(57)【要約】【課題】アニオン交換膜型の燃料電池システムにおいて燃料水溶液の増加によって発電が継続できなくなることを防止できる、燃料電池システムおよびその運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、アニオン交換膜を有する電解質膜１２ａとアノード１２ｂとカソード１２ｃとを含むセルスタック１２、メタノール水溶液を保持する水溶液タンク１４ａ，１４ｂを含みメタノール水溶液をアノード１２ｂに循環供給するアノード循環手段１３、およびメタノール水溶液をカソード１２ｃに循環供給するカソード循環手段３７を備える。メタノール水溶液を外部に放出する必要があるか否かの判断結果に基づいて、水溶液タンク１４ａ，１４ｂのいずれか一方からアノード１２ｂにメタノール水溶液を循環供給しかつ他方の水溶液タンクからカソード１２ｃにメタノール水溶液を循環供給するように、アノード循環手段１３およびカソード循環手段３７を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アニオン交換膜を有する電解質膜とアノードとカソードとを含む燃料電池、
前記燃料電池に供給すべき燃料水溶液を保持する第１水溶液タンクを含み、前記燃料水溶液を前記アノードに循環供給するアノード循環手段、
前記燃料水溶液を前記アノード循環手段の外部に放出する外部放出手段、
前記燃料水溶液を前記外部に放出する必要があるか否かを判断する判断手段、および
前記判断手段による判断結果に基づいて前記外部放出手段を制御する放出制御手段を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料水溶液よりも高濃度の燃料を前記アノード循環手段に補給する燃料補給手段をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記外部放出手段は前記燃料水溶液を前記カソードに供給するカソード供給手段を含み、前記燃料水溶液は前記カソードに供給された後、前記外部に放出される、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料水溶液を前記カソードに循環供給するカソード循環手段を備える、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記判断手段は、前記第１水溶液タンクの液位を検出する第１液位検出手段を含む、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記アノード循環手段は前記燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクを含み、
前記判断手段による判断結果に基づいて、前記第１水溶液タンクと前記第２水溶液タンクとのいずれか一方から前記アノードに前記燃料水溶液を循環供給しかつ他方の水溶液タンクから前記カソードに前記燃料水溶液を供給するように、前記アノード循環手段および前記カソード供給手段を制御する送液制御手段を備える、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記アノード循環手段は前記燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクを含み、
前記判断手段による判断結果に基づいて、前記第１水溶液タンクと前記第２水溶液タンクとのいずれか一方から前記アノードに前記燃料水溶液を循環供給しかつ他方の水溶液タンクから前記カソードに前記燃料水溶液を循環供給するように、前記アノード循環手段および前記カソード循環手段を制御する送液制御手段を備える、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記アノード循環手段は前記アノードへ前記燃料水溶液を供給する元を前記第１水溶液タンクと前記第２水溶液タンクとの間で切り替える第１切替手段、および前記アノードから前記燃料水溶液が戻される先を前記第１水溶液タンクと前記第２水溶液タンクとの間で切り替える第２切替手段を含み、
前記カソード供給手段は前記カソードへ前記燃料水溶液を供給する元を前記第１水溶液タンクと前記第２水溶液タンクとの間で切り替える第３切替手段を含み、
前記送液制御手段は、前記第１切替手段から前記第３切替手段を制御する、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記アノード循環手段は前記アノードへ前記燃料水溶液を供給する元を前記第１水溶液タンクと前記第２水溶液タンクとの間で切り替える第１切替手段、および前記アノードから前記燃料水溶液が戻される先を前記第１水溶液タンクと前記第２水溶液タンクとの間で切り替える第２切替手段を含み、
前記カソード循環手段は前記カソードへ前記燃料水溶液を供給する元を前記第１水溶液タンクと前記第２水溶液タンクとの間で切り替える第３切替手段、および前記カソードから前記燃料水溶液が戻される先を前記第１水溶液タンクと前記第２水溶液タンクとの間で切り替える第４切替手段を含み、
前記送液制御手段は、前記第１切替手段から前記第４切替手段を制御する、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料補給手段は、前記アノード循環手段における前記第２切替手段よりも上流側に前記燃料を補給する、請求項８または９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記カソード供給手段は前記燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクを含み、
前記アノード循環手段の前記燃料水溶液を前記第２水溶液タンクに移送する移送手段をさらに備える、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記アノード循環手段の前記燃料水溶液を前記カソード循環手段に移送する移送手段をさらに備える、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記カソード循環手段は前記燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクを含み、
前記移送手段は前記アノード循環手段の前記燃料水溶液を前記第２水溶液タンクに移送する、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記判断手段による判断結果に基づいて前記移送手段を制御する移送制御手段を備える、請求項１１から１３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記判断手段は、前記第１水溶液タンクの液位を検出する第１液位検出手段と、前記第２水溶液タンクの液位を検出する第２液位検出手段とを含む、請求項６から１１および１３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記第１水溶液タンクは前記第２水溶液タンクよりも上側に設けられている、請求項１１，１３および１５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記アノード循環手段は、前記第１水溶液タンクから前記アノードに供給した前記燃料水溶液を戻す第２水溶液タンクと、
前記第２水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記カソードに供給するカソード供給手段とを含み、
前記アノード循環手段は前記カソードからの前記燃料水溶液を前記第１水溶液タンクに戻す、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記判断手段は前記燃料水溶液の濃度を検出する濃度検出手段を含む、請求項１から１７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記カソード循環手段は前記燃料水溶液を霧状にして前記カソードに供給する供給手段を含む、請求項４，７，９，１２および１３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記カソード供給手段は前記燃料水溶液を霧状にして前記カソードに供給する供給手段を含む、請求項３，６，８，１１および１７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記外部放出手段は前記カソードからの前記燃料水溶液と空気とを分離する気液分離手段を含む、請求項１９または２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記気液分離手段による分離で回収される前記燃料水溶液の量を調整する調整手段をさらに含む、請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記放出制御手段は前記判断手段の判断結果に基づいて前記調整手段を制御する、請求項２２に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
アニオン交換膜を有する電解質膜とアノードとカソードとを含む燃料電池および前記燃料電池に供給すべき燃料水溶液を保持する第１水溶液タンクを備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記第１水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記アノードに循環供給し、
前記燃料水溶液を外部に放出する必要があるとき前記燃料水溶液を前記外部に放出する、燃料電池システムの運転方法。
【請求項２５】
前記燃料水溶液よりも高濃度の燃料を補給することで前記燃料水溶液の濃度を調整する、請求項２４に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項２６】
前記燃料水溶液を前記カソードに供給し、その後前記外部に放出する、請求項２４に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項２７】
前記燃料水溶液を前記カソードに循環供給する、請求項２４に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項２８】
前記燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクをさらに備え、
前記第１水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記アノードに供給し、前記アノードからの前記燃料水溶液を前記第１水溶液タンクに戻すとともに、前記第２水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記カソードに供給し、
前記第１水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記外部に放出する必要があるときには前記第１水溶液タンクおよび前記第２水溶液タンクの前記燃料水溶液の供給先を切り替え、前記第２水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記アノードに供給しながら前記アノードからの前記燃料水溶液を前記第２水溶液タンクに戻すとともに、前記第１水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記カソードに供給する、請求項２６に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項２９】
前記燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクをさらに備え、
前記第１水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記アノードに供給しかつ前記第２水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記カソードに供給するとともに、前記アノードからの前記燃料水溶液を前記第１水溶液タンクに戻しかつ前記カソードからの前記燃料水溶液を前記第２水溶液タンクに戻し、
前記第１水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記外部に放出する必要があるときには前記第１水溶液タンクおよび前記第２水溶液タンクの前記燃料水溶液の供給先を切り替え、前記第２水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記アノードに供給しながら前記アノードからの前記燃料水溶液を前記第２水溶液タンクに戻すとともに、前記第１水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記カソードに供給しながら前記カソードからの前記燃料水溶液を前記第１水溶液タンクに戻す、請求項２７に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３０】
前記燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクをさらに備え、
前記第２水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記カソードに供給し、
前記第１水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記外部に放出する必要があるとき前記第１水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記第２水溶液タンクに移送する、請求項２６に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３１】
前記燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクをさらに備え、
前記第２水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記カソードに循環供給し、
前記第１水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記外部に放出する必要があるとき前記第１水溶液タンク内の前記燃料水溶液を前記第２水溶液タンクに移送する、請求項２７に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３２】
前記第１水溶液タンクの液位が第１閾値以上になれば、前記第１水溶液タンク内の前記燃料水溶液を外部に放出する必要があると判断する、請求項２４から３１のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３３】
前記第２水溶液タンクの液位が第２閾値以下になれば、前記第１水溶液タンク内の前記燃料水溶液を外部に放出する必要があると判断する、請求項２４から３１のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３４】
前記アノードに供給される前記燃料水溶液の濃度が所定値以下になれば、前記第１水溶液タンク内の前記燃料水溶液を外部に放出する必要があると判断する、請求項２４から３１のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３５】
前記燃料水溶液を空気と混合して前記カソードに供給する、請求項２６から３４のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３６】
前記カソードからの前記燃料水溶液と前記空気との混合物を気液分離して前記燃料水溶液を回収する、請求項３５に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３７】
気液分離能力を調整し前記燃料水溶液の回収量を変更する、請求項３６に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３８】
気液分離された前記燃料水溶液を気体の状態で前記外部に放出する、請求項３７に記載の燃料電池システムの運転方法。
【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およびその運転方法に関し、より特定的には、電解質膜としてアニオン交換膜を用いた燃料電池を含む燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、触媒技術や電解質膜技術の向上に伴って電解質膜としてアニオン交換膜を用いた燃料電池が開発されつつある。カチオン交換膜が水素イオン（プロトン）を透過させる性質があるのに対し、アニオン交換膜は水酸化物イオン（ハイドロキシジェン）を透過させる性質を有する。
【０００３】
アニオン交換膜型の燃料電池を従来から知られている直接メタノール型燃料電池システムに用いた場合について検討する。
【０００４】
一般に、直接メタノール型燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給すべきメタノール水溶液を保持する水溶液タンクと、水溶液タンクに保持されるメタノール水溶液よりも高濃度のメタノール燃料を保持する燃料タンクとを備えている。そして、アニオン交換膜型の燃料電池は、水溶液タンクのメタノール水溶液を燃料電池のアノードに、水と酸素を含む空気とを燃料電池のカソードにそれぞれ供給することで発電し、反応後のアノードから水溶液タンクに未反応のメタノール水溶液と生成された水と二酸化炭素とが還流される。このときアニオン交換膜型の燃料電池では、化１に示すような化学反応が行われる。
【０００５】
【化１】
2007294227.tif 000003
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１２５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
化１からわかるように、水溶液タンクに戻される水溶液には水が含まれているため水溶液タンク内のメタノール水溶液の濃度は低下し、水溶液量も増加する。さらに、濃度を調整するために水溶液タンクには燃料タンクから高濃度燃料が供給されるため、水溶液タンクの液位は発電を継続する限り上昇し続け最終的に満タンになり発電を継続できなくなってしまう。
【０００８】
特許文献１には、アニオン交換膜とカチオン交換膜とを併せて使用している燃料電池システムが開示されているが、アニオン交換膜のみを用いた燃料電池システムにおける上記問題を解決するものではない。
【０００９】
それゆえに、この発明の主たる目的は、アニオン交換膜型の燃料電池システムにおいて燃料水溶液の増加によって発電が継続できなくなることを防止できる、燃料電池システムおよびその運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、アニオン交換膜を有する電解質膜とアノードとカソードとを含む燃料電池、燃料電池に供給すべき燃料水溶液を保持する第１水溶液タンクを含み、燃料水溶液を前記アノードに循環供給するアノード循環手段、燃料水溶液をアノード循環手段の外部に放出する外部放出手段、燃料水溶液を外部に放出する必要があるか否かを判断する判断手段、および判断手段による判断結果に基づいて外部放出手段を制御する放出制御手段を備える。
【００１１】
請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、燃料水溶液よりも高濃度の燃料をアノード循環手段に補給する燃料補給手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、外部放出手段は燃料水溶液をカソードに供給するカソード供給手段を含み、燃料水溶液はカソードに供給された後、外部に放出されることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の燃料電池システムは、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、燃料水溶液をカソードに循環供給するカソード循環手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、判断手段は、第１水溶液タンクの液位を検出する第１液位検出手段を含むことを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の燃料電池システムは、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、アノード循環手段は燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクを含み、判断手段による判断結果に基づいて、第１水溶液タンクと第２水溶液タンクとのいずれか一方からアノードに燃料水溶液を循環供給しかつ他方の水溶液タンクからカソードに燃料水溶液を供給するように、アノード循環手段およびカソード供給手段を制御する送液制御手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の燃料電池システムは、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、アノード循環手段は燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクを含み、判断手段による判断結果に基づいて、第１水溶液タンクと第２水溶液タンクとのいずれか一方からアノードに燃料水溶液を循環供給しかつ他方の水溶液タンクからカソードに燃料水溶液を循環供給するように、アノード循環手段およびカソード循環手段を制御する送液制御手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
請求項８に記載の燃料電池システムは、請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、アノード循環手段はアノードへ燃料水溶液を供給する元を第１水溶液タンクと第２水溶液タンクとの間で切り替える第１切替手段、およびアノードから燃料水溶液が戻される先を第１水溶液タンクと第２水溶液タンクとの間で切り替える第２切替手段を含み、カソード供給手段はカソードへ燃料水溶液を供給する元を第１水溶液タンクと第２水溶液タンクとの間で切り替える第３切替手段を含み、送液制御手段は、第１切替手段から第３切替手段を制御することを特徴とする。
【００１８】
請求項９に記載の燃料電池システムは、請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、アノード循環手段はアノードへ燃料水溶液を供給する元を第１水溶液タンクと第２水溶液タンクとの間で切り替える第１切替手段、およびアノードから燃料水溶液が戻される先を第１水溶液タンクと第２水溶液タンクとの間で切り替える第２切替手段を含み、カソード循環手段はカソードへ燃料水溶液を供給する元を第１水溶液タンクと第２水溶液タンクとの間で切り替える第３切替手段、およびカソードから燃料水溶液が戻される先を第１水溶液タンクと第２水溶液タンクとの間で切り替える第４切替手段を含み、送液制御手段は、第１切替手段から第４切替手段を制御することを特徴とする。
【００１９】
請求項１０に記載の燃料電池システムは、請求項８または９に記載の燃料電池システムにおいて、燃料補給手段は、アノード循環手段における第２切替手段よりも上流側に燃料を補給することを特徴とする。
【００２０】
請求項１１に記載の燃料電池システムは、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、カソード供給手段は燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクを含み、アノード循環手段の燃料水溶液を第２水溶液タンクに移送する移送手段をさらに備えることを特徴とする。
【００２１】
請求項１２に記載の燃料電池システムは、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、アノード循環手段の燃料水溶液をカソード循環手段に移送する移送手段をさらに備えることを特徴とする。
【００２２】
請求項１３に記載の燃料電池システムは、請求項１２に記載の燃料電池システムにおいて、カソード循環手段は燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクを含み、移送手段はアノード循環手段の燃料水溶液を第２水溶液タンクに移送することを特徴とする。
【００２３】
請求項１４に記載の燃料電池システムは、請求項１１から１３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、判断手段による判断結果に基づいて移送手段を制御する移送制御手段を備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項１５に記載の燃料電池システムは、請求項６から１１および１３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、判断手段は、第１水溶液タンクの液位を検出する第１液位検出手段と、第２水溶液タンクの液位を検出する第２液位検出手段とを含むことを特徴とする。
【００２５】
請求項１６に記載の燃料電池システムは、請求項１１，１３および１５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、第１水溶液タンクは第２水溶液タンクよりも上側に設けられていることを特徴とする。
【００２６】
請求項１７に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、アノード循環手段は、第１水溶液タンクからアノードに供給した燃料水溶液を戻す第２水溶液タンクと、第２水溶液タンク内の燃料水溶液をカソードに供給するカソード供給手段とを含み、アノード循環手段はカソードからの燃料水溶液を第１水溶液タンクに戻すことを特徴とする。
【００２７】
請求項１８に記載の燃料電池システムは、請求項１から１７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、判断手段は燃料水溶液の濃度を検出する濃度検出手段を含むことを特徴とする。
【００２８】
請求項１９に記載の燃料電池システムは、請求項４，７，９，１２および１３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、カソード循環手段は燃料水溶液を霧状にしてカソードに供給する供給手段を含むことを特徴とする。
【００２９】
請求項２０に記載の燃料電池システムは、請求項３，６，８，１１および１７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、カソード供給手段は燃料水溶液を霧状にしてカソードに供給する供給手段を含むことを特徴とする。
【００３０】
請求項２１に記載の燃料電池システムは、請求項１９または２０に記載の燃料電池システムにおいて、外部放出手段はカソードからの燃料水溶液と空気とを分離する気液分離手段を含むことを特徴とする。
【００３１】
請求項２２に記載の燃料電池システムは、請求項２１に記載の燃料電池システムにおいて、気液分離手段による分離で回収される燃料水溶液の量を調整する調整手段をさらに含むことを特徴とする。
【００３２】
請求項２３に記載の燃料電池システムは、請求項２２に記載の燃料電池システムにおいて、放出制御手段は判断手段の判断結果に基づいて調整手段を制御することを特徴とする。
【００３３】
請求項２４に記載の燃料電池システムの運転方法は、アニオン交換膜を有する電解質膜とアノードとカソードとを含む燃料電池および燃料電池に供給すべき燃料水溶液を保持する第１水溶液タンクを備える燃料電池システムの運転方法であって、第１水溶液タンク内の燃料水溶液をアノードに循環供給し、燃料水溶液を外部に放出する必要があるとき燃料水溶液を外部に放出することを特徴とする。
【００３４】
請求項２５に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項２４に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料水溶液よりも高濃度の燃料を補給することで燃料水溶液の濃度を調整することを特徴とする。
【００３５】
請求項２６に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項２４に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料水溶液をカソードに供給し、その後外部に放出することを特徴とする。
【００３６】
請求項２７に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項２４に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料水溶液をカソードに循環供給することを特徴とする。
【００３７】
請求項２８に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項２６に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクをさらに備え、第１水溶液タンク内の燃料水溶液をアノードに供給し、アノードからの燃料水溶液を第１水溶液タンクに戻すとともに、第２水溶液タンク内の燃料水溶液をカソードに供給し、第１水溶液タンク内の燃料水溶液を外部に放出する必要があるときには第１水溶液タンクおよび第２水溶液タンクの燃料水溶液の供給先を切り替え、第２水溶液タンク内の燃料水溶液をアノードに供給しながらアノードからの燃料水溶液を第２水溶液タンクに戻すとともに、第１水溶液タンク内の燃料水溶液をカソードに供給することを特徴とする。
【００３８】
請求項２９に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項２７に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクをさらに備え、第１水溶液タンク内の燃料水溶液をアノードに供給しかつ第２水溶液タンク内の燃料水溶液をカソードに供給するとともに、アノードからの燃料水溶液を第１水溶液タンクに戻しかつカソードからの燃料水溶液を第２水溶液タンクに戻し、第１水溶液タンク内の燃料水溶液を外部に放出する必要があるときには第１水溶液タンクおよび第２水溶液タンクの燃料水溶液の供給先を切り替え、第２水溶液タンク内の燃料水溶液をアノードに供給しながらアノードからの燃料水溶液を第２水溶液タンクに戻すとともに、第１水溶液タンク内の燃料水溶液をカソードに供給しながらカソードからの燃料水溶液を第１水溶液タンクに戻すことを特徴とする。
【００３９】
請求項３０に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項２６に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクをさらに備え、第２水溶液タンク内の燃料水溶液を前記カソードに供給し、第１水溶液タンク内の燃料水溶液を外部に放出する必要があるとき第１水溶液タンク内の燃料水溶液を第２水溶液タンクに移送することを特徴とする。
【００４０】
請求項３１に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項２７に記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料水溶液を保持する第２水溶液タンクをさらに備え、第２水溶液タンク内の燃料水溶液をカソードに循環供給し、第１水溶液タンク内の燃料水溶液を外部に放出する必要があるとき第１水溶液タンク内の燃料水溶液を第２水溶液タンクに移送することを特徴とする。
【００４１】
請求項３２に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項２４から３１のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法において、第１水溶液タンクの液位が第１閾値以上になれば、第１水溶液タンク内の燃料水溶液を外部に放出する必要があると判断することを特徴とする。
【００４２】
請求項３３に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項２４から３１のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法において、第２水溶液タンクの液位が第２閾値以下になれば、第１水溶液タンク内の燃料水溶液を外部に放出する必要があると判断することを特徴とする。
【００４３】
請求項３４に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項２４から３１のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法において、アノードに供給される燃料水溶液の濃度が所定値以下になれば、第１水溶液タンク内の燃料水溶液を外部に放出する必要があると判断することを特徴とする。
【００４４】
請求項３５に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項２６から３４のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法において、燃料水溶液を空気と混合してカソードに供給することを特徴とする。
【００４５】
請求項３６に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項３５に記載の燃料電池システムの運転方法において、カソードからの燃料水溶液と空気との混合物を気液分離して燃料水溶液を回収することを特徴とする。
【００４６】
請求項３７に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項３６に記載の燃料電池システムの運転方法において、気液分離能力を調整し燃料水溶液の回収量を変更することを特徴とする。
【００４７】
請求項３８に記載の燃料電池システムの運転方法は、請求項３７に記載の燃料電池システムの運転方法において、気液分離された燃料水溶液を気体の状態で外部に放出することを特徴とする。
【００４８】
請求項１に記載の燃料電池システムでは、発電を継続してアノード循環手段に存在する燃料水溶液の量が増加しても、燃料水溶液を外部に放出することによって燃料水溶液量を調整でき、燃料水溶液の増加によって発電が継続できなくなることを防止できる。また、燃料水溶液を外部に放出する必要があると判断したときに燃料水溶液を放出することで、外部に放出され発電に使用されなくなる燃料水溶液を最小限に抑えることができる。請求項２４に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００４９】
この発明は、請求項２に記載の燃料電池システムのようにアノード循環手段に燃料水溶液よりも高濃度の燃料を補給するアニオン交換膜型燃料電池システムに好適に用いることができる。請求項２５に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００５０】
請求項３に記載の燃料電池システムでは、燃料水溶液を燃料電池のカソードに供給してから外部に放出することで、発電反応に使用される水をカソードに多く供給することができる。請求項２６に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００５１】
請求項４に記載の燃料電池システムでは、たとえば第１水溶液タンク内の燃料水溶液を燃料電池のカソードに循環供給することで、燃料水溶液の濃度を十分小さくしてから外部に放出することができる。これによって燃料を有効に利用することができる。請求項２７に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００５２】
請求項５に記載の燃料電池システムでは、第１水溶液タンクの液位に基づいて燃料水溶液を外部に放出する必要があるか否かを簡単かつ確実に判断することができる。
【００５３】
請求項６に記載の燃料電池システムでは、第１水溶液タンクと第２水溶液タンクとのいずれか一方からアノードに燃料水溶液を供給しかつ他方の水溶液タンクからカソードに燃料水溶液を供給し、これらの水溶液タンクからの燃料水溶液の供給先を切り替えることによって、第１水溶液タンクおよび第２水溶液タンクの液位を調整できる。したがって、水溶液タンクから燃料水溶液が溢れたり無くなるということはなく、発電を長時間継続することができる。請求項２８に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００５４】
請求項７に記載の燃料電池システムでは、アノード側とカソード側とで別々の水溶液タンクによって循環供給でき、燃料水溶液の供給先を切り替えることによって両方のタンクの液位を調整できる。また、アノードから一方の水溶液タンクに、カソードから他方の水溶液タンクにそれぞれ燃料水溶液を戻すことによって、燃料水溶液を有効に利用することができる。請求項２９に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００５５】
請求項８に記載の燃料電池システムでは、第１切替手段〜第３切替手段を制御するだけで、第１水溶液タンクおよび第２水溶液タンクとアノードおよびカソードとの接続を容易に切り替えることができる。
【００５６】
請求項９に記載の燃料電池システムでは、第１切替手段〜第４切替手段を制御するだけで、第１水溶液タンクおよび第２水溶液タンクとアノードおよびカソードとの接続を容易に切り替えることができる。
【００５７】
請求項１０に記載の燃料電池システムでは、アノード出口と第２切替手段との間に高濃度燃料を供給することによって、高濃度燃料を第１水溶液タンクおよび第２水溶液タンクのいずれかに切り替えながら補給することができる。
【００５８】
請求項１１に記載の燃料電池システムでは、アノード循環手段内の燃料水溶液を第２水溶液タンクに移送することによって、第１水溶液タンクの液位が上昇することを防ぐことができ発電を継続することができる。
【００５９】
請求項１２に記載の燃料電池システムでは、燃料水溶液をカソードに循環供給することによって燃料水溶液を有効に利用することができるとともに、アノード循環手段内の燃料水溶液をカソード循環手段に移送することによって、第１水溶液タンクの液位が上昇することを防ぐことができ発電を継続することができる。
【００６０】
請求項１３に記載の燃料電池システムでは、アノード循環手段内の燃料水溶液を第２水溶液タンクに移送することができるので、移送量の多少にかかわらず確実に燃料水溶液を移送できる。
【００６１】
請求項１４に記載の燃料電池システムでは、必要に応じてアノード循環手段内の燃料水溶液を第２水溶液タンクやアノード循環手段に移送することができる。請求項３０および３１に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００６２】
請求項１５に記載の燃料電池システムでは、第１水溶液タンクおよび第２水溶液タンクの液位に基づいて燃料水溶液を外部に放出する必要があるか否かを簡単かつ確実に判断することができる。
【００６３】
請求項１６に記載の燃料電池システムでは、移送ポンプを設けることなく燃料水溶液を第１水溶液タンクから第２水溶液タンクへ移送することができるので、消費電力を削減できる。また、第１水溶液タンクと第２水溶液タンクとを結ぶ流路の取り付け高さを調整することによって、移送を行った後の第１水溶液タンクの液位を一定にできる。
【００６４】
請求項１７に記載の燃料電池システムでは、切替手段や移送手段を用いることなく燃料水溶液を有効利用することができる。
【００６５】
カソードの反応では燃料は不要であるので燃料が混ざっていると気液分離等で外気に排出されてしまう恐れがあり好ましくない。請求項１８に記載の燃料電池システムでは、たとえば第１水溶液タンクへの高濃度燃料の補給を停止して発電を継続することで第１水溶液タンク内の燃料水溶液の濃度を低下させた後、燃料水溶液を放出できるので、燃料が無駄に消費されることを防ぐとともに外気への燃料排出量を抑制できる。請求項３４に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００６６】
カソードでの反応には水と空気とが必要であるが別々に供給すると水が電解質膜を覆ってしまう可能性がある。請求項１９，２０に記載の燃料電池システムでは、燃料水溶液と空気とを混合し霧状にして供給することによって、カソードでの反応を阻害することなく水と空気とを供給することができる。請求項３５に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００６７】
請求項２１に記載の燃料電池システムでは、混合された燃料水溶液と空気とを分離することによって燃料水溶液を良好に回収できる。請求項３６に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００６８】
請求項２２に記載の燃料電池システムでは、気液分離能力を可変とすることによって、燃料水溶液の回収量を調整し、水溶液タンク内の燃料水溶液の量を調整することができる。請求項３７に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００６９】
請求項２３に記載の燃料電池システムでは、燃料水溶液を気液分離して気体の状態で外部に放出することができるので、目立たずに燃料水溶液を放出することができる。請求項３８に記載の燃料電池システムの運転方法についても同様である。
【００７０】
たとえば第１水溶液タンク内の燃料水溶液をアノードに供給しながらアノードからの燃料水溶液を第１水溶液タンクに戻す場合、アノードにおいて第１水溶液タンクからの燃料が反応して水と二酸化炭素とが生成されるが、消費される燃料よりも生成される水の方が多いので、第１水溶液タンクの液位が上昇していく。そこで、請求項３２に記載の燃料電池システムの運転方法では、第１水溶液タンクの液位が第１閾値以上に上昇したとき、第１水溶液タンクと第２水溶液タンクとの燃料水溶液の供給先を切り替える、または第１水溶液タンク内の燃料水溶液を第２水溶液タンクに移送する。それによって、第１水溶液タンクから燃料水溶液が溢れてしまうことを確実に防止できる。
【００７１】
たとえば第２水溶液タンクからカソードに燃料水溶液を供給しながらカソードからの燃料水溶液を第２水溶液タンクに戻す場合、カソードに供給される燃料水溶液中の水は反応に使用されて第２水溶液タンクの液位が徐々に低下していく。そこで、請求項３３に記載の燃料電池システムの運転方法では、第２水溶液タンクの液位が第２閾値以下に低下したとき、第１水溶液タンクと第２水溶液タンクとの燃料水溶液の供給先を切り替える、または第１水溶液タンク内の燃料水溶液を第２水溶液タンクに移送する。それによって、第２水溶液タンクから燃料水溶液が無くなることを確実に防ぐことができる。
【発明の効果】
【００７２】
この発明によれば、アニオン交換膜型の燃料電池システムにおいて燃料水溶液の増加によって発電が継続できなくなることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７３】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。
図１を参照して、この発明の一実施形態の燃料電池システム１０は、メタノール（メタノール水溶液）を改質せずにダイレクトに発電に利用する直接メタノール型でありかつ電解質膜としてアニオン交換膜を用いたアニオン変換膜型の燃料電池システムである。燃料電池システム１０は、化学反応により電気エネルギを生成する燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという）１２を含む。セルスタック１２は、セパレータを挟んで複数個積層された燃料電池（燃料電池セル）を含む。各燃料電池は、アニオン交換膜からなる電解質膜１２ａと電解質膜１２ａを両側から挟むアノード（燃料極）１２ｂおよびカソード（空気極）１２ｃを含む。アノード１２ｂおよびカソード１２ｃはそれぞれ、電解質膜１２ａ側に設けられる触媒層を含む。
【００７４】
また、燃料電池システム１０はアノード循環手段１３を含む。アノード循環手段１３は、アノード１２ｂまたはカソード１２ｃに供給されるメタノール水溶液が収容される水溶液タンク１４ａおよび１４ｂを含む。水溶液タンク１４ａには上下に液位センサ１６ａ，１８ａが装着され、水溶液タンク１４ａ内のメタノール水溶液の液位が検出される。水溶液タンク１４ｂには上下に液位センサ１６ｂ，１８ｂが装着され、水溶液タンク１４ｂ内のメタノール水溶液の液位が検出される。
【００７５】
また、アノード循環手段１３は、水溶液タンク１４ａ，１４ｂ内のメタノール水溶液をアノード１２ｂに供給するためのアノード供給手段２０を含む。水溶液タンク１４ａ，１４ｂの出口とアノード１２ｂの入口とはアノード供給手段２０によって連結される。アノード供給手段２０は、水溶液タンク１４ａの出口から延びる流路Ｐ１と、水溶液タンク１４ｂの出口から延びる流路Ｐ２と、アノード１２ｂ上流側で流路Ｐ１，Ｐ２が合流する合流点に設けられるバルブＡと、バルブＡとアノード１２ｂの入口とを接続する流路Ｐ３とを含む。流路Ｐ３には、上流側から、メタノール水溶液のメタノール濃度を検出するための濃度センサ２２、アノード１２ｂに向けてメタノール水溶液を供給するための水溶液ポンプ２４、メタノール水溶液を浄化するための水溶液フィルタ２６が介挿される。
【００７６】
さらに、アノード循環手段１３は、アノード１２ｂ内のメタノール水溶液等を水溶液タンク１４ａ，１４ｂに戻すためのアノード回収手段２８を含む。アノード１２ｂの出口と水溶液タンク１４ａ，１４ｂの入口とはアノード回収手段２８によって連結される。アノード回収手段２８は、水溶液タンク１４ａの入口から延びる流路Ｐ４と、水溶液タンク１４ｂの入口から延びる流路Ｐ５と、アノード１２ｂ下流側で流路Ｐ４，Ｐ５が合流する合流点に設けられるバルブＢと、バルブＢとアノード１２ｂの出口とを接続する流路Ｐ６とを含む。アノード１２ｂから排出される未反応のメタノール水溶液や生成された水や二酸化炭素が水溶液タンク１４ａ，１４ｂに与えられる。
【００７７】
アノード供給手段２０およびアノード回収手段２８を介して、２つの水溶液タンク１４ａ，１４ｂとアノード１２ｂとの間でメタノール水溶液を循環させることができる。
【００７８】
また、アノード１２ｂの出口とバルブＢとを結ぶ流路Ｐ６には、燃料補給手段３０が接続される。燃料補給手段３０は、メタノール水溶液よりも高濃度のメタノール燃料（たとえばメタノールを約５０ｗｔ％程度含む水溶液）を収容する燃料タンク３２と、燃料タンク３２と流路Ｐ６とを連結する流路Ｐ７と、流路Ｐ７に介挿されメタノール燃料を水溶液タンク１４ａ，１４ｂに補給するための燃料ポンプ３４とを含む。燃料タンク３２には液位センサ３６が装着され、燃料タンク３２内のメタノール燃料の液位が検出される。
【００７９】
また、燃料電池システム１０はカソード循環手段３７を含む。カソード循環手段３７は、水溶液タンク１４ａ，１４ｂ内のメタノール水溶液をカソード１２ｃに供給するためのカソード供給手段３８を含む。水溶液タンク１４ａ，１４ｂの出口とカソード１２ｃの入口とはカソード供給手段３８によって連結される。カソード供給手段３８は、水溶液タンク１４ａの出口から延びる流路Ｐ８と、水溶液タンク１４ｂの出口から延びる流路Ｐ９と、カソード１２ｃ上流側で流路Ｐ８，Ｐ９が合流する合流点に設けられるバルブＣと、バルブＣとカソード１２ｃの入口とを接続する流路Ｐ１０とを含む。バルブＣにドレイン４０が接続され、ドレイン４０にはソレノイドバルブ４２が介挿される。
【００８０】
また、流路Ｐ１０には混合器４４が介挿され、混合器４４には流路Ｐ１１が接続され、流路Ｐ１１にはエアポンプ４６およびエアフィルタ４８が接続される。エアポンプ４６によって外部から吸入された酸素を含む空気が、エアフィルタ４８によって浄化されたのち、混合器４４に与えられる。混合器４４によって、メタノール水溶液や水と空気とが混合されて霧状にしてカソード１２ｃに供給される。なお、メタノール水溶液等を混合器４４に容易に供給するために、流路Ｐ１０のうち混合器４４よりも上流側に水溶液ポンプをさらに設けてもよい。
【００８１】
さらに、カソード循環手段３７は、カソード１２ｂの出口と水溶液タンク１４ａ，１４ｂの入口とを連結するカソード回収手段５０を含む。カソード回収手段５０は、水溶液タンク１４ａの入口から延びる流路Ｐ１２と、水溶液タンク１４ｂの入口から延びる流路Ｐ１３と、カソード１２ｃ下流側で流路Ｐ１２，Ｐ１３が合流する合流点に設けられるバルブＤと、バルブＤとカソード１２ｃの出口とを接続する流路Ｐ１４とを含む。流路Ｐ１４には、カソード１２ｃ側から順に、冷却ファン５２を有する気液分離器５４、排気ガスパイプ５６を有する気液分離室５８、および再送ポンプ６０が介挿される。
【００８２】
セルスタック１２における反応後の空気とメタノール水溶液はカソード１２ｃから排出され、気液分離器５４によって気液分離された後、気液分離室５８に送られる。ここで完全に空気とメタノール水溶液とが分離され、空気は排気ガスパイプ５６から排出され、メタノール水溶液のみが再送ポンプ６０によって水溶液タンク１４ａ，１４ｂに戻される。
【００８３】
カソード供給手段３８とカソード回収手段５０とを介して、２つの水溶液タンク１４ａ，１４ｂとカソード１２ｃの間でメタノール水溶液を循環させることができる。
【００８４】
なお、切り替え用のバルブＡ〜Ｄによって、２つの水溶液タンク１４ａ，１４ｂのうちの一方がアノード１２ｂにメタノール水溶液を循環供給し他方がカソード１２ｃにメタノール水溶液を循環供給するように設定される。そして、バルブＡ〜Ｄを切り替えることによって、アノード１２ｂおよびカソード１２ｃのそれぞれに接続される水溶液タンクを切り替えることができる。
【００８５】
また、流路Ｐ３の濃度センサ２２近傍にはメタノール水溶液の温度を検出するための水溶液温度センサ６２が設けられ、セルスタック１２の温度を検出するためのセルスタック温度センサ６４がセルスタック１２に装着され、外気温度を検出するための外気温度センサ６６がエアフィルタ４８近傍に設けられる。
【００８６】
濃度センサ２２としては、たとえばメタノール濃度変化による音速変化を測定する超音波センサが用いられる。また、メタノール水溶液の濃度は、メタノール水溶液の比重、屈折率、粘性、光屈折率、電気抵抗を利用して測定されてもよい。
【００８７】
ついで、図２を参照して、燃料電池システム１０の電気的構成について説明する。
燃料電池システム１０は制御回路６８を含む。制御回路６８は、必要な演算を行い燃料電池システム１０の動作を制御するためのＣＰＵ７０、燃料電池システム１０の動作を制御するためのプログラムやデータおよび演算データ等を格納するための、たとえばＥＥＰＲＯＭからなるメモリ７２、燃料電池システム１０の誤動作を防ぐためのリセットＩＣ７４、セルスタック１２を負荷７６に接続するための電気回路７８における電圧を検出するための電圧検出回路８０、電気回路７８を流れる電流を検出するための電流検出回路８２、電気回路７８を開閉するためのＯＮ／ＯＦＦ回路８４、電気回路７８の過電圧を防止するための電圧保護回路８６、電気回路７８に設けられるダイオード８８、および電気回路７８に電圧を供給するための電源回路９０を含む。
【００８８】
このような制御回路６８のＣＰＵ７０には、濃度センサ２２、水溶液温度センサ６２、セルスタック温度センサ６４および外気温度センサ６６からの検出信号が入力される。さらに、ＣＰＵ７０には、液位センサ１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂおよび３６からの検出信号も与えられる。
【００８９】
また、ＣＰＵ７０によって、バルブＡ〜Ｄ、水溶液ポンプ２４、燃料ポンプ３４、ソレノイドバルブ４２、混合器４４、エアポンプ４６、気液分離器用冷却ファン５２および再送ポンプ６０等の補機類が制御される。
【００９０】
また、セルスタック１２には二次電池９２が接続される。二次電池９２は負荷７６にも接続される。二次電池９２は、セルスタック１２からの出力を補完するものであり、セルスタック１２からの電気エネルギによって充電され、その放電によって負荷７６や補機類に電気エネルギを与える。
【００９１】
負荷７６には、負荷７６の各種データを計測するためのメータ９４が接続され、メータ９４によって計測されたデータや負荷７６の状況は、インターフェイス回路９６を介してＣＰＵ７０に与えられる。負荷７６は、たとえば輸送機器を駆動するモータである。
【００９２】
なお、メモリ７２には、図３に示す動作を実行するためのプログラム、液位の第１閾値および第２閾値等が記憶される。
【００９３】
この実施形態では、外部放出手段は、ソレノイドバルブ４２および気液分離器５４を含む。判断手段は、液位センサ１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂおよび濃度センサ２２を含む。各種制御手段はＣＰＵ７０を含む。第１液位検出手段は液位センサ１６ａ，１６ｂを含み、第２液位検出手段は液位センサ１８ａ，１８ｂを含む。燃料水溶液を霧状にして供給する供給手段は混合器４４を含む。気液分離手段は気液分離器５４を含む。調整手段は、冷却ファン５２およびＣＰＵ７０を含む。濃度検出手段は濃度センサ２２を含む。
【００９４】
つぎに、図３を参照して、燃料電池システム１０の動作を説明する。
まず、燃料電池システム１０のメインスイッチ（図示せず）がオンされると、燃料電池システム１０が起動され（ステップＳ１）、ＣＰＵ７０は、２つの水溶液タンク１４ａ，１４ｂについて前回の運転停止時の接続状態を判断し、水溶液タンク１４ａ，１４ｂの接続状態をその接続状態に設定する（ステップＳ３）。すなわち、前回アノード１２ｂにメタノール水溶液を供給していた水溶液タンクからアノード１２ｂへ、カソード１２ｃにメタノール水溶液を供給していた水溶液タンクからカソード１２ｃへ、それぞれメタノール水溶液が供給されるように、バルブＡ〜Ｄが制御される。
【００９５】
前回の水溶液タンクの使用状態は次のようにして判断できる。たとえば、燃料電池システム停止時におけるバルブＡ〜Ｄのうち少なくとも１つのバルブの開閉状態を検出してメモリ７２に記憶しておきＣＰＵ７０がその情報に基づいて判断する。また、バルブＡ〜Ｄのうち少なくとも１つのバルブの開閉の切り替え回数をメモリ７２に記憶しておき、ＣＰＵ７０がその切り替え回数に基づいて判断してもよい。また、２つの水溶液タンク１４ａ，１４ｂにそれぞれ濃度センサを設ければ、それぞれの濃度センサの出力により判断することもできる。さらに、バルブＡ〜Ｄが前回の運転停止時の接続状態を維持していれば、敢えて前回の運転停止時の接続状態を検出する必要はない。
【００９６】
以下、図３に関する動作説明において、水溶液タンク１４ａ，１４ｂのうち、前回の停止時点でアノード１２ｂにメタノール水溶液を供給していた方を水溶液タンクＸ、カソード１２ｃにメタノール水溶液を供給していた方を水溶液タンクＹとする。
【００９７】
この場合、燃料タンク３２からメタノール燃料を水溶液タンクＸに供給してメタノール水溶液の濃度が調整され、水溶液タンクＸ内のメタノール水溶液がアノード１２ｂに、水溶液タンクＹ内のメタノール水溶液がカソード１２ｃにそれぞれ供給され発電が開始される（ステップＳ５）。
【００９８】
セルスタック１２では、化１の化学反応が行われる。すなわち、アノード１２ｂでは化１の１行目の化学反応式に示される反応が起こり、カソード１２ｃでは２行目の化学反応式に示される反応が起こる。したがって、アノード１２ｂとカソード１２ｃの両方の反応を合わせると、３行目の化学反応式に示す反応が燃料電池ひいてはセルスタック１２全体で行われていることになる。
【００９９】
【化１】
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【０１００】
化１に示すように、アノード１２ｂではメタノールが消費され水が生成される。つまり水溶液タンクＸ内のメタノール水溶液は反応が起こるたびに濃度が低くなっていく。したがって、発電中、水溶液タンクＸには燃料タンク３２から燃料ポンプ３４によって高濃度のメタノール水溶液が供給され濃度が調整される。
【０１０１】
これに対して、カソード１２ｃでは、水と酸素から水酸化物イオンが生成され、当該水酸化物イオンはアニオン交換膜１２ａを通ってアノード１２ｂ側へ供給されるので、水溶液タンクＹ内のメタノール水溶液量は徐々に減少していく。そこで、次のステップにおいて水溶液タンクＹの液位が第２閾値以下に低下したか否かが判断される（ステップＳ７）。これは、水溶液タンクＹに設けられている２つの液位センサのうち下側の液位センサの出力に基づいて判断される。第２閾値は、後述の切り替え準備工程において発電を継続した場合でも水溶液タンクＹ内のメタノール水溶液がなくならないように設定されることが好ましい。
【０１０２】
水溶液タンクＹの液位が第２閾値以下であると判断されれば、水の回収量が増加するように水回収パラメータが変更される（ステップＳ９）。この実施形態では、ＣＰＵ７０からの指令によって流路Ｐ１４に設けられている気液分離器５４の冷却ファン５２の回転数を上げて水の回収量を増やす。そして、燃料ポンプ３４が停止される（ステップＳ１１）。
【０１０３】
一方、水溶液タンクＹの液位が第２閾値を超えている場合には水溶液タンクＸの液位が第１閾値以上か否かが判断される（ステップＳ１３）。この動作は水溶液タンクＸに設けられた２つの液位センサのうち高い位置に設けられた液位センサの出力に基づいて判断される。水溶液タンクＸの液位が第１閾値未満であればステップＳ５に戻り発電が継続され、一方、水溶液タンクＸの液位が第１閾値以上であればステップＳ１１に進む。第１閾値は、切り替え準備工程において発電を継続した場合でも水溶液タンクＸ内のメタノール水溶液が満タンにならないように設定されることが好ましい。なお、ステップＳ１１における燃料ポンプ３２の停止からステップＳ２５におけるバルブＡ，Ｂの切り替え完了までの工程が切り替え準備工程に相当する。
【０１０４】
ステップＳ１１において燃料ポンプ３２が停止された後も発電を継続することで、水溶液タンクＸに保持されるメタノール水溶液の濃度を低下させる。
【０１０５】
濃度センサ２２によって検出されるメタノール水溶液の濃度が１％以下に低下するまで発電が継続される。しかし、このとき水溶液タンクＹの液位が第２閾値よりも高い位置にあると、切り替え後にその水溶液タンクの液位が早く第１閾値以上になり、その結果、その水溶液タンクからアノード１２ｂにメタノール水溶液を供給して発電を行う時間が短くなってしまう。すなわち、切り替えのインターバルが短くなってしまう。したがって、切り替えのインターバルを長くするために、水溶液タンクＹの液位が第２閾値以下か否かが監視される（ステップＳ１５）。その液位が第２閾値を超えている場合には、ドレイン４０を開いて液位が第２閾値になるまでメタノール水溶液が捨てられる。一方、ステップＳ１５において、水溶液タンクＹの液位が第２閾値以下であると判断されれば、ドレイン４０を閉じる（ステップＳ１９）。
【０１０６】
そして、水溶液タンクＸから供給されるメタノール水溶液の濃度が１％以下になりかつ水溶液タンクＹの液位調整が終わるまで（ステップＳ２１がＮＯである限り）、ステップＳ１１に戻る。そして、水溶液タンクＸから供給されるメタノール水溶液の濃度が１％以下になりかつ水溶液タンクＹの液位調整が終われば（ステップＳ２１がＹＥＳになれば）、バルブＣ，Ｄを切り替えた（ステップＳ２３）後、バルブＡ，Ｂを切り替える（ステップＳ２５）。これによって、２つの水溶液タンクＸ，Ｙの接続が切り替えられる。
【０１０７】
そして、水溶液タンクＹに燃料タンク３２から燃料としての高濃度水溶液が補給され初期の濃度設定が行われ（ステップＳ２７）、発電が継続される。このとき、水溶液タンクＸからカソード１２ｃへメタノール水溶液が供給されるとともに、カソード１２ｃからのメタノール水溶液が水溶液タンクＸへ戻される。また、水溶液タンクＹからアノード１２ｂへメタノール水溶液が供給されるとともに、アノード１２ｂからのメタノール水溶液が水溶液タンクＹへ戻される。その後、ステップＳ７に戻り、上記処理が繰り返される。
【０１０８】
このような燃料電池システム１０における効果を、たとえば水溶液タンク１４ａからアノード１２ｂにメタノール水溶液を供給しかつ水溶液タンク１４ｂからカソード１２ｃにメタノール水溶液を供給している場合について説明する。
【０１０９】
この場合において、発電を継続し水溶液タンク１４ａ，１４ｂの液位が変動しても、液位センサおよび濃度センサの出力に基づいてメタノール水溶液を外部に放出する必要があるか否かを簡単かつ確実に判断することができ、水溶液タンク１４ａ，１４ｂのメタノール水溶液の供給先を適切なタイミングで切り替えることができる。これによって、水溶液タンク１４ａ，１４ｂの液位を調整でき、水溶液タンク１４ａ，１４ｂからメタノール水溶液が溢れたり無くなるということはなく、発電を長時間継続することができる。特に、アノード１２ｂ側とカソード１２ｃ側とで別々の水溶液タンクによってメタノール水溶液を循環供給している場合に有効である。
【０１１０】
また、水溶液タンク１４ａへの高濃度燃料の補給を停止して発電を継続することで水溶液タンク１４ａ内のメタノール水溶液の濃度を低下させた後、バルブＡ〜Ｄを切り替えて水溶液タンク１４ａからのメタノール水溶液を放出できるので、燃料が無駄に消費されることを防ぐとともに外気へのメタノール排出量を抑制できる。
【０１１１】
さらに、アノード１２ｂから一方の水溶液タンクに、カソード１２ｃから他方の水溶液タンクにそれぞれメタノール水溶液を戻すことによって、メタノール水溶液を有効に利用することができる。
【０１１２】
また、第１切替手段〜第４切替手段としてバルブＡ〜Ｄを用いることによって構成を簡単にでき、バルブＡ〜Ｄを制御するだけで水溶液タンク１４ａ，１４ｂとアノード１２ｂおよびカソード１２ｃとの接続を容易に切り替えることができる。
【０１１３】
アノード１２ｂの出口とバルブＢとの間の流路Ｐ６に高濃度燃料を供給することによって、高濃度燃料を水溶液タンク１４ａ，１４ｂのいずれかに切り替えながら補給することができる。
【０１１４】
また、メタノール水溶液と空気とを混合し霧状にしてカソード１２ｃに供給することによって、カソード１２ｃでの反応を円滑にすることができる。
【０１１５】
さらに、混合されたメタノール水溶液と空気とをカソード１２ｃの下流で分離することによってメタノール水溶液を良好に回収できる。その気液分離能力を可変とすることによって、メタノール水溶液の回収量を調整し、メタノール水溶液１４ａ，１４ｂ内のメタノール水溶液の量を調整することができる。
【０１１６】
また、メタノール水溶液を気液分離して気体の状態で外部に放出することができるので、目立たずにメタノール水溶液を放出することができる。
【０１１７】
上述の効果は、たとえば水溶液タンク１４ｂからアノード１２ｂにメタノール水溶液を供給しかつ水溶液タンク１４ａからカソード１２ｃにメタノール水溶液を供給している場合であっても、同様に奏されることはいうまでもない。
【０１１８】
なお、上述の実施形態では、濃度が１％以下になるまで運転を継続しているが、電解質膜１２ａの劣化等の問題がなければさらに濃度を低下させてもよい。ここで濃度を低下させるのは、水溶液タンク１４ａ，１４ｂを切り替えてそれまでアノード１２ｂに供給されていたメタノール水溶液がカソード１２ｃに供給されたとき、水溶液中のメタノールがカソード１２ｃにて反応することを抑制するためである。また、メタノールが気液分離によって外部に排出され無駄に消費されるのを防止するためである。カソード１２ｃでメタノールが反応しないような触媒を用いかつメタノールが外部に排出されるのを防止できるならば、１％よりも高い濃度で切り替えてもよいし、濃度を低下させずに切り替えてもよい。後述の燃料電池システム１０ａについても同様である。
【０１１９】
つぎに、図４を参照して、この発明の他の実施形態の燃料電池システム１０ａについて説明する。なお、燃料電池システム１０ａの構成要素のうち、燃料電池システム１０の構成要素と同一または類似のものには、燃料電池システム１０における符号と同一または類似の符号を付すことによって、重複する説明は省略する。
【０１２０】
燃料電池システム１０ａはアニオン交換膜型の燃料電池システムであり、セルスタック１２を含む。セルスタック１２は、セパレータを挟んで複数個積層された燃料電池を含み、各燃料電池は、アニオン交換膜からなる電解質膜１２ａと電解質膜１２ａを両側から挟むアノード１２ｂおよびカソード１２ｃを含む。
【０１２１】
また、燃料電池システム１０ａはアノード循環手段１３ａを含む。アノード循環手段１３ａは、アノード１２ｂに供給されるメタノール水溶液が収容される水溶液タンク１４と、水溶液タンク１４内のメタノール水溶液をアノード１２ｂに供給するために水溶液タンク１４の出口とアノード１２の入口とを連結するアノード供給手段２０ａと、アノード１２ｂ内のメタノール水溶液を水溶液タンク１４に戻すためにアノード１２ｂの出口と水溶液タンク１４の入口とを連結するアノード回収手段となる流路Ｐ６ａとを含む。
【０１２２】
水溶液タンク１４には液位センサ１６（水溶液タンク１４ａの液位センサ１６ａに相当）が装着され、水溶液タンク１４内のメタノール水溶液の液位が検出される。
【０１２３】
アノード供給手段２０ａは、水溶液タンク１４の出口とアノード１２の入口とを結ぶ流路Ｐ１ａを含み、流路Ｐ１ａには上流側から濃度センサ２２、水溶液ポンプ２４および水溶液フィルタ２６が介挿される。
【０１２４】
アノード供給手段２０ａおよび流路Ｐ６ａ（アノード回収手段）を介して、水溶液タンク１４とアノード１２ｂとの間でメタノール水溶液を循環させることができる。
【０１２５】
また、水溶液タンク１４には燃料補給手段３０が接続される。燃料補給手段３０は、メタノール水溶液よりも高濃度のメタノール燃料を収容する燃料タンク３２と、燃料タンク３２と水溶液タンク１４とを連結する流路Ｐ７と、流路Ｐ７に介挿される燃料ポンプ３４とを含む。燃料タンク３２には液位センサ３６が装着され、燃料タンク３２内のメタノール燃料の液位が検出される。
【０１２６】
また、燃料電池システム１０ａはカソード循環手段３７ａを含む。カソード循環手段３７ａは、メタノール水溶液（初期的には水）が収容される水溶液タンク９８と、水溶液タンク９８内のメタノール水溶液をカソード１２ｃに供給するために水溶液タンク９８の出口とカソード１２ｃの入口とを連結するカソード供給手段３８ａと、カソード１２ｃの出口と水溶液タンク９８の入口とを連結するカソード回収手段５０ａとを含む。
【０１２７】
水溶液タンク９８には液位センサ１００（水溶液タンク１４ｂの液位センサ１８ｂに相当）が装着され、水溶液タンク９８内のメタノール水溶液の液位が検出される。
【０１２８】
カソード供給手段３８ａは、水溶液タンク９８の出口とセルスタック１２ｃの入口とを結ぶ流路Ｐ１０ａと、流路Ｐ１０ａに介挿される混合器４４とを含む。混合器４４には流路Ｐ１１が接続され、流路Ｐ１１にはエアポンプ４６およびエアフィルタ４８が接続される。また、水溶液タンク９８にはドレイン４０が接続され、ドレイン４０にはソレノイドバルブ４２が介挿される。
【０１２９】
カソード回収手段５０ａは、水溶液タンク９８の入口とカソード１２ｃの出口とを結ぶ流路Ｐ１４ａを含む。流路Ｐ１４ａには、カソード１２ｃ側から順に気液分離室５８ａおよび再送ポンプ６０が介挿され、気液分離室５８ａには、冷却ファン５２ａを有する気液分離器５４ａが設けられ、さらに気液分離器５４ａには排気ガスパイプ５６ａが設けられる。
【０１３０】
セルスタック１２における反応後の空気とメタノール水溶液はカソード１２ｃから気液分離室５８ａに向けて送られ、気液分離器５４ａによって空気とメタノール水溶液とが分離され、空気は排気ガスパイプ５６ａから排出され、メタノール水溶液のみが再送ポンプ６０によって水溶液タンク９８に戻される。
【０１３１】
カソード供給手段３８ａとカソード回収手段５０ａとを介して、水溶液タンク９８とカソード１２ｃとの間でメタノール水溶液を循環させることができる。
【０１３２】
アノード１２ｂにメタノール水溶液を供給する水溶液タンク１４とカソード１２ｃにメタノール水溶液を供給する水溶液タンク９８とは切り替えられず、水溶液タンク１４と水溶液タンク９８とは移送手段１０２によって連結される。移送手段１０２は、水溶液タンク１４と水溶液タンク９８とを結ぶ流路Ｐ１５と、流路Ｐ１５に介挿される移送ポンプ１０４とを含む。
【０１３３】
また、流路Ｐ１ａの濃度センサ２２近傍には水溶液温度センサ６２が設けられ、セルスタック温度センサ６４がセルスタック１２に装着され、外気温度センサ６６がエアフィルタ４８近傍に設けられる。
【０１３４】
このような燃料電池システム１０ａの電気的構成を図５に示す。
燃料電池システム１０ａでは、ＣＰＵ７０に、液位センサ１６，１００から検出信号が与えられ、ＣＰＵ７０によって、バルブＡ〜Ｄではなく移送ポンプ１０４が制御される。また、メモリ７２に、図６に示す動作を実行するためのプログラムやデータが記憶される。その他の点については燃料電池システム１０と同様であるのでその重複する説明は省略する。
【０１３５】
この実施形態では、第１水溶液タンクは水溶液タンク１４を含み、第２水溶液タンクは水溶液タンク９８を含む。外部放出手段はソレノイドバルブ４２および気液分離器５４ａを含む。判断手段は、液位センサ１６，１００および濃度センサ２２を含む。各種制御手段はＣＰＵ７０を含む。第１液位検出手段は液位センサ１６を含み、第２液位検出手段は液位センサ１００を含む。燃料水溶液を霧状にして供給する供給手段は混合器４４を含む。気液分離手段は気液分離器５４ａを含む。調整手段は、冷却ファン５２ａおよびＣＰＵ７０を含む。濃度検出手段は濃度センサ２２を含む。
【０１３６】
つぎに、図６を参照して、燃料電池システム１０ａの動作を説明する。
まず、燃料電池システム１０ａのメインスイッチ（図示せず）がオンされると、燃料電池システム１０ａが起動され（ステップＳ５１）、燃料タンク３２からのメタノール燃料が水溶液タンク１４ａに供給されてメタノール水溶液の濃度が調整され、水溶液タンク１４内のメタノール水溶液がアノード１２ｂに、水溶液タンク１４ｂ内のメタノール水溶液がカソード１２ｃにそれぞれ供給され発電が開始される（ステップＳ５３）。
【０１３７】
セルスタック１２では、上記化１の化学反応が行われ、水溶液タンク１４内のメタノール水溶液の濃度が低くなっていくため、発電中、水溶液タンク１４には燃料タンク３２から高濃度のメタノール水溶液が供給され濃度が調整される。
【０１３８】
一方、水溶液タンク９８内のメタノール水溶液は徐々に減少していく。そこで、次のステップにおいて、液位センサ１００の出力に基づいて水溶液タンク９８の液位が第２閾値以下に低下したか否かが判断される（ステップＳ５５）。
【０１３９】
水溶液タンク９８の液位が第２閾値以下であると判断されれば、水の回収量が増加するように水回収パラメータが変更される（ステップＳ５７）。この実施形態では、ＣＰＵ７０からの指令によって流路Ｐ１４ａに設けられている気液分離器５４ａの冷却ファン５２ａの回転数を上げて水の回収量を増やす。そして、燃料ポンプ３４が停止される（ステップＳ５９）。
【０１４０】
一方、水溶液タンク９８の液位が第２閾値を超えている場合には、液位センサ１６の出力に基づいて水溶液タンク１４の液位が第１閾値以上か否かが判断される（ステップＳ６１）。水溶液タンク１４の液位が第１閾値未満であればステップＳ５３に戻り、発電が継続される。一方、水溶液タンク１４の液位が第１閾値以上であればステップＳ５９に進む。
【０１４１】
ステップＳ５９において燃料ポンプ３２が停止された後も発電を継続することで、水溶液タンク１４に保持されるメタノール水溶液の濃度を低下させる。
【０１４２】
濃度センサ２２によって検出されるメタノール水溶液の濃度が１％以下に低下するまで発電が継続される。しかし、このとき水溶液タンク９８の液位が第２閾値よりも高い位置にあると、水溶液タンク１４から水溶液タンク９８へのメタノール水溶液の移送量が制限され、十分に移送できなくなるおそれがある。したがって、メタノール水溶液の移送量を十分に確保するために、水溶液タンク９８の液位が第２閾値以下か否かが監視される（ステップＳ６３）。その液位が第２閾値を超えている場合には、ドレイン４０を開いて液位が第２閾値になるまでメタノール水溶液が捨てられる（ステップＳ６５）。一方、ステップＳ６３において、水溶液タンク９８の液位が第２閾値以下であると判断されれば、ドレイン４０を閉じる（ステップＳ６７）。
【０１４３】
そして、水溶液タンク１４から供給されるメタノール水溶液の濃度が１％以下になりかつ水溶液タンク９８の液位調整が終わるまで（ステップＳ６９がＮＯである限り）、ステップＳ５９に戻る。そして、水溶液タンク１４から供給されるメタノール水溶液の濃度が１％以下になりかつ水溶液タンク９８の液位調整が終われば（ステップＳ６９がＹＥＳになれば）、水溶液ポンプ２４およびエアポンプ４６を停止し発電を停止させる（ステップＳ７１）。そして、移送ポンプ１０４を駆動することによって水溶液タンク１４のメタノール水溶液が水溶液タンク９８に移送される（ステップＳ７３）。この移送処理は水溶液タンク１４の液量が第１閾値未満になるまで（水溶液タンク７５がＹＥＳになるまで）継続され、当該液量が第１閾値未満になると移送ポンプ１０４が停止される（ステップＳ７７）。移送処理が終了すると、水溶液タンク１４に燃料タンク３２から高濃度燃料が補給され初期の濃度設定が行われ（ステップＳ７９）、発電が再開され（ステップＳ８１）、ステップＳ５５に戻る。
【０１４４】
燃料電池システム１０ａによれば、液位センサ１６，１００および濃度センサ２２の出力に基づいて水溶液タンク１４内のメタノール水溶液を外部に放出する必要があるか否かを簡単かつ確実に判断することができる。そして、必要なときに水溶液タンク１４内のメタノール水溶液を水溶液タンク９８に移送することによって、水溶液タンク１４の液位を確実に制御でき、発電を継続することができる。
【０１４５】
また、アノード１２ｂからのメタノール水溶液を水溶液タンク１４に戻し、カソード１２ｃからのメタノール水溶液を水溶液タンク９８に戻すことによって、メタノール水溶液を有効に利用することができる。
【０１４６】
さらに、アノード循環手段１３ａ内のメタノール水溶液を水溶液タンク９８に移送することができるので、移送量の多少にかかわらず確実にメタノール水溶液を移送できる。
【０１４７】
燃料電池システム１０ａにおいても、燃料電池システム１０と略同様の効果を得ることができる。
【０１４８】
なお、図７に示すように、水溶液タンク１４を水溶液タンク９８よりも重力方向上側に設けておき、移送用の流路Ｐ１５ａにバルブ１０５を設け重力を利用することによって、移送ポンプ１０４を用いることなくステップＳ７３の移送処理を行うこともできる。このように移送ポンプ１０４が不要であるので、消費電力を削減できる。
【０１４９】
また、水溶液タンク１４の所定の位置に移送用流路の接続口を設けておけば、電気的に制御することなく移送後の水溶液タンク１４の液位を一定に保つことができる。水溶液タンク１４および水溶液タンク９８の液量が多いときには、気液分離器の分離能力を変更することでタンクの液量を調整することができる。
【０１５０】
さらに、図３のステップＳ９、図６のステップＳ５７において、次のようにして水回収パラメータを変更してもよい。
【０１５１】
たとえば、エアポンプ４６による空気の供給量を減らして飽和水蒸気量を減らすことによって、水の回収量を増やす。また、カソード１２ｃへのメタノール水溶液の供給を停止し、外気に含まれる水分をカソード１２ｃに取り込むことによって、水の回収量を増やす。さらに、燃料電池運転時の目標温度を低く設定することで水の蒸散を抑えて、水の回収量を増やす。
【０１５２】
なお、この発明は、以下のように構成されてもよい。
図８に示す燃料電池システム１０ｂでは、セルスタック１２のアノード１２ｂに、水溶液タンク１４を含みメタノール水溶液をアノード１２ｂに循環供給するアノード循環手段１３ａを接続し、メタノール水溶液を外部に放出する外部放出手段１０６をアノード循環手段１３ａの供給側に設け、アノード循環手段１３ａに高濃度のメタノール燃料を補給する燃料補給手段３０を接続する。
【０１５３】
燃料電池システム１０ｂでは、発電を継続してアノード循環手段１３ａに存在するメタノール水溶液の量が増加しても、メタノール水溶液を外部に放出することによってメタノール水溶液量を調整でき、メタノール水溶液の増加によって発電が継続できなくなることを防止できる。また、メタノール水溶液を外部に放出する必要があると判断したときにメタノール水溶液を放出することで、外部に放出され発電に使用されなくなる燃料水溶液を最小限に抑えることができる。
【０１５４】
この発明は、燃料電池システム１０ｂのようにアノード循環手段１３ａにメタノール水溶液よりも高濃度のメタノール燃料を補給するアニオン交換膜型燃料電池システムに好適に用いることができる。
【０１５５】
また、図９に示す燃料電池システム１０ｃでは、外部放出手段１０６ａが、メタノール水溶液をカソード１２ｃに供給するカソード供給手段３８ａを含み、メタノール水溶液をカソード１２ｃに供給した後に外部に放出するように設けられる。その他の構成については燃料電池システム１０ｂと同様である。
【０１５６】
燃料電池システム１０ｃでは、メタノール水溶液をカソード１２ｃに供給してから外部に放出することで、発電反応に使用される水をカソードに多く供給することができる。
【０１５７】
さらに、図１０に示す燃料電池システム１０ｄでは、メタノール水溶液をカソード１２ｃに循環供給するカソード循環手段３７ｂを備え、メタノール水溶液を外部に放出する外部放出手段１０６をカソード循環手段３７ｂの供給側に設ける。その他の構成については燃料電池システム１０ｂと同様である。
【０１５８】
燃料電池システム１０ｄでは、水溶液タンク１４内のメタノール水溶液をカソード１２ｃに循環供給することで、メタノール水溶液の濃度を十分小さくしてから外部に放出することができる。これによって燃料を有効に利用することができる。
【０１５９】
図１１に示す燃料電池システム１０ｅでは、セルスタック１２のアノード１２ｂにアノード循環手段１３を接続し、アノード循環手段１３は、それぞれメタノール水溶液を保持する水溶液タンク１４ａ，１４ｂを含む。さらに、外部放出手段１０６ｂが、メタノール水溶液をカソード１２ｃに供給するカソード供給手段３８を含み、メタノール水溶液をカソード１２ｃに供給した後に外部に放出するように設けられる。
【０１６０】
燃料電池システム１０ｅでは、水溶液タンク１４ａ，１４ｂのいずれか一方からアノード１２ｂにメタノール水溶液を供給しかつ他方の水溶液タンクからカソード１２ｃにメタノール水溶液を供給し、これらの水溶液タンクからのメタノール水溶液の供給先を切り替えることによって、水溶液タンク１４ａ，１４ｂの液位を調整できる。したがって、水溶液タンクからメタノール水溶液が溢れたり無くなるということはなく、発電を長時間継続することができる。
【０１６１】
図１２に示す燃料電池システム１０ｆでは、アノード循環手段１３は、アノード１２ｂへメタノール水溶液を供給する元を水溶液タンク１４ａ，１４ｂ間で切り替える第１切替手段となるバルブＡ、およびアノード１２ｂからメタノール水溶液が戻される先を水溶液タンク１４ａ，１４ｂ間で切り替える第２切替手段となるバルブＢを含み、カソード供給手段３８ａはカソード１２ｃへメタノール水溶液を供給する元を水溶液タンク１４ａ，１４ｂ間で切り替える第３切替手段となるバルブＣを含む。その他の構成については燃料電池システム１０ｅと同様である。
【０１６２】
燃料電池システム１０ｆでは、バルブＡ〜Ｃを制御するだけで、水溶液タンク１４ａ，１４ｂとアノード１２ｂおよびカソード１２ｃとの接続を容易に切り替えることができる。
【０１６３】
さらに、図１３に示す燃料電池システム１０ｇでは、カソード供給手段３８ａはメタノール水溶液を保持する水溶液タンク９８を含む。また、水溶液タンク１４内のメタノール水溶液を水溶液タンク９８に移送する移送手段１０２をさらに備える。その他の構成については燃料電池システム１０ｃと同様である。
【０１６４】
また、図１４に示す燃料電池システム１０ｈでは、アノード循環手段１３ｂは、水溶液タンク１４，９８、水溶液タンク１４からアノード１２ｂにメタノール水溶液を供給するアノード供給手段２０ａ、アノード１２ｂから水溶液タンク９８にメタノール水溶液を戻すアノード回収手段２８ａ、水溶液タンク９８内のメタノール水溶液をカソード１２ｃに供給するカソード供給手段３８ａ、およびカソード１２ｃから水溶液タンク１４へメタノール水溶液を戻すカソード回収手段５０ｂを含む。そして、カソード供給手段３８ａに外部放出手段１０６が設けられている。
【０１６５】
燃料電池システム１０ｈでは、切替手段や移送手段を用いることなくメタノール水溶液を有効利用することができる。
【０１６６】
さらに、図１５に示す燃料電池システム１０ｉでは、アノード循環手段１３ｃは、メタノール水溶液をアノード１２ｂに循環供給するだけではなくカソード１２ｃにも供給するように構成されており、カソード１２ｃの出口に外部放出手段１０６が設けられている。
【０１６７】
また、図１６に示す燃料電池システム１０ｊでは、アノード循環手段１３ｄは、メタノール水溶液をアノード１２ｂに供給し、アノード１２ｂから放出されるメタノール水溶液をカソード１２ｃに供給し、さらにカソード１２ｃからのメタノール水溶液を水溶液タンク１４に戻すように構成される。そして、アノード循環手段１３ｄのうち水溶液タンク１４とアノード１２ｂとの間の箇所に外部放出手段１０６が設けられている。
【０１６８】
図８から図１６に示す燃料電池システム１０ｂから１０ｊにおいて、水溶液タンク内の液位やセルスタック１２に供給されるメタノール水溶液の濃度に基づいて、メタノール水溶液を外部に放出する必要があるか否かを判断し、その結果に基づいて、外部放出手段、第１切替手段〜第３切替手段および移送手段の動作を制御するようにしてもよい。
【０１６９】
また、図９から図１６に示す燃料電池システム１０ｃから１０ｊにおいて、メタノール水溶液を空気と混合して霧状にカソード１２ｃに供給するようにしてもよい。この場合、カソード１２ｃからのメタノール水溶液と空気との混合物を気液分離してメタノール水溶液を回収してもよい。さらに、気液分離能力を調整してメタノール水溶液の回収量を変更してもよく、気液分離されたメタノール水溶液は気体の状態で外部に放出されることが望ましい。
【０１７０】
さらに、図１３に示す燃料電池システム１０ｇにおいて、図７に示すように水溶液タンク１４を水溶液タンク９８よりも高くなるように構成してもよい。
【０１７１】
上述の実施形態では、セルスタック１２に供給される燃料としてメタノールを用いる場合について説明したが、これに限定されず、燃料としてメタノール以外のアルコール類、エーテル類、炭化水素類、アセタール類等が用いられてもよい。
【０１７２】
燃料電池システム１０は、自動二輪車、自動車、船舶等の任意の輸送機器に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１７３】
【図１】この発明の一実施形態の要部を示す図解図である。
【図２】図１に示す実施形態の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す実施形態の動作の一例を示すフロー図である。
【図４】この発明の他の実施形態の要部を示す図解図である。
【図５】図４に示す実施形態の電気的構成を示すブロック図である。
【図６】図４に示す実施形態の動作の一例を示すフロー図である。
【図７】メタノール水溶液の移送態様の変形例を示す図解図である。
【図８】この発明のその他の実施形態の要部を示す図解図である。
【図９】この発明のその他の実施形態の要部を示す図解図である。
【図１０】この発明のその他の実施形態の要部を示す図解図である。
【図１１】この発明のその他の実施形態の要部を示す図解図である。
【図１２】この発明のその他の実施形態の要部を示す図解図である。
【図１３】この発明のその他の実施形態の要部を示す図解図である。
【図１４】この発明のその他の実施形態の要部を示す図解図である。
【図１５】この発明のその他の実施形態の要部を示す図解図である。
【図１６】この発明のその他の実施形態の要部を示す図解図である。
【符号の説明】
【０１７４】
１０，１０ａ〜１０ｊ      燃料電池システム
１２      セルスタック
１２ａ      電解質膜
１２ｂ      アノード
１２ｃ      カソード
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ      アノード循環手段
１４，１４ａ，１４ｂ，９８      水溶液タンク
１６，１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ，３６，１００      液位センサ
２０，２０ａ      アノード供給手段
２２      濃度センサ
２８，２８ａ      アノード回収手段
３０      燃料補給手段
３２      燃料タンク
３７，３７ａ，３７ｂ      カソード循環手段
３８，３８ａ      カソード供給手段
４４      混合器
５０，５０ａ，５０ｂ      カソード回収手段
５４，５４ａ      気液分離器
５２，５２ａ      気液分離器用冷却ファン
７０      ＣＰＵ
７２      メモリ
１０２      移送手段
１０６，１０６ａ，１０６ｂ      外部放出手段
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，１０５      バルブ
Ｐ１〜Ｐ１５，Ｐ１ａ，Ｐ６ａ，Ｐ１０ａ，Ｐ１４ａ，Ｐ１５ａ      流路
【図１】
2007294227.tif 000005
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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