JP2004095376A - 直接改質型燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】直接改質型燃料電池システムにおいて、メタノール／水溶液の温度対策、溶液の泡対策に工夫を凝らすことにより汎用されているメタノールセンサにより精度良くエタノール濃度を計測できるようにした。
【解決手段】本発明の直接改質型燃料電池システムでは、メタノール濃度測定装置３０をメタノール／水溶液の循環経路上で二酸化炭素ガスの存在量が比較的少ない場所に設置することにより、濃度センサ３１の表面に二酸化炭素の泡や不純物が付着するのを抑制し、精度良くメタノール濃度を検出する。また、メタノール濃度はメタノール／水溶液の温度条件により異なるので、例えば、水晶振動子式あるいは超音波式のセンサのように溶液粘度からメタノール濃度を算定する濃度センサ３１に対して温度センサ３２を近傍に設け、温度条件によりメタノール濃度が影響されるのを補償し、精度良くメタノール濃度を測定する。
【選択図】 図４
【解決手段】本発明の直接改質型燃料電池システムでは、メタノール濃度測定装置３０をメタノール／水溶液の循環経路上で二酸化炭素ガスの存在量が比較的少ない場所に設置することにより、濃度センサ３１の表面に二酸化炭素の泡や不純物が付着するのを抑制し、精度良くメタノール濃度を検出する。また、メタノール濃度はメタノール／水溶液の温度条件により異なるので、例えば、水晶振動子式あるいは超音波式のセンサのように溶液粘度からメタノール濃度を算定する濃度センサ３１に対して温度センサ３２を近傍に設け、温度条件によりメタノール濃度が影響されるのを補償し、精度良くメタノール濃度を測定する。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接改質型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水とエタノールとの溶液におけるエタノール濃度を測定する技術として、特許第２，６５４，６４８号公報に記載された粘度測定装置が知られている。この従来の技術は、試料液体に接する水晶振動子と、その水晶振動子の等価回路の抵抗成分を試料液体の粘度の指標とする粘度測定手段を備え、水晶振動子のの共振周波数周辺の周波数においてインピーダンス測定を行い、得られたインピーダンスから粘度を求める技術である。
【０００３】
この粘度測定装置を燃料濃度測定装置として採用した直接改質型燃料電池システムは、図１８に示すような構成となる。この考えられる燃料電池システムは、燃料電池１、この燃料電池１の空気極１１に空気を供給するエアポンプ２、燃料としてのメタノール水溶液を貯溜するメタノール／水タンク３、メタノール／水タンク３から燃料のメタノール水溶液を燃料電池１の燃料極１２に供給するメタノール／水ポンプ４から構成されている。そして、燃料中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサ５がメタノール／水タンク３内の液層に浸るように配設されている。なお、燃料電池１における１３は固体高分子電解質膜である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような直接改質型燃料電池システムの場合、燃料のエタノール濃度測定しようとした場合、次のような技術的課題がある。
【０００５】
（１）メタノールセンサ５への泡の付着の問題。
【０００６】
燃料電池の発電によってアノード極（燃料極１２）では、
【化１】
という反応が起こるため、メタノール／水タンク３には二酸化炭素ＣＯ２ の混じった溶液が常に戻ってくる。このため、メタノール／水タンク３中のメタノールセンサ５には二酸化炭素の泡が付着しやすい。また、燃料電池１の反応温度が比較的高いため、水溶液が気化しやすく、メタノールや水の蒸気の泡も付着しやすい。そのため、メタノールセンサ５の検出精度が低下する。
【０００７】
（２）メタノールセンサへゴミの付着の問題。
【０００８】
メタノール／水タンク３にはメタノール／水溶液が滞留し、流れが少ないためにメタノールセンサ５に不純物が付着しやすい。そのため、メタノールセンサ５の検出精度が低下する。
【０００９】
このような問題点から、また従来の粘度測定装置の特性から、
（１）測定する液体温度によって同じ濃度でも発振周波数が変わるが、これを十分に補償する必要がある、
（２）水晶振動子の部分にゴミが付着すると測定ができなくなるので、これに対応する必要がある、
（３）燃料電池の発電反応により燃料であるメタノール水溶液に泡が発生するので、気泡の影響を受けないようにする必要がある、
（４）メタノール水溶液の温度上昇により水晶振動子の検出特性が悪くなるため適温まで下げる必要がある、
といった技術的課題があった。
【００１０】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、溶液温度対策、溶液の泡対策に工夫を凝らすことにより精度良くメタノール濃度を計測できるようにした直接改質型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記メタノールセンサは、前記メタノール／水ポンプの出口と燃料電池の燃料入口との間の配管内、または前記メタノール／水タンクとメタノール／水ポンプとの間の配管内に取り付けたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記メタノールセンサは、前記メタノール／水ポンプの出口と燃料電池の燃料入口との間の配管に連通するように設けられたチャンバ内に、または前記メタノール／水タンクとメタノール／水ポンプとの間の配管に連通するように設けられたチャンバ内に取り付けたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２の直接改質型燃料電池システムにおいて、前記チャンバには放熱フィンを設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記メタノールセンサは、前記メタノール／水タンク内における通常運転時ににメタノール／水溶液に水没しない気体位置に設置し、前記制御回路は、前記メタノールセンサによるメタノール濃度測定時に前記メタノール／水ポンプを停止させ、前記メタノール／水タンク内のメタノール／水溶液が前記メタノールセンサを水没させる液位まで上昇させてからメタノール濃度を測定することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、通常運転時の前記メタノール／水溶液の循環経路とは別に、より容積の大きいバイパス経路及び前記通中運転時の循環経路とバイパス経路との経路切替手段と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記メタノールセンサは、前記メタノール／水タンク内における通常運転時ににメタノール／水溶液に水没する位置に設置し、前記制御回路は、前記メタノールセンサによるメタノール濃度測定時に、前記経路切替手段によって前記通常運転時の循環経路からバイパス経路に切替えてメタノール／水溶液をバイパス経路に流すことによって前記メタノール／水タンク内の液位を下げて前記メタノールセンサを気体に接触させ、その後、前記経路切替手段によって前記バイパス経路から通常運転時の循環経路に戻してメタノール／水溶液を循環させ、前記メタノールセンサを水没させた状態に戻してからメタノール濃度を測定することを特徴とするものである。
【００１６】
請求項６の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記メタノールセンサは、前記メタノール／水ポンプの運転時の振動が伝達される配管内に設置したことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項７の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記メタノールセンサは、その設置場所において前記メタノール／水溶液の流れ方向に平行する姿勢で設置したことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項８の発明は、請求項７の直接改質型燃料電池システムにおいて、前記メタノールセンサに、メッシュまたは多孔質のフィルタを被せたことを特徴とするものである。
【００１９】
請求項１〜８の発明の直接改質型燃料電池システムでは、メタノールセンサをメタノール／水溶液の循環経路上で二酸化炭素ガスの存在量が比較的少ない場所に設置することにより、メタノールセンサをメタノール／水溶液の流れと平行に置くことにより、さらにはメタノールセンサにフィルターを設けることにより、メタノールセンサの表面に二酸化炭素の泡や不純物が付着するのを抑制し、精度良くメタノール濃度を検出する。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項１〜８の直接改質型燃料電池システムにおいて、前記メタノールセンサと共にメタノール／水溶液の温度を計測するための温度センサを備え、前記制御回路は、前記メタノールセンサに検出する信号に基づくメタノール濃度演算において、前記温度センサの検出する温度信号を用いて補正する温度補償演算機能を有していることを特徴とするものであり、メタノール濃度はメタノール／水溶液の温度条件により異なるので、例えば、水晶振動子式あるいは超音波式のセンサのように溶液粘度からメタノール濃度を算定するメタノールセンサにあっては温度条件によりメタノール濃度が影響されるのを補償することにより、正確にメタノール濃度を測定する。
【００２１】
請求項１０の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、前記燃料電池の電流、電圧を測定する電流・電圧測定手段と、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記制御回路は、燃料電池の発生電流・電圧及び温度条件に対応した効率マップデータを保持し、前記温度センサの測定する温度と前記電流・電圧測定手段の測定する電流・電圧に基づき、前記効率マップデータを参照してメタノール消費量を推定し、これに見合うメタノール補充量を算定して補充する制御を行うことを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１０の発明の直接改質型燃料電池システムでは、制御回路が、燃料電池の発生電流・電圧及び温度条件に対応した効率マップデータを保持し、温度センサの測定する温度と電流・電圧測定手段の測定する電流・電圧に基づき、効率マップデータを参照してメタノール消費量を推定し、これに見合うメタノール補充量を算定して補充する制御を行うことにより、正確にメタノール濃度を基準範囲に維持する。
【００２３】
請求項１１の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、前記燃料電池の電流、電圧を測定する電流・電圧測定手段と、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記制御回路は、燃料電池の発生電流・電圧及び温度条件、およびあらかじめ登録されている所定のパラメータを用いてメタノールの消費量を算定し、これに見合う量のメタノールを補充する制御を行うことを特徴とするものである。
【００２４】
請求項１１の発明の直接改質型燃料電池システムでは、制御回路が、燃料電池の発生電流・電圧及び温度条件、およびあらかじめ登録されている所定のパラメータを用いてメタノールの消費量を算定し、これに見合う量のメタノールを補充する制御をすることにより、正確にメタノール濃度を基準範囲に維持する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳説する。図１は本発明の第１の実施の形態の直接改質型燃料電池システムを示している。本実施の形態の燃料電池システムは固体高分子型燃料電池１と、この燃料電池１の空気極に空気を供給するエアポンプ２、燃料としてのメタノールと水の溶液を貯溜するメタノール／水タンク３、メタノール／水タンク３から燃料のメタノール水溶液を燃料電池１の燃料極に供給するメタノール／水ポンプ４から構成されている。そして固体高分子型燃料電池１は、空気極１１、燃料極１２、電解質膜として固体高分子膜１３から成る。
【００２６】
そして、燃料中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサ５が、メタノール／水ポンプ４の出口と燃料電池１の燃料入口との間の配管７内に取り付けてある。
【００２７】
燃料電池１の実運転中、原燃料であるメタノールは消費され、二酸化炭素１４が発生する。その二酸化炭素１４は燃料電池１からメタノール／水タンク３に回収され、タンク３から排気筒６によって大気に放出される。一方、燃料電池反応により水が生成されるので、実運転中にメタノール／水溶液中の水は増加の一途をたどることになる。効果的に燃料電池反応を維持するためにはこのメタノール／水溶液中のメタノール濃度を４％程度に維持する必要があり、メタノール濃度が低下すればメタノールタンク（図示せず）からメタノール／水タンク３に１００％濃度のメタノールを所定量供給してメタノール濃度を４％程度に維持する制御をする。このために、燃料電池１の燃料極１２に供給される燃料液であるメタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視する必要があり、メタノールセンサ５によりメタノール濃度を監視するのである。
【００２８】
このようにして、第１の実施の形態の直接改質型燃料電池システムでは、メタノール濃度を監視するメタノールセンサ５をメタノール／水ポンプ４の出口と燃料電池１の燃料入口との間の配管７内に取り付けたことにより、次のような技術的利点がある。
【００２９】
（１）燃料循環経路上でメタノール／水溶液の圧力が高く、泡１４の発生が少ない場所にメタノールセンサ５を設置したことにより、泡１４の影響を受けることが少なくなり、精度の良いメタノール濃度測定ができる。
【００３０】
（２）また、燃料電池１の燃料極１２の入口近くという燃料電池反応場所の直前にメタノールセンサ５を置くことによって、メタノール水溶液温度と水溶液濃度を従来より正確に管理できる。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図２を用いて説明する。第２の実施の形態の燃料電池システムでは、メタノール／水タンク３とメタノール／水ポンプ４との間の配管８と連通するチャンバ９を設け、このチャンバ９の中にメタノールセンサ５を設けたことを特徴とする。このチャンバ８には必要に応じ、放熱フィン１０を形成してもよい。なお、その他の構成要素は第１の実施の形態と共通する要素に同一の符号を付して示してある。
【００３２】
この配管８に連通するチャンバ９内はメタノール水溶液中の二酸化炭素の泡１４の影響を受けにくい場所であり、泡１４の混ざった燃料水溶液から隔離した状態でメタノール濃度を測定することができる。また、放熱フィン１０を設けてチャンバ９内を冷却するようにすれば、水溶液の温度を下げることで泡１４の発生を抑えることができ、泡１４の影響をいっそう回避することができる。
【００３３】
なお、チャンバ９は第１の実施の形態と同様に配管７に連通するように設けることもでき、さらにはフィン１０を設けることもできる。これによっても第２の実施の形態と同様の技術的利点が得られる。
【００３４】
次に、本発明の第３の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図３を用いて説明する。第３の実施の形態の特徴は、図１に示した第１の実施の形態と同様に配管７上にメタノールセンサ５Ａを設け、同時に、図２に示した第２の実施の形態と同様に配管８に連通するチャンバ９にもメタノールセンサ５Ｂを設けたことを特徴とする。
【００３５】
この第３の実施の形態の構成にすれば、２つのメタノールセンサ５Ａ，５Ｂによりメタノール濃度を測定することによって測定データの冗長性がとれる利点があり、また、システム起動時に燃料電池１に近い場所、したがって燃料電池１に実際に供給されるメタノール／水溶液のメタノール濃度が測定できるメタノールセンサ５Ａによる濃度測定値を利用し、定格出力時には、メタノール濃度検出に適した温度での測定が可能なチャンバ９内のメタノールセンサ５Ｂによる濃度測定値を利用する切替ができる。
【００３６】
次に、本発明の第４の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図４を用いて説明する。第４の実施の形態の燃料電池システムは、制御機能に特徴を有している。図１〜図３に示した第１〜第３の各実施の形態の直接改質型燃料電池システムでは、燃料電池１の実発電反応により燃料極１２において二酸化炭素が発生し、これが燃料水溶液中に泡１４になって混入し、燃料電池１からメタノール／水タンク３へ運ばれる。メタノール／水タンク３内では気液分離により二酸化炭素の泡１４の大部分は排気筒６から大気中へ放出される。しかしながら、二酸化炭素の微細な泡１４は溶液中に混在し、メタノール／水溶液と共に循環する。このため、第１〜第３の角実施の形態の燃料電池システムでは、メタノール／水溶液の循環経路上で泡１４の存在率の少ない場所である配管７や配管８内、あるいはそれらの配管に連通するように設けられたチャンバ９内にメタノールセンサ５を設置することにより泡１４の影響を避けるように配慮した。
【００３７】
しかしながら、なお微細な泡は水溶液中に混在したまま燃料循環経路を循環し、メタノールセンサ５に少しずつ付着していくことが避けられない。
【００３８】
そこで、本実施の形態の燃料電池システムでは、制御回路２０の制御によりメタノール濃度測定時にはエアポンプ２、メタノール／水ポンプ４のような補器の少なくとも１つを停止させてメタノール／水タンク３の泡１４の発生を抑えた状態にしてメタノール濃度を測定するようにしている。
【００３９】
制御回路２０は、エアポンプ２、メタノール／水ポンプ４のオン／オフ、回転速度制御を行う駆動回路２１、出力制御回路２２そしてこれらのプログラム制御を行うＣＰＵ２３を備えている。
【００４０】
また、本実施の形態では、メタノール濃度測定のために、メタノール／水ポンプ４から燃料電池１の燃料入口に至る配管７に連通するようにチャンバ９を設け、このチャンバ９内に濃度センサ３１と共に温度センサ３２を備えたメタノール濃度測定装置３０を設置している。
【００４１】
次に、本実施の形態の直接改質型燃料電池システムにおけるメタノール濃度測定制御について、図５のフローチャートを用いて説明する。
【００４２】
ステップＳ１：濃度を計測するときは、エアポンプ２、メタノールポンプ４、発電量など補器のうち少なくとも１つ（ここではエアポンプ２）を停止制御し、発電反応を抑制することによって二酸化炭素の発生を抑え、結果的にメタノール／水タンク３の泡の発生を抑えた状態とする。
【００４３】
ステップＳ２：配管７に連通するチャンバ９内の設置されたメタノールセンサ５と温度センサ２５からメタノール濃度を計算する。
【００４４】
ステップＳ３：メタノール濃度の計算結果があらかじめ設定した基準範囲の中に入っていればメタノール濃度検出を正と判断し、ステップＳ５へ移行する。不可であれば、ステップＳ４へ移行する。
【００４５】
ステップＳ４：センサ５，２５に対して泡が付着している可能性があるため、メタノール／水ポンプ３の動作量を変更し、泡を取り除く。この制御の後、再度ステップ２へ戻り、メタノール濃度を測定する。
【００４６】
ステップＳ５：メタノール濃度測定を終了し、発電系統の補器を通常の運転状態に復帰させる。
【００４７】
このようにして、第４の実施の形態の直接改質型燃料電池システムでは、運転中にはメタノール濃度センサ類に泡が付着しやすいので、燃料電池の運転を停止し、あるいは泡の発生が抑制できるモードにしてからメタノール濃度、温度を測定し、その結果からメタノール濃度を算定することにより、精度の良いメタノール濃度の測定ができる。
【００４８】
この第４の実施の形態の燃料電池システムにおいて採用したメタノール濃度測定装置３０は図６に示す構成であり、水晶振動子のような濃度センサ３１と一般的な温度感知素子で構成される温度センサ３２とをチャンバ９の隔壁９Ａに固定部材３３によって固定し、チャンバ９外部において濃度センサ３１に振動電圧を印加し、共振信号を取り出し、また温度センサ３２に電流を供給し、温度感知信号を取り出すインタフェース３４から構成されている。
【００４９】
従来例とした特許第２，６５４，６４８号公報では、粘度測定装置の温度補償については何ら記載がない。しかしながら、（１）温度環境により濃度センサ３１に用いられている水晶振動子の発振周波数は変化するため、実使用においては温度補償が必要であり、（２）濃度センサ３１の温度補償を行うためには、濃度センサ３１の周囲温度を測定する必要性から温度センサ３２を濃度センサ３１のごく近傍に設置する必要がある。
【００５０】
この技術的な必要性を考慮し、本実施の形態の燃料電池システムでは、メタノール濃度測定のために、固定部材３３によって濃度センサ３１を温度センサ３２と一体化し、さらに、これらのセンサ群に対する制御用インタフェース３４も固定部材３３によって一体化したメタノール濃度測定装置３０を採用したのである。
【００５１】
制御用インタフェース３４は、温度センサ３２の温度検出信号を濃度センサ３１の共振周波数信号と共に制御回路２０に送信する。制御回路２０には、温度−補償値対応テーブルを保持させてあり、ＣＰＵ２３はこのテーブルのデータを参照し、濃度センサ３１の共振周波数を補正して本来の共振周波数を求め、それに対応したメタノール濃度を算定し、循環するメタノール／水のメタノール／水溶液中のメタノール濃度を４％前後に維持する制御を行う。
【００５２】
なお、図６に示した構成のメタノール濃度測定装置３０は、第１〜第３の実施の形態におけるメタノールセンサ５に代えて採用することができ、また以降の各実施の形態においても採用することができる。
【００５３】
また、第１〜第４の各実施の形態の燃料電池システムにおいて使用するメタノールセンサ５、あるいはメタノール濃度測定装置３０における濃度センサ３１に付着する泡を抑制する対策として、数百ｎｍオーダーの表面粗さを研磨して数十ｎｍオーダーにした。また、センサ表面に親水性材料をコーティングする方法もある。
【００５４】
後者のコーティング材料には、例えば、シリカ（ＳｉＯ２ ）、酸化チタン、ジルコニア、アルミナまたはそれらの複数種の組合せを使用する。表１は採用できるコーティング材料とコーティング方法、表面状態を示している。
【００５５】
【表１】
次に、本発明の第５の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図７を用いて説明する。上述したように、メタノールセンサ５、濃度センサ３１の表面に泡やゴミがつくと濃度計測に誤差が生じる。泡の付着を抑制するには、センサ５の表面に泡が付着した場合に一度水溶液中からセンサ５を引き上るのが効果的である。
【００５６】
そこで、第５の実施の形態の燃料電池システムでは、メタノールセンサ５（あるいはメタノール濃度測定装置３０）をメタノール／水タンク３内において、通常運転時には気体となる高さ位置に設置している。そして、制御回路２０によりメタノール／水ポンプ４の運転を制御し、同図（ａ）に示す燃料電池運転時にはポンプ４を運転し、メタノールセンサ５をメタノール／水タンク３内で気体部分に位置させておき、メタノール濃度検出時だけ、同図（ｂ）に示すようにメタノール／水ポンプ４を停止させることによって大部分のメタノール／水メタノール／水溶液をメタノール／水タンク３内に回収し、タンク内の液位を高くしてメタノールセンサ５を水没させるようにし、メタノール濃度測定時にセンサ表面に泡が付着するのを抑制し、正確にメタノール濃度を測定するようにしている。
【００５７】
これにより、通常運転時にはメタノールセンサ５が液と接触しないのでその表面に泡が付着するのを抑制し、メタノール濃度測定時にはメタノールセンサ５を液に水没させることにより、泡の影響を受けずに精度の高いメタノール濃度測定を可能にする。
【００５８】
次に、本発明の第６の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図８を用いて説明する。第６の実施の形態の特徴は、メタノールセンサ５に付着している泡を除去するために経路長の違う流路にメタノール／水溶液を一時的に通し、センサ５を引き上げる機能を備えた点にある。
【００５９】
すなわち、図８に示すように、通常運転時の循環流路４０に対してバイパス流路４１を設け、制御回路２０によって通常運転時と濃度計測時とで流路を切替えるようにしているのである。そして、バイパス流路４１の容積は通常流路４０の容積よりも大きくすることによって、このバイパス流路４１にメタノール燃料水溶液が流れるときには、メタノール／水タンク３中の溶液の液位が大きく下がり、タンク３に設置してあるメタノールセンサ５が液から気体側に現れるようにしてある。
【００６０】
この第６の実施の形態の燃料電池システムでは、図８（ａ）に示すように通常運転時は通常流路４０に溶液を循環させながら燃料電池発電を行う。この状態では、メタノール／水タンク３中のメタノールセンサ５は溶液中に水没している。
【００６１】
そして、水溶液中のメタノール濃度を測定する際には、まず、図８（ｂ）に示すようにバイパス流路４１に水溶液を流す要に流路を切替えることにより、メタノール／水タンク３中の液位を下げてメタノールセンサ５をいったん溶液中から引き上げて気体に触れさせる。
【００６２】
この後、再び同図（ａ）に示すようにメタノール水溶液を通常流路４０に流れるように流路を戻すことによってメタノール／水タンク３中の液位を上昇させ、メタノールセンサ５を水没させ、この状態でメタノール濃度を測定する。
【００６３】
これにより、第６の実施の形態の燃料電池システムによれば、メタノールセンサ５の水没状態でその表面に付着していた泡が溶液中から引き上げられ、気体と接することによって泡がいったん除去され、その後に再度水没させてメタノール濃度を測定する手順がとれ、泡の影響を少なくしてメタノール濃度を測定できるようになり、精度の高い濃度測定が可能となる。
【００６４】
また本実施の形態の場合、通常運転時には使用されておらず、したがって発電反応熱により温められていないバイパス流路４１にメタノール／水メタノール／水溶液を流すことによって、このバイパス流路４１が冷却経路をかねることになり、メタノール濃度測定時のメタノール／水メタノール／水溶液の温度を一時的に下げることができ、センサの検出精度を上げることができる。
【００６５】
次に、本発明の第７の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図９を用いて説明する。この実施の形態の燃料電池システムの特徴は、メタノールセンサ５の取付位置をメタノール／水ポンプ４の吐出口内とし、このメタノール／水ポンプ４の吸込口側、吐出口側を配管７，８と免震ジョイント５１，５２によって接続した点にある。なお、５３はポンプ４のダンパである。
【００６６】
メタノール／水ポンプ４はその運転中に振動する。したがって、その吐出口も共に振動するので、吐出口内にメタノールセンサ５を設置しておくことにより、メタノール／水ポンプ４の振動によって表面に付着する泡や不純物をふるい落とすようにして除去することができ、常にクリーンな状態にしておける。
【００６７】
これにより、第７の実施の形態の燃料電池システムによれば、メタノールセンサ５への泡や不純物の付着を抑制し、精度の高いメタノール濃度の測定を可能にする。
【００６８】
次に、本発明の第８の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図１０を用いて説明する。本実施の形態の特徴は、メタノールセンサ５の設置向きに特徴を有している。図１０（ａ）に示したように、メタノールセンサ５をメタノール／水メタノール／水溶液が流れる配管６０内において、液流方向６１にそのセンシング面が平行になるように設置している。
【００６９】
これにより、同図（ｂ）に示すように液流方向６１にセンシング面が直角となる向きに設置する場合よりも泡や不純物の付着を少なくすることができる。
【００７０】
なお、この実施の形態においては、図１１に示すように液流を妨げないメッシュあるいは多孔質のフィルタ６３をメタノールセンサ５を取り囲むように設置することができ、これによって、メタノールセンサ５の表面への泡や不純物の付着をいっそう少なくすることができる。
【００７１】
次に、本発明の第９の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図１２〜図１４を用いて説明する。発電反応によりメタノール／水メタノール／水溶液が高温になると、メタノールセンサによるメタノール濃度の測定が困難になる。そこで、図１２に示したように、本実施の形態の燃料電池システムは制御回路２０において、発電電流量、投入メタノール量、効率マップ、循環溶液量、メタノール系外放出量、溶液温度からメタノール濃度を推定演算する機能を備えたことを特徴とする。
【００７２】
図１２に示す直接改質型燃料電池システムは、第１の実施の形態と同様に、固体高分子型燃料電池１と、この燃料電池１の空気極に空気を供給するエアポンプ２、燃料としてのメタノールと水の溶液を貯溜するメタノール／水タンク３、メタノール／水タンク３から燃料のメタノール水溶液を燃料電池１の燃料極に供給するメタノール／水ポンプ４を備えている。燃料であるメタノールは、メタノール／水タンク３に対してメタノールタンク７１からメタノールポンプ７２により供給する。７３は燃料電池１に接続された気液分離器である。
【００７３】
本実施の形態の燃料電池システムは、駆動機器の制御のために制御回路２０を備えている。この制御回路２０は、駆動回路２１、出力制御回路２２、ＣＰＵ２３、効率マップ保持部２４を備えていて、メタノール／水メタノール／水溶液のメタノール濃度制御、発電電力の出力制御を実行する。そしてこの制御のために必要な情報として、メタノールセンサ５からメタノール濃度信号、燃料電池１の温度センサ７４からセル温度信号、発電電流・電圧信号を入力する構成である。
【００７４】
なお、溶液温度監視のためには、図７に示した構成のメタノール濃度測定装置３０を搭載してもよいが、本実施の形態ではメタノール／水タンク３内に設置されたメタノールセンサ５と共に燃料電池１の反応監視のために設置されているセル温度センサ７４の温度信号を利用するようにしている。
【００７５】
図１３に示すように、直接改質型燃料電池システムは、例えば、電動アシスト自転車の二次電池充電用に利用する場合、二次電池としてＮｉ−Ｃｄ電池を利用しているような場合、二次電池のリフレッシュのために自己放電させてから再充電することがある。制御回路２０はこの二次電池の放電状態を監視し、完全放電になれば燃料電池システムを起動して再充電することになる（自己放電監視モード（ｉ）、低消費モード（ｉｉ））。そして、電動アシスト自転車の実走行時には運転モード（ｉｉｉ）に移行し、二次電池の充電状態に応じて制御回路２０が燃料電池システムの発電制御を行う。
【００７６】
この運転モード（ｉｉｉ）では、燃料電池システムが発電反応を起こすので、運転状態に応じてメタノール／水メタノール／水溶液は温度上昇する。このため、超音波センサや水晶振動子式の汎用のメタノールセンサ５では、許容温度以上になり、メタノール濃度測定が困難になることがある。
【００７７】
そこで、本実施の形態の燃料電池システムでは、制御回路２０が図１４のフローチャートに示すように、メタノール／水メタノール／水溶液の温度監視を行い（ステップＳ１１）、濃度測定が可能な温度範囲であればメタノールセンサ５によって濃度測定を行い、測定したメタノール濃度に応じてメタノールの供給量を算定し、所要量をメタノール／水タンク３にメタノールタンク７１から供給する制御をする（ステップＳ１２）。
【００７８】
他方、ステップＳ１１の温度監視において、温度がメタノールセンサ５の濃度測定に適さない温度にまで上昇していれば、制御回路２０は発電量、メタノール投入量などからメタノール濃度の推定演算を行い（ステップＳ１３）、その濃度推定値に基づいてメタノール供給量を制御する（ステップＳ１４）。
【００７９】
このメタノール濃度の推定演算処理は、発電電流量、投入メタノール量、効率マップ、循環溶液量、系外放出量、溶液温度からメタノール濃度を推定するものであり、図１６のフローチャートによる。
【００８０】
（１）システム起動時の低温度状態時にメタノール濃度を測定し、基準値として記憶する（ステップＳ２１）。
【００８１】
（２）温度条件が濃度測定可能なものか判断する（ステップＳ２２）。
【００８２】
（３）例えば、二次電池自己放電監視時のように、濃度測定が可能な状況では、メタノール／水溶液濃度を測定し、基準値を更新する（ステップＳ２２，Ｓ２３）。
【００８３】
（４）燃料電池１の電圧・電流、セル温度を測定し、あらかじめ登録されている図１５に示すような電圧・電流・温度の効率マップ２４から消費したメタノール量を推定する（ステップＳ２４）。
【００８４】
この推定演算の理論は、次の通りである。
【００８５】
ａ．メタノール１ｍｌ当たりの発熱量は、１８．２［ｋＪ／ｍｌ］。
【００８６】
ｂ．燃料電池電圧＊電流＊運転時間＝発電エネルギー［Ｊ］。
【００８７】
ｃ．これに効率を掛ければ、メタノール消費量が求まる。
【００８８】
【数１】
発電エネルギー／効率／単位発熱量（１８．２）＝メタノール消費量
（５）温度条件が厳しい場合、あらかじめ登録してある外気温度−蒸発量マップからメタノール系外放出量を求め、残存メタノール量を補正する（ステップＳ２５）。
【００８９】
（６）（３）で測定し、基準値としたメタノール濃度または（５）で求めたメタノール消費量分から、メタノールの必要補充量を算定する（ステップＳ２６）。
【００９０】
（７）（６）で算定した必要補充量だけ、メタノールタンク７１からメタノール／水タンク３へメタノールを追加投入する（ステップＳ２７）。
【００９１】
なお、運転中に系外に放出されるメタノールが微量存在するが、これはマップを多めにしてもよいし、一定量を追加するという単純な補正手法にしてもよい。
【００９２】
また、上記のメタノール濃度測定サイクルは、一定周期として、例えば、１分毎、５分毎、１０分毎等、系によってあらかじめ設定しておく。
【００９３】
これにより、第９の実施の形態の燃料電池システムによれば、発電反応でメタノール／水メタノール／水溶液の温度が上昇し、汎用されているメタノールセンサ５では濃度測定が困難な状態になっても、制御回路２０側でメタノール消費量を推定演算し、その消費量分だけ補充する制御をすることによってメタノール／水溶液中のメタノール濃度を適切な値に維持することができる。
【００９４】
次に、本発明の第１０の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図１７を用いて説明する。本実施の形態の燃料電池システムの特徴は、第９の実施の形態の燃料電池システムのように効率マップ２４を利用せず、数式計算処理によってメタノール濃度を制御する機能を備えた点にある。なお、ハードウェア構成は、第９の実施の形態と同様、図１２に示すものである。
【００９５】
本実施の形態の燃料電池システムによるメタノール濃度制御は、次のようにして実行する。
【００９６】
（１）電流値を連続的に計測し、電流＊時間で電流量を計算する（ステップＳ３１）。
【００９７】
（２）電流に変換されたエネルギーを次のようにして計算する（ステップＳ３２）。まず、燃料電池反応は、次のようになる。
【００９８】
【化２】
ここで、電子１個の電荷が１．６０＊１０−１９ Ｃなので、メタノール１ｍｏｌ当たりの電荷は約５７．８＊１０４ Ｃと分かっている。そして、電流は単位時間当たりの電荷であるから、電流量を観測すれば電気になったメタノール量は分かる。
【００９９】
【数２】
電流量／１ｍｏｌ当たりの電荷＝電気になったメタノールのエネルギ量（Ａ）
（３）次に、化学反応熱（熱損失）を計算する（ステップＳ３３）。カソード（空気極）とアノード（燃料極）で化学反応が起きるときに発生する反応熱、すなわちエントロピーの損失（Ｂ）は既知であり、あらかじめ制御回路２０に登録してある。
【０１００】
（４）次に、燃料電池電圧から効率を計算する（ステップＳ３４）。理論単セル電圧は１．２Ｖと既知であるため、燃料電池電圧から単セル電圧を計算することによって、電圧の損失を求めることができる。
【０１０１】
【数３】
（１．２−観測した単セル電圧）／１．２＝電圧の損失（Ｃ）
（５）次に、燃料電池反応でメタノールが発生したエネルギ量を計算する（ステップＳ３５）。
【０１０２】
【数４】
（Ａ）／（Ｃ）＋（Ｂ）＝使われたエネルギーの量（Ｄ）
（６）次に、メタノールが発生したエネルギ量から、消費されたメタノール量（Ｅ）を求める。
【０１０３】
【数５】
（Ｄ）／メタノールの熱量１８．２ｋＪ／ｍｌ＝消費メタノール量（Ｅ）
こうして、燃料電池１の発生する電流、電圧を継続的に監視し、メタノール消費量を換算し、この消費量に見合った分だけメタノールタンク７１からメタノールポンプ７２によりメタノールをメタノール／水タンク３へ補充する。
【０１０４】
なお、メタノールセンサ５は起動時にメタノール濃度を測定し、それが基準範囲内に入っていなければメタノールを必要量だけ補充するために利用する。
【０１０５】
この実施の形態の燃料電池システムによれば、メタノールセンサ５による濃度測定を最小限に抑えながら、メタノール／水メタノール／水溶液中のメタノール濃度を基準内に維持するように制御することができる。
【０１０６】
なお、本発明の各実施の形態において、メタノールセンサ５、メタノール濃度測定装置３０における濃度センサ３２には、水晶発振式に代えて超音波式のものを採用することもできる。
【０１０７】
【発明の効果】
請求項１〜８の発明の直接改質型燃料電池システムによれば、メタノールセンサをメタノール／水溶液の循環経路上で二酸化炭素ガスの存在量が比較的少ない場所に設置することにより、メタノールセンサをメタノール／水溶液の流れと平行に置くことにより、さらにはメタノールセンサにフィルターを設けることにより、メタノールセンサの表面に二酸化炭素の泡や不純物が付着するのを抑制し、精度良くメタノール濃度を検出し、メタノール濃度を制御することができる。
【０１０８】
請求項９の発明の直接改質型燃料電池システムによれば、メタノール濃度はメタノール／水溶液の温度条件により異なるので、例えば、水晶振動子式あるいは超音波式のセンサのように溶液粘度からメタノール濃度を算定するメタノールセンサにあっては温度条件によりメタノール濃度が影響されるのを補償することにより、正確にメタノール濃度を測定し、メタノール濃度を制御することができる。
【０１０９】
請求項１０の発明の直接改質型燃料電池システムによれば、制御回路が、燃料電池の発生電流・電圧及び温度条件に対応した効率マップデータを保持し、温度センサの測定する温度と電流・電圧測定手段の測定する電流・電圧に基づき、効率マップデータを参照してメタノール消費量を推定し、これに見合うメタノール補充量を算定して補充する制御を行うので、正確にメタノール濃度を基準範囲に維持することができる。
【０１１０】
請求項１１の発明の直接改質型燃料電池システムによれば、制御回路が、燃料電池の発生電流・電圧及び温度条件、およびあらかじめ登録されている所定のパラメータを用いてメタノールの消費量を算定し、これに見合う量のメタノールを補充する制御をするので、正確にメタノール濃度を基準範囲に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のブロック図。
【図２】本発明の第２の実施の形態のブロック図。
【図３】本発明の第３の実施の形態のブロック図。
【図４】本発明の第４の実施の形態のブロック図。
【図５】第４の実施の形態によるメタノール濃度測定処理のフローチャート。
【図６】第４の実施の形態で使用するメタノール濃度測定装置のブロック図。
【図７】本発明の第５の実施の形態のブロック図。
【図８】本発明の第６の実施の形態のブロック図。
【図９】本発明の第７の実施の形態のブロック図。
【図１０】本発明の第８の実施の形態において、メタノールセンサの設置状態を示す断面図。
【図１１】第８の実施の形態において、メタノールセンサにフィルタを被せた変形例を示す断面図。
【図１２】本発明の第９の実施の形態のブロック図。
【図１３】第９の実施の形態における燃料電池の運転モードの説明図。
【図１４】第９の実施の形態によるメタノール濃度測定処理のフローチャート。
【図１５】第９の実施の形態において制御回路が用いる効率マップの説明図。
【図１６】第９の実施の形態によるメタノール濃度測定処理において、メタノール濃度の推定演算処理のフローチャート。
【図１７】本発明の第１０の実施の形態によるメタノール濃度測定処理のフローチャート。
【図１８】提案されている直接改質型燃料電池システムのブロック図。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ エアポンプ
３ メタノール／水溶液タンク
４ メタノール／水ポンプ
５，５Ａ，５Ｂ メタノールセンサ
６ 排気筒
７ 配管
８ 配管
９ チャンバ
１０ フィン
１１ 空気極
１２ 燃料極
１３ 固体高分子電解質膜
１４ 泡（二酸化炭素）
２０ 制御回路
２１ 駆動回路
２２ 出力制御回路
２３ ＣＰＵ
２４ 効率マップ
３０ メタノール濃度測定装置
３１ 濃度センサ
３２ 温度センサ
３３ 固定部材
３４ インタフェース
４０ 通常循環経路
４１ バイパス流路
５１ 免震ジョイント
５２ 免震ジョイント
６３ フィルタ
７１ メタノールタンク
７２ メタノールポンプ
７３ 気液分離器
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接改質型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水とエタノールとの溶液におけるエタノール濃度を測定する技術として、特許第２，６５４，６４８号公報に記載された粘度測定装置が知られている。この従来の技術は、試料液体に接する水晶振動子と、その水晶振動子の等価回路の抵抗成分を試料液体の粘度の指標とする粘度測定手段を備え、水晶振動子のの共振周波数周辺の周波数においてインピーダンス測定を行い、得られたインピーダンスから粘度を求める技術である。
【０００３】
この粘度測定装置を燃料濃度測定装置として採用した直接改質型燃料電池システムは、図１８に示すような構成となる。この考えられる燃料電池システムは、燃料電池１、この燃料電池１の空気極１１に空気を供給するエアポンプ２、燃料としてのメタノール水溶液を貯溜するメタノール／水タンク３、メタノール／水タンク３から燃料のメタノール水溶液を燃料電池１の燃料極１２に供給するメタノール／水ポンプ４から構成されている。そして、燃料中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサ５がメタノール／水タンク３内の液層に浸るように配設されている。なお、燃料電池１における１３は固体高分子電解質膜である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような直接改質型燃料電池システムの場合、燃料のエタノール濃度測定しようとした場合、次のような技術的課題がある。
【０００５】
（１）メタノールセンサ５への泡の付着の問題。
【０００６】
燃料電池の発電によってアノード極（燃料極１２）では、
【化１】
【０００７】
（２）メタノールセンサへゴミの付着の問題。
【０００８】
メタノール／水タンク３にはメタノール／水溶液が滞留し、流れが少ないためにメタノールセンサ５に不純物が付着しやすい。そのため、メタノールセンサ５の検出精度が低下する。
【０００９】
このような問題点から、また従来の粘度測定装置の特性から、
（１）測定する液体温度によって同じ濃度でも発振周波数が変わるが、これを十分に補償する必要がある、
（２）水晶振動子の部分にゴミが付着すると測定ができなくなるので、これに対応する必要がある、
（３）燃料電池の発電反応により燃料であるメタノール水溶液に泡が発生するので、気泡の影響を受けないようにする必要がある、
（４）メタノール水溶液の温度上昇により水晶振動子の検出特性が悪くなるため適温まで下げる必要がある、
といった技術的課題があった。
【００１０】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、溶液温度対策、溶液の泡対策に工夫を凝らすことにより精度良くメタノール濃度を計測できるようにした直接改質型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記メタノールセンサは、前記メタノール／水ポンプの出口と燃料電池の燃料入口との間の配管内、または前記メタノール／水タンクとメタノール／水ポンプとの間の配管内に取り付けたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項２の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記メタノールセンサは、前記メタノール／水ポンプの出口と燃料電池の燃料入口との間の配管に連通するように設けられたチャンバ内に、または前記メタノール／水タンクとメタノール／水ポンプとの間の配管に連通するように設けられたチャンバ内に取り付けたことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項２の直接改質型燃料電池システムにおいて、前記チャンバには放熱フィンを設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記メタノールセンサは、前記メタノール／水タンク内における通常運転時ににメタノール／水溶液に水没しない気体位置に設置し、前記制御回路は、前記メタノールセンサによるメタノール濃度測定時に前記メタノール／水ポンプを停止させ、前記メタノール／水タンク内のメタノール／水溶液が前記メタノールセンサを水没させる液位まで上昇させてからメタノール濃度を測定することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、通常運転時の前記メタノール／水溶液の循環経路とは別に、より容積の大きいバイパス経路及び前記通中運転時の循環経路とバイパス経路との経路切替手段と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記メタノールセンサは、前記メタノール／水タンク内における通常運転時ににメタノール／水溶液に水没する位置に設置し、前記制御回路は、前記メタノールセンサによるメタノール濃度測定時に、前記経路切替手段によって前記通常運転時の循環経路からバイパス経路に切替えてメタノール／水溶液をバイパス経路に流すことによって前記メタノール／水タンク内の液位を下げて前記メタノールセンサを気体に接触させ、その後、前記経路切替手段によって前記バイパス経路から通常運転時の循環経路に戻してメタノール／水溶液を循環させ、前記メタノールセンサを水没させた状態に戻してからメタノール濃度を測定することを特徴とするものである。
【００１６】
請求項６の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記メタノールセンサは、前記メタノール／水ポンプの運転時の振動が伝達される配管内に設置したことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項７の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記メタノールセンサは、その設置場所において前記メタノール／水溶液の流れ方向に平行する姿勢で設置したことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項８の発明は、請求項７の直接改質型燃料電池システムにおいて、前記メタノールセンサに、メッシュまたは多孔質のフィルタを被せたことを特徴とするものである。
【００１９】
請求項１〜８の発明の直接改質型燃料電池システムでは、メタノールセンサをメタノール／水溶液の循環経路上で二酸化炭素ガスの存在量が比較的少ない場所に設置することにより、メタノールセンサをメタノール／水溶液の流れと平行に置くことにより、さらにはメタノールセンサにフィルターを設けることにより、メタノールセンサの表面に二酸化炭素の泡や不純物が付着するのを抑制し、精度良くメタノール濃度を検出する。
【００２０】
請求項９の発明は、請求項１〜８の直接改質型燃料電池システムにおいて、前記メタノールセンサと共にメタノール／水溶液の温度を計測するための温度センサを備え、前記制御回路は、前記メタノールセンサに検出する信号に基づくメタノール濃度演算において、前記温度センサの検出する温度信号を用いて補正する温度補償演算機能を有していることを特徴とするものであり、メタノール濃度はメタノール／水溶液の温度条件により異なるので、例えば、水晶振動子式あるいは超音波式のセンサのように溶液粘度からメタノール濃度を算定するメタノールセンサにあっては温度条件によりメタノール濃度が影響されるのを補償することにより、正確にメタノール濃度を測定する。
【００２１】
請求項１０の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、前記燃料電池の電流、電圧を測定する電流・電圧測定手段と、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記制御回路は、燃料電池の発生電流・電圧及び温度条件に対応した効率マップデータを保持し、前記温度センサの測定する温度と前記電流・電圧測定手段の測定する電流・電圧に基づき、前記効率マップデータを参照してメタノール消費量を推定し、これに見合うメタノール補充量を算定して補充する制御を行うことを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１０の発明の直接改質型燃料電池システムでは、制御回路が、燃料電池の発生電流・電圧及び温度条件に対応した効率マップデータを保持し、温度センサの測定する温度と電流・電圧測定手段の測定する電流・電圧に基づき、効率マップデータを参照してメタノール消費量を推定し、これに見合うメタノール補充量を算定して補充する制御を行うことにより、正確にメタノール濃度を基準範囲に維持する。
【００２３】
請求項１１の発明の直接改質型燃料電池システムは、直接改質型燃料電池と、この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、前記燃料電池の電流、電圧を測定する電流・電圧測定手段と、前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、前記制御回路は、燃料電池の発生電流・電圧及び温度条件、およびあらかじめ登録されている所定のパラメータを用いてメタノールの消費量を算定し、これに見合う量のメタノールを補充する制御を行うことを特徴とするものである。
【００２４】
請求項１１の発明の直接改質型燃料電池システムでは、制御回路が、燃料電池の発生電流・電圧及び温度条件、およびあらかじめ登録されている所定のパラメータを用いてメタノールの消費量を算定し、これに見合う量のメタノールを補充する制御をすることにより、正確にメタノール濃度を基準範囲に維持する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳説する。図１は本発明の第１の実施の形態の直接改質型燃料電池システムを示している。本実施の形態の燃料電池システムは固体高分子型燃料電池１と、この燃料電池１の空気極に空気を供給するエアポンプ２、燃料としてのメタノールと水の溶液を貯溜するメタノール／水タンク３、メタノール／水タンク３から燃料のメタノール水溶液を燃料電池１の燃料極に供給するメタノール／水ポンプ４から構成されている。そして固体高分子型燃料電池１は、空気極１１、燃料極１２、電解質膜として固体高分子膜１３から成る。
【００２６】
そして、燃料中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサ５が、メタノール／水ポンプ４の出口と燃料電池１の燃料入口との間の配管７内に取り付けてある。
【００２７】
燃料電池１の実運転中、原燃料であるメタノールは消費され、二酸化炭素１４が発生する。その二酸化炭素１４は燃料電池１からメタノール／水タンク３に回収され、タンク３から排気筒６によって大気に放出される。一方、燃料電池反応により水が生成されるので、実運転中にメタノール／水溶液中の水は増加の一途をたどることになる。効果的に燃料電池反応を維持するためにはこのメタノール／水溶液中のメタノール濃度を４％程度に維持する必要があり、メタノール濃度が低下すればメタノールタンク（図示せず）からメタノール／水タンク３に１００％濃度のメタノールを所定量供給してメタノール濃度を４％程度に維持する制御をする。このために、燃料電池１の燃料極１２に供給される燃料液であるメタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視する必要があり、メタノールセンサ５によりメタノール濃度を監視するのである。
【００２８】
このようにして、第１の実施の形態の直接改質型燃料電池システムでは、メタノール濃度を監視するメタノールセンサ５をメタノール／水ポンプ４の出口と燃料電池１の燃料入口との間の配管７内に取り付けたことにより、次のような技術的利点がある。
【００２９】
（１）燃料循環経路上でメタノール／水溶液の圧力が高く、泡１４の発生が少ない場所にメタノールセンサ５を設置したことにより、泡１４の影響を受けることが少なくなり、精度の良いメタノール濃度測定ができる。
【００３０】
（２）また、燃料電池１の燃料極１２の入口近くという燃料電池反応場所の直前にメタノールセンサ５を置くことによって、メタノール水溶液温度と水溶液濃度を従来より正確に管理できる。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図２を用いて説明する。第２の実施の形態の燃料電池システムでは、メタノール／水タンク３とメタノール／水ポンプ４との間の配管８と連通するチャンバ９を設け、このチャンバ９の中にメタノールセンサ５を設けたことを特徴とする。このチャンバ８には必要に応じ、放熱フィン１０を形成してもよい。なお、その他の構成要素は第１の実施の形態と共通する要素に同一の符号を付して示してある。
【００３２】
この配管８に連通するチャンバ９内はメタノール水溶液中の二酸化炭素の泡１４の影響を受けにくい場所であり、泡１４の混ざった燃料水溶液から隔離した状態でメタノール濃度を測定することができる。また、放熱フィン１０を設けてチャンバ９内を冷却するようにすれば、水溶液の温度を下げることで泡１４の発生を抑えることができ、泡１４の影響をいっそう回避することができる。
【００３３】
なお、チャンバ９は第１の実施の形態と同様に配管７に連通するように設けることもでき、さらにはフィン１０を設けることもできる。これによっても第２の実施の形態と同様の技術的利点が得られる。
【００３４】
次に、本発明の第３の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図３を用いて説明する。第３の実施の形態の特徴は、図１に示した第１の実施の形態と同様に配管７上にメタノールセンサ５Ａを設け、同時に、図２に示した第２の実施の形態と同様に配管８に連通するチャンバ９にもメタノールセンサ５Ｂを設けたことを特徴とする。
【００３５】
この第３の実施の形態の構成にすれば、２つのメタノールセンサ５Ａ，５Ｂによりメタノール濃度を測定することによって測定データの冗長性がとれる利点があり、また、システム起動時に燃料電池１に近い場所、したがって燃料電池１に実際に供給されるメタノール／水溶液のメタノール濃度が測定できるメタノールセンサ５Ａによる濃度測定値を利用し、定格出力時には、メタノール濃度検出に適した温度での測定が可能なチャンバ９内のメタノールセンサ５Ｂによる濃度測定値を利用する切替ができる。
【００３６】
次に、本発明の第４の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図４を用いて説明する。第４の実施の形態の燃料電池システムは、制御機能に特徴を有している。図１〜図３に示した第１〜第３の各実施の形態の直接改質型燃料電池システムでは、燃料電池１の実発電反応により燃料極１２において二酸化炭素が発生し、これが燃料水溶液中に泡１４になって混入し、燃料電池１からメタノール／水タンク３へ運ばれる。メタノール／水タンク３内では気液分離により二酸化炭素の泡１４の大部分は排気筒６から大気中へ放出される。しかしながら、二酸化炭素の微細な泡１４は溶液中に混在し、メタノール／水溶液と共に循環する。このため、第１〜第３の角実施の形態の燃料電池システムでは、メタノール／水溶液の循環経路上で泡１４の存在率の少ない場所である配管７や配管８内、あるいはそれらの配管に連通するように設けられたチャンバ９内にメタノールセンサ５を設置することにより泡１４の影響を避けるように配慮した。
【００３７】
しかしながら、なお微細な泡は水溶液中に混在したまま燃料循環経路を循環し、メタノールセンサ５に少しずつ付着していくことが避けられない。
【００３８】
そこで、本実施の形態の燃料電池システムでは、制御回路２０の制御によりメタノール濃度測定時にはエアポンプ２、メタノール／水ポンプ４のような補器の少なくとも１つを停止させてメタノール／水タンク３の泡１４の発生を抑えた状態にしてメタノール濃度を測定するようにしている。
【００３９】
制御回路２０は、エアポンプ２、メタノール／水ポンプ４のオン／オフ、回転速度制御を行う駆動回路２１、出力制御回路２２そしてこれらのプログラム制御を行うＣＰＵ２３を備えている。
【００４０】
また、本実施の形態では、メタノール濃度測定のために、メタノール／水ポンプ４から燃料電池１の燃料入口に至る配管７に連通するようにチャンバ９を設け、このチャンバ９内に濃度センサ３１と共に温度センサ３２を備えたメタノール濃度測定装置３０を設置している。
【００４１】
次に、本実施の形態の直接改質型燃料電池システムにおけるメタノール濃度測定制御について、図５のフローチャートを用いて説明する。
【００４２】
ステップＳ１：濃度を計測するときは、エアポンプ２、メタノールポンプ４、発電量など補器のうち少なくとも１つ（ここではエアポンプ２）を停止制御し、発電反応を抑制することによって二酸化炭素の発生を抑え、結果的にメタノール／水タンク３の泡の発生を抑えた状態とする。
【００４３】
ステップＳ２：配管７に連通するチャンバ９内の設置されたメタノールセンサ５と温度センサ２５からメタノール濃度を計算する。
【００４４】
ステップＳ３：メタノール濃度の計算結果があらかじめ設定した基準範囲の中に入っていればメタノール濃度検出を正と判断し、ステップＳ５へ移行する。不可であれば、ステップＳ４へ移行する。
【００４５】
ステップＳ４：センサ５，２５に対して泡が付着している可能性があるため、メタノール／水ポンプ３の動作量を変更し、泡を取り除く。この制御の後、再度ステップ２へ戻り、メタノール濃度を測定する。
【００４６】
ステップＳ５：メタノール濃度測定を終了し、発電系統の補器を通常の運転状態に復帰させる。
【００４７】
このようにして、第４の実施の形態の直接改質型燃料電池システムでは、運転中にはメタノール濃度センサ類に泡が付着しやすいので、燃料電池の運転を停止し、あるいは泡の発生が抑制できるモードにしてからメタノール濃度、温度を測定し、その結果からメタノール濃度を算定することにより、精度の良いメタノール濃度の測定ができる。
【００４８】
この第４の実施の形態の燃料電池システムにおいて採用したメタノール濃度測定装置３０は図６に示す構成であり、水晶振動子のような濃度センサ３１と一般的な温度感知素子で構成される温度センサ３２とをチャンバ９の隔壁９Ａに固定部材３３によって固定し、チャンバ９外部において濃度センサ３１に振動電圧を印加し、共振信号を取り出し、また温度センサ３２に電流を供給し、温度感知信号を取り出すインタフェース３４から構成されている。
【００４９】
従来例とした特許第２，６５４，６４８号公報では、粘度測定装置の温度補償については何ら記載がない。しかしながら、（１）温度環境により濃度センサ３１に用いられている水晶振動子の発振周波数は変化するため、実使用においては温度補償が必要であり、（２）濃度センサ３１の温度補償を行うためには、濃度センサ３１の周囲温度を測定する必要性から温度センサ３２を濃度センサ３１のごく近傍に設置する必要がある。
【００５０】
この技術的な必要性を考慮し、本実施の形態の燃料電池システムでは、メタノール濃度測定のために、固定部材３３によって濃度センサ３１を温度センサ３２と一体化し、さらに、これらのセンサ群に対する制御用インタフェース３４も固定部材３３によって一体化したメタノール濃度測定装置３０を採用したのである。
【００５１】
制御用インタフェース３４は、温度センサ３２の温度検出信号を濃度センサ３１の共振周波数信号と共に制御回路２０に送信する。制御回路２０には、温度−補償値対応テーブルを保持させてあり、ＣＰＵ２３はこのテーブルのデータを参照し、濃度センサ３１の共振周波数を補正して本来の共振周波数を求め、それに対応したメタノール濃度を算定し、循環するメタノール／水のメタノール／水溶液中のメタノール濃度を４％前後に維持する制御を行う。
【００５２】
なお、図６に示した構成のメタノール濃度測定装置３０は、第１〜第３の実施の形態におけるメタノールセンサ５に代えて採用することができ、また以降の各実施の形態においても採用することができる。
【００５３】
また、第１〜第４の各実施の形態の燃料電池システムにおいて使用するメタノールセンサ５、あるいはメタノール濃度測定装置３０における濃度センサ３１に付着する泡を抑制する対策として、数百ｎｍオーダーの表面粗さを研磨して数十ｎｍオーダーにした。また、センサ表面に親水性材料をコーティングする方法もある。
【００５４】
後者のコーティング材料には、例えば、シリカ（ＳｉＯ２ ）、酸化チタン、ジルコニア、アルミナまたはそれらの複数種の組合せを使用する。表１は採用できるコーティング材料とコーティング方法、表面状態を示している。
【００５５】
【表１】
【００５６】
そこで、第５の実施の形態の燃料電池システムでは、メタノールセンサ５（あるいはメタノール濃度測定装置３０）をメタノール／水タンク３内において、通常運転時には気体となる高さ位置に設置している。そして、制御回路２０によりメタノール／水ポンプ４の運転を制御し、同図（ａ）に示す燃料電池運転時にはポンプ４を運転し、メタノールセンサ５をメタノール／水タンク３内で気体部分に位置させておき、メタノール濃度検出時だけ、同図（ｂ）に示すようにメタノール／水ポンプ４を停止させることによって大部分のメタノール／水メタノール／水溶液をメタノール／水タンク３内に回収し、タンク内の液位を高くしてメタノールセンサ５を水没させるようにし、メタノール濃度測定時にセンサ表面に泡が付着するのを抑制し、正確にメタノール濃度を測定するようにしている。
【００５７】
これにより、通常運転時にはメタノールセンサ５が液と接触しないのでその表面に泡が付着するのを抑制し、メタノール濃度測定時にはメタノールセンサ５を液に水没させることにより、泡の影響を受けずに精度の高いメタノール濃度測定を可能にする。
【００５８】
次に、本発明の第６の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図８を用いて説明する。第６の実施の形態の特徴は、メタノールセンサ５に付着している泡を除去するために経路長の違う流路にメタノール／水溶液を一時的に通し、センサ５を引き上げる機能を備えた点にある。
【００５９】
すなわち、図８に示すように、通常運転時の循環流路４０に対してバイパス流路４１を設け、制御回路２０によって通常運転時と濃度計測時とで流路を切替えるようにしているのである。そして、バイパス流路４１の容積は通常流路４０の容積よりも大きくすることによって、このバイパス流路４１にメタノール燃料水溶液が流れるときには、メタノール／水タンク３中の溶液の液位が大きく下がり、タンク３に設置してあるメタノールセンサ５が液から気体側に現れるようにしてある。
【００６０】
この第６の実施の形態の燃料電池システムでは、図８（ａ）に示すように通常運転時は通常流路４０に溶液を循環させながら燃料電池発電を行う。この状態では、メタノール／水タンク３中のメタノールセンサ５は溶液中に水没している。
【００６１】
そして、水溶液中のメタノール濃度を測定する際には、まず、図８（ｂ）に示すようにバイパス流路４１に水溶液を流す要に流路を切替えることにより、メタノール／水タンク３中の液位を下げてメタノールセンサ５をいったん溶液中から引き上げて気体に触れさせる。
【００６２】
この後、再び同図（ａ）に示すようにメタノール水溶液を通常流路４０に流れるように流路を戻すことによってメタノール／水タンク３中の液位を上昇させ、メタノールセンサ５を水没させ、この状態でメタノール濃度を測定する。
【００６３】
これにより、第６の実施の形態の燃料電池システムによれば、メタノールセンサ５の水没状態でその表面に付着していた泡が溶液中から引き上げられ、気体と接することによって泡がいったん除去され、その後に再度水没させてメタノール濃度を測定する手順がとれ、泡の影響を少なくしてメタノール濃度を測定できるようになり、精度の高い濃度測定が可能となる。
【００６４】
また本実施の形態の場合、通常運転時には使用されておらず、したがって発電反応熱により温められていないバイパス流路４１にメタノール／水メタノール／水溶液を流すことによって、このバイパス流路４１が冷却経路をかねることになり、メタノール濃度測定時のメタノール／水メタノール／水溶液の温度を一時的に下げることができ、センサの検出精度を上げることができる。
【００６５】
次に、本発明の第７の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図９を用いて説明する。この実施の形態の燃料電池システムの特徴は、メタノールセンサ５の取付位置をメタノール／水ポンプ４の吐出口内とし、このメタノール／水ポンプ４の吸込口側、吐出口側を配管７，８と免震ジョイント５１，５２によって接続した点にある。なお、５３はポンプ４のダンパである。
【００６６】
メタノール／水ポンプ４はその運転中に振動する。したがって、その吐出口も共に振動するので、吐出口内にメタノールセンサ５を設置しておくことにより、メタノール／水ポンプ４の振動によって表面に付着する泡や不純物をふるい落とすようにして除去することができ、常にクリーンな状態にしておける。
【００６７】
これにより、第７の実施の形態の燃料電池システムによれば、メタノールセンサ５への泡や不純物の付着を抑制し、精度の高いメタノール濃度の測定を可能にする。
【００６８】
次に、本発明の第８の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図１０を用いて説明する。本実施の形態の特徴は、メタノールセンサ５の設置向きに特徴を有している。図１０（ａ）に示したように、メタノールセンサ５をメタノール／水メタノール／水溶液が流れる配管６０内において、液流方向６１にそのセンシング面が平行になるように設置している。
【００６９】
これにより、同図（ｂ）に示すように液流方向６１にセンシング面が直角となる向きに設置する場合よりも泡や不純物の付着を少なくすることができる。
【００７０】
なお、この実施の形態においては、図１１に示すように液流を妨げないメッシュあるいは多孔質のフィルタ６３をメタノールセンサ５を取り囲むように設置することができ、これによって、メタノールセンサ５の表面への泡や不純物の付着をいっそう少なくすることができる。
【００７１】
次に、本発明の第９の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図１２〜図１４を用いて説明する。発電反応によりメタノール／水メタノール／水溶液が高温になると、メタノールセンサによるメタノール濃度の測定が困難になる。そこで、図１２に示したように、本実施の形態の燃料電池システムは制御回路２０において、発電電流量、投入メタノール量、効率マップ、循環溶液量、メタノール系外放出量、溶液温度からメタノール濃度を推定演算する機能を備えたことを特徴とする。
【００７２】
図１２に示す直接改質型燃料電池システムは、第１の実施の形態と同様に、固体高分子型燃料電池１と、この燃料電池１の空気極に空気を供給するエアポンプ２、燃料としてのメタノールと水の溶液を貯溜するメタノール／水タンク３、メタノール／水タンク３から燃料のメタノール水溶液を燃料電池１の燃料極に供給するメタノール／水ポンプ４を備えている。燃料であるメタノールは、メタノール／水タンク３に対してメタノールタンク７１からメタノールポンプ７２により供給する。７３は燃料電池１に接続された気液分離器である。
【００７３】
本実施の形態の燃料電池システムは、駆動機器の制御のために制御回路２０を備えている。この制御回路２０は、駆動回路２１、出力制御回路２２、ＣＰＵ２３、効率マップ保持部２４を備えていて、メタノール／水メタノール／水溶液のメタノール濃度制御、発電電力の出力制御を実行する。そしてこの制御のために必要な情報として、メタノールセンサ５からメタノール濃度信号、燃料電池１の温度センサ７４からセル温度信号、発電電流・電圧信号を入力する構成である。
【００７４】
なお、溶液温度監視のためには、図７に示した構成のメタノール濃度測定装置３０を搭載してもよいが、本実施の形態ではメタノール／水タンク３内に設置されたメタノールセンサ５と共に燃料電池１の反応監視のために設置されているセル温度センサ７４の温度信号を利用するようにしている。
【００７５】
図１３に示すように、直接改質型燃料電池システムは、例えば、電動アシスト自転車の二次電池充電用に利用する場合、二次電池としてＮｉ−Ｃｄ電池を利用しているような場合、二次電池のリフレッシュのために自己放電させてから再充電することがある。制御回路２０はこの二次電池の放電状態を監視し、完全放電になれば燃料電池システムを起動して再充電することになる（自己放電監視モード（ｉ）、低消費モード（ｉｉ））。そして、電動アシスト自転車の実走行時には運転モード（ｉｉｉ）に移行し、二次電池の充電状態に応じて制御回路２０が燃料電池システムの発電制御を行う。
【００７６】
この運転モード（ｉｉｉ）では、燃料電池システムが発電反応を起こすので、運転状態に応じてメタノール／水メタノール／水溶液は温度上昇する。このため、超音波センサや水晶振動子式の汎用のメタノールセンサ５では、許容温度以上になり、メタノール濃度測定が困難になることがある。
【００７７】
そこで、本実施の形態の燃料電池システムでは、制御回路２０が図１４のフローチャートに示すように、メタノール／水メタノール／水溶液の温度監視を行い（ステップＳ１１）、濃度測定が可能な温度範囲であればメタノールセンサ５によって濃度測定を行い、測定したメタノール濃度に応じてメタノールの供給量を算定し、所要量をメタノール／水タンク３にメタノールタンク７１から供給する制御をする（ステップＳ１２）。
【００７８】
他方、ステップＳ１１の温度監視において、温度がメタノールセンサ５の濃度測定に適さない温度にまで上昇していれば、制御回路２０は発電量、メタノール投入量などからメタノール濃度の推定演算を行い（ステップＳ１３）、その濃度推定値に基づいてメタノール供給量を制御する（ステップＳ１４）。
【００７９】
このメタノール濃度の推定演算処理は、発電電流量、投入メタノール量、効率マップ、循環溶液量、系外放出量、溶液温度からメタノール濃度を推定するものであり、図１６のフローチャートによる。
【００８０】
（１）システム起動時の低温度状態時にメタノール濃度を測定し、基準値として記憶する（ステップＳ２１）。
【００８１】
（２）温度条件が濃度測定可能なものか判断する（ステップＳ２２）。
【００８２】
（３）例えば、二次電池自己放電監視時のように、濃度測定が可能な状況では、メタノール／水溶液濃度を測定し、基準値を更新する（ステップＳ２２，Ｓ２３）。
【００８３】
（４）燃料電池１の電圧・電流、セル温度を測定し、あらかじめ登録されている図１５に示すような電圧・電流・温度の効率マップ２４から消費したメタノール量を推定する（ステップＳ２４）。
【００８４】
この推定演算の理論は、次の通りである。
【００８５】
ａ．メタノール１ｍｌ当たりの発熱量は、１８．２［ｋＪ／ｍｌ］。
【００８６】
ｂ．燃料電池電圧＊電流＊運転時間＝発電エネルギー［Ｊ］。
【００８７】
ｃ．これに効率を掛ければ、メタノール消費量が求まる。
【００８８】
【数１】
発電エネルギー／効率／単位発熱量（１８．２）＝メタノール消費量
（５）温度条件が厳しい場合、あらかじめ登録してある外気温度−蒸発量マップからメタノール系外放出量を求め、残存メタノール量を補正する（ステップＳ２５）。
【００８９】
（６）（３）で測定し、基準値としたメタノール濃度または（５）で求めたメタノール消費量分から、メタノールの必要補充量を算定する（ステップＳ２６）。
【００９０】
（７）（６）で算定した必要補充量だけ、メタノールタンク７１からメタノール／水タンク３へメタノールを追加投入する（ステップＳ２７）。
【００９１】
なお、運転中に系外に放出されるメタノールが微量存在するが、これはマップを多めにしてもよいし、一定量を追加するという単純な補正手法にしてもよい。
【００９２】
また、上記のメタノール濃度測定サイクルは、一定周期として、例えば、１分毎、５分毎、１０分毎等、系によってあらかじめ設定しておく。
【００９３】
これにより、第９の実施の形態の燃料電池システムによれば、発電反応でメタノール／水メタノール／水溶液の温度が上昇し、汎用されているメタノールセンサ５では濃度測定が困難な状態になっても、制御回路２０側でメタノール消費量を推定演算し、その消費量分だけ補充する制御をすることによってメタノール／水溶液中のメタノール濃度を適切な値に維持することができる。
【００９４】
次に、本発明の第１０の実施の形態の直接改質型燃料電池システムについて、図１７を用いて説明する。本実施の形態の燃料電池システムの特徴は、第９の実施の形態の燃料電池システムのように効率マップ２４を利用せず、数式計算処理によってメタノール濃度を制御する機能を備えた点にある。なお、ハードウェア構成は、第９の実施の形態と同様、図１２に示すものである。
【００９５】
本実施の形態の燃料電池システムによるメタノール濃度制御は、次のようにして実行する。
【００９６】
（１）電流値を連続的に計測し、電流＊時間で電流量を計算する（ステップＳ３１）。
【００９７】
（２）電流に変換されたエネルギーを次のようにして計算する（ステップＳ３２）。まず、燃料電池反応は、次のようになる。
【００９８】
【化２】
【００９９】
【数２】
電流量／１ｍｏｌ当たりの電荷＝電気になったメタノールのエネルギ量（Ａ）
（３）次に、化学反応熱（熱損失）を計算する（ステップＳ３３）。カソード（空気極）とアノード（燃料極）で化学反応が起きるときに発生する反応熱、すなわちエントロピーの損失（Ｂ）は既知であり、あらかじめ制御回路２０に登録してある。
【０１００】
（４）次に、燃料電池電圧から効率を計算する（ステップＳ３４）。理論単セル電圧は１．２Ｖと既知であるため、燃料電池電圧から単セル電圧を計算することによって、電圧の損失を求めることができる。
【０１０１】
【数３】
（１．２−観測した単セル電圧）／１．２＝電圧の損失（Ｃ）
（５）次に、燃料電池反応でメタノールが発生したエネルギ量を計算する（ステップＳ３５）。
【０１０２】
【数４】
（Ａ）／（Ｃ）＋（Ｂ）＝使われたエネルギーの量（Ｄ）
（６）次に、メタノールが発生したエネルギ量から、消費されたメタノール量（Ｅ）を求める。
【０１０３】
【数５】
（Ｄ）／メタノールの熱量１８．２ｋＪ／ｍｌ＝消費メタノール量（Ｅ）
こうして、燃料電池１の発生する電流、電圧を継続的に監視し、メタノール消費量を換算し、この消費量に見合った分だけメタノールタンク７１からメタノールポンプ７２によりメタノールをメタノール／水タンク３へ補充する。
【０１０４】
なお、メタノールセンサ５は起動時にメタノール濃度を測定し、それが基準範囲内に入っていなければメタノールを必要量だけ補充するために利用する。
【０１０５】
この実施の形態の燃料電池システムによれば、メタノールセンサ５による濃度測定を最小限に抑えながら、メタノール／水メタノール／水溶液中のメタノール濃度を基準内に維持するように制御することができる。
【０１０６】
なお、本発明の各実施の形態において、メタノールセンサ５、メタノール濃度測定装置３０における濃度センサ３２には、水晶発振式に代えて超音波式のものを採用することもできる。
【０１０７】
【発明の効果】
請求項１〜８の発明の直接改質型燃料電池システムによれば、メタノールセンサをメタノール／水溶液の循環経路上で二酸化炭素ガスの存在量が比較的少ない場所に設置することにより、メタノールセンサをメタノール／水溶液の流れと平行に置くことにより、さらにはメタノールセンサにフィルターを設けることにより、メタノールセンサの表面に二酸化炭素の泡や不純物が付着するのを抑制し、精度良くメタノール濃度を検出し、メタノール濃度を制御することができる。
【０１０８】
請求項９の発明の直接改質型燃料電池システムによれば、メタノール濃度はメタノール／水溶液の温度条件により異なるので、例えば、水晶振動子式あるいは超音波式のセンサのように溶液粘度からメタノール濃度を算定するメタノールセンサにあっては温度条件によりメタノール濃度が影響されるのを補償することにより、正確にメタノール濃度を測定し、メタノール濃度を制御することができる。
【０１０９】
請求項１０の発明の直接改質型燃料電池システムによれば、制御回路が、燃料電池の発生電流・電圧及び温度条件に対応した効率マップデータを保持し、温度センサの測定する温度と電流・電圧測定手段の測定する電流・電圧に基づき、効率マップデータを参照してメタノール消費量を推定し、これに見合うメタノール補充量を算定して補充する制御を行うので、正確にメタノール濃度を基準範囲に維持することができる。
【０１１０】
請求項１１の発明の直接改質型燃料電池システムによれば、制御回路が、燃料電池の発生電流・電圧及び温度条件、およびあらかじめ登録されている所定のパラメータを用いてメタノールの消費量を算定し、これに見合う量のメタノールを補充する制御をするので、正確にメタノール濃度を基準範囲に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のブロック図。
【図２】本発明の第２の実施の形態のブロック図。
【図３】本発明の第３の実施の形態のブロック図。
【図４】本発明の第４の実施の形態のブロック図。
【図５】第４の実施の形態によるメタノール濃度測定処理のフローチャート。
【図６】第４の実施の形態で使用するメタノール濃度測定装置のブロック図。
【図７】本発明の第５の実施の形態のブロック図。
【図８】本発明の第６の実施の形態のブロック図。
【図９】本発明の第７の実施の形態のブロック図。
【図１０】本発明の第８の実施の形態において、メタノールセンサの設置状態を示す断面図。
【図１１】第８の実施の形態において、メタノールセンサにフィルタを被せた変形例を示す断面図。
【図１２】本発明の第９の実施の形態のブロック図。
【図１３】第９の実施の形態における燃料電池の運転モードの説明図。
【図１４】第９の実施の形態によるメタノール濃度測定処理のフローチャート。
【図１５】第９の実施の形態において制御回路が用いる効率マップの説明図。
【図１６】第９の実施の形態によるメタノール濃度測定処理において、メタノール濃度の推定演算処理のフローチャート。
【図１７】本発明の第１０の実施の形態によるメタノール濃度測定処理のフローチャート。
【図１８】提案されている直接改質型燃料電池システムのブロック図。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ エアポンプ
３ メタノール／水溶液タンク
４ メタノール／水ポンプ
５，５Ａ，５Ｂ メタノールセンサ
６ 排気筒
７ 配管
８ 配管
９ チャンバ
１０ フィン
１１ 空気極
１２ 燃料極
１３ 固体高分子電解質膜
１４ 泡（二酸化炭素）
２０ 制御回路
２１ 駆動回路
２２ 出力制御回路
２３ ＣＰＵ
２４ 効率マップ
３０ メタノール濃度測定装置
３１ 濃度センサ
３２ 温度センサ
３３ 固定部材
３４ インタフェース
４０ 通常循環経路
４１ バイパス流路
５１ 免震ジョイント
５２ 免震ジョイント
６３ フィルタ
７１ メタノールタンク
７２ メタノールポンプ
７３ 気液分離器
Claims (11)
- 直接改質型燃料電池と、
この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、
燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、
前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、
前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、
メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、
前記メタノールセンサは、前記メタノール／水ポンプの出口と燃料電池の燃料入口との間の配管内、または前記メタノール／水タンクとメタノール／水ポンプとの間の配管内に取り付けたことを特徴とする直接改質型燃料電池システム。 - 直接改質型燃料電池と、
この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、
燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、
前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、
前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、
メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、
前記メタノールセンサは、前記メタノール／水ポンプの出口と燃料電池の燃料入口との間の配管に連通するように設けられたチャンバ内に、または前記メタノール／水タンクとメタノール／水ポンプとの間の配管に連通するように設けられたチャンバ内に取り付けたことを特徴とする直接改質型燃料電池システム。 - 前記チャンバには放熱フィンを設けたことを特徴とする請求項２に記載の直接改質型燃料電池システム。
- 直接改質型燃料電池と、
この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、
燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、
前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、
前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、
メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、
前記メタノールセンサは、前記メタノール／水タンク内における通常運転時ににメタノール／水溶液に水没しない気体位置に設置し、
前記制御回路は、前記メタノールセンサによるメタノール濃度測定時に前記メタノール／水ポンプを停止させ、前記メタノール／水タンク内のメタノール／水溶液が前記メタノールセンサを水没させる液位まで上昇させてからメタノール濃度を測定することを特徴とする直接改質型燃料電池システム。 - 直接改質型燃料電池と、
この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、
燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、
前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、
前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、
通常運転時の前記メタノール／水溶液の循環経路とは別に、より容積の大きいバイパス経路及び前記通中運転時の循環経路とバイパス経路との経路切替手段と、
メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、
前記メタノールセンサは、前記メタノール／水タンク内における通常運転時ににメタノール／水溶液に水没する位置に設置し、
前記制御回路は、前記メタノールセンサによるメタノール濃度測定時に、前記経路切替手段によって前記通常運転時の循環経路からバイパス経路に切替えてメタノール／水溶液をバイパス経路に流すことによって前記メタノール／水タンク内の液位を下げて前記メタノールセンサを気体に接触させ、その後、前記経路切替手段によって前記バイパス経路から通常運転時の循環経路に戻してメタノール／水溶液を循環させ、前記メタノールセンサを水没させた状態に戻してからメタノール濃度を測定することを特徴とする直接改質型燃料電池システム。 - 直接改質型燃料電池と、
この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、
燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、
前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、
前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、
メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、
前記メタノールセンサは、前記メタノール／水ポンプの運転時の振動が伝達される配管内に設置したことを特徴とする直接改質型燃料電池システム。 - 直接改質型燃料電池と、
この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、
燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、
前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、
前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、
メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、
前記メタノールセンサは、その設置場所において前記メタノール／水溶液の流れ方向に平行する姿勢で設置したことを特徴とする直接改質型燃料電池システム。 - 前記メタノールセンサに、メッシュまたは多孔質のフィルタを被せたことを特徴とする請求項７に記載の直接改質型燃料電池システム。
- 前記メタノールセンサと共にメタノール／水溶液の温度を計測するための温度センサを備え、
前記制御回路は、前記メタノールセンサに検出する信号に基づくメタノール濃度演算において、前記温度センサの検出する温度信号を用いて補正する温度補償演算機能を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の直接改質型燃料電池システム。 - 直接改質型燃料電池と、
この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、
燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、
前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、
前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、
前記燃料電池の電流、電圧を測定する電流・電圧測定手段と、
前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、
メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、
前記制御回路は、燃料電池の発生電流・電圧及び温度条件に対応した効率マップデータを保持し、前記温度センサの測定する温度と前記電流・電圧測定手段の測定する電流・電圧に基づき、前記効率マップデータを参照してメタノール消費量を推定し、これに見合うメタノール補充量を算定して補充する制御を行うことを特徴とする直接改質型燃料電池システム。 - 直接改質型燃料電池と、
この燃料電池の空気極に空気を供給するエアポンプと、
燃料としてのメタノールと水が混合しているメタノール／水溶液を貯溜するメタノール／水タンクと、
前記メタノール／水タンクからメタノール／水溶液を前記燃料電池の燃料極に供給するメタノール／水ポンプと、
前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、
前記燃料電池の電流、電圧を測定する電流・電圧測定手段と、
前記燃料電池を循環するメタノール／水溶液のメタノール濃度が基準範囲内に収まるようにメタノールを補充する制御回路と、
メタノール／水溶液中のメタノール濃度を監視するためのメタノールセンサとを備え、
前記制御回路は、燃料電池の発生電流・電圧及び温度条件、およびあらかじめ登録されている所定のパラメータを用いてメタノールの消費量を算定し、これに見合う量のメタノールを補充する制御を行うことを特徴とする直接改質型燃料電池システム。
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