(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と、
メタノールを含む液体燃料を収容する燃料タンクと、
前記燃料タンクに前記メタノールを供給するメタノール供給部と、
前記メタノール供給部による前記メタノールの供給量を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、
前記燃料タンクに接続され、前記燃料タンク内に存在するメタノール蒸気を少なくとも含む気体を前記燃料タンクの外部に導く第１の流路と、
前記第１の流路に設けられ、少なくとも前記メタノール蒸気を酸化反応させることが可能な反応部と、
前記燃料タンク内の前記液体燃料の温度を検出する第１の温度検出部と、
前記第１の流路における前記反応部の上流側の温度を検出する第２の温度検出部と、
前記第１の流路における前記反応部の下流側の温度を検出する第３の温度検出部と、を備え、
前記制御部は、
前記第２の温度検出部により検出された温度と前記第３の温度検出部により検出された温度との温度差の測定値を算出し、
前記第１の温度検出部により検出された温度と、前記測定値とに基づいて、前記メタノール供給部による前記メタノールの供給量を制御し、
前記燃料電池のカソードにおいて生成される生成気体を前記燃料タンクに導く第２の流路をさらに備え、
前記反応部は、前記生成気体を酸化反応させることが可能である燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電流値を検出する電流検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記電流検出部が検出した前記出力電流値に基づいて、前記メタノール供給部による前記メタノールの供給量を制御する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記第１の温度検出部により検出された温度と、前記液体燃料における前記メタノールの濃度の所定値とに基づいて、前記第１の流路における前記反応部の上流側の温度と前記第１の流路における前記反応部の下流側の温度との温度差の推定値を算出し、
前記推定値と前記測定値とに基づいて、前記メタノール供給部による前記メタノールの供給量を制御する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記測定値と前記推定値との差を示す差分値と、予め設定した基準値と、を比較し、前記差分値及び前記基準値の大小関係に基づいて、前記メタノールの供給量を制御する燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記反応部は、少なくとも触媒を有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】
一般に、液体濃度センサは寿命が短く、連続して使用し続けると当該液体濃度センサの動作が不安定となってしまう。このため、上記燃料電池装置においては、長期に亘って安定した液体燃料の濃度制御を行うことが困難となる、という問題がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、長期に亘って安定した液体燃料の濃度制御を行うことが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】
［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と、メタノールを含む液体燃料を収容する燃料タンクと、前記燃料タンクに前記メタノールを供給するメタノール供給部と、前記メタノール供給部による前記メタノールの供給量を制御する制御部と、を備え、前記燃料タンクに接続され、前記燃料タンク内に存在するメタノール蒸気を少なくとも含む気体を前記燃料タンクの外部に導く第１の流路と、前記第１の流路に設けられ、少なくとも前記メタノール蒸気を酸化反応させることが可能な反応部と、前記燃料タンク内の前記液体燃料の温度を検出する第１の温度検出部と、前記第１の流路における前記反応部の上流側の温度を検出する第２の温度検出部と、前記第１の流路における前記反応部の下流側の温度を検出する第３の温度検出部と、を備え、前記制御部は、前記第２の温度検出部により検出された温度と前記第３の温度検出部により検出された温度との温度差の測定値を算出し、前記第１の温度検出部により検出された温度と、前記測定値とに基づいて、前記メタノール供給部による前記メタノールの供給量を制御する燃料電池システムである。
【０００７】
［２］上記発明において、前記燃料電池の出力電流値を検出する電流検出部をさらに備え、前記制御部は、前記電流検出部が検出した前記出力電流値に基づいて、前記メタノール供給部による前記メタノールの供給量を制御してもよい。
【０００８】
［３］上記発明において、前記制御部は、前記第１の温度検出部により検出された温度と、前記液体燃料における前記メタノールの濃度の所定値とに基づいて、前記第１の流路における前記反応部の上流側の温度と前記第１の流路における前記反応部の下流側の温度との温度差の推定値を算出し、前記推定値と前記測定値とに基づいて、前記メタノール供給部による前記メタノールの供給量を制御してもよい。
【０００９】
［４］上記発明において、前記制御部は、前記測定値と前記推定値との差を示す差分値と、予め設定した基準値と、を比較し、前記差分値及び前記基準値の大小関係に基づいて、前記メタノールの供給量を制御してもよい。
【００１０】
［５］上記発明において、前記燃料電池のカソードにおいて生成される生成気体を前記燃料タンクに導く第２の流路をさらに備え、前記反応部は、前記生成気体を酸化反応させることが可能であってもよい。
【００１１】
［６］上記発明において、前記反応部は、少なくとも前記メタノール蒸気の酸化反応に用いられる触媒を有してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、制御部は、第２の温度検出部により検出された温度と第３の温度検出部により検出された温度との温度差の測定値を算出し、第１の温度検出部により検出された温度と、測定値とに基づいて、メタノール供給部によるメタノールの供給量を制御する。これにより、長期に亘って安定した液体燃料の濃度制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、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２】図２は、本発明の一実施の形態に係る制御部におけるデータ処理手順（その１）を示すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の一実施の形態に係る制御部におけるデータ処理手順（その２）を示すフローチャートである。
【図４】図４は、本発明の一実施の形態に係る制御部におけるデータ処理手順（その３）を示すフローチャートである。
【図５】図５は、本発明の一実施の形態に係る液体燃料におけるメタノール濃度と燃料電池システムの起動後の経過時間との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は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。
【００１６】
本実施形態におけ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の燃料電池を備え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３１と、ポンプ３２と、フィルタ３３と、ブロワ３４と、ポンプ３５と、凝縮部３６と、循環タンク３７と、反応部３８と、ポンプ３９と、第１〜第３の温度センサ４０，４１，４２と、電流センサ４３と、制御部４４と、を備えている。以下、図１を参照して、それぞれの構成について説明する。
【００１７】
本実施形態における「燃料電池システム１」が本発明における「燃料電池システム」の一例に相当し、本実施形態における「燃料電池２」が本発明における「燃料電池」の一例に相当し、本実施形態における「燃料タンク３１」が本発明における「燃料タンク」の一例に相当し、本実施形態における「ポンプ３５」が本発明における「メタノール供給部」の一例に相当し、本実施形態における「反応部３８」が本発明における「反応部」の一例に相当し、本実施形態における「第１の温度センサ４０」が本発明における「第１の温度検出部」の一例に相当し、本実施形態における「第２の温度センサ４１」が本発明における「第２の温度検出部」の一例に相当し、本実施形態における「第３の温度センサ４２」が本発明における「第３の温度検出部」の一例に相当し、本実施形態における「電流センサ４３」が本発明における「電流検出部」の一例に相当し、本実施形態における「制御部４４」が本発明における「制御部」の一例に相当する。
【００１８】
燃料電池２は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane electrode assembly）２１と、膜電極接合体２１を挟む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、略矩形のアノードガス拡散層２１４とカソードガス拡散層２１５を含んでいる。アノード触媒層２１２とアノードガス拡散層２１４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２１５がカソードを構成する。これらアノード及びカソードが、燃料電池２の一対の電極となる。
【００１９】
なお、図１に示す燃料電池２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１つのみ有する燃料電池として構成されているが、特に上述に限定されない。たとえば、一対のセパレータ２２，２３と、これらに挟持された膜電極接合体２１とから構成されたセルを複数積層してスタック状とし、当該セル同士を直接又は／及び並列に接続して、燃料電池２を構成してもよい。
【００２０】
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型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。たとえば、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（たとえば、米国Ｄｕｐｏｎｔ社製のｎａｆｉｏｎ（商品名、登録商標）、旭化成（株）社製のＡｃｉｌｅｘ（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。
【００２１】
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、水素イオン導電性を有する高分子電解質とで構成されている。
【００２２】
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については、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、たとえば、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。
【００２３】
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、アノードとカソードに同じ構成の電極触媒を用いても、異なる構成の電極触媒を用いてもよい。
【００２４】
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２１４及びカソードガス拡散層２１５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製作された、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、たとえば、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（ＰＥＡ）、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、基材に撥水処理を施してもよい。さらに、電子導電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、カソード及びアノードにおいて同じ構成のガス拡散層を用いても異なる構成のガス拡散層を用いてもよい。
【００２５】
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）が形成されている。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、カソードに酸化剤（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。
【００２６】
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、たとえば、複数の直線上溝部と、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。
【００２７】
本実施形態において、燃料タンク３１には、燃料電池２の液体燃料が収容されている。配管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２４１に当該燃料タンク３１からメタノールを含む液体燃料を供給する。一方、カソードセパレータ２３のカソード流路の入口２５１に配管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起電力が生じることになる。
【００２８】
本実施形態では、燃料電池２のアノード側に供給される液体燃料は、燃料タンク３１から配管Ｆ１に設けられたポンプ３２により燃料電池２のアノード流路の入口２４１に移送される。アノードで生成された生成物及び反応に寄与しなかった未反応メタノール（メタノール蒸気を含む。）は、アノード流路の出口２４２から配管Ｆ３を介して燃料タンク３１に戻される。ポンプ３２としては、公知のダイアフラム型ポンプやプランジャーポンプを例示することができる。このポンプ３２の作動及び停止は、制御部４４からの制御信号に基づいて制御される。
【００２９】
ここで、アノードで生成される生成物には、上記［数１］式のとおり主として二酸化炭素が含まれるが、メタノールが完全酸化されずに反応中間体として副生されるホルムアルデヒドや蟻酸（以下、副生物とも称する。）も含まれる場合がある。本実施形態では、このような副生物も、アノード流路の出口２４２から配管Ｆ３を介して燃料タンク３１に送られる。
【００３０】
一方、燃料電池のカソード側に供給される酸化剤（空気）は、配管Ｆ２に設けられたブロワ３４により外部から燃料電池２のカソード流路の入口２５１に移送される。なお、配管Ｆ２には空気に含まれる塵埃等を除去するフィルタ３３が設けられている。カソードで生成された水、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（メタノール蒸気を含む。）、及び空気は、カソード流路の出口２５２から配管Ｆ４を介して燃料タンク３１に戻される。本実施形態における「配管Ｆ４」が本発明における「第２の流路」の一例に相当する。
【００３１】
ここで、カソードにおいては、膜電極接合体２１を透過した未反応メタノールが、当該カソードに供給される空気との間で酸化反応を生じさせる場合がある。このため、カソードにおいても二酸化炭素が生成されることがあるが、当該二酸化炭素が生成される過程においても、アノードの場合と同様、副生物（ホルムアルデヒドや蟻酸）が生成される場合がある。本実施形態では、カソードの副生物（ホルムアルデヒドや蟻酸）も、カソード流路の出口２５２から配管Ｆ４を介して燃料タンク３１に送られる。本実施形態における「カソードの副生物」が本発明における「生成気体」の一例に相当する。
【００３２】
燃料タンク３１に送られるアノードの排出物（アノードの生成物（副生物を含む。）及び未反応メタノールを含む。）及び燃料タンク３１に送られるカソードの排出物（カソードの生成物（副生物を含む。）、水、未反応メタノール、及び空気を含む。）は、燃料タンク３１において気相と液相に分離される。具体的には、燃料電池２から送られた二酸化炭素、メタノール蒸気、ホルムアルデヒド、蟻酸、及び空気等の気相成分は、燃料タンク３１内に移送された後、液体燃料の液面に浮上して液相成分と分離される。なお、凝縮した水やメタノールは、液体燃料中に残る。
【００３３】
燃料タンク３１内に存在する気体には、上述の気相成分の他に、液体燃料の液面から揮発したメタノール蒸気が含まれている。一般に、液体燃料におけるメタノール濃度が高いほど、メタノールの揮発量は増加する。したがって、本実施形態では、燃料タンク３１内に存在する気体におけるメタノール濃度は、液体燃料におけるメタノール濃度と正の相関関係を有している。
【００３４】
燃料タンク３１には、第１の温度センサ４０が設けられている。この第１の温度センサ４０は、燃料タンク３１に収容される液体燃料の温度を検出することができる。第１の温度センサ４０による検出結果は制御部４４に検出信号として送出される。このような第１の温度センサ４０としては、たとえば、サーミスタや熱電対等を用いることができる。
【００３５】
外部メタノールタンク５０には、高濃度のメタノールが貯蔵されている。このメタノールは、外部メタノールタンク５０と燃料タンク３１との間に設けられた配管Ｆ５を介して、当該配管Ｆ５に設けられたポンプ３５により燃料タンク３１へ供給される。ポンプ３５としては、ポンプ３２と同様のものを例示することができる。このポンプ３５の作動及び停止は、制御部４４からの制御信号に基づいて制御される。
【００３６】
本実施形態の燃料タンク３１は、配管Ｆ６を介して循環タンク３７に接続されている。この配管Ｆ６は、燃料タンク３１内に存在する気体を当該燃料タンク３１の外部（本実施形態では、循環タンク３７）に導く機能を有している。このような配管Ｆ６には、反応部３８と凝縮部３６とが設けられている。本実施形態における「配管Ｆ６」が本発明における「第１の流路」の一例に相当する。
【００３７】
反応部３８は、触媒３８１を有している。この触媒３８１は、燃料タンク３１から流入する気体の酸化反応に用いられ、当該気体に含まれるメタノール蒸気、ホルムアルデヒド、及び蟻酸等を酸化反応させることが可能となっている。このような触媒３８１としては、比較的低温状態（たとえば、５０℃）で、少なくともメタノールの酸化反応に利用できるものが好ましく、具体的には、白金微粒子をカーボン担体に担持したものを用いることができる。触媒３８１の形状としては、特に限定されず、粒状であってもよいし、板状であってもよい。
【００３８】
反応部３８においては、触媒３８１を利用して気体に含まれるメタノール蒸気と空気との間で、
［数３］
２ＣＨ３ＯＨ＋３Ｏ２  →  ２ＣＯ２＋４Ｈ２Ｏ
という化学反応（酸化反応）が生じる。
【００３９】
本実施形態では、上記化学反応により反応部３８が発熱する。反応部３８では、気体におけるメタノール濃度が高いほど、上記［数３］式の化学反応が進行し、当該反応部３８における発熱量が大きくなる。この反応部３８の発熱により、当該反応部３８を通過する気体が加熱される。ここで、配管Ｆ６の下流では反応部３８で加熱された気体が流通されるため、この加熱された気体が流通する分だけ配管Ｆ６の上流よりも高温となる。したがって、配管Ｆ６においては、反応部３８の上流側及び下流側間で気体の温度に温度差が生じる。なお、「上流側」及び「下流側」とは、配管Ｆ６において気体の流れ方向を基準とし、より具体的には、配管Ｆ６においてメタノールタンク３１と反応部３８との間の箇所を「反応部３８の上流側」と称し、配管Ｆ６において凝縮部３６と反応部３８との間の箇所を「反応部３８の下流側」と称する。
【００４０】
なお、反応部３８においては、上記［数３］式の他に、副生物についても空気を利用した酸化反応が行われる。この場合、副生物の量は、メタノール蒸気の量に比べて格段に小さいため、反応部３８における発熱は、メタノール蒸気の酸化による発熱のみを考慮して近似することができる。
【００４１】
反応部３８と循環タンク３７との間には、凝縮部３６が設けられており、反応部３８で生じた水蒸気を液化して循環タンク３７に送る機能を有している。循環タンク３７に貯蔵された水は、当該循環タンク３７と燃料タンク３１との間に設けられた配管Ｆ７を介して当該配管Ｆ７に設けられたポンプ３９により燃料タンク３１に供給される。なお、燃料電池システム１内で生じた二酸化炭素ガスは、循環タンク３７に送られた後、排気管Ｆ８を介して系外へ排出される。ポンプ３９としては、ポンプ３２と同様のものを例示することができる。
【００４２】
本実施形態の配管Ｆ６には、燃料タンク３１と反応部３８との間に第２の温度センサ４１が設けられている。また、配管Ｆ６には、反応部３８と凝縮部３６との間に第３の温度センサ４２が設けられている。第２の温度センサ４１は、配管Ｆ６における反応部３８の上流側の温度を検出している。第３の温度センサ４２は、配管Ｆ６における反応部３８の下流側の温度を検出している。これら第２及び第３の温度センサ４１，４２による検出結果は制御部４４に出力信号として送出される。このような第２及び第３の温度センサ４１，４２としては、たとえば、サーミスタや熱電対等を用いることができる。
【００４３】
本実施形態における燃料電池２の電極は、電流センサ４３を介して外部負荷５１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４３による測定結果は、制御部４４に出力信号として送出される。
【００４４】
各種センサ類からの検出信号は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェース等を含んで構成されるマイクロコンピュータからなる制御部４４に入力される。制御部４４は、センサ類からの信号に基づいて各種ポンプやブロワの動作を制御しており、特に、第１〜第３の温度センサ４０，４１，４２及び電流センサ４３からの出力信号に基づいて、ポンプ３５による燃料タンク３１へのメタノールの供給量を増減することで、燃料電池２に供給される液体燃料におけるメタノール濃度の濃度制御（以下、「液体燃料の濃度制御）とも称する。）を行っている。
【００４５】
本実施形態の制御部４４は、液体燃料の濃度制御として、（１）燃料電池システム１の起動後、反応部３８（触媒３８１）が所定の温度まで昇温するまでの間に実行される濃度制御（以下、「暖気濃度制御」とも称する。）と、（２）燃料電池システム１の起動後、下記（１）式に基づいて実行される濃度制御（以下、「通常濃度制御」とも称する。）と、（３）暖気濃度制御が終了した後の燃料電池システム１の運転（以下、「通常運転」とも称する。）時において、反応部３８の上流側及び下流側の温度差に基づいて実行される濃度制御（以下、「補正濃度制御」とも称する。）と、を行うものである。
【００４６】
このような制御部４４による液体燃料の濃度制御は、図２〜図４に示す制御ルーチンによって実行される。
【００４７】
本実施形態では、制御部４４による液体燃料の濃度制御は、燃料電池システム１が起動することにより開始されるものであり、当該濃度制御として、まず、上述の暖気濃度制御が実行される。この暖気濃度制御では、図２に示すように、まず、燃料電池システム１が起動すると（ステップＳ１１）、制御部４４は、ポンプ３２及びブロワ３４を動作させる制御信号を送出する。これにより、メタノールを含む液体燃料および酸化剤（空気）が燃料電池２に供給され、これによって、燃料電池２においては、上記［数１］式及び［数２］式の化学反応が生じ、燃料電池２による発電が開始される。
【００４８】
次に、ステップＳ１２では、電流センサ４３は、燃料電池２が出力する出力電流値Ｉを検出する。そして、電流センサ４３は、当該出力電流値Ｉを制御部４４に送出する。なお、電流センサ４３による出力電流値Ｉの検出は、数秒〜数十秒間隔で実行される。
【００４９】
次に、ステップＳ１３では、制御部４４は、電流センサ４３から送られた出力電流値Ｉに基づいて、外部メタノールタンク５０から燃料タンク３１に送るメタノールの供給量を算出する。
【００５０】
燃料電池２が発電を開始すると、液体燃料中のメタノールが消費されるので、当該液体燃料におけるメタノール濃度が低下する。このため、本実施形態の制御部４４は、燃料電池システム１内の液体燃料におけるメタノール濃度を所定の値（以下、「基準燃料濃度Ｃ０」とも称する。）に保つため、外部メタノールタンク５０から燃料タンク３１へメタノールを供給する制御信号をポンプ３５に出力する。なお、基準燃料濃度Ｃ０は、燃料電池２の性能を維持するために必要な液体燃料におけるメタノール濃度であり、実験的に求められる。
【００５１】
本実施形態では、制御部４４は、ポンプ３５による燃料タンク３１に対するメタノールの供給量Ｌ（理論値）を下記（１）式により算出する。
Ｌ＝α＋β×Ｉ…（１）
但し、上記（１）式において、Ｌは基準燃料濃度Ｃ０を維持するために必要なポンプ３５による燃料タンク３１に対する単位時間当たりのメタノールの供給量であり、αはクロスオーバー現象により単位時間当たりに当該燃料タンク３１から消失するメタノール量であり、βは燃料電池システム１によって定まる定数であり、Ｉは燃料電池２の出力電流値である。なお、上記（１）式のαは、燃料電池２の材料や設置条件等に応じた値である。βは、予め実験的に求めた値を用いる。なお、α及び／又はβを第１の温度センサ４０により検出される液体燃料の温度Ｔｆに基づく関数としてもよい。
【００５２】
次いで、ステップＳ１４では、制御部４４は、上記（１）式により算出された単位時間当たりのメタノールの供給量Ｌのメタノールを供給する制御信号をポンプ３５に出力し、これによりポンプ３５が駆動する。この場合、燃料電池システム１が起動した直後では、液体燃料の温度が低いためクロスオーバー現象により燃料タンク３１から消失するメタノール量が上記（１）式のαの値よりも小さい。このため、上記（１）式に基づいてポンプ３５を駆動させると、燃料電池システム１内の液体燃料におけるメタノール濃度が基準燃料濃度Ｃ０よりも大きくなる。
【００５３】
このように、暖気濃度制御では、液体燃料におけるメタノール濃度が基準燃料濃度Ｃ０よりも増加する傾向にあるため、燃料電池２においてクロスオーバー現象が加速され、当該燃料電池２での発熱量が増加する。この結果、燃料電池２における発熱量が、通常運転時における燃料電池２の発熱量に比べて大きくなる。
【００５４】
燃料電池２からの排出物は、当該燃料電池２で５０℃〜８０°に加熱された状態で燃料タンク３１に送られる。そして、燃料タンク３１内で分離された燃料電池２の排出物の気相成分が配管Ｆ６を介して反応部３８へ送られ、当該反応部３８の触媒３８１が加熱される。
【００５５】
一般に、触媒温度が高いほど当該触媒におけるメタノール蒸気の酸化反応が促進される。本実施形態では、燃料電池２における発熱量を大きくして、燃料電池２の排出物を加熱する。そして、当該加熱された排出物に含まれる気相成分を触媒３８１に向けて送り込み、当該触媒３８１を昇温させている。このように、本実施形態では、燃料電池２で生じる熱エネルギを触媒３８１の昇温エネルギとして有効に活用している。
【００５６】
次に、ステップＳ１５では、第２の温度センサ３９は、検出した温度Ｔ１を制御部４４に送出する。ここでは、第２の温度センサ３９により検出された温度Ｔ１は、触媒３８１の温度を推定するために用いる。
【００５７】
次に、ステップＳ１６では、制御部４４は、第２の温度センサ３９により検出された温度Ｔ１と温度閾値Ｔｃとを比較する。温度閾値Ｔｃは、触媒３８１がメタノール蒸気を酸化反応させるのに適した温度の下限値である。
【００５８】
このステップＳ１６において、第２の温度センサ３９が検出した温度Ｔ１が、温度閾値Ｔｃ以上の場合、ステップＳ１７に進む。ここでは、制御部４４は、触媒３８１の温度が十分に昇温したとして暖気濃度制御を終了する。燃料電池システム１は通常運転を開始する。
【００５９】
一方、第２の温度センサ３９により検出した温度Ｔ１が、温度閾値Ｔｃよりも小さい場合、ステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２〜ステップＳ１６を繰り返す。この場合、再度検出した出力電力値Ｉに基づいて、ポンプ３５による燃料タンク３１に対するメタノールの供給量を再度算出する。ステップＳ１２〜ステップ１６を繰り返す際にポンプ３５によるメタノールの供給量が変化した場合、制御部４４は、ポンプ３５のデューティ比を変化させてメタノールの供給量を調整してもよいし、ポンプ３５の回転数を変化させてメタノールの供給量を調整してもよい。
【００６０】
次に、燃料電池システム１の通常運転時における制御部４４による液体燃料の濃度制御について説明する。
【００６１】
本実施形態において、燃料電池システム１の通常運転は、燃料電池システム１の反応部３８（触媒３８１）の温度が温度閾値Ｔｃ以上（第２の温度センサ３９により検出された温度Ｔ１がＴｃ以上）である場合に実行される。
【００６２】
ここでは、図３に示すように、まず、ステップＳ２１として、第１の温度センサ４０は、燃料タンク３１内の液体燃料の温度Ｔｆを検出し、検出結果を制御部４４に送出する。また、第２の温度センサ４１は、配管Ｆ６における反応部３８の上流側の温度Ｔ１を検出し、検出結果を制御部４４に送出する。同様に、第３の温度センサ４２は、配管Ｆ６における反応部３８の下流側の温度Ｔ２を検出し、検出結果を制御部４４に送出する。
【００６３】
次いで、ステップＳ２２として、制御部４４は、配管Ｆ６における反応部３８の下流側の温度Ｔ２から、配管Ｆ６における反応部３８の上流側の温度Ｔ１を減算処理して、これら温度Ｔ１とＴ２との温度差の測定値ΔＴ２１（ΔＴ２１＝Ｔ２−Ｔ１）を算出する。
【００６４】
燃料電池システム１の通常運転時においては、触媒３８１は十分に昇温されており、活性状態となっている。そして、反応部３８にメタノール蒸気を含む気体が流入すると、上記［数３］式の化学反応が促進され、当該反応部３８がさらに発熱した状態となる。反応部３８に流入する気体は、当該反応部３８を通過することで加熱される。これにより、配管Ｆ６では、反応部３８の上流側及び下流側において温度差が生じている。本実施形態では、第２及び第３の温度センサ４１，４２の検出結果から反応部３８の上流側及び下流側の温度差を算出して、当該温度差を液体燃料におけるメタノールの濃度制御に用いる。なお、本実施形態における反応部３８に流入する気体の温度は、５０℃〜８０℃であり、反応部３８から流出する気体の温度は、約１００℃である。
【００６５】
また、ステップＳ２２では、本実施形態の制御部４４は、第１の温度センサ４０により検出した液体燃料の温度Ｔｆと、基準燃料濃度Ｃ０とに基づいて、配管Ｆ６における反応部３８の上流側の温度と、配管Ｆ６における反応部３８の下流側の温度との温度差の推定値ΔＴ０（ΔＴ０＝ｆ（Ｔｆ，Ｃ０））を算出する。
【００６６】
次に、ステップＳ２３として、制御部４４は、推定値ΔＴ０から測定値ΔＴ２１を減算処理した値ΔＴの絶対値｜ΔＴ｜（｜ΔＴ｜＝｜ΔＴ２１−ΔＴ０｜）を求める。以下の説明では、推定値ΔＴ０から測定値ΔＴ２１を減算処理した値ΔＴの絶対値｜ΔＴ｜を「差分値｜ΔＴ｜」とも称する。そして、制御部４４は、差分値｜ΔＴ｜と予め制御部４４で設定された基準値Ｄ以上とを比較して、当該差分値｜ΔＴ｜が基準値Ｄ以上であるか否かを判定する。この基準値Ｄは、図５に示すように、燃料電池システム１を動作させるに際し、測定値ΔＴ２１の推定値ΔＴ０に対するずれの程度として許容される範囲を定めたものであり、液体燃料におけるメタノール濃度に基づいて実験的に求められるものである。なお、基準値Ｄは０でもよい。
【００６７】
図３に示すように、差分値｜ΔＴ｜が基準値Ｄ以上である場合、制御部４４は、補正濃度制御を実行する（ステップＳ２４）。制御部４４による補正濃度制御については、後に詳細に説明する。一方、差分値｜ΔＴ｜が基準値Ｄよりも小さい場合、制御部４４は、通常濃度制御を実行する（ステップＳ２５）。通常濃度制御では、制御部４４は、上記（１）式に基づいて液体燃料におけるメタノール濃度を調整する。なお、燃料電池システム１では、暖気濃度制御が終了しているので、液体燃料の温度が十分に昇温されている。このため、たとえば、外気温や、燃料電池システム１自体の劣化（たとえば、各種ポンプ等の劣化等）等の要因によって、上記（１）式のαの値やβの値に変動が生じたりする場合を除いて、燃料電池システム１内の液体燃料におけるメタノール濃度が基準燃料濃度Ｃ０に維持される。
【００６８】
次に、本実施形態の制御部４４による補正濃度制御の詳細について説明する。
【００６９】
本実施形態の補正濃度制御では、図４に示すように、まず、ステップＳ３１として、推定値ΔＴ０と測定値ΔＴ２１とを比較する。そして、測定値ΔＴ２１が推定値ΔＴ０よりも大きい場合、ステップＳ３２に進む。一方、測定値ΔＴ２１が推定値ΔＴ０以下の場合、ステップＳ３３に進む。
【００７０】
ステップＳ３２では、測定値ΔＴ２１が推定値ΔＴ０よりも大きい。これは、反応部３８での上記［数３］式の化学反応が進み当該反応部３８が発熱することで、測定値ΔＴ２１が、推定される値よりも大きくなったためである。このような反応部３８の上流側及び下流側間の過大な温度差は、たとえば、外気温や、燃料電池システム１自体の劣化等の要因によって、上記（１）式のαやβの値に変動が生じ、液体燃料におけるメタノール濃度が基準燃料濃度Ｃ０よりも高くなることに起因する。したがって、本実施形態の制御部４４は、下記（２）式に基づいて、ポンプ３５によるメタノールの供給量を上記（１）式に基づく供給量よりも減少させる。これにより、液体燃料におけるメタノール濃度は、基準燃料濃度Ｃ０に近づく。
Ｌ＝（１−δ）（α＋β×Ｉ）…（２）
但し、上記（２）式において、δは実験的に求められる値である。
【００７１】
一方、ステップＳ３３では、測定値ΔＴ２１が推定値ΔＴ０以下である。これは、反応部３８での上記［数３］式の化学反応が進まず当該反応部３８が十分に発熱しないため、測定値ΔＴ２１が、推定される値よりも小さくなったためである。このような反応部３８の上流側及び下流側間の過少な温度差は、たとえば、外気温や、燃料電池システム１自体の劣化等の要因によって、上記（１）式のαやβの値に変動に生じ、液体燃料におけるメタノール濃度が基準燃料濃度Ｃ０よりも低くなることに起因する。したがって、本実施形態の制御部４４は、下記（３）式に基づいて、ポンプ３５によるメタノールの供給量を上記（１）式に基づく供給量よりも増加させる。これにより、液体燃料におけるメタノール濃度は、基準燃料濃度Ｃ０に近づく。
Ｌ＝（１＋δ）（α＋β×Ｉ）…（３）
【００７２】
図３に戻り、補正濃度制御が終了すると、上述のステップＳ２１に戻り、当該ステップＳ２１移行のステップを繰り返す。燃料電池システム１は、たとえば、制御部４４に停止信号が入力されるまで、運転を継続する。
【００７３】
本実施形態の燃料電池システム１は、以下の効果を奏する。
【００７４】
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。たとえば、液体燃料に含まれるメタノール濃度が十分に制御されていない場合には、燃料電池の膜電極接合体に適切量の燃料が供給されず、当該燃料電池の発電能力に不良を招く。
【００７５】
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、長期に亘って動作させると動作が不安定となり易い。このため、液体濃度センサを上記使用することにより、燃料電池システムにおいて長期に亘って安定した液体燃料の濃度制御を行うことが困難となる。
【００７６】
これに対し、本実施形態では、燃料タンク３１にメタノールを供給すポンプ３５を制御する制御部４４は、第２の温度センサ４１により検出された温度Ｔ１と第３の温度センサ４２により検出された温度Ｔ２との温度差の測定値ΔＴ２１を算出し、第１の温度センサにより検出された温度Ｔｆと、測定値ΔＴ２１とに基づいて、ポンプ３５によるメタノールの供給量を制御している。
【００７７】
具体的には、本実施形態の制御部４４は、第１の温度センサ４０により検出された温度Ｔｆに基づいて、配管Ｆ６における反応部３８の上流側の温度と配管Ｆ６における反応部３８の下流側の温度との温度差の推定値ΔＴ０を算出する。そして、測定値ΔＴ２１及び推定値ΔＴ０の差を示す差分値｜ΔＴ｜と予め設定した基準値Ｄと比較して、これらの大小関係に基づいて、通常濃度制御及び補正濃度制御のいずれを実行するかを判断している。
【００７８】
そして、通常濃度制御では、液体燃料のメタノール濃度が基準燃料濃度Ｃ０を維持するように、上記（１）式により求められるメタノールの供給量をポンプ３５により供給する。一方、補正濃度制御では、測定値ΔＴ２１と推定値ΔＴ０とを比較し、これらの大小関係に基づいて、液体燃料のメタノール濃度を基準燃料濃度Ｃ０に近づけるように、ポンプ３５によるメタノールの供給量を増減している。
【００７９】
このように、本実施形態では、液体濃度センサを使用することなく、長期に亘って安定した液体燃料の濃度制御を行うことができる。
【００８０】
また、本実施形態では、燃料電池２で副生される副生物（ホルムアルデヒド及び蟻酸）も、反応部３８において酸化反応させている。このホルムアルデヒド及び蟻酸は、揮発性有機化合物（ＶＯＣ：Volatile organic compounds）であるが、本実施形態では、反応部３８において、副生物を酸化反応させることが可能であるため、ＶＯＣである当該副生物が燃料電池システム１の外部に漏えいするのを抑制することができる。
【００８１】
なお、本実施形態における暖気濃度制御では、反応部３８の上流側及び下流側の温度差に基づく濃度制御は行わない。これは、燃料電池システム１の起動直後では、反応部に送り込まれる気体の温度が低いため、当該反応部においてメタノール蒸気を十分に酸化させることが困難なためである。
【００８２】
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。
【００８３】
たとえば、燃料電池システム内の温度を第１〜第３の温度センサにより常時監視し、これら温度センサの検出結果を用いて燃料タンク３１へのメタノール供給量を制御部４４が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。
【００８４】
また、本実施形態の燃料電池システム１は、電流センサ４３を備えているが、特にこれに限定されず、電流センサ４３を有していなくてもよい。この場合、制御部４４は、電流センサ４３により検出される出力電流値によらず、各種温度センサ４０，４１，４２からの検出結果を用いて燃料タンク３１へのメタノール供給量を制御する。
【００８５】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、配管Ｆ４は、カソード流路の出口２５２と燃料タンク３１と接続しているが、特にこれに限定されず、カソード流路の出口２５２と循環タンク３７とを接続してもよい。
【符号の説明】
【００８６】
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
２１４  …  アノードガス拡散層
２１５  …  カソードガス拡散層
２２  …  アノードセパレータ
２３  …  カソードセパレータ
３１  …  燃料タンク
３２  …  ポンプ
３３  …  フィルタ
３４  …  ブロワ
３５  …  ポンプ
３６  …  凝縮部
３７  …  循環タンク
３８  …  反応部
３８１  …  触媒
３９  …  ポンプ
４０  …  第１の温度センサ
４１  …  第２の温度センサ
４２  …  第３の温度センサ
４３  …  電流センサ
４４  …  制御部
Ｆ１〜Ｆ８  …  配管
５０  …  外部メタノールタンク
５１  …  外部負荷
【図１】
0006577363.tif 000002
【図２】
0006577363.tif 000003
【図３】
0006577363.tif 000004
【図４】
0006577363.tif 000005
【図５】
0006577363.tif 000006