JP2010239701A

JP2010239701A - 燃料電池システム及び圧電ポンプ装置

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Publication number: JP2010239701A
Application number: JP2009082816A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Fukuda; 茂夫福田; Motoi Goto; 基伊後藤; Yasuhito Takeda; 泰人武田; Takeshi Kamiya; 岳神谷
Original assignee: Toshiba Corp; Murata Manufacturing Co Ltd; Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Murata Manufacturing Co Ltd; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】圧電ポンプに安定した送液動作を得られるとともに、小型で、価格的にも安価な燃料電池システム及び圧電ポンプ装置を提供する。
【解決手段】電力を発電する燃料電池発電部（セル）１０１の燃料供給に圧電素子の湾曲動作により燃料の吸引、排出動作を繰り返しポンプ動作を行う圧電ポンプ１０４を用い、かかる圧電ポンプ１０４の圧電素子１０４５を矩形波状の駆動波形の駆動電圧を発生する駆動回路５により駆動するとともに、駆動回路５と圧電素子１０４５の間に抵抗素子８を接続して圧電素子固有の静電容量とともにＲＣ積分回路を構成し、圧電素子１０４５に対し駆動波形を、立ち上がりを緩やかにした波形に変形して供給する。
【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圧電ポンプ装置に関する。

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；ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ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（ダイヤフラム）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

ところで、従来のＤＭＦＣを主発電部とした燃料電池には、燃料として高濃度なメタノールを用いられている。そして、このようなメタノールを燃料として高効率な発電動作を行うためには、例えば、５０℃前後の高温で動作させることが望ましいとされている。

ところが、主発電部での温度を５０℃前後で動作させると、携帯用電子機器などに用いられる小型の燃料電池では、発電部の熱が機器の筐体全体に伝達されるため、燃料を収納する燃料タンクを始め、燃料を送液するためのポンプ周辺部も高温になることがあり、通常、メタノールの定常気圧での沸点として知られている６４．７℃に非常に近い温度で送液動作が行われることもある。

一方、液体燃料の供給に用いられる圧電ポンプは、その駆動回路として、単純なスイッチング回路などで構成され略矩形波状の駆動電圧を発生するものが用いられている。

ところが、このような駆動波形を、高温の雰囲気中で送液動作を行う圧電ポンプに対し供給すると、駆動波形の急激な立ち上がりにより圧電素子（ダイヤフラム）が急激に変形するため、燃料吸引時にポンプ室内の圧力が急激に低下することがある。このため、ポンプ室内の液体燃料中に気泡が発生する、所謂キャビテーションが発生しやすくなり、これが原因でポンプの吐出圧が低下して送液動作が不安定となり、安定した送液が難しくなるという問題を生じる。

そこで、従来、駆動電圧の波形として、サイン波形やノコギリ波形など立ち上がりの緩やかなものを用い、燃料吸引時にポンプ室内の圧力が急激に低下するのを回避してキャビテーションの発生を防止することが考えられている。しかし、駆動電圧として、サイン波形やノコギリ波形などを発生させるための駆動回路は、波形整形のために各種の能動素子を用いるなどの必要があり、回路構成が複雑になり、燃料電池システムの小型化を阻害するとともに、価格の上昇原因になるという問題があった。

また、駆動回路を構成するスイッチング回路の短絡事故などにより圧電ポンプ側に過電流が流れることがあるが、このような場合、駆動回路に直接圧電素子が接続されているので、圧電ポンプの圧電素子が過電流により破損する虞もあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、圧電ポンプに安定した送液動作を得られるとともに、小型で、価格的にも安価な燃料電池システム及び圧電ポンプ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、圧電素子を有し、該圧電素子の変形動作により燃料の吸引、排出動作を繰り返し前記燃料電池本体に燃料を供給する圧電ポンプと、矩形波状をした駆動波形の駆動電圧を発生し、該駆動電圧により前記圧電ポンプの圧電素子を駆動する駆動手段と、前記駆動手段と前記圧電素子の間に接続され、前記圧電素子固有の静電容量とともにＲＣ積分回路を構成し前記駆動波形を立ち上がりの緩やかな波形に変形させる抵抗素子と、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、前記駆動手段より生成される駆動波形は、正側半波と負側半波からなり、前記圧電ポンプは、前記駆動波形の正側半波により燃料の吸引動作、負側半波により燃料の排出動作を行うことを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記抵抗素子に並列接続されるダイオードをさらに有し、前記駆動波形の正側半波又は負側半波の急峻な立ち上がりを維持させる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燃料の吸引、排出動作を繰り返し前記燃料電池本体に燃料を供給する圧電ポンプと、矩形波状をした駆動波形からなる駆動電圧を発生し、該駆動電圧により前記圧電ポンプの圧電素子を駆動する駆動手段と、前記駆動手段と前記圧電素子の間に接続され、前記圧電素子固有の静電容量とともにＲＣ積分回路を構成し、前記駆動波形を立ち上がりの緩やかな波形に変形させる抵抗素子と、を具備したことを特徴とした圧電ポンプ装置である。

本発明によれば、圧電ポンプに安定した送液動作を得られるとともに、小型で、価格的にも安価な燃料電池システム及び圧電ポンプ装置を提供できる。

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を有している。この圧電ポンプ１０４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（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：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圧電ポンプ１０４が挿入されている。この圧電ポンプ１０４は、図４に示すように中空部を有するポンプ本体１０４１を有している。このポンプ本体１０４１は、内部が可撓性を有する隔壁１０４２により第１の空間部１０４３と第２の空間部１０４４に２分割されている。隔壁１０４２は、第２の空間部１０４４側の面に圧電素子１０４５が設けられている。この圧電素子１０４５は、バイモルフタイプのものからなっている。また、圧電素子１０４５は、後述する駆動回路５より発生される駆動電圧により変形動作するもので、ここでは、駆動電圧として後述する矩形波状をした駆動波形が用いられ、かかる駆動波形の正側半波により図示破線ａ状態に湾曲動作され、負側半波により図示破線b状態に湾曲動作される。また、第１の空間部１０４３は、側面に上述した燃料収容部１０２に接続される燃料供給口１０４６が、正面に上述した燃料電池発電部１０１側の燃料分配機構１０５に接続される燃料排出口１０４７がそれぞれ設けられ、圧電素子１０４５の図示破線ａ状態の湾曲動作により第１の空間部１０４３内の圧力を低下させて燃料収容部１０２の燃料を燃料供給口１０４６を通して第１の空間部１０４３に吸引し、圧電素子１０４５の図示破線ｂ状態の湾曲動作により第１の空間部１０４３内の圧力を上昇させて、第１の空間部１０４３内の燃料を燃料排出口１０４７を通して燃料電池発電部１０１に強制排出するようにしている。この場合、燃料供給口１０４６、燃料排出口１０４７には、燃料の逆流を阻止するための逆止弁（不図示）が設けられる。

この圧電ポンプ１０４は燃料を循環され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。このような圧電ポンプ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、圧電ポンプ１０４により流路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、充放電可能な二次電池(例えばリチウムイオン充電池（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、駆動回路５が接続されている。この駆動回路５には、抵抗素子８を介して圧電ポンプ１０４の圧電素子１０４５が接続されている。つまり、圧電素子１０４５に直列に抵抗素子８が接続されている。駆動回路５は、補助電源４を電源として圧電ポンプ１０４を駆動するための駆動電圧を発生するもので、制御部７の制御信号により不図示のスイッチング素子がオンオフされ、図５（ａ）に示すような矩形波状をした駆動波形を出力する。抵抗素子８は、圧電素子１０４５が固有の静電容量を有することから、かかる圧電素子１０４５の静電容量とともにＲＣ積分回路を構成し、かかるＲＣ積分回路の時定数により、駆動波形を図５（ｂ）に示すように立ち上がりの緩やかな波形に変形させる。

駆動回路５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およびポンプ制御部７０２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）に基づいて駆動回路５の不図示のスイッチング素子のオンオフとともに、駆動回路５の動作期間、つまり圧電ポンプ１０４の動作期間を決定する制御信号を出力する。

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ると、燃料電池発電部１０１に圧電ポンプ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。

この状態で、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、駆動回路５の不図示のスイッチング素子のオンオフとともに、駆動回路５の動作期間、つまり圧電ポンプ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。

この場合、駆動回路５は、ポンプ制御部７０２の制御信号により不図示のスイッチング素子がオンオフされ、駆動電圧として図５（ａ）に示すような矩形波状をした駆動波形を出力する。この駆動波形は、固有の静電容量を有す圧電素子１０４５と抵抗素子８により構成されるＲＣ積分回路の時定数により図５（ｂ）に示すように立ち上がりの緩やかな波形に変形され、圧電ポンプ１０４に供給される。この状態で、圧電ポンプ１０４は、図４に示すように駆動波形の正側半波ｐ（図５（ｂ）参照）で圧電素子１０４５が図示破線ａ状態に湾曲動作され、駆動波形の負側半波ｎ（図５（ｂ）参照）で図示破線b状態に湾曲動作される。この場合、圧電素子１０４５の図示破線ａ状態の湾曲動作により第１の空間部１０４３内の圧力が低下するので、燃料収容部１０２の燃料が燃料供給口１０４６より第１の空間部１０４３内に吸引され、また、圧電素子１０４５の図示破線b状態の湾曲動作により第１の空間部１０４３内の圧力を上昇するので、第１の空間部１０４３内の燃料が燃料排出口１０４７より燃料電池発電部１０１側に強制排出され、これら動作の繰り返しにより送液動作が行われる。この場合、圧電ポンプ１０４は、燃料供給口１０４６より燃料を吸引するタイミングでは、駆動電圧して図５（ｂ）に示すように立ち上がりの緩やかな駆動波形が印加されるので、かかる燃料吸引時にポンプ内の圧力が急激に低下するようなことが無くなり、第１の空間部１０４３内の燃料中に気泡が発生する、所謂キャビテーションの発生を確実に防止することができる。

したがって、このようにすれば、電力を発電する燃料電池発電部１０１の燃料供給に圧電素子の湾曲動作により燃料の吸引、排出動作を繰り返しポンプ動作を行う圧電ポンプ１０４を用い、かかる圧電ポンプ１０４の圧電素子１０４５を矩形波状の駆動波形の駆動電圧を発生する駆動回路５により駆動するとともに、圧電素子１０４５と直列に抵抗素子８を接続して圧電素子固有の静電容量とともにＲＣ積分回路を構成し、圧電素子１０４５に対し駆動波形を、立ち上がりを緩やかにした波形に変形して供給するようにした。これにより、圧電ポンプ１０４の吸引動作の際には、立ち上がりの緩やかな駆動波形が圧電素子１０４に与えられるようになり、かかる吸引動作時に圧電ポンプ１０４内の圧力が急激に低下するのを防止するようにできるので、圧電ポンプ１０４内の燃料中に気泡が発生する、所謂キャビテーションの発生を確実に防止することができ、圧電ポンプ１０４に十分大きな吐出圧を得られ、安定した送液動作を得ることができる。

また、駆動回路５と圧電素子１０４５の間に抵抗素子８を接続するのみの構成で、立ち上がりを緩やかにした駆動波形を得られるようにしたので、従来のサイン波形やノコギリ波形などを発生させる駆動回路として波形整形のために各種の能動素子を用いたものと比べて、回路構成を簡単化でき、小型で、価格的にも安価な燃料電池システムを実現できる。

さらに、駆動回路５を構成する不図示のスイッチング素子に短絡事故などが発生すると、駆動回路５より圧電ポンプ１０４に過電流が流れることがあるが、このような場合、駆動回路５と圧電ポンプ１０４の間に直列に抵抗素子８が接続されているので、かかる抵抗素子８による限流作用により圧電ポンプ１０４への過電圧の流入を阻止することができ、圧電素子が過電流により破損するようなことも防止することができる。

（変形例）
第１の実施の形態では、駆動回路５と圧電ポンプ１０４の間に直列に抵抗素子８を接続し、固有の静電容量を有す圧電素子１０４５と抵抗素子８により構成されるＲＣ積分回路の時定数により図５（ｂ）に示すように立ち上がりの緩やかな駆動波形を生成して圧電素子１０４５に供給するようにしたが、このようにすると、駆動波形の負側半波により圧電素子１０４５を図示破線b状態に湾曲動作させる場合も立ち上がりの緩やかな駆動波形により駆動されるため、燃料排出時の第１の空間部１０４３内の圧力が低下し、燃料の供給量が低下する虞がある。そこで、この変形例では、図１に示すように抵抗素子８に対し図示破線で示す図示極性のダイオード９を並列に接続するようにした。その他は、図１と同様である。

このようにすると、駆動回路５より駆動電圧として、図６（ａ）に示すような矩形波状の駆動波形が出力されると、この駆動波形の正側半波ｐでは、固有の静電容量を有す圧電素子１０４５と抵抗素子８の直列回路により構成されるＲＣ積分回路の時定数により図６（ｂ）に示すように立ち上がりの緩やかな波形に変形され、圧電ポンプ１０４に供給される。また、駆動波形の負側半波ｎでは、図示極性のダイオード９により抵抗素子８が短絡状態となりＲＣ積分回路が作用しないので、図６（ｂ）に示すように急峻の立ち上がりを維持した波形のまま圧電ポンプ１０４に供給される。これにより、圧電ポンプ１０４は、燃料を吸引するときは、立ち上がりの緩やかな正側半波ｐの駆動波形の駆動電圧が供給されるが、燃料を排出するときは、急峻な立ち上がりの負側半波ｎの駆動電圧が供給されるようになるので、燃料排出時の第１の空間部１０４３内の圧力を十分高めることができ、燃料の供給量が低下するのを防止して燃料電池発電部１０１への十分な燃料供給を確保することができる。

なお、ここでは、圧電ポンプ１０４の燃料吸引時に駆動電圧の正側半波、燃料排出時に駆動電圧の負側半波を印加する場合のダイオード９の接続例を示したが、燃料吸引時に駆動電圧の負側半波、燃料排出時に駆動電圧の正側半波を印加する構成の圧電ポンプを使用する場合には、抵抗素子８に対しダイオード９の極性を逆に接続する必要があることは言うまでもない。

このようにしても、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

ちなみに、実験の結果によると、従来の矩形波状をした駆動波形による圧電素子の駆動では、燃料電池発電部１０１の発熱温度が２５℃の常温で圧電ポンプ１０４の吐出圧を１００％とした状態から燃料電池本体１の発熱温度が５５℃まで上昇すると、圧電ポンプ１０４の吐出圧が４０％まで低下していたが、本願発明の圧電素子１０４５と直列に抵抗素子８を接続し圧電素子１０４５固有の静電容量とともにＲＣ積分回路を構成したものでは、このときのＲＣ積分回路の時定数を０．０１程度以上とした場合、燃料電池本体１の発熱温度が５５℃まで上昇しても、圧電ポンプ１０４の吐出圧を７０％以上に回復することが確認され、圧電ポンプ１０４に安定した送液動作を得ることができた。また、上述の変形例で述べた抵抗素子８と並列にさらにダイオード９を接続すると、このときもＲＣ積分回路の時定数を０．０１程度以上とした場合、燃料電池本体１の発熱温度が５５℃まで上昇しても、圧電ポンプ１０４の吐出圧を８５％程度まで回復することが確認でき、圧電ポンプ１０４にさらに安定した送液動作を得ることができることできた。

その他、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。

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ポンプの概略構成を示す図。第１の実施の形態に用いられる駆動電圧の波形を説明するための図。第１の実施の形態の変形例に用いられる駆動電圧の波形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…圧電ポンプ、１０４１…ポンプ本体１０４１
１０４２…隔壁、１０４３…第１の空間部、１０４４…第２の空間部
１０４５…圧電素子、１０４６…燃料供給口、１０４７…燃料排出口
１０５…燃料分配機構、１０６…温度センサ、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、
３…電子機器本体、４…補助電源、５…駆動回路
６…出力検出部、７…制御部、７０１…出力設定部、７０２…ポンプ制御部、
８…抵抗素子、９…ダイオード、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

燃料供給により電力を発電する燃料電池本体と、
圧電素子を有し、該圧電素子の変形動作により燃料の吸引、排出動作を繰り返し前記燃料電池本体に燃料を供給する圧電ポンプと、
矩形波状をした駆動波形の駆動電圧を発生し、該駆動電圧により前記圧電ポンプの圧電素子を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段と前記圧電素子の間に接続され、前記圧電素子固有の静電容量とともにＲＣ積分回路を構成し前記駆動波形を立ち上がりの緩やかな波形に変形させる抵抗素子と、
を具備したことを特徴とする燃料電池システム。
前記駆動手段で生成される駆動波形は、正側半波と負側半波からなり、
前記圧電ポンプは、前記駆動波形の正側半波により燃料の吸引動作、負側半波により燃料の排出動作を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記抵抗素子に並列接続されるダイオードをさらに有し、前記駆動波形の正側半波又は負側半波の急峻な立ち上がりを維持させることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
圧電素子を有し、該圧電素子の変形動作により燃料の吸引、排出動作を繰り返し前記燃料電池本体に燃料を供給する圧電ポンプと、
矩形波状をした駆動波形からなる駆動電圧を発生し、該駆動電圧により前記圧電ポンプの圧電素子を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段と前記圧電素子の間に接続され、前記圧電素子固有の静電容量とともにＲＣ積分回路を構成し、前記駆動波形を立ち上がりの緩やかな波形に変形させる抵抗素子と、
を具備したことを特徴とする圧電ポンプ装置。