JP2006236743A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】濃度センサの動作を安定化させ、安定した発電が可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池は、化学反応により発電を行う起電部５２と、燃料を収容した燃料タンクと、燃料タンクから燃料供給流路を通して供給された燃料と起電部から送出される水蒸気を凝縮することで得られる水とを混合し、起電部に供給するための燃料水溶液を生成する混合タンク５４と、起電部と混合タンクとの間で燃料を循環させる第１流路６６ａと、起電部からの生成物を冷却し、混合タンクに供給する冷却器７０と、混合タンクより送出される燃料水溶液を第１流路上の分岐を経由して混合タンクへと還流させる第２流路６６ｃと、を備えている。第２流路には、第２流路中の燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサ８８が設けられている。第２流路には、気泡を流すための弁１００が設けられる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電子機器等の電源として使用される燃料電池に関する。

現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ（以下、ノートＰＣと称する）、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する）は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器の電源として注目されている。

この種の燃料電池として、希釈循環システムを採用した燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１）。システム内で循環するのは低濃度のメタノール水溶液である。発電によるメタノールの消費に対しては高濃度のメタノールを補充し、水の消費に対しては化学反応により生成される水を回収することで補充を行っている。このため、補充される高濃度のメタノールと水とを混合してメタノール水溶液を生成するための混合タンクが設けられている。起電部はアノードおよびカソードを備え、アノード側に希釈されたメタノールを、カソード側に空気を供給することにより、化学反応によって発電を行う。

発電を支障なく継続させるためには、起電部へ供給されるメタノール水溶液中のメタノール濃度が所定の範囲内に収まるように維持する必要がある。そのメタノール濃度の検出には濃度センサが使用される。濃度センサは、一般に、メタノール水溶液が混合タンクから起電部へと供給される燃料供給流路に設置される。濃度センサの種類としては、液体の中を通過するパルスの音速や屈折率を利用するものがよく採用される。

発電中においては、燃料供給流路の中のメタノール水溶液は、その温度は６０度程度もしくはそれ以上となるため、気泡を含む場合がある。また、何らかの原因で燃料供給流路にごみが混入されることも考えられる。そのような場合、濃度センサが設置されている場所において気泡等が停滞することがある。この状態が続くと、正確な濃度検出が行えなくなり、発電に支障をきたすことになる。

気泡を取り除く手法としては、例えば特許文献１の技術が挙げられる。この文献には、メタノール濃度の計算結果があらかじめ設定した基準範囲の中に入っていなければ、濃度センサに泡が付着している可能性があるため、燃料供給流路に設けられるポンプの動作量を変更することが開示されている。
特開２００４−９５３７６号公報

上記特許文献１には、ポンプの動作量を制御することにより気泡を取り除くことが開示されているが、アノード極に供給される燃料の容量もポンプの動作量の制御に応じて増減される。すなわち燃料電池における発電量にも影響を及ぼし、発電量が安定しなくなる、という問題を有している。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、濃度センサの動作を安定化させ、安定した発電が可能な燃料電池を提供することにある。

上記課題を達成するため、燃料電池は、化学反応により発電を行う起電部と、燃料を収容した燃料タンクと、燃料タンクから燃料供給流路を通して供給された燃料と起電部から送出される水蒸気を凝縮することで得られる水とを混合し、起電部に供給するための燃料水溶液を生成する混合タンクと、起電部と混合タンクとの間で燃料を循環させる第１流路と、起電部からの生成物を冷却し、混合タンクに供給する冷却器と、混合タンクより送出される燃料水溶液を第１流路上の分岐を経由して混合タンクへと還流させる第２流路と、第２流路に設けられ、第２流路中の燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサと、濃度センサと第１流路との間で第２流路に設けられるとともに、第２流路内の燃料水溶液の流れを停止させる弁機構と、を備えている。

以上のように構成された本発明によれば、濃度センサの動作を安定化させ、安定した発電が可能な燃料電池を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、この発明の第１の実施形態に係る燃料電池について詳細に説明する。

図１および図２に示すように、燃料電池１０は、メタノールを液体燃料としたＤＭＦＣとして構成され、電子機器、例えば、パーソナルコンピュータ１１の電源として使用可能に構成されている。

燃料電池１０は筐体１２を備えている。この筐体１２は、ほぼ角柱状に形成され水平に延びた本体１４と、本体から延出した載置部１６とを有している。載置部１６は、平坦な矩形状に形成され、パーソナルコンピュータ１１の後部を載置可能に形成されている。後述するように、本体１４内には、発電部を構成する燃料タンク、起電部、混合タンク等が配置されている。載置部１６には、パーソナルコンピュータ１１をロックするロック機構等が配置されている。

図１に示すように、載置部１６の上面には、パーソナルコンピュータ１１と接続するためのコネクタ３２が設けられている。パーソナルコンピュータ１１の例えば底面後部には、燃料電池１０側のコネクタ３２と接続するための図示しないコネクタが設けられ、コネクタ３２と機械的、電気的に接続される。載置部１６の３箇所には、ロック機構を構成する位置決め突起４１およびフック３８が設けられている。これらの位置きめ突起４１およびフック３８は、パーソナルコンピュータ１１の底面後部と係合し、載置部１６に対してパーソナルコンピュータ１１を位置決め、保持する。また、載置部１６には、パーソナルコンピュータ１１を燃料電池１０から取り外す際、ロック機構のロックを解除するイジェクトボタン４０が設けられている。載置部１６内には、後述する発電部の動作を制御する制御部が設けられている。

図１に示すように、本体１４の壁部には多数の通気孔２０が形成されている。後述するように、発電部を構成する燃料タンク５０は脱着自在な燃料カートリッジとして構成されている。本体１４の一側部は、燃料タンク５０の脱着時に取り外し可能なカバー５１として形成されている。

次に、発電部の構成について詳細に説明する。図３は発電部を示す斜視図であり、図４は、発電部の系統図を示したものであり、特にＤＭＦＣスタックにより構成された起電部５２とその周辺に設けられた補機について細部の系統を示している。図３および図４に示すように、発電部は、本体１４内の一側部に設けられた燃料タンク５０、本体内の中央部に設けられ化学反応により発電を行う起電部５２、起電部と燃料タンクとの間に設けられた混合タンク５４、本体内の他側部に設けられたアノード冷却器７０およびカソード冷却器７５を備えている。燃料タンク５０には、液体燃料として高濃度のメタノールが収容されている。この燃料タンク５０は本体１４に対して脱着自在なカートリッジとして形成されている。

燃料タンク５０は燃料供給流路１８を介して混合タンク５４に接続され、この燃料供給流路には、燃料タンクから混合タンクへ燃料を供給する第１送液ポンプ５６、電磁弁６３が設けられている。図５に示すように、起電部５２は複数のセルを積層して構成され、各セルは、アノード（燃料極）５８ａとカソード（空気極）５８ｂとの間に電解質膜６０を挟持して構成されている。起電部５２の周囲には、多数の冷却フィンが設けられている。

図３および図４に示すように、本体１４の内部には、エアバルブ６２を介して起電部５２のカソード５８ｂに空気を供給する送気ポンプ６４が設けられている。送気ポンプ６４は空気供給部を構成している。起電部５２と混合タンク５４との間には燃料供給管６６ａおよび燃料回収管６６ｂが接続され、起電部のアノード５８ａと混合タンク５４との間で燃料を循環させる第１流路（アノード流路）を形成している。燃料供給管６６ａには、フィルタ２４、混合タンク５４から起電部５２へ燃料を送出する第２送液ポンプ６８、イオンフィルタ２５、逆止弁２７が接続されている。

図３、図４、図６および図７に示すように、燃料回収管６６ｂの周囲にはそれぞれ鉛直方向に延びた多数の放熱フィン６９が取り付けられ、アノード冷却器７０を構成している。また、アノード冷却器７０は第１冷却ファン８２ａを有している。この第１冷却ファン８２ａは、本体１４を通気孔２０を通して本体内に冷却空気を吸い込み、アノード冷却器７０の周囲を通して冷却空気を流通させた後、本体内に排気する。

図３、図４および図７に示すように、起電部５２には排出管７２が接続され、カソード５８ｂから発電により生じた生成物および空気を排出するカソード流路を形成している。カソード流路は、起電部５２から延出した第１流路７２ａと、第１流路から複数に分岐しているとともにそれぞれ水平方向に対し傾斜して延びた複数の分岐流路ｂと、第１流路および各分岐流路の下端に連通し第１流路から排出された水および分岐路で凝縮した水を貯溜する貯溜部（水回収タンク）７２ｃと、貯溜部内に貯溜された水を混合タンク５４に導く第１回収流路７２ｄと、分岐流路の上端に連通した第２流路７２ｅと、を有している。本実施形態において、複数の分岐流路７２ｂはそれぞれ鉛直方向に沿って延びている。また、第１回収流路７２ｄは、アノード冷却器７０と混合タンク５４との間で燃料回収管６６ｂに連通し、この燃料回収管６６ｂを介して混合タンクに接続されている。

第１回収流路７２ｄには、貯溜部７２ｃ内の水を混合タンク５４に供給する水回収ポンプ７６が設けられている。また、貯溜部７２ｃ内には、この貯溜部内に溜まった水の水位を検出する水位センサ７７が設けられている。

図７に示すように、複数の分岐流路７２ｂを形成している排出管７２の周囲にはそれぞれ水平方向に延びた多数の放熱フィン７４が取り付けられカソード冷却器７５を構成している。複数の分岐流路７２ｂを含むカソード冷却器７５は、アノード冷却器７０と隙間を置いて対向配置されている。図４に示すように、第２流路７２ｅはほぼ水平に延びているとともに、本体１４の通気孔２２に向かって開口した排気口７８を備えている。

第２流路７２ｅにおいて、排気口７８の近傍には排気フィルタ８０および排気バルブ８１が設けられている。排気フィルタ８０は、例えば、金属触媒等により構成され、カソード流路を通して排気される空気中に含まれるメタノール等の有害物質を除去する。排気フィルタ８０の鉛直方向の下方には、水回収部２８が設けられ、第２流路７２ｅに連通している。また、カソード流路は、水回収部２８内に回収された水を第１回収流路７２ｄに導く第２回収流路７２ｆを有している。この第２回収流路７２ｆは、水回収ポンプ７６と混合タンク５４との間で第１回収流路７２ｄに接続されている。

水回収ポンプ７６と混合タンク５４との間で第１回収流路７２ｄには、混合タンク５４から水回収ポンプ７６側への水の逆流を規制する逆止弁４２が設けられている。この逆止弁４２と水回収部２８との間で第２回収流路７２ｆには、水回収ポンプ７６から水回収部２８側への水の逆流を規制する逆止弁４４が設けられている。

図７に示すように、本体１４内において、アノード冷却器７０とカソード冷却器７５との間には、遠心ファンからなる第２冷却ファン８２ｂが設けられ、カソード冷却器７５と対向している。第２冷却ファン８２ｂは、本体１４の通気孔を通して冷却空気を吸引し、カソード冷却器７５を通して本体内に供給する。

発電部は、混合タンク５４内に収容された燃料の濃度を検出する濃度センサ８８、この濃度センサに送られる燃料を冷却する燃料冷却部８７を備えている。図３に示すように、本体１４内に配設され発電部を構成している第１および第２送液ポンプ５６、６８、送気ポンプ６４、水回収ポンプ７６、エアバルブ６２、排気バルブ８１、冷却ファン８２は制御部３０に電気的に接続され、この制御部によって制御される。また、水位センサ７７および濃度センサ８８は制御部３０に接続され、それぞれ検知信号を制御部に出力する。

次に、濃度センサ８８および燃料冷却部８７について詳細に説明する。図４および図６に示すように、混合タンク５４と起電部５２との間において、燃料供給管６６ａから分岐管が分岐し、この分岐を経由してメタノール水溶液を混合タンク５４へと還流させる第２流路６６ｃを形成している。第２流路６６ｃは、メタノール水溶液中のメタノール濃度の検出を行うために設けられた専用の流路である。第２流路６６ｃには、第２流路を流れるメタノール水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサ８８が設けられている。濃度センサ８８が濃度検出を行うのに必要なメタノール水溶液の量は、少量、すなわち、発電部内で使用されるメタノール水溶液全体と比較すれば無視できる程度でよい。そのため、第２流路６６ｃの内径は燃料供給管６６ａの内径よりも小さく形成され、第２流路に流入するメタノール水溶液の量は少量となっている。これにより、起電部５２への燃料供給に悪影響を及ぼすことはない。

燃料供給管６６ａの分岐部と濃度センサ８８と間で第２流路６６ｃには、濃度センサに送られるメタノール水溶液を冷却する燃料冷却部８７が設けられている。この燃料冷却部８７は、アノード冷却器７０と一体に形成されている。このアノード冷却器７０と濃度センサ８８との間には弁機構１００が設けられている。弁機構１００は第２流路６６ｃ内の気泡を勢いよく押し流すためのものであり、第２流路６６ｃにおいて濃度センサ８８よりも上流に設けられている。弁機構１００については後段にて詳述する。
図３、図６、図７に示すように、燃料冷却部８７は、第２流路６６ｃの一部を蛇腹状に折り返して形成されている。燃料冷却部８７の直線部分は金属チューブにより形成され、湾曲部分は弾性を有するシリコンチューブによって形成されている。また、燃料冷却部８７は、アノード冷却器７０に隣接対向して設けられている。燃料冷却部８７は、第１冷却ファン８２ａにより形成される冷却空気流の流路内に配設され、更に、冷却空気の流れに対してアノード冷却器７０の上流側に設けられている。すなわち、アノード冷却器７０と一体とは、アノード冷却器への送風冷却流路内に組み込まれた構造を示しており、アノード冷却器７０の冷却能力を利用して燃料冷却部８７を冷却することができる。そして、第２流路６６ｃを流れるメタノール水溶液を燃料冷却部８７によって冷却し、例えば、４０℃以下に冷却されたメタノール水溶液を濃度センサ８８に送ることができる。これにより、濃度センサ８８が熱による悪影響を受けないようにすることができる。また、第２流路６６ｃ内の燃料に含まれる気泡は後述する弁機構１００により勢い良く混合タンク５４まで押し流されるため、濃度センサ８８の気泡による影響を取り除くことが出来る。また、混合タンク５４に押し流された気泡は混合タンク５４に設けられている気液分離膜により燃料と燃料内の気泡とが分離される構造となっている。

図８に示すように、濃度センサ８８は、第２流路６６ｃのうち、メタノール水溶液が重力に逆らう方向、すなわちメタノール水溶液が下から上へ流れる方向（例えば鉛直方向）に流れている流路部分に取り付けられている。こうした流路部分においては、メタノール水溶液よりも比重が小さい気泡等は、上方へ抜けやすく、流路の途中で停滞する確率は低い。また、気泡等が停滞した場合であっても、後述する制御によってメタノール水溶液の流れを変化させることにより、停滞していた気泡等が上方へ抜けやすい。

また、濃度センサ８８は、例えば、音速センサと呼ばれるものが適用される。なお、音速センサに限らず、最終的にメタノール濃度を計測できるものであれば、他の種類のセンサを適用してもよい。音速センサを適用する場合、濃度センサ８８は、例えば、送信端８８ａ、受信端８８ｂ、センサＩＣ８８ｃ、および温度センサ（サーミスタ）８８ｄを有している。送信端８８ａおよび受信端８８ｂは、第２流路６６ｃを間に挟んで対向配置されている。

送信端８８ａは、受信端８８ｂに向けて所定のパルスを定期的に発信する。受信端８８ｂは、送信端８８ａから発信されるパルスを受信するものである。センサＩＣ８８ｃは、送信端８８ａからパルスが発信されるタイミングと受信端８８ｂでパルスが受信されるタイミングとの差に基づき、パルスが第２流路６６ｃにおけるメタノール水溶液中を通過したときの音速を検出するものである。メタノール濃度が高いときは音速が低くなり、メタノール濃度が低いときには音速が高くなる傾向がある。センサＩＣ８８ｃにおける検出結果は、制御部３０に通知される。

また、温度センサ８８ｄは、第２流路６６ｃを流れるメタノール水溶液の温度を検出する。メタノール水溶液中のメタノールの濃度は、メタノール水溶液の温度に応じて変化することが知られている。このため、温度センサ８８ｄにより検出される温度も、メタノール濃度の計測に使用される。温度センサ８８ｄにおける計測結果は、制御部３０に通知される。

制御部３０は、センサＩＣ８８ｃにより測定された音速値を電圧／電流値等に変換して検出し、さらに温度センサ８８ｄにより測定された温度とからメタノール水溶液の濃度を計算する。図９に示すように、メタノール水溶液の燃料濃度と音速との関係は、溶液温度が高いほど、濃度に対する音速の変化量が小さくなる。制御部３０は、上記メタノール濃度と音速との相関関係に基づき、計測された音速からメタノール濃度を求める。さらに、このメタノール濃度の値を、温度センサ８８ｄにより計測された温度に応じて補正する。なお、こうした最終的なメタノール濃度の算出を、センサＩＣ８８ｃの内部で行うように構成してもよい。上記関係から、濃度センサ８８で測定するメタノール水溶液の温度は、十分な分解能が得られる温度、例えば、４０℃以下であることが望ましい。上述したように、本実施形態によれば、濃度センサ８８に送られるメタノール水溶液は、燃料冷却部８７により４０℃以下に冷却される。そのため、濃度センサ８８により高い分解能でメタノール濃度を検出することができる。そして、制御部３０は、検出したメタノール濃度が所定の範囲外にある場合、燃料タンク５０から混合タンク５４への燃料の供給、あるいは、混合タンクへの水の供給を制御し、混合タンク内のメタノール水溶液の温度を所定の値に維持する。なお、通常、燃料電池に使用されるメタノール濃度は、１０Ｗｔ％であるため、十分な分解能が得られる温度を４０℃以下に設定することにより、充分な管理が可能となる。

上記構成の燃料電池１０をパーソナルコンピュータ１１の電源として用いる場合、まず、パーソナルコンピュータの後端部を燃料電池の載置部１６に載置し、所定位置にロックするとともにコネクタ３２を介して電気的に接続する。この状態で燃料電池１０の発電を開始する。この場合、第１送液ポンプ５６により燃料タンク５０から混合タンク５４に高濃度のメタノールが供給され、起電部５２から還流する溶媒としての水と混合され所定の濃度に希釈される。混合タンク５４内で希釈されたメタノールは、第２送液ポンプ６８により、アノード流路を通して起電部５２のアノード５８ａに供給される。一方、起電部５２のカソード５８ｂには送気ポンプ６４により空気が供給される。図６で示したように、供給されたメタノールおよび空気は、アノード５８ａとカソード５８ｂとの間に設けられた電解質膜６０で化学反応し、これにより、アノード５８ａとカソード５８ｂとの間に電力が発生する。起電部５２で発生した電力は、制御部３０、コネクタ３２を介してパーソナルコンピュータ１１へ供給される。

発電反応に伴い、起電部５２には反応生成物として、アノード５８ａ側に二酸化炭素、カソード５８ｂ側に水が生成される。アノード５８ａ側に生じた二酸化炭素および化学反応に供されなかったメタノールはアノード流路へ送られ、アノード冷却器７０を通して冷却された後、混合タンク５４に還流する。二酸化炭素は混合タンク５４内で気化し、カソード冷却器７５、排気バルブ８１を介して、最終的には排気口７８から外部へ排気される。

カソード５８ｂ側に生じた水は、その大部分が水蒸気となり空気とともにカソード流路に排出される。排出された水および水蒸気は、第１流路７２ａを通り、水は貯溜部７２ｃに送られる。また、水蒸気および空気は、分岐流路７２ｂを通り第２流路７２ｅまで上方に向かって流れる。この際、各分岐流路７２ｂを流れる水蒸気はカソード冷却器７５によって冷却されて凝縮する。凝縮により生じた水は、重力により分岐流路７２ｂ内を下方に流れ、貯溜部７２ｃに回収される。貯溜部７２ｃ内に回収された水は、水回収ポンプ７６により混合タンク５４へ送られ、メタノールと混合された後、再び起電部５２へ供給される。

第２流路７２ｅに送られた空気および水蒸気の一部は、水回収部２８に送られる。この際、水蒸気は第２流路７２ｅ内で結露し、これにより生じた水は水回収部２８に回収される。また、空気および空気中に飛沫したメタノールは排気フィルタ８０に送られ、ここで、メタノールが排気フィルタによって除去される。空気は排気バルブ８１を通り、排気口７８から本体１４内に排気され、更に、本体の通気孔２２を通して外部に排気される。なお、起電部５２のアノード側から排出された二酸化炭素は、第２流路７２ｅを通り、排気口７８から本体１４内に排気され、更に、本体の通気孔２２を通して外部に排気される。

燃料電池１０の動作中、第１冷却ファン８２ａおよび第２冷却ファン８２ｂが駆動され、本体１４に形成された通気孔を通して外気が本体１４内に導入される。通気孔２０を通して本体１４内に導入された外気および本体１４内の空気は、燃料冷却部８７およびアノード冷却器７０の周囲を通りこれを冷却した後、第１冷却ファン８２ａに吸気される。第２冷却ファン８２ｂにより本体１４内に導入された外気および本体１４内の空気は、カソード冷却器７５の周囲を通ってこれを冷却した後、第２冷却ファン８２ｂに吸気される。

第１および第２冷却ファン８２ａ、８２ｂに吸気された空気は、冷却ファンの図示しない排気口ら本体１４内に排気され、本体１４内を通った後、本体の通気孔から外部に排気される。その際、第１および第２冷却ファン８２ａ、８２ｂから排気された空気は、カソード流路の排気口７８からの排気された空気、二酸化炭素と混ざり合い、一緒に通気孔から本体外部に排気される。また、第１および第２冷却ファン８２ａ、８２ｂから排気された空気は、起電部５２およびその周囲を冷却した後、本体１４の外部に排気される。

混合タンク５４内におけるメタノールの濃度は濃度センサ８８によって検出される。制御部３０は、検出された濃度に応じて水回収ポンプ７６を作動させ、貯溜部７２ｃ内の水を混合タンク５４に供給することにより、メタノールの濃度を一定に維持する。また、カソード流路内における水の回収量、つまり、水蒸気の凝縮量は、貯溜部７２ｃに回収された水の水位に応じて、カソード冷却器７５の冷却能力を制御することにより調整される。ここでは、水位センサ７７により検出された水位に応じて第２冷却ファン８２ｂの駆動電圧を制御することにより、カソード冷却器７５の冷却能力を調整し、水の回収量を制御する。

水の回収時、水回収ポンプ７６は制御部３０により正転駆動される。これにより、逆止弁４２が開き、逆止弁４４が閉じられる。そして、貯溜部７２ｃ内の水は、第１回収流路７２ｄおよび逆止弁４２を通って混合タンク５４へ送られる。

また、制御部３０は、例えば、一定の動作期間ごとに水回収ポンプ７６を所定時間、逆転駆動し、水回収部２８内に溜まった水を貯溜部７２ｃに回収する。すなわち、水回収ポンプ７６を逆転駆動されると、逆止弁４４が開き、逆止弁４２が閉じられる。そして、水回収部２８内に溜まった水および第２流路７２ｅ内で結露した水は、第２回収流路７２ｆ、逆止弁４４、および第１回収流路７２ｄを通って貯溜部７２ｃに回収される。その後、回収された水は、混合タンク５４へ供給され、メタノールの希釈に用いられる。
これにより、混合タンク５４のメタノール水溶液は効率良く混合され、均一な濃度に維持される。

次に弁機構１００における第２流路内６６ｃの気泡の押し出しについて詳述する。

図１０は、弁と第２流路との関係を示した図である。図１１は、図１０の図の断面図である。図１２（ａ）弁が開状態における第２流路を側面より見た状態の図である。図１２（ｂ）弁が開状態における第２流路を正面より見た状態の図である。図１３（ａ）弁が閉状態における第２流路を側面より見た状態の図である。図１３（ｂ）弁が閉状態における第２流路を正面より見た状態の図である

図１０，１１に示すように第２流路６６ｃ内部には、弁１０１が内蔵されている。弁１０１は円盤上に形成され、第２流路６６ｃの内径より若干小さく形成されている。弁１０１は軸１０２を中心に第２流路６６ｃ内を流れる燃料の流れる方向に回転可能であり、図１２，１３に示すように、第２流路６６ｃ内における燃料の還流を許容する開状態と第２流路内６６ｃ内における燃料の還流を停止する閉状態との間で回転可能である。図１０，１１に示すように弁１０１の軸１０２の端部は軸受け１０３を介して第２流路６６ｃより突出しており、弁リリース部１０４に挿入される。弁制御モータ１０５の軸１０５ａも同様に弁リリース部１０４に挿入される。ここで弁１０１の軸１０２とモータ１０５の軸１０５ａとは別体でクラッチ等により接続されていても良いし、一体にされていても良い。

弁制御モータ１０５により回転軸１０５ａが回転されると、それに応じて回転軸１０２ａが回転される。回転軸１０２の回転により弁１０１も開状態から閉状態へ９０度回転される。
図１４（ａ）弁が開状態におけるリリース機構を示す図である。図１４（ｂ）弁が平状態におけるリリース機構を示す図である。図１４（ａ）に示すように、弁リリース機構１０４は基台１０７を有している。基台１０７は回転軸１０２の一端１０２ａを受ける軸受け１０７ａを有している。回転軸１０２ａには一体に操作片１０６を有しており、回転軸１０２の回転に応じて操作片１０６も回転することになる。操作片１０６と基台１０７との間にはバネ１０８が設けられており、バネ１０８の一端１０８ａは基台に固定される、他端１０８ｂの先端１０８ｃは操作片１０６の端部１０６ａに固定されている。弁制御モータ１０５により回転軸１０２が回転されると図１４(ａ)の状態から図１４（ｂ）の状態に回転される。このとき操作片１０６はバネ１０８の他端１０８ｂを押すことにより、羽０８は操作片１０６を図１４（ａ）の状態（弁１０１が開状態）方向に付勢している。
弁制御モータ１０５はオンされると弁１０１を閉状態（図１３、図１４（ｂ））に回転させる。次に弁制御モータ１０５をオフすると、回転軸１０５ａ、回転軸１０２がフリーになり、リリース機構１０４のバネ１０８の付勢力により操作片１０６を図１４（ａ）の状態すなわち弁１０１を開状態（図１２）に復帰させる。
ここで第２流路６６ｃ内に流れている気泡を混合タンク５４に押し流す方法について説明する。まず弁制御モータ１０５をオンさせ、弁１０１を開状態から閉状態へ９０度回転させる。この状態において第２流路６６ｃ内の燃料は弁１０１により上流側（アノード冷却器８７側）の燃料が堰き止められることになる。したがって、第２流路６６ｃ内において弁１０１を境に上流側と下流側（濃度センサ８８側）において圧力差が生じる。すなわち弁１０１により燃料が堰き止められることにより、上流側の第２流路６６ｃ内部の圧力が下流側に比べ高くなる。弁１０１を閉状態に所定時間維持し、所定時間経過後、弁制御モータ１０５をオフし、弁１０１を閉状態から開状態へ９０度逆回転させると、圧力の高まった上流側の燃料が下流側へ勢い良く押し流される。この勢いにより第２流路６６ｃ内部に存在する気泡を一気に混合タンク５４へ押し流すことになる。下がtt絵濃度センサ８８において気泡がたまることを防止することが出来る。

以上のように構成された燃料電池１０によれば、弁機構１００を第２流路６６ｃに設けることにより、第２流路６６ｃ内を流れる気泡を濃度センサ８８に留めることなく混合タンク５４に押し流すことが出来るため制度良く安定的に濃度センサ８８における濃度検知を行うことが出来る。
さらに混合タンク５４と起電部５４との間でメタノール水溶液を還流させる第１流路から分岐した第２流路を形成し、この第２流路に濃度センサ８８、および濃度センサ８８に供給するメタノール水溶液を冷却する燃料冷却部８７を設けている。そのため、発電部内を循環するメタノール水溶液の温度が５０℃を超える場合でも、濃度センサ８８に供給するメタノール水溶液の温度を、濃度センサ８８の高い分解能が得られる温度、例えば、４０℃以下に冷却することができる。そのため、濃度センサ８８により燃料濃度を高い分解能で検出することができ、メタノール水溶液の燃料濃度を所望の値に維持することが可能となる。その結果、安定した発電が可能な燃料電池が得られる。

なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

前述した実施形態によれば、燃料冷却部８７は、アノード冷却器７０と一体的に形成したが、これに限らず、カソード冷却器７５と一体化する構成としてもよい。発電部は、燃料タンク５０、混合タンク５４、起電部５２、アノード冷却器７０およびカソード冷却器７５を順番に並べて配置した構成としたが、これらの配置は必要に応じて種々変更可能である。この発明に係る燃料電池は、上述したパーソナルコンピュータに限らず、モバイル機器、携帯端末等の他の電子機器の電源としても使用可能である。燃料電池の形式としは、ＤＭＦＣに限らず、ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）等の他の形式としてもよい。

実施形態に係る燃料電池を示す斜視図。 前記燃料電池をパーソナルコンピュータに接続した状態を示す斜視図。 前記燃料電池の発電部を示す斜視図。 前記燃料電池の発電部の構成を主に示す系統図。 前記燃料電池における起電部のセル構造を模式的に示す図。 前記発電部の濃度センサおよび燃料冷却部を模式的に示す図。 前記発電部のアノード冷却器、カソード冷却器および燃料冷却部を概略的に示す断面図。 前記濃度センサを概略的に示す図。 メタノール水溶液の温度、濃度および音速の関係を示す特性図。 弁と第２流路との関係を示した図。 図１０の図の断面図。 （ａ）弁が開状態における第２流路を側面より見た状態の図。（ｂ）弁が開状態における第２流路を正面より見た状態の図。 （ａ）弁が閉状態における第２流路を側面より見た状態の図。（ｂ）弁が閉状態における第２流路を正面より見た状態の図。 （ａ）弁が開状態におけるリリース機構を示す図。（ｂ）弁が平状態におけるリリース機構を示す図。

符号の説明

１０…燃料電池、 １１…パーソナルコンピュータ、 １４…本体、
１８…燃料供給流路、 １６…載置部、 ５０…燃料タンク、 ５２…起電部、
５４…混合タンク、 ６６ａ…燃料供給管、 ６６ｂ…燃料回収管、
６６ｃ…第２流路、 ７０…アノード冷却器、 ７２…排出管、
７５…カソード冷却器、 ８２ａ…第１冷却ファン、 ８２ｂ…第２冷却ファン、
８７…燃料冷却部、 ８８…濃度センサ、 １００…弁機構、１０１…弁、１０２…軸、１０４…弁リリース部、１０５…弁制御モータ

Claims (5)

1. 化学反応により発電を行う起電部と、
   燃料を収容した燃料タンクと、
   前記燃料タンクから燃料供給流路を通して供給された燃料と前記起電部から送出される水蒸気を凝縮することで得られる水とを混合し、前記起電部に供給するための燃料水溶液を生成する混合タンクと、
   前記起電部と混合タンクとの間で燃料を循環させる第１流路と、
   前記起電部からの生成物を冷却し、前記混合タンクに供給する冷却器と、
   前記混合タンクより送出される燃料水溶液を前記第１流路上の分岐を経由して前記混合タンクへと還流させる第２流路と、
   前記第２流路に設けられ、前記第２流路中の燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサと、
   前記濃度センサと前記第１流路との間で前記第２流路に設けられるとともに、前記第２流路内の燃料水溶液の流れを停止させる弁機構と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記弁機構は、前記第２流路内部で燃料水溶液を堰き止める閉状態、燃料水溶液の流れを許容する開状態との間で回転可能な弁を有していることを特徴とすう請求項１記載の燃料電池。
3. 前記弁はモータにより駆動されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記前記モータはオンされると弁を閉状態にし、オフされると弁を閉状態から開状態へ駆動することを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 前記第２流路は、燃料水溶液が重力に逆らう方向に流れる流路部分を有し、前記濃度センサは前記流路部分を挟んで設けられている請求項１に記載の燃料電池。
   

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