JP2005243353A - 燃料電池システム - Google Patents

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賢治 長谷川
Masaru Odagiri
優 小田桐
Masaru Higashioji
賢 東陰地
Masafumi Shimotashiro
雅文 下田代
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Abstract

【課題】 装着された燃料タンクの種類を判別し、最も的確な運転制御を行うようにする。
【解決手段】 燃料電池システム１，１ａは、発電に用いる燃料原液を貯留する燃料タンク１００，１００ａと、燃料タンクと連通し発電に用いる液体燃料を内部に貯留する容器形状の中間タンク５と、中間タンク５に貯留された前記液体燃料にアノード側を浸漬して配置され前記液体燃料の供給を受けて発電する燃料電池セル３とを備える燃料電池ユニット２，２ａとを有する。前記燃料タンク１００，１００ａにはその内部に貯留される燃料原液の濃度や収容量に応じて異なる構成を持つ性状情報格納部１０２が設けられており、性状情報読取部２９によって燃料タンク１００，１００ａと燃料電池ユニット２，２ａの連結時に燃料タンク中の燃料原液の性状が読取られる。制御演算部６はこの情報に基づいて燃料電池システムの中間タンクに関する駆動制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特にメタノールなどの有機燃料をアノードに直接供給して発電する燃料電池本体に用いられる燃料タンク及び燃料電池本体を用いて発電を行うための燃料供給系等の補機とを備える燃料電池システムに関する。
携帯電話、携帯型情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型オーディオ、携帯型ビジュアル機器など携帯用電子機器の普及が進んでいる。従来、このような携帯用電子機器は、一次電池又は二次電池によって駆動している。特に、二次電池としては、ニッカド電池又はリチウムイオン電池が用いられ、小型で高エネルギー密度を持つ電池が開発されている。しかし、二次電池は一定量の電力使用後に充電機器を用いて一定時間の充電をおこなう必要があるため、短い充電時間で長時間連続駆動が可能な電池が要望されている。
この要望に応えるため、充電を必要としない燃料電池が提案されている。燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的にエネルギーに変換する発電機である。このような燃料電池の例としては、パーフルオロカーボンスルフォン酸系の電解質を用いてアノード極で水素ガスを還元し、カソード極で酸素を還元して発電を行うという固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が知られている。このようなＰＥＦＣは、出力密度が高い電池であるという特徴を有しており、その開発が進められている。
しかしながら、このようなＰＥＦＣに用いられる水素ガスは容積エネルギー密度が低く、燃料タンクの体積を大きくする必要があることや、燃料ガス、酸化ガスを燃料電池本体（発電部）に供給する装置、電池性能を安定にするため加湿する装置などの補機が必要であり、燃料電池システムが大型になるため、携帯電子機器用の電源としては適さない。
一方、メタノールから直接プロトンを取り出すことにより発電を行う直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、ＰＥＦＣと比較してその出力が小さくなるという欠点があるものの、燃料の体積エネルギー密度を上げることができることと、燃料電池本体の補機を減らすことができるため小型化が可能となる。このため、携帯機器用電源として注目されており、幾つかの提案がなされている。
このＤＭＦＣにおける燃料電池本体内でおこなわれるアノード側の反応及び、カソード側の反応は以下の通りである。
アノード側：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→６Ｈ＋＋６ｅ−＋ＣＯ２
カソード側：６Ｈ＋＋６ｅ−＋３／２Ｏ２→３Ｈ２Ｏ
上記化学式に示すように、燃料電池を用いて発電することにより、アノード側では二酸化炭素が生成し、カソード側では水が生成する。
メタノールを燃料として用いる燃料電池の構成としては、公開特許公報昭５８−１６５２７４（特許文献１）などに例示される。この燃料電池は、メタノールを用いる燃料電解液型燃料電池において、燃料容器の中にアノードを配置し、燃料タンクと水タンクからは燃料容器に燃料と水を補給して濃度を調整し、燃料電池を運転する構成である。特許文献１に記載の燃料電池は、燃料に酸を含む場合の燃料電池の構成であるが、近年では電解質膜の性能が向上し、燃料中に酸性物質がない燃料で発電できる燃料電池の開発が進められている。
特開昭５８−１６５２７４号公報
しかし、従来の構成では、燃料がタンクに蓄積された燃料がなくなった場合、アノードが配置されている燃料容器のメタノール濃度が発電によって徐々に薄まり、負荷に対して出力できなくなる。負荷が要求する電力が供給できない場合、電圧が急激に下がり電解質膜が壊れてしまうことがある。また、長期間使用せずに保管しておいた場合、アノードが配置されている燃料容器（中間タンク）の燃料の液面が大幅に少なくなったり、液が蒸発してなくなることが想定される。この状態で燃料電池を起動させると電解質膜が破壊する。このため、燃料容器に燃料タンクより濃度の低い燃料を充填する必要がある。
しかし、燃料と水を燃料タンクと水タンクそれぞれから別々に供給すると、水が大量に必要となり、水タンクの交換も必要となる。また、燃料にタンクに濃度の低い燃料を入れて燃料容器へ供給することも考えられるが、装置が濃度を判別できないため、制御ができないという問題があった。
また、燃料タンクに所定の量の燃料があるとき、その燃料の容量がどれくらいで、後どれくらいの時間発電ができるのかが分らないという問題があった。
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、装着された燃料タンクが通常燃料なのか、それとも燃料容器の補給用燃料なのか等の判別を可能とし、これによって最も的確な運転制御を行うようにすること、また、通常燃料の場合、発電可能な残量の目安を算出することができる燃料電池システムを提供することである。
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の燃料電池システムを提供する。
本発明の第１態様によれば、発電に用いる燃料原液を貯留する燃料タンクと、
燃料タンクと連通し前記燃料タンクに貯留された燃料原液の供給を受け、発電に用いる液体燃料を内部に貯留する容器形状の中間タンクと、前記中間タンクに貯留された前記液体燃料にアノード側を浸漬して配置され前記液体燃料の供給を受けて発電する燃料電池セルとを備える燃料電池ユニットと、
前記燃料タンクと前記燃料電池ユニットとを着脱自在に保持する保持部材と、
を有する燃料電池システムであって、
前記燃料タンクに設けられ前記燃料タンクの内部に貯留される燃料原液の性状についての情報を格納する性状情報格納部と、
前記燃料タンクの連結時に前記性状情報格納部に格納された前記燃料タンク中の燃料原液の性状に関する情報を取得する性状情報読取部と、
前記性状情報読取部によって取得された前記燃料原液の性状の情報に基づいて、燃料電池システムの前記中間タンク内の液体燃料に関連する駆動制御を行う制御演算部とを備える燃料電池システムを提供する。
上記構成において、燃料電池システムは、燃料タンクに貯蔵されている燃料原液を燃料電池ユニット内の中間タンクに液体燃料として貯蔵して、燃料電池セルによって発電するものである。燃料タンクに貯蔵されている燃料原液と中間タンクに貯蔵される液体燃料は、まったく同じものであってもよいし、例えば、濃度や組成などに違いを持ったものであってもよい。燃料タンクは、貯留している燃料を使いきると、燃料電池ユニットから取り外して、新たに交換又は燃料の補充を行う。
燃料タンクには、貯留されている燃料原液の性状を示すための性状情報格納部が設けられている。燃料タンクが燃料電池ユニットに固定されたとき、燃料電池ユニットの性状情報読取部は、性状情報格納部に格納された燃料原液の性状に関する情報を読み取る。読取り可能な燃料原液の性状の情報としては、例えば、濃度、収容量、組成（燃料原液中に酸が含まれているか否かなど）などが例示でき、これらが燃料タンクの種類を決定する場合は、燃料タンクの種類自体を読取るようにしてもよい。燃料原液の性状に関する情報は、制御演算部に送信されて燃料電子システムの中間タンク内の液体燃料に関連する駆動制御に用いられる。制御演算部は、燃料電池ユニットの一部として設けられていてもよいし、燃料電池ユニットとは別に設けられていてもよい。燃料電池ユニットとは別に設けられる場合は、例えば、燃料電池ユニットが搭載される電子機器の制御装置と共用して用いることもできる。燃料電子システムの中間タンクに関連する駆動制御の具体例としては、中間タンク内の濃度、液面レベルなどの制御や中間タンクへの燃料原液の補充の制御などにおいて、適用可能な燃料原液の種類を特定したり、液体燃料の物質収支の制御などが例示できる。
本発明の第２態様によれば、前記性状情報読取部は、操作片を押圧されることによりオンオフの切替が行われるスイッチ素子を備えたユニットで構成され、
前記性状情報格納部は、前記スイッチ素子の操作片に対応する位置であって、前記燃料タンク中の燃料原液の性状に応じて異なる位置に複数の押圧部を備えた板状体で構成されることを特徴とする、第１態様の燃料電池システムを提供する。
本発明の第３態様によれば、前記スイッチ素子は、突出片を押圧されることによりオンオフの切替が行われる複数のスイッチ素子を備え、
前記性状情報格納部は、前記スイッチ素子の操作片に対応する位置であって、前記燃料タンク中の燃料原液の性状に応じて異なる位置に複数の凹部を備えた板状体で構成されることを特徴とする、第１態様の燃料電池システムを提供する。
本発明の第４態様によれば、前記性状情報読取部は、電源電圧の一方端に接続された第１端子と、電源電圧の他方端に接続された第２端子とを備え、
前記性状情報格納部は、前記性状情報読取部の前記第１端子に対応する位置に設けられた第３端子と前記性状情報読取部の前記第２端子に対応する位置に設けられ前記第３端子と抵抗を介して接続された第４端子とを備え、前記燃料タンク中の燃料原液の性状に応じて前記抵抗の値が異なる第１態様の燃料電池システムを提供する。
本発明の第５態様によれば、前記第１端子及び第３端子は複数設けられることを特徴とする、第４態様の燃料電池システムを提供する。
本発明の第６態様によれば、前記性状情報格納部に格納された燃料原液の性状の情報は、前記燃料原液の濃度と前記燃料タンクの初期状態における燃料原液の収容量に関する情報である第１から第５態様のいずれかの燃料電池システムを提供する。
本発明の第７態様によれば、前記制御演算部は、前記性状情報読取部によって取得された燃料原液の収容量及び燃料原液の濃度の情報に基づいて、前記燃料タンクを用いて発電可能な電力量を算出する第６態様の燃料電池システムを提供する。
本発明の第８態様によれば、さらに、燃料電池セルによって発電された電力量の累計情報を検出する発電電力検出手段を有し、
前記制御演算部は、前記発電電力検出手段によって検出された燃料電池セルの電力量の累計情報に基づいて、当該燃料タンクの残りの燃料原液で発電可能な残りの電力量を算出する第７態様の燃料電池システムを提供する。
本発明の第９態様によれば、前記燃料タンクが、その内部を燃料原液を貯蔵する燃料部と前記燃料電池セルのカソードで生成された水を含む排出物を取り込んで蓄積する加圧部とに区画する移動可能に配設された仕切り板を備え、前記加圧部に蓄積された前記排出物によって、前記仕切り板が前記燃料部側へ移動して、前記燃料部を加圧することによって前記燃料給送口から液体燃料を吐出するように構成され、
前記仕切り板の位置を検出する位置検出手段をさらに有し、
前記制御演算部は、前記位置検出手段によって検出された前記仕切り板の位置に関する情報から算出される前記燃料タンクに収容されている燃料原液の量及びに基づいて、前記性状情報読取部によって取得された前記燃料原液の濃度の情報に基づいて前記燃料タンクの残りの燃料原液で発電可能な電力量を算出することを特徴とする、第６態様の燃料電池システムを提供する。
上記構成において、燃料タンクは仕切り板によって加圧部と燃料部とが完全に分離され、燃料と排出物とが混ざらないように構成されているため、燃料の濃度変化を起こすことがない。また、カソードからの水と空気を含む排出物が仕切り板を加圧することで、燃料タンク内に別個の加圧機構が不要となり、燃料タンク内の構成を簡素化することができる。加圧部に蓄積された排出物によって、仕切り板を常時加圧部から燃料部側へ加圧することで、燃料供給のためのポンプを搭載することなく安定して液体燃料を燃料電池本体へ供給することができる。
また、一度加圧部内に排出物を導き、アノードの反応で消費される量の水を加圧部から給送するため、アノード側の燃料の濃度を低下させることもなく、また、余分な水分を外部放出せずに完全なクローズドシステムとすることができる。
本発明の第１０態様によれば、前記位置検出手段は、前記仕切り板の位置を前記燃料タンクと非接触で検出可能な装置により構成されている第９態様の燃料電池システムを提供する。
本発明の第１１態様によれば、前記位置検出手段は、前記仕切り板に設けられた磁石と、
前記燃料電池セルに設けられ、前記磁石から発せられ前記燃料タンクの外壁を透過した磁界を検出して前記磁石の位置を検出する検出器とで構成されている第１０態様の燃料電池システムを提供する。
上記構成において、燃料タンクは仕切り板が移動して燃料部側に付勢されることにより液体燃料が吐出されるように構成されているため、仕切り板の位置を検出することにより、液体燃料の残量を検出することが可能となる。
また、燃料タンクが交換式であるような場合、燃料タンクに仕切り板の位置を検出し燃料の残量を算出できる装置を搭載することは、タンクの大型化を招くため、仕切り板の位置検出及び残量の算出は燃料タンクの外部に設けられた装置によって行うことが好ましい。このため、例えば、仕切り板に設けられた磁石の磁界をうけて磁石の位置を検出可能な検出器などを用い、仕切り板の位置を非接触で検出可能に構成することが好ましい。
本発明の第１２態様によれば、前記燃料電池セルから出力された電力量に基づいて単位時間あたりに出力された電力量をする消費電力量算出手段と、
前記制御演算部によって算出された発電できる電力量と前記消費電力量算出手段によって算出された単位時間あたりの消費電力量と前記燃料タンクの残りの燃料原液で発電可能な電力量の情報に基づいて、前記燃料タンクが発電可能な残り時間の情報を算出することを特徴とする、第８から第１０態様のいずれか１つの燃料電池システムを提供する。
本発明の第１態様によれば、燃料タンクに貯留されている燃料原液の性状に基づいて燃料タンクの種別などを判別することができる。例えば、装着された燃料タンクが通常燃料なのか、それとも燃料容器の補給用燃料タンクなのか等について判別することができる。当該燃料原液の性状に関する情報は、制御演算部に送られ、これに基づいての濃度、液面レベルなどの制御や中間タンクへの燃料原液の補充の制御などの燃料電池システムの中間タンクに関連する駆動制御を行うため、燃料電池システムの駆動制御をより精度よく行うことができる。
本発明の第２及び第３態様によれば、オンオフの切替スイッチを用いた簡単な部材で構成することができるため、簡単なシステム構成とすることができる
本発明の第４態様によれば、電気抵抗の値を燃料原液の性状に応じて変化させることにより、当該抵抗値に応じた電圧値を測定することにより、測定結果を多段階的に出力することができる。したがって、構成を大型化することなく燃料原液についてより多くの情報を測定することができ、より細かな駆動制御を実現することができる。
本発明の第７態様によれば、燃料原液の性状として収容量及び濃度を検出することにより、燃料タンク内の燃料のモル数を算出することができる。したがって当該情報に基づいて、燃料タンク内の燃料を用いて発電させた場合の出力可能な電力量を算出することができ、燃料タンクの残量表示などに用いることができる。
本発明の第９態様に係る発明によれば、仕切り板が加圧部に蓄積された排出物によって常時加圧部から燃料部側へ加圧することで、燃料供給のための装置を搭載することなく安定して燃料を燃料電池へ供給することができる。また、カソードからの水と空気を含む排出物を加圧部内に導き、これを用いて仕切り板の加圧をすることで、燃料タンク内に特別の加圧機構が不要となり、燃料タンク内の構成を簡素化することができる。さらに、一度加圧部内に排出物を導き、アノードの反応で消費される量の水を、加圧部から給送することにより、アノード側の燃料の濃度を低下させることもなく、また、余分な水分を外部放出せずに完全なクローズドシステムとすることができる。
以下、本発明の各実施形態に係る燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。
(第１実施形態)
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換して発電を行なう発電部である燃料電池ユニット２と、この発電に必要な燃料等を燃料電池ユニット２に供給される燃料原液を貯蔵する燃料タンク１００とを備える。燃料タンク１００は、燃料電池ユニット２の特定位置に着脱自在に固定され、コネクタ１０３，１８とに固定されることよって、燃料電池ユニット２への燃料原液の供給が可能となる。
燃料電池ユニット２は、液体燃料と空気（酸素）の供給を受けて発電する燃料電池セル３と当該燃料電池セル２のアノード側に供給される液体燃料を蓄積する中間タンク５を備える。また、燃料電池ユニット２には、その他の構成として、中間タンク５に液体燃料を供給するための補機と、カソード１２に空気を供給するための補機と、カソード１２で生成された排出物を回収するための補機とが設けられている。これらの補機についての詳細は後述する。燃料電池セル３は、有機系の液体燃料の一例であるメタノール水溶液を燃料として、このメタノールから直接的にプロトンを取り出すことにより発電を行なう直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）である。
図１に示すように、燃料電池セル３は、アノード（燃料極）１０、カソード（空気極）１２、及び膜電極組立体１１を備えている。アノード１０は、供給されるメタノール水溶液に対して酸化反応を行ない、プロトンと電子を取り出す反応（アノード反応）を行なう。当該電子は、アノード１０とカソード１２とを電気的に接続する外部回路６０を通してカソード１２へ移動し、当該プロトンは、膜電極組立体１１を通してカソード１２へ移動する。また、カソード１２は、外部から供給される酸素と、アノード１０より膜電極組立体１１を通して移動してきたプロトンを、上記外部回路６０を通して流れてきた電子で還元して、水を生成する反応（カソード反応）を行なう。このようにアノード１０にて酸化反応を、カソード１２にて還元反応を夫々行なうことで発電する。
具体的には、膜電極組立体１１は、例えば、電解質膜としてDupont社製のナフィオン（商品名）を用い、電解質膜の一方の表面に、アノード１０のアノード触媒として、炭素系粉末担体に白金とルテニウム、あるいは白金とルテニウムの合金を分散させて担持したものを形成する。膜電極組立体１１の両端には、例えばカーボンペーパーからなる電極兼拡散層（図示なし）を上記アノード触媒及び上記カソード触媒の夫々に密着させた後、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータを介してハウジングに固定することにより組み上げられる。
アノード１０は、その内部に上記アノード反応に必要なメタノール水溶液を供給させるための燃料供給口２４及び、当該アノード反応により生成された二酸化炭素や当該反応に用いられなかった残りのメタノール水溶液を上記内部より排出するための排出口２５を備えている。
また、カソード１２は、上記カソード反応の実施のために用いられる酸素を供給するために、例えば、空気を用い、当該空気をその内部に供給するための空気供給口２２と、当該カソード反応にて生成される生成物の一例である水（液相又は気相のいずれの状態、あるいは夫々の状態が混在した状態のいずれの場合をも含む）及び、反応に用いられなかった空気を排出するための排出口２３とを備えている。なお、この生成物は水を主成分として含むものであるが、その他に、ギ酸、ギ酸メチル、及びメタノール（後述するクロスオーバーによる）等も含まれる場合がある。
中間タンク５は、燃料電池セル３に供給され、発電に用いる濃度のメタノール水溶液を収容する。中間タンク５は、燃料電池セル３と一体的に配設されており、燃料電池セル３のアノード１０が収納しているメタノール水溶液に浸漬するように燃料電池セル３をその内部の空間に収納する。このように中間タンク５内にアノード１０が配置されていることにより、常時メタノール水溶液に浸漬されている状態の燃料供給口２４から矢印５８に示すようにアノード１０の内部にメタノール水溶液が供給され、矢印５９に示すように排出口２５から排出される。
また、中間タンク５には、アノード１０にて進行するアノード反応により生成した二酸化炭素等のガスが、矢印５９に示すようにアノード１０の排出口２５を通して流入されることとなるが、このようにして流入されるガスを中間タンク５の外部に排気するための排気口２８及び排気口２８に連通する排気管に設けられた排気弁１５が備えられている。なお、この排気弁１５は、中間タンク５に液体燃料を初期注入する際のガス抜きとしても機能する。
中間タンク５内には、当該中間タンク５内に蓄積されている液体燃料の水面レベルを検出するための検出器１３及びメタノール水溶液の濃度を検出するための濃度検出器１４が設けられている。これらの液面検出器１３及び濃度検出器１４から検出信号は、燃料電池システム１が搭載される電子機器に設けられる制御演算装置６に伝送され、後述するように燃料電池システム１の運転制御に利用される。
なお、中間タンク５が燃料電池セル３と一体的に形成され、アノード１０が中間タンクに浸漬しているような構成に代えて、両者が別個独立して形成されていてもよい。このような場合にあっては、必要に応じて、中間タンク５からアノード１０へ液体燃料を送りこむための供給装置を設けることが必要となる。
次に、燃料電池システム１の上記補機系の構成について説明する。図１に示すように、燃料供給のための補機としては、燃料タンク１００と中間タンク５とを接続する燃料供給管７１と、燃料供給管７１の途中に設けられた燃料バルブ１６、燃料タンク１００に蓄積されている燃料原液の供給のための推力を与える燃料供給ポンプ７とを備える。
燃料供給管７１は、燃料タンクに貯蔵されている燃料原液を中間タンク５に給送するための配管である。燃料供給管７１の端には、燃料タンクを脱着可能に保持するためのユニット側コネクタ１８が設けられており、燃料タンク１００に設けられているタンク側コネクタ１０３と脱着可能に連結する。
燃料供給管７１の途中に設けられている燃料バルブ１６は、電磁弁で構成されており、燃料電池システムの外部に設けられた制御演算装置６の制御を受けてその開度の調整がなされる。また、燃料ポンプ７は、制御演算部６により駆動制御がなされる。後述するように、燃料電池システムが搭載されている電子機器の一部を構成する部材である。
制御演算装置６により燃料バルブ１６が開放されかつ燃料ポンプ７が駆動すると、燃料タンク１００中の燃料原液が、矢印５１に示すように燃料供給管７１を通って中間タンクの原液供給口２７から中間タンク５に給送される。発電停止の際には、燃料バルブ１６が締められることにより燃料の供給も停止される。
上記空気供給の補機としては、カソード１２の空気供給口２２にその一端が接続された空気供給管７３と、空気供給管７３の途中に配置され、空気供給管７３を通して、空気をカソード１２内に供給する空気ポンプ８とを備える。この空気ポンプ８としては、小型でかつ消費電力が小さいものを用いることが好ましく、例えば、モータ式ポンプ（逆止弁付、吐出量：０〜２Ｌ／分、吐出圧力：３０ｋＰａ）を用いており、使用時は、例えば、１Ｌ／分で空気を供給する。空気ポンプ８も制御演算装置６によって駆動制御され、例えば、燃料電池セル３にて発電が行なわれる際には空気ポンプ８が駆動されてカソード１２内に必要な酸素が供給され、当該発電が停止されるときには空気ポンプ８の駆動が停止されることとなる。
水を回収するための補機としては、カソードにて生成された水を貯蔵する水回収タンク３０と、カソード１２の排出口２３と水回収タンク３０とを接続し、カソード１２にて生成された水及び空気を含む排出物を水回収タンク３０に供給して回収させる排出物給送管７４と、水回収タンク３０と中間タンク５の水供給口２６とを接続し水回収タンク３０に蓄積されている水を中間タンク５に供給する水給送管７２と、水給送管７２を通る水の量を調整する水バルブ１７及び、水給送管を通して水を給送するための水回収ポンプ９とが設けられている。
排出物給送管７４における排出物の流通の推力は、空気ポンプ８の駆動によるカソード１２内の加圧であり、カソード１２内で生成された排出物が排出口２３を通して排出物給送管７４内に送り出されることにより行なわれる。矢印５６に示すように、排出物給送管７４を通って水回収タンク３０に供給された水は水回収タンク３０に蓄積される一方、空気は、気液分離膜を備えた圧力バルブ３１によって水と分離されて外部に排出される。水給送管７２に設けられている水バルブ１７は電磁弁で構成されており、制御演算装置６により駆動制御されている。また、水回収ポンプ９も制御演算装置６により駆動制御されている。制御演算部６は必要がある場合にこれらを駆動させ、矢印５３に示すように水回収タンク３０内の水を中間タンク５に供給する。
次に燃料タンクについて説明する。燃料タンク１００は、燃料電池ユニット２と脱着可能に構成された交換式のものであり、発電に必要な燃料を供給して貯蔵する燃料原液がなくなると、新しい燃料タンクと交換して、連続した発電をできるようにする。燃料タンク１００は、燃料原液を貯蔵する容器本体と燃料供給管７１と脱着可能に接続するためのコネクタ１０３、燃料濃度および収容量の情報を制御演算部に伝達するための性状情報格納部１０２を備える。
燃料タンク１００には燃料原液が貯留されている。燃料原液としては、メタノールやエタノール、ジメチルエーテル及びこれらの水溶液などが使用可能であるが、本実施形態ではメタノールを用いている。
燃料タンクは、以下に説明するように、蓄積される燃料原液の濃度及び収容量について種々の種類のものがあり、性状情報格納部１０２は、この燃料原液の性状に関する情報を制御演算部６に伝達するためのものである。
燃料タンクは、貯蔵される燃料原液を、燃料電池セル３が発電に用いる液体燃料よりも高濃度のものとすることにより、１つの燃料タンクで長時間にわたる連続的な発電を可能とするとともに燃料タンクの小型化を図ることができる。高濃度の液体燃料を用いると燃料電池セル３においてクロスオーバーなどの問題が発生するため、水回収タンクからの水で希釈する必要があり、当該水回収タンクに水がない場合、あるいは、中間タンクに液体燃料がないような初期起動時又は長期間保管後の起動時には、この高濃度の燃料原液を希釈して発電に用いる液体燃料の濃度とすることが困難であるため、薄い濃度の燃料タンクを用いる場合がある。
このような事情より、本実施形態にかかる燃料電池システムにおいては、燃料タンクに貯留される燃料原液の濃度を５、６０、８０、１００重量％のものを必要に応じて用いることとしている。また、燃料タンクの燃料収容量も、５０、１００、１５０、２００ｍｌとし、使用者が使用状況などに応じて適宜選択できるようにしている。
次に制御演算装置６について説明する。図１に示すように、燃料電池システム１が搭載されている電子機器には、夫々の装置や構成機器の動作を制御する制御演算装置６が備えられている。制御演算装置６は、これらの制御を適切に行うため、燃料電池システムの各種状態を測定するための各種検出器から信号を受けることができるように構成されている。各種検出器としては、中間タンク５に蓄積されている液体燃料であるメタノール水溶液の液面レベルを検出する液面検出器１３、中間タンク５に蓄積されている液体燃料であるメタノール水溶液の濃度を検出する濃度検出器１４、燃料タンク１００に蓄積されている燃料原液の性状を検出する性状情報読取装置２９、燃料電池システム１によって発電されている電力量を検出する電力量検出器６１が該当する。
制御演算装置６は、燃料電池システム１について、空気ポンプ８による空気の供給動作、燃料ポンプ７による燃料供給動作、水回収ポンプ９による水回収動作、水バルブ１７、燃料バルブ１６、排気弁１５の開度調整動作等の夫々の動作制御を互いに関連付けながら、後述する物質収支が成立するように統括的に制御する。
燃料タンクの使用開始時に貯留されている燃料原液とその収容量の情報は、燃料タンク１００の性状情報格納部１０２の情報を、性状情報読取装置２９が読取ることによって行う。
性状情報読取装置２９は、図３に示すように、４つのスイッチ素子ｓ１〜ｓ４を有するスイッチユニットである。性状情報読取装置２９は、燃料タンク１００の性状情報格納部１０２と対向するような位置に設けられており、本体４１の対向面に上記スイッチ素子のスイッチ部が突出して設けられた構成である。各スイッチ素子は、本体４１の取り付け部４２に設けられたバネ４３で突出片４４を付勢することによって通常時はＯＦＦの状態となっているが、突出片４４が取り付け部４４に押しこまれることによりＯＮの状態となる切替スイッチである。
燃料タンク１００の性状情報格納部１０２は、図２に示すように、金属板１５０から構成され、取り付け時に性状情報読取装置２９の対向面の突出片と対向する位置に、内蔵される燃料原液の性状に応じて位置を異ならせて設けられた凹部ｈ１〜ｈ４を備えている。凹部ｈ１〜ｈ４はそれぞれスイッチ素子ｓ１〜ｓ４に対応しており、凹部が設けられている部分に対応する位置のスイッチ素子は、燃料タンクの取り付け時にスイッチ素子の突出片が凹部に嵌りＯＦＦの状態を維持する一方、凹部が設けられていない位置に対応するスイッチ素子は、突出片４４が性状情報格納部１０２の表面と当接して取り付け部４２に押しこまれるため、ＯＮの状態に切り替わることとなる（図４参照）。
本実施形態においては、上述のように、燃料原液の濃度として５、６０、８０、１００重量％のものがあり、収容量として、５０、１００、１５０、２００ｍｌのものがあるため、これらの燃料タンクの燃料原液の性状をスイッチ素子ｓ１〜ｓ４のスイッチのＯＮ、ＯＦＦの組み合わせによって判別可能としている。
具体的には、スイッチ素子ｓ１とＳ２は燃料原液の濃度を検出するために用いられ、スイッチ素子ｓ３とｓ４は燃料原液の収容量を検出するために用いられる。各スイッチ素子のオンオフの組み合わせは、一例として次の表１に示すように設定される。図４の例では、ｓ１、ｓ４がＯＮであり、ｓ２、ｓ３がＯＦＦであるので、新品時の燃料タンクに貯留されている燃料原液は、濃度８０ｗｔ％、収容量１００ｍｌということとなる。この燃料原液の性状に関する情報は制御演算部６が燃料電池システムを制御するときに利用される。
Figure 2005243353
制御演算装置６が行う制御動作の例について説明する。制御演算装置６は、燃料電池システム１の発電を行なう場合には、制御演算装置６は、空気ポンプ８を駆動して矢印５５に示すようにカソード１２に空気を供給する。燃料電池セル３のアノード１０は、中間タンク５に貯蔵されている液体燃料に浸漬されているため、アノード１０の燃料供給口２４から取り込まれ、排出口２５から排出される。
制御演算部６は、中間タンクに設けられている濃度検出器１４によって、所定の濃度よりも薄くなった場合及び濃くなった場合は、燃料ポンプ７及び燃料バルブ１６又は水回収ポンプ９及び水バルブを操作して所定の濃度となるように制御する。具体的には、中間タンク中のメタノール水溶液の濃度が所定の値より低くなった場合、燃料ポンプ７を駆動させるとともに燃料バルブ１６を開き、燃料タンクに蓄積されている燃料原液を中間タンク５に給送する。一方、中間タンク中のメタノール水溶液の濃度が所定の値より高くなった場合、水回収ポンプ９を駆動させるとともに水バルブ１７を開き、水回収タンク３０に蓄積されている水を中間タンク５に給送する。上記のように制御演算装置６は、燃料タンク１００に貯留されている燃料原液の濃度の情報を検知可能であるため、燃料原液の供給時においては、燃料原液の濃度に応じて燃料バルブ１６及び燃料ポンプ７の動作を制御することが好ましい。中間タンク中の濃度検出器１４により、中間タンク５中の液体燃料の濃度が所定の範囲に収まると、この動作を終了させる。
また、制御演算部６は、中間タンクに設けられている液面検出器１３によって、中間タンク中の液面レベルが所定のレベルより低下した場合は、燃料ポンプ７及び燃料バルブ１６又は水回収ポンプ９及び水バルブ１７を操作して所定の液面レベルとなるように制御する。この液面レベルの制御には、中間タンク中の燃料濃度制御と共に行われることが好ましく、この場合の制御においては、燃料タンク中の燃料原液の濃度の情報により、制御を変化させることが好ましい。
たとえば、燃料電池システム１を長期間使用せずに保管しておいた場合、アノード１０が配置されている中間タンク５の液体燃料の液面が大幅に少なくなったり、蒸発してなくなることが想定される。この状態で燃料電池を起動させると、電解質膜が壊れてしまうため、中間タンク５に液体燃料を充填する必要がある。このとき、水回収タンク３０に希釈用の水が蓄積されていればこれを用いて濃度の調整をすることができるが長期間の保管により水回収タンクの水が蒸発してなくなっている場合もあるため、長期間の放置における液面レベルの調整においては、５ｗｔ％の燃料原液でしか制御できないようにし、他の濃度の燃料タンクを用いている場合には、警告表示を行うようにすることもできる。また、連続使用において、液面レベルがわずかに低下したような場合は、どの濃度の燃料原液によっても調整可能とすることが好ましい。
また、制御演算部は、燃料タンクに貯留されている燃料原液の濃度及び初期収容量の情報から、当該燃料タンクを用いて出力可能な電力量を算出し、当該燃料タンクの残り発電時間及び発電量の演算を行う。
具体的には、制御演算部６は、燃料電池セル３の発電のための反応式に基づいて、燃料原液の濃度と収容量から燃料タンク中に蓄積されているメタノールのモル数を算出し、当該モル数のメタノールから発電可能な電力量を推定して算出する。
また、制御演算部６は、電力量検出器６１によって燃料電池セル３によって実際に出力した電力量の値と時間との情報を対応付けて常時モニターして記憶する。なお、この情報は、燃料タンク１００を燃料電池ユニット２から取り外したときにリセットされる。したがって、制御演算部６は、１つの燃料タンクを用いたとき、当該燃料タンクに貯蔵されている燃料原液によって、電量電池セルが出力した電力量の累積値及び、単位時間あたりに出力された電力量または、単位時間あたりに出力されると想定される電力量の値を算出することができる。
また、制御演算部は、これらの情報から燃料タンク１００が出力可能な残りの電力量と、当該燃料タンクで発電可能な残り時間の推定値を算出することができる。具体的には、出力可能な残りの電力量は、燃料タンク１００内の燃料原液から発電可能な電力量から電量電池セルが出力した電力量の累積値を差し引くことで算出される。また、残り時間の推定値は、算出された出力可能な残りの電力量を単位時間あたりの電力量で割ることにより算出される。なお、単位時間あたりの電力量は、電量電池セルが出力した電力量の累積値の駆動時間に対する商や、瞬間の電力出力値に基づいて単位時間に出力される予想値により求められる。
以上説明したように、第１実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料タンクに設けられた性状情報格納部と、燃料タンク取りつけ時に性状情報格納部に格納された燃料原液の性状に関する情報を読み取る性状情報読取部によって、燃料タンク内の燃料の性状に応じた駆動制御を行うことができる。このことにより、燃料タンクの残量表示の精度を向上させたり、好適な燃料物質収支で駆動させることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。本実施形態に係る燃料電池システム１ａは、第１実施形態に係る燃料電池システム１と共通する構成部分が多いので、相違点を中心に説明する。
燃料電池システム１ａは、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的に電気エネルギーに変換して発電を行なう発電部である燃料電池ユニット２ａと、この発電に必要な燃料等を燃料電池ユニット２ａに供給される燃料原液を貯蔵する燃料タンク１００ａとを備える。燃料タンク１００ａは、燃料電池ユニット２の特定位置に着脱自在に固定され、コネクタ１０３，１８，１０４，１９，１０５，２０とによって、燃料電池ユニット２ａへの燃料原液及び水の供給及びカソードからの水の貯蔵が可能となる。
燃料電池ユニット２は、直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）である燃料電池セル３と中間タンク５及び燃料電池システムの駆動制御を司る制御演算部６を備える。また、燃料電池ユニット２には、その他の構成として、中間タンク５に液体燃料を供給するための補機と、カソード１２に空気を供給するための補機と、カソード１２で生成された排出物を回収するための補機とが設けられている。制御演算部６及び補機の説明については、後述する。
燃料タンク１００ａについて説明する。図６は図５の燃料電池システム１ａに用いられる燃料タンクの構成を示す模式図である。燃料タンク１００ａは、図６に示すように、容器本体１０１、燃料部１３０、加圧部１２０、放熱管１０６、仕切り板１０７、燃料電池ユニットの各種配管と脱着可能に接続するためのコネクタ１０３、１０４、１０５燃料濃度および収容量の情報を制御演算部に伝達するための性状情報格納部１０２ａを備える。
容器本体１０１は加圧部へかかる圧力で破損しない強度があり、水や液体燃料の漏れがない材料であれば特には限定されないが、例えば、ポリエチレンテレフタレートやポリカーボネート、テフロン(登録商標)などの高分子樹脂類やガラスや、アルミニウム、ステンレスといった金属類が使用できる。但し、仕切り板１０７に付された磁石１０８からの磁界を容器外部にまで到達させるために、非磁性体であることが必要である。これらの条件より、特に、高分子樹脂類はその軽量性や強度の点から好適である。
容器本体には、加圧部に蓄積される排出物取込口、加圧部に蓄積された水を給送する水給送口、燃料部に貯留された燃料を給送する燃料給送口、加圧部内の高圧ガスを排出するためのガス排出口などが設けられている。排出物取込口はコネクタ１０４に、水給送口はコネクタ１０５に、燃料給送口はコネクタ１０３にそれぞれ設けられる。また、ガス排出口は、加圧部に設けられた開口であり、ガス排出口に接続された配管に圧力調整弁１０９が設けられる。圧力調整弁１０９は、加圧部内の圧力が過大になりすぎた場合にこれを調整するための部材であり、予め設定された所定値を超えて加圧部ないが高圧になった場合は、自動的に開放して加圧部内の圧力を低下させる。
燃料タンクは、以下に説明するように、蓄積される燃料原液の濃度及び収容量について種々の種類のものがあり、性状情報格納部１０２ａは、この燃料原液の性状に関する情報を制御演算部６に伝達するためのものである。
燃料タンクは、容器本体１０１の内部が、仕切り板１０７によって区画され、上側に加圧部１２０、下側に燃料部１３０が形成される。仕切り板１０７は、図６において上下方向に平行移動可能に設けられており、仕切り板１０７の位置が変わることによって、加圧部１２０及び燃料部１３０の体積が変動する。
燃料部１３０には燃料原液が貯留されている。燃料原液としては、メタノールやエタノール、ジメチルエーテル及びこれらの水溶液などが使用可能であるが、本実施形態ではメタノールを用いている。
加圧部１２０は使用初期には、水が貯蔵されている。加圧部１２０の燃料タンク内の占有率は少ないほうが好ましく、具体的には２０％以下が好ましい。占有率が２０％を超えると、燃料タンク内の初期燃料占有率が減少するため、燃料の貯蔵量が減少する。
仕切り板１０７は燃料部１３０と加圧部１２０を分割するためのものであり、水や液体燃料の透過性が低いものが使用される。材料としては例えば、ポリエチレンテレフタレートやポリカーボネート、テフロン(登録商標)などの高分子樹脂類やガラスや、アルミニウム、ステンレスといった金属類が使用できる。仕切り板の板厚は薄いほうが燃料タンクの初期燃料占有率が向上するため好ましいが、薄すぎると燃料部１３０内の燃料を吐出するだけの圧力に対して、加圧時の強度が不足するおそれがある。そのため、当該燃料タンクが用いられる燃料電池システムの設計などによって、仕切り板の使用材料や形状などの構成を異ならせる。仕切り板１０７は、仕切り板１０７と容器本体１０１との間の密閉性の向上のため、仕切り板本体１２ａの周縁に、ゴム性のパッキン１２ｂを備える。
仕切り板１０７は、容器本体１０１内を上限位置から下限位置まで平行に移動する。仕切り板１０７が上限位置にあるときは、燃料部１３０に燃料が最大量蓄積されている状態であり、その位置は、水を吐出する水給送口の下側直近であり、放熱管１０６の下端よりも下側である。また、仕切り板１０７が下限位置に位置したときは、燃料タンクの取り替え時期を示す状態であり、その位置は容器の最下端又は最下端近傍である。
排出物取込口が設けられているコネクタ１０４は、燃料電池セル３のカソードと排出物供給管７４によって脱着可能に連結され、カソード１２から排出される水及び空気を含む排出物を矢印５６に示すように加圧部１２０に取り込む。カソード１２からの排出物の温度は、概ね６０〜８０℃であり、水、水蒸気、空気などを含んでいる。排出物取込口には、放熱管１０６が連結されており、カソードからの排出物が当該放熱管１０６を通る間に凝固して、水と空気が分離される。なお、加圧部１２０に水が蓄積している場合は、当該水は、放熱管１０６の冷媒として機能し、より短時間で水と空気を分離する。
圧力調整弁１０９はガス排出口１０９に連結する配管に設けられ、加圧部１２０の圧力がある一定以上に達した場合圧力を自動的に調整減圧するものである。圧力調整弁１０９はポリエチレンやポリプロピレンといった高分子樹脂類や、アルミニウムやステンレスといった金属類が使用できる。ガス排出口１０９には、気液分離膜（図示なし）が配設されており、圧力調整弁から水等が漏出することを防止する。気液分離膜の材料としては、例えば、フッ素系ＦＥＰ樹脂等が挙げられ、その厚さは通常１０〜１０００ミクロン程度である。
水給送口が設けられているコネクタ１０５は、燃料電池ユニット２ａの中間タンク５に接続する配管７２にコネクタ２０を介して脱着可能に接続しており、矢印５３に示すように加圧部１２０に蓄積された水を中間タンク５に供給する。水給送口を通って燃料電池セル３に供給される水の量を制御するために、後述のように、加圧部１２０とアノード１０とを接続する配管７２に水バルブ１７が設けられている。
燃料給送口が設けられているコネクタ１０３は、図６に示すように、燃料タンク１００ａの底部近傍に配置され、コネクタ１８を介して燃料供給管７１の一端と脱着可能に接続する。なお、図５では、コネクタ１０３は燃料タンク１００ａの底部以外の場所に記載しているが、これは説明の便宜のためであって位置を特定するものではない。これにより燃料部１３０に収容されている燃料原液を矢印５１に示すように燃料供給管７１を通して中間タンク５に給送することができる。このときの燃料原液の給送のための推力は、後述するように、加圧部１２０内の圧力が高くなることによって発生する仕切り板１０７の燃料部１３０方向への付勢力である。
燃料タンクは、以下に説明するように、蓄積される燃料原液の濃度及び収容量について種々の種類のものがあり、性状情報格納部１０２ａは、この燃料原液の性状に関する情報を制御演算部６に伝達するためのものである。
燃料タンクは、貯蔵される燃料原液を、燃料電池セル３が発電に用いる液体燃料よりも高濃度のものとすることにより、１つの燃料タンクで長時間にわたる連続的な発電を可能とするとともに燃料タンクの小型化を図ることができる。高濃度の液体燃料を用いると燃料電池セル３においてクロスオーバーなどの問題が発生するため、水回収タンクからの水で希釈する必要があり、当該水回収タンクに水がない場合、あるいは、中間タンクに液体燃料がないような初期起動時又は長期間保管後の起動時には、この高濃度の燃料原液を希釈して発電に用いる液体燃料の濃度とすることが困難であるため、薄い濃度の燃料タンクを用いる場合がある。
このような事情より、本実施形態にかかる燃料電池システムにおいては、燃料タンクに貯留される燃料原液の濃度を５、６０、８０、１００重量％のものを必要に応じて用いることとしている。また、使用開始時における燃料タンクの燃料収容量も、５０、１００、１５０、２００ｍｌとし、使用者が適宜選択できるようにしている。
次に、燃料電池システム１の補機系について説明する。図１に示すように、燃料供給のための補機としては、燃料タンク１００と中間タンク５とを接続する燃料供給管７１と、燃料供給管７１の途中に設けられた燃料バルブ１６とを備える。燃料タンク１００に蓄積されている燃料原液の供給のための推力を与える燃料供給ポンプは後述するように、本実施形態においては設けられていない。
燃料供給管７１の途中に設けられている燃料バルブ１６は、電磁弁で構成されており、制御演算部６の制御を受けてその開度の調整がなされる。本実施形態にかかる燃料電池システムでは、燃料供給のための補機に燃料ポンプが設けられておらず、燃料原液供給のための推力は燃料タンクの燃料部１３０内の圧力であり、燃料供給管７１内の燃料原液の給送量は燃料バルブ１６の開度調整によってのみ行われる。
制御演算部６により燃料バルブ１６が開放されると、燃料タンク１００ａの燃料部１３０中の燃料原液が、矢印５１に示すように燃料供給管７１を通って中間タンクの原液供給口２７から中間タンク５に給送される。この燃料原液の給送のための推力は、上述のように、燃料タンクの加圧部に蓄積されている排出物によって仕切り板１０７が燃料部１３０側へ付勢される場合の付勢力である。発電停止の際には、燃料バルブ１６が締められることにより燃料の供給も停止される。
上記空気供給の補機としては、カソード１２の空気供給口２２にその一端が接続された空気供給管７３と、空気供給管７３の途中に配置され、空気供給管７３を通して、空気をカソード１２内に供給する空気ポンプ８とを備える。空気ポンプ８も制御演算部６によって駆動制御され、例えば、燃料電池セル３にて発電が行なわれる際には空気ポンプ８が駆動されてカソード１２内に必要な酸素が供給され、当該発電が停止されるときには空気ポンプ８の駆動が停止される。
水を回収するための補機としては、カソード１２の排出口２３と燃料タンクの加圧部１２０とを接続し、カソード１２にて生成された水及び空気を含む排出物を加圧部１２０に供給して回収させる排出物給送管７４と、加圧部１２０と中間タンク５の水供給口２６とを接続し加圧部１２０に蓄積されている水を中間タンク５に供給する水給送管７２と、水給送管７２を通る水の量を調整する水バルブ１７とが設けられている。
排出物給送管７４における排出物の流通の推力は、空気ポンプ８の駆動によるカソード１２内の加圧であり、カソード１２内で生成された排出物が排出口２３を通して排出物給送管７４内に送り出されることにより行なわれる。矢印５６に示すように、排出物給送管７４を通って燃料タンク１００ａの加圧部１２０に給送され、水が加圧部１２０内に蓄積される一方、空気は、気液分離膜を備えたガス排出口から水と分離されて外部に排出される。水給送管７２に設けられている水バルブ１７は電磁弁で構成されており、制御演算装置６により駆動制御されている。制御演算部６は必要がある場合にこれらを駆動させ、矢印５３に示すように燃料タンクの加圧部１２０内の水を中間タンク５に供給する。水を回収するための補機には水ポンプが設けられておらず、水を中間タンクに供給のための推力は燃料タンクの加圧部１２０内の圧力であり、水給送管７２を通る水の給送量は水バルブ１７の開度調整によってのみ行われる。
次に制御演算部６について説明する。図５に示すように、燃料電池システムの燃料電池ユニットには、夫々の装置や構成機器の動作を制御する制御演算部６が備えられている。制御演算部６は、これらの制御を適切に行うため、燃料電池システムの各種状態を測定するための各種検出器から信号を受けることができるように構成されている。各種検出器としては、中間タンク５に蓄積されている液体燃料であるメタノール水溶液の液面レベルを検出する液面検出器１３、中間タンク５に蓄積されている液体燃料であるメタノール水溶液の濃度を検出する濃度検出器１４、燃料タンク１００に蓄積されている燃料原液の性状を検出する性状情報読取装置２９ａ、燃料電池システム１によって発電されている電力量を検出する電力量検出器６１、燃料タンクの仕切り板１０７に設けられている磁石１０８の位置を検出し仕切り板１０７の位置を測定するホール素子２１が該当する。
ホール素子２１は、燃料タンク取りつけ時において燃料タンクの磁石１０８と対向する位置に設けられており、当該磁石１０８から発せられる磁界を非接触で検出して、磁石の位置を検出し、制御演算部６にその情報を送信する。制御演算部６は、仕切り板１０７がどの位置にあるかによって、燃料タンク１０内の燃料残量を演算する。
制御演算装置６は、燃料電池システム１について、空気ポンプ８による空気の供給動作、燃料ポンプ７による燃料供給動作、水回収ポンプ９による水回収動作、水バルブ１７、燃料バルブ１６、排気弁１５の開度調整動作等の夫々の動作制御に加えて、仕切り板１０７の位置から燃料タンクに蓄積されている燃料原液の残量を算出し、これらを互いに関連付けながら、後述する物質収支が成立するように統括的に制御する。
燃料タンクの使用開始時に貯留されている燃料原液とその収容量の情報は、燃料タンク１００の性状情報格納部１０２ａの情報を、性状情報読取装置２９ａが読取ることによって行う。
性状情報読取装置２９ａは、燃料タンク１００ａの性状情報格納部１０２ａと対向するような位置に設けられており、図８に示すように、４つの読取側端子を備えるユニットである。４つの読取側端子は、電源電圧Ｖ０の一方端に接続された第１端子ｔ１〜ｔ３と、電源電圧Ｖ０の他方端に接続された第２端子ｔ４とを備える。図１０の回路図に示すように、第１の端子ｔ１〜ｔ３は、それぞれ電源電圧の一方の端子に同じ抵抗値を有する抵抗Ｒ０と直列に接続された直列回路をそれぞれ並列に接続した構成である。これらの直列回路には、それぞれ電圧計Ｖ１〜Ｖ３が設けられており、直列回路の電圧値を測定する。読取り側端子の先端部はバネで支えられて伸縮可能になっている。このため、性状情報格納部１０２ａとの接触時に先端が変形して適度な力で接触可能である。
燃料タンク１００ａの性状情報格納部１０２ａは、図７に示すように、非導電体の板状体１５０と燃料タンク１００ａ取り付け時に性状情報読取装置２９ａの対向面の読取側端子と対向する位置に設けられた格納側端子１４１〜１４４を備えている。格納側端子１４１〜１４３は、板状体１５０の内部で抵抗Ｒ１からＲ３と直列に連結され、格納側端子１４１〜１４４はそれぞれ互いに電気的に接続される。抵抗Ｒ１からＲ３は、燃料タンクの燃料部に使用開始時に貯留される燃料の性状に応じて適宜固有の値を持つように構成されている。
燃料タンクの取りつけ時は、図９に示すように、燃料タンク１００ａの性状情報格納部１０２ａの格納側端子１４１〜１４４と燃料電池ユニットの性状情報読取部２９ａの読み取り側端子ｔ１〜ｔ４がそれぞれ対応して接続する。このときの回路図を図１０に示す。それぞれの読取り側端子ｔ１〜ｔ４において、性状情報格納部側は、ｔ１とｔ４の端子を抵抗Ｒ１で、ｔ２とｔ４の端子を抵抗Ｒ２で、ｔ３とｔ４の端子を抵抗Ｒ３で接続している。性状情報読取部の読取り側端子は、例えば所定の電圧Ｖ０と抵抗Ｒ０を介して端子ｔ１、ｔ２、ｔ３にそれぞれ接続されており、端子４はグランドに設置されているため、読取り側端子ｔ１、ｔ２、ｔ３の電圧を電圧計Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３によって測定することにより、伝達部側の抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の値を求めることができる。
本実施形態においては、上述のように、燃料原液の濃度として５、６０、８０、１００重量％のものがあり、収容量として、５０、１００、１５０、２００ｍｌのものがあるため、これらの燃料タンクの燃料原液の性状を抵抗Ｒ１〜Ｒ３の値によって判別可能としている。
具体的には、抵抗Ｒ１は、燃料タンクの種類を示す情報を検出するために用いられ、抵抗Ｒ２は燃料原液の濃度を検出するために用いられ、抵抗Ｒ３は燃料原液の収容量を検出するために用いられる。各抵抗の値及び検出結果は、一例として次の表２に示すように設定される。この燃料原液の性状に関する情報は制御演算部６が燃料電池システムを制御するときに利用される。
Figure 2005243353
制御演算部６が行う制御動作の例について説明する。制御演算装置６は、燃料電池システム１の発電を行なう場合には、制御演算装置６は、空気ポンプ８を駆動して矢印５５に示すようにカソード１２に空気を供給する。燃料電池セル３のアノード１０は、中間タンク５に貯蔵されている液体燃料に浸漬されているため、アノード１０の燃料供給口２４から取り込まれ、排出口２５から排出される。
制御演算部６は、中間タンクに設けられている濃度検出器１４によって、所定の濃度よりも薄くなった場合及び濃くなった場合は、燃料ポンプ７及び燃料バルブ１６又は水回収ポンプ９及び水バルブを操作して所定の濃度となるように制御する。具体的には、中間タンク中のメタノール水溶液の濃度が所定の値より低くなった場合、燃料バルブ１６を開き、燃料タンクに蓄積されている燃料原液を中間タンク５に給送する。一方、中間タンク中のメタノール水溶液の濃度が所定の値より高くなった場合、水バルブ１７を開き、水回収タンク３０に蓄積されている水を中間タンク５に給送する。上記のように制御演算部６は、燃料タンク１００に貯留されている燃料原液の濃度の情報を検知可能であるため、燃料原液の供給時においては、燃料原液の濃度に応じて燃料バルブ１６の動作を制御することが好ましい。中間タンク中の濃度検出器１４により、中間タンク５中の液体燃料の濃度が所定の範囲に収まると、この動作を終了させる。
また、制御演算部６は、中間タンクに設けられている液面検出器１３によって、中間タンク中の液面レベルが所定のレベルより低下した場合は、燃料バルブ１６又は水バルブ１７を操作して所定の液面レベルとなるように制御する。この液面レベルの制御には、中間タンク中の燃料濃度制御と共に行われることが好ましく、この場合の制御においては、燃料タンク中の燃料原液の濃度の情報により、制御を変化させることが好ましい。
たとえば、燃料電池システム１ａを長期間使用せずに保管しておいた場合、アノード１０が配置されている中間タンク５の液体燃料の液面が大幅に少なくなったり、蒸発してなくなることが想定される。この状態で燃料電池を起動させると、電解質膜が壊れてしまうため、中間タンク５に液体燃料を充填する必要がある。このとき、加圧部１２０に希釈用の水が蓄積されていればこれを用いて濃度の調整をすることができるが使用初期においては、加圧部に水が貯留されていないため、長期間の放置における液面レベルの調整においては、５ｗｔ％の燃料原液でしか制御できないようにし、他の濃度の燃料タンクを用いている場合には、警告表示を行うようにすることもできる。また、連続使用において、液面レベルがわずかに低下したような場合は、どの濃度の燃料原液によっても調整可能とすることが好ましい。
中間タンク補給用燃料である５ｗｔ％の燃料原液を蓄積した燃料タンクにおいては、中間タンク５に燃料を送る場合、外部回路６０の接続を切り離した状態で空気ポンプを作動させ、空気の圧力で仕切り板を付勢し燃料を中間タンクへ供給する。この場合、電極に電荷は貯まるが、負荷を取っていないため、中間タンクへ燃料を補給する間の空気ポンプ作動は問題ない。また、空気ポンプを作動させないで燃料を中間タンクへ供給する方法として、予め中間タンク補給用の燃料タンクの加圧部に高圧ガスを注入しておき、燃料電池ユニットとの取りつけ時に当該高圧ガスによって燃料原液が中間タンクに送られるようにしておくこともできる。
また、制御演算部は、燃料タンクに貯留されている燃料原液の濃度及び初期収容量の情報から、当該燃料タンクを用いて出力可能な電力量を算出し、当該燃料タンクの残り発電時間及び発電量の演算を行う。
具体的には、制御演算部６は、燃料電池セル３の発電のための反応式に基づいて、燃料原液の濃度と収容量から燃料タンク中に蓄積されているメタノールのモル数を算出し、当該モル数のメタノールから発電可能な電力量を推定して算出する。
また、制御演算部６は、電力量検出器６１によって燃料電池セル３によって実際に出力した電力量の値と時間との情報を対応付けて常時モニターして記憶する。また、ホール素子２１によって検出された仕切り板１０７の位置によって燃料部１３０２蓄積されている燃料原液の量を計測する。なお、これらの情報は、燃料タンク１００を燃料電池ユニット２から取り外したときにリセットされる。したがって、制御演算部６は、１つの燃料タンクを用いたとき、当該燃料タンクに貯蔵されている燃料原液によって、電量電池セルが出力した電力量の累積値及び、単位時間あたりに出力された電力量または、単位時間あたりに出力されると想定される電力量の値、燃料タンク内の燃料原液残量を算出することができる。
また、制御演算部は、これらの情報から燃料タンク１００が出力可能な残りの電力量と、当該燃料タンクで発電可能な残り時間の推定値を算出することができる。具体的には、出力可能な残りの電力量は、燃料タンク１００内の燃料原液の残量から計算されるモル数に基づいて算出される。また、残り時間の推定値は、算出された出力可能な残りの電力量を単位時間あたりの電力量で割ることにより算出される。なお、単位時間あたりの電力量は、電量電池セルが出力した電力量の累積値の駆動時間に対する商や、瞬間の電力出力値に基づいて単位時間に出力される予想値により求められる。
以上説明したように、第２実施形態の燃料電池システム１ａは、上記第１実施形態と同様に、燃料タンクに設けられた性状情報格納部と、燃料タンク取りつけ時に性状情報格納部に格納された燃料原液の性状に関する情報を読み取る性状情報読取部によって、燃料タンク内の燃料の性状に応じた駆動制御を行うことができる。
また、第２実施形態にかかる燃料電池システムは、カソードから精製した水を外部に排出することなく燃料タンクに蓄積し、燃料及び燃料希釈用の水の給送に利用するため、これらを給送するためのポンプを必要としない。したがって、補機によって消費される電力が少なくて済み、燃料電池システムの出力効率を向上させることができる。また、燃料電池の残量を簡単に算出することができ、燃料タンクの交換時期などを電子機器の利用者に通知することができる。
したがって、燃料電池システムの補機を少なくできるため、小型で、水分の外部放出がないため、携帯電子機器などに好適に用いることができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。例えば、性状情報格納部及び性状情報読取部のスイッチは４つに限られる物ではなく、制御演算部（又は制御演算装置）に伝達したい所望の燃料原液の性状に応じて適宜設計すればよい。
また、性状情報読取部が燃料原液の性状を直接読取るのではなく、例えば、燃料原液の性状に基づいて燃料タンクの種類を特定させるような場合は、燃料タンクの種類を性状情報読取部が読取るようにし、制御演算部に予め格納されている当該種類の燃料タンク（通常発電時、中間タンク補充用燃料タンクなど）及び燃料原液に関する情報（濃度、収容量など）に基づいて駆動制御を行うようにしてもよい。
なお、実施の形態において、性状情報格納部と性状情報読取部の構成が、穴形状の有無とプッシュスイッチの組み合わせ、抵抗と電圧測定による組み合わせの例に付いて示したが、これに限定されるものではない。他の例としては、性状情報格納部に高反射材料または反射しにくい材料の配置をすることと、性状情報読取部に光電センサーを配置することの組み合わせで構成され、光電センサーで発光した光が受光できるかどうかを判別する方法や、性状情報格納部に永久磁石の有無と性状情報読取部にホール素子やＭＲ素子などの磁気センサーを配置することの組み合わせで構成され、磁界の有無を判別する方法や、性状情報格納部に接触式または非接触式のＩＣチップ配置することと、性状情報読取部にＩＣチップ読取装置を配置することによって判別する方法等を例示することができる。
また、燃料タンクの仕切り板に付された仕切り板の位置を検出する位置検出手段は、磁石とホール素子の組み合わせではなく、その他非接触によりその位置検出ができるものであればよい。
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 図１の燃料電池システムに用いられる燃料タンクの性状情報格納部の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 図１の燃料電池システムに用いられる燃料電池ユニットの性状情報読取部の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 図２の性状情報格納部及び図３の性状情報読取部連結時の状態を示す側面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 図８の燃料電池システムに用いられる燃料電池本体の概略構成を示す図である。 図５の燃料電池システムに用いられる燃料タンクの性状情報格納部の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 図５の燃料電池システムに用いられる燃料電池ユニットの性状情報読取部の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 図７の性状情報格納部及び図８の性状情報読取部連結時の状態を示す側面図である。 図９の回路図である。
符号の説明
１，１ａ 燃料電池システム
２，２ａ 燃料電池ユニット
３ 燃料電池セル
５ 中間タンク
６ 制御演算部、制御演算装置
７ 燃料ポンプ
８ 空気ポンプ
９ 水回収ポンプ
１６ 燃料バルブ
１７ 水バルブ
２１ ホール素子
２９，２９ａ 性状情報読取部
７１ 燃料供給管
７２ 水給送管
７３ 空気供給管
７４ 排出物供給管
１００，１００ａ 燃料タンク
１０２，１０２ａ 性状情報格納部
１０６ 放熱管
１０７ 仕切り板
１０８ 磁石
１２０ 加圧部
１３０ 燃料部
１１，３１ 容器本体
１２，３２ 仕切り板
１０８ 磁石

Claims (12)

  1. 発電に用いる燃料原液を貯留する燃料タンク（１００，１００ａ）と、
    燃料タンクと連通し前記燃料タンクに貯留された燃料原液の供給を受け、発電に用いる液体燃料を内部に貯留する容器形状の中間タンク（５）と、前記中間タンクに貯留された前記液体燃料にアノード側を浸漬して配置され前記液体燃料の供給を受けて発電する燃料電池セル（３）とを備える燃料電池ユニット（２，２ａ）と、
    前記燃料タンクと前記燃料電池ユニットとを着脱自在に保持する保持部材（１８，１９，２０，１０３，１０４，１０５）と、
    を有する燃料電池システムであって、
    前記燃料タンク（１００，１００ａ）に設けられ前記燃料タンクの内部に貯留される燃料原液の性状についての情報を格納する性状情報格納部（１０２，１０２ａ）と、
    前記燃料タンクの連結時に前記性状情報格納部に格納された前記燃料タンク中の燃料原液の性状に関する情報を取得する性状情報読取部（２９，２９ａ）と、
    前記性状情報読取部によって取得された前記燃料原液の性状の情報に基づいて、燃料電池システムの前記中間タンクに関連する駆動制御を行う制御演算部（６）とを備えることを特徴とする、燃料電池システム。
  2. 前記性状情報読取部（２９）は、操作片（４４）を押圧されることによりオンオフの切り変えが行われるスイッチ素子（ｓ１〜ｓ４）を備えたユニットで構成され、
    前記性状情報格納部（１０２）は、前記スイッチ素子の操作片に対応する位置であって、前記燃料タンク中の燃料原液の性状に応じて異なる位置に複数の押圧部（ｈ１〜ｈ４）を備えた板状体で構成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記スイッチ素子（ｓ１〜ｓ４）は、突出片（４４）を押下されることによりオンオフの切替が行われる複数のスイッチ素子であって、
    前記性状情報格納部（１０２）は、前記スイッチ素子の突出片（４４）に対応する位置であって、前記燃料タンク（１００）中の燃料原液の性状に応じて異なる位置に複数の凹部（ｈ１〜ｈ４）を備えた板状体で構成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記性状情報読取部（２９ａ）は、電源電圧の一方端に接続された第１端子（ｔ１〜ｔ３）と、電源電圧の他方端に接続された第２端子（ｔ４）とを備え、
    前記性状情報格納部（１０２ａ）は、前記性状情報読取部の前記第１端子に対応する位置に設けられた第３端子（１４１〜１４３）と前記性状情報読取部の前記第２端子に対応する位置に設けられ前記第３端子と抵抗（Ｒ１〜Ｒ３）を介して接続された第４端子（１４４）とを備え、前記燃料タンク中の燃料原液の性状に応じて前記抵抗（Ｒ１〜Ｒ３）の値が異なることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 前記第１端子（ｔ１〜ｔ３）及び第３端子（１４１〜１４３）は複数設けられることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記性状情報格納部（１０２，１０２ａ）に格納された燃料原液の性状の情報は、前記燃料原液の濃度と前記燃料タンクの初期状態における燃料原液の収容量に関する情報であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つ記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御演算部（６）は、前記性状情報読取部（２９，２９ａ）によって取得された燃料原液の収容量及び燃料原液の濃度の情報に基づいて、前記燃料タンクを用いて発電可能な電力量を算出することを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. さらに、燃料電池セル（３）によって発電された電力量の累計情報を検出する発電電力検出手段（６１）を有し、
    前記制御演算部（６）は、前記発電電力検出手段によって検出された燃料電池セルの電力量の累計情報に基づいて、当該燃料タンクの残りの燃料原液で発電可能な残りの電力量を算出することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料タンク（１００ａ）が、その内部を燃料原液を貯蔵する燃料部（１３０）と前記燃電池セルのカソードで生成された水を含む排出物を取り込んで蓄積する加圧部（１２０）とに区画する移動可能に配設された仕切り板（１０７）を備え、前記加圧部に蓄積された前記排出物によって、前記仕切り板が前記燃料部側へ移動して、前記燃料部を加圧することによって燃料原液を吐出するように構成され、
    前記仕切り板（１０７）の位置を検出する位置検出手段（２１，１０８）をさらに有し、
    前記制御演算部（６）は、前記位置検出手段（２１、１０８）によって検出された前記仕切り板の位置に関する情報から算出される前記燃料タンクに収容されている燃料原液の量及びに基づいて、前記性状情報読取部によって取得された前記燃料原液の濃度の情報に基づいて前記燃料タンクの残りの燃料原液で発電可能な電力量を算出することを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
  10. 前記位置検出手段（２１，１０８）は、前記仕切り板の位置を前記燃料タンクと非接触で検出可能な装置により構成されていることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記位置検出手段（２１）は、前記仕切り板に設けられた磁石（１０８）と、
    前記燃料電池ユニット（２ａ）に設けられ、前記磁石から発せられ前記燃料タンクの外壁を透過した磁界を検出して前記磁石の位置を検出する検出器（２１）とで構成されている請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 前記燃料電池セル（３）から出力された電力量に基づいて単位時間あたりに出力された電力量をする消費電力量算出手段（６）と、
    前記制御演算部によって算出された発電できる電力量と前記消費電力量算出手段（６）によって算出された単位時間あたりの消費電力量と前記燃料タンクの残りの燃料原液で発電可能な電力量の情報に基づいて、前記燃料タンクが発電可能な残り時間の情報を算出することを特徴とする、請求項８から１０のいずれか１つの燃料電池システム。
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