(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともプロトン導電性高分子固体電解質膜と燃料極と空気極とを備えたＭＥＡをセパレータを介して複数積層した燃料電池スタックを、空気と液体燃料とで駆動すると共に、少なくともプロトン導電性高分子固体電解質膜と燃料極と空気極とを備えたＭＥＡに、セパレータから空気と液体燃料を供給するようにしたモニタセルを、前記燃料電池スタックに取り付け、
かつ前記モニタセルに抵抗を接続して、液体燃料濃度が最適値よりも高くても低くても最適燃料濃度よりも出力が低下する、大電流領域で駆動することにより、液体燃料濃度が最適値から外れていることを検出し、
さらに液体燃料濃度が最適値から高濃度側に外れているか、低濃度側に外れているかを前記モニタセルの出力の挙動から判別するための判別手段を設けた、直接液体燃料形燃料電池システム。
【請求項２】
前記判別手段では、高濃度液体燃料を補給した後の前記モニタセルの出力の挙動から、液体燃料濃度が最適値から高濃度側に外れているか低濃度側に外れているかを判別するようにしたことを特徴とする、請求項１の直接液体燃料形燃料電池システム。
【請求項３】
前記判別手段では、前記抵抗を小さな値から大きな値に切り替えることにより、液体燃料濃度が最適値から高濃度側に外れているか低濃度側に外れているかを判別するようにしたことを特徴とする、請求項１の直接液体燃料形燃料電池システム。
【請求項４】
直接液体燃料形燃料電池を液体燃料濃度が最適値から高濃度側に外れている条件で起動し、かつ液体燃料濃度が最適値から低濃度側にシフトしないように制御することにより、判別手段の出力を高濃度側に保つようにしたことを特徴とする、請求項１の直接液体燃料形燃料電池システム。  
【請求項５】
前記モニタセルを、燃料電池スタック中の他のセルと、共通のＭＥＡと共通のセパレータとを用いて構成したことを特徴とする、請求項１ 〜 ４のいずれかの直接液体燃料形燃料電池システム。
【請求項６】
少なくともプロトン導電性高分子固体電解質膜と燃料極と空気極とを備えたＭＥＡをセパレータを介して複数積層した燃料電池スタックを空気と液体燃料とで駆動すると共に、少なくともプロトン導電性高分子固体電解質膜と燃料極と空気極とを備えたＭＥＡに、セパレータから空気と液体燃料を供給するようにしたモニタセルを、前記燃料電池スタックに取り付け、
かつ前記モニタセルに抵抗を接続すると共に、前記モニタセルを液体燃料の供給を制限した条件で駆動することにより、液体燃料濃度が最適値から外れていることを検出することを特徴とする直接液体燃料形燃料電池システム。
【請求項７】
前記モニタセルのＭＥＡ並びに燃料電池スタックの他のＭＥＡは、燃料極と空気極の各々のプロトン導電性高分子固体電解質膜の反対側に、拡散制御膜を備え、
かつモニタセルの燃料極側の拡散制御膜の通液性を、他のＭＥＡの燃料極側の拡散制御膜よりも低くすることにより、モニタセルへの液体燃料の供給を制限することを特徴とする、請求項６の直接液体燃料形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、メタノール、イソプロパノール、ブタノール、ジメチルエーテルなどの有機溶媒を例えば水と混合して液体燃料とし燃料極に直接供給する、直接液体燃料形燃料電池システムに関する。この明細書では、直接液体形燃料電池システムを単に燃料電池システムということがあり、またプロトン導電性高分子固体電解質膜を単にプロトン導電体膜ということがある。
【背景技術】
【０００２】
直接液体燃料形燃料電池システムでは、液体燃料中の燃料濃度、例えばメタノール−水燃料でのメタノール濃度の管理が必要である。燃料濃度のセンサとしてＭＥＡを用いたセンサを、燃料電池スタックとは別に設け、センサのＭＥＡに定電圧を加えて、出力電流を監視することが提案されている。しかしながらこの手法ではスタックとは別に燃料濃度のセンサを必要とし、そのＭＥＡには定電圧が加えられているため短寿命である。なおＭＥＡは、プロトン導電性高分子固体電解質膜と燃料極及び空気極の複合体であり、カーボンシートなどで燃料極や空気極を支持する場合、カーボンシートもＭＥＡに含めることがある。また燃料電池スタックはＭＥＡとセパレータとからなる単セルを直列に接続したもので、簡単のために単にスタックということがある。  
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この発明の課題は、燃料電池スタックとは別体の燃料センサを用いずに、液体燃料濃度を検出できるようにすることにある。
この発明での追加の課題は、液体燃料濃度が最適値から外れていることを検出するモニタセルを用いて、液体燃料濃度が最適値から低濃度側に外れているのか高濃度側に外れているのかを判別し、液体燃料濃度にフィードバックできるようにすることにある。
この発明での他の追加の課題は、燃料電池スタックのＭＥＡやセパレータを用いて簡単に液体燃料濃度を測定するモニタセルを構成できるようにすることにある。
この発明でのさらに他の追加の課題は、モニタセルのＭＥＡを僅かに変更することで、液体燃料濃度が最適値から低濃度側に外れているのか高濃度側に外れているのかを識別できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明の直接液体燃料形燃料電池システムは、少なくともプロトン導電性高分子固体電解質膜と燃料極と空気極とを備えたＭ Ｅ Ａ をセパレータを介して複数積層した燃料電池スタックを、空気と液体燃料とで駆動すると共に、少なくともプロトン導電性高分子固体電解質膜と燃料極と空気極とを備えたＭ Ｅ Ａ に、セパレータから空気と液体燃料を供給するようにしたモニタセルを、前記燃料電池スタックに取り付け、かつ前記モニタセルに抵抗を接続して、液体燃料濃度が最適値よりも高くても低くても最適燃料濃度よりも出力が低下する、大電流領域で駆動することにより、液体燃料濃度が最適値から外れていることを検出し、さらに液体燃料濃度が最適値から高濃度側（ リッチＲ ） に外れているか、低濃度側（ リーンＬ ） に外れているかを前記モニタセルの出力の挙動から判別するための判別手段を設けたものである。
【０００５】
好ましくは、前記判別手段では、高濃度液体燃料を補給した後の前記モニタセルの出力の挙動から、液体燃料濃度が最適値から高濃度側に外れているか低濃度側に外れているかを判別する。高濃度液体燃料を補給すると、リッチの場合モニタセルの出力は最適濃度に近づかないが、リーンでは出力は最適濃度の出力に近づく。
また好ましくは、前記判別手段では、前記抵抗を小さな値から大きな値に切り替えることにより、液体燃料濃度が最適値から高濃度側に外れているか低濃度側に外れているかを判別する。抵抗の値を小さくすると、燃料濃度が低いほどモニタセルの出力は増す（図５）ので、リッチかリーンかを判別できる。
好ましくは、直接液体燃料形燃料電池を液体燃料濃度が最適値から高濃度側に外れている条件で起動し、かつ液体燃料濃度が最適値から低濃度側にシフトしないように制御することにより、判別手段の出力を高濃度側に保つようにする。直接液体燃料形燃料電池システムでは起動を容易にするため、当初最適濃度よりも高い燃料濃度で起動することがある。そこで最適濃度よりも高い燃料濃度で起動し、以降は最適濃度よりも低い濃度に燃料濃度が変化しないように制御すれば、リッチかリーンかを判別できないモニタセルでも、最適燃料濃度ないしこれよりもやや高い燃料濃度で直接液体燃料形燃料電池システムを制御できる。なお、燃料電池を最適値から低濃度側に外れている条件で起動すると、スタックの温度上昇が遅れて起動に要する時間がかかるだけでなく、転極等によってセルを劣化させることがあるため、好ましくない。
【０００６】
好ましくは、前記モニタセルを、燃料電池スタック中の他のセルと、共通のＭＥＡと共通のセパレータとを用いて構成する。モニタセルには、燃料電池スタックの他のセル（ＭＥＡとセパレータとからなる単電池）と異なる部材を用いても良いが、同じＭＥＡと空気供給や燃料供給のパターンが同じセパレータを用いると、製造が簡単である。
【０００７】
この発明の直接液体燃料形燃料電池システムはまた、少なくともプロトン導電性高分子固体電解質膜と燃料極と空気極とを備えたＭ Ｅ Ａ をセパレータを介して複数積層した燃料電池スタックを空気と液体燃料とで駆動すると共に、少なくともプロトン導電性高分子固体電解質膜と燃料極と空気極とを備えたＭ Ｅ Ａ に、セパレータから空気と液体燃料を供給するようにしたモニタセルを、前記燃料電池スタックに取り付け、かつ前記モニタセルに抵抗を接続すると共に、前記モニタセルを液体燃料の供給を制限した条件で駆動することにより、液体燃料濃度が最適値から外れていることを検出する。
【０００８】
モニタセルへの液体燃料の供給を制限するには、モニタセルのセパレータの燃料供給溝を他のセルの溝よりも絞ってやればよい。しかしながら溝の断面積を変え、あるいは溝を部分的に詰めると、その再現性に問題が生じる。そこで好ましくは、前記モニタセルのＭＥＡ並びに燃料電池スタックの他のＭＥＡは、燃料極と空気極の各々のプロトン導電性高分子固体電解質膜の反対側に、拡散制御膜を備え、かつモニタセルの燃料極側の拡散制御膜の通液性を、他のＭＥＡの燃料極側の拡散制御膜よりも低くすることにより、モニタセルへの液体燃料の供給を制限する。例えばモニタセルで燃料極側のカーボンシートの枚数を他のセルよりも増すと、簡単に通液性を下げることができる。同様にカーボンシート中のＰＴＦＥなどの疎水性ポリマーの含有量を増しても、あるいはカーボンシートの密度を増しても、通液性を下げることができる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明では、燃料電池スタックにモニタセルを取り付け、モニタセルには抵抗を接続して、液体燃料濃度が最適値より高くても低くても出力が低下する、大電流領域で駆動する。例えば図５に示すように、モニタセルを燃料電池スタックの他のセルよりも大きな電流密度で駆動すると、液体燃料濃度が最適濃度より高くても低くても抵抗への出力電圧は低下する。これは、最適燃料濃度よりも濃度が高い場合、空気極側へメタノールなどの燃料成分がクロスオーバーすることによる分極が著しくなるためである。また最適燃料濃度よりも濃度が低い場合、燃料極への液体燃料の拡散が遅れるために、モニタセルの出力電圧が低下するためである。これらのため、最適燃料濃度から液体燃料の濃度が外れていることを、モニタセルで検出できる。次に液体燃料濃度が最適値から高濃度側に外れているか、低濃度側に外れているかを判別手段で判別すれば、液体燃料濃度をフィードバック制御できる。
【００１０】
液体燃料濃度が最適値から高濃度側に外れているか、低濃度側に外れているかの判別では、例えば高濃度の液体燃料を補給した後のモニタセルの出力を監視する。高濃度側に外れている場合、高濃度の液体燃料を補給しても、モニタセルの出力は増加しない。これに対して低濃度側に外れている場合、高濃度の液体燃料を補給すると、モニタセルの出力は増加する。そこで高濃度の液体燃料を補給した後に、モニタセルの出力が増すと低濃度側に外れており、それ以外の場合は高濃度側に外れているものとして、判別できる。
【００１１】
モニタセルに接続した抵抗の値を切り替えることによっても、液体燃料濃度が最適値から高濃度側に外れているか、低濃度側に外れているかを判別できる。図５に示すように、電流密度が小さな領域では、空気極側でのクロスオーバーによる分極がモニタセルの出力電圧を支配する要因となり、この場合、液体燃料濃度が高いほど出力電圧が小さくなる（図５）。そこで抵抗の値を増して、モニタセルを小電流領域で駆動し、もしくは起電力を測定すると、最適濃度からいずれの側に燃料濃度が外れているかを判別できる。そしてこの判別値と前記の大電流領域で駆動した際のモニタセルの出力電圧とを併用すると、液体燃料濃度をフィードバック制御できる。
【００１２】
直接液体燃料形電池システムでは、起動を容易にするため、最適値よりも高濃度側の液体燃料濃度で起動することがある。そこでこのような場合、起動時の燃料濃度は最適値よりも高濃度側であり、モニタセルで液体燃料濃度が最適値を下回らないようにフィードバック制御すれば、液体燃料濃度を最適値ないしは最適値よりやや高濃度側に保って、フィードバック制御できる。
【００１３】
この発明のモニタセルは、燃料電池スタックの他のセルと基本的に共通のＭＥＡや、共通のセパレータを用いて構成できる。即ちＭＥＡやセパレータのサイズや材質、構造は他のセルのＭＥＡやセパレータと共通にできる。またセパレータの空気供給溝や燃料供給溝の構造も他のセパレータと共通にできる。このためこの発明のモニタセルは燃料電池スタックに簡単に取り付けることができ、他のセルと同様に空気や燃料を供給できる。これらのため、燃料電池スタックと別体にセンサー、即ちモニタセルを設ける必要はない。
【００１４】
この発明ではまたモニタセルへの液体燃料の供給を制限する。するとモニタセルの出力電圧は、燃料極への液体燃料の拡散で支配され、一定値になるまでは燃料濃度が高くなるほど出力が大きく、燃料濃度が前記一定値以下に低下すると出力は徐々に小さくなり、さらに、一定値より低い下限値以下になると急激に低下することから、実際の液体燃料濃度を求めることができる。なお、燃料濃度が一定値を越えて、上限値以上になると出力は低下する。
【００１５】
この場合でも、モニタセルのＭＥＡやセパレータなどの形状は、燃料電池スタックの他のセルのＭＥＡやセパレータと同様のもので良く、モニタセルの燃料極への燃料の供給を制限するには、燃料極側のカーボンシートなどの拡散制御膜の通液性を、他のＭＥＡの燃料極側の拡散制御膜よりも低くすればよい。例えばカーボンシートを複数枚重ねる、あるいはカーボンシート中のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの疎水性成分の含有量を増し、もしくはカーボンシートの密度を増せばよい。このようにすると、簡単かつ正確にモニタセルの燃料極への、液体燃料の通液性を低下させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。
【実施例】
【００１７】
図１〜図１１に、実施例とその特性とを示す。図１に燃料電池システム２のレイアウトを示すと、４は燃料電池スタックで、ＭＥＡとセパレータとからなる単セルを複数直列に積層したものである。ＭＥＡには例えばプロトン導電性高分子固体電解質膜の両面に燃料極と空気極とを設けたものを用い、特に燃料極や空気極はそれぞれ疎水性カーボンペーパーなどのカーボンシートで支持する。カーボンシートは燃料極や空気極の支持体であると同時に、燃料極や空気極に対する液体燃料や空気の流通経路となり、また燃料極や空気極への導電経路となる。セパレータには例えば炭素材を用い、空気供給溝と燃料供給溝とを設けて、前記のカーボンシートを介し、燃料や空気を供給する。
【００１８】
燃料電池スタック４の例えば一端にモニタセル６を設ける。８は燃料タンクで、１０はメタノール−水などの液体燃料であり、ここでは燃料電池スタック４を液体燃料１０中に沈めて駆動する。もちろん燃料電池スタック４を燃料タンク８内に収容せず、燃料ポンプから燃料を供給しても良い。１２は空気ポンプで、燃料電池スタック４の各単セルと、モニタセル６とに空気を供給する。１４は排空気を冷却するためのラジエターで、１６は気液分離膜などを用いた気液分離器で、ラジエター１４で冷却された排空気から水などを回収して、燃料タンク８に戻し、液面が低下するのを防止する。１８，１８は例えば一対のＣＯ2出口で、燃料電池スタック４で発生したＣＯ2を燃料タンク８から排出する。１９は液体燃料１０の液面高さを検出するための液面センサである。
【００１９】
２０は燃料カセットで、２１は排液溜、２２は弾性袋などからなる燃料溜で、２３はその間の可動壁であり、高濃度燃料ポンプ２４を介して燃料タンク８に高濃度の液体燃料を供給する。高濃度の液体燃料としては例えばメタノール５０wt%−水５０wt%などの燃料を用い、２６はフィルタである。そして燃料電池スタック４の排空気から水分などを気液分離器１６で回収し、残る空気を排液溜２１に導く。また燃料タンク８の液面が高い場合はラジエター１４をオフして、水分なども排液溜２１に回収する。排液溜２１からは、フィルタ２６によりメタノールや蟻酸などの副生成物を除去して排空気を排出する。３０は燃料電池システム２の制御部で、モニタセル６からの信号（抵抗への出力電圧とモニタセルの温度）並びに液面センサ１９で求めた液面高さなどにより、空気ポンプ１２や高濃度燃料ポンプ２４，ラジエター１４などを制御する。
【００２０】
図２に、モニタセル６の構造を示す。用いるＭＥＡには図２の右上側に示すＭＥＡ３２と、右下側に示すＭＥＡ３４とがあり、これらのいずれを用いても良い。なおＭＥＡ３２，３４は特に指摘した点以外は、燃料電池スタック４の他のＭＥＡと同じサイズで、同じ構造，材質，組成をしている。
【００２１】
ＭＥＡ３２において、３５はプロトン導電性高分子固体電解質膜で、例えばNafion１１７膜（Nafionはデュポン社の登録商標）を用い、３６は空気極、３８は燃料極であり、３７，３９は疎水性のカーボンシートである。また４０は燃料極側に追加したカーボンシートである。空気極３６はカーボンに担持したプラチナ触媒とＰＴＦＥバインダーやプロトン導電性高分子固体電解質などからなり、燃料極３８はカーボンに担持したプラチナ−ルテニウム触媒とＰＴＦＥバインダーやプロトン導電性高分子固体電解質などからなる。カーボンシート３７，３９，４０は、カーボンペーパーなどの多孔質のカーボン基材にＰＴＦＥなどの疎水性のバインダーを添加したもので、厚さは例えば１５０〜３００μｍ程度で、ここでは２５０μｍ厚とする。そしてＭＥＡ３２は、燃料極側に追加のカーボンシート４０を設けた点が特徴である。
【００２２】
ＭＥＡ３４は、燃料電池スタック４の他のセルで用いるＭＥＡと全く同じものであり、空気極側，燃料極側ともカーボンシートは各１枚である。ＭＥＡ３２，３４のいずれかを例えば炭素質のセパレータ４２，４４の間に挟み込み、燃料供給溝４５から液体燃料を供給し、空気供給溝４６から空気を供給する。なお燃料供給溝４５は、図１の下から上へとセパレータ４２を貫通しており、対流や拡散などにより液体燃料を燃料極へと供給する。また空気供給溝４６にはセパレータ４２，４４を貫通する孔４７から空気を供給し、孔４８から空気を排出する。このようにして１台の空気ポンプ１２により燃料電池スタックの全体とモニタセル６とに空気を供給して、ラジエター１４側へ排空気を排出する。４９は温度センサで、モニタセル６の温度を測定し、５０，５１はそれぞれ固定抵抗で、例えば抵抗５０は０.１Ω、抵抗５１は１０Ωなどとし、５２はスイッチで、固定抵抗５０，５１の何れかを選択する。５４は出力測定用の電圧計である。
【００２３】
図２のＭＥＡ３２（燃料極側に２枚のカーボンシート３９，４０を用いたもの）の場合、抵抗への出力電圧（以下単に出力）は実用的に液体燃料濃度を制御する範囲内においては、液体燃料濃度と共に増加するので、モニタセルの出力電圧から簡単に液体燃料濃度を求めることができる。ＭＥＡ３４の場合、液体燃料濃度が最適値より高濃度側にシフトしても低濃度側にシフトしても、モニタセルの出力電圧が低下するので、液体燃料濃度が高濃度側にシフトしているか、低濃度側にシフトしているかの判別が必要になる。
【００２４】
判別のための制御部３０の構成を図３に示す。６０はＡＤコンバータで、モニタセル６の出力電圧と温度とを入力し、６２はリッチ／リーン記憶部で、リッチ（高濃度側）かリーン（低濃度側）かのいずれかであるかを記憶し、抵抗切り替え部６４はモニタセル６の固定抵抗の値を切り替えて、リッチかリーンかの判別を行う。インターバル監視部６６は、高濃度の液体燃料を補充した後の、モニタセル６の出力電圧の変化を監視し、出力電圧が増加すればリーン側であるとし、出力電圧が増加しなければリッチ側であるものとする。燃料ポンプ駆動部６８は、液体燃料濃度の検出結果に従って、高濃度燃料ポンプ２４を駆動する。また、高濃度燃料ポンプから高濃度液体燃料を補充した後、モニタセル６の出力電圧が変化するには３０秒〜１分程度の遅れが伴うため、例えばこの間の時間をインターバル時間として、モニタセルの出力電圧にかかわらず、高濃度液体燃料の追加を禁止する。
【００２５】
図４に、燃料極への液体燃料の供給を制限した際の、モニタセルの出力を示す。図の白抜きの記号はモニタセルの負荷抵抗への出力電圧を示し、黒抜きの記号は出力電力を示す。また「１Ｍ通常」は、液体燃料中のメタノール濃度が１Ｍで、カーボンシートを燃料極側に１枚取り付けた際の結果である。これ以外の結果は、燃料極側にカーボンシートを２枚用いて、その厚さを２倍に変化させた際の結果である。そして２倍厚での０.８Ｍ〜２.５Ｍは液体燃料濃度中のメタノール濃度を示す。
【００２６】
モニタセルの出力電圧では、２．０Ｍ程度までは燃料濃度と共に出力電圧は増加する。特に電流密度を１５０〜２５０mA/cm2程度で駆動すると、燃料濃度により出力電圧は著しく異なる。またカーボンシートの厚さを２倍にすると、カーボンシートが１枚の場合よりも出力電圧は小さくなり、１.５Ｍ〜２.５Ｍ程度のメタノール濃度で、カーボンシートを１枚にした際の１Ｍ程度の出力電圧となる。出力密度では、メタノール濃度の影響はより明瞭に現れ、カーボンシートが１枚の場合の１Ｍの濃度では、カーボンシートが２枚で１.５Ｍ〜２.５Ｍとほぼ同等の出力が得られる。これらのことから、図２のＭＥＡ３２を用いると、簡単に燃料濃度を求めてフィードバック制御を行うことができる。
【００２７】
図５は燃料極側のカーボンシートを１枚とした際の特性を示し、メタノール濃度を０.５Ｍ〜３Ｍの範囲で変化させた。電流密度が小さい場合、メタノール濃度が低いほど出力電圧は大きくなり、これは空気極へのメタノールのクロスオーバーが著しいほど、分極が増加して出力電圧が低下するためである。また例えば２５０mA/cm2以上の大電流領域で駆動すると、１Ｍ程度の最適燃料濃度より燃料濃度が増加しても低下しても、出力電圧は減少する。そしてこの方法では、最適燃料濃度よりも燃料濃度が高いのか低いのかの識別を行うことができない。そのために、図６〜図８に示す追加的なアルゴリズムを使用する。
【００２８】
図６のアルゴリズムでは、高濃度側で液体燃料電池システムの運転を開始し、リッチかリーンかの判別の初期値はリッチである。そしてモニタセルが昇温し、出力も安定して、フィードバック制御が可能になると、モニタセルの出力電圧が最適値に達しないようにして、絶えず液体燃料濃度を最適値よりやや高濃度側に保って、燃料濃度をフィードバック制御する。なお燃料濃度のフィードバック制御には、モニタセルの温度信号も併用する。また燃料電池スタックによる燃料の消費速度は、燃料電池スタックの出力などから推定でき、従って高濃度液体燃料を補充しない間に、燃料濃度がどの程度低下するかもある程度推定できる。この結果、初期値が高濃度側であることが明らかであれば、それ以降は液体燃料濃度がリッチかリーンかを推定してフィードバック制御できる。
【００２９】
図７のアルゴリズムでは、燃料電池システムの運転開始時の状態を利用するのではなく、負荷抵抗の切替を利用する。即ち常時は負荷抵抗を小にし、大電流領域でモニタセルを駆動し、液体燃料濃度にフィードバック制御を加える。そして間欠的にあるいはフィードバック制御が可能になった初期などに、負荷抵抗の値を大きくし、図５の小電流領域でのモニタセルの出力を用いて、リッチかリーンを判別する。
【００３０】
図８のアルゴリズムでは、高濃度液体燃料を追加した後の、モニタセルの出力の挙動からリッチかリーンかを判別する。モニタセルの出力が低下し、かつリーンである場合、高濃度の液体燃料を追加し、この後、モニタセルの出力が応答する程度の時間の間、高濃度燃料の追加を禁止する。そしてこの間に出力が増加すれば、液体燃料濃度はリーン側に外れており、増加しなければリッチ側である。
【００３１】
図９にモニタセルの負荷抵抗の値を切り替えた際の過渡応答を利用した例を模式的に示す。図の実線は液体燃料濃度が正常値（最適値）の際の挙動を示し、破線は低濃度の際の挙動を、鎖線は高濃度の際の挙動を示す。液体燃料濃度が低い場合、負荷抵抗を小さな値から大きな値に変化させた際の出力の増加幅が大きい。これに対して液体燃料濃度が高濃度側にシフトしている場合、負荷抵抗を小さな値から大きな値に切り替えた際の出力の増加が小さく、負荷抵抗を大きな値に保った際の出力の落ち込みが大きい。
【００３２】
図１０，図１１に、実施例での制御結果を示す。図の横軸は燃料電池システムの起動からの運転時間を示し、制御では、モニタセルからの出力電圧ｙ（ＭＣ）をmV単位で用い、モニタセルの温度を℃単位でＴとし、出力電圧が図の制御式の右辺の値を下回ると高濃度のメタノール水溶液を追加し、この後例えば１分間メタノール水溶液の追加を禁止して、この間の出力の挙動からリッチかリーンかを判別した。なおＭＣＣは、制御式で定まる制御電圧を示す。また液体燃料中のメタノール濃度は、別途のセンサで測定した値を破線で示す。図１０から明らかなように、液体燃料濃度のフィードバック制御に成功しており、安定した出力で直接液体燃料形燃料電池システムを駆動できた。
【００３３】
実施例では以下の効果が得られる。
(1)  燃料電池スタックの単セルと同様の単セルを用いて、モニタセルを構成できる。
(2)  モニタセルの燃料極への燃料の供給を制限すると、簡単に液体燃料濃度を求めることができる。
(3)  燃料電池スタックの単セルと全く同様のモニタセルを大電流域で駆動すると、最適燃料濃度から外れていることを検出でき、これにリッチかリーンかの判別を加えると、燃料濃度をフィードバック制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】実施例の燃料電池システムのレイアウトを示す図
【図２】実施例で用いたモニタセルの構成を示す図
【図３】実施例で用いた制御部での判別手段のブロック図
【図４】カーボンシートを積層して燃料極への拡散抵抗を増した、モニタセルの特性図
【図５】発電用の単セルと全く同様のモニタセルの特性図
【図６】図５のモニタセルを用いて液体燃料の濃度制御を行うアルゴリズムの例を示すフローチャート
【図７】図５のモニタセルを用いて液体燃料の濃度制御を行う他のアルゴリズムを示すフローチャート
【図８】図５のモニタセルを用いて液体燃料の濃度制御を行うさらに他のアルゴリズムを示すフローチャート
【図９】図５のモニタセルを用い、負荷抵抗を切り替えた際の、モニタセル出力の過渡特性を模式的に示す図
【図１０】図８のアルゴリズムで燃料濃度を制御した際の、燃料電池システムの特性を示す特性図
【図１１】図１０のデータを得る過程での、燃料電池システムの出力と温度とを示す特性図
【符号の説明】
【００３５】
２            燃料電池システム
４            燃料電池スタック
６            モニタセル
８            燃料タンク
１０          液体燃料
１２          空気ポンプ
１４          ラジエター
１６          気液分離器
１８          ＣＯ2出口
１９          液面センサ
２０          燃料カセット
２１          排液溜
２２          燃料溜
２３          可動壁
２４          高濃度燃料ポンプ
２６          フィルタ
３０          制御部
３２，３４    ＭＥＡ
３５          プロトン導電性高分子固体電解質膜
３７，３９    カーボンシート
３６          空気極
３８          燃料極
４０          カーボンシート
４２，４４    セパレータ
４５          燃料供給溝
４６          空気供給溝
４７，４８    孔
４９          温度センサ
５０，５１    固定抵抗
５２          スイッチ
５４          電圧計
６０          ＡＤコンバータ
６２          リッチ／リーン記憶部
６４          抵抗切り替え部
６６          インターバル監視部
６８          燃料ポンプ駆動部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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