(57)【要約】【課題】周囲の状況に応じて、液体燃料の可燃性を低減できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、メタノールを含む液体燃料をアノードに供給するダイレクトメタノール型の燃料電池２と、液体燃料が貯蔵された燃料タンク３１を含み、アノードに燃料タンク３１から液体燃料を供給する燃料供給装置３と、非常用電力負荷９４と、外部電力負荷１００及び燃料電池２の接続と切断との切替えを行う第１の開閉スイッチ９２と、非常用電力負荷１００及び燃料電池２の接続と切断との切替えを行う第２の開閉スイッチ９３と、温度検出値に基づいて、非常用電力負荷９４を燃料電池２に接続するように第２の開閉スイッチ９３を制御する制御装置１０と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノールを含む液体燃料をアノードに供給する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、
前記液体燃料が貯蔵された燃料タンクを含み、前記アノードに前記燃料タンクから前記液体燃料を供給する燃料供給手段と、
非常用電力負荷と、
外部電力負荷及び前記燃料電池の接続と切断との切替えを行う第１の電力供給切替手段と、
前記非常用電力負荷及び前記燃料電池の接続と切断との切替えを行う第２の電力供給切替手段と、
信号に基づいて、前記非常用電力負荷を前記燃料電池に接続するように前記第２の電力供給切替手段を制御する制御手段と、を備え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、
前記燃料電池システムを収容する筐体と、
前記筐体の内部又は外部に設けられた温度検出手段と、をさらに備え、
前記温度検出手段は、検出した温度を、前記信号として、前記制御手段に出力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、
前記燃料電池システムの筐体の外部から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手段と、をさらに備え、
前記メタノール供給手段は、前記外部から前記燃料タンクへのメタノールの供給と遮断との切替えを行うメタノール供給切替手段を少なくとも有し、
前記制御手段は、前記信号に基づいて、前記外部から前記燃料タンクへのメタノールの供給を遮断するように前記メタノール供給切替手段を制御する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記第２の電力供給切替手段により前記燃料電池と前記非常用電力負荷とが接続されたら、前記液体燃料の供給量を増加させるように前記燃料供給手段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、
前記燃料電池が出力する電圧を所定電圧で前記外部電力負荷及び／又は前記非常用電力負荷に出力する定電圧手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記信号に基づいて、前記所定電圧を低くするように前記定電圧手段を動作させる燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記第２の電力供給切替手段が前記非常用電力負荷及び前記燃料電池の接続を行うことに合わせて、前記外部電力負荷及び前記燃料電池の切断を行うように前記第１の電力供給切替え手段の制御を行い、
前記非常用電力負荷の電気抵抗値は、前記外部電力負荷の電気抵抗値に対して小さいことを特徴と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、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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池によって生成された窒素の豊富なカソード排気を部屋に供給して、当該部屋の酸素含有量を低減させる防火システムが知られている（たとえば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００９−５１５３１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ダイレクトメタノール型燃料電池では、アノード燃料として、メタノールを含む液体燃料を用いる。そのためダイレクトメタノール型燃料電池に上記システムを適用したとしても、液体燃料が周囲の高温環境に曝されるおそれがある。このように、周囲の状況によっては液体燃料の可燃性を低減させた状態で貯蔵することが望まれる。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、液体燃料の可燃性を低減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、メタノールを含む液体燃料をアノードに供給するダイレクトメタノール型の燃料電池と、前記液体燃料が貯蔵された燃料タンクを含み、前記アノードに前記燃料タンクから前記液体燃料を供給する燃料供給手段と、非常用電力負荷と、外部電力負荷及び前記燃料電池の接続と切断との切替えを行う第１の電力供給切替手段と、前記非常用電力負荷及び前記燃料電池の接続と切断との切替えを行う第２の電力供給切替手段と、信号に基づいて、前記非常用電力負荷を前記燃料電池に接続するように前記第２の電力供給切替手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムである。
【０００７】
［２］上記発明において、前記燃料電池システムを収容する筐体と、前記燃料電池システムの筐体の内部又は外部に設けられた温度検出手段と、をさらに備え、前記温度検出手段は、検出した温度を、前記信号として、前記制御手段に出力してもよい。
【０００８】
［３］上記発明において、前記液体燃料が貯蔵された燃料タンクを含み、前記アノードに前記燃料タンクから前記液体燃料を供給する燃料供給手段と、前記燃料電池システムの筐体の外部から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手段と、をさらに備え、前記メタノール供給手段は、前記外部から前記燃料タンクへのメタノールの供給と遮断との切替えを行うメタノール供給切替手段を少なくとも有し、前記制御手段は、前記信号に基づいて、前記外部から前記燃料タンクへのメタノールの供給を遮断するように前記メタノール供給切替手段を制御してもよい。
【０００９】
［４］上記発明において、前記液体燃料が貯蔵された燃料タンクを含み、前記燃料電池のアノードに前記燃料タンクから前記液体燃料を供給する燃料供給手段と、をさらに備え、前記制御手段は、前記第２の電力供給切替手段により前記燃料電池と前記非常用電力負荷とが接続されたら、前記液体燃料の供給量を増加させるように前記燃料供給手段を制御してもよい。
【００１０】
［５］上記発明において、前記燃料電池が出力する電圧を所定電圧で前記外部電力負荷及び／又は前記非常用電力負荷に出力する定電圧手段をさらに備え、前記制御手段は、前記信号に基づいて、前記所定電圧を低くするように前記定電圧手段を制御してもよい。
【００１１】
［６］上記発明において、前記制御手段は、前記第２の電力供給切替手段が前記非常用電力負荷及び前記燃料電池の接続を行うことに合わせて、前記外部電力負荷及び前記燃料電池の切断を行うように前記第１の電力供給切替え手段の制御を行い、前記非常用電力負荷の電気抵抗値は、前記外部電力負荷の電気抵抗値に対して小さくてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、信号に基づいて第２の電力供給切替手段により非常用電力負荷を燃料電池に接続する。このように、燃料電池に接続される電力負荷を増大させると、液体燃料中のメタノールの消費が促進され、液体燃料に含まれるメタノール濃度が低下するので、液体燃料の可燃性を低減することができる。
【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装置におけるデータ処理手順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燃料電池システムの作用を示すグラフ（その１）である。
【図４】図４は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの作用を示すグラフ（その２）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、燃料供給装置３と、空気供給装置４と、メタノール補充装置５と、水循環装置６と、凝縮器７と、温度センサ８と、電力供給系９と、制御装置１０と、筐体１１と、を備える。以下、図１を参照して、それぞれの構成について説明する。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「燃料供給装置３」が本発明における「燃料供給手段」の一例に相当し、本実施形態における「空気供給装置４」が本発明における「酸化剤供給手段」の一例に相当し、本実施形態における「メタノール補充装置５」が本発明における「メタノール供給手段」の一例に相当し、本実施形態における「温度センサ８」が本発明における「温度検出手段」の一例に相当する。
【００１７】
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とを含み、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。
【００１８】
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とから構成される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。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」の一例に相当する。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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２１４，２１５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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
本実施形態において、燃料供給装置３の燃料タンク３１には、燃料電池２の液体燃料が貯蓄されている。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。
【００２７】
アノードで生成した二酸化炭素や、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２４２から配管Ｆ３を介して燃料タンク３１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と透過（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２５２から配管Ｆ４及び凝縮器７を介して水循環装置６の水循環タンク６１へ戻される。因みに、凝縮器７は、カソードで生じた水蒸気を液化して水循環タンク６１へ戻す機能を有する。
【００２８】
本実施形態において、配管Ｆ１〜Ｆ６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、具体的構造を採用することができる。
【００２９】
燃料供給装置３は、燃料タンク３１と、ポンプ３２と、液体濃度センサ３３と、を有している。燃料タンク３１には、外部メタノールタンク１０１から供給される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。）と、水循環タンク６１（後述）から供給される水（僅かにメタノールを含む。）とが混合された液体燃料が貯蔵されている。ポンプ３２は、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、燃料タンク３１から液体燃料を供給する。ポンプ３２の作動及び停止は、制御装置１０からの制御信号に基づいて制御される。液体濃度センサ３３は、燃料タンク３１内に貯蔵される液体燃料に含まれるメタノールの濃度（以下、「濃度検出値」とも称する。）を測定する。この液体濃度センサ３３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３３による測定結果は制御装置１０に出力信号として送出される。燃料電池２のアノード流路の出口２４２から排出される生成物、未反応の液体燃料は、配管Ｆ３を介して燃料タンク３１へ戻される。この際、気相である二酸化炭素ガスは液面に浮上するので、この燃料タンク３１により液相のメタノールと気相の二酸化炭素が分離され、二酸化炭素ガスは図示しない排気配管を介して系外へ排出される。
【００３０】
空気供給装置４は、燃料電池２のカソードに酸化剤としての酸素を含む空気を送り込むための装置である。この空気供給装置４は、フィルタ４１と、ブロワ４２と、を有している。フィルタ４１は、筐体１１の外部から吸引される空気に含まれる塵埃等を除去するために設けられるものであり、ブロワ４２の吸入側に設けられる。ブロワ４２は、配管Ｆ２を介して上述したカソードセパレータ２３のカソード流路の入口２５１に、空気を供給する。ブロワ４２の作動及び停止は、制御措置１０からの制御信号に基づいて制御される。
【００３１】
メタノール補充装置５は、ポンプ５１と、遮断弁５２と、を有している。ポンプ５１は、燃料電池システム１の外部に設けられ、上述の高濃度メタノールが追加燃料として貯蔵された外部メタノールタンク１０１に配管Ｆ５を介して連結されている。この外部メタノールタンク１０１は、耐火構造とされている。ポンプ５１により、外部メタノールタンク１０１から燃料タンク３１に追加燃料が供給される。ポンプ５１の作動及び停止は、制御装置１０からの制御信号に基づいて制御される。
【００３２】
配管Ｆ５におけるポンプ５１の吸入側には遮断弁５２が設けられている。この遮断弁５２は、外部メタノールタンク１０１から燃料タンク３１への追加燃料の供給又は遮断を行う。遮断弁５２の開閉動作は、制御装置１０からの制御信号によって制御される。このような遮断弁５２としては、特に限定しないが、たとえば、ソレノイドコイルの磁力によってプランジャを動かして開閉する電磁弁などを用いることができる。なお、遮断弁５２の配置は、特に上述に限定されず、ポンプ５１の吐出側に設けてもよい。本実施形態における「遮断弁５２」が本発明における「メタノール供給切替手段」の一例に相当する。
【００３３】
水循環装置６は、水循環タンク６１と、ポンプ６２と、を有している。水循環タンク６１には、燃料電池２のカソードで生成した水と、膜電極接合体２１を透過した未反応メタノールが、カソード流路の出口２５２から配管Ｆ４及び凝縮器７を介して供給されている、一方、水循環タンク６１に貯蔵される水は、配管Ｆ６に設けられたポンプ６２により燃料タンク３１に向けて排出される。ポンプ６２の作動及び停止は、制御装置１０からの制御信号に基づいて制御される。
【００３４】
温度センサ８は、燃料電池システム１の各種構成部品を収容する筐体１１の内部に設けられている。この温度センサ８は、燃料電池システム１の周囲の温度を検出するために用いられるものであり、検出した温度を電気信号（以下、「温度検出値」とも称する。）として制御装置１０に出力する。運転中において、温度センサ８は、常時、信号の出力及び温度の検出を行っている。このような温度センサ８としては、室温から２００℃程度の温度が検出可能で、これを電気信号として出力できる、たとえば、赤外線センサなど公知のセンサを用いることができる。なお、温度センサ８は、燃料電池システム１の筐体１１の外部に設けられていてもよく、この場合には、たとえば、建物に設置された火災報知器を温度センサ８として利用してもよい。
【００３５】
燃料電池２が出力する電力を筐体１１の外部に導く電力供給系９は、電力変換器９１と、第１の開閉スイッチ９２と、第２の開閉スイッチ９３と、非常用電力負荷９４と、を有している。電力変換器９１は、制御装置１０から送られる制御信号に応じて燃料電池２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換し、外部電力負荷１００に供給するインバータ（不図示）と、ＤＣ／ＤＣコンバータやツェナダイオードなどの定電圧素子を含んで構成される定電圧回路９１１と、を含んでいる。定電圧回路９１１は、制御装置１０から送られる制御信号に応じて、燃料電池２が出力する電圧を外部電力負荷１００の求める一定電圧に変化（降下）させて供給する。燃料電池２から視て、電力変換器９１の２次側には、第１の開閉スイッチ９２が設けられており、制御装置１０から送られる制御信号に応じて、この第１の開閉スイッチ９２を切り替えることによって、燃料電池２と外部電力負荷１００とを電気的に接続したり切り離したりする。本実施形態における「定電圧回路９１１」が本発明における「定電圧手段」の一例に相当し、本実施形態における「第１の開閉スイッチ９２」が本発明における「第１の電力供給切替手段」の一例に相当する。
【００３６】
また、電力変換器９１の２次側には、第２の開閉スイッチ９３を介して、外部電力負荷１００と並列に非常用電力負荷９４が電気的に接続されている。本実施形態の非常用電力負荷９４は、燃料電池２と外部電力負荷１００との電気的な接続に加えて、当該燃料電池２と電気的に接続されるものである。このような非常用電力負荷９４としては、発熱抵抗体などを用いることができる。燃料電池２と非常用電力負荷９４との電気的な接続又は遮断を行う第２の開閉スイッチ９３の動作は、制御装置１０からの制御信号に基づいて制御される。このような第２の開閉スイッチ９３としては、上述の第１の開閉スイッチ９２と同様のものを用いることができる。本実施形態における「第２の開閉スイッチ９３」が本発明における「第２の電力供給切替手段」の一例に相当する。
【００３７】
なお、本実施形態では、非常用電力負荷９４は、第２の開閉スイッチ９３を介して、外部電力負荷１００に加えて燃料電池２に電気的に接続されるものであるが、特にこれに限定されず、外部電力負荷１００に代えて、非常用電力負荷９４が燃料電池２に電気的に接続されるものであってもよい。本実施形態を例に説明すると、第１の開閉スイッチ９２を遮断すると共に、第２の開閉スイッチ９３を電気的に接続することで、外部電力負荷１００に代えて非常用電力負荷９４を燃料電池２に電気的に接続することができる。また、特に図示しないが、燃料電池と外部電力負荷との電気的な接続と、燃料電池と非常用電力負荷との電気的な接続とを切り替える１つの電力供給切替手段を設けてもよい。この場合は、１つの電力供給切替え手段が、本発明の第１及び第２の電力供給手段として機能する。
【００３８】
制御装置１０は、たとえば、ＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェースなどを含んで構成されるマイクロコンピュータから構成されている。この制御装置１０には、温度センサ８や液体濃度センサ３３などの各種センサ類が接続されており、それらの検出信号を受信することが可能となっている。本実施形態における「制御装置１０」が本発明における「制御手段」の一例に相当する。
【００３９】
制御装置１０は、温度センサ８から受け取った温度検出値に基づいて、燃料電池システム１の周囲が高温環境であるか否かを判定する。制御装置１０には、燃料電池システム１の周囲の温度として異常な範囲の下限値（以下、「第１の閾値」とも称する。）が予め保存されている。制御装置１０は、この第１の閾値と、温度検出値とを比較して、当該温度検出値が第１の閾値以上の場合、燃料電池システム１の周囲が高温環境であると判定する。なお、第１の閾値としては、液体燃料に含まれるメタノールの物性および燃料電池システムを構成する部材の保証温度を鑑みて、１００〜１５０℃の範囲内で設定することが好ましい。この場合、上述する高温環境とは、第１の閾値を超える温度領域に属する環境のことをいう。
【００４０】
制御装置１０は、燃料電池システム１の周囲が高温環境であると判定したら、燃料電池システム１の運転状態を、通常運転から当該燃料電池システム１の系内に留まる液体燃料を意図的に消費する運転（以下、「燃料消費運転」とも称する。）に移行する。燃料消費運転は、燃料電池２において上記［数１］及び［数２］式に示す反応を進めて、液体燃料に含まれるメタノールを消費するために実行される。メタノールは可燃性を有するものであるため、高温環境に曝されると意図しない急激な酸化反応を生じることがある。本発明では、液体燃料の消費を促進して、当該液体燃料に含まれるメタノールの濃度を低下させることで、高温環境に曝されても反応し難い状態で液体燃料を貯蔵しようとするものである。
【００４１】
この燃料消費運転では、燃料電池システム１において、（１）非常用電力負荷９４に燃料電池２を電気的に接続する制御と、（２）外部メタノールタンク１０１から燃料タンク３１への追加燃料としてのメタノールの供給を停止する制御と、が行われる。なお、燃料消費運転時において制御装置１０により行われる制御の詳細については、図２を参照しながら、後に説明する。
【００４２】
また、本実施形態の制御装置１０は、燃料電池システム１が燃料消費運転に移行した後、燃料電池システム１の系内に留まる液体燃料の消費をさらに促進する運転（以下、「急速消費運転」とも称する。）を実行する。
【００４３】
この急速消費運転では、（Ａ）燃料電池２のアノードに対する液体燃料の供給量を増加させる制御と、（Ｂ）燃料電池２のカソードに対する空気の供給量を増加させる制御と、（Ｃ）燃料電池２から外部電力負荷１００及び非常用電力負荷９４に出力する電圧を低くする制御と、が行われる。なお、急速消費運転時において制御装置１０により行われる制御の詳細については、図２を参照しながら、後に説明する。
【００４４】
また、制御装置１０は、液体濃度センサ３３から出力された、燃料タンク３１内に貯蔵される液体燃料の濃度検出値に基づいて、燃料電池システム１を停止するか否かを判定する。制御装置１０には、液体燃料の可燃性が十分に低減したとされるメタノールの濃度（以下、「第２の閾値」とも称する。）が、予め保存されている。第２の閾値としては、設定される液体燃料のメタノールの濃度にもよるが、当該液体燃料から揮発するメタノールの濃度が２００ｐｐｍ以下となる値であることが好ましい。制御装置１０は、この第２の閾値と濃度検出値とを比較して、濃度検出値が第２の閾値以下であれば、液体燃料に含まれるメタノールの濃度が十分に低下したとして、燃料電池システム１を停止する信号を出力する。
【００４５】
次に、図２を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御手順を説明する。以下の処理は制御装置１０内にインストールされた燃料電池システム１の制御プログラムによって実行される。本実施形態に係る燃料電池システム１の制御は、温度センサ８からの信号に基づいて、燃料電池システム１を通常運転から燃料消費運転へ、さらには、燃料消費運転から急速消費運転へ移行するものである。
【００４６】
まず、ステップＳＴ１にて、制御装置１０が温度センサ８により検出される温度検出値を読み出し、ステップＳＴ２にて、読み出した温度検出値と、第１の閾値とを比較する。温度検出値が第１の閾値よりも大きい場合、ステップＳＴ３に進む。一方、温度検出値が第１の閾値以下の場合、ステップＳＴ１〜ＳＴ２を繰り返す。
【００４７】
ステップＳＴ２において、温度検出値が第１の閾値以上と判定される（つまり、燃料電池システム１の周囲が高温環境であると判定する）と、制御装置１０は、燃料電池システム１を通常運転から燃料消費運転に移行する。以下に、ステップＳＴ３において燃料電池システム１が実行する燃料消費運転の具体的な制御内容について説明する。
【００４８】
上述のとおり、燃料消費運転（すなわち、ステップＳＴ３）では、制御装置１０は、（１）非常用電力負荷９４に燃料電池２を電気的に接続する制御と、（２）外部メタノールタンク１０１から燃料タンク３１への追加燃料としての高濃度メタノールの供給を停止する制御と、を行う。
【００４９】
ここでは、まず、制御装置１０は、外部電力負荷１００に加えて、非常用電力負荷９４を燃料電池２に電気的に接続するように、第２の開閉スイッチ９３を動作させる信号を出力する。燃料電池２は、非常用電力負荷９４が追加されることで負荷が増大し、これに伴い当該燃料電池２にかかる電流密度が増大する。このため、燃料電池２において液体燃料の消費が促進され、当該液体燃料に含まれるメタノールの濃度が低下する。なお、外部電力負荷１００に代えて、非常用電力負荷９４を燃料電池２に電気的に接続する場合では、制御装置１０は、第１及び第２の開閉スイッチ９２，９３を動作させる信号を出力する。
【００５０】
また、制御装置１０は、メタノール補充装置５に対して、外部メタノールタンク１０１に貯蔵される追加燃料としての高濃度メタノールの供給を停止する信号を出力する。具体的には、制御装置１０は、遮断弁５２に対して閉塞信号を出力すると共に、ポンプ５１に対して停止信号を出力する。これにより、外部メタノールタンク１０１から燃料タンク３１に対して追加燃料としての高濃度メタノールの供給が停止する。つまり、液体燃料に含まれるメタノール量は、燃料電池２で消費された分だけ着実に低減する。
【００５１】
このように、本実施形態では、燃料電池システム１の周囲が高温環境であると判定されたら、燃料消費運転として、制御装置１０が燃料電池システム１の系内に留まる液体燃料を意図的に消費するような運転を実行する制御を行い、燃料電池システム１の系内におけるメタノールの濃度を低下させる。これにより、液体燃料の可燃性が低減する。
【００５２】
さらに本実施形態では、ステップＳＴ４において、制御装置１０が燃料電池システム１を燃料消費運転から急速消費運転に移行する。本実施形態では、燃料電池システムが燃料消費運転に移行したら、ほとんど時間的にずれがなく急速消費運転に移行する。以下に、ステップＳＴ４において燃料電池システム１が実行する急速消費運転の具体的な制御内容について説明する。
【００５３】
上述のとおり、急速消費運転（すなわち、ステップＳＴ４）では、制御装置１０は、（Ａ）燃料電池２のアノードに対する液体燃料の供給量を増加させる制御と、（Ｂ）燃料電池２のカソードに対する空気の供給量を増加させる制御と、（Ｃ）燃料電池２から外部電力負荷１００及び非常用電力負荷９４に出力する電圧を低くする制御と、を行う。
【００５４】
ここでは、まず、制御装置１０は、燃料供給装置３のポンプ３２が吐出する液体燃料の流量を増加させる信号を、当該ポンプ３２に出力する。また、合わせて制御装置１０は、空気供給装置４のブロワ４２が吐出する空気の流量を増加させる信号を、当該ブロワ４２に出力する。これにより、燃料電池２に供給される反応流体（液体燃料及び空気）の流量が増大する。結果として、上記［数１］式及び［数２］式に示す化学反応がさらに進み、燃料電池２における液体燃料の消費が促進される。すなわち、液体燃料に含まれるメタノールの濃度が一層低下する。
【００５５】
また、制御装置１０は、燃料電池２から外部電力負荷１００及び非常用電力負荷９４に出力される電圧が低くなるように、定電圧回路９１１を制御する。燃料電池の一般的な特性として、燃料電池の出力する電圧が低下すると、電流密度が増加する傾向がある。一方、燃料電池の出力する電流密度が増加すると、出力密度が増加する傾向がある。ここでは、燃料電池の上記特性を利用して、燃料電池２から出力される電圧を低下するように定電圧回路９１１を制御することで、燃料電池２の出力する電流密度を増大させ、延いては、燃料電池２の出力密度を増大させる。このように、急速消費運転では、通常運転の際に要求される出力密度に対して大きい出力密度を燃料電池２に出力させることで、当該燃料電池２において液体燃料の消費を促進させ、当該液体燃料に含まれるメタノールの濃度を一層低下させる。
【００５６】
ステップＳＴ５では、制御装置１０が、液体濃度センサ３３から燃料タンク３１に貯蔵される液体燃料の濃度検出値を読み出し、濃度検出値と第２の閾値とを比較する。濃度検出値が第２の閾値以下の場合、液体燃料に含まれるメタノールの濃度が十分に低下したので、ステップＳＴ６に進む。一方、濃度検出値が第２の閾値以上の場合、ステップＳＴ５を繰り返す。
【００５７】
ステップＳＴ６では、燃料電池システム１を停止する。具体的には、制御装置１０が急速消費運転中に作動しているポンプ３２とブロワ４２に対して停止信号を出力し、これらを停止させる。また、第１及び第２の開閉スイッチ９２，９３を開路とし、燃料電池２と、外部電力負荷１００及び非常用電力負荷９４との電気的な接続を遮断する。これにより、燃料電池システム１が停止する。
【００５８】
以上のように、本実施形態では、温度検出値に基づいて第２の開閉スイッチ９３により非常用電力負荷９４を燃料電池２に電気的に接続して、電力負荷を増大させることで、液体燃料中のメタノールの消費を促進させる。これにより、液体燃料に含まれるメタノール濃度が低下するので、液体燃料の可燃性を低減することができる。
【００５９】
本実施形態の作用・効果を、以下に具体的に説明する。たとえば、図３に示す特性を有する燃料電池２を備える燃料電池システム１において、燃料消費運転として、１４０ｍＷ／ｃｍ２の非常用電力負荷９４を電気的に接続すると共に、外部メタノールタンク１０１からの追加燃料（メタノール）の供給を停止する制御を行う。なお、燃料電池のアノードに対して、液体燃料（３Ｌ、メタノール濃度は３ｗｔ％）を３Ｌ／分で循環供給すると共に、燃料電池のカソードに対して、空気を２００Ｌ／分で供給する。この場合において、燃料消費運転開始からの経過時間に対する、燃料タンク３１に貯蔵される液体燃料に含まれるメタノールの濃度をプロットすると、図４に示すようなグラフαとなる。
【００６０】
図４に示すように、燃料消費運転を開始してから５分経過したところで液体燃料に含まれるメタノールの濃度が１ｗｔ％に減少し、さらに、燃料消費運転を開始してから１５分経過したところで液体燃料に含まれるメタノールの濃度が０．５ｗｔ％に減少しており、燃料消費運転を実行することで、液体燃料中のメタノールの消費を促進させ、当該液体燃料に含まれるメタノール濃度を低下させることができる。
【００６１】
さらに、急速消費運転として、液体燃料の供給量を６Ｌ／分に増大させると共に、空気の供給量は前記と同様の制御を行った場合について、上述と同様、急速消費運転開始からの経過時間に対する、燃料タンクに貯蔵されえる液体燃料に含まれるメタノールの濃度をプロットすると、図４に示すようなグラフβとなる。なお、ここでは、燃料電池システム１が燃料消費運転に移行したら、ほとんど時間的にずれがなく急速消費運転に移行するものとする。
【００６２】
図４に示すように、急速消費運転を開始してから４分経過したところで液体燃料に含まれるメタノールの濃度が０．５ｗｔ％に減少している。つまり、この急速消費運転を実行することで、液体燃料中のメタノールの消費をさらに促進させ、当該液体燃料に含まれるメタノール濃度を一層低下させることができる。
【００６３】
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。
【００６４】
たとえば、本実施形態では、温度センサ８により検出される温度検出値に基づいて、制御装置１０による制御を行っているが、特にこれに限定されず、図１に示す外部機器１０２からの周囲の異常を示す信号に基づいて、制御装置１０による制御を行ってもよい。この場合、「外部機器１０２からの周囲の異常を示す信号」が、本発明の「信号」の一例に相当する。
【００６５】
なお、建物に設置された火災報知器からの信号や、外部機器１０２からの信号に基づいて燃料電池システム１を制御する場合、たとえば筐体の直近に温度センサを設けた場合と比べて、燃料消費運転や急速消費運転の実行時間を長時間確保することができるので、本発明の作用・効果をより有効なものとすることができる。
【００６６】
また、本実施形態では、定電圧回路９１１を用いて、燃料電池２から出力される電圧を低下させることで、当該燃料電池２において液体燃料の消費を促進しているが、このほかにも、外部電力負荷１００に代えて、非常用電力負荷９４を燃料電池２に電気的に接続する場合において、当該非常用電力負荷９４の電気抵抗値を外部電力負荷１００の電気抵抗値に対して小さいものを選定することで、燃料電池２における液体燃料の消費を促すことができる。上記構成は、定電圧回路９１１を備える構成に比べて単純な構成であるから、比較的簡便かつ安価に上述の作用・効果を得ることができる。
【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
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
２４１・・・入口
２４２・・・出口
２５１・・・入口
２５２・・・出口
３・・・燃料供給装置
３１・・・燃料タンク
３２・・・ポンプ
４・・・空気供給装置
４１・・・フィルタ
４２・・・ブロワ
５・・・メタノール補充装置
５１・・・ポンプ
５２・・・遮断弁
６・・・水循環装置
６１・・・水循環タンク
６２・・・ポンプ
７・・・凝縮器
８・・・温度センサ
９・・・電力供給系
９１・・・電力変換器
９１１・・・定電圧回路
９２・・・第１の開閉スイッチ
９３・・・第２の開閉スイッチ
９４・・・非常用電力負荷
１０・・・制御装置
１１・・・筐体
Ｆ１〜Ｆ６・・・配管
１００・・・外部電力負荷
１０１・・・外部メタノールタンク
１０２・・・外部機器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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