JP2005166355A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高い出力を得ることができ、且つ、特殊な構造の燃料容器や液体燃料を燃料供給路へ送り出すための専用のポンプを用いることなく燃料供給路へ液体燃料を円滑に送り出すことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】液体燃料２２ａ，２２ｂを入れた燃料容器２ａ，２ｂと燃料電池１との間に設けた燃料供給路３ａ，３ｂと、各燃料供給路３ａ，３ｂに設けた流量調節用バルブ４ａ，４ｂと、燃料電池１へ空気を送り込む空気供給手段たるエアポンプ５と、エアポンプ５と燃料電池１との間に設けた空気供給路６とを備える。エアポンプ５と燃料電池１との間に設けた空気導入路６から分岐した圧力導入路７を更に分岐した圧力導入路７ａ，７ｂを燃料容器２ａ，２ｂに導入することで、エアポンプ５を、燃料容器２ａ，２ｂ内の液体燃料２２ａ，２２ｂを燃料供給路３ａ，３ｂへ送り出す加圧手段に兼用している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

近年、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、カムコーダ等の携帯機器の電源として注目されマイクロ燃料電池と呼ばれている小型の燃料電池には、水素を燃料電池セルに供給する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）や、メタノールを燃料電池セルに供給する直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ）等がある。

これら小型の燃料電池の分野においては、燃料電池、燃料改質器、燃料電池もしくは燃料改質器へ燃料を供給する燃料供給装置、燃料電池システム等が各所で研究開発されており、本願発明者らは、携帯機器に用いる燃料電池用もしくは燃料改質器用の液体燃料および液体燃料を加圧して燃料電池もしくは燃料改質器へ圧送する加圧手段を内蔵した燃料容器と、燃料容器を燃料電池もしくは燃料改質器への燃料供給路に着脱する着脱手段とを備えた燃料供給装置や、当該燃料供給装置と、燃料電池と、燃料供給路を通る液体燃料の供給量を調節する流量調節用のバルブとを備えた燃料電池システム等を提案している（特許文献１参照）。

上記特許文献１に開示された燃料電池システムは、燃料電池へ液体燃料を供給する燃料供給装置において、燃料供給路へ液体燃料を送り出すための液体ポンプ（例えば、ダイヤフラムポンプ等）のような補機を用いることなく、燃料電池へ液体燃料を円滑に供給することができ、燃料電池システム全体の総合効率を高めることができるという利点を有している。

また、上記特許文献１に開示された燃料電池システムにおける液体燃料流量調節用バルブとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を使ったマイクロバルブ（例えば、特許文献２、特願２００２−３４２９１２等参照）を採用すれば、燃料電池システムのより一層の小型化および低消費電力化を図れる。

特に、ＰＤＡ、カムコーダ等の携帯機器に使用される小型の燃料電池を考えた場合には、出力は１０Ｗ以下となるので、液体燃料の流量をマイクロリットルレベルで制御しなければならず、しかも、バルブやポンプ等の補機の消費電力を１Ｗ以下とすることが好ましいので、流量調節用のバルブとしてＭＥＭＳ技術を使ったマイクロバルブを採用することが望まれる。なお、マイクロバルブとしては、消費電力が１００ｍＷ以下で流量をマイクリットルレベルで制御可能のものが知られている。
特開２００３−３１７７５５号公報（段落番号〔００１３〕〜〔００２４〕、図１〜図６参照） 特開２０００−３０９０００号公報（段落番号〔０１７１〕〜〔０１８９〕、図２７〜図３１参照）

上記特許文献１に開示された燃料電池システムでは、液体燃料および液体燃料を加圧して圧送する加圧手段を内蔵した燃料容器のような特殊な構造の燃料容器が必要なので燃料容器が比較的高価になってしまう、燃料電池へ空気を供給するポンプのような空気供給手段を備えていないので高い出力を得ることができない、等の課題があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、高い出力を得ることができ、且つ、特殊な構造の燃料容器や液体燃料を燃料供給路へ送り出すための専用のポンプを用いることなく燃料供給路へ液体燃料を円滑に送り出すことができる燃料電池システムを提供することにある。

請求項１の発明は、燃料電池と、燃料電池用の液体燃料を入れた燃料容器と、燃料容器と燃料電池との間に設けられた燃料供給路と、燃料電池へ空気を送り込む空気供給手段とを備え、当該空気供給手段を、燃料容器内の液体燃料が燃料供給路へ送り出されるように燃料容器内の液体燃料を加圧する加圧手段に兼用してなることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池へ空気を送り込む空気供給手段を備えていることにより、高い出力を得ることが可能となって総合効率を高めることができ、しかも、当該空気供給手段を、燃料容器内の液体燃料が燃料供給路へ送り出されるように燃料容器内の液体燃料を加圧する加圧手段に兼用していることにより、従来のような液体燃料および加圧手段を内蔵した特殊な構造の燃料容器や液体燃料を燃料供給路へ送り出すための専用のポンプを用いることなく燃料供給路へ液体燃料を円滑に送り出すことができる。

請求項２の発明は、燃料電池と、液体燃料を改質して燃料電池用の水素を生成する燃料改質装置と、液体燃料を入れた燃料容器と、燃料容器と燃料改質装置との間に設けられた燃料供給路と、燃料電池へ空気を送り込む空気供給手段とを備え、当該空気供給手段を、燃料容器内の液体燃料が燃料供給路へ送り出されるように燃料容器内の液体燃料を加圧する加圧手段に兼用してなることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池へ空気を送り込む空気供給手段を備えていることにより、高い出力を得ることが可能となって総合効率を高めることができ、しかも、当該空気供給手段を、燃料容器内の液体燃料が燃料供給路へ送り出されるように燃料容器内の液体燃料を加圧する加圧手段に兼用していることにより、従来のような液体燃料および加圧手段を内蔵した特殊な構造の燃料容器や液体燃料を燃料供給路へ送り出すための専用のポンプを用いることなく燃料供給路へ液体燃料を円滑に送り出すことができる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記燃料改質装置が、前記液体燃料および燃焼用空気が供給されて燃焼熱を発生する燃焼器と、燃焼器を熱源として前記液体燃料を気化させる蒸発器と、蒸発器にて気化された気体を改質して水素を生成する改質器とを備え、前記空気供給手段が燃焼器への燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給手段に兼用されてなることを特徴とする。

この発明によれば、燃焼用空気供給手段として別途にエアポンプのような補機を設ける場合に比べて補機の数を少なくすることができ、燃料電池システム全体の小型化および低コスト化を図れるとともに、低消費電力化を図れる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記燃料供給路に設けられ前記液体燃料の供給量を調節する流量調節用バルブと、前記液体燃料の供給量が一定の目標供給量に近づくように流量調節用バルブの開量を制御する流量制御手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記液体燃料の供給量を目標供給量に調節することができる。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記空気供給手段と前記燃料容器との連結路に設けられた圧力調節用バルブと、圧力調節用バルブと燃料容器との間に設けられ前記燃料容器内の前記液体燃料へかかっている圧力を検出する圧力センサと、圧力センサによる検出圧力が一定の目標圧力値に近づくように圧力調節用バルブの開量を制御する圧力制御手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、前記燃料容器内の前記液体燃料の量が減少しても前記液体燃料を加圧する圧力を一定とすることができ、前記液体燃料の供給量を安定させることができる。

請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記流量調節用バルブおよび前記圧力調節用バルブそれぞれがマイクロバルブであって、前記燃料供給路および前記連結路それぞれの少なくとも一部が形成された平板状の基体における厚み方向の一面上に各マイクロバルブが集積されてなることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池システム全体のより一層の小型化を図ることができる。

請求項１、２の発明では、高い出力を得ることが可能となって総合効率を高めることができ、しかも、従来のような液体燃料および加圧手段を内蔵した特殊な構造の燃料容器や液体燃料を燃料供給路へ送り出すための専用のポンプを用いることなく燃料供給路へ液体燃料を円滑に送り出すことができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、携帯機器の電源として用いる小型の燃料電池１と、燃料電池１用の液体燃料２２ａ，２２ｂそれぞれを入れた燃料容器２ａ，２ｂと、各燃料容器２ａ，２ｂと燃料電池１との間に設けられた燃料供給管からなる燃料供給路３ａ，３ｂと、各燃料供給路３ａ，３ｂに設けられ液体燃料２２ａ，２２ｂの供給量を調節する流量調節用バルブ４ａ，４ｂと、燃料電池１へ空気を送り込むエアポンプ５と、エアポンプ５と燃料電池１との間に設けられた空気供給管からなる空気供給路６とを備えている。要するに、燃料電池１には、燃料容器２ａ，２ｂに入れた液体燃料２２ａ，２２ｂが燃料供給路３ａ，３ｂを通して供給されるとともに、エアポンプ５からの空気が空気供給路６を通して供給されるようになっている。なお、本実施形態では、エアポンプ５が燃料電池１へ空気を送り込む空気供給手段を構成しているが、空気供給手段としてはエアポンプ５に限らず、例えば、ブロワなどを用いることも可能である。

燃料電池１は、メタノール水溶液を燃料とする直接メタノール型燃料電池であって、一方の液体燃料２２ａとしてメタノールを用いるとともに他方の液体燃料２２ｂとして水を用いる。この燃料電池１は、水素イオンの伝導性の高い固体高分子膜からなるイオン伝導膜が厚み方向の両側に設けた燃料極と空気極とで挟まれた燃料電池セル１ａと、燃料供給路３ａを通して供給されるメタノールからなる液体燃料２２ａと燃料供給路３ｂを通して供給される水からなる液体燃料２２ｂとを混合してメタノール水溶液からなる混合液体燃料を生成し燃料電池セル１ａの燃料極へ供給する燃料混合部１ｂと、燃料電池セル１ａの燃料極で発生した二酸化炭素を外部へ排出するためのガスセパレータ（図示せず）とを備えている。なお、燃料電池セル１ａの数は特に限定するものではない。

ここに、燃料電池セル１ａは、燃料混合部１ｂから燃料極へメタノール水溶液が供給される一方で、エアポンプ５から空気供給路６を通して空気極へ酸化剤としての空気が供給されて、発電することになり、燃料極では二酸化炭素が発生し、空気極では水が発生する。

本実施形態の燃料電池システムでは、流量調節用バルブ４ａ，４ｂとして、開量を調節することで液体燃料２２，２２の流量を調節できるバルブを採用しており、燃料混合部１ｂにて混合された混合液体燃料の濃度を検出する濃度センサ（図示せず）と、濃度センサによる検出濃度に基づいて混合液体燃料の濃度が一定の目標濃度となるように流量調節用バルブ４ａ，４ｂの開量を制御する制御回路２０とを備えている。なお、流量調節用バルブ４ａ，４ｂとしては、燃料供給路３ａ，３ｂの開閉のみを行うバルブを採用するようにしてもよい。また、上述の濃度センサを設ける代わりに、各燃料供給路３ａ，３ｂにおける流量調節用バルブ４ａ，４ｂよりも下流側に流量センサを設けて、制御回路２０が各流量センサそれぞれの検出流量が一定の目標供給量に近づくように流量調節用バルブ４ａ，４ｂの開量を制御するようにしてもよく、この場合には制御回路２０が流量制御手段を構成する。

ところで、本実施形態の燃料電池システムでは、上述のエアポンプ５と燃料電池１との間に設けた空気導入路６から分岐した圧力導入管よりなる圧力導入路７を更に分岐した圧力導入管よりなる圧力導入路７ａ，７ｂが燃料容器２ａ，２ｂに導入されるとともに、上述の燃料供給路３ａ，３ｂの一端側が燃料容器２ａ，２ｂ内に導入されている。

ここにおいて、圧力導入路７ａ，７ｂは、燃料容器２，２ｂ内に導入された部位の先端部が燃料容器２ａ，２ｂ内の液体燃料２２ａ，２２ｂの液面よりも高い位置に配置され、燃料供給路３ａ，３ｂは、燃料容器２ａ，２ｂ内に導入された部位の先端部が燃料容器２ａ，２ｂ内の液体燃料２２ａ，２２ｂの液面よりも低い位置であって且つ燃料容器２ａ，２ｂの内底面に近い位置に配置されている。したがって、燃料容器２ａ，２ｂ内の液体燃料２２ａ，２２ｂをエアポンプ５からの空気圧によって加圧して燃料供給路３ａ，３ｂへ送り出すことができることになる。すなわち、本実施形態では、上述のエアポンプ５を、燃料容器２ａ，２ｂ内の液体燃料２２ａ，２２ｂが燃料供給路３ａ，３ｂへ送り出されるように燃料容器２ａ，２ｂ内の液体燃料２２ａ，２２ｂを加圧する加圧手段に兼用している。なお、流量調節用バルブ４ａ，４ｂが閉じている状態では、エアポンプ５からの空気圧が流量調節用バルブ４ａ，４ｂまでかかっていることになる。

しかして、本実施形態の燃料電池システムでは、エアポンプ５から燃料電池セル１ａの空気極へ空気を供給するので、燃料電池１の出力を高めることができて燃料電池システム全体の総合効率を高めることが可能になる。しかも、本実施形態の燃料電池システムでは、エアポンプ５の空気圧によって燃料容器２ａ，２ｂ内の液体燃料２２ａ，２２ｂを加圧して燃料供給路３ａ，３ｂへ送り出すことができるので、燃料容器２ａ，２ｂ内の液体燃料２２ａ，２２ｂを加圧するエアポンプや液体燃料２２ａ，２２ｂを燃料容器２ａ，２ｂから汲み出す液体ポンプ等の専用の補機を別途に設けることなく且つ上記特許文献１に提案されているような液体燃料および加圧手段を内蔵した特殊な構造の燃料容器を用いずとも、液体燃料２２ａ，２２ｂを燃料供給路３ａ，３ｂへ円滑に送り出すことができるから、燃料電池システムの高出力化および小型化を図りながらも燃料容器２ａ，２ｂの低コスト化を図ることができる。

また、上記特許文献１に開示された燃料容器を備えた燃料電池システムでは、特殊な構造の燃料容器内の液体燃料の減少に伴い流量調節用バルブにかかる圧力が変化して液体燃料の供給量が変動しやすくなる。これに対して、本実施形態の燃料電池システムでは、エアポンプ５と燃料容器２ａ，２ｂとの連結路である圧力導入路７に設けられた圧力調節用バルブ１８と、圧力調節用バルブ１８と燃料容器２ａ，２ｂとの間に設けられ燃料容器２ａ，２ｂ内の液体燃料２２ａ，２２ｂへかかっている圧力を検出する圧力センサ１９とを備えており、上述の制御回路２０が、圧力センサ１９による検出圧力が一定の目標圧力値に近づくように圧力調節用バルブ１８の開量を制御する圧力制御手段を兼ねているので、燃料容器２ａ，２ｂ内の液体燃料２２ａ，２２ｂの量が減少しても液体燃料２２ａ，２２ｂを加圧する圧力を一定とすることができ、燃料容器２ａ，２ｂ内の液体燃料２２ａ，２２ｂを燃料供給路３ａ，３ｂへ脈動が起こることなく安定して送り出すことができ、液体燃料２２ａ，２２ｂの供給量を安定させることができる。

なお、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１０とは別に図示しない小型の補助電源（例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、電気二重層コンデンサ等）と、スイッチング素子を有しスイッチング素子のオンオフにより補助電源の出力電圧を昇圧してエアポンプ５駆動用の電圧を発生する昇圧回路４０とを備えており、制御回路２０が補助電源から電源供給されて上記各バルブ４ａ，４ｂ，１８の他に昇圧回路のスイッチング素子を制御するようになっているが、燃料電池１０の発電が開始された後に制御回路２０および昇圧回路４０の電源を補助電源から燃料電池１０へ切り替えるようにしてもよい。

また、各燃料容器２ａ，２ｂを燃料供給路３ａ，３ｂに着脱可能に構成しておけば、燃料容器２ａ，２ｂを交換することで燃料電池１の発電を継続させることができ、携帯機器の長時間の連続使用が可能になる。また、本実施形態では、液体燃料２２ａとしてメタノールを採用しているが、メタノールの代わりに、ジメチルエーテル、エタノール等の他の有機液体燃料を採用すれば、メタノールを採用する場合に比べて液体燃料２２ａの安全性を高めることができるとともに液体燃料２２ａの取り扱いが容易になる。また、本実施形態では、燃料電池１が燃料混合部１ｂを備えており、２つの燃料容器２ａ，２ｂから液体燃料２２ａ，２２ｂが供給されるようになっているが、燃料容器２ａ，２ｂの数は特に限定するものではなく、例えば燃料容器の数を１つとして当該燃料容器に混合液体燃料（例えば、メタノール水溶液等）を入れておくようにしてもよい。

（実施形態２）
本実施形態の燃料電池システムの基本構成は実施形態１と略同じであり、図２に示す構成を有している。すなわち、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１０として水素を燃料とする固体高分子型燃料電池を用いており、燃料電池１０が、水素イオンの伝導性の高い固体高分子膜からなるイオン伝導膜が厚み方向の両側に設けた燃料極と空気極とで挟まれた燃料電池セル１０ａと、燃料容器２ａから燃料供給路３ａを通して供給されるメタノールよりなる液体燃料２２ａと燃料容器２ｂから燃料供給路３ｂを通して供給される水よりなる液体燃料２２ｂとを混合して得た混合液体燃料を気化させ、この気化された気体を水素と二酸化炭素に分解して水素を燃料電池セル１０ａへ供給する燃料改質部１０ｂとを備えている点等が相違する。ここに、燃料電池セル１０ａは、燃料極へ燃料改質部１０ｂから水素が供給される一方で、空気極へエアポンプ５から空気供給路６を通して酸化剤としての空気が供給されて、化学反応により発電することになり、空気極では水が発生する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

ところで、本実施形態の燃料電池システムでは、上述のエアポンプ５が燃料改質部１０ｂへの燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給手段に兼用されており、エアポンプ５と燃料電池セル１０ａとの間に設けられた空気供給路６から分岐され燃料改質部１０ｂへ燃焼用空気を供給するための空気供給管よりなる燃焼用空気供給路８と、空気供給路６から分岐され燃料改質部１０ｂへ選択酸化用空気を供給するための空気供給管よりなる選択酸化用空気供給路９と、選択酸化用空気供給路９に設けられた流量調節用バルブ１２とを備えている。また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料改質部１０ｂから燃料電池セル１０ａへ供給される水素の供給量を検出する水素流量センサ（図示せず）、燃料容器２ａ，２ｂから燃料供給路３ａ，３ｂを通して燃料改質部１０ｂへ供給される液体燃料２２ａ，２２ｂの供給量を検出する液体燃料流量センサ（図示せず）等を備えており、制御回路２０が、上記各流量センサによる検出流量がそれぞれに設定された一定の目標供給量に近づくように各バルブ４ａ，４ｂを制御するようになっている。

しかして、本実施形態の燃料電池システムでは、実施形態１と同様、エアポンプ５から燃料電池セル１０ａの空気極へ空気を供給するので、燃料電池１０の出力を高めることができて燃料電池システム全体の総合効率を高めることが可能になるという利点や、燃料容器２ａ，２ｂ内の液体燃料２２ａ，２２ｂを加圧するエアポンプや液体燃料２２ａ，２２ｂを燃料容器２ａ，２ｂから汲み出す液体ポンプ等の専用の補機を別途に設けることなく且つ上記特許文献１に提案されているような液体燃料および加圧手段を内蔵した特殊な構造の燃料容器を用いずとも、液体燃料２２ａ，２２ｂを燃料供給路３ａ，３ｂへ円滑に送り出すことができるという利点がある。

（実施形態３）
本実施形態の燃料電池システムの基本構成は実施形態２と略同じであって、図２に示した実施形態２の構成では燃料電池１０が燃料改質部１０ｂを備えていたのに対して、本実施形態では、図３に示すように、燃料電池１０の外部に燃焼改質装置３０を備えている点等が相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システムは、燃料改質装置３０の前段側に、燃料容器２ａから燃料供給路３ａを通して供給される液体燃料２２ａと燃料容器２ｂから燃料供給路３ｂを通して供給される液体燃料２２ｂとを混合して燃料改質装置３０へ供給する改質用燃料混合器４１と、燃料供給路３ａから分岐した燃料供給管よりなる燃料供給路３ｃと、燃料供給路３ｃに設けられた流量調節用バルブ４ｃと、燃料供給路３ｃを通して燃料容器２ａから供給される液体燃料２２ａと燃焼用空気供給路８を通してエアポンプ５から供給される燃焼用空気とを混合して燃料改質装置３０へ供給する燃焼用燃料混合器４２と、燃焼用空気供給路８に設けられた流量調節用バルブ１５と、空気供給路６に設けられた流量調節用バルブ１３とを備えている。

また、本実施形態の燃料電池システムにおいても各流量調節用バルブ４ａ，４ｂ，４ｃ、１３，１５よりも下流側で上記各供給路３ａ，３ｂ，３ｃ，６，８を通る流体の流量を検出する流量センサ（図示せず）を備えており、制御回路２０が上記各流量センサの出力に基づいて各流量調節用バルブ４ａ，４ｂ，４ｃ、１３，１５を制御することで上記各供給路３ａ，３ｂ，３ｃ，６，８を通る流体の流量が調整されるようになっている。したがって、燃料電池１０における燃料電池セルの空気極へ供給される空気の量、燃焼用混合器４２へ供給されるメタノールの量、改質用燃料混合器４１へ供給されるメタノールおよび水の量等をそれぞれ調整することができるのである。ここに、改質用燃料混合器４１へ供給されるメタノールおよび水の量を調整することで改質用燃料混合器４１から燃料改質装置３０の蒸発器３２へ供給される混合液体燃料の濃度を調整することができる。

燃焼改質装置３０は、燃焼用燃料混合器４２から供給される燃料を燃焼させることで発熱する燃焼器３１と、燃焼器３１を熱源とし改質用燃料混合器４１から供給されたメタノールと水との混合液体からなる改質用燃料を蒸発（気化）させる上述の蒸発器３２と、蒸発器３２にて生成された気体を触媒に接触させて水素と二酸化炭素とに分解（改質）する改質器３３と、改質器３３にて分解された水素と二酸化炭素とのうち水素を選択的に通過させて燃料電池１０の燃料極へ供給する分離器３４とを備えている。なお、改質器３３での反応に必要な熱は燃焼器３１から与えられる。

しかして、本実施形態の燃料電池システムでは、実施形態２と同様、エアポンプ５から燃料電池セル１０ａの空気極へ空気を供給するので、燃料電池１０の出力を高めることができて燃料電池システム全体の総合効率を高めることが可能になるという利点や、燃料容器２ａ，２ｂ内の液体燃料２２ａ，２２ｂを加圧するエアポンプや液体燃料２２ａ，２２ｂを燃料容器２ａ，２ｂから汲み出す液体ポンプ等の専用の補機を別途に設けることなく且つ上記特許文献１に提案されているような液体燃料および加圧手段を内蔵した特殊な構造の燃料容器を用いずとも、液体燃料２２ａ，２２ｂを燃料供給路３ａ，３ｂへ円滑に送り出すことができるという利点がある。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、図４に示すように燃料供給路３ａ，３ｂの途中に液体ポンプ（例えば、ダイヤフラムポンプ等）を設けて燃料容器２ａ，２ｂ内の液体燃料２２ａ，２２ｂを汲み出すように構成する場合に比べて、燃料電池システム全体の小型化および低消費電力化を図ることができる。なお、流量調節用バルブ４ａ，４ｂ，４ｃそれぞれに周知の液体用のマイクロバルブを用い、流量調節用バルブ１３，１５および圧力調節用バルブ１８それぞれに周知の気体用のマイクロバルブを用いれば燃料電池システム全体のより一層の小型化を図ることができる。

（実施形態４）
以下、本実施形態の燃料電池システムについて図５〜図７を参照しながら説明する。

本実施形態の燃料電池システムの基本構成は実施形態３と略同じであり、実施形態３において流体（液体燃料２２ａ，２２ｂ等の液体、空気等の気体）の流れる流路それぞれの全部ないし一部をマイクロ流路５５（図６参照）として形成した平板状の基体（流路形成構造体）５０を備えている点、燃料改質装置３０を構成する燃焼器３１と蒸発器３２と改質器３３と分離器３４とを１チップ化して基体５０の一面上に配置している点、流量調節用バルブ４ａ，４ｂ，４ｃそれぞれに周知の液体用のマイクロバルブを用いて基体５０の上記一面上に配置している点、流量調節用バルブ１３，１５および圧力調節用バルブ１８それぞれに周知の気体用のマイクロバルブを用い基体５０の上記一面上に配置している点等に特徴がある。すなわち、本実施形態では、基体５０の上記一面上に燃料改質装置３０のチップ、流量調節用バルブ４ａ，４ｂ，４ｃ，１３，１５および圧力調節用バルブ１８が集積化されている。また、本実施形態では、燃料改質装置３０および各バルブ４ａ，４ｂ，４ｃ，１３，１５，１８が集積された基体５０、エアポンプ５、多数の燃料電池セルにより構成した組電池からなる燃料電池１０、実施形態３にて説明した空気供給路６に設けられ空気供給路６を通る空気に加湿する加湿器７０、制御回路２０が形成されたチップ２０ａ、昇圧回路４０が形成されたチップ４０ａなどが収納されたケース８０を備えており、ケース８０の外部から燃料容器２ａ，２ｂを着脱できるようになっている。また、ケース８０には、燃料電池１０に重なる部位に多数の空気孔８１が貫設されている。なお、実施形態３と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

基体５０は、上記各マイクロ流路５５を形成するための多数の微細幅（μｍオーダの幅）の溝５５ａが一面に形成された矩形板状のベース基板５１と、厚み方向に貫通し上記溝５５ａに連通する多数の連絡孔５２ａが形成された矩形板状の連絡用基板５２とを重ねて固着することにより上記各マイクロ流路５５が形成されており、燃料改質装置３０、各バルブ４ａ，４ｂ，４ｃ，１３，１５，１８、各混合器４１，４２それぞれと重なる位置に形成された連絡孔５２ａを通して各マイクロ流路５５が燃料改質装置３０、各バルブ４ａ，４ｂ，４ｃ，１３，１５，１８、各混合器４１，４２それぞれと連通している。なお、ベース基板５１としては、ガラス基板もしくはプラスチック基板を採用すればよく、エッチング等により上記溝５５ａを形成すればよい。また、連絡用基板５２としては、例えば、ベース基板５１よりも厚み寸法が小さなガラス基板もしくはプラスチック基板を採用すればよく、エッチング等により上記連絡孔５２ａを形成すればよい。

燃料改質装置３０は、上述のように燃焼器３１と蒸発器３２と改質器３３と分離器３４とを一体化して１チップとしたものである。ここにおいて、燃焼器３１は、２枚の半導体基板（本実施形態では、シリコン基板）９３，９４を厚み方向に重ねて固着する（接合する）ことにより平板状の器体内につづら折れ状の燃料用流路３１ａが形成されている。すなわち、一方（図７（ａ）の下側）の半導体基板９３における他方（図７（ａ）の上側）の半導体基板９４との対向面には、燃料用流路３１ａを形成するための流路形成用溝３１ｂが異方性エッチング等により形成されており、流路形成用溝３１ｂの内面に白金等の貴金属からなる触媒層（図示せず）を形成してある。この燃焼器３１では、燃焼用燃料混合器４２から燃料用流路３１ａに供給された燃料が触媒層と接触して燃焼し燃焼熱を発生する。なお、燃焼器３１での燃焼により発生した二酸化炭素は半導体基板９３に貫設され燃料用流路３１ａに連通した貫通孔９３ａ−後述の基板９２に貫設された貫通孔９２ａ−後述の基板９１に貫設された貫通孔９１ａの経路で外部へ排出される。

また、蒸発器３２は、上述の半導体基板９４と、ガラス基板９５とを厚み方向に重ねて固着する（接合する）ことにより平板状の器体内にマイクロチャンバ３２ａ，３２ｃが形成されている。すなわち、半導体基板９４におけるガラス基板９５との対向面には、マイクロチャンバ３２ａ，３２ｃを構成するための凹所３２ｂ，３２ｄが異方性エッチング等により形成され、ガラス基板９５には、厚み方向に貫通し凹所３２ｂ，３２ｄと連通する貫通孔９５ａ，９５ｃが形成されており、改質用燃料混合器４１からの混合液体燃料（メタノール水溶液）が貫通孔９５ａを通してマイクロチャンバ３２ａへ供給されるとともに、燃焼用燃料混合器４２からの燃料（メタノールと空気との混合燃料）が貫通孔９５ｃを通してマイクロチャンバ３２ｃへ供給される。ここに、蒸発器３２は、前者のマイクロチャンバ３２ａへ供給された混合液体燃料を、燃焼器３１を熱源として蒸発（気化）させるものであり、後者のマイクロチャンバ３２ｃへ供給された燃料は半導体基板９４におけるガラス基板９５との対向面に形成された溝９４ｄおよび半導体基板９４に貫設された連通溝９４ｂを通して燃焼器３１の燃料用流路３１ａへ供給される。

また、改質器３３は、上述の半導体基板９３と、別の半導体基板（本実施形態では、シリコン基板）９２とを厚み方向に重ねて固着する（接合する）ことにより平板状の器体内につづら折れ状の燃料用流路３３ａが形成されている。すなわち、半導体基板９３における半導体基板９２との対向面には、燃料用流路３３ａを形成するための流路形成用溝３３ｂが形成されており、流路形成用溝３３ｂの内面には蒸発器３２から半導体基板９３の貫通孔９３ｂを通して供給された気体を水素と二酸化炭素とに分解するための触媒材料（例えば、銅、酸化亜鉛等）からなる触媒層（図示せず）を形成してある。この改質器３３では、蒸発器３２から燃料用流路３３ａに供給された気体が触媒層と接触し水素と二酸化炭素とに分解されるが、この分解反応には燃焼器３２で発生した熱が使用される。

また、分離器３４は、半導体基板９２と、ガラス基板９１とを厚み方向に重ねて固着する（接合する）ことにより平板状の器体が形成されている。ここに、分離器３４は、半導体基板９２におけるガラス基板９１との対向面に凹所９２ａを形成することにより形成したダイアフラム部を陽極酸化等により多孔質化することによって多孔質部３４ａを形成してあり、多孔質部３４ａにおけるガラス基板９１側の面に、例えばパラジウム薄膜からなる水素透過膜３４ｂが形成されている。したがって、分離器３４では、改質器３３の燃料用流路３３ａに連通する気体導入部９２ｂを通して多孔質部３４ａへ供給された水素と二酸化炭素とのうち、水素のみが水素透過膜３４ｂを透過してガラス基板９１における半導体基板９２との対向面に形成された凹所９１ｂへ導入され、ガラス基板９１において凹所９１ｂに連通し且つ厚み方向に貫設された貫通孔９１ｃを通して燃料電池１０へ供給される。

しかして、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料改質装置３０の小型化を図ることができる。また、本実施形態の燃料電池システムでは、上述のマイクロ流路５５が形成された基体５０の上記一表面上に、各バルブ４ａ，４ｂ，４ｃ，１３，１５，１８および各混合器４１，４２を集積しているので、各バルブ４ａ，４ｂ，４ｃ，１３，１５，１８および各混合器４１，４２をチューブ等の配管部材で流路と繋ぐ必要がなく、信頼性の高い燃料電池システムを実現することができる。

実施形態１を示す燃料電池システムの概略構成図である。 実施形態２を示す燃料電池システムの概略構成図である。 実施形態３を示す燃料電池システムの概略構成図である。 同上の比較例を示す燃料電池システムの概略構成図である。 実施形態４を示す燃料電池システムの概略斜視図である。 同上の要部を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略分解斜視図である。 同上における燃料改質装置を示し、（ａ）は概略分解斜視図、（ｂ）は概略断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池
１ａ 燃料電池セル
１ｂ 燃料混合部
２ａ，２ｂ 燃料容器
３ａ，３ｂ 燃料供給路
４ａ，４ｂ 流量調節用バルブ
５ エアポンプ
６ 空気供給路
７ 圧力導入路
７ａ，７ｂ 圧力導入路
１８ 圧力調節用バルブ
１９ 圧力センサ
２２ａ，２２ｂ 液体燃料

Claims (6)

1. 燃料電池と、燃料電池用の液体燃料を入れた燃料容器と、燃料容器と燃料電池との間に設けられた燃料供給路と、燃料電池へ空気を送り込む空気供給手段とを備え、当該空気供給手段を、燃料容器内の液体燃料が燃料供給路へ送り出されるように燃料容器内の液体燃料を加圧する加圧手段に兼用してなることを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池と、液体燃料を改質して燃料電池用の水素を生成する燃料改質装置と、液体燃料を入れた燃料容器と、燃料容器と燃料改質装置との間に設けられた燃料供給路と、燃料電池へ空気を送り込む空気供給手段とを備え、当該空気供給手段を、燃料容器内の液体燃料が燃料供給路へ送り出されるように燃料容器内の液体燃料を加圧する加圧手段に兼用してなることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記燃料改質装置が、前記液体燃料および燃焼用空気が供給されて燃焼熱を発生する燃焼器と、燃焼器を熱源として前記液体燃料を気化させる蒸発器と、蒸発器にて気化された気体を改質して水素を生成する改質器とを備え、前記空気供給手段が燃焼器への燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給手段に兼用されてなることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料供給路に設けられ前記液体燃料の供給量を調節する流量調節用バルブと、前記液体燃料の供給量が一定の目標供給量に近づくように流量調節用バルブの開量を制御する流量制御手段とを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記空気供給手段と前記燃料容器との連結路に設けられた圧力調節用バルブと、圧力調節用バルブと燃料容器との間に設けられ前記燃料容器内の前記液体燃料へかかっている圧力を検出する圧力センサと、圧力センサによる検出圧力が一定の目標圧力値に近づくように圧力調節用バルブの開量を制御する圧力制御手段とを備えることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記流量調節用バルブおよび前記圧力調節用バルブそれぞれがマイクロバルブであって、前記燃料供給路および前記連結路それぞれの少なくとも一部が形成された平板状の基体における厚み方向の一面上に各マイクロバルブが集積されてなることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。

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