(57)【要約】【課題】燃料を循環して利用しつつ、燃料濃度を適正な範囲に維持する。【解決手段】この燃料電池システムは、液体燃料の供給を受けて発電するアルカリ型燃料電池を有し、循環経路により、燃料電池から排出された排燃料を含む燃料溶液を循環供給して利用する。またこのシステムは、燃料溶液から水を分離可能な分離手段と、循環経路と分離手段とに接続する第１経路と、分離手段に接続し、分離手段において水が分離された後の燃料溶液を前記燃料電池に供給するための第２経路とを備える。更に、このシステムは、第１経路を、第１経路への前記燃料溶液の流入が可能となる開状態と、第１経路への燃料溶液の流入が禁止される閉状態とに切り替える制御手段とを備える。【選択図】図１
2010027347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料の供給を受けて発電するアルカリ型の燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排燃料を含む燃料溶液を、前記燃料電池に循環供給するための循環経路と、
前記燃料溶液から水を分離可能な分離手段と、
前記循環経路と、前記分離手段とに接続する第１経路と、
前記分離手段に接続し、前記分離手段において水が分離された後の燃料溶液を前記燃料電池に供給するための第２経路と、
前記第１経路を、前記第１経路への前記燃料溶液の流入が可能となる開状態と、前記第１経路への前記燃料溶液の流入が禁止される閉状態とに切り替える制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記循環経路の一箇所に配置され、前記燃料溶液中の燃料濃度を検出する濃度検出手段と、
前記燃料濃度が基準濃度より低いか否かを判別する濃度判別手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記燃料濃度が基準濃度よりも低いと判別された場合に、前記第１経路を前記開状態とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記分離手段は、パーベーパレーション膜を用いるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池システムに関する。更に、具体的には、液体燃料の供給を受けて発電するアルカリ型の燃料電池を用いる燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、水酸化物イオン伝導性を有するアニオン交換膜を用いたアルカリ型の燃料電池が開示されている。この燃料電池のアノードには燃料としてメタノール水溶液が供給され、カソードには水を含む大気が供給される。これによりカソードでは水と大気中の酸素とから水酸化物イオンが生成される。生成された水酸化物イオンはアニオン交換膜中を移動してアノードに到達する。アノードでは燃料中の水素原子と水酸化物イオンとが反応することで水が生成される。反応後、アノードからは、生成水、未反応の燃料、二酸化炭素等が排出される。
【０００３】
特許文献１の燃料電池システムは、このようにアノードから排出された生成水や二酸化炭素を含む燃料溶液を環流させてアノード側に供給する循環流路と、発電に使用され濃度の薄くなった燃料溶液をカソード側に環流させる循環流路とを有している。また、この燃料電池システムは、循環する燃料溶液を一旦貯留するための２つの燃料タンクを備えている。アノード側の循環流路及びカソード側の循環流路のそれぞれは両燃料タンクに接続しているが、燃料電池の運転中は、アノード側を環流する燃料溶液と、カソード側を環流する燃料溶液とが、互いに異なる一方の燃料タンクのみを通るよう、循環流路に取り付けられた複数のバルブによって、各循環流路と燃料タンクとの連通状態が調整される。
【０００４】
上記のようにアノードでは発電に伴い水が生成されるため、アノードから排出される燃料溶液は生成水によって薄められたものであり、燃料溶液の濃度は低く、溶液量は増加している。従って、アノードの循環流路が連通する燃料タンク内の液量は燃料電池の発電に伴い次第に増加し、燃料濃度は次第に低下する。
【０００５】
一方、カソード側の循環流路が連通する燃料タンク内には、アノード側で使用され濃度が低くなった燃料溶液が貯留されている。従って、この低濃度の燃料溶液がカソードの加湿に用いられて、カソードの反応に利用される。このように低濃度の燃料溶液が使用されると、カソード側では燃料タンク内の液量は次第に減少する。
【０００６】
特許文献１のシステムでは、アノード側の循環流路が連通している燃料タンク内の濃度が所定値以下に低下した場合には、バルブの切り替えにより、アノード側の循環流路と、カソード側の循環流路とがそれぞれ連通する燃料タンクを、逆に切り替える。また、この時、アノード側の循環流路が連通することとなる燃料タンクに、濃度の濃い燃料を供給する。但し、アノード側の循環流路が連通することとなる燃料タンク内の液量が多すぎる場合には、カソード側の循環流路にバルブを介して設けられたドレインから不要な燃料溶液を排出させた後に、燃料タンクの接続の切り替えが行なわれる。特許文献１によれば、２つの燃料タンクと、アノード側、カソード側の循環流路との接続を切り替えることにより、アノード側を環流する燃料の濃度は常に必要な濃度以上に維持されるとしている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２９４２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１によれば、アノード側の循環流路が連通する燃料タンク内の液量の増加と、燃料濃度の低下が抑えられるとしている。しかし、燃料溶液をカソード側に利用しようとする場合、燃料濃度を十分に低下させる必要がある。このような低濃度になるまでの間アノード側で燃料を循環利用する場合、燃料濃度が、発電に適当な濃度範囲よりも低いものとなり、アノードでの反応が停滞し、発電効率が低下することが考えられる。
【０００９】
また、上記特許文献１においては、燃料タンクの切り替え時に燃料タンク内の液量が多い場合には、所定のバルブを開くことで、燃料溶液を外部に排出する。このように燃料溶液を排出する場合、例え、燃料溶液の濃度が薄いものであっても、排出される燃料中含まれる未使用の燃料が排出されることとなる。このように燃料を排出することは、燃費向上の観点からは好ましいものではない。
【００１０】
従って、この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料の循環利用を図りつつ、燃料濃度を適正な範囲に維持することができるよう改良された燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
液体燃料の供給を受けて発電するアルカリ型の燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排燃料を含む燃料溶液を、前記燃料電池に循環供給するための循環経路と、
前記燃料溶液から水を分離可能な分離手段と、
前記循環経路と、前記分離手段とに接続する第１経路と、
前記分離手段に接続し、前記分離手段において水が分離された後の燃料溶液を前記燃料電池に供給するための第２経路と、
前記第１経路を、前記第１経路への前記燃料溶液の流入が可能となる開状態と、前記第１経路への前記燃料溶液の流入が禁止される閉状態とに切り替える制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
なお、ここで「水を分離可能」とは、燃料溶液から純水が分離される場合に限るものではなく、ある程度の不純物を含んで水が分離される場合をも含む。また、燃料溶液中のすべての水が完全に分離される場合に限るものでもなく、その量に関わらず燃料溶液中の水の一部が抽出されるものも含む。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、
前記循環経路の一箇所に配置され、前記燃料溶液中の燃料濃度を検出する濃度検出手段と、
前記燃料濃度が基準濃度より低いか否かを判別する濃度判別手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記燃料濃度が基準濃度よりも低いと判別された場合に、前記第１経路を前記開状態とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【００１４】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記分離手段は、パーベーパレーション膜を用いるものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
第１の発明によれば、循環経路の途中に、第１経路、第２経路を介して分離手段が設けられ、第１経路への燃料溶液の流入が可能となる開状態と、第１経路への燃料溶液の流入が禁止される閉状態とを切り替えることができる。これにより、第１経路から分離手段に燃料溶液を導入して、燃料溶液中の水を分離する脱水処理を、必要な場合に実行することができ、燃料溶液の燃料濃度を適正な濃度範囲に維持することができる。
【００１６】
第２の発明によれば、燃料溶液の燃料濃度が基準濃度より低いと判別された場合に、第１経路を開状態とする。これにより、燃料濃度が低い場合に、分離手段により燃料溶液中の水を分離して、燃料溶液の燃料濃度を高くすることができる。従って、燃料溶液が過剰に高濃度となったり、低濃度となったりすることを抑制し、燃料濃度を適正な範囲に維持することができる。これにより、燃料の高濃度化によるクロスオーバーの増加や、燃料の低濃度化による発電効率の低下を抑えることができる。また、分離手段による分離能力は、温度や経時的な性能の変化によって左右する。しかしながら、燃料濃度を検出し、これに応じて必要な場合に分離手段を用いることとすれば、燃料濃度を適正な濃度に維持することができる。
【００１７】
第３の発明によれば、分離手段としてパーベーパレーション膜を用いられる。これにより、より確実に液体燃料から水分を除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００１９】
実施の形態．
図１及び図２は、この発明の実施の形態の燃料電池システムについて説明するための模式図である。図１は、積層方向に平行な断面を表している。図１の燃料電池システムは例えば車両等の移動体に搭載して用いることができる。図１に示す燃料電池システムは、陰イオンを伝導体とするアルカリ型燃料電池２を有している。燃料電池２は固体高分子電解質膜であるアニオン交換膜（電解質膜）と、その両側にそれぞれ配置されたアノード極とカソード極とからなる膜−電極接合体（ＭＥＡ）４が、セパレータ６を介して複数積層されたスタック８を有している。スタック８の積層方向両外側には、集電板１０が配置されている。集電板１０は、燃料電池２外部に形成された外部回路１２に接続している。集電板１０の外側には絶縁膜を介してエンドプレート１４が配置されている。
【００２０】
スタック８を貫通して、燃料供給マニホールド１６及び燃料排出マニホールド１８が形成されている。燃料供給マニホールド１６には、両側のエンドプレート１４それぞれの一部を貫通するオリフィス２０が接続している。オリフィス２０は、燃料供給マニホールド１６との接続部とは反対側の端部において、燃料電池２上部に形成された燃料タンク２２に接続している。燃料タンク２２には高濃度の燃料が貯蔵されている。
【００２１】
燃料供給マニホールド１６及び燃料排出マニホールド１８は、一方のエンドプレート１４に形成された燃料導入口、燃料排出口において、それぞれ燃料循環経路３０（循環経路）に接続している。具体的に、燃料循環経路３０は、燃料排出マニホールド１８に接続する燃料排出経路３２と、燃料排出経路３２に接続する燃料循環ポンプ３４と、燃料循環ポンプ３４に接続する燃料経路３６と、燃料経路３６に接続し、燃料供給マニホールド１６に接続する燃料供給経路３８とにより構成されている。
【００２２】
燃料経路３６の途中には、燃料の濃度に応じた出力を発する濃度センサ４０が取り付けられている。燃料経路３６と燃料供給経路３８との集合部には第１バイパス経路４２（第１経路）が集合して接続し、この集合部に三方弁４４が取り付けられている。三方弁４４は、燃料経路３６と、燃料供給経路３８又は第１バイパス経路４２との連通状態を切り替える弁である。
【００２３】
第１バイパス経路４２の燃料供給経路３８に接続する側とは反対側は、分離器５０（分離手段）に接続している。分離器５０には第２バイパス経路５２（第２経路）が接続している。第２バイパス経路５２は、分離器５０との接続側とは反対側において、燃料供給経路３８の一箇所に接続している。分離器５０には真空ポンプ５４が取り付けられている。また、分離器５０には、排水経路５６が接続している。
【００２４】
図１の燃料電池システムは制御装置６０を有している。制御装置６０は各種センサ等からの信号の入力を受けて燃料電池２の運転に関し必要な情報を検出すると共に、制御信号を発し必要な制御を行なう。具体的に、制御装置６０は、例えば濃度センサ４０等に電気的に接続し、濃度センサ４０からの出力信号が入力を受けて、燃料濃度を検出することができる。また、三方弁４４、燃料循環ポンプ３４、真空ポンプ５４に電気的に接続し、これらに所定の制御信号を出力し、三方弁４４の切り替え、各ポンプ３４、５４等のＯＮ/ＯＦＦを制御する。
【００２５】
図２は、燃料電池２の一方のエンドプレート１４側の正面を表している。図２を参照して、燃料電池２の側面には空冷ファン６２が設置されている。空冷ファン６２により、燃料電池２は所定の運転温度範囲に冷却される。
【００２６】
図３は、この実施の形態の燃料電池システムの分離器５０について説明するための模式図である。分離器５０内には分離膜６４が配置され、分離器５０内は、第１空間５０ａ、第２空間５０ｂに仕切られている。第１空間５０ａには、第１バイパス経路４２と第２バイパス経路５２とが接続している。一方、第２空間５０ｂには、真空ポンプ５４と水を排出するための排水経路５６が接続している。
【００２７】
ここで、分離膜６４は、パーベーパレーション膜であり、水を選択的に透過する膜である。具体的に分離膜６４としては、例えば、複合ポリビニルアルコール、ポリイミド膜、キトサン膜、ゼオライト膜等を用いることができる。なお、分離膜６４が透過させる「水」には多少の不純物が含まれる場合を含めるものとする。
【００２８】
図４は、この発明の実施の形態１の燃料電池システムの動作を説明するため、図１の燃料電池システムを模式的に表した図である。以下、図４を用いて、この燃料電池システムの動作について説明する。このシステムにおいては、空気が酸化ガスとして用いられる。具体的に、外部から取り込まれた空気は、空気供給マニホールド（図示せず）を介して各セパレータに形成された空気流路を流通し（図２の矢印Ａ参照）、カソードに供給される。カソードから排出される未反応の酸素を含む空気オフガスは、空気排出マニホールドを介して、空気排出経路から外部に排出される。
【００２９】
一方、燃料としては例えばエタノールが用いられる。燃料は、ＭＥＡ４のアノードに供給され、アノードでの反応に用いられる。燃料電池２の運転中アノードから排出される未反応の燃料や生成物等を含む排燃料は燃料排出マニホールド１８を介して、燃料排出経路３２に排出される。
【００３０】
ここで排燃料を含む燃料溶液の流れは、三方弁４４によって切り替えられる。具体的に、三方弁４４の切り替えによって、燃料経路３６から燃料供給経路３８側に燃料溶液が流通し、第１バイパス経路４２への燃料溶液の流入が禁止される状態（閉状態）と、燃料経路３６から燃料供給経路３８側への燃料溶液の流入が禁止され、第１バイパス経路４２に燃料溶液の流入が可能な状態（開状態）とが切り替えられる。
【００３１】
通常は、第１バイパス経路４２は閉状態となっており、第１バイパス経路４２への燃料溶液の流入が禁止されている。従って、燃料溶液は燃料循環経路３０を流れる。すなわち、燃料溶液は、燃料排出経路３２、燃料経路３６、燃料供給経路３８を通って、燃料電池２に供給される。
【００３２】
このような燃料電池２の運転中、アノードに供給された燃料は、アノードの電極触媒の機能により分解されて水素原子となり、アニオン交換膜を通過した水酸化物イオン（ＯＨ−）とが反応して水（Ｈ２Ｏ）が生成される。このとき放出される電子は集電板１０から外部回路１２を通過してカソード側の集電板１０に移動する。アノードに燃料としてエタノールが供給されて、これが分解される場合には、結果的に、アノードでは次式（１）に示す反応が起きる。
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ＋１２ＯＨ−  →  ９Ｈ２Ｏ＋２ＣＯ２＋１２ｅ−  ・・・（１）
【００３３】
一方、カソードに大気が供給されると、大気中の酸素分子（Ｏ２）はカソードの電極触媒の機能により、いくつかの段階を経て電子を受け取り、その結果、水酸化物イオンが生成される。水酸化物イオンはアニオン交換膜を通過してアノード側に移動する。カソードでの反応は、次式（２）のようになる。
１/２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  ２ＯＨ−        ・・・・（２）
【００３４】
以上のようなアノードとカソードにおける反応をまとめると、燃料電池２全体では次式（３）のように水の生成反応が起き、電子は外部回路１２を介して両極側の集電板１０間を移動する過程で回路の負荷に対して仕事を行い、これによりエネルギーが取り出されることとなる。
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ＋３Ｏ２→  ３Ｈ２Ｏ＋２ＣＯ２      ・・・・（３）
【００３５】
上記のように，燃料電池２の発電中の電気化学反応において、式（１）に示すようにアノードでは水が生成される。生成された水の一部がアニオン交換膜中を拡散してカソード側に供給されるが、多くは、未反応の燃料と共に排燃料として排出される。つまり、燃料電池２から排出される排燃料には、未使用の燃料の他に、多くの水が含まれることになる。従って、排燃料をそのまま燃料循環経路３０に排出し、燃料溶液として循環利用して燃料電池２の運転を続けると、燃料溶液の燃料濃度は生成水によって次第に低下することとなる。また式（１）に示すように、1[mol]のエタノールの消費に対して、アノードでは9[mol]の水が生成されるため、その一部がカソード側に拡散したとしても、循環する燃料溶液の体積は次第に増加すると考えられる。
【００３６】
従って、この実施の形態の燃料電池システムでは、燃料溶液の燃料濃度が低下した時に、分離器５０を用いた脱水処理を行なう。脱水処理を行なう際には、三方弁４４が切り替えられ、燃料溶液は、図４の点線のルートＢを通過する。
【００３７】
具体的に、三方弁４４の切り替えによって、燃料溶液は、燃料経路３６から第１バイパス経路４２に流入し、第１バイパス経路４２から分離器５０の第１空間５０ａに導入される。このとき真空ポンプ５４がＯＮとされると、真空ポンプ５４の吸引によって、第１空間５０ａ内の燃料溶液中の水が分離膜６４を通過して、第２空間５０ｂに移動する。
【００３８】
この脱水により、第１空間５０ａ内に残る燃料溶液は、発電に適正な濃度範囲内で、ある程度高い濃度にまで濃縮される。濃縮された燃料溶液は、第１空間５０ａから第２バイパス経路５２を通って燃料供給経路３８内に合流し、燃料供給経路３８内の燃料溶液と混合して燃料電池２に供給される。また、ここで、脱水により燃料溶液の体積が減少した場合、オリフィス２０を介して燃料タンク２２から高濃度燃料が燃料供給マニホールド１６内に流入する。一方、燃料溶液から除去された水は、第２空間５０ｂに接続する排水経路５６から外部に排出される。
【００３９】
このような脱水処理により、燃料溶液の濃度を適正な範囲に維持することができる。また、燃料溶液の体積を減少させることができるため、燃料溶液の体積が過剰に増大するのを抑えることができる。
【００４０】
この実施の形態では、燃料電池２が適正に発電できる濃度範囲、かつ、分離器５０による脱水処理が完了するまで適正な濃度範囲を維持して運転を継続できる濃度範囲の下限値付近の値を実験等により求めて、この値を、第１バイパス経路４２を開状態とする三方弁４４の切り替えのタイミングを判断するための濃度Ａ（基準濃度）として設定する。この濃度Ａは予め、制御装置６０に記憶し、検出される燃料濃度が濃度Ａを下回った場合に、三方弁４４を切り替え、第１バイパス経路４２を開状態とする。
【００４１】
また、燃料電池２が適正に発電できる濃度範囲内、かつ、燃料循環経路３０により燃料溶液を循環してある程度燃料電池２の発電を継続しても、適正な濃度範囲を維持できると考えられる濃度範囲の上限値付近の値を実験等により求めて、この値を、第１バイパス経路４２を閉状態とする三方弁４４の切り替えのタイミングを判断する濃度Ｂとして設定する。この濃度Ｂは、予め制御装置６０に記憶し、検出される燃料濃度が濃度Ｂを上回った場合に、三方弁４４を切り替え、脱水処理を完了して第１バイパス経路４２を閉状態とする。このような判断の基準値となる濃度Ａ、Ｂは、燃料電池２の性能や、必要な出力、用いる燃料等に応じて適宜決定される値である。
【００４２】
図５は、この発明の実施の形態において制御装置６０が実行するルーチンについて説明するためのフローチャートである。図５のルーチンは、一定時間ごとに繰り返し実行されるルーチンである。図５のルーチンにおいて、まず燃料電池２が運転中であるか否かが判別される（Ｓ１２）。燃料電池２の運転中であることが認められない場合は、今回の処理は終了する。
【００４３】
一方、燃料電池２が運転中であることが認められると、次にフラグがＯＦＦとなっているか否かが判別される（Ｓ１４）。ここでフラグは、後述する処理において、燃料溶液の濃度が低くなって燃料溶液の脱水処理を行なっている間、ＯＮとされるフラグである。
【００４４】
ステップＳ１４において、フラグ＝ＯＦＦであることが認められた場合、次に、燃料循環経路３０中の燃料溶液の燃料濃度が検出される（Ｓ１６）。燃料濃度は、燃料経路３６に取り付けられた濃度センサ４０の出力に応じて、制御装置６０にて検出される。
【００４５】
次に、ステップＳ１６において検出された燃料濃度が、濃度Ａより低いか否かが判別される（Ｓ１８）。濃度Ａは、予め制御装置６０に記憶されている。燃料濃度＜濃度Ａの成立が認められない場合には、現在燃料循環経路３０中を環流している燃料溶液により発電を継続できると判断される。従って、今回の処理は終了する。
【００４６】
一方、ステップＳ１８において、燃料濃度＜濃度Ａの成立が認められた場合、次に、フラグがＯＮとされる（Ｓ２０）。フラグは、上述したように、燃料濃度が低下し、脱水処理を行なっている間、ＯＮとされるフラグである。
【００４７】
次に、ステップＳ２２において、三方弁４４が切り替えられる（Ｓ２２）。三方弁４４は制御装置６０からの信号を受けて切り替えられる。その結果、燃料経路３６と第１バイパス経路４２が流通状態となり、燃料経路３６から、燃料溶液が第１バイパス経路４２を通って分離器５０の第１空間５０ａ内に導入される。
【００４８】
次に、真空ポンプ５４が駆動される（Ｓ２４）。真空ポンプ５４は制御装置６０からの制御信号を受けて駆動される。これにより、分離器５０内に流入した燃料溶液から、分離膜６４を介する第２空間５０ｂ側に水が分離される。分離された水は排水経路５６から排出される。水分がある程度除去された、第１空間５０ａに残留する燃料溶液は、第２バイパス経路５２を通って、燃料供給経路３８に合流し、燃料電池２内に供給される。
【００４９】
次に、燃料溶液の燃料濃度が検出される（Ｓ２６）。燃料濃度は、燃料経路３６に設けられた濃度センサ４０の出力を受けて制御装置６０において検出される。次に、ステップＳ２６において検出された燃料濃度が、濃度Ｂより大きいか否かが判別される（Ｓ２８）。濃度Ｂは予め制御装置６０に記憶された値である。
【００５０】
ステップＳ２６において、燃料濃度＞濃度Ｂであることが認められない場合、第１バイパス経路４２を開状態かつ真空ポンプ５４がＯＮとされた状態のまま、今回の処理は一旦終了する。その後、再び、このルーチンが実行されると、ステップＳ１４において、フラグ＝ＯＦＦの成立が認められず、次に、燃料濃度が検出され（Ｓ２６）、燃料濃度＞濃度Ｂが成立するか否かが判別される（Ｓ２８）。このように、ステップＳ２８において燃料濃度＞濃度Ｂの成立が認められるまでは、第１バイパス経路４２が開状態、真空ポンプ５４がＯＮとされた状態とされ、燃料溶液の脱水処理が続けられる。
【００５１】
一方、ステップＳ２８において、燃料濃度＞濃度Ｂであることが認められた場合、これ以上の脱水処理は不要であるため、まず、真空ポンプ５４が停止される（Ｓ３０）。真空ポンプ５４は制御装置６０からの制御信号により停止する。
【００５２】
次に、三方弁４４が切り替えられる（Ｓ３２）。三方弁４４は、制御装置６０からの制御信号により切り替えられる。その結果、第１バイパス経路４２は閉状態、即ち、燃料経路３６から第１バイパス経路４２へは燃料溶液が流通しない状態となり、脱水処理が終了する。即ち、燃料溶液は分離器５０をバイパスし、燃料経路３６から燃料供給経路３８に流通する状態となる。その後、フラグがＯＦＦとされ（Ｓ３４）、今回の処理は終了する。
【００５３】
以上説明したように、この発明の実施の形態によれば、燃料溶液から水を分離することができるため燃料濃度の低下を抑えて燃料を循環利用することができる。また、この実施の形態によれば、分離器５０に燃料溶液を導入する第１バイパス経路４２に三方弁４４が設けられている。これによりこの三方弁４４を切り替えて第１バイパス経路４２を開状態とした場合にのみ、燃料溶液を分離器５０に導入することができる。従って、燃料濃度が所定の濃度範囲以下（実施の形態では濃度Ａを下回った場合）にのみ、燃料溶液から水を分離する脱水処理を行なうことができる。このように必要と判断される場合にのみ分離器５０を通過させるようにすることで、常に燃料溶液の脱水処理を行なうことにより燃料が過剰に高濃度となる事態を避けることができ、燃料濃度を適正な範囲に維持することができると共に、真空ポンプ５４等、分離器５０の運転に必要な電力を低減することができ、燃費の向上を図ることができる。
【００５４】
なお、この実施の形態では、三方弁４４により、第１バイパス経路４２を開状態とした場合には、燃料経路３６から燃料供給経路３８へは燃料溶液が流入しない状態、即ち、全燃料溶液が分離器５０を通過する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、第１バイパス経路４２を介して分離器５０に燃料溶液が流入する状態と流入が禁止される状態とを切り替えることができるものであればよい。従って、三方弁４４を設けたものに限るものではなく、例えば、第１バイパス経路４２に、開閉可能な弁を設けて、ある濃度にまで低下した場合に、一部の燃料を分離器５０に導入するものとしてもよい。
【００５５】
また、この実施の形態では、分離器５０において脱水処理された燃料溶液を、第２バイパス経路５２によって、燃料供給経路３８に流入させる構造について説明した。しかし、この発明は、これに限るものではなく、脱水処理された燃料溶液が再び燃料電池２に供給されるものであればよい。従って、例えば、分離器５０と燃料供給マニホールド１６とを直接つなぐ経路を設けて、脱水処理後の燃料溶液を燃料供給マニホールド１６に直接導入する構造としてもよい。また、例えば、分離器５０と燃料タンク２２とを直接つなぐ経路を設けて、脱水処理後の燃料溶液を、燃料タンク２２に一旦貯留する構造としてもよい。
【００５６】
また、この実施の形態では、燃料濃度を検出し、燃料濃度が判断の基準となる濃度Ａより低い場合に、分離器５０による脱水処理を行なう場合について説明した。しかし、この発明は、これに限るものではない。例えば、燃料電池２の負荷や時間を検出することで、ある程度の燃料濃度の低下を予測することができる。従って、燃料電池２の負荷や時間等、他のパラメータにより三方弁４４の切り替えのタイミングを判断して脱水処理を行なうこととしてもよい。
【００５７】
また、この実施の形態では、分離膜６４として水を選択的に透過するパーベーパレーション膜を用いて、燃料溶液から水を分離する場合について説明した。しかしこの発明はこれに限るものではなく、燃料を選択的に透過するパーベーパレーション膜を用いて、燃料を分離するものであってもよい。このような膜としては、例えば、シリコンゴム、トリメチルシリルプロピレン、ゼオライト、ハイシリカゼオライト、ハイシリカゼオライト混入シリコンゴム等を用いることができる。
【００５８】
また、この発明は分離手段として、パーベーパレーション膜による分離器５０を用いる場合に限らず、他の分離手段を用いるものであってもよい。例えば、他の分離手段としては、例えば分子ふるい膜を用いて燃料と水とを分離するものなどが考えられる。このように他の分離手段を用いる場合にも、必要な場合にのみ分離手段を経由するようにすることで、燃料溶液を適正な濃度範囲に維持することができると共に、分離手段の運転のための消費電力を低減することができる。
【００５９】
また、実施の形態では、燃料としてエタノールを用いる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではない。この発明は、分離器５０により、燃料溶液から水を除去することができるため、アノード側で水が生成されるアルカリ型燃料電池に用いられる、液体燃料に特に有効である。他の液体燃料としては、メタノール、プロパン、ブタン、プロパノール、ブタノール、エチレングリコール、ジメチルエーテル、アンモニア、ヒドラジンなど、沸点が１００℃程度の常温で液体のものか、あるいはある程度減圧した状態で常温で液体となる燃料を用いることができる。
【００６０】
また、この実施の形態では、燃料溶液の体積が減少した場合に、燃料電池２の上部に設置された燃料タンク２２から、オリフィス２０を介して、燃料供給マニホールド１６内に高濃度燃料が直接供給される構成について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、例えば、他の位置に燃料タンクを有し、燃料循環経路３０の一部に燃料が供給されるようにしてもよい。また、例えば、発電に適正な濃度範囲に調整した燃料を貯留する燃料タンクを、燃料循環経路３０の途中に直接設置するものであってもよい。
【００６１】
また、この実施の形態では、分離器５０において除去された水をそのまま外部に放出する場合について説明した。しかし、この発明は、これに限るものではなく、例えば分離した水をカソード側に導入してその加湿に用いるものであってもよい。
【００６２】
また、その他の部分においても、実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００６３】
なお、図５のルーチンにおいて、ステップＳ２２又はステップＳ３２が実行されることで、この発明の「制御手段」が実現し、ステップＳ１６が実行されることで「濃度検出手段」が実現し、ステップＳ１８が実行されることで「濃度判別手段」が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】この発明の実施の形態の燃料電池システムの構成について説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態の燃料電池システムの構成について説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態の燃料電池システムで用いられる分離器について説明するための模式図である。
【図４】この発明の実施の形態の燃料電池システムの運転時の動作について説明するための模式図である。
【図５】この発明の実施の形態において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するための図である。
【符号の説明】
【００６５】
２  燃料電池
２２  燃料タンク
３０  燃料循環経路
３２  燃料排出経路
３４  燃料循環ポンプ
３６  燃料経路
３８  燃料供給経路
４０  濃度センサ
４２  第１バイパス経路
４４  三方弁
５０  分離器
５２  第２バイパス経路
５４  真空ポンプ
５６  排水経路
６０  制御装置
６４  分離膜
５０ａ  第１空間
５０ｂ  第２空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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