(57)【要約】【課題】電解質膜に過剰な負荷をかけることなく、液体燃料の量が変化しても、発電性能を維持する。【解決手段】燃料液Ａを収容する燃料収容部２と、該燃料収容部２の一壁面を構成する位置に配置された電解質膜５と、該電解質膜５を挟む位置に配置されたアノード６およびカソード４と、燃料収容部２の容積を変化させるように移動可能な可動部材７と、該可動部材７を移動させる駆動部８と、燃料収容部２内の圧力を検出する圧力検出部９と、該圧力検出部９により検出された圧力に基づいて駆動部８を制御する制御部１０とを備える液体燃料電池１を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料液を収容する燃料収容部と、
該燃料収容部の一壁面を構成する位置に配置された電解質膜と、
該電解質膜を挟む位置に配置されたアノードおよびカソードと、
前記燃料収容部の容積を変化させるように移動可能な可動部材と、
該可動部材を移動させる駆動部と、
前記燃料収容部内の圧力を検出する圧力検出部と、
該圧力検出部により検出された圧力に基づいて前記駆動部を制御する制御部とを備える液体燃料電池。
【請求項２】
前記圧力検出部が、前記駆動部が前記可動部材に加える荷重を検出する荷重センサである請求項１に記載の液体燃料電池。
【請求項３】
前記圧力検出部が、前記電解質膜の歪みを検出する歪みセンサである請求項１に記載の液体燃料電池。
【請求項４】
前記電解質膜が、前記燃料収容部に固定されたフレーム部材の開口部を閉塞する位置に設けられ、
前記圧力検出部が、前記フレーム部材の歪みを検出する歪みセンサである請求項１に記載の液体燃料電池。
【請求項５】
前記アノードが前記燃料液に浸漬されているか否かを検出する浸漬センサを備え、
前記制御部は、前記浸漬センサにより、前記アノードが前記燃料液に浸漬されていないときには、前記圧力検出部による検出結果に関わらず前記燃料収容部の容積を縮小させる方向に前記可動部材を移動させ、前記浸漬センサにより、前記アノードが前記燃料液に浸漬されていることが検出されている場合に、前記駆動部を制御する請求項２に記載の液体燃料電池。
【請求項６】
前記アノードが、鉛直方向に複数に分割され、上部のアノードが、前記浸漬センサを構成している請求項５に記載の液体燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、使用に伴う液体燃料の減少により、電極が液体燃料から露出してしまうことを防止するために、燃料室をシリンダ内に設け、シリンダ内を摺動可能なピストンをばねによって内側に付勢することにより、液体燃料の減少に伴って燃料室の容積を縮小する燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照。）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−８７２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の燃料電池は、ばねによって燃料室内の圧力を高めるものであるため、燃料室の一壁面を構成している電解質膜は常に一方向に加圧されることになり、電解質膜が破損あるいは劣化する不都合がある。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、電解質膜に過剰な負荷をかけることなく、液体燃料の量が変化しても、発電性能を維持することができる液体燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、燃料液を収容する燃料収容部と、該燃料収容部の一壁面を構成する位置に配置された電解質膜と、該電解質膜を挟む位置に配置されたアノードおよびカソードと、前記燃料収容部の容積を変化させるように移動可能な可動部材と、該可動部材を移動させる駆動部と、前記燃料収容部内の圧力を検出する圧力検出部と、該圧力検出部により検出された圧力に基づいて前記駆動部を制御する制御部とを備える液体燃料電池を提供する。
【０００７】
本態様によれば、燃料収容部に燃料液を収容し、駆動部を作動させて可動部材を移動させ、圧力検出部により燃料収容部内の圧力が検出される。燃料収容部内の圧力が高いときには、制御部は、駆動部を制御して可動部材が燃料収容部の容積を大きくする方向に移動させ、圧力が低いときには、制御部は、駆動部を制御して可動部材が燃料収容部の容積を小さくする方向に移動させる。
【０００８】
アノードとカソードとの間に負荷を接続すると、負荷に電流を供給することができ、これに伴って燃料液が減少する。燃料収容部内の燃料液が減少すると、圧力が低下するので、制御部が可動部材を移動させて燃料収容部の容積を縮小させることにより、アノードを常に燃料液に浸漬させた状態に維持することができる。すなわち、アノードを常に燃料液に十分に浸漬させた状態に維持することができ、少ない燃料液量であっても発電性能を十分に発揮することができる。
【０００９】
この場合において、本態様によれば、燃料収容部内の圧力に基づいて燃料収容部の容積を調節するので、バネによって常時圧力をかけている先行技術と比較して、電解質膜にかかる負荷を軽減して、健全な状態に維持することができる。
【００１０】
上記態様においては、前記圧力検出部が、前記駆動部が前記可動部材に加える荷重を検出する荷重センサであってもよい。
このようにすることで、荷重センサによって可動部材に加える荷重を検出することにより、燃料収容部内の圧力を間接的に検出することができる。
【００１１】
また、上記態様においては、前記圧力検出部が、前記電解質膜の歪みを検出する歪みセンサであってもよい。
このようにすることで、歪みセンサによって電解質膜の歪みを直接検出することにより、電解質膜に過大な負荷がかかるのをより確実に防止することができる。
【００１２】
また、上記態様においては、前記電解質膜が、前記燃料収容部に固定されたフレーム部材の開口部を閉塞する位置に設けられ、前記圧力検出部が、前記フレーム部材の歪みを検出する歪みセンサであってもよい。
このようにすることで、表面が粗い電解質膜より滑らかな表面を形成しやすいフレーム部材に歪みセンサを取り付けて、より正確な圧力の検出によって、精度よく駆動部を制御することができる。
【００１３】
また、上記態様においては、前記アノードが前記燃料液に浸漬されているか否かを検出する浸漬センサを備え、前記制御部は、前記浸漬センサにより、前記アノードが前記燃料液に浸漬されていないときには、前記圧力検出部による検出結果に関わらず前記燃料収容部の容積を縮小させる方向に前記可動部材を移動させ、前記浸漬センサにより、前記アノードが前記燃料液に浸漬されていることが検出されている場合に、前記駆動部を制御してもよい。
このようにすることで、浸漬センサによってアノードが燃料液に浸漬されているか否かを検出するので、より確実に、十分な発電性能を維持することができる。
【００１４】
また、上記態様においては、前記アノードが、鉛直方向に複数に分割され、上部のアノードが、前記浸漬センサを構成してもよい。
このようにすることで、特別な浸漬センサを設けることなく、アノードの一部を利用してアノードが燃料液に浸漬されていることを検出できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電解質膜に過剰な負荷をかけることなく、液体燃料の量が変化しても、発電性能を維持することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る液体燃料電池を示す模式的な縦断面図である。
【図２】図１の液体燃料電池の制御部による制御フローを示すフローチャートである。
【図３】図１の液体燃料電池の第１の変形例を示す縦断面図である。
【図４】図１の液体燃料電池の第２の変形例を示す（ａ）縦断面図、（ｂ）アニオン交換膜と枠部材の正面図である。
【図５】図１の液体燃料電池の第３の変形例を示す縦断面図である。
【図６】図１の液体燃料電池の第４の変形例を示す縦断面図である。
【図７】図１の液体燃料電池の第５の変形例を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の一実施形態に係る液体燃料電池１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る液体燃料電池１は、図１に示されるように、燃料液Ａを貯留する収容部２を有する容器３と、該容器３の一壁面に配置された空気極であるカソード４と、該カソード４に隣接して配置された電解質膜であるアニオン交換膜５と、該アニオン交換膜５を挟んでカソード４とは反対側の位置に配置されたアノード６とを備えている。
【００１８】
また、本実施形態においては、アノード６側に設けられた収容部２に、容器３内面に沿ってアノード６に近接、離間する方向に移動可能な可動部材７が設けられている。
可動部材７には、該可動部材７を移動させる駆動部８が接続されている。
また、本実施形態に係る液体燃料電池１は、該収容部２内の圧力を検出する荷重センサ（圧力検出部）９と、該荷重センサ９により検出された圧力に基づいて駆動部８を制御する制御部１０とを備えている。
【００１９】
可動部材７と容器３の内面との間には、容器３に対して可動部材７を移動可能に配するとともに、容器３と可動部材７との間を液密状態に密封するシール部材１１が配置されている。
可動部材７が、アノード６に近接する方向に移動させられると、収容部２の容積が減少し、アノード６から離間する方向に移動させられると、収容部２の容積が増加させられるようになっている。
【００２０】
駆動部８は、モータ８ａによってロッド８ｂを長手方向に移動させる直動機構である。
荷重センサ９は、駆動部８のロッド８ｂと可動部材７との間に配置され、ロッド８ｂが移動させられて可動部材７が押圧されたときに、収容部２側から受ける荷重Ｌを収容部２内の圧力として検出するようになっている。
図中、符号１２は、容器３を貫通して設けられた貫通孔を閉塞するように配置され、気体を通過可能で液体の通過を禁止する通気防水部材である。符号１３は空気抜き孔、符号Ｂはカソード４とアノード６との間に接続された負荷である。
【００２１】
制御部１０は、荷重センサ９により検出された荷重Ｌに基づいて、モータ８ａを制御し、可動部材７の位置を調節するようになっている。
具体的には、図２に示されるように、荷重センサ９によって荷重Ｌが検出されると（ステップＳ１）、検出された荷重Ｌが制御部１０に送られて、所定の閾値Ｔｈ１と比較される（ステップＳ２）。
【００２２】
比較の結果、荷重Ｌが閾値Ｔｈ１以上の場合には、収容部２内の燃料液Ａに過大な圧力が発生していることになるので、モータ８ａを制御して収容部２の容積を増大させるように、可動部材７をアノード６から離間する方向に移動させる（ステップＳ９）。
逆に、比較の結果、荷重Ｌが閾値Ｔｈ１より小さい場合には、その荷重Ｌを荷重Ｌ１として記憶し（ステップＳ３）、モータ８ａに備えられたエンコーダ等の位置センサ（図示略）によって可動部材７の位置を検出する（ステップＳ４）。
【００２３】
そして、可動部材７の位置が、所定の可動範囲内に存在しているのか否かを判定する（ステップＳ５）。荷重Ｌが閾値Ｔｈ１より小さい場合であっても、可動部材７の位置が可動範囲を超えている場合には、それ以上収容部２の容積を小さくすることはできないので、アラーム等を出して、そのまま終了する。
【００２４】
可動部材７の位置が可動範囲内に存在する場合には、制御部１０は収容部２内の燃料液Ａの量が減少しているものと判断して、収容部２の容積を減少させるように、アノード６に近接する方向に可動部材７を移動させる（ステップＳ６）。
可動部材７を移動させて収容部２の容積を減少させていくと、収容部２内に存在している気体が通気防水部材１２を通過して外部に排出される。
【００２５】
そして、可動部材７を移動させた場合には、再度、荷重センサ９によって荷重Ｌを検出し（ステップＳ７）、今度は、記憶しておいた荷重Ｌ１に対する現在の荷重Ｌの増分が閾値Ｔｈ２を超えているか否かを判定する（ステップＳ８）。
荷重Ｌの増分が閾値Ｔｈ２以下である場合には、収容部２内にまだ気体が存在し、収容部２の容積をさらに縮小させる余地が残っていると判断でき、ステップＳ３からの工程を繰り返す。
【００２６】
逆に、荷重Ｌの増分が閾値Ｔｈ２を超えた場合には、収容部２内の気体が外部にほぼ排出され終わって、非圧縮性の燃料液Ａが収容部２内にほぼ充満した状態になったと判断できる。この場合には、それ以上の容積の減少は収容部２内の圧力を過大に増大させてしまうことになるので、容積を増大させる方向に可動部材７を移動させた後（ステップＳ９）、ステップＳ１からの工程を繰り返す。
【００２７】
このように構成された本実施形態に係る液体燃料電池１によれば、従来のように可動部材をバネによって一方向に付勢する場合とは異なり、荷重センサ９によって収容部２内の圧力、すなわち、アニオン交換膜５にかかる圧力が過大となることをより確実に防止することができるという利点がある。
【００２８】
そして、発電に伴って燃料液Ａが減少しても、可動部材７を移動させて収容部２の容積を減少させ、アノード６を燃料液Ａに浸漬した状態に維持することができ、発電性能を低下させることなく維持することができる。
【００２９】
なお、本実施形態においては、収容部２内の圧力を検出するために、モータ８ａによってロッド８ｂから可動部材７に加えられる荷重Ｌを、荷重センサ９によって検出することとしたが、これに代えて、図３に示されるように、アニオン交換膜５に歪みセンサ１４を貼付して、アニオン交換膜５の歪みを検出してもよい。これにより、アニオン交換膜５にかかる負荷を直接検出することができ、アニオン交換膜５に過大な負荷がかからないようにすることができる。
【００３０】
また、アニオン交換膜５の表面の面粗度が比較的大きいために歪みセンサ１４を貼付しにくい場合には、図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、アニオン交換膜５を容器３に取り付ける枠部材１５に歪みセンサ１４を取り付けて枠部材１５の歪みを検出することしてもよい。枠部材１５は容器３の内面に全周にわたって密封しているとともに、その開口部１５ａを閉塞するようにアニオン交換膜５を取り付けている。
【００３１】
これにより、より平坦な面に歪みセンサを貼付でき、歪みの検出精度を向上して、より正確にアニオン交換膜５にかかる負荷を軽減することができる。枠部材１５の形状、歪みセンサ１４の貼付位置は任意に設定してよい。
【００３２】
枠部材１５の材質としては、アクリロニトリルブタジエンスチレン、エポキシ樹脂、ガラス繊維強化プラスチック、６６ナイロン（商標）、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメタクリル酸エチル、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、不飽和ポリエステル等が好ましい。
【００３３】
また、図５に示されるように、燃料液Ａに接触しているか否かを検出する浸漬センサ１６を別途備えてもよい。浸漬センサ１６は、上側になる可能性がある容器３内の各位置であって、アノード６が燃料液Ａにほぼ浸漬された液位において浸漬される位置に配置されており、燃料液Ａに浸漬された場合に信号を出力するようになっている。
【００３４】
図５に示される例の場合、図２のステップＳ６とステップＳ７との間で、２つの浸漬センサ１６が両方とも燃料液Ａに浸漬されているか否かを判定し、浸漬されていると判定された場合にはステップＳ７の荷重検出工程に進み、浸漬されていない場合にはステップＳ４からの工程を繰り返すことにすればよい。
【００３５】
このようにすることで、アノード６が燃料液Ａにほぼ浸漬されたことを直接検出できるとともに、アノード６が燃料液Ａにほぼ浸漬される液位となるまで荷重検出を行うことなく容積を減少させるので、より迅速に、適正な発電条件を確立することができる。
【００３６】
また、この場合に、図６に示されるように、アノード６の一部のアノード部分１７を浸漬センサとして使用することにしてもよい。図６に示される例では、容器３の上側に配される可能性がある位置のアノード部分１７を他のアノード６から分離するとともに、当該アノード部分１７とカソード４との間に抵抗１８と電流計１９とを接続している。
【００３７】
このようにすることで、容器３の上側に配されているアノード部分１７が浸漬されるまで燃料液Ａの液位が上がると、アノード部分１７とカソード４との間で部分的な燃料電池が構成されて発電が開始される。これにより、電流計１９からの出力が発生した時点で、アノード部分１７が燃料液Ａに浸漬されたことを検出することができる。すなわち、特別な浸漬センサを用いることなく、アノード６が燃料液Ａに浸漬された状態となることを検出することができるという利点がある。
【００３８】
また、本実施形態においては、可動部材７が容器２の内面と摺動する部分にシール部材１１を配置したが、これに代えて、図７に示されるように、容器２内の収容部３を弾性フィルム２０によって密封し、可動部材７を容器２の内面に対して隙間を空けて配置してもよい。そして、可動部材７によって弾性フィルム２０を押して弾性変形させることにより収容部３の容積を減少させることにしてもよい。
このようにすることで、可動部材７の容器３との間の摺動抵抗を減らすことができ、可動部材７の制御性を向上することができるという利点がある。
また、容器２内で可動部材７を移動させる場合について説明したが、これに代えて、容器２の外壁を可動部材７として、容器２自体の容積を可変にしてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
Ａ  燃料液
１  液体燃料電池
２  収容部（燃料収容部）
４  カソード
５  アニオン交換膜（電解質膜）
６  アノード
７  可動部材
８  駆動部
９  荷重センサ（圧力検出部）
１０  制御部
１４  歪みセンサ（圧力検出部）
１５ａ  開口部
１６  浸漬センサ
１７  アノード部分（浸漬センサ）
【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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