(57)【要約】【課題】燃料電池システム停止時における燃料液の無駄な消費を抑制できるとともに、長期にわたるシステム停止においても電界質膜を湿潤状態に保って電池寿命を向上させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】電界質膜１１を燃料極１２と酸素極１３で挟んだ電池本体の燃料極１２に、燃料供給室１４から燃料を供給するとともに、酸素極１３に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムＡ。システムＡは、室１４に燃料液を供給するための燃料供給手段（容器Ｃ１、Ｃ２と、ポンプＰ１、Ｐ２を含む供給路Ｌ１、Ｌ２と、混合流路Ｌ３）と、燃料供給手段の燃料液供給動作停止に伴い、室１４の残燃料を回収する燃料回収手段（ポンプＰ４を含む回収路Ｌ５等）と、燃料回収手段による燃料回収に伴い、燃料供給室１４へ電界質膜１１の湿潤用液を供給し始める湿潤用液供給手段（容器Ｃ２及び湿潤用液供給路Ｌ６）とを含んでいる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に、該燃料極に臨設された燃料供給室から燃料を供給するとともに、該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムであり、
前記燃料供給室に燃料を供給するための燃料供給手段と、
前記燃料供給手段の燃料供給動作停止に伴い、前記燃料供給室の残燃料を回収する燃料回収手段と、
前記燃料回収手段による前記燃料回収に伴い、該燃料供給室へ前記電界質膜の湿潤用液を供給する湿潤用液供給手段と
を含んでいることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記湿潤用液供給手段は、前記燃料供給室に接続された湿潤用液収容部を有している請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記湿潤用液収容部は前記燃料供給室に連通接続されており、該湿潤用液収容部の湿潤用液は、前記燃料回収手段による前記燃料回収によって該燃料供給室内に発生する負圧に応じ、毛管力により該燃料供給室内へ流入する請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料供給手段は、高濃度燃料液収容部と、希釈液収容部とを含んでおり、該高濃度燃料液収容部から高濃度燃料液を取り出すとともに該希釈液収容部から希釈液を取り出し、取り出した高濃度燃料液及び希釈液を混合して希釈燃料液として前記燃料供給室へ供給するものであり、該希釈液収容部は、前記湿潤用液供給手段における湿潤用液収容部を兼ねている請求項２又は３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸素極で生じる液体を回収する酸素極側液体回収手段を備えており、該酸素極側液体回収手段は回収液収容部を含んでおり、前記燃料供給手段における希釈液収容部は、該回収液収容部を兼ねているとともに前記湿潤用液供給手段における湿潤用液収容部を兼ねている請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸素極で生じる液体を回収する酸素極側液体回収手段を備えており、前記燃料供給手段は、燃料ガスを前記燃料供給室へ供給するものであり、該酸素極側液体回収手段は回収液収容部を含んでおり、該回収液収容部は、前記湿潤用液供給手段における湿潤用液収容部を兼ねている請求項２又は３記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料回収手段は、前記燃料供給室から回収した燃料を、前記燃料供給手段の燃料供給動作において前記燃料供給室へ循環させる手段を含んでいる請求項１から６のいずれか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、電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に燃料を供給するとともに該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ユビキタス社会の幕開けとともに電池の長寿命化に対する要求が高まってきている。従来のリチウム電池はその理論限界に近づきつつあり、これ以上の大幅な性能向上は望めなくなりつつある。そんな中、重量（容積）あたりのエネルギー密度の高さから従来の電池に比べて大幅な長寿命化が可能な燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池の中でも特に(1) 構造が簡単、(2) 水素スタンドなどの大規模なインフラ整備を要することなく燃料の入手が容易、(3) 低コスト、低温での動作が可能などの点から、例えば携帯機器（ノート形パーソナルコンピュータ、携帯電話機、各種携帯情報端末（ＰＤＡ）等）向けの燃料電池として適していると言えるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が注目されており、盛んに研究されている。
【０００４】
ここでＤＭＦＣの反応式を示す。
燃料極（アノード）側での反応：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+ 
酸素極（カソード）側での反応：(3/2) Ｏ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ- →３Ｈ2 Ｏ
全反応          ：ＣＨ3 ＯＨ＋(3/2) Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
【０００５】
この反応式によればメタノールと水は燃料極において等モルで反応し、ＣＯ2 と６個の電子とプロトンを生成し、ＣＯ2 は外部に排出され、電子は外部回路を通って酸素極（空気極）に、プロトンは電界質層を通って酸素極（空気極）にそれぞれ別ルートで送られ、そこで反応し、水分子３個を生成する。全反応としてはＣＯ2 と２分子のＨ2 Ｏを生成する。
【０００６】
かかる電気化学反応によると、プロトンが燃料極から酸素極（空気極）へ向かって電界質膜中を移動する際に水和の状態をとるため、電界質膜が乾燥すると、イオン伝導率が低下し、エネルギー変換効率が低下する。また、電界質膜は、一旦乾燥すると、水を吸収させようとしても短時間ではなかなか水を吸収しなくなり、電池特性を保持できなくなる。よって、良好なイオン伝導を保つためには固体電解質膜に水分を供給することが要求され、燃料電池を停止させる間においても、電界質膜に含水させておくことが要求される。
【０００７】
以上は燃料としてメタノールを用いるＤＭＦＣの場合であるが、燃料として燃料ガス（通常は水素ガス）を用いる燃料電池においても、電池における電気化学反応によると、プロトンが燃料極から酸素極（空気極）へ向かって電界質膜中を移動する際に水和の状態をとるため、同様に、燃料電池を停止させる間においても、電界質膜に含水させておくことが要求される。
【０００８】
この点、液体燃料を直接供給するＤＭＦＣのような電池の場合、燃料供給系を停止しても、一般的に燃料極に臨設されている燃料供給室の容積分の燃料液が残存し、該残存燃料液により、一時的に電界質膜の湿潤が保たれる。
【０００９】
特開２００２−１５７６０号公報には、燃料極と空気極とを有するＰＥＭ型の燃料電池において、空気極に水を、例えば霧状に供給し、該水に優先的に潜熱を奪わせることで、電解質膜からの水分の蒸発を抑制し、それにより電界質膜を湿潤状態に保つことが記載されている。
【特許文献１】特開２００２−１５７６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、液体燃料を直接供給するＤＭＦＣのような電池の場合、既述のとおり燃料供給系を停止しても、一般的に燃料極に臨設されている燃料供給室の容積分の燃料液が残存し、該残存燃料液により、電界質膜の湿潤が保たれるが、該残燃料液のために化学反応は進行し、燃料供給室内の残存燃料は無駄に消費されてしまう。また、残燃料液による電界質膜の湿潤維持は、残燃料液が存在している間だけの一時的なことにすぎず、長期にたり電池を停止させる場合には、やがて電界質膜は乾燥する。
【００１１】
燃料として燃料ガスを用いる燃料電池でも、燃料供給系を停止しても、一般的に燃料極に臨設されている燃料供給室の容積分の燃料ガスが残存し、該残存燃料ガスが無駄に消費されてしまう。
【００１２】
また、燃料として燃料液を用いる場合であれ、燃料ガスを用いる場合であれ、特開２００２−１５７６０号公報記載の水供給に倣って酸素極（空気極）に水を供給するにしても、電池を長期間停止させておく場合においては、かかる水供給だけは続けるというわけでははないので、いずれは、電解質膜に含まれた水分が揮散して電界質膜が乾燥してしまう。
【００１３】
そこで本発明は、電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に、該燃料極に臨設された燃料供給室から燃料を供給するとともに、該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムであって、システム停止時（発電を停止させる時）における燃料の無駄な消費を抑制できるとともに、長期にわたるシステム停止においても電界質膜を湿潤状態に保って電池寿命を向上させることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、
電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に、該燃料極に臨設された燃料供給室から燃料を供給するとともに、該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムであり、
前記燃料供給室に燃料を供給するための燃料供給手段と、
前記燃料供給手段の燃料供給動作停止に伴い、前記燃料供給室の残燃料を回収する燃料回収手段と、
前記燃料回収手段による前記燃料回収に伴い、該燃料供給室へ前記電界質膜の湿潤用液を供給し始める湿潤用液供給手段と
を含んでいる燃料電池システムを提供する。
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムによると、燃料供給手段による燃料供給動作を停止させると（換言すれば、本発明に係る燃料電池システムを停止させると）、その停止に伴い、燃料回収手段が燃料供給室から残燃料を回収する。従って、システム停止時における燃料の無駄な消費がそれだけ抑制される。
【００１６】
また、燃料回収手段による前記燃料回収に伴い、湿潤用液供給手段が、燃料供給室へ電界質膜の湿潤用液を供給し始めるので、該湿潤用液の供給により電池本体の電解質膜の湿潤状態が長期にわたり維持され、それだけ電池寿命を向上させることができる。
【００１７】
前記湿潤用液供給手段としては、前記燃料供給室に接続された湿潤用液収容部を有しているものを例示できる。
【００１８】
前記湿潤用液供給手段は、前記燃料回収手段による前記燃料液回収に伴い、燃料供給室へ電界質膜の湿潤用液を供給できるものであればよいが、簡単な構造のものとして、前記湿潤用液収容部が前記燃料供給室に連通接続され、該湿潤用液収容部の湿潤用液が、前記燃料回収手段による前記燃料回収によって該燃料供給室内に発生する負圧に応じ、毛管力により該燃料供給室内へ流入するものを例示できる。
【００１９】
前記燃料電池は、液体燃料を用いるもの、ガス燃料を用いるもののいずれでもよい。
液体燃料を用いるものの場合、前記燃料液供給手段としては、高濃度の燃料液をそのまま前記燃料供給室へ供給するものでもよいが、例えば、高濃度燃料液収容部と、希釈液収容部とを含み、該高濃度燃料液収容部から高濃度燃料液を取り出すとともに該希釈液収容部から希釈液を取り出し、取り出した高濃度燃料液及び希釈液を混合して希釈燃料液として前記燃料供給室へ供給するものを挙げることができる。
【００２０】
このように希釈燃料液を供給する燃料供給手段を採用する場合、システムの簡素化のために、該希釈液収容部に、前記湿潤用液供給手段における湿潤用液収容部を兼ねさせてもよい。この場合、湿潤用液として、該希釈液を使用できる。
【００２１】
また、燃料電池が液体燃料を用いるものの場合、前記酸素極で生じる液体、すなわち燃料電池の電気化学反応により酸素極側に発生する水や、燃料極側から酸素極側へ移動してくる液体を回収する酸素極側液体回収手段を備えていてもよい。その場合、該酸素極側液体回収手段は回収液収容部を含むものとしてもよい。また、燃料液として前記のような希釈燃料液を採用する場合、前記燃料供給手段における希釈液収容部に、該回収液収容部を兼ねさせるとともに前記湿潤用液供給手段における湿潤用液収容部を兼ねさせてもよい。      
【００２２】
燃料電池がガス燃料を用いるものの場合、前記燃料供給手段は、燃料ガスを前記燃料供給室へ供給するものとすればよい。
また、この場合も、前記酸素極で生じる液体を回収する酸素極側液体回収手段を設けてもよい。かかる酸素極側液体回収手段は回収液収容部を含むものとしてもよい。該回収液収容部は、前記湿潤用液供給手段における湿潤用液収容部を兼ねるものでもよい。
【００２３】
いずれにしても、前記燃料回収手段により燃料供給室から回収される燃料は再使用できるが、該再使用のために、前記燃料回収手段は、前記燃料供給室から回収した燃料を、前記燃料供給手段の燃料供給動作において（燃料供給動作中に）前記燃料供給室へ循環させる手段を含んでいてもよい。
【００２４】
前記燃料電池の代表例の一つとして、メタノール、或いは高濃度メタノール、或いは希釈されたメタノールを燃料液として使用する、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)を挙げることができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように本発明によると、電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に、該燃料極に臨設された燃料供給室から燃料を供給するとともに、該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムであって、システム停止時における燃料の無駄な消費を抑制できるとともに、長期にわたるシステム停止においても電界質膜を湿潤状態に保って電池寿命を向上させることができる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（１）図１、図２及び図３に示す燃料電池システムＡ
燃料電池システムＡは、燃料電池１を有している。
電池１は、その本体がダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）であり、電解質膜１１の両面に燃料極（アノード）１２と、酸素極、換言すれば空気極（カソード）１３を接合したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)構造のものである。燃料極１２には、プレート状の燃料供給室１４を重ねて貼り合わせてあり、酸素極１３には、プレート状の空気供給室１５を貼り合わせてある。
【００２７】
電界質膜１１は、電界質高分子膜〔例えば、デュポン社製ナフィオン（パーフルオロスルホン酸膜）〕である。燃料極１２は、電解質膜１１に接する触媒層（例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの）とこれに積層されたカーボンペーパ等の電極からなり、酸素極１３も電解質膜１１に接する同様の触媒層とこれに積層された同様の電極からなっている。
【００２８】
燃料供給室１４は、燃料導入口１４１を有している。さらに、燃料導入口１４１に連通しているとともに燃料極１２へ向け開放された溝状の燃料供給路１４２を有している。燃料供給路１４２は、図２（Ａ）に示すように、ジグザグのサーペンタイン形状に形成されており、燃料回収口１４３に連通している。燃料供給室１４は、燃料供給路１４２に連通するガス放出孔１４４も有している。さらに、燃料導入口１４１の近傍で、燃料供給路１４２に連通する湿潤用液導入口１４５も有している。
【００２９】
空気供給室１５は、外部空気を導入する空気導入口１５１を有している。さらに、空気導入口１５１に連通しているとともに酸素極１３に向け開放された溝状の空気供給路１５２を有している。空気供給路１５２は、図２（Ｂ）に示すように、ジグザグのサーペンタイン形状に形成されている。空気供給室１５は、また、そこに溜まる液体を回収するための液回収口１５３も有している。
【００３０】
燃料電池システムＡは、さらに、
高濃度燃料液（ここでは高濃度メタノール水溶液）を収容した容器Ｃ１、
容器Ｃ１からの高濃度燃料液を供給するポンプＰ１を含む高濃度燃料液供給路Ｌ１、
希釈液（ここでは水或いは水を主成分とする希釈液）を収容する容器Ｃ２、
容器Ｃ２からの希釈液を供給するポンプＰ２を含む希釈液供給路Ｌ２、
供給路Ｌ１から供給される高濃度燃料液と供給路Ｌ２から供給される希釈液とを混合して希釈燃料液として燃料供給室１４の燃料導入口１４１へ導く混合流路Ｌ３、
空気供給室１５に溜まる液を、該空気供給室の液回収口１５３から前記容器Ｃ２へ回収するポンプＰ３を含む液回収路Ｌ４、
燃料供給室１４の燃料回収口１４３から前記容器Ｃ２へ燃料液を回収するための、ポンプＰ４を有する燃料回収路Ｌ５、及び
容器Ｃ２内の液を燃料供給室１４の湿潤用液導入口１４５へ導く湿潤用液供給路Ｌ６を  を含んでいる。
【００３１】
前記液回収路Ｌ４には、必要に応じて、気液分離器４を設けてもよい。
ポンプＰ１〜Ｐ４のそれぞれは、図３に示すように、ポンプ制御部Ｃｏｎｔの指示のもとにオン、オフ制御される。さらに言えば、ポンプ制御部Ｃｏｎｔは、この燃料電池システムＡが利用される、或いは搭載される機器（例えば各種の携帯機器）からの電池オン／オフ信号（発電信号／発電停止信号）が入力されるようになっており、電池オン信号が入力されると、ポンプＰ１、Ｐ２を動作させて希釈燃料液を燃料供給室１４へ供給させ、また、ポンプＰ３を動作させて空気供給室１５に溜まる液体を希釈液収容容器Ｃ２へ回収させる。一方、ポンプＰ４は停止させておく。
【００３２】
ポンプ制御部Ｃｏｎｔに電池オフ信号が入力されると、ポンプＰ１〜Ｐ３を停止させる一方、ポンプＰ４の運転にて燃料供給室１４内の残燃料を容器Ｃ２へ回収させ、該燃料回収後（予め実験等により求めておいた燃料回収に要する時間の経過後）はポンプＰ４を停止させる。
【００３３】
以上説明した、高濃度燃料液収容容器Ｃ１、希釈液収容容器Ｃ２、ポンプＰ１を含む高濃度燃料液供給路Ｌ１、ポンプＰ２を希釈液供給路Ｌ２及び混合流路Ｌ３は、燃料供給室１４へ燃料を供給する燃料供給手段の１例を構成している。
希釈液収容容器Ｃ２及びポンプＰ３を含む液回収路Ｌ４は、酸素極側液体回収手段の１例を構成している。
【００３４】
希釈液収容容器Ｃ２及びポンプＰ４を有する燃料回収路Ｌ５は、燃料回収手段の１例を構成している。
希釈液収容容器Ｃ２及び容器Ｃ２内の液を燃料供給室１４の湿潤用液導入口１４５へ導く湿潤用液供給路Ｌ６は、湿潤用液供給手段の１例を構成している。
【００３５】
このことから分かるように、このシステムＡでは、希釈液収容容器Ｃ２は、湿潤用液供給手段における湿潤用液収容部及び酸素極側液体回収手段における回収液収容部を兼ねており、さらに、燃料回収手段における回収燃料収容部も兼ねている。
【００３６】
燃料電池システムＡによると、ポンプ制御部Ｃｏｎｔの指示によるポンプＰ１、Ｐ２の運転により容器Ｃ１からの高濃度燃料液及び容器Ｃ２からの希釈液が、混合流路Ｌ３において混合されて希釈された燃料液が作られ、燃料供給室１４の燃料導入口１４１を経て該室内の燃料供給路１４２に流れ、燃料極１２に供給され、発電に供される。
【００３７】
一方、酸素極側では、空気供給室１５の空気導入口１５１から流入する外部空気が該室１５内の空気供給路１５２に流れて酸素極１３に供給され、発電に供される。
かくして、燃料極１２及び酸素極１３に接続される負荷ＬＤに通電することができる。      
【００３８】
燃料極１２側で発生するガスは、燃料供給室１４に形成されたガス放出孔１４４（図２（Ａ）参照）から外部へ放出される。
燃料電池本体における電気化学反応により酸素極１３で発生する水及び電界質膜１１を通って燃料極１２側から酸素極１３側へ到来することがある液は、空気供給室１５の空気供給路１５２に溜まるが、これら液体は、ポンプＰ３の運転にて液回収路Ｌ４を介して希釈液収容容器Ｃ２へ回収される。
【００３９】
かかるポンプＰ３の吸引動作により、空気供給室１５へ外部空気を吸引できるが、必要に応じ、例えば、空気導入口１５１に通じる空気通路に空気供給ポンプを設けてもよい。また、液回収路Ｌ４には、必要に応じ、気液分離器４を設けてもよい。
【００４０】
燃料電池システムＡによると、ポンプ制御部Ｃｏｎｔに電池オフ信号が入力されると、既述のとおり、該制御部ＣｏｎｔはポンプＰ１、Ｐ２を停止させて燃料供給室１４への燃料供給を停止させ、また、ポンプＰ３を停止させる。一方、かかるポンプ停止に代わって燃料回収路Ｌ５におけるポンプＰ４を始動させ、それにより、燃料供給室１４内の残燃料液を容器Ｃ２へ回収させ、希釈液とともに再使用可能とする。
【００４１】
このように、燃料電池システムＡの発電を停止させるときには、燃料供給室１４内の残燃料を回収して再使用できるので、回収しない場合に比べると、換言すれば、残存燃料分の発電がさらに無駄に継続される場合と比べると、それだけ燃料の無駄な消費が抑制され、燃料を節約できる。
【００４２】
また、かかる燃料供給室１４からの残燃料の回収にともなって、該室内が負圧になることで、希釈液収容容器Ｃ２から湿潤用液として希釈液が、毛管力の作用で、湿潤用液供給路Ｌ６を通って燃料供給室１４の湿潤用液導入口１４５へ供給され、さらに、燃料供給路１４２内へ供給される。それにより、電池本体１の電界質膜１１は燃料極側から湿潤状態に維持される。発電停止状態が長期にわたってくると、燃料供給室１４内の希釈液（湿潤用液）は減少してくるが、その減少は容器Ｃ２からの、毛管力による希釈液の補充により補われる。
【００４３】
かくして、長期にわたるシステム停止においても、電界質膜１１を湿潤状態に保って電池寿命を向上させることができる。
【００４４】
（２）図４及び図５に示す燃料電池システムＢ
図４及び図５は本発明に係る燃料電池システムの他の例Ｂを示している。
燃料電池システムＢは、前記のシステムＡと同様に電界質膜１１とそれに貼り合わされた燃料極１２及び酸素極１３からなるＭＥＡ構造のＤＭＦＣ本体に燃料供給室１１及び空気供給室１５を重ね設けた燃料電池１、高濃度燃料液収容用器Ｃ１及び希釈液収容容器Ｃ２を含んでいる。
【００４５】
システムＡではポンプＰ１〜Ｐ４を採用したが、ここでは、それに代えて、燃料供給室１４に重ね設けた、プレート状のポンプユニット１６と、空気供給室１５に重ね設けた、プレート状のポンプユニット１７を採用している。
システムＡにおける部品、部分等と実質上同じ部品、部分等にはシステムＡと同じ参照符号を付してある。
【００４６】
ポンプユニット１６は、図５（Ａ）に示すように、マイクロポンプＭＰ１を含む高濃度燃料液供給路１６１と、マイクロポンプＭＰ２を含む希釈液供給路１６２と、供給路１６１から供給される高濃度燃料液と供給路１６２から供給される希釈液とを混合して希釈された燃料液とし、これを燃料供給室１４の燃料導入口１４１へ供給する混合流路１６３とを有している。供給路１６１、１６２及び混合流路１６３は、燃料供給室１４に向け開放された溝状に形成されている。
【００４７】
供給路１６１の入口１６１ａには高濃度燃料液を収容した容器Ｃ１が接続され、供給路１６２の入口１６２ａには希釈液収容容器Ｃ２が接続される。
【００４８】
ポンプユニット１６は、また、マイクロポンプＭＰ４を含む、燃料回収路１６４を有しており（図５（Ａ）参照）、その入口は燃料供給室１４の燃料回収口１４３に連通している。出口１４３ａは回収燃料収容部を兼ねる希釈液収容容器Ｃ２に接続される。燃料回収路１６４も、燃料供給室１４に向け開放された溝状に形成されている。
【００４９】
空気供給室側のポンプユニット１７は、図５（Ｂ）に示すように、マイクロポンプＭＰ３を含む液回収路１７１を有しており、液回収路１７１は、一方で、空気供給室１５の液回収口１５３に連通しており、他方で、貫通孔ｈ、すなわち、空気供給室１５、電池本体、燃料供給室１４及びポンプユニット１６を貫通する孔ｈを介して容器Ｃ２に連通している。
【００５０】
なお、図５（Ａ）に示す、ポンプユニット１６における孔１６５は、かかる貫通孔ｈの一部を形成する孔である。
また、図５（Ｂ）に示す、ポンプユニット１７における孔１７０は、空気供給室１５の空気導入口１５１に連通する外部空気導入用の貫通孔である。
【００５１】
なお、図５（Ａ）におけるＰＺＴ１、ＰＺＴ２、ＰＺＴ４はマイクロポンプＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ４のアクチュエータである圧電素子であり、図５（Ｂ）におけるＰＺＴ３はマイクロポンプＭＰ３の圧電素子である。マイクロポンプについては後ほど詳述する。
【００５２】
ポンプＭＰ１〜ＭＰ４のそれぞれは図示省略のポンプ駆動部により運転されるが、該ポンプ駆動部は図示省略のポンプ制御部の指示のもとにオン、オフ制御される。さらに言えば、ポンプ制御部は、この燃料電池システムＢが利用される、或いは搭載される機器（例えば各種の携帯機器）からの電池オン／オフ信号を入力されるようになっており、電池オン信号が入力されると、ポンプＭＰ１、ＭＰ２を動作させて希釈燃料液を燃料供給室１４へ供給させ、また、ポンプＭＰ３を動作させて空気供給室１５に溜まる液体を希釈液収容容器Ｃ２へ回収させる。一方、ポンプＭＰ４は停止させておく。
【００５３】
電池オフ信号が入力されると、ポンプＭＰ１〜ＭＰ３を停止させる一方、ポンプＭＰ４の運転にて燃料供給室１４内の燃料を容器Ｃ２へ回収させ、該燃料回収後（予め実験等により求めておいた燃料回収に要する時間の経過後）はポンプＭＰ４を停止させる。
【００５４】
燃料電池システムＢによると、ポンプＭＰ１、ＭＰ２の運転により容器Ｃ１からの高濃度燃料液及び容器Ｃ２からの希釈液が、混合流路１６３において混合されて希釈された燃料液が作られるとともに、該燃料液が燃料供給室１４の燃料導入口１４１を経て該燃料供給室１４内の燃料供給路１４２に流れ、燃料極１２に供給され、発電に供される。
【００５５】
一方、空気供給室１５においては、ポンプユニット１７の孔１７０及び空気供給室１５の空気導入口１５１から該空気供給部内の空気供給路１５２へ外部空気が流入し、酸素極１３へ外部空気が供給され、発電に供される。
かくして、燃料極１２及び酸素極１３に接続される負荷ＬＤに通電することができる。      
【００５６】
燃料極１２側で発生するガスは、燃料供給室１４に形成された、システムＡの場合と同様のガス放出孔から外部へ放出される。
燃料電池本体における電気化学反応により酸素極１３で発生する水及び電界質膜１１を通って燃料極１２側から酸素極１３側へ到来することがある液は、空気供給室１５で受けられ、ポンプＭＰ３の運転により容器Ｃ２へ回収される。
なお、マイクロポンプＭＰ３の動作により空気供給室１５内へ外部空気を導入できるが、空気供給室１５の空気導入口１５１に通じる部分に空気供給ポンプを設ける等してもよい。
【００５７】
燃料電池システムＢにおいても、図示省略のポンプ制御部に電池オフ信号（発電停止指示信号）が入力されると、ポンプ制御部の指示のもとに、圧電素子ＰＺＴ１、ＰＺＴ２への電力供給が停止されてポンプＭＰ１、ＭＰ２が停止し、燃料供給室１４への燃料供給が停止する。また、圧電素子ＰＺＴ３への電力供給も断たれてＭポンプＰ３も停止する。一方、かかるポンプ停止に代わって圧電素子ＰＺＴ４が駆動されてポンプＭＰ４が始動し、それにより、燃料供給室１４内の残燃料液が容器Ｃ２へ回収され、希釈液とともに再使用可能とされる。
【００５８】
このように、燃料電池システムＢにおいても、発電を停止させるときには、燃料供給室１４内の残燃料を回収して再使用できるので、回収しない場合に比べると、換言すれば、残存燃料分の発電がさらに無駄に継続される場合と比べると、それだけ燃料の無駄な消費が抑制され、燃料を節約できる。
【００５９】
また、かかる燃料供給室１４からの残燃料の回収にともなって、該室内が負圧になることで、希釈液収容容器Ｃ２から湿潤用液として希釈液が、毛管力の作用で、燃料供給室１４の湿潤用液導入口１４５に通じるポンプユニット１６の孔１４５’（図５（Ａ）参照）へ湿潤用液供給路Ｌ’を通ってへ供給され、さらに、燃料供給路１４２内へ供給される。それにより、電池本体１の電界質膜１１は燃料極側から湿潤状態に維持される。発電停止状態が長期にわたってくると、燃料供給室１４内の希釈液（湿潤用液）は減少してくるが、その減少は容器Ｃ２からの、毛管力による希釈液の補充により補われる。
【００６０】
かくして、長期にわたるシステム停止においても、電界質膜１１を湿潤状態に保って電池寿命を向上させることができる。
【００６１】
また、システムＢでは、マイクロポンプＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ４を含むポンプユニット１６を採用するとともに、マイクロポンプＭＰ３を含むポンプユニット１７を採用しているので、それだけ全体が小型化、コンパクト化されている。
【００６２】
なお、１枚のプレートの片面に前記燃料供給室１４の溝状の燃料供給路１４２を形成し、同じプレートの反対側に前記ポンプユニット１６における液体流路１６１、１６２、１６３、１６４を形成して該流路を薄いプレート或いはフィルムで閉じるようにすることで、燃料供給室１４とポンプユニット１６を一体化してもよく、そうすることで一層システムのコンパクト化が図れる。空気供給室１５とポンプユニット１７についても、同様にして一体化でき、そうすることで、一層システムのコンパクト化が図れる。
【００６３】
前記のマイクロポンプＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３、ＭＰ４は、いずれも図６に示す基本構造を有するものである。
すなわち、液体を吸引するための第１絞り流路ｆ１、液体を吐出するための第２絞り流路ｆ２、該第１、第２の絞り流路ｆ１、ｆ２間のポンプ室ＰＣ、ポンプ室ＰＣの可撓性壁（ダイアフラム）ＤＦに設置された圧電素子ＰＺＴを含むポンプである。
【００６４】
圧電素子ＰＺＴに図示省略のポンプ駆動部から駆動信号としてパルス電圧を印加することでポンプ室壁（ダイアフラム）ＤＦを振動させ、それによりポンプ室ＰＣの容積を変動させ、第１絞り流路ｆ１からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引し、第２絞り流路ｆ２からポンプ室内液体を吐出できる。
【００６５】
さらに説明すると、第１、第２の絞り流路ｆ１、ｆ２は断面積が同じ又は略同じであるが、流路ｆ１より流路ｆ２は長く形成されている。圧電素子ＰＺＴを駆動するバルス電圧として図６（Ｃ）に示すように急峻な立ち上がり、緩やかな立ち下がりを示すパルス電圧を用いる。
【００６６】
図６（Ａ）に示すように、印加電圧の急峻な立ち上がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを急激に変形させてポンプ室ＰＣを急激に収縮させると、長い流路ｆ２では流路抵抗により液体が層流状に流れる一方、短い流路ｆ１では液体が乱流となり、流路ｆ１からの液体の流出が抑制される。これにより、流路ｆ２からポンプ室内液体を吐出することができる。
【００６７】
図６（Ｂ）に示すように、印加電圧の緩やかな立ち下がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを緩やかに復帰動作させてポンプ室ＰＣを緩やかに膨張させると、短い流路ｆ１からはポンプ室ＰＣ内へ液体が流入する一方、このとき流路ｆ１より流路抵抗が大きい長い流路ｆ２からの液体吐出が抑制される。これにより、流路ｆ１からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引できる。
【００６８】
よって、所望の送液方向において上流側に流路ｆ１を下流側に流路ｆ２を配置することで所望方向に送液可能である。ポンプＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３、ＭＰ４のそれぞれは、かかる基本構造を有し、かかる動作原理で送液を行うものである。
【００６９】
ポンプＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３、ＭＰ４のそれぞれの送液能力は、各ポンプにおけるポンプ室容積、圧電素子の性能、第１、第２の絞り流路の断面積及び（又は）長さ等のうち１又は２以上を適宜選択決定することで所望のものにできる。
【００７０】
なお、図６に基本構造を示すマイクロポンプは、図６（Ｆ）に示すように、圧電素子ＰＺＴに緩やかな立ち上がり、急峻な立ち下がりを示すパルス電圧を印加することで、図６（Ｄ）に示すように流路ｆ１からポンプ室内液体を吐出でき、図６（Ｅ）に示すように流路ｆ２から液体を吸引できるが、ここでは、図６（Ｃ）に示す駆動波形を採用している。      
【００７１】
なお、燃料電池システムＡやＢにおいては、燃料供給室１４から残燃料液を回収するにつき、燃料回収口１４３にドレンバルブを設け、これを開いて残燃料液を燃料回収容器等へ放出させるようにしてもよい。ドレンバルブを開いて放出するにせよ、既述のようにポンプＰ４或いはマイクロポンプＭＰ４で回収するにしろ、回収した燃料液を適当な容器に貯蔵しておいて、適当なタイミングで容器Ｃ１からの高濃度燃料液に混ぜる等して再使用してもよい。
【００７２】
（３）図７に示す燃料電池システムＣ
燃料電池システムＣは、燃料として水素ガスを用いるものである。
システムＣは、電界質膜１１’に燃料極１２’及び酸素極１３’を貼り合わせた燃料電池本体の燃料極１２’に燃料供給室１４’を重ね設けるとともに酸素極１３’に、システムＡの場合と同様の空気供給室１５を重ね設けた燃料電池１’を有している。
【００７３】
システムＣは、また、
水素ガスボンベＣ３、
水素ガスボンベＣ３から水素ガスを燃料供給室１４’の燃料導入口へ供給する、ポンプＰ１’を含む燃料ガス供給路Ｌ１’、
空気供給室１５に溜まる液を、該空気供給室から、回収液収容用容器Ｃ４へ回収するポンプＰ３を含む液回収路Ｌ４、
燃料供給室１４’の燃料回収口から燃料ガスを回収ガス容器Ｃ５へ回収するための、ポンプＰ４’を有する燃料回収路Ｌ５’、及び
容器Ｃ４内の液を燃料供給室１４’の湿潤用液導入口へ導く湿潤用液供給路Ｌ６を含んでいる。
液回収路Ｌ４には気液分離器４を設けてもよい。
【００７４】
ポンプＰ１’、Ｐ３、Ｐ４’のそれぞれは、図示省略のポンプ制御部の指示のもとにオン、オフ制御される。さらに言えば、ポンプ制御部は、この燃料電池システムＣが利用される、或いは搭載される機器（例えば各種の携帯機器）からの電池オン／オフ信号を入力されるようになっており、電池オン信号が入力されると、ポンプＰ１’を動作させて水素ガスを燃料供給室１４’へ供給させ、また、ポンプＰ３を動作させて空気供給室１５に溜まる液体を回収液収容容器Ｃ４へ回収させる。一方、ポンプＰ４’は停止させておく。        
【００７５】
電池オフ信号が入力されると、ポンプＰ１’、Ｐ３を停止させる一方、ポンプＰ４’の運転にて燃料供給室１４’内の燃料ガスを容器Ｃ５へ回収させ、該燃料回収後（予め実験等により求めておいた燃料回収に要する時間の経過後）はポンプＰ４’を停止させる。
【００７６】
燃料電池システムＣによると、図示省略のポンプ制御部の指示によるポンプＰ１’の運転により容器Ｃ３から水素ガスが燃料供給室１４’へ、さらに燃料極１２’へ供給され、発電に供される。
一方、酸素極側では、空気供給室１５の空気導入口１５１から流入する外部空気が該室１５内の空気供給路に流れて酸素極１３’に供給され、発電に供される。
かくして、燃料極１２’及び酸素極１３’に接続される負荷ＬＤに通電することができる。
【００７７】
燃料電池本体における電気化学反応により酸素極１３’で発生する水等はポンプＰ３の運転にて容器Ｃ４へ回収される。
【００７８】
燃料電池システムＣによると、ポンプ制御部に電池オフ信号が入力されると、該制御部はポンプＰ１’を停止させて燃料供給室１４’への燃料供給を停止させ、また、ポンプＰ３を停止させる。一方、かかるポンプ停止に代わって燃料回収路Ｌ５’におけるポンプＰ４’を始動させ、それにより、燃料供給室１４’内の残燃料ガスを容器Ｃ５へ回収させる。容器Ｃ５に回収されるガスは、発電時の適当なタイミングで、ボンベＣ３からの水素ガスに混ぜる等して再使用可能である。
【００７９】
このように、燃料電池システムＣの発電を停止させるときには、燃料供給室１４’内の残燃料を回収して再使用できるので、回収しない場合に比べると、換言すれば、残存燃料分の発電がさらに無駄に継続される場合と比べると、それだけ燃料の無駄な消費が抑制され、燃料を節約できる。
【００８０】
また、かかる燃料供給室１４’からの残燃料の回収にともなって、該室内が負圧になることで、回収液収容容器Ｃ４から湿潤用液として回収液が、毛管力の作用で、湿潤用液供給路Ｌ６を通って燃料供給室１４’へ供給される。それにより、電池本体の電界質膜１１’は燃料極側から湿潤状態に維持される。発電停止状態が長期にわたってくると、燃料供給室１４’内の湿潤用液は減少してくるが、その減少は容器Ｃ４からの、毛管力による液の補充により補われる。
【００８１】
かくして、長期にわたるシステム停止においても、電界質膜１１’を湿潤状態に保って電池寿命を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、電界質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に燃料を供給するとともに該酸素極に空気を供給して発電させる燃料電池を含む燃料電池システムであって、発電停止時の無駄な燃料消費を抑制するとともに電界質膜を湿潤状態に維持して電池寿命を向上させることに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの１例を示す図である。
【図２】図２（Ａ）は図１の燃料電池システムにおける燃料供給室を、図１において左側から見た図であり、図２（Ｂ）は該システムにおける空気供給室を、図１において右側から見た図である。
【図３】ポンプ制御回路の概略を示すブロック図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの他の例を示す図である。
【図５】図５（Ａ）は、図４の燃料電池システムにおける燃料供給室側のポンプユニットを、図４において左側から見た図であり、図５（Ｂ）は、図４の燃料電池システムにおける空気供給室側のポンプユニットを、図４において右側から見た図である。
【図６】マイクロポンプの１例の基本構造及び動作を示すもので、図６（Ａ）は液体吐出動作を示す図、図６（Ｂ）は液体吸引動作を示す図、図６（Ｃ）はかかる液体の吐出動作、吸引動作のための圧電素子への印加電圧波形を示す図である。図６（Ｄ）は図６（Ａ）とは反対方向への液体吐出動作を示す図、図６（Ｅ）は図６（Ｂ）とは反対方向の液体吸引動作を示す図、図６（Ｆ）はかかる反対動作のための圧電素子への印加電圧波形を示す図である。
【図７】本発明に係る燃料電池システムのさらに他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
Ａ  燃料電池システム
１  燃料電池
１１  電解質膜
１２  燃料極（アノード）
１３  酸素極、換言すれば空気極（カソード）
１４  燃料供給室
１４１  燃料導入口
１４２  燃料供給路
１４３  燃料回収口
１４４  ガス放出孔
１４５  湿潤用液導入口
１５  空気供給室
１５１  空気導入口
１５２  空気供給路
１５３  液回収口
Ｃ１  高濃度燃料液収容容器
Ｃ２  希釈液収容容器
Ｌ１  高濃度燃料液供給路
Ｌ２  希釈液供給路
Ｌ３  混合流路
Ｌ４  液回収路
Ｌ５  燃料回収路
Ｌ６  湿潤用液供給路
Ｐ１〜Ｐ４  ポンプ
４  気液分離器
ＬＤ  負荷
Ｂ  燃料電池システム
１６、１７  ポンプユニット
ＭＰ１〜ＭＰ４  マイクロポンプ
ＰＺＴ１〜ＰＺＴ４  圧電素子
１６１  高濃度燃料液供給路
１６１ａ  供給路１６１の入口
１６２  希釈液供給路
１６２ａ  供給路１６２の入口
１６３  混合流路
１６４  燃料回収路
１４５’、１６５  孔
１７１  液回収路
ｈ  貫通孔
１７０  孔
Ｃ  燃料電池システム
１’  燃料電池
１１’  電解質膜
１２’  燃料極（アノード）
１３’  酸素極、換言すれば空気極（カソード）
１４’  燃料供給室
Ｃ３  水素ガスボンベ
Ｃ４  回収液収容容器
Ｃ５  回収ガス容器
Ｐ１’、Ｐ４’  ポンプ
Ｌ１’燃料ガス供給路
Ｌ５’燃料回収路
【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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