JP4152360B2

JP4152360B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4152360B2
Application number: JP2004221556A
Authority: JP
Inventors: 悟朗藤田; 浩揮株本; 武史南浦
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2024-07-29
Also published as: US20060024552A1; JP2006040787A; KR20060048831A; KR100628404B1; CN1728429A

Description

本発明は、液体燃料を燃料電池セルに供給して発電を行う燃料電池システムに関するものである。

近年環境問題や省エネルギーの観点から燃料と酸化剤との電気化学反応により発電を行う燃料電池の開発が活発化して来ている。この燃料電池は燃料と酸化剤とから電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。また、燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できると共に、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いなどが挙げられる。

このように燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを有効に利用でき、環境にやさしい特性を有しているため、２１世紀を担うエネルギー供給システムとして期待されており、宇宙用から自動車用、携帯機器用など、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

特に近年、燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、液体燃料であるメタノールを改質することなく直接燃料電池セルのアノードへ供給し、メタノールと酸素との電気化学反応により電力を得るものである。メタノールは水素に比べ、単位体積当たりのエネルギーが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器などの電源への利用が期待されている（特許文献１参照）。

ところで、この種ＤＭＦＣでは高濃度のメタノールを直接アノードに供給すると、メタノールが高分子電解質の膜を通り抜けてカソード側に到達し、カソードの電位を下げてしまう問題が発生するため、通常はバッファタンクと称される希釈手段を用いて３％程度まで水で希釈した後、アノードに供給する。この場合、バッファタンクは燃料供給経路を介して高濃度のメタノールを収容した燃料容器と連通され、燃料電池供給経路に設けたポンプによって燃料容器から高濃度のメタノールが供給される。一方、バッファタンクにはカソードで発生した水が回収され、この水で高濃度のメタノールを希釈するが、バッファタンク内で希釈生成されるメタノール水溶液の濃度は、ポンプのＯＮ−ＯＦＦによって制御する方式が採られる。
特開２００２−３７３６８４号公報

しかしながら、バッファタンク内を含む燃料電池セル側の経路内はカソードに酸化剤である空気が供給されるために高圧状態となる。そのため、ポンプが停止するとバッファタンク内で希釈されたメタノール水溶液が燃料供給経路に逆流してしまう。このようにメタノール水溶液が燃料供給経路に逆流すると、次回ポンプが運転されても、バッファタンクには希釈されたメタノール水溶液が戻る結果となり、濃度が急激に低下して発電能力が低下する問題が生じる。

また、このような問題は燃料供給経路に気泡が混入した場合にも同様に生じる。しかしながら、燃料容器を着脱式のカートリッジとして取り扱いを容易した場合には、どうしても燃料容器の交換時などに燃料供給経路に気泡が入ってしまう。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、液体燃料を希釈してアノードに供給する燃料電池システムにおいて、発電能力の安定化を図ることを目的とする。

請求項１の発明の燃料電池システムは、液体燃料と酸化剤との電気化学反応により発電するものであって、電気化学反応により発電を行う燃料電池セルと、高濃度の液体燃料を希釈して燃料電池セルのアノードに供給するためのバッファタンクと、このバッファタンクに高濃度の液体燃料を供給するための燃料供給経路と、高濃度の液体燃料を収容し、燃料供給経路に着脱可能に接続される燃料容器と、燃料供給経路中の気泡を回収する気泡回収手段とを備える。

該気泡回収手段は、前記燃料供給経路に設けられ、前記燃料容器内の液体燃料を前記バッファタンクに供給するためのポンプと、上端部が大気に開放され、下部に出口が形成された燃料サブタンクと、流路切換手段とから構成され、該流路切換手段は、前記ポンプの吐出側を前記バッファタンクまたは前記燃料サブタンクの入口のどちらかに連通する第１の三方弁と、前記ポンプの吸込側を前記燃料容器または前記燃料サブタンクの出口のどちらかに連通する第２の三方弁をさらに備え、前記第１の三方弁により前記ポンプの吐出側を前記燃料サブタンクの入口に連通させると共に、前記第２の三方弁により前記ポンプの吸込側を前記燃料容器の出口に連通させ、前記ポンプを運転することにより、前記燃料供給経路中の気泡と液体燃料を前記燃料サブタンク内に回収した後、前記第１の三方弁により前記ポンプの吐出側を前記バッファタンクの入口に連通させると共に、前記第２の三方弁により前記ポンプの吸込側を前記燃料サブタンクの出口に連通させ、前記ポンプを運転することにより、前記サブタンク内の液体燃料を前記バッファタンクに供給することを特徴とする

請求項２の発明の燃料電池システムは、上記において、前記ポンプが停止した場合、前記第１の三方弁により前記ポンプの出口を前記燃料サブタンクの入口に連通させることにより、前記バッファタンクと前記燃料供給経路の連通を遮断し、前記バッファタンクから前記燃料供給経路への液体燃料の流出を阻止することを特徴とする。

請求項１の発明では、液体燃料と酸化剤との電気化学反応により発電する燃料電池システムにおいて、電気化学反応により発電を行う燃料電池セルと、高濃度の液体燃料を希釈して燃料電池セルのアノードに供給するためのバッファタンクと、このバッファタンクに高濃度の液体燃料を供給するための燃料供給経路と、高濃度の液体燃料を収容し、燃料供給経路に着脱可能に接続される燃料容器と、燃料供給経路中の気泡を回収する気泡回収手段とを備えているので、燃料容器の着脱時などに燃料供給経路中に混入した気泡を円滑に回収することができる。これにより、燃料電池セルのアノードに空気が流入して発電不能に陥る不都合を未然に回避し、発電能力の安定化を図ることができるようになるものである。

また、気泡回収手段を、燃料供給経路に設けられ、燃料容器内の液体燃料をバッファタンクに供給するためのポンプと、燃料サブタンク及び流路切換手段から構成し、流路切換手段により燃料サブタンクの入口を燃料供給経路に連通させ、ポンプを運転することにより、燃料供給経路中の気泡を燃料サブタンク内に回収するようにすれば、燃料供給経路中に混入した気泡を液体燃料と共に確実且つ迅速に燃料サブタンク内に回収することができるようになる。

そして、流路切換手段により燃料サブタンクの出口を燃料供給経路に連通させ、ポンプを運転することにより、燃料サブタンク内の液体燃料をバッファタンクに供給するようにすれば、交換のために燃料容器を外している間も、燃料サブタンク内に回収した液体燃料をバッファタンクに供給して発電を継続することが可能となる。

また、請求項２の発明の如く流路切換手段により燃料供給経路を介して燃料容器とバッファタンクとを連通した状態でポンプを運転することにより、燃料容器からバッファタンクに液体燃料を供給すると共に、ポンプが停止した場合、流路切換手段によりバッファタンクから燃料供給経路への液体燃料の流出を阻止するようにすれば、燃料容器からバッファタンクに円滑に高濃度の液体燃料を供給しながら、バッファタンクから燃料供給経路への希釈済みの液体燃料の逆流も防止することができるようになる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。

図１は参考例の燃料電池システム１の前方斜視図、図２は同後方斜視図、図３は燃料電池システム１の構成図を示している。参考例の燃料電池システム１は、液体燃料としてメタノールを用い、このメタノールと酸化剤としての空気とを燃料電池セルにおいて電気化学反応させることにより発電を行う所謂ダイレクトメタノール燃料電池（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＤＭＦＣ）システムであり、例えば携帯可能なノート型パソコンなどの電源として使用できるように全体寸法はコンパクトに構成されている。

即ち、燃料電池システム１は、図１及び図２に示すようなケース２内の略中央部に燃料電池（スタック）３が搭載され、その長手方向の一側に制御ユニット４が、反対側には補機ユニット６が設けられている。また、制御ユニット４と燃料電池３との間には補助動力（二次電池）７が設けられると共に、補機ユニット６の燃料電池３と反対側には気液分離器８や燃料容器９等を搭載されている。尚、補助動力７は燃料電池３の起動時の電力供給並びに負荷変動を吸収するために設けられる。また、燃料容器９内には液体燃料としての高濃度のメタノールが収容されている。更に、制御ユニット４と補機ユニット６間には燃料電池３に隣接して熱交換器１１が設けられ、更に、ケース２にはこの熱交換器１１及び燃料電池３に通風する冷却ファン１２が取り付けられている。１３はこの冷却ファン１２とは反対側のケース２壁面に形成された排気孔である。

そして、ケース２の上面は開閉可能な蓋１４にて閉塞されると共に、ケース２からは制御ユニット４に接続された電源出力用のコネクタ１６が引き出されている。また、燃料容器９は気液分離器８側のケース２に凹陥形成された燃料容器取付部２Ａに着脱可能に設けられるカートリッジ式とされている。そして、この燃料容器取付部２Ａにはジョイント２Ｂが形成され、燃料容器９側のジョイント９Ａがこのジョイント２Ｂに着脱可能に接続される。

次に、図３において燃料電池３は図示しない膜−電極接合体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）をセパレータで挟持した燃料電池セル３Ａを複数枚積層（スタック）して構成されている。この燃料電池３の端部には、燃料供給口１７、酸化剤供給口１８、燃料排出口１９及び酸化剤排出口２１がそれぞれ設けられている。燃料電池３内部には、燃料電池セル３Ａの積層方向に貫通して図示しない燃料供給マニホールド、酸化剤供給マニホールド、燃料排出マニホールド及び酸化剤排出マニホールドが設けられており、燃料供給口１７及び酸化剤供給口１８から燃料供給マニホールド及び酸化剤供給マニホールドをそれぞれ介して各燃料電池セル３Ａに液体燃料、酸化剤が供給され、また、各燃料電池セル３Ａから排出される排燃料、排酸化剤及び生成水などは燃料排出マニホールド及び酸化剤排出マニホールドからそれぞれ燃料排出口１９及び酸化剤排出口２１を介して排出される構成とされている。

参考例の燃料電池３は液体燃料としてメタノール、酸化剤として空気を用いたダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）を用いているので、燃料排出口１９からは排メタノール（メタノール水溶液）、排二酸化炭素などが排出され、酸化剤排出口２１からは排空気、生成水などが排出される。燃料排出口１９から排出された排メタノール、排二酸化炭素などは燃料排出配管２２を通ってバッファタンク２３に導入される。また、酸化剤排出口２１から排出された排空気、生成水などは酸化剤排出配管２４を通ってバッファタンク２３に導入される。

この場合、燃料排出配管２２には前記熱交換器１１の一部を構成する熱交換器１１Ａ及び前記気液分離器８の一部を構成する気液分離器８Ａが介設されており、燃料排出配管２２内を通過する排メタノールは熱交換器１１Ａで冷却ファン１２により空冷されることで液化し、気液分離器８Ａで気液分離されることで、排二酸化炭素のみが外部に排出され、排メタノールのみがバッファタンク２３に導入される。

また、酸化剤排出配管２４にも前記熱交換器１１の一部を構成する熱交換器１１Ｂ及び前記気液分離器８の一部を構成する気液分離器８Ｂが介設されており、酸化剤排出配管２４内を通過する生成水は熱交換器１１Ｂで冷却ファン１２により空冷されることで液化し、気液分離器８Ｂで気液分離されることで、排空気のみが外部に排出され、生成水のみがバッファタンク２３に導入される構成とされている。

このバッファタンク２３はケース２内の前述した気液分離器８の下側に設けられており、後述する如く燃料容器９から導入されたる高濃度のメタノール（液体燃料）の希釈手段として機能する。即ち、このバッファタンク２３には本発明の燃料供給経路を構成する燃料供給配管２６の一端が接続されており、この燃料供給配管２６の他端は前記ジョイント２Ｂに接続されている。また、燃料供給配管２６には図４に別途示すように燃料ポンプ２７と逆流防止手段としての電磁弁２８が介設されており、特に電磁弁２８は燃料ポンプ２７の吐出側のバッファタンク２３の近傍（燃料供給配管２６の一端近傍）に取り付けられている。更に、これら燃料ポンプ２７及び電磁弁２８はジョイント２Ｂ及びバッファタンク２３近傍のケース２内に配設される。

燃料容器９のジョイント９Ａがケース２のジョイント２Ｂに着脱可能に接続された状態で、燃料容器９は燃料供給配管２６と連通される。そして、前記電磁弁２８が開放されると、バッファタンク２３と燃料容器９とは燃料供給配管２６や燃料ポンプ２７を介して連通されることになる。その状態で燃料ポンプ２７が運転されると、燃料容器９内の高濃度のメタノールは燃料供給配管２６、電磁弁２８を経てバッファタンク２３に供給されることになる。

バッファタンク２３に供給された高濃度のメタノールは、酸化剤排出配管２４から導入される生成水によって希釈され、例えば実施例では略３％（或いは０．５ｍｏｌ／Ｌ〜２ｍｏｌ／Ｌ）の濃度に調整される。バッファタンク２３の出口と燃料電池３の燃料供給口１７間には希釈燃料供給配管２９が接続されており、この希釈燃料配管２９には前記補機ユニット６に含まれるもう燃料循環ポンプ３１が介設されている。

そして、この燃料循環ポンプ３１が運転されると、バッファタンク２３内の希釈されたメタノール水溶液（液体燃料）は、希釈燃料供給配管２９を通って燃料供給口１７から燃料電池３の各燃料電池セル３Ａのアノードへ供給される。一方、燃料電池３の各燃料電池セル３Ａのカソードへは、前記補機ユニット６に含まれるエアポンプ３２によって送り出された空気（酸化剤）が酸化剤供給配管３３を通り、酸化剤供給口１８から供給される。

各燃料電池セル３Ａではアノードに供給されたメタノール水溶液中のメタノールはカソードに供給された空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電を行う。このときのアノード側での反応を（１）に、カソード側での反応を（２）に、全反応を（３）の式で示す。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- ・・・・（１）
Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ→２Ｈ₂Ｏ・・・・（２）
ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ・・・・（３）

このようにして燃料電池３で発電された電力は制御ユニット４に含まれるＤＣ／ＤＣコンバータ３６にて所定電圧に調整された後、前述したコネクタ１６を介してノートパソコンＰＣ（若しくはそれのバッテリー（二次電池））などに供給されることになる。尚、３７は制御ユニット６に含まれる制御基盤であり汎用のマイクロコンピュータにて構成される。また、３８〜４０はバッファタンク２３、燃料電池３、制御基盤３７の温度をそれぞれ検出する温度センサ、４１、４２は燃料電池３の出力電圧・電流を検出する電圧センサ及び電流センサ、４３はＤＣ／ＤＣコンバータ３６の出力電圧を検出する電圧センサである。これらセンサの出力は制御基盤３７に入力され、制御基盤３７はこれらの出力に基づいて前記燃料ポンプ２７、燃料循環ポンプ３１、電磁弁２８、エアポンプ３２、冷却ファン１２などの駆動部品の制御を行う。

この場合、制御基盤３７は電圧センサ４１及び電流センサ４２の出力に基づき、燃料電池３の出力が所定の規定値より低下した場合、所定期間電磁弁２８を開き（ＯＮ）、且つ、燃料ポンプ２７を運転（ＯＮ）して燃料容器９内の高濃度のメタノールをバッファタンク２３に供給する。そして、所定期間経過したら燃料ポンプ２７を停止（ＯＦＦ）し、且つ、電磁弁２８を閉じて（ＯＦＦ）、バッファタンク２３への高濃度のメタノールの供給を停止する。このようにして間欠的に燃料電池ポンプ２７及び電磁弁２８をＯＮ−ＯＦＦし、バッファタンク２３内のメタノール水溶液の濃度を前述の値に調整して燃料電池３における発電を維持する。

ここで、バッファタンク２３内は酸化剤排出配管２４などを介してエアポンプ３２などから加圧されているため、電磁弁２８が無い場合に燃料ポンプ２７が停止すると、バッファタンク２３内で希釈されたメタノール水溶液が入口から燃料供給配管２６に逆流入してしまう。希釈されたメタノール水溶液が燃料供給配管２６に逆流すると、高濃度のメタノールを供給ために燃料ポンプ２７を運転させても、バッファタンク２３には希釈されたメタノール水溶液が戻る結果となり、バッファタンク２３内のメタノール水溶液の濃度が急激に低下して燃料電池３の発電が停止してしまう問題が生じる。

しかしながら、参考例では燃料供給配管２６に電磁弁２８を設けており、制御基盤３７が前述したようにこの電磁弁２８を燃料ポンプ２７の運転（ＯＮ）−停止（ＯＦＦ）に同期して開（ＯＮ）−閉（ＯＦＦ）するので、燃料ポンプ２７の停止中は燃料供給配管２６の流路を閉じておくことができる。これにより、燃料ポンプ２７の停止中にバッファタンク２３から燃料供給配管２３にメタノール水溶液が逆流する不都合が防止されるので、燃料電池セル３Ａのアノードに適切な濃度のメタノール水溶液を安定的に供給し、燃料電池３の発電能力の安定化を図ることができるようになる。

特に、電磁弁２８を燃料供給配管２６のバッファタンク２３近傍に設けているので、バッファタンク２３からの拡散によって燃料供給配管２６に逆流するメタノール水溶液も最小限に抑えることができるようになる。また、電磁弁２８より燃料容器９側の燃料供給配管２６に後述するサブタンクなどの部品を追加することも可能となる。

特に、参考例のように燃料ポンプ２７の運転（ＯＮ）−停止（ＯＦＦ）に同期して開（ＯＮ）−閉（ＯＦＦ）する電磁弁２８を設ければ、燃料容器９からバッファタンク２３に円滑に高濃度のメタノールを供給しながら、バッファタンク２３からのメタノール水溶液の逆流も確実に防止することが可能となる。

尚、上記参考例では電磁弁２８を設けて逆流を防止したが、それに限らず、燃料供給配管２６のバッファタンク２３近傍に逆止弁を設けても良い。この場合逆止弁は燃料容器９からバッファタンク２３へのメタノールの通過を許容し、当該バッファタンク２３から燃料容器９へのメタノール水溶液の通過を阻止する方向で取り付ける。このようにすれば、前述した電磁弁２８を設ける場合に比較して簡単な構成でバッファタンク２３からのメタノール水溶液の逆流を防止することが可能となる。

ここで、図５は前記燃料容器９の透視斜視図を示している。略矩形状の外装ケース４６と、この外装ケース４６内に収納された燃料袋４７（図６）とから構成され、外装ケース４６の下端部に前記ジョイント９Ａが形成されている。前記燃料袋４７は、例えば耐メタノール性の可撓性を有するシート二枚を重ね合わせ、周囲を溶着することにより構成されており、内部に高濃度のメタノールが充填される。また、燃料袋４７は、図７に示す如く４箇所の溶着部４８Ａ〜４８Ｄにて五つの区画４７Ａ〜４７Ｅに仕切られており、各区画４７Ａ〜４７Ｅは連通部４９、４９にて内部が相互に連通されている。また、実施例では区画４７Ｂに出口４７Ｆが設けられている。

そして、このような燃料袋４７は各溶着部４８Ａ〜４８Ｄにて図８の如く渦状に折り畳まれ、その状態で外装ケース４６内に収納される。そして、出口４７Ｆが前記ジョイント９Ａに接続される。このように、燃料袋４７内を複数の区画４７Ａ〜４７Ｅに仕切り、折り畳んで外装ケース４６内に収納したので、燃料容器９の向き（燃料電池システム１自体の向き）に関わらず、天地無用で前記燃料ポンプ２７により燃料袋４６から高濃度のメタノールを取り出すことができるようになる。また、燃料袋４７は外装ケース４６内に略隙間無く収納されるので、外装ケース４６内に生じる無効空間も最小限にして体積効率を向上させることができるようになる。

次に、図９は本発明の実施例の燃料電池システム１の燃料供給配管２６周辺の構成図を示している。尚、図９はこの場合の燃料電池システム１の燃料容器９からバッファタンク２３までの間の構成を抽出して示しており、その他の部分は図３と同様である。この場合、燃料供給配管２６には図３、図４の場合の電磁弁２８の代わりに、燃料ポンプ２７の吐出側及び吸込側に流路切換手段としての三方弁５１（電磁弁１）及び三方弁５２（電磁弁２）が接続されている。この三方弁５１には更に気泡回収配管５４の一端が接続され、この気泡回収配管５４の一端は燃料供給配管２６の上部に連通すると共に、気泡回収配管５４の他端は大気開放型の燃料サブタンク５３の上部に形成された入口に接続されている。この燃料サブタンク５３は上端部の適所が大気に開放されている。また、燃料サブタンク５３の下端に形成された出口は燃料流出配管５６を介して三方弁５２に接続されている。これら燃料サブタンク５３や三方弁５１、５２、燃料ポンプ２７により本発明の気泡回収手段が構成される。

上記三方弁５１は燃料供給配管２６のバッファタンク２３近傍に設けられ、通電（ＯＮ）されて燃料ポンプ２７とバッファタンク２３間の燃料供給配管２６の流路を開き、気泡回収配管５４を燃料供給配管２６から切り離す。即ち、燃料サブタンク５３の入口を燃料供給配管２６に連通させない。また、非通電（ＯＦＦ）となると、燃料供給配管２６の燃料ポンプ２７吐出側を気泡回収配管５４に連通させ、バッファタンク２３側を燃料ポンプ２７及び気泡回収配管５４から切り離す。即ち、バッファタンク２３の入口と燃料供給配管２６の燃料ポンプ２７側とを非連通状態とする。

三方弁５２は非通電（ＯＦＦ）の状態で燃料容器９と燃料ポンプ２７間の燃料供給配管２６の流路を開き、燃料流出配管５６を燃料供給配管２６から切り離す。即ち、燃料サブタンク５３の出口を燃料供給配管２６に連通させない。また、通電（ＯＮ）されると、燃料供給配管２６の燃料ポンプ２７吸込側を燃料流出配管５６に連通させ、燃料容器９側を燃料ポンプ２７側から切り離す。即ち、燃料容器９と燃料供給配管２６の燃料ポンプ２７側とを非連通状態とする。

そして、これら三方弁５１、５２も前述した制御基盤３７によって制御される。この場合、燃料サブタンク５３には内部のメタノールの量を検出する水位センサ５７が設けられると共に、ジョイント２Ｂ近傍の燃料供給配管２６（透明パイプから構成される）にも光によって燃料切れを検知する水位センサ５８が設けられる。また、ケース２の燃料容器取付部２Ａには燃料容器９の着脱を検出するための燃料容器スイッチ（或いはセンサ）５９が設けられ、それらの出力は何れも制御基盤３７に入力される。

以上の構成で、次に図１０〜図１９のフローチャート及び図２０〜図２４の動作説明図を参照しながら、この場合の燃料電池システム１の動作を説明する。図１０〜図１９は前記制御基盤３７の前述したマイクロコンピュータによる制御フローチャートであり、図１０はそのうちのメインフローチャートを示している。制御基盤３７のマイクロコンピュータは、運転開始から先ず図１０のステップＳ１でシステム起動処理を行う。図１１はこのシステム起動処理のフローチャートである。マイクロコンピュータは図１１のステップＳ４で初期設定を行い、三方弁５１及び５２をＯＦＦ状態とし、カートリッジ準備待ちフラグをＯＦＦ、起動時フラグをＯＮにする。次にステップＳ５で高濃度燃料供給準備処理を実行する。

図１２はこの高濃度燃料供給準備処理のフローチャートである。マイクロコンピュータは図１２のステップＳ１０で燃料供給元の判定処理を実行する。図１３はこの燃料供給元の判定処理のフローチャートを示している。マイクロコンピュータは図１３のステップＳ１５で先ず燃料容器スイッチ５９に基づき、燃料容器９（カートリッジ）のジョイント９Ａがケース２のジョイント２Ｂに接続されているか否か判断する。そして、接続されていない場合にはステップＳ２１で図示しない警告ランプなどによりカートリッジ無し（燃料容器無し）警告を発報する（図２４の状態）。次に、ステップＳ２３で燃料サブタンク５３内のメタノールの量が下限水位（Ｌ）以下か否か判断し、下限水位（Ｌ）より上の場合にはステップＳ２４で燃料の供給元として燃料サブタンク５３を選択し、三方弁５２をＯＮする。また、下限水位（Ｌ）以下のときはステップＳ２５でシステムを停止する。

一方、ケース２の燃料容器取付部２Ａに燃料容器９がセットされ、ジョイント２Ｂにジョイント９Ａが接続された場合、マイクロコンピュータはステップＳ１５からステップＳ１６に進み、システム起動時か否か判断する。現在は起動時フラグはＯＮされているのでマイクロコンピュータはステップＳ１６からステップＳ１９に進み、水位センサ５７により燃料サブタンク５３内のメタノールの量が上限水位（Ｈ）以上か否か判断する。

今、燃料サブタンク５３内のメタノールの量は上限水位（Ｈ）より低いものとすると、マイクロコンピュータはステップＳ１９からステップＳ２０に進み、燃料供給元として燃料容器９（カートリッジ）を選択すると共に、三方弁５２をＯＦＦ状態とする。次に、図１２のステップＳ１１で燃料ポンプ２７を運転（ＯＮ）し、ステップＳ１２でマイクロコンピュータがその機能として有するタイマーがカウント終了するまでステップＳ１０〜ステップＳ１２を繰り返す。

このとき、三方弁５１及び５２はＯＦＦなっているので、燃料ポンプ２７が運転されると燃料容器９内（前記燃料袋５７内）から高濃度のメタノールが汲み出され、燃料供給配管２６を経て燃料ポンプ２７に吸い込まれる。そして、燃料ポンプ２７から吐出され、気泡回収配管５４を経て燃料サブタンク５３に流入していく。このとき、燃料供給配管２６内に混入した気泡も同時に燃料サブタンク５３内に回収される（図２０の状態）。

このような燃料サブタンク５３への気泡回収運転が所定時間（この時間は数秒間。即ち、燃料サブタンク５３が上限水位（Ｈ）から上昇して溢れない時間であって、燃料供給配管２６内の気泡を確実に回収可能な時間）実行され、前記タイマーのカウントが終了すると、マイクロコンピュータはステップＳ１２からステップＳ１３に進み、燃料ポンプ２７を停止（ＯＦＦ）して燃料サブタンク５３への気泡回収運転を終了する。そして、ステップＳ１４で起動時フラグをＯＦＦにする。

次に、ステップＳ６で三方弁５１をＯＮし、燃料ポンプ２７を運転して燃料容器９からバッファタンク２３に高濃度のメタノールを供給し、バッファタンク２３内で希釈して希釈燃料（メタノール水溶液）を準備し、次に、ステップＳ７で燃料循環ポンプ３１を運転（ＯＮ）し、ステップＳ８でエアポンプ３２を運転（ＯＮ）する。これによって、燃料電池セル３Ａのアノードにはメタノール水溶液が、また、カソードには酸化剤である空気が供給され、前述した電気化学反応が始まる。そして、この電気化学反応によって燃料電池３の温度は上昇していく。マイクロコンピュータは次にステップＳ９でスタック（燃料電池３）の昇温待ち運転を実行する。

図１４はこのスタックの昇温待ち運転のフローチャートを示している。マイクロコンピュータステップＳ２６で初期設定を行った後、ステップＳ２７で燃料濃度制御処理を実行する。この燃料濃度制御処理はメインフローチャートに並行して逐次実行されるもので、図１５にそのフローチャートを示す。マイクロコンピュータは先ずステップＳ２９で前述した図１３の燃料供給元の判定処理を実行する。この場合はシステム起動フラグはＯＦＦされているので、ステップＳ１６からはステップＳ１７に進み、カートリッジ準備完了か否か判断する。このとき、カートリッジ準備待ちフラグはＯＦＦしているのでステップＳ１８に進み、水位センサ５８が燃料切れを検知したか否か判断する。

ジョイント２Ｂ近傍の燃料供給配管２６にメタノールが無いときはステップＳ２２で図示しないランプにより燃料切れ警告を発報した後、ステップＳ２３に進む。ジョイント２Ｂ近傍の燃料供給配管２６にメタノールがあり、燃料切れでは無い場合にはステップＳ１９に進み、燃料サブタンク５３のメタノールの量が上限水位（Ｈ）以上か否か判断し、以上の場合にはステップＳ２４に進んで燃料の供給元として燃料サブタンク５３を選択し、三方弁５２をＯＮする。即ち、燃料サブタンク５３内のメタノールの量が上限水位（Ｈ）以上ある場合には三方弁５２をＯＮし、以後の燃料ポンプ２７の運転で燃料サブタンク５３からメタノールが汲み出されるようにし、燃料サブタンク５３のメタノールが上限水位（Ｈ）より少なくなったらステップＳ１９からステップＳ２０に進んで三方弁５２をＯＦＦすることにより、常に燃料サブタンク５３内のメタノールの量を上限水位（Ｈ）以下にする。

次に、マイクロコンピュータは図１５のステップＳ３０で燃料電池３の出力に基づいてバッファタンク２３内の濃度を判定し、出力が低く濃度が低いと判定した場合にはステップＳ３３で燃料追加処理を実行する。この燃料追加処理を図１６に示す。マイクロコンピュータは三方弁５１をＯＮし、ステップＳ３９で燃料ポンプ２７を運転（ＯＮ）する（図２１の状態）。そして、ステップＳ４０でマイクロコンピュータがその機能として有するタイマーをカウントし、そのカウントが終了するまでその状態（三方弁５１ＯＮ、燃料ポンプ２７ＯＮ）を維持する。そして、所定期間が経過してタイマーがカウント終了したらステップＳ４１で燃料ポンプ４１を停止（ＯＦＦ）し、ステップＳ４２で三方弁５１をＯＦＦする。

このように間欠的に燃料ポンプ２７及び三方弁５１をＯＮ−ＯＦＦしてサブタンク２３内のメタノール水溶液の希釈濃度を前述した実施例と同様の濃度に維持する。また、この三方弁５１のＯＦＦにより、前述の実施例の場合同様にバッファタンク２３からの燃料供給配管２６へのメタノール水溶液の逆流が防止される。また、三方弁５１もバッファタンク２３近傍にあるので拡散も最小限になる。

次に、マイクロコンピュータは図１５のステップＳ３４で燃料容器（カートリッジ）９が準備完了か否か判断する。このときもカートリッジ準備待ちフラグはＯＦＦしているのでステップＳ３１に進み、燃料容器スイッチ５９により燃料容器９の脱着を検知したか否か判断し、検知していなければステップＳ３２で運転・停止判定を行い、システム停止の操作が成されない限り、マイクロコンピュータはこの燃料濃度制御処理を逐次繰り返し実行する。次に、マイクロコンピュータは図１４のステップＳ２８で温度センサ３９の出力に基づき、燃料電池３の温度がその動作に必要な温度まで昇温したか否か判断し、昇温していなければステップＳ２７を繰り返し、昇温したらステップＳ２の定常運転に移行する。

図１８はこの定常運転のフローチャートを示している。この定常運転ではマイクロコンピュータはステップＳ４９で初期設定を行った後、ステップＳ５０で図１５の燃料濃度制御処理を実行する。そして、ステップＳ５１で運転・停止の判定を行い、システム停止の操作が成されていなければステップＳ５０に戻って繰り返す。

ここで、燃料容器９内の高濃度のメタノールが空になり、図１３のステップＳ１８で燃料切れが検知されると、ステップＳ２２でランプにより燃料切れ警告を発報した後、ステップＳ２３に進む。このとき、燃料サブタンク５３内にその下限水位（Ｌ）以上のメタノールがあればステップＳ２４でマイクロコンピュータは燃料供給元として燃料サブタンク５３を選択し、三方弁５２をＯＮする（図２２の状態）。

また、ステップＳ２２で燃料切れが警告されたことを受けて使用者が燃料容器９を交換するためにケース２の燃料容器取付部２Ａから取り外すと、マイクロコンピュータは燃料容器スイッチ５９でそれを検知するので、図１５のステップＳ３１からステップＳ３７に進んでカートリッジ準備待ちフラグをＯＮする。また、図１３ではステップＳ１５からステップＳ２１を経てステップＳ２３に進むようになるので、このとき、燃料サブタンク５３内にその下限水位（Ｌ）以上のメタノールがあればステップＳ２４でマイクロコンピュータは燃料供給元として燃料サブタンク５３を選択し、三方弁５２をＯＮする（図２３の状態）。

これらにより、燃料サブタンク５３内に下限水位（Ｌ）以上のメタノールが回収されている限り、燃料容器９内の燃料が切れても、また、燃料容器９が取り外されても以後の燃料追加処理では燃料サブタンク５３からバッファタンク２３に高濃度のメタノールが供給されることになるので、係る燃料切れ時にも燃料電池システム１の運転は継続して実行可能となる。尚、燃料サブタンク５３内のメタノールが下限水位（Ｌ）以下まで減少したら、マイクロコンピュータステップＳ２３からステップＳ２５に進んでシステムを停止することになる。

そして、使用者が新たな燃料容器９を燃料容器取付部２Ａに取り付け、ジョイント２Ｂにジョイント９Ａを接続してもカートリッジ準備待ちフラグが依然ＯＮであるので、図１３のステップＳ１７からはステップＳ２３に進むことになる。一方、マイクロコンピュータは図１５のステップＳ３４からステップＳ３５に進み、燃料サブタンク５３内のメタノールの量が上限水位（Ｈ）以上か否か判断し、それより少なったらステップＳ３６に進み、カートリッジ配管脱泡処理を実行する。

図１７はこのカートリッジ配管脱泡処理のフローチャートを示している。マイクロコンピュータはステップＳ４３で三方弁５２をＯＦＦし、ステップＳ４４で燃料ポンプ２７を運転（ＯＮ）し、ステップＳ４５でマイクロコンピュータがその機能として有するタイマー（図１２と同様のタイマー）がカウント終了するまで三方弁５２のＯＦＦと燃料ポンプ２７の運転（ＯＮ）を継続する。

この時点ではステップＳ３３の処理を終了して三方弁５１はＯＦＦなっているので、燃料ポンプ２７が運転されると燃料容器９内（前記燃料袋５７内）から高濃度のメタノールが汲み出され、燃料供給配管２６を経て燃料ポンプ２７に吸い込まれる。そして、燃料ポンプ２７から吐出され、気泡回収配管５４を経て燃料サブタンク５３に流入していく。これにより、燃料容器９の脱着によって燃料供給配管２６内に混入した気泡も同時に燃料サブタンク５３内に回収される（図２０の状態）。

このような燃料サブタンク５３への気泡回収運転を前述同様の所定時間実行し、前記タイマーのカウントが終了すると、マイクロコンピュータはステップＳ４５からステップＳ４６に進み、燃料ポンプ２７を停止（ＯＦＦ）して燃料サブタンク５３への気泡回収運転を終了する。そして、ステップＳ４７でカートリッジ準備待ちフラグをＯＦＦにする。このカートリッジ準備待ちフラグがＯＦＦされたことで、以後はステップＳ１７からステップＳ１８に進むようになるので、以後は前述した運転に復帰する。

そして、使用者によりシステム停止の操作が成されると、マイクロコンピュータはステップＳ５１からステップＳ３に進んでシステム停止処理を実行する。図１９はこのシステム停止処理のフローチャートを示している。マイクロコンピュータはステップＳ５２で初期設定を行い、ステップＳ５３で図１５の燃料濃度制御処理を実行する。そして、ステップＳ５４で運転・停止判定を行い、システム停止の操作がされているので、ステップＳ５５で停止処理を実行することになる。

以上のようにこの場合の構成によれば燃料供給配管２６中の気泡を燃料サブタンク５３に回収することができる。これにより、燃料容器９の着脱時などに燃料供給配管２６中に混入した気泡を円滑に回収し、燃料電池セル３Ａのアノードに空気が流入して発電不能に陥る不都合を未然に回避して、発電能力の安定化を図ることができるようになる。

特に、実施例のように燃料供給配管２６に燃料ポンプ２７と、燃料サブタンク５３や三方弁５１、５２を用い、三方弁５１、５２をＯＦＦして燃料サブタンク５３の入口を燃料供給配管２６に連通させ、燃料ポンプ２７を運転することにより、燃料供給配管２６中の気泡を燃料サブタンク５３内に回収するようにしているので、燃料供給配管２６中に混入した気泡を高濃度のメタノールと共に確実且つ迅速に燃料サブタンク５３内に回収することができる。

そして、三方弁５１、５２をＯＮし、燃料サブタンク５３の出口を燃料供給配管２６に連通させ、燃料ポンプ２７を運転することにより、燃料サブタンク５３内の高濃度のメタノールをバッファタンク２３に供給するようにしたので、交換のために燃料容器９を外している間も、燃料サブタンク５３内に回収した高濃度のメタノールをバッファタンク２３に供給して燃料電池３による発電を継続することが可能となる。

尚、燃料容器９に収容される液体燃料としては実施例では略１００％のピュアメタノールを想定して説明したが、それに限らず、安全性を考慮して２０ｍｏｌ／Ｌ程の高濃度のメタノール水溶液が燃料容器９内に収容される場合にも本発明は有効である。また、上記各実施例では液体燃料としてメタノールを使用するＤＭＦＣから成る燃料電池システムに本発明を適用したが、それに限らず、液体燃料を希釈して使用して発電を行う燃料電池システム全般に本発明は有効である。

参考例の燃料電池システムの前方斜視図である。図１の燃料電池システムの後方斜視図である。図１の燃料電池システムの構成図である。図３における燃料供給配管周辺の部品を抽出した構成図である。図１の燃料電池システムの燃料容器の斜視図である。図５の燃料容器の燃料袋の斜視図である。図６の燃料袋の構成を示す図である。図６の燃料袋を折り畳んだ状態を説明する図である。本発明の実施例の燃料電池システムの燃料供給配管周辺の部品を抽出した構成図である。図９の実施例における制御基盤のマイクロコンピュータの制御フローチャートである。同じく図９の実施例における制御基盤のマイクロコンピュータの制御フローチャートである。同じく図９の実施例における制御基盤のマイクロコンピュータの制御フローチャートである。同じく図９の実施例における制御基盤のマイクロコンピュータの制御フローチャートである。同じく図９の実施例における制御基盤のマイクロコンピュータの制御フローチャートである。同じく図９の実施例における制御基盤のマイクロコンピュータの制御フローチャートである。同じく図９の実施例における制御基盤のマイクロコンピュータの制御フローチャートである。同じく図９の実施例における制御基盤のマイクロコンピュータの制御フローチャートである。同じく図９の実施例における制御基盤のマイクロコンピュータの制御フローチャートである。同じく図９の実施例における制御基盤のマイクロコンピュータの制御フローチャートである。図９の実施例における燃料ポンプ及び三方弁の動作を説明する図である。同じく図９の実施例における燃料ポンプ及び三方弁の動作を説明する図である。同じく図９の実施例における燃料ポンプ及び三方弁の動作を説明する図である。同じく図９の実施例における燃料ポンプ及び三方弁の動作を説明する図である。同じく図９の実施例における燃料ポンプ及び三方弁の動作を説明する図である。

符号の説明

１燃料電池システム
３燃料電池
３Ａ燃料電池セル
８、８Ａ、８Ｂ気液分離器
９燃料容器
１１、１１Ａ、１１Ｂ熱交換器
２３バッファタンク
２６燃料供給配管
２７燃料ポンプ
２８電磁弁（逆流防止手段）
３１燃料循環ポンプ
３７制御基盤
４６外装ケース
４７燃料袋
４７Ａ〜４７Ｅ区画
５１、５２三方弁（気泡回収手段、流路切換手段）
５３燃料サブタンク（気泡回収手段）

Claims

液体燃料と酸化剤との電気化学反応により発電する燃料電池システムにおいて、
電気化学反応により発電を行う燃料電池セルと、
高濃度の液体燃料を希釈して前記燃料電池セルのアノードに供給するためのバッファタンクと、
該バッファタンクに高濃度の液体燃料を供給するための燃料供給経路と、
高濃度の液体燃料を収容し、前記燃料供給経路に着脱可能に接続される燃料容器と、
前記燃料供給経路中の気泡を回収する気泡回収手段とを備え、
該気泡回収手段は、前記燃料供給経路に設けられ、前記燃料容器内の液体燃料を前記バッファタンクに供給するためのポンプと、上端部が大気に開放され、下部に出口が形成された燃料サブタンクと、流路切換手段とから構成され、該流路切換手段は、前記ポンプの吐出側を前記バッファタンクまたは前記燃料サブタンクの入口のどちらかに連通する第１の三方弁と、前記ポンプの吸込側を前記燃料容器または前記燃料サブタンクの出口のどちらかに連通する第２の三方弁とを備え、該第１の三方弁により前記ポンプの吐出側を前記燃料サブタンクの入口に連通させると共に、前記第２の三方弁により前記ポンプの吸込側を前記燃料容器の出口に連通させ、前記ポンプを運転することにより、前記燃料供給経路中の気泡と液体燃料を前記燃料サブタンク内に回収した後、前記第１の三方弁により前記ポンプの吐出側を前記バッファタンクの入口に連通させると共に、前記第２の三方弁により前記ポンプの吸込側を前記燃料サブタンクの出口に連通させ、前記ポンプを運転することにより、前記サブタンク内の液体燃料を前記バッファタンクに供給することを特徴とする燃料電池システム。
前記ポンプが停止した場合、前記第１の三方弁により前記ポンプの出口を前記燃料サブタンクの入口に連通させることにより、前記バッファタンクと前記燃料供給経路の連通を遮断し、前記バッファタンクから前記燃料供給経路への液体燃料の流出を阻止することを特徴とする請求項１の燃料電池システム。