JP3742385B2 - 直接型メタノール燃料電池システム、携帯用電子機器及び直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法 - Google Patents
直接型メタノール燃料電池システム、携帯用電子機器及び直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3742385B2 JP3742385B2 JP2002377053A JP2002377053A JP3742385B2 JP 3742385 B2 JP3742385 B2 JP 3742385B2 JP 2002377053 A JP2002377053 A JP 2002377053A JP 2002377053 A JP2002377053 A JP 2002377053A JP 3742385 B2 JP3742385 B2 JP 3742385B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- liquid fuel
- liquid
- fuel
- concentration
- storage tank
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1009—Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
- H01M8/1011—Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Loading And Unloading Of Fuel Tanks Or Ships (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接型メタノール燃料電池システムと、この直接型メタノール燃料電池システムを備える携帯用電子機器と、直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報化社会を支える携帯用電子機器の電源として、あるいは大気汚染や地球温暖化に対処するための電源として、燃料電池に対する期待が高まっている。
【０００３】
燃料電池のなかでも、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、改質器が不要であり燃料容積が少なくて済む、という特性により携帯用電子機器への応用も考えられ、多方面への応用の期待が高まりつつある。
【０００４】
特開２００１−９３５５１号公報には、直接型メタノール燃料電池の液体燃料収容容器を着脱交換可能な容器あるいは液体燃料を補充可能な容器にすることによって、燃料電池の小型化を図りつつ、長時間駆動が可能になることが記載されている。
【０００５】
上述した公開公報に記載されたような直接型メタノール燃料電池を携帯用パーソナルコンピュータのような携帯用電子機器の電源として使用する場合、液体燃料収容容器内の残存量が少なくなったら電子機器の運転を退避運転に移行させ、携帯用電子機器に内蔵されているメモリ等のハードディスクにダメージを与えることなく電源をオフにする機構が必要である。退避運転を行なうために必要な残存量は、使用する電子機器の種類により異なるが、通常、数ｃｃ程度である。
【０００６】
残存量の検出には、例えば、光学的手法を用いた液面センサが使用されているが、数ｃｃ程度の量についての測定精度が低いため、残存量が少ないにもかかわらず、退避運転に移行することなく通常運転が続けられ、液体燃料の枯渇により燃料電池の発電が中断されて電子機器に損傷を与えるという問題点を生じる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−９３５５１号公報（段落［００４６］〜［００４７］）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、液体燃料の残存量が設定量以下であることを高精度で検出する直接型メタノール燃料電池システムと、この直接型メタノール燃料電池システムを備える携帯用電子機器とを提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、高精度な直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の直接型メタノール燃料電池システムは、アノード極と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間に配置される電解質膜と、メタノールを含む液体燃料を収容するために設けられ、前記アノード極に前記液体燃料を供給する供給タンクとを具備する燃料電池本体と、
前記液体燃料に比して高濃度でメタノールを含有する高濃度液体燃料を収容するための第２の液体燃料貯蔵タンクと、
前記第２の液体燃料貯蔵タンクに接続された第１の液体燃料貯蔵タンクと、
前記第１の液体燃料貯蔵タンクから前記燃料電池本体の前記供給タンクへ前記高濃度液体燃料を送液する送液ポンプと、
前記第１の液体燃料貯蔵タンク内の前記高濃度液体燃料の液量減少を検出する液量変化検出機構と、
前記第２の液体燃料貯蔵タンク内の前記高濃度液体燃料の残存量を計測する残存量計測手段と
を具備することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明に係る第２の直接型メタノール燃料電池システムは、アノード極と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間に配置される電解質膜と、メタノールを含む液体燃料を収容するために設けられ、前記アノード極に前記液体燃料を供給する供給タンクとを具備する燃料電池本体と、
前記液体燃料に比して高濃度でメタノールを含有する高濃度液体燃料を収容するための第２の液体燃料貯蔵部と、前記第２の液体燃料貯蔵部と連通し、前記第２の液体燃料貯蔵部から前記高濃度液体燃料が供給される第１の液体燃料貯蔵部とを備える貯蔵タンクと、
前記第１の液体燃料貯蔵部から前記燃料電池本体の前記供給タンクへ前記高濃度液体燃料を送液する送液ポンプと、
前記第１の液体燃料貯蔵部内の前記高濃度液体燃料の液量減少を検出する液量変化検出機構と、
前記第２の液体燃料貯蔵部内の前記高濃度液体燃料の残存量を計測する残存量計測手段と
を具備することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る携帯用電子機器は、前記第１の直接型メタノール燃料電池システム及び前記第２の直接型メタノール燃料電池システムのうち少なくとも一方のシステムを備えるものである。
【００１３】
本発明に係る直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法は、アノード極と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間に配置される電解質膜と、メタノールを含む液体燃料を収容するために設けられ、前記アノード極に前記液体燃料を供給する供給タンクとを具備する燃料電池本体と、前記液体燃料に比して高濃度でメタノールを含有する高濃度液体燃料を収容するための第２の液体燃料貯蔵タンク部と、前記第２の液体燃料貯蔵タンク部から前記高濃度液体燃料が供給される第１の液体燃料貯蔵タンク部と、前記第１の液体燃料貯蔵タンク部から前記燃料電池本体の前記供給タンクへ前記高濃度液体燃料を送液する送液ポンプと、前記第１の液体燃料貯蔵タンク部内の前記高濃度液体燃料の液量減少を検出する液量変化検出機構と、前記第２の液体燃料貯蔵タンク部内の前記高濃度液体燃料の残存量を計測する残存量計測手段とを具備する直接型メタノール燃料電池システムにおける液体燃料残存量の検出方法であって、
前記第１の液体燃料貯蔵タンク部の前記高濃度液体燃料の液量減少を前記液量変化検出機構で検出することにより前記第２の液体燃料貯蔵タンク部の前記高濃度液体燃料の残存量が不足していることを検出する工程を具備することを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る第１、第２の直接型メタノール燃料電池システムと、直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法について説明する。
【００１５】
まず、第１、第２の直接型メタノール燃料電池システムが搭載される携帯用電子機器としては、例えば、携帯用パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、ＰＤＡ（パーソナル・デジタル・アシスタント）、携帯電話、携帯用デジタルテレビ、ビデオカメラ、デジタルカメラ等を挙げることができる。
【００１６】
本発明に係る第１の直接型メタノール燃料電池システムは、アノード極と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間に配置される電解質膜と、メタノールを含む液体燃料が収容され、前記アノード極に前記液体燃料を供給する供給タンクとを具備する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体の前記供給タンクに前記液体燃料を補充する第１の液体燃料貯蔵タンクと、
前記第１の液体燃料貯蔵タンクに前記液体燃料を補充する第２の液体燃料貯蔵タンクと、
前記第１の液体燃料貯蔵タンク内の前記液体燃料の液量変化を検出する液量変化検出機構と
を具備することを特徴とするものである。
【００１７】
第２の液体燃料貯蔵タンクでは、着脱自在にして未使用のタンクとの交換を可能にしても良いし、着脱自在にせずに外部から液体燃料を補充しても良いが、安全性を考慮すると、着脱自在な構成にすることが望ましい。
【００１８】
本発明に係る第２の直接型メタノール燃料電池システムは、アノード極と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間に配置される電解質膜と、メタノールを含む液体燃料が収容され、前記アノード極に前記液体燃料を供給する供給タンクとを具備する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体の前記供給タンクに前記液体燃料を補充する第１の液体燃料貯蔵部と、前記第１の液体燃料貯蔵部に前記液体燃料を補充する第２の液体燃料貯蔵部とを備える貯蔵タンクと、
前記第１の液体燃料貯蔵部内の前記液体燃料の液量変化を検出する液量変化検出機構と
を具備することを特徴とするものである。
【００１９】
貯蔵タンクでは、着脱自在にして未使用のタンクとの交換を可能にしても良いし、着脱自在にせずに外部から液体燃料を補充しても良いが、安全性を考慮すると、着脱自在な構成にすることが望ましい。
【００２０】
本発明に係る第１、第２の直接型メタノール燃料電池システムでは、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）の液量変化を液量変化検出機構により検出することによって、第２の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）の液体燃料残存量が設定量以下であるか否かの判定が行なわれる。
【００２１】
すなわち、本発明に係る第１、第２の燃料電池システムでは、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）が供給タンクへの液体燃料の補充を行なうと、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）内の燃料量が減少するが、第２の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）から第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）に液体燃料が補充されるため、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）の液量を設定値以上に維持することができる。
【００２２】
第２の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）内の燃料量が不足すると、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）が供給タンクへの補充を行なうことによる減少分を第２の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）が補うことができなくなるため、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）内の液量が設定値より少なくなる。この時に携帯用電子機器の運転を退避運転に切り替えることによって、第２の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）内の残存量を計測する機器が誤作動した場合にも退避運転に確実に移行させることが可能になる。なお、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）内の設定液量は、携帯用電子機器の退避運転に必要な最低燃料量か、もしくはそれ以上にすることが望ましい。最低燃料量は、使用する機器の種類により異なる。
【００２３】
また、第１の燃料電池システムにおいて、第１の液体燃料貯蔵タンクを燃料電池本体からの着脱が自在なものにすることによって、電力を供給する機器の種類に応じて第１の液体燃料貯蔵タンクの容量を自由に変更することが可能になる。
【００２４】
液量変化検出機構は、特に限定されるものではなく、誘電率変化、屈折率変化、導電率あるいは抵抗の変化、光の透過率変化などいかなる方法を利用した検出機構でも用いることができる。中でも、液量変化検出機構として二値センサーを使用することが望ましい。第一の液体燃料貯蔵タンク内の燃料が少しでも減少した場合、すぐに機器を退避運転へ移行する必要がある。従って、定常状態では第１の液体燃料貯蔵タンク内の液量を満タンに維持し、液量が減少して満タンでなくなったことを直ちに判別可能な機構にすることが望ましい。そのような理由から、本タンクに設置する液量変化検出機構は満タンか否かの二値を判別可能な二値センサーを使用することが望ましい。
【００２５】
供給タンク、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）および第２の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）は、耐薬品性（耐食性）を考慮すると、ステンレス（ＳＵＳ３０４、３１６等）、チタン、アルミニウム等の金属、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ等）、硬質塩化ビニル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、メチルペンテン樹脂、ポリウレタンのような熱可塑性樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、天然ゴム、フッ素ゴム（ＦＫＭ、ＦＰＭ等）等のゴム等の耐薬品性（耐食性）に優れた材料でそれぞれ形成することが望ましい。これら材料のなかでも、ステンレス、フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、天然ゴムが好ましい。
【００２６】
本発明に係る第１の直接型メタノール燃料電池システムの一例を図１〜図２を参照して説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る燃料電池の第１の実施形態である直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムを示す模式図である。図２は、図１の直接型メタノール燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【００２８】
この直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムの燃料電池本体は、起電部と、アノード流路板６と、カソード流路板８と、メタノール水溶液容器１２とを備える。起電部は、アノード集電体（例えば、アノードカーボンペーパー）１及びアノード触媒層２を含むアノード極と、カソード集電体３及びカソード触媒層４を含むカソード極と、アノード極およびカソード極の間に配置される電解質膜（例えば、高プロトン伝導性を有するナフィオン膜）５とを備えるものである。アノード触媒層２に用いられる触媒としては、例えば、被毒の少ないＰｔＲｕが挙げられる。アノード触媒層２はその厚さによりメタノール濃度が変化し、この厚さが薄くなる程メタノール濃度が薄くなる。アノード触媒層２の厚さは４０μ以上、好ましくは４０〜１５０μｍにすることが望ましい。また、アノード触媒層２の多孔度（ナフィオン含有率ε）を０．４〜０．７にすることにより、メタノール水溶液の拡散速度を高くすることができる。一方、カソード触媒層４に用いられる触媒としては、例えばＰｔが挙げられる。
【００２９】
アノード流路板６は、アノード集電体１側に配設されている。このアノード流路板６には、一端がメタノール供給口で、かつ他端がメタノール排出口である蛇行溝形状のアノード流路７が形成されている。一方、カソード流路板８は、起電部のカソード集電体３側に配設されている。このカソード流路板８には、一端が酸化剤供給口で、かつ他端が酸化剤排出口である蛇行溝形状のカソード流路９が形成されている。酸化剤供給口には、送気パイプ１０を介して送気ポンプ１１が接続されている。この送気ポンプ１１により例えば空気のような酸化剤が外部から酸化剤供給口に供給される。
【００３０】
メタノール水溶液を収容するためのメタノール水溶液容器１２は、送液ポンプ１３ａを介してアノード流路７のメタノール供給口に接続されている。予備燃料タンク１４は、送液ポンプ１３ｂを介してメタノール水溶液容器１２に接続されている。また、燃料カートリッジ１５は、予備燃料タンク１４と接続されている。この燃料カートリッジ１５内には、高濃度（例えば98%）のメタノール水溶液が収容されている。燃料カートリッジ１５には、残存量計測器１６が接続されている。この残存量計測器１６は、カートリッジ１５内のメタノール水溶液残存量を測定すると共に、機器を安全な状態へ退避するために必要な電力を補償する最低燃料量であるとの測定結果を得ると、この測定結果を信号として機器の電源管理マイコンに伝達する。なお、携帯用電子機器の退避行動に必要な最低燃料量は、電力を供給する機器に応じて変動させることが望ましい。例えば、携帯用パーソナルコンピュータ（ＰＣ）として東芝製Librettoを用いる場合、最低燃料量は、５ｃｃにすることが望ましい。また、残存量計測器１６には、例えば、誘電率変化、屈折率変化、導電率あるいは抵抗の変化、光の透過率変化などいかなる方法を利用した検出機構でも用いることができる。中でも、抵抗の変化を用いた方法が好ましい。これは電源管理する場合、抵抗の変化＝残量として管理できるからである。
【００３１】
電源管理マイコンが、燃料カートリッジの液量の測定結果を信号として受信すると、即座に予備燃料タンク１４の液面状態が満タンか否かの判別が行われる（図２の３３で示す工程）。
【００３２】
すなわち、予備燃料タンク１４内には、高濃度（例えば、９８％）のメタノール水溶液が収容されている。予備燃料タンク１４内のメタノール水溶液量は、機器を安全な状態へ退避するために必要な電力を補償する最低燃料量以上である。予備燃料タンク１４には、タンク１４内の液面が設定水位を下回ったことを検出する液量変化検出機構１７（例えば、二値センサー）が取り付けられている。本実施形態では、設定水位を最低燃料量での水位に等しくした。具体的には、予備燃料タンク１４の内容積を最低燃料量と等しくし、予備燃料タンク１４内の天井に二値センサーを設置した。この二値センサーは、予備燃料タンク１４内のメタノール水溶液が満タンの時には作動せず、また、電源管理マイコンに、残存量計測器１６による再測定の信号を送信することができる。一方、予備燃料タンク１４内のメタノール水溶液が減少すると、タンク内の気液量が変化するため、二値センサーが作動する。その結果、即座に退避運転へ移行するように電源管理マイコンへ信号が送信され、携帯用電子機器は通常運転から退避運転に移行する（図２の工程３４）。
【００３３】
燃料パイプ１８は、一端がメタノール水溶液容器１２に接続され、かつ他端がアノード流路７のメタノール排出口に接続されている。気液分離材１９は、メタノール水溶液容器１２の上面に設けられている。この気液分離材１９は、例えば、撥水性の織布や不織布などの撥水性多孔質体から形成されている。メタノール水溶液容器１２内の圧力を調整するための気圧調整弁２０は、メタノール水溶液容器１２の気液分離材１９の近くにガス排出口が外側を向くように配置されている。一方、排気パイプ２１は、一端がメタノール水溶液容器１２に接続され、かつ他端がカソード流路９のメタノール排出口に接続されている。
【００３４】
上記のような構成のＤＭＦＣ電池において、補助の電池により送液ポンプ１３ａ及び送気ポンプ１１を作動させる。これにより、メタノール水溶液容器１２内のメタノール水溶液がメタノール供給口を通してアノード流路７に供給される。アノード流路板６の凸部分（アノード流路非形成領域）はアノード集電体１と接しており、アノード流路７を流れるメタノール水溶液がアノード集電体１にしみ込むことにより、アノード触媒層２にメタノール水溶液が供給される。
【００３５】
また、送気ポンプ１１により送気パイプ１０を通って酸化剤供給口から取り入れられた空気は、カソード流路板８のカソード流路９を流れ、カソード触媒層４を通過する。
【００３６】
アノード触媒層２にメタノール水溶液が供給されると、触媒反応によってプロトン（陽子）が発生し、発生したプロトンが電解質膜５を透過してカソード触媒層４に供給された酸素と触媒上で反応することにより、発電が行われる。
【００３７】
なお、供給されたメタノール水溶液のすべてがアノード集電体１にしみ込むわけではなく、残ったメタノール水溶液はメタノール排出口から排出され、燃料パイプ１８を通してメタノール水溶液容器１２に戻される。この際、反応によって生じた炭酸ガスもメタノール水溶液容器１２に収容されることになる。また、カソード触媒層４に残った空気は、酸化剤排出口から排出され、排気パイプ２１を通ってメタノール水溶液容器１２に収容される。このとき、発電反応により生じた水やこの水が反応熱により気体化した水蒸気もメタノール水溶液容器１２に収容される。
【００３８】
このようにしてメタノール水溶液容器１２内に混入した空気、炭酸ガス、水蒸気などの気体は、一旦、メタノール水溶液中に拡散した後、気液分離材１９によりメタノール水溶液と分離され、気液分離材１９を通して外部に放出される。気圧調整弁２０は、メタノール水溶液容器１２の内圧が高くなった際に作動させる。
【００３９】
発電の進行に伴い、燃料パイプ１８から戻される未反応のメタノール水溶液や排気パイプ２１から供給される発電生成水により容器１２中のメタノール濃度が薄くなると、送液ポンプ１３ｂが作動して予備燃料タンク１４から容器１２にメタノール水溶液が補充されるため、容器１２内のメタノール濃度を所定値に維持することができる。この予備燃料タンク１４から容器１２への送液と同期して燃料カートリッジ１５から予備燃料タンク１４にメタノール水溶液が補充されるため、予備燃料タンク１４内のメタノール水溶液量を満タンの状態に維持することができる。
【００４０】
燃料カートリッジ１５から予備燃料タンク１４への送液後、残存量計測器１６により燃料カートリッジ１５内の残存量の計測が行われるが、最低燃料量よりも多いとの計測結果が得られた場合、このことが信号として電源管理マイコンへ送信される。その結果、二値センサーによる判別が行われるが、予備燃料タンク１４内の燃料が満タンであるため、二値センサーは作動せず、図２の３１に示すように携帯用電子機器は通常運転を続ける。この際、残存量計測器１６が誤作動し、燃料カートリッジ１５の燃料残存量が最低燃料量であるとの信号が電源管理マイコンへ送信されていても、予備燃料タンク１４の二値センサーが作動しないため、携帯用電子機器は通常運転を続けることができる。なお、二値センサーが作動しない場合、電源管理マイコンに残存量計測器１６による再測定の信号が送信されるため、貯蔵カートリッジ１５内の燃料の残存量が再計測される。再計測の結果も最低燃料量より多く、かつ二値センサーが作動しない場合、再び、電源管理マイコンに残存量計測器１６による再測定の信号が送信される。残存量計測器１６による再測定の信号は、二値センサーが作動するまで繰り返し発信される。
【００４１】
発電の続行により燃料カートリッジ１５のメタノール水溶液の残存量が減少すると、予備燃料タンク１４への補充量が減少するため、予備燃料タンク１４内の燃料が満タンでなくなる。この場合、残存量計測器１６が燃料カートリッジ１５内の残存量が最低燃料量に到達していることを検出し、電源管理マイコンに信号を送信するため、二値センサーがオンの状態になり、二値センサーが作動する。その結果、即座に退避運転へ移行するように電源管理マイコンへ信号が送信され、携帯用電子機器は通常運転から退避運転に移行する（図２の工程３４）。また、燃料カートリッジ１５の燃料残存量が最低燃料量よりも多いと残存量計測器１６が誤作動しても、予備燃料タンク１４の二値センサーが作動するため、携帯用電子機器は退避運転に移行することができる（図２の工程３２）。
【００４２】
なお、前述した図１では、ＤＭＦＣ起電部として単セルを用いる例を示しているが、単セルを複数積層したスタック構造のものを起電部として用いることが可能である。
【００４３】
また、前述した図１では、燃料カートリッジ１５のみが着脱自在な例を説明したが、予備燃料タンク１４も着脱自在にすることができる。この場合、予備燃料タンク１４の容量を、搭載する機器の退避運転に必要な電力量に応じて自由に変更することができる。また、携帯用電子機器に予備燃料タンクのみを予め組み込んでおくことも可能になる。
【００４４】
前述した図１では、予備燃料タンク１４が燃料カートリッジ１５から独立している例を説明したが、予備燃料タンク１４と燃料カートリッジ１５とを一体化させたものを貯蔵タンクとし、この貯蔵タンクを燃料電池本体の供給タンクに着脱自在な状態で取り付けても良い。この例を図３に示す。なお、図３では、前述した図１で説明したのと同様な部材については同符号を付して説明を省略する。
【００４５】
貯蔵タンクには、中央付近に仕切り板４１が設けられ、一方の空間が第１の貯蔵部４２として機能し、他方の空間が第２の貯蔵部４３として機能する。第１の貯蔵部４２と第２の貯蔵部４３は、底部付近に設けられた通路４４で連通しており、第１の貯蔵部４２から第２の貯蔵部４３へ燃料が逆流しないように逆止弁46が設置されている。送液ポンプ１３ｂには、貯蔵タンクの第１の貯蔵部４２が接続されている。二値センサー４７は、第１の貯蔵部４２内の上面に設置されている。
【００４６】
第２の貯蔵部４３内のメタノール水溶液４５量が最低燃料量より多い間は、第１の貯蔵部４２から送液ポンプ１３ｂを介してメタノール水溶液容器１２にメタノール水溶液が供給されると、供給により減少した分だけ、第２の貯蔵部４３内のメタノール水溶液４５が第１の貯蔵部４２に補充される。このため、第１の貯蔵部４２内のメタノール水溶液４５量を満タンの状態に維持することができ、二値センサー４７が作動せず、通常運転を続けることができる。
【００４７】
発電を続行していると、第２の貯蔵部４３内のメタノール水溶液４５量が減少して最低燃料量に到達し、第２の貯蔵部４３から第１の貯蔵部４２への補充量が少なくなるため、第１の貯蔵部４２内のメタノール水溶液４５が消費されて満タンの状態でなくなり、残存量計測器１６により残存量が最低燃料量であることが検出されると共に、二値センサーが作動する。その結果、電源管理マイコンから退避運転開始の信号が送信され、携帯用電子機器は通常運転から退避運転に移行することができる。
【００４８】
第２の貯蔵部４３内のメタノール水溶液４５量が減少して最低燃料量に到達しているにも拘わらず、残存量計測器１６の誤作動により最低燃料量よりも多いと誤判定されると、電源管理マイコンへ信号が送信されないものの、第２の貯蔵部４３からの補充量が少なくなるため、第１の貯蔵部４２内のメタノール水溶液４５が消費されて満タンの状態でなくなる。その結果、二値センサーが作動するため、電源管理マイコンから退避運転開始の信号が送信され、携帯用電子機器は通常運転から退避運転に移行することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、液体燃料の残存量が設定量以下であることを高精度で検出する直接型メタノール燃料電池システムと、この直接型メタノール燃料電池システムを備える携帯用電子機器とを提供することができる。また、本発明によれば、高精度な直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムの第１の実施形態を示す模式図。
【図２】 図１の直接型メタノール燃料電池システムの運転方法の一例を説明するための流れ図。
【図３】 本発明に係る直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムの第２の実施形態の要部を示す模式図。
【符号の説明】
１…アノード集電体、２…アノード触媒層、３…カソード集電体、４…カソード触媒層、５…電解質膜、６…アノード流路板、７…アノード流路、８…カソード流路板、９…カソード流路、１２…メタノール水溶液容器、１３ａ，１３ｂ…送液ポンプ、１４…予備燃料タンク、１５…燃料カートリッジ、１６…残存量計測器、１７…液量変化検出機構、１９…気液分離材、２０…内圧調整弁、４２…第１の貯蔵部、４３…第２の貯蔵部、４５…メタノール水溶液、４７…二値センサー。
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接型メタノール燃料電池システムと、この直接型メタノール燃料電池システムを備える携帯用電子機器と、直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報化社会を支える携帯用電子機器の電源として、あるいは大気汚染や地球温暖化に対処するための電源として、燃料電池に対する期待が高まっている。
【０００３】
燃料電池のなかでも、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、改質器が不要であり燃料容積が少なくて済む、という特性により携帯用電子機器への応用も考えられ、多方面への応用の期待が高まりつつある。
【０００４】
特開２００１−９３５５１号公報には、直接型メタノール燃料電池の液体燃料収容容器を着脱交換可能な容器あるいは液体燃料を補充可能な容器にすることによって、燃料電池の小型化を図りつつ、長時間駆動が可能になることが記載されている。
【０００５】
上述した公開公報に記載されたような直接型メタノール燃料電池を携帯用パーソナルコンピュータのような携帯用電子機器の電源として使用する場合、液体燃料収容容器内の残存量が少なくなったら電子機器の運転を退避運転に移行させ、携帯用電子機器に内蔵されているメモリ等のハードディスクにダメージを与えることなく電源をオフにする機構が必要である。退避運転を行なうために必要な残存量は、使用する電子機器の種類により異なるが、通常、数ｃｃ程度である。
【０００６】
残存量の検出には、例えば、光学的手法を用いた液面センサが使用されているが、数ｃｃ程度の量についての測定精度が低いため、残存量が少ないにもかかわらず、退避運転に移行することなく通常運転が続けられ、液体燃料の枯渇により燃料電池の発電が中断されて電子機器に損傷を与えるという問題点を生じる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−９３５５１号公報（段落［００４６］〜［００４７］）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、液体燃料の残存量が設定量以下であることを高精度で検出する直接型メタノール燃料電池システムと、この直接型メタノール燃料電池システムを備える携帯用電子機器とを提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、高精度な直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の直接型メタノール燃料電池システムは、アノード極と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間に配置される電解質膜と、メタノールを含む液体燃料を収容するために設けられ、前記アノード極に前記液体燃料を供給する供給タンクとを具備する燃料電池本体と、
前記液体燃料に比して高濃度でメタノールを含有する高濃度液体燃料を収容するための第２の液体燃料貯蔵タンクと、
前記第２の液体燃料貯蔵タンクに接続された第１の液体燃料貯蔵タンクと、
前記第１の液体燃料貯蔵タンクから前記燃料電池本体の前記供給タンクへ前記高濃度液体燃料を送液する送液ポンプと、
前記第１の液体燃料貯蔵タンク内の前記高濃度液体燃料の液量減少を検出する液量変化検出機構と、
前記第２の液体燃料貯蔵タンク内の前記高濃度液体燃料の残存量を計測する残存量計測手段と
を具備することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明に係る第２の直接型メタノール燃料電池システムは、アノード極と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間に配置される電解質膜と、メタノールを含む液体燃料を収容するために設けられ、前記アノード極に前記液体燃料を供給する供給タンクとを具備する燃料電池本体と、
前記液体燃料に比して高濃度でメタノールを含有する高濃度液体燃料を収容するための第２の液体燃料貯蔵部と、前記第２の液体燃料貯蔵部と連通し、前記第２の液体燃料貯蔵部から前記高濃度液体燃料が供給される第１の液体燃料貯蔵部とを備える貯蔵タンクと、
前記第１の液体燃料貯蔵部から前記燃料電池本体の前記供給タンクへ前記高濃度液体燃料を送液する送液ポンプと、
前記第１の液体燃料貯蔵部内の前記高濃度液体燃料の液量減少を検出する液量変化検出機構と、
前記第２の液体燃料貯蔵部内の前記高濃度液体燃料の残存量を計測する残存量計測手段と
を具備することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る携帯用電子機器は、前記第１の直接型メタノール燃料電池システム及び前記第２の直接型メタノール燃料電池システムのうち少なくとも一方のシステムを備えるものである。
【００１３】
本発明に係る直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法は、アノード極と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間に配置される電解質膜と、メタノールを含む液体燃料を収容するために設けられ、前記アノード極に前記液体燃料を供給する供給タンクとを具備する燃料電池本体と、前記液体燃料に比して高濃度でメタノールを含有する高濃度液体燃料を収容するための第２の液体燃料貯蔵タンク部と、前記第２の液体燃料貯蔵タンク部から前記高濃度液体燃料が供給される第１の液体燃料貯蔵タンク部と、前記第１の液体燃料貯蔵タンク部から前記燃料電池本体の前記供給タンクへ前記高濃度液体燃料を送液する送液ポンプと、前記第１の液体燃料貯蔵タンク部内の前記高濃度液体燃料の液量減少を検出する液量変化検出機構と、前記第２の液体燃料貯蔵タンク部内の前記高濃度液体燃料の残存量を計測する残存量計測手段とを具備する直接型メタノール燃料電池システムにおける液体燃料残存量の検出方法であって、
前記第１の液体燃料貯蔵タンク部の前記高濃度液体燃料の液量減少を前記液量変化検出機構で検出することにより前記第２の液体燃料貯蔵タンク部の前記高濃度液体燃料の残存量が不足していることを検出する工程を具備することを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る第１、第２の直接型メタノール燃料電池システムと、直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法について説明する。
【００１５】
まず、第１、第２の直接型メタノール燃料電池システムが搭載される携帯用電子機器としては、例えば、携帯用パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、ＰＤＡ（パーソナル・デジタル・アシスタント）、携帯電話、携帯用デジタルテレビ、ビデオカメラ、デジタルカメラ等を挙げることができる。
【００１６】
本発明に係る第１の直接型メタノール燃料電池システムは、アノード極と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間に配置される電解質膜と、メタノールを含む液体燃料が収容され、前記アノード極に前記液体燃料を供給する供給タンクとを具備する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体の前記供給タンクに前記液体燃料を補充する第１の液体燃料貯蔵タンクと、
前記第１の液体燃料貯蔵タンクに前記液体燃料を補充する第２の液体燃料貯蔵タンクと、
前記第１の液体燃料貯蔵タンク内の前記液体燃料の液量変化を検出する液量変化検出機構と
を具備することを特徴とするものである。
【００１７】
第２の液体燃料貯蔵タンクでは、着脱自在にして未使用のタンクとの交換を可能にしても良いし、着脱自在にせずに外部から液体燃料を補充しても良いが、安全性を考慮すると、着脱自在な構成にすることが望ましい。
【００１８】
本発明に係る第２の直接型メタノール燃料電池システムは、アノード極と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間に配置される電解質膜と、メタノールを含む液体燃料が収容され、前記アノード極に前記液体燃料を供給する供給タンクとを具備する燃料電池本体と、
前記燃料電池本体の前記供給タンクに前記液体燃料を補充する第１の液体燃料貯蔵部と、前記第１の液体燃料貯蔵部に前記液体燃料を補充する第２の液体燃料貯蔵部とを備える貯蔵タンクと、
前記第１の液体燃料貯蔵部内の前記液体燃料の液量変化を検出する液量変化検出機構と
を具備することを特徴とするものである。
【００１９】
貯蔵タンクでは、着脱自在にして未使用のタンクとの交換を可能にしても良いし、着脱自在にせずに外部から液体燃料を補充しても良いが、安全性を考慮すると、着脱自在な構成にすることが望ましい。
【００２０】
本発明に係る第１、第２の直接型メタノール燃料電池システムでは、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）の液量変化を液量変化検出機構により検出することによって、第２の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）の液体燃料残存量が設定量以下であるか否かの判定が行なわれる。
【００２１】
すなわち、本発明に係る第１、第２の燃料電池システムでは、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）が供給タンクへの液体燃料の補充を行なうと、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）内の燃料量が減少するが、第２の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）から第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）に液体燃料が補充されるため、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）の液量を設定値以上に維持することができる。
【００２２】
第２の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）内の燃料量が不足すると、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）が供給タンクへの補充を行なうことによる減少分を第２の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）が補うことができなくなるため、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）内の液量が設定値より少なくなる。この時に携帯用電子機器の運転を退避運転に切り替えることによって、第２の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）内の残存量を計測する機器が誤作動した場合にも退避運転に確実に移行させることが可能になる。なお、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）内の設定液量は、携帯用電子機器の退避運転に必要な最低燃料量か、もしくはそれ以上にすることが望ましい。最低燃料量は、使用する機器の種類により異なる。
【００２３】
また、第１の燃料電池システムにおいて、第１の液体燃料貯蔵タンクを燃料電池本体からの着脱が自在なものにすることによって、電力を供給する機器の種類に応じて第１の液体燃料貯蔵タンクの容量を自由に変更することが可能になる。
【００２４】
液量変化検出機構は、特に限定されるものではなく、誘電率変化、屈折率変化、導電率あるいは抵抗の変化、光の透過率変化などいかなる方法を利用した検出機構でも用いることができる。中でも、液量変化検出機構として二値センサーを使用することが望ましい。第一の液体燃料貯蔵タンク内の燃料が少しでも減少した場合、すぐに機器を退避運転へ移行する必要がある。従って、定常状態では第１の液体燃料貯蔵タンク内の液量を満タンに維持し、液量が減少して満タンでなくなったことを直ちに判別可能な機構にすることが望ましい。そのような理由から、本タンクに設置する液量変化検出機構は満タンか否かの二値を判別可能な二値センサーを使用することが望ましい。
【００２５】
供給タンク、第１の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）および第２の液体燃料貯蔵タンク（貯蔵部）は、耐薬品性（耐食性）を考慮すると、ステンレス（ＳＵＳ３０４、３１６等）、チタン、アルミニウム等の金属、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ等）、硬質塩化ビニル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、メチルペンテン樹脂、ポリウレタンのような熱可塑性樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、天然ゴム、フッ素ゴム（ＦＫＭ、ＦＰＭ等）等のゴム等の耐薬品性（耐食性）に優れた材料でそれぞれ形成することが望ましい。これら材料のなかでも、ステンレス、フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、天然ゴムが好ましい。
【００２６】
本発明に係る第１の直接型メタノール燃料電池システムの一例を図１〜図２を参照して説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る燃料電池の第１の実施形態である直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムを示す模式図である。図２は、図１の直接型メタノール燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
【００２８】
この直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムの燃料電池本体は、起電部と、アノード流路板６と、カソード流路板８と、メタノール水溶液容器１２とを備える。起電部は、アノード集電体（例えば、アノードカーボンペーパー）１及びアノード触媒層２を含むアノード極と、カソード集電体３及びカソード触媒層４を含むカソード極と、アノード極およびカソード極の間に配置される電解質膜（例えば、高プロトン伝導性を有するナフィオン膜）５とを備えるものである。アノード触媒層２に用いられる触媒としては、例えば、被毒の少ないＰｔＲｕが挙げられる。アノード触媒層２はその厚さによりメタノール濃度が変化し、この厚さが薄くなる程メタノール濃度が薄くなる。アノード触媒層２の厚さは４０μ以上、好ましくは４０〜１５０μｍにすることが望ましい。また、アノード触媒層２の多孔度（ナフィオン含有率ε）を０．４〜０．７にすることにより、メタノール水溶液の拡散速度を高くすることができる。一方、カソード触媒層４に用いられる触媒としては、例えばＰｔが挙げられる。
【００２９】
アノード流路板６は、アノード集電体１側に配設されている。このアノード流路板６には、一端がメタノール供給口で、かつ他端がメタノール排出口である蛇行溝形状のアノード流路７が形成されている。一方、カソード流路板８は、起電部のカソード集電体３側に配設されている。このカソード流路板８には、一端が酸化剤供給口で、かつ他端が酸化剤排出口である蛇行溝形状のカソード流路９が形成されている。酸化剤供給口には、送気パイプ１０を介して送気ポンプ１１が接続されている。この送気ポンプ１１により例えば空気のような酸化剤が外部から酸化剤供給口に供給される。
【００３０】
メタノール水溶液を収容するためのメタノール水溶液容器１２は、送液ポンプ１３ａを介してアノード流路７のメタノール供給口に接続されている。予備燃料タンク１４は、送液ポンプ１３ｂを介してメタノール水溶液容器１２に接続されている。また、燃料カートリッジ１５は、予備燃料タンク１４と接続されている。この燃料カートリッジ１５内には、高濃度（例えば98%）のメタノール水溶液が収容されている。燃料カートリッジ１５には、残存量計測器１６が接続されている。この残存量計測器１６は、カートリッジ１５内のメタノール水溶液残存量を測定すると共に、機器を安全な状態へ退避するために必要な電力を補償する最低燃料量であるとの測定結果を得ると、この測定結果を信号として機器の電源管理マイコンに伝達する。なお、携帯用電子機器の退避行動に必要な最低燃料量は、電力を供給する機器に応じて変動させることが望ましい。例えば、携帯用パーソナルコンピュータ（ＰＣ）として東芝製Librettoを用いる場合、最低燃料量は、５ｃｃにすることが望ましい。また、残存量計測器１６には、例えば、誘電率変化、屈折率変化、導電率あるいは抵抗の変化、光の透過率変化などいかなる方法を利用した検出機構でも用いることができる。中でも、抵抗の変化を用いた方法が好ましい。これは電源管理する場合、抵抗の変化＝残量として管理できるからである。
【００３１】
電源管理マイコンが、燃料カートリッジの液量の測定結果を信号として受信すると、即座に予備燃料タンク１４の液面状態が満タンか否かの判別が行われる（図２の３３で示す工程）。
【００３２】
すなわち、予備燃料タンク１４内には、高濃度（例えば、９８％）のメタノール水溶液が収容されている。予備燃料タンク１４内のメタノール水溶液量は、機器を安全な状態へ退避するために必要な電力を補償する最低燃料量以上である。予備燃料タンク１４には、タンク１４内の液面が設定水位を下回ったことを検出する液量変化検出機構１７（例えば、二値センサー）が取り付けられている。本実施形態では、設定水位を最低燃料量での水位に等しくした。具体的には、予備燃料タンク１４の内容積を最低燃料量と等しくし、予備燃料タンク１４内の天井に二値センサーを設置した。この二値センサーは、予備燃料タンク１４内のメタノール水溶液が満タンの時には作動せず、また、電源管理マイコンに、残存量計測器１６による再測定の信号を送信することができる。一方、予備燃料タンク１４内のメタノール水溶液が減少すると、タンク内の気液量が変化するため、二値センサーが作動する。その結果、即座に退避運転へ移行するように電源管理マイコンへ信号が送信され、携帯用電子機器は通常運転から退避運転に移行する（図２の工程３４）。
【００３３】
燃料パイプ１８は、一端がメタノール水溶液容器１２に接続され、かつ他端がアノード流路７のメタノール排出口に接続されている。気液分離材１９は、メタノール水溶液容器１２の上面に設けられている。この気液分離材１９は、例えば、撥水性の織布や不織布などの撥水性多孔質体から形成されている。メタノール水溶液容器１２内の圧力を調整するための気圧調整弁２０は、メタノール水溶液容器１２の気液分離材１９の近くにガス排出口が外側を向くように配置されている。一方、排気パイプ２１は、一端がメタノール水溶液容器１２に接続され、かつ他端がカソード流路９のメタノール排出口に接続されている。
【００３４】
上記のような構成のＤＭＦＣ電池において、補助の電池により送液ポンプ１３ａ及び送気ポンプ１１を作動させる。これにより、メタノール水溶液容器１２内のメタノール水溶液がメタノール供給口を通してアノード流路７に供給される。アノード流路板６の凸部分（アノード流路非形成領域）はアノード集電体１と接しており、アノード流路７を流れるメタノール水溶液がアノード集電体１にしみ込むことにより、アノード触媒層２にメタノール水溶液が供給される。
【００３５】
また、送気ポンプ１１により送気パイプ１０を通って酸化剤供給口から取り入れられた空気は、カソード流路板８のカソード流路９を流れ、カソード触媒層４を通過する。
【００３６】
アノード触媒層２にメタノール水溶液が供給されると、触媒反応によってプロトン（陽子）が発生し、発生したプロトンが電解質膜５を透過してカソード触媒層４に供給された酸素と触媒上で反応することにより、発電が行われる。
【００３７】
なお、供給されたメタノール水溶液のすべてがアノード集電体１にしみ込むわけではなく、残ったメタノール水溶液はメタノール排出口から排出され、燃料パイプ１８を通してメタノール水溶液容器１２に戻される。この際、反応によって生じた炭酸ガスもメタノール水溶液容器１２に収容されることになる。また、カソード触媒層４に残った空気は、酸化剤排出口から排出され、排気パイプ２１を通ってメタノール水溶液容器１２に収容される。このとき、発電反応により生じた水やこの水が反応熱により気体化した水蒸気もメタノール水溶液容器１２に収容される。
【００３８】
このようにしてメタノール水溶液容器１２内に混入した空気、炭酸ガス、水蒸気などの気体は、一旦、メタノール水溶液中に拡散した後、気液分離材１９によりメタノール水溶液と分離され、気液分離材１９を通して外部に放出される。気圧調整弁２０は、メタノール水溶液容器１２の内圧が高くなった際に作動させる。
【００３９】
発電の進行に伴い、燃料パイプ１８から戻される未反応のメタノール水溶液や排気パイプ２１から供給される発電生成水により容器１２中のメタノール濃度が薄くなると、送液ポンプ１３ｂが作動して予備燃料タンク１４から容器１２にメタノール水溶液が補充されるため、容器１２内のメタノール濃度を所定値に維持することができる。この予備燃料タンク１４から容器１２への送液と同期して燃料カートリッジ１５から予備燃料タンク１４にメタノール水溶液が補充されるため、予備燃料タンク１４内のメタノール水溶液量を満タンの状態に維持することができる。
【００４０】
燃料カートリッジ１５から予備燃料タンク１４への送液後、残存量計測器１６により燃料カートリッジ１５内の残存量の計測が行われるが、最低燃料量よりも多いとの計測結果が得られた場合、このことが信号として電源管理マイコンへ送信される。その結果、二値センサーによる判別が行われるが、予備燃料タンク１４内の燃料が満タンであるため、二値センサーは作動せず、図２の３１に示すように携帯用電子機器は通常運転を続ける。この際、残存量計測器１６が誤作動し、燃料カートリッジ１５の燃料残存量が最低燃料量であるとの信号が電源管理マイコンへ送信されていても、予備燃料タンク１４の二値センサーが作動しないため、携帯用電子機器は通常運転を続けることができる。なお、二値センサーが作動しない場合、電源管理マイコンに残存量計測器１６による再測定の信号が送信されるため、貯蔵カートリッジ１５内の燃料の残存量が再計測される。再計測の結果も最低燃料量より多く、かつ二値センサーが作動しない場合、再び、電源管理マイコンに残存量計測器１６による再測定の信号が送信される。残存量計測器１６による再測定の信号は、二値センサーが作動するまで繰り返し発信される。
【００４１】
発電の続行により燃料カートリッジ１５のメタノール水溶液の残存量が減少すると、予備燃料タンク１４への補充量が減少するため、予備燃料タンク１４内の燃料が満タンでなくなる。この場合、残存量計測器１６が燃料カートリッジ１５内の残存量が最低燃料量に到達していることを検出し、電源管理マイコンに信号を送信するため、二値センサーがオンの状態になり、二値センサーが作動する。その結果、即座に退避運転へ移行するように電源管理マイコンへ信号が送信され、携帯用電子機器は通常運転から退避運転に移行する（図２の工程３４）。また、燃料カートリッジ１５の燃料残存量が最低燃料量よりも多いと残存量計測器１６が誤作動しても、予備燃料タンク１４の二値センサーが作動するため、携帯用電子機器は退避運転に移行することができる（図２の工程３２）。
【００４２】
なお、前述した図１では、ＤＭＦＣ起電部として単セルを用いる例を示しているが、単セルを複数積層したスタック構造のものを起電部として用いることが可能である。
【００４３】
また、前述した図１では、燃料カートリッジ１５のみが着脱自在な例を説明したが、予備燃料タンク１４も着脱自在にすることができる。この場合、予備燃料タンク１４の容量を、搭載する機器の退避運転に必要な電力量に応じて自由に変更することができる。また、携帯用電子機器に予備燃料タンクのみを予め組み込んでおくことも可能になる。
【００４４】
前述した図１では、予備燃料タンク１４が燃料カートリッジ１５から独立している例を説明したが、予備燃料タンク１４と燃料カートリッジ１５とを一体化させたものを貯蔵タンクとし、この貯蔵タンクを燃料電池本体の供給タンクに着脱自在な状態で取り付けても良い。この例を図３に示す。なお、図３では、前述した図１で説明したのと同様な部材については同符号を付して説明を省略する。
【００４５】
貯蔵タンクには、中央付近に仕切り板４１が設けられ、一方の空間が第１の貯蔵部４２として機能し、他方の空間が第２の貯蔵部４３として機能する。第１の貯蔵部４２と第２の貯蔵部４３は、底部付近に設けられた通路４４で連通しており、第１の貯蔵部４２から第２の貯蔵部４３へ燃料が逆流しないように逆止弁46が設置されている。送液ポンプ１３ｂには、貯蔵タンクの第１の貯蔵部４２が接続されている。二値センサー４７は、第１の貯蔵部４２内の上面に設置されている。
【００４６】
第２の貯蔵部４３内のメタノール水溶液４５量が最低燃料量より多い間は、第１の貯蔵部４２から送液ポンプ１３ｂを介してメタノール水溶液容器１２にメタノール水溶液が供給されると、供給により減少した分だけ、第２の貯蔵部４３内のメタノール水溶液４５が第１の貯蔵部４２に補充される。このため、第１の貯蔵部４２内のメタノール水溶液４５量を満タンの状態に維持することができ、二値センサー４７が作動せず、通常運転を続けることができる。
【００４７】
発電を続行していると、第２の貯蔵部４３内のメタノール水溶液４５量が減少して最低燃料量に到達し、第２の貯蔵部４３から第１の貯蔵部４２への補充量が少なくなるため、第１の貯蔵部４２内のメタノール水溶液４５が消費されて満タンの状態でなくなり、残存量計測器１６により残存量が最低燃料量であることが検出されると共に、二値センサーが作動する。その結果、電源管理マイコンから退避運転開始の信号が送信され、携帯用電子機器は通常運転から退避運転に移行することができる。
【００４８】
第２の貯蔵部４３内のメタノール水溶液４５量が減少して最低燃料量に到達しているにも拘わらず、残存量計測器１６の誤作動により最低燃料量よりも多いと誤判定されると、電源管理マイコンへ信号が送信されないものの、第２の貯蔵部４３からの補充量が少なくなるため、第１の貯蔵部４２内のメタノール水溶液４５が消費されて満タンの状態でなくなる。その結果、二値センサーが作動するため、電源管理マイコンから退避運転開始の信号が送信され、携帯用電子機器は通常運転から退避運転に移行することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、液体燃料の残存量が設定量以下であることを高精度で検出する直接型メタノール燃料電池システムと、この直接型メタノール燃料電池システムを備える携帯用電子機器とを提供することができる。また、本発明によれば、高精度な直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムの第１の実施形態を示す模式図。
【図２】 図１の直接型メタノール燃料電池システムの運転方法の一例を説明するための流れ図。
【図３】 本発明に係る直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）システムの第２の実施形態の要部を示す模式図。
【符号の説明】
１…アノード集電体、２…アノード触媒層、３…カソード集電体、４…カソード触媒層、５…電解質膜、６…アノード流路板、７…アノード流路、８…カソード流路板、９…カソード流路、１２…メタノール水溶液容器、１３ａ，１３ｂ…送液ポンプ、１４…予備燃料タンク、１５…燃料カートリッジ、１６…残存量計測器、１７…液量変化検出機構、１９…気液分離材、２０…内圧調整弁、４２…第１の貯蔵部、４３…第２の貯蔵部、４５…メタノール水溶液、４７…二値センサー。
Claims (5)
- アノード極と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間に配置される電解質膜と、メタノールを含む液体燃料を収容するために設けられ、前記アノード極に前記液体燃料を供給する供給タンクとを具備する燃料電池本体と、
前記液体燃料に比して高濃度でメタノールを含有する高濃度液体燃料を収容するための第２の液体燃料貯蔵タンクと、
前記第２の液体燃料貯蔵タンクに接続された第１の液体燃料貯蔵タンクと、
前記第１の液体燃料貯蔵タンクから前記燃料電池本体の前記供給タンクへ前記高濃度液体燃料を送液する送液ポンプと、
前記第１の液体燃料貯蔵タンク内の前記高濃度液体燃料の液量減少を検出する液量変化検出機構と、
前記第２の液体燃料貯蔵タンク内の前記高濃度液体燃料の残存量を計測する残存量計測手段と
を具備することを特徴とする直接型メタノール燃料電池システム。 - アノード極と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間に配置される電解質膜と、メタノールを含む液体燃料を収容するために設けられ、前記アノード極に前記液体燃料を供給する供給タンクとを具備する燃料電池本体と、
前記液体燃料に比して高濃度でメタノールを含有する高濃度液体燃料を収容するための第２の液体燃料貯蔵部と、前記第２の液体燃料貯蔵部と連通し、前記第２の液体燃料貯蔵部から前記高濃度液体燃料が供給される第１の液体燃料貯蔵部とを備える貯蔵タンクと、
前記第１の液体燃料貯蔵部から前記燃料電池本体の前記供給タンクへ前記高濃度液体燃料を送液する送液ポンプと、
前記第１の液体燃料貯蔵部内の前記高濃度液体燃料の液量減少を検出する液量変化検出機構と、
前記第２の液体燃料貯蔵部内の前記高濃度液体燃料の残存量を計測する残存量計測手段と
を具備することを特徴とする直接型メタノール燃料電池システム。 - 前記液量変化検出機構は二値センサーを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直接型メタノール燃料電池システム。
- 請求項１〜３いずれか１項記載の直接型メタノール燃料電池システムを備えることを特徴とする携帯用電子機器。
- アノード極と、カソード極と、前記アノード極及び前記カソード極の間に配置される電解質膜と、メタノールを含む液体燃料を収容するために設けられ、前記アノード極に前記液体燃料を供給する供給タンクとを具備する燃料電池本体と、前記液体燃料に比して高濃度でメタノールを含有する高濃度液体燃料を収容するための第２の液体燃料貯蔵タンク部と、前記第２の液体燃料貯蔵タンク部から前記高濃度液体燃料が供給される第１の液体燃料貯蔵タンク部と、前記第１の液体燃料貯蔵タンク部から前記燃料電池本体の前記供給タンクへ前記高濃度液体燃料を送液する送液ポンプと、前記第１の液体燃料貯蔵タンク部内の前記高濃度液体燃料の液量減少を検出する液量変化検出機構と、前記第２の液体燃料貯蔵タンク部内の前記高濃度液体燃料の残存量を計測する残存量計測手段とを具備する直接型メタノール燃料電池システムにおける液体燃料残存量の検出方法であって、
前記第１の液体燃料貯蔵タンク部の前記高濃度液体燃料の液量減少を前記液量変化検出機構で検出することにより前記第２の液体燃料貯蔵タンク部の前記高濃度液体燃料の残存量が不足していることを検出する工程を具備することを特徴とする直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002377053A JP3742385B2 (ja) | 2002-12-26 | 2002-12-26 | 直接型メタノール燃料電池システム、携帯用電子機器及び直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法 |
| US10/742,823 US7276303B2 (en) | 2002-12-26 | 2003-12-23 | Direct methanol fuel cell system, portable electronic appliance, and method of detecting an amount of liquid fuel remaining in direct methanol type fuel cell system |
| US11/761,506 US7374832B2 (en) | 2002-12-26 | 2007-06-12 | Direct methanol fuel cell system, portable electronic appliance, and method of detecting an amount of liquid fuel remaining in direct methanol type fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002377053A JP3742385B2 (ja) | 2002-12-26 | 2002-12-26 | 直接型メタノール燃料電池システム、携帯用電子機器及び直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004207129A JP2004207129A (ja) | 2004-07-22 |
| JP3742385B2 true JP3742385B2 (ja) | 2006-02-01 |
Family
ID=32814347
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002377053A Expired - Fee Related JP3742385B2 (ja) | 2002-12-26 | 2002-12-26 | 直接型メタノール燃料電池システム、携帯用電子機器及び直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US7276303B2 (ja) |
| JP (1) | JP3742385B2 (ja) |
Families Citing this family (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3748434B2 (ja) * | 2002-06-12 | 2006-02-22 | 株式会社東芝 | 直接型メタノール燃料電池システム及び燃料カートリッジ |
| DE10325324A1 (de) * | 2003-06-04 | 2004-12-30 | Umicore Ag & Co.Kg | Membran-Elektroden-Einheit für Direkt-Methanol-Brennstoffzellen und Verfahren zu ihrer Herstellung |
| KR100512736B1 (ko) * | 2003-06-25 | 2005-09-07 | 삼성전자주식회사 | 휴대용 컴퓨터 |
| US20060222923A1 (en) * | 2003-07-01 | 2006-10-05 | Yasuyuki Muramatsu | Direct methanol fuel cell system |
| JP2005150106A (ja) * | 2003-10-24 | 2005-06-09 | Yamaha Motor Co Ltd | 燃料電池システムおよびそれを用いた輸送機器 |
| US7117732B2 (en) * | 2003-12-01 | 2006-10-10 | Societe Bic | Fuel gauge for fuel cartridges |
| US20060006108A1 (en) * | 2004-07-08 | 2006-01-12 | Arias Jeffrey L | Fuel cell cartridge and fuel delivery system |
| CN1993852A (zh) * | 2004-08-04 | 2007-07-04 | 日本电气株式会社 | 燃料电池装置及利用该燃料电池装置的移动电子设备 |
| TWM262846U (en) * | 2004-08-31 | 2005-04-21 | Antig Tech Co Ltd | Semi-active fuel cell device |
| JP2006114487A (ja) * | 2004-09-16 | 2006-04-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 直接型メタノール燃料電池、燃料液面検出方法、及びメタノール濃度検出方法 |
| JP2006114340A (ja) * | 2004-10-14 | 2006-04-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池とその運転方法 |
| JP4749741B2 (ja) * | 2005-03-04 | 2011-08-17 | 富士フイルム株式会社 | テンタ式乾燥機及び溶液製膜方法 |
| JP4749088B2 (ja) * | 2005-08-26 | 2011-08-17 | 三洋電機株式会社 | 燃料電池発電装置の運転方法 |
| JP4870980B2 (ja) * | 2005-12-14 | 2012-02-08 | 株式会社東芝 | 燃料電池システム及びその制御方法 |
| WO2008020876A2 (en) * | 2006-01-19 | 2008-02-21 | Direct Methanol Fuel Cell Corporation | Fuel cartridge |
| US20080029156A1 (en) * | 2006-01-19 | 2008-02-07 | Rosal Manuel A D | Fuel cartridge |
| TWM314292U (en) * | 2006-10-18 | 2007-06-21 | Asia Vital Components Co Ltd | Fuel container structure |
| KR100784017B1 (ko) * | 2006-11-20 | 2007-12-07 | 삼성에스디아이 주식회사 | 미반응 연료 재활용 장치 및 이를 구비한 연료 전지 시스템 |
| US8286464B2 (en) * | 2006-12-22 | 2012-10-16 | Societe Bic | Sensing device and methods related thereto |
| KR101473318B1 (ko) * | 2007-09-28 | 2014-12-17 | 삼성에스디아이 주식회사 | 메탄올을 직접 연료로 사용하는 연료전지용 기액분리장치및 그 운영방법 |
| KR100986870B1 (ko) | 2007-10-23 | 2010-10-08 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지 시스템 및 그 연료량 판단 방법 |
| KR20100078804A (ko) * | 2008-12-30 | 2010-07-08 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료순환구조를 갖는 연료전지시스템 및 그 구동 방법과 연료전지시스템을 포함하는 전자기기 |
| JP4691189B1 (ja) * | 2009-11-25 | 2011-06-01 | 株式会社東芝 | 直接メタノール型燃料電池 |
| TWI456828B (zh) * | 2010-12-14 | 2014-10-11 | Univ Nat Pingtung Sci & Tech | 調控溫度之鋅空氣燃料電池裝置 |
| TWI427856B (zh) * | 2010-12-14 | 2014-02-21 | Univ Nat Pingtung Sci & Tech | 調控電解液之鋅空氣燃料電池裝置及其鋅空氣燃料電池單元 |
| CN110858656A (zh) * | 2018-08-24 | 2020-03-03 | 上海铁路通信有限公司 | 一种用于列车atp系统的燃料电池装置 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6147072A (ja) | 1984-08-10 | 1986-03-07 | Nissan Motor Co Ltd | 自動車用電源装置 |
| EP0181569B1 (en) * | 1984-10-31 | 1991-05-02 | Hitachi, Ltd. | Liquid fuel cell |
| JPH05258760A (ja) | 1992-03-12 | 1993-10-08 | Hitachi Mach & Eng Ltd | 液体燃料電池の運転制御方法及び装置 |
| JP3668069B2 (ja) | 1999-09-21 | 2005-07-06 | 株式会社東芝 | 燃料電池用液体燃料収容容器および燃料電池 |
| JP2002289211A (ja) | 2001-01-17 | 2002-10-04 | Casio Comput Co Ltd | 燃料封入部、発電モジュール及び電源システム |
| JP4390439B2 (ja) | 2002-10-30 | 2009-12-24 | ヤマハ発動機株式会社 | 燃料電池システム |
-
2002
- 2002-12-26 JP JP2002377053A patent/JP3742385B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2003
- 2003-12-23 US US10/742,823 patent/US7276303B2/en not_active Expired - Fee Related
-
2007
- 2007-06-12 US US11/761,506 patent/US7374832B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US7374832B2 (en) | 2008-05-20 |
| US7276303B2 (en) | 2007-10-02 |
| JP2004207129A (ja) | 2004-07-22 |
| US20070231649A1 (en) | 2007-10-04 |
| US20040185314A1 (en) | 2004-09-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3742385B2 (ja) | 直接型メタノール燃料電池システム、携帯用電子機器及び直接型メタノール燃料電池システムの液体燃料残存量の検出方法 | |
| US20050130009A1 (en) | Filling-collecting device for fuel cell, fuel cell system and reusing device for filling-collecting device for fuel cell | |
| EP1747599B1 (en) | Cartridge with fuel supply and membrane electrode assembly stack | |
| JP5519858B2 (ja) | 直接酸化型燃料電池システム | |
| JP2007123245A (ja) | 燃料電池システム | |
| US20070141410A1 (en) | Direct oxidation fuel cell system | |
| US8227118B2 (en) | Method of driving fuel cell device | |
| JP2005235519A (ja) | 燃料電池、燃料電池システム、および装置 | |
| CN100423339C (zh) | 具有双稳态结构的液体燃料筒 | |
| EP2306571B1 (en) | Fuel cell system and control method therefor | |
| JP2005032702A (ja) | 燃料電池用燃料タンク及び燃料電池システム | |
| JP4247130B2 (ja) | 直接型メタノール燃料電池システム | |
| US8088521B2 (en) | Fuel cell system for computing fuel level | |
| JP2005222760A (ja) | 燃料電池用燃料タンク及び燃料電池システム | |
| JP2011054285A (ja) | 有機系燃料を用いた燃料電池 | |
| CN101420039B (zh) | 燃料电池系统和计算燃料量的方法 | |
| JP2005243353A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2005317436A (ja) | 燃料電池システムおよび機器 | |
| WO2014045510A1 (ja) | 直接酸化型燃料電池システムおよびこれに用いる回収タンク | |
| KR100625693B1 (ko) | 연료전지의 연료공급장치 | |
| JP2005310589A (ja) | 燃料電池システムおよび機器 | |
| KR100675691B1 (ko) | 연료전지의 연료온도유지장치 및 그 방법 | |
| JP4843906B2 (ja) | 燃料電池システムおよび機器 | |
| JP2016110785A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2012248493A (ja) | 燃料電池システム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040609 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050802 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050809 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20051011 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20051108 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20051110 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091118 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101118 Year of fee payment: 5 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |