JP2010238408A - 燃料電池システム及びバルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した信頼性の高い燃料の遮断動作を得られる圧電バルブを有する燃料電池システム及び圧電バルブ装置を提供する。
【解決手段】燃料電池本体１に対して燃料を供給するポンプ１０４と直列に圧電バルブ１０６を設け、圧電バルブ１０６の運転期間は、駆動回路９の第１のスイッチング素子９２と第２のスイッチング素子９５のオン動作により出力電圧を圧電バルブ１０６に供給し、圧電バルブ１０６を開放状態に制御し、圧電バルブ１０６の運転停止にともなう第１のスイッチング素子９２と第２のスイッチング素子９５のオフ動作期間、又は駆動回路９の出力電圧が停止すると、駆動回路９の出力電圧に代わって補助電源４の出力電圧を圧電バルブ１０６に供給し、圧電バルブ１０６を閉止状態に制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びこの燃料電池システムに適用されるバルブ装置に関する。

携帯電話機や携帯情報端末などの電子機器の小型化は目覚しいものがあり、これら電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は、燃料と空気を供給するのみで、発電することができ、燃料のみを交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型化が実現できれば、小型の電子機器の電源として極めて有効である。

そこで、最近、燃料電池として、直接メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ；Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌと称する。）が注目されている。かかるＤＭＦＣは、液体燃料の供給方式によって分類され、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式のものと、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式のものがあり、これらのうち、パッシブ方式のものはＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。

従来、このようなパッシブ方式のＤＭＦＣとして、特許文献１に開示されるように、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造のものが考えられている。

また、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続する構成のものも特許文献２〜４に開示されている。これら特許文献２〜３は、燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整可能としたもので、特に、特許文献３では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給している。この場合、液体燃料を供給するためのポンプとして、例えば、特許文献４に開示されるような圧電素子（ダイアフラム）を用いた圧電ポンプが知られている。
国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット 特表２００５−５１８６４６号公報 特開２００６−０８５９５２号公報 特開２００１−２７１７５７号公報 Ｗ０２００８／０８１５７６Ａ１号公報

従来のＤＭＦＣを主発電部とした燃料電池システムでは、燃料電池の運転の安定性や信頼性を高めるため、液体燃料を供給するポンプと直列に燃料遮断用のバルブを配置したものがある（特許文献５）。かかる、ポンプと直列に燃料遮断用のバルブを配置したものでは、例えば、ポンプを運転する直前にバルブを開放し、ポンプの運転停止直後にバルブを閉止するような動作を行うことにより、ポンプの運転停止時でも発生する、意図しない燃料の送液を確実に遮断して不要な燃料消費を防止できるようにしている。

ところで、従来、この種の燃料遮断用のバルブとして、圧電素子を使用した圧電バルブが知られている。かかる圧電バルブは、単純なスイッチング回路などで構成される駆動回路より発生される駆動電圧が圧電素子に供給され、この駆動電圧により圧電素子の変形方向を切替えることによりバルブの開閉動作を得られるようにしている。この場合、駆動回路より発生される駆動電圧は、正側半波と負側半波からなる駆動波形が用いられ、圧電バルブは、例えば、駆動電圧の正側半波による圧電素子の変形によりバルブを開放し、負側半波による圧電素子の変形によりバルブを閉止するようにしている。

ところが、このような駆動回路の駆動電圧により開閉動作される圧電バルブによると、駆動波形の状態（正側半波又は負側半波）によりバルブの開放、閉止の動作を規定することができるが、例えば、何らかの原因で駆動回路より発生される駆動電圧が停止すると、圧電素子の状態が不定となり、仮に、駆動電圧の停止によりバルブが開放状態のままになっていると、ポンプの運転停止時でも意図しない燃料の送液が発生することがあり、燃料電池の発熱や無駄な燃料消費の原因になるという問題点があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、安定した信頼性の高い燃料の遮断動作を得られる圧電バルブを有する燃料電池システム及び圧電バルブ装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、燃料供給により電力を発電する燃料電池本体と、前記燃料電池本体に燃料を供給する燃料移送制御手段と、圧電素子を有し、該圧電素子の変形動作により前記燃料移送制御手段への燃料の供給を遮断可能にした圧電バルブと、補助電源と、駆動電圧を前記圧電バルブに供給し前記圧電素子を所定の方向に変形させて前記燃料移送制御手段へ燃料供給させるとともに、前記駆動電圧の停止により前記補助電源の出力電圧を前記圧電バルブに供給し前記圧電素子を前記所定の変形方向と異なる方向に変形させて前記燃料移送制御手段への燃料の供給を遮断させる駆動手段とを具備したことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記補助電源は、燃料電池本体の発電出力により充電される二次電池であることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記駆動手段は、スイッチング素子を有し、該スイッチング素子のオン動作により前記駆動電圧を前記圧電バルブに供給し、前記スイッチング素子のオフ動作により前記補助電源の出力電圧を前記圧電バルブに供給するようにしたことを特徴としている。

請求項４記載の発明は、圧電素子を有し、該圧電素子の変形動作により流体供給を遮断可能にした圧電バルブと、補助電源と、駆動電圧を前記圧電バルブに供給し前記圧電素子を所定の方向に変形させて燃料移送制御手段へ燃料供給させるとともに、前記駆動電圧の停止により前記補助電源の出力電圧を前記圧電バルブに供給し前記圧電素子を前記所定の変形方向と異なる方向に変形させて前記燃料移送制御手段への燃料の供給を遮断させる駆動手段とを具備したことを特徴とする圧電バルブ装置である。

本発明によれば、安定した信頼性の高い燃料の遮断動作を得られる圧電バルブを有する燃料電池システム及び圧電バルブ装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示している。

図１において、１は燃料電池本体（ＤＭＦＣ）で、この燃料電池本体１は、起電部を構成する燃料電池発電部（セル）１０１、液体燃料を収容する燃料収容部１０２、燃料収容部１０２と燃料電池発電部（セル）１０１を接続する流路１０３及び燃料収容部１０２から燃料電池発電部（セル）１０１に液体燃料を移送するための燃料供給制御手段としての圧電ポンプ１０４及び圧電バルブ１０６を有している。この圧電バルブ１０６については後述する。

図２は、このような燃料電池本体１をさらに詳細に説明するための断面図である。

この場合、燃料電池発電部１０１は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を有している。

ここで、アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。

電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（登録商標）（商品名、デュポン社製）やフレミオン（登録商標）（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７はこれらに限られるものではない。

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばＡｕ、Ｎｉのような導電性金属材料からなる多孔質層（例えば、メッシュ）、多孔質膜、箔体あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。電解質膜１７と後述する燃料分配機構１０５およびカバープレート１８との間には、それぞれゴム製のＯリング１９が介在されており、これらによって燃料電池発電部１０１からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

カバープレート１８は酸化剤である空気を取入れるための不図示の開口を有している。カバープレート１８とカソード１６との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。

燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３側には、燃料分配機構１０５が配置されている。燃料分配機構１０５には配管のような液体燃料の流路１０３を介して燃料収容部１０２が接続されている。

燃料収容部１０２には、燃料電池発電部１０１に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部１０２には燃料電池発電部１０１に応じた液体燃料が収容される。

燃料分配機構１０５には燃料収容部１０２から流路１０３を介して燃料が導入される。流路１０３は燃料分配機構１０５や燃料収容部１０２と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ燃料の流路であってもよい。燃料分配機構１０５は流路１０３を介して燃料収容部１０２と接続されていればよい。

ここで、燃料分配機構１０５は図３に示すように、燃料が流路１０３を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口２１と、燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口２２とを有する燃料分配板２３を備えている。燃料分配板２３の内部には図２に示すように、燃料注入口２１から導かれた燃料の通路となる空隙部２４が設けられている。複数の燃料排出口２２は燃料通路として機能する空隙部２４にそれぞれ直接接続されている。

燃料注入口２１から燃料分配機構１０５に導入された燃料は空隙部２４に入り、この燃料通路として機能する空隙部２４を介して複数の燃料排出口２２にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口２２には、例えば燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３には燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構１０５とアノード１３との間に気液分離膜等として設置してもよい。燃料の気化成分は複数の燃料排出口２２からアノード１３の複数個所に向けて排出される。

燃料排出口２２は燃料電池発電部１０１の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板２３のアノード１３と接する面に複数設けられている。燃料排出口２２の個数は２個以上であればよいが、燃料電池発電部１０１の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ²の燃料排出口２２が存在するように形成することが好ましい。

燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２の間を接続する流路１０３には、燃料移送制御手段としてのポンプ１０４と燃料遮断手段としての圧電バルブ１０６が直列に挿入されている。ポンプ１０４は燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部１０２から燃料分配機構１０５に燃料を移送する燃料供給ポンプである。このようなポンプ１０４で必要時に燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めるものである。この場合、ポンプ１０４としては、少量の燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。

また、圧電バルブ１０６は、図４に示すように中空部を有するバルブ本体１０６１を有している。この場合、同図（ｂ）に示すように、バルブ本体１０６１上面に燃料流入口１０６２及び燃料排出口１０６３が並べて配置されている。燃料排出口１０６３は、バルブ本体１０６１上面の略中央部に位置している。また、燃料流入口１０６２には、燃料収容部１０２が接続され、燃料排出口１０６３には、ポンプ１０４が接続されている。

バルブ本体１０６１の内部には、バルブ本体１０６１上面と平行な方向に沿ってバイモルフタイプの圧電素子１０６４が配置されている。この圧電素子１０６４は、後述する駆動回路９及び補助電源４より供給される出力電圧により変形動作するもので、図示破線ａ状態又は図示破線b状態に湾曲動作して燃料排出口１０６３を開閉可能にする。ここでは、圧電素子１０６４が図示破線ａ状態に湾曲動作すると、燃料排出口１０６３を開放して燃料流入口１０６２から燃料排出口１０６３に向かう図示矢印Ａ方向の燃料の移動を可能にしてバルブを開放状態にする。また、圧電素子１０６４が図示破線ｂ状態に湾曲動作すると、燃料排出口１０６３を閉じて燃料の移動を遮断しバルブを閉止状態にする。

また、圧電バルブ１０６は、ポンプ１０４を運転する直前に燃料排出口１０６３を開放し、ポンプ１０４の運転停止直後に燃料排出口１０６３を閉止するように動作する。かかる動作の詳細は、後述する。

このような構成において、燃料収容部１０２に収容された燃料は、圧電バルブ１０６、ポンプ１０４を介して流路１０３を移送され、燃料分配機構１０５に供給される。そして、燃料分配機構１０５から放出された燃料は、燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３に供給される。燃料電池発電部１０１内において、燃料はアノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …(1)
この反応で生成した電子（ｅ^-）は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる出力として負荷側に供給された後、カソード（空気極）１６に導かれる。また、(1)式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成される。

６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …(2)
図１に戻って、このように構成された燃料電池本体１は、燃料電池発電部（セル）１０１に出力検出部６及び出力調整手段としてＤＣ−ＤＣコンバータ（電圧調整回路）２が接続されている。出力検出部６は、燃料電池発電部（セル）１０１の出力、例えば出力電流を検出し、この出力電流に対応する検出信号を制御部７に出力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、不図示のスイッチング要素とエネルギー蓄積要素を有し、これらスイッチング要素とエネルギー蓄積要素により燃料電池本体１で発電された電気エネルギーを蓄積／放出させ、燃料電池本体１からの比較的低い出力電圧を十分の電圧まで昇圧して生成される出力を発生する。このＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力は、補助電源４に供給される。なお、ここでは標準的な昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ２を示したが、昇圧動作が可能なものならば、他の回路方式のものでも実施可能である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端には、補助電源４が接続され、所謂ハイブリッド型燃料電池を構成している。この補助電源４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力により充電可能としたもので、電子機器本体３の瞬間的な負荷変動に対して電流を供給し、また、燃料枯渇状態になって前記燃料電池本体１が発電不能に陥った場合に電子機器本体３の駆動電源として用いられる。この補助電源４には、充放電可能な蓄電素子(例えばリチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）)や電気二重層コンデンサ）が用いられる。

補助電源４には、燃料供給制御回路５及び駆動回路９が接続されている。燃料供給制御回路５は、補助電源４を電源としてポンプ１０４のオンオフ動作を制御するもので、制御部７の指示に基づいてポンプ１０４による燃料供給時間及び燃料供給量などを制御する。

駆動回路９は、図５に示すように補助電源４にＤＣ−ＤＣコンバータ９１が接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ９１は、補助電源４の出力電圧（例えば３．７〜４．１Ｖ）を所定の電圧値に変換して出力する。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力は、例えば６Ｖに設定される。ＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力端子には、例えば、ＰチャンネルのＭＯＳ−ＦＥＴからなる第１のスイッチング素子９２を介して圧電バルブ１０６の圧電素子１０６４の一方端子が接続されている。この圧電素子１０６４の一方端子は、抵抗素子９３を介して接地されている。また、補助電源４の正極側端子には、抵抗素子９４を介して圧電バルブ１０６の圧電素子１０６４の他方端子が接続されている。この圧電素子１０６４の他方端子は、例えば、ＮチャンネルのＭＯＳ−ＦＥＴからなる第２のスイッチング素子９５を介して接地されている。つまり、ここでの駆動回路９には、Ｈブリッジ回路が使用されている。なお、抵抗素子９３、９４は、消費電流を抑制するため、例えば１００ｋΩ程度の抵抗値のものが用いられる。

第１のスイッチング素子９２と第２のスイッチング素子９５は、後述する制御部７のバルブ制御部７０３からの制御信号により同時にオンオフ動作される。これにより、第１のスイッチング素子９２と第２のスイッチング素子９５がともにオンしている期間、つまり圧電バルブ１０６の運転期間は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力電圧（６Ｖ）が圧電バルブ１０６に供給され、圧電素子１０６４は、図４に示す破線ａ状態（開放状態）に湾曲動作され、圧電バルブ１０６を開放状態にする。また、第１のスイッチング素子９２と第２のスイッチング素子９５がともにオフしている期間、つまり圧電バルブ１０６の運転停止期間は、補助電源４よりＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力電圧と逆極性の出力電圧（３．７〜４．１Ｖ）が抵抗素子９４，９３を介して圧電バルブ１０６に供給され、圧電素子１０６４は、図４に示す破線b状態（閉止状態）に湾曲動作され圧電バルブ１０６を閉止状態にする。さらに、何らかの原因でＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力電圧が停止したような場合も、圧電バルブ１０６には、ＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力電圧の停止とともに、補助電源４の出力電圧（３．７〜４．１Ｖ）が供給され、圧電素子１０６４は、図４に示す破線b状態（閉止状態）に湾曲動作され圧電バルブ１０６を閉止状態にする。つまり、圧電バルブ１０６の運転停止期間、又はＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力電圧が停止した場合は、必ずノーマリークローズ（常時閉止）状態を得られるようにしている。

燃料供給制御回路５及び駆動回路９には、制御部７が接続されている。制御部７は、システム全体を制御するもので、出力設定部７０１、ポンプ制御信号発生部７０２、バルブ制御部７０３を有している。出力設定部７０１は、出力検出部６の検出信号と予め設定される目標値との比較結果に基づいて燃料電池本体１の出力（発電量）を設定する。ポンプ制御信号発生部７０２は、出力設定部７０１で設定される出力（発電量）に基づいて燃料供給制御回路５に対してポンプ１０４による燃料供給時間及び燃料供給量などの運転制御信号を出力する。バルブ制御部７０３は、ポンプ制御信号発生部７０２より燃料供給制御回路５に対してポンプ１０４の運転制御信号が出力される直前に駆動回路９の第１のスイッチング素子９２と第２のスイッチング素子９５をオンさせるスイッチ制御信号を出力し、燃料供給制御回路５に対するポンプ１０４の運転制御信号が停止すると、この直後にスイッチ制御信号を停止して、第１のスイッチング素子９２と第２のスイッチング素子９５をオフさせる。

次に、このように構成された実施の形態の作用を説明する。

いま、燃料電池システムが起動モードに設定され、制御部７のポンプ制御信号発生部７０２より燃料供給制御回路５に対してポンプ１０４の運転制御指令を出力されると、この運転制御指令の直前に、バルブ制御部７０３より駆動回路９の第１のスイッチング素子９２と第２のスイッチング素子９５に対するスイッチ制御信号が出力される。これら第１のスイッチング素子９２と第２のスイッチング素子９５は同時にオンし、圧電バルブ１０６には、ＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力電圧（６Ｖ）が印加される。これにより、圧電素子１０６４は、図４に示す破線ａ状態（開放状態）に湾曲動作され、圧電バルブ１０６を開放状態にしてポンプ１０４への燃料が供給される。

この状態で、燃料電池発電部１０１に圧電バルブ１０６、ポンプ１０４を介して燃料が供給される。そして、燃料電池発電部１０１で発電された出力がＤＣ−ＤＣコンバータ２で十分な電圧まで昇圧され、電子機器本体３に供給されるとともに、補助電源４に充電される。また、制御部７の出力設定部７０１において出力検出部６の検出信号と予め設定される目標値との比較結果に基づいて燃料電池本体１の出力（発電量）が設定され、ポンプ制御信号発生部７０２より出力設定部７０１で設定される出力（発電量）に基づいた制御信号が出力される。これにより、燃料供給制御回路５によりポンプ１０４の動作期間が制御され、燃料電池発電部１０１の出力（発電量）が目標値に応じて制御される。

その後、ポンプ制御信号発生部７０２より燃料供給制御回路５に対してポンプ１０４の運転制御信号が停止されると、この運転制御信号の停止直後にバルブ制御部７０３からのスイッチ制御信号も停止して第１のスイッチング素子９２と第２のスイッチング素子９５を同時にオフする。これにより、圧電バルブ１０６には、補助電源４よりＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力電圧と逆極性の出力電圧（３．７〜４．１Ｖ）が抵抗素子９４，９３を介して印加され、圧電素子１０６４が図４に示す破線b状態（閉止状態）に湾曲動作され圧電バルブ１０６を閉止状態にする。この閉止状態は、次に、バルブ制御部７０３のスイッチ制御信号が出力され、第１のスイッチング素子９２と第２のスイッチング素子９５がオン動作するまで維持される。

また、何らかの原因により駆動回路９においてＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力電圧が停止すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力電圧の停止とともに、補助電源４の出力電圧（３．７〜４．１Ｖ）が抵抗素子９４，９３を介して圧電バルブ１０６に印加される。これにより、圧電素子１０６４は、図４に示す破線b状態（閉止状態）に湾曲動作され、圧電バルブ１０６を閉止状態にする。つまり、圧電バルブ１０６の運転停止期間と同様に、ＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力電圧が停止したような場合も、圧電バルブ１０６は、ノーマリークローズ（常時閉止）状態を得ることができる。

したがって、燃料供給により電力を発電する燃料電池本体１に対してポンプ１０４より燃料を供給するとともに、このポンプ１０４と直列に燃料遮断用の圧電バルブ１０６を設けたもので、圧電バルブ１０６の運転期間は、駆動回路９の第１のスイッチング素子９２と第２のスイッチング素子９５のオン動作によりＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力電圧（６Ｖ）を圧電バルブ１０６に供給し、圧電素子１０６４を所定の方向に変形させて圧電バルブ１０６を開放状態に制御し、圧電バルブ１０６の運転停止にともなう第１のスイッチング素子９２と第２のスイッチング素子９５のオフ動作期間、又はＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力電圧が停止すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力電圧に代わって補助電源４よりＤＣ−ＤＣコンバータ９１の出力電圧と逆極性の出力電圧（３．７〜４．１Ｖ）を圧電バルブ１０６に供給し、圧電素子１０６４を上記変形方向と反対方向に変形させて圧電バルブ１０６を閉止状態に制御するようにした。つまり、圧電バルブ１０６の運転停止、又は駆動回路９の出力電圧が停止したような場合は、駆動回路９と別に用意された補助電源４の出力電圧を圧電バルブ１０６に供給してノーマリークローズ（常時閉止）状態を得られるようにした。

これにより、圧電バルブ１０６は、運転停止期間は勿論、駆動回路９より発生される駆動電圧が停止することがあると、補助電源４の出力電圧を圧電バルブ１０６に供給して圧電バルブ１０６をノーマリークローズ状態に移行させるようにできるので、安定した信頼性の高い燃料の遮断動作を得られ、駆動電圧の停止によりバルブが開放状態のままになるのを皆無にでき、ポンプの運転停止時でも意図しない燃料の送液が発生を防止し、燃料電池の発熱や無駄な燃料消費を生じるようなことを確実に無くすことができる。

実験の結果によると、従来の駆動電圧の停止によりバルブが開放状態のままになると、図６（ａ）に示すようにポンプの運転停止時に関わらず時間経過とともに燃料電池発電部の温度Ｔが上がり続けることが確認された。これは、バルブが開放したままになると、ポンプが運転されていなくてもポンプを通って燃料が燃料電池発電部に漏れ出していることを意味している。なお、燃料電池発電部の温度Ｔは、終端部分で下がり始めているが、これは、バルブを閉める動作を何回も繰り返したか、燃料を燃料収容部から抜いたためである。図示Iは、燃料電池発電部に供給される燃料の送液時間を示している。一方、本願発明のようなノーマリークローズ状態に制御されるバルブを用いると、図６（ｂ）に示すようにポンプの運転停止に関わらず時間が経過しても、燃料電池発電部の温度Ｔがほぼ一定（例えば４５℃）に制御されることが確認された。これは、バルブがポンプの運転停止期間に確実に閉止状態になるためで、ポンプを通って燃料が燃料電池発電部に漏れ出すのを確実に防止できることを意味している。この場合も、図示Iは、燃料電池発電部に送液される燃料の送液時間を示している。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、上述では、補助電源として燃料電池本体１の発電出力により充電される二次電池の例を述べたが、二次電池に代えて一次電池を用いることもできる。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

さらに燃料電池発電部へ供給される液体燃料の気化成分においても、全て液体燃料の気化成分を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。

本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示す図。 第１の実施の形態の燃料電池本体を詳細に説明するための断面図。 第１の実施の形態の燃料電池本体に用いられる燃料分配機構の斜視図。 第１の実施の形態に用いられる圧電バルブの概略構成を示す図。 第１の実施の形態に用いられる圧電バルブの駆動回路の概略構成を示す図。 第１の実施の形態の効果を説明するための図。

１…燃料電池本体、１０１…燃料電池発電部
１０２…燃料収容部、１０３…流路
１０４…ポンプ、１０６…圧電バルブ
１０６１…バルブ本体、１０６２…燃料流入口、
１０６３…燃料排出口、１０６４…圧電素子、
１０５…燃料分配機構、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、
３…電子機器本体、４…補助電源、５…燃料供給制御回路、
６…出力検出部、７…制御部、７０１…出力設定部、７０２…ポンプ制御信号発生部、
７０３…バルブ制御部、９…駆動回路
１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層
１３…アノード、１４…カソード触媒層
１５…カソードガス拡散層、１６…カソード
１７…電解質膜、１８…カバープレート
１９…Ｏリング、２１…燃料注入口
２２…燃料排出口、２３…燃料分配板
２４…空隙部

Claims (4)

1. 燃料供給により電力を発電する燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体に燃料を供給する燃料移送制御手段と、
   圧電素子を有し、該圧電素子の変形動作により前記燃料移送制御手段への燃料の供給を遮断可能にした圧電バルブと、
   補助電源と、
   駆動電圧を前記圧電バルブに供給し前記圧電素子を所定の方向に変形させて前記燃料移送制御手段へ燃料供給させるとともに、前記駆動電圧の停止により前記補助電源の出力電圧を前記圧電バルブに供給し前記圧電素子を前記所定の変形方向と異なる方向に変形させて前記燃料移送制御手段への燃料の供給を遮断させる駆動手段と
   を具備したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記補助電源は、燃料電池本体の発電出力により充電される二次電池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。
3. 前記駆動手段は、スイッチング素子を有し、該スイッチング素子のオン動作により前記駆動電圧を前記圧電バルブに供給し、前記スイッチング素子のオフ動作により前記補助電源の出力電圧を前記圧電バルブに供給するようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 圧電素子を有し、該圧電素子の変形動作により流体供給を遮断可能にした圧電バルブと、
   補助電源と、
   駆動電圧を前記圧電バルブに供給し前記圧電素子を所定の方向に変形させて燃料移送制御手段へ燃料供給させるとともに、前記駆動電圧の停止により前記補助電源の出力電圧を前記圧電バルブに供給し前記圧電素子を前記所定の変形方向と異なる方向に変形させて前記燃料移送制御手段への燃料の供給を遮断させる駆動手段と
   を具備したことを特徴とする圧電バルブ装置。

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