JP4950424B2

JP4950424B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4950424B2
Application number: JP2005021420A
Authority: JP
Inventors: 恵昭友成; 宏原田; 正彦鈴村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2025-01-28
Also published as: JP2006210177A

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来から、各種携帯機器の電源として、マイクロ燃料電池と呼ばれている小型の燃料電池が注目されており、この種の燃料電池の一種である直接メタノール型燃料電池を備えた燃料電池システムが各所で研究開発されている（例えば、特許文献１,２）。

上記特許文献１，２に開示されている燃料電池システムは、直接メタノール型燃料電池からなる燃料電池と、燃料電池用のメタノール水溶液を入れた燃料容器と、燃料容器と燃料電池との間に設けられメタノール水溶液が流れる燃料供給路と、燃料電池の出力を検出する出力検出手段と、出力検出手段の出力に基づいて燃料電池へ供給されるメタノール水溶液の流量をフィードバック制御する流量制御手段とを備えている。なお、上記特許文献２には、メタノールが入れられた第１の燃料容器と水が入れられた第２の燃料容器と、第１の燃料容器から送出されたメタノールと第２の燃料容器から送出された水とを混合して燃料電池へ供給する混合器とを備えた燃料電池システムも開示されている。

ここにおいて、上記特許文献１，２に開示された燃料電池システムは、燃料供給路上に流体ポンプが設けられており、上記流量制御手段が出力検出手段の出力に基づいて流体ポンプを制御することで燃料電池へ供給されるメタノール水溶液の流量を制御するように構成されている。なお、上記特許文献１，２に開示されている燃料電池システムは、燃料電池で消費されなかったメタノール水溶液を燃料容器に循環させて再利用するように構成されている。

ところで、近年では、携帯機器の電源として、小型の燃料電池とリチウムリオン電池などの２次電池とを併用することが主流になりつつあり、上記特許文献１には、複数個の燃料電池セルを直列接続した燃料電池の出力電流によりリチウムイオン電池を充電することが記載されている。
特開２００３−２２８３０号公報（段落〔００７５〕〜〔０１０７〕、および図９〜図１６）特開２００４−１２７６７１号公報（段落〔００２６〕〜〔００３９〕、および図１〜図７）

上記特許文献１に記載されているように燃料電池の出力電流によりリチウムイオン電池のような２次電池を充電することを考えた場合、２次電池の充電電流が変動して２次電池の充電電圧が変動すると、２次電池の異常発熱や劣化などの原因となるので、２次電池の充電時には燃料電池から２次電池へ一定の出力電流（充電電流）を流すことが要求される。

しかしながら、上述のような直接メタノール型燃料電池からなる燃料電池の出力はメタノール水溶液の流量およびメタノール水溶液のメタノール濃度それぞれの変化に伴って変動するにもかかわらず、上記特許文献１，２に開示された燃料電池システムは、燃料電池の出力に基づいて燃料電池へのメタノール水溶液の流量を制御するように構成されており、燃料電池へ供給されるメタノール水溶液の流量が一定ではないので、燃料電池へ供給されるメタノール水溶液の流量の変化に伴って出力電流が変動してしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来に比べて燃料電池の出力を安定化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。

請求項１の発明は、燃料電池と、燃料電池用の希釈有機液体燃料を入れた希釈燃料容器と、希釈燃料容器と燃料電池との間に設けられ希釈有機液体燃料が流れる燃料供給路と、燃料電池で消費されなかった希釈有機液体燃料を希釈燃料容器へ循環させる循環流路と、補充用の有機液体燃料を入れた補充燃料容器と、補充燃料容器と燃料供給路との間に設けられる燃料補充流路と、燃料補充流路上に設けられたバルブと、燃料供給路上に設けられ希釈燃料容器から供給される希釈有機液体燃料と補充燃料容器から供給される有機液体燃料とを混合する混合器と、燃料供給路のうち希釈燃料容器と混合器との間の上流側供給路上に設けられたバルブと、燃料供給路のうち混合器と燃料電池との間の下流側供給路上に設けられ希釈有機液体燃料を燃料電池へ送り込む流体ポンプと、燃料電池の出力を検出する出力検出手段と、燃料電池へ一定流量の希釈有機液体燃料が供給されるように流体ポンプを制御し且つ出力検出手段の出力が一定の目標値に近づくように燃料補充流路上のバルブを制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、制御手段によって、燃料電池へ一定流量の希釈有機液体燃料が供給されるように流体ポンプが制御された上で、出力検出手段の出力が一定の目標値に近づくように燃料補充流路上のバルブが制御されることにより、出力検出手段の出力が一定の目標値に近づくように希釈有機液体燃料の濃度が調整されることになるので、従来に比べて燃料電池の出力を安定化することが可能になる。したがって、従来に比べて安定した定電流出力あるいは定電圧出力を得ることが可能となる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記燃料補充流路上のバルブが、対向配置される一対の電極間に作用する静電力によって弁体を変位させる静電駆動型マイクロバルブであることを特徴とする。

この発明によれば、前記燃料補充流路上のバルブとして、圧電ユニモルフ型のアクチュエータを用いたマイクロバルブを採用する場合に比べて、前記燃料補充流路上のバルブの小型化および低消費電力化を図ることができ、燃料電池システム全体の小型化および低消費電力化を図れる。

請求項３の発明は、燃料電池と、燃料電池用の希釈有機液体燃料を入れた希釈燃料容器と、希釈燃料容器と燃料電池との間に設けられ希釈有機液体燃料が流れる燃料供給路と、燃料電池で消費されなかった希釈有機液体燃料を希釈燃料容器へ循環させる循環流路と、補充用の有機液体燃料を入れた補充燃料容器と、有機液体燃料の希釈用の溶媒を入れた溶媒容器と、補充燃料容器と燃料供給路または希釈燃料容器との間に設けられた燃料補充流路と、溶媒容器と燃料供給路との間に設けられた溶媒補充流路と、燃料補充流路上に設けられた第１のバルブと、溶媒補充流路上に設けられた第２のバルブと、燃料供給路上に設けられ希釈燃料容器から供給される希釈有機液体燃料と補充燃料容器から供給される有機液体燃料とを混合する混合器と、燃料供給路のうち希釈燃料容器と混合器との間の上流側供給路上に設けられたバルブと、燃料供給路のうち混合器と燃料電池との間の下流側供給路上に設けられ希釈有機液体燃料を燃料電池へ送り込む流体ポンプと、燃料電池の出力を検出する出力検出手段と、燃料電池へ一定流量の希釈有機液体燃料が供給されるように流体ポンプを制御し且つ出力検出手段の出力が一定の目標値に近づくように第１のバルブおよび第２のバルブを制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、制御手段によって、燃料電池へ一定流量の希釈有機液体燃料が供給されるように流体ポンプが制御された上で、出力検出手段の出力が一定の目標値に近づくように第１のバルブおよび第２のバルブが制御されることにより、出力検出手段の出力が一定の目標値に近づくように希釈有機液体燃料の濃度が調整されることになるので、従来に比べて燃料電池の出力を安定化することが可能になる。したがって、従来に比べて安定した定電流出力あるいは定電圧出力を得ることが可能となる。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記第１のバルブおよび第２のバルブそれぞれが、対向配置される一対の電極間に作用する静電力によって弁体を変位させる静電駆動型マイクロバルブであることを特徴とする。

この発明によれば、前記第１のバルブおよび第２のバルブとして、それぞれ圧電ユニモルフ型のアクチュエータを用いたマイクロバルブを採用する場合に比べて、前記第１のバルブおよび第２のバルブそれぞれの小型化および低消費電力化を図ることができ、燃料電池システム全体の小型化および低消費電力化を図れる。

請求項５の発明は、請求項２または請求項４の発明において、前記制御手段は、前記電極間へ与える電圧パルスのパルス幅を調節することを特徴とする。

この発明によれば、補充量を数十マイクロリットルレベルの微小な流量で制御することができるので、ポンプのように流量が脈動する補機により希釈有機液体燃料の濃度を制御する場合に比べて、希釈有機液体燃料の濃度の制御が容易になる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５の発明において、前記流体ポンプが、圧電ポンプであることを特徴とする。

この発明によれば、前記流体ポンプとして電磁ポンプを採用する場合に比べて、前記流体ポンプの小型化および低消費電力化を図れ、燃料電池システム全体の小型化および低消費電力化を図ることができる。

請求項１、３の発明では、従来に比べて燃料電池の出力を安定化することが可能になるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、小型の燃料電池１と、燃料電池１用の希釈有機液体燃料である所定濃度のメタノール水溶液（例えば、メタノール濃度が５％のメタノール水溶液）を入れた希釈燃料容器２と、希釈燃料容器２と燃料電池１との間に設けられメタノール水溶液が流れる燃料供給路３と、燃料電池１で発生した水を希釈燃料容器２へ循環させる循環流路４ａと、燃料電池１で消費されなかったメタノール水溶液を希釈燃料容器２へ循環させる循環流路４ｂと、補充用の有機液体燃料であるメタノール（濃度が１００％のメタノール）を入れた補充燃料容器５と、補充燃料容器５と燃料供給路３との間に設けられる燃料補充流路６と、燃料補充流路６上に設けられたバルブであるマイクロバルブ７と、燃料供給路３上に設けられ希釈燃料容器２から供給されるメタノール水溶液と補充燃料容器５から供給されるメタノールとを混合する混合器８と、燃料供給路３のうち希釈燃料容器２と混合器８との間の上流側供給路３ａ上に設けられたバルブ９と、燃料供給路３のうち混合器８と燃料電池１との間の下流側供給路３ｂ上に設けられメタノール水溶液を燃料電池１へ送り込む流体ポンプ１０と、燃料電池１へ空気を送り込む空気ポンプ１１と、空気ポンプ１１と燃料電池１との間に設けられた空気供給路１２と、燃料電池１の出力電流を検出する電流センサ１３と、マイクロバルブ７およびバルブ９および流体ポンプ１０を制御する制御回路１４とを備えており、燃料電池１の両端間にリチウムイオン電池のような２次電池からなる負荷２０が接続される。ここにおいて、本実施形態では、電流センサ１３が燃料電池１の出力を検出する出力検出手段を構成し、制御回路１４が、燃料電池１へ一定流量の希釈有機液体燃料が供給されるように流体ポンプ１０を制御し且つ出力検出手段の出力が一定の目標値に近づくように燃料補充流路６上のバルブを制御する制御手段を構成している。

なお、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１とは別に図示しない小型の補助電源（例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、電気二重層コンデンサ等）と、補助電源の出力電圧を昇圧して流体ポンプ１０およびマイクロバルブ７およびバルブ９を駆動する電圧を発生する図示しない昇圧回路（第１の昇圧回路）とを備えており、制御回路１４が補助電源から電源供給されて流体ポンプ１０および各バルブ７，９を制御するようになっているが、燃料電池１の発電が開始された後には燃料電池１の出力電圧を昇圧する昇圧回路（第２の昇圧回路）３０から電源が供給されて流体ポンプ１０およびマイクロバルブ７およびバルブ９を制御する。

燃料電池１は、メタノール水溶液を燃料とする直接メタノール型燃料電池であって、複数個（例えば、８個）の燃料電池セル１ａが直列接続されている。なお、燃料電池セル１ａの数は特に限定するものではなく、負荷２０である２次電池の充電に必要な充電電流に応じて適宜設定すればよい。

各燃料電池セル１ａは、水素イオンの伝導性の高い固体高分子膜からなるイオン伝導膜１ａａが厚み方向の両側に設けた燃料極（アノード集電体およびアノード触媒層を含むアノード電極）１ａｂと空気極（カソード集電体およびカソード触媒層を含むカソード電極）１ａｃとで挟まれており、上述の燃料供給路３を通して燃料極１ａｂへメタノール水溶液が供給される一方で、上述の空気供給路１２を通して空気極１ａｃへ空気が供給される。要するに、各燃料電池セル１ａは、燃料極１ａｂへメタノール水溶液が供給される一方で、空気極１ａｃへ酸化剤としての空気が供給されて、発電することになり、燃料極１ａｂでは二酸化炭素（ＣＯ_２）が発生し、空気極１ａｃでは水が発生する。ここにおいて、各燃料電池セル１ａの燃料極１ａｂで発生した二酸化炭素および燃料極１ａｂで消費されなかったメタノール水溶液は循環流路４ｂを通して希釈燃料容器２へ循環され、各燃料電池セル１ａの空気極１ａｃで発生した水および空気極１ａｃで消費されなかった空気は循環流路４ａを通して希釈燃料容器２へ循環される。

燃料電池１以外の構成要素について説明する前に、本実施形態における燃料電池１の特性について図２および図３を参照しながら説明する。

図２は、燃料電池１の各燃料電池セル１ａの燃料極１ａｂへ供給するメタノール水溶液のメタノール濃度を５％で一定として、メタノール水溶液の流量（供給量）を種々変化させた場合の電流密度−電圧特性を示しており、図２から、メタノール水溶液のメタノール濃度が一定であってもメタノール水溶液の流量により電流密度−電圧特性が変化することが分かる。要するに、燃料電池１は、図２中に示した負荷線に対してそれぞれの流量の場合の動作点が異なる電流密度となる。一方、図３は、燃料電池１の各燃料電池セル１ａの燃料極１ａｂへ供給するメタノール水溶液の流量を０．１ｍｌ／ｍｉｎで一定として、メタノール水溶液のメタノール濃度を種々変化させた場合の電流−電圧特性を示しており、図３から、メタノール水溶液の流量が一定であってもメタノール水溶液の濃度により電流−電圧特性が変化することが分かる。なお、上述の燃料電池１では、各燃料電池セル１ａのＭＥＡ面積を２５ｃｍ^２としてある。

希釈燃料容器２は、上述のように燃料電池１にて消費されなかったメタノール水溶液および燃料電池１で発生した水が循環されるものであるから、二酸化炭素および空気を外部へ排出するための気液分離部としてガスセパレータ（図示せず）が設けられている。

流体ポンプ１０は、圧電効果を利用して入口側の流体（ここでは、メタノール水溶液）を出口側へ送り出す圧電ポンプからなるマイクロポンプであって、圧電ポンプ本体１０ａと、圧電ポンプ本体１０ａの入口側（吸入側）に設けられる逆止弁１０ｂと圧電ポンプ本体１０ａの出口側（吐出側）に設けられる逆止弁１０ｃとを備えており、圧電ポンプ本体１０ａおよび各逆止弁１０ｂ，１０ｃそれぞれが上述の制御回路１４により制御される。

混合器８では、希釈燃料容器２から上述の上流側供給路３ａを通して供給されるメタノール水溶液と補充燃料容器５から燃料補充流路６を通して供給されるメタノールとを混合して得られるメタノール水溶液を上述の下流側供給路３ｂを通して燃料電池１へ供給するものであり、燃料補充流路６上のマイクロバルブ７が閉じている状態では希釈燃料容器２から上述の上流側供給路３ａを通して供給されるメタノール水溶液をそのまま燃料電池１へ供給し、マイクロバルブ７が開いたときに燃料補充流路６を通して供給されるメタノールにより上流側供給路３ａを通るメタノール水溶液よりも濃度を高めたメタノール水溶液を燃料電池１へ供給する。

上述のマイクロバルブ７としては、図４および図５に示す構成の静電駆動型マイクロバルブを用いている。図４および図５に示す構成のマイクロバルブ７は、ガラス基板を用いて形成され流体（ここでは、メタノール）の流出口７２が厚み方向に貫設されるとともに一表面（図５（ａ）における上面）側において流出口７２の周部に弁座７３が突設された弁座形成基板７０と、シリコン基板を用いて形成され弁座形成基板７０の上記一表面側に固着されるフレーム８１およびフレーム８１の内側に配置され流出口７２を開閉するように上記厚み方向に変位可能な弁体８３およびフレーム８１と弁体８３とを連結する薄肉の撓み部８２を一体に有する弁体形成基板８０とを備えている。つまり、弁体８３は撓み部８２を介してフレーム８１に支持されている。一方、弁座形成基板７０は、流出口７２が円形状に開口され、流出口７２の周部において弁体８３との対向面に上述の弁座７３が形成されている。なお、弁体形成基板８０のフレーム８１と弁座形成基板７０とは陽極接合により固着されている。

マイクロバルブ７は、対向配置される一対の電極間に作用する静電力によって弁体８３を弁座形成基板７０の厚み方向に変位させるものであって、上記一対の電極の一方を構成する可動電極８４が弁体８３における弁座形成基板７０側とは反対側に形成され、弁体形成基板８０における弁座形成基板７０とは反対側に固着されるガラス製のアクチュエータ形成基板９０に上記一対の電極の他方を構成する固定電極９１が設けられている。ここにおいて、マイクロバルブ７は、アクチュエータ形成基板９０の周部に流体の流入口９８を貫設し、弁体形成基板８０に、流入口９８と弁座形成基板７０の流路用凹部７４とを連通させる連通孔８８を厚み方向に貫設してある。ここにおいて、弁体形成基板８０のフレーム８１とアクチュエータ形成基板９０とは、陽極接合により固着してある。

アクチュエータ形成基板９０における弁体形成基板８０との対向面において、撓み部８２および弁体８３に対向する部位には弁座形成基板７０の厚み方向への弁体８３の移動空間を確保するためのギャップ形成用凹部９３が形成されており、ギャップ形成用凹部９３の内底面に上述の固定電極９１を形成してある。

上述のマイクロバルブ７は、可動電極８４および固定電極９１それぞれに接続されたパッド（図示せず）を介して可動電極８４と固定電極９１との間に電圧を印加していない状態では、図５（ａ）に示すように弁体８３が弁座７３の先端面に密着することで流出口７２が弁体８３により閉止されている。これに対して、可動電極８４と固定電極９１との間に規定電圧（例えば、２０Ｖ）以上の電圧を印加すると、図５（ｂ）に示すように弁体８３が弁座７３から離れる向きに変位して流出口７２が開放され、撓み部８２と弁座形成基板７０との間の空間が流出口７２を通して外部と連通するから、流入口９８−連通孔８８−流路用凹部７４−流出口７２の経路で流体が流れる。すなわち、上述のマイクロバルブ７は、ノーマリクローズ型のマイクロバルブを構成している。ここにおいて、弁体８３によって流出口７２を閉止した状態における可動電極８４と固定電極９１との間の間隔は、数μｍ（例えば、３μｍ程度）に設定してある。なお、図５（ａ）は、弁体形成基板８０と弁座形成基板７０との間の空間へアクチュエータ形成基板９０に形成された流入口９８を通して流体が導入された状態を示しており、図５（ｂ）のように流出口７２が開放されると、流入口９８を通して弁体形成基板８０と弁座形成基板７０との間の空間へ導入された流体が流出口７２を通って流出することとなる（図４中の矢印で示した経路は流体の流れる経路を示している）。

ところで、上述のマイクロバルブ７は、流出口７２が弁体８３により閉止された状態において、流入口９８を通して撓み部８２と弁座形成基板７０との間の空間に流れ込んだ流体の圧力により弁体８３が浮き上がって流出口７２が開放されるのを防止するために、弁体形成基板８０のフレーム８１の上記一表面側に他の部位に比べて薄肉の圧力調整用ダイヤフラム部８５が形成され、アクチュエータ形成基板９０における弁体形成基板８０との対向面において、圧力調整用ダイヤフラム部８５に対向する部位には圧力調整空間用凹部９４が形成され、圧力調整空間用凹部９４とギャップ形成用凹部９３とが連通している。圧力調整用ダイヤフラム部８５の厚さは撓み部８２の厚さと同じ厚さに設定してあるので、製造時に圧力調整用ダイヤフラム部８５と撓み部８２とを同時に形成することができる。

ここにおいて、アクチュエータ形成基板９０に各凹部９３，９４を設けたことによりアクチュエータ形成基板９０と弁体形成基板８０との間に形成される空間には、気体（例えば、窒素、アルゴン、キセノン、ヘリウムなどの不活性ガスや空気など）若しくは液体（例えば、フロリナート、シリコーンオイル、フレオン、シリコーンゲルなど）からなる受圧媒体が封入されている。受圧媒体として用いる液体として電気絶縁性を有するものが好ましい。また、受圧媒体として気体を採用する場合には、不活性ガスを用いた方が空気を用いた場合よりも長期的な信頼性が向上し安定した開閉動作が得られる。

したがって、上述のマイクロバルブ７では、流入口９８を通して弁座形成基板７０と圧力調整用ダイヤフラム部８５との間の空間へ流入した流体の圧力を受けて圧力調整空間（圧力調整空間用凹部９４の内面と圧力調整用ダイヤフラム部８５とで囲まれる空間）の容積が縮小するように圧力調整用ダイヤフラム部８５が変形する（アクチュエータ形成基板９０側へ凸となる形で撓む）ことによって、アクチュエータ形成基板９０と弁体形成基板８０との間の空間内の受圧媒体が圧縮されて圧力が高まり弁体８３が流出口７２を閉止する向き（つまり、弁体８３を押し下げる向き）の力が作用するので、可動電極８４と固定電極９１との間に電圧が印加されていない状態では、図５（ａ）に示すように、圧力調整用ダイヤフラム部８５が変形し、弁体８３が浮き上がることなく弁体８３により流出口７２が確実に閉止されている。これに対して、可動電極８４と固定電極９１との間に上述の力に抗して弁体８３が流出口７２を開くのに必要な規定電圧以上の電圧を印加すれば、両電極８４，９１間に発生する静電力によって可動電極８４が固定電極９１に当接するように撓み部８２が撓んで流出口７２が開放されるので、上述のように、流入口９８−連通孔８８−流路用凹部７４−流出口７２の経路で流体が流れることとなる。

以上説明したマイクロバルブ７では、可動電極８４と固定電極９１との間の間隔が弁体８３のストローク量に等しく、弁体８３のストローク量を数μｍ程度に設定することができるので、応答性が良く、数十μｌ／ｍｉｎレベルの微量な流体を精度良く高速に制御することができる。

上述のマイクロバルブ７では、例えば、図６（ａ）に示すような電圧パルスを可動電極８４と固定電極９１との間に印加した場合の流量特性は図６（ｂ）に示すような特性となる。また、可動電極８４と固定電極９１との間に電圧パルスを周期的に印加した場合、図７に示すように１周期の時間Ｔに対する電圧パルスのパルス幅ｔの割合をデューティ比（＝ｔ／Ｔ）と定義すれば、図８に示すように流量がデューティ比に略比例するので、デューティ比を制御することにより、流量を制御することができる。要するに、可動電極８４と固定電極９１との間へ与える電圧パルスのパルス幅を調節することにより、メタノールの補充量を調整することができる。ここに、電圧パルスのパルス幅は制御回路１４において調節される。この点については後述する。

なお、燃料供給路３上に設けられたバルブ９は、開閉制御が行えるものであればよく、ノーマリオープン型のバルブを用いることが望ましい。

ところで、上述の制御回路１４は、燃料電池１へ一定流量（例えば、０．１ｍｌ／ｍｉｎ）のメタノール水溶液が供給されるように流体ポンプ１０を制御し且つ電流センサ１３の出力が一定の目標値（電流値）に近づくようにマイクロバルブ７を制御する。ここにおいて、制御回路１４は、電流センサ１３の出力に基づいてマイクロバルブ７へ与える電圧パルスのパルス幅を決める信号処理部を備えている。信号処理部は、燃料電池１の各燃料電池セル１ａの燃料極１ａｂで消費されたメタノールの合計量を演算し、各燃料電池セル１ａの燃料極１ａｂで消費された水の合計量および各燃料電池セル１ａの空気極１ａｃで発生した水の合計量を演算する。

ここにおいて、燃料電池１の各燃料電池セル１ａの燃料極１ａｂでは、
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→６Ｈ⁺＋ＣＯ₂＋６ｅ^-
の反応が起こり、燃料電池１の出力電流値（つまり、電流センサ１３による検出電流値）がＩ〔Ａ〕のときに燃料電池１でのメタノールの消費量（使用量）をＱａ〔ｍｏｌ／ｓ〕、上述の反応に関与する電子数をｎ（メタノールではｎ＝６）、ファラデー定数をＦ（＝９６５００Ｃ／ｍｏｌ）とすれば、ファラデーの電気分解の法則から、
Ｉ＝ｎＦＱａ（式１）
の関係式が成り立つ。したがって、燃料電池１の出力電流値Ｉが分かれば、燃料電池１でのメタノールの消費量Ｑａは、
Ｑａ＝Ｉ／（６×９６５００）（式２）
の数式から算出することができる。

また、燃料電池１の各燃料電池セル１ａの燃料極１ａｂではメタノールと水とが１対１で消費されるので、燃料電池１の各燃料電池セル１ａの燃料極１ａｂで消費される水の合計量をＱｂとすれば、Ｑｂ＝Ｑａとなる。また、燃料電池１の各燃料電池セル１ａの空気極１ａｃでは燃料極１ａｂで消費される水の３倍の水が発生するので、燃料電池１の各燃料電池セル１ａの空気極１ａｃで発生する水の合計量をＱｃとすれば、Ｑｃ＝３Ｑｂ（＝３Ｑａ）となるから、補充燃料容器５から燃料供給路３へメタノールを補充しなければ、燃料電池１へ供給されるメタノール水溶液のメタノール濃度が徐々に低下することとなる。

しかしながら、本実施形態の燃料電池システムでは、制御回路１４における信号処理部が、電流センサ１３の出力に基づいて上述の式２からメタノールの消費量Ｑａを算出し、メタノールの消費量Ｑａに応じてマイクロバルブ７用の駆動部からマイクロバルブ７の可動電極８４と固定電極９１との間へ与える駆動電圧（電圧パルス）のパルス幅を決定するように構成されており。制御回路１４からマイクロバルブ７へは上記駆動電圧が制御信号として与えられる。ここに、上記駆動電圧のパルス幅を長くするほど、燃料供給路３へ補充されるメタノールの補充量が多くなり、燃料電池１へ供給されるメタノール水溶液の濃度が高くなり、燃料電池１の出力電流が大きくなる。要するに、制御回路７は、電流センサ１３の出力が一定の目標値（希釈燃料容器２に入っているメタノール水溶液の初期濃度と燃料電池１へ供給するメタノール水溶液の流量とから決まる燃料電池１の出力電流）に近づくように燃料補充流路６上のマイクロバルブ７を制御する。また、信号処理部は、電流センサ１３の出力に関わらず、バルブ９を開いた状態に制御し、且つ、燃料電池１へ一定流量のメタノール水溶液が供給されるように流体ポンプ１０の圧電ポンプ本体１０ａおよび各逆止弁１０ｂ、１０ｃを制御する。なお、制御回路１４は、上述のマイクロバルブ７用の駆動部の他に、流体ポンプ１０用の駆動部およびバルブ９駆動用の駆動部を備えており、これら各駆動部は燃料電池１の発電後には上述の昇圧回路３０から給電されることとなる。また、制御回路１４の信号処理部は、マイクロコンピュータに適宜のソフトウェアを搭載することにより実現される。

しかして、本実施形態の燃料電池システムでは、制御回路１４によって、燃料電池１へ一定流量のメタノール水溶液が供給されるように流体ポンプ１０が制御された上で、電流センサ１３の出力が一定の目標値に近づくように燃料補充流路６上のマイクロバルブ７が制御されることにより、電流センサ１３の出力が一定の目標値に近づくようにメタノール水溶液の濃度が初期濃度に近づくように調整されることになるので、従来に比べて燃料電池１の出力電流を安定化することが可能になる。言い換えれば、本実施形態の燃料電池システムでは、従来に比べて安定した定電流出力を得ることが可能となる。また、本実施形態では、燃料補充流路６上に設けるマイクロバルブ７が、対向配置される一対の電極間に作用する静電力によって弁体を変位させる静電駆動型マイクロバルブにより構成されているので、マイクロバルブ７として、圧電ユニモルフ型のアクチュエータを用いたマイクロバルブを採用する場合に比べて、マイクロバルブ７の小型化および低消費電力化を図ることができ、燃料電池システム全体の小型化および低消費電力化を図れる。また、制御回路１４がマイクロバルブ７の可動電極８４と固定電極９１との間へ与える電圧パルスのパルス幅を調節することにより、メタノールの補充量を調節するので、メタノールの補充量を数十マイクロリットルレベルの微小な流量で制御することができるから、ポンプのように流量が脈動する補機によりメタノール水溶液の濃度を制御する場合に比べて、メタノール水溶液の濃度の制御が容易になる。また、流体ポンプ１０が圧電ポンプにより構成されているので、流体ポンプ１０として電磁ポンプを採用する場合に比べて、流体ポンプ１０の小型化および低消費電力化を図れ、燃料電池システム全体の小型化および低消費電力化を図ることができる。

したがって、図９に示すように、携帯電話機などの携帯機器２００の電源であるリチウムイオン電池Ｅを充電する充電器１００であって、燃料電池１と燃料カートリッジ１０２と燃料制御部１０３とで構成される充電器を本実施形態の燃料電池システムにより実現することが可能となる（リチウムイオン電池Ｅは図１０に示すような充電特性を有していて一定電流で充電することが望ましい）。この場合、リチウムイオン電池Ｅが図１における負荷２０を構成し、燃料カートリッジ１０１が図１における希釈燃料容器２により構成され、燃料制御部１０３が図１における希釈燃料容器２と燃料電池１と負荷２０とを除いた他の構成要素により構成される。また、図９における携帯機器２００には、リチウムイオン電池Ｅの出力電圧を所定の直流電圧へ変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２０１が設けられており、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０１の出力電圧が携帯機器２００の電子回路の電源として利用される。

なお、本実施形態では、電流センサ１３が燃料電池１の出力を検出する出力検出手段を構成しているが、出力検出手段として燃料電池１の出力電圧を検出するものを用いるようにして、制御回路１４の信号処理部が、燃料電池１の出力電圧が一定の目標値に近づくようにマイクロバルブ７を制御するように構成してもよく、この場合には従来に比べて安定した定電圧出力を得ることが可能となる。また、補充燃料容器５を燃料補充流路６に着脱可能に構成しておけば、補充燃料容器５を交換することで燃料電池１の発電を継続させることができ、長時間の連続使用が可能になる。また、本実施形態では、有機液体燃料としてメタノールを採用しているが、メタノールの代わりに、ジメチルエーテル、エタノール等の他の有機液体燃料を採用すれば、メタノールを採用する場合に比べて有機液体燃料の安全性を高めることができるとともに有機液体燃料の取り扱いが容易になる。また、本実施形態では、燃料補充流路６を補充燃料容器５と燃料供給路３との間に設けてあるが、燃料補充流路６は補充燃料容器５と燃料供給路３との間ではなく補充燃料容器５と希釈燃料容器２との間に設けるようにしてもよい。

（実施形態２）
本実施形態の燃料電池システムの基本構成は実施形態１と略同じであり、図１１に示すように、有機液体燃料であるメタノールの希釈用の溶媒である水を入れた溶媒容器１５と、溶媒容器１５と燃料供給路３との間に設けられた溶媒補充流路１６と、溶媒補充流路１６上に設けられたマイクロバルブ１７とを備えており、制御回路１４が燃料電池１へ一定流量のメタノール水溶液が供給されるように流体ポンプ１０を制御し且つ電流センサ１３の出力が一定の目標値に近づくように各マイクロバルブ７，１７を制御する点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、溶媒補充流路１６が燃料補充流路６におけるマイクロバルブ７よりも下流側の部位に合流しており、混合器８には上流側供給路３ａを通して供給されるメタノール水溶液の他に、補充燃料容器５からのメタノールと溶媒容器１５からの水とが混合されたメタノール水溶液が供給可能となっている。したがって、混合器８では、互いに異なる経路で供給され濃度の異なる２種類のメタノール水溶液を混合して燃料電池１へ供給することができる。

ところで、本実施形態における制御回路１４は、補充燃料容器５からのメタノールと溶媒容器１５からの水との混合液からなるメタノール水溶液の濃度を各マイクロバルブ７，１７それぞれへ与える電圧パルスの面積比により制御するように構成してある。すなわち、燃料補充流路６上のマイクロバルブ７へ与える電圧パルスの面積をＳ１、溶媒補充流路１６上のマイクロバルブ１７へ与える電圧パルスの面積をＳ２とするとき、Ｓ１：Ｓ２の比を制御することによりメタノール水溶液の濃度を制御するように構成されている。ここで、Ｓ１：Ｓ２を制御することによりメタノール水溶液の濃度の制御が可能なことを実験的に確認するために、図１２（ａ）に示すように補充燃料容器５内のメタノールおよび溶媒容器１５内の水を加圧する加圧ポンプ１８を備えた実験用のシステムを作成し、Ｓ１：Ｓ２を５：１００とした場合に燃料補充流路６を流れるメタノールと溶媒補充流路１６を流れる水とを収集容器１９に収集し、収集容器１９内のメタノール水溶液に対して液クロマトグラフ測定を行った。液クロマトグラフ測定では、図１２（ｂ）に示すようにメタノールの吸収ピークＰ１および水の吸収ピークＰ２が観測され、図１２（ｃ）に示すようにメタノールの吸収ピークＰ１のピーク値から検量線に基づいて濃度の同定を行ったところ、Ｓ１：Ｓ２の比を制御することでメタノール水溶液の濃度を制御可能なことが確認された。

ここにおいて、上述の溶媒補充流路１６上に設けられたマイクロバルブ１７としては、燃料補充流路６上に設けられたマイクロバルブ７と同様の静電駆動型マイクロバルブを用いており、水の補充量を数十μｌ／ｍｉｎレベルの微小な流量で制御することができる。したがって、例えば、図１３（ａ）に示すような電圧パルスをマイクロバルブ７へ与えることにより、図１３（ｂ）に示すような流量特性でメタノールを流す一方で、図１４（ａ）に示すような電圧パルスをマイクロバルブ１７へ与えることにより、図１４（ｂ）に示すような流量特性で水を流すことができ、メタノール水溶液の濃度を高精度に制御することが可能である。なお、本実施形態では、燃料補充流路６上に設けられたマイクロバルブ７が第１のバルブを構成し、溶媒補充流路１６上に設けられたマイクロバルブ１７が第２のバルブを構成している。

しかして、本実施形態の燃料電池システムでは、制御回路１４によって、燃料電池１へ一定流量のメタノール水溶液が供給されるように流体ポンプ１０が制御された上で、電流センサ１３の出力が一定の目標値に近づくように燃料補充流路６上のマイクロバルブ７および溶媒補充流路１６上のマイクロバルブ１７それぞれが制御されることにより、電流センサ１３の出力が一定の目標値に近づくようにメタノール水溶液の濃度が初期濃度に近づくように調整されることになるので、従来に比べて燃料電池１の出力電流を安定化することが可能になる。言い換えれば、本実施形態の燃料電池システムでは、従来に比べて安定した定電流出力を得ることが可能となる。また、本実施形態では、各マイクロバルブ７，１７が、対向配置される一対の電極間に作用する静電力によって弁体を変位させる静電駆動型マイクロバルブにより構成されているので、各マイクロバルブ７，１７として、圧電ユニモルフ型のアクチュエータを用いたマイクロバルブを採用する場合に比べて、マイクロバルブ７，１７の小型化および低消費電力化を図ることができ、燃料電池システム全体の小型化および低消費電力化を図れる。また、制御回路１４が、マイクロバルブ７，１７それぞれの可動電極８４と固定電極９１との間へ与える電圧パルスのパルス幅を調節することにより、有機液体燃料であるメタノールおよび溶媒である水それぞれの補充量を数十マイクロリットルレベルの微小な流量で制御することができるので、ポンプのように流量が脈動する補機により希釈有機液体燃料であるメタノール水溶液の濃度を制御する場合に比べて、メタノール水溶液の濃度の制御が容易になる。

なお、本実施形態では、燃料補充流路６を補充燃料容器５と燃料供給路３との間に設けてあるが、燃料補充流路６は補充燃料容器５と燃料供給路３との間ではなく補充燃料容器５と希釈燃料容器２との間に設けるようにしてもよい。また、本実施形態では、溶媒補充流路１６を溶媒容器１５と燃料供給路３との間に設けてあるが、溶媒補充流路１６は溶媒容器１５と燃料供給路３との間ではなく溶媒容器１５と希釈燃料容器２との間に設けるようにしてもよい。

実施形態１を示す燃料電池システムの概略構成図である。同上における燃料電池の出力特性図である。同上における燃料電池の出力特性図である。同上におけるマイクロバルブを示し、一部破断した概略分解斜視図である。同上におけるマイクロバルブの動作説明図である。同上におけるマイクロバルブの特性説明図である。同上におけるマイクロバルブの制御方法の説明図である。同上におけるマイクロバルブの特性説明図である。同上を充電器として用いた場合のシステム構成図である。リチウムイオン電池の充電特性図である。実施形態２を示す燃料電池システムの概略構成図である。同上におけるメタノール濃度の制御方法の説明図である。同上における一方のマイクロバルブの特性説明図である。同上における他方のマイクロバルブの特性説明図である。

符号の説明

１燃料電池
２希釈燃料容器
３燃料供給路
３ａ上流側供給路
３ｂ下流側供給路
４ａ，４ｂ循環流路
５補充燃料容器
６燃料補充流路
７マイクロバルブ
８混合器
９バルブ
１０流体ポンプ
１１空気ポンプ
１２空気供給路
１３電流センサ
１４制御回路
２０負荷
３０昇圧回路

Claims

燃料電池と、燃料電池用の希釈有機液体燃料を入れた希釈燃料容器と、希釈燃料容器と燃料電池との間に設けられ希釈有機液体燃料が流れる燃料供給路と、燃料電池で消費されなかった希釈有機液体燃料を希釈燃料容器へ循環させる循環流路と、補充用の有機液体燃料を入れた補充燃料容器と、補充燃料容器と燃料供給路との間に設けられる燃料補充流路と、燃料補充流路上に設けられたバルブと、燃料供給路上に設けられ希釈燃料容器から供給される希釈有機液体燃料と補充燃料容器から供給される有機液体燃料とを混合する混合器と、燃料供給路のうち希釈燃料容器と混合器との間の上流側供給路上に設けられたバルブと、燃料供給路のうち混合器と燃料電池との間の下流側供給路上に設けられ希釈有機液体燃料を燃料電池へ送り込む流体ポンプと、燃料電池の出力を検出する出力検出手段と、燃料電池へ一定流量の希釈有機液体燃料が供給されるように流体ポンプを制御し且つ出力検出手段の出力が一定の目標値に近づくように燃料補充流路上のバルブを制御する制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料補充流路上のバルブが、対向配置される一対の電極間に作用する静電力によって弁体を変位させる静電駆動型マイクロバルブであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
燃料電池と、燃料電池用の希釈有機液体燃料を入れた希釈燃料容器と、希釈燃料容器と燃料電池との間に設けられ希釈有機液体燃料が流れる燃料供給路と、燃料電池で消費されなかった希釈有機液体燃料を希釈燃料容器へ循環させる循環流路と、補充用の有機液体燃料を入れた補充燃料容器と、有機液体燃料の希釈用の溶媒を入れた溶媒容器と、補充燃料容器と燃料供給路または希釈燃料容器との間に設けられた燃料補充流路と、溶媒容器と燃料供給路との間に設けられた溶媒補充流路と、燃料補充流路上に設けられた第１のバルブと、溶媒補充流路上に設けられた第２のバルブと、燃料供給路上に設けられ希釈燃料容器から供給される希釈有機液体燃料と補充燃料容器から供給される有機液体燃料とを混合する混合器と、燃料供給路のうち希釈燃料容器と混合器との間の上流側供給路上に設けられたバルブと、燃料供給路のうち混合器と燃料電池との間の下流側供給路上に設けられ希釈有機液体燃料を燃料電池へ送り込む流体ポンプと、燃料電池の出力を検出する出力検出手段と、燃料電池へ一定流量の希釈有機液体燃料が供給されるように流体ポンプを制御し且つ出力検出手段の出力が一定の目標値に近づくように第１のバルブおよび第２のバルブを制御する制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記第１のバルブおよび前記第２のバルブそれぞれが、対向配置される一対の電極間に作用する静電力によって弁体を変位させる静電駆動型マイクロバルブであることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記電極間へ与える電圧パルスのパルス幅を調節することを特徴とする請求項２または請求項４記載の燃料電池システム。
前記流体ポンプが、圧電ポンプであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システム。