JP2019139837A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低電力で、液体燃料や水分の凍結又は結露の発生を抑制できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】筐体１６と、前記筐体１６の内部に設けられ、燃料極及び空気極を有する燃料電池１５と、前記燃料極へ供給する液体燃料を貯蔵するタンク１２１と、太陽光の熱エネルギを前記液体燃料に蓄える蓄熱手段１３０，１３１，１３４と、前記液体燃料に蓄えられた熱エネルギを前記筐体の内部へ放出する放熱手段１３０，１３１，１３２，１３５，１３６と、を少なくとも備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

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燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）において、燃料極にメタノール水溶液を供給し、空気極に空気を供給して発電するとともに、空気極から排出される水分をラジエータで凝縮してタンクに貯蔵し、燃料タンクに貯蔵されたメタノール水溶液の濃度に応じて、前記タンクからの水の供給をＯＮ／ＯＦＦするものが知られている（特許文献１）。

特開２０１６−２４９２５号公報

しかしながら、液体燃料を用いた燃料電池システムを屋外に設置して使用する場合、外気温度が氷点下に低下したときは、燃料電池システムを構成するポンプ、ブロア、配管又は燃料電池スタックに残留する水分や液体燃料が凍結することがあり、これらの構成部品の性能が低下するおそれがある。また、昼夜の温度差によって燃料電池システムの筐体の内部に結露が発生し、制御基板などの電気・電子部品の性能が低下するおそれもある。こうした液体の凍結や結露を防止するために電気ヒータなどを設けることも考えられるが、電気ヒータには無視できないほどの電力が必要とされる。

本発明が解決しようとする課題は、低電力で、液体燃料や水分の凍結又は結露の発生を抑制できる燃料電池システムを提供することである。

本発明は、筐体と、前記筐体の内部に設けられ、燃料極及び空気極を有する燃料電池と、前記燃料極へ供給する液体燃料を貯蔵するタンクと、太陽光の熱エネルギを前記液体燃料に蓄える蓄熱手段と、前記液体燃料に蓄えられた熱エネルギを前記筐体の内部へ放出する放熱手段と、を少なくとも備える燃料電池システムによって上記課題を解決する。

本発明において、前記蓄熱手段は、前記タンクから前記液体燃料を吸引して前記タンクへ戻す循環流路及びポンプを含み、前記循環流路は、前記筐体の天板に接触又は近接して取り廻された吸熱流路を含むことができる。

本発明において、前記蓄熱手段による前記タンクの液体燃料の循環を制御する制御手段と、前記太陽光の熱エネルギが蓄熱可能か否かを検出する蓄熱検出手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記太陽光の熱エネルギが蓄熱可能であることを検出した場合に、前記吸熱流路を通る循環流路を介して、前記液体燃料を循環させる制御を実行するように構成することができる。

本発明において、前記筐体の内部の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、前記循環流路は、前記吸熱流路を迂回するバイパス流路をさらに含み、
前記制御手段は、前記筐体の内部の温度が所定温度以下の場合に、
前記バイパス流路を通る循環流路を介して、前記液体燃料を循環させ、
前記放熱手段を作動して前記液体燃料に蓄えられた熱エネルギを前記筐体の内部へ放出する制御を実行するように構成することができる。

本発明において、前記筐体の内部の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記太陽光の熱エネルギが蓄熱可能であり、且つ前記筐体の内部の温度が所定温度以下の場合に、
前記吸熱流路を通る循環流路を介して、前記液体燃料を循環させ、
前記放熱手段を作動して前記液体燃料に蓄えられた熱エネルギを前記筐体の内部へ放出する制御を実行するように構成することができる。

本発明によれば、太陽光の熱エネルギを液体燃料に蓄える蓄熱手段と、液体燃料に蓄えられた熱エネルギを筐体の内部へ放出する放熱手段とを備えるので、低電力で、液体燃料や水分の凍結又は結露の発生を抑制することができる。

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。 本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを示す、一部を破断した斜視図である。 図１の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。

以下、本発明の一実施の形態に係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燃料電池システムであり、図１に示すように、燃料供給装置１１と、制御装置１４と、燃料電池１５と、筐体１６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。なお本発明は、ダイレクトメタノール型燃料電池に限らず、エタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン、アンモニアその他の液体燃料を用いる燃料電池システムに適用することができる。

ダイレクトメタノール型燃料電池システムに使用される燃料電池１５は、固体高分子型燃料電池であり、膜電極接合体（MEA：Membrane-electrode assembly）１５１と、膜電極接合体１５１を挟む板状のアノードセパレータ１５５およびカソードセパレータ１５６を備える。膜電極接合体１５１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１５２と、略矩形のアノード触媒層１５３と、カソード触媒層１５４を含み、さらに図示は省略するが、略矩形のアノードガス拡散層とカソードガス拡散層を含む。アノード触媒層１５３とアノードガス拡散層がアノード（燃料極）を構成し、カソード触媒層１５４とカソードガス拡散層がカソード（空気極）を構成する。

高分子電解質膜１５２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形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。例えば、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（例えば、米国DuPont社製のNafion（商品名）、旭化成（株）製のAciplex（商品名）、ジャパンゴアテックス（株）製のＧＳIIなど）を使用することができる。アノード触媒層１５３およびカソード触媒層１５４は、例えば白金系の金属触媒などの電極触媒と、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、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とで構成されている。

アノード触媒層１５３およびカソード触媒層１５４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く、例えばカーボンブラック、活性炭、カーボンファイバーおよびカーボンチューブなどを使用することができる。カーボンブラックとしては、例えばチャネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラックおよ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および賦活処理することによって得ることができる。

アノード触媒層１５３およびカソード触媒層１５４における電極触媒としては、白金また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、亜鉛およ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、アノード側とカソード側に同じ電極触媒を用いても異なる電極触媒を用いてもよい。

アノード触媒層１５３およびカソード触媒層１５４の外側に配置されるアノードガス拡散層およびカソードガス拡散層（いずれも図示を省略する）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ー構造を有するカーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパーまたはカーボンクロスなどを用いて作製された、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、例えば、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（ＰＦＡ）、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、上記基材は撥水処理を施されていてもよい。さらに、電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維また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、カソード側およびアノード側において同じガス拡散層を用いても異なるガス拡散層を用いてもよい。

一対のアノードセパレータ１５５およびカソードセパレータ１５６は、膜電極接合体１５１の外側に配置されて、膜電極接合体１５１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１５５のうちの膜電極接合体１５１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、同様に、カソードセパレータ１５６のうちの膜電極接合体１５１と接触する面には、カソードに酸素（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。

こうしたアノード流路およびカソード流路は、図示はしないが、それぞれアノードセパレータ１５５およびカソードセパレータ１５６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、アノード流路およびカソード流路は、例えば複数の直線状溝部と、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。

以上のように構成された燃料電池１５において、上述したアノードセパレータ１５５のアノード流路の入口に第１流路１１２を介してメタノールを供給し、カソードセパレータ１５６のカソード流路の入口に第２流路１１６を介して空気を供給すると、アノードにおいては、
［数１］
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻
という化学反応が生じ、カソードにおいては、
［数２］
３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ
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電流が流れることになる。

なお、アノードで生成した二酸化炭素ガスと、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から第３流路１１４を介して燃料タンク１１１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１５１を透過（クロスオーバ）した未反応メタノールは、カソード流路の出口から第４流路１１８、冷却器１１９及び気液分離器１２０を介して燃料タンク１１１へ戻される。

すなわち、燃料電池１５のカソードの流路出口と燃料タンク１１１との間に設けられた第４流路１１８には、冷却器１１９及び気液分離器１２０が設けられている。冷却器１１９としては、ラジエータなどの空冷式冷却器のほか、水冷式冷却器を用いることができる。冷却器１１９には、図示しないファンが設けられ、熱交換流路にカソードで生じたメタノールを含むガスを冷却して凝縮し、この気液混合流体を気液分離器１２０に導入する。気液分離器１２０では、凝縮液体とされたメタノールを含む水を抽出して燃料タンク１１１に戻すとともに、ガスは大気に放出する。これにより、燃料電池１５にて生成した水を燃料タンク１１１へ回収することができる。

燃料電池１５のカソードの流路入口には、導管又は通路などの第２流路１１６が設けられ、当該第２流路１１６を介して当該第２流路１１６に設けられたブロア１１７により外部の空気が吸入される。なお、第２流路１１６には空気に含まれる塵埃等を除去するフィルタ１１５が設けられている。ブロア１１７の作動及び停止は、制御装置１４からの制御信号によって制御される。

燃料供給装置１１は、燃料タンク１１１と、メタノールタンク１２１とを備え、燃料タンク１１１には、燃料電池１５に供給される液体燃料であるメタノール水溶液が貯蔵され、メタノールタンク１２１には、燃料タンク１１１に貯蔵されたメタノール水溶液の濃度よりも濃度が高い、高濃度のメタノール水溶液又はメタノール原液が追加燃料として貯蔵されている。

燃料タンク１１１に貯蔵されたメタノール水溶液は、導管などからなる第１流路１１２を介して当該第１流路１１２に設けられた第１ポンプ１１３により燃料電池１５のアノードの流路入口に供給される。第１ポンプ１１３の作動及び停止は、制御装置１４からの制御信号によって制御される。なお、燃料電池１５のアノードの流路出口から第３流路１１４を介して未反応メタノールと二酸化炭素ガスが燃料タンク１１１へ戻されるが、気相の二酸化炭素ガスは液面に浮上するので、この燃料タンク１１１により液相のメタノールと気相の二酸化炭素が概ね分離され、二酸化炭素ガスは図示しない排気流路を介して系外へ排出される。

燃料タンク１１１には、液面レベルを検出する下限レベルセンサ１２７と上限レベルセンサ１２８が設けられ、下限レベルセンサ１２７は、燃料タンク１１１内の液体燃料の容量が許容下限量に達したことを検出するセンサであり、上限レベルセンサ１２８は、燃料タンク１１１内の液体燃料の容量が許容上限量に達したことを検出するセンサである。下限レベルセンサ１２７及び上限レベルセンサ１２８の検出信号は制御装置１４へ出力される。

燃料タンク１１１には、当該燃料タンク１１１に貯蔵されたメタノール水溶液を燃料タンク１１１へ循環する配管などからなる第６流路１２４が設けられ、この第６流路１２４には、第３ポンプ１２５と濃度センサユニット１２６が設けられている。濃度センサユニット１２６は、ガスクロマトグラフィを利用した濃度検出、高精度の密度計を利用した濃度検出、非分散型赤外吸収法を利用した濃度検出などの濃度センサを含み、第６流路１２４を循環するメタノール水溶液が流通する筒状体などに当該濃度センサの検知部を臨ませた、極力小型の濃度センサユニット１２６からなる。第３ポンプ１２５は、制御装置１４からの制御信号によって制御され、燃料タンク１１１内のメタノール水溶液が第６流路１２４を循環し、これにより燃料タンク１１１内のメタノール水溶液の濃度を濃度センサユニット１２６により検出し、その検出信号を制御装置１４へ出力する。

メタノールタンク１２１に貯蔵されたメタノール原液又は高濃度メタノール水溶液（以下、追加メタノールともいう。）は、メタノールタンク１２１と燃料タンク１１１との間に設けられた導管などからなる第５流路１２２を介して当該第５流路１２２に設けられた第２ポンプ１２３により燃料タンク１１１へ供給される。第２ポンプ１２３の作動及び停止は、制御装置１４からの制御信号に基づいて制御される。

そして、制御装置１４は、発電要求があると、第１ポンプ１１３とブロア１１７を作動し、要求発電量に応じた量のメタノール水溶液と空気とを燃料電池１５に供給する。また、制御装置１４は、燃料タンク１１１のメタノール水溶液の濃度を濃度センサユニット１２６で検出するとともに、燃料タンク１１１の液面レベルを下限レベルセンサ１２７と上限レベルセンサ１２８で検出し、第４流路１１８から回収される水によりメタノール水溶液の濃度が低下したり、燃料タンク１１１の液面レベルが低下したりすると、第２ポンプ１２３を作動してメタノールタンク１２１から高濃度メタノール液を燃料タンク１１１に供給し、燃料タンク１１１内のメタノール水溶液の濃度を所定の濃度範囲に維持するとともに、燃料タンク１１１の容量が所定範囲になるように制御する。

以上のような液体燃料を用いた燃料電池システム１においては、システム停止時などに雰囲気温度が氷点下になると、燃料タンク１１１、第１流路１１２、第１ポンプ１１３、燃料電池１５、第３流路１１４、第２流路１１６、ブロア１１７、フィルタ１１５、第４流路１１８、冷却器１１９、気液分離器１２０、メタノールタンク１２１、第５流路１２２、第２ポンプ１２３、第６流路１２４、第３ポンプ１２５、濃度センサユニット１２６などに残留する水分や液体燃料が凍結するおそれがある。また、昼夜などの気温差が大きいと筐体１６の内部に結露が生じて制御装置１４の基板に実装された電子部品の性能が低下するおそれがある。特に、本実施形態の燃料電池システム１を屋外や冷蔵室などの低温環境に設置する場合には、こうした凍結や結露の抑制が必要とされる。

このため、本実施形態の燃料電池システム１は、日中に照射される太陽光の熱エネルギを液体燃料に蓄え、筐体１６の内部の温度が低下した場合には、液体燃料に蓄えた熱エネルギを筐体１６の内部に放熱するように構成されている。具体的には、本実施形態の燃料電池システム１は、メタノールタンク１２１に貯留された高濃度メタノール液を吸引してメタノールタンク１２１へ戻す循環流路１３０と、当該循環流路１３０に設けられた第４ポンプ１３１と、同じく当該循環流路１３０に設けられた放熱器１３２と、筐体１６の内部の温度を検出する温度センサ１３３と、を備える。図２は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システム１を示す斜視図であり、側板の一つを取り外して内部を示す図である。以下、図１及び図２を参照して凍結抑制及び／又は結露抑制のための構成を説明する。

循環流路１３０は、導管などからなり、一端からメタノールタンク１２１に貯留された高濃度メタノール液を吸引し、図２に示すように筐体１６の天板１６１に接触又は近接した位置で蛇行したのち、他端から高濃度メタノール液がメタノールタンク１２１へ戻されるように取り廻されている。循環流路１３０のうち天板１６１に接触又は近接して蛇行する部分を吸熱流路１３４と称するが、高濃度メタノール液が当該吸熱流路１３４を通過する際に、天板１６１に照射された太陽光からの熱エネルギを吸熱し、当該高濃度メタノール液に蓄熱する。吸熱流路１３４と天板１６１との距離や蛇行形状は特に限定されないが、第４ポンプ１３１による高濃度メタノール液の単位時間当たりの流量が一定である場合には、吸熱流路１３４と天板１６１との距離をできる限り近づけ、また蛇行長さをできる限り長く設定すると、吸熱効果が高くなる。特に限定されないが、天板１６１の外表面を吸熱効果の高い黒色に塗装したり、吸熱流路１３４の導管の材質を熱伝導率が高いものを採用してもよい。ここで、吸熱流路１３４の導管の材質の熱伝導率は、蓄熱量よりも放熱量が小さくなる様に設計されていることが好ましい。こうした吸熱流路１３４と天板１６１との距離、吸熱流路１３４の蛇行形状、吸熱流路１３４の導管の材質、天板１６１の吸熱能などにより、太陽光の熱エネルギの吸収率が７０％以上、好ましくは９０％以上になるように設定することが望ましい。なお、循環流路１３０のうち吸熱流路１３４を除く全部又は一部の導管を、必要に応じて断熱材で被覆してもよい。これにより、循環流路１３０のうち吸熱流路１３４を除く全部又は一部の導管からの放熱を低減することができるので、太陽光による熱エネルギの蓄熱効果を高めることができる。

循環流路１３０の一端の近傍には第４ポンプ１３１が設けられ、当該第４ポンプ１３１により高濃度メタノール液を循環させる。詳細は後述するが、第４ポンプ１３１は、制御装置１４によりＯＮ／ＯＦＦ制御される。なお、第４ポンプ１３１に可変流量ポンプを採用し、太陽光の照射に応じて高濃度メタノール液の流量を制御してもよい。

循環流路１３０の途中には、放熱器１３２が設けられている。この放熱器１３２は、高濃度メタノール液に蓄熱された熱エネルギを筐体１６の内部に放出するものであり、したがって、図２に示すように、できる限り筐体１６の内部に万遍なく放熱される位置に設けることが望ましい。特に、制御装置１４、燃料電池１５、燃料タンク１１１及びこれらの補機がユニット化された燃料電池ユニット１７に向かって放熱されるように設けることがより望ましい。

放熱器１３２は、循環流路１３０が蛇行するとともに放熱フィンが設けられた熱交換器１３７と、当該熱交換器１３７を通過するように送風するファン１３８とを有し、蓄熱された高濃度メタノール液が熱交換器１３７を通過する際にファン１３８により送風された空気との間で熱交換され、昇温した空気を筐体１６の内部に送風する。特に限定されないが、放熱器１３２として、自動車やエアコンに用いられるラジエータと同様の構成のものを用いることができる。ファン１３８は、制御装置１４によりＯＮ／ＯＦＦ制御される。

循環流路の途中には、三方弁１３６とバイパス流路１３５とが設けられ、メタノールタンク１２１から吸引した高濃度メタノール液を、吸熱流路１３４を介してメタノールタンク１２１に戻す経路と、メタノールタンク１２１から吸引した高濃度メタノール液を、吸熱流路１３４を迂回してバイパス流路１３５を介してメタノールタンク１２１へ戻す経路とに切り換え可能とされている。三方弁１３６は、電磁式バルブからなり、制御装置１４により上述した経路の切り換え制御が実行される。

筐体１６の内部には、筐体１６の内部の環境温度を検出する温度センサ１３３が設けられ、当該温度センサ１３３の検出信号は制御装置１４に出力される。また、メタノールタンク１２１には、当該メタノールタンク１２１に貯留された高濃度メタノール液の液温を検出する液温センサ１３９が設けられ、当該液温センサ１３９の検出信号は制御装置１４に出力される。

さて、制御装置１４は、入力部として燃料電池１５の起動及び停止スイッチを備え、使用者の操作により起動スイッチがＯＮになる（停止スイッチはＯＦＦ）と、第１ポンプ１１３，第３ポンプ１２５及びブロア１１７を作動する制御信号を出力し、要求発電量に応じた量のメタノール水溶液と空気とを燃料電池１５に供給する。これにより燃料電池システム１から負荷へ電力が供給される。また、制御装置１４は、使用者の操作により停止スイッチがＯＮになる（起動スイッチはＯＦＦ）と、第１ポンプ１１３，第３ポンプ１２５及びブロア１１７並びに第２ポンプ１２３を停止する制御信号をそれぞれに出力し、燃料電池システム１を停止させる。

また制御装置１４は、起動スイッチがＯＮになると、濃度センサユニット１２６からの濃度検出信号と、燃料タンク１１１の下限レベルセンサ１２７及び上限レベルセンサ１２８からの液面レベル検出信号とを所定時間間隔で読出し、燃料タンク１１１のメタノール水溶液の濃度が低下したり、燃料タンク１１１の液面レベルが低下したりすると、第２ポンプ１２３を作動してメタノールタンク１２１から高濃度メタノール液を燃料タンク１１１に補給し、燃料タンク１１１内のメタノール水溶液の濃度を所定の濃度範囲に維持するとともに、燃料タンク１１１の容量が所定範囲になるように制御する。

さらに制御装置は、現在の時刻を検出する時計を備え、上述した筐体１６の内部の凍結抑制又は結露抑制の制御を実行する。具体的な制御手順は以下のとおりである。図３は、本実施形態の燃料電池システム１の制御装置１４で実行される制御手順を示すフローチャートである。

まずステップＳＴ１において、制御装置１４は、現在時刻を検出し、現在時刻が９：００〜１６：００の間か否か、すなわち現在時刻が９：００〜１６：００の間か又は１６：０１〜８：５９かを判定する。なお、ステップＳＴ１における判定時間の具体的数値は一例に過ぎず、適宜設定できる値であって、本願発明を限定するものではない。このステップＳＴ１の時間帯判定は、高濃度メタノール液に蓄熱する太陽光が照射しているか否かを、時刻を用いて間接的に検出する処理である。したがって、時計に代えて日射センサを設け、実際に太陽光が照射しているか否かを直接検出してもよい。また時計や日射センサに代えて、筐体１６の外部に温度センサを設け、筐体１６の内部と外部との差温を演算し、当該筐体１６の外部温度の方が所定温度以上高い場合には太陽光が照射していると判定してもよい。

ステップＳＴ１において、現在時刻が９：００〜１６：００の間である場合は、太陽光が照射している時間帯であると判定してステップＳＴ２へ進み、現在時刻が１６：０１〜８：５９の間である場合は、太陽光が照射していない時間帯であると判定してステップＳＴ５へ進む。

ステップＳＴ２において、温度センサ１３３により検出された筐体１６の内部の雰囲気温度が１５℃以下であるか否かを判定する。このステップＳＴ２は、筐体１６の内部の雰囲気温度が充分に高い温度、換言すれば凍結や結露が発生する可能性が低い場合を判定する処理であり、１５℃を超える場合はステップＳＴ７へ進み、第４ポンプ１３１及び放熱器１３２（ファン１３８）を停止し、三方弁１３６による経路を吸熱流路１３４に設定し、高濃度メタノール液への蓄熱を行わない。蓄熱が必要でない場合には、第４ポンプ１３１及びファン１３８での電力消費を抑制するためである。

ステップＳＴ２において、温度センサ１３３により検出された筐体１６の内部の雰囲気温度が１５℃以下である場合は、ステップＳＴ３へ進み、当該ステップＳＴ３において、温度センサ１３３により検出された筐体１６の内部の雰囲気温度が５℃以下であるか否かを判定する。なお、このステップＳＴ３における判定閾値（５℃以下）は、一例であって、少なくともステップＳＴ２の筐体１６の内部の雰囲気温度未満の値に設定されていればよい。ステップＳＴ３において、温度センサ１３３により検出された筐体１６の内部の雰囲気温度が５℃以下である場合は、ステップＳＴ４へ進み、筐体１６の内部の雰囲気温度が５℃を超える場合は、ステップＳＴ８へ進む。

ステップＳＴ４において、筐体１６の内部の雰囲気温度が５℃以下である場合は、太陽光が照射している時間帯であるものの筐体１６の内部の雰囲気温度も低温となっているので、凍結抑制又は結露抑制も必要である。そのため、太陽光による熱エネルギの蓄熱を行うと同時に、蓄熱した熱エネルギを筐体１６の内部へ放出する。すなわち、第４ポンプ１３１をＯＮし、放熱器１３２のファン１３８をＯＮし、三方弁１３６による経路を吸熱流路１３４に設定する。そして、メタノールタンク１２１に貯留された高濃度メタノール液を吸引して吸熱流路１３４にて太陽光による熱エネルギを高濃度メタノール液に吸熱しながら、放熱器１３２から筐体１６の内部へ温風を送風する。これにより、太陽光による熱エネルギの蓄熱と筐体１６の内部の加温が同時に行われる。

ステップＳＴ３において、筐体１６の内部の雰囲気温度が５℃を超える場合は、ステップＳＴ８において、液温センサ１３９により検出された高濃度メタノール液の温度が５０℃以上であるか否かを判定する。高濃度メタノール液の温度が５０℃未満である場合は、ステップＳＴ９へ進み、高濃度メタノール液の温度が５０℃以上である場合は、ステップＳＴ１０へ進む。ステップＳＴ１０では、高濃度メタノール液の過熱を抑制するために、第４ポンプ１３１及び放熱器１３２（ファン１３８）を停止し、三方弁１３６による経路を吸熱流路１３４に設定する。

高濃度メタノール液の温度が５０℃未満である場合は、ステップＳＴ９において、第４ポンプ１３１をＯＮし、放熱器１３２のファン１３８をＯＮし、三方弁１３６による経路を吸熱流路１３４に設定する。そして、メタノールタンク１２１に貯留された高濃度メタノール液を吸引して吸熱流路１３４にて太陽光による熱エネルギを高濃度メタノール液に吸熱し、メタノールタンク１２１に貯留された高濃度メタノール液を昇温する。これにより、太陽光による熱エネルギの蓄熱が行われる。

ステップＳＴ１へ戻り、現在時刻が１６：０１〜８：５９の間である場合は、太陽光が照射していない時間帯であると判定してステップＳＴ５へ進み、当該ステップＳＴ５において、温度センサ１３３により検出された筐体１６の内部の雰囲気温度が５℃以下であるか否かを判定する。ステップＳＴ５において、温度センサ１３３により検出された筐体１６の内部の雰囲気温度が５℃以下である場合は、ステップＳＴ６へ進み、筐体１６の内部の雰囲気温度が５℃を超える場合は、ステップＳＴ７へ進む。

ステップＳＴ６においては、筐体１６の内部の雰囲気温度が低温となっているので、凍結抑制又は結露抑制が必要である。そのため、高濃度メタノール液に蓄熱した熱エネルギを筐体１６の内部へ放出する。すなわち、第４ポンプ１３１をＯＮし、放熱器１３２のファン１３８をＯＮし、三方弁１３６による経路をバイパス流路１３５に設定する。三方弁１３６による経路をバイパス流路１３５に設定するのは、蓄熱した高濃度メタノール液の流路長をできる限り短くすることで流路途中における放熱を低減するためである。そして、メタノールタンク１２１に貯留された高濃度メタノール液を吸引して放熱器１３２から筐体１６の内部へ温風を送風する。これにより、筐体１６の内部の加温が行われる。

一方、ステップＳＴ５において、筐体１６の内部の雰囲気温度が５℃を超える場合は、ステップＳＴ７において、第４ポンプ１３１及び放熱器１３２（ファン１３８）を停止し、三方弁１３６による経路を吸熱流路１３４に設定し、放熱器１３２による放熱を行わない。放熱が必要でない場合には、第４ポンプ１３１及びファン１３８での電力消費を抑制するためである。

なお、図３のステップＳＴ２の１５℃、ステップＳＴ３及びステップＳＴ５の５℃、ステップＳＴ８の５０℃といった具体的温度は、本実施形態における単なる一例であって、本発明の権利範囲を定めるものではない。

以上のとおり、本実施形態の燃料電池システム１によれば、太陽光の熱エネルギを高濃度メタノール液に蓄熱し、これを筐体１６の内部へ放熱するので、電気ヒータなどを設けることに比べ、低電力で、燃料電池ユニット１７の構成部品などに残留する水分や液体燃料の凍結を抑制することができ、また結露を抑制することができる。

また本実施形態の燃料電池システム１では、燃料タンク１１１に貯留されたメタノール水溶液に蓄熱することを排除するものではないが、燃料タンク１１１に貯留されたメタノール水溶液に蓄熱する場合に比べて、メタノールタンク１２１に貯留された高濃度メタノール液に蓄熱する方が、燃料電池システム１が起動中のメタノール液の容量や濃度の管理が容易となる。すなわち、メタノールタンク１２１に貯留された高濃度メタノール液は、濃度管理が必要ではなく、また燃料タンク１１１へ補給する場合以外に、比較的大きな減量を抑制できることから、蓄熱量が安定する。

また本実施形態の燃料電池システム１によれば、高濃度メタノール液を筐体１６の天板１６１に接触又は近接し、さらに蛇行して取り廻されているため、太陽光の熱エネルギを効率的に吸熱することができる。

また本実施形態の燃料電池システム１によれば、太陽光の熱エネルギが蓄熱可能であることを検出した場合に、吸熱流路１３４を通る循環流路１３０を介して液体燃料を循環させる制御を実行するので、太陽光の熱エネルギが蓄熱可能でない場合には第４ポンプ１３１をＯＦＦする結果、余分な電力の消費を抑制することができる。

また本実施形態の燃料電池システム１によれば、太陽光の熱エネルギが蓄熱可能ではなく、且つ筐体１６の内部の温度が所定温度以下の場合には、高濃度メタノール液に蓄熱した熱エネルギを放熱する際に、バイパス流路１３５を介して（すなわち、吸熱流路１３４を迂回して）循環させるので、循環流路途中における無駄な放熱を低減することができる。

また本実施形態の燃料電池システム１によれば、太陽光の熱エネルギを蓄熱可能な場合であって筐体１６の内部への放熱も必要な場合には、第４ポンプ１３１をＯＮし、放熱器１３２のファン１３８をＯＮし、三方弁１３６による経路を吸熱流路１３４に設定することで、太陽光による熱エネルギの蓄熱と筐体１６の内部の加温を同時に行うことができる。

なお、上記メタノールタンク１２１が、本発明に係る「タンク」に相当し、上記循環流路１３０、第４ポンプ１３１及び吸熱流路１３４が、本発明に係る「蓄熱手段」に相当し、上記循環流路１３０、第４ポンプ１３１、放熱器１３２、三方弁１３６及びバイパス流路１３５が、本発明に係る「放熱手段」に相当し、上記第４ポンプ１３１が、本発明に係る「ポンプ」に相当し、上記制御装置１４が、本発明に係る「制御手段」に相当し、上記制御装置に含まれる時計が、本発明に係る「蓄熱検出手段」に相当し、上記温度センサ１３３が、本発明に係る「温度検出手段」に相当する。

１…燃料電池システム
１１…燃料供給装置
１１１…燃料タンク
１１２…第１流路
１１３…第１ポンプ
１１４…第３流路
１１５…フィルタ
１１６…第２流路
１１７…ブロア
１１８…第４流路
１１９…冷却器
１２０…気液分離器
１２１…メタノールタンク
１２２…第５流路
１２３…第２ポンプ
１２４…第６流路
１２５…第３ポンプ
１２６…濃度センサユニット
１２７…下限レベルセンサ
１２８…上限レベルセンサ
１３０…循環流路
１３１…第４ポンプ
１３２…放熱器
１３３…温度センサ
１３４…吸熱流路
１３５…バイパス流路
１３６…三方弁
１３７…熱交換器
１３８…ファン
１３９…液温センサ
１４…制御装置
１５…燃料電池
１５１…膜電極接合体
１５２…高分子電解質膜
１５３…アノード触媒層（燃料極）
１５４…カソード触媒層（空気極）
１５５…アノードセパレータ
１５６…カソードセパレータ
１６…筐体
１６１…天板
１７…燃料電池ユニット

Claims (5)

1. 筐体と、
   前記筐体の内部に設けられ、燃料極及び空気極を有する燃料電池と、
   前記燃料極へ供給する液体燃料を貯蔵するタンクと、
   太陽光の熱エネルギを前記液体燃料に蓄える蓄熱手段と、
   前記液体燃料に蓄えられた熱エネルギを前記筐体の内部へ放出する放熱手段と、を少なくとも備える燃料電池システム。
2. 前記蓄熱手段は、前記タンクから前記液体燃料を吸引して前記タンクへ戻す循環流路及びポンプを含み、
   前記循環流路は、前記筐体の天板に接触又は近接して取り廻された吸熱流路を含む請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記蓄熱手段による前記タンクの液体燃料の循環を制御する制御手段と、
   前記太陽光の熱エネルギが蓄熱可能か否かを検出する蓄熱検出手段と、をさらに備え、
   前記制御手段は、前記太陽光の熱エネルギが蓄熱可能であることを検出した場合に、前記吸熱流路を通る循環流路を介して、前記液体燃料を循環させる制御を実行する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記筐体の内部の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   前記循環流路は、前記吸熱流路を迂回するバイパス流路をさらに含み、
   前記制御手段は、前記筐体の内部の温度が所定温度以下の場合に、
   前記バイパス流路を通る循環流路を介して、前記液体燃料を循環させ、
   前記放熱手段を作動して前記液体燃料に蓄えられた熱エネルギを前記筐体の内部へ放出する制御を実行する請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記筐体の内部の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記太陽光の熱エネルギが蓄熱可能であり、且つ前記筐体の内部の温度が所定温度以下の場合に、
   前記吸熱流路を通る循環流路を介して、前記液体燃料を循環させ、
   前記放熱手段を作動して前記液体燃料に蓄えられた熱エネルギを前記筐体の内部へ放出する制御を実行する請求項３に記載の燃料電池システム。

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