(57)【要約】【課題】  燃料不足によるシステムの安定した運転の阻害が防止できる直接メタノール型燃料電池システムを得る。【解決手段】  プロトン導電性高分子固体電解質４、その両側に配された一対の空気極５と燃料極３とを備えた燃料電池本体１と、前記燃料極３に供給するための液体燃料を収容する燃料タンク２と、前記燃料電池本体１の燃料極３に燃料タンク２内の液体燃料を導入させる燃料供給管１０と、前記燃料電池本体１の空気極５に空気中の酸素を導入させる空気導入管１１とを備え、前記燃料供給管１０を電磁波が透過する材料で構成し、燃料供給管１０内の液体燃料の存否による電磁波の伝播状態を検出することによってシステムの安定した運転に寄与できるようにする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性高分子固体電解質、その両側に配された一対の空気極と燃料極とを備えた燃料電池本体と、前記燃料極に供給するための液体燃料を収容する燃料タンクと、前記燃料電池本体の燃料極に燃料タンク内の液体燃料を導入させる燃料供給管と、前記燃料電池本体の空気極に空気中の酸素を導入させる空気導入管とを備えるとともに前記燃料電池本体が複数個積層されてなる発電部を備えた直接メタノール型燃料電池システムにおいて、前記燃料供給管を電磁波が透過する材料で構成し、燃料供給管内の液体燃料の存否による電磁波の伝播状態を検出して燃料供給管内の液体燃料の存否を検出する機能を備えたことを特徴とする直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の直接メタノール型燃料電池システムにおいて、高濃度液体燃料を貯蔵する高濃度燃料タンクを有し、この高濃度燃料タンクから燃料タンクに前記高濃度液体燃料を導入する高濃度燃料供給管を備え、この高濃度燃料供給管を電磁波が透過する材料で構成し、高濃度燃料供給管内の高濃度液体燃料の存否による電磁波の伝播状態を検出して高濃度燃料供給管内の高濃度液体燃料の存否を検出する機能を備えたことを特徴とする直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項３】
電磁波は紫外線、可視光線、赤外線またはこれらを組み合わせたものであることを特徴とする請求項１または２記載の直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項４】
燃料供給管または高濃度燃料供給管はフッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、シリコン樹脂からなる、耐有機溶媒性の、電磁波透過性の材料からなることを特徴とする請求項１または２記載の直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項記載の直接メタノール型燃料電池システムにおいて、燃料供給管または高濃度燃料供給管に混入する空気が電磁波の伝播状態を変化させ、この変化を検出して燃料供給管内または高濃度燃料供給管内の液体燃料の存否または高濃度燃料供給管内の高濃度液体燃料の存否を検出することを特徴とする直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の直接メタノール型燃料電池システムにおいて、高濃度燃料タンク内の高濃度液体燃料が少なくなることによって高濃度燃料供給管に空気が混入し、該空気による電磁波の伝播状態の変化を検出して高濃度液体燃料の追加信号を送出することを特徴とする直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５記載の直接メタノール型燃料電池システムにおいて、燃料タンクから燃料電池本体に液体燃料の供給が停止することによって燃料供給管に空気が混入し、該空気による電磁波の伝播状態の変化を検出してシステムの運転停止信号を送出することを特徴とする直接メタノール型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機溶媒と水を直接供給して発電を行うことができる直接メタノール型燃料電池システムに関するもので、さらに詳しく言えば、燃料タンクから燃料電池本体が複数個積層されてなる発電部に液体燃料を導入させる燃料供給管内の液体燃料の存否が簡便に検出できる機能を備えたシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題や資源問題への対応が重要になってきており、その対策の一つとして燃料電池の開発が活発に行われている。特に、プロトン導電性高分子固体電解質を電解質に用いた固体高分子型燃料電池や直接メタノール型燃料電池は、燃料をガス化または改質せずに直接供給することによって発電できるという特徴を持っているため、構造がシンプルで、小型化、軽量化が容易であり、分散型電源、ポータブル電源として注目されている。
【０００３】
この直接メタノール型燃料電池は、プロトン導電性高分子固体電解質の両側に空気極および燃料極を接合した燃料電池本体がグラファイト製のセパレータ板で挟持され、それが多数積層されて発電部を構成している。前記空気極は多孔性のカーボンペーパーの表面に白金触媒を担持した炭素粉末が塗布されてなり、前記燃料極は同様のカーボンペーパーの表面に白金−ルテニウム触媒を担持した炭素粉末が塗布されてなる。
【０００４】
また、前記直接メタノール型燃料電池では、燃料極に濃度が３重量％程度のメタノール水溶液を液体燃料（還元剤）として供給し、空気極に空気を酸化剤として供給すると、電池反応によって、燃料極からは炭酸ガスが、空気極からは水が生成して、起電力を発生させる。生成した炭酸ガスと水は、排気側から廃燃料および廃空気とともに排出される。このような直接メタノール型燃料電池においては、燃料タンク内のメタノール水溶液の残量を的確に検知してその補充をすること、あるいは該燃料タンクがカートリッジ式である場合は速やかにその交換をすることが、燃料電池を安定して運転させるうえで不可欠なことである。また、燃料タンクから発電部に液体燃料を導入するための燃料供給管内をメタノール水溶液が円滑に流れていることを検知できるようにもしなければならない。
【０００５】
メタノール水溶液の残量を検知する方法には、メタノール水溶液の液面を、目視によって検知する方法、フロートセンサーによって検知する方法あるいはフォトセンサーによって検知する方法が知られている。
【０００６】
また、燃料供給管内をメタノール水溶液が円滑に流れていることを検知する方法としては、特許文献１記載の方法が知られている。この特許文献１記載の方法は、メタノール水溶液が円滑に流れていることを検知するものではないが、液体供給路の一部に光透過性の管体を設け、該管体の側面に、発光部と受光部からなる検知部を備えたフォトセンサーを取り付け、前記発光部から投射された光が前記管体の壁面を通過して受光部に入射した際の量の変化を経時的に読み取って管体内の液体の有無を検知するものである。
【特許文献１】特開２００３−２４８０１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した直接メタノール型燃料電池において、メタノール水溶液の液面を目視によって検知する方法は信頼性の点で問題があり、フロートセンサーやフォトセンサーによって検知する方法は部品点数の点で問題がある。また、燃料タンクの液面を上記した方法で検知するためには、目視用の加工を燃料タンクに設けたり、フロートセンサーやフォトセンサーを燃料タンクに設けたりしなければならず、カートリッジ式の燃料タンクを用いた直接メタノール型燃料電池では、コスト面での問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した課題を解決するため、本発明は、プロトン導電性高分子固体電解質、その両側に配された一対の空気極と燃料極とを備えた燃料電池本体と、前記燃料極に供給するための液体燃料を収容する燃料タンクと、前記燃料電池本体の燃料極に燃料タンク内の液体燃料を導入させる燃料供給管と、前記燃料電池本体の空気極に空気中の酸素を導入させる空気導入管とを備えるとともに前記燃料電池本体が複数個積層されてなる発電部を備えた直接メタノール型燃料電池システムにおいて、前記燃料供給管を電磁波が透過する材料で構成し、燃料供給管内の液体燃料の存否による電磁波の伝播状態を検出して燃料供給管内の液体燃料の存否を検出する機能を備えたことを特徴（請求項１）とし、また、前記直接メタノール型燃料電池システムにおいて、高濃度液体燃料を貯蔵する高濃度燃料タンクを有し、この高濃度燃料タンクから燃料タンクに前記高濃度液体燃料を導入する高濃度燃料供給管を備え、この高濃度燃料供給管を電磁波が透過する材料で構成し、高濃度燃料供給管内の高濃度液体燃料の存否による電磁波の伝播状態を検出して高濃度燃料供給管内の高濃度液体燃料の存否を検出する機能を備えたことを特徴（請求項２）とし、前記電磁波は紫外線、可視光線、赤外線またはこれらを組み合わせたものであることを特徴（請求項３）とし、燃料供給管はフッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、シリコン樹脂からなる、耐有機溶媒性の、電磁波透過性の材料からなることを特徴（請求項４）とする。
【０００９】
また、本発明は、燃料供給管または高濃度燃料供給管に混入する空気が電磁波の伝播状態を変化させ、この変化を検出して燃料供給管内または高濃度燃料供給管内の液体燃料の存否を検出することを特徴（請求項５）とし、前記高濃度燃料タンク内の高濃度液体燃料が少なくなることによって高濃度燃料供給管に空気が混入し、該空気による電磁波の伝播状態の変化を検出して高濃度液体燃料の追加信号を送出することを特徴（請求項６）とし、前記燃料タンクから燃料電池本体に液体燃料の供給が停止することによって燃料供給管に空気が混入し、該空気による電磁波の伝播状態の変化を検出してシステムの運転停止信号を送出することを特徴（請求項７）とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、上記したとおりであるから、目視用の加工を燃料タンクに設けたり、フロートセンサーやフォトセンサーを燃料タンクに設けたり、といったことを必要とせず、また、燃料供給管のすべてを電磁波が透過する材料で構成できるので、カートリッジ式の燃料タンクを用いた直接メタノール型燃料電池のコスト面の改善に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に係る直接メタノール型燃料電池システムの構成を示した図である。
【００１２】
図１において、燃料電池本体１は、一対の燃料極３と空気極５とがプロトン導電性高分子固体電解質４の両側に配されてなり、前記燃料極３に供給する液体燃料を収容するための燃料タンク２との間に燃料ポンプ２０を介して燃料供給管１０が設けられるとともに、前記空気極５に空気中の酸素を空気ブロワ２１を介して導入するための空気導入管１１が設けられている。また、発電部６は、前記燃料極３の、プロトン導電性高分子固体電解質４に接する面と反対側に図示していないグラファイト製の燃料極側セパレータが、前記空気極５の、プロトン導電性高分子固体電解質４に接する面と反対側に図示していないグラファイト製の空気極側セパレータが、それぞれ配されて４０個積層されて構成している。なお、前記燃料極側セパレータと空気極側セパレータは、発電部の中間に位置するものを、１枚の板の両側にそれぞれの機能が設けられるようにすることもできる。
【００１３】
前記燃料供給管１０は、液体燃料の存否を検出するために、電磁波が透過する材料で構成した。たとえば、電磁波として赤外線を使用し、赤外線発光ダイオードと赤外線フォトトランジスタとを組み合わせたセンサーを使用する場合、燃料供給管１０にはシリコンチューブを使用し、燃料供給管１０内に液体燃料が存在するかどうかが検出できるように、赤外線発光ダイオードから照射された電磁波がシリコンチューブを透過して赤外線フォトトランジスタで受光できるように前記センサーを配置する。なお、燃料供給管１０の材質は、使用する電磁波の種類に応じて適宜変更できる。すなわち、シリコン樹脂以外の材質としては、ポリプロピレン、ポリエチレンが使用でき、赤外線以外の電磁波としては、紫外線、可視光線等が使用できる。
【００１４】
このような構成からなる直接メタノール型燃料電池システムを用い、燃料タンク２内に、液体燃料として、濃度が３重量％のメタノール水溶液を収容し、空気流量を５リットル／分、燃料流量を１００ミリリットル／分になるようにして、一定の電流密度（１００ｍＡ／ｃｍ2）、一定の温度（６０℃）で運転して、その電流−電圧特性を測定するとともに、燃料供給管１０としてのシリコンチューブに設けたセンサーの出力を測定した。
【００１５】
その結果、燃料タンク２から液体燃料が継続的に供給されている間は電流−電圧特性は安定しており、センサーの出力も一定の電圧値を示しているが、燃料タンク２内の液体燃料の液面位が液面検出線付近になると、燃料タンク２から供給される液体燃料が断続的になって電流−電圧特性もセンサーの出力もパルス状になって不安定になる傾向が認められた。
【００１６】
これは、燃料タンク２内において、液体燃料の液面位が低下し、液面検出線付近になると、燃料供給管１０としてのシリコンチューブ内に空気が混入してセンサーの赤外線の一部が拡散されることによる。
【００１７】
次に、燃料タンク２内に液体燃料が十分存在する状況下において、運転中に燃料供給管１０としてのシリコンチューブを切断したところ、前記シリコンチューブに配置したセンサーからは出力が得られなくなって、電流−電圧特性は急激に低下することが認められた。
【００１８】
このことから、燃料電池本体１に液体燃料が送出されないような故障の発生が検出できたことがわかり、この信号によってシステムの運転を停止させると、システムの安全な運転に寄与することができる。
（実施例２）
図２は、本発明の実施例２に係る直接メタノール型燃料電池システムの構成を示した図であるが、図１と同じ機能を有した部分には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００１９】
実施例２は、高濃度液体燃料を貯蔵する高濃度燃料タンク２２と、この高濃度燃料タンク２２から燃料タンク２に高濃度液体燃料を導入する高濃度燃料供給管２３とが設けられ、前記高濃度燃料供給管２３を電磁波が透過する材料で構成し、高濃度燃料供給管２３内の高濃度液体燃料の存否が電磁波の伝播状態の変化によって検出できるようにしている。
【００２０】
このような構成からなる直接メタノール型燃料電池システムを用い、燃料タンク２内に、液体燃料として、濃度が３重量％のメタノール水溶液を収容し、高濃度燃料タンク２２内に、高濃度液体燃料として、濃度が６０重量％のメタノール水溶液を収容し、空気流量を５リットル／分になるようにして、一定の電流密度（１００ｍＡ／ｃｍ2）、一定の温度（６０℃）で運転して、その電流−電圧特性を測定するとともに、高濃度燃料供給管２３としてのシリコンチューブに設けたセンサーの出力を測定した。なお、高濃度燃料タンク２２から燃料タンク２内には、高濃度液体燃料が一定の割合で滴下されて燃料タンク２内の液体燃料のメタノール濃度が３重量％に保たれるようにした。
【００２１】
その結果、高濃度燃料タンク２２から高濃度液体燃料が継続的に供給されている間は電流−電圧特性は安定しており、センサーの出力も一定の電圧値を示しているが、高濃度燃料タンク２２内の高濃度液体燃料の液面位が底面付近になると、高濃度燃料タンク２２から供給される高濃度液体燃料が断続的になって、センサーの出力がパルス状になって不安定になり、電圧の低下が認められた。
【００２２】
これは、高濃度燃料タンク２２内において、高濃度液体燃料の液面位が底面付近になると、高濃度液体燃料供給管２３としてのシリコンチューブ内に空気が混入してセンサーの赤外線の一部が拡散されるとともに、高濃度液体燃料の供給量が減少することによって燃料タンク２内のメタノール濃度が低下することによる。
【００２３】
次に、高濃度燃料タンク２２内に高濃度液体燃料が十分存在する状況下において、運転中に高濃度液体燃料供給管２３としてのシリコンチューブを切断したところ、前記シリコンチューブに配置したセンサーからは出力が得られなくなって、電圧が急激に低下することが認められた。
【００２４】
このことから、高濃度燃料タンク２２内の高濃度液体燃料がなくなったとき、あるいは燃料タンク２に高濃度液体燃料が送出されないような故障の発生が検出できたことがわかり、この信号によって高濃度液体燃料の追加の必要性を知ることができ、また、この信号によってシステムの運転を停止させると、システムの安全な運転に寄与することができる。
【００２５】
上記実施例１、２では、プロトン導電性高分子固体電解質にはデュポン社製のナフィオン（登録商標）１１７からなる膜を用い、前記燃料極および空気極にはそれぞれ田中貴金属株式会社製のＰｔ−Ｒｕ／Ｃ触媒、Ｐｔ／Ｃ触媒をカーボンペーパーに塗布したものを用い、燃料電池本体１はホットプレス法によってこれらを一体化して膜−電極接合体（ＭＥＡ）とし、さらにこれを上述した如く、グラファイト製のセパレータ板で挟持して積層したものである。
【００２６】
上記した実験は、運転温度、液体燃料濃度、燃料流量、空気流量および電流密度を一定にして行っているが、これらを任意に変化させた場合も同様に検出できることも確認できた。
【００２７】
また、上記した実験では、燃料供給管１０や高濃度液体燃料供給管２３の材質にシリコン樹脂製のものを使用したが、フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの耐有機溶媒性、電磁波透過性を備えた樹脂であれば特に限定されるものではない。
【００２８】
また、上記した直接メタノール型燃料電池システムおいては、燃料供給管１０や高濃度液体燃料供給管２３にセンサーを設けているが、燃料タンク２や高濃度燃料タンク２２にも液面検出器を設けておき、センサーの出力が得られなくなった原因が、燃料タンク２内あるいは高濃度燃料タンク２２内の液面位が低下したことによるものか、液体燃料の供給系統に不具合が発生したことによるものかが、わかるようにすることもできる。すなわち、燃料タンク２の液面位あるいは高濃度燃料タンク２２の液面位を検知するセンサーから正常な出力が得られていた場合は、液体燃料の供給系統あるいは高濃度液体燃料の供給系統に不具合が発生していることが考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によれば、燃料タンクから燃料電池本体に液体燃料を供給するための燃料供給管内の液体燃料の有無を簡便に検出することができるので、燃料不足や液体燃料の供給系統の不具合による転極を引き起こすといったことなく、システムの安定した運転に寄与することができ、直接メタノール型燃料電池システムの産業上の利用可能性が大である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例１に係る直接メタノール型燃料電池システムの構成を示した図である。
【図２】本発明の実施例２に係る直接メタノール型燃料電池システムの構成を示した図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  燃料電池本体
２  燃料タンク
３  燃料極
４  プロトン導電性高分子固体電解質
５  空気極
６  センサー
１０  燃料供給管
１１  空気導入管
２０  燃料ポンプ
２１  空気ブロワ
２２  高濃度燃料タンク
２３  高濃度液体燃料供給管
【図１】
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【図２】
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