WO2010021232A1 - 燃料電池システムおよび電子機器 - Google Patents

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WO2010021232A1
WO2010021232A1 PCT/JP2009/063506 JP2009063506W WO2010021232A1 WO 2010021232 A1 WO2010021232 A1 WO 2010021232A1 JP 2009063506 W JP2009063506 W JP 2009063506W WO 2010021232 A1 WO2010021232 A1 WO 2010021232A1
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fuel
frequency
piezoelectric body
power generation
unit
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重輔 志村
芳明 井上
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Sony Corp
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    • 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
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system that generates power by reaction of methanol or the like with an oxidant gas (oxygen), and an electronic device equipped with such a fuel cell system.
  • an oxidant gas oxygen
  • fuel cells have been put to practical use as industrial or household power generators or power sources for artificial satellites, spacecrafts, etc., because they have high power generation efficiency and do not emit harmful substances.
  • development as a power source for vehicles such as passenger cars, buses and trucks has been progressing.
  • Such fuel cells are classified into types such as alkaline aqueous solution type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type and direct type methanol.
  • DMFCs direct methanol solid polymer electrolyte fuel cells
  • DMFCs direct methanol solid polymer electrolyte fuel cells
  • DMFC uses MEA (Membrane Electrode Assembly), which is a unit cell in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two electrodes and joined together.
  • MEA Membrane Electrode Assembly
  • one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (negative electrode) and methanol as fuel is supplied to the surface of the gas diffusion electrode, the methanol is decomposed to generate hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into a solid polymer electrolyte. Permeates the membrane.
  • the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (positive electrode) and air as an oxidant gas is supplied to the surface thereof, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. . Due to such an electrochemical reaction, an electromotive force is generated from the DMFC.
  • a liquid supply type (a liquid fuel (methanol aqueous solution) is supplied to the fuel electrode as it is) and a vaporization supply type (a liquid electrode in a state where the liquid fuel is vaporized).
  • a vaporization supply type fuel cell has a problem that the temperature of the fuel vaporization section decreases as the fuel is vaporized, so that the generated water tends to condense in the fuel vaporization section. Such condensation of water is also called a flooding phenomenon, which is particularly noticeable when the environmental temperature is low, and causes a power generation failure when used for a long time in a cold region.
  • One method for preventing water condensation in the fuel vaporization section is to preheat the fuel vaporization section.
  • this method has a drawback in that not only is it necessary to separately provide a heater for heating, but energy is wasted in order to warm the entire surface of the fuel vaporization unit.
  • Patent Document 1 a method of heating the fuel vaporization section with heat generated in the power generation section has been proposed (for example, Patent Document 1).
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a fuel cell system capable of suppressing the flooding phenomenon of the fuel vaporization section without impairing power generation characteristics, and such a fuel cell system. Is to provide electronic equipment.
  • a fuel cell system of the present invention includes a power generation unit that generates power by supplying fuel and an oxidant gas, a piezoelectric pump unit that includes a piezoelectric body and a check valve, and supplies liquid fuel to the power generation unit side.
  • the amount of liquid fuel supplied by the piezoelectric pump unit is adjusted by controlling the vibration frequency of the piezoelectric body and the fuel vaporizing unit that supplies gaseous fuel to the power generation unit by vaporizing the liquid fuel supplied by the piezoelectric pump unit And a control unit to perform.
  • the upper limit frequency at which the check valve can be opened and closed is lower than the mechanical resonance frequency of the piezoelectric body.
  • the control unit controls the vibration frequency of the piezoelectric body to be close to the resonance frequency in a predetermined case.
  • the state in which the check valve can be opened / closed is not only a state in which the check valve can be completely opened / closed, but also a liquid fuel supply operation even if a slight opening / closing operation is performed. This also includes a state in which is not performed. That is, “the upper limit frequency at which the check valve can be opened / closed” means, for example, that when the check valve is gradually increased from the rated value, the check valve opens and closes when the piezoelectric body operates. This means a frequency at which the supply amount of the liquid fuel decreases to, for example, about one-tenth or less of the maximum value due to a mechanism such as being unable to follow.
  • the “mechanical resonance frequency of the piezoelectric body” means, for example, a mechanical resonance frequency at which the amplitude value of the piezoelectric body is maximized.
  • the electronic device of the present invention includes the fuel cell system.
  • the liquid fuel supplied from the piezoelectric pump unit is vaporized in the fuel vaporization unit, whereby the gaseous fuel is supplied to the power generation unit.
  • the power generation unit power is generated by supplying the gaseous fuel and the oxidant gas.
  • the amount of liquid fuel supplied by the piezoelectric pump unit is adjusted by controlling the vibration frequency of the piezoelectric body in the piezoelectric pump unit. At this time, in a predetermined case, the vibration frequency of the piezoelectric body is controlled to be close to the mechanical resonance frequency of the piezoelectric body.
  • the check valve since the upper limit frequency at which the check valve can be opened and closed is lower than the mechanical resonance frequency of the piezoelectric body, when the vibration frequency of the piezoelectric body is close to the resonance frequency, the check valve is opened and closed.
  • the liquid fuel in the piezoelectric pump unit is heated by the vibration of the piezoelectric body, and the heated liquid fuel is supplied to the fuel vaporization unit.
  • the upper limit frequency is a value within an audible frequency range
  • the control unit causes the vibration frequency of the piezoelectric body to be higher than the upper limit frequency within the audible frequency range when predetermined.
  • the upper limit frequency at which the check valve can be opened and closed is set to be lower than the mechanical resonance frequency of the piezoelectric body,
  • the vibration frequency of the piezoelectric body is close to the mechanical resonance frequency
  • the liquid fuel in the piezoelectric pump section is heated by the vibration of the piezoelectric body while stopping the fuel supply operation by the piezoelectric pump section,
  • the heated liquid fuel can be supplied to the fuel vaporization section.
  • the power generation characteristics in the power generation unit are not impaired as in the conventional case. Therefore, it is possible to suppress the flooding phenomenon of the fuel vaporization section without impairing the power generation characteristics.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. It is sectional drawing showing the structural example of the electric power generation part shown in FIG. It is a top view showing the structural example of the electric power generation part shown in FIG. It is sectional drawing which represented the detailed structure of the fuel pump typically. It is a timing diagram showing the relationship between the position of a piezoelectric material and the operating state of a fuel pump. It is a characteristic view for demonstrating the outline
  • FIG. 1 shows an overall configuration of a fuel cell system (fuel cell system 5) according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 5 supplies power for driving the load 6 via the output terminals T2 and T3.
  • the fuel cell system 5 includes a fuel cell 1, a current detector 31, a voltage detector 32, a booster circuit 33, a secondary battery 34, and a controller 35.
  • the fuel cell 1 includes a power generation unit 10, a fuel tank 40, and a fuel pump 42. The detailed configuration of the fuel cell 1 will be described later.
  • the power generation unit 10 is a direct methanol type power generation unit that generates power by a reaction between methanol and an oxidant gas (for example, oxygen), and includes a plurality of unit cells having a positive electrode (oxygen electrode) and a negative electrode (fuel electrode). It consists of The detailed configuration of the power generation unit 10 will be described later.
  • an oxidant gas for example, oxygen
  • the fuel tank 40 contains liquid fuel (for example, methanol or aqueous methanol solution) necessary for power generation.
  • liquid fuel for example, methanol or aqueous methanol solution
  • the fuel pump 42 is a pump for pumping the liquid fuel accommodated in the fuel tank 40 and supplying (transporting) the liquid fuel to the power generation unit 10 side, and is capable of adjusting the fuel supply amount.
  • the fuel pump 42 is a piezoelectric pump. The operation of the fuel pump 42 (liquid fuel supply operation) is controlled by a control unit 35 described later. The detailed configuration of the fuel pump 42 will be described later.
  • the current detection unit 31 is arranged between the positive electrode side of the power generation unit 10 and the connection point P1 on the connection line L1H, and detects the power generation current I1 of the power generation unit 10.
  • the current detection unit 31 includes a resistor, for example. Such a current detection unit 31 may be disposed on the connection line L1L (between the negative electrode side of the power generation unit 10 and the connection point P2).
  • the voltage detector 32 is arranged between the connection point P1 on the connection line L1H and the connection point P2 on the connection line L1L, and detects the power generation voltage V1 of the power generation unit 10.
  • the voltage detection unit 32 includes a resistor, for example.
  • the booster circuit 33 is disposed between the connection point P1 on the connection line L1H and the connection point P3 on the output line LO, and boosts the power generation voltage V1 (DC voltage) of the power generation unit 10 to generate a DC voltage. It is a voltage conversion part which produces
  • the booster circuit 33 is constituted by, for example, a DC / DC converter.
  • the secondary battery 34 is disposed between the connection point P3 on the output line LO and the connection point P4 on the ground line LG, and stores power based on the DC voltage V2 generated by the booster circuit 33. It is.
  • the secondary battery 34 is composed of, for example, a lithium ion secondary battery.
  • the control unit 35 supplies the liquid fuel by the fuel pump 42 based on the generated current (detected current) I1 detected by the current detector 31 and the generated voltage (detected voltage) V1 detected by the voltage detector 32. The amount is adjusted. Specifically, the control unit 35 adjusts the amount of liquid fuel supplied by the fuel pump 42 by controlling the vibration frequency f of a piezoelectric body (a piezoelectric body 422 described later) in the fuel pump 42. Yes.
  • a control part 35 is comprised by the microcomputer etc., for example. The detailed operation of the control unit 35 will be described later.
  • FIGS. 2 and 3 show configuration examples of the unit cells 10A to 10F in the power generation unit 10 in the fuel cell 1, and FIG. 2 corresponds to the cross-sectional configuration taken along the line II-II in FIG. To do.
  • the unit cells 10A to 10F are arranged in, for example, 3 rows ⁇ 2 columns in the in-plane direction, and have a planar stacked structure in which a plurality of connection members 20 are electrically connected in series.
  • a terminal 20A which is an extension of the connection member 20, is attached to the unit cells 10A and 10F.
  • a fuel tank 40, a fuel pump 42, a nozzle 43, and a fuel vaporization unit 44 are provided below the unit cells 10A to 10F.
  • Each of the unit cells 10A to 10F has a fuel electrode (a negative electrode, an anode electrode) 12 and an oxygen electrode 13 (a positive electrode, a cathode electrode) arranged to face each other with the electrolyte membrane 11 therebetween.
  • a fuel electrode a negative electrode, an anode electrode
  • an oxygen electrode 13 a positive electrode, a cathode electrode
  • the electrolyte membrane 11 is made of, for example, a proton conductive material having a sulfonic acid group (—SO 3 H).
  • proton conducting materials include polyperfluoroalkylsulfonic acid proton conducting materials (for example, “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont), hydrocarbon proton conducting materials such as polyimide sulfonic acid, or fullerene proton conducting materials. Is mentioned.
  • the fuel electrode 12 and the oxygen electrode 13 have a configuration in which a catalyst layer containing a catalyst such as platinum (Pt) or ruthenium (Ru) is formed on a current collector made of, for example, carbon paper.
  • the catalyst layer is made of, for example, a dispersion in which a carrier such as carbon black carrying a catalyst is dispersed in a polyperfluoroalkylsulfonic acid proton conductive material or the like.
  • an air supply pump (not shown) may be connected to the oxygen electrode 13 or communicate with the outside through an opening (not shown) provided in the connection member 20 to supply air, that is, oxygen by natural ventilation. You may come to be.
  • the connecting member 20 has a bent portion 23 between the two flat portions 21 and 22.
  • the connecting member 20 is in contact with the fuel electrode 12 of one unit cell (for example, 10A) in one flat portion 21 and in the other flat portion 22.
  • Adjacent to the oxygen electrode 13 of the adjacent unit cell (for example, 10B), the two adjacent unit cells (for example, 10A and 10B) are electrically connected in series, and are generated in each of the unit cells 10A to 10F. It also has a function as a current collector for collecting electricity.
  • Such a connection member 20 has, for example, a thickness of 150 ⁇ m and is made of copper (Cu), nickel (Ni), titanium (Ti), or stainless steel (SUS), such as gold (Au) or platinum (Pt). It may be plated with.
  • the connecting member 20 has openings (not shown) for supplying fuel and air to the fuel electrode 12 and the oxygen electrode 13, respectively.
  • the connecting member 20 is made of mesh such as expanded metal, punching metal, or the like. It is configured.
  • the bent portion 23 may be bent in advance according to the thickness of the unit cells 10A to 10F, or in the manufacturing process when the connecting member 20 has flexibility such as a mesh having a thickness of 200 ⁇ m or less. It may be formed by bending.
  • Such a connecting member 20 is formed by, for example, screwing a sealing material (not shown) such as PPS (polyphenylene sulfide) or silicone rubber provided around the electrolyte membrane 11 to the connecting member 20. It is joined to the unit cells 10A to 10F.
  • the fuel tank 40 includes, for example, a container (for example, a plastic bag) whose volume changes without bubbles or the like even when the liquid fuel 41 increases or decreases, and a rectangular parallelepiped case (structure) that covers the container. Has been.
  • the fuel tank 40 is provided with a fuel pump 42 for sucking the liquid fuel 41 in the fuel tank 40 and discharging it from the nozzle 43 near the center.
  • the fuel vaporization unit 44 supplies gaseous fuel to the power generation unit 10 (unit cells 10A to 10F) by vaporizing the liquid fuel supplied by the fuel pump 42. That is, the fuel vaporization unit 44 is arranged between the fuel pump 42 and the power generation unit 10.
  • a fuel vaporization part 44 promotes the diffusion of fuel on a plate (not shown) made of a highly rigid resin material such as a metal or alloy including, for example, stainless steel or aluminum, or a cycloolefin copolymer (COC).
  • a diffusion unit (not shown) is provided.
  • an inorganic porous material such as alumina, silica, titanium oxide, or a resin porous material can be used.
  • the nozzle 43 is a fuel ejection port that is transported by a flow path (not shown) of the fuel pump 42, and ejects fuel toward a diffusion portion provided on the surface of the fuel vaporization portion 44. Yes. Thereby, the fuel transported to the fuel vaporization unit 44 is diffused and vaporized and supplied to the power generation unit 10 (unit cells 10A to 10F).
  • the nozzle 43 has a diameter of, for example, 0.1 mm to 0.5 mm.
  • FIG. 4 schematically shows a cross-sectional configuration of the fuel pump 42.
  • the fuel pump 42 includes a pump chamber 420 formed by a container 421 and a piezoelectric body 422, a pair of flow paths 423a and 423b as pipes connecting the fuel tank 40 to the nozzle 43, and a pair of check valves 425a and 425b. It is comprised by. As shown by the arrows in FIG. 4, the fuel pump 42 utilizes the bending deformation of the piezoelectric body 422 functioning as an actuator and the opening / closing operations of the check valves 425a and 425b, and the arrows Pin and Pout in the drawing. 4 is a piezoelectric pump that feeds liquid fuel 41 from the fuel tank 40 side to the fuel vaporization unit 44 side.
  • the piezoelectric body 422 forms the upper surface of the pump chamber 420 and includes a piezoelectric element such as lead zirconate titanate (PZT).
  • the piezoelectric body 422 has a property of generating heat when deformed. In particular, when the piezoelectric body 422 is vibrated in the vicinity of its mechanical resonance frequency (natural frequency) f E (for example, about 45 kHz), a very large bending deformation is generated, and heat generation due to this is increased. Yes.
  • the check valve 425 a is provided at the suction port 424 a portion in the pump chamber 420.
  • the suction port 424a is provided at a connection portion between the pump chamber 420 and the flow path 423a on the fuel tank 40 side.
  • the check valve 425 b is provided at the discharge port 424 b portion in the pump chamber 420.
  • the discharge port 424b is provided at a connection portion between the pump chamber 420 and the flow path 423b on the fuel vaporization unit 44 side.
  • the two check valves 425a and 425b are provided on the inflow side and the outflow side of the liquid fuel 41 so that the unidirectionality of the flow of the liquid fuel 41 is maintained.
  • These check valves 425a and 425b have a property that when the driving frequency thereof becomes higher, the opening / closing operation of the valves gradually cannot catch up accordingly, and eventually the fuel cannot be supplied.
  • the suction period of the liquid fuel 41 (for example, the timings t1 to t2, t3 to t4) is changed according to the position of the piezoelectric body 422.
  • Period and a discharge period (for example, a period after timing t4) of the liquid fuel 41 are provided.
  • the supply amount of the liquid fuel 41 can be adjusted in accordance with a change in the vibration frequency f of the piezoelectric body 422 and a change in the fuel supply amount or fuel supply cycle ⁇ t per operation (see FIG. 6). It is like that.
  • the upper limit frequency (threshold frequency f TH ; for example, about 40 Hz) that allows the check valves 425a and 425b to be opened and closed.
  • f TH the mechanical resonance frequency of the piezoelectric body 422 described above.
  • control unit 35 controls the vibration frequency f of the piezoelectric body 422 to be in the vicinity of the mechanical resonance frequency f E (preferably, the resonance frequency f E ) of the piezoelectric body 422 in a predetermined case. It has become. Specifically, the control unit 35 periodically or when the temperature of the fuel vaporization unit 44 becomes lower than a predetermined threshold temperature (for example, (the temperature of the power generation unit 10 ⁇ 5 ° C.)) vibration frequency f of the piezoelectric element 422 is controlled to be a frequency near the resonance frequency f E.
  • a predetermined threshold temperature for example, (the temperature of the power generation unit 10 ⁇ 5 ° C.
  • the liquid fuel 41 in the fuel pump 42 is heated by the vibration of the piezoelectric body 422, for example, during the heating period (period t2 to t3) shown in FIG.
  • the liquid fuel 41 is supplied to the fuel vaporization unit 44.
  • the control is performed when the upper limit frequencies (threshold frequencies f TH ) of the check valves 425a and 425b are values in the audible frequency region.
  • the vibration frequency f of the piezoelectric body 422 may be controlled to be higher than the threshold frequency fTH in the audible frequency region. That is, the vibration frequency f of the piezoelectric body 422 may satisfy the following expression (2). f TH ⁇ f ⁇ fmax (2)
  • the fuel tank 40 is detachable, the fuel tank 40 is exchanged or liquid fuel is injected into the fuel tank 40. Also, it is when power generation is abnormal in the power generation unit 10 or when a precursor is detected (for example, when an oxygen deficiency state is detected).
  • the vibration frequency f of the piezoelectric body 422 is higher than the upper limit frequency (threshold frequency f TH ).
  • the opening / closing operations of 425a and 425b are stopped, and the fuel supply operation by the fuel pump 42 is also stopped.
  • the vibration frequency f of the piezoelectric body 422 is also in the audible frequency region, an audible sound is generated by the vibration of the piezoelectric body 422. Therefore, a sound effect or the like can be emitted to the user in a predetermined case as described above without separately providing a member such as a speaker. Further, since the fuel supply operation is stopped, it is possible to generate only sound effects without affecting the original power generation operation in the power generation unit 10.
  • the fuel cell system 5 of the present embodiment can be manufactured as follows, for example.
  • the fuel electrode 12 and the oxygen electrode 13 are joined to the electrolyte membrane 11 by thermocompression bonding the electrolyte membrane 11 made of the above-described material between the fuel electrode 12 and the oxygen electrode 13 made of the above-described material, Unit cells 10A to 10F are formed.
  • a connecting member 20 made of the above-described material is prepared, and as shown in FIGS. 8 and 9, six unit cells 10A to 10F are arranged in 3 rows ⁇ 2 columns and electrically connected by the connecting member 20. Connect in series.
  • a sealing material (not shown) made of the above-described material is provided around the electrolyte membrane 11, and the sealing material is fixed to the bent portion 23 of the connecting member 20 by screwing.
  • the fuel cell 1 Form. Then, by arranging the fuel tank 40 in which the liquid fuel 41 is accommodated and the fuel pump 42 and the nozzle 43 are provided on the fuel electrode 12 side of the connected unit cells 10A to 10F, the fuel cell 1 Form. Then, the current detector 31, voltage detector 32, booster circuit 33, secondary battery 34, and controller 35 described above are attached to the fuel cell 1 in electrical parallel connection as shown in FIG. . Thus, the fuel cell system 5 shown in FIGS. 1 to 4 is completed.
  • the liquid fuel 41 contained in the fuel tank 40 is pumped up by the fuel pump 42, so that the liquid fuel 41 flows into the flow path 423 a, the check valve 425 a, the pump chamber 420, the check valve 425 b and It passes through the flow path 423b in this order and reaches the fuel vaporization unit 44.
  • the fuel vaporization part 44 if liquid fuel is ejected by the nozzle 43, it will be spread
  • the liquid fuel 41 is naturally vaporized, and the gaseous fuel is supplied to the power generation unit 10 (specifically, the fuel electrodes 12 of the unit cells 10A to 10F).
  • air oxygen
  • oxygen oxygen
  • air oxygen
  • an air supply pump not shown
  • the reaction shown in the following formula (3) occurs, and hydrogen ions and electrons are generated.
  • the hydrogen ions reach the fuel electrode 12 through the electrolyte membrane 11, and the reaction shown in the following formula (4) occurs in the fuel electrode 12 to generate water and carbon dioxide. Therefore, the fuel cell 1 as a whole undergoes the reaction shown in the following formula (5), and power is generated.
  • the generated voltage (DC voltage) V1 based on the generated current I1 is boosted (voltage converted) by the booster circuit 33 to become a DC voltage V2.
  • the DC voltage V2 is supplied to the secondary battery 34 or a load (for example, an electronic device main body).
  • the secondary battery 34 is charged based on this voltage, while the DC voltage V2 is supplied to the load 6 through the output terminals T2 and T3. In this case, the load 6 is driven and a predetermined operation is performed.
  • the control unit 35 controls the fuel supply amount or fuel supply period ⁇ t per operation and the vibration frequency f of the piezoelectric body 422 in the fuel pump 42, and the fuel supply is accordingly performed. The amount is adjusted.
  • the vibration frequency f of the piezoelectric body 422 is the mechanical resonance frequency of the piezoelectric body 422. It is controlled to be around f E. Further, the upper limit frequency (threshold frequency f TH ) at which the check valves 425 a and 425 b can be opened and closed is lower than the mechanical resonance frequency f E of the piezoelectric body 422.
  • the check valve 425a when the vibration frequency f of the piezoelectric element 422 is in the vicinity of the resonance frequency f E, the check valve 425a, and stops the opening and closing operation of the 425b, also stops the fuel supply operation by the fuel pump 42. Further, the liquid fuel 41 in the fuel pump 42 is heated by the vibration of the piezoelectric body 422. That is, it is possible to heat only the piezoelectric body 422 as an actuator with almost no liquid feeding. Therefore, since the piezoelectric body 422 is in the vicinity of the pump chamber 420, only the liquid fuel 41 in the pump chamber 420 is selectively and efficiently heated.
  • the liquid fuel 41 heated in this way is supplied to the fuel vaporization unit 44, whereby the temperature decrease due to the vaporization heat is suppressed in the fuel vaporization unit 44.
  • the amount of heat generated by the vibration with the vibration frequency f near the resonance frequency f E is substantially equal to the heat of vaporization of the liquid fuel 41. This is because if such a heat quantity is generated, a temperature decrease due to the heat of vaporization in the fuel vaporization section 44 is completely prevented.
  • FIG. 10 shows a fuel pump in which the upper limit frequency (threshold frequency f TH ) of the check valves 425a and 425b is about 40 Hz, the resonance frequency f E of the piezoelectric body 422 is about 45 kHz, and the rated drive voltage is 12 Vpp. 42, an AC voltage (AC frequency: 100 kHz, 1 Vpp) is applied, and sweeping is performed such as (100 kHz ⁇ 1 kHz ⁇ 100 kHz ⁇ ...) ) Shows the measurement results when observing changes in temperature and impedance.
  • the upper limit frequency (threshold frequency f TH ) of the check valves 425a and 425b is about 40 Hz
  • the resonance frequency f E of the piezoelectric body 422 is about 45 kHz
  • the rated drive voltage is 12 Vpp. 42
  • an AC voltage AC frequency: 100 kHz, 1 Vpp
  • sweeping such as (100 kHz ⁇ 1 kHz ⁇ 100 kHz
  • the upper limit frequency (threshold frequency f TH ) at which the check valves 425a and 425b can be opened and closed is lower than the mechanical resonance frequency f E of the piezoelectric body 422. and sets so that, in a predetermined case, the vibration frequency f of the piezoelectric element 422 is set to be near the resonance frequency f E, while stopping the fuel supply operation by the fuel pump 42, the vibration of the piezoelectric element 422
  • the liquid fuel 41 of the fuel pump 42 can be heated, and the heated liquid fuel 41 can be supplied to the fuel vaporization unit 44.
  • the power generation characteristics of the power generation unit 10 are not impaired as in the related art. Therefore, the flooding phenomenon of the fuel vaporization unit 44 can be suppressed without impairing the power generation characteristics.
  • the fuel pump 42 can be used for direct heating without separately providing a member such as a heater, the member cost can be reduced. In addition, it contributes to space saving and simplifies the control circuit.
  • the piezoelectric 422 when the amount of heat generated by the vibration of the vibration frequency f of the frequency near the resonance frequency f E was set to be substantially equal to the heat of vaporization of the liquid fuel 41, the temperature drop due to vaporization heat in the fuel vaporization section 44 Is completely prevented. Therefore, water condensation (flooding phenomenon) in the fuel vaporization unit 44 can be completely avoided.
  • the vibration frequency f of the piezoelectric body 422 is within the audible frequency range in a predetermined case.
  • the frequency f TH is made higher (when the vibration frequency f of the piezoelectric body 422 satisfies the above expression (2)), a member such as a speaker is not separately provided, and the power generation unit 10 A sound effect or the like can be emitted to the user in a predetermined case without affecting the original power generation operation.
  • the power generation unit 10 includes six unit cells electrically connected in series to each other has been described.
  • the number of unit cells is not limited to this.
  • the power generation unit 10 may be configured with one unit cell, or may be configured with two or more arbitrary unit cells.
  • the air supply to the oxygen electrode 13 is natural ventilation, but it may be forcibly supplied using a pump or the like. In that case, oxygen or a gas containing oxygen may be supplied instead of air.
  • the fuel cell system of the present invention can be suitably used for portable electronic devices such as a mobile phone, an electrophotographic machine, an electronic notebook, or a PDA (Personal Digital Assistants).
  • portable electronic devices such as a mobile phone, an electrophotographic machine, an electronic notebook, or a PDA (Personal Digital Assistants).

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Abstract

　発電特性を損なうことなく、燃料気化部のフラッディング現象を抑えることが可能な燃料電池システムを提供する。燃料ポンプ４２において、逆止弁４２５ａ，４２５ｂの開閉動作が可能な上限周波数（閾値周波数ｆＴＨ）が、圧電体４２２の機械的な共振周波数ｆＥよりも低くなるようにする。また、所定の場合に、圧電体４２２の振動周波数ｆが、共振周波数ｆＥ付近となるように制御する。これにより、燃料ポンプ４２による燃料供給動作を停止させつつ、圧電体４２２の振動によって燃料ポンプ４２の液体燃料４１が加熱され、加熱された液体燃料４１が燃料気化部４４へ供給される。また、圧電体４２２の振動により生ずる熱量であるため、従来のように発電部１０における発電特性を損なうこともない。

Description

燃料電池システムおよび電子機器
　本発明は、メタノール等と酸化剤ガス（酸素）との反応により発電を行う燃料電池システムおよびそのような燃料電池システムを備えた電子機器に関する。
　従来、燃料電池は、発電効率が高く、有害物質を排出しないため、産業用や家庭用の発電装置として、あるいは人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきた。また、近年では、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源としての開発が進んでいる。このような燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型および直接型メタノールなどの種類に分類される。中でも、ダイレクトメタノール固体高分子電解質型燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）は、燃料水素源としてメタノールを用いることによって高エネルギー密度化することができ、また改質器が不要であり小型化が可能であることから、小型携帯用燃料電池向けに研究が進められている。
　ＤＭＦＣでは、固体高分子電解質膜を２枚の電極で挟み、一体化させて接合した単位セルであるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜電極接合体）が使用される。そしてガス拡散電極の一方を燃料電極（負極）とすると共に、その表面に燃料としてのメタノールを供給すると、メタノールが分解されて水素イオン（プロトン）と電子とが生じ、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、ガス拡散電極の他方を酸素電極（正極）とすると共に、その表面に酸化剤ガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と上記水素イオンおよび電子とが結合し、水が生成される。このような電気化学反応により、ＤＭＦＣから起電力が生じるようになっている。
　このＤＭＦＣでは、燃料電極へメタノールを供給する方法として、液体供給型（液体燃料（メタノール水溶液）を、そのまま燃料電極へ供給するもの）と、気化供給型（液体燃料を気化した状態で、燃料電極へ供給するもの）とが提案されている。このうち、気化供給型の燃料電池では、燃料の気化に伴って燃料気化部の温度が下がるため、燃料気化部において生成水が凝縮しやすいという問題があった。このような水の凝縮はフラッディング現象とも呼ばれており、特に環境温度が低いときに顕著に現れ、寒冷地での長時間使用時に発電不良を引き起こす要因となっていた。
　このような燃料気化部での水の凝縮を防ぐ方法の一つとして、燃料気化部を予め加温しておく方法が挙げられる。しかしながら、この方法では、加温用のヒーターを別途設ける必要があるだけでなく、燃料気化部全面を暖めるためにエネルギーを無駄に消費するという欠点があった。
　そこで、加温用のヒーターを用いずにフラッディング現象を防ぐ方法として、発電部で生じる熱によって燃料気化部を加熱するという方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００８－２７８１７号公報
　ところが、この特許文献１の方法では、発電部の温度を低下させることとなるため、触媒活性を低下させ、発電そのものの性能を犠牲にしてしまう（発電特性を損なってしまう）という問題があった。
　本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、発電特性を損なうことなく、燃料気化部のフラッディング現象を抑えることが可能な燃料電池システム、およびそのような燃料電池システムを備えた電子機器を提供することにある。
　本発明の燃料電池システムは、燃料および酸化剤ガスの供給により発電を行う発電部と、圧電体および逆止弁を含んで構成され、発電部側へ液体燃料を供給する圧電ポンプ部と、この圧電ポンプ部により供給された液体燃料を気化させることによって、気体燃料を発電部へ供給する燃料気化部と、圧電体の振動周波数を制御することによって、圧電ポンプ部による液体燃料の供給量を調整する制御部とを備えたものである。ここで、上記逆止弁の開閉動作が可能な上限周波数は、圧電体の機械的な共振周波数よりも低くなっている。また、上記制御部は、所定の場合に、圧電体の振動周波数が上記共振周波数付近となるように制御するようになっている。
　なお、「逆止弁の開閉動作が可能」な状態とは、逆止弁が完全に開閉動作を行うことが可能な状態のみならず、多少の開閉動作がなされてもほとんど液体燃料の供給動作が行われていないような状態をも含む意味である。すなわち、「逆止弁の開閉動作が可能な上限周波数」とは、例えば、逆止弁の動作周波数を定格値から徐々に高めて行ったときに、逆止弁の開閉動作が圧電体の動作に追随できなくなるなどのメカニズムによって、液体燃料の供給量が、例えば最大値の約１０分の１以下まで低下するような周波数を意味している。また、「圧電体の機械的な共振周波数」とは、例えば、圧電体の振幅値が最大となる機械的な共振周波数を意味するものである。
　本発明の電子機器は、上記燃料電池システムを備えたものである。
　本発明の燃料電池システムおよび電子機器では、燃料気化部において、圧電ポンプ部により供給された液体燃料が気化されることにより、気体燃料が発電部に供給される。また、発電部では、この気体燃料と酸化剤ガスとの供給により、発電が行われる。そして、圧電ポンプ部における圧電体の振動周波数が制御されることにより、圧電ポンプ部による液体燃料の供給量が調整される。この際、所定の場合には、圧電体の振動周波数が、圧電体の機械的な共振周波数付近となるように制御される。ここで、逆止弁の開閉動作が可能な上限周波数がこの圧電体の機械的な共振周波数よりも低くなっているため、圧電体の振動周波数が上記共振周波数付近になると、逆止弁の開閉動作が停止し、圧電ポンプ部による燃料供給動作も停止する。また、圧電体の振動によって圧電ポンプ部内の液体燃料が加熱され、この加熱された液体燃料が燃料気化部へ供給される。
　本発明の燃料電池システムでは、上記上限周波数が可聴周波数領域内の値であると共に、上記制御部が、所定の場合に、圧電体の振動周波数が可聴周波数領域内において上記上限周波数よりも高くなるように制御してもよい。このように構成した場合、圧電体の振動周波数が上記上限周波数よりも高いため、逆止弁の開閉動作が停止し、圧電ポンプ部による燃料供給動作も停止する。また、圧電体の振動周波数が可聴周波数領域内でもあるため、圧電体の振動によって可聴音が発生する。よって、スピーカーなどの部材を別途設けることなく、所定の場合に、ユーザーへ効果音などを発することが可能となる。
　本発明の燃料電池システムまたは電子機器によれば、圧電ポンプ部において、逆止弁の開閉動作が可能な上限周波数が圧電体の機械的な共振周波数よりも低くなるように設定すると共に、所定の場合に、圧電体の振動周波数がこの機械的な共振周波数付近となるようにしたので、圧電ポンプ部による燃料供給動作を停止させつつ、圧電体の振動によって圧電ポンプ部内の液体燃料を加熱し、加熱された液体燃料を燃料気化部へ供給することができる。また、圧電体の振動により生ずる熱量であるため、従来のように発電部における発電特性を損なうこともない。よって、発電特性を損なうことなく、燃料気化部のフラッディング現象を抑えることが可能となる。
本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表すブロック図である。 図１に示した発電部の構成例を表す断面図である。 図１に示した発電部の構成例を表す平面図である。 燃料ポンプの詳細構成を模式的に表した断面図である。 圧電体の位置と燃料ポンプの動作状態との関係を表すタイミング図である。 気化型の燃料供給方式の概要を説明するための特性図である。 圧電体の振動周波数と燃料ポンプの動作状態との関係を表す特性図である。 図１に示した発電部の製造方法を説明するための断面図である。 図１に示した発電部の製造方法を説明するための平面図である。 圧電体の振動周波数と圧電ポンプの温度およびインピーダンスとの関係の一例を表す特性図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システム（燃料電池システム５）の全体構成を表すものである。燃料電池システム５は、負荷６を駆動するための電力を出力端子Ｔ２，Ｔ３を介して供給するものである。この燃料電池システム５は、燃料電池１と、電流検出部３１と、電圧検出部３２と、昇圧回路３３と、二次電池３４と、制御部３５とから構成されている。
　燃料電池１は、発電部１０と、燃料タンク４０と、燃料ポンプ４２とを含んで構成されている。なお、この燃料電池１の詳細構成については、後述する。
　発電部１０は、メタノールと酸化剤ガス（例えば、酸素）との反応により発電を行う直接メタノール型の発電部であり、正極（酸素電極）および負極（燃料電極）を有する複数の単位セルを含んで構成されている。なお、この発電部１０の詳細構成については、後述する。
　燃料タンク４０は、発電に必要な液体燃料（例えば、メタノールまたはメタノール水溶液）を内蔵するものである。なお、この燃料タンク４０の詳細構成については、後述する。
　燃料ポンプ４２は、燃料タンク４０に収容された液体燃料を汲み上げて、発電部１０側へ供給（輸送）するためのポンプであり、燃料の供給量を調節することができるようになっている。この燃料ポンプ４２は、圧電ポンプにより構成されている。また、このような燃料ポンプ４２の動作（液体燃料の供給動作）は、後述する制御部３５によって制御されるようになっている。なお、燃料ポンプ４２の詳細構成については、後述する。
　電流検出部３１は、接続ラインＬ１Ｈ上において、発電部１０の正極側と接続点Ｐ１との間に配置されており、発電部１０の発電電流Ｉ１を検出するものである。この電流検出部３１は、例えば抵抗器を含んで構成されている。なお、このような電流検出部３１を、接続ラインＬ１Ｌ上（発電部１０の負極側と接続点Ｐ２との間）に配置するようにしてもよい。
　電圧検出部３２は、接続ラインＬ１Ｈ上の接続点Ｐ１と、接続ラインＬ１Ｌ上の接続点Ｐ２との間に配置されており、発電部１０の発電電圧Ｖ１を検出するものである。この電圧検出部３２は、例えば抵抗器を含んで構成されている。
　昇圧回路３３は、接続ラインＬ１Ｈ上の接続点Ｐ１と、出力ラインＬＯ上の接続点Ｐ３との間に配置されており、発電部１０の発電電圧Ｖ１（直流電圧）を昇圧して、直流電圧Ｖ２を生成する電圧変換部である。この昇圧回路３３は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータにより構成されている。
　二次電池３４は、出力ラインＬＯ上の接続点Ｐ３と、接地ラインＬＧ上の接続点Ｐ４との間に配置されており、昇圧回路３３により生成された直流電圧Ｖ２に基づいて蓄電を行うものである。この二次電池３４は、例えばリチウムイオン二次電池などにより構成されている。
　制御部３５は、電流検出部３１により検出された発電電流（検出電流）Ｉ１と、電圧検出部３２により検出された発電電圧（検出電圧）Ｖ１とに基づいて、燃料ポンプ４２による液体燃料の供給量を調整するものである。具体的には、制御部３５は、燃料ポンプ４２内の圧電体（後述する圧電体４２２）の振動周波数ｆを制御することによって、燃料ポンプ４２による液体燃料の供給量を調整するようになっている。このような制御部３５は、例えばマイクロコンピュータなどにより構成されている。なお、制御部３５の詳細動作については、後述する。
　次に、図２～図７を参照して、燃料電池１の詳細構成について説明する。図２および図３は、燃料電池１内の発電部１０における単位セル１０Ａ～１０Ｆの構成例を表すものであり、図２は、図３におけるＩＩ－ＩＩ線に沿った矢視断面構成に対応する。単位セル１０Ａ～１０Ｆは、面内方向に例えば３行×２列に配置されると共に、複数の接続部材２０により電気的に直列に接続された平面積層構造とされている。単位セル１０Ａ，１０Ｆには、接続部材２０の延長部分である端子２０Ａが取り付けられている。また、単位セル１０Ａ～１０Ｆの下方には、燃料タンク４０と、燃料ポンプ４２と、ノズル４３と、燃料気化部４４とが設けられている。
　単位セル１０Ａ～１０Ｆは、それぞれ、電解質膜１１を間にして対向配置された燃料電極（負極、アノード電極）１２と酸素電極１３（正極、カソード電極）とを有している。
　電解質膜１１は、例えば、スルホン酸基（－ＳＯ3 Ｈ）を有するプロトン伝導材料により構成されている。プロトン伝導材料としては、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料（例えば、デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）、ポリイミドスルホン酸などの炭化水素系プロトン伝導材料、またはフラーレン系プロトン伝導材料などが挙げられる。
　燃料電極１２および酸素電極１３は、例えば、カーボンペーパーなどよりなる集電体に、白金（Ｐｔ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの触媒を含む触媒層が形成された構成を有している。触媒層は、例えば、触媒を担持させたカーボンブラックなどの担持体をポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料などに分散させたものにより構成されている。なお、酸素電極１３には図示しない空気供給ポンプが接続されていてもよいし、接続部材２０に設けられた開口（図示せず）を介して外部と連通し、自然換気により空気すなわち酸素が供給されるようになっていてもよい。
　接続部材２０は、二つの平坦部２１，２２の間に屈曲部２３を有し、一方の平坦部２１において一つの単位セル（例えば、１０Ａ）の燃料電極１２に接し、他方の平坦部２２において隣接する単位セル（例えば、１０Ｂ）の酸素電極１３に接しており、隣接する二つの単位セル（例えば、１０Ａ，１０Ｂ）を電気的に直列に接続すると共に、各単位セル１０Ａ～１０Ｆで発生した電気を集電する集電体としての機能も有している。このような接続部材２０は、例えば、厚みが１５０μｍであり、銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ）またはステンレス鋼（ＳＵＳ）により構成され、金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）等でめっきされていてもよい。また、接続部材２０は、燃料電極１２および酸素電極１３に燃料および空気をそれぞれ供給するための開口（図示せず）を有しており、例えば、エキスパンドメタルなどのメッシュ類や、パンチングメタルなどにより構成されている。なお、屈曲部２３は、予め単位セル１０Ａ～１０Ｆの厚みに合わせて折曲加工されていてもよいし、接続部材２０が厚み２００μｍ以下のメッシュなど柔軟性を有している場合は製造工程においてたわむことにより形成されるようにしてもよい。このような接続部材２０は、例えば、電解質膜１１の周辺部に設けられたＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）あるいはシリコーンゴム等の封止材（図示せず）が接続部材２０にネジ締めされることにより、単位セル１０Ａ～１０Ｆに接合されている。
　燃料タンク４０は、例えば、液体燃料４１の増減によっても内部に気泡などが入らずに体積が変化する容器（例えばビニール袋など）と、この容器を覆う直方体形状のケース（構造体）とにより構成されている。この燃料タンク４０には、その中央付近の上方に、燃料タンク４０内の液体燃料４１を吸引してノズル４３から排出させるための燃料ポンプ４２が設けられている。
　燃料気化部４４は、燃料ポンプ４２により供給された液体燃料を気化させることによって、気体燃料を発電部１０（各単位セル１０Ａ～１０Ｆ）へ供給するものである。すなわち、燃料気化部４４は、燃料ポンプ４２と発電部１０との間に配置されるようになっている。このような燃料気化部４４は、例えばステンレス鋼、アルミニウムなどを含む金属や合金、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）などの剛性の高い樹脂材料よりなるプレート（図示せず）上に、燃料の拡散を促進するための拡散部（図示せず）が設けられたものである。拡散部としては、アルミナ、シリカ、酸化チタンなどの無機多孔質材料や樹脂多孔質材料を用いることができる。
　ノズル４３は、燃料ポンプ４２の流路（図示せず）によって輸送される燃料の噴出口であり、燃料気化部４４の表面に設けられた拡散部に向けて、燃料を噴出するようになっている。これにより、燃料気化部４４へ輸送された燃料が拡散気化され、発電部１０（各単位セル１０Ａ～１０Ｆ）に向けて供給される。このノズル４３は、例えば直径０．１ｍｍ～０．５ｍｍの口径を有している。
　ここで、図４～図７を参照して、燃料ポンプ４２の詳細構成について説明する。図４は、燃料ポンプ４２の断面構成を模式的に表したものである。
　燃料ポンプ４２は、容器４２１および圧電体４２２により形成されるポンプ室４２０と、燃料タンク４０からノズル４３までを接続する配管としての一対の流路４２３ａ，４２３ｂと、一対の逆止弁４２５ａ，４２５ｂとにより構成されている。この燃料ポンプ４２は、図４中の矢印で示したように、アクチュエーターとして機能する圧電体４２２の屈曲変形と逆止弁４２５ａ，４２５ｂの開閉動作とを利用して、図中の矢印Ｐin，Ｐoutで示した経路にて、燃料タンク４０側から燃料気化部４４側へと液体燃料４１を送液する圧電ポンプである。
　圧電体４２２は、ポンプ室４２０の上面を形成しており、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電素子を含んで構成されている。この圧電体４２２は、変形時に熱を発生するという性質を有している。特に、圧電体４２２をその機械的な共振周波数（固有周波数）ｆＥ（例えば、４５ｋＨｚ程度）付近で振動させた場合、非常に大きな屈曲変形が生じると共に、これによる発熱も大きくなるようになっている。
　逆止弁４２５ａは、ポンプ室４２０における吸引口４２４ａ部分に設けられている。この吸引口４２４ａは、ポンプ室４２０と、燃料タンク４０側の流路４２３ａとの接続部分に設けられている。一方、逆止弁４２５ｂは、ポンプ室４２０における排出口４２４ｂ部分に設けられている。この排出口４２４ｂは、ポンプ室４２０と、燃料気化部４４側の流路４２３ｂとの接続部分に設けられている。このように、液体燃料４１の流入側および流出側に２つの逆止弁４２５ａ，４２５ｂが設けられ、これにより液体燃料４１の流れの一方向性が保たれるようになっている。これら逆止弁４２５ａ，４２５ｂは、その駆動周波数が高くなると、それに従って弁の開閉動作が次第に追いつかなくなり、しまいにはほとんど燃料供給ができなくなってしまうという性質を有している。
　これにより、燃料ポンプ４２では、例えば図５中のタイミングｔ１～ｔ４で示したように、圧電体４２２の位置に応じて、液体燃料４１の吸引期間（例えば、タイミングｔ１～ｔ２，ｔ３～ｔ４の期間）と、液体燃料４１の排出期間（例えば、タイミングｔ４以降の期間）とが設けられるようになっている。また、圧電体４２２の振動周波数ｆの変化や、１回の動作当りの燃料供給量または燃料供給周期Δｔの変化に応じて（図６参照）、液体燃料４１の供給量を調節することができるようになっている。
　本実施の形態の燃料ポンプ４２では、例えば図７におよび（１）式に示したように、逆止弁４２５ａ，４２５ｂの開閉動作が可能な上限周波数（閾値周波数ｆＴＨ；例えば、４０Ｈｚ程度）が、上記した圧電体４２２の機械的な共振周波数ｆＥよりも低くなっている。
ｆＴＨ　＜ｆＥ　……（１）
　また、制御部３５は、所定の場合に、圧電体４２２の振動周波数ｆが、この圧電体４２２の機械的な共振周波数ｆＥ付近（好ましくは、共振周波数ｆＥ）となるように制御するようになっている。具体的には、制御部３５は、定期的に、あるいは、燃料気化部４４の温度が所定の閾値温度（例えば、（発電部１０の温度－５℃）程度）よりも低くなったときに、圧電体４２２の振動周波数ｆが共振周波数ｆＥ付近となるように制御を行う。
　これにより、詳細は後述するが、例えば図５に示した加熱期間（タイミングｔ２～ｔ３の期間）のように、圧電体４２２の振動によって燃料ポンプ４２内の液体燃料４１が加熱され、この加熱された液体燃料４１が燃料気化部４４へ供給されるようになっている。なお、圧電体４２２の機械的な共振周波数ｆＥは、可聴周波数領域の上限値（ｆmax＝１６ｋＨｚ程度）よりも高くなっているのが好ましい。共振周波数ｆＥがこの上限値以下となると、そのような加熱期間内に可聴音が発生してしまうからである。
　また、本実施の形態の燃料ポンプ４２では、例えば図７に示したように、逆止弁４２５ａ，４２５ｂの上限周波数（閾値周波数ｆＴＨ）が、可聴周波数領域内の値である場合において、制御部３５が所定の場合に、圧電体４２２の振動周波数ｆが可聴周波数領域内においてこの閾値周波数ｆＴＨよりも高くなるように制御してもよい。すなわち、圧電体４２２の振動周波数ｆが、以下の（２）式を満たすようにしてもよい。
ｆＴＨ　＜ｆ＜ｆmax　……（２）
　上記した所定の場合とは、具体的には、例えば以下の場合が挙げられる。まず、燃料タンク４０が着脱可能なものである場合において、そのような燃料タンク４０の交換時や、燃料タンク４０への液体燃料の注入時などである。また、発電部１０における発電異常時やその前兆の検出時（例えば、酸欠状態などが検出されたとき）などである。
　これは、以下の理由によるものである。すなわち、従来、ユーザーによる燃料カートリッジの交換作業が不完全であった場合や、内蔵タンクへの燃料注入が不完全であった場合、空気取り込み口が閉塞して空気極への酸素供給が停止した場合など、速やかにこれらの状況を改善させないと、不意に電力供給が停止してしまうおそれがあった。そして、このような状況を防ぐ方法として、例えば、燃料カートリッジが正しく交換された時や、発電異常が生じた時、またはその前兆が検出された時などに、ユーザーに対して状況の改善を促すための効果音を発生させる方法などが考えられる。ところが、スピーカーやブザーなどを別途設けると、部材コストが増加すると共に、スピーカー等を駆動する電子回路も設ける必要が生じてしまう。
　これに対し、本実施の形態の燃料ポンプ４２では、上記（２）式を満たすようにした場合、圧電体４２２の振動周波数ｆが上限周波数（閾値周波数ｆＴＨ）よりも高いため、逆止弁４２５ａ，４２５ｂの開閉動作が停止し、燃料ポンプ４２による燃料供給動作も停止する。また、圧電体４２２の振動周波数ｆが可聴周波数領域内でもあるため、圧電体４２２の振動によって可聴音が発生することになる。よって、スピーカーなどの部材を別途設けることなく、上記したような所定の場合に、ユーザーへ効果音などを発することが可能となる。また、燃料供給動作が停止しているため、発電部１０における本来の発電動作には影響を与えることなく、効果音だけを発生させることが可能となる。
　本実施の形態の燃料電池システム５は、例えば次のようにして製造することができる。
　まず、上述した材料よりなる電解質膜１１を、上述した材料よりなる燃料電極１２および酸素電極１３の間に挟んで熱圧着することにより、電解質膜１１に燃料電極１２および酸素電極１３を接合し、単位セル１０Ａ～１０Ｆを形成する。
　次いで、上述した材料よりなる接続部材２０を用意し、図８および図９に示したように、６個の単位セル１０Ａ～１０Ｆを３行×２列に配置し、接続部材２０により電気的に直列に接続する。なお、電解質膜１１の周辺部には上述した材料よりなる封止材（図示せず）を設け、この封止材を接続部材２０の屈曲部２３にネジ締めにより固定する。
　そののち、連結された単位セル１０Ａ～１０Ｆの燃料電極１２側に、液体燃料４１が収容されると共に燃料ポンプ４２およびノズル４３等が設けられた燃料タンク４０を配設することにより、燃料電池１を形成する。そしてこの燃料電池１に対し、上述した電流検出部３１、電圧検出部３２、昇圧回路３３、二次電池３４および制御部３５をそれぞれ、図１に示したように電気的に並列接続して取り付ける。以上により、図１～図４に示した燃料電池システム５が完成する。
　次に、本実施の形態の燃料電池システム５の作用および効果について詳細に説明する。
　この燃料電池システム５では、燃料タンク４０に収容される液体燃料４１が燃料ポンプ４２によって汲み上げられることにより、液体燃料４１が、流路４２３ａ、逆止弁４２５ａ、ポンプ室４２０、逆止弁４２５ｂおよび流路４２３ｂをこの順に通り、燃料気化部４４に到達する。また、燃料気化部４４では、ノズル４３によって液体燃料が噴出すると、その表面に設けられた拡散部（図示せず）によって広範囲に拡散される。これにより、液体燃料４１が自然気化され、気体燃料が発電部１０（具体的には、各単位セル１０Ａ～１０Ｆの燃料電極１２）に供給される。
　一方、発電部１０の酸素電極１３へは、自然換気あるいは空気供給ポンプ（図示せず）によって空気（酸素）が供給される。すると、酸素電極１３では、以下の（３）式に示した反応が起こり、水素イオンと電子とが生成される。この水素イオンは電解質膜１１を通って燃料電極１２へ到達し、燃料電極１２では、以下の（４）式に示した反応が起こり、水と二酸化炭素が生成される。よって、燃料電池１全体としては、以下の（５）式に示した反応が生じ、発電が行われる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ ＣＯ2＋６Ｈ＋＋６ｅ－　　　……（３）
６Ｈ＋＋(３／２)Ｏ2＋６ｅ-→ ３Ｈ2Ｏ　　　　　……（４）
ＣＨ3ＯＨ＋(３／２)Ｏ2→ ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ　　　……（５）
　これにより、液体燃料４１すなわちメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換され、接続部材２０により集電されて、発電部１０から電流（発電電流Ｉ１）として取り出される。この発電電流Ｉ１に基づく発電電圧（直流電圧）Ｖ１は、昇圧回路３３によって昇圧（電圧変換）され、直流電圧Ｖ２となる。この直流電圧Ｖ２は、二次電池３４または負荷（例えば、電子機器本体）へ供給される。そして、二次電池３４へ直流電圧Ｖ２が供給された場合、この電圧に基づいて二次電池３４に蓄電がなされる一方、出力端子Ｔ２，Ｔ３を介して負荷６へ直流電圧Ｖ２が供給された場合、負荷６が駆動され、所定の動作がなされる。
　このとき、燃料ポンプ４２では、制御部３５によって、１回の動作当りの燃料供給量または燃料供給周期Δｔ、および燃料ポンプ４２における圧電体４２２の振動周波数ｆが制御され、それに応じて燃料の供給量が調節される。
　この際、本実施の形態の燃料電池システム５では、図７に示したように、上記したような所定の場合に、圧電体４２２の振動周波数ｆが、この圧電体４２２の機械的な共振周波数ｆＥ付近となるように制御される。また、逆止弁４２５ａ，４２５ｂの開閉動作が可能な上限周波数（閾値周波数ｆＴＨ）が、圧電体４２２の機械的な共振周波数ｆＥよりも低くなっている。
　これにより、圧電体４２２の振動周波数ｆが上記共振周波数ｆＥ付近になると、逆止弁４２５ａ，４２５ｂの開閉動作が停止し、燃料ポンプ４２による燃料供給動作も停止する。また、圧電体４２２の振動によって燃料ポンプ４２内の液体燃料４１が加熱される。すなわち、ほとんど送液せずに、アクチュエーターとしての圧電体４２２のみを加熱することが可能となる。よって、この圧電体４２２はポンプ室４２０の近傍にあるため、ポンプ室４２０内の液体燃料４１のみが選択的にかつ効率よく加熱されることになる。そして、このようにして加熱された液体燃料４１は燃料気化部４４へ供給され、これにより燃料気化部４４において、気化熱による温度低下が抑えられる。なお、圧電体４２２において、共振周波数ｆＥ付近の振動周波数ｆの振動により生ずる熱量は、液体燃料４１の気化熱と略等しくなるようにするのが好ましい。そのような熱量が発生すれば、燃料気化部４４における気化熱による温度低下が完全に防止されるからである。
　ここで、図１０は、逆止弁４２５ａ，４２５ｂの上限周波数（閾値周波数ｆＴＨ）＝約４０Ｈｚであり、かつ、圧電体４２２の共振周波数ｆＥ＝約４５ｋＨｚおよび定格駆動電圧＝１２Ｖｐｐの燃料ポンプ４２に対し、交流電圧（交流周波数：１００ｋＨｚ、１Ｖｐｐ）の交流電圧を印加すると共に、（１００ｋＨｚ→１ｋＨｚ→１００ｋＨｚ→…）という具合に掃引し、燃料ポンプ４２本体の２箇所（Ａ点およびＢ点）の温度およびインピーダンスの変化を観察したときの測定結果を示したものである。
　まず、図中の符号Ｇａ１，Ｇｂ１における矢印で示したように、圧電体４２２の振動周波数ｆを、１００ｋＨｚ→１ｋＨｚと下げていくと、点Ａおよび点Ｂの温度（それぞれ、符号Ｇａ１，Ｇｂ１で示す）は上昇する。そして、振動周波数ｆ＝２８ｋＨｚのときに点Ａの温度が極大温度５９℃となる一方、振動周波数ｆ＝２７ｋＨｚのときに点Ｂの温度が極大温度４８℃となった。また、点Ａ，Ｂとも、さらに振動周波数ｆを下げていくと、温度が低下していった。
　次に、図中の符号Ｇａ２，Ｇｂ２における矢印で示したように、圧電体４２２の振動周波数ｆを１ｋＨｚ→１００ｋＨｚと上げていくと、点Ａおよび点Ｂの温度（それぞれ、符号Ｇａ２，Ｇｂ２で示す）は再び上昇し、振動周波数ｆ＝５０ｋＨｚのときに点Ａの温度が極大温度６１℃となる一方、振動周波数ｆ＝５４ｋＨｚのときに点Ｂの温度が極大温度４７℃となった。また、点Ａ，Ｂとも、さらに振動周波数ｆを上げていくと、温度が低下していった。
　これらの結果より、わずか１Ｖｐｐの交流電圧の印加により、燃料ポンプ４２が非常に効率よく発熱することが示された。また、圧電体４２２の共振周波数ｆＥ＝４５ｋＨｚ付近では逆止弁４２５ａ，４２５ｂはほとんど動作しないことから、燃料ポンプ４２に対して約４５ｋＨｚの交流電圧を印加することによって、液体燃料４１をポンプ室４２０内に留めたまま、効率的に加熱できることが示された。
　以上のように本実施の形態では、燃料ポンプ４２において、逆止弁４２５ａ，４２５ｂの開閉動作が可能な上限周波数（閾値周波数ｆＴＨ）が圧電体４２２の機械的な共振周波数ｆＥよりも低くなるように設定すると共に、所定の場合に、圧電体４２２の振動周波数ｆがこの共振周波数ｆＥ付近となるようにしたので、燃料ポンプ４２による燃料供給動作を停止させつつ、圧電体４２２の振動によって燃料ポンプ４２の液体燃料４１を加熱し、加熱された液体燃料４１を燃料気化部４４へ供給することができる。また、圧電体４２２の振動により生ずる熱量であるため、従来のように発電部１０における発電特性を損なうこともない。よって、発電特性を損なうことなく、燃料気化部４４のフラッディング現象を抑えることが可能となる。
　また、ヒーターなどの部材を別途設けることなく、燃料ポンプ４２を用いて直接加熱することができるため、部材コストを抑えることができる。また、それと共に省スペース化にも寄与し、制御回路も簡素化することができる。
　また、圧電体４２２において、共振周波数ｆＥ付近の振動周波数ｆの振動により生ずる熱量が、液体燃料４１の気化熱と略等しくなるようにした場合には、燃料気化部４４における気化熱による温度低下が完全に防止される。よって、燃料気化部４４における水の凝縮（フラッディング現象）を完全に回避することが可能となる。
　さらに、逆止弁４２５ａ，４２５ｂの上限周波数（閾値周波数ｆＴＨ）が、可聴周波数領域内の値である場合において、所定の場合に、圧電体４２２の振動周波数ｆが可聴周波数領域内においてこの閾値周波数ｆＴＨよりも高くなるようにした場合（圧電体４２２の振動周波数ｆが上記（２）式を満たすようにした場合）には、スピーカーなどの部材を別途設けることなく、また発電部１０における本来の発電動作には影響を与えることなく、所定の場合に、ユーザーへ効果音などを発することが可能となる。したがって、別途スピーカーやブザーなどを搭載することなしに、例えば正しく燃料カートリッジが装着された後、空気極の閉塞を検出した後などに、効果音を発生させることにより、ユーザーにその状況を伝え、不意に電力供給が停止してしまうような状況を回避することが可能となる。
　以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
　例えば、上記実施の形態では、圧電体４２２の機械的な共振周波数ｆＥが、可聴周波数領域の上限値（ｆmax＝１６ｋＨｚ程度）よりも高くなっている場合で説明したが、例えば発生する可聴音がほとんど聞こえないような場合などには、必ずしもそうなっていなくともよい。
　また、上記実施の形態では、発電部１０が、互いに電気的に直列接続された６つの単位セルを含む場合について説明したが、単位セルの数はこれには限られない。例えば、発電部１０が１つの単位セルにより構成されていてもよく、また、２以上の任意の複数の単位セルにより構成されていてもよい。
　また、上記実施の形態では、酸素電極１３への空気の供給を自然換気とするようにしたが、ポンプなどを利用して強制的に供給するようにしてもよい。その場合、空気に代えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。
　また、上記実施の形態では、液体燃料４１を収容する燃料タンク４０を燃料電池システム５内に内蔵させる場合で説明したが、そのような燃料タンクが、燃料電池システムに対して着脱可能な構成としてもよい。
　また、上記実施の形態では、ダイレクトメタノール型の燃料電池システムについて説明したが、本発明は、これ以外の種類の燃料電池システムについても適用することが可能である。
　本発明の燃料電池システムは、例えば、携帯電話、電子写真機、電子手帳またはＰＤＡ（Personal DigitalAssistants）等の携帯型の電子機器に好適に用いることが可能である。

Claims (11)

  1. 　燃料および酸化剤ガスの供給により発電を行う発電部と、
    　圧電体および逆止弁を含んで構成され、前記発電部側へ液体燃料を供給する圧電ポンプ部と、
    　前記圧電ポンプ部により供給された液体燃料を気化させることによって、気体燃料を前記発電部へ供給する燃料気化部と、
    　前記圧電体の振動周波数を制御することによって、前記圧電ポンプ部による液体燃料の供給量を調整する制御部と
    　を備え、
    　前記逆止弁の開閉動作が可能な上限周波数が、前記圧電体の機械的な共振周波数よりも低くなっており、
    　前記制御部は、所定の場合に、前記圧電体の振動周波数が前記共振周波数付近となるように制御する
    　燃料電池システム。
  2. 　前記圧電体において前記共振周波数付近の振動周波数の振動により生ずる熱量が、前記液体燃料の気化熱と略等しい
    　請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記燃料気化部が、前記圧電ポンプ部と前記発電部との間に配置されている
    　請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記制御部は、定期的に、前記圧電体の振動周波数が前記共振周波数付近となるように制御を行う
    　請求項１に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記制御部は、前記燃料気化部の温度が所定の閾値温度よりも低くなったときに、前記圧電体の振動周波数が前記共振周波数付近となるように制御を行う
    　請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 　前記共振周波数が、可聴周波数領域の上限値よりも高くなっている
    　請求項１に記載の燃料電池システム。
  7. 　前記上限周波数が、可聴周波数領域内の値となっており、
    　前記制御部は、所定の場合に、前記圧電体の振動周波数が、可聴周波数領域内において前記上限周波数よりも高くなるように制御する
    　請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 　前記液体燃料を収容すると共に着脱可能な燃料タンクを備え、
    　前記制御部は、前記燃料タンクの交換時、または、前記燃料タンクへの液体燃料の注入時に、前記圧電体の振動周波数が可聴周波数領域内において前記上限周波数よりも高くなるように制御を行う
    　請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 　前記制御部は、前記発電部における発電異常時、または、その前兆の検出時に、前記圧電体の振動周波数が可聴周波数領域内において前記上限周波数よりも高くなるように制御を行う
    　請求項７に記載の燃料電池システム。
  10. 　前記液体燃料を収容する燃料タンクを備えた
    　請求項１に記載の燃料電池システム。
  11. 　燃料電池システムを備え、
    　前記燃料電池システムは、
    　燃料および酸化剤ガスの供給により発電を行う発電部と、
    　圧電体および逆止弁を含んで構成され、前記発電部側へ液体燃料を供給する圧電ポンプ部と、
    　前記圧電ポンプ部により供給された液体燃料を気化させることによって、気体燃料を前記発電部へ供給する燃料気化部と、
    　前記圧電体の振動周波数を制御することによって、前記圧電ポンプ部による液体燃料の供給量を調整する制御部と
    　を有し、
    　前記逆止弁の開閉動作が可能な上限周波数が、前記圧電体の機械的な共振周波数よりも低くなっており、
    　前記制御部は、所定の場合に、前記圧電体の振動周波数が前記機械的な共振周波数付近となるように制御する
    　電子機器。
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