JP5005253B2

JP5005253B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5005253B2
Application number: JP2006131520A
Authority: JP
Inventors: 賢治長谷川; 俊之青山; 賢東陰地; 雅文下田代; 優小田桐
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2006-05-10
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2026-05-10
Also published as: JP2007305376A

Description

この発明は、燃料電池による発電を制御する燃料電池システムに関する。

携帯電話，携帯型情報端末，ノート型パーソナルコンピュータ，携帯型オーディオ，携帯型ビジュアル機器など、携帯用電子機器の普及が進んでいる。従来、このような携帯用電子機器は、一次電池または二次電池によって駆動している。二次電池は、一定量の電力使用後に充電する必要があるため、充電機器と充電時間が必要となる。また、二次電池では、ニッカド（Ｎｉ−Ｃｄ）電池又はリチウムイオン電池が用いられ、小型で高エネルギー密度を持つ電池が開発されているが、より長時間連続駆動が可能な二次電池が要望されている。

この要望にこたえるため、充電を必要としない燃料電池システムが提案されている。燃料電池システムは、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機である。このような燃料電池システムの中では、パーフルオロカーボンスルフォン酸系の電解質を用いてアノード極で水素ガスを還元し、カソード極で酸素を還元して発電を行うという固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell（ＰＥＦＣ））が知られている。このようなＰＥＦＣは、出力密度が高い電池であるという特徴を有しており、その開発が進められている。

一方、メタノールから直接プロトンを取り出すことにより発電を行う直接型メタノール燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell（ＤＭＦＣ））は、ＰＥＦＣと比較してその出力が小さくなるという欠点があるものの、燃料の体積エネルギー密度を上げることができ、燃料電池本体の補機を減らすことができるため小型化が可能となる。このため、携帯機器用電源として注目されており、幾つかの提案がなされている。

ここで、ＤＭＦＣにおける燃料電池本体で行なわれる発電のための反応として、アノードにおいて行なわれる反応を化学式（１）に、カソードにおいて行なわれる反応を化学式（２）に示す。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ６Ｈ⁺ ＋６ｅ^- ＋ＣＯ₂ ・・・（１）
６Ｈ⁺ ＋６ｅ^- ＋３／２Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ・・・（２）
化学式（１）および化学式（２）に示すように、燃料電池を用いて発電することにより、アノード側では二酸化炭素が生成し、カソード側では水が生成する。

メタノールを燃料として用いる燃料電池の構成としては、特開２００３−３１７７９１号公報（特許文献１）に示される。この燃料電池は、酸電解質を含まない有機燃料を用い、燃料を循環させる手段と空気を循環させる手段を備えた構成であり、燃料や空気を循環させるためにポンプなどの補機を使うアクティブ型燃料電池の構成である。
特開平２００３−３１７７９１号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、液体燃料の有無および燃料タンクの有無を考慮して発電を制御する記述がなく、実際の運転において、燃料がなくなった場合、燃料電池システムが壊れるという可能性も予測される。

そこで、この発明は、燃料電池システムにおいて、液体燃料の供給不具合による燃料電池本体の崩壊を防止することを目的とする。

この発明は、アノードと、前記アノードに対向して配置されたカソードと、前記アノードと前記カソードと間に介在する膜電極組立体とを有する燃料電池本体と、液体燃料を収容する燃料タンクと、前記燃料タンクから供給された液体燃料と水とが混合されることによって生成される混合燃料を収容する混合タンクとを有し、前記燃料タンクと混合タンクとの間の燃料供給管に設けられた燃料ポンプによって前記燃料タンクに収容された液体燃料を前記混合タンクに供給するとともに、前記混合タンクに収容された混合燃料を前記燃料電池本体に供給する燃料供給部と、前記燃料供給管に設けられ、前記燃料タンクの中に液体燃料が残存しているか否かを判定し、燃料の有無の判定結果を示した燃料有無判定情報を出力する燃料有無判定器と、制御装置とを備える燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記混合タンクに収容された混合燃料が前記燃料電池本体に供給されるように前記燃料供給部を制御する発電処理を実行する前に、前記燃料有無判定器から燃料有無判定情報を受け取り、前記燃料有無判定器から受け取った燃料有無判定情報が燃料有りを示す場合、前記発電処理を実行する一方、前記燃料有無判定器から受け取った燃料有無判定情報が燃料無しを示す場合、前記燃料供給部の燃料ポンプを所定時間だけ駆動させ、前記所定時間の経過後に前記燃料有無判定器から燃料有無判定情報を再度受け取り、前記燃料有無判定器から再度受け取った燃料有無判定情報が燃料有りを示す場合、前記発電処理を実行する一方、前記燃料有無判定器から再度受け取った燃料有無判定情報が燃料無しを示す場合、前記燃料タンクの交換を促すとともに前記発電処理を実行しないことを特徴とする。

以上のように、液体燃料の供給不具合による燃料電池本体の崩壊を防止することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付しその説明は繰り返さない。
（第１の実施形態）
＜構成＞
図１は、この発明の第１の実施形態による燃料電池システムの全体構成を示す。このシステムは、発電部である燃料電池本体１０と、発電部によって生成された電力が供給される電気回路１１と、燃料電池本体１０に液体燃料を供給する燃料供給部２０と、燃料電池本体１０に空気を供給する空気供給部３０と、燃料電池本体１０において発生した水を回収するとともに燃料供給部２０に水を供給する水回収供給部４０と、燃料電池システムの各部を制御する制御装置５０と、二次電池６０とを備える。

なお、ここでは、液体燃料として「メタノール水溶液」を使用し、メタノール水溶液から直接的にプロトンを取り出すことによって発電する燃料電池（直接型メタノール燃料電池：ＤＭＦＣ）を例に挙げて説明している。

＜＜発電部および電気回路＞＞
燃料電池本体１０は、アノード（燃料極）１０１と、アノード１０１に対向して配置されたカソード（空気極）１０２と、アノード１０１とカソード１０２との間に介在する膜電極組立体（ＭＥＡ）１０３とを含む。電気回路１１は、直列に接続された負荷抵抗１０４とスイッチ１０５とを含む。

アノード１０１は、電気回路１１の負荷抵抗１０４およびスイッチ１０５を介してカソード１０２に電気的に接続される。

アノードの吸入口１０１ａは、燃料供給部２０から供給された液体燃料（メタノール水溶液）を入力する。アノード１０１では、入力された液体燃料に対して酸化反応が生じる。すなわち、プロトンと電子とが取り出される反応（アノード反応）が生じる。アノード１０１において発生した電子は、電気回路１１を介してカソード１０２へ移動する。一方、アノード１０１において発生したプロトンは、膜電極組立体１０３を介してカソード１０２へ移動する。

アノードの排出口１０１ｂは、未反応の液体燃料やアノード反応による生成物（二酸化炭素）を排出する。

カソードの空気供給口１０２ａは、空気供給部３０から供給された空気を入力する。カソード１０２では、入力された空気に含まれる酸素とアノード１０１から膜電極組立体１０３を介して移動してきたプロトンとによって還元反応が生じる。すなわち、水が生成される反応（カソード反応）が生じる。

カソードの排出口１０２ｂは、カソード反応による生成物（水）や空気を排出する。ここで、水は、液相，気相，および液相と気相とが混在した状態のいずれの場合も含む。生成物には主成分として水が含まれるが、ギ酸，ギ酸メチル等も含まれる場合がある。また、メタノールが含まれる場合もある（所謂、クロスオーバー）。

このように、アノード１０１において酸化反応が生じ、カソード１０２において還元反応が生じて、電気回路１１に電流が流れることによって発電する。

〔燃料電池本体の形成方法〕
ここで、燃料電池本体１０の形成方法の一例について説明する。まず、電解質膜としてＤｕＰｏｎｔ社製の『ナフィオン１１７（登録商標）』を用いる。また、アノード１０１となるアノード触媒として電解質膜の一方の表面に炭素系粉末担体に白金とルテニウムを分散させて担持したもの（あるいは、白金とルテニウムの合金を分散させて担持したもの）を形成する。さらに、カソード１０２となるカソード触媒として電解質膜の他方の表面に炭素系担体に白金微粒子を分散担持したものを形成する。その後、カーボンペーパからなる拡散層をアノード触媒およびカソード触媒の各々に密着させて膜電極組立体１０３として形成する。さらに、その後に、膜電極組立体をセパレータを介してハウジングに固定することによって、燃料電池本体１０を形成することができる。

＜＜燃料供給部＞＞
燃料供給部２０は、燃料タンク２０１と、混合タンク２０２と、燃料タンク２０１と混合タンク２０２とを接続する燃料供給管（燃料用通路）２０３と、混合タンク２０２と燃料電池本体１０のアノードの吸入口１０１ａとを接続する混合燃料供給管（混合燃料用通路）２０４と、混合タンク２０２と燃料電池本体１０のアノードの排出口１０１ｂとを接続する排出管（排出用通路）２０５と、ガス抜きとして機能する排気管２０６とを含む。

燃料タンク２０１は、液体燃料（ここでは、液体燃料の原液）を収容する。詳しくは、例えば、燃料タンク２０１には、液体燃料が充填された樹脂袋が収納されている。液体燃料が排出されるとき、この樹脂袋の形状が変形する。このように、液体燃料が樹脂袋に充填されていることによって、液体燃料が排出されても樹脂袋内部に空気が入らず、燃料取入れ口には常に液体燃料が存在するので、燃料タンクが傾斜していても液体燃料を燃料タンクから排出することができる。なお、燃料タンク２０１は、単に、燃料取入れ口と空気導入工を有するケースであっても良い。

混合タンク２０２では、燃料タンク２０１から供給された液体燃料と水回収供給部４０から供給された水とが混合される。すなわち、混合タンク２０２は、液体燃料（原液）と水とが混合されることによって生成される混合燃料を収容している。

燃料供給管２０３には、燃料供給管２０３を通じて燃料タンク２０１に収容された液体燃料（原液）を混合タンク２０２へ供給するための燃料ポンプ（燃料供給装置）２０３ａと、燃料供給管２０３を連通／遮断するための自動弁２０３ｂとが設けられている。

混合燃料供給管２０４には、混合燃料供給管２０４を通じて混合タンク２０２に収容された混合燃料を燃料電池本体１０に供給するための混合燃料ポンプ（混合燃料供給装置）２０４ａが設けられている。

排出管２０５には、アノードの排出口１０２ｂから排出された未反応の混合燃料やアノード反応による生成物（二酸化炭素）が流れる。

排気管２０６には、気液分離膜２０６ａと、排気管２０６を連通／遮断するための弁２０６ｂとが設けられている。気液分離膜２０６ａは、例えば、テフロン（登録商標）製のシート等によって構成される。これにより、排出管２０５を介して混合タンク２０２に流れ込んだ二酸化炭素が外部に排気される。また、排気管２０６は、混合タンク２０２へ液体燃料（原液）を初期注入する際のガス抜きとしても機能する。

混合タンク２０２には、液面レベルセンサ２１１と、濃度センサ２１２とが設けられている。液面レベルセンサ２１１は、混合タンク２０２に収容された混合燃料の液面レベルを計測し、計測結果を液面レベル情報として出力する。濃度センサ２１２は、混合タンク２０２に収容された混合燃料の濃度を計測し、計測結果を濃度情報として出力する。

さらに、燃料供給管２０３には、燃料タンク２０１の中に液体燃料（原液）が残存しているか否かを判定する燃料有無判定器２１３が設けられている。燃料有無判定器２１３は、判定結果を燃料有無判定情報として出力する。燃料有無判定器２１３は、例えば、フォトインタラプターと透明な樹脂配管とによって構成される。フォトインタラプターの発光部からの光は、樹脂配管を通過してフォトインタラプターの受光部に到達する。燃料タンク２０１の中に液体燃料（原液）が残っている場合には、樹脂配管を介して液体燃料（原液）が流れるので、フォトインタラプターの発光部からの光は、受光部に到達する。これにより、フォトインタラプターからの出力は、例えば「２Ｖ」になる。一方、燃料タンク２０１の中に液体燃料（原液）が残っていない場合には液体燃料（原液）が流れないので、フォトインタラプターの発光部からの光は、樹脂配管で散乱してしまい受光部に到達できない。これにより、フォトインタラプターからの出力は「０Ｖ」になる。このように、燃料有無判定器２１３は、液体燃料（原液）が流れている場合には「燃料有り」と判定し、液体燃料（原液）が流れていない場合には「燃料無し」と判定する。

〔燃料ポンプの一例〕
燃料ポンプ２０３ａは、小型の容積型ポンプを用いることが好ましい。例えば、ソレノイド式ポンプ（逆止弁付き、吐出量：０〜４ｍｌ／分、吐出圧力：１０ｋＰａ）が好ましく、間欠駆動させることによって燃料タンク２０１から適量の液体燃料（原液）を供給することが好ましい。

＜＜空気供給部＞＞
空気供給部３０は、一方端が燃料電池本体１０のカソードの空気供給口１０２ａに接続され他方端が外部へ通じる空気供給管（酸素供給用通路）３０１を含む。空気供給管３０１には、空気供給管３０１を介して外部からの空気を燃料電池本体のカソード１０２へ供給するための空気ポンプ（酸素供給装置）３０１ａが設けられている。

〔空気ポンプの一例〕
空気ポンプ３０１ａは、小型で且つ消費電力が小さいものを用いることが好ましい。例えば、モータ式ポンプ（逆止弁付き、吐出量：４Ｌ／分、吐出圧力５０ｋＰａ）が好ましく、３Ｌ／分で空気を供給することが好ましい。

＜＜水回収供給部＞＞
水回収供給部４０は、水回収タンク（生成物回収容器）４０１と、水回収タンク４０１と燃料電池本体１０のカソードの排出口１０２ｂとを接続する水回収管（生成物回収通路）４０２と、水回収タンク４０１と混合タンク２０２とを接続する水供給管（生成物供給通路）４０３と、水回収管４０２を介して水と共に回収されたガス（空気）を排気するための排気口４０４とを含む。

水回収管４０２には、カソードの排出口１０２ｂから排出された生成物（水）や未反応の空気が流れる。

水供給管４０３には、水供給管４０３を介して水回収タンク４０１に収容された水を混合タンク２０２へ供給するための水ポンプ（生成物供給装置）４０３ａと、水供給管４０３を連通／遮断するための自動弁４０３ｂとが設けられている。

排気口４０４には、気液分離膜４０４ａが設けられている。これにより、水回収管４０２を介して水回収タンク４０１に流れ込んだ空気が外部に排気される。

＜＜制御装置＞＞
制御装置５０は、燃料有無判定器２１３からの燃料有無判定情報，液面レベルセンサ２１１からの液面レベル情報，および濃度センサ２１２からの濃度情報を受け取る。また、制御装置５０は、各ポンプおよび各自動弁を制御する。

ここで、制御装置５０による各ポンプおよび各自動弁の制御について説明する。

〔液体燃料の供給動作および空気の供給動作の制御〕
燃料電池本体１０による発電を実行するときには、制御装置５０は、空気ポンプ３０１ａおよび混合燃料ポンプ２０４ａを駆動させるとともに、自動弁２０３ｂを開放して燃料ポンプ２０３ａを駆動させる。一方、発電を停止するときには、制御装置５０は、空気ポンプ３０１ａおよび混合燃料ポンプ２０４ａを停止させるとともに、自動弁２０３ｂを閉止して燃料ポンプ２０３ａを停止させる。

〔混合タンクにおける濃度制御〕
また、制御装置５０は、混合タンクに収容された液体燃料の濃度が所望の濃度（例えば、制御装置５０に予め設定された所定の濃度範囲内）になるように、濃度センサ２１２からの濃度情報に基づいて、水ポンプ４０３ａの運転時間や自動弁４０３ｂの開閉を制御する。これにより、必要とされる量の水が水供給管４０３を介して水回収タンク４０１から混合タンク２０２へ供給される。

ここで、所定の濃度範囲とは、燃料電池本体１０によって必要な電力を発電することができるメタノール水溶液の濃度範囲（発電可能濃度範囲）であり、例えば、１０ｗｔ％〜１ｗｔ％（好ましくは、１０ｗｔ％〜３ｗｔ％）である。発電可能濃度範囲は、膜電極組立体１０３におけるクロスオーバー特性に起因する。したがって、クロスオーバー特性が向上されて膜電極組立体１０３を介してアノード１０１からカソード１０２へ供給されるメタノールの通過量が低減されれば、１０ｗｔ％以上の濃度範囲を発電可能濃度範囲とすることも可能である。

＜＜二次電池＞＞
二次電池６０は、制御装置５０，ポンプ２０３ａ，２０４ａ，３０１ａ，４０３ａ，自動弁２０３ｂ，４０３ｂ，液面レベルセンサ２１１，濃度センサ２１２，および燃料有無判定器２１３へ電力を供給する。これにより、燃料電池本体１０による発電が停止している場合でも、各装置は駆動することができる。

なお、本実施形態では、二次電池と燃料電池の出力を接続していない構成で説明している。ここで、燃料電池の出力を制御装置に接続して燃料電池が発電を開始すると燃料電池システムのポンプや自動弁等の補機の電源として燃料電池の電力を使用するようにしても良い。また、燃料電池の出力電力に余裕があるときは、二次電池に充電するように構成すると、より信頼性の高いシステムを提供することができる。

〔二次電池の一例〕
二次電池６０としては、例えば、小型で容量の小さなリチウムイオン電池が用いられる。また、電気二重層コンデンサや、太陽電池等を用いることも可能である。

＜動作＞
次に、図１に示した燃料電池システムによる動作について説明する。このシステムでは、燃料電池本体１０による発電を実行する処理（発電処理）と、発電処理を実行する前に燃料タンク２０１の中に液体燃料が残存しているか否かを確認する処理（燃料確認処理（発電前））と、発電処理中に燃料タンク２０１の中に液体燃料が残存しているか否かを確認する処理（燃料確認処理（発電中））とが実行される。

＜＜発電処理＞＞
まず、発電処理について説明する。

制御装置５０は、混合燃料ポンプ２０４ａおよび空気ポンプ３０１ａを駆動させる。これにより、燃料電池本体１０において、アノード１０１には液体燃料が供給され、カソード１０２には空気（酸素）が供給される。

燃料電池本体１０において発生した電圧が所定電圧に達すると、電気回路１１のスイッチ１０５がオンになり、アノード１０１とカソード１０２とが負荷抵抗１０４を介して電気的に接続される。

アノード１０１では、未反応の液体燃料やアノード反応によって生成された二酸化炭素が、排出口１０１ｂから排出管２０５を介して混合タンク２０２へ排出される。一方、カソード１０２では、未反応の空気やカソード反応によって生成された生成物（水等）が、排出口１０２ｂから水回収管４０２を介して水回収タンク４０１へ排出される。

また、制御装置５０は、混合タンク２０２における液体燃料の濃度が所望の濃度になるように、燃料ポンプ２０３ａ，自動弁２０３ｂと、水ポンプ４０３ａ，自動弁４０３ｂとを駆動させる。

さらに、制御装置５０は、液面レベルセンサ２１１からの液面レベル情報および濃度センサ２１２からの濃度情報に基づいて、燃料電池本体１０が混合タンク２０２に収容された液体燃料を使用して発電することが可能である時間（運転可能時間）を求める。ここで、制御装置５０は、運転可能時間を表示する表示部（例えば、モニター）を備えていても良い。これによれば、燃料タンクを取り替えるタイミングを把握することができる。

＜＜燃料確認処理（発電前）＞＞
次に、燃料確認処理（発電前）について説明する。

発電処理が実行される前に、制御装置５０は、燃料有無判定器２１３からの燃料有無判定情報を受け取る。燃料有無判定情報が「燃料有り」を示しているならば（燃料有無判定器２１３からの出力が、例えば「２Ｖ」であるならば）、制御装置５０は、発電処理へ移行する。

一方、燃料有無判定情報が「燃料無し」を示しているならば（燃料有無判定器２１３からの出力が「０Ｖ」であるならば）、制御装置５０は、自動弁２０３ｂを開放するとともに燃料ポンプ２０３ａを所定時間だけ駆動させる。この所定時間は、燃料タンク２０１の中に液体燃料が残存する場合に、燃料供給管２０３を通じて供給される液体燃料が、燃料有無判定器２１３が設けられた位置を通過するために要する時間よりも長ければ良い。

次に、制御装置５０は、燃料有無判定器２１３からの燃料有無判定情報を再度受け取る。ここで、燃料有無判定情報が「燃料有り」を示しているならば、制御装置５０は、発電処理を実行する。

一方、燃料有無判定情報が「燃料無し」を示しているならば、制御装置５０は、燃料タンクの交換を促す（例えば、「タンク交換」を促す表示をする）。このとき、制御装置５０は、発電処理を実行しない。燃料タンク２０１から液体燃料（原液）が供給されなくなると、混合タンク２０２の燃料濃度が低下し、燃料電池本体１０における発電電力が低下する。さらに、燃料濃度が低下すると、燃料電池本体１０が崩壊する可能性がある。

＜＜燃料確認処理（発電中）＞＞
図２を参照しつつ、燃料確認処理（発電中）について説明する。

〔ステップＳＴ１０１〕
発電処理中に、制御装置５０は、燃料有無判定器２１３からの燃料有無判定情報が「燃料無し」を示しているか否かを判断する。燃料有無判定情報が「燃料無し」を示すと、ステップＳＴ１０２へ進む。

〔ステップＳＴ１０２〕
次に、制御装置５０は、制限時間を設定するとともに、タイマーを始動させて経過時間の計測を開始する。制限時間は、液面レベルセンサ２１１からの液面レベル情報と濃度センサ２１２からの濃度情報とに基づいて求められる運転可能時間よりも短い時間であることが好ましい。

〔ステップＳＴ１０３〕
次に、制御装置５０は、経過時間が制限時間に達しているか否かを判断する。経過時間が制限時間に達している場合にはステップＳＴ１０４へ進み、そうでない場合にはステップＳＴ１０５へ進む。

〔ステップＳＴ１０４〕
次に、制御装置５０は、電気回路１１のスイッチ１０５をオフにするとともに、混合燃料ポンプ２０４ａおよび空気ポンプ３０１ａの駆動を停止する。これにより、燃料電池本体１０における発電が停止されて、発電処理が停止される。

〔ステップＳＴ１０５〕
一方、ステップＳＴ１０５において、経過時間が制限時間に達していないと判断すると、制御装置５０は、燃料有無判定器２１３からの燃料有無判定情報を参照する。ここで、燃料有無判定情報が「燃料有り」を示している場合にはステップＳＴ１０６へ進み、そうでない場合（液体燃料（原液）が補給されず、燃料有無判定情報が未だに「燃料無し」を示している場合）にはステップＳＴ１０３へ進む。

〔ステップＳＴ１０６〕
次に、制御装置５０は、液体燃料（原液）が補給されたものと判断して、タイマーを停止して経過時間の計測を停止する。次に、ステップＳＴ１０１へ進む。

＜効果＞
以上のように、液体燃料の残存を確認することによって、燃料電池本体に対して液体燃料を確実に供給することができるとともに、燃料電池システムを安全に停止させることができる。これにより、液体燃料の供給不具合による燃料電池本体の崩壊を防止することができる。

また、燃料タンク２０１に対して残存容量を確認するためのセンサを直接取り付けなくても良いので、燃料タンクの形状や構成を制限することなく、液体燃料の残存を確認することができる。

なお、電気回路１１は模式的に図示されているが、この電気回路１１の部分は、ノートパソコンやＤＶＤプレーヤー等の電子機器に置き換えても構わない。

また、制御装置５０が、燃料ポンプ２０３ａの駆動時間および駆動回数に基づいて、燃料タンク２０１に収容された液体燃料（原液）の残量を予測しても構わない。
（第２の実施形態）
＜構成＞
図３は、この発明の第２の実施形態による燃料電池システムの構成を示す。このシステムでは、燃料供給部２０は、タンク収納部２２１と、着脱判定器２２２とをさらに含む。その他の構成は図１と同様である。

タンク収納部２２１は、燃料タンク２０１を着脱可能に格納する。燃料タンク２０１は、タンク収納部２２１に対して着脱可能なカートリッジ式の容器である。燃料タンクに収容された液体燃料（原液）が消費されて空になると、その空になった燃料タンクを取り外し新たな燃料タンクを装着することによって、液体燃料（原液）を補給することができる。

着脱判定器２２２は、燃料タンク２０１がタンク収納部２２１に装着されているか否かを検出し、検出結果を着脱判定情報として制御装置５０へ出力する。着脱判定器２２２は、例えば、反射型フォトセンサである。発光部からの光が反射されてその反射光を受光部に届いた場合には「装着有り」と判定し、反射光が受光部に届かなかった場合には「装着無し」と判定する。また、着脱判定器２２２は、二次電池６０からの電力を受け取る。制御装置５０は、着脱判定器２２２からの着脱判定情報を受け取る。

＜動作＞
次に、図３に示した燃料電池システムによる動作について説明する。このシステムでは、図１に示した燃料電池システムによる処理に加えて、発電処理を実行する前に燃料タンク２０１が装着されているか否かを確認する処理（装着確認処理（発電前））と、発電処理中に燃料タンク２０１が装着されているか否かを確認する処理（装着確認処理（発電中））とが実行される。

＜＜装着確認処理（発電前）＞＞
まず、装着確認処理（発電前）について説明する。

発電処理が実行される前に、制御装置５０は、着脱判定器２２２からの着脱判定情報を受け取る。着脱判定情報が「装着有り」を示しているならば、制御装置５０は、燃料確認処理（発電前）を実行する。

一方、着脱判定情報が「装着無し」を示しているならば、制御装置５０は、燃料タンクが装着されていないことを示す警告（例えば、エラー表示）を発するとともに、燃料確認処理（発電前）および発電処理を実行しない。

＜＜装着確認処理（発電中）＞＞
図４を参照しつつ、装着確認処理（発電中）について説明する。

〔ステップＳＴ２０１〕
発電処理中に、制御装置５０は、着脱判定器２２２からの着脱判定情報が「装着無し」を示しているか否かを判断する。着脱判定情報が「装着無し」を示すと、ステップＳＴ２０２へ進む。

〔ステップＳＴ２０２〕
次に、制御装置５０は、制限時間を設定するとともに、タイマーを始動させて経過時間の計測を開始する。制限時間は、液面レベルセンサ２１１からの液面レベル情報と濃度センサ２１２からの濃度情報とに基づいて求められる運転可能時間よりも短い時間であることが好ましい。

〔ステップＳＴ２０３〕
次に、制御装置５０は、経過時間が制限時間に達しているか否かを判断する。経過時間が制限時間に達している場合にはステップＳＴ２０４へ進み、そうでない場合にはステップＳＴ２０５へ進む。

〔ステップＳＴ２０４〕
次に、制御装置５０は、電気回路１１のスイッチ１０５をオフにするとともに、混合燃料ポンプ２０４ａおよび空気ポンプ３０１ａの駆動を停止する。これにより、燃料電池本体１０における発電が停止されて、発電処理が停止される。

〔ステップＳＴ２０５〕
一方、ステップＳＴ１０５において、経過時間が制限時間に達していないと判断すると、制御装置５０は、着脱判定器２２２からの着脱判定情報を参照する。ここで、着脱判定情報が「装着有り」を示している場合にはステップＳＴ２０６へ進み、そうでない場合（燃料タンク２０１が装着されておらず、着脱判定情報が未だに「装着無し」を示している場合）にはステップＳＴ２０３へ進む。

〔ステップＳＴ２０６〕
次に、制御装置５０は、燃料タンク２０１が装着されたものと判断して、タイマーを停止して経過時間の計測を停止する。次に、ステップＳＴ２０１へ進む。

＜効果＞
以上のように、燃料タンクの着脱を確認することによって、燃料電池本体に対して液体燃料を確実に供給することができるとともに、燃料電池システムを安全に停止させることができる。これにより、液体燃料の供給不具合による燃料電池本体の崩壊を防止することができる。

以上説明したように、本発明は、燃料電池による発電を制御する燃料電池システム等として有用である。

この発明の第１の実施形態による燃料電池システムの構成を示す模式図。図１に示した燃料電池システムによる燃料確認処理について説明するためのフローチャート。この発明の第２の実施形態による燃料電池システムの構成を示す模式図。図２に示した燃料電池システムによる着脱確認処理について説明するためのフローチャート。

符号の説明

１０燃料電池本体（発電部）
２０燃料供給部
３０空気供給部
４０水回収供給部
５０制御装置
６０二次電池
１０１アノード
１０２カソード
１０３膜電極組立体
１０４負荷抵抗
１０５スイッチ
２０１燃料タンク
２０２混合タンク
２０３燃料供給管
２０３ａ燃料ポンプ
２０３ｂ，２０４ｂ，４０３ｂ自動弁
２０４混合燃料供給管
２０４ａ混合燃料ポンプ
２０５排出管
２０６排気管
２０６ａ，４０４ａ気液分離膜
２０６ｂ弁
２１１液面レベルセンサ
２１２濃度センサ
２１３燃料有無判定器
３０１空気供給管
３０１ａ空気ポンプ
４０１水回収タンク
４０２水回収管
４０３水供給管
４０３ａ水ポンプ
４０４排気口
２２１タンク収納部
２２２着脱判定部

Claims

アノードと、前記アノードに対向して配置されたカソードと、前記アノードと前記カソードと間に介在する膜電極組立体とを有する燃料電池本体と、
液体燃料を収容する燃料タンクと、前記燃料タンクから供給された液体燃料と水とが混合されることによって生成される混合燃料を収容する混合タンクとを有し、前記燃料タンクと混合タンクとの間の燃料供給管に設けられた燃料ポンプによって前記燃料タンクに収容された液体燃料を前記混合タンクに供給するとともに、前記混合タンクに収容された混合燃料を前記燃料電池本体に供給する燃料供給部と、
前記燃料供給管に設けられ、前記燃料タンクの中に液体燃料が残存しているか否かを判定し、燃料の有無の判定結果を示した燃料有無判定情報を出力する燃料有無判定器と、
制御装置とを備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記混合タンクに収容された混合燃料が前記燃料電池本体に供給されるように前記燃料供給部を制御する発電処理を実行する前に、前記燃料有無判定器から燃料有無判定情報を受け取り、前記燃料有無判定器から受け取った燃料有無判定情報が燃料有りを示す場合、前記発電処理を実行する一方、前記燃料有無判定器から受け取った燃料有無判定情報が燃料無しを示す場合、前記燃料供給部の燃料ポンプを所定時間だけ駆動させ、前記所定時間の経過後に前記燃料有無判定器から燃料有無判定情報を再度受け取り、前記燃料有無判定器から再度受け取った燃料有無判定情報が燃料有りを示す場合、前記発電処理を実行する一方、前記燃料有無判定器から再度受け取った燃料有無判定情報が燃料無しを示す場合、前記燃料タンクの交換を促すとともに前記発電処理を実行しない
ことを特徴とする燃料電池システム。