(57)【要約】【課題】  直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）をパッシブ型で使用するためには、連続使用時にＤＭＦＣ発電部付近のメタノール濃度が最適範囲から外れて出力低下等を起こす問題や長期保管時にＤＭＦＣ内の燃料が乾いて空になり燃料カートリッジの燃料が直接ＤＭＦＣ発電部付近に供給されるためにＤＭＦＣ発電部付近のメタノール濃度が最適範囲から外れる問題があった。【解決手段】  ＤＭＦＣ発電部付近の濃度が最適値よりも高いときにＤＭＦＣから取り出す電流を小さくし、ＤＭＦＣ発電部付近の濃度が最適値よりも低いときにＤＭＦＣから取り出す電流を大きくすることでＤＭＦＣ発電部付近の燃料濃度を調整する。カートリッジからＤＭＦＣ発電部の間に、ＤＭＦＣ発電部に直接接触しないため乾燥しにくい構造となっていて燃料を保持可能な補助タンクを設けることで、長期保管後の起動時にＤＭＦＣ発電部付近に供給されるメタノール濃度を低くする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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形成される固体高分子電解質膜を有する発電部と、前記燃料を水溶液としてアノードに供給する発電部タンクと、前記水溶液に対する前記燃料の濃度を検知する濃度検知手段とを有する電源装置を備えた電子機器。
【請求項２】
前記濃度が、所定値よりも高いときに前記燃料電池から取り出す電流量を減少させる濃度調整機能を有することを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【請求項３】
前記濃度が所定値よりも低いときに前記燃料電池から取り出す電流量を増加させる濃度調整機能を有することを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【請求項４】
前記濃度検知手段からの情報を取得して燃料電池から取り出す電力を制御する制御手段を有し、前記制御手段は前記濃度が、所定値よりも高いときに前記燃料電池から取り出す電流量を減少させ、前記濃度が所定値よりも低いときに前記燃料電池から取り出す電流量を増加させる濃度調整機能を有することを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【請求項５】
前記請求項１に記載の電子機器であって、前記燃料電池に加えて蓄電器を有し、前記濃度調整中に前記蓄電器により前記燃料電池の電力と負荷電力との間の過不足を調整することを特徴とする電子機器。
【請求項６】
前記請求項１から２に記載の電子機器であって、前記燃料電池の発電部付近の濃度検知手段に少なくとも前記燃料電池の発電部付近の温度情報と前記燃料電池から取り出す電力情報を用いることを特徴とする電子機器。
【請求項７】
請求項１に記載の電子機器であって、燃料電池の発電部に接触した燃料を保液可能な発電タンクと、発電部へ燃料を供給可能なカートリッジを有し、前記カートリッジからタンクへの送液経路の間に補液可能な別の補助タンクを有することを特徴とする電子機器。
【請求項８】
請求項７に記載の電子機器であって、前記補助タンクに保液可能な容量が前記発電タンクに保液可能な容量に対して、少なくとも１倍以上であることを特徴とする電子機器。
【請求項９】
請求項８に記載の電子機器であって、前記補助タンクに保液可能な容量が前記発電タンクに保液可能な容量に対して、大きくとも３倍以下であることを特徴とする電子機器。
【請求項１０】
前記請求項８に記載の電子機器であって、前記補助タンクに保液可能な容量と前記発電タンクに保液可能な容量の比が、大きくとも前記カートリッジ内の燃料濃度の１０分の１倍であることを特徴とする電子機器。
【請求項１１】
請求項７に記載の電子機器であって、前記カートリッジから補助タンクへ送液経路の間に前記カートリッジへの逆流を防止する第一の逆止弁を有すると共に、補助タンクから発電タンクへの送液経路の間に補助タンクへの逆流を防止する第二の逆止弁を有することを特徴とする電子機器。
【請求項１２】
前記請求項１１記載の電子機器であって、前記第二の逆止弁が前記カートリッジの装着により開放され、前記カートリッジの取り外しにより閉鎖させることを特徴とする電子機器。
【請求項１３】
請求項１２記載の電子機器であって、発電可否を選択可能なスイッチ機能を有した電子機器であり、前記スイッチ入力に連動して前記第二の逆止弁の開放と閉鎖がなされることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いた電源装置を搭載した電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子技術の進歩によって、携帯電話機，ノートＰＣ，オーディオ・ビジュアル機器、あるいはモバイル端末機器など携帯電子機器の普及が急速に進んでいる。このような携帯電子機器は二次電池によって駆動するシステムであり、新型二次電池の出現，小型軽量化および高エネルギー密度化によってシール鉛バッテリーからＮｉ／Ｃｄ電池，Ｎｉ水素電池、さらにはＬｉイオン電池へと発展してきた。いずれの二次電池においてもエネルギー密度を高めるため、電池活物質の開発や高容量電池構造の開発が行われ、より使用時間の長い電源を実現する努力が払われている。
【０００３】
しかしながら、携帯電子機器において各個の機能はより一層の低消費電力化への努力がなされているが、今後もユーザニーズにあわせ新しい機能を追加する必要があるため、携帯機器トータルの消費電力は増加する傾向が予想される。そのため、より高密度の電源、すなわち、連続使用時間の長い電源を必要とする方向に向かうことになる。
【０００４】
使用者がより長い携帯機器の使用時間を確保するために、燃料電池を搭載した電源装置に期待が集まっている。前記携帯機器用の燃料電池には、直接メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ）が室温でも発電できることから有望視されており、既存の２次電池とは異なり、カートリッジなどで燃料を補給することで連続発電を可能にすることを狙っている。
【０００５】
そして、連続発電を確実に行うためには、メタノールの濃度を調整する必要がある。
【０００６】
【特許文献１】特表２００４−５３７１５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＤＭＦＣを使用した電源装置を連続使用すると、ＤＭＦＣの発電部付近に燃料を必要量格納可能な保液機構(以下、発電部タンクと呼ぶ)における燃料濃度が変化する。ＤＭＦＣの発電部は、触れている燃料のメタノール濃度が所定の範囲から外れると出力の低下が大きくなる。
【０００８】
本発明の目的は、発電タンク内の燃料濃度を所定の範囲から外れないように制御することにより、電源装置の出力の安定化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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形成される固体高分子電解質膜を有する発電部と、前記燃料を水溶液としてアノードの供給する発電部タンクと、前記水溶液に対する前記燃料の濃度を検知する濃度検知手段とを有する電源装置。
【発明の効果】
【００１０】
燃料の濃度を検知することにより、燃料濃度の制御を可能とし、その結果、電源装置の出力の安定化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の電源装置の構成およびその制御方法の詳細を実施例と図を用いて説明する。
【００１２】
（実施例１）
本発明の第１の実施例について図１を用いて説明する。
【００１３】
本実施例の電源装置の構成は、メタノールを酸化するアノード１と、酸素を還元するカソード２と、前記アノードと前記カソードとの間に形成される固体高分子電解質膜３からなる膜電極接合体（以下、ＭＥＡ），ＭＥＡから電流を取り出す集電板（図示せず），
ＭＥＡと集電板を圧着させる端板（図示せず）からなる発電部１１とＭＥＡのアノード側に接触させてメタノール水溶液を保液可能な発電タンク４とを備えたＤＭＦＣ５を中心に構成され、補助タンク８，制御システム１４を含み、必要に応じて後述する、蓄電器，保護回路，ＤＣ／ＤＣコンバータ、を含む構成となっている。
【００１４】
燃料は、着脱可能なカートリッジ６から、燃料のカートリッジ６側への漏れ出しを止めるカートリッジ逆止弁７を通り、補助タンク８に一度蓄えられて、発電タンク４に供給される構成となっている。カートリッジ６の内部にはピストン９が備えられ、ばね１０からの反力を得て燃料を押し出す。
【００１５】
電気系の構成に関しては、アノード１とカソード２とがそれぞれ制御システム１４と電気的に接続され、発電タンク４の濃度情報が制御システム１４に入力される構成となっている。
【００１６】
連続使用時にＤＭＦＣが良好に発電可能な範囲から外れないように濃度を調整するための制御機構について説明する。補機を使用しないパッシブ型では積極的に燃料を流動させ濃度調整することができないので、燃料の流れとは別にアノード近傍の燃料濃度を調整する機構が必要であることはもちろん、補機を使用したアクティブ型においてもアノード近傍の濃度を調整するのに必要な機構である。
【００１７】
本実施形態における燃料はメタノール水溶液を用いているため、燃料の濃度とは、メタノール水溶液についてのメタノール濃度である。発電タンク内のメタノール濃度が変化する原因は、大きく４つ存在する。一つは、燃料電池が発電することに伴う化学反応で燃料が消費されることによる濃度の変化、二つ目はメタノール及び水が電解質膜を透過してカソードに達してしまうクロスオーバ現象による濃度の変化、三つ目は、メタノールと水の揮発による濃度変化、四つ目は、発電に伴う化学反応により生じたプロトン（Ｈ+ ）がカソードに到達する際に随伴してカソードに達する随伴水による濃度変化である。
【００１８】
発電反応に伴う燃料消費について説明する。
【００１９】
ＤＭＦＣの化学反応式は以下で表される。
【００２０】
アノード：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-
カソード：３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ
理論的には、発電タンク中にあるメタノールと水とは１：１のモル比で反応する。メタノール濃度にすると約６４ｗ％である。
【００２１】
クロスオーバ現象の場合、アノード側からカソード側へメタノール及び水が電解質膜を通過して移動する。アノードのメタノール濃度が高いほど単位時間あたりのメタノールのクロスオーバ量は増加し、当然ながら時間がたつほどにメタノールのクロスオーバ量は増加する。水の場合も同様である。クロスオーバによるメタノールの減少はアノードのメタノール濃度と時間に比例して多くなる。これらの値は、ＭＥＡの物性値により決定される。
【００２２】
メタノールと水の揮発は、発電タンクが密閉されていれば生じない現象であるが、発電タンクを密閉した場合、燃料電池の発電反応に伴い生じる二酸化炭素が発電タンク内に蓄積され、二酸化炭素の気泡がアノードを覆うため発電が停止してしまう。そこで、本実施形態には、発電タンクに気液分離孔（図示せず）を設置し、二酸化炭素を発電タンクより排出する構成をとっている。
【００２３】
ここで、気液分離孔は、気体を通し、液体を遮断する機能（気液分離機能）を持った孔で、本実施例では、発電タンクに設けた孔に多孔質材料を設置しその孔の内壁を撥水化させ気液分離機能を実現している。
【００２４】
この気液分離孔を通じて、メタノールと水とが揮発し、メタノール濃度を変化させる。
【００２５】
随伴水は、前述の通りプロトンに随伴してカソード側に抜けて消費されるため、その増減は電子（ｅ-）の量すなわち電流量とその時間に比例する。
【００２６】
すなわち、電流量を小さくするとプロトンに付随して移動する水の量が減り、発電タンクに滞留する水の量が増えるためメタノール濃度は下がる方向へ移動する。逆に、電流量を大きくするとプロトンに付随し電解質膜を透過する水の量が増え発電タンクに滞留する水の量が減るためメタノール濃度は上がる方向へ移動する。
【００２７】
クロスオーバ，随伴水，揮発によるメタノールや水の消費により、メタノールと水が反応するマスバランスは変化し、発電部近傍で必要なメタノールと水の比は理論値よりも水が多く必要となる。その値は、メタノール濃度で１０から４０ｗ％付近が最適な濃度と考えられる。ここでは、ＭＥＡの物性により決定される最適な濃度を所定の濃度と呼ぶことにするが、広くは、さまざまな要因から予め決定される燃料の濃度を指す。さまざまな要因には、ＭＥＡのクロスオーバ量や、気液分離膜からどれだけメタノール水溶液が揮発するかなどがある。
【００２８】
本実施例では、随伴水の量が電流量に依存するという現象を利用し、所定の濃度に対して発電タンク４内のメタノール濃度が高い場合はＤＭＦＣから取り出す電流量を小さくすることで随伴水を減らし、発電タンク内の濃度を下げ、逆に所定の濃度に対して、発電タンク４内のメタノール濃度が低い場合はＤＭＦＣから取り出す電流量を大きくすることで随伴水を増加させ所定の濃度に近づけることができる。
【００２９】
発電タンク内のメタノール濃度は必ずしも均一ではない。一方、発電タンク内のメタノール濃度が発電反応に効いてくるのは、発電部近傍の濃度である。したがって、メタノール濃度を制御するにあたり、発電部近傍の濃度を検知するのがよい。しかし、濃度検知手段にいかなる手段を用いるかや、電源装置の構造により発電部近傍の濃度を測ることが困難な場合もある。その場合、必ずしも近傍でなくても、検出した濃度を校正することにより発電部近傍の濃度を推測してもよい。
【００３０】
濃度検知手段ついて説明する。
【００３１】
発電タンク４内に平板２枚を設け、前記平板間の誘電率から濃度検知を行っても良い。水の比誘電率は８８.１５に対し、メタノールの比誘電率は３２.６であるので、平板間の誘電率から平板間のメタノール濃度を計算により検出可能である。
【００３２】
また、音速変化や光の屈折率の変化を利用したメタノールセンサを用いてもよい。
【００３３】
さらに、直接メタノール濃度を測定することなくメタノール濃度を推測する方法を用いても良い。例えば、ＤＭＦＣはタンク内濃度が高くなるとＤＭＦＣ温度が高い温度であるのにも関わらずＤＭＦＣ出力が低下し、温度上昇が大きくなるため容易に推測可能である。また、ＤＭＦＣのタンク内濃度が低くなるとＤＭＦＣの温度に対するＤＭＦＣ出力は正常範囲であるが、温度の下降が大きくなるため容易に推測可能である。
【００３４】
使用者が燃料電池搭載電源装置を長期間使用しない場合、ＤＭＦＣの発電部の膜電極接合体（ＭＥＡ）は半透膜になっているためにアノードの燃料がカソードに透過して乾燥していき、発電部タンクが空になる状態がありえる。その後、再使用時にカートリッジで燃料を補給すると発電部タンクの濃度はカートリッジの燃料濃度と等しくなる。一般的に
ＤＭＦＣが良好に発電可能な燃料濃度の範囲（一般的に２０ｗｔ％未満程度）は、連続動作に必要なカートリッジ濃度（理論値はメタノールと水が等モル必要なため６４ｗｔ％）よりも低い。したがって、使用開始時には、高濃度燃料が供給されることによる出力の低下とメタノールクロスオーバによる異常発熱が起きるのに加えて、ＤＭＦＣの発電部の寿命劣化も起きうる。したがって、使用開始時に発電タンク濃度が高い状態にならないような工夫が必要である。
【００３５】
まず、本構成ではカートリッジ６に燃料押し出し機構（ピストン９とばね１０）を有しており、補助タンク８と発電タンク４の燃料が使用された分だけ供給される仕組みになっている。不使用時にはカートリッジ６をユーザが取り外す。保管時には、ＤＭＦＣ出力がほぼ０であっても、クロスオーバによりメタノールが消費されていくため、長期間経てば、補助タンク８と発電タンク４のメタノール濃度はほぼ０％となる。その後はＤＭＦＣ発電部１１の電解質膜から水が抜けていき、発電タンク４は空となるが補助タンク８の燃料は電解質膜に触れていないため、乾燥を防ぐことができる。また、このような効果を実現するためには発電タンク４と補助タンク８の間の燃料経路はできる限り細いことが望ましい。細ければ、補助タンク８内の燃料が、消費されにくくなるからである。また、再使用時にカートリッジ６を装着すると、一旦、補助タンク８で希釈された燃料が発電タンク４に供給されるため、高濃度の燃料による発熱を防ぐことができる。
【００３６】
実現するための設計の一例を図６に示す。燃料カートリッジ濃度４０％，発電タンク上限濃度２０％，発電タンク容量１ccの条件の場合は、補助タンク容量を１cc以上にする必要がある。また、発電タンク最適濃度が１０％であり、この濃度に初期値を合わせたい場合は３cc以上にする必要がある。長期保存後に発電タンク４内には燃料が入っていない状態で、カートリッジ逆止弁７を開くと、補助タンク８で一旦燃料は希釈され、濃度が低くなってから発電タンク４に導入されるため、高濃度燃料による異常発熱などの不具合は起こらない。
【００３７】
本構成を充電器に用いた場合の外観図を図２に示す。燃料カートリッジ６を装着したまま使用する形態である。カソード側メッシュ構造１３により、空気（酸素）をカソードに取り入れる構造となっている。
【００３８】
補助タンク残量確認窓１２を設けることで、補助タンク８が空になっているかどうかをユーザが確認することができる構成になっている。このような構成にすることにより、補助タンク８が空にもかかわらず通常のカートリッジ６をユーザが装着してしまい、DMFC５が異常発熱を起こすなどの事故を防ぐことができる。なお、補助タンク８が空の状態からの正常復帰のためには、通常の燃料カートリッジとは別に最適濃度の燃料を封入した復帰用カートリッジを用意する。復帰用カートリッジには、通常の燃料カートリッジよりも濃度の低い燃料が入っており、異常発熱等の不具合が起こる確立を減らしたものである。
【００３９】
また、本構成を携帯電話用電池に用いた場合の外観図を図３に示す。燃料カートリッジ６を補充の時のみ使用する形態を想定しており、補充カートリッジ差込口１７に燃料カートリッジ６を装着可能な構成になっている。このような構成にすることにより、普段ユーザが使用する際の小型化を実現することができる。また、補助タンク残量確認窓１２を設けることでユーザが補充するべきかどうかを確認することができる構成になっている。
【００４０】
制御システム１４の詳細について、図を用いて説明する。
【００４１】
本制御においては、濃度調整を行う際にＤＭＦＣから取り出す電力を増減させるが、この場合負荷の要求と一致しないため、負荷に対するＤＭＦＣの電力の過不足分を補助する蓄電器１５を設けてある。
【００４２】
図７は蓄電器１５をＤＣ／ＤＣコンバータの入力側に接続した例である。ＤＣ／ＤＣコンバータが昇圧型である場合、蓄電器１５の耐圧を低くすることが可能となる。
【００４３】
図８は図７の別構成である。蓄電器１５がＬｉ電池等である場合には充放電の保護が必要であり、保護回路を追加した構成である。
【００４４】
図９は蓄電器１５をＤＣ／ＤＣコンバータの出力側に接続した例である。図７や図８の構成と比較して、ＤＭＦＣの出力を蓄電器１５と独立に制御しやすくした構成である。
【００４５】
図１０はＤＭＦＣと蓄電器１５を別のＤＣ／ＤＣコンバータで制御する構成である。蓄電器側のＤＣ／ＤＣコンバータを充放電型にすることで、蓄電器の耐圧を低くしながら
ＤＭＦＣの出力と蓄電器１５の出力を独立に制御しやすくした構成である。
（実施例２）
本発明の第２の実施例について図４を用いて説明する。
【００４６】
本実施例は、第１の実施例に加えて、補助タンク逆止弁１６を備えたことが特徴である。
【００４７】
補助タンク逆止弁１６は燃料カートリッジ６の装着時に開き、燃料カートリッジ６の取り外し時に閉じる構成となっている。ユーザが使用しないときには、燃料カートリッジ６を取り外す形態を想定しており、取り外して長期保管をする場合も補助タンク８はカートリッジ逆止弁７と補助タンク逆止弁１６で完全に封入される構成になるため、実施例１の構成よりも補助タンク８の燃料の自然乾燥を防ぎやすくなる。
（実施例３）
本発明の第３の実施例について図５を用いて説明する。
【００４８】
本実施例は、第２の実施例の補助タンク逆止弁１６を別制御方式にしていることが特徴である。
【００４９】
本構成では電源装置の使用可否をユーザが選択可能な操作スイッチを備え、補助タンク逆止弁１６は前記操作スイッチがＯＮの時に開き、ＯＦＦの時に閉じる構成となっている。実施例２の構成のように燃料カートリッジ６の装着したままで長期保管が可能となる。もちろん前記操作スイッチで補助タンク逆止弁１６も閉じるようにしてもよい。また、実施例２と同様、長期保管する場合も補助タンク８の燃料の自然乾燥を防ぎやすくなる構成である。
【００５０】
以上、３つの実施例を挙げたが、もちろん用途に応じて前記実施例のいくつかを組み合わせて使用しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明における第１の実施例における構成である。
【図２】本発明の構成を充電器に適用した場合の外観図である。
【図３】本発明の構成を携帯電話用電池に適用した場合の外観図である。
【図４】本発明における第２の実施例における構成である。
【図５】本発明における第３の実施例における構成である。
【図６】本発明における第１の実施例における起動後の各タンクの状態を示した図である。
【図７】蓄電器をＤＣ／ＤＣコンバータの入力側に接続した例。
【図８】保護回路を追加した例。
【図９】蓄電器をＤＣ／ＤＣコンバータの出力側に接続した例。
【図１０】ＤＭＦＣと蓄電器を別のＤＣ／ＤＣコンバータで制御する構成。
【符号の説明】
【００５２】
１…アノード、２…カソード、３…固体高分子電解質膜、４…発電タンク、５…DMFC、６…カートリッジ、７…カートリッジ逆止弁、８…補助タンク、９…ピストン、１０…ばね、１１…発電部、１２…補助タンク残量確認窓、１３…カソード側メッシュ構造、１４…制御システム、１５…蓄電器、１６…補助タンク逆止弁、１７…補充カートリッジ差込口。
【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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