JP2007123245A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池の発電状態を維持したまま、燃料カートリッジを交換することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池２０を有する燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００に着脱可能に設けられ、燃料電池２０へ供給される燃料を貯蔵する燃料カートリッジ３０と、燃料カートリッジ３０から送出された燃料を貯蔵する燃料サブタンク８０と、燃料サブタンク８０から送出され所定の濃度に希釈された燃料を貯蔵するバッファタンク９０とを有し、燃料サブタンク８０の上部とバッファタンク９０とがガスが自由に出入り可能なタンク連通路９５で接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、具体的には、液体燃料を供給して発電を行う燃料電池システムに関する。
燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できる、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性をもっているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書（書籍））などの電源への利用が期待されている。
特開２００５−１０８８１１号公報
ＤＭＦＣを含む特許文献１のようなの燃料電池システムでは、バッファタンク内を含む燃料電池装置側の経路内はカソードに酸化剤である空気が供給されるために高圧状態となり、ポンプが停止するとバッファタンク内で希釈されたメタノール水溶液が燃料供給経路に逆流してしまうことがあった。メタノール水溶液が燃料供給経路に逆流すると、次回ポンプが運転されても、バッファタンクには希釈されたメタノール水溶液が戻る結果となり、濃度が急激に低下して発電能力が低下する問題が生じる。また、このような問題は燃料供給経路に気泡が混入した場合にも同様に生じ、燃料カートリッジの交換時などに燃料供給経路に気泡が入ってしまうという問題があった。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、燃料電池に液体燃料を安定的に供給することが可能な燃料電池システムを提供することにある。また、本発明の他の目的は、バッファタンクからの燃料の漏洩が抑制された燃料電池システムを提供することにある。
本発明のある態様は、燃料電池システムである。当該燃料電池システムは、燃料電池に液体燃料を供給して燃料電池を運転する燃料電池システムであって、着脱可能に設けられ、燃料電池に供給される液体燃料を貯蔵する第１の燃料貯蔵部と、第１の燃料貯蔵部に貯蔵された液体燃料を送出する第１の燃料供給手段と、第１の燃料供給手段によって送出された液体燃料を貯蔵する第２の燃料貯蔵部と、第２の燃料貯蔵部に貯蔵された液体燃料を送出する第２の燃料供給手段と、第２の燃料貯蔵部に設けられ、第２の燃料貯蔵部に貯蔵された液体燃料の量を検出する燃料検出手段と、を有し、第２の燃料貯蔵部の上部に、第２の燃料貯蔵部内のガスの吸入および排出のための自由経路が設けられていることを特徴とする。
この態様によれば、第１の燃料貯蔵部（所謂、燃料カートリッジ）を燃料電池システムから外したときでも、第２の燃料貯蔵部に燃料が貯蔵されているので、燃料電池の発電状態を維持することができる。さらに、第１の燃料貯蔵部を取り付けたときなどに生じた気泡は、第２の燃料貯蔵部に入って、脱泡されるので、燃料供給手段へ入ることを防止することができる。また、第２の燃料貯蔵部内のガスが自由経路を通じて出入りするため、第２の燃料貯蔵部内のガス圧がほぼ大気圧で安定するため、燃料の逆流などが生じにくくなり、燃料電池に供給される燃料の濃度を一定に保つことができるので、燃料電池を安定的に運転することができる。
なお、燃料の量を検出する燃料検出手段として、第２の燃料貯蔵部が定型の容器であれば、内部の水位を検出する水位センサ（液面センサ）でもよく、その水位を定常的に検出しなくとも、所定の閾値を下回ったかを検出できるリミッタのようなものでも良い。これにより、燃料カートリッジを早急に交換しなければ、燃料電池システムを停止しなければならないような状況をユーザに伝達することができる。
上記態様において、自由経路は、一方の末端が開放された管状であってもよく、さらに、自由経路は、内部体積が、第１の燃料供給手段による１回分の液体燃料容量以上であってもよい。これによれば、第２の燃料貯蔵部からあふれた燃料を自由経路に留めておくことができるため、液体燃料がシステムの系外に漏洩することが抑制される。
さらに、上記態様において、自由経路の末端に気液分離構造を設けられていてもよい。これによれば、気液分離構造により、自由経路から燃料を漏洩させることなく、所定の濃度以下の燃料ガスが外部に放出されるため、燃料電池システムの安全性を高めることができる。より具体的には、気液分離構造は、液体燃料を捕集する吸収体と、排出ガス中の燃料を吸着するフィルターのいずれかを有してもよい。この場合、フィルターが活性炭であってもよい。
また、上記態様において、第２の燃料供給手段に接続され、燃料電池からの排出物と第２の燃料供給手段によって送出された液体燃料を混合し、燃料電池に供給するための燃料を調合し、貯蔵するとともに、不要な気体成分を燃料電池システム外部に排出する第３の燃料貯蔵手段をさらに備え、自由経路の末端が、第３の燃料貯蔵手段の気層部分に接続されていてもよい。
これによれば、燃料電池がＤＭＦＣのような液体燃料を直接燃料電池へ供給するタイプの燃料電池の場合、燃料電池のアノードからは燃料の濃度が薄くなった液体燃料と二酸化炭素が、カソードからは酸素の濃度が薄くなった空気と水が排出される。第３の燃料貯蔵部において、この排出物質の液体成分（燃料の濃度が薄くなった液体燃料と水）と第２の燃料貯蔵部からの燃料とを混合し、排出物質の気体成分（二酸化炭素と酸素の濃度が薄くなった空気）を外部へ排出することにより、燃料を効率的に利用することが可能となる。
本発明によれば、液体燃料を供給する燃料電池システムにおいて、燃料電池をより安定的に運転することができる。
以下に、本発明に係る燃料電池システム１００の構成について、図を用いて詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１に係る燃料電池システム１００の斜視図、図２は燃料電池システム１００の構成図を示している。実施の形態の燃料電池システム１００は、液体燃料としてメタノールを用い、このメタノールと酸化剤としての空気とを燃料電池において電気化学反応させることにより発電を行う、所謂、ダイレクトメタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）システムであり、携帯可能なノート型パソコンの電源として使用できるように全体寸法はコンパクトに構成されている。
燃料電池システム１００は、図１に示すようなケース１０内の長手方向の一側に燃料電池（スタック）２０が搭載され、その反対側には燃料電池システム１００から着脱可能に接続された燃料カートリッジ３０が、略中央部に補機ユニット４０が設けられている。また、ノート型パソコンを載せるクレイドル５０内には制御ユニット（図示せず）と二次電池（図示せず）とが設けられている。
燃料カートリッジ３０に隣接して燃料サブタンク（第２の燃料貯蔵部）８０とバッファタンク（第３の燃料貯蔵部）９０とが設けられており、燃料カートリッジ３０内の燃料バッグ（第１の燃料貯蔵部）３２に貯蔵される純メタノールまたは高濃度のメタノール水溶液は、燃料サブタンク８０を介してバッファタンク９０に導入され、バッファタンク９０にて所定の濃度（１ｍｏｌ／Ｌ）に希釈される。即ち、燃料サブタンク８０は、燃料バッグ３２内の燃料残量が０となったことを検出すると共に、燃料カートリッジ３０を着脱するときに、燃料供給路３４、８２に混入してしまう空気（気体成分）を脱泡する機能を有し、バッファタンク９０は、燃料の濃度を調整すると共に、燃料電池２０から排出される気体成分を本燃料電池システム１００の外部へ排出する（詳細は後述する）気液分離器の機能を有する。
補機ユニット４０は、燃料バッグ３２から燃料サブタンク８０へ燃料を供給するメタノールポンプ（第１の液体ポンプ）４１と、燃料サブタンク８０からバッファタンク９０へ燃料を供給するメタノールポンプ（第２の液体ポンプ）４２と、バッファタンク９０から燃料電池２０へ燃料を供給するメタノールポンプ（第３の液体ポンプ）４３と、燃料電池２０へ酸素（本実施の形態では空気）を供給するエアポンプ４４と、を含み、これらは燃料貯蔵部である燃料カートリッジ３０、燃料サブタンク８０およびバッファタンク９０と燃料電池２０との間に搭載されている。これは、燃料供給路３４、８２、８４、９１、９２をできる限り短くし、省スペース化を図ると共に、間欠的に供給される高濃度メタノールを速やかに燃料電池２０へ供給するためである。
さらに補機ユニット４０は、燃料電池２０のアノード２１側から排出される液体を主成分とするアノード排出物（排メタノール＋二酸化炭素）とカソード２２側から排出される気体を主成分とするカソード排出物（排空気＋生成水）とを混合し、気体成分と液体成分とに分離する気液分離器４５と、気液分離器４５にて分離された気体成分と液体成分とを異なる配管（４６ｂ、４６ａ）に流通させ、燃料電池システム１００内部の空気を排出する冷却ファン４７により燃料電池２０の排出物を冷却する冷却器４６と、を含み、これらは燃料電池２０とバッファタンク９０との間に搭載されている。このように、気液分離機能を有するバッファタンク９０（冷却器４６）の前段において気液分離器４５を搭載することにより、液体と気体とが混在するアノード排出物とカソード排出物とを合流させて、液体成分と気体成分とを、それぞれ液体成分流通路４６ａと気体成分流通路４６ｂとへ流通させて冷却することができ、気液が混在する流体を冷却するより冷却器４６での熱交換効率を向上させることができる。
バッファタンク９０にて回収された燃料電池２０の排出物のうち気体成分は、気体成分排出路９３を通って、燃料電池システム１００外部へ排出される。このとき、気体成分排出路９３は、液体成分を外部へ排出しないように、できる限り長く配置し、さらに出口に排気フィルタ９４を設ける方が良い。また、バッファタンク９０から排出される水蒸気量よりも燃料電池２０にて生成される生成水の量が多く、燃料電池システム１００内を循環する燃料（メタノール水溶液）がバッファタンク９０からオーバーフローする可能性を考
慮して、バッファタンク９０と燃料サブタンク８０とを、その上部において配管（タンク連通路９５）接続し、バッファタンク９０からオーバーフローするときには、燃料サブタンク８０がバッファタンク９０のバッファの役割を果たすと共に、燃料カートリッジ３０から燃料サブタンク８０へ燃料が供給され、一時的に燃料サブタンク８０内の圧力が上がったときには、バッファタンク９０が燃料サブタンク８０の圧力を逃がす役割を果たす。燃料サブタンク８０とバッファタンク９０との間には、逆止弁９６が設けられ、燃料供給路９１から燃料供給路８４へ、即ち、バッファタンク９０から燃料サブタンク８０へは、タンク連通路９５を介してオーバーフローしない限り、希釈されたメタノール水溶液が逆流しないように構成されている。また、燃料バッグ３２と燃料サブタンク８０との間には、カートリッジジョイント３６、８６が設けられ、このカートリッジジョイント３６、８６を介して、燃料供給路３４と燃料供給路８２とが接続される。この部分は、カートリッジ着脱するときの燃料の漏れを回収するための安全機構やジョイントのロック機構など本体側に持たせるため、燃料カートリッジ３０側のカートリッジジョイント３６がオス、燃料サブタンク８０側のカートリッジジョイント８６がメスとなっている。メスの方が複雑な機構を組み込みやすく、燃料カートリッジ３０側を簡単な構造とすることにより、サイズおよびコストの面を考慮すると有利となる。
さらに、燃料カートリッジ３０の着脱状態を検知するため、燃料カートリッジ３０と接触する燃料電池システム１００の本体部分にはリミッタＬＴが設けられている。これにより、燃料カートリッジ３０が燃料電池システム１００に正常な状態で嵌め込まれているか検知し、使用中にカートリッジジョイント３６、８６部から燃料漏れがないようにすることができる。燃料カートリッジ３０の着脱を検知する手段は、リミッタＬＴに限らず、燃料カートリッジ３０の所定の位置にＩＣチップなどを埋め込み、ＩＣチップの位置を検出すると共に、燃料カートリッジ３０の情報、例えば、容量、濃度、燃料の種類、シリアルナンバーなどの情報を燃料電池システム１００の制御ユニットとの間で授受できるようにしても良い。
燃料カートリッジ３０の燃料供給路３４は、燃料バッグ３２の底部にその導入口を有し、燃料カートリッジ３０内壁の辺に沿って上昇するように配設されてからカートリッジジョイント３６に接続される。また、燃料カートリッジ上部（上辺の一部）には、燃料供給路３４が目視可能な燃料確認窓３８が開設されている。この燃料確認窓３８から燃料供給路３４内部を確認するため、燃料供給路３４はテフロン（登録商標）チューブのような透明な素材を用いることが望ましい。燃料バッグ３２を容積変化可能な容器とし、内部に予め燃料と共に少量の気体（空気）を封入しておくことにより、燃料バッグ３２内に貯蔵されていた燃料が残り少なくなったときに、燃料確認窓３８から液相と気相が境界を目視確認することができる。燃料には予め色をつけておくと、さらに確認しやすくなる。
以上の燃料の流れをまとめると、燃料バッグ３２内の高濃度のメタノール（あるいは純メタノール）は燃料供給路３４を流通して燃料電池システム１００の本体へ供給される。燃料カートリッジ３０とシステム本体とは、カートリッジジョイント３６、８６によって接続されており、燃料バッグ３２内の高濃度メタノールは、カートリッジジョイント８６から燃料サブタンク８０に繋がる燃料供給路８２に設けられているメタノールポンプ４１の吸引力によって、燃料サブタンク８０に供給される。燃料カートリッジ３０を着脱するときに、カートリッジジョイント３６、８６部から燃料供給路３４、８２に気体が混入してしまった場合には、この燃料サブタンク８０にて脱泡できるため、燃料サブタンク８０からバッファタンク９０側へは、このような気泡は混入しない構成となっている。
燃料サブタンク８０には、図３に示すように、タンク高さａの１／２以上の高さｂの位置に燃料切れを検知する液面センサ８１が設けられており、燃料サブタンク８０内の燃料の水位が液面センサ８１以下になったことを検知すると、メタノールポンプが４１が駆動し、燃料バッグ３２から高濃度の燃料を燃料サブタンク８０に追加する構成となっている。所定時間メタノールポンプ４１が駆動しても燃料サブタンク８０の燃料の水位が回復しない場合は、ユーザに燃料切れを示す表示（アラーム）をするようになっている。ユーザに燃料切れを示す表示（アラーム）を発報後、燃料カートリッジ３０の交換用に設定した交換時間を経過しても、燃料カートリッジ３０の燃料水位が回復しない場合は、システムが退避行動をとるようになっている。この液面センサ８１は、ユーザが燃料切れのアラームに気づいてから、燃料カートリッジ３０を交換可能に必要な時間の運転を可能にする量の燃料（本実施の形態では、交換時間：約５分間、交換時間の運転可能にする燃料量：約５ｃｃと設定）を保持できる位置に設ける必要があり、本実施の形態では、タンク高さ（容器中に燃料を収容できる高さ）の１／２以上の位置に液面センサを設置する。燃料サブタンク８０内の高濃度メタノールは、燃料供給路８４に設けられたメタノールポンプ４２の吸引力によって、バッファタンク９０へ供給される。燃料供給路８４は逆止弁９６を介して燃料供給路９１と接続されており、逆止弁９６からバッファタンク９０側の希釈されたメタノール水溶液は、定常的には燃料サブタンク８０へ戻らない構成となっている。
また、燃料サブタンク８０には、タンク連通路９５と連通するガス吸排気口１０１が容器天面に設けられており、容器内のガスが自由に出入り可能な構造となっている。この構造により、容器内の燃料の液面が変動しても、容器内の圧力が加圧または負圧状態にならないため、燃料サブタンク８０の安全性が高められる他、液体燃料が燃料供給路８２に逆流したり、所定のタイミング以外で液体燃料が燃料供給路８４に流入するなどの動作異常を抑制することができる。
ここで、燃料サブタンク８０内の燃料の液面変動について説明する。メタノールポンプ４２によって、燃料電池２０の発電状態に応じて、燃料供給路８４の端部である燃料排出口１０４から間欠的に所定量ｖの液体燃料が燃料電池２０に向けて供給される。以下、１回当たりの燃料追加量をｖとし、１回の燃料排出により、容器内の燃料の液面が下降する量をｙとする。燃料排出によって、燃料サブタンク８０内の燃料の水位が液面センサ８１の高さ以下になったことが検知されると、メタノールポンプ４２が停止した後、メタノールポンプ４１が起動し、燃料サブタンク８０内の燃料の水位が液面センサ８１の高さから１／２・ｙの位置になるように、燃料供給路８２の端部である燃料注入口１０２から液体燃料が追加される。このように、メタノールポンプ４１およびメタノールポンプ４２は、間欠的に非同期で動作し、燃料サブタンク８０内の燃料の水は、液面変動範囲ｙの範囲で変動する。メタノールポンプ４１およびメタノールポンプ４２を非同期で制御することにより、液体燃料の残量変化に伴う、燃料カートリッジ３０からの燃料吐出に要するメタノールポンプ４１の圧力増減などの外乱や、経時劣化などでメタノールポンプ４１の定量精度が低い場合でも液体燃料の供給に支障を来すことなく、燃料電池２０を運転させることができる。
なお、ガス吸排気口１０１は、液面変動範囲ｙの上限から、さらに少なくともｙより高い位置にあることが望ましい。すなわち、図３を参照し、長さＨ１（液面変動範囲ｙの上限からガス吸排気口１０１までの長さ）＞ｙであることが望ましい。これによれば、メタノールポンプ４１によって燃料が１回追加された場合であっても、燃料サブタンク８０内の燃料の上部にガス層を保持することができる。この他、ガス吸排気口１０１は、燃料サブタンク８０の径をｘとしたときに、液面変動範囲ｙの上限から、さらに少なくともｘ・ｔａｎθより高い位置にあることが望ましい。すなわち、図３を参照し、長さＨ１＞ｘ・ｔａｎθであることが望ましい。好適には、角度θは４５度である。これによれば、燃料サブタンク８０が角度θだけ傾いた状態であっても、ガス吸排気口１０１が液体燃料に浸かった状態であっても、液面センサ８１によって液体燃料の水位低下が検知されないため、不必要な燃料追加を避けることができ、燃料電池システム１００の動作安定性を高めることができる。
また、燃料供給路８２の端部である燃料注入口１０２は、容器内の液体燃料における通常の液面変動範囲ｙの上限高さより高い位置にあることが望ましい。これによれば、容器内に保持可能な燃料の容量を確保することができるとともに、液面変動範囲ｙに与える影響をなくすことができる。
また、燃料供給路８４の端部である燃料排出口１０４は、容器の底部にできるだけ近接してることが望ましい。これによれば、容器内の燃料を無駄なく排出することができる。さらに、燃料排出口１０４は、液面変動範囲ｙの下限より、さらに少なくともｙより低い位置にあることが望ましい。すなわち、図３を参照し、長さＨ２（液面変動範囲ｙの下限から燃料排出口１０４までの長さ）＞ｙであることが望ましい。
これによれば、燃料カートリッジ３０の交換に必要な時間の間、燃料電池２０の運転を可能にすることができる。さらに望ましくは、燃料排出口１０４は、液面変動範囲ｙの下限より、少なくとも３×ｙだけ低い位置にあることが望ましい。これによれば、燃料カートリッジ３０を３回交換するのに必要な時間の間、燃料電池２０の運転を可能にすることができる。
（液面センサの設置位置例）
ガス吸排気口１０１を、液面変動範囲ｙの上限から、さらにｙだけ高い位置とし、燃料排出口１０４を液面変動範囲ｙの下限より、さらに３×ｙだけ低い位置とした場合には、燃料サブタンク８０の容器の高さは、約ｙ＋ｙ＋３ｙ＝５ｙとなる。また、液面センサ８１の高さは、約１／２・ｙ＋３ｙ＝３．５ｙとなる。すなわち、液面センサ８１の高さは、容器の高さを基準とすると、３．５／５＝０．７の位置に相当する。
バッファタンク９０にも燃料サブタンク８０と同様に、タンク高さの１／３以下の位置に水不足（燃料量不足）を検知する液面センサＬＳ２が設けられており、バッファタンク９０内の燃料の水位が液面センサＬＳ２以下となったことを検知すると、制御ユニットに信号を送り、制御ユニットは、燃料電池２０から生成される生成水の量が増加するように、即ち、燃料電池２０から高電流を出力させるように、燃料電池システム１００内の各種装置を制御する。逆に、バッファタンク９０内の燃料量が増加し、バッファタンク９０からオーバーフローするような場合には、タンク連通路９５を通って燃料が燃料サブタンク８０に導入されるようになっている。このタンク連通路９５は、燃料カートリッジ３０の着脱などにより燃料サブタンク８０の気相部分の圧力が上昇しても、定常的には燃料サブタンク８０とバッファタンク９０の気相部分の圧力に差が生じないように構成されている。
バッファタンク９０内の希釈されたメタノール水溶液は、燃料供給路９２に設けられたメタノールポンプ４３の吸引力によって、燃料電池２０へ供給される。燃料供給路９２にはメタノールポンプ４３の前段に燃料フィルタ９７が設けられており、燃料フィルタ９７によって、メタノール水溶液中に混入した不純物（コンタミやカチオンなど）を除去（吸着）して、燃料電池２０のアノード２１に供給される。燃料フィルタ９７の位置はメタノールポンプ４３の後段側でも問題ないが、前段に配置した方がメタノールポンプ４３においてほこりなどのゴミが詰まることを回避することができる。メタノールポンプ４３は、同ポンプ４１、４２と異なり、燃料電池システム１００が稼動している間のほぼ全時間に渡り、運転されるため上記のようにゴミが詰まることを配慮して、前段に燃料フィルタ９７を配置することが望ましい。
一方、燃料電池２０のカソード２２には、エアポンプ４４によって空気が供給される。エアポンプ４４は燃料電池システム１００内部の空気を吸引するが、燃料電池システム１００外部の空気を内部に導入する図示しない開口部には、コンタミのような微粒子成分を除去するフィルタを設けているため、酸化剤供給路２３にエアポンプ４４の後段側に、空気中の有機物を触媒燃焼により除去する、あるいは、カチオンを吸着するエアフィルタ２４を配置する。
燃料電池２０のアノード２１側から排出された排メタノールと二酸化炭素とはアノード排出路２５から気液分離器４５へ排出されると共に、カソード２２側から排出された排空気と生成水とはカソード排出路２６から排出され、気液分離器４５にて合流する。気液分離器４５において、液体成分と気体成分とに分離された後、液体成分は液体成分流通路４６ａを、気体成分は気体成分流通路４６ｂを流通しながら、冷却ファン４７によって強制排気される燃料電池システム１００内部の空気によって冷却され、それぞれバッファタンク９０へ導入される。即ち、バッファタンク９０は発電反応によってメタノールが消費された排メタノールと生成水とが回収されるため、バッファタンク９０内のメタノール濃度は徐々に低下する。バッファタンク９０内のメタノール濃度が低下すると、燃料電池２０
を構成する複数のセルの電圧にばらつきが生じるため、本実施の形態では、このばらつきを検出して濃度センサの代わりとし、複数のセルの電圧が所定のばらつき以上となったこと検出すると、制御ユニットに信号を送り、制御ユニットは、メタノールポンプ４２を駆動させて燃料サブタンク８０からバッファタンク９０へ燃料を補充し、バッファタンク９０のメタノール濃度を調整する。また、メタノールポンプ４１は、メタノールポンプ４２と連動して、メタノールポンプ４２が駆動する度に、同量の高濃度メタノールが燃料バッグ３２から燃料サブタンク８０へ補充されるようにしても良いし、補機類の消費エネルギを低減するため、例えば、メタノールポンプ４２が３回駆動したら、３倍の量の高濃度メタノールが燃料バッグ３２から燃料サブタンク８０へ補充されるようにしても良い。
（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すシステム構成図である。本実施の形態に係る燃料電池システム１００の基本的な構成は、実施の形態１と同様である。以下、実施の形態２の燃料電池システム１００について、実施の形態１と異なる構成について説明する。
本実施の形態の燃料電池システム１００の燃料サブタンク８０には、自由経路として、実施の形態１のタンク連通路９５に代えて、一方の端部が開放となっている管状のガス流通管２００が設けられている。
図５は、ガス流通管２００を示す概略図である。ガス流通管２００は、液体燃料を保持するのに十分な長さの小径チューブ（たとえば、内径φ１．５×３００ｍｍ程度）であり、たとえば、ガス流通管２００は、内の体積を上述した体積ｖ以上とすることが望ましい。これによれば、燃料サブタンク８０からあふれた液体燃料をガス流通管２００内に留めておくことができるため、液体燃料がシステムの系外に漏洩することが抑制される。
さらに、ガス流通管２００の材質と厚みを適切にとることにより、ガス流通管２００内で蒸発した液体燃料が蒸気として表面から徐々に蒸散する構造とすることができる。たとえば、このような構造に適した管材として、０．５ｍｍ以下の厚さのシリコンチューブや低密度ポリエチレンチューブなどが挙げられる。
（実施の形態３）
図６は、実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すシステム構成図である。本実施の形態に係る燃料電池システム１００の基本的な構成は、実施の形態２と同様である。以下、実施の形態２の燃料電池システム１００について、実施の形態２と異なる構成について説明する。
本実施の形態の燃料電池システム１００では、ガス流通管２００の先端部分に気液分離構造２１０が設けられている。気液分離構造２１０により、ガス流通管２００から液体燃料を漏洩させることなく、所定の濃度以下の燃料ガスが外部に放出されるため、燃料電池システム１００の安全性を高めることができる。
図７は、気液分離構造２１０のある形態を示す。本形態では、ガス流通管２００の末端部分が、筒状の燃料捕集部２２０に挿入されている。燃料捕集部２２０は、容器２２２、吸収剤２２４および活性炭２２６を備える。具体的には、容器２２２に挿入されたガス流通管２００の周囲にスポンジ状の吸収剤２２４が設けられ、吸収剤２２４の上部、すなわち、容器２２２の入口近辺に活性炭２２６が設けられている。この構造により、ガス流通管２００から漏れた液体燃料は容器２２２の底に一旦滞留し、滞留量が増えると吸収剤２２４により捕集され、燃料が漏洩することが抑制される。また、吸収剤２２４によって捕集しきれなかった燃料は、大表面積を有する活性炭２２６によって蒸発が促進され、一定濃度（たとえば、２００ｐｐｍ）以上にならないように蒸散させられる。
図８は、気液分離構造２１０の他の形態を示す。本形態では、燃料捕集部２２０は、燃料電池、熱交換器などの発熱体の近辺に配置される。本形態の燃料捕集部２２０では、容器２２２に挿入されたガス流通管２００の周囲に活性炭２２６が設けられ、活性炭２２６の周囲にさらに吸収剤２２４が設けられている。この構造によれば、ガス流通管２００の末端に達した液体燃料は、発熱体による熱により蒸散が促進され、活性炭２２６により過剰な燃料を捕集することにより一定濃度（たとえば、２００ｐｐｍ）以上にならないように蒸散させられる。また、蒸発しきれない燃料は、吸収剤２２４により吸収されるため、燃料が漏洩しにくくなっている。
本実施の形態では、液体燃料としてメタノールを使用するＤＭＦＣから成る燃料電池システムを用いて説明したが、本発明を適用できる液体燃料を直接供給するタイプの燃料電池システムはＤＭＦＣシステムに限定されない。また、負荷としてパーソナルコンピュータを用いる形状の燃料電池システムについて説明したが、本発明は、様々な機器、特に携帯機器への利用を期待される燃料電池システムにおいて利用可能であると考えられる。
実施の形態１に係る燃料電池システムの斜視図である。 実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すシステム構成図である。 実施の形態１に係る燃料電池システムのサブタンクの構成を詳細に示す構成図である。 実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すシステム構成図である。 ガス流通管２００を示す概略図である。 実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を模式的に示すシステム構成図である。 実施の形態３に係る燃料電池システムに用いられる気液分離構造のある形態を示す図である。 実施の形態３に係る燃料電池システムに用いられる気液分離構造の他の形態を示す図である。
符号の説明
１０ ケース
１２ リミッタ
２０ 燃料電池
２１ アノード
２２ カソード
２３ 酸化剤供給路
２４ エアフィルタ
２５ アノード排出路
２６ カソード排出路
３０ 燃料カートリッジ
３２ 燃料バッグ（第１の燃料貯蔵部）
３４ 燃料供給路
３６ カートリッジジョイント
３８ 燃料確認窓
４０ 補機ユニット
４１ メタノールポンプ（第１の液体ポンプ）
４２ メタノールポンプ（第２の液体ポンプ）
４３ メタノールポンプ（第３の液体ポンプ）
４４ エアポンプ
４５ 気液分離器
４６ 冷却器
４６ａ 液体成分流通路
４６ｂ 気体成分流通路
４７ 冷却ファン
５０ クレイドル
８０ 燃料サブタンク（第２の燃料貯蔵部）
８２ 燃料供給路
８４ 燃料供給路
８６ カートリッジジョイント
９０ バッファタンク（第３の燃料貯蔵部）
９１ 燃料供給路
９２ 燃料供給路
９３ 気体成分排出路
９４ 排気フィルタ
９５ タンク連通路
９６ 逆止弁
９７ 燃料フィルタ
１００ 燃料電池システム
ＬＴ リミッタ
ＬＳ 液面センサ
ＴＳ 温度センサ
ＦＣＶ 電圧検出手段

Claims (7)

  1. 燃料電池に液体燃料を供給して前記燃料電池を運転する燃料電池システムであって、
    着脱可能に設けられ、前記燃料電池に供給される液体燃料を貯蔵する第１の燃料貯蔵部と、
    前記第１の燃料貯蔵部に貯蔵された液体燃料を送出する第１の燃料供給手段と、
    前記第１の燃料供給手段によって送出された液体燃料を貯蔵する第２の燃料貯蔵部と、
    前記第２の燃料貯蔵部に貯蔵された液体燃料を送出する第２の燃料供給手段と、
    前記第２の燃料貯蔵部に設けられ、前記第２の燃料貯蔵部に貯蔵された液体燃料の量を検出する燃料検出手段と、
    を有し、
    前記第２の燃料貯蔵部の上部に、前記第２の燃料貯蔵部内のガスの吸入および排出のための自由経路が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記自由経路は、一方の末端が開放された管状であ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. 前記自由経路は、内部体積が、第１の燃料供給手段による１回分の液体燃料容量以上であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記自由経路の末端に気液分離構造を設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記気液分離構造は、
    液体燃料を捕集する吸収体と、
    排出ガス中の前記燃料を吸着するフィルターのいずれかを有す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. 前記フィルターが活性炭であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記第２の燃料供給手段に接続され、
    前記燃料電池からの排出物と前記第２の燃料供給手段によって送出された前記液体燃料を混合し、前記燃料電池に供給するための燃料を調合し、貯蔵するとともに、不要な気体成分を前記燃料電池システム外部に排出する第３の燃料貯蔵手段をさらに備え、
    前記自由経路の末端が、第３の燃料貯蔵手段の気層部分に接続されてい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。
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