(57)【要約】【課題】簡便な構成で液体燃料の希釈水を確保できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料極１５３及び空気極１５４を有する燃料電池１５と、前記燃料極へ供給する液体燃料を貯蔵する燃料タンク１１１と、雨水又は雪水を捕集する捕集タンク１３０と、前記捕集タンクの水を前記燃料タンクへ供給する供給手段１３３，１３４と、を少なくとも備える【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極及び空気極を有する燃料電池と、
前記燃料極へ供給する液体燃料を貯蔵する燃料タンクと、
雨水又は雪水を捕集する捕集タンクと、
前記捕集タンクの水を前記燃料タンクへ供給する供給手段と、を少なくとも備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記雨水又は前記雪水が前記捕集タンクに流入する流路の、前記捕集タンクの上流側に、前記燃料極に対して触媒毒となる成分を除去するフィルタが設けられている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記供給手段による前記捕集タンクの水の供給を制御する制御手段と、
前記燃料タンク内の液体燃料の容量が許容下限量に達したことを検出する下限検出手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記下限検出手段により前記液体燃料の容量が前記許容下限量に達したことを検出した場合に、前記供給手段により前記捕集タンクの水を前記燃料タンクに供給する制御を実行する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記供給手段による前記捕集タンクの水の供給を制御する制御手段と、
前記燃料タンク内の液体燃料の容量が許容上限量に達したことを検出する上限検出手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記上限検出手段により前記液体燃料の容量が前記許容上限量に達したことを検出した場合に、前記供給手段により前記捕集タンクから前記燃料タンクに供給する水の量を低下させる制御を実行する請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記空気極から排出された気液混合ガスが通過する冷却器と、
前記冷却器を通過した気液混合ガスから液体を分離する気液分離手段と、
前記空気極から前記冷却器及び前記気液分離手段を介して前記燃料タンクへ導かれる流路と、を有し、
前記気液分離手段で分離された液体を前記燃料タンクへ回収する回収手段をさらに備える請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池、前記燃料タンク及び前記捕集タンクを少なくとも収納する筐体をさらに備え、
前記筐体の天板に、傾斜面と、前記雨水又は前記雪水を集約する開口部と、が形成されている請求項１〜５のいずれか一項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】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
メタノールを燃料として発電するダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）において、空気極から排出される水分をラジエータで凝縮してタンクに貯蔵し、燃料タンクに貯蔵された液体燃料の濃度に応じて、前記タンクからの水の供給をＯＮ／ＯＦＦするものが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−２４９２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術のように空気極から排出される水分をラジエータで凝縮して液体燃料の濃度を調節する構成では、たとえば外気温度が高い場合などは、ラジエータにおける冷却能力が不十分となり、必要とされる量の凝縮水が得られないという問題がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、簡便な構成で液体燃料の希釈水を確保できる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料極及び空気極を有する燃料電池と、前記燃料極へ供給する液体燃料を貯蔵する燃料タンクと、雨水又は雪水を捕集する捕集タンクと、前記捕集タンクの水を前記燃料タンクへ供給する供給手段と、を少なくとも備える燃料電池システムによって上記課題を解決する。
【０００７】
本発明において、前記雨水又は前記雪水が前記捕集タンクに流入する流路の、前記捕集タンクの上流側に、前記燃料極に対して触媒毒となる成分を除去するフィルタを設けることができる。
【０００８】
本発明において、前記供給手段による前記捕集タンクの水の供給を制御する制御手段と、前記燃料タンク内の液体燃料の容量が許容下限量に達したことを検出する下限検出手段と、をさらに備え、前記制御手段は、前記下限検出手段により前記液体燃料の容量が前記許容下限量に達したことを検出した場合に、前記供給手段により前記捕集タンクの水を前記燃料タンクに供給する制御を実行するように構成することができる。
【０００９】
本発明において、前記供給手段による前記捕集タンクの水の供給を制御する制御手段と、前記燃料タンク内の液体燃料の容量が許容上限量に達したことを検出する上限検出手段と、をさらに備え、前記制御手段は、前記上限検出手段により前記液体燃料の容量が前記許容上限量に達したことを検出した場合に、前記供給手段により前記捕集タンクの水を前記燃料タンクに供給しない制御を実行するように構成することができる。
【００１０】
本発明において、前記空気極から排出した気液混合ガスが通過する冷却器と、前記冷却器を通過した気液混合ガスから液体を分離する気液分離手段と、前記空気極から前記冷却器及び前記気液分離手段を介して前記燃料タンクへ導かれる流路と、を有し、前記気液分離手段で分離された液体を前記燃料タンクへ回収する回収手段をさらに備えることができる。
【００１１】
本発明において、前記燃料電池、前記燃料タンク及び前記捕集タンクを少なくとも収納する筐体をさらに備え、前記筐体の天板に、鉛直下向きの傾斜面と、前記雨水又は前記雪水を集約する開口部と、を形成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、雨水又は雪水を捕集する捕集タンクと、前記捕集タンクの水を燃料タンクへ供給する供給手段を備えるので、簡便な構成で液体燃料の希釈水を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２Ａ】本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示す、一部を破断した外観斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示すフィルタの一例を示す断面図である。
【図３】図１の制御装置におけるデータ処理手順を示すフローチャートである。
【図４】図３のステップＳＴ４において燃料タンクの液面が下限値未満である場合のサブルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システム１は、メタノールを燃料として発電するダイレクトメタノール型燃料電池システムであり、図１に示すように、燃料供給装置１１と、制御装置１４と、燃料電池１５と、筐体１６とを備える。以下、図１を参照して、それぞれの構成について説明する。
【００１５】
ダイレクトメタノール型燃料電池システムに使用される燃料電池１５は、固体高分子型燃料電池であり、膜電極接合体（MEA：Membrane-electrode assembly）１５１と、膜電極接合体１５１を挟む板状のアノードセパレータ１５５およびカソードセパレータ１５６を備える。膜電極接合体１５１は、水素イオン（陽イオン）伝導性を有する略矩形の高分子電解質膜１５２と、略矩形のアノード触媒層１５３と、カソード触媒層１５４を含み、さらに図示は省略するが、略矩形のアノードガス拡散層とカソードガス拡散層を含む。アノード触媒層１５３とアノードガス拡散層がアノード（燃料極）を構成し、カソード触媒層１５４とカソードガス拡散層がカソード（空気極）を構成する。
【００１６】
高分子電解質膜１５２としては、特に限定されるものではなく、通常の高分子電解質形燃料電池に搭載される高分子電解質膜を使用することができる。例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなる高分子電解質膜（例えば、米国DuPont社製のNafion（商品名）、旭化成（株）製のAciplex（商品名）、ジャパンゴアテックス（株）製のＧＳIIなど）を使用することができる。アノード触媒層１５３およびカソード触媒層１５４は、例えば白金系の金属触媒などの電極触媒と、当該電極触媒を担持する導電性炭素粒子（カーボン粉末）と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とで構成されている。
【００１７】
アノード触媒層１５３およびカソード触媒層１５４における担体である導電性炭素粒子としては、導電性を有する細孔の発達したカーボン材料を用いるのが好ましく、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバーおよびカーボンチューブなどを使用することができる。カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラックおよびアセチレンブラックなどが挙げられる。また、活性炭は、種々の炭素原子を含む材料を炭化処理および賦活処理することによって得ることができる。
【００１８】
アノード触媒層１５３およびカソード触媒層１５４における電極触媒としては、白金または白金合金を用いるのが好ましい。白金合金としては、白金以外の白金族の金属（ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム）、鉄、チタン、金、銀、クロム、マンガン、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ケイ素、レニウム、亜鉛およびスズからなる群より選択される１種以上の金属と、白金との合金であるのが好ましい。また、上記白金合金には、白金と上記金属との金属間化合物が含有されていてもよい。さらに、白金からなる電極触媒と白金合金からなる電極触媒を混合して得られる電極触媒混合物を用いてもよく、アノード側とカソード側に同じ電極触媒を用いても異なる電極触媒を用いてもよい。
【００１９】
アノード触媒層１５３およびカソード触媒層１５４の外側に配置されるアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層（いずれも図示を省略する）としては、当該分野において公知の種々のガス拡散層を用いることができる。これらのガス拡散層を構成する基材としては、ガス透過性を持たせるために、発達したストラクチャー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、導電性多孔質基材を用いることができる。また、排水性を向上させるために、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）などのフッ素樹脂を代表とする撥水性材料（高分子）を上記基材の内部に分散させて、上記基材は撥水処理を施されていてもよい。さらに、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維またはカーボン微粉末などの電子伝導性材料で上記基材を構成してもよい。なお、カソード側およびアノード側において同じガス拡散層を用いても異なるガス拡散層を用いてもよい。
【００２０】
一対のアノードセパレータ１５５およびカソードセパレータ１５６は、膜電極接合体１５１の外側に配置されて、膜電極接合体１５１を機械的に固定するための部材である。アノードセパレータ１５５のうちの膜電極接合体１５１と接触する面には、アノードに燃料であるメタノールを供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質を反応場から外部に排出するためのアノード流路（不図示）が形成され、同様に、カソードセパレータ１５６のうちの膜電極接合体１５１と接触する面には、カソードに酸素（空気）を供給し、電極反応生成物、未反応のメタノールを含む物質を反応場から外部に運び去るためのカソード流路（不図示）が形成されている。
【００２１】
こうしたアノード流路およびカソード流路は、図示はしないが、それぞれアノードセパレータ１５５およびカソードセパレータ１５６の表面に常法により溝を設けることによって形成されている。特に制限されるものではないが、アノード流路およびカソード流路は、例えば複数の直線状溝部と、隣接する直線状溝部を上流から下流へと連結する複数のターン状溝部とで構成されたサーペンタイン形状を有する。
【００２２】
以上のように構成された燃料電池１５において、上述したアノードセパレータ１５５のアノード流路の入口に第１流路１１２を介してメタノールを供給し、カソードセパレータ１５６のカソード流路の入口に第２流路１１６を介して空気を供給すると、アノードにおいては、
［数１］
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
という化学反応が生じ、カソードにおいては、
［数２］
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ
という化学反応が生じる。これによりアノードとカソードとの間に電流が流れることになる。
【００２３】
なお、アノードで生成した二酸化炭素ガスと、反応に寄与しなかった未反応メタノールは、アノード流路の出口から第３流路１１４を介して燃料タンク１１１に戻される。同様に、カソードで生成した水と、膜電極接合体１５１を透過（クロスオーバ）した未反応メタノールは、カソード流路の出口から第４流路１１８及び冷却器１１９及び気液分離器１２０を介して燃料タンク１１１へ戻される。
【００２４】
燃料供給装置１１は、燃料タンク１１１と、メタノールタンク１２１と、捕集タンク１３０とを備え、燃料タンク１１１には、燃料電池１５に供給される液体燃料であるメタノール水溶液が貯蔵され、メタノールタンク１２１には、燃料タンク１１１に貯蔵されたメタノール水溶液の濃度よりも濃度が高い、高濃度のメタノール水溶液又はメタノール原液が追加燃料として貯蔵され、捕集タンク１３０には、後述するように雨水又は雪水が貯蔵されている。なお、燃料タンク１１１には、液面レベルを検出する下限レベルセンサ１２７と上限レベルセンサ１２８が設けられ、下限レベルセンサ１２７は、燃料タンク１１１内の液体燃料の容量が許容下限量に達したことを検出するセンサであり、上限レベルセンサ１２８は、燃料タンク１１１内の液体燃料の容量が許容上限量に達したことを検出するセンサである。下限レベルセンサ１２７及び上限レベルセンサ１２８の検出信号は制御装置１４へ出力される。
【００２５】
燃料タンク１１１に貯蔵されたメタノール水溶液は、導管などからなる第１流路１１２を介して当該第１流路１１２に設けられた第１ポンプ１１３により燃料電池１５のアノードの流路入口に供給される。第１ポンプ１１３の作動及び停止は、制御装置１４からの制御信号によって制御される。なお、燃料電池１５のアノードの流路出口から第３流路１１４を介して未反応メタノールと二酸化炭素ガスが燃料タンク１１１へ戻されるが、気相の二酸化炭素ガスは液面に浮上するので、この燃料タンク１１１により液相のメタノールと気相の二酸化炭素が概ね分離され、二酸化炭素ガスは図示しない排気流路を介して系外へ排出される。
【００２６】
メタノールタンク１２１に貯蔵されたメタノール原液又は高濃度メタノール水溶液（以下、追加メタノールともいう。）は、メタノールタンク１２１と燃料タンク１１１との間に設けられた導管などからなる第５流路１２２を介して当該第５流路１２２に設けられた第２ポンプ１２３により燃料タンク１１１へ供給される。第２ポンプ１２３の作動及び停止は、制御装置１４からの制御信号に基づいて制御される。なお、メタノールタンク１２１には、液面レベルを検出する下限レベルセンサ１３５と上限レベルセンサ１３６が設けられ、下限レベルセンサ１３５は、メタノールタンク１２１内の追加メタノールの容量が許容下限量に達したことを検出するセンサであり、上限レベルセンサ１３６は、メタノールタンク１２１内の追加メタノールの容量が許容上限量に達したことを検出するセンサである。下限レベルセンサ１３５及び上限レベルセンサ１３６の検出信号は制御装置１４へ出力される。
【００２７】
捕集タンク１３０に貯蔵された水（主として雨水又は雪水）は、捕集タンク１３０と燃料タンク１１１との間に設けられた導管などからなる第８流路１３３を介して当該第８流路１３３に設けられた第４ポンプ１３４により燃料タンク１１１へ供給される。第４ポンプ１３４の作動及び停止は、制御装置１４からの制御信号によって制御される。なお、捕集タンク１３０には、液面レベルを検出する下限レベルセンサ１３７と上限レベルセンサ１３８が設けられ、下限レベルセンサ１３７は、捕集タンク１３０内の水の容量が許容下限量に達したことを検出するセンサであり、上限レベルセンサ１３８は、捕集タンク１３０内の水の容量が許容上限量に達したことを検出するセンサである。下限レベルセンサ１３７及び上限レベルセンサ１３８の検出信号は制御装置１４へ出力される。
【００２８】
燃料電池１５のカソードの流路入口には、導管又は通路などの第２流路１１６が設けられ、当該第２流路１１６を介して当該第２流路１１６に設けられたブロア１１７により外部の空気が吸入される。なお、第２流路１１６には空気に含まれる塵埃等を除去するフィルタ１１５が設けられている。ブロア１１７の作動及び停止は、制御装置１４からの制御信号によって制御される。
【００２９】
燃料電池１５のカソードの流路出口と燃料タンク１１１との間に設けられた第４流路１１８には、冷却器１１９及び気液分離器１２０が設けられている。冷却器１１９としては、ラジエータなどの空冷式冷却器のほか、水冷式冷却器を用いることができる。冷却器１１９には、図示しないファンが設けられ、熱交換流路にカソードで生じたメタノールを含むガスを冷却して凝縮し、この気液混合流体を気液分離器１２０に導入する。気液分離器１２０では、凝縮液体とされたメタノールを含む水を抽出して燃料タンク１１１に戻すとともに、ガスは大気に放出する。
【００３０】
燃料タンク１１１には、当該燃料タンク１１１に貯蔵されたメタノール水溶液を燃料タンク１１１へ循環する配管などからなる第６流路１２４が設けられ、この第６流路１２４には、第３ポンプ１２５と濃度センサユニット１２６が設けられている。濃度センサユニット１２６は、ガスクロマトグラフィを利用した濃度検出、高精度の密度計を利用した濃度検出、非分散型赤外吸収法を利用した濃度検出などの濃度センサを含み、第６流路１２４を循環するメタノール水溶液が流通する筒状体などに当該濃度センサの検知部を臨ませた、極力小型の濃度センサユニット１２６からなる。第３ポンプ１２５は、制御装置１４からの制御信号によって制御され、燃料タンク１１１内のメタノール水溶液が第６流路１２４を循環し、これにより燃料タンク１１１内のメタノール水溶液の濃度を濃度センサユニット１２６により検出し、その検出信号を制御装置１４へ出力する。
【００３１】
捕集タンク１３０は、筐体１６の天板１６１で捕集した雨水や雪水を貯蔵するタンクであり、天板１６１に形成された開口部１６３から捕集タンク１３０へ導管などからなる第７流路１３１が設けられている。図２Ａは、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システム１を示す、一部を破断した外観斜視図である。筐体１６には、図１に一点鎖線で示す燃料電池ユニット１７と、メタノールタンク１２１と、捕集タンク１３０とが収容され、図示を省略するが、筐体１６の側板などには、筐体１６の内部に配置された、これら燃料電池ユニット１７と、メタノールタンク１２１と、捕集タンク１３０を保守点検するためのドアが設けられている。メタノールタンク１２１へのメタノール液（高濃度メタノール液）の補給も当該ドアを開いて行われる。
【００３２】
本実施形態の燃料電池システム１においては、筐体１６の天板１６１の上面が水平ではなく、雨水又は雪水が集約できるように、鉛直下向きの傾斜面１６２を有するように形成されている。図２Ａに示す例では、天板１６１の略中央に開口部１６３が形成され、天板１６１の外周縁の四辺から中央の開口部１６３に向かってそれぞれが鉛直下向きに傾く４つの傾斜面１６２が形成されている。筐体１６の天板１６１に傾斜面１６２を形成することにより、屋外に設置される本実施形態の燃料電池システム１においては、降雨又は降雪によって天板１６１に雨水又は雪水が溜まり、開口部１６３から第７流路１３１に導かれて捕集タンク１３０に貯留される。ここで、天板１６１に集約される雪水としては、時間と経過とともに水になるので、集約される時点では雪のままの状態でもよいし、雪が半融けして雪と水が混在してる状態でもよいし、さらに雪が全て融けて水になった状態でもよい。なお、図１に示す天板１６１、傾斜面１６２及び開口部１６３の形状や位置関係は模式的に示したものである。
【００３３】
筐体１６の天板１６１に形成される傾斜面１６２及び開口部１６３は、図２Ａに示すものに限定されず、雨水又は雪水を集約可能な構造であればよい。たとえば、４つの傾斜面１６２に代えて、鉛直下向きに凹んだ凹状の曲面であってもよく、開口部１６３についても天板１６１の鉛直最下面に設けることが好ましいが、必ずしも最下面に設ける必要はない。また、雨水又は雪水を集約するための手段は、筐体１６の天板１６１にのみ限定されず、燃料電池システム１が屋外であっても雨水又は雪水が降り掛かり難い軒下などに設置される場合には、雨水又は雪水が降り掛かり易い場所に別途専用の集水具を設けたり、家屋の雨樋を共用したりして捕集タンク１３０へ集水してもよい。
【００３４】
捕集タンク１３０に集水される雨水又は雪水には、塵埃や燃料電池に対して有害となる物質が含まれることがあるため、第７流路１３１の捕集タンクの上流側にこれらを除去するフィルタ１３２が設けられている。図２Ｂは、このフィルタ１３２の一例を示す断面図である。まず、天板１６１に形成する開口部１６３には粗い目の（目開きが大きい）金網を設け、枯葉などの大きなゴミを除去することで第７流路１３１の詰まりを防止することが好ましい。フィルタ１３２の最上流側には比較的目開きが大きいプレフィルタ１３２ａが設けられ、直径が大きい砂粒などが除去される。次段には、プレフィルタ１３２ａより目開きが小さいフィルタ１３２ｂが設けられ、プレフィルタ１３２ａにて除去できなかった直径が小さいゴミなどを除去する。この種のフィルタ１３２ｂとしては、ストロー状中空繊維の壁面に超微細孔が加工された中空糸膜などを用いることができ、微生物なども除去できる機能を備えることがより望ましい。
【００３５】
フィルタ１３２ｂの次段には活性炭１３２ｃが設けられ、空気に含まれる排気ガスのカーボンその他の有機物を吸着する機能を備える。また、活性炭１３２ｃの次段には樹脂フィルタ１３２ｄが設けられている。この樹脂フィルタ１３２ｄは、燃料電池１５のアノード触媒層１５３及びカソード触媒層１５４が被毒する、すなわちアノード触媒層１５３及びカソード触媒層１５４に対して触媒毒となるアルミニウムイオン、ニッケルイオン、鉄イオン、クロムイオンなどの陽イオン不純物や、塩素イオンその他のハロゲン化物イオンなどの陰イオン不純物を除去するものであることが好ましい。この種の陽イオン及び／又は陰イオンを除去する樹脂フィルタ１３２ｄとしては、陽イオン交換樹脂（たとえば、スチレン系の樹脂母材にイオン交換基としてのスルホ基やカルボキシル基を含むもの）や、陰イオン交換樹脂（スチレン系の樹脂母材にイオン交換基としてのアンモニウム基やアミノ基などを含むもの）などを用いることができる。
【００３６】
なお、捕集タンク１３０は、主として自然に得られる雨水又は雪水を貯留する水タンクであるが、雨季などには捕集タンク１３０の容量を超える降雨又は降雪があるため、捕集タンク１３０の上面を開放してオーバーフローさせたり、捕集タンク１３０の上部にオーバーフロー管を設けてオーバーフローさせたりしてもよい。また逆に乾季などには捕集タンク１３０に十分な雨水又は雪水が貯留できない場合もあるため、捕集タンク１３０を水の補給タンクとして用いてもよい。
【００３７】
図１に戻り、制御装置１４は、入力部として燃料電池１５の起動及び停止スイッチを備え、起動スイッチがＯＮになる（停止スイッチはＯＦＦ）と、第１ポンプ１１３，第３ポンプ１２５及びブロア１１７を作動する制御信号と第２ポンプ１２３及び第４ポンプ１３４を停止する制御信号をそれぞれに出力する。また、停止スイッチがＯＮになる（起動スイッチはＯＦＦ）と、第１ポンプ１１３，第３ポンプ１２５及びブロア１１７並びに第２ポンプ１２３及び第４ポンプ１３４を停止する制御信号をそれぞれに出力する。
【００３８】
また本例の制御装置１４は、濃度センサユニット１２６からの濃度検出信号と、燃料タンク１１１の下限レベルセンサ１２７及び上限レベルセンサ１２８からの液面レベル検出信号と、メタノールタンク１２１の下限レベルセンサ１３５及び上限レベルセンサ１３６からの液面レベル検出信号と、捕集タンク１３０の下限レベルセンサ１３７及び上限レベルセンサ１３８からの液面レベル検出信号と、を所定時間間隔で読出し、第２ポンプ１２３及び第４ポンプ１３４の作動又は停止の制御信号を出力するとともに、燃料タンク１１１，メタノールタンク１２１及び捕集タンク１３０の液面レベルの警告報知を実行する。具体的な制御手順は以下のとおりである。
【００３９】
図３は、本例の燃料電池システム１の制御装置１４で実行される制御手順を示すフローチャートであり、予め設定された時間間隔で一連の処理を繰り返す。まずステップＳＴ１において、制御装置１４に起動スイッチのＯＮ信号が入力されるとステップＳＴ２へ進み、第１ポンプ１１３、第３ポンプ１２５及びブロア１１７へ作動信号を出力し、第２ポンプ１２３及び第４ポンプ１３４へ停止信号を出力する。これにより、燃料タンク１１１に貯蔵されたメタノール水溶液が第１流路１１２を介して燃料電池１５のアノードに供給されるとともに、外部の空気が第２流路１１６及びフィルタ１１５を介して燃料電池１５のカソードに供給され、燃料電池１５による発電が開始する。これと同時に、燃料タンク１１１内のメタノール水溶液が第６流路１２４を介して循環し、濃度センサユニット１２６によりメタノール水溶液の濃度検出が可能となる。なお、ステップＳＴ１において、制御装置１４に起動スイッチのＯＮ信号が入力されない場合はステップＳＴ８へ進み、停止スイッチをＯＮしたうえでステップＳＴ１へ戻る。
【００４０】
ステップＳＴ３では、燃料タンク１１１、メタノールタンク１２１及び捕集タンク１３０のそれぞれに設けられた液面レベルセンサの検出信号を読出したのち、ステップＳＴ４において、燃料タンク１１１の液面レベルが予め設定された上限以下であるか否か、すなわちオーバフローするおそれがないかどうかを判断する。その結果、燃料タンク１１１の液面レベルが上限を超えている場合はステップＳＴ９へ進み、制御装置１４などに設けられた所定の表示器などによりエラー報知を実行する。そしてこの場合は、ステップＳＴ１１にて第１ポンプ１１３、第３ポンプ１２５、ブロア１１７、第２ポンプ１２３及び第４ポンプ１３４のそれぞれに停止信号を出力し、制御処理を終了する。なお、第１ポンプ１１３、第３ポンプ１２５、ブロア１１７、第２ポンプ１２３及び第４ポンプ１３４のそれぞれに停止信号を出力することに代えて、第１ポンプ１１３の駆動力、第３ポンプ１２５の駆動力、ブロア１１７の駆動力、第２ポンプ１２３の駆動力及び第４ポンプ１３４の駆動力のそれぞれ又は少なくとも何れかを低下させる信号を出力し、制御処理を終了するか又は制御処理を続行してもよい。また、ステップＳＴ４においては、燃料タンク１１１の液面レベルが予め設定された下限以下であるか否か、すなわち燃料が不足するか否かも判断され、下限以下である場合は、図４のサブルーチンに進む。これについては後述する。
【００４１】
ステップＳＴ４において燃料タンク１１１の液面レベルが上限を超えない場合はステップＳＴ５へ進み、捕集タンク１３０の液面レベルが予め設定された上限以下であるか否か、すなわちオーバフローするおそれがないかどうかを判断する。その結果、捕集タンク１３０の液面レベルが上限を超えている場合はステップＳＴ１０へ進み、制御装置１４などに設けられた所定の表示器などによりエラー報知を実行する。そしてこの場合は、ステップＳＴ１１にて第１ポンプ１１３、第３ポンプ１２５、ブロア１１７、第２ポンプ１２３及び第４ポンプ１３４のそれぞれに停止信号を出力し、制御処理を終了する。
【００４２】
ステップＳＴ５において捕集タンク１３０の液面レベルが上限を超えない場合はステップＳＴ６へ進み、濃度センサユニット１２６の検出信号を読出し、続くステップＳＴ７において、検出されたメタノール水溶液の濃度が予め設定された基準範囲内であるか否かを判断する。この基準範囲は燃料電池１５の仕様に応じた適宜の値に設定することができるが、たとえば３重量％±０．５重量％（下限値が２．５重量％，上限値が３．５重量％）であるとする。燃料電池１５に供給されるメタノール水溶液の濃度が２．５重量％未満（下限値未満）であると出力電流密度が低下し、３．５重量％を超える（上限値を超える）と燃料クロスオーバーによるカソードの劣化が起きてしまうからである。そして、検出されたメタノール水溶液の濃度が基準範囲内である場合は、燃料タンク１１１内の燃料濃度が適切であるものと判断してステップＳＴ１へ戻る。
【００４３】
ステップＳＴ７において、検出されたメタノール水溶液の濃度が下限値である２．５重量％未満である場合はステップＳＴ１２へ進み、メタノールタンク１２１の液面レベルが下限を下回っていないか、すなわちメタノール原液又は高濃度メタノール水溶液の残量が充分かどうかを判断する。その結果、メタノールタンク１２１の液面レベルが下限を下回っていない場合はステップＳＴ１３へ進み、第２ポンプ１２３を作動する制御信号を出力したのち、続くステップＳＴ２１にて、予め設定された撹拌時間の経過を待ったのちステップＳＴ１へ戻る。これにより、メタノールタンク１２１に貯蔵されたメタノール原液又は高濃度メタノール水溶液が第５流路１２２を介して燃料タンク１１１へ供給され、濃度が低下した燃料タンク１１１内のメタノール水溶液の濃度を上昇させることができる。なお、第２ポンプ１２３の作動は、以降のルーチンのステップＳＴ７において燃料タンク１１１内のメタノール水溶液の濃度が基準範囲内に入るまで継続し、その際のステップＳＴ７→ステップＳＴ１→ステップＳＴ２における第２ポンプ１２３の停止信号の出力によって停止する。
【００４４】
ステップＳＴ１２において、メタノールタンク１２１の液面レベルが下限を下回っている場合はステップＳＴ１４へ進み、制御装置１４などに設けられた所定の表示器などによりメタノールタンク１２１の液面下限エラー報知を実行する。そして、続くステップＳＴ１５において、検出された燃料タンク１１１内のメタノール水溶液の濃度が、予め設定された限界値（上記基準範囲の下限値よりもさらに小さい所定値，燃料電池１５にて発電可能な最小濃度）未満か否かを判断し、この限界値未満である場合はステップＳＴ１６へ進み、制御装置１４などに設けられた所定の表示器などにより燃料タンク１１１の濃度低下エラー報知を実行したのち、続くステップＳＴ１７にて第１ポンプ１１３、第３ポンプ１２５、ブロア１１７、第２ポンプ１２３及び第４ポンプ１３４のそれぞれに停止信号を出力し、制御処理を終了する。なお、ステップＳＴ１５において、検出されたメタノール水溶液の濃度が限界値以上である場合はステップＳＴ２１へ進み、予め設定された撹拌時間の経過を待ったのちステップＳＴ１へ戻る。ステップＳＴ７におけるメタノール水溶液の濃度の基準範囲は、ステップＳＴ１５の限界値に対して余裕代を有する値に設定されており、ステップＳＴ７において基準範囲未満であってもステップＳＴ１５の限界値までの間は、燃料電池１５にて発電可能であるからである。
【００４５】
ステップＳＴ７へ戻り、検出されたメタノール水溶液の濃度が上限値である３．５重量％を超えている場合はステップＳＴ１８へ進み、捕集タンク１３０の液面レベルが下限を下回っていないか、すなわち水の残量が充分かどうかを判断する。その結果、捕集タンク１３０の液面レベルが下限を下回っていない場合はステップＳＴ１９へ進み、第４ポンプ１３４を作動する制御信号を出力したのち、続くステップＳＴ２１にて、予め設定された撹拌時間の経過を待ったのちステップＳＴ１へ戻る。これにより、捕集タンク１３０に貯蔵された水が第８流路１３３を介して燃料タンク１１１へ供給され、濃度が増加した燃料タンク１１１内のメタノール水溶液の濃度を下降させることができる。なお、第４ポンプ１３４の作動は、以降のルーチンのステップＳＴ７において燃料タンク１１１内のメタノール水溶液の濃度が基準範囲内に入るまで継続し、その際のステップＳＴ７→ステップＳＴ１→ステップＳＴ２における第４ポンプ１３４の停止信号の出力によって停止する。
【００４６】
ステップＳＴ１８において、捕集タンク１３０の液面レベルが下限を下回っている場合はステップＳＴ２０へ進み、制御装置１４などに設けられた所定の表示器などにより捕集タンク１３０の液面下限エラー報知を実行する。この場合は、燃料電池１５に供給されるメタノール水溶液の濃度が基準範囲の上限値よりも高いが、発電は可能であるため、続くステップＳＴ２１にて、予め設定された撹拌時間の経過を待ったのちステップＳＴ１へ戻る。
【００４７】
さて、ステップＳＴ４において、燃料タンク１１１の液面レベルが予め設定された下限以下である場合、すなわち下限レベルセンサ１２７により燃料が不足することが検出された場合には、図４のサブルーチンに進む。図４は、図３のステップＳＴ４において燃料タンク１１１の液面が下限値未満である場合には、燃料タンク１１１の液面が上限値に達するまで燃料を補給するサブルーチン（Ａに進んでＢに至る）を示すフローチャートである。なお、燃料タンク１１１の液面が下限値未満である場合に、燃料タンク１１１の液面が下限値を超えるまで燃料を補給するように制御してもよい。図４のステップＳＴ３１において、燃料タンク１１１内の液体燃料が下限値未満であるため、第２ポンプ１２３と第４ポンプ１３４を作動し、メタノールタンク１２１から高濃度メタノールと捕集タンク１３０から水を燃料タンクへ供給する。
【００４８】
ステップＳＴ３２で予め設定された撹拌時間の経過を待ったのち、ステップＳＴ３３において、濃度センサユニット１２６の検出信号を読出し、続くステップＳＴ３４において、検出されたメタノール水溶液の濃度が予め設定された基準範囲内であるか否かを判断する。ステップＳＴ３４において、検出されたメタノール水溶液の濃度が基準範囲内である場合はステップＳＴ４３へ進み、燃料タンク１１１の液面が上限レベルセンサ１２８で検出される上限に達したか否かを判断し、上限に達したら図３のステップＳＴ２へ戻る。一方、燃料タンク１１１の液面が上限に達していない場合はステップＳＴ３１へ戻り、メタノールタンク１２１から高濃度メタノールと捕集タンク１３０から水を燃料タンクへ供給する操作を継続する。
【００４９】
ステップＳＴ３４において、検出されたメタノール水溶液の濃度が基準範囲の上限値を超えている場合は、濃度が高すぎるのでステップＳＴ３５へ進み、第２ポンプ１２３を停止し、高濃度メタノールの供給を一時的に停止する。そして、ステップＳＴ３６で予め設定された撹拌時間の経過を待ったのち、ステップＳＴ３７において、濃度センサユニット１２６の検出信号を読出し、続くステップＳＴ３８において、検出されたメタノール水溶液の濃度が予め設定された基準範囲内であるか否かを判断する。このステップＳＴ３５〜ＳＴ３８の間は、高濃度メタノールの供給を停止し、水の供給を継続している状態である。ステップＳＴ３８において、検出されたメタノール水溶液の濃度が基準範囲内にあればステップＳＴ４３へ進んで燃料タンク１１１の液面レベルを判断し、当該液面レベルが上限に達していない場合はステップＳＴ３１へ進み、再び第２ポンプ１２３を作動させる。ステップＳＴ４３において液面レベルが上限に達した場合は図３のステップＳＴ２へ進む。一方、ステップＳＴ３８において、検出されたメタノール水溶液の濃度が基準範囲内になく、未だ上限値を超えている場合はステップＳＴ３５へ戻り、ステップＳＴ３５〜ＳＴ３８の処理を繰り返す。
【００５０】
ステップＳＴ３４において、検出されたメタノール水溶液の濃度が基準範囲の下限値未満場合は、濃度が低過ぎるのでステップＳＴ３９へ進み、第４ポンプ１３４を停止し、水の供給を一時的に停止する。そして、ステップＳＴ４０で予め設定された撹拌時間の経過を待ったのち、ステップＳＴ４１において、濃度センサユニット１２６の検出信号を読出し、続くステップＳＴ４２において、検出されたメタノール水溶液の濃度が予め設定された基準範囲内であるか否かを判断する。このステップＳＴ３９〜ＳＴ４２の間は、水の供給を停止し、高濃度メタノールの供給を継続している状態である。ステップＳＴ４２において、検出されたメタノール水溶液の濃度が基準範囲内にあればステップＳＴ４３へ進んで燃料タンク１１１の液面レベルを判断し、当該液面レベルが上限に達していない場合はステップＳＴ３１へ進み、再び第４ポンプ１３４を作動させる。ステップＳＴ４３において液面レベルが上限に達した場合は図３のステップＳＴ２へ進む。一方、ステップＳＴ４２において、検出されたメタノール水溶液の濃度が基準範囲内になく、未だ下限値未満である場合はステップＳＴ３９へ戻り、ステップＳＴ３９〜ＳＴ４２の処理を繰り返す。
【００５１】
以上のサブルーチンの処理により燃料タンク１１１のメタノール水溶液の液面が上限値に達することになる。なお、図３及び図４に示す本実施形態の燃料電池システム１の制御例は、本発明を限定する趣旨ではなく、本実施形態の燃料電池システム１の制御の一例を示したものに過ぎない。
【００５２】
以上のとおり、本例の燃料電池システム１によれば、雨水又は雪水を捕集する捕集タンク１３０と、捕集タンク１３０の水を燃料タンク１１１へ供給する第８流路１３３及び第４ポンプ１３４とを少なくとも備えるので、簡便な構成で液体燃料の希釈水を確保することができる。したがって、外気温度が高いなどの理由により冷却器１１９の冷却能力が低下して回収水が不足しても、捕集タンク１３０に捕集した雨水又は雪水でこれを補うことができる。
【００５３】
また本例の燃料電池システム１によれば、雨水又は雪水が捕集タンク１３０に流入する第７流路１３１の、捕集タンク１３０の上流側に、燃料極に対して触媒毒となる成分を除去するフィルタ１３２を設けているので、雨水又は雪水に含まれる成分による燃料極の被毒を防止することができる。
【００５４】
また本例の燃料電池システム１によれば、燃料タンク１１１の液面レベルを下限レベルセンサ１２７と上限レベルセンサ１２８を用いて検出し、燃料タンク１１１の液面レベルが下限値未満になったら捕集タンク１３０からの水を燃料タンク１１１へ供給し、燃料タンク１１１の液面レベルが上限値を超えたら捕集タンク１３０からの水の供給を停止するので、燃料タンク１１１の液体燃料を適切な量に維持することができる。
【００５５】
また本例の燃料電池システム１によれば、雨水又は雪水を捕集するにあたり傾斜面と開口部を含む、筐体１６の天板１６１を用いているので、別途専用の集水部材を必要とせず、より簡便な構成で液体燃料の希釈水を確保することができる。
【００５６】
なお、上記第８流路１３３及び第４ポンプ１３４が、本発明に係る「捕集タンクの水を燃料タンクへ供給する供給手段」に相当し、上記第７流路１３１が、本発明に係る「雨水又は雪水が捕集タンクに流入する流路」に相当し、上記制御装置１４が、本発明に係る制御手段に相当し、上記下限レベルセンサ１２７が、本発明に係る下限検出手段に相当し、上記上限レベルセンサ１２８が、本発明に係る上限検出手段に相当し、上記気液分離器１２０が、本発明に係る気液分離手段に相当し、上記第４流路１１８が、本発明に係る「空気極から冷却器及び気液分離手段を介して燃料タンクへ導かれる流路」に相当し、上記第４流路１１８，上記冷却器１１９及び上記気液分離器１２０が、本発明に係る回収手段に相当する。
【符号の説明】
【００５７】
１…燃料電池システム
１１…燃料供給装置
１１１…燃料タンク
１１２…第１流路
１１３…第１ポンプ
１１４…第３流路
１１５…フィルタ
１１６…第２流路
１１７…ブロア
１１８…第４流路
１１９…冷却器
１２０…気液分離器
１２１…メタノールタンク
１２２…第５流路
１２３…第２ポンプ
１２４…第６流路
１２５…第３ポンプ
１２６…濃度センサユニット
１２７…下限レベルセンサ
１２８…上限レベルセンサ
１３０…捕集タンク
１３１…第７流路
１３２…フィルタ
１３３…第８流路
１３４…第４ポンプ
１３５…下限レベルセンサ
１３６…上限レベルセンサ
１３７…下限レベルセンサ
１３８…上限レベルセンサ
１４…制御装置
１５…燃料電池
１５１…膜電極接合体
１５２…高分子電解質膜
１５３…アノード触媒層（燃料極）
１５４…カソード触媒層（空気極）
１５５…アノードセパレータ
１５６…カソードセパレータ
１６…筐体
１６１…天板
１６２…傾斜面
１６３…開口部
【図１】
2019125500.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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