JP2006147486A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高濃度燃料液を希釈液で希釈した燃料液を用いる燃料電池を利用した燃料電池システムであって、負荷側装置の動作状態に応じて燃料を、燃料電池性能の低下や破損を抑制しつつ節約できるとともに、該燃料節約時においても燃料電池出力を一定電圧以上に維持できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】負荷側装置ＬＤの正規動作停止による低負荷状態においては、燃料電池１をアイドリング動作させる。アイドリング動作時には、発電モードを間欠モード或いは低電圧発電モードとし、かつ、燃料電池出力を一定電圧（電圧Ｖｓ又はそれより若干低い電圧）以上に維持するように、燃料液供給のためのポンプＭＰ１、ＭＰ２の動作を制御する。【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システム、特にダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)に代表される、高濃度燃料液を水などの希釈液で希釈した燃料液を用いる燃料電池を利用する燃料電池システムに関する。

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。

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、各種携帯端末（ＰＤＨ）機器等）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。

ＤＭＦＣ型燃料電池を採用した燃料電池システムは燃料供給の方法により二つのタイプに分類される。一つはアクティブ型と呼ばれるもので、電池への燃料供給をポンプにより行うタイプであり、もう一つはパッシブ型と呼ばれるもので、ポンプを用いずに毛細管力等により燃料を供給するタイプである。

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⁺
空気極（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

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。

ところで燃料電池システムは、発電機として機能するので、負荷側の装置の動作状態に対応して電気エネルギーの発生量を調整することが要求される。具体的には負荷側の装置が動作モードであり電力消費が大きい場合は、燃料電池システムの電気エネルギーの発生量を多くし、非動作モードのときは発生量を低く抑え、燃料の消費を抑えることが好ましい。

この点、特開２００２−２３７３２１号公報には、複数の燃料電池（発電部本体）を採用し、負荷側装置の駆動状態あるいは動作状態に応じて、該複数の燃料電池のうち所定数のものを動作させることが記載されている。

特開２００２−２３７３２１号公報

しかしながら、燃料電池の数を一つ或いは複数とし、負荷側装置の動作状態に応じて、単純に該燃料電池への燃料供給を停止する、再開するというだけでは、次のような問題が生じる。

すなわち、その利点故にＤＭＦＣのような燃料電池を採用する場合、負荷側の装置が非動作モード時において燃料電池への燃料の供給停止が長びくと、燃料電池の出力電圧は徐々に低下していき、負荷側の装置内に、例えば閾値電圧以上の電圧のもとで記録データを保存できるメモリがあり、装置の非動作モードにおいてもそのデータを保存しなければならないような場合に、該データを保存できなくなる。

また、ＤＭＦＣのような燃料電池〔例えば、アノード、カソード及びそれらの間の電解質膜から形成される所謂膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly)〕の場合、燃料電池への燃料供給停止時間が長びくと、該燃料電池が乾燥してその性能が劣化したり、破損に到るという問題がある。

そこで本発明は、高濃度燃料液を希釈液で希釈した燃料液を用いる燃料電池を利用した燃料電池システムであって、負荷側装置の動作状態に応じて燃料を、燃料電池性能の低下や破損を抑制しつつ節約できるとともに、該燃料節約時においても燃料電池出力を一定電圧以上に維持できる燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明はかかる課題を解決するため、次の二つのタイプの燃料電池システムを提供する。
（１）第１の燃料電池システム
高濃度燃料液を希釈液で希釈した燃料液を用いる燃料電池と、
前記燃料液を供給するための少なくとも高濃度燃料液供給用の第１ポンプ及び希釈液供給用の第２ポンプを含む燃料供給部と、
前記各ポンプを駆動するためのポンプ駆動回路部と、
前記ポンプ駆動回路部を制御するための制御回路部と、
前記燃料電池に接続される負荷側装置による負荷の状態を検知して前記制御回路部に通知するための信号を発生させる検知部とを備えており、
前記制御回路部は、前記検知部から前記負荷側装置の正規動作停止による低負荷状態であることを示す信号入力があると、前記ポンプ駆動回路部を制御して、前記燃料電池がアイドリング動作するように前記第１、第２のポンプを動作させる燃料電池システム。

（２）第２の燃料電池システム
高濃度燃料液を希釈液で希釈した燃料液を用いる燃料電池と、
前記燃料液を供給するための少なくとも高濃度燃料液供給用の第１ポンプ及び希釈液供給用の第２ポンプを含む燃料供給部と、
前記各ポンプを駆動するためのポンプ駆動回路部と、
前記ポンプ駆動回路部を制御するための制御回路部と、
前記ポンプ駆動回路部にポンプ駆動用電圧を供給するためのDC・DCコンバータと、
前記DC・DCコンバータの入力端子に接続されるバッテリと、
前記燃料電池に接続される負荷側装置による負荷の状態を検知して前記制御回路部に通知するための信号を発生させる検知部と、
前記燃料電池の出力端子に接続された、前記バッテリを充電するための充電器と、
前記バッテリの出力端子の接続を前記充電器又は前記DC・DCコンバータ入力端子に切り替えるための第１スイッチ部と、
前記DC・DCコンバータ入力端子と前記燃料電池の出力端子間を導通又は非導通にさせるための第２スイッチ部とを備えており、
前記制御回路部は、前記検知部から前記負荷側装置の正規動作停止による低負荷状態であることを示す信号入力があると、
前記第１スイッチ部を前記充電器によって前記バッテリが充電される状態に設定するとともに、前記第２スイッチ部を前記DC・DCコンバータと前記燃料電池出力端子とが導通する状態に設定し、該バッテリの充電完了後は、該第１スイッチ部を該バッテリが該DC・DCコンバータ入力端子に接続される状態に設定するとともに、該第２スイッチ部を該DC・DCコンバータと該燃料電池出力端子とが非導通となる状態に設定し、さらに、前記ポンプ駆動回路部を制御して、前記燃料電池がアイドリング動作するように前記第１、第２のポンプを動作させる燃料電池システム。

第１、第２の燃料電池システムにおいて、「高濃度燃料液」としては、メタノール、高濃度メタノール水溶液を例示できる。
また、「負荷側装置の正規動作」とは、該負荷側装置がそれに求められている本来の機能を発揮している動作状態を指している。例えば、負荷側装置がパーソナルコンピュータである場合、それがコンピュータとして動作している状態を指しており、所謂コンピュータの電源オフによりもはやコンピュータとして動作しない非動作状態において、内蔵されているメモリが一定電圧のもとに記録データを保持する状態などは、ここに言う「正規動作」を指すものではない。

第１、第２のいずれの燃料電池システムにおいても、バッテリからDC・DCコンバータを介してポンプ駆動回路部にポンプ運転のための電力を供給でき、ポンプ駆動回路部は制御回路部からの指示に従って第１、第２のポンプを運転することができる。

負荷側装置を正規動作させるべきときには、第１ポンプにより高濃度燃料液が、第２ポンプにより希釈液が供給されるとともに、これらが混合されて希釈された燃料液が燃料電池に供給されることで燃料電池が発電し、この電力が負荷側装置の正規動作に供される。

(1) 負荷側装置の正規動作停止時の第１燃料電池システムの動作
第１燃料電池システムにおいては、負荷側装置の正規動作停止時には、該正規動作停止が前記検知部において検出され、検知部は正規動作停止による負荷側装置の低負荷状態を示す信号を制御回路部に入力する。制御回路部は検知部からの該入力信号に基づいてポンプ駆動回路部を制御して、燃料電池が、後述するアイドリング動作をするように第１、第２のポンプの動作を制御する。

(2) 負荷側装置の正規動作停止時の第２燃料電池システムの動作
第２燃料電池システムにおいては、負荷側装置の正規動作停止時には、該正規動作停止が前記検知部において検出され、検知部は正規動作停止による負荷側装置の低負荷状態を示す信号を制御回路部に入力する。制御回路部は検知部からの該入力信号に基づいて、前記第１スイッチ部を前記充電器によって前記バッテリが充電される状態に設定するとともに、前記第２スイッチ部を前記DC・DCコンバータと燃料電池出力端子とが導通する状態に設定する。すなわち、この段階では、燃料電池がDC・DCコンバータを介してポンプ駆動回路部にポンプ駆動のための電力を供給するとともに充電器にバッテリ充電のための電力を供給する。

制御回路部はさらに、バッテリの充電完了後は、第１スイッチ部をバッテリがDC・DCコンバータ入力端子に接続される状態に設定するとともに、第２スイッチ部をDC・DCコンバータと燃料電池出力端子とが非導通となる状態に設定し、ポンプ駆動回路部を制御して、燃料電池がアイドリング動作するように第１、第２のポンプの動作を制御する。すなわち、第２燃料電池システムにおいては、バッテリ充電後に、該充電されたバッテリからDC・DCコンバータを介してポンプ駆動回路部にポンプ駆動のための電力を供給し、燃料電池をアイドリング動作させる。

(3)燃料電池のアイドリング動作
アイドリング踏査については次の二つを代表例として上げることかできる。
(3-a)
前記制御回路部が、前記燃料電池のアイドリング動作時、前記ポンプ駆動回路部を制御して、該燃料電池への前記燃料液の供給が、供給停止と、該供給停止による燃料電池出力の維持すべき一定電圧への低下後の一定時間供給再開とによる間欠モードになるように、前記第１、第２のポンプを動作させる場合、
(3-b)
前記制御回路部が、前記燃料電池のアイドリング動作時、前記ポンプ駆動回路部を制御して、該燃料電池の出力が一定電圧以上に維持されるように前記燃料液の燃料濃度を調整可能に前記第１、第２のポンプを動作させる場合である。

前記燃料電池のアイドリング動作時に維持すべき一定電圧としては、例えば、前記負荷側装置の正規動作停止時においても該負荷側装置のために維持すべき最低の電圧より高く、該負荷側装置の正規動作時に該負荷側装置に供給する該燃料電池の出力電圧よりも低い電圧を挙げることができる。

かかる一定電圧は、例えば、前記制御回路部に検出電圧として設定しておくことができ、この場合、該制御回路部において、燃料電池からの出力電圧とこの検出電圧とを比較し、燃料電池出力が該検出電圧以上に維持されるように燃料電池をアイドリング動作させることができる。

燃料電池のアイドリング動作時に維持すべき一定電圧の具体例として、前記負荷側装置がメモリを有している場合において、該メモリのデータ保持のための最低電圧より若干大きい電圧を挙げることができる。

第１、第２のいずれの燃料電池システムにおいても、負荷側装置の正規動作停止時には、燃料電池をアイドリング動作させることで、それだけ燃料を節約でき、しかも、アイドリング動作により燃料電池の乾燥を防ぎ、それにより燃料電池の性能低下や破損を抑制することができる。
また、負荷側装置の正規動作停止時、すなわち、燃料電池のアイドリング動作中も、燃料電池出力は一定電圧以上に維持される。

例えば負荷側装置がパーソナルコンピュータ、携帯情報端末等の機器である場合には、それに内蔵されているメモリのデータを、機器の正規動作停止時においても保存できるように、前記一定電圧をかかるメモリ保護のために必要な最低限の電圧より高い設定電圧とすることで、燃料を節約しつつメモリの保護が可能となる。

また、燃料電池のアイドリング動作時においても、燃料電池は電気化学反応により温まった状態に維持されるので、寒冷地においても、希釈液、燃料液の凍結を抑制できる利点もある。

以上説明したように本発明によると、高濃度燃料液を希釈液で希釈した燃料液を用いる燃料電池を利用した燃料電池システムであって、負荷側装置の動作状態に応じて燃料を、燃料電池性能の低下や破損を抑制しつつ節約できるとともに、該燃料節約時においても燃料電池出力を一定電圧以上に維持できる燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は本発明に係る燃料電池システムの１例を示している。
このシステムは、燃料電池としてダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）１を採用しており、この電池１に燃料供給部Ｆにて燃料液を供給して発電させることができる。 電池１は、電解質膜１１の両面にアノード（燃料極）１２とカソード（空気極）１３を接合したＭＥＡ構造のもので、アノード１２にはセパレータ１４を、カソード１３にはセパレータ１５を貼り合わせてある。

ここでは、アノード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、カソード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。

セパレータ１４は燃料供給部Ｆから供給される燃料液をアノード１２の全体に分散供給するための液通路を有しているとともに、電池の電気化学反応によりアノード側で発生するガス（主として炭酸ガス）を外部へ放出する通気孔も有している。セパレータ１５は電気化学反応によりカソード側に生成される液（水）やアノード側から電解質膜１１を通過してカソード側へ移動してくることがある液を、カソード１３の全体から回収する液通路を有しているとともに、カソード１３に対し外部から空気を取り入れるための通気孔も有している。セパレータ１５で回収される液体は図示を省略したポンプでセパレータ外へ放出される。この回収液は再利用してもよい。

なお、図１のシステムでは燃料電池は一つ採用されているだけであるが、複数の燃料電池を採用してもよく、例えば複数の燃料電池を採用して直列に接続することで、「電池一つの出力×該複数個」の出力を得ることができる。複数の燃料電池を並列に接続してもよい。勿論、後述する各実施形態においても、複数の燃料電池を採用しても構わない。

燃料供給部Ｆは、希釈用水を収容した水カートリッジＣ１に連通し、途中にポンプＭＰ１を有する液流路Ｌ１と、高濃度燃料液（例えば１００％メタノール液）を収容したカートリッジＣ２に連通し、途中にポンプＭＰ２を有する液流路Ｌ２と、流路Ｌ１とＬ２の合流部Ｌ３と、合流部Ｌ３からセパレータ１４に連通する混合流路Ｌ４とを含んでいる。

この燃料供給部Ｆによると、ポンプＭＰ２によりカートリッジＣ２から高濃度燃料液が合流部Ｌ３へ送られるとともに、ポンプＭＰ１によりカートリッジＣ１から希釈用水が合流部Ｌ３へ送られ、これら液体はひき続き混合流路Ｌ４において混合され、かくして得られる希釈された燃料液（例えば約３％のメタノール水溶液）が燃料電池１に供給され、発電に供される。
ポンプについては後ほどさらに説明する。

図１の燃料電池システムは、さらに、ポンプの駆動回路部としてポンプＭＰ１の駆動回路部Ｄ１及びポンプＭＰ２の駆動回路部Ｄ２、これら駆動回路部Ｄ１、Ｄ２に接続されたDC・DCコンバータ３、DC・DCコンバータ３を介してポンプ駆動回路部Ｄ１、Ｄ２にポンプ駆動のための電力を供給するバッテリ５、ポンプ駆動回路部Ｄ１、Ｄ２を制御することでポンプ動作を制御する制御回路部４、並びに燃料電池１の出力端子に接続される負荷側装置ＬＤの負荷の状態を検知して制御回路部４へ通知するための信号を生成する検知部２を備えている。燃料電池出力端子は、また、制御回路部４にも接続されており、電池１の出力電圧（発電電圧）Ｖｇ、換言すればカソード電圧の信号が制御回路部４に入力されるようになっている。

DC・DCコンバータ３は、約３０Ｖまでのポンプ駆動電圧を得ることができる昇圧型のDC・DCコンバータである。DC・DCコンバータ３の１次側の電源であるバッテリ５には、代表的には２次電池を採用することができ、ここでは、２次電池であるリチウムイオン電池を採用している。

検知部２が生成する信号は、ここでは、負荷側装置ＬＤが正規の動作状態にある（動作モードにある）ときの負荷状態を示す信号〔ＯＮ／ＯＦＦ ＳＩＧ（Ｈｉｇｈレベル）〕又は負荷側装置ＬＤが正規動作停止状態にある（非動作モードにある）ときの負荷状態を示す信号〔ＯＮ／ＯＦＦ ＳＩＧ（Ｌｏｗレベル）〕である。

燃料供給部ＦにおけるポンプＭＰ１、ポンプＭＰ２は、送液可能なものであればよいが、ここでは、基本的に、第１絞り流路、第１絞り流路より長い第２絞り流路、第１、第２の絞り流路の間のポンプ室、ポンプ室の可撓性壁に設置された駆動アクチュエータを含み、駆動アクチュエータに台形波状のパルス電圧を印加することでパルス電圧波形に応じて第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出させる送液動作をさせ得るマイクロポンプである。

このマイクロポンプの１例の基本構造及び基本動作を図９を参照して説明する。
図９に示すマイクロポンプは、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。

圧電素子ＰＺＴにパルス電圧を印加してポンプ室壁（ダイアフラム）ＤＦを振動させることでポンプ室ＰＣを収縮膨張させ、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。

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を駆動するパルス電圧として図９（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。

図９（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。

図９（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。

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、ポンプＭＰ２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。
なお、このようなマイクロポンプを含む燃料液供給部Ｆはセパレータ１４と一体的に形成してもよい。

なお、図９に示すマイクロポンプは、図９（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９（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９（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９（Ｃ）に示す駆動波形を採用している。

以上説明した図１の燃料電池システムにおいては、バッテリ５からDC・DCコンバータ３を介してポンプ駆動回路部Ｄ１、Ｄ２にポンプ運転のための電力が供給され、ポンプ駆動回路部Ｄ１、Ｄ２は制御回路部４からの指示に従ってポンプＭＰ１、ＭＰ２を運転する。

負荷側装置ＬＤを正規動作させるべきときには、ポンプＭＰ２により高濃度燃料液が、ポンプＭＰ１により希釈用の水が供給されるとともに、これらが混合されて希釈された燃料液が燃料電池１に供給されることで燃料電池１が発電し、この電力が負荷側装置ＬＤの正規動作に供される。

負荷側装置ＬＤの非動作時（正規動作停止時）には、該正規動作停止が検知部２において検出され、検知部２は正規動作停止による負荷側装置の低負荷状態を示す信号〔ＯＮ／ＯＦＦ ＳＩＧ（Ｌｏｗレベル）〕を制御回路部４に入力する。制御回路部４は検知部２からの該入力信号に基づいてポンプ駆動回路部Ｄ１、Ｄ２を制御し、それにより燃料電池１が、次に説明するアイドリング動作をするようにポンプＭＰ１、ＭＰ２の動作を制御する。

燃料電池アイドリング動作時、制御回路部４は、燃料電池１への燃料液の供給が、供給停止と、該供給停止による燃料電池出力の一定電圧（Ｖｓ）への低下後の一定時間供給再開とによる間欠モードになる。
かかる一定電圧は制御回路部４に検出電圧Ｖｓとして設定したもので、それは、アイドリング時にも負荷側装置ＬＤのために維持すべき最低電圧（最低維持電圧Ｖｋ）より若干高いものである。制御回路部４において、燃料電池１からの出力電圧Ｖｇとこの検出電圧Ｖｓとを比較し、燃料電池出力が検出電圧Ｖｓ以上に維持されるように燃料電池１をアイドリング動作させることができる。

図１の燃料電池システムによると、負荷側装置ＬＤの正規動作停止時には、燃料電池１をアイドリング動作させることで、それだけ燃料を節約でき、しかも、アイドリング動作により燃料電池１の乾燥を防ぎ、それにより燃料電池の性能低下や破損を抑制することができる。

また、負荷側装置ＬＤの正規動作停止時、すなわち、燃料電池のアイドリング動作中も、燃料電池出力は、負荷側装置ＬＤのために維持すべき最低維持電圧Ｖｋより高い電圧Ｖｓ以上に維持される。
また、燃料電池のアイドリング動作時においても、燃料電池は電気化学反応により温まった状態に維持されるので、寒冷地においても、水、燃料液の凍結を抑制できる利点もある。

例えば負荷側装置ＬＤがパーソナルコンピュータ、携帯電話機、携帯情報端末等の機器である場合には、それに内蔵されているメモリのデータを、機器の正規動作停止時においても保存できるように、前記一定電圧Ｖｋをかかるメモリ保護のために必要な電圧とすることで、燃料を節約しつつメモリの保護が可能となる。

以上説明した図１の燃料電池システムの動作を、さらに、図２から図４を参照して説明する。 図３は負荷側装置の正規動作のための連続発電時にポンプＭＰ１、ＭＰ２に印加する駆動波形を示している。電池１に供給する燃料液を約３％濃度のメタノール水溶液とすると、その燃料液を得るためには水を送るポンプＭＰ１に印加するＭＰ１駆動波形の波高値（ＶＤ１）は約３０Ｖであり、メタノール（100 ％濃度）を送るポンプＭＰ２に印加するＭＰ２駆動波形の波高値（ＶＤ２）は約１０Ｖ〜１５Ｖである。

図２は負荷側装置ＬＤが動作状態（正規動作状態）から非動作状態（正規動作停止状態）に変化したときの燃料電池１の発電状態を模式的に示している。負荷側装置ＬＤが動作時は、図３に示すような連続した駆動波形をそれぞれのポンプに印加し、負荷側装置ＬＤに一定の発電電圧Ｖｇを印加する。負荷側装置ＬＤが非動作状態になると、検知部２が制御回路部４に非動作状態になったことを知らせるＯＮ／ＯＦＦ ＳＩＧ（signal) （Ｌｏｗレベル）を発生する。非動作時は燃料電池１を間欠的に発電させる間欠モード（間欠発電モード）に切り替わる。

この間欠モードでは、図２の間欠発電期間で示すように、燃料液供給が停止されると燃料電池１の出力電圧Ｖｇが徐々に低下していき、制御回路部４内に設定された検出電圧Ｖｓを制御回路部４において検知すると、燃料液を供給する期間（Ａ期間）に移行する。なお、Ｂ期間は燃料液が供給されたあとの電圧保持期間であり、Ｃ期間は燃料が消費され電圧が徐々に低下する期間を示す。

図４に示すように、Ａ期間においては、連続発電モードと同じ駆動波形をそれぞれのポンプに印加し、Ｂ期間及びＣ期間ではポンプＭＰ１、ＭＰ２とも停止状態になっている。 なお、図２中の最低維持電圧Ｖｋは負荷側装置ＬＤ内の例えばＣＰＵ、ＲＡＭ等のメモリ等を保護するための最低電圧であり、図に示すように検出電圧Ｖｓは最低維持電圧Ｖｋよりも高い電圧に設定してある。

間欠発電期間（間欠モードの期間）を設けることによって、負荷側装置ＬＤが非動作時に燃料の消費を抑えることができる。また、電池１のＭＥＡ部分を常に湿潤状態に保つことができるのでＭＥＡの乾燥を防止することができ、ＭＥＡの性能劣化や破損等の不具合の発生を抑制できる。

＜第２実施形態＞
第２の実施形態に係る燃料電池システムの基本構成は図１に示すものと同じである。
第２実施形態に係る燃料電池システムによると、制御回路部４は、燃料電池１のアイドリング動作時、ポンプ駆動回路部Ｄ１、Ｄ２を制御して、燃料電池１の出力が一定電圧（前記検出電圧Ｖｓ又はそれより僅かに低い電位）以上に維持されるように燃料液の燃料濃度を調整可能にポンプＭＰ１、ＭＰ２の動作を制御する。

これを図５及び図６を参照して説明する。
図５は、負荷側装置ＬＤが動作状態から非動作状態に変化したときの燃料電池１の発電モードを示している。負荷側装置ＬＤが非動作時には燃料の濃度を通常の３％より低い値にすることによって燃料電池１の出力電圧を低下させ検出電圧Ｖｓの値に近づくように燃料濃度をコントロールしている。

この場合も、第１実施形態と同じく、最低維持電圧Ｖｋは負荷側装置ＬＤ内の例えばＣＰＵ、ＲＡＭ等のメモリ等を保護するための電圧であり、図に示すように検出電圧Ｖｓは最低維持電圧Ｖｋよりも高い電圧に設定してある。図６は本実施形態で用いる駆動波形の例であり、低電圧発電期間においては、ポンプＭＰ２の駆動電圧（ＶＤ３）を調整しながら発電電圧を連続発電時のそれよりも低く設定することで、燃料濃度を低濃度にコントロールするようにしている。

このように低電圧発電期間を設けることによって、負荷側装置が非動作時のときに燃料の消費を抑えることができる。また、ＭＥＡを常に湿潤状態に保つことができるのでＭＥＡの乾燥を防止することができ、ＭＥＡの性能劣化、破損等の不具合の発生を抑制できる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態について図７及び図８を参照して説明する。図７は第３実施形態に係る燃料電池システムを示している。図８は、図７のシステムにおいて、負荷側装置ＬＤが動作状態（正規動作状態）から非動作状態（正規動作停止状態）に変化したときの燃料電池１の発電状態、ポンプ駆動波形等を示している。

この第３実施形態に係る燃料電池システムは、端的に言えば、DC・DCコンバータ３の１次側電源として用いられているバッテリ５を、負荷側装置ＬＤが非動作状態（正規動作停止状態）になったとき、燃料電池１の出力で充電器６を通して充電し、充電が完了したら間欠発電モードを実施するようにしたものである。

図７を参照してさらに説明すると、この燃料電池システムは、図１の燃料電池システムにおいて、バッテリ５を充電するための充電器６と、バッテリ５の出力端子の接続を充電器６又はDC・DCコンバータ３の入力端子に切り替えるための第１スイッチ部ＳＷ１と、DC・DCコンバータ３の入力端子と燃料電池１の出力端子間を導通又は非導通にさせるための第２スイッチ部ＳＷ２とを設けたものである。
その他の点は図１のシステムと同様であり、図１のシステムにおける部分、部品と実質上同じ部分、部品には図１と同じ参照符号を付してある。

制御回路部４は、検知部２から負荷側装置ＬＤの正規動作停止による低負荷状態であることを示す信号（ＯＮ／ＯＦＦ ＳＩＧ）（Ｌｏｗレベル）の入力があると、第１スイッチ部ＳＷ１を充電器６によってバッテリ５が充電される状態に設定するとともに、第２スイッチ部ＳＷ２をDC・DCコンバータ３と燃料電池出力端子とが導通する状態に設定し、燃料電池１を充電器６とDC・DCコンバータ３の双方の電源として機能させる。

また、制御回路部４は、バッテリ５の電圧Ｖｂを充電器６が検出することで充電が完了したと判断されると、第１スイッチ部ＳＷ１をバッテリ５がDC・DCコンバータ３の入力端子に接続される状態に設定するとともに、第２スイッチ部ＳＷ２をDC・DCコンバータ３と燃料電池出力端子とが非導通となる状態に設定し、同時にポンプ駆動回路部Ｄ１、Ｄ２を制御して、燃料電池１が間欠発電モードによるアイドリング動作をするようにポンプＭＰ１、ＭＰ２の動作を制御する。

このシステムでは、バッテリ５は負荷側装置ＬＤが非動作状態において燃料電池１のエネルギーを用いて充電されるので、バッテリ５の電圧が低下したときに外部にバッテリを取り出して充電する必要が無くなる。

なお、図７に示す構成の燃料電池システムの場合も、既述の第２実施形態と同様に、燃料電池をアイドリング動作させるとき、バッテリ５の充電完了後、発電モードを低電圧発電モードとするようにポンプＭＰ１、ＭＰ２の動作を制御してもよい。

本発明は、ダイレクトメタノール型燃料電池を利用した燃料電池システムであって、負荷側装置の動作状態に応じて燃料を、燃料電池性能の低下や破損を抑制しつつ節約できるとともに、該燃料節約時においても燃料電池出力を一定電圧以上に維持できる燃料電池システムを提供することに利用できる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムにおける発電モードを示す図である。 負荷側装置が動作状態であるときのポンプ駆動波形を示す図である。 負荷側装置が動作状態から非動作状態に変化するときのポンプ駆動波形を示す図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムにおける発電モードを示す図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムにおいて、負荷側装置が動作状態から非動作状態に変化するときのポンプ駆動波形を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムにおける発電モード、ポンプ駆動波形等を示す図である。 マイクロポンプの１例の基本構造、基本動作を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池
１１ 電解質膜
１２ アノード
１３ カソード
１４、１５ セパレータ
Ｆ 燃料供給部
Ｌ１ 水用流路
Ｌ２ 高濃度燃料液用流路
Ｌ３ 合流部
Ｌ４ 混合流路
ＭＰ１ 水用の第１ホンプ
ＭＰ２ 高濃度燃料液用の第２ポンプ
Ｄ１ 第１ポンプの駆動回路部
Ｄ２ 第２ホンプの駆動回路部
Ｃ１ 水カートリッジ
Ｃ２ 高濃度燃料液カートリッジ
２ 検知部
３ DC・DCコンバータ
４ 制御回路部
５ バッテリ
６ 充電器
ＳＷ１ 第１スイッチ部
ＳＷ２ 第２スイッチ部

Claims (7)

1. 高濃度燃料液を希釈液で希釈した燃料液を用いる燃料電池と、
   前記燃料液を供給するための少なくとも高濃度燃料液供給用の第１ポンプ及び希釈液供給用の第２ポンプを含む燃料供給部と、
   前記各ポンプを駆動するためのポンプ駆動回路部と、
   前記ポンプ駆動回路部を制御するための制御回路部と、
   前記燃料電池に接続される負荷側装置による負荷の状態を検知して前記制御回路部に通知するための信号を発生させる検知部とを備えており、
   前記制御回路部は、前記検知部から前記負荷側装置の正規動作停止による低負荷状態であることを示す信号入力があると、前記ポンプ駆動回路部を制御して、前記燃料電池がアイドリング動作するように前記第１、第２のポンプを動作させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 高濃度燃料液を希釈液で希釈した燃料液を用いる燃料電池と、
   前記燃料液を供給するための少なくとも高濃度燃料液供給用の第１ポンプ及び希釈液供給用の第２ポンプを含む燃料供給部と、
   前記各ポンプを駆動するためのポンプ駆動回路部と、
   前記ポンプ駆動回路部を制御するための制御回路部と、
   前記ポンプ駆動回路部にポンプ駆動用電圧を供給するためのDC・DCコンバータと、
   前記DC・DCコンバータの入力端子に接続されるバッテリと、
   前記燃料電池に接続される負荷側装置による負荷の状態を検知して前記制御回路部に通知するための信号を発生させる検知部と、
   前記燃料電池の出力端子に接続された、前記バッテリを充電するための充電器と、
   前記バッテリの出力端子の接続を前記充電器又は前記DC・DCコンバータ入力端子に切り替えるための第１スイッチ部と、
   前記DC・DCコンバータ入力端子と前記燃料電池の出力端子間を導通又は非導通にさせるための第２スイッチ部とを備えており、
   前記制御回路部は、前記検知部から前記負荷側装置の正規動作停止による低負荷状態であることを示す信号入力があると、
   前記第１スイッチ部を前記充電器によって前記バッテリが充電される状態に設定するとともに、前記第２スイッチ部を前記DC・DCコンバータと前記燃料電池出力端子とが導通する状態に設定し、該バッテリの充電完了後は、該第１スイッチ部を該バッテリが該DC・DCコンバータ入力端子に接続される状態に設定するとともに、該第２スイッチ部を該DC・DCコンバータと該燃料電池出力端子とが非導通となる状態に設定し、さらに、前記ポンプ駆動回路部を制御して、前記燃料電池がアイドリング動作するように前記第１、第２のポンプを動作させることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記制御回路部は、前記燃料電池のアイドリング動作時、前記ポンプ駆動回路部を制御して、該燃料電池への前記燃料液の供給が、供給停止と、該供給停止による燃料電池出力の維持すべき一定電圧への低下後の一定時間供給再開とによる間欠モードになるように、前記第１、第２のポンプを動作させる請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御回路部は、前記燃料電池のアイドリング動作時、前記ポンプ駆動回路部を制御して、該燃料電池の出力が一定電圧以上に維持されるように前記燃料液の燃料濃度を調整可能に前記第１、第２のポンプを動作させる請求項１又は２記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池のアイドリング動作時に維持すべき前記一定電圧は、前記負荷側装置の正規動作停止時においても該負荷側装置のために維持すべき最低の電圧より高く、該負荷側装置の正規動作時に該負荷側装置に供給する該燃料電池の出力電圧よりも低い電圧である請求項３又は４記載の燃料電池システム。
6. 前記負荷側装置はメモリを有しており、前記燃料電池アイドリング動作時に維持されるべき前記燃料電池の一定出力電圧は、該メモリのデータ保持のための最低電圧より大きい請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記第１、第２の各ポンプは、第１絞り流路、第１絞り流路より長い第２絞り流路、第１、第２の絞り流路の間のポンプ室、ポンプ室の可撓性壁に設置された駆動アクチュエータを含み、駆動アクチュエータにパルス電圧を印加することでパルス電圧波形に応じて第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出させる送液動作をさせ得るマイクロポンプである請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。