(57)【要約】【課題】  燃料不足による転極を引き起こすことなく、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とを備え、前記燃料タンク２の、液体燃料の液面検出位置より低い位置の側面に発光素子１１を設けるとともに液体燃料の液面検出位置または該位置より高い位置の側面に受光素子１２を設け、発光素子１１から発せられた信号が受光素子１２で受光するかどうかを検出して燃料タンク２内の液体燃料の液面を検出する。【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、前記燃料タンクを電磁波が透過する材料で構成し、かつ前記燃料タンクの、液体燃料の液面検出位置より低い位置の側面に発光素子を設けるとともに液体燃料の液面検出位置または該位置より高い位置の側面に受光素子を設け、発光素子から発せられた信号が受光素子で受光するかどうかを検出して燃料タンク内の液体燃料の液面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】
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記載の直接メタノール型燃料電池システム。
【請求項３】
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において、１個の発光素子から発せられた信号を受光する受光素子を少なくとも２個設け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。
【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たセル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。
【０００５】
このような燃料電池において、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おり、たとえば、特許文献１に記載されたような、発光素子、光学プリズムおよび受光素子を液面に対して平行な一直線上に配置し、発光素子から発せられた検出光が光学プリズムによって反射するか、光学プリズムを透過するかどうかによって検知するものや、特許文献２に記載されたような、発光素子および受光素子を備えた光学プリズムを液面に対して垂直方向に配設し、発光素子から発せられた検出光が光学プリズムによって反射するか、光学プリズムを透過するかどうかによって検知するものがある。
【特許文献１】特開平１０−２６７７３１号公報
【特許文献２】特開平０７−０９２００５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。また、特許文献１、２に開示された方法は、発光素子、光学プリズムおよび受光素子の配置や光学プリズムの加工に高い精度が要求されるだけでなく、これらに耐液体燃料性の材質を使用することが要求されるため、コスト面での問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、前記燃料タンクを電磁波が透過する材料で構成し、かつ前記燃料タンクの、液体燃料の液面検出位置より低い位置の側面に発光素子を設けるとともに液体燃料の液面検出位置または該位置より高い位置の側面に受光素子を設け、発光素子から発せられた信号が受光素子で受光するかどうかを検出して燃料タンク内の液体燃料の液面を検出する機能を備えたことを特徴（請求項１）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２）とする。また、前記直接メタノール型燃料電池システムにおいて、１個の発光素子から発せられた信号を受光する受光素子を少なくとも２個設けたことを特徴（請求項３）とする。
【発明の効果】
【０００８】
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する必要がなく、燃料タンクの、液体燃料の液面検出位置より低い位置の側面に設けた発光素子から発せられた電磁波を、液体燃料の液面検出位置または該位置より高い位置の側面に設けた受光素子で受光するようにしているから、高精度な加工や位置決めを必要とする光学プリズムを用いることなく、液面を検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態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。
【００１１】
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が収容された燃料タンク２との間に燃料供給管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８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。
【００１２】
前記燃料タンク２は、電磁波を透過させて液体燃料の存否が検出できるように、電磁波が透過する材料で構成した。たとえば、図２〜４に示したように、電磁波として赤外線を発する赤外線発光ダイオードからなる発光素子１１と該赤外線を受光する赤外線フォトトランジスタからなる受光素子１２とを前記燃料タンク２の側面に配置（前記発光素子１１を液体燃料の液面検出位置より低い位置の側面に配置し、前記受光素子１２を液体燃料の液面検出位置の側面に配置）する場合、燃料タンク２にはフッ素樹脂製の容器を使用するのがよい。なお、ここでいう液体燃料の液面検出位置とは、液面位がこれより低下すれば、安定した運転に支障を生じるような液面位をいい、その液面位以下になった場合に液面低下検出ができるように、液面検出位置の側面に受光素子１２を配置している。
【００１３】
すなわち、燃料タンク２内の液体燃料が十分（液面検出位置より高い位置）にある場合は、図２に示したように、発光素子１１から照射された赤外線は燃料タンク２と液体燃料を透過して受光素子１２によって受光されるが、燃料タンク２内の液体燃料が減少して液面検出位置より低下した場合は、図３に示したように、発光素子１１から照射された赤外線は液面で反射されて受光素子１２によって受光されなくなる。従って、受光素子１２によって発光素子１１から照射された赤外線が受光されたかどうかを検出することによって液体燃料の液面位が適正なレベルにあるかどうかを検出することができる。
【００１４】
なお、燃料タンク２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、フッ素樹脂以外の材質としては、シリコン樹脂、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ことなく使用でき、赤外線以外の電磁波としては、紫外線や可視光線が使用できる。
【００１５】
前記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たものである。
【００１６】
上述した実施形態においては、一組の発光素子１１と受光素子１２を用いた場合であるが、図４に示したように、液面検出位置に設けた受光素子１２とは別に液面検出位置より高い位置に受光素子１３を設けておき、液面検出位置を２段階で検出するようにしてもよい。すなわち、受光素子１３によって赤外線が受光されず、受光素子１２によって受光される場合を要注意とし、受光素子１２と受光素子１３の両方で受光されない場合を液体燃料の要補充とするようにする。
【００１７】
また、上記実施例では、燃料タンク２は発電部８に供給する液体燃料を貯蔵するものであるが、別途、高濃度液体燃料を貯蔵する高濃度燃料タンクを設けておき、前記燃料タンク２内の液体燃料の濃度が低下したときに、高濃度燃料タンクから燃料タンクに高濃度液体燃料を導入するようにして、液体燃料の濃度管理をするようにしたシステムや、着脱式の燃料カートリッジのような燃料タンク２を備えたシステムにも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明によれば、燃料タンクの液面位を、高精度な加工や位置決めを必要とする光学プリズムを用いることなく、発光素子と受光素子を用いるだけで検知することができるので、燃料不足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】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態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】燃料タンク内に液体燃料が十分ある状態を示した図である。
【図３】燃料タンク内の液体燃料が減少した状態を示した図である。
【図４】受光素子を２箇所に設けた図である。
【符号の説明】
【００２０】
１  燃料電池本体
２  燃料タンク
３  燃料タンク
４  プロトン導電性高分子固体電解質
５  空気極
８  発電部
１１  発光素子
１２  受光素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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