(57)【要約】【課題】  液体燃料をアノードに直接供給しながら発電する燃料電池において、燃料供給系等の補機の構成の小型化及び簡素化を図ることができ、携帯電子機器用として用いることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム１，１ａに用いられる燃料電池用燃料タンク１０、３０は、移動可能に配設された仕切り板１２、３２によって内部が液体燃料１００を貯蔵する燃料部１０ｂ，３０ｂと加圧部１０ａ，３０ａに区画され、加圧部１０ａ，３０ａにカソード５からの排出物を取りこむための排出物取込口１３，３３と、加圧部１０ａ，３０ａに蓄積された水１０１をアノード３側に給送する水給送口１５、３５とをそれぞれ備え、加圧部１０ａ，３０ａに蓄積された排出物によって、仕切り板１２，３２が燃料部側へ移動して、燃料部１０ｂ，３０ｂを加圧する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動可能に配設された仕切り板によって内部が燃料部と加圧部に区画され、前記燃料部に燃料電池本体に用いられる液体燃料を貯蔵する燃料電池用燃料タンクであって、
前記加圧部は、前記燃料電池本体のカソードからの水と空気を含む排出物を取りこむための排出物取込口と、前記加圧部に蓄積された水を前記燃料電池本体のアノード側に給送する水給送口とをそれぞれ備え、
前記燃料部は、内部に貯蔵された前記液体燃料を前記燃料電池本体のアノード側に給送する燃料給送口を備え、
前記加圧部に蓄積された排出物によって、前記仕切り板が前記燃料部側へ移動して、前記燃料部を加圧することによって前記燃料給送口から液体燃料を吐出するように構成されていることを特徴とする、燃料電池用燃料タンク。
【請求項２】
さらに、前記排出物から水と空気を分離する水分離機構を加圧部に備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用燃料タンク。
【請求項３】
前記水分離機構は、前記排出物取込口に連通し、加圧部内に配設された管体を有し、前記加圧部内に蓄積された水を冷媒とする熱交換器であることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池用燃料タンク。
【請求項４】
さらに、前記燃料電池本体からの排出物による前記加圧部内の圧力を調整する圧力調整機構を前記加圧部に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池用燃料タンク。
【請求項５】
前記圧力調整機構は、加圧部の外壁に設けられた圧力調整弁であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用燃料タンク。
【請求項６】
前記燃料給送口、前記水給送口及び前記排出物取込口は、それぞれ前記燃料電池本体に接続された配管と脱着可能に接続するためのコネクタを備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載の燃料電池用燃料タンク。
【請求項７】
前記燃料部に設けられた燃料補給用の燃料補給接続器と、前記加圧部に設けられた前記加圧部に蓄積された排出物の回収用の水回収用接続器とをそれぞれ備え、燃料補給時に燃料カートリッジと接続して燃料を補給するとともに加圧部内の排出物を排出可能であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の燃料電池用燃料タンク。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１つに記載の燃料電池用燃料タンクと、
燃料を酸化するアノードと、酸素を還元するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜とを有する燃料電池本体と、
前記アノード側に供給される燃料の濃度が所定の値になるように前記水給送口から給送される水の量を調整する第１の給送量調整手段と、
前記加圧部に蓄積された前記排出物によって前記仕切り板が所定の圧力で前記燃料部を加圧するように前記第１の給送量調整手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項９】
さらに、前記燃料電池本体に供給される燃料の量を調整する第２の給送量調整手段を有し、
前記制御手段は、前記燃料電池本体内で発電によって消費された燃料を前記燃料電池用燃料タンクから前記電池本体のアノード側に給送するように前記第２の給送量調整手段を制御することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記仕切り板の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段によって検出された前記仕切り板の位置に関する情報に基づいて燃料タンクに収容されている液体燃料の残量を検出する燃料残量算出手段とを備えることを特徴とする、請求項８又は９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記位置検出手段は、前記仕切り板の位置を前記燃料タンクと非接触で検出可能な装置により構成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記位置検出手段は、前記仕切り板に設けられた磁石と、
前記燃料タンクの外部に設けられ、前記磁石から発せられ前記燃料タンクの外壁を透過した磁界を検出して前記磁石の位置を検出する検出器とで構成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
さらに、前記燃料残量算出手段により算出された液体燃料の残量の情報に基づいて当該燃料タンクに収容されている液体燃料によって発電できる電力量を算出する残存電力量算出手段と、
前記燃料電池本体から出力された電力量に基づいて単位時間あたりに出力された電力量をする消費電力量算出手段と、
前記残存電力量算出手段によって算出された発電できる電力量と前記消費電力量算出手段によって算出された単位時間あたりの消費電力量との情報に基づいて、前記燃料タンクに収容されている液体燃料によって発電可能な残り時間の情報を算出する残存時間算出手段とを備えることを特徴とする、請求項１０から１２のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
さらに、前記燃料タンクから給送された液体燃料と、前記水給送口から給送された水とを貯留する中間タンクを備えることを特徴とする、請求項８から１３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料電池本体の少なくともアノード側は、前記中間タンク中に配置されることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記制御手段は、前記中間タンク内の燃料の濃度が一定の値となるように、前記第１及び第２の給送量調整手段を制御することを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
燃料電池本体の燃料を格納する燃料部とカソードからの水と空気を含む排出物を回収する加圧部に区画分離された燃料タンクに接続されて用いられる燃料補充用カートリッジであって、内部が燃料を貯留する燃料室と水回収室にピストンにより区画され、前記燃料室には燃料タンクの燃料補給接続器と接続可能な燃料補給接続器を備え、前記水回収室には燃料タンクの水回収用接続器に接続可能な回収用接続器を備え、
前記ピストンを燃料室側へ移動することにより、燃料室内の燃料を前記燃料タンクの燃料部へ供給すると共に、前記燃料タンクの加圧部内の排出物を前記水回収室内に回収することを特徴とする、燃料カートリッジ。
【請求項１８】
請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池用燃料タンクと、
前記燃料タンクから給送された液体燃料と、前記水給送口から給送された水とを貯留する中間タンクと、
前記燃料を酸化するアノードと、酸素を還元するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜とを有する燃料電池本体と、
前記水給送口から給送される水の量を前記アノード側に供給される燃料の濃度を所定の値になるように調整する第１の給送量調整手段と、
前記加圧部に蓄積された前記排出物によって前記仕切り板が所定の圧力で前記燃料部を加圧するように前記第１の給送量調整手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項１９】
前記燃料電池本体の少なくともアノード側は、前記中間タンク中に配置されることを特徴とする、請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
さらに、前記燃料電池本体に供給される燃料の量を調整する第２の給送量調整手段を有し、
前記制御手段は、前記燃料電池本体内で発電によって消費された燃料を前記燃料電池用燃料タンクから前記電池本体のアノード側に給送するように前記第２の給送量調整手段を制御することを特徴とする、請求項１９に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記中間タンク中の液面レベルを検出する液面検出装置と前記液面検出装置により中間タンク中の液面が基準レベルよりも低くなった場合は、前記制御手段は、中間タンクへ水及び液体燃料のうち少なくともいずれか一方を供給するように第１及び第２の給送量調整手段を制御することを特徴とする、請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記制御手段は、前記中間タンク内の燃料の濃度が一定の値となるように、前記第１及び第２の給送量調整手段を制御することを特徴とする、請求項１８から２１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記電池本体は、厚み方向に扁平で表面に凹凸が形成されたセパレータを有するアノードと、カソードと、前記アノードとカソードとの間に存在する膜電極組立体とを有し、前記アノード側セパレータ表面に設けられた凹凸と前記膜電極組立体の表面によって囲まれた領域に前記液体燃料が流動する燃料用通路を画定し、
前記燃料用通路は、当該燃料用通路の導入口から当該導入口よりも高位置に設けられた排出口まで略一方向に延在することを特徴とする請求項１５記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記アノード側セパレータは、波状に形成された板体で構成される請求項２２に記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記カソードは、厚み方向に扁平で表面に凹凸が形成され、かつ、非導電性材料で形成されたカソード側セパレータを備える請求項２３又は２４に記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記カソード側セパレータの凹凸は、表面を蛇行した形に形成されていることを特徴とする、請求項２５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特にメタノールなどの有機燃料をアノードに直接供給して発電する燃料電池本体に用いられる燃料タンク及び燃料電池本体を用い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。
【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。特に、二次電池としては、ニッカド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。しかし、二次電池は一定量の電力使用後に充電機器を用いて一定時間の充電をおこなう必要があるため、短い充電時間で長時間連続駆動が可能な電池が要望されている。
【０００３】
この要望に応えるため、充電を必要としない燃料電池が提案されている。燃料電池は、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の例としては、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（ＰＥＦＣ）が知られている。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り、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（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】
このＤＭＦＣにおける燃料電池本体内でおこなわれるアノード側の反応及び、カソード側の反応は以下の通りである。
アノード側：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→６Ｈ＋＋６ｅ−＋ＣＯ２
カソード側：６Ｈ＋＋６ｅ−＋３／２Ｏ２→３Ｈ２Ｏ
【０００７】
上記化学式に示すように、燃料電池を用いて発電することにより、アノード側では二酸化炭素が生成し、カソード側では水が生成する。よって、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ための補機を搭載した燃料電池システムを構成する必要がある。
【０００８】
このような従来のＤＭＦＣ方式の燃料電池システムの構成としては、米国特許第５５９９６３８号明細書（特許文献１、図１及び図２）などが例示できる。この燃料電池システムは、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アノードに安定してメタノールを供給するために、ポンプを用いてアノードにメタノール水溶液を供給し、当該アノードで消費されなかった残りの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。
【０００９】
一方、カソード側で発電により生成された水は、水回収装置により回収され、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る。
【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】
【００１０】
しかし、このようなＤＭＦＣにおいては、上記化学式に示すように、アノード側に供給されたメタノール水溶液のうちの１ｍｏｌのメタノールと１ｍｏｌの水を消費して発電が行なわれ、カソード側で３ｍｏｌの水が生成する。従って、これらの生成した水を全て回収して循環タンクに供給すれば、当該循環タンク内のメタノール水溶液の濃度の低下を著しく促進させることとなり、発電可能時間の低下や発電される電力量の低下を招くこととなるという問題がある。
【００１１】
一方、カソード側で生成した水を、例えば前記循環タンクのメタノールの濃度を低下させない程度に循環タンクに供給し、残りを外部に排出したとすると、当該排出された水や水蒸気が、携帯機器に付着して電子機器に影響を及ぼしたり、例えばカバンやポケットに携帯機器を収納した場合、ポケットの中やカバンの中がぬれるといった問題が発生する。
【００１２】
また、特に携帯電子機器に用いられる燃料電池システムは、小型に構成する必要があり、発電される電力量も小さい。また、当該燃料電池システムにおけるポンプ等の補機を駆動するための電力が自己消費されるため、限られた電力量の下では、このような補機はなるべく少なくして消費電力を抑える必要がある。例えば、燃料電池システムの発電出力が１２Ｗであれば、補機の消費電力は２Ｗ以下とすることが好ましい。
【００１３】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、例えばメタノール等の液体燃料をアノードに直接供給しながら発電する燃料電池において、燃料供給系等の補機の構成の小型化及び簡素化を図ることができ、パーソナルコンピュータや携帯電話などの携帯電子機器用として用いることができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記技術的課題を解決するために、燃料を貯蔵する燃料タンクの構成に着目し、以下の構成の燃料電池用燃料タンクを提供する。
【００１５】
本発明の第１態様に係る燃料電池用燃料タンクは、移動可能に配設された仕切り板によって内部が燃料部と加圧部に区画され、前記燃料部に燃料電池本体に用いられる液体燃料を貯蔵する燃料電池用燃料タンクであって、
前記加圧部は、前記燃料電池本体のカソードからの水と空気を含む排出物を取りこむための排出物取込口と、前記加圧部に蓄積された水を前記燃料電池本体のアノード側に給送する水給送口とをそれぞれ備え、
前記燃料部は、内部に貯蔵された前記液体燃料を前記燃料電池本体のアノード側に給送する燃料給送口を備え、
前記加圧部に蓄積された排出物によって、前記仕切り板が前記燃料部側へ移動して、前記燃料部を加圧することによって前記燃料給送口から液体燃料を吐出するように構成されていることを特徴とする。
【００１６】
ここで、燃料部は燃料電池への燃料給送口を有し、仕切り板によって加圧部と燃料部とが完全に分離され、燃料と排出物とが混ざらないように構成されているため、燃料の濃度変化を起こすことがない。また、加圧部に蓄積された排出物によって、仕切り板を常時加圧部から燃料部側へ加圧することで、燃料供給のためのポンプを搭載することなく安定して液体燃料を燃料電池本体へ供給することができる。
【００１７】
さらに、カソードからの水と空気を含む排出物が仕切り板を加圧することで、燃料タンク内に別個の加圧機構が不要となり、燃料タンク内の構成を簡素化することができる。これにより燃料タンクの内部構造の複雑化を防止することができる。さらに、一度加圧部内に排出物を導き、アノードの反応で消費される量の水を加圧部から給送するため、アノード側の燃料の濃度を低下させることもなく、また、余分な水分を外部放出せずに完全なクローズドシステムとすることができる。
【００１８】
本発明の第２態様によれば、さらに、前記排出物から水と空気を分離する水分離機構を加圧部に備えることを特徴とする燃料電池用燃料タンクを提供する。
【００１９】
本発明の第３態様によれば、第２態様において、前記水分離機構は、前記排出物取込口に連通し、加圧部内に配設された管体を有し、前記加圧部内に蓄積された水を冷媒とする熱交換器である。
【００２０】
上記各構成において、水をアノード側へ給送するために、排出物中の水（水蒸気を含む）と空気を分離することが好ましい。このために、加圧部内の水を冷媒とする熱交換器を用いて、水蒸気を凝結させることにより、簡単な構成で水と空気を分離することができる。
【００２１】
本発明の第４態様によれば、さらに、前記燃料電池本体からの排出物による前記加圧部内の圧力を調整する圧力調整機構を前記加圧部に備える第１態様から第３態様の燃料電池用燃料タンクを提供する。
【００２２】
圧力調整機構を加圧部に備えることで圧力を調整でき、加圧部の圧力が一定以上になった場合や、始動時に燃料を供給する場合に、燃料部に必要以上に圧力がかかることを防止したり、必要な量の燃料を供給することができる。これにより、燃料の必要以上の供給や、燃料タンクの破損等が防止することができる。
【００２３】
本発明の第５態様によれば、前記圧力調整機構は、加圧部の外壁に設けられた圧力調整弁である第４態様の燃料電池用燃料タンクを提供する。
【００２４】
圧力調整機構を加圧部の外壁に設けられた圧力調整弁とすることで、加圧部内が一定以上の圧力に達した場合、圧力が自動的に調整されるとともに、必要に応じ加圧力を調整することができる。
【００２５】
本発明の第６態様によれば、前記燃料給送口、前記水給送口及び前記排出物取込口は、それぞれ前記燃料電池本体に接続された配管と脱着可能に接続するためのコネクタを備える第１から第５態様のいずれか１つの燃料電池用燃料タンクを提供する。
【００２６】
本発明の第７態様によれば、前記燃料部に設けられた燃料補給用の燃料補給接続器と、前記加圧部に設けられた前記加圧部に蓄積された排出物の回収用の水回収用接続器とをそれぞれ備え、燃料補給時に燃料補給接続器と水回収用接続器とをそれぞれ燃料カートリッジと接続して燃料を補給するとともに加圧部内の排出物を排出可能である第１から第６態様の燃料電池用燃料タンクを提供する。
【００２７】
上記構成において、燃料補給接続器と水回収用接続器とを備え、これらを燃料カートリッジに接続することにより、燃料を補給すると同時に回収した水を排出することができる。
【００２８】
本発明の第８態様によれば、第１から第７態様の燃料電池用燃料タンクと、
燃料を酸化するアノードと、酸素を還元するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜とを有する燃料電池本体と、
前記アノード側に供給される燃料の濃度が所定の値になるように前記水給送口から給送される水の量を調整する第１の給送量調整手段と、
前記加圧部に蓄積された前記排出物によって前記仕切り板が所定の圧力で前記燃料部を加圧するように前記第１の給送量調整手段を制御する制御手段を備える燃料電池システムを提供する。
【００２９】
上記構成において、燃料電池システムは、アノード側への燃料の濃度を所定の値とするための第１の給送量調整手段によって、前記仕切り板が所定の圧力で前記燃料部を加圧するように水給送口から給送される水の量を調整する。第１の給送量調整手段としては、制御手段からの制御を受けて水の流量を調整することができるような電磁弁などが好適に用いられる。上記構成によれば、燃料部から給送される燃料を一定の条件で安定して燃料電池本体に給送することができ、安定した発電とすることができる。
【００３０】
本発明の第９態様によれば、さらに、前記燃料電池本体に供給される燃料の量を調整する第２の給送量調整手段を有し、
前記制御手段は、前記燃料電池本体内で発電によって消費された燃料を前記燃料電池用燃料タンクから前記電池本体のアノード側に給送するように前記第２の給送量調整手段を制御することを特徴とする、第８態様の燃料電池システムを提供する。
【００３１】
上記構成によれば、第２の給送量調整手段により、消費された分の燃料を供給するように制御されるため、安定した発電を行うことができる。
【００３２】
本発明の第１０態様によれば、前記仕切り板の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段によって検出された前記仕切り板の位置に関する情報に基づいて燃料タンクに収容されている液体燃料の量を検出する燃料収容量算出手段とを備える第８又は第９態様の燃料電池システムを提供する。
【００３３】
上記構成において、燃料タンクは仕切り板が移動して燃料部側に付勢されることにより液体燃料が吐出されるように構成されているため、仕切り板の位置を検出することにより、液体燃料の残量を検出することが可能となる。
【００３４】
本発明の第１１態様によれば、前記位置検出手段は、前記仕切り板の位置を前記燃料タンクと非接触で検出可能な装置により構成されている第１０態様の燃料電池システムを提供する。
【００３５】
本発明の第１２態様によれば、前記位置検出手段は、前記仕切り板に設けられた磁石と、
前記燃料タンクの外部に設けられ、前記磁石から発せられ前記燃料タンクの外壁を透過した磁界を検出して前記磁石の位置を検出する検出器とで構成されている第１１態様の燃料電池システムを提供する。
【００３６】
上記構成において、燃料タンクが交換式であるような場合、燃料タンクに仕切り板の位置を検出し燃料の残量を算出できる装置を搭載することは、タンクの大型化を招くため、仕切り板の位置検出及び残量の算出は燃料タンクの外部に設けられた装置によって行うことが好ましい。このため、例えば、仕切り板に設けられた磁石の磁界をうけて磁石の位置を検出可能な検出器などを用い、仕切り板の位置を非接触で検出可能に構成することが好ましい。
【００３７】
本発明の第１３態様によれば、さらに、前記燃料残量算出手段により算出された液体燃料の残量の情報に基づいて当該燃料タンクに収容されている液体燃料によって発電できる電力量を算出する残存電力量算出手段と、
前記燃料電池本体から出力された電力量に基づいて単位時間あたりに出力された電力量をする消費電力量算出手段と、
前記残存電力量算出手段によって算出された発電できる電力量と前記消費電力量算出手段によって算出された単位時間あたりの消費電力量との情報に基づいて、前記燃料タンクに収容されている液体燃料によって発電可能な残り時間の情報を算出する残存時間算出手段とを備えることを特徴とする、第１０から第１２態様のいずれか１つの燃料電池システムを提供する。
【００３８】
本発明の第１４態様によれば、さらに、前記燃料タンクから給送された液体燃料と、前記水給送口から給送された水とを貯留する中間タンクを備える第８から第１３態様のいずれか１つの燃料電池システムを提供する。
【００３９】
上記構成によれば、燃料と水給送口から給送された水とが混合して貯留される中間タンクを備えるため、アノードに供給される燃料の濃度の制御が容易となる。
【００４０】
本発明の第１５態様によれば、前記燃料電池本体の少なくともアノード側は、前記中間タンク中に配置される第１４態様の燃料電池システムを提供する。
【００４１】
上記構成によれば、燃料を中間タンクへ供給するポンプと中間タンクからアノードへ供給するポンプを省いてよりシンプルな構成にすることができる。
【００４２】
本発明の第１６態様によれば、前記制御手段は、前記中間タンク内の燃料の濃度が一定の値となるように、前記第１及び第２の給送量調整手段を制御する第１４又は第１５態様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、燃料電池本体の燃料を格納する燃料部とカソードからの水と空気を含む排出物を回収する加圧部に区画分離された燃料タンクに接続されて用いられる燃料カートリッジであって、内部が燃料を貯留する燃料室と水回収室にピストンにより区画され、前記燃料室には燃料タンクの燃料補給接続器と接続可能な燃料補給接続器を備え、前記水回収室には燃料タンクの水回収用接続器に接続可能な回収用接続器を備え、
前記ピストンを燃料室側へ移動することにより、燃料室内の燃料を前記燃料タンクの燃料部へ供給すると共に、前記燃料タンクの加圧部内の排出物を前記水回収室内に回収する燃料カートリッジを提供する。
【００４４】
本発明の第１８態様によれば、第１から第７態様のいずれかの燃料電池用燃料タンクと、
前記燃料タンクから給送された液体燃料と、前記水給送口から給送された水とを貯留する中間タンクと、
前記燃料を酸化するアノードと、酸素を還元するカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜とを有する燃料電池本体と、
前記水給送口から給送される水の量を前記アノード側に供給される燃料の濃度を所定の値になるように調整する第１の給送量調整手段と、
前記加圧部に蓄積された前記排出物によって前記仕切り板が所定の圧力で前記燃料部を加圧するように前記第１の給送量調整手段を制御する制御手段を備える、燃料電池システムを提供する。
【００４５】
本発明の第１９態様によれば、前記燃料電池本体の少なくともアノード側は、前記中間タンク中に配置される第１８態様に記載の燃料電池システム。
【００４６】
本発明の第２０態様によれば、さらに、前記燃料電池本体に供給される燃料の量を調整する第２の給送量調整手段を有し、
前記制御手段は、前記燃料電池本体内で発電によって消費された燃料を前記燃料電池用燃料タンクから前記電池本体のアノード側に給送するように前記第２の給送量調整手段を制御することを特徴とする、第１８又は第１９態様の燃料電池システムを提供する。
【００４７】
本発明の第２１態様によれば、前記中間タンク中の液面レベルを検出する液面検出装置と前記液面検出装置により中間タンク中の液面が基準レベルよりも低くなった場合は、前記制御手段は、中間タンクへ水及び液体燃料のうち少なくともいずれか一方を供給するように第１及び第２の給送量調整手段を制御することを特徴とする、第２０態様の燃料電池システムを提供する。
【００４８】
本発明の第２２態様によれば、前記制御手段は、前記中間タンク内の燃料の濃度が一定の値となるように、前記第１及び第２の給送量調整手段を制御する第１８から第２１態様のいずれか１つの燃料電池システムを提供する。
【００４９】
本発明の第２３態様によれば、前記電池本体は、厚み方向に扁平で表面に凹凸が形成されたセパレータを有するアノードと、カソードと、前記アノードとカソードとの間に存在する膜電極組立体とを有し、前記アノード側セパレータ表面に設けられた凹凸と前記膜電極組立体の表面によって囲まれた領域に前記液体燃料が流動する燃料用通路を画定し、前記燃料用通路は、当該燃料用通路の導入口から当該導入口よりも高位置に設けられた排出口まで略一方向に延在することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００５０】
上記構成において、燃料電池は、アノード側が中間タンクに貯留された液体燃料中に浸漬するように配置され、当該中間タンクに貯留された液体燃料をアノードに通過させるものである。燃料電池のアノードは、セパレータと膜電極組立体によって画定された燃料用通路を有し、当該燃料用通路に液体燃料を通過させる。この通路を通る途中に、液体燃料は、アノード反応により分解し、水素と二酸化炭素となる。したがって、アノード内で発生した二酸化炭素によって、アノード内の燃料の流動が行われ、長時間にわたり発電を行うことができる。上記構成においては、燃料用通路を導入口から当該導入口よりも高位置に設けられた排出口まで略一方向に延在するように構成しているため、当該通路を通る途中にアノード反応により発生した二酸化炭素が上昇し、排出口方向に移動するため、排出口側の通路ほど液体密度が低くなり、液体を排出口側に送り出そうとする推力が働く。
【００５１】
したがって、上記構成に係る発明によれば、ポンプなどの特別な動力を必要とすることなく、液体燃料をアノード内に効率よく供給することができる。したがって少ない補機で燃料電池システムを構成することが可能となる。
【００５２】
本発明の第２４態様によれば、前記アノード側セパレータは、波状に形成された板体で構成される第２２態様の燃料電池システムを提供する。
【００５３】
本発明の第２５態様によれば、前記カソードは、厚み方向に扁平で表面に凹凸が形成され、かつ、非導電性材料で形成されたカソード側セパレータを備える第２３又は第２４態様の燃料電池システムを提供する。
【００５４】
本発明の第２６態様によれば、前記カソード側セパレータの凹凸は、表面を蛇行した形に形成されている第２５態様の燃料電池システムを提供する。
【発明の効果】
【００５５】
本発明の第１態様に係る発明によれば、仕切り板が加圧部に蓄積された排出物によって常時加圧部から燃料部側へ加圧することで、燃料供給のための装置を搭載することなく安定して燃料を燃料電池へ供給することができる。また、カソードからの水と空気を含む排出物を加圧部内に導き、これを用いて仕切り板の加圧をすることで、燃料タンク内に特別の加圧機構が不要となり、燃料タンク内の構成を簡素化することができる。さらに、一度加圧部内に排出物を導き、アノードの反応で消費される量の水を、加圧部から給送することにより、アノード側の燃料の濃度を低下させることもなく、また、余分な水分を外部放出せずに完全なクローズドシステムとすることができる。
【００５６】
本発明の第２及び３態様によれば、水をアノード側へ給送するために、排出物中の水（水蒸気を含む）と空気を分離することが好ましく、このために水分離機構を備える。水分離機構としては、加圧部内の水を冷媒とする熱交換器が好適であり、水蒸気を凝結させることにより、簡単な構成で水と空気を分離することができる。
【００５７】
本発明の第４態様によれば、圧力調整機構を加圧部に備えることで、加圧部の圧力が一定以上になった場合、圧力を調整でき、必要以上に燃料部に圧力がかかることを防止できる。これにより、燃料の供給の制御が容易であり、必要以上の供給や燃料タンクの破損等の問題を防止することができる。
【００５８】
本発明の第５態様によれば、圧力調整機構を加圧部の外壁に設けられた圧力調整弁とすることで、加圧部内が一定以上の圧力に達した場合、弁が開放して圧力を自動的に調整することができる。
【００５９】
本発明の第６態様によれば、燃料タンクを脱着可能にすることができ、燃料の消費に伴う燃料の補充をタンクの取替えにより容易に行うことができる。
【００６０】
本発明の第７態様によれば、燃料補給接続器と水回収用接続器とを備え、これらを燃料カートリッジに接続することにより、燃料を補給すると同時に回収した水を排出することができる。
【００６１】
本発明の第８態様及び第１８態様によれば、アノード側へ供給される燃料の濃度を所定の値とするための第１の給送量調整手段によって、前記仕切り板が所定の圧力で前記燃料部を加圧するように水給送口から給送される水の量が調整される。したがって、燃料部から給送される燃料を一定の条件で安定して燃料電池本体に給送することができ、安定して発電することができる。
【００６２】
本発明の第１０、第１１、第１２態様によれば、燃料タンク内の液体燃料の残量を容易に確認することができ、また、燃料残量のための算出手段が燃料タンクの外部に設けられることにより、燃料タンクを小型に構成することができる。
【００６３】
本発明の第１３態様及び第２０態様によれば、第２の給送量調整手段により、消費された分の燃料を供給するように制御されるため、安定した発電を行うことができる。
【００６４】
本発明の第１４によれば、燃料と水給送口から給送された水とが混合して貯留される中間タンクを備えるため、アノードに供給される燃料の濃度の制御が容易となる。
【００６５】
本発明の第１５態様によれば、燃料を中間タンクへ供給するポンプと中間タンクからアノードへ供給するためのポンプを省略することができ、よりシンプルな構成の燃料電池システムを提供することができる。
【００６６】
本発明の第１６、第２１、第２２態様によれば、中間タンク内の燃料の濃度が常に一定に制御されるため、アノードに供給される燃料の濃度も変化することなく、発電が安定する。
【００６７】
本発明の第１７態様によれば、移動可能に構成された仕切り板により分割された燃料タンクへ燃料を充填する場合に、加圧部内の水の排出と燃料部内の燃料の充填とを同時にすることができ、燃料の補充を容易にすることができる。
【００６８】
本発明の第１９態様によれば、燃料電池のアノード側が中間タンクに貯蔵される燃料に浸漬しているため、アノードへの燃料供給のための装置が不要であり、装置を小型化できるとともに、補機を少なくすることができる。
【００６９】
本発明の第２３又は第２４態様によれば、中間タンクに貯蔵された燃料に浸漬されたアノードにおいて、アノード反応で生じたガスによってアノード内の燃料が循環するため、簡単な構成でアノードに燃料を供給することができる。
【００７０】
本発明の第２５又は第２６態様によれば、セパレータの凹凸によって画定された空間に空気を通すことにより、当該空間においてカソード反応を進行させることができ、また、カソード側セパレータが合成樹脂などの非導電性材料で構成されているため、成型が容易であり、表面を蛇行した形を有する凹凸を有する複雑な形状のセパレータを容易かつ安価に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７１】
以下、本発明の各実施形態に係る燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００７２】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１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２と、この発電に必要な燃料等を燃料電池本体２に供給する等の補機系とを備えている。この燃料電池本体２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）を用いた燃料電池システムである。
【００７３】
図１に示すように、燃料電池本体２は、アノード（燃料極）３、カソード（空気極）５、及び膜電極組立体４を備えている。アノード３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。当該電子は、アノード３とカソード５とを電気的に接続する外部回路（図示なし）を通してカソード５へ移動し、当該プロトンは、膜電極組立体４を通してカソード５へ移動する。また、カソード５は、外部から供給される酸素と、アノード３より膜電極組立体４を通して移動してきたプロトンを、上記外部回路を通して流れてきた電子で還元して、水を生成する反応（カソード反応）を行なう。このようにアノード３にて酸化反応を、カソード５にて還元反応を夫々行ない、図示しない電極線に電子が流れることで発電する。
【００７４】
具体的には、膜電極組立体４は、例えば、電解質膜としてDupont社製のナフィオン（商品名）を用い、電解質膜の一方の表面に、アノード３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する。膜電極組立体４の両端には、例えばカーボンペーパーからなる電極兼拡散層（図示なし）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後、アノード側セパレータ９０及びカソード側セパレータ８０を介してハウジングに固定することにより組み上げられる。
【００７５】
また、図１に示すように、アノード３は、上記アノード反応を実施するために必要なメタノール及び水をアノード内部に供給するための燃料供給口２０３及び水供給口２０４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２０５とを備えている。
【００７６】
また、カソード５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２０１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）及び、反応に用いられなかった空気を排出するための排出口２０２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（後述するクロスオーバーによる）等も含まれる場合がある。
【００７７】
次に、燃料電池システム１の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２のアノード３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５に空気を供給するための補機構成と、カソード５で生成された排出物を回収するための補機構成とが備えられている。
【００７８】
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原液としてアノード３に供給可能に収容する燃料タンク１０と、燃料タンク１０とアノード３とを接続する燃料供給管７１と、燃料供給管７１の途中に設けられた燃料バルブ６とを備えている。また、燃料電池本体のアノード３中に、アノード内の燃料の濃度を検出する濃度検出器２５が設けられている。
【００７９】
まず、燃料タンクについて説明する。図２は図１の燃料電池システムに用いられる燃料タンクの構成を示す模式図である。燃料タンク１０は、図２に示すように、容器本体１１、燃料部１０ｂ、加圧部１０ａ、仕切り板１２、排出物取込口１３、放熱管１４、水給送口１５、燃料給送口１６、ガス排出口１７，圧力調整弁１８を備えている。
【００８０】
燃料タンクは、容器本体１１の内部が、仕切り板１２によって区画され、上側に加圧部１０ａ、下側に燃料部１０ｂが形成される。仕切り板１２は、図２において上下方向に平行移動可能に設けられており、仕切り板１２の位置が変わることによって、加圧部１０ａ及び燃料部１０ｂの体積が変動する。
【００８１】
燃料部１０ｂには液体燃料原液が貯留されている。液体燃料原液としては、メタノールやエタノール、ジメチルエーテル及びこれらの水溶液などが使用可能であるが、本実施形態では、６３．８ｗｔ％のメタノールを用いている。
【００８２】
加圧部１０ａは使用初期には、水が貯蔵されている。加圧部１０ａの燃料タンク内の占有率は少ないほうが好ましく、具体的には２０％以下が好ましい。占有率が２０％を超えると、燃料タンク内の初期燃料占有率が減少するため、燃料の貯蔵量が減少する。
【００８３】
仕切り板１２は燃料部１０ｂと加圧部１０ａを分割するためのものであり、水や液体燃料の透過性が低いものが使用される。材料としては例えば、ポリエチレンテレフタレートやポリカーボネート、テフロン（登録商標）などの高分子樹脂類やガラスや、アルミニウム、ステンレスといった金属類が使用できる。仕切り板の板厚は薄いほうが燃料タンクの初期燃料占有率が向上するため好ましいが、薄すぎると燃料部１０ｂ内の燃料を吐出するだけの圧力に対して、加圧時の強度が不足するおそれがある。そのため、当該燃料タンクが用いられる燃料電池システムの設計などによって、仕切り板の使用材料や形状などの構成を異ならせる。
【００８４】
仕切り板１２は、図３に示すように、仕切り板１２と容器本体１１との間の密閉性の向上のため、仕切り板本体１２ａの周縁に、ゴム性のパッキン１２ｂを備えている。また、図１、図２に示すように周縁の一部に磁石１２ｍが設けられている。当該磁石１２ｍは、後述するように、仕切り板１２の位置の検出に用いられ、燃料部１０ｂに蓄積されている液体燃料の残量を算出する処理において利用される。仕切り板１２の厚みが薄い場合は、仕切り板１２が全体として平行移動することが困難となるなどの問題が生じるおそれがあり、その厚みＴはある程度厚く構成することが好ましい。
【００８５】
また、仕切り板１２は、容器本体１１内を図４に示すように、上限位置から下限位置までの距離Ｄを平行に移動する。仕切り板１２が上限位置にあるときは、燃料部１０ｂに燃料が最大量蓄積されている状態であり、その位置は、水給送口１５の下側直近であり、放熱管１４の下端よりも下側である。また、図４に１２ｘで示した下端位置に仕切り板１２が位置したときは、燃料を補充する状態であり、その位置は容器の最下端であってもよいが、少し余裕を持たせておくことが好ましい。
【００８６】
容器本体１１は加圧部へかかる圧力で破損しない強度があり、水や液体燃料の漏れがない材料であれば特には限定されないが、例えば、ポリエチレンテレフタレートやポリカーボネート、テフロン（登録商標）などの高分子樹脂類やガラスや、アルミニウム、ステンレスといった金属類が使用できる。但し、仕切り板１２に付された磁石１２ｍからの磁界を容器外部にまで到達させるために、非磁性体であることが必要である。これらの条件より、特に、高分子樹脂類はその軽量性や強度の点から好適である。
【００８７】
排出物取込口１３は、コネクタ２１ａ，２１ｂを介して燃料電池本体２のカソードと排出物供給管７４によって脱着可能に連結され、カソード５から排出される水及び空気を含む排出物を矢印５６に示すように加圧部１０ａに給送する。カソード５からの排出物の温度は、概ね６０〜８０℃であり、水、水蒸気、空気などを含んでいる。排出物取込口１３には、放熱管１４が連結されており、カソードからの排出物が当該放熱管１４を通る間に凝固して、水と空気が分離される。なお、加圧部１０ａに水が蓄積している場合は、当該水は、放熱管１４の冷媒として機能し、より短時間で水と空気を分離する。
【００８８】
圧力調整弁１８は容器本体１１のガス排出口１７に連結して設けられ、加圧部１０ａの圧力がある一定以上に達した場合圧力を自動的に調整減圧するものである。圧力調整弁１８はポリエチレンやポリプロピレンといった高分子樹脂類や、アルミニウムやステンレスといった金属類が使用できる。ガス排出口１７には、気液分離膜（図示なし）が配設されており、圧力調整弁から水等が漏出することを防止する。気液分離膜の材料としては、例えば、フッ素系ＦＥＰ樹脂等が挙げられ、その厚さは通常１０〜１０００ミクロン程度である。
【００８９】
水給送口１５は、燃料電池本体２のアノード３側に接続する配管７２にコネクタ２２ａ，２２ｂを介して脱着可能に接続しており、矢印５３に示すように加圧部１０ａに蓄積された水をアノード側に供給する。水給送口１５を通って燃料電池本体２に供給される水の量を制御するために、後述のように、加圧部１０ａとアノード３とを接続する配管７２に水バルブ１９が設けられている。
【００９０】
燃料給送口１６は、燃料タンク１０の底部近傍に配置され、コネクタ２３ａ，２３ｂを介して燃料供給管７１の一端と脱着可能に接続する。これにより燃料部１０ｂに収容されている液体燃料原液を矢印５１に示すように燃料供給管７１を通して給送することができる。このときの液体燃料原液の給送のための推力は、後述するように、加圧部１０ａ内の圧力が高くなることによって発生する仕切り板１２の燃料部１０ｂ方向への付勢力である。
【００９１】
次に、上記空気供給の補機構成としては、カソード５の空気供給口２０１にその一端が接続された空気供給管７３と、空気供給管７３の途中に配置され、空気供給管７３を通して、空気をカソード５内に供給する空気ポンプ７とが備えられている。この空気ポンプ７としては、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：０〜２Ｌ／分、吐出圧力：３０ｋＰａ）を用いており、使用時は、例えば、１Ｌ／分で空気を供給する。また、燃料電池本体２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５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、発電停止の際には、燃料バルブ６が締められることにより燃料の供給も停止される。
【００９２】
上記水を回収するための補機構成としては、カソード５の排出口２０２と燃料タンク１０の排出物取込口１３とを接続し、カソード５にて生成された水及び空気を含む排出物を、燃料タンク１０に供給して回収させる排出物給送管７４と、上述した燃料タンク１０の加圧部１０ａの水給送口１３と燃料電池本体２のカソードとを接続し、燃料タンク１０の加圧部１０ａに蓄積されている水を燃料電池本体２に供給する水給送管７２、及び水給送管７２を通る水の量を調整する水バルブ１９が設けられている。
【００９３】
排出物給送管７４における排出物の流通の推力は、空気ポンプ７の駆動によるカソード５内の加圧であり、カソード５内で生成された排出物が排出口２０２を通して排出物給送管７４内に送り出されることにより行なわれる。一方、水給送管７２における水の流通の推力は、後述するように、燃料タンク１０の加圧部１０ａ内の圧力により行われる。
【００９４】
図１の燃料電池システム１には、夫々の装置や構成機器の動作を制御する制御装置２６が備えられている。制御装置２６は、燃料電池本体２のアノード３に設けられた濃度検出器２５からの出力に基づき、燃料電池システム１について、空気ポンプ７による空気の供給動作、水バルブ１９及び燃料バルブ６の開度調整動作等の夫々の動作制御を互いに関連付けながら、後述する物質収支が成立するように統括的に制御する。
【００９５】
また、制御装置２６は、燃料電池本体２にて発電が行なわれる際には、空気ポンプ７を駆動して矢印５５に示すようにカソード側に空気を供給するとともに、燃料バルブ６及び必要に応じて水バルブ１９開放し、矢印５１及び５３に示すように液体燃料及び水をアノード３側に供給する。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、水バルブ１９及び燃料バルブ６を締めるという制御を行なう。
【００９６】
燃料タンク１０の近傍には、ホール素子が設けられており、燃料電池の仕切り板１２に設けられた磁石１２ｍから発せられる磁界を非接触で検出して、磁石の位置を検出し、制御装置２６にその情報を送信する。制御装置２６は、仕切り板１２がどの位置にあるかによって、燃料タンク１０内の燃料残量を演算する。
【００９７】
次に、図１の燃料電池システム１において発電が行なわれる場合の各構成機器の動作について説明する。
【００９８】
まず、図１の燃料電池システム１において、制御装置２６の指示により空気ポンプ７が駆動し、空気供給管７３、空気供給口２０１を通してカソード５に空気、すなわち、酸素が供給される。カソードを通った空気は燃料タンクに送り込まれ、燃料タンクが加圧される。始動時にはカソードで反応が起こっていないため、空気のみが燃料タンクに導入されることとなる。この時、圧力調整弁１８で圧力を運転時より高くすることによって燃料電池本体２のアノード３に、例えば６３．８ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液（液体燃料）を供給する。
【００９９】
その後、アノードに燃料が供給されることによって、アノード３においてアノード反応が進行し、カソード５においてカソード反応が進行する。アノード３にて上記アノード反応が進行することにより生成された二酸化炭素は、矢印５４に示すように排出口２０５を通して、外部に放出される。アノード反応により生じた水素イオンがカソードに透過してカソード反応が開始すると、アノード３とカソード５との間、すなわち、発電回路に電力が発生する。
【０１００】
カソード５でカソード反応により生成した水と空気を含む排出物は、水と空気を含み、カソード５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２０２を通って排出物給送管７４に送り出される。当該送り出された排出物は、矢印５６に示すように排出物給送管７４を通して、燃料タンク１０に供給される。
【０１０１】
また、上記発電が行なわれることにより、アノード３内のメタノール及び水が消費される。これにより、アノード３内のメタノール水溶液の減少分に応じたメタノールが燃料タンク１０の燃料部から供給される。また、必要に応じて水が燃料タンクの加圧部より供給される。当該供給されるメタノール及び水の量は、制御装置２６によって燃料バルブ６及び水バルブ１９の開度位置が制御されることにより決定される。
【０１０２】
この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２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。一方、燃料電池システム１にて発電を停止する際には、空気ポンプ７を停止するとともに、燃料バルブ及び水バルブを閉塞する。
【０１０３】
次に、図１の燃料電池システム１の物質収支の具体的な例示を説明する。当該例は、理想的に行われた場合の物質収支であり、実際は、燃料電池本体２内でのクロスオーバー、カソード５側から発生する水の外部流出、アノード３側に供給された未反応の燃料などの誤差要因が存在する。この例では、燃料タンク１０の燃料部に貯えられている６３．８ｗｔ％のメタノール水溶液は、発電時に消費するメタノールと水の割合と同じ割合で混合したものであるため、アノードで過不足なく反応するものとする。
【０１０４】
なお、燃料電池本体２における電解質膜は、基本的にはメタノールや水を通過させないように形成されているものの、メタノールや水が通過してしまう、いわゆるクロスオーバーが発生する。このクロスオーバーは、メタノール水溶液の濃度が濃いほど量が増加する傾向がある。
【０１０５】
クロスオーバーを低減するためには、例えば、電解質膜を複数枚（例えば３枚）重ねて用いることなどにより実現可能である。以降の物質収支の説明においては、当該説明の理解を容易なものとするため、電解質膜にてクロスオーバーが発生しないものと仮定して説明する。
【０１０６】
発電の開始時において、最初にアノード３へ１１．７ｍｌの燃料がカソード側の空気ポンプの空気の圧力で供給される。この時、燃料原液量は８８．３ｍｌに減少した状態である。アノード３では、液体燃料中のメタノール６．４ｇ（８．１ｍｌ）及び水３．６ｇ（３．６ｍｌ）が消費され、カソード５では１０．８ｇ（１０．８ｍｌ）の水が生成することとなる。アノードへ燃料が供給されると、アノードおよびカソードにおいてそれぞれ反応が進行して発電が開始する。
【０１０７】
次にカソード５で生成した水１０．８ｇ（１０．８ｍｌ）は、燃料タンク１０の加圧部に導入される。この時、水が増加したことによって加圧部の容積が増加し、仕切り板１２が加圧されて燃料部へ移動することによって、燃料がアノードへ水が増加した分、１０．８ｇ（１０．８ｍｌ）だけ供給される。
【０１０８】
１回目の供給量と同じ量を供給するためには、制御装置２６によるバルブの開度調整に加えて、圧力調整弁１８で圧力を通常より加圧して仕切り板１２を動かし、不足する０．９ｍｌの燃料を供給するように制御する。この時、燃料の供給により、当該発電後の燃料タンク１０の燃料部に蓄積される液体燃料原液の量は減少し、７６．６ｍｌとなる。また、加圧部には、カソード５で生成した水１０．８ｍｌが蓄積する。したがって燃料タンクには、液体燃料７６．６ｍｌと水１０．８ｍｌの合計８７．４ｍｌの液体が蓄積されている。
【０１０９】
このように、発電、液体燃料の補給及び生成された水の回収が繰り返し行なわれることにより、次第に燃料タンク１０の燃料部１０ｂに収容されている液体燃料原液の量は減少し、加圧部１０ａに蓄積される水の量は増大する。燃料タンク１０の仕切り板１２は液体燃料原液の量の減少及び加圧部１０ａに蓄積される水の量の増大に伴って、燃料部側へ移動し、燃料部を加圧する。また、実際には、燃料タンクの加圧部には、カソード５から吹き出した空気が水と一緒に流入するため、空気圧によって燃料タンクの加圧部１０ａの圧力が増大し仕切り板を押す付勢力として作用する。なお、加圧部１０ａの圧力が高くなりすぎた場合には、加圧部の外壁に設けられた圧力調整弁１８が開放することで、圧力が所定の値になるように自動的に調整される。
【０１１０】
液体燃料の消費に伴って、仕切り板１２は、燃料部１０ｂ側へ移動する。仕切り板１２には、上述のように磁石１２ｍが設けられており、磁石から発せられた磁界は、燃料電池容器本体を透過して燃料タンク１０の近傍に設けられたホール素子２７により検出される。ホール素子２７は、磁石１２ｍとは非接触に設けられており、磁石１２ｍからの磁界の位置を検出して、仕切り板１２の位置を測定し、その情報を制御装置２６に送信する。
【０１１１】
次に制御装置について説明する。図７は、制御装置２６の構成を示すブロック図である。上述のように制御装置２６は、燃料電池の各々の動作制御を行う。具体的には、燃料電池システムの運転管理、燃料電池本体２のアノード側へ供給される燃料濃度の調整制御、燃料タンクに残存する燃料の量を検出する。制御装置２６は、運転管理部２６ａ、濃度比較部２６ｂ、バルブ開度演算部２６ｃ、燃料残量算出部２６ｄ、残存電力量算出部２６ｅ、消費電力量算出部２６ｆ、残存時間算出部２６ｇの各機能ブロックを有する。
【０１１２】
運転管理部２６ａは、補機の起動、停止など燃料電池システム全体の運転管理を司る。運転管理部には、上記の物質収支が成立するような運転管理に必要な各種情報を蓄積する。
【０１１３】
濃度比較部２６ｂ及びバルブ開度演算部２６ｃは、燃料電池本体２のアノード側へ供給される燃料濃度の調整制御を行う。濃度比較部２６ｃは、濃度検出器２５から出力されたアノード内の燃料濃度の情報を予め記憶している設定値と比較して、アノード内の燃料濃度が適正な範囲にあるかどうかを検出する。その結果、アノード内の燃料濃度が適正な範囲にない場合は、これを適正な範囲に戻すために、バルブ開度演算部２６ｃがアノードに供給される燃料及び水の量を決定する水バルブ１９及び燃料バルブ６の開度を演算し、運転管理部が水バルブ１９及び燃料バルブ６を動作させて供給量を調整する。
【０１１４】
燃料残量算出部２６ｄ、残存電力量算出部２６ｅ、消費電力量算出部２６ｆ、残存時間算出部２６ｇは燃料タンクに残存する燃料の量を検出する。ホール素子２７により検出された仕切り板１２の位置に関する情報に基づいて燃料残量算出部２６ｄは、燃料タンクに収容されている残存燃料の量を演算する。残存電力量算出部２６ｅは、燃料残量算出部２６ｄによって算出された燃料残量及び燃料タンクに収容された燃料の濃度に基づいて燃料タンクに収容されている液体燃料によって発電可能な電力の残量を算出する。
【０１１５】
また、消費電力量算出部２６ｆは、現在燃料電池システムが発電している電力量から１時間あたりの発電電力の予想量を算出する。残存時間算出部２６ｇは、残存電力量算出部２６ｅによって算出された発電可能な電力の残量と消費電力量算出部２６ｆによって算出された１時間あたりの発電電力の予想量に基づいて、燃料タンクに収容されている液体燃料で発電可能な残りの予想時間を算出する。燃料タンクに収容された残存燃料の量及びの発電可能な残りの予想時間情報は、制御装置の外部の当該燃料電池システムを搭載する電子機器に出力され、電子機器の燃料残量表示に利用することができる。
【０１１６】
なお、消費電力量算出部２６ｆにより算出される１時間あたりの発電電力の予想量の算出方法の変形例として、燃料電池の発電量の経時変化を記憶しておき、当該発電量の経時変化に基づいて、１時間あたりの発電電力の予想量を算出するようにしてもよい。
【０１１７】
なお、上記の物質収支の説明では、理解の便宜のため、初期状態においてアノードに供給されたメタノールが全て消費してから燃料タンクからメタノールを補給するようにしているが、実際の動作においては、連続的にメタノールの供給がおこなわれる。本実施形態においては、燃料タンクに蓄積されている液体燃料原液がなくなるまで、連続して発電を継続することができ、発電おいてに発生する水を全て回収したとしても燃料タンクの総体積が大きくなることがなく、水回収用のタンクを別に用意しなくても、燃料を燃料タンクの許容容積まで充填することができる。
【０１１８】
また、燃料タンクに蓄積した水及び空気によって、仕切り板を燃料タンク側に移動するように付勢するため、燃料タンクから液体燃料を給送するための動力源としてポンプなどを設ける必要がなく、燃料電池システムの自己消費電力を少なくすることができる。また、仕切り板の位置によって燃料タンク内の燃料残量を算出することができるため、当該情報を燃料タンクの取り替え時期の表示などに用いることができる。
【０１１９】
なお、本実施形態において、クロスオーバーを低減するために電解質膜を複数枚重ねて用いる例について示したが、サブミクロンオーダーの細孔を有する多孔質膜に、電解質ポリマーを充填した細孔フィリング電解質膜やセラミックス多孔体に電解質ポリマーを充填したものを用いてもよい。
【０１２０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図８は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。本実施形態に係る燃料電池システム１ａは、第１実施形態に係る燃料電池システム１と概略同じ構成であり、相違点を中心に説明する。
【０１２１】
本実施形態に係る燃料電池システム１ａは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）を用いた燃料電池システムであり、燃料電池本体２の構成は、第１実施形態に係る燃料電池システム１とほぼ共通するが、図８に示すように、燃料電池本体２はアノード側が燃料供給のための補機である中間タンク９に浸漬するように設けられている点において、一部構成を異にする。図９は、図８の燃料電池システムに用いられる燃料電池本体の概略構成を示す図である。
【０１２２】
図８、図９に示すように、燃料電池システム１ａ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２ａと、この発電に必要な燃料等を燃料電池本体２ａに供給する等の補機系とを備えている。また、この燃料電池システム１ａ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。
【０１２３】
図８、図９に示すように、燃料電池本体２ａは、アノード（燃料極）３、カソード（空気極）５、及び膜電極組立体４を備えている。膜電極組立体４は電解質膜８３の両面に触媒層８２，８４をそれぞれ接着させたものである。アノード３は、供給されるメタノールを酸化して、プロトンと電子を取り出す反応（アノード反応）を行なう。
【０１２４】
アノード３は、その内部に上記アノード反応に必要なメタノール水溶液を供給させるための燃料供給口２０６及び、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するための排出口２０７を備えている。排出口２０７は燃料供給口２０６よりも高位置に設けられている。
【０１２５】
カソード５は、上記カソード反応に必要な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２０１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）を上記内部より排出させるための排出口２０２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（後述するクロスオーバーによる）等も含まれる場合がある。
【０１２６】
当該電子は、アノード３とカソード５に設けられた電極８６、８７と電気的に接続する電極線８６ａ，８７ａを通してカソード３へ移動し、当該プロトンは、膜電極組立体４を通してカソード５へ移動する。また、カソード５は、外部から供給される酸素と、アノード３より膜電極組立体４を通して移動してきたプロトンを、上記外部回路を通して流れてきた電子で還元して、水を生成する反応（カソード反応）を行なう。このようにアノード３にて酸化反応を、カソード５にて還元反応を夫々行ない、電極線８６ａ，８７ａに電子を流すことで発電する。
【０１２７】
図９において、燃料電池本体２ａにおける膜電極組立体４は、例えば、電解質膜８３として、Dupont社製のナフィオン１１７（商品名）を用い、電解質膜８３の一方の表面に、アノード３のアノード触媒８２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５のカソード触媒８４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する。膜電極組立体４の両端には、例えばカーボンペーパーからなる電極兼拡散層８１、８５を上記アノード触媒８２及び上記カソード触媒８４の夫々に密着させた後、アノード側セパレータ９０及びカソード側セパレータ８０を介してハウジング２ｘに固定することにより組み上げられる。
【０１２８】
図１０は、カソードに用いられるカソード側セパレータの構成を示す図である。カソード側セパレータ８０は、厚み方向に扁平な非導電性材料の板状本体８０ａで構成され、その一方の表面に溝８０ｂが設けられている。カソード側セパレータ８０と膜電極組立体４は、溝が設けられている側の表面をカソード側電極兼拡散層８５に押圧するように接触し、溝８０ｂとカソード側電極兼拡散層８５とで囲まれる領域を空気の通路として画定する。カソード側セパレータ８０の表面に設けられた溝８０ｂは、板状本体８０ａの上端と下端との間を蛇行して設けられている。また、カソードの空気供給口２０１に接続する導入口８０ｃとカソードの排出口２０２に接続する排出口８０ｄにつながっているため、カソードの空気供給口２０１から供給された空気は、導入口８０ｃから溝８０ｂを通り、排出口８０ｄを経由してカソードの排出口２０２から外部に放出される。
【０１２９】
図１１は、アノードに用いられるアノード側セパレータの構成を示す図である。アノード側セパレータ９０は、その本体９０ａが厚み方向に扁平な波板形状に構成され、アノードの燃料供給口２０６と排出口２０７とを結ぶ方向に波の頂線９５が沿うように組み込まれる。本実施形態では、隣り合う波の頂線９５間の距離は概ね１〜５ｍｍ程度であり、セパレータの厚み、すなわち、波の振幅は、１〜５ｍｍ程度であることが望ましい。また、例えば、アノード側に溝を４本以上配置できるようにする。
【０１３０】
アノード側セパレータ９０は、接触するハウジング２ｘの内壁及び膜電極組立体表面と隣り合う波の頂線９５によって囲まれた波の谷の部分に、液体燃料を通す通路９１、９２を形成する。図１１に示すアノード側セパレータ９０は、上面から見てその断面が正弦波形状であるため、ハウジング側通路９２と膜電極組立体側通路９１との面積はほぼ同じとなる。
【０１３１】
上述のように、燃料電池本体２ａは、その排出口２０７が燃料供給口２０６よりも高位位置に設けられているため、アノードの通路９１、９２に流入し、アノード反応により発生した二酸化炭素は、矢印６０ａに示すようにアノード３の排出口２０７の方向に上昇し、排出される。二酸化炭素の上昇に伴いアノード中の燃料も矢印６０ａの方向に移動し、矢印６１に示すように、アノードの排出口２０７から外部に排出される。アノード中の燃料が上昇すると、アノードの燃料供給口からは容器９に貯留されている液体燃料１０２が矢印６０に示すようにアノード内に流入する。このように、アノード内では、アノード反応により発生した二酸化炭素をその推力として、液体燃料の供給と排出が行われ、これにより容器９内での液体燃料１０２が循環する。
【０１３２】
なお、本実施形態において、燃料供給口２０６、排出口２０７は相対的なものであり、燃料電池本体の配置方向によって、両者が入れ替わる場合もある。例えば、図９に示した方向の配置と上下が入れ替わったように配置された場合は、符号２０６で示される口が符号２０７で示される口よりもが高位置になるため、液体燃料は、符号２０７で示される口から供給され（すなわち、燃料供給口として機能する。）、符号２０６で示される口から燃料が排出されることとなる（すなわち、排出口として機能する）。
【０１３３】
また、上記燃料供給のための補機の構成としては、メタノール水溶液を液体燃料としてアノード３に供給可能に収容する中間タンク９を備えている。中間タンクは、燃料タンク３０に蓄積されている液体燃料原液よりも低い濃度のメタノール水溶液を蓄積する。また、燃料タンク３０の燃料給送口３６に接続する燃料給送管７１は、中間タンク９の燃料取込口９２に連通する。
【０１３４】
中間タンク９は、燃料電池本体２と一体的に配設されており、中間タンク９の内部の空間に、アノード３が浸漬するように配置されている。中間タンク９に液体燃料が収容されるとアノード３が完全に液体燃料に浸漬される。このように中間タンク９内にアノード３が配置されていることにより、常時液体燃料中１０２に浸漬されている状態の燃料供給口２０６を通して、矢印６０に示すようにアノード３の内部に液体燃料１０２が供給され、矢印６１に示すように排出口２０７から排出される。中間タンク９内には、当該中間タンク９内に蓄積されている液体燃料の水面レベル及び燃料の濃度を検出するための検出器４９が設けられており、当該検出器からの情報は、制御装置４７に伝送される。
【０１３５】
また、中間タンク９には、アノード３にて進行するアノード反応により生成した二酸化炭素等のガスが、矢印６１に示すようにアノード３の排出口２０７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９の外部に排気するための排気弁８が備えられている。なお、この排気弁８は、中間タンク９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。
【０１３６】
なお、中間タンク５が燃料電池本体２と一体的に形成され、アノードが中間タンクに浸漬しているような場合に代えて、両者が別個独立して形成されていてもよい。このような場合にあっては、必要に応じて、中間タンク９からアノード３へ液体燃料を送りこむための供給装置を設けることが好ましい。
【０１３７】
次に燃料タンクについて説明する。図１２は図８の燃料電池システムに用いられる燃料タンクの構成を示す模式図である。燃料タンク３０は、図１２に示すように、容器本体３１、燃料部３０ｂ、加圧部３０ａ、仕切り板３２、圧力調整弁３８、燃料給送口３６、排出物取込口３３、水給送口３５、放熱管３４、燃料補給接続器４０、水回収用接続器４１を備えている。
【０１３８】
また、図１３に示すように、本実施形態において、容器本体３１は、燃料部３１ｂおよび加圧部３１ａにわたって設けられたガイド棒３１ａを備える。ガイド棒３１ａは仕切り板３２の移動方向に平行に加圧部３０ａから燃料部３０ｂに至るまで連続に設置される。当該ガイド棒３１ａと係合するために、仕切り板３２には切り欠きが設けられている。ガイド棒３１ａは太さ、本数については特に限定はされないが、燃料容器の体積効率を考慮すると、その占有率を小さくするほうが好ましい。仕切り板３２は、ガイド棒３１ａに沿って平行に移動されるため、第１実施形態のように、所定の厚みを有する必要がなく、薄く構成することができる。
【０１３９】
また、仕切り板３２には、燃料タンクの外部に設けられたホール素子４８による仕切り板の位置検出に用いられる磁石３２ｍがその周縁の一部に設けられている。仕切り板３２が移動可能な距離Ｄは、水回収用接続器４１と燃料補給接続器４０とによって、後述する燃料カートリッジによる燃料補給及び水回収ができる位置の間である。具体的には、仕切り板１２の上限位置３２ｘは、水給送口１５の下側直近であり、放熱管１４の下端よりも下側である。下端位置は、燃料部３０ｂに燃料を供給できる位置である燃料補給接続器４０の上側直近である。
【０１４０】
燃料タンク３０には、燃料の補給と水の回収をするために、加圧部３０ａには水回収用接続器４１が、燃料部３０ｂには燃料補給接続器４０がそれぞれ取り付けられている。水回収接続器４１と燃料補給接続器４０は共に漏れ防止機構が備わっている。水回収接続器４１と燃料補給接続器４０は、図１４に示すように、燃料カートリッジ１２０と連結する。
【０１４１】
図１４に燃料補給時の燃料タンク３０と燃料カートリッジ１２０の接続構成図を示す。燃料カートリッジ１２０は例えば燃料室１２０ｂと水回収室１２０ａをピストン１２２によって分離されている。ピストンは、燃料カートリッジ１２０の外部へ伸びる操作部１２４と連結しており、操作部１２４を下方に押し込むことにより、矢印６３に示すようにピストンも下方に移動する。
【０１４２】
燃料カートリッジ１２０は、燃料タンク３０の水回収接続器４１と燃料補給接続器４０にそれぞれ連結する水回収接続器１２６と燃料補給接続器１２５をそれぞれ水回収室１２０ａ及び燃料室１２０ｂに備えている。燃料カートリッジと燃料タンク３０とを連結した状態でピストンを押し込むことにより、燃料の補給と水の回収を同時に行うことができる。
【０１４３】
水回収接続器４１、１２６と燃料補給接続器４０、１２５はそれぞれ、例えば図１５に示すようなソケット部とプラグ部から構成されるコネクタを備える。図１５（ａ）はプラグ部を、（ｂ）はソケット部の構造を示す断面図である。図１６は結合時の構造を示す断面図である。
【０１４４】
プラグ部は、プラグ本体１５０にバルブ１５３が進退可能に設けられており、分離時にはバルブ１５３に設けられたパッキン１５４で密閉されている。バルブ１５３はバルブホルダ１５１によって保持されており、スプリング１５２によって、バルブ本体１５０の先端側へ付勢されている。バルブ１５０の先端１５５は、パッキン１５４よりも突出して設けられており、後述するように、ソケット部と連結したときには、ソケット部のバルブ１６３の先端１７０と接触してバルブ１５０が押しこまれ、液が流動可能となる。
【０１４５】
ソケット部は、プラグ部と同様に、ソケット本体１６０にバルブ１６３が進退可能に設けられており、分離時にはバルブ１６３に設けられたパッキン１６４で密閉されている。バルブ１６３はバルブホルダ１６１によって保持されており、スプリング１６２によって、バルブ本体１６０の先端側へ付勢されている。
【０１４６】
図１６に示すように、ソケット部とバルブ部が連結した時はソケット部のスリーブ１６７をソケットの根本側に動かしたままにプラグ部を押し込むと、スリーブスプリング１６６の力でスリーブが元の位置に戻り、スチールボール１６８がロックされて両者が連結する。この時ソケット側のバルブ先端１７０とプラグ側のバルブ先端１５５がお互いに押し合って通路が開き流体が流れる構造であり、外部への流体の漏れはＯリング１６５でシールされる。分離させたい時は、ソケットのスリーブ１６７をソケット側に動かすとスチールボール１６８が外側へ移動可能となり、ソケット部およびプラグ部のバルブスプリング１５２、１５３の反力でプラグがソケットから分離する。分離と同時にソケット側およびプラグ側ともにバルブが閉まり流体の流れを止める。このため、切り離している時も接続しているときも液体の漏れを防ぎ安全に燃料補給をすることができる。
【０１４７】
また、例えば燃料タンク３０に備えられた水回収接続器４１はプラグ形状、燃料補給接続器４０はソケット形状に、燃料カートリッジ１２０の水回収接続器１２６はソケット形状に、燃料補給接続器１２５はプラグ形状にすることにより、燃料補給器を取り付ける組み合わせが１通りに決まり、誤って燃料容器の燃料室に水を供給することもない。
【０１４８】
燃料タンク３０の水給送口３５は、中間タンク９に接続しており、加圧部１０ａに蓄積された水を中間タンク９に供給する。また、燃料給送口１６は、燃料供給管７１の一端と接続し中間タンクに液体燃料原液を供給する。
【０１４９】
次に、図８の燃料電池システム１ａにおいて発電が行なわれる場合の各構成機器の動作について説明する。
【０１５０】
まず、図８に示す燃料電池システム１ａにおいては、アノード３が中間タンク９に浸漬されており、アノード３内に燃料が存在しているため、空気ポンプ７０を駆動することによってカソード５に酸素が供給されると、発電が開始する。
【０１５１】
カソード５で反応が進行することにより生成された水と空気を含む排出物は、カソード５内が空気ポンプ７０により加圧されていることにより、排出口２０２を通して排出物給送管７４に送り出され、矢印５６に示すように燃料タンク３０に供給される。
【０１５２】
発電により水とメタノールが消費され、中間タンク９中の燃料残量が少なくなると、液面レベル及び中間タンクの燃料濃度を検出する検出器４９から制御装置４７にその信号が送信され、当該信号を受けた制御装置４７は燃料バルブ６及び水バルブ３９の開度を調整し、水とメタノールを中間タンク９に必要量給送する。水とメタノールは、燃料タンク３０の燃料部３０ｂ及び加圧部３０ａからそれぞれ供給される。この際、検出器４９により検出された中間タンク９中の燃料の濃度が、基準となる濃度の値と比較して高いか低いかによって、燃料バルブ６及び水バルブ３９の開度を調整し、中間タンクに供給される水とメタノールの割合を変更させることができる。
【０１５３】
また、中間タンクの液面レベルがアノードの上端より下がった場合、その状態で発電するとアノード全体に燃料供給ができない場合があるため、燃料電池が損傷を受ける可能性がある。このため、制御装置に液面レベルセンサから所定の水位、例えば、排出口２０７より液面が下がったという信号が送信されたら、まず水バルブ３９を開いて所定のレベルまで水を優先的に供給する。その途中で水がなくなったり、濃度が薄くなりすぎたときは必要に応じて燃料バルブを開き、燃料も一緒に供給する。
【０１５４】
図８の燃料電池システム１ａの具体的な物質収支は以下の通りとなる。図８の燃料電池システム１ａの理想的な物質収支の例は図５に示すようになる。なお、燃料電池本体２ａにおける膜電極組立体４は、基本的にはメタノールや水を通過させないように形成されているものの、微量のメタノールや水が通過してしまう、いわゆるクロスオーバーが発生する。ただし、このクロスオーバーによるメタノール及び水の通過量は微量であるため、以降の物質収支の説明においては、当該説明の理解を容易なものとするため、膜電極組立体４にてクロスオーバーが発生しないものと仮定して説明を行なうものとする。
【０１５５】
燃料電池システム１ａにおいて、燃料タンク１００の燃料部に、６８ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液が液体燃料原液として、１００ｍｌ収容されている。すなわち、メタノール５７．６ｇ（７２．６ｍｌ）と水２７．３ｇ（２７．４ｍｌ）が含まれている。アノード３には、燃料タンクの加圧部１０ａから給送された水によって液体燃料原液が希釈され、６．５ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液が供給されるものとする。
【０１５６】
本実施形態では、アノード３が中間タンク９内部に配置されている例となっているが、理解の便宜のため、燃料タンク１００からの燃料と水が仮想的な中間タンクに一度供給されて完全に攪拌され、６．５ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液が蓄積しているものからアノードに必要量が供給される場合を想定する。実際は、中間タンク中の燃料が必要量だけアノードに供給されるのではなく、上述したように、中間タンク中の液体燃料中にアノードが浸漬しており、当該中間タンク中の液体燃料を用いて、アノード反応が行われる。この仮想的な中間タンクは、１００ｍｌであり、燃料タンクと同体積であるものとし、メタノール６．４ｇ（８．１ｍｌ）と水９１．８ｇ（９１．９ｍｌ）が含まれている。
【０１５７】
６．５ｗｔ％の濃度のメタノール水溶液をアノードに供給し、発電が開示すると、中間タンクに蓄積されているメタノールが消費される。アノード３では、液体燃料中のメタノール６．４ｇ（８．１ｍｌ）及び水３．６ｇ（３．６ｍｌ）が消費され、カソード５では１０．８ｇ（１０．８ｍｌ）の水が生成することとなる。
【０１５８】
この場合、アノード３にて消費されて減少したメタノール水溶液を供給する必要があるので、メタノール６．４ｇ（８．１ｍｌ）分の液体燃料原液１１．１ｍｌ（内訳はメタノール８．１ｍｌ、水３．０ｍｌとなる。）を燃料タンク１００から供給する。アノードによって消費された水と供給された液体燃料原液の不足分の水０．６ｍｌは、カソード５で生成した水を用い、中間タンクに補給する（実際は、カソードで生成した１０．８ｍｌの水が一度燃料タンクの加圧部に取り込まれ、０．６ｍｌの水が水給送口３５と水給送管７２を通ってアノードに供給される）。
【０１５９】
燃料の供給により、当該発電後の燃料タンク１０の燃料部に蓄積される液体燃料原液の量は減少し、８８．９ｍｌとなる。また、加圧部には、１０．２ｍｌの水が蓄積し、合計で９９．１ｍｌの水及びメタノールが燃料タンクに蓄積される。
【０１６０】
また、発電が繰り返され、給送したメタノールがアノードで消費されると、同様に、アノード３では、液体燃料中のメタノール６．４ｇ（８．１ｍｌ）及び水３．６ｇ（３．６ｍｌ）が消費され、カソード５では１０．８ｇ（１０．８ｍｌ）の水が生成する。この消費分のメタノールを燃料タンクの液体燃料原液から１１．１ｍｌ（内訳はメタノール８．１ｍｌ、水３．０ｍｌとなる。）を供給する。アノードで消費した水３．６ｍｌと燃料部１０ｂから供給された水の量の差をカソード５によって生成した水を用いアノードに供給する。
【０１６１】
この結果、２度目のメタノール供給が終了した時点において、燃料タンクの燃料部１０ｂに蓄積されている液体燃料原液の量は、７７．８ｍｌとなり、加圧部に蓄積される水の量は、２０．４ｍｌとなる。したがって、燃料タンク全体の液量は、９８．２ｍｌとなり、燃料タンク１０内にカソードで精製した全ての水を外部に放出することなく、システム内で回収することができる。
【０１６２】
このように、発電、液体燃料の補給及び生成された水の回収が繰り返し行なわれることにより、次第に燃料タンク１００の燃料部３０ｂに収容されている液体燃料原液の量は減少し、加圧部３０ａに蓄積される水の量は増大する。燃料タンク１００の仕切り板３２は液体燃料原液の量の減少及び加圧部３０ａに蓄積される水の量の増大に伴って、燃料部側へ移動し、燃料部を加圧する。燃料タンクの加圧部には、カソード５から吹き出した空気が水と一緒に流入するため、空気圧によって燃料タンクの加圧部３０ａの圧力が増大し仕切り板を押す付勢力として作用する。なお、加圧部３０ａの圧力が高くなりすぎた場合には、加圧部の外壁に設けられた圧力調整弁３８が開放することで、圧力が所定の値になるように自動的に調整される。
【０１６３】
なお、仕切り板３２の位置は、当該仕切り板３２に付されている磁石３２ｍの位置をホール素子４８が検出することによって検出され、当該情報が制御装置４７に送信されて、燃料部３０ｂ内の燃料の残量が算出される。当該燃料の残量の情報は、当該燃料電池システムが搭載されている電子機器に表示され、燃料タンク交換時期の表示に利用することができる。
【０１６４】
上記の説明では、理解の便宜のため、初期状態における供給した（上記説明では、中間タンクに蓄積されている）メタノールが全て消費してから燃料タンクからメタノールを補給するようにしているが、実際の運用においては、連続的にメタノールの供給がおこなわれる。よって、本実施形態においても、第１実施形態に係る燃料電池システム１と同様に、図６に示すように、燃料タンクに蓄積されている液体燃料原液がなくなるまで、連続して発電を継続することができ、発電おいて発生する水を全て回収したとしても燃料タンクの総体積が大きくなることがなく、水回収用のタンクを別に用意しなくても、燃料を燃料タンクの許容容積まで充填することができる。
【０１６５】
また、燃料タンクに蓄積した水及び空気が仕切り板を燃料タンク側に移動するように付勢し燃料部に貯蔵された燃料を吐出するため、燃料タンクから液体燃料を給送するための動力源としてポンプなどを設ける必要がなく、燃料電池システムの自己消費電力を少なくすることができる。
【０１６６】
以上説明したように、本実施形態にかかる燃料電池システムは、カソードから精製した水を外部に排出することなく燃料タンクに蓄積し、燃料及び燃料希釈用の水の給送に利用するため、これらを給送するためのポンプを必要としない。したがって、補機によって消費される電力が少なくて済み、燃料電池システムの出力効率を向上させることができる。また、燃料電池の残量を簡単に算出することができ、燃料タンクの交換時期などを電子機器の利用者に通知することができる。
【０１６７】
また、上記第１実施形態又は上記第２実施形態の燃料電池システム１１ａは、小型で、水分の外部放出がないため、携帯電子機器などに好適に用いることができる。図１７は、図１及び図８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用の電池として用いる場合の模式斜視図である。図１７に示すように燃料電池システム１、１ａは小型に構成することができるため、ノート型パーソナルコンピュータの本体２００に搭載した場合であっても、携帯の邪魔にならず好適に用いることが可能となる。
【０１６８】
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可能である。
【０１６９】
上記実施の形態において、拡散層にはカーボンペーパーを使用しているが、他の材料を使用してもよい。例えば、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。
【０１７０】
また、燃料タンクの仕切り板に付された仕切り板の位置を検出する位置検出手段は、磁石とホール素子の組み合わせではなく、その他非接触によりその位置検出ができるものであればよい。例えば、光電センサを用いて仕切り板の位置を検出することができる。燃料タンクの両側に一組の発光機と受光機からなる光電センサを配置する。この場合、仕切り板の部分のみ光が遮られるため、位置の特定が可能になる。光を用いるため、燃料タンクの材質は透明な者が好ましい。もし透明でない材料の場合は、透明の材料で部分的に測定用の窓を作って光が通るようにする。
【図面の簡単な説明】
【０１７１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図１の燃料電池システムに用いられる燃料タンクの構成を示す模式図である。
【図３】図２の燃料タンクの仕切り板の構成を示す部分拡大断面図である。
【図４】図２の燃料タンクの仕切り板の上限位置及び下限位置を示す図である。
【図５】図８の燃料電池システムの物質収支の具体的な例示を示す説明図である。
【図６】図８の燃料電池システムの、燃料タンクの液体燃料原液の量と、燃料タンクに蓄積される水及びタンクに蓄積されている水及び燃料の合計体積の関係を示すグラフである。
【図７】制御装置の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図９】図８の燃料電池システムに用いられる燃料電池本体の概略構成を示す図である。
【図１０】図９の燃料電池本体のカソードに用いられるカソード側セパレータの構成を示す図であり、（ａ）は平面図，（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
【図１１】図９の燃料電池本体のアノードに用いられるアノード側セパレータの構成を示す図であり、（ａ）はハウジングに組み込まれた状態を示す一部断面斜視図であり、（ｂ）は上面断面図であり、（ｃ）は頂線に沿った燃料電池の流動の説明図である。
【図１２】図８の燃料電池システムに用いられる燃料タンクの構成を示す模式図である。
【図１３】図１２の燃料タンクの仕切り板のガイド機構の説明図であり、（ａ）は正面断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
【図１４】燃料補給時の燃料タンクと燃料カートリッジの接続構成図である。
【図１５】図１４の燃料タンクと燃料カートリッジに用いられる接続器の具体例を示す断面図であり、（ａ）はプラグ部、（ｂ）はソケット部である。
【図１６】プラグ部とソケット部が連結した状態の図１２の接続器の断面図である。
【図１７】図１及び図８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用の電池として用いる場合の模式斜視図である。
【符号の説明】
【０１７２】
１，１ａ  燃料電池システム
２，２ａ  燃料電池本体
３  アノード
４  膜電極組立体
５  カソード
６  燃料バルブ
９  中間タンク
１０，３０  燃料タンク
１０ａ，３０ａ  加圧部
１０ｂ，３０ｂ  燃料部
１１，３１  容器本体
１２，３２  仕切り板
１２ｍ，３２ｍ  磁石
１３、３３  排出物取込口
１４，３４  放熱管
１５，３５  水給送口
１６，３６  燃料給送口
１７，３７  ガス排出口
１８，３８  圧力調整弁
２７，４８  ホール素子
７１  燃料供給管
７２  水給送管
７３  空気供給管
７４  排出物供給管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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