JP5221863B2

JP5221863B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5221863B2
Application number: JP2006274594A
Authority: JP
Inventors: 竜治河野; 誠北野; みゆき福士
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Filing date: 2006-10-06
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Description

本発明は、液体燃料が供給されることで発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

近年、ＤＭＦＣ（Direct Methanol Fuel Cell：直接メタノール型燃料電池）等の燃料電池が盛んに開発されている。ＤＭＦＣは、電解質膜をアノード（燃料極）及びカソード（空気極）で挟んでなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）を備えている。そして、アノードにメタノール水溶液（液体燃料）が、カソードに酸素を含む空気（酸化剤ガス）が、それぞれ供給されることによって、ＭＥＡつまりＤＭＦＣが発電する。

ＤＭＦＣを構成するＭＥＡ４１のアノード４３では式（１）に示す電極反応が起こり、カソード４４では式（２）に示す電極反応が起こる（図１参照）。したがって、アノード４３では、燃料成分であるメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）と水（Ｈ_２Ｏ）とが１：１のモル比で消費されるため、理論的には、アノード４３にメタノール濃度（燃料濃度）が６４ｗｔ％（質量％）のメタノール水溶液を供給すればよいことになる。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）

しかし、実際には、図１に示すように、電極反応に関与せずに、メタノールがアノード４３からカソード４４に透過したり（これをクロスオーバーという）、電解質膜４２内をカソード４４に向かって移動するプロトン（Ｈ^＋）に付随して水（これを随伴水という）が移動したりする。したがって、アノード４３では、メタノール及び水が式（１）に従って消費されず、メタノール及び水の消費量は理論値と差異が生じ、その結果として、メタノール濃度が適切に維持されなかった。
そこで、式（２）に従ってカソード４４で生成する生成水と、メタノール水溶液とを混合して適正な濃度とした後、アノード４３に供給する技術が提案されている（特許文献１）。
特開２００４−３１９４９４号公報（００１４〜００２３、図１）

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ＤＭＦＣの発電開始時には、カソードにおける生成水が存在しないため、適正な濃度に制御できないという不都合があった。

そこで、本発明は、ＤＭＦＣ等の燃料電池に供給される液体燃料の燃料濃度を、常に制御可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、目標燃料濃度よりも高い第１燃料濃度の第１液体燃料が封入された第１カートリッジと、目標燃料濃度以下の第２燃料濃度の第２液体燃料が封入された第２カートリッジと、前記第１カートリッジからの第１液体燃料と、前記第２カートリッジからの第２液体燃料とを混合し、目標燃料濃度の目標濃度液体燃料を調製する混合器と、前記混合器からの目標濃度液体燃料と、酸化剤ガスとが供給されることで発電する燃料電池と、を備えたことを特徴とする燃料電池システムである。

本発明によれば、ＤＭＦＣ等の燃料電池に供給される液体燃料の燃料濃度を、常に制御可能な燃料電池システムを提供することができる。

≪本発明の概念≫
まず、本発明の概念を説明する。ＤＭＦＣ４０（図４参照）が発電すると、これを構成するＭＥＡ４１のアノード４３では式（１）、カソード４４では式（２）に示す電極反応がそれぞれ起こる。よって、アノード４３では理論的には、メタノールと水とがモル比において１：１で消費される。
さらに、図１に示すように、メタノールのクロスオーバーと、随伴水の移動が起こる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）

ここで、アノード４３におけるメタノールの消費量（ｇ）とメタノール水溶液全体の消費量（ｇ）との比（これをマスバランス（ｗｔ％）という）は、式（３）で示される。さらに、メタノールのクロスオーバーと随伴水とを考慮すると、式（３）は式（４）に展開される。

したがって、式（４）によれば、クロスオーバー量が多くなれば、マスバランスが大きくなり、随伴水量が多くなれば、マスバランスが小さくなる傾向を有している。
詳細には、マスバランスは、図２に示すように、ＭＥＡの特性（電解質膜４２の輸率、含水量、厚さ、イオン交換容量等）や、ＤＭＦＣ４０に導入するメタノール水溶液のメタノール濃度に依存する。すなわち、例えば、メタノール濃度が高くなると、クロスオーバー量が多くなり（メタノール漏れの増加）、式（４）に従って、マスバランスが大きくなる。
なお、図２において、例えば、「ＭＥＡ−Ｂ」に、メタノール濃度が１０（ｗｔ％）のメタノール水溶液を導入すれば、マスバランスが３７．９（ｗｔ％）になることを示す。

よって、メタノールのロスを抑えるため、クロスオーバー量が少なくなるマスバランスを設定し、使用するＭＥＡの特性に基づいて、ＤＭＦＣ４０に導入するメタノール水溶液の濃度（これを目標濃度Ｃ０とする）に設定すれば、クロスオーバーによるメタノールのロスを抑えつつ、ＤＭＦＣ４０を良好に発電させることが可能となる。

また、発明者らは、図３に示すように、メタノール濃度が１０（ｗｔ％）のメタノール水溶液を導入した場合、マスバランスが３７．９（ｗｔ％）となるＭＥＡ−Ｂ（図２参照）に対して、メタノール濃度が３７．９（ｗｔ％）のメタノール水溶液（３０００ｇ）が封入された１つのカートリッジ（「分割なし」に対応）から、メタノール水溶液を導入した場合、メタノール濃度が３７．９（ｗｔ％）のメタノール水溶液がそのまま導入されることになるので、クロスオーバー量が増加し、約３０００秒後に、メタノール水溶液の残量が約１０００（ｇ）残っているにも関わらず、メタノール濃度が０（ｗｔ％）に低下し、ＤＭＦＣ４０が発電不能となるという試験結果を得た。

これに対して、２つのカートリッジを使用し（「分割あり」に対応）、この２つのカートリッジに、合算した場合、メタノール濃度が３７．９（ｗｔ％）となり、その総量が３０００（ｇ）となるメタノール水溶液を小分けして封入すると共に、一方のカートリッジのメタノール濃度を目標濃度Ｃ０以下に設定し、他方のカートリッジのメタノール濃度を目標濃度Ｃ０よりも高く設定し（例えば、一方を０（ｗｔ％）、他方を１００（ｗｔ％））、これら２つのカートリッジから適宜な混合器にメタノール水溶液（及び水）を供給し、この混合器において目標濃度Ｃ０に等しい１０（ｗｔ％）のメタノール水溶液を調製し、この１０（ｗｔ％）のメタノール水溶液をＤＭＦＣ４０に導入した場合、２つのカートリッジを合算した場合におけるメタノール濃度が０になると同時に、合算した場合における総残量が０になり、ＤＭＦＣ４０の発電時間が、約４１０００秒に延びるという試験結果を得た。

以上より、メタノールのロス量等に基づいて決定されるマスバランス（ｗｔ％）と、ＭＥＡの特性とに基づいて、目標濃度Ｃ０（ＤＭＦＣ４０に導入するメタノール水溶液のメタノール濃度）を決定し、合算した場合にマスバランス（ｗｔ％）となるメタノール水溶液を２つのカートリッジに分割すると共に、一方のカートリッジのメタノール濃度を目標濃度Ｃ０以下に、他方のカートリッジのメタノール濃度を目標濃度Ｃ０よりも高く設定し、２つのカートリッジからのメタノール水溶液（及び水）によって、目標濃度Ｃ０のメタノール水溶液を調製し、これをＤＭＦＣ４０に導入すれば、クロスオーバーによるメタノールのロスを抑えつつ、ＤＭＦＣ４０を効率的に発電させることができるという知見を得た。
以下の実施形態において、このような知見を実施することができるＤＭＦＣシステムを説明する。

≪第１参考形態≫
次に、第１参考形態に係るＤＭＦＣシステム１（燃料電池システム）について、図４を参照して説明する。

＜ＤＭＦＣシステムの構成＞
図４に示すように、ＤＭＦＣシステム１は、高濃度カートリッジ１１（第１カートリッジ）と、水カートリッジ２１と、混合タンク３１（混合器）と、ＤＭＦＣ４０（燃料電池）とを主に備えている。
なお、第１参考形態及び後記する第１実施形態、第２〜３参考形態では、ＤＭＦＣ４０のアノード４３に、メタノール濃度が目標濃度Ｃ０（目標燃料濃度）であるメタノール水溶液を導入する場合を例示する。

高濃度カートリッジ１１は、その内部に、濃度Ｃ１１（ｗｔ％）（Ｃ０＜Ｃ１１≒１００、第１燃料濃度）のメタノール水溶液（第１液体燃料）が封入されている。このような高濃度カートリッジ１１は、ＤＭＦＣシステム１のドック（図示しない）に着脱自在に装着されるようになっている。

また、高濃度カートリッジ１１と水カートリッジ２１とは、例えば、その形状や配管１１ａ、２１ａとアダプタの形状等が異なっており（誤装着防止手段）、誤装着されないようになっている。なお、後記する高濃度カートリッジ１４と、低濃度カートリッジ２４又は目標濃度カートリッジ２５との間においても（図５〜図８参照）、同様に誤装着が防止されている。

そして、高濃度カートリッジ１１が装着された状態で、後記するポンプ３４の作動中において、コントローラ６０によって開閉弁１３が開かれると、ポンプ３４の吸引力によって、チェック弁１２が開き、高濃度カートリッジ１１から、配管１１ａ、開閉弁１３、配管１３ａを介して、濃度Ｃ１１のメタノール水溶液が混合タンク３１に供給されるようになっている。また、開閉弁１３の開弁時間や開度を調整することによって、混合タンク３１に供給される濃度Ｃ１１のメタノール水溶液の量が制御されるようになっている。

なお、チェック弁１２は、高濃度カートリッジ１１から外部へのメタノール水溶液の漏れを防止すると共に、ポンプ３４の吸引力によって、メタノール水溶液を速やかに流出させるためのものであり、チェック弁１２に代えて、例えば、メタノール水溶液は透過しないが、空気は透過する半透膜を設けてもよい。後記するチェック弁２２についても同様である。
また、開閉弁１３及び開閉弁２３は、通常、閉じており、コントローラ６０によって、混合タンク３１内のメタノール水溶液の量や、濃度センサ３３で検出されるメタノール濃度に対応して、例えば断続的に開かれる。さらに、開閉弁１３、２３、ポンプ３４、コントローラ６０等の補機類は、ＤＭＦＣ４０や蓄電装置（図示しない）を電源として作動する。

水カートリッジ２１は、その内部に、純水（脱イオン水が望ましい）が封入されている。つまり、水カートリッジ２１内のメタノールの濃度Ｃ２１は０（ｗｔ％）である。このような水カートリッジ２１は、高濃度カートリッジ１１と同様、ＤＭＦＣシステム１のドック（図示しない）に着脱自在に装着されるようになっている。

そして、水カートリッジ２１が装着された状態で、ポンプ３４の作動中において、開閉弁２３が開かれると、ポンプ３４の吸引力によって、チェック弁２２が開き、水カートリッジ２１から、配管２１ａ、開閉弁２３、配管２３ａを介して、水が混合タンク３１に供給されるようになっている。また、開閉弁２３の開弁時間や開度を調整することによって、混合タンク３１に供給される水の量が制御されるようになっている。

混合タンク３１は、高濃度カートリッジ１１からの濃度Ｃ１１のメタノール水溶液と、水カートリッジ２１からの水とを混合するタンクである。よって、開閉弁１３、２３が適宜に開かれ、所定量比の濃度Ｃ１１のメタノール水溶液と、水とが混合タンク３１に供給されると、混合タンク３１において、目標濃度Ｃ０のメタノール水溶液（目標濃度液体燃料）が調製されるようになっている。

また、混合タンク３１には、その内部のメタノール水溶液の量を検出する液量センサ３２が設けられている。液量センサ３２はコントローラ６０と接続されており、コントローラ６０は混合タンク３１内のメタノール水溶液の量を検知するようになっている。

そして、ポンプ３４がコントローラ６０の指令に従って作動すれば、混合タンク３１の目標濃度Ｃ０のメタノール水溶液が、配管３１ａ、濃度センサ３３、配管３３ａ、ポンプ３４、配管３４ａを介して、ＤＭＦＣ４０（ＭＥＡ４１）のアノード４３に供給されるようになっている。

濃度センサ３３は、ＤＭＦＣ４０に導入されるメタノール水溶液のメタノール濃度を検出するセンサであり、例えば、京都電子工業社製のＥＭＳ−１００を使用することができる。そして、濃度センサ３３は、コントローラ６０と接続されており、コントローラ６０は、ＤＭＦＣ４０に導入されるメタノール水溶液のメタノール濃度を検知するようになっている。

ＤＭＦＣ４０は、メタノール水溶液（詳細には、混合タンク３１からの目標濃度Ｃ０のメタノール水溶液）と、酸素を含む空気とが供給されることで発電する燃料電池である。このようなＤＭＦＣ４０は、例えば、複数のＭＥＡ４１（図１参照）が、メタノール水溶液又は酸素を含む空気が流れる流路が形成されたセパレータ（図示しない）を介して積層されたスタック型ものである。
なお、ＭＥＡ４１のカソード４４には、例えば、ファン（図示しない）によって、空気が供給されるようになっている。

ＤＭＦＣ４０のアノード４３側の出口は、配管４３ａ、フィルタ５１、配管５１ａ、脱気装置５２、配管５２ａを介して、混合タンク３１に接続されている。そして、ＤＭＦＣ４０のアノード４３から排出された排出メタノール水溶液（排出液体燃料）が、これらを介して、混合タンク３１に戻され、混合タンク３１で混合された後、再び、ＤＭＦＣ４０に供給され、メタノール水溶液が循環するようになっている。すなわち、配管４３ａ、５１ａ、５２ａ等によって、排出メタノール水溶液を混合タンク３１に戻す排出液体燃料ラインが構成されている。

なお、フィルタ５１は、メタノール水溶液中の塵等を取り除くものである。
また、脱気装置５２は、メタノール水溶液から、アノード４３における電極反応によって生成した二酸化炭素を取り除く装置である。このような脱気装置５２は、例えば、二酸化炭素を選択的に透過する二酸化炭素分離膜を内蔵している。

コントローラ６０は、ＤＭＦＣシステム１を電子制御する装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。

＜ＤＭＦＣシステムの作用効果＞
このようなＤＭＦＣシステム１によれば、主に以下の作用効果を得ることができる。
コントローラ６０が、ポンプ３４を作動させつつ、適宜に開閉弁１３及び開閉弁２３を開くことにより、混合タンク３１において目標濃度Ｃ０のメタノール水溶液を調製することができる。そして、目標濃度Ｃ０のメタノール水溶液をＤＭＦＣ４０のアノード４３に供給することができる。つまり、システムの起動時であって、発電開始時（システム起動時）でも、目標濃度Ｃ０のメタノール水溶液をアノード４３に導入することができる。

また、ＤＭＦＣ４０の発電が進み、液量センサ３２によって混合タンク３１内のメタノール水溶液の量が低下したことが検出された場合、コントローラ６０が適宜に開閉弁１３及び開閉弁２３を開くことにより、混合タンク３１で再び目標濃度Ｃ０のメタノール水溶液を調製し、これをＤＭＦＣ４０に導入することができる。

さらに、排出メタノール水溶液等によって、濃度センサ３３でＤＭＦＣ４０に導入されるメタノール水溶液の濃度が目標濃度Ｃ０を下回ったこと検出された場合、コントローラ６０が開閉弁１３を開くことにより、メタノール濃度を目標濃度Ｃ０に高めることができる。この場合、例えば、現在のメタノール濃度と、混合タンク３１内のメタノール水溶液の量と、に基づいて開閉弁１３の開時間を制御する。

さらにまた、コントローラ６０によって、開閉弁１３、２３の開時間（開閉弁１３、２３に送られる開弁信号／閉弁信号のデューティー比）や、流量センサ（図示しない）で混合タンク３１へのメタノール水溶液、水の流量をモニタリングすることによって、混合タンク３１に投入後に調製されるメタノール水溶液のメタノール濃度を算出することができる。このようなメタノール濃度の算出は、瞬時的、累積的のいずれにおいても実行することができる。

このようにして、発電開始時を含めて、メタノール濃度が極端に高いメタノール水溶液が、アノード４３に導入されることは防止される。よって、ＤＭＦＣ４０の発電に寄与しないメタノールのクロスオーバー量が抑えられる。ゆえに、メタノールが有効に消費されることになり、ＤＭＦＣ４０の発電継続時間が長くなる。また、メタノールがクロスオーバーした場合におけるカソード４４での発熱反応や、クロスオーバーによる電解質膜４２等の劣化も抑えることができ、ＤＭＦＣ４０の耐久性も高くなる。

また、満タン時における、高濃度カートリッジ１１内のメタノール水溶液と、水カートリッジ２１内の水とを混合した場合、目標濃度Ｃ０のメタノール溶液が調製されるように、高濃度カートリッジ１１及び水カートリッジ２１の満タン容量をそれぞれ構成すれば、アノード４３から排出された排出メタノール水溶液による影響を除外すると仮定した場合、両カートリッジの残量が同時にゼロになる。よって、ＤＭＦＣシステム１のユーザーは、高濃度カートリッジ１１と水カートリッジ２１とを同時に交換することができ、カートリッジ交換に伴う煩雑度を低減することができる。なお、このような構成は、後記する高濃度カートリッジ１４と低濃度カートリッジ２４との関係においても同様である。

≪第１実施形態≫
次に、第１実施形態に係るＤＭＦＣシステム２について、図５を参照して、第１参考形態と異なる部分を主に説明する。

＜ＤＭＦＣシステムの構成＞
図２に示すように、ＤＭＦＣシステム２は、高濃度カートリッジ１１（Ｃ１１≒１００）に代えて、高濃度カートリッジ１４（Ｃ０＜Ｃ１４＜１００、第１燃料濃度）を、水カートリッジ２１（Ｃ２１＝０）に代えて、低濃度カートリッジ２４（０＜Ｃ２４≦Ｃ０、第２燃料濃度）を備えている。なお、高濃度カートリッジ１４及び低濃度カートリッジ２４は、いずれも、ＤＭＦＣシステム２のドック（図示しない）に着脱自在に装着されるようになっている。

高濃度カートリッジ１１（第１カートリッジ）は、その内部に、濃度Ｃ１４（ｗｔ％）のメタノール水溶液（第１液体燃料）が封入されている。低濃度カートリッジ２４（第２カートリッジ）は、その内部に、濃度Ｃ２４（ｗｔ％）のメタノール水溶液（第２液体燃料）が封入されている。

また、ＤＭＦＣ４０のカソード４４の出口は、配管４４ａ、凝縮器６１、配管６１ａ、ポンプ６２、配管６２ａを介して、混合タンク３１に接続されている。凝縮器６１は、カソード４４から排出されたオフガス（酸化剤ガス）を冷却することによって、カソード４４での電極反応により生成し、前記オフガスに同伴する水蒸気（生成水）を凝縮（液化）させる機器である。そして、コントローラ６０の指令に従ってポンプ６２が作動すれば、凝縮器６１で凝縮し貯溜した生成水が、配管６２ａを混合タンク３１に供給されるようになっている。すなわち、配管４４ａ、６１ａ、６２ａ等によって、生成水を混合タンク３１に供給する生成水供給ラインが構成されている。

これにより、後記するように、低濃度カートリッジ２４の濃度Ｃ２４を目標濃度Ｃ０に設定し、低濃度カートリッジ２４から混合タンク３１にメタノール水溶液を導入した後、低濃度カートリッジ２４からメタノール水溶液を導入しない構成であっても、循環するメタノール水溶液の総量が維持されやすくなっている。
なお、このような生成水供給ラインは、第１参考形態や、後記する第２、第３参考形態と適宜に組み合わせてもよいことは言うまでもない。

＜ＤＭＦＣシステムの作用効果＞
このようなＤＭＦＣシステム２によれば、主に以下の作用効果を得ることができる。
高濃度カートリッジ１４の濃度Ｃ１４がＣ０＜Ｃ１４＜１００（ｗｔ％）の範囲であり、第１参考形態に係る高濃度カートリッジ１１の濃度Ｃ１１（Ｃ１１≒１００）よりも低くなるため、例えば、開閉弁１３に内蔵されるシールがメタノールによって劣化しにくくなり、その結果として、その耐久性及びシステムの安全性が高まる。

また、高濃度カートリッジ１４の濃度Ｃ１４がＣ０＜Ｃ１４＜１００（ｗｔ％）の範囲であり、低濃度カートリッジ２４の濃度Ｃ２４が０＜Ｃ２４≦Ｃ０（ｗｔ％）の範囲であるため、高濃度カートリッジ１４と低濃度カートリッジ２４との大きさの差を、第１参考形態における高濃度カートリッジ１１と水カートリッジ２１との大きさの差よりも、小さくすることができる

さらに、低濃度カートリッジ２４の濃度Ｃ２４を目標濃度Ｃ０とした場合、ＤＭＦＣ４０へのメタノール水溶液の初回導入時において、低濃度カートリッジ２４から濃度Ｃ２４（＝Ｃ０）のメタノール水溶液を、そのまま導入することができる。すなわち、初回導入時は、高濃度カートリッジ１４から、濃度Ｃ１４のメタノール水溶液を混合タンク３１に供給する必要はなく、開閉弁１３を開く必要はない。

さらにまた、濃度Ｃ２４を目標濃度Ｃ０した場合における低濃度カートリッジ２４に封入するメタノール水溶液の量（低濃度カートリッジ２４の容量）は、混合タンク３１等がメタノール水溶液で適度に満たされ、メタノール水溶液が循環する量に設定することが好ましい。
このように設定すれば、初回投入後、発電するＤＭＦＣ４０よってメタノールが消費され、循環するメタノール水溶液の量と、そのメタノール濃度とが低下した場合、高濃度カートリッジ１４から濃度Ｃ１４のメタノール水溶液を混合タンク３１に供給することによって、循環するメタノール水溶液の量とメタノール濃度とを回復させることができる。
これにより、初回投入後は、開閉弁２３を開く必要はなく、さらに、循環するメタノール水溶液の量及びメタノール濃度に対応して、開閉弁１３を開くのみであるから、開閉弁１３及び開閉弁２３における消費電力を抑えることができ、ＤＭＦＣシステム２の発電効率が高くなる。

≪第２参考形態≫
次に、第２参考形態に係るＤＭＦＣシステム３について、図６を参照して、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。

＜ＤＭＦＣシステムの構成＞
ＤＭＦＣシステム３は、低濃度カートリッジ２４（０＜Ｃ２４≦Ｃ０）に代えて、目標濃度カートリッジ２５（混合器）を備えている。目標濃度カートリッジ２５は、ＤＭＦＣシステム３のドック（図示しない）に着脱自在に装着され、その内部に、目標濃度Ｃ０に等しい濃度Ｃ２５（ｗｔ％）のメタノール水溶液（目標濃度液体燃料）が封入されている。

ＤＭＦＣシステム３は、混合タンク３１（図５参照）を備えておらず、開閉弁２３の下流端は濃度センサ３３に接続されている。
したがって、第１実施形態において低濃度カートリッジ２４の濃度Ｃ２４を目標濃度Ｃ０とした場合と同様に、ＤＭＦＣ４０の発電開始時において、目標濃度カートリッジ２５から目標濃度Ｃ０（＝Ｃ２５）のメタノール水溶液が、そのまま、ＤＭＦＣ４０に供給されるようになっている。

また、配管１３ａの下流端と、配管５２ａの下流端とは、目標濃度カートリッジ２５に接続されている。したがって、高濃度カートリッジ１４（第３カートリッジ）の濃度Ｃ１４（Ｃ０＜Ｃ１４＜１００、第３燃料濃度）のメタノール水溶液（第３液体燃料）と、ＤＭＦＣ４０から排出された排出メタノール水溶液とは、目標濃度カートリッジ２５に供給され、目標濃度カートリッジ２５において混合されるようになっている。

＜ＤＭＦＣシステムの作用効果＞
このようなＤＭＦＣシステム３によれば、主に以下の作用効果を得ることができる。
混合タンク３１を備えないので、ＤＭＦＣシステム３の構成が簡易となり、システム構成がコンパクトになる。
また、ＤＭＦＣ４０の発電が進み、ＤＭＦＣ４０に導入されるメタノール水溶液のメタノール濃度が低下した場合、高濃度カートリッジ１４から濃度Ｃ１４（Ｃ０＜Ｃ１４＜１００）のメタノール水溶液を、目標濃度カートリッジ２５に添加することによって、メタノール濃度を高めることができる。

≪第３参考形態≫
次に、第３参考形態に係るＤＭＦＣシステム４について、図７及び図８を参照して、第２参考形態と異なる部分を主に説明する。

＜ＤＭＦＣシステムの構成＞
ＤＭＦＣシステム４は、脱着センサ３５と、三方弁５３と、バッファタンク５４とをさらに備えている。
脱着センサ３５は、ＤＭＦＣシステム４のドック（図示しない）に着脱自在に装着される目標濃度カートリッジ２５の装着／着脱（脱離）状態を検出するセンサであって、適所に設けられている。そして、脱着センサ３５はコントローラ６０と接続されており、コントローラ６０は目標濃度カートリッジ２５の着脱状態を検知するようになっている。

三方弁５３は、排出液体燃料ラインを構成する配管５２ａに設けられている。そして、三方弁５３は、配管５３ａを介して、配管２３ａに接続されている。また、三方弁５３は、コントローラ６０と接続されており、コントローラ６０によって、アノード４３から排出されたメタノール水溶液の流通方向が制御されるようになっている。

詳細には、コントローラ６０が、脱着センサ３５を介して、目標濃度カートリッジ２５が装着されていることを検知した場合、排出メタノール水溶液が目標濃度カートリッジ２５に向かうように、三方弁５３を制御する構成となっている（図７参照）。一方、コントローラ６０が、脱着センサ３５を介して、目標濃度カートリッジ２５が脱着（脱離）されていることを検知した場合、排出メタノール水溶液が目標濃度カートリッジ２５を迂回し、配管２３ａに向かうように、三方弁５３を制御する構成となっている（図８参照）。

すなわち、第３参考形態において、排出メタノール水溶液を、目標濃度カートリッジ２５（混合器）を迂回させて、ＤＭＦＣ４０の上流側に戻す迂回ラインは、配管５３ａによって構成されている。そして、排出メタノール水溶液の配管５３ａ（迂回ライン）への流通を許容する許容手段は、脱着センサ３５と三方弁５３とコントローラ６０とを備えて構成されている。
ただし、許容手段はこのような構成に限定されず、例えば、配管５２ａと配管５３ａに開閉弁をそれぞれ設け、これらを適宜に開閉させる構成としてもよい。また、許容手段のうち、目標濃度カートリッジ２５の装着／脱着状態と、三方弁５３とを連動させる構成についても、例えば、目標濃度カートリッジ２５を取り外した場合（脱着状態）、図示しない連動アームを介して、三方弁５３が作動するような機械的構成であってもよい。

バッファタンク５４は、脱気装置５２と三方弁５３との間の配管５２ａ（迂回時におけるライン上）に設けられている。バッファタンク５４には、排出メタノール水溶液が貯溜されるようになっており、その容量は、目標濃度カートリッジ２５の交換等によって目標濃度カートリッジ２５が取り外され、目標濃度カートリッジ２５を迂回する迂回時において、排出メタノール水溶液が好適に循環する量に設定されている。

＜ＤＭＦＣシステムの作用効果＞
このようなＤＭＦＣシステム４によれば、主に以下の作用効果を得ることができる。
目標濃度カートリッジ２５を交換するため、目標濃度カートリッジ２５が取り外された状態において、バッファタンク５４内の排出メタノール水溶液が、配管５３ａ（迂回ライン）を介してアノード４３に供給される、つまり、循環するので、ＤＭＦＣ４０の発電を継続させることができる。

以上、本発明の好適な各実施形態について説明したが、本発明は前記各実施形態に限定されず、各実施形態の構成を適宜組み合わせてもよいし、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更してもよい。

ＤＭＦＣのＭＥＡにおける物質の移動状況を模式的に示す図である。ＤＭＦＣに供給するメタノール水溶液のメタノール濃度と、アノードにおけるマスバランスとの関係を示すグラフである。メタノール水溶液の分割供給の有無の場合における燃料残量と燃料濃度との経時変化を示すグラフである。第１参考形態に係るＤＭＦＣシステムの構成を示す図である。第１実施形態に係るＤＭＦＣシステムの構成を示す図である。第２参考形態に係るＤＭＦＣシステムの構成を示す図である。第３参考形態に係るＤＭＦＣシステムの構成を示す図であり、目標濃度カートリッジの装着状態を示す。第３参考形態に係るＤＭＦＣシステムの構成を示す図であり、目標濃度カートリッジの脱着状態を示す。

符号の説明

１、２、３、４ＤＭＦＣシステム（燃料電池システム）
１１高濃度カートリッジ（第１カートリッジ）
１４高濃度カートリッジ（第１カートリッジ、第３カートリッジ）
２１水カートリッジ
２４低濃度カートリッジ（第２カートリッジ）
２５目標濃度カートリッジ（混合器）
３１混合タンク（混合器）
３５脱着センサ
４０ＤＭＦＣ（燃料電池）
４１ＭＥＡ
４２電解質膜
４３アノード
４４カソード
４３ａ、５１ａ、５２ａ配管（排出液体燃料ライン）
５３三方弁（許容手段）
５３ａ配管（迂回ライン）
５４バッファタンク
６０コントローラ（許容手段）
６１ａ、６２ａ配管（生成水供給ライン）
Ｃ０目標濃度

Claims

目標燃料濃度よりも高い第１燃料濃度の第１液体燃料が封入された第１カートリッジと、
目標燃料濃度以下の第２燃料濃度の第２液体燃料が封入された第２カートリッジと、
前記第１カートリッジからの第１液体燃料と、前記第２カートリッジからの第２液体燃料とを混合し、目標燃料濃度の目標濃度液体燃料を調製する混合器と、
前記混合器からの目標濃度液体燃料と、酸化剤ガスとが供給されることで発電する燃料電池と、
を備え、
前記第１カートリッジの第１液体燃料全体と、前記第２カートリッジの第２液体燃料全体とを混合したものの燃料濃度（ｗｔ％）は、目標燃料濃度の目標濃度液体燃料を前記燃料電池に供給した場合において式（１）で与えられるマスバランス（ｗｔ％）と等しい
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記第２燃料濃度は、前記目標燃料濃度に等しいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池のアノードから排出された排出液体燃料を前記混合器に戻す排出液体燃料ラインを、
さらに備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池のカソードで生成した水を、前記混合器に供給する生成水供給ラインを、さらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。