JP2008218055A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料の残量を容易に確認することが可能な燃料電池を提供すること。
【解決手段】 燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれた電解質膜と、を有する燃料電池セル２と、この燃料電池セル２に対して供給する液体燃料を貯蔵する燃料収容部３と、燃料収容部３の内部を照明する照明機構４と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

この発明は、液体燃料を用いた燃料電池に関する。

近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。

直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部３内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。

これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式は、燃料ポンプのような能動的な燃料移送手段を必要としないことから、特にＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。例えば、特許文献１や特許文献２には、液体燃料を保持する燃料浸透層と、燃料浸透層中に保持された液体燃料の気化成分を分散させて燃料極に供給する燃料気化層と、を具備するパッシブ型ＤＭＦＣが記載されている。

パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、出力特性の向上やより一層の小型化を図るために、液体燃料として純メタノールを用いたＤＭＦＣの研究並びに実用化が進められている。純メタノールなどの液体燃料は、パッシブ型ＤＭＦＣの内部に設置された燃料収容部内に収容され、この燃料収容部から直接気化させることにより燃料極に供給される。燃料収容部内の液体燃料は、発電動作に伴って消費されるため、外部から液体燃料を燃料収容部内に補充する必要が生ずる。そこで、例えば、特許文献３や特許文献４などにより、液体燃料の補充時期を確認するために、燃料収容部の少なくとも一部を透明な材料で構成することが提案されている。
特許第３４１３１１１号公報 特開２００４−１７１８４４号公報 特表２００１−０９３５５１号公報 特開２００４−３３５３３１号公報

この発明の目的は、液体燃料の残量を容易に確認することが可能な燃料電池を提供することにある。

この発明の態様による燃料電池は、
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれた電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に対して供給する液体燃料を貯蔵する燃料収容部と、
前記燃料収容部の内部を照明する照明機構と、
を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、液体燃料の残量を容易に確認することが可能な燃料電池を提供することができる。

以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。

図１Ａ乃至図１Ｃは、この実施の形態に係る燃料電池１の外観を示す斜視図であり、図１Ａは燃料電池１の前面図であり、図１Ｂは燃料電池１の背面図であり、図１Ｃは燃料電池１の側面図である。図２は、図１Ａ乃至図１Ｃに示した燃料電池１の構成の一例を示すブロック図である。

すなわち、この実施の形態において、燃料電池１は、燃料電池１の起電部を構成する燃料電池セル２と、燃料電池セル２に対して燃料を供給する燃料供給機構３０と、を備えて構成されている。この燃料供給機構３０は、燃料電池セル２に対して供給する液体燃料を貯蔵する燃料収容部３を有している。また、この燃料電池１は、燃料収容部３の内部を照明する照明機構４を備えて構成されている。さらに、この燃料電池１は、各部の制御を司る制御部５、二次電池６、さらには、これらの燃料電池セル２、燃料収容部３を含む燃料供給機構３０、照明機構４、制御部５、二次電池６などを収容する筐体７などを備えて構成されている。

図３は、燃料電池セル２と燃料供給機構３０とを組み合わせた構成の一例を示す断面図である。ここで示した例では、燃料電池１において、燃料電池セル２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）４０を有している。

アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。

電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７はこれらに限られるものではない。

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層（集電体層）が積層される。これら導電層としては、例えば金（Ａｕ）のような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜または箔体、あるいはＳＵＳなどの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。

燃料供給機構３０は、燃料電池セル２のアノード（燃料極）１３側に配置され、燃料電池セル２のアノード１３に対して燃料を供給するものである。この燃料供給機構３０は、燃料供給部３１を備えている。また、この燃料供給機構３０は、燃料供給部３１に供給される液体燃料を貯蔵する燃料収容部３を備えている。燃料収容部３は、燃料電池セル２に対応した液体燃料を収容しており、液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が使用される。

燃料供給部３１と燃料収容部３とは、配管のような液体燃料の流路Ｐを介して接続されている。つまり、燃料供給部３１には、燃料収容部３から流路Ｐを介して液体燃料が導入される。流路Ｐは、燃料供給部３１や燃料収容部３と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部３１と燃料収容部３とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路Ｐであってもよい。

燃料供給部３１は、液体燃料が流路Ｐを介して注入される燃料注入口３２と、燃料注入口３２から注入された液体燃料やその気化成分を排出する燃料排出口３３と、燃料注入口３２と燃料排出口３３とを繋ぐ細管３４と、を有している。ここで示した燃料供給部３１の例では、燃料注入口３２及び燃料排出口３３は、それぞれ１箇所である。

なお、液体燃料を燃料収容部３から燃料供給部３１まで送る機構は特に限定されるものではない。例えば、使用時の設置場所が固定される場合には、重力を利用して液体燃料を燃料収容部３から燃料供給部３１まで落下させて送液することができる。また、多孔体等を充填した流路を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部３から燃料供給部３１まで送液することができる。

さらに、燃料収容部３から燃料供給部３１への送液はポンプで実施してもよい。この場合、例えば、燃料収容部３と燃料供給部３１との間の流路の途中にポンプを挿入した構成が適用可能である。この場合のポンプは、燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部３から燃料供給部３１に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプで必要時に液体燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。

ポンプの種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。

また、このようなポンプを適用した場合、ポンプの動作を制御する制御回路を追加しても良い。すなわち、燃料供給用（送液用）のポンプの制御は、燃料電池１の出力を参照して行うことが好ましい。このため、燃料電池１の出力を制御回路で検出し、この検出結果に基づいて制御回路からポンプに制御信号が送られる。ポンプは、制御回路から送られた制御信号に基づいてオン／オフが制御される。ポンプの動作は、燃料電池１の出力に加えて、温度情報や電力供給先である電子機器の運転状態情報等に基づいて制御することで、より安定した運転が達成できる。

さらに、燃料電池１としての安定性や信頼性を高めるために、ポンプと直列に燃料遮断バルブを配置しても良い。この場合、ポンプと燃料供給部３１との間の流路に燃料遮断バルブを挿入した構成が適用可能であるが、燃料遮断バルブはポンプと燃料供給部３１との間に設置しても機能上の支障はない。燃料遮断バルブとしては、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが使用される。燃料遮断バルブには、その大きさや駆動電力等の観点から、電磁石や圧電セラミックスを用いた電気駆動バルブを使用することが好ましい。さらに、燃料遮断バルブには、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブを使用することが好ましい。

さらに、燃料供給部３１から膜電極接合体４０への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。

また、燃料収容部３や流路に燃料収容部３内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着しても良い。

また、この実施の形態において、燃料電池１は、さらに、燃料電池セル２のカソード（空気極）１６側に配置されたカバープレート１８を備えている。つまり、燃料電池セル２は、燃料供給部３１とカバープレート１８との間に配置されている。カバープレート１８は、酸化剤である空気を取入れるための開口１８Ａを有している。なお、図３に示した例では、カバープレート１８とカソード１６との間には、保湿層２０が配置されているが省略しても良い。この保湿層２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進する機能を有している。

さらに、この実施の形態において、燃料電池１は、燃料電池セル２と燃料供給部３１、燃料供給機構３０との間に配置され燃料電池セル２をアノード１３側から支持する支持板４１を備えている。つまり、燃料電池セル２は、支持板４１とカバープレート１８との間に保持されている。この支持板４１は、燃料電池セル２と燃料供給機構３０との間に配置された状態において、燃料供給機構３０から供給された燃料を燃料電池セル２のアノード１３に供給するための開口部ＡＰを有している。つまり、この開口部ＡＰは、支持板４１において、燃料供給機構３０側から燃料電池セル２側まで貫通する貫通孔である。

なお、このような支持板４１は、省略しても良いが、これを適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、燃料電池セル２と燃料供給機構３０との間に支持板４１を配置したことにより、燃料排出口３３から燃料電池セル２までの距離を確保することができる。このため、燃料排出口３３から排出された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。これにより、アノード１３の面内における燃料の分布を平準化することが可能となり、燃料電池セル２での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。したがって、燃料電池１の大型化や複雑化等を招くことなく、燃料電池セル２で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池１の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させない燃料電池１の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。

また、支持板４１により燃料電池セル２を支持するとともに、支持板４１とカバープレート１８との間で燃料電池セル２を保持するため、燃料電池セル２、特に膜電極接合体の撓みなどの変形を抑制することができ、起電部と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。

さらに、この実施の形態において、燃料電池１は、燃料電池セル２と燃料供給機構３０との間に配置された少なくとも１つの多孔体４２を備えている。多孔体４２の構成材料としては、各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体４２として用いられる。このような多孔体４２は、複数の多孔膜を積層して配置してもよい。すなわち、主にある一方向への拡散性が高い多孔体と、これに交差する（あるいは直交する）方向への拡散性が高い多孔体とを組み合わせて適用しても良い。

なお、このような多孔体４２は、省略しても良いが、これを適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、多孔体４２を配置することによって、アノード１３に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料供給部３１の燃料排出口３３から排出された液体燃料は一旦多孔体４２に吸収され、多孔体４２の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体４２から支持板４１を介してアノード１３に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。

要するに、図３に示した例では、燃料電池１は、燃料供給機構３０を構成する燃料供給部３１の底面３５上に配置された多孔体４２、多孔体４２上に配置された支持板４１、支持板４１上に配置された膜電極接合体を含む燃料電池セル２、燃料電池セル２上に配置された保湿層２０を収容し、保湿層２０上に配置されたカバープレート１８によってこれらを保持している。電解質膜１７とカバープレート１８との間（図３に示した例では、電解質膜１７と保湿層２０との間）、及び、電解質膜１７と支持板４１との間には、それぞれゴム製のＯリングなどのシール材１９が介在しており、また、燃料供給部３１の底面３５と支持板４１との間にも同様のシール材ＳＥが介在しており、これらによって燃料電池セル２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

上述したような構成の燃料電池１においては、以下のようなプロセスによって発電する。

すなわち、燃料収容部３から流路Ｐを介して燃料注入口３２から燃料供給部３１に導入された液体燃料は、細管３４を経由して燃料排出口３３に導かれる。燃料排出口３３から排出された液体燃料は、気化するとともに広範囲にわたって拡散する。燃料電池セル２のアノード１３には、液体燃料の気化成分が供給される。

燃料電池セル２内において、燃料は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …(1)
この反応で生成した電子（ｅ^-）は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード１６に導かれる。また、(1)式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。

６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …(2)
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせると共に、燃料電池セル２の電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。

上述したような燃料電池１において、燃料収容部３は、略直方体状に形成され、貯蔵する液体燃料に対する耐性を有し、且つ光透過性を有する樹脂材料によって形成されている。例えば、液体燃料としてメタノールを適用する場合、燃料収容部３は、耐メタノール性を有することが望ましい。

このように、燃料収容部３が光透過性を有する樹脂材料によって形成されているため、その内部を外部から照明することが可能であるとともに内部に貯蔵されている液体燃料の残量を外部から確認（すなわち目視するまたは光学的に検知する）ことが可能となる。つまり、この実施の形態によれば、光透過性を有する燃料収容部３に対して、燃料収容部３の内部を照明する照明機構４を適用したことにより、燃料収容部３の内部に貯蔵される液体燃料の残量を容易に確認することができる。

また、燃料収容部３が筐体７に収容された構成においては、筐体７は、燃料収容部３の内部を目視可能とする窓部７Ａを有している。つまり、照明機構４による照明光は、燃料収容部３の内部を経由してその一部が窓部７Ａから透過する。このような透過光を目視することにより、燃料収容部３の内部の液体燃料の残量を確認することができる。

なお、ここで、光透過性を有する樹脂材料の透明性に関しては、ＪＩＳ Ｋ７１０５−１９８１の「プラスチックの光学的特性試験方法」に準拠する光線透過率測定試験において、測定される光線透過率に基づいて規定できる。この実施の形態における燃料収容部３を形成するのに適用される樹脂材料は、耐メタノール性を有していたとしても光線透過率が８５％未満の場合には燃料収容部３内の残量の視認性が低下することから、光線透過率が８５％以上であるものを適用することが望ましい。特に、この実施の形態で適用される樹脂材料としては、照明機構４による照明光の波長に対する光線透過率が８５％以上であることが望ましい。

耐メタノール性と光透過性とを満足する樹脂材料としては、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリフェニルサルホン（ＰＰＳＵ）などが挙げられる。

次に、上述した照明機構４の構成例について説明する。

図４に示した構成例においては、照明機構４は、燃料収容部３の側面３Ｓに対向するように配置された光源５１、この光源５１を支持する支持基板５２などを有している。このような構成例においては、光源５１と筐体７の窓部７Ａとが対向し、これらの間に燃料収容部３が介在している。すなわち、液体燃料Ｆの残量を確認するために筐体７を保持した状態（残量確認状態）で、光源５１の光軸は、貯蔵されている液体燃料Ｆの液面と略平行な方向を向いている。このため、光源５１から発光された光は、燃料収容部３を直線的に透過して（液体燃料Ｆが貯蔵されていれば、この液体燃料Ｆも含めて燃料収容部３を直線的に透過して）窓部７Ａを透過する。これにより、液体燃料Ｆの残量を確認することが可能となる。

図５に示した構成例においては、照明機構４は、燃料収容部３の底面３Ｂに対向するように配置された光源５１、この光源５１を支持する支持基板５２などを有している。このような構成例においては、残量確認状態で、光源５１の光軸は、貯蔵されている液体燃料Ｆの液面と交差する方向を向いている。

すなわち、光源５１からの光は、まず、燃料収容部３の底面３Ｂから内部に入射する。図６に示すように、燃料収容部３の内部に液体燃料Ｆが貯蔵されている場合には、燃料収容部３に入射した光は、液体燃料Ｆから空気層に向けて進行する。このとき、液体燃料Ｆの屈折率ｎＦは空気層の屈折率ｎＡよりも大きい。このため、燃料収容部３に入射した光が屈折率の異なる物質を通過する時、境界面（ここでは液面）において屈折するが、ある臨界角αを越えた入射角で入射された光は境界面を通過することができず、全て反射される。この液面で反射された光が窓部７Ａを透過することにより、液体燃料Ｆの残量を確認することが可能となる。

このように、燃料収容部３の底面３Ｂから光を照射する構成例においては、光の屈折・全反射を利用したものであり、残量確認状態において筐体７の水平方向から窓部７Ａを目視した場合、液体燃料Ｆの液面付近があたかも光って視認される。このため、図４に示したような構成例よりもさらに容易に液体燃料Ｆの残量を確認することができる。

これらの図４及び図５に示した構成例において、比較的指向性の高い発光ダイオード（ＬＥＤ）によって構成された光源５１を適用することが望ましい。このような光源５１を適用することにより、窓部７Ａから点状の光が目視可能となり、残量の視認性を向上することが可能となる。

なお、上述した燃料電池１及び燃料収容部３における底面とは、残量確認状態において、下方（すなわち重力方向）を向く面に相当し、また、側面とは、残量確認状態において、重力方向に沿って延在する面に相当し、平面に限らず曲面も含む。したがって、燃料電池１においては、図１Ａに示した前面や図１Ｂに示した背面も側面に相当する。筐体７において、窓部７Ａは側面に形成され、しかも、重力方向に延在するスリット状に形成されている。

次に、照明機構４の他の構成例について説明する。

図７及び図８に示した構成例においては、照明機構４は、光源５１及びこの光源５１を支持する支持基板５２に加え、光源５１から燃料収容部３までの光路中に配置された反射板及び拡散板の少なくとも１つを有している。すなわち、図７に示した構成例においては、光源５１は、燃料収容部３に対向することなく、その光軸が燃料収容部３の底面３Ｂに略平行な方向を向くように配置されている。そして、反射板及び拡散板の少なくとも１つからなる光学素子５３は、燃料収容部３の底面３Ｂに対向して配置されている。

この光学素子５３は、光源５１から発光された光を燃料収容部３の底面３Ｂに導く機能を有している。このため、光源５１からの光は、まず、光学素子５３により略直角方向に反射された後に燃料収容部３の底面３Ｂから入射し、図５の構成例と同様に液面において屈折した後、一部が液面にて全反射されて、窓部７Ａを透過する。これにより、液体燃料Ｆの残量を確認することが可能となる。

また、図８に示した構成例においては、光源５１は、燃料収容部３に対向することなく、その光軸が燃料収容部３の側面３Ｓに略平行な方向を向くように配置されている。そして、反射板及び拡散板の少なくとも１つからなる光学素子５３は、燃料収容部３の側面３Ｓに対向して配置されている。

この光学素子５３は、光源５１から発光された光を燃料収容部３の側面３Ｓに導く機能を有している。このため、光源５１からの光は、まず、光学素子５３により略直角方向に反射された後に燃料収容部３の側面３Ｓから入射し、図４の構成例と同様に燃料収容部３を直線的に透過して（液体燃料Ｆが貯蔵されていれば、この液体燃料Ｆも含めて燃料収容部３を直線的に透過して）窓部７Ａを透過する。これにより、液体燃料Ｆの残量を確認することが可能となる。

これらの図７及び図８に示した構成例においては、光源５１として発光ダイオードなどの点光源を適用した場合であっても、少なくとも拡散板としての機能を有する光学素子５３を適用することにより、光源５１からの光を発散させることができ、底面３Ｂもしくは側面３Ｓの広い範囲（略全面）を照明することが可能となる。また、光源５１の配置場所の設計も、より自由度が増すといった利点もある。

図９Ａ及び図９Ｂに示した構成例においては、照明機構４は、光源５１及びこの光源５１を支持する支持基板５２に加え、光源５１と燃料収容部３との間に配置されたレンズ５４を有している。すなわち、光源５１は、筐体７の窓部７Ａに対向するように配置され、これらの間に燃料収容部３が介在している。レンズ５４は、光源５１と燃料収容部３の側面３Ｓとの間に配置されている。

このレンズ５４は、燃料収容部３の側面３Ｓに対向する円筒面を有するとともに側面３Ｓに沿って円筒面の母線が延在するシリンドリカルレンズであり、光源５１から発光された光を発散する機能を有している。このため、光源５１からの光は、まず、レンズ５４により発散された後に燃料収容部３の側面３Ｓから入射し、図４の構成例と同様に燃料収容部３を直線的に透過して（液体燃料Ｆが貯蔵されていれば、この液体燃料Ｆも含めて燃料収容部３を直線的に透過して）窓部７Ａを透過する。これにより、液体燃料Ｆの残量を確認することが可能となる。

この構成例においては、光源５１として発光ダイオードなどの点光源を適用した場合であっても、発散機能を有するレンズ５４を適用することにより、側面３Ｓの広い範囲（略全面）を照明することが可能となる。また、光源５１の配置場所の設計も、より自由度が増すといった利点もある。

上述した実施の形態においては、燃料収容部３に貯蔵された液体燃料の残量を筐体７の窓部７Ａから目視により確認可能とする構成について説明したが、照明機構４によって照明された燃料収容部３の内部から出射された光に基づいて、燃料収容部３に貯蔵されている液体燃料の残量を電気的に検知する検知機構を備えてもよい。この検知機構としての機能は、例えば図２に示した制御部５が兼ね備えているものとする。

すなわち、この検知機構は、図１０に示すように、燃料収容部３の側面３Ｓに対向し且つ残量確認状態において検知対象である液体燃料の液面に対して交差する方向に沿って配置された複数の受光素子６１を有している。この受光素子６１としては、例えばフォトダイオードなどによって構成されている。なお、照明機構４の構成例としては、例えば図７に示した構成例が適用可能であるが、他の構成例と組み合わせてもよいことはいうまでもない。

このような構成においては、光源５１からの光は、まず、光学素子５３により略直角方向に反射された後に燃料収容部３の底面３Ｂから入射し、液面において屈折した後、その一部が液面にて全反射されて、いずれかの受光素子６１に入射する。制御部５では、これらの受光素子６１からの出力信号に基づいて、液体燃料Ｆの残量を検知する。

なお、検知機構は、図１１に示すように、これらの受光素子６１に加えて、受光素子間に遮光壁６２を有していても良い。これにより、受光素子６１による誤検知を抑制することができ、より高い精度で液体燃料Ｆの残量を検知可能となる。

以上説明した例では、照明機構４は、２以上の光源５１を有していても良い。また、この場合、照明機構４は、発光色が異なる複数の光源５１を有する構成であってもよい。このような構成により、多彩な色の照明光によって燃料収容部３を照明することが可能となる。例えば、図１０などを参照して説明したように、電気的に液体燃料の残量を検知する構成においては、液体燃料の残量に応じて照明光の色を変えても良い。

すなわち、図１２に示すように、照明機構４は、支持基板５２に支持された第１光源５１Ａ及び５１Ｂを有している。例えば、第１光源５１Ａは発光色が緑色の発光ダイオードによって構成され、第２光源５１Ｂは発光色が赤色の発光ダイオードによって構成されているものとする。

図１３Ａに示すように、液体燃料Ｆの残量が第１閾値レベルＡ以上であることが検知機構により検知された場合には、第１光源５１Ａのみが発光し、液面付近が緑色で視認可能となる。図１３Ｂに示すように、液体燃料Ｆの残量が第１閾値レベルＡを下回り第２閾値レベルＢ以上であることが検知機構により検知された場合には、第１光源５１Ａ及び第２光源５１Ｂが同時に発光し、液面付近が橙色で視認可能となる。図１３Ｃに示すように、液体燃料Ｆの残量が第２閾値レベルＢを下回ったことが検知機構により検知された場合には、第２光源５１Ｂのみが発光し、液面付近が赤色で視認可能となる。

次に、二次電池と燃料電池とを組み合わせて搭載した機器の構成例について説明する。なお、ここでは、二次電池としてリチウムイオン電池（ＬＩＢ）を適用した場合について説明するが、他の二次電池を適用してもよいことは言うまでもない。

このような構成例においては、二次電池の残量に応じて燃料収容部３を照明する照明光の色を変えてもよい。すなわち、図２に示した例では、制御部５は、二次電池６の残量を検知する検知機構としての機能を兼ね備えている。この検知機構としては、例えば、図１４に示すような構成の検知回路を有している。すなわち、予め決められた基準電圧を抵抗分割し、二次電池６の電圧と比較する比較器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…を有する検知回路において、比較器からの出力に応じてＭＰＵにより二次電池６の残量が検知される。

一方で、燃料収容部３の内部を照明する照明機構４は、図１２に示したように、支持基板５２に支持された第１光源５１Ａ及び５１Ｂを有している。例えば、第１光源５１Ａは発光色が緑色の発光ダイオードによって構成され、第２光源５１Ｂは発光色が赤色の発光ダイオードによって構成されているものとする。

図１５に示すように、二次電池６の残量が第１閾値レベルＡ以上であることが検知機構により検知された場合には、第１光源５１Ａのみが発光し、液体燃料の液面付近が緑色で視認可能となる。また、二次電池６の残量が第１閾値レベルＡを下回り第２閾値レベルＢ以上であることが検知機構により検知された場合には、第１光源５１Ａ及び第２光源５１Ｂが同時に発光し、液体燃料の液面付近が橙色で視認可能となる。さらに、二次電池６の残量が第２閾値レベルＢを下回り第３閾値レベルＣ以上であることが検知機構により検知された場合には、第２光源５１Ｂのみが発光し、液体燃料の液面付近が赤色で視認可能となる。

つまり、二次電池と燃料電池とを搭載した機器を利用するユーザは、両方の電池の残量を確認する必要がある。各電池に対応して残量を確認するためのインジケータなどを設けることも考えられるが、本構成例によれば、窓部７Ａを目視した際に、液体燃料の液面を視認することにより液体燃料の残量を確認できると同時に、液体燃料の液面付近の照明光の色を視認することにより二次電池の残量を確認できる。

上述した各実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。各実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に適用することが好ましい。

なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組合せたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

また、本発明の直接メタノール型燃料電池は、パッシブ方式やアクティブ方式のいずれの燃料電池に適用してもよい。

図１Ａは、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の前面図である。 図１Ｂは、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の背面図である。 図１Ｃは、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の側面図である。 図２は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構成の一例を示す図である。 図３は、図２に示した燃料電池セルと燃料供給機構とを組み合わせた構成の一例を示す断面図である。 図４は、図２に示した照明機構に適用可能な構成例を示す図である。 図５は、図２に示した照明機構に適用可能な他の構成例を示す図である。 図６は、図５に示した照明機構における照明光の全反射を説明するための図である。 図７は、図２に示した照明機構に適用可能な他の構成例を示す図である。 図８は、図２に示した照明機構に適用可能な他の構成例を示す図である。 図９Ａは、図２に示した照明機構に適用可能な他の構成例を示す図である。 図９Ｂは、図９Ａに示した照明機構の平面図である。 図１０は、液体燃料の残量を電気的に検知する検知機構の構成例を示す図である。 図１１は、液体燃料の残量を電気的に検知する検知機構の他の構成例を示す図である。 図１２は、図２に示した照明機構に適用可能な他の構成例を示す図である。 図１３Ａは、図１２に示した照明機構により照明された液体燃料の液面付近の様子を示す図である。 図１３Ｂは、図１２に示した照明機構により照明された液体燃料の液面付近の様子を示す図である。 図１３Ｃは、図１２に示した照明機構により照明された液体燃料の液面付近の様子を示す図である。 図１４は、二次電池の残量を電気的に検知する検知機構の構成例を示す図である。 図１５は、図１４に示した検知機構により検知される二次電池の電圧と二次電圧の残量との関係の一例を示す図である。

符号の説明

Ｐ…流路 Ｆ…液体燃料 １…燃料電池 ２…燃料電池セル ３…燃料収容部 ３Ｓ…側面 ３Ｂ…底面 ４…照明機構 ５…制御部 ６…二次電池 ７…筐体 ７Ａ…窓部
１１…アノード触媒層 １２…アノードガス拡散層 １３…アノード １４…カソード触媒層 １５…カソードガス拡散層 １６…カソード １７…電解質膜 １８…カバープレート
３０…燃料供給機構 ３１…燃料供給部
５１…光源 ５１Ａ…第１光源 ５１Ｂ…第２光源 ５２…支持基板 ５３…光学素子 ５４…レンズ ６１…受光素子 ６２…遮光壁

Claims (12)

1. 燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれた電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体に対して供給する液体燃料を貯蔵する燃料収容部と、
   前記燃料収容部の内部を照明する照明機構と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記照明機構は、前記燃料収容部の側面もしくは底面に対向するように配置された光源を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記照明機構は、前記光源と前記燃料収容部との間に配置されたレンズ、前記光源から前記燃料収容部までの光路に配置された反射板もしくは拡散板の少なくとも１つを有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. さらに、前記照明機構によって照明された前記燃料収容部の内部から出射された光に基づき、前記燃料収容部に貯蔵されている液体燃料の残量を検知する検知機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記検知機構は、前記燃料収容部の側面に対向しかつ残量を検知する液体燃料の液面に対して交差する方向に沿って配置された複数の受光素子を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記検知機構は、前記受光素子間に遮光壁を有することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記照明機構は、前記検知機構によって検知された残量が所定値以上である場合に第１発光色で発光する第１光源と、前記検知機構によって検知された残量が所定値を下回った場合に第１発光色とは異なる第２発光色で発光する第２光源と、を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
8. 前記照明機構は、発光ダイオードによって構成された光源を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
9. さらに、前記燃料収容部を収容するとともに前記燃料収容部の内部を目視可能とする窓部を有する筐体を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
10. さらに、二次電池の残量を検知する検知機構を備え、
    前記照明機構は、前記検知機構によって検知された残量が所定値以上である場合に第１発光色で発光する第１光源と、前記検知機構によって検知された残量が所定値を下回った場合に第１発光色とは異なる第２発光色で発光する第２光源と、を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
11. 前記燃料は、メタノール燃料であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
12. 前記メタノール燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。

Images