(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイレクトメタノール型の燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
メタノールを含む液体燃料が貯蔵される燃料タンクと、
前記燃料タンクにメタノールを供給するメタノール供給装置と、
前記燃料タンクに貯蔵された前記液体燃料のメタノール濃度を測定する液体濃度センサと、
前記燃料電池の出力電流値を測定する電流センサと、
前記燃料タンクへのメタノールの供給量を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記電流センサが測定した前記出力電流値に基づいて前記メタノール供給装置を制御すると共に、前記液体濃度センサを用いた前回のメタノール供給量の補正処理から所定時間が経過しているか否かを判定し、前記所定時間が経過している場合には、前記液体濃度センサの測定値に基づいて前記メタノール供給装置によるメタノールの供給量を補正し、前記所定時間が経過していない場合には、前記液体濃度センサを用いたメタノール供給量の補正を行わない燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記メタノール供給装置は、
少なくとも前記液体燃料のメタノール濃度よりも高いメタノール濃度の高濃度メタノールが貯蔵されたメタノールタンクと、
前記メタノールタンクから前記高濃度メタノールを前記燃料タンクに供給するポンプと、を備え、
前記制御装置は、
前記電流センサの測定値に基づいて、前記高濃度メタノールの前記燃料タンクへの供給量の理論値を算出し、
前記理論値に基づいて、前記ポンプをＯＮする時間Ｔｏｎと前記ポンプをＯＦＦする時間Ｔｏｆｆとの比であるデューティ比（Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））により前記ポンプを制御する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記メタノール供給装置は、
少なくとも前記液体燃料のメタノール濃度よりも高いメタノール濃度の高濃度メタノールが貯蔵されたメタノールタンクと、
前記メタノールタンクから前記高濃度メタノールを前記燃料タンクに供給するポンプと、を備え、
前記燃料電池システムは、前記メタノール供給装置から前記燃料タンクにメタノールを供給する際の流量を測定する流量センサを備え、
前記制御装置は、前記流量センサの測定値と前記ポンプの基準流量値に基づいて、前記燃料タンクへのメタノールの供給量を制御する燃料電池システム。
【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）に要求される出力モードに応じて、液体燃料の濃度を液体濃度センサにより測定し、当該測定結果に基づいて液体燃料の濃度を最適な濃度に調整する燃料電池装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３２６１０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、液体濃度センサは一般に寿命が短く、長時間の動作により誤差が増加するため、上記技術においては当該液体濃度センサを備えた燃料電池装置が短寿命化する場合があるという問題がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、長寿命かつ長期にわたって安定した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】
［１］本発明に係る燃料電池システムは、ダイレクトメタノール型の燃料電池を備えた燃料電池システムであって、メタノールを含む液体燃料が貯蔵される燃料タンクと、前記燃料タンクにメタノールを供給するメタノール供給装置と、前記燃料タンクに貯蔵された前記液体燃料のメタノール濃度を測定する液体濃度センサと、前記燃料電池の出力電流値を測定する電流センサと、前記燃料タンクへのメタノールの供給量を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記電流センサが測定した前記出力電流値に基づいて前記メタノール供給装置を制御すると共に、一定時間ごとに前記液体濃度センサの測定値に基づいて前記メタノール供給装置によるメタノールの供給量を補正する。
【０００７】
［２］上記発明において、前記メタノール供給装置は、少なくとも前記液体燃料のメタノール濃度よりも高いメタノール濃度の高濃度メタノールが貯蔵されたメタノールタンクと、前記メタノールタンクから前記高濃度メタノールを前記燃料タンクに供給するポンプと、を備え、前記制御装置は、前記電流センサの測定値に基づいて、前記高濃度メタノールの前記燃料タンクへの供給量の理論値を算出し、前記理論値に基づいて、前記ポンプをＯＮする時間Ｔｏｎと前記ポンプをＯＦＦする時間Ｔｏｆｆとの比であるデューティ比（Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））により前記ポンプを制御してもよい。
【０００８】
［３］上記発明において、前記メタノール供給装置から前記燃料タンクにメタノールを供給する際の流量を測定する流量センサを備え、前記制御装置は、前記流量センサの測定値に基づいて、前記燃料タンクへのメタノールの供給量を制御してもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料タンクへのメタノールの供給量を制御する制御装置が、電流センサが測定した燃料電池の出力電流値に基づいてメタノール供給装置を制御すると共に、一定時間ごとの液体濃度センサの測定値に基づいてメタノール供給装置によるメタノールの供給量を補正する。このため、液体濃度センサが連続して使用されることを回避し、燃料電池システムの安定化及び長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態における燃料電池システムの制御装置が行うデューティ制御を説明するためのグラフである。
【図３】図３は、本発明の実施形態における燃料電池システムの制御装置で実行される制御を示すフローチャートである。
【図４】図４が、本発明の実施形態における燃料電池システムにおいて、ポンプの流量を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の実施形態における燃料電池システムの制御装置で実行されるメタノール供給量の補正処理を示すフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の実施形態において、制御装置の制御により燃料タンク内のメタノール濃度が変化する様子を示すグラフ（イメージ図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は本実施形態における燃料電池システムを示すブロック図であり、図２は制御装置が行うデューティ制御を説明するためのグラフである。
【００１３】
本実施形態における燃料電池システム１は、例えば、停電時等における非常用電源として用いられる燃料電池システムであり、図１に示すように、燃料電池２と、燃料タンク３と、メタノール供給装置４と、液体濃度センサ５と、電流センサ６と、制御装置７と、を備えている。
【００１４】
燃料電池システムに使用される燃料電池２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であり、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane electrode assembly）２１と、膜電極接合体２１を挟持する板状のアノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３を備える。膜電極接合体２１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２１１と、略矩形のアノード触媒層２１２と、カソード触媒層２１３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んでいる。アノード触媒層２１２とアノードガス拡散層がアノードを構成し、カソード触媒層２１３とカソードガス拡散層がカソードを構成する。
【００１５】
なお、図１に示す燃料電池２では、一対のセパレータ２２、２３に挟持された膜電極接合体２１を一つのみ有する構成となっているが、燃料電池２の構成は特にこれに限定されない。例えば、一対のセパレータ２２、２３に挟持された膜電極接合体２１を複数積層してスタック状とし、当該膜電極接合体２１同士を直列に又は並列に接続して燃料電池２を構成してもよい。
【００１６】
高分子電解質膜２１１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、登録商標）、旭化成（株）社製のＡｃｉｐｌｅｘ（商品名、登録商標）、ジャパンゴアテックス（株）社製のＧＳII（商品名、登録商標）など）を使用することができる。
【００１７】
アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３は電極触媒と、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。
【００１８】
アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３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い。このようなカーボン材料としては、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー及びカーボンチューブなどを例示することができる。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、サーマルブラック及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及び賦活処理することによって得ることができる。
【００１９】
アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３における電極触媒としては、白金又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、亜鉛及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。
【００２０】
アノード触媒層２１２及びカソード触媒層２１３の外側に配置されるアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層（いずれも不図示）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、カーボンペーパー又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、金属繊維又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、カソード側及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。
【００２１】
一対のアノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３は、膜電極接合体２１の外側に配置されて、膜電極接合体２１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２２のうちの膜電極接合体２１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２３のうちの膜電極接合体２１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。
【００２２】
こうしたアノード流路及びカソード流路は、図示はしないが、それぞれアノードセパレータ２２及びカソードセパレータ２３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、アノード流路及びカソード流路は、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Ｕ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。
【００２３】
本実施形態において、燃料タンク３には燃料電池２の燃料が貯蓄されている。流路Ｆ１を介して、上述したアノードセパレータ２２のアノード流路の入口に当該燃料タンク３からメタノールを供給する。一方、カソードセパレータ２３のカソード流路の入口に流路Ｆ２を介して空気を供給する。これにより、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。
【００２４】
なお、アノードで生成した二酸化炭素と、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流路Ｆ３を介して燃料タンク３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２１を透過（クロスオーバー現象）した未反応メタノールは、カソード流路の出口から流路Ｆ４及び凝縮器２４を介して循環タンク３５へ戻される。
【００２５】
因みに、本実施形態において、流路Ｆ１〜Ｆ７は、燃料電池システム１の大きさやレイアウトなどに応じて、配管又は通路などの具体的構造を採用することができる。
【００２６】
メタノール供給装置４は、メタノールタンク４１と、ポンプ４２と、を備える。メタノールタンク４１には、燃料タンク３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（以下、高濃度メタノールとも称する。）が追加燃料として貯蔵される。高濃度メタノールは、ポンプ４２により、流路Ｆ５を介してメタノールタンク４１から燃料タンク３に供給される。ポンプ４２としては、公知のダイアフラム型ポンプやプランジャー型ポンプを例示することができる。
【００２７】
本実施形態では、燃料タンク３へ供給される高濃度メタノールの流量を測定する流量センサ４３が流路Ｆ５に設けられており、当該流量センサ４３の測定結果は制御装置７に送出される。このような流量センサ４３としては、例えばカルマン渦式流量センサを挙げることができる。なお、燃料電池システム１から流量センサ４３を省略してもよいが、燃料タンク３内のメタノール濃度を高精度で制御する観点から、燃料電池システム１が流量センサ４３を備えていることが好ましい。
【００２８】
液体濃度センサ５は、ポンプ５１により流路Ｆ７に送られる燃料タンク３内の燃料のメタノール濃度を測定する。このような濃度センサとしては、公知の液体濃度センサを適宜用いることができる。液体濃度センサ５による測定結果は制御装置７に出力信号として送出される。
【００２９】
本実施形態における燃料電池２の電極は、電流センサ６を介して負荷６１に接続されている。これにより、燃料電池２の出力電流を検出することが可能となっている。電流センサ６による測定結果は、制御装置７に出力信号として送出される。
【００３０】
制御装置７は、入力部として燃料電池２の起動及び停止スイッチを備えており、起動スイッチがＯＮになる（停止スイッチはＯＦＦ）と、ポンプ３１及びブロア２５を作動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、ポンプ３１及びブロア２５を停止する制御信号をそれぞれに出力する。
【００３１】
本実施形態における制御装置７は、流量センサ４３からの信号、電流センサ６からの信号、及び液体濃度センサ５からの信号を所定時間間隔でそれぞれ読出しつつ、ポンプ４２の動作を制御する。この制御は、図２に示すように、ポンプ４２をＯＮとして所定電圧が当該ポンプ４２に印加される時間をＴｏｎとし、当該ポンプ４２をＯＦＦとする時間をＴｏｆｆとした場合のデューティ比（Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））を調整することにより行われる。
【００３２】
燃料電池システム１の動作時においては、燃料タンク３に貯蔵されたメタノール水溶液は、流路Ｆ１を介して当該流路Ｆ１に設けられたポンプ３１により燃料電池２のアノードの流路入口に供給される。燃料電池２のアノードの流路出口から排出される未反応メタノールと二酸化炭素ガスは、流路Ｆ３を介して燃料タンク３へ戻される。この際、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３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。
【００３３】
燃料電池２のカソードの流路入口には、流路Ｆ２に設けられたブロア２５を含む酸素供給手段により流路Ｆ２を介して外部の空気が吸入される。なお、流路Ｆ２には空気に含まれる塵埃等を除去するフィルタ２６が設けられている。燃料電池２のカソードの流路出口と循環タンク３５との間に設けられた流路Ｆ４には、凝縮器２４が設けられている。この凝縮器２４は、カソードで生じた水蒸気を液化して循環タンク３５へ戻す機能を有している。
【００３４】
循環タンク３５に貯蔵された水（一部にメタノールを含む）は、当該循環タンク３５と燃料タンク３との間に設けられた流路Ｆ６を介して当該流路Ｆ６に設けられたポンプ３６を含む水供給手段により燃料タンク３へ供給される。
【００３５】
メタノールタンク４１に貯蔵された高濃度メタノールは、メタノールタンク４１と燃料タンク３との間に設けられた流路Ｆ５を介して、当該流路Ｆ５に設けられたポンプ４２により燃料タンク３へ供給される。ポンプ４２の作動及び停止は、制御装置７からの制御信号に基づいて制御される。
【００３６】
次に、本実施形態における制御装置７が行う制御について説明する。図３は本実施形態における制御装置が行う制御を示すフローチャートであり、図４は本実施形態の燃料電池システムにおけるポンプの流量を示すグラフである。
【００３７】
まず、制御装置７の起動スイッチがＯＮとされ、燃料電池システム１が起動すると（ステップＳ１）、当該制御装置７はポンプ３１及びブロア２５をそれぞれ作動させる制御信号を送る。次いで、制御装置７は、ポンプ４２を作動させる。ポンプ４２の作動によりメタノールタンク４１内の高濃度メタノールは燃料タンク３内へ運ばれる。流量センサ４３は、高濃度メタノールの流量値ｍ´［ｇ／ｓｅｃ］を測定し、当該測定結果を制御装置７に送出する（ステップＳ２）。
【００３８】
この際、ポンプ４２の劣化が進行している場合には、当該ポンプ４２の駆動によって規定量の高濃度メタノールが燃料タンク３に供給されないこととなる。この場合には、流量センサ４３が測定する高濃度メタノールの流量値ｍ´は、図４に示すように、ポンプ４２の劣化前における規定値である基準流量値ｍ［ｇ／ｓｅｃ］に到達せず、必要とされる量の高濃度メタノールがメタノールタンク４１から燃料タンク３に供給されない状態となる。これを防ぐために本実施形態では、流量センサ４３による測定値ｍ´は後述のステップＳ６においてポンプ４２の駆動時間を補正するために用いられる。なお、燃料電池システム１が流量センサ４３を備えていない場合には、ステップＳ２及び後述のステップＳ６は省略される。
【００３９】
次いで、ステップＳ３では、燃料電池２の出力電流値を電流センサ６が測定する。電流センサ６の測定結果は制御装置７に送出される。
【００４０】
続いて、ステップＳ４では、制御装置７はメタノールタンク４１から燃料タンク３へのメタノール供給量（理論値）を算出する。一般に、燃料電池の性能を維持するために燃料タンクにメタノールを供給する際の当該メタノールの供給量（必要量）は、下記（１）式で表される。
【００４１】
Ｌ＝Ｃ＋β×Ｉ・・・（１）
但し、上記（１）式において、Ｌは燃料タンクに対するメタノールの供給量［ｇ］であり、Ｃはクロスオーバー現象により当該燃料タンクから消失したメタノール量［ｇ］であり、Ｉは燃料電池の出力電流値［Ａ］であり、βは燃料電池システムによって定まる定数［ｇ／Ａ］であり、通常予め実験的に求めた値を用いる。
【００４２】
制御装置７は、ステップＳ３で電流センサ６から送出された電流値及び上記（１）式を用いて、メタノールタンク４１から燃料タンク３へのメタノール供給量（理論値）Ｌを算出する。なお、上記（１）式のＣ値としては、燃料電池２の仕様に応じた値として予め実験的に求めた値を用いる。
【００４３】
続いて、ステップＳ５では、メタノールタンク４１から燃料タンク３へメタノールを供給する際のポンプ４２の暫定駆動時間Ｔｏｎ［ｓｅｃ］を算出する。ここで、燃料タンク３に対するメタノールの供給量Ｌは、ポンプ４２の制御に係るデューティ比（Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））と比例するため、下記（２）式を満たす。なお、下記（２）式においてαは、燃料電池システム１の仕様に応じて実験的に求められる定数である。
Ｌ＝α×Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）・・・（２）
【００４４】
上記（２）をＴｏｎについて解くことにより、ポンプ４２の暫定駆動時間Ｔｏｎは下記（３）式に示す値として求められる。
Ｔｏｎ＝Ｔｏｆｆ×Ｌ／（α−Ｌ）・・・（３）
【００４５】
次いで、ステップＳ６では、ポンプ４２の補正駆動時間Ｔ´ｏｎ［ｓｅｃ］を算出する。この補正駆動時間とは、ステップＳ２において測定したポンプ４２の流量値ｍ´を考慮して、当該ポンプの暫定駆動時間Ｔｏｎを補正したものであり、ポンプ４２が劣化している場合であっても、燃料タンク３に対して必要な高濃度メタノールの供給量が確実に供給されるためのポンプ４２の駆動時間である。この補正駆動時間Ｔ´ｏｎは、暫定駆動時間Ｔｏｎ、流量センサ４３が測定する高濃度メタノールの流量値ｍ´、及び基準流量値ｍを用いて下記（４）式から求めることができる。
Ｔ´ｏｎ＝Ｔｏｎ×（ｍ／ｍ´）・・・（４）
【００４６】
なお、上記（４）式では、ポンプ４２の駆動時間ＴｏｎをＴ´ｏｎに変更することにより、当該ポンプ４２による高濃度メタノールの流量を調整することとしたが、特にこれに限定されない。例えば、ポンプ４２の休止時間Ｔｏｆｆを変更することによりポンプ４２による高濃度メタノールの流量を調整してもよく、ポンプ４２の駆動時間Ｔｏｎ及び休止時間Ｔｏｆｆの両方を変更することによりポンプ４２による高濃度メタノールの流量を調整してもよい。
【００４７】
続いてステップＳ７では、ポンプ４２を補正後のデューティ比（Ｔ´ｏｎ／（Ｔ´ｏｎ＋Ｔｏｆｆ））で駆動させ、メタノールタンク４１から燃料タンク３に高濃度メタノールを供給する。これにより、メタノールタンク４１から燃料タンク３へのメタノール供給量を高精度で制御することができる。
【００４８】
次いでステップＳ８では、後述のステップＳ９におけるメタノール供給量の補正処理を前回行ってから所定時間（一定時間）が経過しているか否か判定する。この所定時間としては、例えば数時間とすることができる。所定時間経過していない場合には（ステップＳ８においてＮｏ）、メタノール供給量の補正処理を行う必要性が低いとしてステップＳ１０へ進む。なお、初めて燃料電池システム１を作動させる場合には、予め設定された所定の時間を経過しているか否かを判定することとしてもよい。また、上述では、所定の時間経過に基づいて、メタノール供給量の補正処理を行うか否かを判定しているが、これに合わせて、燃料電池の出力を監視して、当該燃料電池の出力実測値に基づいて、メタノール供給量の補正処理を行うか否かを判定してもよい。この場合、燃料電池の出力実測値と所定の理論値（具体的には、既知の定格出力の値）との比が予め設定された閾値に達したら、当該燃料電池の出力が低下したとして、メタノール供給量の補正処理を行う判定をする。
【００４９】
ステップＳ１０では、燃料電池システム１に対する停止指示の有無を判定する。燃料電池システム１を、例えば家庭用の非常用電源として用いた場合には、通常の家庭用電源が復旧したこと等に起因して燃料電池システム１は停止指示を受ける。燃料電池システム１に対する停止指示が無い場合には（ステップＳ１０においてＮｏ）、上述のステップＳ３以降のステップを繰り返す。一方、燃料電池システム１に対する停止指示がある場合には（ステップＳ１０においてＹｅｓ）、燃料電池２の停止スイッチをＯＦＦとすることにより燃料電池システム１を終了し（ステップＳ１１）、制御装置７の制御を終了する。
【００５０】
次に、ステップＳ８において所定時間が経過している場合に（ステップＳ８においてＹｅｓ）、ステップＳ９で行われるメタノール供給量の補正処理について説明する。図５は、本実施形態における制御装置が行うメタノール供給量の補正処理を示すフローチャートである。
【００５１】
メタノール供給量の補正処理（ステップＳ９）では、まず、液体濃度センサ５を作動させ（ステップＳ１２）、燃料タンク３内のメタノール濃度を測定する（ステップＳ１３）。
【００５２】
続いて、ステップＳ１４では、ステップＳ１３におけるメタノール濃度の測定値ρと、予め定めたメタノール濃度の基準値ρ０との差Δρ（＝ρ−ρ０）を算出する。次いで、ステップＳ１５では、ステップＳ１４で求めた値Δρの絶対値（｜Δρ｜）が、所定の閾値Ｓよりも大きいか否かを判定する。ステップＳ１４で求めた値の絶対値（｜Δρ｜）が当該閾値Ｓ以下である場合には（ステップＳ１５においてＮｏ）、メタノール濃度の測定値ρと基準値ρ０とのずれが相対的に小さいことにより、当該メタノールの供給量を補正する操作は必要ないとして液体濃度センサ５を停止させ（ステップＳ１６）、メタノール供給量の補正処理を終了する。
【００５３】
一方、ステップＳ１５において、ステップＳ１４で求めた値の絶対値（｜ρ−ρ０｜）が閾値Ｓよりも大きい場合には（ステップＳ１５においてＹｅｓ）、電流センサ６の電流値を用いた上述の制御（ステップＳ３〜Ｓ７）により求められるポンプ４２のメタノール供給量が基準値から相対的に大きくずれているとして、当該供給量の補正を行う。具体的には、まず、ステップＳ１４において求めた値Δρが０より大きいか否かを判定する（ステップＳ１７）。
【００５４】
Δρが０より大きいことにより（ステップＳ１７においてＹｅｓ）、基準値ρ０よりも多くのメタノールが供給されることとなる場合には、ポンプ４２によるメタノール供給量を減少させる必要があるとして上記（２）式におけるポンプ４２の制御に係るデューティ比（Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））を所定割合減少させる（ステップＳ１８）。
【００５５】
一方、Δρが０以下であることにより（ステップＳ１７においてＮｏ）、基準値ρ０よりも少ないメタノールが供給されることとなる場合には、ポンプ４２によるメタノール供給量を増加させる必要があるとして上記（２）式におけるポンプ４２の制御に係るデューティ比（Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））を所定割合増加させる（ステップＳ１９）。
【００５６】
そして、ステップＳ１８又はＳ１９の後は、上述したステップＳ３〜Ｓ７を所定時間（例えば、１０分間）繰り返す（ステップＳ２０）。なお、この際、ステップＳ５において、メタノールタンク４１から燃料タンク３へ高濃度メタノールを供給する際のポンプ４２の暫定駆動時間Ｔｏｎ［ｓｅｃ］を算出する際のデューティ比は、ステップＳ１８又はＳ１９で所定割合減少又は増加させたデューティ比（Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））を用いて上記（３）式のＴｏｎを求める。そして、当該（３）式のＴｏｎを用いて上記（４）式のＴ´ｏｎを求める。
【００５７】
ステップＳ２０において、ステップＳ３〜Ｓ７を所定時間繰り返した後は、ステップＳ１３へ戻り当該ステップＳ１３以降の工程を行う。このようにして、ステップＳ１５にてメタノール濃度の測定値ρと、予め定めたメタノール濃度の基準値ρ０との差Δρの絶対値（｜Δρ｜）が所定の閾値Ｓ以下となるまで上記のステップＳ１７〜Ｓ２０を繰り返す。この間、ステップＳ１８又はＳ１９において、デューティ比（Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））の変更操作が行われることにより、図６に示すように、燃料タンク３内のメタノール濃度は、徐々に目標値へ近づくこととなる。なお、図６は、デューティ比（Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ））を計３回増加させた場合についてのイメージ図である。
【００５８】
図３に戻り、メタノール供給量の補正処理Ｓ９が終了すると、ステップＳ１０へ進む。そして、燃料電池システム１に対する停止指示が無い場合には（ステップＳ１０においてＮｏ）、上述のステップＳ３以降のステップを繰り返す。一方、燃料電池システム１に対する停止指示がある場合には（ステップＳ１０においてＹｅｓ）、燃料電池システム１を終了し（ステップＳ１１）、制御装置７の制御を終了する。
【００５９】
次に、本実施形態における燃料電池システム１の作用について説明する。
【００６０】
ダイレクトメタノール型燃料電池を有する燃料電池システムでは、高効率かつ安定した発電を行う上で液体燃料に含まれるメタノールの濃度制御が重要な要素となる。液体燃料に含まれるメタノール濃度が低すぎる場合には、燃料電池の膜電極接合体に十分量の燃料が供給されず、当該燃料電池における発電電力の低下を招く。一方、液体燃料に含まれるメタノール濃度が高すぎる場合には、クロスオーバー現象による発電効率の低下を招き、排熱量が増加することによって、システムがオーバーヒートする可能性が増加する。
【００６１】
このため、液体燃料中のメタノール濃度を高精度で制御することが求められる。この制御に際し、液体濃度センサを常時使用して液体燃料中のメタノール濃度を高精度で測定することは可能ではある。しかしながら、液体濃度センサは一般に寿命が短く、長時間動作させた際、誤差が増加してしまうため、液体濃度センサを常時使用することにより燃料電池システム全体が短寿命化する恐れがある。
【００６２】
これに対し、本実施形態における燃料電池システム１では、燃料タンク３内のメタノール濃度を調整するためのポンプ４２の制御に際し、主として燃料電池２の出力電流に基づく制御を行う（ステップＳ３〜Ｓ５）。そして、所定時間の経過を条件として、液体濃度センサ５を用いたメタノール供給量の補正処理を行う（ステップＳ９）。これにより、液体濃度センサ５を用いた補正による高精度なメタノールの濃度制御を実現しつつ、液体濃度センサ５を連続的ではなく断続的に使用することにより燃料電池システム１の安定化及び長寿命化を図ることができる。
【００６３】
また、本実施形態における燃料電池システム１では、メタノールタンク４１から燃料タンク３に高濃度メタノールを供給する際のポンプ４２の劣化度合いに基づくポンプ４２の駆動時間の補正を行う（ステップＳ２及びＳ６）。これにより、燃料タンク３内へのメタノール供給量をより高精度で制御することが可能となる。
【００６４】
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００６５】
例えば、上述の実施形態では、デューティ制御によりポンプ４２を駆動させることとしたが、ポンプ４２の制御方法は特にこれに限定されず、燃料電池２の電流値等に比例してポンプの流量を制御する比例制御としてもよい。
【００６６】
また、上述の実施形態では、燃料電池システム１の起動直後に１回のみポンプ４２の流量測定を流量センサ４３で行うこととしていたが、特にこれに限定されない。例えば、所定時間毎に当該流量測定を行い、その測定結果をポンプ４２の補正駆動時間の算出に用いることとしてもよい。また、例えば、流量センサ４３で流量測定を常時行い、当該測定結果を用いて燃料タンク３へのメタノール供給量をＰＩＤ制御することとしてもよい。なお、この場合のＰＩＤ制御とは、出力値と目標値との偏差とその積分及び微分の３つの要素によって構成されるフィードバック制御を示す。このような場合においても、上述の実施形態と同様の効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・燃料電池システム
２・・・燃料電池
２１・・・膜電極接合体
２１１・・・高分子電解質膜
２１２・・・アノード触媒層
２１３・・・カソード触媒層
２２・・・アノードセパレータ
２３・・・カソードセパレータ
２４・・・凝縮器
２５・・・ブロア
２６・・・フィルタ
３・・・燃料タンク
３１・・・ポンプ
３５・・・循環タンク
３６・・・ポンプ
４・・・メタノール供給装置
４１・・・メタノールタンク
４２・・・ポンプ
４３・・・流量センサ
５・・・液体濃度センサ
５１・・・ポンプ
６・・・電流センサ
６１・・・負荷
７・・・制御装置
Ｆ１〜Ｆ７・・・流路
【図１】
0006510836.tif 000002
【図２】
0006510836.tif 000003
【図３】
0006510836.tif 000004
【図４】
0006510836.tif 000005
【図５】
0006510836.tif 000006
【図６】
0006510836.tif 000007