JP2009123443A

JP2009123443A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2009123443A
Application number: JP2007294715A
Authority: JP
Inventors: Motoi Goto; 基伊後藤; Yasuhito Takeda; 泰人武田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-11-13
Filing date: 2007-11-13
Publication date: 2009-06-04

Abstract

【課題】実装スペースを最小限に抑え、反応空間内の圧力を高精度に検出して燃料の供給流量を制御することができる小型化に有効な燃料電池を提供する。
【解決手段】カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に挟持されて電解質膜とを有する膜電極接合体を備える起電部と、膜電極接合体のアノード側に配置されアノードに燃料を供給する燃料供給機構と、燃料を収容すると共に燃料供給機構と流路を介して接続された燃料収容部を備えた燃料電池であって、前記起電部のアノード側において燃料が発電反応する反応空間66の圧力を検出する圧力測定部41を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電子機器の動作に有効な燃料電池に関する。

近時、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の各種電子機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、燃料電池をこれらの小型機器用の電源に用いることが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができ、燃料のみを補充・交換すれば連続して発電できるという利点を有している。このため、小型化ができれば携帯電子機器の作動に極めて有利なシステムといえる。特に直接メタノール燃料電池（DMFC；Direct Methanol Fuel Cell）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、小型化が可能であり、また燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから小型機器用電源として有望であることから、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機、ノートパソコンなどのコードレス携帯電子機器に最適な電源としてその実用化が期待されている。

DMFCの燃料の供給方法としては、液体燃料を気化してからブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型DMFC、液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に送り込む液体供給型DMFC、および液体燃料をセル内で気化させる内部気化型DMFCが知られている。このうち内部気化型DMFCは、アノード、カソード、プロトン伝導性の電解質膜からなる膜電極接合体（MEA；Membrane Electrode Assembly）と、液体燃料を収容する燃料収容室と、アノードと燃料収容室との間に配置された気化室と、燃料収容室と気化室との間を仕切る気液分離膜とを備えている。

内部気化型DMFCでは、燃料室に注入された液体燃料が気化した燃料ガス（メタノール蒸気）は、気液分離膜を透過し、気化室中を拡散してアノードに供給される。アノードでは、下式（１）の反応に従って、燃料ガスと水とが電気化学反応を生じて二酸化炭素（CO₂）とプロトン（H⁺；水素イオンともいう）と電子（ｅ⁻）を生じ、アノードで生じたプロトンはプロトン伝導性の電解質膜を透過してカソードに拡散する。カソードでは下式（２）の反応に従って、大気中の酸素（O₂）と、プロトン伝導性膜を透過してきたプロトンと、アノードから外部回路を通ってカソードに流れてきた電子とが電気化学反応を生じて水（H₂O）を生成する。カソードで生成した水は、一部がプロトン伝導性膜を通してアノードに拡散し、式（１）の反応に使われる。このようにして、外部から水を補給することなくアノードとカソードにおいて継続して反応を生じさせることができる。

CH₃OH＋H₂O → CO₂＋6H⁺＋6e⁻ …（１）
O₂＋4H⁺＋4e⁻ → 2H₂O …（２）
上式（１）（２）の発電反応を効率良く進行させるためには、発電部に対する燃料の供給流量を過不足なく最適範囲にコントロールする必要がある。そこで燃料の供給流量を制御するために種々の提案がなされている。例えば特許文献１の燃料電池では、燃料容器からポンプに至るまでの流路に圧力センサを取り付けて流路内の圧力を検出し、その検出圧力値が目標圧力値に近づくように圧力調整弁の開度を調整している。
特開２００５−１６６３５５号公報

しかしながら、従来の燃料電池においては、ポンプに加えてさらに圧力センサを燃料流路に取り付けることから、全体として装置が大型化し、携帯電子機器用の電源としての小型化の要請に反するという問題点がある。また、従来の燃料電池の圧力センサは、実際に発電反応を行なう発電部（膜電極接合体）から離れたところで圧力を検出するため、直接的なものではなく間接的なものであり、発電反応の実態を正確に反映するものではない。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、実装スペースを最小限に抑えるとともに、反応空間内の圧力を高精度に検出して燃料の供給流量を制御することができる小型化に有効な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、カソードと、アノードと、前記カソードとアノードとの間に挟持されて電解質膜とを有する膜電極接合体を備える起電部と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、燃料を収容すると共に前記燃料供給機構と流路を介して接続された燃料収容部を備えた燃料電池であって、前記起電部のアノード側において燃料が発電反応する反応空間の圧力を検出する圧力測定部を有することを特徴とする。

本発明において、圧力測定部は、反応空間に取り付けられ、前記反応空間の圧力を受けて変位する受動端子と、前記受動端子を付勢して変位可能に支持する付勢部材と、前記受動端子の変位量を検出するセンサと、前記センサから送られる信号を電気信号に変換する光電変換部を有する回路基板と、を有することができる。

これらの要素のうち受動端子と付勢部材は、例えばフッ素系樹脂、またはフッ素系樹脂により被覆されたコーティング材料を用いてつくられていることが好ましい。受動端子および付勢部材は、反応空間において燃料の蒸気雰囲気と直接接触するため、反応系に有害な金属イオンが溶け出さないようにする必要があるからである。

センサは、受動端子の変位量を受動端子とは非接触の状態で光学的に検出する光センサであることが望ましいが、受動端子と直接接触してその変位量を検出するタッチセンサであってもよい。非接触型の変位センサには図１に示すフォトインタラプターの他に、例えば特開２００３−１３０６９６号公報に記載されているように付勢部材と組み合わせた構造の変位センサを用いることもできる。なお、変位センサと付勢部材とを組み合せた圧力測定部の代わりに、特開２００１−３３０４８４号公報に記載された渦流量計を用いて燃料の流れに生じるカルマン渦による捻じりの交番力を検出することにより流量を測定することも考えられるが、小型機器の細い流路や隙間での高精度の計測は難しく、実用的ではない。

また、本発明では、圧力測定部で検出された圧力検出信号に基づいて前記反応空間の圧力を発電反応に適正な範囲とする燃料の供給制御量を求め、求めた燃料の前記供給制御量に対応して燃料収容部から燃料供給機構への燃料の供給量を制御する制御手段をさらに有することが好ましい。

また、本発明では、あらかじめ設定された反応空間の圧力と発電反応に適正な範囲とする燃料の供給制御量との関係、前記圧力測定部で検出された圧力検出信号と前記関係に基づいて前記反応空間の圧力を発電反応に適正な範囲とする燃料の供給制御量を求め、求めた燃料の供給制御量に対応して燃料収容部から燃料供給機構への燃料の供給量を制御する制御手段をさらに有することが好ましい。

さらに、制御手段は、センサによって検出された反応空間の検出圧力を監視するための表示部を有することが好ましい。検出圧力の値を表示部の画面にその都度表示することにより、反応空間の圧力を常にリアルタイムで監視することができる。

本発明によれば、圧力測定部を増設するにもかかわらず実装スペースを可能な限り小さく抑えることができ、かつ反応空間の検出圧力に基づいて燃料流量を発電に最適の範囲に制御できる燃料電池が提供される。すなわち本発明の燃料電池では、主な背圧発生源となる発電部（主要部として膜電極接合体を含む）の内圧の変化を圧力測定部で検出することにより燃料輸送量を算出することが可能になり、小型流量計としての機能を得ることができる。また、本発明の燃料電池では、常時、反応系内の圧力変化を監視し、検出圧力に基づく燃料流量のフィードバック制御により電池の安定した動作性能を保つことができる。これらの効果を有する本発明の燃料電池は、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機、ノートパソコンなどのコードレス携帯電子機器に内蔵して用いられる小型の電源として最適なものである。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。

先ず、燃料電池システムの全体概要について図１と図２を参照して説明する。燃料電池１は、直接メタノール燃料電池（DMFC）として発電出力する燃料電池部と、燃料電池部の補助電源として機能する二次電池部（図示せず）とを備えている。燃料電池部は、燃料電池１、燃料収容部８１およびポンプ４９を備えている。二次電池部は、制御部４６およびリチウム二次電池（図示せず）を備えている。ポンプ４９は燃料収容部８１から燃料電池１まで間の流路８３に設けられ、図示しないリチウム二次電池を電源として制御部４６により動作を制御されるようになっている。

図１および図２に示すように、燃料電池１は、膜電極接合体(MEA)３を含むセル構造体と、燃料収容部８１およびバランスバルブ９０を具備する燃料供給源８０と、バルブ４８およびポンプ４９が取り付けられた燃料流路８３と、燃料８２を燃料供給源８０からMEA３に分配供給する燃料分配機構７と、制御部４６とを備えている。本実施形態の燃料電池１では、燃料分配機構７からMEA３に供給された燃料８２は発電反応に消費されてしまい、その後に循環して燃料分配機構７あるいは燃料収容部８０に戻されることはない。このタイプの燃料電池１は燃料を循環させないことから、従来のアクティブ方式とは異なる方式であり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ４９を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なるため、この方式の燃料電池１はいわばセミパッシブ型と呼ぶことができる。

燃料電池１を含むシステムは全体が制御部４６によって統括的に制御されるようになっている。すなわち、制御部４６は、各種センサからの入力信号に基づいてバルブ４８の開閉動作やポンプ４９の起動・停止動作などをコントロールする。各種センサのなかには後述する圧力測定部４１の光センサ４４が含まれる。

燃料電池１のセル構造体は、例えば形状が矩形状であり、MEA３、集電体４、燃料極支持板６、燃料分配機構７、バックカバー９、気液分離膜１４、およびフロントカバー１５を有している。MEA３は、燃料極としてのアノード２１と、空気極としてのカソード２４と、アノード２１及びカソード２４間に挟持された電解質膜２７とを含んでいる。さらに、アノード２１はアノード触媒層２２およびアノードガス拡散層２３を有し、カソード２４はカソード触媒層２５およびカソードガス拡散層２６を有する。これらの積層されたアノード２１、カソード２４および電解質膜２７は上述した式（１）、（２）の反応を生じさせる発電素子として機能するものである。

アノード触媒層２２やカソード触媒層２５に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、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２２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２５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２７はプロトン導電膜である。電解質膜２７は、アノード触媒層２２において発生したプロトンをカソード触媒層２５に輸送するためのものである。電解質膜２７は、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能なプロトン伝導性の材料で形成されている。

電解質膜２７を形成する材料としては、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、プロトン伝導性の材料はこれらに限られるものではない。

アノードガス拡散層２３は、アノード触媒層２２に燃料を均一に供給する役割を果たし、アノード触媒層２２の集電機能を有している。カソードガス拡散層２６は、カソード触媒層２５に酸化剤を均一に供給する役割を果たし、カソード触媒層２５の集機能を有している。アノードガス拡散層２３およびカソードガス拡散層２６は多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層２３およびカソードガス拡散層２６の触媒層と接する面と反対側の面にはアノード集電体３１およびカソード集電体３７を有している。アノード集電体３１およびカソード集電体３７は、例えば、金、ニッケル等の金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）又は箔体、あるいはステンレス鋼（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をそれぞれ使用することができる。

燃料電池１内のMEA３は、絶縁性のＯリング（シール材）３８，３９によって液密にシールされている。これらのＯリング３８，３９によって燃料電池１の内部に種々のスペースや間隙が形成されている。

アノード集電体３１は、MEA３の形状に対応し、例えば互いに電気的に絶縁された４つの短冊状電極の集合体で構成される。これらの短冊状電極の各々は複数の燃料通過孔を有している。同様に、カソード集電体３４は、MEA３の形状に対応し、例えば互いに電気的に絶縁された４つの短冊状電極の集合体である。これらも同様に複数の燃料通過孔を有している。これらアノード集電体３１およびカソード集電体３４により、MEA３を構成する各単セルを直列接続する。

一対のＯリング（シール材）３８，３９は、MEA３からの燃料の漏れを防止する機能を有し、絶縁材料、例えばゴムを用いて形成されている。シール材３８は、アノード集電体３１の外周を囲むよう枠状に形成され、ている。Ｏリング（シール材）３９は、カソード集電体３７の外周を囲むよう枠状に形成されている。

本実施例においては、MEA３と燃料分配機構７との間に気液分離膜１４を設けることにより、燃料の気化成分が燃料通過孔（図示せず）を通ってアノードガス拡散層２３及びアノード触媒層２２に供給されるようになっている。

酸化剤としての空気は、フロントカバー１５の通気孔（図示せず）を通ってカソードガス拡散層２６およびカソード触媒層２５に供給される。

燃料極支持板６は、板状に形成されている。燃料極支持板６は、矩形状の板部５１を有している。板部５１は、アノード２１と燃料分配機構７との間に挟持されている。板部５１は、矩形状の上壁と、上壁の周縁部に設けられた矩形枠状の周壁とを有している。本実施形態において、例えば、板部５１は、幅が４５ｍｍ、長さが８５ｍｍである。板部５１（上壁＋周壁）の厚みは２ｍｍである。

板部５１は、燃料分配機構７側に設けられているとともに燃料供給部側（本実施の形態ではバックカバー９）に向かって開放した凹部５４を有している。凹部５４は、上壁及び周壁により形成されている。本実施形態において、例えば、凹部５４は、幅が３５ｍｍ、長さが７５ｍｍ、厚みが０．５ｍｍである。凹部５４の面積と、発電領域の面積との比は約０．８８である。凹部５４は発電領域に８８％以上重なっている。

板部５１は、アノード２１に燃料を通過させるための複数の燃料通過孔（図示せず）を有している。これらの燃料通過孔は、マトリクス状に配置され、凹部５４が形成された領域を含んで形成されている。本実施形態では、燃料通過孔は、凹部５４に重なった上壁に形成されるとともに、凹部５４の周縁を越えた周壁の内側にも形成されている。

燃料分配機構７は流露８３に接続された燃料注入口６３を有し、燃料分配板６１には複数の燃料通過孔６４が形成されている。燃料注入口６３より燃料分配機構７に導入された液体燃料８２は、これらの燃料通過孔６４を通って液体燃料８２が気液分離膜１４に分配供給されるようになっている。燃料極支持板６には、気液分離膜１４を通過した液体燃料８２の気化成分が供給される。燃料極支持板６は凹部５４を有している。凹部５４により燃料極支持板６内部に空間が形成されるため、液体燃料８２の気化成分の面方向への拡散は促進される。これにより、液体燃料８２の気化成分は燃料通過孔（図示せず）を均一に通ってアノード２１に均一に供給される。これにより出力が向上するとともに、出力の安定性が高まる。

ポンプ４９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、電気浸透流ポンプ（ＥＯポンプ）、ロータリーポンプ（ロータリーベーンポンプ）、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。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。ロータリーポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。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。

燃料供給源８０は、燃料収容部８１や流路８３に燃料収容部８１内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブ９０を備えていることが好ましい。バランスバルブ９０は、燃料収容部８１内の圧力に応じてバルブ可動片９１を動作させるスプリング９２と、バルブ可動片９１をシールして閉状態とするシール部９３とを有している。

燃料収容部８１から液体燃料が燃料分配機構７に供給され、燃料収容部８１の内圧が減圧状態になると、バランスバルブ９０のバルブ可動片９１が外圧を受け、スプリング９２の反発力に打ち勝ってシール部９３が開放される。このバランスバルブ９０の開放状態に基づいて、外気が内外圧力差を減少するよう導入される。内外の圧力差が解消されると、再度バルブ可動片９１が移動し、シール部９３が内壁に押し付けられて、バルブ９０内が密閉される。

このように動作するバランスバルブ９０を燃料供給源８０に設置することによって、液体燃料の供給に伴って発生する燃料収容部８１の内圧低下に起因する送液量の変動を抑制することができる。すなわち、燃料収容部８１内が減圧状態になると、ポンプ４９による液体燃料の吸い込みが不安定になり、送液量が変動しやすくなる。このような送液量の変動をバランスバルブ９０により解消することができる。従って、燃料電池１の動作安定性を向上させることが可能となる。

さらに、燃料電池としての安定性や信頼性を高めるために、燃料流路８３においてポンプ４９と直列に遮断バルブ４８が取付けられていることが好ましい。遮断バルブ４８は、制御部４６によりオンオフ制御され、弁体が開閉されるものである。なお、遮断バルブ４８は、ポンプ４９と燃料供給源８０との間に配置するようにしても機能上の支障はない。

液体燃料としては、液体のメタノール等のメタノール燃料、またはメタノール水溶液を用いることができる。ここで、液体燃料の気化成分とは、液体燃料として液体のメタノールを使用した場合、気化したメタノールを意味し、液体燃料としてメタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合ガスを意味するものとする。なお、液体燃料としては、必ずしもメタノール燃料に限られるものではなく、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、もしくは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。特に燃料濃度が８０モル％を超えるメタノール水溶液または純メタノール液であることが好適である。

次に、圧力測定部４１について説明する。

図２に示すように、圧力測定部４１は、燃料と酸化剤が式（１）（２）に従って発電反応を生じる反応空間６６、例えばMEA３のカソードガス拡散層２３に取り付けられている。圧力測定部４１からの信号線は制御部４６の入力側に接続されている。反応空間６６は、発電部５０においてMEA３のカソード２１側およびその周辺領域に広がるスペースをいうものとする。

図１に示すように、圧力測定部４１は、付勢部材としてのスプリング４２、回路基板４３、光センサ４４および受動端子４５を有している。また、制御部４６は、液晶表示装置のような表示部４７を備えている。

受動端子４５は、反応空間６６の圧力を受ける端子であり、スプリング４２によって付勢されている。電極反応（１）（２）により発生する反応ガスにより反応空間６６の内圧が上昇すると、受動端子４５が押されてスプリング４２が圧縮し、受動端子４５が移動する。この受動端子４５の位置（動き）を光センサ４４が検出し、検出した光信号を回路基板４３により電気信号に変換して制御部４６に送る。制御部４６は、圧力測定部４１から送られてくる検出信号に基づいて反応空間６６の圧力と燃料の流量を演算により求め、求めた圧力（圧力の変化）および燃料の流量（反応に最適の燃料流量）を表示部４７の画面に表示させる。

なお、受動端子の変位を検出するためのセンサとして、特開２００３−１３０６９６号公報に記載された構造のものを用いることもできる。また、受動端子の変位を検出するためのセンサとして、特開２００１−３３０４８４号公報に記載されているような捻じりの交番力を検出する渦流量計を用いることもできる。

次に、図３を参照して本実施形態の燃料電池の制御方法について説明する。

先ず圧力測定部４１によりMEA３が配置された反応空間６６の内圧を確認する。（工程Ｓ１）。この内圧確認工程Ｓ１では、反応空間６６の内圧が確認されると、制御部４６および表示部４７において所定の表示動作が開始される。表示部４７に圧力と流量をそれぞれ表示させるために、工程Ｓ７〜Ｓ９を実施する。すなわち、制御部４６は、圧力情報を読み取り（工程Ｓ７）、その圧力情報をモニター画面上の所定の表示領域に表示するとともに（工程Ｓ９）、読み取った圧力情報を流量に換算し（工程Ｓ８）、その換算流量を表示部４７のモニター画面上の他の表示領域に表示させる（工程Ｓ９）。

内圧確認工程Ｓ１が終了すると、次に異常値判定工程Ｓ２を実施する。工程Ｓ２の判定がＮＯのときは、工程Ｓ１に戻り、反応空間６６の内圧を再度確認する。一方、工程Ｓ２の判定がＹＥＳのときは、次工程Ｓ３に進み、検出した圧力の高低を確認する。

次いで、圧力検出値Ｐdが基準値Ｐsに比べて高いか、または基準値Ｐsに比べて低いか（又は等しいか）を判定する（工程Ｓ４）。工程Ｓ４の判定において検出値Ｐdのほうが基準値Ｐsよりも高い（Ｐs＜Ｐd）ときは、制御部４６はポンプ４９への給電量をマイナス制御して燃料供給量を減少させる（工程Ｓ５）。一方、工程Ｓ４の判定において検出値Ｐdのほうが基準値Ｐsよりも低いか又は等しい（Ｐs≧Ｐd）ときは、制御部４６はポンプ４９への給電量をプラス制御して燃料供給量を増加させる（工程Ｓ６）。これらのフィードバック制御を行った後は、工程Ｓ１に戻り、上述した動作を繰り返す。

ここで「基準値」とは、測定対象となる燃料電池において定常運転している場合であって、室温・大気圧の条件下でMEA３のスペースに存在する気化燃料に起因して生じる圧力のことをいう。なお、図３には示していないが、圧力高低確認工程Ｓ３において基準値と比べて高いか低いかを確認した判定情報を内圧確認情報と同様にモニター画面に表示させるようにしてもよい。

図４は横軸にポンプ背圧Ｐ（相対値）をとり、縦軸にポンプ駆動により供給される燃料の流量Ｑ（相対百分率％）をとって、各種の燃料供給方式における背圧Ｐと流量Ｑの関係を示す特性線図である。図中の特性線ＡはＡ駆動方式のポンプのＰＱ特性線を、特性線Ｂは電気浸透駆動方式のＥＯポンプのＰＱ特性線を、特性線ＣはＣ駆動方式のポンプのＰＱ特性線をそれぞれ示す。図４に示すように、ポンプの駆動方式が異なると、それに応じて圧力−流量特性（ＰＱ特性）も異なるものになる。すなわち、ポンプ輸送の対象流体が気相単体あるいは気液混合相のような圧縮性の流体である場合は、図中の特性線Ａに示すようなＰＱ特性を有する。一方、ポンプ輸送の対象流体が液相単体のような非圧縮性の流体である場合は、図中の特性線Ｂ、Ｃに示すようなＰＱ特性を有する。前者では、低圧領域において流量Ｑの変化（減少）が大きく、中圧・高圧領域では流量Ｑの変化が小さい。後者では、低圧領域から高圧領域に至る全圧力領域においてポンプ背圧の上昇に伴い流量Ｑが反比例的に減少する。

ポンプ４９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、電気浸透流ポンプ（ＥＯポンプ）、ロータリーポンプ（ロータリーベーンポンプ）、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。さらに、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。

燃料分配機構７から放出された燃料は、上述したようにMEA３のアノード２１に供給される。MEA３内において、燃料はアノードガス拡散層２３にて拡散してアノード触媒層２２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２２で上述した式（１）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２５で生成した水や電解質膜２７中の水をメタノールと反応させて上式（１）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。

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２４に導かれる。また、上式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は電解質膜２７を経てカソードに導かれる。カソード２４には酸化剤として空気が供給される。カソード２４に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層２５で空気中の酸素と上式（２）にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。

以上、種々の実施の形態を挙げて説明したが、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、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てもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、燃料拡散供給部７からMEA３への燃料供給が行われる構成であればポンプ４９を使用せず遮断バルブ４８のみの構成とすることも可能である。この場合には、遮断バルブ４８は、流路８３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。

膜電極接合体へ供給される液体燃料の蒸気においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成ブロック図。燃料電池システムの要部を示す内部透視断面図。本発明の実施形態に係る燃料電池の制御方法を示すフローチャート。各種燃料供給方式における背圧Ｐと流量Ｑの関係を示す特性線図。

符号の説明

１…燃料電池、３…膜電極接合体、６…燃料極支持板、７…燃料分配機構、
１３…シール材、１４…気液分離膜、１５…フロントカバー、
２１…アノード、２２…アノード触媒層、２３…アノードガス拡散層、２４…カソード、２５…カソード触媒層、２６…カソードガス拡散層、２７…電解質膜、３０…導電層、３１…アノード集電体、３２…燃料通過孔、３４…カソード集電体、３５…通気孔、３８，３９…Ｏリング（シール材）、
４１…圧力測定部、４２…スプリング、４３…回路基板、４４…光センサ、４５…受動端子、
４６…制御部、４７…表示部、４８…遮断バルブ、４９…ポンプ、５１…板部、６１…燃料分配板、６３…燃料注入口、６４…燃料通過口、６５…管部、６６…反応空間、
７１…カバープレート、７２…通気孔、８０…燃料供給源、８１…燃料収容部、８２…液体燃料、８３…流路、９０…バランスバルブ。

Claims

カソードと、アノードと、前記カソードとアノードとの間に挟持されて電解質膜とを有する膜電極接合体を備える起電部と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、燃料を収容すると共に前記燃料供給機構と流路を介して接続された燃料収容部を備えた燃料電池であって、
前記起電部のアノード側において燃料が発電反応する反応空間の圧力を検出する圧力測定部を有することを特徴とする燃料電池。
前記圧力測定部は、前記反応空間に取り付けられ、前記反応空間の圧力を受けて変位する受動端子と、前記受動端子を付勢して変位可能に支持する付勢部材と、前記受動端子の変位量を検出するセンサと、前記センサから送られる信号を電気信号に変換する光電変換部を有する回路基板と、を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記圧力測定部で検出された圧力検出信号に基づいて前記反応空間の圧力を発電反応に適正な範囲とする燃料の供給制御量を求め、求めた燃料の供給制御量に対応して前記燃料収容部から燃料供給機構への燃料の供給量を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
あらかじめ設定された前記反応空間の圧力と発電反応に適正な範囲とする燃料の供給制御量との関係を把握し、前記圧力測定部で検出された圧力検出信号と前記関係とに基づいて前記反応空間の圧力を発電反応に適正な範囲とする燃料の供給制御量を求め、求めた燃料の供給制御量に対応して前記燃料収容部から燃料供給機構への燃料の供給量を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
前記制御手段は、前記センサによって検出された前記反応空間の検出圧力を監視するための表示部を有することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池。
前記受動端子および付勢部材は、フッ素系樹脂、またはフッ素系樹脂により被覆されたコーティング材料より構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。