JP4298261B2 - 燃料電池発電方法及び小型燃料電池発電装置 - Google Patents
燃料電池発電方法及び小型燃料電池発電装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4298261B2 JP4298261B2 JP2002311790A JP2002311790A JP4298261B2 JP 4298261 B2 JP4298261 B2 JP 4298261B2 JP 2002311790 A JP2002311790 A JP 2002311790A JP 2002311790 A JP2002311790 A JP 2002311790A JP 4298261 B2 JP4298261 B2 JP 4298261B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- fuel cell
- flow path
- cell power
- methanol
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料を用いた燃料電池発電方法及びその方法の発明の実施に直接使用する小型燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の液体燃料を用いた燃料電池システム装置について説明する。
図１２は、その一例として、メタノールを燃料とするダイレクトメタノール型燃料電池システム装置の構成図である。
【０００３】
ダイレクトメタノール型燃料電池システム装置αは、固体高分子電解膜１、空気極２、燃料極３からなる燃料電池セル４と、空気極２に空気を送り込むブロア５からなる空気供給手段６と、燃料極３に燃料を供給する燃料供給手段７とを配管結合して構成される。
【０００４】
尚、燃料供給手段７は、高濃度メタノールが蓄えられたメタノールタンク８と、メタノール水溶液を希釈する水が入った水タンク９とにより構成され、燃料であるメタノール水溶液を循環させる為の送液ポンプ１０と、燃料極３において発生する二酸化炭素を外部に放出する気液分離機１１とを循環配管に途中介在させて接続されている。
【０００５】
そして、発電によってメタノール水溶液中のメタノール及び水が消費される為、メタノール水溶液が送液ポンプ１０によって循環する過程において、メタノールタンク８からの高濃度メタノールと水タンク９からの水とをメタノール水溶液に供給して、メタノール水溶液の濃度調整を行い、メタノール水溶液の濃度を一定に保つことによって、燃料電池セル４から安定した出力が得られる。
【０００６】
尚、発電を行うことによって、空気極２では水蒸気が生成する為、この水蒸気を液化する凝縮機１２が空気極２の出口側に設けられ、凝縮機１２にて得られた水は水タンク９に供給されることにより、水の再利用を可能とする。
【０００７】
以上説明した従来技術の他に、例えば、次の、非特許文献１及び２がある。
【非特許文献１】
ＮＩＫＫＥＩ ＭＩＣＲＯＤＥＶＩＣＥＳ ２００２年４月号 第５１頁
【非特許文献２】
日経メカニカル Ｄ＆Ｍ ２００２．２．Ｎｏ５６９ 第２０頁
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の燃料電池システム装置αにおいては、システム装置の小型化及び軽量化ができないという問題があった。その主要な原因としては、次の点が挙げられる。
【０００９】
第１としては、メタノール水溶液の濃度は、液体クロマトグラフを用いて正確に計測できるものの、装置が大掛かりとなることから、結果として、システム装置の小型化、軽量化が困難である。この点、燃料電池の出力を積分することにより、消費したメタノール量を算出してメタノール水溶液の濃度を求めることも可能ではあるところ、未反応のメタノールが固体高分子電解膜１を燃料極３側から空気極２側に透過してしまう、所謂メタノールのクロスオーバ現象が起きる故に、濃度の算出を正確に行うことは困難であった。
【００１０】
第２としては、メタノールの濃度を正確に調整する為には、メタノール水溶液中に、高濃度メタノール及び水を、所要の量それぞれ注入する必要があり、これは、マイクロシリンジポンプを使用することにより可能ではあるものの、装置が大きいことから、結果として、システム装置の小型化、軽量化が困難であった。
【００１１】
第３としては、メタノール水溶液を循環させる為には液体ポンプが必要であるところ、現在広く用いられているダイアフラム式液体ポンプにあっては、偏心カム、コンロッド、ダイヤフラムなど構成部品が多く、構造が複雑であるので、システム装置の小型化、軽量化が困難であった。
【００１２】
第４としては、電極反応によって燃料極３にて発生した二酸化炭素は、気泡となってメタノール水溶液中に存在し、この気泡が燃料極３付近に滞留することにより、メタノールの供給がスムーズに行われなくなり、燃料電池セル４の発電特性を低下させるので、メタノール水溶液中の二酸化炭素の気泡を取り除く必要が生じるものの、通常液体から気体を除去する為に用いられる気液分離機１１は装置が大きいので、システム装置の小型化、軽量化が困難であった。
【００１３】
従って、本発明は、かかる欠点に鑑みてなされたものであり、本発明の解決すべき主要な目的は、次の通りである。
【００１４】
本発明の第１の目的は、発電に消費される燃料の供給形態を改善した、燃料電池発電方法及び小型燃料電池発電装置を提供することにある。
【００１５】
本発明の第２の目的は、二酸化炭素ガスによる発電能力の低下の回避を改善した、燃料電池発電方法及び小型燃料電池発電装置を提供することにある。
【００１６】
本発明の第３の目的は、液体燃料の濃度を正確に測定する為に生じるシステム装置の大型化を回避した、燃料電池発電方法及び小型燃料電池発電装置を提供することにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、明細書、図面、特に特許請求の範囲における各請求項の記載から自ずと明らかとなろう。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明方法は、上記課題の解決に当たり、▲１▼液体燃料の濃度を交流インピーダンスにより測定する、という特徴的構成手法、▲２▼燃料注入を、ステッピングモータにより作動するピストンを具備したマイクロシリンジ、又はインクジェットでもって行う、という特徴的構成手法、▲３▼マイクロマシニング技術により作成された一対のギアからなるマイクロギアポンプを用いて液体燃料を循環させる、という特徴的構成手法、▲４▼液体燃料の圧力を常時大気圧以上に加圧してベントフィルタにより、燃料電池セル内で生じた不要なガスを取り除く、という特徴的構成手法をそれぞれ講じる。
【００１９】
本発明装置は、上記課題の解決に当たり、交流インピーダンスによって液体燃料の濃度を測定する濃度センサ、液体燃料を循環させるマイクロギアポンプ、液体燃料を注入するマイクロシリンジ又はインクジェット、燃料を常に大気圧以上の加圧状態下において、発生した二酸化炭素などの不要なガスを排出するベントフィルタを具備する、という特徴的構成手段を講じる。
【００２０】
更に、具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発明が次に列挙する新規な特徴的構成手法又は手段を採用することにより、上記目的を達成するようになされる。
【００２１】
本発明方法の第１の特徴は、燃料電池セルに接続する燃料流路に設置された金属プローブを用いて交流インピーダンスを測定することにより、燃料の濃度を計測し、当該燃料流路に対して注入すべき燃料の量を見積もり、前記見積もった量を、ステッピングモータにより作動するピストンを具備したマイクロシリンジでもって、前記燃料流路に注入されてなる、燃料電池発電方法の構成採用にある。
【００２２】
本発明方法の第２の特徴は、燃料電池セルに接続する燃料流路に設置された金属プローブを用いて交流インピーダンスを測定することにより、燃料の濃度を計測し、当該燃料流路に対して注入すべき燃料の量を見積もり、前記見積もった量を、インクジェットでもって、前記燃料流路に注入されてなる、燃料電池発電方法の構成採用にある。
【００２６】
本発明装置の第１の特徴は、燃料電池セルと、当該燃料電池セルの空気極に対して空気を送り込む空気供給手段と、当該燃料電池セルの燃料極に対して燃料を供給する燃料供給手段と、当該燃料供給手段と当該燃料極とを接続し燃料の循環路となる燃料流路とからなる発電装置であって、前記燃料供給手段は、燃料を密封した液体カートリッジと、当該液体カートリッジを装填するマイクロシリンジと、インクジェットでもって燃料の前記燃料流路への注入量を調整する調整手段と、により構成されてなる、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００２７】
本発明装置の第２の特徴は、燃料電池セルと、当該燃料電池セルの空気極に対して空気を送り込む空気供給手段と、当該燃料電池セルの燃料極に対して燃料を供給する燃料供給手段と、当該燃料供給手段と当該燃料極とを接続し燃料の循環路となる燃料流路とからなる発電装置であって、前記燃料供給手段は、燃料を密封した液体カートリッジと、当該液体カートリッジを装填するマイクロシリンジと、インクジェットでもって燃料の前記燃料流路への注入量を調整する調整手段と、により構成されてなる、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００２９】
本発明装置の第３の特徴は、上記本発明装置の第１の特徴における前記燃料電池セルが、マイクロマシニング技術により作製された一対のギアからなる燃料流路内の燃料を循環させるマイクロギアポンプを接続してなる、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００３０】
本発明装置の第４の特徴は、上記本発明装置の第１の特徴における前記燃料流路が、内部で生じた不要な気体を、前記調整手段により加圧されて排出する多孔性のベントフィルタを途中介在してなる、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００３１】
本発明装置の第５の特徴は、上記本発明装置の第１の特徴における前記マイクロシリンジが、前記液体カートリッジが装填されることにより開封の契機となる破封供給ノズルを具備してなる、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００３２】
本発明装置の第６の特徴は、上記本発明装置の第５の特徴における前記液体カートリッジが、前記マイクロシリンジに装填すると前記破封供給ノズルにより貫通孔となる箇所につき肉薄としてなる、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００３３】
本発明装置の第７の特徴は、上記本発明装置の第５の特徴における前記液体カートリッジが、前記マイクロシリンジに装填すると前記破封供給ノズルにより貫通される孔を具備し、内圧を大気圧以上にすることにより当該孔を内から封する小球を内蔵してなる、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００３４】
本発明装置の第８の特徴は、上記本発明装置の第１、第２、第３、第４、第５、第６又は第７の特徴における前記液体カートリッジが、前記マイクロシリンジへの装填方向に対して伸縮自在な蛇腹構造である、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００３５】
本発明装置の第９の特徴は、上記本発明装置の第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７又は第８の特徴における前記液体カートリッジが、その断面を、円、楕円、ｎ角形（ｎ≧３）、角を丸くしたｎ角形（ｎ≧３）の何れかである、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００３６】
かかる構成採用により、以下の各事項が実現可能となる。
第１に、循環する液体燃料中に挿入された２本のプローブ間に交流電圧を加え、交流インピーダンスを測定することによって、簡易な発電装置によって濃度を正確に測定することが可能となる。
【００３７】
第２に、ステッピングモータにおける回転軸の回転角度を正確に制御し、ステッピングモータの回転軸の回転角度に比例して移動するマイクロシリンジ内におけるピストンの移動量を正確に制御することにより、高濃度の液体燃料の注入量を正確に制御可能となる。またそれに関連して、ステッピングモータでもって回転軸の回転角を保持することにより、循環する液体燃料を加圧可能となる。
【００３８】
第３に、インクジェットにより液体燃料を微小量、液滴として注入するので、液体燃料の正確な濃度調節が可能となる。
【００３９】
第４に、シリコンプロセスによるマイクロマシニング技術により作成した１対の離隔噛合ギアからなるマイクロギアポンプによって液体燃料を循環させることによって、送液ポンプの小型・軽量化が可能となる。
【００４０】
第５に、循環する液体燃料を常時大気圧以上に加圧することによって、連続多孔質構造のベントフィルタにより、簡易に液体燃料中の気体を除去することが可能となる。
【００４１】
第６に、マイクロシリンジ内に液体カートリッジを装填することによって、マイクロシリンジの盲端に貫着し燃料流路に連通する破封供給ノズルによって液体カートリッジの密封が破られ、液体カートリッジ内の液体（燃料）が使用可能となる。
【００４２】
第７に、液体カートリッジの一底面には、側面及び他の底面と比べて肉簿な構造とすることにより、通常においては良好な機械的強度を保ち漏洩することなく、必要な場合にのみ（マイクロシリンジの破封供給ノズルなどにより）肉簿部分を破ることによって、液体カートリッジの液体を放出することが可能となる。
【００４３】
第８に、マイクロシリンジに設けた破封供給ノズルに対応するように、マイクロシリンジに装填される液体カートリッジに設けた孔を、内部の大気圧以上の圧力によって小球（孔より直径の大きい小球）により封止することにより、通常は内部の液体を漏洩することなく、必要な場合にはマイクロシリンジに収容しさえすれば、その小球に破封供給ノズルを介して圧力を加えることになるので、小球を孔から外して、液体カートリッジ内の液体を破封供給ノズル内に放出可能とする。
【００４４】
第９に、蛇腹構造である液体カートリッジを、外部から伸縮方向に圧力を加えることにより、液体カートリッジ内の液体の量を制御しながら外部に放出することが可能となる。またそれに関連して、液体カートリッジに圧力を加えると、液体カートリッジが蛇腹構造である故に、液体カートリッジがマイクロシリンジ内部において屈曲することはなく、液体カートリッジ内の液体を使い切ることが可能となる。
【００４５】
第１０に、液体カートリッジの断面を自由に選択することが可能となる為、マイクロシリンジの形状に対する自由度が広がり、システム設計が容易となる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明の実施の形態につき、図面を参照して説明する。
【００４７】
（装置例１）
図１は、本発明の実施の形態例である、小型燃料電池発電装置の構成の概略図である。尚、燃料はメタノール水溶液であることを前提とする。
小型燃料電池発電装置βは、固体高分子電解膜１、空気極２、燃料極３からなる燃料電池セル４と、空気極２に空気を送り込むブロア５からなる空気供給手段６と、燃料極３に燃料を供給する燃料供給手段１３とを有することにより基本的に構成される。
【００４８】
燃料供給手段１３は、マイクロシリンジ１４と、高濃度メタノールカートリッジ１５と、水カートリッジ１６と、ラックロッド１７ａ付ピストン１７と、ピニオン１８ａ付ステッピングモータ１８とにより構成され、小型燃料電池発電装置βは、燃料であるメタノール水溶液を循環させる為のマイクロギアポンプ１９と、燃料極３において発生する二酸化炭素を外部に放出するベントフィルタ２０、メタノール水溶液の濃度センサ２１と、メタノール水溶液の圧力センサ２２を接続配管している。
【００４９】
発電によリメタノール水溶液中のメタノール及び水が消費される為、マイクロギアポンプ１９によってメタノール水溶液を循環させる過程において、高濃度メタノールカートリッジ１５からの高濃度メタノールと水カートリッジ１６からの水とをメタノール水溶液に供給しメタノールの濃度を調整する。
【００５０】
また、ステッピングモータ１８により回転するピニオン１８ａとラックロッド１７ａの噛合を介してピストン１７を前進し、それぞれ高濃度メタノール及び水を加圧しながらメタノール水溶液に破封供給ノズル２６から注入することにより、メタノール水溶液が（大気圧以上に）加圧され、メタノール水溶液中に存在する二酸化炭素の気泡（不要なガズ）をベントフィルタ（連続かつ多孔性のフィルタが望ましい。）２０から外部に放出することが可能となる。
【００５１】
［濃度センサの詳細］
図２は、図１の濃度センサについて、メタノール水溶液の交流インピーダンス測定を行う金属プローブが設置されたメタノール流路の断面図である。
図３は、２本の金属ブローブの間に印加された交流電圧の周波数（１０、１００、１０００Ｈｚ）をパラメータとして、メタノール濃度とインピーダンスとの関係図である。
【００５２】
濃度センサ２１は、図２の如く、メタノール水溶液が流れるメタノール流路２３内部に、２本の金属ブローブ２４を挿入した構造である。
そして、図３の如く、メタノール濃度、インピーダンス、両者には良好な線形関係があることからすれば（尚、線形関係が必須ではなく、一対一対応の関係があればよい。）、予め使用する系におけるメタノール濃度とインピーダンスの関係を測定して両者の相関を数式化しておくことにより、簡易な装置によってメタノール濃度を正確に測定することが可能となる。
【００５３】
［マイクロギアポンプの詳細］
図４は、図１のマイクロギアポンプの断面図である。
マイクロギアポンプ１９は、その内部に一対のマイクロギア２５が離隔噛み合っている。このマイクロギア２５は、シリコンプロセスによるマイクロマシニング技術により作成することにより小型化・軽量化が可能であり、更には、ポンプ自身の構造が簡単な為メンテナンス性にも優れる。尚、図４は、図面上、上から下に向って（矢印の向き）、メタノール水溶液が循環して、向って左のマイクロギア２５が時計回り、右のマイクロギア２５が反時計回りに回転する図となっている。
【００５４】
［高濃度メタノールカートリッジ、水カートリッジの詳細］
図５は、ステッピングモータにより作動するラックロッド付ピストンを介して液体カートリッジを加圧することにより、燃料のメタノール流路への注入量を調整する調整手段（図１の高濃度メタノールカートリッジ及びマイクロシリンジなどにより構成された手段）の断面図ある。
【００５５】
マイクロシリンジ１４は盲端中央に貫着して液体流路２３の注入口２７に連通する破封供給ノズル２６を具備し、高濃度メタノールが満たされた高濃度メタノールカートリッジ１５をマイクロシリンジ１４に装填しピストン１７に押圧されることによって高濃度メタノールカートリッジ１５の密封が破られる構造となっている。
【００５６】
ラックロッド１７ａ付ピストン１７は、ピニオン１８ａ付ステッピングモータ１８によって駆動され、ステッピングモータ１８における回転軸の回転角度は外部から正確に制御可能であるから、ピニオン１８ａとラックロッド１７ａの噛合を介してピストン１７のマイクロシリンジ１４内の前進移動距離を正確に制御でき、その移動距離に応じて高濃度メタノールカートリッジ１５がその移動方向に縮み、結果として正確な量の高濃度メタノールをメタノール水溶液中に注入できる。
【００５７】
また、ステッピングモータ１８の回転軸は回転角を保持できることから、ラックロッド１７ａ付ピストン１７の位置を固定でき、結果として高濃度メタノールカートリッジ１５及びメタノール水溶液を加圧可能となる。
【００５８】
ここで、高濃度メタノールの注入口２７をピンホールにしてお＜ことにより、ラックロッド１７ａ付ピストン１７を作動させていない場合においては、高濃度メタノールのメタノール水溶液への流出をほぼ無視することができる。
尚、水カードリッジ１６についても同様である。
【００５９】
図６は、図５とは別の、ステッピングモータにより作動するピストンを介して液体カートリッジを加圧することにより、燃料のメタノール流路への注入量を調整する調整手段（高濃度メタノールカートリッジ及びマイクロシリンジなどにより構成）の断面図ある。
【００６０】
マイクロシリンジ１４の内部には、破封供給ノズル２６によって封が破られた高濃度メタノールが満たされた高濃度メタノールカートリッジ１５が装填されている。そして、ロッドピストン２９外周にギアが切られかつマイクロシリンジ１４の一側に延在するガイド溝１４ａを貫通してステッピングモータ１８により回転する円筒ウォーム２８との直交噛合で回転力をロッドピストン２９に伝達でき、それにより、高濃度メタノールカートリッジ１５の加圧を行うことができる。
【００６１】
ここで、図６の構成を図５の構成と比較しすると、ステッピングモータ１８の回転軸方向とマイクロシリンジ１４の長手方向が平行となるよう並置することにより、更なる小型化が可能となる。
尚、水カードリッジ１６についても同様である。
【００６２】
［高濃度メタノールカードリッジの詳細］
図７は、一部に肉厚の薄い箇所を有する高濃度メタノールカートリッジの断面図である。高濃度メタノールカートリッジ１５ａは、その長手側面を蛇腹構造として伸縮が可能である。
【００６３】
また、高濃度メタノールカートリッジ１５ａの端面の内、破封供給ノズル２６により亀裂を生じさせる箇所（亀裂発生箇所３０）については、肉厚を薄くし、破封供給ノズル２６によって容易に封を破ることが可能な構造となっている。尚、肉厚の簿い箇所の周囲については、破封供給ノズル２６により封を破る際にその亀裂を大きくしないように、補強する意味で強度を確保する為の十分な肉厚であることが望ましい。
【００６４】
図８は、小球によって内から封がされている高濃度メタノールカートリッジの断面図である。高濃度メタノールカートリッジ１５ｂは、その長手側面を蛇腹構造とし、伸縮が可能である。また高濃度メタノールカートリッジ１５ｂの一端面には略円状の孔３１があり、小球３２により封がされており、外部より内側に圧力を加えることにより容易に小球３２を外すことが可能となっている。尚、小球３２が不意に移動しない様に、孔３１に連続して内周面をテーパとするストッパー３３を突設する。
【００６５】
図９は、図７、８とは異なり、伸縮方向を法線方向とする面（その一面に亀裂発生箇所３４）が略長方形である高濃度メタノールカートリッジ１５ｃの斜視図である。伸縮方向を法線方向とする面の形状を、円形ではなく、略長方形とすることにより、−定体積に占めるカートリッジ１５ｃの体積の割合が向上し、装置の更なる小型化が可能となる。
尚、水カートリッジ１６についても、更に、一般に、液体カートリッジについても同様のことがいえる。
【００６６】
（装置例２）
図１０は、本発明の一実施形態である、小型燃料電池発電装置の構成の模式図である。尚、燃料はメタノール水溶液であることを前提とする。
【００６７】
小型燃料電池発電装置γは、固体高分子電解膜１、空気極２、燃料極３からなる燃料電池セル４と、空気極２に空気を送るブロア５からなる空気供給手段６と、燃料極３に燃料を供給する燃料供給手段３５を有する。
燃料供給手段３５は、マイクロシリンジ１４と、高濃度メタノールカートリッジ１５と、水カートリッジ１６と、高濃度メタノール、水を注入する為のインクジェット３６から構成される。
【００６８】
また、燃料であるメタノール水溶液を循環させる為のマイクロギアポンプ１９と、メタノール水溶液の濃度センサ２１とを、メタノール流路に介在させてある。
【００６９】
発電によリメタノール水溶液中のメタノール及び水が消費される為、マイクロギアポンプ１９によって循環する過程において、高濃度メタノールカートリッジ１５からの高濃度メタノールと、水カートリッジ１６からの水とをインクジェット３６によリそれぞれメタノール水溶液に注入し濃度の調整を行う。
【００７０】
図１１は、インクジェットでもって燃料のメタノール流路への注入量を調整する調整手段（高濃度メタノールカートリッジ及びインクジェットを用いたマクロシリンジなどにより構成）の断面図である。
【００７１】
マイクロシリンジ１４の内には、盲端中央に貫着し燃料流路２３の注入口２７と連通し途中に加熱手段３７をセットする破封供給ノズル２６などによって封が破られた高濃度メタノールの満たされた高濃度メタノールカートリッジ１５が装填されており、加熱手段（ヒータなど）３７により加熱されることにより気泡３８が発生し、気泡３８が大きくなることによって高濃度メタノールが注入口２７を介してメタノール水溶液中に注入される、インクジェットの構造となっている。
【００７２】
（方法例）
本発明の一実施形態である、燃料電池発電方法につき、前述の装置例１、２の適用を前提として説明する。
【００７３】
燃料電池発電方法は、その方法を実施するのに用いられる小型燃料電池発電装置β、γの、濃度センサ２１により、測定した交流インピーダンスに基いて、予め交流インピーダンスと濃度との相関関係から、燃料流路（前述では、メタノール流路２３）内の濃度を測定する。
【００７４】
そして、測定した濃度から、その燃料電池セル４の基準濃度となるよう、例えば、濃度センサ２１からの測定結果の入力を受け、その入力に応じて、制御信号をステッピングモータ１８又は加熱手段３７に出力する制御手段（コンピュータなど）により、自動制御を行う。
その制御信号により、発電により消費された燃料（メタノール、水）の減少分を補うように、燃料供給手段１３，３５により燃料流路２３にそれぞれ注入される。
【００７５】
その際、小型燃料電池発電装置βの燃料供給手段１３を用いる場合（図５、６）には、制御信号の伝達によりステッピングモータ１８が作動し、それにより、ピストン１７、２９が移動して、液体メタノールカートリッジ１５が加圧されて、蛇腹が縮み、結果として蛇腹が縮んだ体積分のメタノールが注入口２７からメタノール流路２３内のメタノール水溶液中に注入される。
【００７６】
その際、小型燃料電池発電装置γの燃料供給手段３５を用いる場合（図１１）、制御信号の伝達により、加熱手段３７が制御され、それにより加熱状態が変化して、注入口２７から注入される液の量を変えることで、結果として注入量をコントロールする。
【００７７】
尚、小型燃料電池発電装置β、γは、共にマイクロマシニング技術により作成された一対のギア２５からなるマイクロギアポンプ１９により、燃料流路（先の例では、メタノール流路２３）内の燃料（メタノール水溶液）が循環される。また、燃料供給手段１３により大気圧以上に加圧した状態の下において、ベントフィルタ２０により、燃料電池セル４などにおいて生じた二酸化炭素などの不要な気体を排出することにより、燃料電池セル４における発電能力の低下を阻止する。
【００７８】
尚、以上の説明においては、メタノールを燃料とするダイレクトメタノール型につき説明するものの、燃料をメタノールとする点、ダイレクトメタノール型とする点に、本発明を限定する趣旨ではない。
また、液体カートリッジ（例えば、先の、高濃度メタノールカートリッジ１５、水カートリッジ１６）の形状については、その断面が円形、楕円形、ｎ角形（ｎ≧３）、角を丸くしたｎ角形（ｎ≧３）などが挙げられる。
【００７９】
以上、本発明の実施の形態を装置例、方法例として説明したが、本発明の目的を達し、下記する効果を奏する範囲において、適宜変更して実施可能とする。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、液体燃料の濃度を交流インピーダンス測定により計測できるので、装置の軽量化、小型化を実現でき、しかも簡易な手段によって正確に濃度を計測できる。また、液体燃料の循環においてはマイクロギアポンプを用いることにより、従来の送液ポンプの小型、軽量化を実現できる。
【００８１】
更に、液体燃料を蛇腹構造のカートリッジによって供給し、液体燃料の注入をステッピングモータでもって行うことにより、液体燃料の持ち運びが容易になり、延いては、小型、軽量化された手段によって、液体燃料の注入につき正確に行うことができる。しかも、加圧しながら液体燃料を注入することができることにより、連続多孔質構造を持つベントフィルタを通して燃料中の不要な気体を容易に取り除くことができる。本発明は、以上に代表される優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態である小型燃料電池発電装置構成の概略図である。
【図２】 図１の濃度センサの断面図である。
【図３】 図１の濃度センサについてメタノール濃度とインピーダンスの関係図である。
【図４】 図１のマイクロギアポンプの断面図である。
【図５】 図１の高濃度メタノールカートリッジ及びマイクロシリンジの断面図である。
【図６】 図５とは別の、高濃度メタノールカートリッジ及びマイクロシリンジの断面図である。
【図７】 図１の高濃度メタノールカートリッジの断面図である。
【図８】 図７とは別の、高濃度メタノールカートリッジの断面図である。
【図９】 図７、８とは別の、高濃度メタノールカートリッジの斜視図である。
【図１０】 図１とは別の、小型燃料電池発電装置構成の模式図である。
【図１１】 高濃度メタノールカートリッジ及びインクジェットを用いたマクロシリンジの断面図である。
【図１２】 従来の技術の一例としての、ダイレクトメタノール型燃料電池システム装置の構成図である。
【符号の説明】
１…固体高分子電解膜
２…空気極
３…燃料極
４…燃料電池セル
５…ブロア
６…空気供給手段
７…燃料供給手段
８…メタノールタンク
９…水タンク
１０…送液ポンプ
１１…気液分離機
１２…凝縮機
１３…燃料供給手段
１４…マイクロシリンジ
１５…高濃度メタノールカートリッジ
１６…水カートリッジ
１７…ラックロッド付ピストン
１８…ピニオン付ステッピングモータ
１９…マイクロギアポンプ
２０…ベントフィルタ
２１…濃度センサ
２２…圧力センサ
２３…メタノール流路（燃料流路）
２４…金属プローブ
２５…マイクロギア
２６…破封供給ノズル
２７…注入口
２８…円筒ウォーム
２９…ロッドピストン
３０…亀裂発生箇所
３１…孔
３２…小球
３３…ストッパー
３４…亀裂発生箇所
３５…燃料供給手段
３６…インクジェット
３７…加熱手段
３８…気泡
α…ダイレクトメタノール型燃料電池システム装置
β、γ…小型燃料電池発電装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料を用いた燃料電池発電方法及びその方法の発明の実施に直接使用する小型燃料電池発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の液体燃料を用いた燃料電池システム装置について説明する。
図１２は、その一例として、メタノールを燃料とするダイレクトメタノール型燃料電池システム装置の構成図である。
【０００３】
ダイレクトメタノール型燃料電池システム装置αは、固体高分子電解膜１、空気極２、燃料極３からなる燃料電池セル４と、空気極２に空気を送り込むブロア５からなる空気供給手段６と、燃料極３に燃料を供給する燃料供給手段７とを配管結合して構成される。
【０００４】
尚、燃料供給手段７は、高濃度メタノールが蓄えられたメタノールタンク８と、メタノール水溶液を希釈する水が入った水タンク９とにより構成され、燃料であるメタノール水溶液を循環させる為の送液ポンプ１０と、燃料極３において発生する二酸化炭素を外部に放出する気液分離機１１とを循環配管に途中介在させて接続されている。
【０００５】
そして、発電によってメタノール水溶液中のメタノール及び水が消費される為、メタノール水溶液が送液ポンプ１０によって循環する過程において、メタノールタンク８からの高濃度メタノールと水タンク９からの水とをメタノール水溶液に供給して、メタノール水溶液の濃度調整を行い、メタノール水溶液の濃度を一定に保つことによって、燃料電池セル４から安定した出力が得られる。
【０００６】
尚、発電を行うことによって、空気極２では水蒸気が生成する為、この水蒸気を液化する凝縮機１２が空気極２の出口側に設けられ、凝縮機１２にて得られた水は水タンク９に供給されることにより、水の再利用を可能とする。
【０００７】
以上説明した従来技術の他に、例えば、次の、非特許文献１及び２がある。
【非特許文献１】
ＮＩＫＫＥＩ ＭＩＣＲＯＤＥＶＩＣＥＳ ２００２年４月号 第５１頁
【非特許文献２】
日経メカニカル Ｄ＆Ｍ ２００２．２．Ｎｏ５６９ 第２０頁
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の燃料電池システム装置αにおいては、システム装置の小型化及び軽量化ができないという問題があった。その主要な原因としては、次の点が挙げられる。
【０００９】
第１としては、メタノール水溶液の濃度は、液体クロマトグラフを用いて正確に計測できるものの、装置が大掛かりとなることから、結果として、システム装置の小型化、軽量化が困難である。この点、燃料電池の出力を積分することにより、消費したメタノール量を算出してメタノール水溶液の濃度を求めることも可能ではあるところ、未反応のメタノールが固体高分子電解膜１を燃料極３側から空気極２側に透過してしまう、所謂メタノールのクロスオーバ現象が起きる故に、濃度の算出を正確に行うことは困難であった。
【００１０】
第２としては、メタノールの濃度を正確に調整する為には、メタノール水溶液中に、高濃度メタノール及び水を、所要の量それぞれ注入する必要があり、これは、マイクロシリンジポンプを使用することにより可能ではあるものの、装置が大きいことから、結果として、システム装置の小型化、軽量化が困難であった。
【００１１】
第３としては、メタノール水溶液を循環させる為には液体ポンプが必要であるところ、現在広く用いられているダイアフラム式液体ポンプにあっては、偏心カム、コンロッド、ダイヤフラムなど構成部品が多く、構造が複雑であるので、システム装置の小型化、軽量化が困難であった。
【００１２】
第４としては、電極反応によって燃料極３にて発生した二酸化炭素は、気泡となってメタノール水溶液中に存在し、この気泡が燃料極３付近に滞留することにより、メタノールの供給がスムーズに行われなくなり、燃料電池セル４の発電特性を低下させるので、メタノール水溶液中の二酸化炭素の気泡を取り除く必要が生じるものの、通常液体から気体を除去する為に用いられる気液分離機１１は装置が大きいので、システム装置の小型化、軽量化が困難であった。
【００１３】
従って、本発明は、かかる欠点に鑑みてなされたものであり、本発明の解決すべき主要な目的は、次の通りである。
【００１４】
本発明の第１の目的は、発電に消費される燃料の供給形態を改善した、燃料電池発電方法及び小型燃料電池発電装置を提供することにある。
【００１５】
本発明の第２の目的は、二酸化炭素ガスによる発電能力の低下の回避を改善した、燃料電池発電方法及び小型燃料電池発電装置を提供することにある。
【００１６】
本発明の第３の目的は、液体燃料の濃度を正確に測定する為に生じるシステム装置の大型化を回避した、燃料電池発電方法及び小型燃料電池発電装置を提供することにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、明細書、図面、特に特許請求の範囲における各請求項の記載から自ずと明らかとなろう。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明方法は、上記課題の解決に当たり、▲１▼液体燃料の濃度を交流インピーダンスにより測定する、という特徴的構成手法、▲２▼燃料注入を、ステッピングモータにより作動するピストンを具備したマイクロシリンジ、又はインクジェットでもって行う、という特徴的構成手法、▲３▼マイクロマシニング技術により作成された一対のギアからなるマイクロギアポンプを用いて液体燃料を循環させる、という特徴的構成手法、▲４▼液体燃料の圧力を常時大気圧以上に加圧してベントフィルタにより、燃料電池セル内で生じた不要なガスを取り除く、という特徴的構成手法をそれぞれ講じる。
【００１９】
本発明装置は、上記課題の解決に当たり、交流インピーダンスによって液体燃料の濃度を測定する濃度センサ、液体燃料を循環させるマイクロギアポンプ、液体燃料を注入するマイクロシリンジ又はインクジェット、燃料を常に大気圧以上の加圧状態下において、発生した二酸化炭素などの不要なガスを排出するベントフィルタを具備する、という特徴的構成手段を講じる。
【００２０】
更に、具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発明が次に列挙する新規な特徴的構成手法又は手段を採用することにより、上記目的を達成するようになされる。
【００２１】
本発明方法の第１の特徴は、燃料電池セルに接続する燃料流路に設置された金属プローブを用いて交流インピーダンスを測定することにより、燃料の濃度を計測し、当該燃料流路に対して注入すべき燃料の量を見積もり、前記見積もった量を、ステッピングモータにより作動するピストンを具備したマイクロシリンジでもって、前記燃料流路に注入されてなる、燃料電池発電方法の構成採用にある。
【００２２】
本発明方法の第２の特徴は、燃料電池セルに接続する燃料流路に設置された金属プローブを用いて交流インピーダンスを測定することにより、燃料の濃度を計測し、当該燃料流路に対して注入すべき燃料の量を見積もり、前記見積もった量を、インクジェットでもって、前記燃料流路に注入されてなる、燃料電池発電方法の構成採用にある。
【００２６】
本発明装置の第１の特徴は、燃料電池セルと、当該燃料電池セルの空気極に対して空気を送り込む空気供給手段と、当該燃料電池セルの燃料極に対して燃料を供給する燃料供給手段と、当該燃料供給手段と当該燃料極とを接続し燃料の循環路となる燃料流路とからなる発電装置であって、前記燃料供給手段は、燃料を密封した液体カートリッジと、当該液体カートリッジを装填するマイクロシリンジと、インクジェットでもって燃料の前記燃料流路への注入量を調整する調整手段と、により構成されてなる、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００２７】
本発明装置の第２の特徴は、燃料電池セルと、当該燃料電池セルの空気極に対して空気を送り込む空気供給手段と、当該燃料電池セルの燃料極に対して燃料を供給する燃料供給手段と、当該燃料供給手段と当該燃料極とを接続し燃料の循環路となる燃料流路とからなる発電装置であって、前記燃料供給手段は、燃料を密封した液体カートリッジと、当該液体カートリッジを装填するマイクロシリンジと、インクジェットでもって燃料の前記燃料流路への注入量を調整する調整手段と、により構成されてなる、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００２９】
本発明装置の第３の特徴は、上記本発明装置の第１の特徴における前記燃料電池セルが、マイクロマシニング技術により作製された一対のギアからなる燃料流路内の燃料を循環させるマイクロギアポンプを接続してなる、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００３０】
本発明装置の第４の特徴は、上記本発明装置の第１の特徴における前記燃料流路が、内部で生じた不要な気体を、前記調整手段により加圧されて排出する多孔性のベントフィルタを途中介在してなる、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００３１】
本発明装置の第５の特徴は、上記本発明装置の第１の特徴における前記マイクロシリンジが、前記液体カートリッジが装填されることにより開封の契機となる破封供給ノズルを具備してなる、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００３２】
本発明装置の第６の特徴は、上記本発明装置の第５の特徴における前記液体カートリッジが、前記マイクロシリンジに装填すると前記破封供給ノズルにより貫通孔となる箇所につき肉薄としてなる、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００３３】
本発明装置の第７の特徴は、上記本発明装置の第５の特徴における前記液体カートリッジが、前記マイクロシリンジに装填すると前記破封供給ノズルにより貫通される孔を具備し、内圧を大気圧以上にすることにより当該孔を内から封する小球を内蔵してなる、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００３４】
本発明装置の第８の特徴は、上記本発明装置の第１、第２、第３、第４、第５、第６又は第７の特徴における前記液体カートリッジが、前記マイクロシリンジへの装填方向に対して伸縮自在な蛇腹構造である、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００３５】
本発明装置の第９の特徴は、上記本発明装置の第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７又は第８の特徴における前記液体カートリッジが、その断面を、円、楕円、ｎ角形（ｎ≧３）、角を丸くしたｎ角形（ｎ≧３）の何れかである、小型燃料電池発電装置の構成採用にある。
【００３６】
かかる構成採用により、以下の各事項が実現可能となる。
第１に、循環する液体燃料中に挿入された２本のプローブ間に交流電圧を加え、交流インピーダンスを測定することによって、簡易な発電装置によって濃度を正確に測定することが可能となる。
【００３７】
第２に、ステッピングモータにおける回転軸の回転角度を正確に制御し、ステッピングモータの回転軸の回転角度に比例して移動するマイクロシリンジ内におけるピストンの移動量を正確に制御することにより、高濃度の液体燃料の注入量を正確に制御可能となる。またそれに関連して、ステッピングモータでもって回転軸の回転角を保持することにより、循環する液体燃料を加圧可能となる。
【００３８】
第３に、インクジェットにより液体燃料を微小量、液滴として注入するので、液体燃料の正確な濃度調節が可能となる。
【００３９】
第４に、シリコンプロセスによるマイクロマシニング技術により作成した１対の離隔噛合ギアからなるマイクロギアポンプによって液体燃料を循環させることによって、送液ポンプの小型・軽量化が可能となる。
【００４０】
第５に、循環する液体燃料を常時大気圧以上に加圧することによって、連続多孔質構造のベントフィルタにより、簡易に液体燃料中の気体を除去することが可能となる。
【００４１】
第６に、マイクロシリンジ内に液体カートリッジを装填することによって、マイクロシリンジの盲端に貫着し燃料流路に連通する破封供給ノズルによって液体カートリッジの密封が破られ、液体カートリッジ内の液体（燃料）が使用可能となる。
【００４２】
第７に、液体カートリッジの一底面には、側面及び他の底面と比べて肉簿な構造とすることにより、通常においては良好な機械的強度を保ち漏洩することなく、必要な場合にのみ（マイクロシリンジの破封供給ノズルなどにより）肉簿部分を破ることによって、液体カートリッジの液体を放出することが可能となる。
【００４３】
第８に、マイクロシリンジに設けた破封供給ノズルに対応するように、マイクロシリンジに装填される液体カートリッジに設けた孔を、内部の大気圧以上の圧力によって小球（孔より直径の大きい小球）により封止することにより、通常は内部の液体を漏洩することなく、必要な場合にはマイクロシリンジに収容しさえすれば、その小球に破封供給ノズルを介して圧力を加えることになるので、小球を孔から外して、液体カートリッジ内の液体を破封供給ノズル内に放出可能とする。
【００４４】
第９に、蛇腹構造である液体カートリッジを、外部から伸縮方向に圧力を加えることにより、液体カートリッジ内の液体の量を制御しながら外部に放出することが可能となる。またそれに関連して、液体カートリッジに圧力を加えると、液体カートリッジが蛇腹構造である故に、液体カートリッジがマイクロシリンジ内部において屈曲することはなく、液体カートリッジ内の液体を使い切ることが可能となる。
【００４５】
第１０に、液体カートリッジの断面を自由に選択することが可能となる為、マイクロシリンジの形状に対する自由度が広がり、システム設計が容易となる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明の実施の形態につき、図面を参照して説明する。
【００４７】
（装置例１）
図１は、本発明の実施の形態例である、小型燃料電池発電装置の構成の概略図である。尚、燃料はメタノール水溶液であることを前提とする。
小型燃料電池発電装置βは、固体高分子電解膜１、空気極２、燃料極３からなる燃料電池セル４と、空気極２に空気を送り込むブロア５からなる空気供給手段６と、燃料極３に燃料を供給する燃料供給手段１３とを有することにより基本的に構成される。
【００４８】
燃料供給手段１３は、マイクロシリンジ１４と、高濃度メタノールカートリッジ１５と、水カートリッジ１６と、ラックロッド１７ａ付ピストン１７と、ピニオン１８ａ付ステッピングモータ１８とにより構成され、小型燃料電池発電装置βは、燃料であるメタノール水溶液を循環させる為のマイクロギアポンプ１９と、燃料極３において発生する二酸化炭素を外部に放出するベントフィルタ２０、メタノール水溶液の濃度センサ２１と、メタノール水溶液の圧力センサ２２を接続配管している。
【００４９】
発電によリメタノール水溶液中のメタノール及び水が消費される為、マイクロギアポンプ１９によってメタノール水溶液を循環させる過程において、高濃度メタノールカートリッジ１５からの高濃度メタノールと水カートリッジ１６からの水とをメタノール水溶液に供給しメタノールの濃度を調整する。
【００５０】
また、ステッピングモータ１８により回転するピニオン１８ａとラックロッド１７ａの噛合を介してピストン１７を前進し、それぞれ高濃度メタノール及び水を加圧しながらメタノール水溶液に破封供給ノズル２６から注入することにより、メタノール水溶液が（大気圧以上に）加圧され、メタノール水溶液中に存在する二酸化炭素の気泡（不要なガズ）をベントフィルタ（連続かつ多孔性のフィルタが望ましい。）２０から外部に放出することが可能となる。
【００５１】
［濃度センサの詳細］
図２は、図１の濃度センサについて、メタノール水溶液の交流インピーダンス測定を行う金属プローブが設置されたメタノール流路の断面図である。
図３は、２本の金属ブローブの間に印加された交流電圧の周波数（１０、１００、１０００Ｈｚ）をパラメータとして、メタノール濃度とインピーダンスとの関係図である。
【００５２】
濃度センサ２１は、図２の如く、メタノール水溶液が流れるメタノール流路２３内部に、２本の金属ブローブ２４を挿入した構造である。
そして、図３の如く、メタノール濃度、インピーダンス、両者には良好な線形関係があることからすれば（尚、線形関係が必須ではなく、一対一対応の関係があればよい。）、予め使用する系におけるメタノール濃度とインピーダンスの関係を測定して両者の相関を数式化しておくことにより、簡易な装置によってメタノール濃度を正確に測定することが可能となる。
【００５３】
［マイクロギアポンプの詳細］
図４は、図１のマイクロギアポンプの断面図である。
マイクロギアポンプ１９は、その内部に一対のマイクロギア２５が離隔噛み合っている。このマイクロギア２５は、シリコンプロセスによるマイクロマシニング技術により作成することにより小型化・軽量化が可能であり、更には、ポンプ自身の構造が簡単な為メンテナンス性にも優れる。尚、図４は、図面上、上から下に向って（矢印の向き）、メタノール水溶液が循環して、向って左のマイクロギア２５が時計回り、右のマイクロギア２５が反時計回りに回転する図となっている。
【００５４】
［高濃度メタノールカートリッジ、水カートリッジの詳細］
図５は、ステッピングモータにより作動するラックロッド付ピストンを介して液体カートリッジを加圧することにより、燃料のメタノール流路への注入量を調整する調整手段（図１の高濃度メタノールカートリッジ及びマイクロシリンジなどにより構成された手段）の断面図ある。
【００５５】
マイクロシリンジ１４は盲端中央に貫着して液体流路２３の注入口２７に連通する破封供給ノズル２６を具備し、高濃度メタノールが満たされた高濃度メタノールカートリッジ１５をマイクロシリンジ１４に装填しピストン１７に押圧されることによって高濃度メタノールカートリッジ１５の密封が破られる構造となっている。
【００５６】
ラックロッド１７ａ付ピストン１７は、ピニオン１８ａ付ステッピングモータ１８によって駆動され、ステッピングモータ１８における回転軸の回転角度は外部から正確に制御可能であるから、ピニオン１８ａとラックロッド１７ａの噛合を介してピストン１７のマイクロシリンジ１４内の前進移動距離を正確に制御でき、その移動距離に応じて高濃度メタノールカートリッジ１５がその移動方向に縮み、結果として正確な量の高濃度メタノールをメタノール水溶液中に注入できる。
【００５７】
また、ステッピングモータ１８の回転軸は回転角を保持できることから、ラックロッド１７ａ付ピストン１７の位置を固定でき、結果として高濃度メタノールカートリッジ１５及びメタノール水溶液を加圧可能となる。
【００５８】
ここで、高濃度メタノールの注入口２７をピンホールにしてお＜ことにより、ラックロッド１７ａ付ピストン１７を作動させていない場合においては、高濃度メタノールのメタノール水溶液への流出をほぼ無視することができる。
尚、水カードリッジ１６についても同様である。
【００５９】
図６は、図５とは別の、ステッピングモータにより作動するピストンを介して液体カートリッジを加圧することにより、燃料のメタノール流路への注入量を調整する調整手段（高濃度メタノールカートリッジ及びマイクロシリンジなどにより構成）の断面図ある。
【００６０】
マイクロシリンジ１４の内部には、破封供給ノズル２６によって封が破られた高濃度メタノールが満たされた高濃度メタノールカートリッジ１５が装填されている。そして、ロッドピストン２９外周にギアが切られかつマイクロシリンジ１４の一側に延在するガイド溝１４ａを貫通してステッピングモータ１８により回転する円筒ウォーム２８との直交噛合で回転力をロッドピストン２９に伝達でき、それにより、高濃度メタノールカートリッジ１５の加圧を行うことができる。
【００６１】
ここで、図６の構成を図５の構成と比較しすると、ステッピングモータ１８の回転軸方向とマイクロシリンジ１４の長手方向が平行となるよう並置することにより、更なる小型化が可能となる。
尚、水カードリッジ１６についても同様である。
【００６２】
［高濃度メタノールカードリッジの詳細］
図７は、一部に肉厚の薄い箇所を有する高濃度メタノールカートリッジの断面図である。高濃度メタノールカートリッジ１５ａは、その長手側面を蛇腹構造として伸縮が可能である。
【００６３】
また、高濃度メタノールカートリッジ１５ａの端面の内、破封供給ノズル２６により亀裂を生じさせる箇所（亀裂発生箇所３０）については、肉厚を薄くし、破封供給ノズル２６によって容易に封を破ることが可能な構造となっている。尚、肉厚の簿い箇所の周囲については、破封供給ノズル２６により封を破る際にその亀裂を大きくしないように、補強する意味で強度を確保する為の十分な肉厚であることが望ましい。
【００６４】
図８は、小球によって内から封がされている高濃度メタノールカートリッジの断面図である。高濃度メタノールカートリッジ１５ｂは、その長手側面を蛇腹構造とし、伸縮が可能である。また高濃度メタノールカートリッジ１５ｂの一端面には略円状の孔３１があり、小球３２により封がされており、外部より内側に圧力を加えることにより容易に小球３２を外すことが可能となっている。尚、小球３２が不意に移動しない様に、孔３１に連続して内周面をテーパとするストッパー３３を突設する。
【００６５】
図９は、図７、８とは異なり、伸縮方向を法線方向とする面（その一面に亀裂発生箇所３４）が略長方形である高濃度メタノールカートリッジ１５ｃの斜視図である。伸縮方向を法線方向とする面の形状を、円形ではなく、略長方形とすることにより、−定体積に占めるカートリッジ１５ｃの体積の割合が向上し、装置の更なる小型化が可能となる。
尚、水カートリッジ１６についても、更に、一般に、液体カートリッジについても同様のことがいえる。
【００６６】
（装置例２）
図１０は、本発明の一実施形態である、小型燃料電池発電装置の構成の模式図である。尚、燃料はメタノール水溶液であることを前提とする。
【００６７】
小型燃料電池発電装置γは、固体高分子電解膜１、空気極２、燃料極３からなる燃料電池セル４と、空気極２に空気を送るブロア５からなる空気供給手段６と、燃料極３に燃料を供給する燃料供給手段３５を有する。
燃料供給手段３５は、マイクロシリンジ１４と、高濃度メタノールカートリッジ１５と、水カートリッジ１６と、高濃度メタノール、水を注入する為のインクジェット３６から構成される。
【００６８】
また、燃料であるメタノール水溶液を循環させる為のマイクロギアポンプ１９と、メタノール水溶液の濃度センサ２１とを、メタノール流路に介在させてある。
【００６９】
発電によリメタノール水溶液中のメタノール及び水が消費される為、マイクロギアポンプ１９によって循環する過程において、高濃度メタノールカートリッジ１５からの高濃度メタノールと、水カートリッジ１６からの水とをインクジェット３６によリそれぞれメタノール水溶液に注入し濃度の調整を行う。
【００７０】
図１１は、インクジェットでもって燃料のメタノール流路への注入量を調整する調整手段（高濃度メタノールカートリッジ及びインクジェットを用いたマクロシリンジなどにより構成）の断面図である。
【００７１】
マイクロシリンジ１４の内には、盲端中央に貫着し燃料流路２３の注入口２７と連通し途中に加熱手段３７をセットする破封供給ノズル２６などによって封が破られた高濃度メタノールの満たされた高濃度メタノールカートリッジ１５が装填されており、加熱手段（ヒータなど）３７により加熱されることにより気泡３８が発生し、気泡３８が大きくなることによって高濃度メタノールが注入口２７を介してメタノール水溶液中に注入される、インクジェットの構造となっている。
【００７２】
（方法例）
本発明の一実施形態である、燃料電池発電方法につき、前述の装置例１、２の適用を前提として説明する。
【００７３】
燃料電池発電方法は、その方法を実施するのに用いられる小型燃料電池発電装置β、γの、濃度センサ２１により、測定した交流インピーダンスに基いて、予め交流インピーダンスと濃度との相関関係から、燃料流路（前述では、メタノール流路２３）内の濃度を測定する。
【００７４】
そして、測定した濃度から、その燃料電池セル４の基準濃度となるよう、例えば、濃度センサ２１からの測定結果の入力を受け、その入力に応じて、制御信号をステッピングモータ１８又は加熱手段３７に出力する制御手段（コンピュータなど）により、自動制御を行う。
その制御信号により、発電により消費された燃料（メタノール、水）の減少分を補うように、燃料供給手段１３，３５により燃料流路２３にそれぞれ注入される。
【００７５】
その際、小型燃料電池発電装置βの燃料供給手段１３を用いる場合（図５、６）には、制御信号の伝達によりステッピングモータ１８が作動し、それにより、ピストン１７、２９が移動して、液体メタノールカートリッジ１５が加圧されて、蛇腹が縮み、結果として蛇腹が縮んだ体積分のメタノールが注入口２７からメタノール流路２３内のメタノール水溶液中に注入される。
【００７６】
その際、小型燃料電池発電装置γの燃料供給手段３５を用いる場合（図１１）、制御信号の伝達により、加熱手段３７が制御され、それにより加熱状態が変化して、注入口２７から注入される液の量を変えることで、結果として注入量をコントロールする。
【００７７】
尚、小型燃料電池発電装置β、γは、共にマイクロマシニング技術により作成された一対のギア２５からなるマイクロギアポンプ１９により、燃料流路（先の例では、メタノール流路２３）内の燃料（メタノール水溶液）が循環される。また、燃料供給手段１３により大気圧以上に加圧した状態の下において、ベントフィルタ２０により、燃料電池セル４などにおいて生じた二酸化炭素などの不要な気体を排出することにより、燃料電池セル４における発電能力の低下を阻止する。
【００７８】
尚、以上の説明においては、メタノールを燃料とするダイレクトメタノール型につき説明するものの、燃料をメタノールとする点、ダイレクトメタノール型とする点に、本発明を限定する趣旨ではない。
また、液体カートリッジ（例えば、先の、高濃度メタノールカートリッジ１５、水カートリッジ１６）の形状については、その断面が円形、楕円形、ｎ角形（ｎ≧３）、角を丸くしたｎ角形（ｎ≧３）などが挙げられる。
【００７９】
以上、本発明の実施の形態を装置例、方法例として説明したが、本発明の目的を達し、下記する効果を奏する範囲において、適宜変更して実施可能とする。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、液体燃料の濃度を交流インピーダンス測定により計測できるので、装置の軽量化、小型化を実現でき、しかも簡易な手段によって正確に濃度を計測できる。また、液体燃料の循環においてはマイクロギアポンプを用いることにより、従来の送液ポンプの小型、軽量化を実現できる。
【００８１】
更に、液体燃料を蛇腹構造のカートリッジによって供給し、液体燃料の注入をステッピングモータでもって行うことにより、液体燃料の持ち運びが容易になり、延いては、小型、軽量化された手段によって、液体燃料の注入につき正確に行うことができる。しかも、加圧しながら液体燃料を注入することができることにより、連続多孔質構造を持つベントフィルタを通して燃料中の不要な気体を容易に取り除くことができる。本発明は、以上に代表される優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態である小型燃料電池発電装置構成の概略図である。
【図２】 図１の濃度センサの断面図である。
【図３】 図１の濃度センサについてメタノール濃度とインピーダンスの関係図である。
【図４】 図１のマイクロギアポンプの断面図である。
【図５】 図１の高濃度メタノールカートリッジ及びマイクロシリンジの断面図である。
【図６】 図５とは別の、高濃度メタノールカートリッジ及びマイクロシリンジの断面図である。
【図７】 図１の高濃度メタノールカートリッジの断面図である。
【図８】 図７とは別の、高濃度メタノールカートリッジの断面図である。
【図９】 図７、８とは別の、高濃度メタノールカートリッジの斜視図である。
【図１０】 図１とは別の、小型燃料電池発電装置構成の模式図である。
【図１１】 高濃度メタノールカートリッジ及びインクジェットを用いたマクロシリンジの断面図である。
【図１２】 従来の技術の一例としての、ダイレクトメタノール型燃料電池システム装置の構成図である。
【符号の説明】
１…固体高分子電解膜
２…空気極
３…燃料極
４…燃料電池セル
５…ブロア
６…空気供給手段
７…燃料供給手段
８…メタノールタンク
９…水タンク
１０…送液ポンプ
１１…気液分離機
１２…凝縮機
１３…燃料供給手段
１４…マイクロシリンジ
１５…高濃度メタノールカートリッジ
１６…水カートリッジ
１７…ラックロッド付ピストン
１８…ピニオン付ステッピングモータ
１９…マイクロギアポンプ
２０…ベントフィルタ
２１…濃度センサ
２２…圧力センサ
２３…メタノール流路（燃料流路）
２４…金属プローブ
２５…マイクロギア
２６…破封供給ノズル
２７…注入口
２８…円筒ウォーム
２９…ロッドピストン
３０…亀裂発生箇所
３１…孔
３２…小球
３３…ストッパー
３４…亀裂発生箇所
３５…燃料供給手段
３６…インクジェット
３７…加熱手段
３８…気泡
α…ダイレクトメタノール型燃料電池システム装置
β、γ…小型燃料電池発電装置
Claims (11)
- 燃料電池セルに接続する燃料流路に設置された金属プローブを用いて交流インピーダンスを測定することにより、燃料の濃度を計測し、当該燃料流路に対して注入すべき燃料の量を見積もり、
前記見積もった量を、ステッピングモータにより作動するピストンを具備したマイクロシリンジでもって、前記燃料流路に注入される、
ことを特徴とする燃料電池発電方法。 - 燃料電池セルに接続する燃料流路に設置された金属プローブを用いて交流インピーダンスを測定することにより、燃料の濃度を計測し、当該燃料流路に対して注入すべき燃料の量を見積もり、
前記見積もった量を、インクジェットでもって、前記燃料流路に注入される、
ことを特徴とする燃料電池発電方法。 - 燃料電池セルと、当該燃料電池セルの空気極に対して空気を送り込む空気供給手段と、当該燃料電池セルの燃料極に対して燃料を供給する燃料供給手段と、当該燃料供給手段と当該燃料極とを接続し燃料の循環路となる燃料流路とからなる発電装置であって、
前記燃料供給手段は、
燃料を密封した液体カートリッジと、
当該液体カートリッジを装填し、ステッピングモータにより作動するピストンを具備したマイクロシリンジと、
当該マイクロシリンジを介して前記液体カートリッジを加圧することにより、燃料の前記燃料流路への注入量を調整する調整手段とにより構成される、
ことを特徴とする小型燃料電池発電装置。 - 燃料電池セルと、当該燃料電池セルの空気極に対して空気を送り込む空気供給手段と、当該燃料電池セルの燃料極に対して燃料を供給する燃料供給手段と、当該燃料供給手段と当該燃料極とを接続し燃料の循環路となる燃料流路とからなる発電装置であって、
前記燃料供給手段は、
燃料を密封した液体カートリッジと、
当該液体カートリッジを装填するマイクロシリンジと、
インクジェットでもって燃料の前記燃料流路への注入量を調整する調整手段と、により構成される、
ことを特徴とする小型燃料電池発電装置。 - 前記燃料電池セルは、
マイクロマシニング技術により作製された一対のギアからなる燃料流路内の燃料を循環させるマイクロギアポンプを接続した、
ことを特徴とする請求項３に記載の小型燃料電池発電装置。 - 前記燃料流路は、
内部で生じた不要な気体を、前記調整手段により加圧されて排出する多孔性のベントフィルタを途中介在した、
ことを特徴とする請求項３に記載の小型燃料電池発電装置。 - 前記マイクロシリンジは、
前記液体カートリッジが装填されることにより開封の契機となる破封供給ノズルを具備した、
ことを特徴とする請求項３、４、５又は６に記載の小型燃料電池発電装置。 - 前記液体カートリッジは、
前記マイクロシリンジに装填すると前記破封供給ノズルにより貫通孔となる箇所につき肉薄とする、
ことを特徴とする請求項７に記載の小型燃料電池発電装置。 - 前記液体カートリッジは、
前記マイクロシリンジに装填すると前記破封供給ノズルにより貫通される孔を具備し、内圧を大気圧以上にすることにより当該孔を内から封する小球を内蔵する、
ことを特徴とする請求項７に記載の小型燃料電池発電装置。 - 前記液体カートリッジは、
前記マイクロシリンジへの装填方向に対して伸縮自在な蛇腹構造である、
ことを特徴とする請求項３、４、５、６、７、８又は９に記載の小型燃料電池発電装置。 - 前記液体カートリッジは、
その断面を、円、楕円、ｎ角形（ｎ≧３）、角を丸くしたｎ角形（ｎ≧３）の何れかである、
ことを特徴とする請求項３、４、５、６、７、８、９又は１０に記載の小型燃料電池発電装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002311790A JP4298261B2 (ja) | 2002-10-25 | 2002-10-25 | 燃料電池発電方法及び小型燃料電池発電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002311790A JP4298261B2 (ja) | 2002-10-25 | 2002-10-25 | 燃料電池発電方法及び小型燃料電池発電装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004146274A JP2004146274A (ja) | 2004-05-20 |
| JP4298261B2 true JP4298261B2 (ja) | 2009-07-15 |
Family
ID=32456904
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002311790A Expired - Fee Related JP4298261B2 (ja) | 2002-10-25 | 2002-10-25 | 燃料電池発電方法及び小型燃料電池発電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4298261B2 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004100301A1 (ja) * | 2003-05-07 | 2004-11-18 | Gs Yuasa Corporation | 直接形燃料電池システム |
| JP4680530B2 (ja) * | 2003-06-09 | 2011-05-11 | パナソニック株式会社 | 燃料電池システム |
| JP4827408B2 (ja) * | 2004-12-21 | 2011-11-30 | 三菱鉛筆株式会社 | 燃料電池用燃料貯留体及び燃料電池 |
| JP4822695B2 (ja) * | 2004-11-26 | 2011-11-24 | 三菱鉛筆株式会社 | 燃料電池 |
| JP4827400B2 (ja) * | 2004-10-28 | 2011-11-30 | 三菱鉛筆株式会社 | 燃料電池用燃料貯留体及び燃料電池 |
| JP2006079955A (ja) * | 2004-09-10 | 2006-03-23 | Casio Comput Co Ltd | 燃料電池システム及び発電用燃料容器 |
| JP4709518B2 (ja) | 2004-09-29 | 2011-06-22 | 株式会社東芝 | プロトン伝導膜及び燃料電池 |
| JP2006221828A (ja) * | 2005-02-08 | 2006-08-24 | Sony Corp | 燃料電池システム |
| JP4957012B2 (ja) * | 2006-02-21 | 2012-06-20 | カシオ計算機株式会社 | 電子機器 |
| JP2009081041A (ja) * | 2007-09-26 | 2009-04-16 | Toyo Seikan Kaisha Ltd | 燃料電池用燃料カートリッジ |
| JP5035322B2 (ja) * | 2009-11-06 | 2012-09-26 | カシオ計算機株式会社 | 燃料容器 |
-
2002
- 2002-10-25 JP JP2002311790A patent/JP4298261B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004146274A (ja) | 2004-05-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4298261B2 (ja) | 燃料電池発電方法及び小型燃料電池発電装置 | |
| US6234615B1 (en) | Ink injection method, ink injection device, and ink-jet recording apparatus provided with the same | |
| KR101974050B1 (ko) | 미세기포 발생장치 및 이를 구비한 수질개선장치 | |
| JP2000513640A (ja) | 電気化学シリンジポンプ | |
| KR20070064584A (ko) | 연료 전지 카트리지 및 연료 운반 시스템 | |
| CN102529736A (zh) | 搭载燃料电池的车辆以及液体喷射方法 | |
| CN209908877U (zh) | 一种回转油缸的驱动装置 | |
| US8201931B2 (en) | Liquid ejecting apparatus | |
| CN114288882A (zh) | 一种双罐循环式微气泡发生装置及热水器 | |
| CN112762619A (zh) | 一种起泡水发生装置及具有其的燃气热水器 | |
| US20090075128A1 (en) | Fuel cell system and method for controlling a fuel cell system | |
| CN210340394U (zh) | 脱气恒温水处理器 | |
| JPH07227424A (ja) | 流体輸送器 | |
| JP3543049B2 (ja) | 高粘度材料の吐出圧安定化装置 | |
| KR101788580B1 (ko) | 탄성력 및 삼투압을 이용한 약물주입기용 충전펌프 | |
| JP3215912B2 (ja) | ピックル液脱泡装置 | |
| KR20140043907A (ko) | 전기화학 배터리를 가진 수중 크래프트 | |
| JP4945923B2 (ja) | ガス圧入装置及びガス圧入方法 | |
| CN118556640B (zh) | 用于深渊片脚类生物保真采样系统的溶解氧补偿器及方法 | |
| DE102025105400B3 (de) | Befüllvorrichtung, anordung und verfahren | |
| JP2797423B2 (ja) | 輸液ポンプ | |
| AU2025200127B1 (en) | Device and Method for Preparing Carbon Dioxide Microemulsion | |
| CN114345166A (zh) | 一种Pickering乳液的制备装置 | |
| CN215832193U (zh) | 一种起泡水发生装置及具有其的燃气热水器 | |
| CN119280563B (zh) | 一种微泡发生器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050127 |
|
| RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7426 Effective date: 20070626 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070730 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20070807 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070904 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071105 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20071109 |
|
| RD05 | Notification of revocation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7425 Effective date: 20080418 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090414 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090415 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120424 Year of fee payment: 3 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071105 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |