(57)【要約】【課題】循環燃料中のメタノール濃度の調整精度を高める。【解決手段】本発明は、下限濃度未満のメタノール濃度を測定した時に測定した循環燃料量と原燃料ポンプの能力とに基づき原燃料ポンプの仮の駆動時間を算出する手段と、下限濃度未満のメタノール濃度を測定した時より前の一定時間における循環燃料量の変動量と循環燃料中のメタノール濃度の変動量とに基づき単位時間当たりのメタノール減少量を算出する手段と、原燃料ポンプの仮駆動時間と単位時間当たりのメタノール減少量とから算出したメタノール減少量と原燃料の仮補給量とに基づき原燃料の実際の補給量を算出する手段と、原燃料の実際の補給量と原燃料ポンプの能力とに基づき原燃料ポンプの実際の駆動時間を算出する算出手段と、実際の駆動時間、原燃料ポンプを駆動させる制御手段と、を備えていることを特徴とする。【選択図】図３
2013008569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノール水溶液である循環燃料を貯留する循環燃料タンクと、
高濃度メタノール水溶液である原燃料を貯留する原燃料タンクと、
前記原燃料タンクに貯留された原燃料を前記循環燃料タンクに供給する駆動源である原燃料ポンプと、
燃料極、空気極および前記燃料極と前記空気極との間に配置された固体高分子膜を備えたセルと、
前記循環燃料タンクに貯留された前記循環燃料を前記燃料極に供給すると共に、電池反応後に前記燃料極から排出される前記循環燃料を前記循環燃料タンクに戻す燃料循環手段と、
を備えた直接メタノール燃料電池システムであって、
前記循環燃料中のメタノール濃度を測定するメタノール濃度測定手段と、
前記循環燃料の循環燃料量を測定する循環燃料量測定手段と、
前記メタノール濃度測定手段が所定の下限濃度未満のメタノール濃度を測定した時に前記循環燃料量測定手段が測定した循環燃料量と、前記原燃料ポンプの能力と、に基づき、前記循環燃料のメタノール濃度を所定の上限濃度に到達させるために必要な仮の補給量の原燃料を前記循環燃料タンクに供給するのに要する前記原燃料ポンプの仮の駆動時間を算出する仮駆動時間算出手段と、
前記メタノール濃度測定手段が下限濃度未満のメタノール濃度を測定した時より前の一定時間における循環燃料量の変動量と、前記循環燃料中のメタノール濃度の変動量と、に基づき、単位時間当たりのメタノール減少量を算出するメタノール減少量算出手段と、
前記駆動時間算出手段が算出した前記原燃料ポンプの仮駆動時間と前記メタノール減少量算出手段が算出した単位時間当たりのメタノール減少量とから算出した前記原燃料ポンプによる前記原燃料の補給開始から完了までの間に減少するメタノール減少量と、前記原燃料の仮補給量と、に基づき、前記原燃料の実際の補給量を算出する実補給量算出手段と、
該実補給量算出手段が算出した前記原燃料の実際の補給量と、前記原燃料ポンプの能力と、に基づき、前記原燃料の実際の補給量を前記循環燃料タンクに供給するのに要する前記原燃料ポンプの実際の駆動時間を算出する実駆動時間算出手段と、
該実駆動時間算出手段が算出した実際の駆動時間、前記原燃料ポンプを駆動させる制御手段と、
を備えていることを特徴とする直接メタノール燃料電池システム。
【請求項２】
メタノール水溶液である循環燃料を貯留する燃料タンクと、高濃度メタノール水溶液である原燃料を貯留する原燃料タンクと、前記原燃料タンクに貯留された原燃料を前記循環燃料タンクに供給する駆動源である原燃料ポンプと、燃料極、空気極および前記燃料極と前記空気極との間に配置された固体高分子膜を備えたセルと、前記循環燃料タンクに貯留された前記循環燃料を前記燃料極に供給すると共に、電池反応後に前記燃料極から排出される前記循環燃料を前記循環燃料タンクに戻す燃料循環手段と、を備えた直接メタノール燃料電池システムにおいて、前記循環燃料中のメタノール濃度を調整する運転管理方法であって、
前記循環燃料中のメタノール濃度を測定するメタノール濃度測定工程と、
前記循環燃料の循環燃料量を測定する循環燃料量測定工程と、
前記メタノール濃度測定工程において所定の下限濃度未満のメタノール濃度を測定した時の循環燃料量と、前記原燃料ポンプの能力と、に基づき、前記循環燃料のメタノール濃度を所定の上限濃度に到達させるために必要な仮の補給量の原燃料を前記循環燃料タンクに供給するのに要する前記原燃料ポンプの仮の駆動時間を算出する仮駆動時間算出工程と、
前記メタノール濃度測定工程において下限濃度未満のメタノール濃度を測定した時より前の一定時間における循環燃料量の変動量と、前記循環燃料中のメタノール濃度の変動量と、に基づき、単位時間当たりのメタノール減少量を算出するメタノール減少量算出工程と、
前記駆動時間算出工程において算出した前記原燃料ポンプの仮駆動時間と前記メタノール減少量算出工程において算出した単位時間当たりのメタノール減少量とから算出した前記原燃料ポンプによる前記原燃料の補給開始から完了までの間に減少するメタノール減少量と、前記原燃料の仮補給量と、に基づき、前記原燃料の実際の補給量を算出する実補給量算出工程と、
該実補給量算出工程において算出した前記原燃料の実際の補給量と、前記原燃料ポンプの能力と、に基づき、前記実際の補給量の原燃料を前記循環燃料タンクに供給するのに要する前記原燃料ポンプの実際の駆動時間を算出する実駆動時間算出工程と、
該実駆動時間算出工程において算出した実際の駆動時間、前記原燃料ポンプを駆動させる制御工程と、
を備えていることを特徴とする直接メタノール燃料電池システムの運転管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車、輸送機器、携帯型電子機器の電源または充電装置等として用いることができる直接メタノール燃料電池システム、および直接メタノール燃料電池システムの運転管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、自動車、輸送機器、携帯型電子機器の電源や充電装置等としての用途が期待されており、現在、開発が進められている。例えば、直接メタノール燃料電池を搭載したシニアカー（電動車椅子）の開発が進められており、直接メタノール燃料電池の利用により、燃料（メタノール水溶液）の補給を簡単化でき、走行可能距離を延ばすことができる等の優れた性能を備えたシニアカーを実現するに至っている。
【０００３】
直接メタノール燃料電池は、メタノールを燃料極で直接反応させる方式の燃料電池であり、直接メタノール燃料電池システムは、直接メタノール燃料電池を備えた発電システムである。この直接メタノール燃料電池システムは、例えば、メタノール水溶液である循環燃料を貯留する循環燃料タンクと、高濃度メタノール水溶液である原燃料を貯留する原燃料タンクと、原燃料タンクに貯留された原燃料を循環燃料タンクに供給する駆動源である原燃料ポンプと、燃料極と空気極との間に固体高分子膜を設けると共に燃料極の外側および空気極の外側にセパレータをそれぞれ設けたセルを複数積層することにより形成されたセルスタックと、循環燃料タンクに貯留された循環燃料をセルスタックの各燃料極に供給すると共に、電池反応後に各燃料極から排出された循環燃料を循環燃料タンクに戻す燃料循環経路と、燃料循環経路を介して循環燃料タンクからセルスタックの各燃料極へ循環燃料を送る循環ポンプと、燃料循環経路においてセルスタックの下流側に設けられ、電池反応後に各燃料極から排出される循環燃料を冷却する熱交換器と、セルスタックの各空気極に空気（酸素）を供給するコンプレッサと、電池反応後に各空気極から排出される水を貯留する水タンクと、電池反応後に各空気極から排出される水を水タンクに搬送する水排出経路と、水排出経路の途中に設けられ、電池反応後に各空気極から排出される水を冷却する熱交換器とを備えている。
【０００４】
このような構成を有するにおいて、循環ポンプを駆動し、循環燃料タンクから各燃料極に循環燃料を供給すると共に、コンプレッサを駆動して各空気極に空気（酸素）を供給すると、各燃料極では、カーボンに担持された白金、ルテニウム触媒により、循環燃料に含まれるメタノールと水とが反応し、水素イオン、電子、および二酸化炭素が生成され、電子が燃料極より外部へ電力として出力される。また、水素イオンは、固体高分子膜を通り、空気極へ移動し、空気極において酸素と結合して水（生成水）になる。各燃料極および各空気極における反応についての化学反応式は、次の通りである。
【０００５】
燃料極：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→６Ｈ＋＋６ｅ−＋ＣＯ２      （１）
空気極：６Ｈ＋＋６ｅ−＋３／２Ｏ２→３Ｈ２Ｏ      （２）
そして、直接メタノール燃料電池システムにおいて、原燃料としては高濃度メタノール水溶液（例えば、５４ｗｔ％）が使用され、該高濃度メタノール水溶液は純水および燃料電池の生成水により希釈され、循環燃料（例えば、３ｗｔ％メタノール水溶液）として燃料極に供給される。また、空気極において未利用空気が混入して気液状態で排出された生成水は、熱交換器により凝縮されて前記水タンクに貯留され、上記したように希釈水として再利用される。
【０００６】
この時、発電によりメタノールが消費され、循環燃料中のメタノール濃度は徐々に低下するため、循環燃料中のメタノール濃度はモニタされて所定の濃度以下になると、原燃料ポンプが駆動し、高濃度メタノールを循環燃料タンクに供給して循環燃料中のメタノール濃度の低下を防止している。
【０００７】
このような従来の直接メタノール燃料電池システムとしては、高濃度・低濃度・燃料蓄積用の３つのメタノール燃料タンクを備え、燃料電池の発電状態・温度、燃料蓄積タンク中のメタノール水溶液の液面高さやメタノール濃度をモニタして、高濃度メタノール水溶液および低濃度メタノール水溶液を燃料蓄積タンクに補給し、メタノール水溶液の濃度調整を行うエネルギー管理モジュール及び駆動装置が提案されている（例えは、特許文献１参照）。
【０００８】
また、別の従来の直接メタノール燃料電池システムとしては、高濃度・燃料極供給用メタノール水溶液・水用の３つのユニットを備え、燃料電池の発電電流をモニタしてメタノール消費量を計算し、該消費量が設定値を超えたと判断した時に、高濃度メタノール水溶液を燃料極供給用ユニットに補給して濃度調整を行う燃料電池システム及びその燃料補充方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
さらに別の従来の直接メタノール燃料電池システムとしては、高濃度・燃料極供給用メタノール水溶液・水用の３つのタンクを備え、あらかじめ燃料電池の発電で消費されるメタノール消費量を見込んだ上で高濃度メタノール水溶液を補給する直接型メタノール燃料電池システム及びその制御方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−１７０４０５号公報
【特許文献２】特開２０１１−０２３３４６号公報
【特許文献３】特開２００６−２８６２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記したように特許文献１に記載の発明では、高濃度メタノール水溶液および低濃度メタノール水溶液の補給トリガが燃料蓄積タンク中のメタノール水溶液の液面高さと濃度であり、液面高さが設定範囲内にあるか否かが液面センサによって監視され、循環燃料の液量はモニタされない。すなわち、燃料の液量は、燃料蓄積タンクの最低液面高さと最高液面高さの範囲内に保たれる様に制御され、高濃度メタノールあるいは低濃度メタノールが定量補給される。したがって、最低液面高さの時と最高液面高さの時とでは燃料蓄積タンク内のメタノール水溶液の量が異なるため、高濃度メタノールあるいは低濃度メタノールを補給した後の循環燃料のメタノール濃度が所定の数値にならない可能性がある。また、燃料電池を高効率あるいは高出力で持続運転するには、循環燃料の濃度範囲を狭く設定する必要があるため、循環燃料の濃度調整の精度は高い方が好ましいが、このシステムでは循環燃料量によって補給後のメタノール濃度に違いが出てしまうため、循環燃料の濃度調整の精度を高めることができないといった問題がある。
【００１２】
仮に、上記した特許文献１に記載の発明と同等のシステムが、例えば、循環燃料量を最低液面高さの時で８７０ｇ、最高液面高さの時で９４０ｇ、循環燃料の流量を６００ｍＬ／ｍｉｎ、空気流量を３０Ｌ／ｍｉｎ、スタック電圧を１２Ｖの定電圧とした条件下で、循環燃料濃度が２．８〜３．５ｗｔ％の範囲となるように運転された場合、循環燃料中のメタノール濃度が２．６ｗｔ％に低下して原燃料が補給されると、循環燃料量が最低液面高さの時の８７０ｇであると設定され、５４％メタノール水溶液が補給され、３．５ｗｔ％（発電によるメタノール消費をあらかじめ見込んだ数値）になるよう、次式により原燃料の補給量Ａが算出される。すなわち、（８７０×０．０２６＋０．０５４×Ａ）／（８７０＋Ａ）＝０．０３５から、Ａ＝１５．５ｇとなる。
【００１３】
この場合、循環燃料の液量を測定していないので、実際の液量が最高液面高さの時の９４０ｇであったとしても、原燃料の補給量は最低液面高さの時の循環燃料量である８７０ｇを基に算出され、原燃料の補給量は１５．５ｇとなってしまうため、原燃料補給後の循環燃料中のメタノール濃度は３．５ｗｔ％に到達しない。すなわち、この場合、実際には、図５に示すように、循環燃料中のメタノール濃度は最低値２．７ｗｔ％〜最高値３．３ｗｔ％の幅で変動し、メタノール濃度の最高値が設定した数値（３．５ｗｔ％）よりも低くなってしまうことが分かる。
【００１４】
また、上記した特許文献２に記載の発明では、循環燃料に対する高濃度メタノール水溶液の補給トリガが燃料電池出力から得た燃料中のメタノール消費量であり、このメタノール消費量にはクロスオーバーによるメタノール消費量が反映されない。そのため、メタノール水溶液を循環して使用する場合、計算で得たメタノール消費量と実際のメタノール消費量とが合致せず、高濃度メタノールの補給量が不足する結果、発電の停止や燃料不足による電池破損等の不具合が生じる虞がある。
【００１５】
さらに、上記した特許文献３に記載の発明では、高濃度メタノール水溶液を補給した時の循環燃料の液量が反映されていないため、適切な補給量を計算することができないといった問題がある。
【００１６】
このように上記した各従来技術に共通した問題点としては、燃料極に供給するメタノール水溶液の濃度が低下して高濃度メタノール水溶液を補給する必要が生じた場合に、高濃度メタノール水溶液の補給量を算出する際に、メタノールのクロスオーバーによる損失が反映されないことや、循環燃料の液量が反映されないことにより、濃度調整の精度が悪くなる可能性があることが挙げられる。
【００１７】
本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、循環燃料中のメタノール濃度の調整精度を高めることのできる直接メタノール燃料電池システムおよびその運転管理方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記した目的を達成するため、本発明は、メタノール水溶液である循環燃料を貯留する循環燃料タンクと、高濃度メタノール水溶液である原燃料を貯留する原燃料タンクと、前記原燃料タンクに貯留された原燃料を前記循環燃料タンクに供給する駆動源である原燃料ポンプと、燃料極、空気極および前記燃料極と前記空気極との間に配置された固体高分子膜を備えたセルと、前記循環燃料タンクに貯留された前記循環燃料を前記燃料極に供給すると共に、電池反応後に前記燃料極から排出される前記循環燃料を前記循環燃料タンクに戻す燃料循環手段と、を備えた直接メタノール燃料電池システムであって、前記循環燃料中のメタノール濃度を測定するメタノール濃度測定手段と、前記循環燃料の循環燃料量を測定する循環燃料量測定手段と、前記メタノール濃度測定手段が所定の下限濃度未満のメタノール濃度を測定した時に前記循環燃料量測定手段が測定した循環燃料量と、前記原燃料ポンプの能力と、に基づき、前記循環燃料のメタノール濃度を所定の上限濃度に到達させるために必要な仮の補給量の原燃料を前記循環燃料タンクに供給するのに要する前記原燃料ポンプの仮の駆動時間を算出する仮駆動時間算出手段と、前記メタノール濃度測定手段が下限濃度未満のメタノール濃度を測定した時より前の一定時間における循環燃料量の変動量と、前記循環燃料中のメタノール濃度の変動量と、に基づき、単位時間当たりのメタノール減少量を算出するメタノール減少量算出手段と、前記駆動時間算出手段が算出した前記原燃料ポンプの仮駆動時間と前記メタノール減少量算出手段が算出した単位時間当たりのメタノール減少量とから算出した前記原燃料ポンプによる前記原燃料の補給開始から完了までの間に減少するメタノール減少量と、前記原燃料の仮補給量と、に基づき、前記原燃料の実際の補給量を算出する実補給量算出手段と、該実補給量算出手段が算出した前記原燃料の実際の補給量と、前記原燃料ポンプの能力と、に基づき、前記原燃料の実際の補給量を前記循環燃料タンクに供給するのに要する前記原燃料ポンプの実際の駆動時間を算出する実駆動時間算出手段と、該実駆動時間算出手段が算出した実際の駆動時間、前記原燃料ポンプを駆動させる制御手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、メタノール水溶液である循環燃料を貯留する燃料タンクと、高濃度メタノール水溶液である原燃料を貯留する原燃料タンクと、前記原燃料タンクに貯留された原燃料を前記循環燃料タンクに供給する駆動源である原燃料ポンプと、燃料極、空気極および前記燃料極と前記空気極との間に配置された固体高分子膜を備えたセルと、前記循環燃料タンクに貯留された前記循環燃料を前記燃料極に供給すると共に、電池反応後に前記燃料極から排出される前記循環燃料を前記循環燃料タンクに戻す燃料循環手段と、を備えた直接メタノール燃料電池システムにおいて、前記循環燃料中のメタノール濃度を調整する運転管理方法であって、前記循環燃料中のメタノール濃度を測定するメタノール濃度測定工程と、前記循環燃料の循環燃料量を測定する循環燃料量測定工程と、前記メタノール濃度測定工程において所定の下限濃度未満のメタノール濃度を測定した時の循環燃料量と、前記原燃料ポンプの能力と、に基づき、前記循環燃料のメタノール濃度を所定の上限濃度に到達させるために必要な仮の補給量の原燃料を前記循環燃料タンクに供給するのに要する前記原燃料ポンプの仮の駆動時間を算出する仮駆動時間算出工程と、前記メタノール濃度測定工程において下限濃度未満のメタノール濃度を測定した時より前の一定時間における循環燃料量の変動量と、前記循環燃料中のメタノール濃度の変動量と、に基づき、単位時間当たりのメタノール減少量を算出するメタノール減少量算出工程と、前記駆動時間算出工程において算出した前記原燃料ポンプの仮駆動時間と前記メタノール減少量算出工程において算出した単位時間当たりのメタノール減少量とから算出した前記原燃料ポンプによる前記原燃料の補給開始から完了までの間に減少するメタノール減少量と、前記原燃料の仮補給量と、に基づき、前記原燃料の実際の補給量を算出する実補給量算出工程と、該実補給量算出工程において算出した前記実際の補給量の原燃料と、前記原燃料ポンプの能力と、に基づき、前記原燃料の実際の補給量を前記循環燃料タンクに供給するのに要する前記原燃料ポンプの実際の駆動時間を算出する実駆動時間算出工程と、該実駆動時間算出工程において算出した実際の駆動時間、前記原燃料ポンプを駆動させる制御工程と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、循環燃料中のメタノール濃度の調整精度を高めることができる等、種々の優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態による直接メタノール燃料電池システムの全体的構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態による直接メタノール燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態による直接メタノール燃料電池システムにおいて、循環燃料中のメタノール濃度を調整処理する手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態による直接メタノール燃料電池システムにおいて、循環燃料中のメタノール濃度を調整処理した結果を示す図である。
【図５】従来の直接メタノール燃料電池システムにおいて、メタノール濃度を調整した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（燃料電池システムの構成・基本動作）
図１において、本発明の実施形態による直接メタノール燃料電池システム１（以下、「燃料電池システム１」という。）は、直接メタノール燃料電池を備えた発電システムである。燃料電池システム１は、例えば、シニアカーに搭載され、シニアカーの二次電池の充電装置として用いられる。
【００２４】
燃料電池システム１は、循環燃料タンク１１、原燃料タンク１２および水タンク１３を備えている。循環燃料タンク１１には、セルスタック３１の各セルの燃料極に供給される循環燃料が貯留される。循環燃料は、例えばメタノールの濃度が所定の設定範囲（例えば、２．８ｗｔ％〜３．５ｗｔ％）となるように制御されるメタノール水溶液である。原燃料タンク１２には原燃料が貯留される。原燃料は、例えばメタノールの濃度が５４ｗｔ％の高濃度メタノール水溶液である。水タンク１３には希釈水が貯留される。希釈水は、例えば純水および燃料電池生成水からなる。
【００２５】
循環燃料タンク１１に貯留された循環燃料のメタノール濃度が所定の上限濃度（例えば、３．５ｗｔ％）よりも高くなったときには、水ポンプ１４が駆動され、水タンク１３に貯留された希釈水が水供給経路１５を介して循環燃料タンク１１に供給される。また、循環燃料タンク１１に貯留された循環燃料のメタノール濃度が所定の下限濃度（例えば、２．８ｗｔ％）よりも低くなったときには、原燃料ポンプ１６が駆動され、原燃料タンク１２に貯留された原燃料が原燃料供給経路１７を介して循環燃料タンク１１に供給される。また、循環燃料タンク１１に貯留された循環燃料の量が所定量以下となったときには、原燃料ポンプ１６および水ポンプ１４が駆動され、原燃料タンク１２に貯留された原燃料が原燃料供給経路１７を介して循環燃料タンク１１に供給されると共に、水タンク１３に貯留された希釈水が水供給経路１５を介して循環燃料タンク１１に供給され、これら供給された原燃料と希釈水とにより循環燃料が生成される。循環燃料タンク１１、原燃料タンク１２および水タンク１３には、液面センサ１８がそれぞれ設けられ、これら液面センサ１８と各タンク１１，１２，１３の形状とにより、循環燃料の量、原燃料の量および希釈水の量がそれぞれ算出される。
【００２６】
また、燃料電池システム１は、循環燃料のメタノール濃度および導電率を測定するＳＡＷセンサ２１と、循環燃料のｐＨを測定するｐＨ測定手段としてのｐＨ計２２とを備えている。ＳＡＷセンサ２１およびｐＨ計２２は、循環燃料タンク１１に貯留された循環燃料を流通させる送液経路２３に設けられ、送液ポンプ２４の駆動により送液経路２３を流通する循環燃料のメタノール濃度、導電率およびｐＨを測定する。
【００２７】
ここで、ＳＡＷセンサ２１は、圧電体上に形成されたすだれ状の電極に高周波信号を印加し、圧電効果によって発生する弾性表面波の伝播状態が被検出液体の性状によって異なることを利用するセンサである。メタノール水溶液である循環燃料の密度粘度積（静粘度）、比誘電率、導電率がメタノール濃度によって変化すると、これに応じて弾性表面波の位相、振幅が変化するので、この弾性表面波の位相、振幅の変化を検出することで、メタノール水溶液のメタノール濃度を測定することができる。さらに、弾性表面波の位相、振幅の変化により、循環燃料の導電率を測定することができる。なお、ＳＡＷセンサ２１による循環燃料のメタノール濃度および導電率の測定精度を高めるために、温度センサを追加し、温度センサにより測定された温度に基づいてＳＡＷセンサ２１による循環燃料のメタノール濃度および導電率の各測定値を補正してもよい。一方、ｐＨ計２２としては、例えば温度補償式のガラス電極法を用いたｐＨセンサを使用することができる。
【００２８】
また、循環燃料タンク１１と水タンク１３との間には、循環燃料タンク１１から水タンク１３へ二酸化炭素を排気する排気経路２６が設けられ、排気経路２６の途中には、二酸化炭素の逆流を防止する逆止弁２７が設けられている。また、水タンク１３には、空気、水および二酸化炭素を外部に排出する排出経路２８が設けられ、排出経路２８の途中には排ガス触媒２９が設けられている。
【００２９】
さらに、燃料電池システム１はセルスタック３１を備えている。セルスタック３１は、複数のセルを積層することにより形成されている。各セルは、燃料極と空気極との間に固体高分子膜を設けると共に、燃料極の外側および空気極の外側にセパレータをそれぞれ設けることにより形成されている。また、セルスタック３１には、セルスタック３１の出力電力を測定する電力測定手段としての電力計３２が設けられている。また、セルスタック３１と循環燃料タンク１１との間には、両者間で循環燃料を循環させる燃料循環手段としての燃料循環経路３３が設けられている。燃料循環経路３３の途中に設けられた循環燃料ポンプ３４が駆動されると、循環燃料タンク１１に貯留された循環燃料が燃料循環経路３３を流通してセルスタック３１の各セルの燃料極に供給されると共に、電池反応後に各燃料極から排出された循環燃料が燃料循環経路３３を流通して循環燃料タンク１１に戻される。また、燃料循環経路３３においてセルスタック３１の下流側には、電池反応後に各燃料極から排出される循環燃料を冷却する熱交換器３５が設けられている。
【００３０】
さらに、燃料電池システム１はイオン交換樹脂装置３６を備えている。イオン交換樹脂装置３６は、循環燃料に含まれるアルミニウムイオン等の金属イオンを、イオン交換樹脂を用いて吸着除去する装置である。イオン交換樹脂装置３６はバイパス経路３７の途中に設けられている。バイパス経路３７は、セルスタック３１の上流側において燃料循環経路３３をバイパスする経路である。すなわち、バイパス経路３７は、燃料循環経路３３の一部であって、循環燃料タンク１１に貯留された循環燃料をセルスタック３１の各セルの燃料極に供給する経路（循環燃料供給経路３３Ａ）から分岐し、循環燃料タンク１１に貯留された循環燃料をイオン交換樹脂装置３６に供給する。また、バイパス経路３７は、イオン交換樹脂装置３６の下流側とセルスタック３１の上流側とを接続するように燃料循環経路３３に結合し、イオン交換樹脂装置３６から排出された循環燃料をセルスタック３１の各セルの燃料極に供給する。また、燃料循環経路３３において、イオン交換樹脂装置３６の上流側であって燃料循環経路３３からバイパス経路３７が分岐する部位には切換弁３８が設けられている。切換弁３８は、循環燃料タンク１１に貯留された循環燃料をセルスタック３１の各セルの燃料極に循環燃料供給経路３３Ａを介して直接供給するかバイパス経路３７を介して供給するか選択する三方弁である。
【００３１】
さらに、燃料電池システム１は、セルスタック３１の各セルの空気極に空気（酸素）を供給する酸素供給手段としてのコンプレッサ４１と、コンプレッサ４１の流入口に取り付けられたエアフィルタ４２と、空気が流通する空気供給経路４３と、電池反応後に各セルの空気極から排出される水を水タンク１３に搬送する水排出手段としての水排出経路４４と、水排出経路４４の途中に設けられ、電池反応後に各セルの空気極から排出される水を冷却する熱交換器４５とを備えている。熱交換器４５の内面は、防食のため、ベーマイト処理が施されている。
【００３２】
さらに、図２に示すように、燃料電池システム１はコントローラ５１および記憶手段としてのメモリ５２を備えている。コントローラ５１は例えば演算処理回路を備えている。コントローラ５１には、燃料電池システム１における水ポンプ１４、原燃料ポンプ１６、送液ポンプ２４、循環燃料ポンプ３４、切換弁３８、コンプレッサ４１、各液面センサ１８、ＳＡＷセンサ２１、ｐＨ計２２、電力計３２およびメモリ５２が接続されている。
【００３３】
コントローラ５１は、燃料電池システム１に関する種々の制御および処理を行う。すなわち、コントローラ５１は、各ポンプ１４、１６、２４、３４およびコンプレッサ４１等の駆動、停止を制御する。また、コントローラ５１は、循環燃料タンク１１に貯留された循環燃料のメタノール濃度の測定値をＳＡＷセンサ２１から取得し、当該メタノール濃度の測定値に基づいて水ポンプ１４または原燃料ポンプ１６を駆動して希釈水または原燃料を循環燃料タンク１１に供給し、循環燃料のメタノール濃度を所定の設定範囲（例えば、２．８ｗｔ％〜３．５ｗｔ％）に保つ処理を行う。また、コントローラ５１は、各液面センサ１８からの出力に基づいて、循環燃料、希釈水、原燃料の量を管理する。また、コントローラ５１は、循環燃料タンク１１に貯留された循環燃料の導電率およびｐＨのそれぞれの測定値をＳＡＷセンサ２１およびｐＨ計２２から取得し、当該導電率およびｐＨの各測定値と、メモリ５２に記憶されたｐＨ基準値算定式とを用いて、循環燃料へのアルミニウムイオンの溶出を検出する処理を行う。さらに、コントローラ５１は、セルスタック３１の出力電力の測定値を電力計３２から取得し、当該電力の測定値と、アルミニウムイオン溶出検出の結果とに基づいて、切換弁３８を切換制御し、循環燃料をバイパス経路３７を介してイオン交換樹脂装置３６に供給して循環燃料からアルミニウムイオンを除去する処理を行う。また、コントローラ５１は、燃料電池システム１が搭載されたシニアカーに関する制御および処理をも行う。例えば、コントローラ５１は、セルスタック３１から出力される電力をシニアカーの二次電池に供給する処理や、シニアカーの走行用モータの駆動、停止制御等を行う。
【００３４】
また、コントローラ５１は、ＳＡＷセンサ２１が所定の下限濃度未満のメタノール濃度を測定した時に液面センサ１８が測定した循環燃料量と、原燃料ポンプ１６の能力と、に基づき、循環燃料のメタノール濃度を所定の上限濃度に到達させるために必要な仮の補給量の原燃料を循環燃料タンク１１に供給するのに要する原燃料ポンプ１６の仮の駆動時間を算出する仮駆動時間算出手段として機能する。また、コントローラ５１は、ＳＡＷセンサ２１が下限濃度未満のメタノール濃度を測定した時より前の一定時間における循環燃料量の変動量と、循環燃料中のメタノール濃度の変動量と、に基づき、単位時間当たりのメタノール減少量を算出するメタノール減少量算出手段として機能する。また、コントローラ５１は、前記算出された原燃料ポンプ１６の仮駆動時間と前記算出された単位時間当たりのメタノール減少量とから算出した原燃料ポンプ１６による原燃料の補給開始から完了までの間に減少するメタノール減少量と、原燃料の仮補給量と、に基づき、原燃料の実際の補給量を算出する実補給量算出手段として機能する。また、コントローラ５１は、前記算出された原燃料の実際の補給量と、原燃料ポンプ１６の能力と、に基づき、原燃料の実際の補給量を循環燃料タンク１１に供給するのに要する原燃料ポンプ１６の実際の駆動時間を算出する実駆動時間算出手段や、該算出された実際の駆動時間、原燃料ポンプ１６を駆動させる制御手段として機能する。
【００３５】
このような構成を有する燃料電池システム１の基本的な発電動作については、周知の直接メタノール燃料電池システムと同様である。すなわち、循環燃料ポンプ３４が駆動されると、循環燃料タンク１１に貯留された循環燃料が、燃料循環経路３３（循環燃料供給経路３３Ａ）を介してセルスタック３１の各セルの燃料極に供給される。一方、コンプレッサ４１が駆動され、セルスタック３１の各セルの空気極に空気（酸素）が供給される。これにより、各燃料極において、循環燃料に含まれるメタノールと水とが反応し、水素イオン、電子、および二酸化炭素が生成される。この反応により生じた電子により出力電力がつくられる。そして、水素イオンは、固体高分子膜を通り、空気極へ移動し、空気極において酸素と結合して水になる。このような電池反応を経て、セルスタック３１の各セルの燃料極から排出された循環燃料は、燃料循環経路３３を介して循環燃料タンク１１に戻る。この間、循環燃料が熱交換器３５により冷却される。一方、電池反応を経て、セルスタック３１の各セルの空気極から排出された水および空気は水排出経路４４を介して水タンク１３に搬送される。この間、水および空気が熱交換器４５により冷却される。
【００３６】
この発電過程において、微量のメタノール、ギ酸等の反応副生成物が燃料極側から空気極側にクロスオーバーすることが知られている。クロスオーバーしたメタノールと反応副生成物は、空気極の触媒により燃料極と同様の過程を経て酸化されるが、この反応は燃料電池の発電には関与しないため、燃料電池の電流・電圧から算出したメタノール消費量には反映されない。また、燃料極出口からは、未反応のメタノール水溶液と二酸化炭素、反応副生成物が排出され、循環燃料タンク１１に流入するため、循環燃料の濃度は常に変動している。
【００３７】
以下、図３を参照しながら、燃料電池システム１において、循環燃料中のメタノール濃度を調整処理する手順を具体的に説明する。
【００３８】
（循環燃料量およびメタノール濃度測定工程）
燃料電池システムが運転されている間は、常時、コントローラ５１は、液面センサ１８から送信される循環燃料タンク１１の液面高さに関する情報と予めメモリ５２に格納されている循環燃料タンク１１の容器形状に関する情報とに基づき、循環燃料量を算出し、その算出結果をメモリ５２に格納すると共に、ＳＡＷセンサ２１から送信される循環燃料中のメタノール濃度をモニタする（ステップＳ１）。
【００３９】
そして、コントローラ５１は、循環燃料中のメタノール濃度が前記下限濃度の２．８ｗｔ％より少ないか否かを判断し（ステップＳ２）、その結果、メタノール濃度が２．８ｗｔ％より少ないと判断した場合には、原燃料ポンプ１６の駆動時間を算出する次の駆動時間算出工程に進む。
【００４０】
（原燃料ポンプ１６の仮駆動時間算出工程）
コントローラ５１は、前記ステップＳ１において前記下限濃度未満のメタノール濃度を測定した時に算出された循環燃料量と、原燃料ポンプ１６の送出能力と、に基づき、循環燃料のメタノール濃度を前記上限濃度の３．５ｗｔ％に到達させるために必要な仮の補給量Ａ１の原燃料を原燃料タンク１２から循環燃料タンク１１に供給するのに掛かる原燃料ポンプ１６の仮の駆動時間（すなわち、原燃料の仮の補給時間）Ｔ１を算出する（ステップＳ３）。
【００４１】
例えば、２．７ｗｔ％の循環燃料濃度を測定した時の循環燃料量が９２２ｇ、原燃料濃度が５４ｗｔ％という条件下では、循環燃料濃度を３．５ｗｔ％の調整濃度にするために必要な原燃料の仮の補給量Ａ１は、次式により算出され、１４．６ｇとなる。
【００４２】
Ａ１＝（循環燃料量×（調整濃度−循環燃料濃度）／（原燃料濃度−調整濃度）
＝９２２×（０．０３５−０．０２７）／（０．５４−０．０３５）＝１４．６ｇ
そして、この時の原燃料ポンプ１６の送出能力を１００ｇ／ｍｉｎとすると、仮の補給量の原燃料を原燃料タンク１２から循環燃料タンク１１に供給するのに要する原燃料ポンプ１６の仮の駆動時間（すなわち、原燃料の仮の補給時間）Ｔ１は、次式により算出され、約９秒となる。
【００４３】
Ｔ１＝Ａ１／原燃料ポンプ能力＝１４．６÷１００×６０＝８．８秒
（単位時間当たりのメタノール減少量算出工程）
次いで、コントローラ５１は、前記ステップＳ１において前記下限濃度未満のメタノール濃度を測定した時より前の一定時間における循環燃料量の変動量と、循環燃料中のメタノール濃度の変動量と、に基づき、単位時間当たりのメタノール減少量ＤＭを算出する（ステップＳ４）。
【００４４】
例えば、上記した条件下において、２．７ｗｔ％の循環燃料濃度を測定した時の２分前のメタノール濃度および循環燃料量がそれぞれ３．３ｗｔ％、９３０ｇ、また、２．７ｗｔ％の循環燃料濃度を測定した時の１分前のメタノール濃度および循環燃料量がそれぞれ３．１ｗｔ％、９２５ｇであったと仮定すると、１分間当たりのメタノール減少量ＤＭは、次式により算出され、約２．０１ｇ／ｍｉｎとなる。
【００４５】
ＤＭ＝濃度測定２分前の循環燃料中のメタノール量−濃度測定１分前の循環燃料中のメタノール量
＝（９３０×０．０３３）−（９２５×０．０３１）＝２．０１ｇ／ｍｉｎ
このように算出されたメタノール減少量ＤＭには、燃料電池の電流値や電圧値に現れないクロスオーバーによるメタノールの損失量も含まれているため、直近のメタノール消費量を反映した値となる。
【００４６】
（原燃料の実補給量算出工程）
次いで、ステップＳ５では、前記ステップＳ３において算出した原燃料の仮の補給量Ａ１には発電およびクロスオーバーによるメタノール消費量が反映されていないため、コントローラ５１は、前記ステップＳ３において算出した原燃料ポンプ１６の仮の駆動時間Ｔ１と、前記ステップＳ４において算出した単位時間当たりのメタノール減少量と、から原燃料ポンプ１６による原燃料の補給開始から完了までの間に減少するメタノール減少量ＤＭ１を算出し、このメタノール減少量ＤＭ１と、前記ステップＳ３において算出した原燃料の仮の補給量Ａ１と、に基づき、該仮の補給量Ａ１を補正し、原燃料の実際の補給量Ａ２を算出する。
【００４７】
例えば、上記した条件下では、前記原燃料ポンプ１６の仮の駆動時間Ｔ１が９秒、１分間当たりのメタノール減少量ＤＭが約２．０１ｇ／ｍｉｎであるため、その間のメタノール減少量ＤＭ１は、次式により算出され、約０．３ｇとなる。
【００４８】
ＤＭ１＝２．０１×９÷６０＝０．３ｇ
また、この場合、原燃料の仮の補給量Ａ１が１４．６ｇであるから、原燃料の実際の補給量Ａ２は、次式により算出され、約１５．２となる。
【００４９】
Ａ２＝Ａ１＋ＤＭ１／原燃料濃度＝１４．６＋０．３／０．５４＝１５．２ｇ
（原燃料ポンプ１６の実駆動時間算出工程）
次いで、ステップＳ６では、コントローラ５１は、前記ステップＳ５において算出した原燃料の実際の補給量Ａ２と、原燃料ポンプ１６の送出能力と、に基づき、前記仮の駆動時間Ｔ１を補正し、原燃料の実際の補給量Ａ２を循環燃料タンク１１に供給するのに要する原燃料ポンプ１６の実際の駆動時間（すなわち、原燃料の実際の補給時間）Ｔ２を算出する。
【００５０】
例えば、この場合、原燃料の実際の補給量Ａ２が１５．２ｇであるため、原燃料ポンプ１６の実施の駆動時間Ｔ２は、次式により算出され、約９．１秒となる。
【００５１】
Ｔ２＝Ａ２／原燃料ポンプ能力＝１５．２÷１００×６０＝９．１秒
（原燃料ポンプ制御工程）
次いで、ステップＳ７では、コントローラ５１は、前記ステップＳ６において算出した原燃料ポンプ１６の実際の駆動時間Ｔ２、原燃料ポンプ１６を駆動させる。
【００５２】
図４は、循環燃料流量を６００ｍＬ／ｍｉｎ、空気流量を３０Ｌ／ｍｉｎ、スタック電圧を１２Ｖの定電圧に設定し、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１を図３に示す手順に従って運転させた時の循環燃料中のメタノール濃度の変動状態を示している。この図４から、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１によれば、循環燃料中のメタノール濃度が、２．７ｗt％〜３．５ｗｔ％の幅で変動し、良好な結果を得られることが分かる。
【００５３】
また、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１によれば、循環燃料の上限濃度（例えば、３．５ｗｔ％）を設定した上で循環燃料タンク１に対する原燃料の補給量を設定しているため、暖気のために敢えて燃料濃度を濃くして（例えば５ｗｔ％）クロスオーバーによるメタノール燃焼を促進することで電池昇温を早くする場合や、空気極側への水の移動や燃料循環ライン中での蒸発等により循環燃料中の水分が減った場合を除いて、燃料濃度が高くなり過ぎて水タンク１３から循環燃料タンク１１に希釈水を補給することはない。したがって、燃料電池の性能の低下や破損を防止することができる。
【００５４】
なお、燃料電池の起動直後等、燃料電池の温度が低い場合には、メタノール濃度の調整範囲を変更することで、燃料電池の早期暖気が可能となる。例えば、燃料電池内部の温度あるいは燃料電池出口の循環燃料温度、空気温度等をモニタし、５０℃以下の場合には、循環燃料の濃度が５ｗｔ％程度になるように、原燃料の補給量を設定することも可能である。
【００５５】
また、上記した実施の形態では、燃料電池システム１をシニアカーの二次電池の充電装置として用いる場合を例に挙げたが、本発明は例えば自動二輪車、自動四輪車、その他の輸送機器、あるいは電子機器の電源または充電装置等にも適用することができる。
【００５６】
また、本発明は、請求の範囲および明細書全体から読み取ることのできる発明の要旨または思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う直接メタノール燃料電池システムおよびその運転管理方法もまた本発明の技術思想に含まれることは言う迄もない。
【符号の説明】
【００５７】
１          燃料電池システム
１１        循環燃料タンク
１２        原燃料タンク
１６        原燃料ポンプ
１８        液面センサ（循環燃料量測定手段）
２１        ＳＡＷセンサ（メタノール濃度測定手段）
３３        燃料循環経路（燃料循環手段）
５１        コントローラ（仮駆動時間算出手段、メタノール減少量算出手段、実補給量算出手段、実駆動時間算出手段、制御手段）
【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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