(57)【要約】【課題】複数の燃料電池セルの燃料極が同一タンク内の燃料に共通に浸漬される構造を備えた直接メタノール型燃料電池が、供給燃料の不良によって発電容量低下の状態に陥るのを未然に防止できるようにする。【解決手段】燃料補給が可能な共通燃料タンクを備えるとともに、直列接続された複数の燃料電池セルの燃料極が上記共通燃料タンク内の燃料に浸漬される構造の直接メタノール燃料電池１０において、上記タンク１２の供給燃料に対する電気伝導度センサ３１，３２を備える。【選択図】図１
2007149432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料補給が可能な共通燃料タンクを備えるとともに、直列接続された複数の燃料電池セルの燃料極が上記共通燃料タンク内の燃料に浸漬される構造の直接メタノール燃料電池において、上記タンクの供給燃料に対する電気伝導度センサを備えたことを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、上記電気伝導度センサの検出に応じた表示を行う表示手段を備えたことを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２において、上記電気伝導度センサの検出に応じて上記タンクへの燃料供給路を開閉する遮断機構を備えたことを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【請求項４】
請求項２または３において、上記電気伝導度センサは燃料供給路と燃料タンク内にそれぞれ配設され、両センサの検出に基づいて上記表示手段および／または上記遮断機構を作動させるようにしたことを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接メタノール型燃料電池および燃料に関し、とくに、複数の燃料電池セルの燃料極が同一タンク内の燃料に共通に浸漬される構造を備えたものに適用して有効なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やノート型パソコンに代表される携帯機器では、多機能化による消費電力の増加と、使用時間・頻度の増加が著しく高まっている。これにともない、その機器に搭載される電源すなわち電池に対して、高容量化、携帯利便性の要求が増大している。また、環境問題の見地からクリーンエネルギーに対する要求も高まっている。
【０００３】
そのような要求に応える電源として燃料電池が注目されている。これは、燃料と空気（酸素）を供給することにより電気エネルギーを取り出す発電デバイスであり、とくに、燃料が液体である液体燃料型燃料電池は、燃料の携帯利便性にすぐれ、エネルギー容量密度も高いという特長を有する。中でもメタノール水溶液を燃料として用いる直接メタノール型燃料電池は次世代携帯電源候補として期待が高く、様々な開発が進められている。
【０００４】
しかし、燃料電池、とくに直接メタノール型燃料電池は単セル電圧が低いので、機器から要求される作動電圧を確保するためには、複数セルを直列接続したモジュール形態での使用が主流となる。積層モジュールは単セルの状態よりもサイズが肥大化するが、特長の一つである携帯利便性を損なわないようにするため、モジュールの小型化と構造の簡略化が様々な手段により進められている。
【０００５】
代表的なモジュール構造としては、たとえば特許文献１に記載されているように、燃料電池セルを平面方向に配列した構造いわゆる平面積層構造が挙げられる。この構造は各セルの燃料タンクを共通化できるので、モジュールの小型化・構造簡略化をはかる上で非常に有利である。具体的には、複数の膜電極集合体（ＭＥＡ）の燃料極が平型燃料タンクの壁面をなすように並べて配置され、空気極は外気に解放されており、隣接し合うＭＥＡの燃料極と空気極が順に電気接続されている構造である。
【０００６】
この構造では、複数のＭＥＡの燃料極が同じタンク内の燃料（メタノール水溶液）に共通に浸漬される。使用時には、液体燃料カートリッジなどの装填により燃料がタンク壁面の一部をなす各燃料極へ供給される一方、空気極に外気から酸素が自然拡散供給されることにより発電が行われる。
【特許文献１】特開２００３−３１７７４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した平面積層構造の直接メタノール型燃料電池では、次のような問題を生じることが本発明者らによりあきらかとされた。
【０００８】
すなわち、出力電圧を高めるために燃料電池セルの積層数（直列接続数）を増やして行くと、直列接続の両端に位置する電池セルの燃料極間にかかる電位差もその数に応じて増大する。これにともない、燃料極が浸漬されているメタノール水溶液（燃料）に印加される電位差も高くなる。
【０００９】
このとき、メタノール水溶液（燃料）の電気伝導度が高いと、燃料極同士を電極にして燃料の電気分解が生じてしまう。この電気分解に必要となる電気容量は燃料電池本体から供給される。このため、本来であれば外部接続機器に供給されるはずの電気容量が、燃料の電気分解に費やされることになってしまい、セルとしての発電容量（発電電気容量）が実質的に低下してしまうという問題が生じる。
【００１０】
携帯機器用の燃料電池では燃料をカートリッジから供給する方式となる場合が多い。この場合、カートリッジの燃料は工場であらかじめ充填されるので、燃料の品質（純度）は管理され、電気伝導度も所定以下に抑えられているはずである。しかし、そのカートリッジの保管・管理、カートリッジから電池への燃料供給はユーザに委ねられる。このため、カートリッジから電池に供給される燃料に何らかの原因により塩などの不純物が混入することが懸念される。
【００１１】
カートリッジと燃料電池は供給元が必ずしも一致せず、電気伝導度が基準を超えた不良な燃料を充填したカートリッジが市場流通することも想定される。あるいは、カートリッジを再利用するために不良な燃料がカートリッジに再充填されてしまうことも想定される。
【００１２】
本発明は以上のような問題に対処するものであって、その目的は、複数の燃料電池セルの燃料極が同一タンク内の燃料に共通に浸漬される構造を備えた直接メタノール型燃料電池が、供給燃料の不良によって発電容量低下の状態に陥るのを未然に防止できるようにした技術を提供することにある。
【００１３】
本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題の解決のため、本発明では次の手段を提供する。
【００１５】
（１）燃料補給が可能な共通燃料タンクを備えるとともに、直列接続された複数の燃料電池セルの燃料極が上記共通燃料タンク内の燃料に浸漬される構造の直接メタノール燃料電池において、上記タンクの供給燃料に対する電気伝導度センサを備えたことを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【００１６】
（２）上記手段（１）において、上記電気伝導度センサの検出に応じた表示を行う表示手段を備えたことを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【００１７】
（３）上記手段（１）または（２）において、上記電気伝導度センサの検出に応じて上記タンクへの燃料供給路を開閉する遮断機構を備えたことを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【００１８】
（４）上記手段（２）または（３）において、上記電気伝導度センサは燃料供給路と燃料タンク内にそれぞれ配設され、両センサの検出に基づいて上記表示手段および／または上記遮断機構を作動させるようにしたことを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【発明の効果】
【００１９】
複数の燃料電池セルの燃料極が同一タンク内の燃料に共通に浸漬される構造を備えた直接メタノール型燃料電池が、供給燃料の不良によって発電容量低下の状態に陥るのを未然に防ぐことができるようになる。
【００２０】
上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の技術が適用された直接メタノール型燃料電池の第１実施形態を概略断面図で示す。同図に示す燃料電池１０は、燃料電池セルＭＥＡ１〜５を平面方向に配列した平面積層構造であって、セルＭＥＡ１〜５間で燃料タンク１２が共通化されている。セルＭＥＡ１〜５はセル外部にて直列に電気接続されている。
【００２２】
燃料タンク１２は、燃料供給口１３、気液分離膜１４、ガス排出口１５などを有し、セルＭＥＡ１〜５の負極側に配設されている。燃料電池セルＭＥＡ１〜５はそれぞれ、負極集電体１６、負極拡散層１７、負極触媒層１８、電解質膜１９、正極触媒層２０、正極拡散層２１、正極集電体２２が積層されて形成されている。
【００２３】
セルＭＥＡ１〜５の正極側には共通の空気極ケース２３が配設されている。セルＭＥＡ１〜５列の両端およびセルＭＥＡ１〜５間には電気絶縁性のパッキング材２４が配設されている。
【００２４】
燃料（メタノール水溶液）１１は燃料カートリッジ１１１から補充されるようになっている。カートリッジ１１１は燃料は燃料供給口１３からタンク１２内に供給される。燃料供給口１３は、燃料供給時以外はジョイント２７で閉蓋されるようになっている。
【００２５】
ここで、同図に示す実施形態では、燃料供給口１３とタンク１２内を連絡する燃料供給路２６に第１の電気伝導度センサ３１が設置されている。この第１センサ３１は、カートリッジ１１１からタンク１２内に供給される燃料に対するものであって、その供給燃料の電気伝導度を測定するために設置されている。さらに、この実施形態では、タンク１２内に第２の電気伝導度センサ３２が設置されている。この第２センサ３２は、タンク１２内の燃料１１に対するものであって、そのタンク１２内燃料１１の電気伝導度を測定するために設けられている。各センサ３１，３２は電気導電度を測定するためのプローブ電極を有する。
【００２６】
上記センサ３１，３２は、計測回路３４，３５、制御回路３６などを有する回路ユニット３３に接続されている。回路ユニット３３は、被測定対象である燃料電池１０を電源にして常時動作し、センサ３１，３２によって計測された燃料の電気伝導度に基づき、表示手段３７に電気伝導度に応じた表示を行わせる。
【００２７】
表示手段３７はたとえば多色ＬＥＤを用いて構成され、燃料供給路２６およびタンク１２内の燃料の電気伝導度が所定の基準値を超えたときに、その状態をたとえば赤や黄等の色分け発光により、センサ３１，３２ごとに電気伝導度の状態を表示する。
【００２８】
上記構成により、たとえばカートリッジ１１１から燃料供給口１３に燃料を供給する際、その燃料が不良で電気伝導度が基準値を超えていると、それが第１センサ３１で検出され、表示手段３７で表示される。この表示により、使用者は、その供給燃料が不良であることを察知し、燃料供給操作を早期に取り止めさせることができる。これにより、タンク１２内燃料１１の電気伝導度が上昇するのを回避し、電池１０が発電容量低下の状態に陥るのを、燃料の供給開始時点で未然に防止することができる。
【００２９】
燃料供給口１３に供給された燃料の電気伝導度は第１センサ３１で検出されるが、タンク１２内の燃料１１の電気伝導度は第２センサ３２で検出される。この第２センサ３２で検出される電気伝導度が所定の基準値を超えたか否かは、上記表示手段３７で表示される。
【００３０】
ここで、タンク１２内燃料１１の電気伝導度が基準値を超えてしまった場合、燃料タンク１２内の洗浄が必要になる。洗浄は純水あるいはイオン不純物の無い洗浄液を用いて行うことができる。この洗浄の完了あるいは洗浄の進み具合は上記表示手段３７の表示によってモニター（確認）することができる。これにより、使用者は、タンク１２内燃料１１の電気伝導度が基準値を超えてしまったときに、表示手段３７の表示により、タンク１２内の洗浄を過不足無く、効率的に行うことができる。
【００３１】
図２は、本発明の技術が適用された直接メタノール型燃料電池の第２実施形態を概略断面図で示す。同図に示す燃料電池１０の基本構成は第１実施形態と同じである。その特徴的事項に着目すると、この第２実施形態では、第１の電気伝導度センサ３１と燃料タンク１２間の燃料供給路２６に電気作動式の遮断弁３８が設置されている。この遮断弁３８の開閉制御は回路ユニット３３によって行われる。これにより、センサ３１および／または３２の検出に応じてタンク１２への燃料供給路を開閉する遮断機構が構成されている。
【００３２】
この第２実施形態では、電気伝導度が所定の基準値よりも高い不良燃料が燃料供給口１３から供給されたときに、遮断弁３８を閉じてその不良燃料がタンク１２内に供給されるのを自動的に阻止することができる。これにより、燃料電池１０が供給燃料の不良によって発電容量低下の状態に陥るのを未然に防止することができる。
【００３３】
上記遮断弁３８の設置位置は、とくに限定はされないが、図示のように、センサ３１よりタンク１２側の燃料供給路２６が望ましい。この場合、センサ３１が燃料の不良を検知してから遮断弁３８が閉じるまで応答時間を短縮し、タンク１２内に流入する不良燃料の量を最小限に抑えることができる。
【００３４】
図３は、上記表示手段３７および上記遮断弁３８を制御する回路ユニット３３の動作例をフローチャート化して示す。この場合、上記表示手段３７および上記遮断弁３８は、次の２通りの方式（第１および第２の制御動作）で制御される。
【００３５】
すなわち、第１の制御動作Ｓ１では、センサ３１および／または３２で検出された電気伝導度が所定の基準値（第１基準値）を超えたら、表示手段３７に警報表示を行わせるとともに、遮断弁３８を閉じる。
【００３６】
第２の制御動作（Ｓ２）では、センサ３１および／または３２で電気伝導度を定期的（または周期的）に計測し、計測回毎に、今回計測値と前回計測値を比較することにより、電気伝導度の経時変化をモニターする。そして、前回計測値に対する今回計測値が所定の基準値（第２基準値）を超えると、その間で電気伝導度が異常増大したと判断して、表示手段３７に警報表示を行わせるとともに、遮断弁３８を閉じる。
【００３７】
第１と第２の制御動作（Ｓ１，Ｓ２）は並列的に行われる。これにより、タンク内燃料の電気伝導度が増大することにより発電容量低下を一層確実に阻止または抑制することができる。
【００３８】
図４は、上記表示手段３７および上記遮断弁３８を制御する回路ユニット３３の別の動作例をフローチャート化して示す。この場合、表示手段３７と遮断弁３８は、次の２通りの動作で制御される。
【００３９】
すなわち、第１の制御動作Ｓ１では、燃料供給口１３側に設置した第１のセンサ３１で検出された電気伝導度が所定の基準値（第１基準値）を超えたら、表示手段３７に警報表示を行わせるとともに、遮断弁３８を閉じる。
【００４０】
第２の制御動作（Ｓ２）では、第１のセンサ３１で検出された電気伝導度と、タンク１２内の燃料に対して設置された第２のセンサ３２で検出された電気伝導度との差分を計測し、その差分が所定の基準値（第２基準値）を超えると、燃料供給口１３に電気伝導度の高い燃料が供給されたと判断して、表示手段３７に警報表示を行わせるとともに、遮断弁３８を閉じる。
【００４１】
これにより、電気伝導度の高い不良燃料が供給されはじためときに、遮断弁３８を早い段階で閉じて、タンク内に多量の不良燃料が入り込むことを確実に阻止または抑制することができる。この場合も、上記２つの制御動作（Ｓ１，Ｓ２）は並列的に行われる。
【００４２】
以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、電気伝導度センサは３以上の複数個所に設置してもよい。また、遮断弁３８と燃料供給口１３の間に第１センサ３１を設置するとともに、燃料カートリッジ１１１の装填を検知する手段を設け、燃料カートリッジ１１１の装填が検知された後であって、第１センサ３１が異常な電気伝導度を検出しなかった場合だけ、遮断弁３８を開くような構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
複数の燃料電池セルの燃料極が同一タンク内の燃料に共通に浸漬される構造を備えた直接メタノール型燃料電池が、供給燃料の不良によって発電容量低下の状態に陥るのを未然に防ぐことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係るよる直接メタノール型燃料電池の第１実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係るよる直接メタノール型燃料電池の第２実施形態を示す概略断面図である。
【図３】表示手段および遮断弁の制御動作例を示すフローチャートである。
【図４】表示手段および遮断弁の別の制御動作例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
１０  直接メタノール型燃料電池        ＭＥＡ１〜５  燃料電池セル
１１  燃料（メタノール水溶液）        １１１  燃料カートリッジ
１２  共通の燃料タンク                １３  燃料供給口
１４  気液分離膜                      １５  ガス排出口
１６  負極集電体                      １７  負極拡散層
１８  負極触媒層                      １９  電解質膜
２０  正極触媒層                      ２１  正極拡散層
２２  正極集電体                      ２３  共通の空気極ケース
２４  パッキング材                    ２６  燃料供給路
２７  ジョイント
３１，３２  電気伝導度センサ          ３３  回路ユニット
３４，３５  計測回路                  ３６  制御回路
３７  表示手段                        ３８  遮断弁
【図１】
2007149432.tif 000003
【図２】
2007149432.tif 000004
【図３】
2007149432.tif 000005
【図４】
2007149432.tif 000006