燃料の収容量を検出する収容量検出部と、
上記燃料電池本体における発電運転の際に上記発電回路を接続して、発電停止の際に上記発電回路を遮断する回路遮断スイッチとをさらに備え、
上記収容量検出部が、上記燃料容器に収容されている液体燃料より上記膜電極組立体の少なくとも一部が露出されるような当該液体燃料の収容量を検出すると、上記回路遮断スイッチにより、上記発電回路の遮断あるいは遮断保持を行なう第７態様から第９態様に記載の燃料電池システムを提供する。
【００３７】
本発明の第１１態様によれば、上記燃料電池本体における発電により、上記カソードで生成された生成物を回収する生成物回収容器と、
上記燃料電池本体における発電停止の際に、上記膜電極組立体における上記アノード側表面を上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料中に浸漬さえるように、上記生成物回収容器から上記第１燃料容器に上記生成物を供給する生成物供給装置とをさらに備える第９態様に記載の燃料電池システムを提供する。
【００３８】
本発明の第１２態様によれば、上記生成物回収容器は上記第１燃料容器よりも高い位置に配置され、
上記生成物供給装置は、重力の作用でもって、上記生成物回収容器より上記第１燃料容器への上記生成物の供給を行なう生成物用重力供給部を備える第１１態様に記載の燃料電池システムを提供する。
【００３９】
本発明の第１３態様によれば、上記生成物供給装置は、動力の作用でもって、上記生成物回収容器から上記第１燃料容器に上記生成物を供給する生成物用動力供給部を備え、
上記燃料電池本体における発電運転の際に、上記生成物用動力供給部により上記生成物の供給を行わせ、上記発電停止の際に、上記生成物用重力供給部により上記生成物の供給を行わせる制御装置をさらに備える第１２態様に記載の燃料電池システムを提供する。
【００４０】
本発明の第１４態様によれば、上記第１燃料容器に収容された上記液体燃料の濃度を検出する濃度検出装置をさらに備え、
上記制御装置は、上記濃度検出装置により検出された上記液体燃料の濃度が、発電可能な濃度範囲内に入るように、上記燃料用動力供給部による上記第１燃料容器への上記液体燃料原液の供給量と、上記生成物用動力供給部による上記第１燃料容器への上記生成物の供給量との制御を行う第１３態様に記載の燃料電池システムを提供する。
【００４１】
本発明の第１５態様によれば、上記生成物は、水を主成分として含み、上記第１燃料容器に収容される上記液体燃料は、上記液体燃料原液を水で希釈したものである第７態様から第１４態様のいずれか１つに記載の燃料電池システムを提供する。
【００４２】
本発明の第１６態様によれば、上記液体燃料は、発電可能濃度範囲である１〜１０ｗｔ％の範囲内の濃度を有するメタノール水溶液であり、上記液体燃料原液は、上記メタノール水溶液よりも高い濃度を有するメタノール水溶液又はメタノール原液である第７態様から第１５態様のいずれか１つに記載の燃料電池システムを提供する。
【００４３】
本発明の第１７態様によれば、アノードと、上記アノードと対向して配置されたカソードと、上記アノードと上記カソードとの間に配置された膜電極組立体と、上記アノードと上記カソードとを接続する発電回路とを有する燃料電池本体と、
液体燃料を収容し、かつ、上記燃料電池本体の少なくとも上記アノードをその内部に配置して、当該収容された液体燃料を上記アノードに供給可能とする燃料容器と、
上記燃料容器における上記液体燃料の収容量を検出する収容量検出部と、
上記燃料電池本体における発電運転の際に上記発電回路を接続して、発電停止の際に上記発電回路を遮断する回路遮断スイッチと、
上記収容量検出部により、上記燃料容器に収容されている液体燃料より上記膜電極組立体の少なくとも一部が露出されるような当該液体燃料の収容量が検出されると、上記回路遮断スイッチにより上記発電回路を遮断させるあるいは遮断保持を行わせる制御装置とを備える燃料電池システムを提供する。
【００４４】
本発明の第１８態様によれば、アノード、カソード、及び膜電極組立体を有する燃料電池本体と、上記アノードに供給可能に液体燃料を収容する第１燃料容器と、上記液体燃料よりもその濃度が高い液体燃料原液を上記第１燃料容器に供給可能に収容する第２燃料容器とを備える燃料電池システムにおける発電方法であって、
上記燃料電池本体における発電停止の際に、上記膜電極組立体における上記アノード側表面を上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料中に浸漬させるように、上記第２燃料容器から上記第１燃料容器に重力の作用でもって、上記液体燃料原液を供給して、上記燃料電池本体にて発電可能な状態を保持して、
上記燃料電池本体における発電運転の際に、上記第１燃料容器にて当該発電により消費された上記液体燃料の補給を行なうように、上記第２燃料容器から上記第１燃料容器に動力の作用でもって、上記液体燃料原液を供給して、上記燃料電池本体にて所定の電力量の発電を継続して行なう燃料電池システムにおける発電方法を提供する。
【００４５】
本発明の第１９態様によれば、アノードと、カソードと、及び膜電極組立体を有する燃料電池本体における発電開始前に、上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に、上記液体燃料が到達しているかどうかを検出し、
上記検出結果に基づいて上記液体燃料が到達していないと判断される場合に、上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に上記液体燃料を到達させるように、２次電力を用いて上記アノードへの上記液体燃料の供給を行い、
上記液体燃料の上記到達の後、電力を生成可能に上記燃料電池本体の発電を開始可能とさせる燃料電池システムにおける発電方法を提供する。
【発明の効果】
【００４６】
本発明の上記第１態様によれば、膜電極組立体に液体燃料を供給することで発電を行う燃料電池システムにおいて、発電開始前に、上記膜電極組立体のアノード側表面の全体に、上記液体燃料が到達しているかどうかを検出し、当該検出結果に基づいて到達していないと判断する場合には、上記液体燃料の供給を行って、上記膜電極組立体の上記アノード側表面の全体に当該液体燃料を到達させてから、燃料電池本体における発電を開始可能とさせることで、当該発電の際に上記膜電極組立体にて部分的に上記液体燃料が到達していない箇所が存在することを確実に防止することができる。これにより、上記膜電極組立体にて転極が発生することを確実に防止することができ、上記膜電極組立体の損傷の発生を確実に防止することができる。
【００４７】
また、このような発電停止中における上記液体燃料の供給は、燃料供給装置を上記燃料電池本体の発電により生成される電力とは別に電力の供給を行う電力供給装置により駆動させることにより行われるため、上記燃料電池本体において発電が行われていない状態でも、上記液体燃料の供給を確実に行うことができる。
【００４８】
従って、長期間の発電停止や高温環境に放置されること等により、上記膜電極組立体が部分的に乾燥された状態とされるような場合が生じても、発電の再起動を行う前に上述の動作を行うことで、上記膜電極組立体を損傷させることなく、安定した再起動を実現することができる。
【００４９】
本発明の上記第２態様によれば、上記燃料供給装置による上記液体燃料の供給の開始の後、上記燃料検出部により上記膜電極組立体への上記液体燃料の到達が検出されたことでもって、上記発電を開始することで、発電開始の際に上記液体燃料を上記膜電極組立体に確実に到達させることができる。
【００５０】
本発明の上記第３態様によれば、上記燃料検出部による検出動作に必要な電力が上記電力供給装置から供給されることで、発電停止時においても上記検出動作を確実に実施することができる。
【００５１】
本発明の上記第４態様によれば、上記膜電極組立体が燃料容器中の上記液体燃料に浸漬されるような形式の燃料電池システムにおいて、上記第１態様による効果を得ることができる。
【００５２】
本発明の上記第５態様によれば、上記電力供給装置として２次電池が用いられることにより、実用的な燃料電池システムを提供することができる。
【００５３】
本発明の上記第６態様によれば、燃料容器として第１燃料容器と第２燃料容器との２つの燃料容器を備えるような構成の燃料電池システムにおいても、上記第１態様と同様な効果を得ることができる。
【００５４】
本発明の上記第７態様によれば、上記膜電極組立体における上記アノード側の表面が、上記液体燃料に常時浸漬されている必要がある膜浸漬型の燃料電池システムにおいて、発電停止状態にて長期間放置される等により、上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料が気化して、その収容量の減少が発生するような場合であっても、上記気化にて減少した上記液体燃料の収容量を補うように、上記第２燃料容器から上記第１燃料容器に上記液体燃料原液を供給する燃料供給装置が備えられていることにより、上記液面の低下を防止する、例えば、所定の高さ範囲内にすることができる。従って、このように燃料電池システムが発電停止状態で放置されるような場合であっても、上記膜電極組立体の一部あるいは全部を上記液面より露出および乾燥状態とさせることはなく、当該露出状態および乾燥状態で発電が行なわれることによる上記膜電極組立体の損傷の発生を確実に防止することができる。これにより、燃料電池システムにおいて、発電のための再起動の安定化を図ることができる。
【００５５】
また、上記燃料供給装置が、上記発電停止の際に、上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料中にその上記アノード側表面を常に浸漬させるように、上記液体燃料の収容量を補うことにより、上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料の液面より上記膜電極組立体が露出された状態とされることを確実に防止することができる。
【００５６】
本発明の上記第８態様によれば、上記第２燃料容器が上記第１燃料容器よりも高い位置に配置され、上記燃料供給装置が、重力の作用でもって、上記第２燃料容器より上記１燃料容器への上記液体燃料原液の供給を行なう燃料用重力供給部を備えていることにより、上記燃料電池システムにおける発電停止時に、動力の作用を用いることなく、上記気化により減少した収容量を補うように、上記第１燃料容器への上記液体燃料原液の供給を行なうことができる。従って、上記発電停止時、すなわち、電力を発生することができないような状態であっても、確実に上記液体燃料原液の供給を行なうことができ、上記膜電極組立体を上記液体燃料中に浸漬させた状態とすることができる。特に，このように重力の作用でもって供給を行なうことができることは、上記燃料電池システムがより長期間使用されず、発電停止状態が継続されるような場合であっても、対応することが可能となる。
【００５７】
本発明の上記第９態様によれば、上記燃料供給装置が、上記重力の作用でもって、上記液体燃料原液の供給を行なう上記燃料用重力供給部に加えて、動力の作用でもって、上記液体燃料原液の供給を行なう上記燃料用動力供給部をも併せて備え、発電運転の際に、その駆動に動力を有する上記燃料用動力供給部を用い、発電停止の際には、その駆動に動力を要しない上記燃料用重力供給部を用いるというように、夫々の上記供給部を使い分けることで、効率的な上記液体燃料原液の供給を行なうことができる。例えば、上記発電運転の際には、当該発電により作られた電力を用いて、上記燃料用動力供給部を駆動しながら、その駆動量を制御することで、上記液体燃料原液の供給量の制御を確実に行なうことができる。逆に、上記発電停止の際には、上記動力を要することなく、上記燃料用動力供給部を用いて上記液体燃料原液の供給を行なうことができる。
【００５８】
本発明の上記第１０態様によれば、上記収容量検出部が、上記燃料容器に収容されている液体燃料より上記膜電極組立体の少なくとも一部が露出されるような当該液体燃料の収容量を検出すると、上記回路遮断スイッチにより、上記発電回路の遮断あるいは遮断保持を行なうことにより、このような状態において上記燃料電池システムが発電運転状態とされて、上記膜電極組立体に損傷を与えることを防止することができる。
【００５９】
本発明の上記第１１態様によれば、上記燃料電池本体における発電停止の際に、上記第１燃料容器において気化により減少した上記液体燃料の収容量を補うように、上記生成物回収容器から上記第１燃料容器に上記生成物を供給する生成物供給装置がさらに備えられていることにより、上記第１燃料容器に上記液体燃料原液の供給を行なうことができないような場合であっても、上記生成物を供給することで、上記膜電極組立体が上記液面より露出する状態および乾燥状態とされることを防止することができ、上記膜電極組立体への損傷の発生を防止することができる。
【００６０】
本発明の上記第１２態様又は上記第１３態様によれば、上記生成物供給装置が、重力の作用でもって上記生成物の供給を行なう生成物用重力供給部と、動力の作用でもって上記生成物の供給を行なう生成物用動力供給部とを備えていることにより、上記第８態様及び上記第９態様における上記燃料供給装置の場合と同様に、上記第１燃料容器への上記生成物の供給を行なうような場合についても、同様な効果を得ることができる。
【００６１】
本発明の上記第１４態様によれば、上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料の濃度を検出する濃度検出装置と、当該濃度検出装置により検出された濃度が、発電可能な濃度範囲内に入るように、上記燃料用動力供給部による上記液体燃料原液の供給量と、上記生成物用動力供給部による上記生成物の供給量とを制御する制御装置とがさらに備えられていることにより、上記燃料電池本体による発電運転の際に、上記第１燃料容器に収容されている上記液体燃料の濃度を、当該発電運転のために最適な濃度となるように調整することができる。このような濃度調整を行なうことにより、例えば、上記膜電極組立体がそのクロスオーバー特性により、上記発電運転を行なうための濃度範囲を有しているような場合であっても、当該濃度範囲に対応することが可能となる。
【００６２】
本発明の上記第１５態様によれば、上記生成物が、水を主成分として含み、上記第１燃料容器に収容される上記液体燃料が、上記液体燃料原液を水で希釈したものである場合に、上記夫々の態様による効果を得ることができる。
【００６３】
本発明の上記第１６態様によれば、上記液体燃料が、発電可能濃度範囲である１〜１０ｗｔ％の範囲内の濃度を有するメタノール水溶液であり、上記液体燃料原液が、上記メタノール水溶液よりも高い濃度を有するメタノール水溶液又はメタノール原液である場合に、上記夫々の態様による効果を得ることができる。
【００６４】
本発明の上記第１７態様によれば、燃料電池本体における発電停止の際に、上記第１燃料容器において気化により減少した上記液体燃料の収容量を補うように、液体燃料原液や生成物を上記第１燃料容器に供給する構成を、上記燃料電池システムが有しないような場合であっても、上記第１０態様の場合と同様な構成を有していることで、乾燥状態とされた上記膜電極組立体に損傷を与えることを防止することができる。具体的には、上記収容量検出部が、上記燃料容器に収容されている液体燃料より上記膜電極組立体の少なくとも一部が露出されるような当該液体燃料の収容量を検出すると、上記回路遮断スイッチにより、上記発電回路の遮断あるいは遮断保持を行なうことにより、このような状態において上記燃料電池システムが発電運転状態とされて、上記膜電極組立体に損傷を与えることを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
【００６６】
以下、図面を参照して本発明における第１実施形態を詳細に説明する。
【００６７】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システム５０の模式的な構成を示す模式構成図を図１に示す。
【００６８】
図１に示すように、燃料電池システム５０は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換して発電を行なう発電部である燃料電池本体７０と、この発電に必要な燃料等を燃料電池本体７０に供給する等の発電のための補助的動作を行う補機系とを備えている。また、この燃料電池システム５０は、有機系の液体燃料の一例であるメタノール水溶液を燃料として、このメタノールから直接的にプロトンを取り出すことにより発電を行なう直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）である。
【００６９】
図１に示すように、燃料電池本体７０は、アノード（燃料極）５１、カソード（空気極）５２、及び膜電極組立体５３を備えている。アノード５１は、供給されるメタノールに対して酸化反応を行ない、プロトンと電子を取り出す反応（アノード反応）を行なう機能を有している。当該電子は、アノード５１とカソード５２とをそれぞれの電極（図示せず）を介して電気的に接続する発電回路（図示せず）を通してカソード５２へ移動し、当該プロトンは、膜電極組立体５３を通してカソード５２へ移動する。また、カソード５２は、外部から供給される酸素と、アノード５１より膜電極組立体５３を通して移動してきたプロトンと、上記発電回路を通して流れてきた電子とを用いて還元反応を行なって、水を生成するという反応（カソード反応）を行なう機能を有している。このようにアノード５１にて酸化反応を、カソード５２にて還元反応を夫々行ない、上記発電回路に電子を流すことで、電流を発生させて発電を行なうことができる。
【００７０】
具体的には、燃料電池本体７０は、例えば、電解質膜として、DuPont社製のナフィオン１１７（商標若しくは商品名称）を用い、上記電解質膜の一方の表面に、アノード５１のアノード触媒として、炭素系粉末担体に白金とルテニウム、あるいは白金とルテニウムの合金を分散させて担持したものを形成し、他方の表面に、カソード５２のカソード触媒として、炭素系担体に白金微粒子を分散担持したものを形成して、その後、例えば、カーボンペーパーからなる拡散層を上記アノード触媒及び上記カソード触媒の夫々に密着させたものを膜電極組立体５３として形成し、その後、この膜電極組立体５３をセパレータを介してハウジングに固定することにより形成することができる。
【００７１】
また、図１に示すように、アノード５１は、上記アノード反応を実施可能にその内部にメタノール水溶液を供給させるための燃料供給口５１ａと、当該アノード反応により生成された二酸化炭素や、当該反応に用いられなかった残りのメタノール水溶液を上記内部より排出させるための排出口５１ｂとを備えている。
【００７２】
また、カソード５２は、上記カソード反応の実施に用いられる酸素を供給するために、例えば、空気を用い、当該空気をその内部に供給するための空気供給口５２ａと、当該カソード反応にて生成される生成物の一例である水（液相又は気相のいずれの状態、あるいは夫々の状態が混在した状態のいずれの場合をも含む）と空気を上記内部より排出させるための排出口５２ｂとを備えている。なお、この生成物は水を主成分として含むものであるが、その他に、ギ酸、ギ酸メチル、及びメタノール（いわゆるクロスオーバーによる）等も含まれる場合がある。
【００７３】
次に、燃料電池システム５０における上記補機系の構成について説明する。上記補機系の構成としては、燃料電池本体７０のアノード５１にメタノール水溶液を供給するための補機構成と、カソード５２に空気を供給するための補機構成と、カソード５２にて生成された生成物である水を回収するための補機構成とが備えられている。
【００７４】
まず、図１に示すように、上記燃料供給のための補機構成としては、メタノール水溶液を液体燃料としてアノード５１に供給可能に収容する第１燃料容器の一例である（あるいは燃料容器の一例でもある）中間タンク５５と、この中間タンク５５に収容されているメタノール水溶液よりもその濃度が高いメタノール水溶液を液体燃料原液として、中間タンク５５に供給可能に収容する第２燃料容器の一例である原液タンク５４と、原液タンク５４に収容されている液体燃料原液を中間タンク５５に供給する燃料供給装置を備えている。なお、原液タンク５４は、例えば、燃料電池システム５０への着脱装備が可能なカートリッジ式の容器となっており、燃料電池システム５０において、収容されていた液体燃料が空となった原液タンク５４を取り外して、液体燃料が収容されている新たな原液タンク５４を装備させることで、液体燃料原液を補給することが可能となっている。
【００７５】
上記燃料供給装置は、原液タンク５４と中間タンク５５とを連通する燃料用通路の一例である燃料供給管６５と、この燃料供給管６５の途中に設けられて、原液タンク５４に収容されている液体燃料原液を燃料供給管６５を通して中間タンク５５に供給する燃料ポンプ６２と、燃料供給管６５における燃料ポンプ６２の吐出側付近に設けられて、この燃料供給管６５の連通及び遮断を外部信号に基づいて選択的に行う自動弁６０とを備えている。また、燃料供給管６５は原液タンク５４の内底部近傍にその一端が位置されるように配置されており、その他端である中間タンク５５への燃料供給端部は、中間タンク５５内に配置されているアノード５１の上部よりも少し高い位置に位置されるように配置されている。
【００７６】
また、図１に示すように、中間タンク５５の内部の空間に、アノード５１が配置されており、中間タンク５５において液体燃料が満液とされて収容された状態で、完全に上記収容された液体燃料にこのアノード５１全体が浸漬される、すなわち、上記収容された液体燃料の液面より下方に、このアノード５１が配置されるようになっている。このように中間タンク５５内にアノード５１が配置されていることにより、常時液体燃料中に浸漬されている状態の燃料供給口５１ａを通して、アノード５１の内部に液体燃料を供給することが可能となっている。また、このようにアノード５１の内部への液体燃料の供給が可能となっていることにより、膜電極組立体５３におけるアノード５１側の表面全体を、液体燃料中に浸漬することができ、膜電極組立体５３の当該表面を常に濡れた状態とすることができる。言い換えれば、中間タンク５５に収容された液体燃料の液面より下方に、膜電極組立体５３が浸漬された状態で配置される。
【００７７】
また、中間タンク５５には、アノード５１にて行なわれるアノード反応により生成される二酸化炭素等のガスが、アノード５１の排出口５１ｂを通して流入されることとなるが、このようにして流入されるガスを中間タンク５５の外部に排気するための排気管５９が設けられており、この排気管５９には弁５９ａと気液分離膜５９ｂ（例えば、テフロン（登録商標）製のシート等により構成することができる）とが備えられている。なお、排気管５９は、中間タンク５５に液体燃料を初期注入する際のガス抜きとしても機能することができる。
【００７８】
また、中間タンク５５には、収容されている液体燃料の濃度を検出可能な濃度検出装置の一例である濃度センサ６７が備えられている。なお、このような濃度センサ６７としては、例えば、超音波式や静電容量方式、近赤外線多波長光方式等の濃度計を用いることができる。
【００７９】
さらに、中間タンク５５には、収容されている液体燃料の液面を検出可能なレベルセンサ６４が備えられており、このレベルセンサ６４は、中間タンク５５において、膜電極組立体５３のアノード側表面全体を、収容されている液体燃料中に完全に浸漬することができるようなレベルの液面位置を検出することが可能となっている。なお、本第１実施形態においては、このレベルセンサ６４が、燃料検出部の一例となっている。
【００８０】
また、燃料ポンプ６２としては、例えば、小型なポンプで消費電力が小さいものであること、及び、その駆動時間を制御することで液体燃料原液の供給量が制御できること等の観点より、小型の容積型ポンプ等を用いることが好ましく、例えば、本第１実施形態では、ソレノイド式ポンプ（逆止弁付、吐出量：０〜４ｍｌ／分、吐出圧力：１０ｋＰａ）を用いており、使用時は、例えば間欠駆動させて適量の液体燃料原液を送り出すことが可能となっている。
【００８１】
また、中間タンク５５には、例えば、重量百分率で１〜１０ｗｔ％の範囲のいずれかの濃度、好ましくは３〜１０ｗｔ％の範囲のいずれかの濃度のメタノール水溶液が液体燃料として収容されており、初期状態においては、４．５ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液が収容されている。一方、原液タンク４には、中間タンク５に収容されている液体燃料よりも高い濃度を有するメタノール水溶液あるいはメタノール原液（すなわち、濃度が１００ｗｔ％のメタノール）が収容されており、例えば、初期状態において、６８ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液が収容されている。
【００８２】
次に、上記空気供給の補機構成としては、カソード５２の空気供給口５２ａにその一端が接続された酸素供給用通路の一例である空気供給管６３と、空気供給管６３の途中に配置され、空気供給管６３を通して、空気をカソード５２内に供給する酸素供給装置の一例（あるいは空気供給ポンプの一例）である空気ポンプ５７とが備えられている。この空気ポンプ５７としては、小型でかつ消費電力が小さいものを用いることが好ましく、例えば、モータ式ポンプ（逆止弁付、吐出量：４Ｌ／分、吐出圧力：５０ｋＰａ）を用いており、使用時は、例えば、３Ｌ／分で空気を供給する。また、燃料電池本体７０にて発電が行なわれる際に、空気ポンプ５７が駆動されてカソード５２内に必要な酸素が供給され、当該発電が停止されるときには、空気ポンプ５７の駆動が停止されることとなる。なお、この停止の際には、燃料ポンプ６２の駆動も停止すると同時に、燃料供給管６５に設けられた自動弁６０が閉止されて燃料供給管６５を遮断して、原液タンク５４と中間タンク５５との連通を遮断することが可能となっている。
【００８３】
また、上記カソードで生成した水を回収するための補機構成としては、カソード５２の排出口５２ｂと、カソード５２にて生成された水を回収する生成物回収容器の一例である水タンク５８と、カソード５２の排出口５２ｂと水タンク５８とを連通して、排出口５２ｂから水タンク５８に上記生成された水を回収させる生成物回収通路の一例である水回収管６９とが備えられている。さらに、水タンク５８には、回収される水に混入して水タンク５８内に導入されるガス、例えば、空気を水タンク５８の外部に排出する気液分離膜５６が備えられている。また、水タンク５８と中間タンク５５とを連通して、水タンク５８にて回収された水を、中間タンク５５に供給する生成物供給通路の一例である水供給管６６が備えられており、水供給管６６の途中には、動力の作用を用いて、上記水の供給を行なう生成物用動力供給部の一例である水ポンプ６１と、水供給管６６の開閉を外部信号に基づいて行なう自動弁６８とが備えられている。なお、本第１実施形態においては、水供給管６６及び水ポンプ６１が生成物供給装置の一例を構成している。また、中間タンク５５への水の供給においては、例えば、濃度センサ６７により検出される中間タンク５５内の液体燃料の濃度が、所望の濃度となるように、水ポンプ６１の運転時間を制御することで、水供給管６６及び水ポンプ６１を通して必要な量の水が中間タンク５５内に供給される。
【００８４】
また、このような構成を有する燃料電池システム５０においては、夫々の装置や構成機器の動作を制御する制御装置７３が備えられている。制御装置７３は、燃料電池システム５０において、燃料ポンプ６２による液体燃料原液の供給動作、空気ポンプ６７による空気の供給動作、中間タンク５５内のメタノール水溶液の濃度制御を、互いに関連付けながら統括的に制御することが可能となっている。
【００８５】
具体的には、燃料電池本体７０にて発電が行なわれる際には、制御装置７３は、空気ポンプ５７の駆動を行ない、当該発電が停止される際には、空気ポンプ５７の駆動を停止させるという制御を行なう。また、この空気ポンプ５７の駆動停止に併せて、燃料ポンプ６２の駆動を停止させる制御や自動弁６０、６８の開閉動作の制御を行なうことが可能となっている。
【００８６】
また、制御装置７３は、濃度センサ６７により検出された中間タンク５５内に収容されている液体燃料の濃度に応じて、中間タンク５５への液体燃料原液の供給量及び回収された水の回収量（つまり、水の供給量）を制御することが可能となっている。すなわち、当該検出された濃度に応じて、中間タンク５５内に収容されている液体燃料の濃度が、制御装置７３に予め設定されている所定の濃度範囲を保つように、燃料ポンプ６２の駆動時間や水ポンプ６１の駆動時間を制御することが可能となっている。ここで、制御装置７３に予め設定されている濃度範囲とは、燃料電池本体７０にて必要な電力（必要な電圧及び電流）を発電することが可能なメタノール水溶液の発電可能濃度範囲であり、例えば、１０ｗｔ％〜１ｗｔ％、好ましくは１０ｗｔ％〜３ｗｔ％というような濃度範囲で設定される。ただし、このような発電可能濃度範囲は、膜電極組立体５３のクロスオーバー特性に起因するものであり、クロスオーバー特性が向上して、膜電極組立体５３を通してアノード５１からカソード５２へ供給されるメタノールの通過量が低減されれば、１０ｗｔ％以上の濃度範囲を上記発電可能濃度範囲とすることも可能である。
【００８７】
さらに、燃料電池システム５０は、燃料電池本体７０による発電が行われておらず、当該発電による電力の供給が行われていないような場合であっても、それぞれの補機系を駆動させるための電力を供給することができる電力供給装置の一例である２次電池７４が備えられている。この２次電池は、例えば、小型で容積の小さなリチウムイオン電池等を用いることができるが、補機系の駆動のための電力を供給することができるような２次電池であれば、リチウムイオン電池以外にも様々な形式の電池を採用することができる。また、上記電力供給装置が２次電池であるような場合のみに限られるもではなく、燃料電池本体７０の発電により生成される電力とは別に電力を供給可能なものであればよく、例えば、電気２重層コンデンサーや太陽電池などの発電デバイスなどを用いることもできる。
【００８８】
また、この２次電池７４は、燃料電池本体７０による発電停止中であっても、制御装置７３を機能させるための電力の供給、燃料ポンプ６２、水ポンプ６１、及び空気ポンプ５７を駆動させるための電力の供給、自動弁６０及び６８の開閉動作を駆動させるための電力の供給、さらにレベルセンサ６４を機能させるための電力の供給を行うことが可能となっている。なお、２次電池７４より供給される電力と、燃料電池本体７０の発電により生成される電力と区別するために、２次電池より供給される電力を２次電力と表現するような場合であってもよい。
【００８９】
また、制御装置７３は、中間タンク５５に収容されている液体燃料の収容量をレベルセンサ６４にて検出し、この検出結果に基づいて、膜電極組立体５３のアノード側表面全体が液体燃料中に完全に浸漬されるように、燃料ポンプ６２を駆動して原液タンク５４から中間タンク５５に液体燃料原液を供給し、上記浸漬させたことをレベルセンサ６４にて検出することで、当該液体燃料原液の供給を停止させるような燃料補給に関する制御を行うことが可能となっている。
【００９０】
次に、このような構成の燃料電池システム５０において発電が行なわれる場合の夫々の装置や構成機器の動作について、図２に示す発電開始手順のフローチャートに基づいて以下に説明する。なお、以降において説明する夫々の装置や構成機器の動作制御は、制御装置７３により互いの動作を関連付けながら統括的に行なわれる。
【００９１】
まず、図１に示す燃料電池システム５０において、中間タンク５５には、例えば４．５ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液（液体燃料）が収容されているとともに、原液タンク５４には、例えば、６８ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液（液体燃料原液）が収容されている。中間タンク５５に収容された液体燃料は、燃料供給口５１ａを通して、アノード５１内に供給されている。また、中間タンク５５へのメタノール水溶液の収容量は、原則的に中間タンク５５内に配置されているアノード５１が完全に浸漬されるような収容量とされる。このように中間タンク５５内にメタノール水溶液が収容されることで、膜電極組立体５３におけるアノード５１側の表面が、メタノール水溶液中に浸漬された状態とされる。
【００９２】
ただし、燃料電池システム５０の使用環境や使用状態等により、例えば、高温環境に放置されているような場合や長期間使用されていないような場合にあっては、中間タンク５５に収容されている液体燃料の一部が蒸発して中間タンク５５の外部に放出され、中間タンク５５内においては、収容されている液体燃料の液面レベルが低下し、膜電極組立体５３の一部が当該液面より露出されているような場合もあり得る。
【００９３】
このような状態のもとで、図２のフローチャートのステップＳ１にて、燃料電池システム５０において発電開始の指示を受ける。例えば、このような燃料電池システム５０が搭載されている携帯用電子機器等において電源が入力されることで、制御装置７３に発電開始の指示信号が入力される。なお、この時点では燃料電池システム５０による発電が開始されていない（すなわち、発電により電力が生成されていない）ため、制御装置７３が機能するための電力は、２次電池７４から供給される。
【００９４】
制御装置７３では、この発電開始の指示に基づいて、レベルセンサ６４により中間タンク５５内に収容されている液体燃料の液面レベルの検出を行わせる（ステップＳ２）。なお、このレベルセンサ６４による当該検出に必要な電力は２次電池より供給される。このレベルセンサ６４による検出結果は、制御装置７３に入力されて、制御装置７３において、検出された液面レベルが予め規定されている液面レベルに到達しているかどうかの判断が行われる（ステップＳ３）。具体的には、膜電極組立体５３のアノード側表面の全面が、収容されている液体燃料に完全に浸漬されているかどうかの判断が制御装置７３において行われることとなり、上記予め規定されている液面レベルとは、このような膜電極組立体５３の浸漬を可能とするような液面レベルのことである。
【００９５】
ステップＳ３における判断の結果、制御装置７３において上記予め規定されている液面レベルに到達していないと判断された場合、すなわち、膜電極組立体５３のアノード側表面の少なくとも一部が上記液面より露出されていると判断された場合には、制御装置７３により自動弁６０を開放動作させるとともに、燃料ポンプ６２を駆動させて、原液タンク５４から燃料供給管６５を通じて中間タンク５５に液体燃料原液の供給を行う（ステップＳ４）。なお、この際における燃料ポンプ６２の駆動及び自動弁６０の駆動に必要な電力は２次電池７４より供給される。その後、ステップＳ５において再びレベルセンサ６４により上記液体燃料原液の供給が行われている中間タンク５５の液面レベルが検出されて、この検出結果に基づいて上記予め規定されている液面レベルに到達するまで、上記液体燃料原液の供給（ステップＳ４）が継続される。
【００９６】
その後、ステップＳ５において、中間タンク５５の液体燃料の収容量が上記予め規定されている液面レベルに到達したことが確認されると、２次電池による燃料ポンプ６２の駆動が停止される（ステップＳ６）。
【００９７】
このような状態では、膜電極組立体５３のアノード側表面の全体が液体燃料に接触された状態、すなわち液体燃料が膜電極組立体５３の全体に到達した状態とされ、膜電極組立体５３のアノード側表面には、液体燃料と接触せずに乾燥されたままの状態とされている部分が存在しないこととなる。このような状態とされて初めて燃料電池本体７０において発電開始可能な状態とされたこととなる。その後、ステップＳ７において、制御装置７３により燃料電池本体７０における発電が開始され、当該発電により電力の生成が行われる。
【００９８】
一方、ステップＳ３において、レベルセンサ６４の検出結果に基づき、上記予め規定された液面レベルに到達していると判断される、すなわち液面より膜電極組立体５３が露出されていないような液面レベルであると判断されるような場合には、ステップＳ４からＳ６までの手順がスキップされて、ステップＳ７にてそのまま燃料電池本体７０の発電が開始されることとなる。このようなそれぞれの手順にて燃料電池システム５０における発電が開始される。
【００９９】
なお、燃料電池本体７０が発電開始可能な状態とされた後、制御装置７３より発電開始可能信号が作成されて、例えば、燃料電池システム５０の外部等に出力されるような場合であってもよい。
【０１００】
また、上述のそれぞれの手順の説明では、図２のステップＳ５において、膜電極組立体５３のアノード側表面の全体に液体燃料が到達しているかどうかを、レベルセンサ６４により中間タンク５５の液体燃料の収容量を検出することでもって検出するような場合について説明したが、上記液体燃料の到達を検出するための手法はこのような場合についてのみ限られるものではない。このような場合に代えて、例えば、ステップＳ２における中間タンク５５の液面レベルの検出の際に、中間タンク５５における液体燃料の収容量を検出し、この検出結果に基づいて液体燃料の補給量あるいは補給時間を算出して、燃料ポンプ６２による補給量あるいは補給時間が上記算出された条件に達することを検出するような場合であってもよい。
【０１０１】
なお、上述した燃料電池本体７０における発電開始までの動作においては、膜電極組立体５３のアノード側表面の全体が、液体燃料中に完全に浸漬されているかを液体燃料の補給の判断基準としているが、「全体が完全に浸漬されている」とは、膜電極組立体５３のアノード側において発電に実質的に寄与する部分の全体が完全に浸漬されることを意味している。具体的には、膜電極組立体５３における電解質膜とアノード触媒とが接合（接触）されている部分の全体が完全に浸漬されることを意味している。
【０１０２】
次に、このような燃料電池本体７０における発電開始後の動作について以下に説明する。
【０１０３】
まず始めに、２次電池７４より供給される電力でもって空気ポンプ５７が駆動されて、空気供給管路６３及び空気供給口５２ａを通してカソード５２に空気、すなわち、酸素が供給される。これにより、アノード５１においてアノード反応が行なわれるとともに、カソード５２においてカソード反応が行なわれる。これにより、アノード５１とカソード５２との間、すなわち、上記発電回路にて電力が発生する。アノード５１にて上記アノード反応が行なわれることにより生成された二酸化炭素は、排出口５１ｂを通して、中間タンク５５内に流れ込み、さらに、中間タンク５５の気液分離膜５９ｂを通して中間タンク５５外に排出される。この電力の生成の際、膜電極組立体５３のアノード側表面の全体に液体燃料が到達された状態とされているため、部分的な反応が生じることがなく、転極が発生することもない。
【０１０４】
一方、カソード５２にて上記カソード反応が行なわれることにより生成された水は、カソード５２内が空気ポンプ５７により加圧されていることにより、排出口５２ｂから水回収管６９に排出され、この水回収管６９を通して水タンク５８に搬送されて回収される。なお、２次電池により駆動されている空気ポンプ５７は、燃料電池本体７０にて発電される電力による駆動にその後切り替えられる。
【０１０５】
また、上記発電が行なわれることにより、中間タンク５５においては、収容されているメタノール水溶液のうちのメタノール及び水が消費されることとなる。これにより、中間タンク５５において、メタノール水溶液の液量が減少するとともに、メタノール水溶液の濃度が低下することとになる。この低下した濃度を濃度センサ６７にて検出することにより、制御装置７３にて、中間タンク５５への液体燃料原液の供給量（補給量）及び回収された水の回収量（補給量）が決定される。当該決定された夫々の供給量に基づいて、原液タンク５４から燃料供給管６５及び燃料ポンプ６２を通して、液体燃料原液が上記供給量だけ、さらに、水タンク５８から水ポンプ６１、自動弁６８、及び水供給管６６を通して、水が上記供給量だけ、中間タンク５５へ供給される。このような液体燃料原液と水との中間タンク５５への供給動作により、中間タンク５５に収容されている液体燃料が補給されるとともに、その濃度が所定の濃度範囲内に保持される。燃料電池システム５０において、このような動作が連続的にかつ繰り返して行なわれることにより、燃料電池本体７０にて必要な電力量（所定の電力量）の発電が継続的に行なわれることとなる。
【０１０６】
一方、燃料電池システム５０にて発電を停止する際には、空気ポンプ５７の駆動、燃料ポンプ６２の駆動、及び水ポンプ６１の駆動が停止される。さらに、それぞれの自動弁６０，６８が動作して、燃料供給管６５と水供給管６６とが遮断される。このような状態が、燃料電池システム５０における発電停止状態となり、発電が行なわれない場合はこのような状態が保たれることとなる。
【０１０７】
なお、上述の説明においては、燃料電池本体７０において発電開始の前に、中間タンク５５における液体燃料の収容量に応じて、２次電池により燃料ポンプ６２を駆動して液体燃料原液の供給でもって、中間タンク５５内に収容されている液体燃料の収容量を補給するような場合について説明したが、このような補給方法においては、さらに様々な変形例を適用することができる。
【０１０８】
このような変形例の一つとして、例えば、燃料ポンプ６２による液体燃料原液の供給を開始する際、あるいは当該供給の最中において、濃度センサ６７により中間タンク５５に収容されている液体燃料の濃度を検出を行う。制御装置７３において、この検出結果が予め規定されている濃度範囲の上限を超過していないかどうかの判断を行い、超過していないと判断する場合には、燃料ポンプ６２による液体燃料原液の供給動作をそのまま開始するか、あるいは継続して行う。
【０１０９】
一方、上記濃度範囲を超過していると判断するような場合には、燃料ポンプ６２の駆動を停止するとともに、２次電池の電力でもって、自動弁６８を開放させて水ポンプ６１を駆動し、水タンク５８に収容されている水を中間タンク５５に供給する。このように水を供給することで、中間タンク５５内に収容されている液体燃料の濃度を上記濃度範囲内とさせることができる。
【０１１０】
なお、上記予め規定されている濃度範囲とは、膜電極組立体５３の性能により決定される濃度範囲であって、膜電極組立体５３にて発電可能な濃度範囲のことである。
【０１１１】
また、このように中間タンク５５における液体燃料の濃度検出結果に基づくような場合に代えて、所定の比率等に基づいて、液体燃料原液と水とを共に供給することで、液体燃料の補給を行うような場合であってもよい。
【０１１２】
また、上述の燃料電池システム５０においては、膜電極組立体５３のアノード側表面の全体に液体燃料が到達しているかどうかの検出を行う燃料検出部が、レベルセンサ６４である場合について説明したが、上記燃料検出部はこのような場合にのみ限られるものではない。このような場合に代えて、燃料検出部の一例として、燃料電池本体７０のアノード５１のハウジングの外周に複数の液検知センサ８１を設けるような場合の燃料電池システムの構成を図８の模式説明図に示す。なお、図８の模式説明図は中間タンク５５付近における燃料電池本体７０を示しており、図８におけるＶ−Ｖ線矢視図を図９に示す。
【０１１３】
図８及び図９に示すように、燃料電池本体７０におけるアノード５１のハウジング外周の図示上面と下面には、合計４個の液検知センサ８１が設けられており、例えば、図９に示すように、それぞれの面における図示左右方向の端部近傍に、それぞれの液検知センサ８１が配置されており、具体的には、図１１のアノード５１のハウジングの上面の拡大斜視図に示すように、上記ハウジング外周上面において燃料供給口５１ｂをかわすように略対角線上の角部近傍に配置されている。いる。これらの液検知センサ８１は、液との接触の有無を検知する機能を有するようなセンサであり、例えばサーミスタ式の液検知センサを用いることができる。
【０１１４】
また、これらの液検出センサ８１は、各々において液体燃料との接触の有無を個別に検出するとともに、その検出結果を制御装置７３に入力することが可能とされており、制御装置７３においては、４個の液検出センサ８１のうちの１つでも液体燃料と接触がなされていないセンサが存在する場合には、膜電極組立体５３に液面より露出されている部分が存在するものと判断することができる。
【０１１５】
このようにそれぞれの液検出センサ８１を設けることにより、例えば、図１０に示すように燃料電池本体７０が傾斜された姿勢とされるような場合や、上下方向に逆向きに配置されるような場合等において、膜電極組立体５３が液面より露出しているかどうかを確実に検出することができる。従って、様々な姿勢を取りうる携帯電子機器用の電源に適した燃料電池システムを提供することができる。
【０１１６】
上記第１実施形態によれば、以下のような種々の効果を得ることができる。
【０１１７】
まず、燃料電池システム５０において、発電停止状態が長期間保たれる等により、中間タンク５５内に収容されている液体燃料が蒸発してその液面が低下し、膜電極組立体５３が当該液面より露出された状態とされるような場合であっても、発電開始の際に、中間タンク５５の液面レベルをレベルセンサ６４により検出し、当該液面レベルの低下が検出されるような場合には、燃料ポンプ６２を駆動して原液タンク５４より液体燃料原液を中間タンク５５に供給することで、液体燃料の補給を行うことができる。
【０１１８】
このように中間タンク５５において液体燃料の補給を行い、膜電極組立体５３のアノード側表面の全体が液体燃料中に完全に浸漬された状態にて、燃料電池本体７０の発電を開始することで、膜電極組立体５３に転極等を発生させることなくその損傷の発生を確実に防止することができる。
【０１１９】
また、上記中間タンク５５への液体燃料原液の供給のための燃料ポンプ６２の駆動は、２次電池より供給される電力でもって行われることにより、燃料電池本体７０における発電開始前であっても、燃料ポンプ６２を問題なく駆動させることができる。
【０１２０】
また、このように２次電池より供給される電力でもって燃料ポンプ６２を駆動して、中間タンク５５の液体燃料の収容量の補給を行うことで、燃料電池システム５０全体における配置方向に関係なく、当該補給動作を行うことができるため、携帯用情報端末用の電源として適したものとすることができる。
【０１２１】
また、上記第１実施形態における燃料電池システムにおいて、発電開始前に、膜電極組立体のアノード側表面全体に液体燃料が行き渡っている（すなわち、到達している）かどうかを検出し、液体燃料が行き渡っていない部分があると判断する場合には、上記表面全体に液体燃料を行き渡らせてから、その後、燃料電池本体にて発電を開始し、電力の供給を行うという手法は、膜電極組立体浸漬型の燃料電池システムのみに限られず、このような膜電極組立体を備え、当該膜電極組立体に液体燃料を供給するような方式の燃料電池システムに適用することができる。
【０１２２】
（第２実施形態）
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システム１０１の模式的な構成を示す模式構成図を図３に示す。なお、本第２実施形態の燃料電池システム１０１は、２次電池による電力を用いることなく、発電停止中に減少した中間タンクの液体燃料の補給を行うという点において、上記第１実施形態の燃料電池システム５０とは異なる構成を有しているものの、燃料電池本体の発電に関する構成（補機系の構成も含めて）は上記第１実施形態と略同様な構成を有している。従って、以降の説明においては、この異なる構成を中心に説明するものとする。
【０１２３】
図３に示すように、燃料電池システム１０１は、上記第１実施形態の燃料電池システム５０と同様に、有機系の液体燃料の一例であるメタノール水溶液を燃料として、このメタノールから直接的にプロトンを取り出すことにより発電を行なう直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）である。
【０１２４】
図３に示すように、燃料電池本体１０２は、アノード（燃料極）１、カソード（空気極）２、及び膜電極組立体３を備えている。アノード反応により取り出された電子は、アノード１とカソード２とをそれぞれの電極（図示せず）を介して電気的に接続する発電回路９０を通してカソード２へ移動し、プロトンは、膜電極組立体３を通してカソード２へ移動する。また、カソード２は、外部から供給される酸素と、アノード１より膜電極組立体３を通して移動してきたプロトンと、発電回路９０を通して流れてきた電子とを用いて還元反応を行なって、水を生成するという反応（カソード反応）を行なう機能を有している。このようにアノード１にて酸化反応を、カソード２にて還元反応を夫々行ない、発電回路９０に電子を流すことで、電流を発生させて発電を行なうことができる。
【０１２５】
また、図３に示すように、アノード１は、その内部にメタノール水溶液を供給させるための燃料供給口１ａと、当該アノード反応により生成された二酸化炭素や、当該反応に用いられなかった残りのメタノール水溶液を上記内部より排出させるための排出口１ｂとを備えている。
【０１２６】
また、カソード２は、酸素を供給するために、例えば、空気を用い、当該空気をその内部に供給するための空気供給口２ａと、当該カソード反応にて生成される生成物の一例である水と空気を上記内部より排出させるための排出口２ｂとを備えている。
【０１２７】
次に、燃料電池システム１０１における補機系の構成について説明する。上記補機系の構成としては、燃料電池本体１０２のアノード１にメタノール水溶液を供給するための補機構成と、カソード２に空気を供給するための補機構成と、カソード２にて生成された生成物である水を回収するための補機構成とが備えられている。
【０１２８】
まず、図３に示すように、上記燃料供給のための補機構成としては、メタノール水溶液を液体燃料としてアノード１に供給可能に収容する第１燃料容器の一例である（あるいは燃料容器の一例でもある）中間タンク５と、この中間タンク５に収容されているメタノール水溶液よりもその濃度が高いメタノール水溶液を液体燃料原液として、中間タンク５に供給可能に収容する第２燃料容器の一例である原液タンク４と、原液タンク４に収容されている液体燃料原液を中間タンク５に供給する燃料供給装置を備えている。また、原液タンク４は中間タンク５より高い位置に配置されており、原液タンク４の下部が中間タンク５の上部よりも上方に配置されている。なお、原液タンク４は、例えば、燃料電池システム１０１への着脱装備が可能なカートリッジ式の容器となっており、燃料電池システム１０１において、収容されていた液体燃料が空となった原液タンク４を取り外して、液体燃料が収容されている新たな原液タンク４を装備させることで、液体燃料原液を補給することが可能となっている。
【０１２９】
上記燃料供給装置は、燃料電池本体１０２による発電停止の際（すなわち、燃料電池システム１０１の停止の際）に、動力の作用を用いない燃料供給と、燃料電池本体１０２による発電運転の際（すなわち、燃料電池システム１０１の運転の際）に、動力の作用を用いた燃料供給を選択的に実現可能に構成されている。具体的には、上記燃料供給装置は、上記動力の作用を用いない燃料供給として、重力の作用を利用した燃料用重力供給部の一例である第１燃料供給管１４と、上記動力の作用を用いた燃料用動力供給部の一例である燃料ポンプ１２をその途中に備えた第２燃料供給管１５と、第１燃料供給管１４と第２燃料供給管１５とを原液タンク４の下部に連通可能に接続するとともに、この原液タンク４と夫々の間との上記連通を選択的に切り替える（すなわち、選択された一方を連通させて、他方を連通させないように選択的に切り替える）切替弁１０とを備えている。
【０１３０】
また、原液タンク４の底面には、収容されている液体燃料原液の原液タンク４内からの排出性（液体燃料原液の供給のための排出性）を良好とするための傾斜が設けられており、当該傾斜された底面における最低部あるいはその近傍に、第１燃料供給管１４及び第２燃料供給管１５を原液タンク４に連通する切替弁１０が設けられている。なお、原液タンク４は、第１燃料供給管１４及び第２燃料供給管１５との連通部分を除いては、密閉された容器構造を有している。
【０１３１】
また、第１燃料供給管１４における中間タンク５への燃料供給端部は、中間タンク５内に配置されているアノード１の上部よりも少し高い位置に位置されるように配置されている。切替弁１０は、発電停止時には、第１燃料供給管１４と原液タンク４とが連通し、かつ、第２燃料供給管１５と原液タンク４とが連通しないように切り替えられることが可能であり、また、発電運転時には、第２燃料供給管１５と原液タンク４が連通し、かつ、第１燃料供給管１４と原液タンク４とが連通しないように切り替えられることが可能となっている。
【０１３２】
また、図３に示すように、中間タンク５の内部の空間に、アノード１が配置されており、中間タンク５において液体燃料が満液とされて収容された状態で、完全に上記収容された液体燃料にこのアノード１全体が浸漬される、すなわち、上記収容された液体燃料の液面より下方に、このアノード１が配置されるようになっている。このように中間タンク５内にアノード１が配置されていることにより、常時液体燃料中に浸漬されている状態の燃料供給口１ａを通して、アノード１の内部に液体燃料を供給することが可能となっている。また、このようにアノード１の内部への液体燃料の供給が可能となっていることにより、膜電極組立体３におけるアノード１側の表面を、液体燃料中に浸漬することができ、膜電極組立体３の当該表面を常に濡れた状態とすることができる。言い換えれば、中間タンク５に収容された液体燃料の液面より下方に、膜電極組立体３が浸漬された状態で配置される。
【０１３３】
また、中間タンク５には、二酸化炭素等のガスを中間タンク５の外部に排気するための気液分離膜９が備えられている。さらに、中間タンク５には、収容されている液体燃料の濃度を検出可能な濃度検出装置の一例である濃度センサ１７が備えられている。なお、このような濃度センサ１７としては、例えば、超音波式や静電容量方式、近赤外線多波長光方式等の濃度計を用いることができる。
【０１３４】
燃料ポンプ１２としては、例えば、小型の容積型ポンプ等を用いることが好ましく、使用時は、例えば間欠駆動させて適量の液体燃料原液を送り出すことが可能となっている。
【０１３５】
また、中間タンク５には、例えば、重量百分率で１〜１０ｗｔ％の範囲のいずれかの濃度、好ましくは３〜１０ｗｔ％の範囲のいずれかの濃度のメタノール水溶液が液体燃料として収容されており、初期状態においては、４．５ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液が収容されている。一方、原液タンク４には、中間タンク５に収容されている液体燃料よりも高い濃度を有するメタノール水溶液あるいはメタノール原液（すなわち、濃度が１００ｗｔ％のメタノール）が収容されており、例えば、初期状態において、６８ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液が収容されている。
【０１３６】
次に、上記空気供給の補機構成としては、カソード２の空気供給口２ａにその一端が接続された酸素供給用通路の一例である空気供給管１３と、空気供給管１３の途中に配置され、空気供給管１３を通して、空気をカソード２内に供給する酸素供給装置の一例（あるいは空気供給ポンプの一例）である空気ポンプ７とが備えられている。この空気ポンプ７としては、例えば、モータ式ポンプを用いている。また、燃料電池本体１０２にて発電が行なわれる際に、空気ポンプ７が駆動されてカソード２内に必要な酸素が供給され、当該発電が停止されるときには、空気ポンプ７の駆動が停止されることとなる。なお、この停止の際には、燃料ポンプ１２の駆動も停止すると同時に切替弁１０が動作して、第１燃料供給管１４と原液タンク４を連通させるとともに、第２燃料供給管１５と原液タンク４との連通を閉止させることが可能となっている。
【０１３７】
また、上記カソードで生成した水を回収するための補機構成としては、カソード２の排出口２ｂと、カソード２にて生成された水を回収する生成物回収容器の一例である水タンク８と、カソード２の排出口２ｂと水タンク８とを連通して、排出口２ｂから水タンク８に上記生成された水を回収させる生成物回収通路の一例である水回収管１９とが備えられている。また、水タンク８には、ガス、例えば、空気を水タンク８の外部に排出する気液分離膜６が備えられている。また、水タンク８と中間タンク５とを連通して、水タンク８にて回収された水を、中間タンク５に供給する生成物供給通路の一例である水供給管１６が備えられており、水供給管１６の途中には、動力の作用を用いて、上記水の供給を行なう生成物用動力供給部の一例である水ポンプ１１と、水供給管１６の開閉を行なうバルブ１８とが備えられている。なお、本第１実施形態においては、水供給管１６及び水ポンプ１１が生成物供給装置の一例を構成している。また、中間タンク５への水の供給においては、例えば、濃度センサ１７により検出される中間タンク５内の液体燃料の濃度が、所望の濃度となるように、水ポンプ１１の運転時間を制御することで、水供給管１６及び水ポンプ１１を通して必要な量の水が中間タンク５内に供給される。
【０１３８】
また、このような構成を有する燃料電池システム１０１においては、夫々の装置や構成機器の動作を制御する制御装置１０３が備えられている。制御装置１０３は、燃料電池システム１０１において、燃料ポンプ１２による液体燃料原液の供給動作、空気ポンプ７による空気の供給動作、中間タンク５内のメタノール水溶液の濃度制御を、互いに関連付けながら統括的に制御することが可能となっている。
【０１３９】
具体的には、燃料電池本体１０２にて発電が行なわれる際には、制御装置１０３は、空気ポンプ７の駆動を行ない、当該発電が停止される際には、空気ポンプ７の駆動を停止させるという制御を行なう。また、この空気ポンプ７の駆動停止に併せて、燃料ポンプ１２の駆動を停止させる制御や切替弁１０の切り替え動作の制御を行なうことが可能となっている。
【０１４０】
また、制御装置１０３は、濃度センサ１７により検出された中間タンク５内に収容されている液体燃料の濃度に応じて、中間タンク５への液体燃料原液の供給量及び回収された水の回収量（つまり、水の供給量）を制御することが可能となっている。すなわち、当該検出された濃度に応じて、中間タンク５内に収容されている液体燃料の濃度が、制御装置１０３に予め設定されている所定の濃度範囲を保つように、燃料ポンプ１２の駆動時間や水ポンプ１１の駆動時間を制御することが可能となっている。ここで、制御装置１０３に予め設定されている濃度範囲とは、燃料電池本体１０２にて必要な電力（必要な電圧及び電流）を発電することが可能なメタノール水溶液の発電可能濃度範囲であり、例えば、１０ｗｔ％〜１ｗｔ％、好ましくは１０ｗｔ％〜３ｗｔ％というような濃度範囲で設定される。ただし、このような発電可能濃度範囲は、膜電極組立体３のクロスオーバー特性に起因するものであり、クロスオーバー特性が向上して、膜電極組立体３を通してアノード１からカソード２へ供給されるメタノールの通過量が低減されれば、１０ｗｔ％以上の濃度範囲を上記発電可能濃度範囲とすることも可能である。
【０１４１】
また、図３に示すように、燃料電池本体１０２において、アノード１とカソード２とをそれぞれの電極（図示せず）を介して電気的に接続する９０には、回路を入り切り（すなわち、ＯＮ（接続）／ＯＦＦ（遮断））する回路スイッチ９１（回路遮断スイッチの一例である）が備えられている。この回路スイッチ９１のＯＮ／ＯＦＦ動作は、制御装置１０３により行なうことが可能となっており、燃料電池本体１０２にて発電運転される際には、回路スイッチ９１がＯＮ状態とされて、発電回路９０にて発電された電流を流すことが可能な状態とされ、一方、発電運転が停止される際には、回路スイッチ９１がＯＦＦ状態とされて、発電回路９０が遮断されて、電流を流すことができない状態とされる。
【０１４２】
また、中間タンク５には、液体燃料の収容量を検出する収容量検出部の一例である液面センサ９２が備えられている。この液面センサ９２は、中間タンク５に収容されている液体燃料の液面が低下して、膜電極組立体３の一部が当該液面より上方に露出されるような液面となったことを検出する機能を有している。また、このような液面センサ９２による上記検出が行なわれた場合には、発電回路９０の回路スイッチ９１がＯＦＦ状態あるいはＯＦＦ状態が保持された状態とされて、燃料電池システム１０１において発電回路に電流が流れないように構成されている。
【０１４３】
次に、このような構成の燃料電池システム１０１において発電が行なわれる場合の夫々の装置や構成機器の動作について以下に説明する。なお、以降において説明する夫々の装置や構成機器の動作制御は、制御装置１０３により互いの動作を関連付けながら統括的に行なわれる。
【０１４４】
まず、図３に示す燃料電池システム１０１において、中間タンク５に、例えば４．５ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液（液体燃料）を収容させるとともに、原液タンク４に、例えば、６８ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液（液体燃料原液）を収容する。中間タンク５に収容された液体燃料は、燃料供給口１ａを通して、アノード１内に供給される。また、中間タンク５へのメタノール水溶液の収容量は、中間タンク５内に配置されているアノード１が完全に浸漬されて、かつ、第１燃料供給管１４の供給側端部が、上記収容されるメタノール水溶液の液面よりも下方に位置されるような収容量とされる。このように中間タンク５内にメタノール水溶液が収容されることで、膜電極組立体３におけるアノード１側の表面が、メタノール水溶液中に浸漬された状態とされる。
【０１４５】
その後、空気ポンプ７が駆動されて、空気供給管路１３及び空気供給口２ａを通してカソード２に空気、すなわち、酸素が供給される。これにより、アノード１においてアノード反応が行なわれるとともに、カソード２においてカソード反応が行なわれる。それとともに、発電回路９０の回路スイッチ９１がＯＮ状態とされる。これにより、アノード１とカソード２との間、すなわち、発電回路９０にて電力が発生する。アノード１にて上記アノード反応が行なわれることにより生成された二酸化炭素は、排出口１ｂを通して、中間タンク５内に流れ込み、さらに、中間タンク５の気液分離膜９を通して中間タンク５外に排出される。
【０１４６】
一方、カソード２にて上記カソード反応が行なわれることにより生成された水は、カソード２内が空気ポンプ７により加圧されていることにより、排出口２ｂから水回収管１９に排出され、この水回収管１９を通して水タンク８に搬送されて回収される。
【０１４７】
また、上記発電が行なわれることにより、中間タンク５においては、収容されているメタノール水溶液のうちのメタノール及び水が消費されることとなる。これにより、中間タンク５において、メタノール水溶液の液量が減少するとともに、メタノール水溶液の濃度が低下することとになる。この低下した濃度を濃度センサ１７にて検出することにより、制御装置１０３にて、中間タンク５への液体燃料原液の供給量（補給量）及び回収された水の回収量（補給量）が決定される。当該決定された夫々の供給量に基づいて、原液タンク４から切替弁１０、第２燃料供給管１５、及び燃料ポンプ１２を通して、液体燃料原液が上記供給量だけ、さらに、水タンク８から水ポンプ１１、バルブ１８、及び水供給管１６を通して、水が上記供給量だけ、中間タンク５へ供給される。なお、このとき、切替弁１０は、第２燃料供給管１５と原液タンク４とを連通し、第１燃料供給管１４と原液タンク４との連通を遮蔽するように、切り替えられた状態とされている。このような液体燃料原液と水との中間タンク５への供給動作により、中間タンク５に収容されている液体燃料が補給されるとともに、その濃度が所定の濃度範囲内に保持される。燃料電池システム１０１において、このような動作が連続的にかつ繰り返して行なわれることにより、燃料電池本体１０２にて必要な電力量（所定の電力量）の発電が継続的に行なわれることとなる。
【０１４８】
一方、燃料電池システム１０１にて発電を停止する際には、発電回路９０の回路スイッチ９１がＯＦＦとされ、発電回路９０が遮断された状態とされる。それとともに、空気ポンプ７の駆動、燃料ポンプ１２の駆動、及び水ポンプ１１の駆動が停止される。さらに、切替弁１０が動作して、原液タンク４と第２燃料供給管１５との連通が遮蔽されて、原液タンク４と第１燃料供給管１４とが連通した状態とされる。このような状態が、燃料電池システム１０１における発電停止状態となり、発電が行なわれない場合はこのような状態が保たれることとなる。
【０１４９】
次に、このような発電停止状態が保持された状態において、中間タンク５に収容されている液体燃料の収容量が低下した場合における動作について以下に説明する。
【０１５０】
燃料電池システム１０１において、発電停止の際、特に長期間発電停止とされるような場合には、中間タンク５に収容されている液体燃料が気化して、気液分離膜９を通して中間タンク５の外部に放出され、その液面が下がることとなる。このように液体燃料の液面が低下することで、中間タンク５内において、第１燃料供給管１４の供給側端部が上記液面より上方に露出される。この液面よりの露出により、上記供給側端部から第１燃料供給管１４内に空気が導入され、この空気の導入に伴って、原液タンク４から中間タンク５へ第１燃料供給管１４を通して液体燃料原液が、動力の作用を用いることなく、重力の作用によって供給される。この液体燃料原液の供給は、中間タンク５内において、液面が上昇して、第１燃料供給管１４の上記供給側端部が上記液面より下方に位置される、すなわち、液体燃料中に浸漬されるまで行なわれる。
【０１５１】
また、上記発電停止の際において、上述のような液体燃料原液の補給が行なわれるような場合であっても、燃料電池システム１０１がさらに長期間放置されたような場合にあっては、原液タンク４に収容されている液体燃料原液が無くなることが考えられる。このような場合にあっては、中間タンク５における液面の低下が発生しても液体燃料原液を補給することができず、当該液面より上方に膜電極組立体３の一部が露出されることとなる。この場合、中間タンク５に設けられた液面センサ９２により当該液面の低下、すなわち、膜電極組立体３の露出を検出することで、発電回路９０の回路スイッチ９１をＯＦＦ状態あるいはＯＦＦ状態が保持された状態として、発電回路９０に電流を流すことができないようにする。このようにすることで、膜電極組立体３が上記液面より露出された状態で、燃料電池システム１０１が起動されて、発電回路９０に電流が流れることにより、膜電極組立体３を損傷させることを防止することができる。
【０１５２】
なお、本第２実施形態において、燃料電池システム１０１が発電停止時に上下反対に置かれた場合には、切替弁１０が第１燃料供給管１４側から第２燃料供給管１５側に自動的に切り替るように構成されており、誤って中間タンク２５の液体燃料が原液タンク４へ逆流することがないようにされている。
【０１５３】
上記第２実施形態によれば、以下のような種々の効果を得ることができる。
【０１５４】
まず、燃料電池システム１０１において、発電停止状態が長期間保たれる等により、中間タンク５内に収容されている液体燃料が気化されて、その液面が低下するような場合であって、動力の作用を用いることなく、重力の作用を用いて、液体燃料を中間タンク５へ補給して、当該液面の高さを所定の範囲内に保つことができる。
【０１５５】
具体的には、中間タンク５において、第１燃料供給管１４の供給側端部が、上記液面の低下に伴って、当該液面より上方に位置されることで、原液タンク４から第１燃料供給管１４を通して、液体燃料原液を中間タンク５内に供給することで、上記液面を上昇させてもとの状態に戻すことができる。また、このように上記液面が上昇されて、第１燃料供給管１４の上記供給側端部が上記液面中に再び浸漬されることで、第１燃料供給管１４よりの液体燃料原液の供給を停止させることができる。このような第１燃料供給管１４を用いた液体燃料原液の供給を行なうことにより、重力の作用を用いて、中間タンク５内に収容されている液体燃料の液面高さを略一定の範囲、すなわち、中間タンク５から液体燃料が溢れ出すことなく、また、膜電極組立体３におけるアノード１側の表面が、液体燃料中に浸漬されるような液面高さの範囲に保つことができる。従って、燃料電池システム１０１が長期間使用されず、中間タンク５に収容されている液体燃料が気化されて減少するような場合であっても、動力の作用を用いずに液体燃料原液を補給することができ、膜電極組立体３が液面より露出して、その一部あるいは全部が乾燥状態となることを防止することができる。よって、膜電極組立体３が乾燥状態にて燃料電池システム１０１が起動されることにより、膜電極組立体３に分極が発生して損傷が生じることを確実に防止することができる。
【０１５６】
一方、燃料電池システム１０１において、発電運転を行なっている際には、中間タンク５内に収容される液体燃料を所望の濃度範囲に保つべく、切替弁１０を切り替えることで、原液タンク４から燃料ポンプ１２及び第２燃料供給管１５を通して、必要な供給量の液体燃料原液を、水タンク８から水ポンプ１１及び水供給管１６を通して、必要な供給量の水を夫々、中間タンク５内に供給することができる。また、このような夫々の供給量は、濃度センサ１７により中間タンク５内に収容されている液体燃料の濃度を検出することにより、制御装置１０３にて決定することができる。
【０１５７】
また、燃料電池システム１０１において、発電停止状態が保たれている間に、原液タンク４が空状態となる等により液体燃料原液の供給を行なうことができず、中間タンク５の液面の低下が発生するような場合には、中間タンク５にて液面センサ９２にて当該液面の低下を検出し、回路スイッチ９１をＯＦＦ状態として発電回路９０を遮断状態とすることができるため、誤って燃料電池システム１０１を起動することにより、上記液面からその一部が露出された状態の膜電極組立体への損傷の発生を防止することができる。
【０１５８】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態にかかる燃料電池システム２０１の模式的な構成を示す模式構成図を図４に示す。図４に示すように、燃料電池システム２０１の基本的な構成は、上記第２実施形態の燃料電池システム１０１と同様であるものの、カソードで生成した水を回収するための補機構成と水供給の構成が異なっている。以下にこの異なる構成部分を中心に説明する。
【０１５９】
図４に示すように、燃料電池システム２０１は、アノード２１、カソード２２、及び膜電極組立体２３を備える燃料電池本体２０２を備えている。また、アノード２１とカソード２２とをそれぞれの電極（図示せず）を介して接続するように、発電回路２９０及び回路スイッチ２９１が設けられている。
【０１６０】
また、燃料電池システム２０１には、上記第２実施形態の燃料電池システム１０１と同様な補機系の構成が設けられており、中間タンク２５、原液タンク２４、燃料ポンプ３２、空気ポンプ２７、水タンク２８が備えられている。
【０１６１】
具体的には、燃料電池本体２０２は、例えば、電解質膜として、Dupont社製のナフィオン１１７（商品名称）を用い、上記電解質膜の一方の表面に、アノード２１のアノード触媒として、炭素系粉末担体に白金とルテニウム、あるいは白金とルテニウムの合金を分散させて担持したものを形成し、他方の表面に、カソード２２のカソード触媒として、炭素系担体に白金微粒子を分散担持したものを形成して、その後、例えば、カーボンペーパーからなる拡散層を上記アノード触媒及び上記カソード触媒の夫々に密着させたものを膜電極組立体２３として形成し、その後、この膜電極組立体２３をセパレータを介してハウジングに固定することにより形成することができる。
【０１６２】
また、図４に示すように、アノード２１は、上記アノード反応を実施可能にその内部にメタノール水溶液を供給させるための燃料供給口２１ａと、当該アノード反応により生成された二酸化炭素を上記内部より排出させるための排出口２１ｂとを備えている。
【０１６３】
また、カソード２２は、上記カソード反応の実施のために用いられる酸素を供給するために、例えば、空気を用い、当該空気をその内部に供給するための空気供給口２２ａと、当該カソード反応にて生成される生成物の一例である水（液相又は気相のいずれの状態、あるいは夫々の状態が混在した状態のいずれの場合をも含む）と空気を上記内部より排出させるための排出口２２ｂとを備えている。なお、この生成物は水を主成分として含むものであるが、その他に、ギ酸、ギ酸メチル、及びメタノール（いわゆるクロスオーバーによる）等も含まれる場合がある。  
【０１６４】
次に、カソード２２で生成した水を回収するための補機構成と水供給の構成について図４を用いて説明する。
【０１６５】
図４に示すように、カソードで生成した水を回収するための補機構成としては、カソード２２の排出口２２ｂと、生成物回収容器として例えば水タンク２８を水回収管３６とバルブ３８を通して連結し、水を回収する構成である。水タンク２８は中間タンク２５よりも上方に配置されており、空気を排出する気液分離膜２６と、中間タンク２５へ回収した水を供給する水供給管３９が備えられる。なお、水タンク２８の底部には傾斜が設けられているとともに、その最低部に水供給管３９が接続されており、これにより、水タンク２８内に収容されている水の排出性が良好な状態とされている。
【０１６６】
次に、中間タンク２５への水供給の具体的な構成について説明する。図４に示すように、水供給管３９の図示下方先端部（水の供給側端部）近傍には、中間タンク２５の液面に対応してバルブを機械的に開閉する水供給バルブ３１が備えられている。水供給バルブ３１には、上記液面を検出するための浮き３３が連結部４０を介して連結されている。この連結部４０には、スイッチ４１（例えば、リミットスイッチ）が備えられ、液面が下がり浮き３３が下がりきった位置でスイッチ４１がＯＦＦになるように設定されている。なお、本第３実施形態においては、浮き３３が収容量検出部の一例となっている。
【０１６７】
ここで、図４における燃料電池システム２０１における図示Ａ部分（すなわち、中間タンク２５における液体燃料の液面近傍）の拡大模式図を図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃの夫々に示す。なお、図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃの夫々は、中間タンク２５の液面が変化して、順次下降していく過程における夫々の状態を示している。また、図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃのそれぞれにおいては、燃料電池本体２０２のアノード２１の上端における高さ位置をＨ０、第１燃料供給管３４の供給側端部の高さ位置をＨ１、水供給管３９の供給側端部の高さ位置をＨ２としている。
【０１６８】
図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃのそれぞれに示すように、アノード２１の上端よりも高い位置に第１燃料供給管３４の供給側端部が位置されており、第１燃料供給管３４の供給側端部よりも高い位置に位置されるように水供給管３９の供給側端部が配置されている。これにより夫々の高さ位置の間で、Ｈ０＜Ｈ１＜Ｈ２の関係が成立している。また、図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃの夫々においては、燃料電池システムが発電停止状態にある。
【０１６９】
また、図５Ａにおいては、中間タンク２５にて、液体燃料の液面が、水供給管３９の供給側端部の高さ位置Ｈ２と略同じ高さ位置に位置されている状態を示している。このような状態においては、浮き３３の位置により連結部４０が略水平に配置され、水供給バルブ３１が閉止された状態となっており、水供給管３９を通じて水の供給は行なわれない状態にある。また、第１燃料供給管３４の供給側端部は、液面より露出されていない状態にあるため、液体燃料原液の供給は行なわれない状態にある。
【０１７０】
次に、図５Ｂにおいては、中間タンク２５にて、液体燃料の液面が、水供給管３９の供給側端部の高さ位置Ｈ２より下方に位置され、かつ、第１燃料供給管３４の供給側端部の高さ位置Ｈ１よりも上方に位置された状態にある。このような状態においては、図５Ａの状態と比べて浮き３３が下がるため、水供給バルブ３１が開いた状態とされる。これにより、水供給管３９を通して水タンク２８から中間タンク２５へ水が供給される。この水の供給により、中間タンク２５において、液面が再び高さ位置Ｈ２の近傍まで上昇すれば、それに伴って浮き３３も上昇し、再び水供給バルブが閉じられて、水供給管３９を通しての水の供給が停止される。なお、再び図５Ａの状態から図５Ｂの状態へと、中間タンク２５において液面が低下するごとに、上述の夫々の動作が繰り返されて、中間タンク２５への水の供給が行なわれ、液面の高さ位置が、高さ位置Ｈ２からＨ１の範囲内に保持されることとなる。
【０１７１】
また、図５Ｃにおいては、水タンク２８に収容されている水がなくなり、中間タンク２５への水の供給を行なうことができず、液体燃料の液面がさらに高さ位置Ｈ１より下がり、高さ位置Ｈ０の近傍に位置された状態を示している。このような状態においては、第１燃料供給管３４の供給側端部が液面よりも上方に露出された状態とされていることより、上記第２実施形態において説明した原理と同じ原理にて、原液タンク２４から第１燃料供給管３４を通して液体燃料原液が供給される。この液体燃料原液の供給により、中間タンク２５の液面を所定の高さ位置範囲内に保つことができる。
【０１７２】
また、図５Ｃに示す状態において、原液タンク２４が空となっているような場合にあっては、液体燃料原液の補給を行なうことができず、中間タンク２５の液面が下がった状態となる。このような状態にあっては、水供給バルブ３１の連結部４０のスイッチ４１がＯＦＦ状態とされるため、回路スイッチ２９１がＯＦＦ状態とされて発電回路２９０が遮断された状態とされ、燃料電池システム２０１が起動できない状態とされる。これにより、その後、さらに中間タンク２５において液体燃料の液面の低下が生じて、当該液面より上方に膜電極組立体２３が露出された状態で、燃料電池システム２０１が起動されることを確実に防止することができる。よって、膜電極組立体２３が液面の上方に露出する状態およびその結果乾燥状態とされた状態において、発電が行なわれることによる膜電極組立体２３の損傷発生を防止することができる。なお、燃料電池システム２０１において、起動できない状態であり、燃料補給が必要であることをユーザ等に知らせる表示を出したり、燃料切れのランプを点灯させるような場合であってもよい。
【０１７３】
なお、本第３実施形態の燃料電池システム２０１における発電のための動作については、上記第１実施形態の燃料電池システム１０１の動作と同様であるため、その説明を省略するものとする。また、このような発電のための夫々の動作及び発電運転停止時の夫々の動作における夫々の装置や構成機器の動作制御は、制御装置２０３により互いの動作を関連付けながら統括的に行なわれる。
【０１７４】
また、本第３実施形態において、燃料電池システム２０１が発電停止時に上下反対に置かれた場合、切替弁３２が第２燃料供給管３５側に切り替わるため、第１燃料供給管３４を閉止することができ、さらに、水供給バルブ３１においては、浮き３３がバルブを閉止する方向に移動されるため、誤って中間タンク２５の液体燃料が原液タンク２４及び水タンク２８へ逆流することがないように構成されている。
【０１７５】
また、本第３実施形態においては、水タンク２８から中間タンク２５への水の供給が、水供給管３９及び水供給バルブ３１（生成物用重力供給部の一例である）を通して、動力の作用を用いることなく、重力の作用を用いて行なわれる場合について説明したが、本第３実施形態はこのような場合のみに限定されるものではない。このような場合に代えて、例えば、燃料供給の態様と同様に、重力の作用を用いて水の供給を行なう水供給管３９及び水供給バルブ３１と、動力の作用を用いて水の供給を行なう別の水供給管とその途中に設けられた水供給ポンプ（生成物用動力供給部の一例である）と、夫々の供給管を選択可能に切り替える切替弁とが備えられるような場合であってもよい。このような場合にあっては、上記第１実施形態の場合と同様に、燃料電池システム２０１において発電運転中に、中間タンク２５への液体燃料原液の供給量と、水の供給量とを、燃料ポンプ３２と上記水供給ポンプとの駆動を制御することで調整することができるため、中間タンク２５に収容される液体燃料の濃度を調整することができるという利点がある。一方、本第３実施形態の構成においては、このような濃度調整を行なうことができないため、逆に濃度調整を必要としない濃度範囲、例えば１０ｗｔ％以下のメタノール水溶液を液体燃料として用いるような場合に適している。なお、このような濃度範囲は、膜電極組立体２３のクロスオーバー特性に大きく影響されるものであり、このような特性が改善されることで、上記濃度範囲をさらに拡大することが可能である。
【０１７６】
また、本第３実施形態の燃料電池システム２０１においては、発電停止時において中間タンク２５に収容されている液体燃料の収容量が減少した場合に、水の補給が最初に行われることとなるが、このような方式によれば中間タンク２５内の液体燃料の濃度が発電可能濃度範囲を下回ることも考えられ、燃料電池本体２０２において発電を開始できないような場合も考えられる。このような問題を解消するため、水タンク２８の出口付近における水供給管３９に外部信号により開閉動作可能な自動弁４２を設置し、制御装置２０３にて、濃度センサ３７により中間タンク２５内の液体燃料の濃度を検出させて、当該検出結果に基づいて、上記発電可能濃度範囲を下回っていると判断する場合には、自動弁４２を閉止して水供給管３９を遮蔽し、中間タンク２５への水の補給を停止させるような制御を行う。これにより、中間タンク２５へは液体燃料原液が供給されることとなり、上記濃度の低下を防止することができ、燃料電池本体２０２における発電を開始させることが可能となる。その後、濃度の上昇が確認されると、自動弁４２を開放させて水の補給を再開させることもできる。
【０１７７】
上記第３実施形態によれば、燃料電池システム２０１において発電停止時における中間タンク２５内の燃料が自然蒸発してその液面が低下しても、動力の作用を用いることなく、重力の作用を用いることで、液体燃料原液及び水を中間タンク２５内へ供給することができるため、中間タンク２５よりアノード２１へ常に液体燃料を供給することができる。このため、中間タンク２５の液体燃料が減少した状態で放置されることがないことと、燃料電池システム２０１を起動した時に液体燃料が少ないことで膜電極組立体２３にダメージを与えないという効果を得ることができる。
【０１７８】
なお、上記それぞれの実施形態において膜電極組立体３、２３、及び５３が有する電解質膜としてDuPont社のナフィオン１１７を用いた場合に付いて説明したが、このような場合に代えて、水素イオン導電性を示す膜の材料として、パーフルオロカーボン系スルフォン酸等に代表されるスルフォン化したフッ素系ポリマーやポリスチレンスルフォン酸、スルフォン化ポリエーテルエーテルケトン類等の炭化水素系ポリマーを用いても良い。
【０１７９】
また、上記それぞれの実施形態においては、拡散層としてカーボンペーパーを用いた場合について説明したが、このような場合に代えて、拡散層として発泡金属（例えば、ステンレス材料からなる発泡金属）を用いることもできる。
【０１８０】
また、上記夫々の実施形態においては、中間タンクに収容される液体燃料の濃度を１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲のいずれかの濃度のメタノール水溶液を用いたが、このような濃度範囲の上限値は、燃料電池本体の膜電極組立体のクロスオーバー特性に基づくものである。従って、今後、このクロスオーバー特性が改善されれば、さらに高い濃度（すなわち、１０ｗｔ％よりも高い濃度）のメタノール水溶液を用いることも可能である。
【０１８１】
また、上記第２実施形態及び上記第３実施形態においては、燃料供給口１ａ、２１ａを通してアノード１、２１の内部に液体燃料を供給すると説明したが、中間タンク５、２５の液面が排出口１ｂ、２１ｂより高い場合は、排出口１ｂ、２１ｂから燃料が供給されてもよい。
【０１８２】
また、上記それぞれの実施形態の燃料電池システム５０、１０１、又は２０１を、燃料電池パック３０１として、携帯電子機器の一例であるノート型パーソナルコンピュータ用の電池として用いる場合の模式斜視図を図６Ａ及び図６Ｂに示す。図６Ａ及び図６Ｂに示すように燃料電池システム５０、１０１、及び２０１を小型化することができるため、このようにノート型パーソナルコンピュータの電源として用いることが可能となる。
【０１８３】
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【０１８４】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１８５】
【図１】本発明における第１実施形態の燃料電池システムの模式構成図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおいて、発電を開始する手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムの模式構成図である。
【図４】本発明の第３実施形態にかかる燃料電池システムの模式構成図である。
【図５Ａ】図４の燃料電池システムにおける燃料供給部（Ａ部）の模式拡大図であり、中間タンクの液面高さが水供給管の供給側端部と略同じ高さ位置にある状態を示す模式図である。
【図５Ｂ】図４の燃料電池システムにおける燃料供給部（Ａ部）の模式拡大図であり、上記液面が第１燃料供給管の供給側端部よりもやや上方に位置されている状態を示す模式図である。
【図５Ｃ】図４の燃料電池システムにおける燃料供給部（Ａ部）の模式拡大図であり、上記液面が第１燃料供給管の供給側端部よりも下方に位置されている状態を示す模式図である。
【図６Ａ】本発明の上記第１実施形態、上記第２実施形態、又は上記第３実施形態の燃料電池システムを燃料電池パックとして、ノート型パーソナルコンピュータに搭載した状態を示す斜視図であり、パーソナルコンピュータの画面を開いた状態を示す斜視図である。
【図６Ｂ】本発明の上記第１実施形態、上記第２実施形態、又は上記第３実施形態の燃料電池システムを燃料電池パックとして、ノート型パーソナルコンピュータに搭載した状態を示す斜視図であり、パーソナルコンピュータの画面を閉じた状態を示す斜視図である。
【図７】従来の燃料電池システムの模式構成図である。
【図８】上記第１実施形態の変形例にかかる燃料電池システムの部分構成図である。
【図９】図８の燃料電池システムにおけるＶ−Ｖ線矢視図である。
【図１０】図９の燃料電池システムが傾斜して配置された状態を示す模式図である。
【図１１】図８の燃料電池システムのアノードのハウジング上部の拡大模式図である。
【符号の説明】
【０１８６】
５０…燃料電池システム、５１…アノード、５１ａ…燃料供給口、５１ｂ…排出口、５２…カソード、５２ａ…空気供給口、５２ｂ…排出口、５３…膜電極組立体、５４…原液タンク、５５…中間タンク、５６…気液分離膜、５７…空気ポンプ、５８…水タンク、５９…排気管、６０…自動弁、６１…水ポンプ、６２…燃料ポンプ、６３…空気供給管、６４…レベルセンサ、６５…燃料供給管、６６…水供給管、６７…濃度センサ、６８…自動弁、６９…水回収管、７０…燃料電池本体、７３…制御装置、７４…２次電池。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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