(57)【要約】【課題】燃料電池において、アノード極に供給される燃料濃度を適正な濃度に維持しつつ、排燃料を循環して利用できるようにする。【解決手段】この発明の燃料電池システムは、陰イオンを伝導する電解質と、該電解質の両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを有し、液体の燃料の供給を受けて発電するアルカリ型の燃料電池を備える。また、燃料電池システムには、アノード極に燃料を循環して供給する燃料供給部と、燃料供給部に供給する燃料を貯留する燃料貯留部とが配置されている。更に、燃料貯留部と燃料供給部とを接続する燃料通路と形成されている。また、この燃料電池システムには、燃料貯留部の壁面の一部を構成し、かつ、その移動により燃料貯留部の容積を変化させる壁部とが備えられている。【選択図】図１
2009283292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰イオンを伝導する電解質と、該電解質の両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを有し、液体の燃料の供給を受けて発電するアルカリ型の燃料電池と、
前記アノード極に燃料を供給する燃料供給部と、
前記燃料供給部に供給する燃料を貯留する燃料貯留部と、
前記燃料貯留部と前記燃料供給部とを接続する燃料通路と、
前記燃料貯留部の壁面の一部を構成し、かつ、その移動により前記燃料貯留部の容積を変化させる壁部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料通路に、前記燃料通路を開閉する噴出弁を、更に備え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３】
前記噴出弁の開閉を制御する噴出弁制御手段を、更に備え、
前記噴出弁制御手段は、前記壁部が移動する際に、前記噴出弁を開弁するように制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記壁部の移動を制御する壁部制御手段を、更に備え、
前記壁部制御手段は、前記燃料貯留部の容積が小さくなるように前記壁部を移動させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料供給部の燃料濃度を検知する燃料濃度検知手段と、
前記燃料濃度検知手段により検知された燃料濃度が、第１基準濃度よりも低いか否かを判別する第１燃料濃度判別手段と、を更に備え、
前記壁部制御手段は、前記燃料濃度が、前記第１基準濃度よりも低いと判別された場合に、前記壁部を移動させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料濃度が、前記第１基準濃度より高い濃度である第２基準濃度よりも高いか否かを判別する第２燃料濃度判別手段を更に備え、
前記壁部制御手段は、燃料濃度が前記第２基準濃度より高いと判別された場合に、前記壁部の移動を停止することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料貯留部は、前記燃料供給部に接して配置され、
前記壁部は、前記燃料貯留部と前記燃料供給部との境界面を構成することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池は、発電に使用された燃料体積に対して排出される排燃料の体積が増加するものである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】
前記燃料は、メタノール又はメタノール水溶液であることを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記壁部は、前記燃料貯留部と前記燃料供給部との境界面とは異なる一壁面を構成することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池は、発電に使用された燃料体積に対して排出される排燃料の体積が減少するものであることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料は、アンモニア、エタノール、及びエチレングリコールからなる群のうちいずれか１の燃料又はその水溶液であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
陰イオンを伝導する電解質と、該電解質の両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを有し、液体の燃料の供給を受けて発電するアルカリ型の燃料電池と、  前記アノード極に燃料を供給する燃料供給部と、
前記燃料供給部に供給する燃料を貯留する燃料貯留部と、
前記燃料貯留部と前記燃料供給部との境界面と、前記燃料貯留部内を、前記燃料供給部から直列に接続する複数の空間に仕切る面と、をそれぞれ構成する複数の壁部と、
前記複数の壁部のそれぞれに配置され、前記燃料貯留部側の空間から前記燃料供給部側の空間に、燃料を噴出させるための噴出弁と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
前記噴出弁の開閉を制御する噴出弁制御手段と、
前記燃料供給部の燃料濃度を検知する燃料濃度検知手段と、
前記燃料濃度検知手段により検知された燃料濃度が、第１基準濃度よりも低いか否かを判別する燃料濃度判別手段と、を更に備え、
前記噴出弁制御手段は、前記燃料濃度が、前記第１基準濃度よりも低いと判別された場合に、前記複数の噴出弁の中で閉弁状態にある噴出弁のうち、前記燃料供給部側に最も近い壁部に配置された噴出弁を開弁することを特徴とする請求項１３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】
この発明は燃料電池システムに関する。更に具体的には、液体燃料の供給を受けて発電するアルカリ型燃料電池を有する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池としては、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型などが知られている。例えば、特許文献１にはアルカリ型燃料電池が開示されている。この燃料電池は、水酸化物イオンを伝導体とする電解質膜を用いた燃料電池であり、アノード極には燃料としてヒドラジンやアンモニア等が用いられる。アノード極及びカソード極に反応剤が供給されると、カソード極では水酸化物イオンが生成され、水酸化物イオンは電解質膜を通過してアノード極側に移動する。アノード極では水酸化物イオンと燃料中の水素とが反応して水が生成される。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２４４９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このような燃料電池の運転に際し、アノード極から排出される排燃料中には未反応の燃料が含まれる。このため燃料利用率の向上を図るべく、排燃料を外部に排出せず循環させてアノード極に供給できる構成を有する燃料電池が知られている。しかし、アルカリ型燃料電池においてはアノード極で水が生成され、排燃料として未反応の燃料と共に排出される。従って、アルカリ型燃料電池の場合、排燃料の循環利用が続くと生成水によって次第に燃料濃度が低下することが考えられる。燃料濃度がある程度低くなるとアノード極での反応は停滞しはじめ、燃料電池の出力が低下する事態を生じ得る。
【０００５】
これに対し、例えば燃料濃度の低下に備えて予め高濃度の燃料を充填しておくことが考えられる。しかし、燃料濃度が過剰に高くなると、電極触媒がその燃料により被毒され、高い触媒の活性を維持できないことが考えられる。従って、アノード極に供給される燃料濃度は適正な濃度範囲に維持されることが望ましい。
【０００６】
従って、この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、アノード極に供給される燃料濃度を適正な濃度に維持しつつ、排燃料を有効に利用することができるよう改良された燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
陰イオンを伝導する電解質と、該電解質の両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを有し、液体の燃料の供給を受けて発電するアルカリ型の燃料電池と、
前記アノード極に燃料を供給する燃料供給部と、
前記燃料供給部に供給する燃料を貯留する燃料貯留部と、
前記燃料貯留部と前記燃料供給部とを接続する燃料通路と、
前記燃料貯留部の壁面の一部を構成し、かつ、その移動により前記燃料貯留部の容積を変化させる壁部と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃料通路に、前記燃料通路を開閉する噴出弁を、更に備えることを特徴とする。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、前記噴出弁の開閉を制御する噴出弁制御手段を、更に備え、
前記噴出弁制御手段は、前記壁部が移動する際に、前記噴出弁を開弁するように制御することを特徴とする。
【００１０】
第４の発明は、第１から第３のいずれか１の発明において、前記壁部の移動を制御する壁部制御手段を、更に備え、
前記壁部制御手段は、前記燃料貯留部の容積が小さくなるように前記壁部を移動させることを特徴とする。
【００１１】
第５の発明は、第４の発明において、
前記燃料供給部の燃料濃度を検知する燃料濃度検知手段と、
前記燃料濃度検知手段により検知された燃料濃度が、第１基準濃度よりも低いか否かを判別する第１燃料濃度判別手段と、を更に備え、
前記壁部制御手段は、前記燃料濃度が、前記第１基準濃度よりも低いと判別された場合に、前記壁部を移動させることを特徴とする。
【００１２】
第６の発明は、第５の発明において、燃料濃度が、前記第１基準濃度より高い濃度である第２基準濃度よりも高いか否かを判別する第２燃料濃度判別手段を更に備え、
前記壁部制御手段は、燃料濃度が前記第２基準濃度より高いと判別された場合に、前記壁部の移動を停止することを特徴とする。
【００１３】
第７の発明は、第１から第６のいずれか１の発明において、
前記燃料貯留部は、前記燃料供給部に接して配置され、
前記壁部は、前記燃料貯留部と前記燃料供給部との境界面を構成することを特徴とする。
【００１４】
第８の発明は、第７の発明において、前記燃料電池は、発電に使用された燃料体積に対して排出される排燃料の体積が増加するものであることを特徴とする。
【００１５】
第９の発明は、第７または第８の発明において、前記燃料は、メタノール又はメタノール水溶液であることを特徴とする。
【００１６】
第１０の発明は、第１から第６のいずれか１の発明において、前記壁部は、前記燃料貯留部と前記燃料供給部との境界面とは異なる一壁面を構成することを特徴とする。
【００１７】
第１１の発明は、第１０の発明において、前記燃料電池は、発電に使用された燃料体積に対して排出される排燃料の体積が減少するものであることを特徴とする。
【００１８】
第１２の発明は、第１０または第１１の発明において、前記燃料は、アンモニア、エタノール、及びエチレングリコールからなる群のうちいずれか１の燃料又はその水溶液であることを特徴とする。
【００１９】
第１３の発明は、燃料電池システムであって、
陰イオンを伝導する電解質と、該電解質の両側に配置された一対の電極であるアノード極とカソード極とを有し、液体の燃料の供給を受けて発電するアルカリ型の燃料電池と、  前記アノード極に燃料を供給する燃料供給部と、
前記燃料供給部に供給する燃料を貯留する燃料貯留部と、
前記燃料貯留部と前記燃料供給部との境界面と、前記燃料貯留部内を、前記燃料供給部から直列に接続する複数の空間に仕切る面と、をそれぞれ構成する複数の壁部と、
前記複数の壁部のそれぞれに配置され、前記燃料貯留部側の空間から前記燃料供給部側の空間に、燃料を噴出させるための噴出弁と、
を備えることを特徴とする。
【００２０】
第１４の発明は、第１３の発明において、
前記噴出弁の開閉を制御する噴出弁制御手段と、
前記燃料供給部の燃料濃度を検知する燃料濃度検知手段と、
前記燃料濃度検知手段により検知された燃料濃度が、第１基準濃度よりも低いか否かを判別する燃料濃度判別手段と、を更に備え、
前記噴出弁制御手段は、前記燃料濃度が、前記第１基準濃度よりも低いと判別された場合に、前記複数の噴出弁の中で閉弁状態にある噴出弁のうち、前記燃料供給部側に最も近い壁部に配置された噴出弁を開弁することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
第１の発明によれば、壁面の移動により燃料貯留部の容積を変化させることができる。これにより、燃料の使用により変化する燃料貯留部内の燃料体積に応じて燃料貯留部の容積を変化させることができ、燃料貯留部内を適正な圧力に維持することができる。
【００２２】
第２の発明によれば、燃料通路に配置された噴出弁により、燃料貯留部と燃料供給部とを、流通あるいは非流通状態とすることができる。これにより燃料貯留部から燃料供給部への燃料の流通を、より確実に調整することができる。
【００２３】
第３の発明によれば、壁部が移動する際に噴出弁を開放し、燃料通路を開放することができる。従って、壁部の移動時に燃料貯留部と燃料供給部との間で燃料が流通できる通路を確保することができ、壁部移動による燃料の供給を確実に行なうことができる。
【００２４】
第４の発明によれば、燃料貯留部が小さくなるように壁部が移動する。これにより、燃料貯留部内の燃料を燃料供給部に噴出することができると共に、その燃料の供給により減少する燃料体積に応じて燃料貯留部の容積を変化させることができる。これにより燃料貯留部を適正な圧力に維持することができる。
【００２５】
第５の発明によれば、燃料供給部内の燃料濃度が、所定の第１基準濃度よりも低いと判断された場合に、壁部を移動することができる。この移動により燃料貯留部の燃料を燃料供給部に供給することができるため、燃料供給部内の燃料濃度を適切な濃度範囲に維持することができる。
【００２６】
第６の発明によれば、燃料供給部内の燃料濃度が、所定の第２基準濃度より高いと判断された場合に、壁部の移動を停止することができる。これにより燃料供給部内の燃料濃度がある程度高くなった段階で、燃料貯留部からの燃料の供給を停止することができ、燃料供給部内の燃料濃度をより適正な範囲に維持することができる。
【００２７】
第７の発明によれば、移動する壁部が、燃料供給部と燃料貯留部との境界面を構成する。これにより、燃料貯留部から燃料供給部への燃料供給に応じて、燃料供給部と燃料貯留部との容積比率を変化させることができるため、燃料貯留部と燃料供給部とを適正な圧力範囲に維持することができる。
【００２８】
特に、発電に使用された燃料体積に対して排出される排燃料の体積が増加する場合がある。この場合、燃料電池の運転が続くと排燃料により次第に燃料供給部内の体積が増加する。この点、第８の発明によれば、排燃料の体積が増加するものである場合に、移動する壁部を燃料供給部との境界面を構成する構造とすることができる。これにより、燃料を燃料供給部に供給する際に燃料貯留部内の容積比率を小さくすると、燃料供給部の容積比率を大きくすることができる。従って、燃料供給部の燃料体積が燃料供給や排燃料により増加しても、燃料供給部の容積を大きくすることができるため、燃料供給部の圧力の増大を抑制することができる。また同時に、燃料供給部への燃料供給により燃料の体積が減少しても、燃料貯留部の容積を小さくすることができるため、燃料貯留部内を適正な圧力範囲に維持することができる。
【００２９】
また、第９の発明によれば、このような壁部が境界面を構成する構造において、燃料をメタノール又はその水溶液とすることができる。排燃料が使用する燃料の体積に対して増加するか否かは、温度や湿度、その他燃料電池の使用環境等によって異なるものであるが、理論的にはメタノールは、その使用により排燃料が増大するものである。従って、壁部が境界面を構成する構造とすることで、燃料供給部と燃料貯蔵部とを共に適正な圧力に維持することができると考えられる。
【００３０】
第１０の発明によれば、移動する壁部が、燃料貯留部の、燃料供給部との境界面とは異なる一壁面を構成する。これにより燃料供給部の容積を変化させることなく、燃料貯留部の容積を小さくすることができる。これにより燃料の使用によりその体積が減少しても、燃料貯留部内を適切な濃度範囲に維持することができる。
【００３１】
特に、第１１の発明によれば、発電に使用された燃料体積に対して排出される排燃料の体積が減少する場合に、燃料供給部の容積を変化させることなく、燃料貯留部の容積を変化させる構造とすることができる。従って、燃料供給部内の燃料の体積がある程度減少しても、燃料供給部内の圧力低下を抑制することができる。
【００３２】
また、第１２の発明によれば、このような壁部が境界面を構成する構造において、燃料をアンモニア、エタノール及びエチレングリコールのいずれか、あるいはその水溶液とすることができる。排燃料が使用する燃料の体積に対して減少するか否かは、温度や湿度、その他燃料電池の使用環境等によって異なるものであるが、理論的にはこれらの燃料は、その使用により排燃料の体積が減少するものである。従って、これらの燃料を用いる場合に、燃料供給に際して、燃料供給部の容積が変化しない構造とすることで、燃料供給部や燃料貯蔵部の圧力低下を効果的に抑制することができると考えられる。
【００３３】
また、第１３の発明によれば、燃料貯留部と燃料供給部との境界面と、燃料貯留部内を燃料供給部から直列に接続する複数の空間に仕切る面とをそれぞれ構成する複数の壁部が形成され、その壁部のそれぞれには燃料を噴出させるための噴出弁が取り付けられている。これにより、燃料供給部の燃料濃度に応じて、燃料貯留部内の複数の噴出弁を次第に開放することができ、燃料供給部内の燃料濃度を適正な範囲に維持することができる。
【００３４】
第１４の発明によれば、燃料供給部の燃料濃度が第１基準濃度よりも低いと判別された場合に、燃料供給部側に最も近い壁部に配置された噴出弁を開弁することができる。これにより、燃料貯留部側の高濃度の燃料を、必要に応じて燃料供給部側に確実に供給することができ、燃料濃度を適正な範囲に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００３６】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の燃料電池システムについて説明するための模式図である。図１に示す燃料電池システムは、アルカリ型燃料電池２を有している。燃料電池２はアニオン交換膜１０（電解質）を有している。アニオン交換膜１０の両側にはアノード触媒層１２とカソード触媒層１４とが形成されている。アノード触媒層１２とカソード触媒層１４の外側（即ち、アニオン交換膜１０側の面とは反対側）には、それぞれ拡散層１６、１８が配置され、アニオン交換膜１０とアノード触媒層１２とカソード触媒層１４とは、拡散層１６、１８により挟持されている。
【００３７】
アノード触媒層１２側の拡散層１６の外側には集電板２０が配置され、集電板２０の外側には燃料を流通させるための燃料流路２２が形成されている。カソード触媒層１４側の拡散層１８の外側には集電板２４が配置され、集電板２４の外側には酸素（空気）を流通させるための酸素流路２６が形成されている。集電板２０、２４には外部回路２８が接続している。
【００３８】
このように構成される燃料電池２のアニオン交換膜１０は、カソード触媒層１４で生成される水酸化物イオンをアノード触媒層１２側に移動させることができる媒体である。アニオン交換膜１０としては、例えば、１〜３級アミノ基、４級アンモニウム基、ピリジル基、イミダゾール基、４級ビリジウム基、４級イミダゾリウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜を用いることができる。また、固体高分子の膜としては、例えば、炭化水素系及びフッ素系樹脂などがあげられる。
【００３９】
また、燃料電池２のアノード触媒層１２及びカソード触媒層１４は触媒粒子を撥水剤や水等の混合液に溶かしてアニオン交換膜１０に塗布することで形成されている。触媒粒子は、後述する各触媒層１２、１４での反応を触媒する機能を有するものであれば特に限定されるものではない。具体的な触媒粒子としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）により形成されたもの、これらの金属のいずれかをカーボン等の担体に担持させたもの、あるいはこれらの金属原子を中心金属とする有機金属錯体、あるいは、このような有機金属錯体を担体に担持させたもの等が挙げられる。
【００４０】
図１を参照して、燃料流路２２の燃料導入口３０と燃料排出口３２には、それぞれ燃料循環系４０（燃料供給部）が接続している。燃料循環系４０は、燃料混合部４２と燃料導入口３０とを接続し、燃料流路２２に燃料を流入させる流路４４と、燃料混合部４２と燃料排出口３２とを接続し、燃料流路２２から排出される排燃料を燃料混合部４２方向に流通させる流路４６とにより構成される。燃料混合部４２内には流通する燃料の濃度に応じた出力を発する濃度センサ４８が取り付けられている。
【００４１】
燃料循環系４０の燃料混合部４２に接して、燃料タンク５０（燃料貯留部）が配置されている。燃料タンク５０には高濃度の燃料が充填されている。燃料混合部４２と燃料タンク５０との境界面は隔壁（壁部）５２によって構成されている。即ち、燃料混合部４２と燃料タンク５０とは、互いに隔壁５２によって仕切られた空間となっている。隔壁５２は移動可能な壁面であり、具体的な構成については後述する。隔壁５２には燃料噴出弁５４（噴出弁）が設けられている。燃料噴出弁５４は開閉可能であり、具体的な構成については後述する。
【００４２】
隔壁５２には２本のシャフト５６が接続している。シャフト５６は燃料タンク５０内を貫通し、燃料タンク５０の隔壁５２とは反対側の壁面（即ち、図１における左側の壁部。以下、実施の形態において「背面」とする。）を貫通して、外部に突出している。この背面の貫通部分においてシャフト５６周囲は防水布５８で覆われ、燃料タンク５０内の燃料が漏出しないように密閉されている。シャフト５６は、図１の左右方向に移動可能であり、シャフト５６の移動に連動して隔壁５２が移動する。シャフト５６内には、燃料噴出弁５４に接続する配線６０が貫通している。
【００４３】
一方、酸素流路２６の空気導入口、空気排出口には、それぞれ、空気供給路６４、空気排出路６６が接続している。また、この燃料電池システムは制御装置６８を有している。制御装置６８は、例えば濃度センサ４８に接続され、濃度センサ４８の出力を受けて、燃料循環系４０内の燃料濃度を検出する。一方、制御装置６８は、配線６０やシャフト５６に接続している。制御信号６８は必要な制御信号を発することで、燃料噴出弁５４の開閉や隔壁５２の移動を制御する。
【００４４】
図２は、この発明の実施の形態１の燃料電池システムに用いられる燃料噴出弁５４の構成を説明するための模式図である。図２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、隔壁５２は中央付近の一部において、スライド板７０とスライド板７０を挟む一対の板７２を有している。一対の板７２は同一形状を有し、同じ位置に、燃料通路となる開口部７４を有している。燃料噴出弁５４は、一対の板７２の図２（ｂ）に示される面が、隔壁５２の燃料タンク５０側の面と、燃料混合部４２側の面と同じ面をそれぞれ構成するように配置され、隔壁５２に組み込まれている。
【００４５】
図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示されるように、スライド板７０は、一対の板７２の間でスライド可能に配置され、制御装置６８からの制御信号が配線６０を介して伝達されることによりスライド移動する。このスライドにより一対の板７２に設けられた開口部７４が開閉する。開口部７４の開閉によって、燃料混合部４２と燃料タンク５０との間の燃料流通の可／不可の状態が切り替えられる。
【００４６】
図３は、この発明の実施の形態１の燃料電池システムに用いられる隔壁５２の構成を説明するための模式図である。図３は、シャフト５６が接続された側（即ち、背面側）から隔壁５２を斜視した状態を表している。図３に示されるように、隔壁５２は、その外周部、即ち、燃料タンク５０の内壁面５０ａと接する部分に、シール部７６を有している。シール部７６は、制御装置６８からの制御信号によって伸張可能に構成され、隔壁５２停止時に燃料タンク内壁面５０ａに隔壁５２を密着させる機能を有している。
【００４７】
図４は、この発明の実施の形態１の燃料電池システムにおいて隔壁５２が移動する際の状態を説明するための模式図である。図４では、隔壁５２が停止した状態から、燃料タンク５０の背面側に移動して、再び停止する際の動作を表している。図４の「停止時」に示されるように、隔壁５２が停止している状態においては、シール部７６が内壁面５０ａ側に伸張し、内壁面５０ａとシール部７６とが密着した状態となっている。これにより隔壁５２は燃料タンク５０と燃料循環系４０とを互いに隔離している。
【００４８】
一方、図４の「移動時」に示されるように、隔壁５２が移動する際にはシール部７６が収縮し内壁面５０ａから離れた状態となる。これにより隔壁５２は燃料タンク５０内を円滑に移動することができる。更に、図４の「再停止」に示されるように、隔壁５２の移動が停止する場合には、シール部７６が再び伸長し内壁面５０ａに密着する。これにより、燃料タンク５０と燃料循環系４０とが互いに隔離され仕切られた状態となる。
【００４９】
ところで、アノード触媒層１２に燃料が供給されると、アノード触媒層１２の機能により分解されて水素原子が取り出され、アニオン交換膜１０を通過した水酸化物イオン（ＯＨ−）と反応して水（Ｈ２Ｏ）が生成される。生成された水の一部はアニオン交換膜１０から拡散しカソード触媒層１４に移動し、カソード触媒層１４での水酸化物イオンの生成反応に用いられる。具体的に、例えば、メタノールを燃料として使用する場合、燃料電池２全体では、次式（１）に示すような反応が起きる。
ＣＨ３ＯＨ＋3/2Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２        ・・・・（１）
【００５０】
式（１）から判るように、燃料流路２２から排出される排燃料には、反応に使用されなかった燃料の他に生成水が含まれている。従って排燃料中の燃料濃度は低くなっている。具体的に、メタノールを燃料として用いる場合、理論的には、1[mol]のメタノールの消費に対して、2[mol]の水が排出されることとなる。1[mol]のメタノールの体積は24.6[ml]（32/1.3=24.6）である。また、2[mol]の水の体積は36[ml]（18×2/1=36）である。従って、理論的には、メタノールを1[mol]消費した場合、排燃料の体積は11.4[ml]（36-24.6=11.4）増加することとなる。
【００５１】
この発明の実施の形態１では、このような燃料循環系４０内における燃料濃度の低下や体積の変化による圧力の変化を抑えるため、以下に説明するような制御を行なう。図５は、この発明の実施の形態１において、燃料タンク５０から燃料混合部４２に燃料を供給する際の動作を説明するための模式図である。
【００５２】
初期の段階において、燃料タンク５０には100[％]の燃料、もしくはそれに近い高濃度の燃料水溶液（以下、実施の形態において「高濃度燃料」と称する）が圧縮されて貯留されている。一方、燃料混合系４０内には発電に適した濃度の燃料水溶液が所定の燃料供給圧で充填されている。燃料電池２の運転中、燃料循環系４０内の燃料濃度が適正な発電を行なうことができる濃度以上の状態では、図５（ａ）に示されるように、燃料噴出弁５４が閉弁された状態にあり、燃料タンク５０と燃料混合部４２との間は、隔壁５２によって互いに隔離されている。
【００５３】
一方、燃料濃度が適正な発電を行なうことができる濃度の限界付近にまで低下した場合、図５（ｂ）に示されるように燃料噴出弁５４が開放される。即ち、スライド板７０がスライドして開口部７４が開口する。同時に、隔壁５２が燃料タンク５０の背面側への移動を開始する。即ち、シール部７６が収縮した状態とされ、シャフト５６によって背面側に隔壁５２が動かされる。
【００５４】
ここで燃料タンク５０内には、高濃度燃料が圧縮されて貯留されている。つまり燃料タンク５０内の圧力は燃料混合部４２よりも高くなっている。従って燃料噴出弁５４が開放されると、燃料タンク５０内の高濃度燃料が燃料混合部４２側に噴出する。噴出された燃料は燃料混合部４２内で循環利用されている燃料と混合する。これにより燃料循環系４０内の燃料濃度が次第に高くなる。燃料濃度が、適正な発電を続けることができる程度にまで高くなると、図５（ｃ）に示されるように、燃料噴出弁５４は閉じられ、隔壁５２の移動が止められる。
【００５５】
これにより、燃料循環系４０内の燃料濃度がアノード触媒層１２での発電を停滞させる程度にまで低下させる程に低下する前に、高濃度燃料を補充することができ、燃料濃度を発電に適した範囲内に維持することができる。
【００５６】
また、このように隔壁５２を燃料タンク５０の背面側に移動することで、燃料混合部４２と燃料タンク５０との容積比率が変化する。具体的には、隔壁５２の移動が繰り返されると、燃料混合部４２の容積比率が大きく、燃料タンク５０の容積比率が小さくなる。従って、燃料タンク５０内の高濃度燃料が燃料混合部４２に供給されると同時に、燃料タンク５０の容積が小さくなるため、燃料タンク５０内の高濃度燃料の減少による圧力低下が抑制される。
【００５７】
一方、メタノールを燃料として用いる場合には上記のように排燃料の体積が消費される燃料に対して大きくなると考えられる。従って、高濃度燃料の供給と相俟って、燃料の循環利用が進むに連れて循環する燃料の体積が大きくなる。しかし、燃料タンク５０からの高濃度燃料供給の際、隔壁５２の移動によって燃料混合部５２の容積比率が大きくなっている。従って供給された燃料に対して排燃料の体積が増大しても、燃料循環系４０内の圧力（燃料供給圧）の過度な上昇が抑制される。これにより燃料循環系４０内の過度な圧力増加を抑制しつつ、燃料タンク５０内の圧力を高く維持することができ、両者を適度な圧力に制御することができる。
【００５８】
なお隔壁５２の移動による燃料タンク５０及び燃料循環系４０内の圧力の変化は、開口部７４の大きさや隔壁５２の移動速度、燃料タンク５０と燃料循環系４０との圧力等によって異なるものとなる。従って、膜壁５２の移動により燃料循環系４０内の燃料濃度が適度に上昇し、かつ、燃料循環系４０及び燃料タンク５０内が適度な圧力範囲に維持されるように、開口部７４の大きさや隔壁５２の大きさ、燃料タンク５０内の圧縮圧力等の関係を決定すればよい。
【００５９】
図６は、この発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図６のルーチンは、燃料電池２の運転中、一定時間ごとに繰り返し実行されるものである。
【００６０】
図６のルーチンにおいて、まず、エンプティーランプ（図示せず）が消灯となっているか否かが判別される（Ｓ１００）。エンプティーランプは、後述する処理において燃料タンク５０の燃料が全て使用され燃料循環系４０内の燃料濃度が低下した時に点灯され、燃料不足を警告する警告灯である。ステップＳ１００においてエンプティーランプが消灯となっていることが認められない場合には、今回の処理は終了する。
【００６１】
一方、ステップＳ１００において、エンプティーランプが消灯となっていることが認められると、次に、移動フラグがＯＦＦとなっているか否かが判別される（Ｓ１０２）。移動フラグは、後述する処理により、隔壁５２の移動中ＯＮとされるフラグである。
【００６２】
ステップＳ１０２において移動フラグがＯＦＦであることが認められた場合、次に、燃料循環系４０内の燃料濃度が検出される（Ｓ１０４）。燃料濃度は、制御装置６８が受信する濃度センサ４８の出力信号に基づいて検出される。
【００６３】
次に、燃料濃度が第１基準濃度Ａより小さいか否かが判定される（Ｓ１０６）。ここで、第１基準濃度Ａは燃料循環系４０内の濃度が、燃料タンク５０内の高濃度燃料の供給が必要なほど低下しているか否かを判断するために設定された基準値であり、燃料電池２の性能等に基づいて予め決定され、制御装置６８に記憶された値である。ステップＳ１０６において、燃料濃度＜第１基準濃度Ａの条件成立が認められない場合には、今回、高濃度燃料を供給しなくても、燃料濃度は適正な濃度範囲にあり発電が支障なく維持されるものと考えられる。従って、今回の処理は終了する。
【００６４】
一方、ステップＳ１０６において、燃料濃度＜第１基準濃度Ａの条件成立が認められた場合、燃料循環系４０内の燃料濃度が低くなり、高濃度の燃料の補給が必要な状態になっていると推測される。この場合、次に、燃料噴出弁５４が開放される（Ｓ１０８）。燃料噴出弁５４は、制御装置６８からの制御信号が配線６０を介して伝達されて、スライド板７０が開口部７４を開口するように移動することにより、開放される。この結果、燃料タンク５０と燃料混合部４２との開口部７４による連通が確保され、燃料タンク５０と燃料混合部４２との圧力差によって、燃料タンク５０内の高濃度燃料が燃料混合部４２側へ流入し始める。
【００６５】
次に、隔壁５２の移動が開始される（Ｓ１１０）。具体的に、制御装置６８からの制御信号によって、シール部７６が収縮すると共に、シャフト５６を介して隔壁５２が背面側に移動する。その結果、燃料混合部４２側の容積が次第に大きくなり、燃料タンク５０の容積が小さくなる。これにより、高濃度燃料の流入や排燃料の循環による燃料循環系４０内の圧力上昇が抑制されると共に、燃料噴出による燃料タンク５０内の圧力低下が抑制される。
【００６６】
次に、隔壁５２が移動中であることを示す移動フラグがＯＮとされる（Ｓ１１２）。次に、濃度センサ４８の出力に基づき、燃料濃度が再び検出される（Ｓ１１４）。次に、検出された燃料濃度が第２基準濃度Ｂよりも高いか否かが判別される（Ｓ１１６）。第２基準濃度Ｂは第１基準濃度Ａよりも高い値であり、燃料循環系４０内の燃料濃度が燃料供給不要な程度に高くなったことを判断するために設定された基準値であり、燃料電池２の性能等を考慮して予め決定され、制御装置６８に記憶されている。
【００６７】
ステップＳ１１６において燃料濃度＞第２基準濃度Ｂの条件成立が認められると、次に、隔壁５２の移動が止められる（Ｓ１１８）。隔壁５２は、制御装置６８からの制御信号により、シール部７６が伸張すると共にシャフト５６の移動が止められることで停止する。次に燃料噴出弁５４が閉じられる（Ｓ１２０）。燃料噴射弁５４は、制御装置６８からの制御信号によりスライド板７０が開口部７４を閉じるように動かされることで閉弁される。次に、隔壁５２の移動中を示す移動フラグがＯＦＦとされる（Ｓ１２２）。その後、今回の処理が終了する。
【００６８】
一方、ステップＳ１１６において、燃料濃度＞第２基準濃度Ｂの条件成立が認められない場合、次に、隔壁５２が、燃料タンク５０の背面付近に設定された所定の停止位置（以下「エンドライン」）にまで移動したか否かが判別される（Ｓ１２４）。隔壁５２がエンドラインにまで移動したか否かは、隔壁５２の移動距離に基づいて制御装置６８において判別される。
【００６９】
ステップＳ１２４において、隔壁５２がエンドラインに移動したことが認められた場合、次に、再び濃度センサ４８の出力に基づいて燃料濃度が検出される（Ｓ１２６）。次に、検出された燃料濃度が第３基準濃度Ｃより低いか否かが判別される（Ｓ１２８）。第３基準濃度Ｃは、第１基準濃度Ａよりも低い値（例えば、3％程度）であり、燃料濃度がこれ以上低くなると、アノード触媒層１２での反応が停滞する場合があることを判断するために設定された基準値であり、予め決定され制御装置６８に記憶されている。
【００７０】
ステップＳ１２８において、燃料濃度＜第３基準濃度Ｃの条件成立が認められた場合、エンプティーランプが点灯され（Ｓ１３０）、燃料タンク５０内の高濃度燃料の不足を意味する警告が表示される。その後、今回の処理が終了する。
【００７１】
一方、ステップＳ１２４において隔壁５２のエンドラインへの到達が認められない場合、及びステップＳ１２８において燃料濃度＜第３基準濃度Ｃの条件成立が認められない場合は、そのまま今回の処理が終了する。この場合、次回の処理において、ステップＳ１０２で移動フラグ＝ＯＦＦの条件成立が認められず、続くステップＳ１１４において燃料濃度が検出され、燃料濃度＞第２基準濃度Ｂの条件が成立するか否かが判別される（Ｓ１１６）。ここで、隔壁５２の移動と高濃度燃料の噴出により燃料循環系４０内の燃料濃度が高くなっており、燃料濃度＞第２基準濃度Ｂの条件成立が認められれば、続く、隔壁５２の停止（Ｓ１１８）、燃料噴出弁５４の閉弁（Ｓ１２０）、移動フラグＯＦＦ（１２２）の処理が実行された後、この処理が終了する。
【００７２】
このように図６のルーチンによれば、隔壁５２がエンドラインまで移動した後、燃料濃度が第３基準濃度Ｃより低くなってエンプティーランプが点灯されるまで、ステップＳ１００〜Ｓ１２８に説明する処理が繰り返し実行される。すなわち、燃料タンク５０の高濃度燃料をほぼ使い切ることが認められるまで、燃料循環系４０内の燃料濃度が第１基準濃度より低くなる度に燃料噴出弁５４の開弁と隔壁５２の移動による高濃度燃料の供給が繰り返され、燃料濃度の低下に応じた高濃度燃料の供給が行なわれることとなる。
【００７３】
以上説明したように、この発明の実施の形態１によれば、燃料濃度が低くなった時に隔壁５２に設けられた燃料噴出弁５４を開弁すると共に、隔壁５２を移動することで、燃料タンク５０内の高濃度燃料を燃料循環系４０に供給することができる。これにより、燃料循環系４０内の燃料濃度を適正な濃度に維持することができる。また、このとき、燃料循環系４０と燃料タンク５０の容積の比率が、隔壁５２の移動により変動する。これにより、燃料循環系４０内の燃料の圧力上昇や燃料タンク５０内の圧力低下などを抑えて、燃料循環系４０と燃料タンク５０とを適正な圧力に維持することができる。
【００７４】
なお、実施の形態１においては、燃料電池２が、アニオン交換膜１０とアノード極（１２、１６、２０及び２２）及びカソード極（１４、１８、２４及び２６）を含む１のセルを有する場合を図示して説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、通常の燃料電池同様に、アニオン交換膜とアノード極及びカソード極からなるセルがセパレータ等を介して複数積層されたものであってもよい。これは、全実施の形態において同様である。
【００７５】
また、実施の形態１においては、燃料循環系４０内を燃料が循環して燃料流路２２に燃料が供給される場合について説明した。しかし、この発明においては、燃料を循環させるものに限るものではない。従って例えば、燃料循環系４０に代えて、アノード極に供給する燃料と、アノード触媒層１２において生成される生成水等を含む排燃料とを、共に滞留させる燃料供給部をアノード極に接するように配置したものを用いてもよい。これについても、全実施の形態において同様である。
【００７６】
また、実施の形態１においては、開口部７４を有する一対の板７２の間にｌ枚のスライド板７０を挟み、このスライド板７０をスライド移動させることで燃料噴出弁５４の開閉が制御される構造について説明した。しかし、この発明において燃料噴出弁はその開閉を制御できるものであればよく、他の構造を有するものであってもよい。これは、全実施の形態において同様である。
【００７７】
例えば、図７は、実施の形態１の他の燃料電池システムにおいて用いられる燃料噴出弁を説明するための模式図である。図７に示す燃料噴出弁１５４は、電磁弁である。隔壁５２を貫通するように燃料を噴出するためのノズル１５４ａが取り付けられており、制御装置６８から発信された制御信号によってノズル１５４ａが開閉される。これによりノズル１５４ａ部が燃料通路となって、燃料タンク５０側から燃料混合部４２へ高濃度燃料が供給される。このような燃料噴出弁１５４を用いても、燃料の供給が必要なタイミングで電磁弁１５４を開弁するよう制御することができ、必要な場合に燃料タンク５０から燃料混合部４２に高濃度燃料を噴出させることができる。
【００７８】
また、実施の形態１では燃料タンク５０と燃料循環系４０との境界面である隔壁５２に燃料噴射弁５４を有する場合について説明した。しかし、この発明においてはこれに限るものではなく、隔壁５２に単に燃料通路を設けたものであってもよい。このようにしても、燃料循環系４０内の燃料濃度が低くなった時点で隔壁５２を移動させることにより、その移動による燃料循環系４０と燃料タンク５０との圧力差を変化させることができ、燃料タンク５０内の高濃度燃料を燃料循環系４０に多く噴出させることができる。但し、燃料噴出弁が配置された場合と異なり、燃料通路により燃料タンク５０と燃料循環系４０との連通が常に確保された状態となることを考慮して、両者の初期の圧力を適切な値に設定する必要がある。これは、実施の形態２及び３においても同様である。
【００７９】
また、実施の形態１において、隔壁５２は、制御信号に応じて伸縮するシール部７６を有し、これにより隔壁５２停止の状態においては、隔壁５２を燃料タンク５０の内壁面５０ａに密着させることができる。しかし、この発明において、隔壁５２の構造はこれに限るものではなく、例えば、隔壁５２周囲に空気圧の変動によって伸縮する浮き部を取り付け、空気圧を制御することで、隔壁５２の移動時と停止時の状態を制御するようにしてもよい。また、必ずしもこのようなシール部を有するものでなくてもよい。これは、実施の形態２及び３においても同様である。
【００８０】
また、実施の形態１において、隔壁５２を、燃料タンク５０内を貫通するシャフト５６によって移動させる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、隔壁５２の燃料タンク５０内の移動を外部から制御できるものであれば、隔壁５２は他の構造を有するものであってもよい。具体的な他の構造としては、例えば、隔壁５２を磁気により移動する材料とし、燃料タンク５０の外部に磁性体を配置し、この磁性体の移動により隔壁５２を連動して移動させる構造とすることも考えられる。これは実施の形態２及び３においても同様である。
【００８１】
また、この実施の形態１では燃料としてメタノールを供給する場合について説明した。しかしこの発明はこれに限るものではなく、他の燃料を用いる場合にも適用することができる。特に、この実施の形態１のシステムは、燃料電池２の運転が長くなるなり隔壁５２が移動するに連れて、燃料混合部４２の容積比率が大きくなる構造を有している。従って、排燃料の体積が消費される燃料よりも大きくなる場合に特に有効である。しかしながら、燃料循環系４０内の圧力低下が許容範囲内に抑えられるものであれば、排燃料の体積が消費燃料の体積より小さくなるような燃料を用いる場合にも適用することができる。
【００８２】
また、メタノールを燃料として用いる場合、燃料電池２全体では上記（１）式のように反応し、理論的には1[mol]のメタノールに対し、2[mol]の水が生成される。しかし、実際にアノード触媒層１２側にどの程度生成水が残留し排出されるか等は、燃料電池運転時の温度や湿度、負荷等の様々な条件によって異なるものとなる。従って、排燃料の体積の増加量又は減少量の判断を燃料の種類のみで画一的に決定することは難しく、燃料電池の使用環境等を考慮して予測し、このシステムを適用する場合の燃料を決定することが望ましい。
【００８３】
また、この実施の形態１では燃料循環系４０内の燃料濃度を検出し、燃料濃度が所定の第１基準濃度Ａよりも低い場合に燃料噴出弁５４を開弁し、隔壁５２を移動する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではない。例えば、燃料電池２の運転開始後、一定時間経過ごとに、燃料噴出弁５４を開弁して隔壁５２を移動させたり、あるいは、出力をモニターして、出力に基づいて燃料濃度の低下をある程度予測し、それにより燃料噴出弁５４を開弁して隔壁５２を移動させたりするようにしてもよい。このことは全実施の形態において同様である。
【００８４】
また、実施の形態１では、隔壁５２がエンドラインに達した後、燃料濃度が第３基準濃度Ｃよりも低くなったときにエンプティーランプを点灯する場合について説明したが、隔壁５２がエンドラインに達した時点でエンプティーランプを点灯したりすることもできる。このことは全実施の形態において同様である。
【００８５】
実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２における燃料電池システムについて説明するための模式図である。図８に示す燃料電池システムは、燃料タンク５０と燃料混合部４２との間の隔壁８０が固定されて移動しない点、及び、燃料タンク５０の背面と隔壁８０との間に、移動壁部８２（壁部）を有する点を除き、図１の燃料電池システムと同様の構成を有している。
【００８６】
具体的に、図８の燃料電池システムにおいて、燃料混合部４２と燃料タンク５０との間は、隔壁８０によって仕切られている。隔壁８０には、図２の燃料噴出弁５４が組み付けられている。燃料混合部４２と燃料タンク５０とは、燃料噴出弁５４が開弁している時のみ、その開口部７４によって連通状態となり、燃料噴出弁５４が閉弁している状態においては互いに隔離されている。
【００８７】
隔壁８０と燃料タンク５０との間に、燃料タンク５０の背面とほぼ平行に移動壁部８２が配置されている。図示を省略するが、移動壁部８２は図３の隔壁５２と同様にその外周に伸縮するシール部を有する。移動壁部８２にはシャフト８４が接続している。シャフト８４は、燃料タンク５０背面を貫通し外部に突出している。この背面の貫通部分においてシャフト８４周囲は防水布８６で覆われ、燃料タンク５０内部の燃料が漏出しないように密閉されている。
【００８８】
移動壁部８２は、初期の状態において燃料タンク５０背面に近接して配置され、燃料電池２運転中、燃料循環系４０内の燃料濃度低下に応じて、燃料噴出弁５４が開弁すると共に、シャフト８４により燃料タンク５０背面側から隔壁８０側に次第に移動する。移動に際しては、実施の形態１の隔壁５２の移動の場合と同様に、移動壁部８２のシール部が収縮した状態となり、移動が停止するとシール部は伸張し、移動壁部８２は燃料タンク内壁面５２ａに密着する。燃料タンク５０内の高濃度燃料は隔壁８０と移動壁部８２との間の空間に貯留されることとなる。即ち、移動壁部８２の隔壁８０側への移動により、燃料タンク５０の容積は次第に小さくなる。
【００８９】
ところで、この燃料電池システムにおいては燃料としてエタノールが用いられる。つまり燃料タンク５０には、高濃度エタノール水溶液（あるいは100％エタノール）が充填されている。エタノールがアノード触媒層１２に供給されると、カソード極触媒層１４において生成された水酸化物イオンと反応して水が生成される。一方、生成された水の一部はアニオン交換膜１０から拡散しカソード触媒層１４に移動し、カソード触媒層１４での水酸化物イオンの生成反応に用いられる。具体的に、例えば、エタノールを燃料として使用する場合、燃料電池２全体では、次式（２）に示すような反応が起きる。
ＣＨ３ＣＨ２ＯＨ＋３Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ＋２ＣＯ２        ・・・・（２）
【００９０】
式（２）より、1[mol]のエタノールの消費により、3[mol]の水が生成されることがわかる。ここで、1[mol]のエタノールの体積は57.5[ml]（46/0.8=57.5）である。また、3[mol]の水の体積は、54[ml]（18×3/1=54）である。従って、燃料をエタノールとする場合、エタノール1[mol]につき3.5[ml]（54-57.5=-3.5）の体積が減少することとなる。
【００９１】
ここで、燃料タンク５０から高濃度燃料を燃料循環系４０側に供給すると、燃料循環系４０内を循環する燃料の体積は増加する。しかし上記のように燃料の消費に伴い体積が減少する場合には、燃料の消費に伴う体積の減少により高濃度燃料供給による体積の増加をある程度相殺することができるため、燃料循環系４０内の体積増加が少ない。この場合、実施の形態１のように燃料混合部４２と燃料タンク５０の比率を変化させ、燃料混合部４２の容積が次第に大きくなる構造とすると、燃料循環系４０の燃料圧力が小さくなることも考えられる。
【００９２】
このため実施の形態２では、隔壁８０は固定された境界面とし、燃料混合部４２の容積は変化しないものとしている。このような構造によって、燃料循環系４０内の圧力を適正な範囲に維持することができる。また、移動壁部８２を次第に隔壁８０側に移動させることにより、燃料タンク５０の高濃度燃料を貯留する空間の容積は次第に小さくなる。従って、燃料混合部４２側への高濃度燃料の噴出により高濃度燃料の体積が減少しても、その分、燃料タンク５０の容積を小さくすることができ、燃料タンク５０内の圧力を高く維持することができる。
【００９３】
この燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムと同様の制御を行なう。即ち、燃料循環系４０内の燃料濃度が第１基準濃度Ａより低くなると、移動壁部８２の移動が始められ、燃料噴出弁５４が開弁される。移動壁部８２の移動と燃料噴出弁５４の開放は、燃料濃度が第２基準濃度Ｂより高くなるまで続けられ、その間、燃料タンク５０から燃料混合部４２に高濃度燃料が供給される。
【００９４】
また、移動壁部８２の移動のエンドラインは隔壁８０近傍に設定され、移動壁部８２がこのエンドラインまで移動したことが確認された後、燃料循環系４０内の燃料濃度が第３基準濃度Ｃより低くなったこととが確認されると、エンプティーランプが点灯される。具体的な制御は図６のルーチンに従って実行される。
【００９５】
なお、この実施の形態２では燃料としてエタノールを用いる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、他の燃料を用いる場合にも適用することができる。
【００９６】
例えば、燃料としてエチレングリコールを使用する場合、燃料電池全体としては、下記の式（３）の反応が起きる。
Ｃ２Ｈ６Ｏ２＋5/2Ｏ２→３Ｈ２Ｏ＋２ＣＯ２        ・・・・（３）
従って、1[mol]のエチレングリコールの消費で3[mol]の水が生成される。エチレングリコールの1[mol]の体積は約61[ml]、3[mol]の水の体積は54[ml]である。1[mol]のエタノールの消費に対して、排燃料の体積は理論的には、6.9[ml]減少する。
【００９７】
また、燃料としてアンモニアを使用する場合、燃料電池全体としては、次式（４）の反応が起きる。
ＮＨ３＋3/4ＯＨ−→3/2Ｈ２Ｏ＋1/2Ｎ２        ・・・・（４）
従って、1[mol]のアンモニアを消費すると、1.5[mol]の水が生成されることとなる。
【００９８】
例えば、温度25度において、濃度1[mol/L]のアンモニア水溶液1[L]中のアンモニアを1[mol]消費したとする。この場合、体積は、およそ1000[ml]から927.6[ml]（1000/1.078=927.6）となる。この場合体積は72.4[ml]減少する。一方、1[mol]のアンモニア消費時には、1.5[mol]の水が生成される。1.5[mol]の水の体積は27[ml]（18×1.5/1=54）である。結果、体積は、45.4[ml]（27-72.4=-45.4）減少することとなる。同様に、アンモニア水溶液を変化させ、8.775[mol/l]もアンモニア水溶液114[ml]中のアンモニアを1[mol]消費すると、体積は46.2[ml]となり、67.7[ml]減少する。従って、全体での体積は、40.7[ml]（27-67.7=-40.7）減少することとなる。
【００９９】
実施の形態２によれば、燃料循環系４０への燃料供給によっても燃料混合部４２の容積は変化せず、燃料タンク５０の容積のみが小さくなる。従って、上記エチレングリコールやアンモニアの場合のように、消費された燃料の体積に対して排燃料の体積が減少すると推測される場合には、実施の形態２のシステムは特に有効である。しかしながら、この発明は、排燃料が減少する場合に限らず、排燃料が増加するようなものであっても、燃料循環系４０内の圧力変化を許容範囲に維持できるものであれば、実施の形態２に示す例を適用することができる。この場合にも、燃料タンク５０内の燃料供給による圧力減少を抑えることができるため、有効である。これは実施の形態３に於いても同様である。
【０１００】
また、実際の燃料電池２の運転において、アノード触媒層１２側にどの程度生成水が残留し排出されるか等は、燃料電池運転時の温度や湿度、負荷等の様々な条件によって異なるものとなる。従って、排燃料の体積の増加量又は減少量の判断は、燃料の種類のみで理論的に画一的に決定することは難しく、燃料電池の使用環境等を考慮して予測し、このシステムを適用する燃料を決定することが望ましい。これは実施の形態３においても同様である。
【０１０１】
なお、実施の形態２において、移動壁部８２を燃料タンク５０背面及び隔壁８０にほぼ平行に配置して、背面側から隔壁８０側に移動させる場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、移動壁部８２は、燃料タンク５０内の容積を変化させるようにできるものであればよい。従って、燃料混合部４２と燃料タンク５０との境界面以外の壁面付近に移動壁部を配置するものでもよい。これは実施の形態３においても同様である。
【０１０２】
実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３における隔壁９０の移動について説明するための模式図である。実施の形態３のシステムは、燃料タンク５０の内壁面５０ａの内側に一定の間隔で平行に配置された突出部５０ｂを有し、隔壁９０（壁部）はその外周部の伸縮するシール材を有しない点を除き、図１のシステムと同様の構成を有している。
【０１０３】
実施の形態３のシステムにおいても、隔壁９０には、スライド板７０の移動により開閉する燃料噴出弁５４が取り付けられている。図９の「停止時」に示されるように、燃料循環系４０内の燃料濃度が適正な濃度範囲にある場合には隔壁９０は停止している。このとき、隔壁９０は突出部５０ｂが形成された位置にあって、突出部５０ｂと隔壁９０の外周部とが密着した状態となっている。この状態では燃料噴出弁５４も閉弁されているため、燃料タンク５０側の空間と燃料混合部４２側の空間とは互いに隔離された状態となる。
【０１０４】
燃料循環系４０内の燃料濃度が低くなると、図９の「移動時」に示されるように、燃料噴出弁５４が開弁し、隔壁９０は燃料タンク５０背面側に移動する。このとき隔壁９０は、突出部５０ｂが形成されていない内径の大きい部分を移動することとなるため、円滑に移動することができる。ここで、隔壁９０の移動距離は一定に設定されている。隣接する突出部５０ｂ間の距離は、隔壁９０の一回の移動距離に合致している。これにより隔壁９０は、ある突出部５０ｂに密着した停止状態から、背面方向に隣接する突出部５０ｂの位置まで移動し、図９の「再停止」に示されるように、再び、突出部５０ｂに密着した停止状態となる。なお、このような隔壁９０の移動は、実施の形態１、２と同様に隔壁９０に取り付けられたシャフト（図示せず）等を介して行なうことができる。
【０１０５】
図１０は、この発明の実施の形態３においてシステムが実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図１０のルーチンにおいて、まずエンプティーランプが消灯となっていることが確認されると（Ｓ３００）、次に濃度センサ４８の出力に基づいて燃料濃度が検出される（Ｓ３０２）。その後、検出された燃料濃度が第１基準濃度Ａより小さいか否かが判別される（Ｓ３０４）。ステップＳ３０４において、燃料濃度＜第１基準濃度Ａの条件成立が認められない場合、この段階では高濃度の燃料を供給する必要がないと推測されるため、今回の処理が終了する。
【０１０６】
一方、燃料濃度＜第１基準濃度Ａの条件成立が認められると、次に、燃料噴出弁５４が開弁される（Ｓ３０６）。燃料噴出弁５４は、図２と同様に、スライド板７０が制御信号に従って移動することで開かれる。
【０１０７】
次に、隔壁９０の移動が実行される（Ｓ３０８）。ここで隔壁９０の移動距離は一定に定められ、制御装置６８に記憶されている。この移動により隔壁９０は、現在密着している突出部５０ｂから、背面側の隣に配置された突出部５０ｂまで移動した後、停止する。ステップＳ３０６〜Ｓ３０８の処理により燃料噴出弁５４が開弁した状態で隔壁９０の移動している間、燃料タンク５０と燃料混合部４２との圧力差によって、高濃度燃料が燃料噴出弁５４から燃料混合部４２側に吐出される。隔壁９０の移動が終了すると、次に、燃料噴出弁５４が閉弁される（Ｓ３１０）。即ち、スライド板７０が移動し開口部７４を塞ぐ位置に戻される。
【０１０８】
その後は、図６のルーチンのＳ１２４〜Ｓ１３０と同様の処理が行なわれる（ステップＳ３１２〜Ｓ３１８）。つまり、隔壁９０がエンドラインまで移動した後、燃料循環系４０の燃料濃度が第３基準濃度Ｃより低くなったことが認められてエンプティーランプが点灯されるまで、燃料噴出弁５４の開弁と隔壁９０の移動による燃料タンク５０からの燃料供給の処理が繰り返される。
【０１０９】
以上説明したように、実施の形態３においては、隔壁９０を一定の間隔で移動させることで、燃料濃度が低下した場合に、燃料タンク５０から燃料循環系４０内に高濃度燃料を供給することができる。これにより、燃料循環系４０内の燃料濃度を過度に高くすることなく、かつ燃料濃度の低下を抑制することができる。
【０１１０】
また、実施の形態３においては、隔壁９０の移動距離と、燃料タンク５０の内壁面５０ａに形成された突出部５０ｂ間の間隔を一致させ、隔壁９０を突出部５０ｂから次の突出部５０ｂに移動する。これにより、隔壁９０停止時（燃料噴出弁５４閉弁時）の燃料混合部４２と燃料タンク５０とを確実に仕切ると共に、円滑な隔壁９０の移動を確保することができる。また、移動距離を一定に定めているため、簡単な制御により燃料濃度の低下を抑制することができる。
【０１１１】
なお、実施の形態３では、燃料タンク５０と燃料混合部４２との境界面の隔壁９０を移動する場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、実施の形態２に説明したように、燃料タンク５０背面側に移動壁部を配置し、一定の距離を定めてこの壁部を移動させる場合にも適用することができる。
【０１１２】
また、実施の形態３では、隔壁９０の移動距離は常に一定である場合について説明した。しかし、この発明においては、移動距離が常に一定の場合に限るものではなく、例えば、毎回、あるいは複数回ごとに、異なる距離を移動するように移動距離を予め設定したものであってもよい。これによって例えば、次第に増加する燃料循環系４０内の燃料の体積に応じて、燃料濃度をより適正な濃度に調整するようにすることができる。
【０１１３】
また、実施の形態３では、燃料タンク５０内部に突出部５０ｂを設けて、この突出部５０ｂから次の突出部５０ｂまでの距離を一回の移動距離に一致させる場合について説明した。しかしながら、この発明はこれに限るものではなく、その移動距離を予め設定しておくものであればよい。従って、例えば、実施の形態１のシステムのような伸縮するシール部７６を有する隔壁５２を用いることもできる。
【０１１４】
実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４の燃料電池システムを説明するための模式図である。実施の形態４の燃料電池システムは、移動する隔壁５２に替えて、燃料タンク５０内に複数の隔壁９２ａ〜９２ｄ（壁部）が形成されている点を除き、実施の形態１のシステムと同様の構成を有している。
【０１１５】
具体的に、実施の形態４の燃料電池システムは、燃料タンク５０と燃料混合部４２との境界面を構成する隔壁９２ａと、燃料タンク５０背面とほぼ平行に配置され、燃料タンク５０内を燃料混合部４２に直列に接続する複数の空間に仕切る面を構成する複数の隔壁９２ｂ〜９２ｄを有している。隔壁９２ａ〜９２ｄのそれぞれには燃料噴出弁９４ａ〜９４ｄが組み付けられている。各燃料噴出弁９４ａ〜９４ｄは、燃料噴出弁５４と同様の構成を有している。
【０１１６】
この実施の形態４においては、図１１に示されるように、燃料循環系４０の燃料濃度が所定値以下に低下すると、閉弁されている燃料噴出弁９４ａ〜９４ｄのうち、燃料循環系４０に最も近い位置にある燃料噴出弁９４ｂが開放される。つまり、燃料電池２の初期の段階においては、全ての燃料噴出弁９４ａ〜９４ｄが閉弁されており、燃料濃度の低下が認められる度に、燃料循環系４０に近い側から順に（即ち境界面を構成する隔壁９２ａから背面側に順に）燃料噴出弁９４ａ〜９４ｄが開放されていく。
【０１１７】
これにより、燃料タンク５０に貯留された高濃度燃料のうち、燃料噴出弁９４ｂが開放されている隔壁９２ｂに背面側で隣接する隔壁９２ｃまでの、燃料循環系４０側の空間の高濃度燃料が、燃料循環系４０との圧力差によって燃料循環系４０側に次第に供給されることとなる。これにより燃料循環系４０内の燃料濃度の低下を抑制することができる。
【０１１８】
図１２は、この発明の実施の形態４において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。図１２のルーチンにおいて、まず図６のルーチンと同様に、エンプティーランプが消灯していることが認められると（Ｓ４００）、燃料濃度が検出され（Ｓ４０２）、その後、燃料濃度＜第１基準濃度Ａの条件成立が認められるか否かが判別される（Ｓ４０４）。
【０１１９】
燃料濃度＜第１基準濃度Ａの条件の成立が認められると、次に、開弁されるべき燃料噴出弁９４ｂが特定される（ステップＳ４０６）。ここで、開弁されるべき燃料噴出弁９４ｂは、まだ開弁されていない燃料噴出弁のうち燃料循環系４０に最も近い燃料噴出弁９４ｂとなる。開弁すべき燃料噴出弁９４は初期の状態では境界面である隔壁９２ａの燃料噴出弁９４ａに設定され制御装置６８に記憶されており、その後、後述する処理に従って書き換えられ制御装置６８に記憶されている。
【０１２０】
次に、特定された燃料噴出弁９４ｂが開かれる（ステップＳ４０８）。次に、開弁された燃料噴出弁９４ｂが、燃料タンク５０の背面に最も近い燃料噴出弁９４ｄであるか否かが判別される（Ｓ４１０）。制御装置６８は、ステップＳ４０６において特定された燃料噴出弁９４ｂを記憶しており、これにより、その燃料噴出弁９４ｂが最背面側の燃料噴出弁９４ｄであるか否かが判別される。
【０１２１】
ステップＳ４１０において、今回開弁された燃料噴出弁９４ｂが、最背面側の燃料噴出弁９４ｄであることが認められない場合には、次回に燃料タンク５０からの高濃度燃料供給時に開弁すべき燃料噴出弁９４ｃが制御装置６８に記憶される（Ｓ４１２）。次回に開弁される燃料噴出弁９４ｃは、今回開弁された燃料噴出弁９４ｂが設置された隔壁９２ｂの、背面側の隣の隔壁９２ｃに取り付けられた燃料噴出弁９４ｃである。その後、今回の処理は終了する。
【０１２２】
一方、ステップＳ４１０において、今回開弁された燃料噴出弁が最背面側の燃料噴出弁９４ｄであると判別された場合、次に燃料濃度が検出される（Ｓ４１２）。次に、燃料濃度＜第３基準値Ｃの条件成立が認められるか否かが判別される（Ｓ４１４）。ここで、燃料濃度＜第３基準値Ｃの条件成立が認められない場合、今回の処理が終了する。一方、燃料濃度＜第３基準値Ｃの条件成立が認められると、エンプティーランプが点灯され（Ｓ４１６）、今回の処理が終了する。
【０１２３】
以上説明したように、実施の形態４においては、燃料タンク５０内に移動する隔壁に替えて複数の隔壁９２ａ〜９２ｄを設け、燃料濃度が低下した場合に順次、燃料タンク５０内の高濃度燃料を燃料混合部４２に噴出できるようにしている。これにより、燃料循環系４０内の燃料量濃度を適正な範囲に維持して燃料を循環させることができる。
【０１２４】
なお、図１１では４つの隔壁９２ａ〜９２ｄが形成されている場合を図示して説明した。しかしこの発明において複数の隔壁の数はこれに限るものではなく、燃料タンク５０内を複数の空間に仕切る２以上の隔壁が形成されているものであればよい。
【０１２５】
なお、実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】この発明の実施の形態１の燃料電池システムについて説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１の燃料電池システムに用いられる燃料噴出弁について説明するための模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１の燃料電池システムにおいて用いられる隔壁について説明するための模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１の燃料電池システムにおいて用いられる隔壁について説明するための模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１の燃料電池システムにおける隔壁の移動時の状態について説明するための模式図である。
【図６】この発明の実施の形態１において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【図７】この発明の実施の形態１の他の燃料電池システムとして用いられる燃料噴出弁について説明するための模式図である。
【図８】この発明の実施の形態２の燃料電池システムについて説明するための模式図である。
【図９】この発明の実施の形態３の燃料電池システムにおいて用いられる隔壁について説明するための模式図である。
【図１０】この発明の実施の形態３において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【図１１】この発明の実施の形態４の燃料電池システムにおいて用いられる隔壁について説明するための模式図である。
【図１２】この発明の実施の形態４において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１２７】
２  燃料電池
１０  アニオン交換膜
１２  アノード触媒層
１４  カソード触媒層
１６、１８  拡散層
２０  集電板
２２  燃料流路
２４  集電板
２６  酸素流路
２８  外部回路
３０  燃料導入口
３２  燃料排出口
４０  燃料循環系
４２  燃料混合部
４４、４６  流路
４８  濃度センサ
５０  燃料タンク
５０ａ  内壁面
５０ｂ  突出部
５２、８０、９０、９２ａ〜９２ｄ  隔壁
８２  移動壁部
５４、１５４、９４ａ〜９４ｄ  燃料噴出弁
１５４ａ  ノズル
５６、８４  シャフト
５８、８６  防水布
６０  配線
６４  空気供給路
６６  空気排出路
６８  制御装置
７０  スライド板
７２  板
７４  開口部
７６  シール部
【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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【図１２】
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