(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤との電気化学的反応により電気エネルギーを発生させる電気発生部と、
該電気発生部に前記燃料を供給する燃料供給部と、
前記燃料の濃度を測定するためのメイン濃度センサと、
リファレンス溶液が満たされており、前記リファレンス溶液の濃度を測定するためのリファレンス濃度センサを備えるリファレンスセルと、
前記メイン濃度センサ及び前記リファレンス濃度センサで測定した濃度値に基づき、前記電気発生部の作動を制御する駆動制御部と、
を含み、
前記メイン濃度センサは、ＱＣＭ濃度センサを含み、
前記燃料供給部と前記電気発生部とを連結する配管と、
該配管を流れる前記燃料の一部が分流するバイパス配管と、
をさらに含み、
前記メイン濃度センサは、前記バイパス配管に設置されることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記リファレンス溶液は、水を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記メイン濃度センサで測定した濃度値と、前記リファレンス濃度センサで測定した濃度値とを比較し、前記燃料の濃度補正のための補正濃度値を算出する濃度補正部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記補正濃度値は、前記メイン濃度センサで測定した濃度値から、前記リファレンス濃度センサで測定した濃度値を減算した値であることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記メイン濃度センサ及び前記リファレンス濃度センサは、同種のセンサであり、隣接して設置されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料供給部は、
燃料原料を貯蔵する燃料タンクと、
前記電気発生部から出る未反応燃料及び水を受け、前記燃料タンクから供給される前記燃料原料を受けて混合して貯蔵し、貯蔵した燃料を前記電気発生部に供給する混合タンクと、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料供給部は、
前記燃料タンクから前記混合タンクへの前記燃料原料の流動を制御する第１流量制御器と、
前記混合タンクから前記電気発生部への前記混合された燃料の流動を制御する第２流量制御器と、
前記電気発生部から前記混合タンクへの反応副生成物の流動を制御する第３流量制御器と、
をさらに含み、
前記駆動制御部は、前記メイン濃度センサ及び前記リファレンス濃度センサのセンシング値に基づき、前記第１流量制御器〜第３流量制御器の少なくとも１つを制御することを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第３流量制御器は、前記電気発生部のカソードから排出される流体を凝縮する凝縮器を含むことを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料に含有されている不純物粒子が前記メイン濃度センサに接触することを防止するための保護網をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記電気発生部のカソードに空気を供給するための空気ポンプをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料原料は、メタノールを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、濃度センサを備えた燃料電池システムに関し、特に、温度に応じた濃度センシング値を正確に補正することができる、補正手段を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、メタノール、エタノール、天然ガスなどの炭化水素系の物質内に含有されている水素と空気中の酸素との電気化学的反応により電気エネルギーを発生させる発電システムである。
【０００３】
燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、高分子電解質型燃料電池、アルカリ燃料電池などに分類される。これら各々の燃料電池は、基本的に同じ原理によって作動するが、使用される燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが互いに異なる。
【０００４】
これらのうち、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＰＥＭＦＣ）は、他の燃料電池に比べて出力特性がはるかに高く、作動温度が低く、さらに、早い始動及び応答特性により、携帯用電子機器用のような移動用電源や、自動車用動力源のような輸送用電源はもちろん、住宅、公共ビルの静止型発電所のような分散用電源など、その応用範囲が広いというメリットがある。
【０００５】
また、燃料電池には、高分子電解質型燃料電池に類似し、かつ液状のメタノール燃料をスタックに直接供給できる直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＤＭＦＣ）がある。直接メタノール型燃料電池は、高分子電解質型燃料電池とは異なり、燃料から水素を得るための改質器を用いないことから、小型化にさらに有利である。
【０００６】
直接メタノール型燃料電池は、例えば、スタック、燃料タンク、及び燃料ポンプなどを備える。スタックは、水素を含有する燃料と酸素や空気などの酸化剤とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる。このようなスタックは、通常、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）とセパレータとからなる単位燃料電池が数個から数十個積層された構造を有する。ここで、膜電極接合体は、高分子電解質膜を挟んでアノード電極（別名、「燃料極」または「酸化電極」ともいう）と、カソード電極（別名、「空気極」または「還元電極」ともいう）とが付着した構造を有する。
【０００７】
一方、液状の燃料が燃料電池スタックに直接供給される直接メタノール型燃料電池においては、アノード電極及びカソード電極に供給される燃料のモル濃度により、その運転効率に大きな差がある。例えば、アノード電極に供給される燃料のモル濃度が高ければ、現在使用可能な高分子電解質膜の限界により、アノード側からカソード側に移る燃料の量が増加し、これにより、カソード電極側で反応する燃料によって逆起電力が発生し、出力が減少する。このように、燃料電池スタックは、その構成及び特性により、所定の燃料濃度で最適の運転効率を有する。したがって、直接メタノール型燃料電池システムでは、安定した運転のため、燃料のモル濃度を適切に調節する方法が求められている。
【０００８】
また、直接メタノール型燃料電池は、スタックや燃料タンク、リサイクルタンクといった設備に貯蔵された溶液、または設備間の配管内に流動する燃料の濃度を測定する手段を備えることができる。
【０００９】
前述の場合、燃料の濃度を測定することにより、燃料電池システムの駆動状態を推定することができ、推定結果に応じて燃料電池システムをなす各構成要素を制御することにより、燃料電池システムの駆動効率を高めることができる。
【００１０】
前述の場合と同様に、高分子電解質型燃料電池システムにおいても、カソード側の排出物質の凝縮液のような溶液状の物質が存在し得、目的によっては、溶液に対する濃度センシングが必要となる。
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−０９５３７６号公報
【特許文献２】大韓民国特許公開第２００７−００３５８５３号明細書
【特許文献３】大韓民国特許公開第２００４−００２１６５１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述のように、燃料電池システムにおいて、燃料溶液の濃度を測定することは、性能向上において非常に重要な役割を果たしていることが分かる。しかしながら、燃料電池システムに適用可能な濃度センサは、温度の変化に応じてそのセンシング値の変動が激しい。さらに、燃料電池システムは、作動時、その内部温度の変化が大きい。したがって、濃度センサを用いた従来の燃料電池システムでは、燃料溶液の濃度を正確にセンシングできない問題がある。
【００１３】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、システム内部の温度変化にもかかわらず、正確な濃度センシングを保障することが可能な、新規かつ改良された燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料と酸化剤との電気化学的反応により電気エネルギーを発生させる電気発生部と、該電気発生部に上記燃料を供給する燃料供給部と、上記燃料の濃度を測定するためのメイン濃度センサと、リファレンス溶液が満たされており、上記リファレンス溶液の濃度を測定するためのリファレンス濃度センサを備えるリファレンスセルと、上記メイン濃度センサ及び上記リファレンス濃度センサで測定した濃度値に基づき、上記電気発生部の作動を制御する駆動制御部と、を含むことを特徴とする、燃料電池システムが提供される。
【００１５】
また、上記メイン濃度センサは、ＱＣＭ濃度センサを含んでもよい。
【００１６】
また、上記リファレンス溶液は、水を含んでもよい。
【００１７】
また、上記メイン濃度センサで測定した濃度値と、上記リファレンス濃度センサで測定した濃度値とを比較し、上記燃料の濃度補正のための補正濃度値を算出する濃度補正部をさらに含んでもよい。
【００１８】
また、上記補正濃度値は、上記メイン濃度センサで測定した濃度値から、上記リファレンス濃度センサで測定した濃度値を減算した値であってもよい。
【００１９】
また、上記メイン濃度センサ及び上記リファレンス濃度センサは、同種のセンサであり、隣接して設置されてもよい。
【００２０】
また、上記燃料供給部は、燃料原料を貯蔵する燃料タンクと、上記電気発生部から出る未反応燃料及び水を受け、上記燃料タンクから供給される上記燃料原料を受けて混合して貯蔵し、貯蔵した燃料を上記電気発生部に供給する混合タンクと、を含んでもよい。
【００２１】
また、上記メイン濃度センサは、上記混合タンクに設置されてもよい。
【００２２】
また、上記メイン濃度センサは、上記混合タンクと上記電気発生部とを連結する配管に設置されてもよい。
【００２３】
また、上記燃料供給部は、上記燃料タンクから上記混合タンクへの上記燃料原料の流動を制御する第１流量制御器と、上記混合タンクから上記電気発生部への上記混合された燃料の流動を制御する第２流量制御器と、上記電気発生部から上記混合タンクへの反応副生成物の流動を制御する第３流量制御器と、をさらに含み、上記駆動制御部は、上記メイン濃度センサ及び上記リファレンス濃度センサのセンシング値に基づき、上記第１流量制御器〜第３流量制御器の少なくとも１つを制御してもよい。
【００２４】
また、上記第３流量制御器は、上記電気発生部のカソードから排出される流体を凝縮する凝縮器を含んでもよい。
【００２５】
また、上記混合タンクと上記電気発生部とを連結する配管と、該配管を流れる上記燃料の一部が分流するバイパス配管と、をさらに含み、上記メイン濃度センサが上記バイパス配管に設置されてもよい。
【００２６】
また、上記燃料に含有されている不純物粒子が上記メイン濃度センサに接触することを防止するための保護網をさらに含んでもよい。
【００２７】
また、上記電気発生部のカソードに空気を供給するための空気ポンプをさらに含んでもよい。
【００２８】
また、上記燃料原料は、メタノールを含んでもよい。
【発明の効果】
【００２９】
以上説明したように本発明によれば、システム内部の温度変化にもかかわらず、正確な濃度センシングを保障することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３１】
例えば、以下の説明では、本発明の思想を混合タンクを備えた直接メタノール型燃料電池システムに適用した場合に具体化して説明しているが、混合タンクを備えていない直接メタノール型燃料電池システムにも適用でき、さらに、燃料溶液の濃度測定を実現するという意味でも、酢酸燃料電池システム、エタノール燃料電池システム、または水素吸蔵合金溶液、例えば、ＮａＢＨ４溶液を用いた燃料電池システムなどにも適用可能であることはいうまでもない。
【００３２】
また、以下の説明では、燃料電池スタックという用語を使用したが、これは用語使用上の便宜のためである。本発明の説明に使われている燃料電池スタックとは、電気発生部であって、積層型単位電池からなるスタック、平板型単位電池からなるスタック、及び単一の単位電池のみを含む単位スタックを全て含む概念である。
【００３３】
（実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係るリファレンスセルを用いた濃度センシング構造のブロック図である。
【００３４】
図１に示すように、濃度センシング構造は、燃料溶液の存在する領域２２５に設置されたメイン濃度センサ２２０と、リファレンスセル２４５内に設置されたリファレンス濃度センサ２４０とを含む。これらメイン濃度センサ２２０及びリファレンス濃度センサ２４０は、同種の濃度センサで実現することが好ましい。例えば、センサ２２０、２４０は、ＱＣＭ濃度センサで実現可能である。燃料溶液は、メイン濃度センサ２２０によってその濃度を測定しようとする溶液である。
【００３５】
燃料溶液の存在する領域２２５は、直接メタノール型燃料電池システムの混合タンクまたは燃料電池スタックのアノードに連結された燃料供給管になり得る。
【００３６】
リファレンスセル２４５は、既設定濃度のリファレンス溶液が貯蔵される空間を形成し、自由回転（ｌｏｔａｔｉｏｎ  ｆｒｅｅ）性能としてリファレンス溶液が漏れないようにする密閉性を有することができる。つまり、燃料電池システムが回転したとしても、リファレンスセル２４５は、密閉しているためリファレンス溶液を漏らさずに済む。
【００３７】
リファレンス溶液は、メイン濃度センサ２２０によって濃度を測定しようとする溶液と同じ種類の溶液になり得る。例えば、燃料溶液としてメタノール水溶液を用いた場合、リファレンス溶液としては純水を使用することができる。純水を使用すると、温度に応じた濃度測定値の補正手順が容易であるというメリットがある。ここで、純水は、イオン交換樹脂によって塩分を除去したもので、蒸溜水より１０〜１００倍程度高純度の水を含み、例えば、Ｄ．Ｉ．ｗａｔｅｒ，１８．２ＭΩ−ｃｍを含むことができる。
【００３８】
他方、燃料電池システム内で維持させようとする最適な濃度のメタノール水溶液をリファレンス溶液とすることができる。この場合は、最適な濃度付近でのメタノール溶液の濃度を測定する際、正確度が高いというメリットがある。また、前述の場合は、単にメイン濃度センサ２２０で測定された値が、リファレンス濃度センサ２４０で測定された値より高ければ、駆動制御部がメタノール濃度を下げる動作を行い、低ければ、メタノール濃度を上げる動作を行うことができる。この場合、二分法的な単純な駆動制御構造を有することができるため、燃料電池システムへの適用が非常に容易であるというメリットがある。
【００３９】
メイン濃度センサ２２０及びリファレンス濃度センサ２４０のセンシング値が濃度補正部２９０に入力されると、濃度補正部２９０は、入力された２つのセンシング値から補正濃度値を算出する。濃度補正部２９０は、専用のハードウェアで実現することもできるが、燃料電池システムの全体の駆動を制御する駆動制御部の一部の機能モジュールで実現することが経済的に好ましい。
【００４０】
メイン濃度センサ２２０が設置された地点とリファレンスセル２４５とは、近く位置するように構成され得る。この場合、２つの濃度センサ２２０、２４０は、ほぼ同じ温度で測定した値を出力するため、濃度補正の精度を向上させることができる。
【００４１】
図２ａ〜図２ｃは、本実施形態の濃度センシング構造を適用した燃料電池システムのブロック図である。
【００４２】
図２ａに示すように、燃料電池システムは、燃料原料として高濃度メタノールが貯蔵された燃料タンク１４２と、メタノールと酸素との電気化学的反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池スタック１１０と、燃料電池スタック１１０の未反応燃料及び／または水と高濃度メタノールとを混合した希釈燃料を燃料電池スタック１１０のアノードに供給する混合タンク１４５と、希釈燃料の濃度を測定するためのメイン濃度センサ２２０と、リファレンス溶液が満たされており、リファレンス溶液の濃度を測定するためのリファレンス濃度センサ２４０を備えるリファレンスセルと、メイン濃度センサ２２０及びリファレンス濃度センサ２４０で測定した濃度値に基づき、燃料電池スタック１１０の作動を制御するための駆動制御部１６０と、を有する。
【００４３】
本実施形態の燃料電池システムは、メイン濃度センサ２２０及びリファレンス濃度センサ２４０として、ＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）を用いた濃度センサを適用することができる。ＱＣＭ濃度センサは、１対の電極間に一定厚さの水晶結晶板が位置する構造を備える。ＱＣＭ濃度センサは、濃度を測定する溶液中に位置するＱＣＭ濃度センサの一方の電極に加えられる力により、電極が捻れる機械的共振点を測定して溶液の濃度を測定する。つまり、ＱＣＭ濃度センサが出力する周波数を感知すると、溶液からある程度の力が加えられ、それによってある程度の溶液の密度が得られ、得られた密度値を濃度値に換算して溶液の濃度を算出することができる。
【００４４】
ＱＣＭ濃度センサは、気体や液体の濃度測定分野に適用されているが、特に、燃料電池システムのメタノール濃度の測定に有用である。これは、メタノールの濃度変化が、温度に応じてその粘度がほぼ一定に比例して変化するためである。
【００４５】
本実施形態において、メイン濃度センサ２２０は、燃料電池スタック１１０に供給されるメタノール水溶液の濃度をさらに正確に測定するため、燃料電池スタック１１０のアノードに最も近い位置である混合タンク１４５と燃料電池スタック１１０のアノードとの間に位置する配管１２６上に設置され得る。
【００４６】
他方、本発明のメイン濃度センサ２２０は、図２ｂに示すように、メタノール溶液の流速の変化が小さな燃料タンク１４２に設置され得る。
【００４７】
前述の場合、燃料電池システムは、溶液内の異物からメイン濃度センサ２２０を保護するためのセンサ保護手段、及び／またはメイン濃度センサ２２０と接する溶液の流速を一定にするための流速固定手段をさらに含むことができる。
【００４８】
センサ保護手段は、メタノール溶液内の不純物粒子が近づくことを遮断するための保護網２２１で実現可能である。流速固定手段は、図２ｃに示すように、配管１２６を流れるメタノール溶液の一部が安定した流速で流れることができ、メイン濃度センサ２２０を装着する領域が形成されたバイパス配管１２６ａで実現可能である。
【００４９】
ＱＣＭ濃度センサは、液体の密度変化による物理的状態から濃度を推定する。そのため、燃料電池システム内の燃料の流速の変化といった物理的環境の変化は、ＱＣＭ濃度センシングに誤差及び／または偏差を加重させることになる。したがって、本実施形態では、燃料電池システムの内部に装着されるセンサの安定した駆動のため、メタノール溶液が流れる配管で分岐し、メイン濃度センサが設置されるバイパス配管１２６ａを適用し、流体の流速及び流量の急激な変化に対して緩衝の役割を果たすことができる。
【００５０】
以下では、前述した本実施形態の思想による直接メタノール型燃料電池システムの動作を、図２ａを参照して説明する。
【００５１】
図２ａに示す構造は、メタノールを燃料として使用する場合に限らず、エタノールや酢酸を燃料として使用する燃料電池のように、水溶液状態の燃料がスタックに供給される構造を有する燃料電池システムにも適用可能である。
【００５２】
直接メタノール型燃料電池は、水素ガスと酸素との化学反応により電気を生成する燃料電池スタック１１０と、燃料電池スタック１１０に供給しようとする高濃度燃料が貯蔵されている燃料タンク１４２と、燃料電池スタック１１０に酸化剤を供給するための酸化剤供給部としての空気ポンプ１３０と、燃料電池スタック１１０から排出される未反応燃料及び水蒸気を凝縮させる凝縮器１５２と、燃料電池スタック１１０から出た未反応燃料及び水と燃料タンク１４２から供給される高濃度燃料とが混合された水素含有燃料を燃料電池スタック１１０に供給する混合タンク１４５と、を備える。
【００５３】
ここで、燃料タンク１４２及び混合タンク１４５は、燃料タンク１４２から混合タンク１４５に供給される高濃度メタノールの流動量を制御する第１ポンプ１４８と、混合タンク１４５から燃料電池スタック１１０のアノードに供給される溶液の流動量を制御する第２ポンプ１４６と、燃料電池スタック１１０から混合タンク１４５に流れる流体の流動量を制御する凝縮器１５２と共に、燃料供給部１４０を構成する。前述した第１ポンプ１４８、第２ポンプ１４６、及び凝縮器１５２は、流量制御器の一例である。
【００５４】
燃料電池スタック１１０は、電解質膜と、電解質膜の両側に提供されたカソード電極及びアノード電極からなる膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）を含む。アノード電極は、燃料供給部１４０から供給される水素含有燃料を触媒反応によって酸化させ、水素イオン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）に変換する。カソード電極は、空気ポンプ１３０から供給される空気中の酸素と、アノード電極からの水素イオン及び電子を結合させて水を生成する。電解質膜は、アノード電極で発生した水素イオンをカソード電極に伝達するイオン交換の機能を有する高分子膜で構成され得る。高分子電解質膜は、約５０〜２００μｍの範囲の厚さを有する。
【００５５】
燃料電池スタック１１０で生成された電気エネルギーは、電力変換装置１７０によって電流／電圧などが出力規格に合わせて変換され、外部負荷に供給される。実現に応じて、電力変換装置１７０は、別途に備えられる２次電池を充電させる構造を有するか、駆動制御部１６０に電力を供給する構造を有することができる。
【００５６】
燃料電池スタック１１０から排出される流体は、未反応燃料のほか、反応副生成物としての二酸化炭素（ＣＯ２）及び水（Ｈ２Ｏ）を含む。流体は、燃料電池スタック１１０から出て凝縮器１５２に移動し、凝縮器１５２で凝縮される。凝縮された未反応燃料及び水は、混合タンク１４５で収集される。二酸化炭素は、混合タンク１４５から排気孔を介して外部に流出可能である。混合タンク５０に収集された未反応燃料及び水は、燃料タンク１４２から供給される高濃度燃料と混合された後、燃料電池スタック１１０のアノード電極に再供給される。
【００５７】
本実施形態では、酸化剤供給部として、外部空気を能動的に供給する空気ポンプ１３０を説明したが、本実施形態の酸化剤供給部は、単に空気の流れが円滑な構造を有する受動的な通気孔によっても実現可能である。
【００５８】
駆動制御部１６０は、燃料タンク１４２のための第１ポンプ１４８、混合燃料をスタックに供給する第２ポンプ１４６、及び凝縮器１５２の少なくとも１つ以上の動作を制御するためのものである。本実施形態では、前述したポンプのみならず、燃料電池スタック１１０のカソードと凝縮器１５２との間に設置された配管１２３と、凝縮器１５２と混合タンク１４５との間に設置された配管１２４と、燃料電池スタック１１０のアノードと混合タンク１４５との間に設置された配管１２２とに加え、もう１つのポンプをさらに設置することができる。この場合、駆動制御部１６０は、追加のポンプ及び／または空気ポンプ１３０の動作を制御することができる。
【００５９】
前述した駆動制御部１６０は、デジタルプロセッサを含む。この場合、駆動制御部１６０は、動作のための基準クロックが入力される構造を有する。駆動制御部１６０の動作のための処理量、及び温度に応じた濃度変化を補正するための濃度補正部２９０の処理量は、さほど多い水準でないことから、ハードウェアの節減のため、１つのプロセッサが駆動制御及び濃度補正の役割を兼ねるように実現され得る。
【００６０】
駆動制御部１６０がポンプ１４６、１４８及び凝縮器１５２の動作を制御するのに必要な入力データには、燃料電池システムの各部の濃度値及び電力変換装置１７０の生成電力の状態（例えば、出力電流、出力電圧など）、燃料電池システムの各部の温度値などになり得る。前述の場合、本実施形態の思想によるＱＣＭ濃度センサは、前述した地点以外にも、必要に応じて、ポンプ１４６、１４８などのシステム構成要素の内部や、燃料電池スタック１１０のカソードと凝縮器１５２との間に設置された配管１２３、凝縮器１５２と混合タンク１４５との間に設置された配管１２４、燃料電池スタック１１０のアノードと混合タンク１４５との間に設置された配管１２２、及び燃料タンク１４２と混合タンク１４５との間に設置された配管１２７、１２８などの液体流動経路上に設置され得る。
【００６１】
前述した駆動制御部１６０の動作を簡略に説明すると、次のとおりである。下記の説明において、駆動制御部１６０は、図２ａに示す燃料電池システムの場合のように、混合タンク１４５と燃料電池スタック１１０のアノードとを連結する配管１２６に設置されたメイン濃度センサ２２０と、メイン濃度センサ２２０に隣接して配置されたリファレンス濃度センサ２４０とから信号を受信し、受信した信号を比較して、凝縮器１５２と、第１ポンプ１４６及び第２ポンプ１４８を制御するように構成される。
【００６２】
また、駆動制御部１６０は、電力変換装置１７０の出力電力が基準に達しなければ、多くの負荷がかかったと判断し、発電量を増やすために第２ポンプ１４６を制御し、燃料電池スタック１１０への燃料供給量を増加させる。一方、配管１２６内の燃料濃度が所定の基準より低ければ、凝縮器１５２の稼働率を減少させて水の凝縮量を減少させるか、第１ポンプ１４８を稼働させて燃料タンク１４２の燃料原料に対する供給量を増加させる。反面、配管１２６内の燃料濃度が所定の基準より高ければ、凝縮器１５２の稼働率を増加させて水の凝縮量を増加させるか、第１ポンプ１４８を制御して燃料タンク１４２の燃料原料に対する供給量を減少させる。前述の構成によると、混合タンク１４５から燃料電池スタック１１０のアノード電極に供給される水素含有燃料の濃度を一定に維持し、燃料電池システムの発電効率を最適かつ安定的に維持することができる。
【００６３】
次は、本実施形態の思想によるリファレンス濃度センサのセンシング値でメイン濃度センサのセンシング値を補正する過程を説明する。
【００６４】
図３ａ及び図３ｂは、本実施形態の燃料電池システムにおいて濃度センシング値の補正を説明するためのグラフである。
【００６５】
図３ａのグラフは、メタノール濃度別の温度変化に応じた周波数の変化を示したものであり、一番上の実線で表示された水の値は、リファレンス濃度センサのセンシング値を表し、実線の下の値は２重量％（ｗｔ％）から８重量％（ｗｔ％）に対するメイン濃度センサのセンシング値を表す。
【００６６】
付け加えれば、メイン濃度センサは、互いに異なる温度にしたがって、センシング値に互いに異なる誤差を持つ。したがって、本実施形態によれば、「すでに濃度が分かっているリファレンス溶液に対するセンシング値から、メイン濃度センサのセンシング値を差し引いた値は、メイン濃度センサで補正すべき補正濃度値（濃度補正値とも言う。）である」と判断し、その補正濃度値が０になるようにするか、既設定された差の値となるように、燃料濃度を制御することができる。従って、システム内部の温度変化にもかかわらず正確な濃度センシングを行い、そのセンシング結果に基づいて燃料濃度を制御することが可能となる。ここで、補正濃度値が０になるように制御する場合は、例えば、燃料としてメタノール水溶液が使用され、リファレンス溶液として最適濃度のメタノール水溶液が使用されてもよい。一方、補正濃度値が既設定された差の値となるように制御する場合は、例えば、燃料としてメタノール水溶液が使用され、リファレンス溶液として最適メタノール水溶液以外に純粋水などが使用されてもよい。
【００６７】
図３ｂのグラフは、特定温度（３２℃）におけるメタノール濃度に応じた周波数差を示している。すなわち、図３ｂのグラフは、メイン濃度センサのセンシング値と、リファレンス濃度センサのセンシング値とに基づいたメタノール燃料の補正濃度値を表す。図３ｂのグラフから分かるように、補正濃度値は、メイン濃度センサのセンシング値から、リファレンス濃度センサのセンシング値を差し引いた値である。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、リファレンスセルに配置されたリファレンス濃度センサによるセンシング値と、メイン濃度センサのセンシング値とに基づいて、温度変化に対するメタノール燃料の補正濃度値を算出することができる。そして、この補正濃度値を使用して、メタノール濃度を補正することができる。従って、システム内部の温度変化にもかかわらず正確な濃度センシングを行うことが可能となる。つまり、温度に応じた濃度センシング値の誤差を適切に補正して、正確な濃度値を算出することができる。また、このような補正機構は、別途の温度センサなどを設ける必要が無く、リファレンスセルとリファレンス濃度センサなどを設けるだけでよい。よって、割安な価格で燃料濃度の正確な測定が可能となる。
【００６９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態に係るリファレンスセルを用いた濃度センシング構造のブロック図である。
【図２ａ】同実施形態の濃度センシング構造を適用した燃料電池システムのブロック図である。
【図２ｂ】同実施形態の濃度センシング構造を適用した燃料電池システムのブロック図である。
【図２ｃ】同実施形態の濃度センシング構造を適用した燃料電池システムのブロック図である。
【図３ａ】同実施形態の燃料電池システムにおいて濃度センシング値の補正を説明するためのグラフである。
【図３ｂ】同実施形態の燃料電池システムにおいて濃度センシング値の補正を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【００７１】
１１０      燃料電池スタック
１４２      燃料タンク
１４５      混合タンク
１４６、１４８      ポンプ
１６０      駆動制御部
１７０      電力変換装置
２２０      メイン濃度センサ
２２５      燃料溶液の存在する領域
２４０      リファレンス濃度センサ
２４５      リファレンスセル
２９０      濃度補正部
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
0004945509.tif 000004
【図２ｃ】
0004945509.tif 000005
【図３ａ】
0004945509.tif 000006
【図３ｂ】
0004945509.tif 000007