JP2004047427A - 燃料電池装置及び燃料電池の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】運転時や起動時の出力低下の問題を未然に防止できる燃料電池装置及び燃料電池の制御方法の提供を目的とする。
【解決手段】燃料電池装置を、電解質を燃料電極と酸素電極で挟んで構成される燃料電池と、燃料電池にかかる負荷を該燃料電池の出力状態に応じて可変とさせる負荷制御部や空気供給制御部とを有するように構成する。出力特性が低下（又は内部抵抗値が増加）した時に負荷電流を増加させる様にあるいは空気供給を抑制する様に制御すれば、生成水の発生量が一時的に増大し、酸素電極の乾燥化を抑制すると共に電解質を適正な湿潤状態にできる。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料電池装置を、電解質を燃料電極と酸素電極で挟んで構成される燃料電池と、燃料電池にかかる負荷を該燃料電池の出力状態に応じて可変とさせる負荷制御部や空気供給制御部とを有するように構成する。出力特性が低下（又は内部抵抗値が増加）した時に負荷電流を増加させる様にあるいは空気供給を抑制する様に制御すれば、生成水の発生量が一時的に増大し、酸素電極の乾燥化を抑制すると共に電解質を適正な湿潤状態にできる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電解質を燃料電極と酸素電極で挟んで水素などの燃料を供給すると共に空気を供給して所要の起電力を発生させる燃料電池装置及このような燃料電池の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は水素ガスやメタノールなどの燃料流体を供給することで発電体に電力を発生させる装置であり、固体高分子型の場合、一般的にはプロトン伝導体膜を酸素側電極と燃料側電極で挟んだ構造を有している。酸素側電極には、酸素を供給するために空気が供給され、他方の燃料側電極には、燃料流体が供給される。燃料電池が発電する場合には、イオン交換膜である電解質膜中をプロトンが移動し、酸素側電極の酸素と反応して電流が発生すると共に酸素側電極では水が生成される。燃料電池の発電体部分は電解質膜・電極複合体又はＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれており、この電解質膜・電極複合体を単体で或いは平面的に並べることで平面構造の燃料電池が構成され、或いは積層することで積層構造（スタック構造）の燃料電池が構成される。
【０００３】
このような燃料電池は、最近では輸送用車両などの分野で電気自動車やハイブリッド式車両としての応用が大きく期待されている他、住宅用電源システムなどについても実用化が期待されており、さらには燃料電池の軽量性や小型性を活かした携帯機器や小型電源などについても研究や開発が進められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池の１つの形式として、電解質膜等に対する湿度を保つための加湿装置を持たないタイプの燃料電池（以下、”自己加湿型の燃料電池”と呼ぶ。）がある。このような自己加湿型の燃料電池は、酸素側電極で生成される水分が電解質膜を湿潤させ、イオン交換を促進するように構成されている。燃料電池において、その水分の蒸発制御は燃料電池の発電性能そのものを制御することになり、出力電圧は発熱に直接影響し、出力電流は生成水に直接影響する。従って、自己加湿型の燃料電池は、出力電流に直接影響される生成水をバランス良く電解質膜を湿潤させるように利用しながら、過剰な生成水が発生して酸素の供給路が閉ざされないように運転する必要がある。
【０００５】
ところが、特に、上述の如き自己加湿型の燃料電池においては、運転中に負荷電流を低下させた場合や空気の供給量を増大させた場合では、電解質膜の水分が低下して乾燥化する。この乾燥化した燃料電池では電解質膜でのイオン交換特性が低下してしまい、当該燃料電池の出力そのものが大きく低下してしまう。また、運転中の負荷電流が低下してしまう場合に限らず、例えば燃料電池を長時間放置した場合にも、放置後の再始動時には電解質膜は乾燥化した状態にあり、その再始動後においては再度電解質膜を湿潤させることが容易ではなく、所要の定格出力が得られるように元の性能まで回復するまでには何日というような長時間が必要とされていた。特に、このような電解質膜の乾燥化の問題は、空気の圧送を行わない大気開放型の燃料電池で顕著であり、運転後に放置するだけで乾燥化の問題が発生し、出力特性が短時間で低下すると言う問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上述の技術的な課題に鑑み、運転時や起動時の出力低下の問題を未然に防止できる燃料電池装置及び燃料電池の制御方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池装置は、酸素電極と、燃料電極と、前記酸素電極と前記燃料電極に挟持される電解質とからなる発電体を有する燃料電池において、燃料電池の出力電圧が第一の所定値以下になったときに、前記酸素電極と前記燃料電極を電気的に接続して電流を流すバイパス回路を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、バイパス回路を設けていることから、例えば、出力特性が酸素電極の乾燥化に起因して低下した場合、バイパス回路を作動させて燃料電池にかかる負荷電流をその出力状態に応じて可変に制御して、生成水の発生を意図的に多くさせることができる。ここで生成された水は酸素電極の乾燥化を抑制すると共に適正な湿潤状態を形成できる。本発明の一つの実施形態においては、第一の所定値は、発電体１つあたり、例えば０．０１Ｖ以上、０．８Ｖ以下の範囲とされ、例えば通常の起電力の１％〜９５％に設定される。また、通常の起電力から低下した割合で、第一の所定値を設定しても良い。
【０００９】
また、本発明の燃料電池装置は、電解質を燃料電極と酸素電極で挟んで燃料を前記燃料電極に供給すると共に空気を前記酸素電極に供給することで起電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池に接続され前記燃料電池にかかる負荷を該燃料電池の出力または内部抵抗の状態に応じて可変とさせる負荷制御部とを有することを特徴とする。
【００１０】
前記燃料電池は、前記燃料電極に燃料が供給されている際に、前記酸素電極に空気が供給されることで電解質にはプロトンの伝導が発生する。この発生するプロトン伝導の量は当該燃料電池に接続される負荷電流に応じて変動し、この負荷電流の値が小さい場合、出力電圧が高くなり発熱は小さくなるが、逆に負荷電流が大きい場合、プロトン伝導の量が多くなって生成水の発生量が増加する。これは酸素電極における反応が活発化するためである。例えば、出力特性が酸素電極の乾燥化に起因して低下した場合、負荷制御部を作動させて燃料電池にかかる負荷電流をその出力状態に応じて可変に制御して、生成水の発生を意図的に多くさせることができる。ここで生成された水は酸素電極の乾燥化を抑制すると共に適正な湿潤状態を形成できる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池の制御方法は、燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性を監視する手順と、前記燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性が変化した場合に該燃料電池を流れる電流を常時に比べて大きく制御する手順とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の燃料電池の制御方法によれば、先ず、燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性が監視され、その結果、燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性が変化したか否かが判断される。燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性が変化した場合、例えば、酸素電極の乾燥化に起因して出力特性が低下した場合では、燃料電池を流れる電流を常時に比べて増加させる様に制御することで、酸素電極における反応が活発化して生成水の発生量が増大する。従って、酸素電極の乾燥化を抑制すると共に適正な湿潤状態を形成できることになる。
【００１３】
本発明の燃料電池装置は、電解質を燃料電極と酸素電極で挟んで燃料を前記燃料電極に供給すると共に空気を前記酸素電極に供給することで起電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池の酸素電極に供給される空気の供給量を該燃料電池の出力又は内部抵抗の状態に応じて可変とさせる空気供給制御部とを有することを特徴とする。
【００１４】
前記燃料電池は、前記燃料電極に燃料が供給されている際に、前記酸素電極に空気が供給されることで電解質にはプロトンの伝導が発生する。この発生するプロトン伝導の量は当該燃料電池に接続される負荷電流に応じて変動し、負荷電流が大きい場合、プロトン伝導の量が多くなって生成水の発生量が増加することになる。燃料電池の酸素電極に供給される空気の供給量は、例えば運転時において理想的には生成水の発生量と空気の供給量に依存する水分の蒸発量とが定常的に平衡化して運転されるものとされるが、空気供給制御部によって空気の供給量を変化させ、例えば、燃料電池表面の水分の蒸発量を抑制するように制御することで、酸素電極の乾燥化を抑制すると共に適正な湿潤状態を提供できることになる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池の制御方法は、燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性を監視する手順と、前記燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性が変化した場合に該燃料電池に供給される空気の供給量を常時に比べて小さくなるように制御する手順とを有することを特徴とする。
【００１６】
前記燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性が変化した場合に該燃料電池に供給される空気の供給量を常時に比べて小さくなるように制御することで、燃料電池の酸素電極の乾燥化を抑制すると共に適正な湿潤状態を提供できることになるが、その必要性を燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性から直接監視することで発電に支障が生じた場合でも迅速な対応が可能である。なお、本明細書においては、起電力の測定は出力電流と燃料電池の内部抵抗、又はそれに類するパラメータを測定することにより計算することも含まれる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
本発明の燃料電池装置の好適な実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は本実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。本実施の形態の燃料電池装置１０は、起電力を発生させる燃料電池本体１１と、負荷の制御を行うための制御ユニット１３と、燃料電池本体１１に接続して該燃料電池本体１１にかかる負荷の値を可変とする負荷制御部１４とを有し、この負荷制御部１４を介して負荷装置１５に常時は起電力が供給され、燃料電池本体１１には燃料流体を供給するための水素供給装置１２が接続する。
【００１８】
燃料電池本体１１は、一例として後述するような略平板状の電解質膜を燃料側電極（燃料電極）と酸素側電極（酸素電極）で挟持する構造を有しており、燃料側電極には水素貯蔵機能を有する水素供給装置１２から水素ガス若しくはメタノールなどの燃料流体が供給される。酸素側電極は空気中の酸素を取り込むための電極であり、前記燃料側電極に電解質膜を挟んで対峙する。酸素側電極は大気開放型でも良く、コンプレッサー、ポンプ、或いはファンなどによって空気が送られる構造であっても良い。この燃料電池本体１１は略平板状の電解質膜を燃料側電極と酸素側電極で挟持する構造を更に複数枚重ねたスタック積層型であっても良く、一枚だけ若しくは二枚を重ねて平板形状を維持したものであっても良い。
【００１９】
水素供給装置１２は、燃料電池本体１１に水素ガス若しくはメタノールなどの燃料流体を供給するための装置であり、一例としては水素高圧タンクや、水素吸蔵合金を内蔵したカートリッジなどを用いることができる。この水素供給装置１２は、後述するように、燃料電池本体１１に対して着脱自在とすることも可能であり、継ぎ手部分で燃料状態についての情報の送受信を行う如き構造も可能である。
【００２０】
制御ユニット１３は当該燃料電池装置１０を制御するためのコントローラーであり、燃料電池本体１１の燃料電池の出力又は内部抵抗の状態をモニターして、その出力又は内部抵抗の状態に応じた制御を行うための信号を負荷制御部１４に出力する。制御ユニット１３は所要の電子回路、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などによって構成されるが、必ずしも燃料電池本体１１と一体である必要はなく、別個に取り付けしたものや、当該燃料電池本体１１を搭載する電子機器の情報処理ユニットの一部を活用するものであっても良い。本実施の形態においては、制御ユニット１３は燃料電池の出力電圧又は内部抵抗値をモニターするが、これに限らず出力電流をモニターしたり、同時に温度や湿度、気圧などの条件をモニターするようにしても良い。
【００２１】
負荷制御部１４は、燃料電池本体１１にかかる負荷を該燃料電池本体１１の出力又は内部抵抗の状態に応じて可変するバイパス回路であり、燃料電池本体１１を過電流状態にするために、燃料電池本体１１の出力端子の間のスイッチ素子を配し、そのスイッチ素子をＯＮ状態として短絡させるようにすることもでき、また、燃料電池本体１１を過電流状態にするために、燃料電池本体１１の出力端子の間を低抵抗素子で接続するように構成しても良い。また、負荷制御部１４としては、後述するようにＤＣ−ＤＣコンバータなどの１次側電流を過電流状態とするような構造も可能である。燃料電池本体１１を過電流状態にする際には、当該燃料電池本体１１の出力電圧が急速に低下することから、その低下した分の補償手段としてフローティングバッテリーやキャパシタなどを後段の負荷装置１５に供給するように構成しても良い。
【００２２】
負荷装置１５は当該燃料電池装置１０で発生した起電力が供給される装置であり、例えば、当該燃料電池装置１０が搭載される装置がパーソナルコンピュータである場合には、そのパーソナルコンピュータの電源として当該燃料電池装置１０が使用されるため、負荷装置１５は内部回路及び周辺装置などである。また、燃料電池装置１０が自動車などの輸送用機械に搭載される場合には、負荷装置は推進力をもたらすモーターなどの装置に該当する。また、燃料電池装置１０が家庭用小型電源として使用される場合では、電球や家庭用電気装置などが負荷装置に該当する。
【００２３】
次に図２を参照して負荷制御部１４の動作の一例について説明する。図２の縦軸は供給空気量及び負荷電流一定時における燃料電池本体の出力電圧Ｖｏｕｔであり、横軸は時間ｔである。図１の燃料電池装置１０では当初電圧Ｖｏｕｔが比較的大きく維持されているが、稼動状態が継続して行く内に使用環境により燃料電池本体１１の表面の電極の乾燥化が進展することがある。その結果、燃料電池本体１１の出力電圧Ｖｏｕｔは除々に下がり始め、ある時点ｔ０で閾値電圧Ｖｔｈを下回ることになる。この閾値電圧Ｖｔｈは、燃料電池本体１１の燃料電池の出力が低下したことを示す基準レベルであり、制御ユニット１３側で燃料電池本体１１の出力電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｔｈを下回ることが判別されれば、燃料電池本体１１の燃料電池の出力が低下したことを制御ユニット１３が検知することになり、機能回復のための動作を行う。具体的には、制御ユニット１３から負荷制御部１４に信号を送り、例えば負荷制御部１４を低抵抗化状態とする。
【００２４】
負荷制御部１４を低抵抗化状態に遷移させることによって燃料電池本体１１には過電流が流れることになり、短時間の間に乾燥化した燃料電池本体１１の表面を湿潤状態に戻すことが可能である。この過電流を流している状態では、燃料電池側からみて出力段の負荷電力が小さくなるために出力電圧は小さくなるが、逆に電流が多くながれることから、イオン交換による酸素原子の取り込みは活性化して水分は多く発生する。このため燃料電池本体１１の表面を極めて短時間で湿潤状態に戻すことができる。このように負荷制御部１４を低抵抗化状態にしている間では、後段の負荷装置１５に対する給電もそのままでは問題となるが、負荷制御部１４に備えられたフローティングバッテリーやキャパシタなどの電力補償手段を一時的に使用することで、負荷装置１５への給電も途絶えることがない。
【００２５】
負荷制御部１４を低抵抗化状態とすることで、燃料電池本体１１の出力電圧Ｖｏｕｔは急速に下がり続けることになるが、図２における時点ｔ１で出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖｓを下回り、ここまでの出力電圧Ｖｏｕｔの低下が制御ユニット１３側に検知される。その結果、制御ユニット１３は燃料電池の機能回復のための動作を終了するための信号を負荷制御部１４に送る。この信号に応じて負荷制御部１４はその回路形態を低抵抗化状態から通常の状態に遷移させる。
【００２６】
燃料電池本体１１の乾燥状態を検出するパラメータとしては、上記供給空気量及び負荷電流一定時における燃料電池本体の出力電圧Ｖｏｕｔの代わりに例えばカレントインターラプト法を用いて内部抵抗値ｒを用いる事ができる。この場合、内部抵抗値ｒがある値を超えた場合に上記と同様の制御により燃料電池本体１１には過電流が流れることになり、短時間の間に乾燥化した燃料電池本体１１の表面を湿潤状態に戻すことが可能である。この場合、制御ユニット１３が燃料電池の出力特性または内部抵抗の特性を監視する出力特性または内部抵抗の特性監視手段に該当する。
【００２７】
このように本実施の形態の燃料電池装置１０では、燃料電池本体１１からの出力電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｔｈ以下に低下した際（内部抵抗値を用いた場合は内部抵抗値ｒｔｈ以上に増加した際）に、燃料電池本体１１を過電流状態とするような制御が行われ、この制御によって強制的且つ一時的な電極の保湿状態の回復が行われる。このため長時間などの運転時や起動時などにおいて、燃料電池本体１１の表面の水分が不良で、定格な出力電圧が得られなくなった場合でも、比較的短時間で燃料電池の出力特性を回復させることができる。また、本実施の形態の燃料電池装置１０では、燃料電池本体１１を過電流状態とするように制御している間では、負荷制御部１４に備えられたフローティングバッテリーやキャパシタなどの電力補償手段を一時的に使用することで、負荷装置１５への給電も途絶えることがない。
【００２８】
図３は、一方の側面にファンを用いた空気流動手段を形成した燃料電池装置の例を示す。略矩形状のカード型筐体２１が設けられており、この筐体２１の内部に、発電体２３が配設されている。ここで、カード型燃料電池の筐体２１は、一例として、ＰＣカードとして標準化されたサイズとすることが可能であり、具体的には、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズを適用できる。この標準化されたサイズは、縦（長辺）が８５．６ｍｍ±０．２ｍｍ、横（短辺）が５４．０ｍｍ±０．１ｍｍと定められている。また、カードの厚みについては、タイプＩとタイプＩＩのそれぞれについて規格化されており、すなわちタイプＩについては、コネクタ部の厚みが３．３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが３．３±０．２ｍｍである。また、タイプＩＩについては、コネクタ部の厚さが３．３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが５．０ｍｍ以下で且つその厚みの標準寸法±０．２ｍｍである。カード型筐体２１も上側筐体と下側筐体を重ねるように構成することが可能である。
【００２９】
このカード型筐体２１には、該カード型筐体２１の長手方向に垂直な面で略同サイズとなって連続的に配設可能な水素貯蔵カートリッジ２２が結合されている。この水素貯蔵カートリッジ２２の内部には、水素吸蔵合金などの水素貯蔵部が配されており、燃料電池の筐体２１に対して着脱自在とされる。水素貯蔵カートリッジ２２は、着装時には燃料取出し口と結合部が結合することによって燃料流体が流動可能となり、水素貯蔵カートリッジ２２が外された際には、当該水素貯蔵カートリッジ２２からの燃料流出が止められる機構を有している。
【００３０】
カード型筐体２１の内側には、４枚の発電体を組み合わせた発電部２３と、水素貯蔵カートリッジ２２からの燃料流体を該カード型筐体２１内に導入するための結合部２４と、この結合部２４が挿入されて結合する発電側結合部２５と、この発電側結合部２５にパイプ２６を介して接続する流量調整部２７と、該流量調整部２７と発電部２３を接続するパイプ２８と、配線基板３１上に電子部品３０を搭載させてこれら電子部品等により出力制御などを行う制御回路部２９とを有している。そして、当該カード型筐体２１の内部には、さらに空気流動手段としての一対のファン３２、３３が筐体の側面に沿って延長されるように配されている。ファン３２、３３はそれぞれ対応するモーター３４、３５によって回転するように駆動される。ファン３２とファン３３は平行して配置され、特に本実施の形態においては、ファン３２とファン３３は上下方向に並んで配設され、それぞれ上側に位置する発電体と下側に位置する発電体に空気を送り込む。
【００３１】
ファン３２、３３は、円筒状の回転軸の周囲に羽根部が設けられた構造を有し、各羽根部は回転軸方向に直線状に延長され、回転軸の径方向では放射状に形成される。従って、ファン３２、３３はモーター３４、３５の駆動によって回転軸を中心に回転し、筐体内のスペースに回転軸と垂直な方向に空気を図示しない溝に沿って送り込む。このファン３２、３３は後述するように酸素側電極に生成される水の蒸発用として用いられると共に、空気を送ることで放熱を図ることも可能である。ファン３２、３３はモーター３４、３５に対してコネクタ３６、３７を介して接続するが、コネクタ３６、３７を設けずに直接モーター３４、３５とファン３２、３３が接続されるようにしても良い。
【００３２】
発電部２３は、４枚の発電体を組み合わせた構造体であり、１つの発電体は、プロトン伝導体などの電解質膜を燃料側電極と酸素側電極で挟持した構造を有しており、酸素側電極や燃料側電極は、金属板や、多孔質性の金属材料、或いは炭素材料などの導電性材料からなり、これら酸素側電極や燃料側電極には集電体が接続される。集電体は、電極で発生する起電力を取り出すための電極材であり、金属材料や炭素材料、導電性を有する不織布などを用いて構成される。４枚の発電体は、２枚重ねられたものが筐体内に２つ並べられて配設される。発電体を２枚重ねる場合には、燃料側電極同士が面同士で向かい合うように重ねることができ、この場合には燃料流体を重ね合わされた燃料側電極同士の間のスペースに送り込むことで電極の活性化が可能となり、酸素の供給が必要な面は重ね合わされた発電体の表面と裏面が酸素側電極面となる。
【００３３】
発電側結合部２５は、水素貯蔵カートリッジ２２の結合部２４と結合して水素貯蔵カートリッジ２２からの気密を維持しながら燃料流体を燃料電池内に導入するための機構部である。具体的には、発電側結合部２５に結合部２４の先端が挿入され、更に押し込んだ時にロックするような機構を有し、このような着装動作の間においてガス漏れが防止されるように配慮されている。燃料流体が水素ガスではなく、ダイレクトメタノール方式の如き液体の場合には、水素貯蔵カートリッジ２２の代わりに着脱自在な燃料流体貯蔵タンクを使用することができる。
【００３４】
このような発電側結合部２５に機械的な流量調整機構を設けることも可能であるが、本実施形態の燃料電池においては、発電側結合部２５と発電部２３の間に流量調整部２７が配設されている。この流量調整部２７は電子的或いは機械的に燃料流体の流量を一定にするための装置であり、弁体等を設けて圧力を制御することができる。
【００３５】
制御回路部２９は発電部２３から出力される起電力を制御する回路であり、図３の例では、図１の構成の制御ユニット１３及び負荷制御部１４が形成される。この制御回路部２９においては、更には燃料供給側である水素貯蔵カートリッジ２２との結合状態を監視したり、出力の供給先の負荷状態を検出しながら出力の調整、例えば、起電力を利用する機器のモード（アクティブモード、待機モードやスリープモードなど）に応じた出力電圧の調整などを行うことも可能である。また、制御回路部２９には、前述のファン３２、３３を駆動するモーター３４、３５を制御する回路部を設けることも可能である。この制御回路２９に使用される電源としては、当該発電部２３で発生した電力の一部を使用しても良い。この制御回路２９からは一対の出力端子３８、３９が突出し、該出力端子３８、３９の先端はカード型筐体２１から外部に突出する。
【００３６】
このような構造を有する本実施の形態の燃料電池装置は、カード状筐体２１の一側面に、酸素を燃料電池に供給し且つ酸素側電極の表面の生成水の蒸発を促進させるためのファン３２、３３が配設されている。これらファン３２、３３を回転させて空気を図示しない溝に沿って案内することで、酸素側電極の表面に生成する水の効果的な除去が可能となり、出力電圧の低下を防止することが可能である。
【００３７】
また、本実施の形態の燃料電池装置では、図１の構成の制御ユニット１３及び負荷制御部１４が形成される制御回路部２９も同じカード状筐体２１の内部に搭載されているため、出力電圧の適正化や、条件、環境に応じた制御を容易に実行することができる。更に、本実施の形態の燃料電池装置は、単なる発電デバイスではなく情報処理機能も備えた電池として有用である。また、結合部ではガス漏れなどの流体漏れが未然に防止される構造とされ、デバイスとしての安全性も十分とされる。
【００３８】
次に、図４及び図５を参照しながら、大気開放型の燃料電池装置の例について説明する。本発明の燃料電池装置は、その一例として、平板型であるカード状の形態をとる燃料電池カード４０とすることができ、この燃料電池カード４０は、図４に示すように、装置本体であるノート型パソコン４１のカード用スロット４２から挿入して装着することができる。ここでスロット４２は、当該燃料電池カード４０専用の装置本体のハウジングに設けられた穴とすることもできるが、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズのスロットとすることも可能である。具体的には、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズは、縦（長辺）が８５．６ｍｍ±０．２ｍｍ、横（短辺）が５４．０ｍｍ±０．１ｍｍと定められている。カードの厚みについては、タイプＩとタイプＩＩのそれぞれについて規格化されており、すなわちタイプＩについては、コネクタ部の厚みが３．３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが３．３±０．２ｍｍである。また、タイプＩＩについては、コネクタ部の厚さが３．３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが５．０ｍｍ以下で且つその厚みの標準寸法±０．２ｍｍである。当該燃料電池カード４０には燃料の供給部として水素吸蔵部４４も着脱自在とされている。
【００３９】
なお、図４では、スロット４２は、装置本体であるノート型パソコン４１のキーボード側本体の側部に設けられているが、このスロット４２が設けられる部分を図４で破線で示すセレクタブルベイ４３の一部とすることもできる。セレクタブルベイ４３は、ノート型パソコン４１に対して着脱自在な複数の機能部材であり、パソコンの拡張機能を変える場合に、セレクタブルベイ４３に組み込まれる部材を交換するものである。なお、燃料電池カード４０を使用する場合には、専用のアダプターを外付けで用いることも可能であり、また、複数の燃料電池カード４０を同時にノート型パソコン４１などの情報処理装置に組み込むようにしても良い。
【００４０】
図５は燃料電池カード４０を組み立てた状態の斜視図であり、携帯性を配慮して角部が丸みをもって形成される燃料電池カード４０は平板状の上側筐体４６が下側筐体４５に合わせられる構造とされ、図５では図示しない螺子などによって上側筐体４６が下側筐体４５に固着されている。上側筐体４６には酸素を筐体内に導入するための気体流入口として矩形状の開口部４７が複数形成されている。本例では、開口部４７のそれぞれは略矩形状の貫通穴であり、５行３列の１５個の組が２組横並びに形成されており、上側筐体４６には全部で３０個の開口部４７が臨むことになる。この開口部４７によって酸素側電極が後述するように大気開放されることになり、有効な酸素の取り込みが特別な吸気装置を要せずして実現され、同時に排出される余分な水分の除去も実現される。
【００４１】
開口部４７の形状は、本実施形態では、各集電体のパターンを格子状とすることから、この格子状パターンと同形状とされるが、他の形状にすることも可能であり、個々の開口部の形状を円形、楕円形、ストライプ形状、多角形形状などの各種の形にすることも可能である。また、開口部４７は、本例では板状の上側筐体４６を切り欠いて形成されているが、酸素側電極の大気開放状態を損なわない範囲でゴミやチリなどの侵入や付着を防止するために該開口部４７に網や不織布などを設けるようにすることも可能である。下側筐体４５には、上側筐体４６の開口部４７に対応して開口部が形成されているが、形状や網や不織布を設けることができる点については同様である。
【００４２】
前述の水素を供給できる水素吸蔵部４４は、下側筐体４５の連結側側面に形成された一対の嵌合孔５０に当該水素吸蔵部４４の連結側側面に形成された一対のピン４８が嵌合して、燃料電池カード４０に連結される。この時、水素吸蔵部４４の水素供給口である突起部４９が、下側筐体４５の連結側側面に形成された矩形の嵌合孔５１に挿入され、筐体内で嵌合孔５１の位置まで延在された図示しない燃料配管部の端部に結合する。水素吸蔵部４４は燃料電池カード４０に対して着脱自在であり、例えば、水素吸蔵部４４内に貯蔵されていた水素の残りが少なくなった場合では、当該水素吸蔵部４４を燃料電池カード４０から外して、水素を十分に貯蔵してなる他の水素吸蔵部４４に交換したり、外した水素吸蔵部４４に水素を注入したりして、再び使用するようにすることも可能である。なお、本例では嵌合孔５１に水素吸蔵部４４のピン４８が嵌合することで水素吸蔵部４４が燃料電池カード４０に装着されるが、他の連結要素を用いることも可能であり、例えばキー溝に挿入する構造や、付勢バネに抗してスライドする係止部材や磁石などを用いる構造などを用いても良い。
【００４３】
図６は燃料電池本体部の一例を示す模式図である。図６では２枚の電解質膜・電極複合体即ちＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）６７、６８が重なるように図示されており、イオン交換膜であるプロトン伝導体膜６１、６２を挟むように燃料側電極６３、６４と酸素側電極６５、６６が形成されている。燃料側電極６３、６４と酸素側電極６５、６６には、白金などの触媒材料が形成され、更に図示しない集電体も電荷の取り出し用に形成される。一対の燃料側電極６３、６４は、燃料である水素等の導入用に所要のスペースを空けて対向する。
【００４４】
燃料側電極６３、６４には外部から水素ガスなどの燃料流体が供給され、該燃料流体が電極内の細かい孔を通って反応領域に達し、この電極内に存在する触媒に吸着されて活発な水素原子となる。この水素原子は水素イオンとなり、対極である酸素側電極に移動するともに、イオン化の際に生ずる電子を燃料側電極６３、６４に送り、これら電子が起電力となって外部に接続された回路を通って酸素側電極６５、６６に達する。
【００４５】
酸素側電極６５、６６や燃料側電極６３、６４は、金属板や、多孔質性の金属材料、或いは炭素材料などの導電性材料からなり、これら酸素側電極６５、６６や燃料側電極６３、６４には集電体が接続される。集電体は、電極で発生する起電力を取り出すための電極材であり、金属材料や炭素材料、導電性を有する不織布などを用いて構成される。本実施の形態では、２枚のＭＥＡ６７、６８が燃料側電極６３、６４を内側にするように重ねられ、その結果として重ねられた２枚のＭＥＡ６７、６８の表面側と裏面側に酸素側電極６５、６６が位置することになる。一例としてＭＥＡ６７、６８は、それぞれカード状の筐体を用いる場合では、長辺方向に沿って長手方向となる略矩形平板状に形成することができるが、他の形状であっても良い。また、ＭＥＡ６７、６８は、２枚を積層する構造に限定されず、４枚、６枚や８枚、或いはそれ以上の枚数のＭＥＡを組み合わせても良い。また、それぞれのＭＥＡの形状が同じであれば、製造上同一のＭＥＡを実装すれば良いことになるが、これに限定されず異なる形状のＭＥＡを組み合わせても良い。例えば、大きなサイズのＭＥＡと小さなサイズのＭＥＡを同一面内に配設するように構成しても良く、或いは厚い厚みのＭＥＡと薄い厚みのＭＥＡを同一面内に配設するように構成しても良い。また、容量や効率などの点で性能が異なる様なＭＥＡの種類が異なるものを組み合わせて筐体内に実装しても良い。更に、本実施の形態において、ＭＥＡ６７、６８は所要の剛性を以って筐体内に配設されるが、各ＭＥＡは可とう性を有していても良く、その場合には筐体も可とう性を有する材料で構成することができる。また、ＭＥＡ自体が所要のカートリッジタイプで置換可能とできるような構造であっても良い。また、ＭＥＡの位置を移動させ、例えば筐体内でＭＥＡをスライドさせて位置をずらし、ＭＥＡ間の接続形態を変えるようにしても良い。
【００４６】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の燃料電池装置のより詳細な実施の形態について、図７から図１０を参照しながら説明する。先ず、本実施の形態の燃料電池装置は、図７に示すように、例えば複数のＭＥＡの如き発電体を積層した構造の燃料電池本体７１を有し、更に負荷の制御を行うための制御ユニット７３と、燃料電池本体７１に接続して該燃料電池本体７１にかかる負荷の値を可変とする負荷制御部として、スイッチング素子７８及び抵抗素子７７からなる低抵抗化回路部と、ダイオード７９及びフローティングバッテリー８０からなる電源補償回路部とを有している。この負荷制御部を介して燃料電池本体７１には当該燃料電池本体７１で発生した起電力が供給される負荷装置７５が接続され、更に燃料電池本体７１には燃料流体を供給するための水素供給装置７２が接続されている。また、燃料電池本体７１には、空気を供給すると共に余分な水分を蒸発させるための空気供給コンプレッサー７６が接続される。
【００４７】
燃料電池本体７１は、前述のように、電解質膜を燃料側電極と酸素側電極で挟持したＭＥＡを積層しており、燃料側電極に水素を供給し、酸素側電極に空気を供給することで起電力を一対に出力端子間に発生させる。燃料電池本体７１には、水素供給装置７２から水素などの燃料流体がガス供給路８１を介して供給され、燃料電池本体７１の燃料側電極に該燃料流体が送られる。
【００４８】
空気供給コンプレッサー７６は、ファン、ポンプなどの気圧に変化を生じさせる装置であり、燃料電池本体７１の酸素側電極の表面に空気中に含まれる酸素を供給すると共に、その酸素側電極の表面に発生する水分を、空気を送ることで蒸発させていくための装置である。この空気供給コンプレッサー７６は、燃料電池本体７１と一体的に形成されていても良く、別個の部材として着脱されるような装置であっても良い。空気供給コンプレッサー７６は、空気導入管８２を介して燃料電池本体７１に接続し、この空気導入管８２の流出口付近には燃料電池本体７１の酸素側電極が配設される。酸素側電極が仮に水で覆われてしまった場合では、それ以上の酸素の取り込みが不能となり、発電特性が低下していくことになるが、空気供給コンプレッサー７６を設けることで不要な水分が蒸発されて除去される。このため水分が酸素側電極で過剰になって出力低下を招くような問題は未然に防止される。また、燃料電池本体７１では起動時や長時間の運転時に逆に燃料電池本体７１が乾燥化してしまい、その結果、電解質膜におけるイオン交換の効率が低下するおそれがあるが、本実施の形態の燃料電池装置では、一時的に燃料電池本体７１に過電流を流すことができるため、燃料電池本体７１の乾燥状態を解決することも可能である。燃料電池本体７１に供給された空気は空気排気管８３を介して燃料電池本体７１の外部に排出される。
【００４９】
負荷装置７５は当該燃料電池装置で発生した起電力が供給される装置であり、例えば、当該燃料電池装置が搭載される装置がパーソナルコンピュータである場合には、そのパーソナルコンピュータの電源として当該燃料電池装置が使用されるため、負荷装置７５は内部回路及び周辺装置などである。また、燃料電池装置が自動車などの輸送用機械に搭載される場合には、負荷装置は推進力をもたらすモーターなどの装置に該当する。また、燃料電池装置が家庭用小型電源として使用される場合では、電球や家庭用電気装置などが負荷装置７５に該当する。
【００５０】
図７において、制御ユニット７３は、燃料電池本体７１の出力又は内部抵抗の状態をモニターしながら、次に説明する負荷制御部の低抵抗化回路部と電源補償回路部を制御するための装置である。燃料電池本体７１の出力又は内部抵抗の状態は、燃料電池即ちＭＥＡの出力端子からの信号化された情報によって監視される。図７の装置では、燃料電池本体７１の出力又は内部抵抗の状態をモニターする方法を用いているが、これに限定されず、各電極や電解質膜の湿潤度を直接モニターするようにすることも可能であり、温度や気圧センサーなどを用いたり或いは出力センサーと併用したりすることも可能である。
【００５１】
本実施の形態においては、制御ユニット７３は、空気供給コンプレッサー７６の運転状況をモニターしたり、或いは空気供給コンプレッサー７６の作動を制御できる。空気供給コンプレッサー７６の作動を制御する場合においては、燃料電池本体７１に過電流を流して水分を生じさせて発電機能を回復させている期間では、空気供給コンプレッサー７６の作動を停止させることで水分の蒸発を止めることができる。また、空気供給コンプレッサー７６の作動を停止させることで、電解質膜に生成水を速やかに浸透させることができ、発電性能を迅速に回復させることができる。また、制御ユニット７３は、負荷装置７５の電力消費状態や必要度についての情報も受け取り、それらの情報に基づいて無駄の少ない高効率な発電を実現させることができる。
【００５２】
本実施の形態の燃料電池装置は、燃料電池本体７１にかかる負荷電流の値を可変とする負荷制御部として、スイッチング素子７８及び抵抗素子７７からなる低抵抗化回路部と、ダイオード７９及びフローティングバッテリー８０からなる電源補償回路部とを有している。低抵抗化回路部を構成するスイッチング素子７８と抵抗素子７７は、前述の制御ユニット７３からの信号に応じて作動する回路であり、例えばスイッチング素子７８としては本実施形態におけるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体素子や、更にはリレーなどを使用しても良い。抵抗素子７７は、負荷装置７５と比べて極めて小さな抵抗値を有し、電流が流れた場合に両端で発生する電位差は小さい値にされる。燃料電池本体７１の出力端子のプラス端子とマイナス端子の間にスイッチング素子７８と抵抗素子７７が直列に接続され、スイッチング素子７８のゲート電極がオン側に制御されれば、スイッチング素子７８が導通状態となって、燃料電池本体７１の出力端子にかかる負荷電流が増加する。
【００５３】
負荷制御部の電源補償回路部は、ダイオード７９及びフローティングバッテリー８０からなり、ダイオード７９は燃料電池本体７１の出力が低下した場合における整流器として機能する。フローティングバッテリー８０は、燃料電池本体７１の出力端子のプラス端子とマイナス端子の間がスイッチング素子７８と抵抗素子７７からなる低抵抗化回路部の作動に応じて低抵抗化した際に、燃料電池本体７１の代わりに負荷装置７５に対する電源として機能する素子である。フローティングバッテリー８０のプラス端子がダイオード７９を介して燃料電池本体７１の出力端子のプラス端子に接続されると共に負荷装置７５のプラス端子側に接続され、フローティングバッテリー８０のマイナス端子が燃料電池本体７１の出力端子のマイナス端子に接続されると共に負荷装置７５のマイナス端子側に接続される。このフローティングバッテリー８０は、スイッチング素子７８がオン状態の場合、その起電力で負荷装置７５を駆動する。なお、フローティングバッテリー８０の代わりに容量などを使用しても良い。
【００５４】
図８は図７の燃料電池装置の動作を説明するためのタイムチャートの一例であり、燃料電池の供給空気量及び負荷電流一定時の出力電圧を乾燥状態のパラメータとして検出に使用した例である。横軸は時間ｔであり、縦軸は負荷電流一定時のセル電流ｉｃｅｌｌ 及びセル電圧Ｖｃｅｌｌを示している。セル電圧Ｖｃｅｌｌが燃料電池本体７１の出力電圧Ｖｏｕｔに対応する。この燃料電池装置は、その燃料電池本体７１の出力電圧低下が顕著になった場合に、制御ユニット７３がその出力電圧低下を検知し、ある値（例えば図２のＶｔｈ）以下と判断される場合には、制御ユニット７３からの信号によってスイッチング素子７８が導通状態に制御され、その結果、スイッチング素子７８と抵抗素子７７からなる低抵抗化回路部が通常負荷状態若しくは非導通状態から低抵抗状態に遷移する。すると、燃料電池本体７１はその出力端子間が低抵抗化若しくは短絡したかの如き状態に変化し、燃料電池本体７１には大きなセル電流ｉｃｅｌｌ即ち過電流が流れることになる。この燃料電池本体７１を流れる過電流によって、酸素側電極においては活発に酸素原子が水素原子と結合して生成水が一時的に多量に発生し、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すことで出力を瞬時に回復させることが可能である。
【００５５】
燃料電池本体７１を過電流が流れる際には、出力端子の電位差即ちセル電圧Ｖｃｅｌｌも急激に小さくなることから、図８に示すように比較的に短い時間で所要の電圧（例えば図２の電圧Ｖｓ）を下回り、制御ユニット７３はその出力電圧が所要の電圧よりも低下したことを検知して、スイッチング素子７８をオフ状態に遷移させる。すると、負荷制御部の回路状態は通常の状態に戻り、スイッチング素子７８と抵抗素子７７を介した電流経路は遮断される。その結果、セル電圧Ｖｃｅｌｌ即ち出力電圧Ｖｏｕｔも反転して急激に高くなる。燃料電池本体７１の出力電圧Ｖｏｕｔが再び高くなることで、フローティングバッテリー８０の電圧を超えることとなり、燃料電池本体７１から再び負荷装置７５に対して電力の供給が行われる。この段階では、燃料電池本体７１を過電流が流れた際に生成水が多量に発生し、電解質膜が速やかに湿潤状態になることから、出力を瞬時に回復させることができる。
【００５６】
図８では、更に燃料電池装置を運転した場合についても図示しており、再度、運転を続けることで同様な出力電圧の低下が発生すれば、同様な機能回復のための燃料電池本体７１を過電流の印加を図ることができ、同様に出力電圧を向上させることができる。また、燃料電池本体１１における負荷が自己加湿状態を維持できる程度であれば、出力電圧は所定の値で平衡化することになり、その値で出力電圧を維持して長時間発電が可能である。
【００５７】
なお、図８の例は空気供給コンプレッサー７６からの空気供給を一定の量とした場合を図示したものである。前述の如き出力機能回復のために燃料電池本体７１に過負荷電流を印加する制御と協調して空気供給コンプレッサー７６からの空気供給を制御することも可能であり、例えば、燃料電池本体７１に過電流を流して水分を生じさせて発電機能を回復させている期間では、空気供給コンプレッサー７６の作動を一旦停止させる制御を行うことができる。このような空気供給コンプレッサー７６の一旦停止によって、水分の蒸発を止めることができ、また、電解質膜に生成水を速やかに浸透させることができる。これら水分の蒸発抑制や生成水の電解質膜への浸透によって発電性能を迅速に回復させることができる。
【００５８】
次に、図７に示した本実施の形態の燃料電池装置を作動させる各手順の一例について図９を参照しながら説明する。本実施の形態の燃料電池装置は、出力特性又は内部抵抗の特性が許容範囲外となった時にそれを回復させるように動作する。本例では、燃料電池装置の運転を開始した直後の起動時と開始後しばらく経過した時点の運転中では、それぞれ許容範囲が異なるために、異なる手順で処理を進めるように構成されている。この手順は制御ユニットの判断を手順化したものであり、例えば図７の制御ユニット７３におけるＣＰＵの制御手順が図９のフローチャートに該当する。
【００５９】
制御手順として、先ず、手順Ｓ１１で現段階が燃料電池装置の運転を開始した直後の起動時と開始後しばらく経過した時点の運転中とのいずれかであるかが判断される。これは制御ユニット７３の内部のクロックやタイマーなどによってモニターすることが可能であるが、他のデータ、例えば負荷装置側からのデータを用いても良い。
【００６０】
この手順Ｓ１１の判断結果が起動時であると判断される場合、手順Ｓ１２に進み電圧、電流、温度の各データが燃料電池本体７１から制御ユニット７３に取り込まれる。次に、これらのパラメータによってデータ取り込み時における燃料電池本体７１の電圧−電流特性又は内部抵抗の特性が検知若しくは算出され、その電圧−電流初期特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内に有るか否かが手順Ｓ１３で判断される。もし、データ取り込み時における燃料電池本体７１の電圧−電流初期特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内に有る場合（ＹＥＳ）、手順Ｓ１４に進み、現在の運転状況は良好であるとして、現在の負荷制御をそのまま持続させ、処理を終了する。
【００６１】
データ取り込み時における燃料電池本体７１の電圧−電流初期特性又は内部抵抗の特性が許容範囲外と判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ１５に進み、空気供給コンプレッサー７６からの空気供給は通常の負荷に見合った供給量を維持しておき、過負荷電流を燃料電池本体７１に流すために、スイッチング素子７８などのパワー素子をオフからオンに制御し、低抵抗な抵抗素子７７に電流を流す。これによって燃料電池本体７１の酸素側電極では、多量の酸素が水分になって消費されて行くようになり、その生成水によって電解質膜の湿潤状態が得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能である。また、この期間では、燃料電池本体７１からの電力供給ができないことになるが、フローティングバッテリー８０の電力を負荷装置７５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【００６２】
過負荷電流を燃料電池本体７１に流すために、スイッチング素子７８などのパワー素子をオンに制御した後では、手順Ｓ１６に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下したか否か（内部抵抗値ｒがｒｓより低下したか否か）が判断される。未だ、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下していない（内部抵抗値ｒがｒｓより低下していない）と判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ１８に進み、燃料電池本体７１を流れている過負荷電流がそのまま維持され、再び条件判断を行う手順Ｓ１６に戻る。
【００６３】
手順Ｓ１６に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下した（内部抵抗値ｒがｒｓより低下した）と判断される場合（ＹＥＳ）では、既に燃料電池本体７１で発生した生成水によって機能回復が行われたものとして、当該燃料電池本体７１を流れる過負荷電流を遮断する。このためパワー素子などのスイッチング素子７８をオン状態からオフ状態に制御する。このようにスイッチング素子７８をオフ状態に制御することで、抵抗素子７８を流れる電流は遮断され（手順Ｓ１７）、同時に燃料電池本体７１を流れる過負荷電流も遮断される。その結果、燃料電池本体７１にかけられる負荷は通常の負荷となり、出力電圧Ｖｏｕｔは例えば図２や図８に示すように元に戻ることになる。
【００６４】
次に、運転開始から所要時間経過してところである運転中の場合には、手順Ｓ１１で運転中であると判断されることになり、手順Ｓ１９に進み電圧、電流、温度の各データが燃料電池本体７１から制御ユニット７３に取り込まれる。次に、これらのパラメータによってデータ取り込み時における燃料電池本体７１の電圧−電流特性又は内部抵抗の特性が検知若しくは算出され、その運転中の電圧−電流低下特性又は内部抵抗の増加特性が許容範囲内に有るか否かが手順Ｓ２０で判断される。もし、データ取り込み時における燃料電池本体７１の電圧−電流低下特性又は内部抵抗の増加特性が許容範囲内に有る場合（ＹＥＳ）、手順Ｓ２１に進み、現在の運転状況は良好であるとして、現在の負荷制御をそのまま持続させ、処理を終了する。
【００６５】
データ取り込み時における燃料電池本体７１の電圧−電流低下特性又は内部抵抗の増加特性が許容範囲外と判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ１５に進み、空気供給コンプレッサー７６からの空気供給は通常の負荷に見合った供給量を維持しておき、過負荷電流を燃料電池本体７１に流すために、スイッチング素子７８などのパワー素子をオフからオンに制御し、低抵抗な抵抗素子７７に電流を流す。これによって燃料電池本体７１の酸素側電極では、多量の酸素が水分になって消費されて行くようになり、その生成水によって電解質膜の湿潤状態が得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能である。また、この期間では、燃料電池本体７１からの電力供給ができないことになるが、フローティングバッテリー８０の電力を負荷装置７５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【００６６】
また、起動時と同様に、過負荷電流を燃料電池本体７１に流すために、スイッチング素子７８などのパワー素子をオンに制御した後では、手順Ｓ１６に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下したか否か（内部抵抗値ｒがｒｓより低下したか否か）が判断される。未だ、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下していない（内部抵抗値ｒがｒｓより低下していない）と判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ１８に進み、燃料電池本体７１を流れている過負荷電流がそのまま維持され、再び条件判断を行う手順Ｓ１６に戻る。
【００６７】
手順Ｓ１６に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下した（内部抵抗値ｒがｒｓより低下した）と判断される場合（ＹＥＳ）では、既に燃料電池本体７１で発生した生成水によって機能回復が行われたものとして、当該燃料電池本体７１を流れる過負荷電流を遮断する。このためパワー素子などのスイッチング素子７８をオン状態からオフ状態に制御する。このようにスイッチング素子７８をオフ状態に制御することで、抵抗素子７８を流れる電流は遮断され（手順Ｓ１７）、同時に燃料電池本体７１を流れる過負荷電流も遮断される。その結果、燃料電池本体７１にかけられる負荷は通常の負荷となり、出力電圧Ｖｏｕｔは例えば図２や図８に示すように元に戻ることになる。
【００６８】
以上の手順のように、本実施の形態の燃料電池装置は、燃料電池本体からの出力特性である電圧‐電流特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内か否かが判断され、許容範囲を外れた際にスイッチング素子をオン状態に制御して燃料電池本体に過負荷電流が流される。また、過負荷電流が流された後は、同様に出力電圧又は内部抵抗値を参照して或るレベルを下回った際にスイッチング素子をオフ状態に制御して燃料電池本体への過負荷電流が停止される。従って、燃料電池本体の出力特性の回復を比較的短時間に行うことができ、その制御は出力特性又は内部抵抗の増加特性をモニターしながら進められるため、不必要に回復作業を行うものでもない。特に、燃料電池本体からの出力特性である電圧‐電流特性又は内部抵抗の増加特性が許容範囲内か否かは、起動時と運転中で異なる制御とされ、それぞれ電解質膜の状態が微妙に異なっていても、それぞれ的確な制御を行うことができる。
【００６９】
［第３の実施の形態］
次に、図１０を参照しながら、第３の実施の形態にかかる燃料電池装置について説明する。図１０の装置は、例えば複数のＭＥＡの如き発電体を積層した構造の燃料電池本体９１を有し、更に負荷の制御を行うための制御ユニット９３と、燃料電池本体９１に接続して該燃料電池本体９１にかかる負荷の値を可変とする負荷制御部として、ＤＣ−ＤＣ変換器９７と、ダイオード９９及びフローティングバッテリー９８からなる電源補償回路部とを有している。電源補償回路部は出力電圧が閾値電圧以下となった時に両電極間で電気的な接続を行なうバイパス回路として機能する。この負荷制御部を介して燃料電池本体９１には当該燃料電池本体９１で発生した起電力が供給される負荷装置９５が接続され、更に燃料電池本体９１には燃料流体を燃料導入管１０１を介して供給するための水素供給装置９２が接続されている。また、燃料電池本体９１には、空気を供給すると共に余分な水分を蒸発させるための空気供給コンプレッサー９６が接続される。空気供給コンプレッサー９６からの空気は空気導入管１０２を介して燃料電池本体９１に届けられ空気排気管１０３を介して余分な水分等と共に排気される。
【００７０】
この図１０の装置において、燃料電池本体９１、水素供給装置９２、制御ユニット９３、負荷装置９５、及び空気供給コンプレッサー９６は、図７に示すそれぞれ対応する装置と同様の構成を有しており、ここでは簡単のため重複した説明を省略する。図１０の装置は、図７の装置に低抵抗化回路の代りにＤＣ−ＤＣ変換器９７を配した構成となっており、このＤＣ−ＤＣ変換器９７は制御ユニット９３からの制御信号に応じて１次側の入力電流を増加させることができる。すなわち、ＤＣ−ＤＣ変換器９７は、燃料電池本体からの出力特性である電圧‐電流特性又は内部抵抗の増加特性が許容範囲を外れた際に、１次側の入力電流を大きく増加させ、それによって燃料電池本体に過電流を流す機能を有している。この過電流によって燃料電池本体９１の酸素側電極では、多量の酸素が消費されて水分になって行くようになり、その生成水によって電解質膜の湿潤状態が得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能である。また、この期間では、燃料電池本体９１からの電力供給ができないことになるが、フローティングバッテリー９８の電力を負荷装置９５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【００７１】
なお、上述の実施の形態では、燃料電池本体に過電流を流すために一対の出力端子の間を電気回路で短絡させたり或いは低抵抗化させるように構成しているが、必ずしも出力端子の抵抗値を操作する方法に限定されず、ＭＥＡ自体や集電体などに燃料側電極と酸素側電極の間を短絡又は低抵抗化する手段を形成しても良く、また、その短絡又は低抵抗化する手段は単数に限らず複数設けるようにしても良い。また、電解質膜で均一な機能回復処理を図るために、燃料電池本体に過電流を流すための専用の配線を施すことも可能である。
【００７２】
また、本実施の形態では、燃料電池本体の出力電圧又は内部抵抗等をモニターしながら、所定の出力特性回復動作を行う例について説明したが、これに限らず、タイマーなどによって自動的に所定の出力特性回復動作を行うことも可能であり、特に起動時などではタイマーを用いても良好な結果が得られることになる。また、燃料電池本体が複数の発電体からなる場合では、全部の発電体に一度に過電流処理を行うようにすることも可能であるが、過電流を印加させる発電体を時間的にずらすようにして順番に処理するようにすることも可能である。
【００７３】
また、制御ユニット９３を後述するように負荷の制御と空気供給の両方に用いることも可能である。
【００７４】
［第４の実施の形態］
本発明の燃料電池装置の好適な実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１１は本実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。本実施の形態の燃料電池装置１１０は、起電力を発生させる燃料電池本体１１１と、負荷の制御を行うための制御ユニット１１３と、燃料電池本体１１１に空気を送るための空気供給制御部１１６とを有し、燃料電池本体１１１の出力端子からは負荷装置１１５に対して常時は起電力が供給され、燃料電池本体１１１には燃料流体を供給するための水素供給装置１１２が接続する。
【００７５】
燃料電池本体１１１は、一例として後述するような略平板状の電解質膜を燃料側電極と酸素側電極で挟持する構造を有しており、燃料側電極には水素貯蔵機能を有する水素供給装置１１２から水素ガス若しくはメタノールなどの燃料流体が供給される。酸素側電極は空気中の酸素を取り込むための電極であり、前記燃料側電極に電解質膜を挟んで対峙する。酸素側電極は大気開放型でも良く、コンプレッサー、ポンプ、或いはファンなどによって空気が送られる構造であっても良い。この燃料電池本体１１１は略平板状の電解質膜を燃料側電極と酸素側電極で挟持する構造を更に複数枚重ねたスタック（積層）型であっても良く、一枚だけ若しくは２枚を重ねて平板形状を維持したものであっても良い。
【００７６】
水素供給装置１１２は、燃料電池本体１１１に水素ガス若しくはメタノール等のアルコールなどの燃料流体を供給するための装置であり、一例としては水素高圧タンクや、水素吸蔵合金を内蔵したカートリッジなどを用いることができる。この水素供給装置１１２は、後述するように、燃料電池本体１１１に対して着脱自在とすることも可能であり、継ぎ手部分で燃料状態についての情報の送受信を行う如き構造も可能である。
【００７７】
制御ユニット１１３は当該燃料電池装置１１０を制御するためのコントローラーであり、燃料電池本体１１１の燃料電池の出力又は内部抵抗の状態をモニターして、その出力又は内部抵抗の状態に応じた制御を行うための信号を空気供給制御部１１６に出力する。制御ユニット１１３は所要の電子回路、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などによって構成されるが、必ずしも燃料電池本体１１１と一体である必要はなく、別個に取り付けしたものや、当該燃料電池本体１１１を搭載する電子機器の情報処理ユニットの一部を活用するものであっても良い。本実施の形態においては、制御ユニット１１３は燃料電池の出力電圧又は内部抵抗値をモニターするが、これに限らず出力電流をモニターしたり、同時に温度や湿度、気圧などの条件を同時にモニターするようにしても良い。
【００７８】
空気供給制御部１１６は、燃料電池本体１１１に供給される空気を該燃料電池本体１１１の出力又は内部抵抗の状態に応じて可変とさせる制御部である。コンプレッサー、ファン、ポンプなどの気圧に変化を生じさせる装置であり、燃料電池本体１１１の酸素側電極の表面に空気中に含まれる酸素を供給すると共に、その酸素側電極の表面に発生する水分を空気を送ることで蒸発させて行く装置である。この空気供給制御部１１６は、燃料電池本体１１１と一体的に形成されていても良く、別個の部材として着脱されるような装置であっても良い。
【００７９】
負荷装置１１５は当該燃料電池装置１１０で発生した起電力が供給される装置であり、例えば、当該燃料電池装置１１０が搭載される装置がパーソナルコンピュータである場合には、そのパーソナルコンピュータの電源として当該燃料電池装置１１０が使用されるため、負荷装置１１５は内部回路及び周辺装置などである。また、燃料電池装置１１０が自動車などの輸送用機械に搭載される場合には、負荷装置は推進力をもたらすモーターなどの装置に該当する。また、燃料電池装置１１０が家庭用小型電源として使用される場合では、電球や家庭用電気装置などが負荷装置に該当する。
【００８０】
なお、燃料電池本体１１１を過電流状態にするために、燃料電池本体１１１の出力端子の間のスイッチング素子を配し、そのスイッチ素子をＯＮ状態として短絡させるようにすることもでき、また、燃料電池本体１１１を過電流状態にするために、燃料電池本体１１１の出力端子の間を低抵抗素子で接続するように構成しても良い。
【００８１】
次に図１２を参照して空気供給制御部１１６の動作の一例について説明する。図１２の縦軸は負荷電流一定時における燃料電池本体の出力電圧Ｖｏｕｔであり、横軸は時間ｔである。図１１の燃料電池装置１１０では当初電圧Ｖｏｕｔが比較的大きく維持されているが、稼動状態が継続して行く内に使用環境により燃料電池本体１１１の表面の電極の乾燥化が進展することがある。その結果、燃料電池本体１１１の出力電圧Ｖｏｕｔは除々に下がり始め、ある時点ｔ０で閾値電圧Ｖｔｈを下回ることになる。この閾値電圧Ｖｔｈは、燃料電池本体１１１の燃料電池の出力が低下したことを示す基準レベルであり、制御ユニット１１３側で燃料電池本体１１１の出力電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｔｈを下回ることが判別されれば、燃料電池本体１１１の燃料電池の出力が低下したことを制御ユニット１１３が検知することになり、機能回復のための動作を行う。具体的には、制御ユニット１１３から空気供給制御部１１６に信号を送り、例えば空気供給制御部１１６から送られる空気を一時的に停止する。
【００８２】
空気供給制御部１１６を送風停止状態に遷移させることによって燃料電池本体１１１の表面では水分の蒸発が抑制されることになり、乾燥化した燃料電池本体１１１の表面を短時間の間に湿潤状態に戻すことが可能である。この空気供給制御部１１６を送風停止状態にある場合、燃料電池には負荷電流が流れており、イオン交換による酸素原子の取り込みから水分が発生する。このため燃料電池本体１１１の表面を極めて短時間で湿潤状態に戻すことができる。このように空気供給制御部１１６を送風停止状態にしている間では、後段の負荷装置１１５に対する給電もそのままでは問題となるが、後述するようなフローティングバッテリーやキャパシタなどの電力補償手段を一時的に使用することで、負荷装置１１５への給電も途絶えることがない。
【００８３】
空気供給制御部１１６を送風停止状態とすることで、燃料電池本体１１１の出力電圧Ｖｏｕｔは急速に下がり続けることになるが、図１２における時点ｔ１で出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖｓを下回り、ここまでの出力電圧Ｖｏｕｔの低下が制御ユニット１１３側に検知される。その結果、制御ユニット１１３は燃料電池の機能回復のための動作を終了するための信号を空気供給制御部１１６に送る。この信号に応じて空気供給制御部１１６はその装置のモードを送風停止状態から通常の送風運転状態に遷移させる。
【００８４】
なお、燃料電池本体１１１の乾燥状態を検出するパラメータとしては、上記の負荷電流一定時における燃料電池本体の出力電圧Ｖｏｕｔの代わりに例えばカレントインターラプト法を用いて内部抵抗値ｒを用いる事ができる。この場合、内部抵抗値ｒがある値を超えた場合に上記と同様の制御により燃料電池本体１１１は送風停止状態にあるため、短時間の間に乾燥化した燃料電池本体１１１の表面を湿潤状態に戻すことが可能である。
【００８５】
このように本実施の形態の燃料電池装置１１０では、燃料電池本体１１１からの出力電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｔｈ以下に低下した際（内部抵抗値を用いた場合は内部抵抗値ｒｔｈ以上に増加した際）に、空気供給制御部１１６を送風停止状態にして燃料電池本体１１１を過電流状態とするような制御が行われ、この制御によって強制的且つ一時的な電極の保湿状態の回復が行われる。このため長時間などの運転時や起動時などにおいて、燃料電池本体１１１の表面の水分が不良で、定格な出力電圧が得られなくなった場合でも、比較的短時間で燃料電池の出力特性を回復させることができる。また、本実施の形態の燃料電池装置１１０では、空気供給制御部１１６を送風停止状態としている間では、出力電圧も低下することから、後述するようなフローティングバッテリーやキャパシタなどの電力補償手段を一時的に使用することができる。
【００８６】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の燃料電池装置のより詳細な実施の形態について、図１３から図１５を参照しながら説明する。先ず、本実施の形態の燃料電池装置は、図１３に示すように、例えば複数のＭＥＡの如き発電体を積層した構造の燃料電池本体１７１を有し、更に負荷の制御を行うための制御ユニット１７３と、燃料電池本体１７１に接続して該燃料電池本体１７１にかかる負荷の値を可変とする負荷制御部として、スイッチング素子１７８及び抵抗素子１７７からなる低抵抗化回路部と、ダイオード１７９及びフローティングバッテリー１８０からなる電源補償回路部とを有している。この負荷制御部を介して燃料電池本体１７１には当該燃料電池本体１７１で発生した起電力が供給される負荷装置１７５が接続され、更に燃料電池本体１７１には燃料流体を供給するための水素供給装置１７２が接続されている。また、燃料電池本体１７１には、空気を供給すると共に余分な水分を蒸発させるための空気供給制御部として空気供給コンプレッサー１７６が接続される。この空気供給コンプレッサー１７６は図１１の空気供給制御部１１６として機能する。
【００８７】
燃料電池本体１７１は、前述のように、電解質膜を燃料側電極と酸素側電極で挟持したＭＥＡを積層しており、燃料側電極に水素を供給し、酸素側電極に空気を供給することで起電力を一対に出力端子間に発生させる。燃料電池本体１７１には、水素供給装置１７２から水素などの燃料流体がガス供給路１８１を介して供給され、燃料電池本体１７１の燃料側電極に該燃料流体が送られる。
【００８８】
空気供給コンプレッサー１７６は、空気供給制御部として機能する装置であって、例えばファン、ポンプなどの気圧に変化を生じさせる機構からなり、燃料電池本体１７１の酸素側電極の表面に空気中に含まれる酸素を供給すると共に、その酸素側電極の表面に発生する水分を空気を送ることで蒸発させていくための装置である。この空気供給コンプレッサー１７６は、燃料電池本体１７１と一体的に形成されていても良く、別個の部材として着脱されるような装置であっても良い。空気供給コンプレッサー１７６は、空気導入管１８２を介して燃料電池本体１７１に接続し、この空気導入管１８２の流出口付近には燃料電池本体１７１の酸素側電極が配設される。酸素側電極が仮に水で覆われてしまった場合では、それ以上の酸素の取り込みが不能となり、発電特性が低下していくことになるが、空気供給コンプレッサー１７６を設けることで不要な水分が蒸発されて除去される。このため水分が酸素側電極で過剰になって出力低下を招くような問題は未然に防止される。また、燃料電池本体１７１では起動時や長時間の運転時に逆に燃料電池本体１７１が乾燥化してしまい、その結果、電解質膜におけるイオン交換の効率が低下するおそれがあるが、本実施の形態の燃料電池装置では、一時的に燃料電池本体１７１を送風停止状態にすることができるため、燃料電池本体１７１の乾燥状態を解決することも可能である。燃料電池本体１７１に供給された空気は空気排気管１８３を介して燃料電池本体１７１の外部に排出される。
【００８９】
負荷装置１７５は当該燃料電池装置で発生した起電力が供給される装置であり、例えば、当該燃料電池装置が搭載される装置がパーソナルコンピュータである場合には、そのパーソナルコンピュータの電源として当該燃料電池装置が使用されるため、負荷装置１７５は内部回路及び周辺装置などである。また、燃料電池装置が自動車などの輸送用機械に搭載される場合には、負荷装置は推進力をもたらすモーターなどの装置に該当する。また、燃料電池装置が家庭用小型電源として使用される場合では、電球や家庭用電気装置などが負荷装置１７５に該当する。
【００９０】
図１３において、制御ユニット１７３は、燃料電池本体１７１の出力又は内部抵抗の状態をモニターしながら、次に説明する空気供給コンプレッサー１７６及び負荷制御部の低抵抗化回路部と電源補償回路部を制御するための装置である。燃料電池本体１７１の出力又は内部抵抗の状態は、燃料電池即ちＭＥＡの出力端子からの信号化された情報によって監視される。図１３の装置では、燃料電池本体１７１の出力又は内部抵抗の状態をモニターする方法を用いているが、これに限定されず、各電極や電解質膜の湿潤度を直接モニターするようにすることも可能であり、温度や気圧センサーなどを用いたり或いは出力センサーと併用したりすることも可能である。なお、制御ユニット１７３は、空気供給コンプレッサー１７６の運転状況を直接モニターすることも可能である。
【００９１】
発電機能を回復させるために空気供給コンプレッサー１７６の作動を制御する場合においては、燃料電池本体１７１に電流を流して水を生成させる。すなわち、空気供給コンプレッサー１７６の作動を停止させることで水分の蒸発を止めることができ、同時に、電解質膜に生成水を速やかに浸透させることができる。この空気供給コンプレッサー１７６の送風停止は、比較的に短い期間で良く、発電性能を迅速に回復させることができる。また、制御ユニット１７３は、負荷装置１７５の電力消費状態や必要度についての情報も受け取り、それらの情報に基づいて無駄の少ない高効率な発電を実現させることができる。
【００９２】
このような空気供給コンプレッサー１７６の送風動作の制御に加えて、本実施の形態の燃料電池装置は、燃料電池本体１７１にかかる負荷電流の値を可変とする負荷制御部として、スイッチング素子１７８及び抵抗素子１７７からなる低抵抗化回路部と、ダイオード１７９及びフローティングバッテリー１８０からなる電源補償回路部とを有している。低抵抗化回路部を構成するスイッチング素子１７８と抵抗素子１７７は、前述の制御ユニット１７３からの信号に応じて作動する回路であり、例えばスイッチング素子１７８としては本実施形態におけるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体素子や、更にはリレーなどを使用しても良い。抵抗素子１７７は、負荷装置１７５と比べて極めて小さな抵抗値を有し、電流が流れた場合に両端で発生する電位差は小さい値にされる。燃料電池本体１７１の出力端子のプラス端子とマイナス端子の間にスイッチング素子１７８と抵抗素子１７７が直列に接続され、スイッチング素子１７８のゲート電極がオン側に制御されれば、スイッチング素子１７８が導通状態となって、燃料電池本体１７１の出力端子にかかる負荷電流が増加する。
【００９３】
負荷制御部の電源補償回路部は、ダイオード１７９及びフローティングバッテリー１８０からなり、ダイオード１７９は燃料電池本体１７１の出力が低下した場合における整流器として機能する。フローティングバッテリー１８０は、燃料電池本体１７１の出力端子のプラス端子とマイナス端子の間がスイッチング素子１７８と抵抗素子１７７からなる低抵抗化回路部の作動に応じて低抵抗化した際に、燃料電池本体１７１の代わりに負荷装置１７５に対する電源として機能する素子である。フローティングバッテリー１８０のプラス端子がダイオード１７９を介して燃料電池本体１７１の出力端子のプラス端子に接続されると共に負荷装置１７５のプラス端子側に接続され、フローティングバッテリー１８０のマイナス端子が燃料電池本体１７１の出力端子のマイナス端子に接続されると共に負荷装置１７５のマイナス端子側に接続される。このフローティングバッテリー１８０は、スイッチング素子１７８がオン状態の場合、その起電力で負荷装置１７５を駆動する。なお、フローティングバッテリー１８０の代わりに容量などを使用しても良い。
【００９４】
図１４は図１３の燃料電池装置の動作を説明するためのタイムチャートの一例であり、燃料電池の負荷電流一定時の出力電圧を乾燥状態のパラメータとして検出に使用した例である。横軸は時間ｔであり、縦軸は負荷電流一定時のセル電圧Ｖｃｅｌｌを示している。セル電圧Ｖｃｅｌｌが燃料電池本体１７１の出力電圧Ｖｏｕｔに対応する。この燃料電池装置は、その燃料電池本体１７１の出力電圧低下が顕著になった場合に、制御ユニット１７３がその出力電圧低下を検知し、ある値（例えば図１２のＶｔｈ）以下と判断される場合には、制御ユニット１７３からの信号によって空気供給コンプレッサー１７６が送風停止状態に制御される。
【００９５】
発電性能を回復させる際には、先ず、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給を制御する。例えば、燃料電池本体１７１の出力電圧が低下した状態では、空気供給コンプレッサー１７６の作動を一旦停止させて空気の供給を停止させる制御を行うことができる。このような空気供給コンプレッサー１７６の一旦停止によって、水分の蒸発を止めることができると共に、電解質膜に生成水を速やかに浸透させることができ、これら水分の蒸発抑制や生成水の電解質膜への浸透によって発電性能を迅速に回復させることができる。
【００９６】
また、低抵抗化回路部の低抵抗化への遷移によって、燃料電池本体１７１はその出力端子間が低抵抗化若しくは短絡したかの如き状態に変化し、燃料電池本体１７１には大きな過電流が流れることになる。この燃料電池本体１７１を流れる過電流によって、酸素側電極においては活発に酸素原子が水素原子と結合して生成水が一時的に多量に発生し、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能である。
【００９７】
燃料電池本体１７１への空気供給を停止した際には、出力端子の電位差即ちセル電圧Ｖｃｅｌｌも急激に小さくなることから、図１４に示すように比較的に短い時間で所要の電圧（例えば図１２の電圧Ｖｓ）を下回り、制御ユニット１７３はその出力電圧が所要の電圧よりも低下したことを検知して、通常の空気供給制御に遷移させる。すると、空気供給制御部は通常の状態に戻り、酸素側電極に空気を供給する。その結果、セル電圧Ｖｃｅｌｌ即ち出力電圧Ｖｏｕｔも反転して急激に高くなる。燃料電池本体１７１の出力電圧Ｖｏｕｔが再び高くなることで、フローティングバッテリー１８０の電圧Ｖｂを超えることとなり、燃料電池本体１７１から再び負荷装置１７５に対して電力の供給が行われる。この段階では、燃料電池本体１７１への空気供給を停止した際に生成水が多量に発生し、電解質膜が速やかに湿潤状態になることから、出力を瞬時に回復させることができる。
【００９８】
図１４では、更に燃料電池装置を運転した場合についても図示しており、再度、運転を続けることで同様な出力電圧の低下が発生すれば、同様な機能回復のための燃料電池本体１７１への空気供給を停止することができ、同様に出力電圧を向上させることができる。また、燃料電池本体１１１における空気供給が自己加湿状態を維持できる程度であれば、出力電圧は所定の値で平衡化することになり、その値で出力電圧を維持して長時間発電が可能である。
【００９９】
次に、図１３に示した本実施の形態の燃料電池装置を作動させる各手順の一例について図１５を参照しながら説明する。本実施の形態の燃料電池装置は、出力特性又は内部抵抗の特性が許容範囲外となった時にそれを回復させるように動作する。本例では、燃料電池装置の運転を開始した直後の起動時と開始後しばらく経過した時点の運転中では、それぞれ許容範囲が異なるために、異なる手順で処理を進めるように構成されている。この手順は制御ユニットの判断を手順化したものであり、例えば図１３の制御ユニット１７３におけるＣＰＵの制御手順が図１５のフローチャートに該当する。
【０１００】
制御手順として、先ず、手順Ｓ３１で現段階が燃料電池装置の運転を開始した直後の起動時と開始後しばらく経過した時点の運転中とのいずれかであるかが判断される。これは制御ユニット１７３の内部のクロックやタイマーなどによってモニターすることが可能であるが、他のデータ、例えば負荷装置側からのデータを用いても良い。
【０１０１】
この手順Ｓ３１の判断結果が起動時であると判断される場合、手順Ｓ３２に進み電圧、電流、温度の各データが燃料電池本体１７１から制御ユニット１７３に取り込まれる。次に、これらのパラメータによってデータ取り込み時における燃料電池本体１７１の電圧−電流特性又は内部抵抗の特性が検知若しくは算出され、その電圧−電流初期特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内に有るか否かが手順Ｓ３３で判断される。もし、データ取り込み時における燃料電池本体１７１の電圧−電流初期特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内に有る場合（ＹＥＳ）、手順Ｓ３４に進み、現在の運転状況は良好であるとして、現在の負荷制御をそのまま持続させ、処理を終了する。
【０１０２】
データ取り込み時における燃料電池本体１７１の電圧−電流初期特性又は内部抵抗の特性が許容範囲外と判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ３５に進み、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給を停止する。このような空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給の停止によって、燃料電池本体１１１の酸素側電極で発生する水分の蒸発が抑制される。次いで、手順Ｓ３６に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下したか否かが判断される。ここで電圧Ｖｂは、前述のフローティングバッテリー１８０の公称電圧Ｖｂであるが、その制御や微調整分を考慮して、多少高めの電圧を設定したり、低めの電圧を設定したりすることもできる。出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下していない場合（ＮＯ）は、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給の停止を継続させながら（手順Ｓ５１）、手順Ｓ３６に戻り、再び出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下したか否かが判断される。
【０１０３】
手順Ｓ３６で出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下したか否かが判断され、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下した場合（ＹＥＳ）は、負荷抵抗に電気負荷をかける制御が行われ（手順Ｓ３７）、スイッチング素子１７８などのパワー素子をオフからオンに制御し、低抵抗な抵抗素子１７７に電流を流す。これによって燃料電池本体１７１の酸素側電極では、多量の酸素が消費されて水分になって行くようになり、その生成水によって電解質膜の湿潤状態が得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能となる。また、この期間では、燃料電池本体１７１からの電力供給ができないことになるため、フローティングバッテリー１８０の電力を負荷装置１７５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【０１０４】
過負荷電流を燃料電池本体１７１に流すために、スイッチング素子１７８などのパワー素子をオンに制御した後では、手順Ｓ３８に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下したか否か（内部抵抗値ｒがｒｓより低下したか否か）が判断される。未だ、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下（内部抵抗値ｒがｒｓより低下）していないと判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ４１に進み、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給の停止を継続させながら、燃料電池本体１７１を流れている過負荷電流がそのまま維持され、再び条件判断を行う手順Ｓ３６に戻る。
【０１０５】
手順Ｓ３８で出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下した（内部抵抗値ｒがｒｓより低下した）と判断される場合（ＹＥＳ）では、既に燃料電池本体１７１で発生した生成水によって機能回復が行われたものとして、手順Ｓ３９で当該燃料電池本体１７１を流れる過負荷電流を遮断する。このためパワー素子などのスイッチング素子１７８をオン状態からオフ状態に制御する。このようにスイッチング素子１７８をオフ状態に制御することで、抵抗素子１７８を流れる電流は遮断され、同時に燃料電池本体１７１を流れる過負荷電流も遮断される。その結果、燃料電池本体１７１にかけられる負荷は通常の負荷となる。また、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下した（内部抵抗値ｒがｒｓより低下した）と判断される場合（ＹＥＳ）では、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給も再開され（手順Ｓ４０）、処理を終了する。図１５は空気の供給制御と負荷電流制御とを組み合わせた場合の手順の１例を紹介したが、空気供給制御のみの場合でも本実施例となる。つまり、手順Ｓ３６、Ｓ３７、Ｓ３９、Ｓ４１を省いた手順でも可能である。
【０１０６】
次に、運転開始から所要時間経過したところである運転中の場合には、手順Ｓ３１で運転中であると判断されることになり、手順Ｓ４２に進み電圧、電流、温度の各データが燃料電池本体１７１から制御ユニット１７３に取り込まれる。次に、これらのパラメータによってデータ取り込み時における燃料電池本体１７１の電圧−電流特性又は内部抵抗の特性が検知若しくは算出され、その運転中の電圧−電流低下特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内に有るか否かが手順Ｓ４３で判断される。もし、データ取り込み時における燃料電池本体１７１の電圧−電流低下特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内に有る場合（ＹＥＳ）、手順Ｓ４４に進み、現在の運転状況は良好であるとして、現在の負荷制御をそのまま持続させ、処理を終了する。
【０１０７】
データ取り込み時における燃料電池本体１７１の電圧−電流低下特性又は内部抵抗の特性が許容範囲外と判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ３５に進み、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給を停止する。このような空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給の停止によって、燃料電池本体１１１の酸素側電極で発生する水分の蒸発が抑制される。次いで、過負荷電流を燃料電池本体１７１に流すために、手順Ｓ３６に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下したか否かが判断される。ここで電圧Ｖｂは、前述のフローティングバッテリー１８０の公称電圧Ｖｂであるが、その制御や微調整分を考慮して、多少高めの電圧を設定したり、低めの電圧を設定したりすることもできる。出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下していない場合（ＮＯ）は、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給の停止を継続させながら（手順Ｓ４１）、手順Ｓ３６に戻り、再び出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下したか否かが判断される。
【０１０８】
手順Ｓ３６で出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下したか否かが判断され、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下した場合（ＹＥＳ）は、負荷抵抗に電気負荷をかける制御が行われ（手順Ｓ３７）、スイッチング素子１７８などのパワー素子をオフからオンに制御し、低抵抗な抵抗素子１７７に電流を流す。これによって燃料電池本体１７１の酸素側電極では、多量の酸素が消費されて水分になって行くようになり、その生成水によって電解質膜の湿潤状態が得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能となる。また、この期間では、燃料電池本体１７１からの電力供給ができないことになるため、フローティングバッテリー１８０の電力を負荷装置１７５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【０１０９】
過負荷電流を燃料電池本体１７１に流すために、スイッチング素子１７８などのパワー素子をオンに制御した後では、手順Ｓ３８に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下したか否か（内部抵抗値ｒがｒｓより低下したか否か）が判断される。未だ、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下（内部抵抗値ｒがｒｓより低下）していないと判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ４１に進み、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給の停止を継続させながら、燃料電池本体１７１を流れている過負荷電流がそのまま維持され、再び条件判断を行う手順Ｓ３６に戻る。
【０１１０】
この運転中においても、起動時と同様に、手順Ｓ３８で出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下した（内部抵抗値ｒがｒｓより低下した）と判断される場合（ＹＥＳ）では、既に燃料電池本体１７１で発生した生成水によって機能回復が行われたものとして、手順Ｓ３９で当該燃料電池本体１７１を流れる過負荷電流を遮断する。このためパワー素子などのスイッチング素子１７８をオン状態からオフ状態に制御する。このようにスイッチング素子１７８をオフ状態に制御することで、抵抗素子１７８を流れる電流は遮断され、同時に燃料電池本体１７１を流れる過負荷電流も遮断される。その結果、燃料電池本体１７１にかけられる負荷は通常の負荷となる。また、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下した（内部抵抗値ｒがｒｓより低下した）と判断される場合（ＹＥＳ）では、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給も再開され（手順Ｓ４０）、処理を終了する。
【０１１１】
以上の手順のように、本実施の形態の燃料電池装置は、燃料電池本体からの出力特性である電圧‐電流特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内か否かが判断され、許容範囲を外れた際に空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給が停止され、更にスイッチング素子をオン状態に制御して燃料電池本体に過負荷電流が流される。また、過負荷電流が流された後は、同様に出力電圧又は内部抵抗値を参照して或るレベルを下回った際にスイッチング素子をオフ状態に制御して燃料電池本体への過負荷電流が停止される。
【０１１２】
従って、燃料電池本体の出力特性の回復を比較的短時間に行うことができ、その制御は出力特性をモニターしながら進められるため、不必要に回復作業を行うものでもない。特に、燃料電池本体からの出力特性である電圧‐電流特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内か否かは、起動時と運転中で異なる制御とされ、それぞれ電解質膜の状態が微妙に異なっていても、それぞれ的確な制御を行うことができる。
【０１１３】
なお、本実施の形態においては、出力回復のための期間に、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給は停止されるものとして説明したが、停止ではなく出力回復のために空気の送風量を低下させ、回復後に元に戻すような制御を行うようにしても良い。また、図１５の手順では、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給を制御した後で、燃料電池本体を流れる電流量を調整するように構成したが、燃料電池本体を流れる電流量を調整した後に、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給を制御しても良いし、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給を制御するだけで構成しても良い。
【０１１４】
［第６の実施の形態］
次に、図１６を参照しながら、第４の実施の形態にかかる燃料電池装置について説明する。図１６の装置は、例えば複数のＭＥＡの如き発電体を積層した構造の燃料電池本体２１１を有し、更に空気供給と負荷の制御を行うための制御ユニット２１３と、燃料電池本体２１１に接続して該燃料電池本体２１１にかかる負荷の値を可変とする負荷制御部として、スイッチング素子２１８及び抵抗素子２１７からなる低抵抗化回路部と、ダイオード２１９及びフローティングバッテリー２２０からなる電源補償回路部とを有している。
【０１１５】
この負荷制御部を介して燃料電池本体２１１には当該燃料電池本体２１１で発生した起電力が供給される負荷装置２１５が接続され、更に燃料電池本体２１１には燃料流体を燃料導入管２２３を介して供給するための水素供給装置２１２が接続されている。また、燃料電池本体２１１には、酸素を供給すると共に余分な水分を蒸発させるための空気供給コンプレッサー２１６が接続される。空気供給コンプレッサー２１６からの空気は空気導入管２２４を介して燃料電池本体２１１に届けられ空気排気管２２２を介して余分な水分等と共に排気される。
【０１１６】
空気排気管２２２は、燃料電池本体２１１の酸素側電極を通り、酸素側電極で発生した余分な水分を蒸発させて排出するための流体路である。この空気排気管２２２には、特に本実施の形態において、当該空気排気管２２２における空気の流通を遮断できる遮断弁２２１が設けられている。この遮断弁２２１は、制御ユニット２１３からの信号に応じて遮断状態と流通状態を呈し、例えば、燃料電池本体２１１の出力特性が低下した場合では、空気の流通を遮断すべく遮断弁２２１を遮断状態に遷移させる。遮断弁２２１を遮断状態に遷移させることで、燃料電池本体２１１の酸素側電極での水分の除去は抑制されることになり、生成水によって電解質膜の湿潤状態が速やかに得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では出力を瞬時に回復させることが可能である。なお、この図１６の装置において、燃料電池本体２１１、水素供給装置２１２、負荷装置２１５、及び空気供給コンプレッサー２１６は、図１３に示すそれぞれ対応する装置と同様の構成を有しており、ここでは簡単のため重複した説明を省略する。
【０１１７】
図１６の装置では、制御ユニット２１３によって空気供給コンプレッサー２１６の空気供給の制御に加えて、空気排気管２２２に形成された遮断弁２２１によっても酸素側電極表面の空気の流通を制御することができ、空気供給コンプレッサー２１６の停止などが好ましくない装置では、遮断弁２２１によって確実な制御を図ることができる。
【０１１８】
本実施の形態の燃料電池装置では、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能である。また、この期間では、燃料電池本体２１１からの電力供給ができないことになるが、フローティングバッテリー２２０の電力を負荷装置２１５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【０１１９】
［第７の実施の形態］
次に、図１７を参照しながら、第７の実施の形態にかかる燃料電池装置について説明する。図１７の装置は、例えば複数のＭＥＡの如き発電体を積層した構造の燃料電池本体２３１を有し、更に空気供給と負荷の制御を行うための制御ユニット２３３と、燃料電池本体２３１に接続して該燃料電池本体２３１にかかる負荷の値を可変とする負荷制御部として、スイッチング素子２３８及び抵抗素子２３７からなる低抵抗化回路部と、ダイオード２３９及びフローティングバッテリー２４０からなる電源補償回路部とを有している。
【０１２０】
この負荷制御部を介して燃料電池本体２３１には当該燃料電池本体２３１で発生した起電力が供給される負荷装置２３５が接続され、更に燃料電池本体２３１には燃料流体を燃料導入管を介して供給するための水素供給装置２３２が接続されている。また、燃料電池本体２３１には、酸素を供給すると共に余分な水分を蒸発させるための空気供給コンプレッサー２３６が接続される。空気供給コンプレッサー２３６からの空気は空気導入管２４２を介して燃料電池本体２３１に届けられ空気排気管２４１を介して余分な水分等と共に排気される。
【０１２１】
空気導入管２４２は、燃料電池本体２３１の酸素側電極に空気を送りこむための流体路である。この空気導入管２４２には、特に本実施の形態において、当該空気排気管２２２における空気の流通を遮断できる遮断弁２４３が設けられている。この遮断弁２４３は、制御ユニット２３３からの信号に応じて遮断状態と流通状態を呈し、例えば、燃料電池本体２３１の出力特性が低下した場合では、空気の流通を遮断すべく遮断弁２４３を遮断状態に遷移させる。遮断弁２４３を遮断状態に遷移させることで、燃料電池本体２３１の酸素側電極での水分の除去は抑制されることになり、生成水によって電解質膜の湿潤状態が速やかに得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では出力を瞬時に回復させることが可能である。なお、この図１７の装置において、燃料電池本体２３１、水素供給装置２３２、負荷装置２３５、及び空気供給コンプレッサー２３６は、図１３に示すそれぞれ対応する装置と同様の構成を有しており、ここでは簡単のため重複した説明を省略する。
【０１２２】
図１７の装置では、制御ユニット２３３によって空気供給コンプレッサー２３６の空気供給の制御に加えて、空気導入管２４２に形成された遮断弁２４３によっても酸素側電極表面の空気の流通を制御することができ、空気供給コンプレッサー２３６の停止などが好ましくない装置では、遮断弁２４３によって確実な制御を図ることができる。
【０１２３】
本実施の形態の燃料電池装置では、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能である。また、この期間では、燃料電池本体２３１からの電力供給ができないことになるが、フローティングバッテリー２４０の電力を負荷装置２３５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【０１２４】
［第８の実施の形態］
次に、図１８を参照しながら、第８の実施の形態にかかる燃料電池装置について説明する。図１８の装置は、例えば複数のＭＥＡの如き発電体を積層した構造の燃料電池本体２５１を有し、更に空気供給と負荷の制御を行うための制御ユニット２５３と、燃料電池本体２５１に接続して該燃料電池本体２５１にかかる負荷の値を可変とする負荷制御部として、スイッチング素子２５８及び抵抗素子２５７からなる低抵抗化回路部と、ダイオード２５９及びフローティングバッテリー２６０からなる電源補償回路部とを有している。
【０１２５】
この負荷制御部を介して燃料電池本体２５１には当該燃料電池本体２５１で発生した起電力が供給される負荷装置２５５が接続され、更に燃料電池本体２５１には燃料流体を燃料導入管を介して供給するための水素供給装置２５２が接続されている。また、燃料電池本体２５１は、前述の図３や図５のように筐体の内部に収納されるように構成されており、その筐体の外部から開口部２６２を介して空気を取り込んで発電を行うように構成されている。
【０１２６】
本実施の形態では、開口部２６２に近接してシャッター２６４が設けられており、制御ユニット２５３からの信号に応じて該シャッター２６４が開閉し、燃料電池本体２５１の酸素側電極に空気が供給されるか否かが制御される。例えば該シャッター２６４が閉じている場合では、該シャッター２６４に連続する空気導入管２６３に空気の流入がなくなり、燃料電池本体２５１の酸素側電極での水分の除去は抑制されることになり、生成水によって電解質膜の湿潤状態が速やかに得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では出力を瞬時に回復させることが可能である。なお、図１８の装置において、燃料電池本体２５１、水素供給装置２５２、及び負荷装置２５５図１３に示すそれぞれ対応する装置と同様の構成を有しており、ここでは簡単のため重複した説明を省略する。
【０１２７】
図１８の装置では、制御ユニット２３３によって空気供給コンプレッサー２３６の空気供給の制御に加えて、開口部２６２に近接して配設されるシャッター２６４によっても酸素側電極表面の空気の流通を制御することができ、空気供給コンプレッサー２３６の停止などが好ましくない装置では、シャッター２６４によって確実な制御を図ることができる。
【０１２８】
本実施の形態の燃料電池装置では、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能である。また、この期間では、燃料電池本体２５１からの電力供給ができないことになるが、フローティングバッテリー２６０の電力を負荷装置２５５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【０１２９】
なお、上述の実施の形態では、燃料電池本体に過電流を流すために一対の出力端子の間を電気回路で短絡させたり或いは低抵抗化させるように構成しているが、必ずしも出力端子の抵抗値を操作する方法に限定されず、ＭＥＡ自体や集電体などに燃料側電極と酸素側電極の間を短絡又は低抵抗化する手段を形成しても良く、また、その短絡又は低抵抗化する手段は単数に限らず複数設けるようにしても良い。また、電解質膜で均一な機能回復処理を図るために、燃料電池本体に過電流を流すための専用の配線を施すことも可能である。
【０１３０】
また、本実施の形態では、燃料電池本体の出力電圧等をモニターしながら、所定の出力特性回復動作を行う例について説明したが、これに限らず、タイマーなどによって自動的に所定の出力特性回復動作を行うことも可能であり、特に起動時などではタイマーを用いても良好な結果が得られることになる。また、燃料電池本体が複数の発電体からなる場合では、全部の発電体に一度に過電流処理を行うようにすることも可能であるが、過電流を印加させる発電体を時間的にずらすようにして順番に処理するようにすることも可能である。
【０１３１】
なお、本発明においては、燃料電池、燃料電池カードを搭載する機器としてノート型パソコンについて説明したが、他の使用例として、本発明は、プリンターやファクシミリ、パソコン用周辺機器、電話機、テレビジョン受像機、画像表示装置、通信機器、携帯端末、カメラ、オーディオビデオ機器、扇風機、ラジオ、時計、冷蔵庫、ヘアドライヤー、アイロン、ポット、掃除機、炊飯器、電磁調理器、照明器具、ゲーム機やラジコンカーなどの玩具、電動工具、医療機器、測定機器、車両搭載用機器、事務機器、健康美容器具、電子制御型ロボット、衣類型電子機器、各種電動機器、車両、船舶、航空機などの輸送用機械、家庭用若しくは事業用発電装置、その他の用途に使用できるものである。特に本発明は、比較的簡単な機構でも良いことから、小型携帯機器用の燃料電池にも好適に用いられる。小型携帯機器には、ラップトップコンピューター、ＰＤＡ、携帯電話、ＣＤ，ＭＤなどのポータブル音響機器、ポータブルＤＶＤ・デジタルカメラ・デジタルビデオカメラ等のポータブル映像機器などがある。
【０１３２】
また、本発明では、燃料として主に水素ガスを使用する例について説明したが、いわゆるダイレクトメタノール方式に対応してメタノール（液体）等のアルコールを燃料とする構成としても良い。
【０１３３】
【発明の効果】
本発明の燃料電池装置及び燃料電池の制御方法によれば、燃料電池にかかる負荷を該燃料電池の出力状態又は内部抵抗の状態に応じて変化させ、その出力電圧を低く制御した場合では、出力電流が大きくなって酸素側電極における反応が活発化し生成水の発生量が増大する。その生成された水は酸素電極の乾燥化を抑制すると共に電解質の適正な湿潤状態を形成できることになり、出力特性を瞬時に回復させることができる。
【０１３４】
また、本発明の燃料電池装置及び燃料電池の制御方法によれば、空気供給制御部による空気供給量を該燃料電池の出力又は内部抵抗の状態に応じて変化させ、燃料電池表面の水分の蒸発量を抑制するように制御することで、酸素側電極の乾燥化を抑制すると共に適正な湿潤状態を提供できることになる。従って、本発明の燃料電池装置及び燃料電池の制御方法によれば、出力特性を比較的短い時間で回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図２】前記一実施形態の燃料電池装置の出力電圧を示すタイムチャートである。
【図３】本発明の実施の形態の燃料電池装置を示す模式的斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態の燃料電池カードをノート型パソコンに挿入するところを示す斜視図である。
【図５】図４の燃料電池カードを示す外観斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態の燃料電池装置の燃料電池本体要部を示す模式図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図８】図７の燃料電池装置の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図９】図７の燃料電池装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図１２】前記第４の実施形態の燃料電池装置の出力電圧を示すタイムチャートである。
【図１３】本発明の第５の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図１４】図１３の燃料電池装置の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図１５】図１３の燃料電池装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１６】本発明の第６の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第７の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図１８】本発明の第８の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１ 燃料電池本体
１２ 水素供給装置
１３ 制御ユニット
１４ 負荷制御部
１５ 負荷装置
６１、６２ プロトン伝導体
６３、６４ 燃料側電極
６５、６６ 酸素側電極
７１ 燃料電池本体
７２ 水素供給装置
７３ 制御ユニット
７５ 負荷装置
７７ 抵抗素子
７８ スイッチング素子
７９ ダイオード
８０ フローティングバッテリー
９１ 燃料電池本体
９２ 水素供給装置
９３ 制御ユニット
９５ 負荷装置
９７ ＤＣ−ＤＣ変換器
９８ フローティングバッテリー
９９ ダイオード
１１１ 燃料電池本体
１１２ 水素供給装置
１１３ 制御ユニット
１１４ 負荷制御部
１１５ 負荷装置
１１６ 空気供給制御部
２１１ 燃料電池本体
２１２ 水素供給装置
２１３ 制御ユニット
２１５ 負荷装置
２１６ 空気供給コンプレッサー
２１７ 抵抗素子
２１８ スイッチング素子
２１９ ダイオード
２２０ フローティングバッテリー
２２１ 遮断弁
２３１ 燃料電池本体
２３２ 水素供給装置
２３３ 制御ユニット
２３５ 負荷装置
２３６ 空気供給コンプレッサー
２３７ 抵抗素子
２３８ スイッチング素子
２３９ ダイオード
２４０ フローティングバッテリー
２４３ 遮断弁
２５１ 燃料電池本体
２５２ 水素供給装置
２５３ 制御ユニット
２５４ 筐体
２５５ 負荷装置
２５６ 空気供給コンプレッサー
２５７ 抵抗素子
２５８ スイッチング素子
２５９ ダイオード
２６０ フローティングバッテリー
２６２ 開口部
２６４ シャッター
【発明の属する技術分野】
本発明は電解質を燃料電極と酸素電極で挟んで水素などの燃料を供給すると共に空気を供給して所要の起電力を発生させる燃料電池装置及このような燃料電池の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は水素ガスやメタノールなどの燃料流体を供給することで発電体に電力を発生させる装置であり、固体高分子型の場合、一般的にはプロトン伝導体膜を酸素側電極と燃料側電極で挟んだ構造を有している。酸素側電極には、酸素を供給するために空気が供給され、他方の燃料側電極には、燃料流体が供給される。燃料電池が発電する場合には、イオン交換膜である電解質膜中をプロトンが移動し、酸素側電極の酸素と反応して電流が発生すると共に酸素側電極では水が生成される。燃料電池の発電体部分は電解質膜・電極複合体又はＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれており、この電解質膜・電極複合体を単体で或いは平面的に並べることで平面構造の燃料電池が構成され、或いは積層することで積層構造（スタック構造）の燃料電池が構成される。
【０００３】
このような燃料電池は、最近では輸送用車両などの分野で電気自動車やハイブリッド式車両としての応用が大きく期待されている他、住宅用電源システムなどについても実用化が期待されており、さらには燃料電池の軽量性や小型性を活かした携帯機器や小型電源などについても研究や開発が進められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池の１つの形式として、電解質膜等に対する湿度を保つための加湿装置を持たないタイプの燃料電池（以下、”自己加湿型の燃料電池”と呼ぶ。）がある。このような自己加湿型の燃料電池は、酸素側電極で生成される水分が電解質膜を湿潤させ、イオン交換を促進するように構成されている。燃料電池において、その水分の蒸発制御は燃料電池の発電性能そのものを制御することになり、出力電圧は発熱に直接影響し、出力電流は生成水に直接影響する。従って、自己加湿型の燃料電池は、出力電流に直接影響される生成水をバランス良く電解質膜を湿潤させるように利用しながら、過剰な生成水が発生して酸素の供給路が閉ざされないように運転する必要がある。
【０００５】
ところが、特に、上述の如き自己加湿型の燃料電池においては、運転中に負荷電流を低下させた場合や空気の供給量を増大させた場合では、電解質膜の水分が低下して乾燥化する。この乾燥化した燃料電池では電解質膜でのイオン交換特性が低下してしまい、当該燃料電池の出力そのものが大きく低下してしまう。また、運転中の負荷電流が低下してしまう場合に限らず、例えば燃料電池を長時間放置した場合にも、放置後の再始動時には電解質膜は乾燥化した状態にあり、その再始動後においては再度電解質膜を湿潤させることが容易ではなく、所要の定格出力が得られるように元の性能まで回復するまでには何日というような長時間が必要とされていた。特に、このような電解質膜の乾燥化の問題は、空気の圧送を行わない大気開放型の燃料電池で顕著であり、運転後に放置するだけで乾燥化の問題が発生し、出力特性が短時間で低下すると言う問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上述の技術的な課題に鑑み、運転時や起動時の出力低下の問題を未然に防止できる燃料電池装置及び燃料電池の制御方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池装置は、酸素電極と、燃料電極と、前記酸素電極と前記燃料電極に挟持される電解質とからなる発電体を有する燃料電池において、燃料電池の出力電圧が第一の所定値以下になったときに、前記酸素電極と前記燃料電極を電気的に接続して電流を流すバイパス回路を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、バイパス回路を設けていることから、例えば、出力特性が酸素電極の乾燥化に起因して低下した場合、バイパス回路を作動させて燃料電池にかかる負荷電流をその出力状態に応じて可変に制御して、生成水の発生を意図的に多くさせることができる。ここで生成された水は酸素電極の乾燥化を抑制すると共に適正な湿潤状態を形成できる。本発明の一つの実施形態においては、第一の所定値は、発電体１つあたり、例えば０．０１Ｖ以上、０．８Ｖ以下の範囲とされ、例えば通常の起電力の１％〜９５％に設定される。また、通常の起電力から低下した割合で、第一の所定値を設定しても良い。
【０００９】
また、本発明の燃料電池装置は、電解質を燃料電極と酸素電極で挟んで燃料を前記燃料電極に供給すると共に空気を前記酸素電極に供給することで起電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池に接続され前記燃料電池にかかる負荷を該燃料電池の出力または内部抵抗の状態に応じて可変とさせる負荷制御部とを有することを特徴とする。
【００１０】
前記燃料電池は、前記燃料電極に燃料が供給されている際に、前記酸素電極に空気が供給されることで電解質にはプロトンの伝導が発生する。この発生するプロトン伝導の量は当該燃料電池に接続される負荷電流に応じて変動し、この負荷電流の値が小さい場合、出力電圧が高くなり発熱は小さくなるが、逆に負荷電流が大きい場合、プロトン伝導の量が多くなって生成水の発生量が増加する。これは酸素電極における反応が活発化するためである。例えば、出力特性が酸素電極の乾燥化に起因して低下した場合、負荷制御部を作動させて燃料電池にかかる負荷電流をその出力状態に応じて可変に制御して、生成水の発生を意図的に多くさせることができる。ここで生成された水は酸素電極の乾燥化を抑制すると共に適正な湿潤状態を形成できる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池の制御方法は、燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性を監視する手順と、前記燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性が変化した場合に該燃料電池を流れる電流を常時に比べて大きく制御する手順とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の燃料電池の制御方法によれば、先ず、燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性が監視され、その結果、燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性が変化したか否かが判断される。燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性が変化した場合、例えば、酸素電極の乾燥化に起因して出力特性が低下した場合では、燃料電池を流れる電流を常時に比べて増加させる様に制御することで、酸素電極における反応が活発化して生成水の発生量が増大する。従って、酸素電極の乾燥化を抑制すると共に適正な湿潤状態を形成できることになる。
【００１３】
本発明の燃料電池装置は、電解質を燃料電極と酸素電極で挟んで燃料を前記燃料電極に供給すると共に空気を前記酸素電極に供給することで起電力を発生させる燃料電池と、前記燃料電池の酸素電極に供給される空気の供給量を該燃料電池の出力又は内部抵抗の状態に応じて可変とさせる空気供給制御部とを有することを特徴とする。
【００１４】
前記燃料電池は、前記燃料電極に燃料が供給されている際に、前記酸素電極に空気が供給されることで電解質にはプロトンの伝導が発生する。この発生するプロトン伝導の量は当該燃料電池に接続される負荷電流に応じて変動し、負荷電流が大きい場合、プロトン伝導の量が多くなって生成水の発生量が増加することになる。燃料電池の酸素電極に供給される空気の供給量は、例えば運転時において理想的には生成水の発生量と空気の供給量に依存する水分の蒸発量とが定常的に平衡化して運転されるものとされるが、空気供給制御部によって空気の供給量を変化させ、例えば、燃料電池表面の水分の蒸発量を抑制するように制御することで、酸素電極の乾燥化を抑制すると共に適正な湿潤状態を提供できることになる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池の制御方法は、燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性を監視する手順と、前記燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性が変化した場合に該燃料電池に供給される空気の供給量を常時に比べて小さくなるように制御する手順とを有することを特徴とする。
【００１６】
前記燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性が変化した場合に該燃料電池に供給される空気の供給量を常時に比べて小さくなるように制御することで、燃料電池の酸素電極の乾燥化を抑制すると共に適正な湿潤状態を提供できることになるが、その必要性を燃料電池の出力特性又は内部抵抗の特性から直接監視することで発電に支障が生じた場合でも迅速な対応が可能である。なお、本明細書においては、起電力の測定は出力電流と燃料電池の内部抵抗、又はそれに類するパラメータを測定することにより計算することも含まれる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
本発明の燃料電池装置の好適な実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は本実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。本実施の形態の燃料電池装置１０は、起電力を発生させる燃料電池本体１１と、負荷の制御を行うための制御ユニット１３と、燃料電池本体１１に接続して該燃料電池本体１１にかかる負荷の値を可変とする負荷制御部１４とを有し、この負荷制御部１４を介して負荷装置１５に常時は起電力が供給され、燃料電池本体１１には燃料流体を供給するための水素供給装置１２が接続する。
【００１８】
燃料電池本体１１は、一例として後述するような略平板状の電解質膜を燃料側電極（燃料電極）と酸素側電極（酸素電極）で挟持する構造を有しており、燃料側電極には水素貯蔵機能を有する水素供給装置１２から水素ガス若しくはメタノールなどの燃料流体が供給される。酸素側電極は空気中の酸素を取り込むための電極であり、前記燃料側電極に電解質膜を挟んで対峙する。酸素側電極は大気開放型でも良く、コンプレッサー、ポンプ、或いはファンなどによって空気が送られる構造であっても良い。この燃料電池本体１１は略平板状の電解質膜を燃料側電極と酸素側電極で挟持する構造を更に複数枚重ねたスタック積層型であっても良く、一枚だけ若しくは二枚を重ねて平板形状を維持したものであっても良い。
【００１９】
水素供給装置１２は、燃料電池本体１１に水素ガス若しくはメタノールなどの燃料流体を供給するための装置であり、一例としては水素高圧タンクや、水素吸蔵合金を内蔵したカートリッジなどを用いることができる。この水素供給装置１２は、後述するように、燃料電池本体１１に対して着脱自在とすることも可能であり、継ぎ手部分で燃料状態についての情報の送受信を行う如き構造も可能である。
【００２０】
制御ユニット１３は当該燃料電池装置１０を制御するためのコントローラーであり、燃料電池本体１１の燃料電池の出力又は内部抵抗の状態をモニターして、その出力又は内部抵抗の状態に応じた制御を行うための信号を負荷制御部１４に出力する。制御ユニット１３は所要の電子回路、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などによって構成されるが、必ずしも燃料電池本体１１と一体である必要はなく、別個に取り付けしたものや、当該燃料電池本体１１を搭載する電子機器の情報処理ユニットの一部を活用するものであっても良い。本実施の形態においては、制御ユニット１３は燃料電池の出力電圧又は内部抵抗値をモニターするが、これに限らず出力電流をモニターしたり、同時に温度や湿度、気圧などの条件をモニターするようにしても良い。
【００２１】
負荷制御部１４は、燃料電池本体１１にかかる負荷を該燃料電池本体１１の出力又は内部抵抗の状態に応じて可変するバイパス回路であり、燃料電池本体１１を過電流状態にするために、燃料電池本体１１の出力端子の間のスイッチ素子を配し、そのスイッチ素子をＯＮ状態として短絡させるようにすることもでき、また、燃料電池本体１１を過電流状態にするために、燃料電池本体１１の出力端子の間を低抵抗素子で接続するように構成しても良い。また、負荷制御部１４としては、後述するようにＤＣ−ＤＣコンバータなどの１次側電流を過電流状態とするような構造も可能である。燃料電池本体１１を過電流状態にする際には、当該燃料電池本体１１の出力電圧が急速に低下することから、その低下した分の補償手段としてフローティングバッテリーやキャパシタなどを後段の負荷装置１５に供給するように構成しても良い。
【００２２】
負荷装置１５は当該燃料電池装置１０で発生した起電力が供給される装置であり、例えば、当該燃料電池装置１０が搭載される装置がパーソナルコンピュータである場合には、そのパーソナルコンピュータの電源として当該燃料電池装置１０が使用されるため、負荷装置１５は内部回路及び周辺装置などである。また、燃料電池装置１０が自動車などの輸送用機械に搭載される場合には、負荷装置は推進力をもたらすモーターなどの装置に該当する。また、燃料電池装置１０が家庭用小型電源として使用される場合では、電球や家庭用電気装置などが負荷装置に該当する。
【００２３】
次に図２を参照して負荷制御部１４の動作の一例について説明する。図２の縦軸は供給空気量及び負荷電流一定時における燃料電池本体の出力電圧Ｖｏｕｔであり、横軸は時間ｔである。図１の燃料電池装置１０では当初電圧Ｖｏｕｔが比較的大きく維持されているが、稼動状態が継続して行く内に使用環境により燃料電池本体１１の表面の電極の乾燥化が進展することがある。その結果、燃料電池本体１１の出力電圧Ｖｏｕｔは除々に下がり始め、ある時点ｔ０で閾値電圧Ｖｔｈを下回ることになる。この閾値電圧Ｖｔｈは、燃料電池本体１１の燃料電池の出力が低下したことを示す基準レベルであり、制御ユニット１３側で燃料電池本体１１の出力電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｔｈを下回ることが判別されれば、燃料電池本体１１の燃料電池の出力が低下したことを制御ユニット１３が検知することになり、機能回復のための動作を行う。具体的には、制御ユニット１３から負荷制御部１４に信号を送り、例えば負荷制御部１４を低抵抗化状態とする。
【００２４】
負荷制御部１４を低抵抗化状態に遷移させることによって燃料電池本体１１には過電流が流れることになり、短時間の間に乾燥化した燃料電池本体１１の表面を湿潤状態に戻すことが可能である。この過電流を流している状態では、燃料電池側からみて出力段の負荷電力が小さくなるために出力電圧は小さくなるが、逆に電流が多くながれることから、イオン交換による酸素原子の取り込みは活性化して水分は多く発生する。このため燃料電池本体１１の表面を極めて短時間で湿潤状態に戻すことができる。このように負荷制御部１４を低抵抗化状態にしている間では、後段の負荷装置１５に対する給電もそのままでは問題となるが、負荷制御部１４に備えられたフローティングバッテリーやキャパシタなどの電力補償手段を一時的に使用することで、負荷装置１５への給電も途絶えることがない。
【００２５】
負荷制御部１４を低抵抗化状態とすることで、燃料電池本体１１の出力電圧Ｖｏｕｔは急速に下がり続けることになるが、図２における時点ｔ１で出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖｓを下回り、ここまでの出力電圧Ｖｏｕｔの低下が制御ユニット１３側に検知される。その結果、制御ユニット１３は燃料電池の機能回復のための動作を終了するための信号を負荷制御部１４に送る。この信号に応じて負荷制御部１４はその回路形態を低抵抗化状態から通常の状態に遷移させる。
【００２６】
燃料電池本体１１の乾燥状態を検出するパラメータとしては、上記供給空気量及び負荷電流一定時における燃料電池本体の出力電圧Ｖｏｕｔの代わりに例えばカレントインターラプト法を用いて内部抵抗値ｒを用いる事ができる。この場合、内部抵抗値ｒがある値を超えた場合に上記と同様の制御により燃料電池本体１１には過電流が流れることになり、短時間の間に乾燥化した燃料電池本体１１の表面を湿潤状態に戻すことが可能である。この場合、制御ユニット１３が燃料電池の出力特性または内部抵抗の特性を監視する出力特性または内部抵抗の特性監視手段に該当する。
【００２７】
このように本実施の形態の燃料電池装置１０では、燃料電池本体１１からの出力電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｔｈ以下に低下した際（内部抵抗値を用いた場合は内部抵抗値ｒｔｈ以上に増加した際）に、燃料電池本体１１を過電流状態とするような制御が行われ、この制御によって強制的且つ一時的な電極の保湿状態の回復が行われる。このため長時間などの運転時や起動時などにおいて、燃料電池本体１１の表面の水分が不良で、定格な出力電圧が得られなくなった場合でも、比較的短時間で燃料電池の出力特性を回復させることができる。また、本実施の形態の燃料電池装置１０では、燃料電池本体１１を過電流状態とするように制御している間では、負荷制御部１４に備えられたフローティングバッテリーやキャパシタなどの電力補償手段を一時的に使用することで、負荷装置１５への給電も途絶えることがない。
【００２８】
図３は、一方の側面にファンを用いた空気流動手段を形成した燃料電池装置の例を示す。略矩形状のカード型筐体２１が設けられており、この筐体２１の内部に、発電体２３が配設されている。ここで、カード型燃料電池の筐体２１は、一例として、ＰＣカードとして標準化されたサイズとすることが可能であり、具体的には、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズを適用できる。この標準化されたサイズは、縦（長辺）が８５．６ｍｍ±０．２ｍｍ、横（短辺）が５４．０ｍｍ±０．１ｍｍと定められている。また、カードの厚みについては、タイプＩとタイプＩＩのそれぞれについて規格化されており、すなわちタイプＩについては、コネクタ部の厚みが３．３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが３．３±０．２ｍｍである。また、タイプＩＩについては、コネクタ部の厚さが３．３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが５．０ｍｍ以下で且つその厚みの標準寸法±０．２ｍｍである。カード型筐体２１も上側筐体と下側筐体を重ねるように構成することが可能である。
【００２９】
このカード型筐体２１には、該カード型筐体２１の長手方向に垂直な面で略同サイズとなって連続的に配設可能な水素貯蔵カートリッジ２２が結合されている。この水素貯蔵カートリッジ２２の内部には、水素吸蔵合金などの水素貯蔵部が配されており、燃料電池の筐体２１に対して着脱自在とされる。水素貯蔵カートリッジ２２は、着装時には燃料取出し口と結合部が結合することによって燃料流体が流動可能となり、水素貯蔵カートリッジ２２が外された際には、当該水素貯蔵カートリッジ２２からの燃料流出が止められる機構を有している。
【００３０】
カード型筐体２１の内側には、４枚の発電体を組み合わせた発電部２３と、水素貯蔵カートリッジ２２からの燃料流体を該カード型筐体２１内に導入するための結合部２４と、この結合部２４が挿入されて結合する発電側結合部２５と、この発電側結合部２５にパイプ２６を介して接続する流量調整部２７と、該流量調整部２７と発電部２３を接続するパイプ２８と、配線基板３１上に電子部品３０を搭載させてこれら電子部品等により出力制御などを行う制御回路部２９とを有している。そして、当該カード型筐体２１の内部には、さらに空気流動手段としての一対のファン３２、３３が筐体の側面に沿って延長されるように配されている。ファン３２、３３はそれぞれ対応するモーター３４、３５によって回転するように駆動される。ファン３２とファン３３は平行して配置され、特に本実施の形態においては、ファン３２とファン３３は上下方向に並んで配設され、それぞれ上側に位置する発電体と下側に位置する発電体に空気を送り込む。
【００３１】
ファン３２、３３は、円筒状の回転軸の周囲に羽根部が設けられた構造を有し、各羽根部は回転軸方向に直線状に延長され、回転軸の径方向では放射状に形成される。従って、ファン３２、３３はモーター３４、３５の駆動によって回転軸を中心に回転し、筐体内のスペースに回転軸と垂直な方向に空気を図示しない溝に沿って送り込む。このファン３２、３３は後述するように酸素側電極に生成される水の蒸発用として用いられると共に、空気を送ることで放熱を図ることも可能である。ファン３２、３３はモーター３４、３５に対してコネクタ３６、３７を介して接続するが、コネクタ３６、３７を設けずに直接モーター３４、３５とファン３２、３３が接続されるようにしても良い。
【００３２】
発電部２３は、４枚の発電体を組み合わせた構造体であり、１つの発電体は、プロトン伝導体などの電解質膜を燃料側電極と酸素側電極で挟持した構造を有しており、酸素側電極や燃料側電極は、金属板や、多孔質性の金属材料、或いは炭素材料などの導電性材料からなり、これら酸素側電極や燃料側電極には集電体が接続される。集電体は、電極で発生する起電力を取り出すための電極材であり、金属材料や炭素材料、導電性を有する不織布などを用いて構成される。４枚の発電体は、２枚重ねられたものが筐体内に２つ並べられて配設される。発電体を２枚重ねる場合には、燃料側電極同士が面同士で向かい合うように重ねることができ、この場合には燃料流体を重ね合わされた燃料側電極同士の間のスペースに送り込むことで電極の活性化が可能となり、酸素の供給が必要な面は重ね合わされた発電体の表面と裏面が酸素側電極面となる。
【００３３】
発電側結合部２５は、水素貯蔵カートリッジ２２の結合部２４と結合して水素貯蔵カートリッジ２２からの気密を維持しながら燃料流体を燃料電池内に導入するための機構部である。具体的には、発電側結合部２５に結合部２４の先端が挿入され、更に押し込んだ時にロックするような機構を有し、このような着装動作の間においてガス漏れが防止されるように配慮されている。燃料流体が水素ガスではなく、ダイレクトメタノール方式の如き液体の場合には、水素貯蔵カートリッジ２２の代わりに着脱自在な燃料流体貯蔵タンクを使用することができる。
【００３４】
このような発電側結合部２５に機械的な流量調整機構を設けることも可能であるが、本実施形態の燃料電池においては、発電側結合部２５と発電部２３の間に流量調整部２７が配設されている。この流量調整部２７は電子的或いは機械的に燃料流体の流量を一定にするための装置であり、弁体等を設けて圧力を制御することができる。
【００３５】
制御回路部２９は発電部２３から出力される起電力を制御する回路であり、図３の例では、図１の構成の制御ユニット１３及び負荷制御部１４が形成される。この制御回路部２９においては、更には燃料供給側である水素貯蔵カートリッジ２２との結合状態を監視したり、出力の供給先の負荷状態を検出しながら出力の調整、例えば、起電力を利用する機器のモード（アクティブモード、待機モードやスリープモードなど）に応じた出力電圧の調整などを行うことも可能である。また、制御回路部２９には、前述のファン３２、３３を駆動するモーター３４、３５を制御する回路部を設けることも可能である。この制御回路２９に使用される電源としては、当該発電部２３で発生した電力の一部を使用しても良い。この制御回路２９からは一対の出力端子３８、３９が突出し、該出力端子３８、３９の先端はカード型筐体２１から外部に突出する。
【００３６】
このような構造を有する本実施の形態の燃料電池装置は、カード状筐体２１の一側面に、酸素を燃料電池に供給し且つ酸素側電極の表面の生成水の蒸発を促進させるためのファン３２、３３が配設されている。これらファン３２、３３を回転させて空気を図示しない溝に沿って案内することで、酸素側電極の表面に生成する水の効果的な除去が可能となり、出力電圧の低下を防止することが可能である。
【００３７】
また、本実施の形態の燃料電池装置では、図１の構成の制御ユニット１３及び負荷制御部１４が形成される制御回路部２９も同じカード状筐体２１の内部に搭載されているため、出力電圧の適正化や、条件、環境に応じた制御を容易に実行することができる。更に、本実施の形態の燃料電池装置は、単なる発電デバイスではなく情報処理機能も備えた電池として有用である。また、結合部ではガス漏れなどの流体漏れが未然に防止される構造とされ、デバイスとしての安全性も十分とされる。
【００３８】
次に、図４及び図５を参照しながら、大気開放型の燃料電池装置の例について説明する。本発明の燃料電池装置は、その一例として、平板型であるカード状の形態をとる燃料電池カード４０とすることができ、この燃料電池カード４０は、図４に示すように、装置本体であるノート型パソコン４１のカード用スロット４２から挿入して装着することができる。ここでスロット４２は、当該燃料電池カード４０専用の装置本体のハウジングに設けられた穴とすることもできるが、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズのスロットとすることも可能である。具体的には、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズは、縦（長辺）が８５．６ｍｍ±０．２ｍｍ、横（短辺）が５４．０ｍｍ±０．１ｍｍと定められている。カードの厚みについては、タイプＩとタイプＩＩのそれぞれについて規格化されており、すなわちタイプＩについては、コネクタ部の厚みが３．３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが３．３±０．２ｍｍである。また、タイプＩＩについては、コネクタ部の厚さが３．３±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが５．０ｍｍ以下で且つその厚みの標準寸法±０．２ｍｍである。当該燃料電池カード４０には燃料の供給部として水素吸蔵部４４も着脱自在とされている。
【００３９】
なお、図４では、スロット４２は、装置本体であるノート型パソコン４１のキーボード側本体の側部に設けられているが、このスロット４２が設けられる部分を図４で破線で示すセレクタブルベイ４３の一部とすることもできる。セレクタブルベイ４３は、ノート型パソコン４１に対して着脱自在な複数の機能部材であり、パソコンの拡張機能を変える場合に、セレクタブルベイ４３に組み込まれる部材を交換するものである。なお、燃料電池カード４０を使用する場合には、専用のアダプターを外付けで用いることも可能であり、また、複数の燃料電池カード４０を同時にノート型パソコン４１などの情報処理装置に組み込むようにしても良い。
【００４０】
図５は燃料電池カード４０を組み立てた状態の斜視図であり、携帯性を配慮して角部が丸みをもって形成される燃料電池カード４０は平板状の上側筐体４６が下側筐体４５に合わせられる構造とされ、図５では図示しない螺子などによって上側筐体４６が下側筐体４５に固着されている。上側筐体４６には酸素を筐体内に導入するための気体流入口として矩形状の開口部４７が複数形成されている。本例では、開口部４７のそれぞれは略矩形状の貫通穴であり、５行３列の１５個の組が２組横並びに形成されており、上側筐体４６には全部で３０個の開口部４７が臨むことになる。この開口部４７によって酸素側電極が後述するように大気開放されることになり、有効な酸素の取り込みが特別な吸気装置を要せずして実現され、同時に排出される余分な水分の除去も実現される。
【００４１】
開口部４７の形状は、本実施形態では、各集電体のパターンを格子状とすることから、この格子状パターンと同形状とされるが、他の形状にすることも可能であり、個々の開口部の形状を円形、楕円形、ストライプ形状、多角形形状などの各種の形にすることも可能である。また、開口部４７は、本例では板状の上側筐体４６を切り欠いて形成されているが、酸素側電極の大気開放状態を損なわない範囲でゴミやチリなどの侵入や付着を防止するために該開口部４７に網や不織布などを設けるようにすることも可能である。下側筐体４５には、上側筐体４６の開口部４７に対応して開口部が形成されているが、形状や網や不織布を設けることができる点については同様である。
【００４２】
前述の水素を供給できる水素吸蔵部４４は、下側筐体４５の連結側側面に形成された一対の嵌合孔５０に当該水素吸蔵部４４の連結側側面に形成された一対のピン４８が嵌合して、燃料電池カード４０に連結される。この時、水素吸蔵部４４の水素供給口である突起部４９が、下側筐体４５の連結側側面に形成された矩形の嵌合孔５１に挿入され、筐体内で嵌合孔５１の位置まで延在された図示しない燃料配管部の端部に結合する。水素吸蔵部４４は燃料電池カード４０に対して着脱自在であり、例えば、水素吸蔵部４４内に貯蔵されていた水素の残りが少なくなった場合では、当該水素吸蔵部４４を燃料電池カード４０から外して、水素を十分に貯蔵してなる他の水素吸蔵部４４に交換したり、外した水素吸蔵部４４に水素を注入したりして、再び使用するようにすることも可能である。なお、本例では嵌合孔５１に水素吸蔵部４４のピン４８が嵌合することで水素吸蔵部４４が燃料電池カード４０に装着されるが、他の連結要素を用いることも可能であり、例えばキー溝に挿入する構造や、付勢バネに抗してスライドする係止部材や磁石などを用いる構造などを用いても良い。
【００４３】
図６は燃料電池本体部の一例を示す模式図である。図６では２枚の電解質膜・電極複合体即ちＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）６７、６８が重なるように図示されており、イオン交換膜であるプロトン伝導体膜６１、６２を挟むように燃料側電極６３、６４と酸素側電極６５、６６が形成されている。燃料側電極６３、６４と酸素側電極６５、６６には、白金などの触媒材料が形成され、更に図示しない集電体も電荷の取り出し用に形成される。一対の燃料側電極６３、６４は、燃料である水素等の導入用に所要のスペースを空けて対向する。
【００４４】
燃料側電極６３、６４には外部から水素ガスなどの燃料流体が供給され、該燃料流体が電極内の細かい孔を通って反応領域に達し、この電極内に存在する触媒に吸着されて活発な水素原子となる。この水素原子は水素イオンとなり、対極である酸素側電極に移動するともに、イオン化の際に生ずる電子を燃料側電極６３、６４に送り、これら電子が起電力となって外部に接続された回路を通って酸素側電極６５、６６に達する。
【００４５】
酸素側電極６５、６６や燃料側電極６３、６４は、金属板や、多孔質性の金属材料、或いは炭素材料などの導電性材料からなり、これら酸素側電極６５、６６や燃料側電極６３、６４には集電体が接続される。集電体は、電極で発生する起電力を取り出すための電極材であり、金属材料や炭素材料、導電性を有する不織布などを用いて構成される。本実施の形態では、２枚のＭＥＡ６７、６８が燃料側電極６３、６４を内側にするように重ねられ、その結果として重ねられた２枚のＭＥＡ６７、６８の表面側と裏面側に酸素側電極６５、６６が位置することになる。一例としてＭＥＡ６７、６８は、それぞれカード状の筐体を用いる場合では、長辺方向に沿って長手方向となる略矩形平板状に形成することができるが、他の形状であっても良い。また、ＭＥＡ６７、６８は、２枚を積層する構造に限定されず、４枚、６枚や８枚、或いはそれ以上の枚数のＭＥＡを組み合わせても良い。また、それぞれのＭＥＡの形状が同じであれば、製造上同一のＭＥＡを実装すれば良いことになるが、これに限定されず異なる形状のＭＥＡを組み合わせても良い。例えば、大きなサイズのＭＥＡと小さなサイズのＭＥＡを同一面内に配設するように構成しても良く、或いは厚い厚みのＭＥＡと薄い厚みのＭＥＡを同一面内に配設するように構成しても良い。また、容量や効率などの点で性能が異なる様なＭＥＡの種類が異なるものを組み合わせて筐体内に実装しても良い。更に、本実施の形態において、ＭＥＡ６７、６８は所要の剛性を以って筐体内に配設されるが、各ＭＥＡは可とう性を有していても良く、その場合には筐体も可とう性を有する材料で構成することができる。また、ＭＥＡ自体が所要のカートリッジタイプで置換可能とできるような構造であっても良い。また、ＭＥＡの位置を移動させ、例えば筐体内でＭＥＡをスライドさせて位置をずらし、ＭＥＡ間の接続形態を変えるようにしても良い。
【００４６】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の燃料電池装置のより詳細な実施の形態について、図７から図１０を参照しながら説明する。先ず、本実施の形態の燃料電池装置は、図７に示すように、例えば複数のＭＥＡの如き発電体を積層した構造の燃料電池本体７１を有し、更に負荷の制御を行うための制御ユニット７３と、燃料電池本体７１に接続して該燃料電池本体７１にかかる負荷の値を可変とする負荷制御部として、スイッチング素子７８及び抵抗素子７７からなる低抵抗化回路部と、ダイオード７９及びフローティングバッテリー８０からなる電源補償回路部とを有している。この負荷制御部を介して燃料電池本体７１には当該燃料電池本体７１で発生した起電力が供給される負荷装置７５が接続され、更に燃料電池本体７１には燃料流体を供給するための水素供給装置７２が接続されている。また、燃料電池本体７１には、空気を供給すると共に余分な水分を蒸発させるための空気供給コンプレッサー７６が接続される。
【００４７】
燃料電池本体７１は、前述のように、電解質膜を燃料側電極と酸素側電極で挟持したＭＥＡを積層しており、燃料側電極に水素を供給し、酸素側電極に空気を供給することで起電力を一対に出力端子間に発生させる。燃料電池本体７１には、水素供給装置７２から水素などの燃料流体がガス供給路８１を介して供給され、燃料電池本体７１の燃料側電極に該燃料流体が送られる。
【００４８】
空気供給コンプレッサー７６は、ファン、ポンプなどの気圧に変化を生じさせる装置であり、燃料電池本体７１の酸素側電極の表面に空気中に含まれる酸素を供給すると共に、その酸素側電極の表面に発生する水分を、空気を送ることで蒸発させていくための装置である。この空気供給コンプレッサー７６は、燃料電池本体７１と一体的に形成されていても良く、別個の部材として着脱されるような装置であっても良い。空気供給コンプレッサー７６は、空気導入管８２を介して燃料電池本体７１に接続し、この空気導入管８２の流出口付近には燃料電池本体７１の酸素側電極が配設される。酸素側電極が仮に水で覆われてしまった場合では、それ以上の酸素の取り込みが不能となり、発電特性が低下していくことになるが、空気供給コンプレッサー７６を設けることで不要な水分が蒸発されて除去される。このため水分が酸素側電極で過剰になって出力低下を招くような問題は未然に防止される。また、燃料電池本体７１では起動時や長時間の運転時に逆に燃料電池本体７１が乾燥化してしまい、その結果、電解質膜におけるイオン交換の効率が低下するおそれがあるが、本実施の形態の燃料電池装置では、一時的に燃料電池本体７１に過電流を流すことができるため、燃料電池本体７１の乾燥状態を解決することも可能である。燃料電池本体７１に供給された空気は空気排気管８３を介して燃料電池本体７１の外部に排出される。
【００４９】
負荷装置７５は当該燃料電池装置で発生した起電力が供給される装置であり、例えば、当該燃料電池装置が搭載される装置がパーソナルコンピュータである場合には、そのパーソナルコンピュータの電源として当該燃料電池装置が使用されるため、負荷装置７５は内部回路及び周辺装置などである。また、燃料電池装置が自動車などの輸送用機械に搭載される場合には、負荷装置は推進力をもたらすモーターなどの装置に該当する。また、燃料電池装置が家庭用小型電源として使用される場合では、電球や家庭用電気装置などが負荷装置７５に該当する。
【００５０】
図７において、制御ユニット７３は、燃料電池本体７１の出力又は内部抵抗の状態をモニターしながら、次に説明する負荷制御部の低抵抗化回路部と電源補償回路部を制御するための装置である。燃料電池本体７１の出力又は内部抵抗の状態は、燃料電池即ちＭＥＡの出力端子からの信号化された情報によって監視される。図７の装置では、燃料電池本体７１の出力又は内部抵抗の状態をモニターする方法を用いているが、これに限定されず、各電極や電解質膜の湿潤度を直接モニターするようにすることも可能であり、温度や気圧センサーなどを用いたり或いは出力センサーと併用したりすることも可能である。
【００５１】
本実施の形態においては、制御ユニット７３は、空気供給コンプレッサー７６の運転状況をモニターしたり、或いは空気供給コンプレッサー７６の作動を制御できる。空気供給コンプレッサー７６の作動を制御する場合においては、燃料電池本体７１に過電流を流して水分を生じさせて発電機能を回復させている期間では、空気供給コンプレッサー７６の作動を停止させることで水分の蒸発を止めることができる。また、空気供給コンプレッサー７６の作動を停止させることで、電解質膜に生成水を速やかに浸透させることができ、発電性能を迅速に回復させることができる。また、制御ユニット７３は、負荷装置７５の電力消費状態や必要度についての情報も受け取り、それらの情報に基づいて無駄の少ない高効率な発電を実現させることができる。
【００５２】
本実施の形態の燃料電池装置は、燃料電池本体７１にかかる負荷電流の値を可変とする負荷制御部として、スイッチング素子７８及び抵抗素子７７からなる低抵抗化回路部と、ダイオード７９及びフローティングバッテリー８０からなる電源補償回路部とを有している。低抵抗化回路部を構成するスイッチング素子７８と抵抗素子７７は、前述の制御ユニット７３からの信号に応じて作動する回路であり、例えばスイッチング素子７８としては本実施形態におけるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体素子や、更にはリレーなどを使用しても良い。抵抗素子７７は、負荷装置７５と比べて極めて小さな抵抗値を有し、電流が流れた場合に両端で発生する電位差は小さい値にされる。燃料電池本体７１の出力端子のプラス端子とマイナス端子の間にスイッチング素子７８と抵抗素子７７が直列に接続され、スイッチング素子７８のゲート電極がオン側に制御されれば、スイッチング素子７８が導通状態となって、燃料電池本体７１の出力端子にかかる負荷電流が増加する。
【００５３】
負荷制御部の電源補償回路部は、ダイオード７９及びフローティングバッテリー８０からなり、ダイオード７９は燃料電池本体７１の出力が低下した場合における整流器として機能する。フローティングバッテリー８０は、燃料電池本体７１の出力端子のプラス端子とマイナス端子の間がスイッチング素子７８と抵抗素子７７からなる低抵抗化回路部の作動に応じて低抵抗化した際に、燃料電池本体７１の代わりに負荷装置７５に対する電源として機能する素子である。フローティングバッテリー８０のプラス端子がダイオード７９を介して燃料電池本体７１の出力端子のプラス端子に接続されると共に負荷装置７５のプラス端子側に接続され、フローティングバッテリー８０のマイナス端子が燃料電池本体７１の出力端子のマイナス端子に接続されると共に負荷装置７５のマイナス端子側に接続される。このフローティングバッテリー８０は、スイッチング素子７８がオン状態の場合、その起電力で負荷装置７５を駆動する。なお、フローティングバッテリー８０の代わりに容量などを使用しても良い。
【００５４】
図８は図７の燃料電池装置の動作を説明するためのタイムチャートの一例であり、燃料電池の供給空気量及び負荷電流一定時の出力電圧を乾燥状態のパラメータとして検出に使用した例である。横軸は時間ｔであり、縦軸は負荷電流一定時のセル電流ｉｃｅｌｌ 及びセル電圧Ｖｃｅｌｌを示している。セル電圧Ｖｃｅｌｌが燃料電池本体７１の出力電圧Ｖｏｕｔに対応する。この燃料電池装置は、その燃料電池本体７１の出力電圧低下が顕著になった場合に、制御ユニット７３がその出力電圧低下を検知し、ある値（例えば図２のＶｔｈ）以下と判断される場合には、制御ユニット７３からの信号によってスイッチング素子７８が導通状態に制御され、その結果、スイッチング素子７８と抵抗素子７７からなる低抵抗化回路部が通常負荷状態若しくは非導通状態から低抵抗状態に遷移する。すると、燃料電池本体７１はその出力端子間が低抵抗化若しくは短絡したかの如き状態に変化し、燃料電池本体７１には大きなセル電流ｉｃｅｌｌ即ち過電流が流れることになる。この燃料電池本体７１を流れる過電流によって、酸素側電極においては活発に酸素原子が水素原子と結合して生成水が一時的に多量に発生し、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すことで出力を瞬時に回復させることが可能である。
【００５５】
燃料電池本体７１を過電流が流れる際には、出力端子の電位差即ちセル電圧Ｖｃｅｌｌも急激に小さくなることから、図８に示すように比較的に短い時間で所要の電圧（例えば図２の電圧Ｖｓ）を下回り、制御ユニット７３はその出力電圧が所要の電圧よりも低下したことを検知して、スイッチング素子７８をオフ状態に遷移させる。すると、負荷制御部の回路状態は通常の状態に戻り、スイッチング素子７８と抵抗素子７７を介した電流経路は遮断される。その結果、セル電圧Ｖｃｅｌｌ即ち出力電圧Ｖｏｕｔも反転して急激に高くなる。燃料電池本体７１の出力電圧Ｖｏｕｔが再び高くなることで、フローティングバッテリー８０の電圧を超えることとなり、燃料電池本体７１から再び負荷装置７５に対して電力の供給が行われる。この段階では、燃料電池本体７１を過電流が流れた際に生成水が多量に発生し、電解質膜が速やかに湿潤状態になることから、出力を瞬時に回復させることができる。
【００５６】
図８では、更に燃料電池装置を運転した場合についても図示しており、再度、運転を続けることで同様な出力電圧の低下が発生すれば、同様な機能回復のための燃料電池本体７１を過電流の印加を図ることができ、同様に出力電圧を向上させることができる。また、燃料電池本体１１における負荷が自己加湿状態を維持できる程度であれば、出力電圧は所定の値で平衡化することになり、その値で出力電圧を維持して長時間発電が可能である。
【００５７】
なお、図８の例は空気供給コンプレッサー７６からの空気供給を一定の量とした場合を図示したものである。前述の如き出力機能回復のために燃料電池本体７１に過負荷電流を印加する制御と協調して空気供給コンプレッサー７６からの空気供給を制御することも可能であり、例えば、燃料電池本体７１に過電流を流して水分を生じさせて発電機能を回復させている期間では、空気供給コンプレッサー７６の作動を一旦停止させる制御を行うことができる。このような空気供給コンプレッサー７６の一旦停止によって、水分の蒸発を止めることができ、また、電解質膜に生成水を速やかに浸透させることができる。これら水分の蒸発抑制や生成水の電解質膜への浸透によって発電性能を迅速に回復させることができる。
【００５８】
次に、図７に示した本実施の形態の燃料電池装置を作動させる各手順の一例について図９を参照しながら説明する。本実施の形態の燃料電池装置は、出力特性又は内部抵抗の特性が許容範囲外となった時にそれを回復させるように動作する。本例では、燃料電池装置の運転を開始した直後の起動時と開始後しばらく経過した時点の運転中では、それぞれ許容範囲が異なるために、異なる手順で処理を進めるように構成されている。この手順は制御ユニットの判断を手順化したものであり、例えば図７の制御ユニット７３におけるＣＰＵの制御手順が図９のフローチャートに該当する。
【００５９】
制御手順として、先ず、手順Ｓ１１で現段階が燃料電池装置の運転を開始した直後の起動時と開始後しばらく経過した時点の運転中とのいずれかであるかが判断される。これは制御ユニット７３の内部のクロックやタイマーなどによってモニターすることが可能であるが、他のデータ、例えば負荷装置側からのデータを用いても良い。
【００６０】
この手順Ｓ１１の判断結果が起動時であると判断される場合、手順Ｓ１２に進み電圧、電流、温度の各データが燃料電池本体７１から制御ユニット７３に取り込まれる。次に、これらのパラメータによってデータ取り込み時における燃料電池本体７１の電圧−電流特性又は内部抵抗の特性が検知若しくは算出され、その電圧−電流初期特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内に有るか否かが手順Ｓ１３で判断される。もし、データ取り込み時における燃料電池本体７１の電圧−電流初期特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内に有る場合（ＹＥＳ）、手順Ｓ１４に進み、現在の運転状況は良好であるとして、現在の負荷制御をそのまま持続させ、処理を終了する。
【００６１】
データ取り込み時における燃料電池本体７１の電圧−電流初期特性又は内部抵抗の特性が許容範囲外と判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ１５に進み、空気供給コンプレッサー７６からの空気供給は通常の負荷に見合った供給量を維持しておき、過負荷電流を燃料電池本体７１に流すために、スイッチング素子７８などのパワー素子をオフからオンに制御し、低抵抗な抵抗素子７７に電流を流す。これによって燃料電池本体７１の酸素側電極では、多量の酸素が水分になって消費されて行くようになり、その生成水によって電解質膜の湿潤状態が得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能である。また、この期間では、燃料電池本体７１からの電力供給ができないことになるが、フローティングバッテリー８０の電力を負荷装置７５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【００６２】
過負荷電流を燃料電池本体７１に流すために、スイッチング素子７８などのパワー素子をオンに制御した後では、手順Ｓ１６に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下したか否か（内部抵抗値ｒがｒｓより低下したか否か）が判断される。未だ、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下していない（内部抵抗値ｒがｒｓより低下していない）と判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ１８に進み、燃料電池本体７１を流れている過負荷電流がそのまま維持され、再び条件判断を行う手順Ｓ１６に戻る。
【００６３】
手順Ｓ１６に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下した（内部抵抗値ｒがｒｓより低下した）と判断される場合（ＹＥＳ）では、既に燃料電池本体７１で発生した生成水によって機能回復が行われたものとして、当該燃料電池本体７１を流れる過負荷電流を遮断する。このためパワー素子などのスイッチング素子７８をオン状態からオフ状態に制御する。このようにスイッチング素子７８をオフ状態に制御することで、抵抗素子７８を流れる電流は遮断され（手順Ｓ１７）、同時に燃料電池本体７１を流れる過負荷電流も遮断される。その結果、燃料電池本体７１にかけられる負荷は通常の負荷となり、出力電圧Ｖｏｕｔは例えば図２や図８に示すように元に戻ることになる。
【００６４】
次に、運転開始から所要時間経過してところである運転中の場合には、手順Ｓ１１で運転中であると判断されることになり、手順Ｓ１９に進み電圧、電流、温度の各データが燃料電池本体７１から制御ユニット７３に取り込まれる。次に、これらのパラメータによってデータ取り込み時における燃料電池本体７１の電圧−電流特性又は内部抵抗の特性が検知若しくは算出され、その運転中の電圧−電流低下特性又は内部抵抗の増加特性が許容範囲内に有るか否かが手順Ｓ２０で判断される。もし、データ取り込み時における燃料電池本体７１の電圧−電流低下特性又は内部抵抗の増加特性が許容範囲内に有る場合（ＹＥＳ）、手順Ｓ２１に進み、現在の運転状況は良好であるとして、現在の負荷制御をそのまま持続させ、処理を終了する。
【００６５】
データ取り込み時における燃料電池本体７１の電圧−電流低下特性又は内部抵抗の増加特性が許容範囲外と判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ１５に進み、空気供給コンプレッサー７６からの空気供給は通常の負荷に見合った供給量を維持しておき、過負荷電流を燃料電池本体７１に流すために、スイッチング素子７８などのパワー素子をオフからオンに制御し、低抵抗な抵抗素子７７に電流を流す。これによって燃料電池本体７１の酸素側電極では、多量の酸素が水分になって消費されて行くようになり、その生成水によって電解質膜の湿潤状態が得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能である。また、この期間では、燃料電池本体７１からの電力供給ができないことになるが、フローティングバッテリー８０の電力を負荷装置７５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【００６６】
また、起動時と同様に、過負荷電流を燃料電池本体７１に流すために、スイッチング素子７８などのパワー素子をオンに制御した後では、手順Ｓ１６に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下したか否か（内部抵抗値ｒがｒｓより低下したか否か）が判断される。未だ、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下していない（内部抵抗値ｒがｒｓより低下していない）と判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ１８に進み、燃料電池本体７１を流れている過負荷電流がそのまま維持され、再び条件判断を行う手順Ｓ１６に戻る。
【００６７】
手順Ｓ１６に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下した（内部抵抗値ｒがｒｓより低下した）と判断される場合（ＹＥＳ）では、既に燃料電池本体７１で発生した生成水によって機能回復が行われたものとして、当該燃料電池本体７１を流れる過負荷電流を遮断する。このためパワー素子などのスイッチング素子７８をオン状態からオフ状態に制御する。このようにスイッチング素子７８をオフ状態に制御することで、抵抗素子７８を流れる電流は遮断され（手順Ｓ１７）、同時に燃料電池本体７１を流れる過負荷電流も遮断される。その結果、燃料電池本体７１にかけられる負荷は通常の負荷となり、出力電圧Ｖｏｕｔは例えば図２や図８に示すように元に戻ることになる。
【００６８】
以上の手順のように、本実施の形態の燃料電池装置は、燃料電池本体からの出力特性である電圧‐電流特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内か否かが判断され、許容範囲を外れた際にスイッチング素子をオン状態に制御して燃料電池本体に過負荷電流が流される。また、過負荷電流が流された後は、同様に出力電圧又は内部抵抗値を参照して或るレベルを下回った際にスイッチング素子をオフ状態に制御して燃料電池本体への過負荷電流が停止される。従って、燃料電池本体の出力特性の回復を比較的短時間に行うことができ、その制御は出力特性又は内部抵抗の増加特性をモニターしながら進められるため、不必要に回復作業を行うものでもない。特に、燃料電池本体からの出力特性である電圧‐電流特性又は内部抵抗の増加特性が許容範囲内か否かは、起動時と運転中で異なる制御とされ、それぞれ電解質膜の状態が微妙に異なっていても、それぞれ的確な制御を行うことができる。
【００６９】
［第３の実施の形態］
次に、図１０を参照しながら、第３の実施の形態にかかる燃料電池装置について説明する。図１０の装置は、例えば複数のＭＥＡの如き発電体を積層した構造の燃料電池本体９１を有し、更に負荷の制御を行うための制御ユニット９３と、燃料電池本体９１に接続して該燃料電池本体９１にかかる負荷の値を可変とする負荷制御部として、ＤＣ−ＤＣ変換器９７と、ダイオード９９及びフローティングバッテリー９８からなる電源補償回路部とを有している。電源補償回路部は出力電圧が閾値電圧以下となった時に両電極間で電気的な接続を行なうバイパス回路として機能する。この負荷制御部を介して燃料電池本体９１には当該燃料電池本体９１で発生した起電力が供給される負荷装置９５が接続され、更に燃料電池本体９１には燃料流体を燃料導入管１０１を介して供給するための水素供給装置９２が接続されている。また、燃料電池本体９１には、空気を供給すると共に余分な水分を蒸発させるための空気供給コンプレッサー９６が接続される。空気供給コンプレッサー９６からの空気は空気導入管１０２を介して燃料電池本体９１に届けられ空気排気管１０３を介して余分な水分等と共に排気される。
【００７０】
この図１０の装置において、燃料電池本体９１、水素供給装置９２、制御ユニット９３、負荷装置９５、及び空気供給コンプレッサー９６は、図７に示すそれぞれ対応する装置と同様の構成を有しており、ここでは簡単のため重複した説明を省略する。図１０の装置は、図７の装置に低抵抗化回路の代りにＤＣ−ＤＣ変換器９７を配した構成となっており、このＤＣ−ＤＣ変換器９７は制御ユニット９３からの制御信号に応じて１次側の入力電流を増加させることができる。すなわち、ＤＣ−ＤＣ変換器９７は、燃料電池本体からの出力特性である電圧‐電流特性又は内部抵抗の増加特性が許容範囲を外れた際に、１次側の入力電流を大きく増加させ、それによって燃料電池本体に過電流を流す機能を有している。この過電流によって燃料電池本体９１の酸素側電極では、多量の酸素が消費されて水分になって行くようになり、その生成水によって電解質膜の湿潤状態が得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能である。また、この期間では、燃料電池本体９１からの電力供給ができないことになるが、フローティングバッテリー９８の電力を負荷装置９５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【００７１】
なお、上述の実施の形態では、燃料電池本体に過電流を流すために一対の出力端子の間を電気回路で短絡させたり或いは低抵抗化させるように構成しているが、必ずしも出力端子の抵抗値を操作する方法に限定されず、ＭＥＡ自体や集電体などに燃料側電極と酸素側電極の間を短絡又は低抵抗化する手段を形成しても良く、また、その短絡又は低抵抗化する手段は単数に限らず複数設けるようにしても良い。また、電解質膜で均一な機能回復処理を図るために、燃料電池本体に過電流を流すための専用の配線を施すことも可能である。
【００７２】
また、本実施の形態では、燃料電池本体の出力電圧又は内部抵抗等をモニターしながら、所定の出力特性回復動作を行う例について説明したが、これに限らず、タイマーなどによって自動的に所定の出力特性回復動作を行うことも可能であり、特に起動時などではタイマーを用いても良好な結果が得られることになる。また、燃料電池本体が複数の発電体からなる場合では、全部の発電体に一度に過電流処理を行うようにすることも可能であるが、過電流を印加させる発電体を時間的にずらすようにして順番に処理するようにすることも可能である。
【００７３】
また、制御ユニット９３を後述するように負荷の制御と空気供給の両方に用いることも可能である。
【００７４】
［第４の実施の形態］
本発明の燃料電池装置の好適な実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１１は本実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。本実施の形態の燃料電池装置１１０は、起電力を発生させる燃料電池本体１１１と、負荷の制御を行うための制御ユニット１１３と、燃料電池本体１１１に空気を送るための空気供給制御部１１６とを有し、燃料電池本体１１１の出力端子からは負荷装置１１５に対して常時は起電力が供給され、燃料電池本体１１１には燃料流体を供給するための水素供給装置１１２が接続する。
【００７５】
燃料電池本体１１１は、一例として後述するような略平板状の電解質膜を燃料側電極と酸素側電極で挟持する構造を有しており、燃料側電極には水素貯蔵機能を有する水素供給装置１１２から水素ガス若しくはメタノールなどの燃料流体が供給される。酸素側電極は空気中の酸素を取り込むための電極であり、前記燃料側電極に電解質膜を挟んで対峙する。酸素側電極は大気開放型でも良く、コンプレッサー、ポンプ、或いはファンなどによって空気が送られる構造であっても良い。この燃料電池本体１１１は略平板状の電解質膜を燃料側電極と酸素側電極で挟持する構造を更に複数枚重ねたスタック（積層）型であっても良く、一枚だけ若しくは２枚を重ねて平板形状を維持したものであっても良い。
【００７６】
水素供給装置１１２は、燃料電池本体１１１に水素ガス若しくはメタノール等のアルコールなどの燃料流体を供給するための装置であり、一例としては水素高圧タンクや、水素吸蔵合金を内蔵したカートリッジなどを用いることができる。この水素供給装置１１２は、後述するように、燃料電池本体１１１に対して着脱自在とすることも可能であり、継ぎ手部分で燃料状態についての情報の送受信を行う如き構造も可能である。
【００７７】
制御ユニット１１３は当該燃料電池装置１１０を制御するためのコントローラーであり、燃料電池本体１１１の燃料電池の出力又は内部抵抗の状態をモニターして、その出力又は内部抵抗の状態に応じた制御を行うための信号を空気供給制御部１１６に出力する。制御ユニット１１３は所要の電子回路、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などによって構成されるが、必ずしも燃料電池本体１１１と一体である必要はなく、別個に取り付けしたものや、当該燃料電池本体１１１を搭載する電子機器の情報処理ユニットの一部を活用するものであっても良い。本実施の形態においては、制御ユニット１１３は燃料電池の出力電圧又は内部抵抗値をモニターするが、これに限らず出力電流をモニターしたり、同時に温度や湿度、気圧などの条件を同時にモニターするようにしても良い。
【００７８】
空気供給制御部１１６は、燃料電池本体１１１に供給される空気を該燃料電池本体１１１の出力又は内部抵抗の状態に応じて可変とさせる制御部である。コンプレッサー、ファン、ポンプなどの気圧に変化を生じさせる装置であり、燃料電池本体１１１の酸素側電極の表面に空気中に含まれる酸素を供給すると共に、その酸素側電極の表面に発生する水分を空気を送ることで蒸発させて行く装置である。この空気供給制御部１１６は、燃料電池本体１１１と一体的に形成されていても良く、別個の部材として着脱されるような装置であっても良い。
【００７９】
負荷装置１１５は当該燃料電池装置１１０で発生した起電力が供給される装置であり、例えば、当該燃料電池装置１１０が搭載される装置がパーソナルコンピュータである場合には、そのパーソナルコンピュータの電源として当該燃料電池装置１１０が使用されるため、負荷装置１１５は内部回路及び周辺装置などである。また、燃料電池装置１１０が自動車などの輸送用機械に搭載される場合には、負荷装置は推進力をもたらすモーターなどの装置に該当する。また、燃料電池装置１１０が家庭用小型電源として使用される場合では、電球や家庭用電気装置などが負荷装置に該当する。
【００８０】
なお、燃料電池本体１１１を過電流状態にするために、燃料電池本体１１１の出力端子の間のスイッチング素子を配し、そのスイッチ素子をＯＮ状態として短絡させるようにすることもでき、また、燃料電池本体１１１を過電流状態にするために、燃料電池本体１１１の出力端子の間を低抵抗素子で接続するように構成しても良い。
【００８１】
次に図１２を参照して空気供給制御部１１６の動作の一例について説明する。図１２の縦軸は負荷電流一定時における燃料電池本体の出力電圧Ｖｏｕｔであり、横軸は時間ｔである。図１１の燃料電池装置１１０では当初電圧Ｖｏｕｔが比較的大きく維持されているが、稼動状態が継続して行く内に使用環境により燃料電池本体１１１の表面の電極の乾燥化が進展することがある。その結果、燃料電池本体１１１の出力電圧Ｖｏｕｔは除々に下がり始め、ある時点ｔ０で閾値電圧Ｖｔｈを下回ることになる。この閾値電圧Ｖｔｈは、燃料電池本体１１１の燃料電池の出力が低下したことを示す基準レベルであり、制御ユニット１１３側で燃料電池本体１１１の出力電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｔｈを下回ることが判別されれば、燃料電池本体１１１の燃料電池の出力が低下したことを制御ユニット１１３が検知することになり、機能回復のための動作を行う。具体的には、制御ユニット１１３から空気供給制御部１１６に信号を送り、例えば空気供給制御部１１６から送られる空気を一時的に停止する。
【００８２】
空気供給制御部１１６を送風停止状態に遷移させることによって燃料電池本体１１１の表面では水分の蒸発が抑制されることになり、乾燥化した燃料電池本体１１１の表面を短時間の間に湿潤状態に戻すことが可能である。この空気供給制御部１１６を送風停止状態にある場合、燃料電池には負荷電流が流れており、イオン交換による酸素原子の取り込みから水分が発生する。このため燃料電池本体１１１の表面を極めて短時間で湿潤状態に戻すことができる。このように空気供給制御部１１６を送風停止状態にしている間では、後段の負荷装置１１５に対する給電もそのままでは問題となるが、後述するようなフローティングバッテリーやキャパシタなどの電力補償手段を一時的に使用することで、負荷装置１１５への給電も途絶えることがない。
【００８３】
空気供給制御部１１６を送風停止状態とすることで、燃料電池本体１１１の出力電圧Ｖｏｕｔは急速に下がり続けることになるが、図１２における時点ｔ１で出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖｓを下回り、ここまでの出力電圧Ｖｏｕｔの低下が制御ユニット１１３側に検知される。その結果、制御ユニット１１３は燃料電池の機能回復のための動作を終了するための信号を空気供給制御部１１６に送る。この信号に応じて空気供給制御部１１６はその装置のモードを送風停止状態から通常の送風運転状態に遷移させる。
【００８４】
なお、燃料電池本体１１１の乾燥状態を検出するパラメータとしては、上記の負荷電流一定時における燃料電池本体の出力電圧Ｖｏｕｔの代わりに例えばカレントインターラプト法を用いて内部抵抗値ｒを用いる事ができる。この場合、内部抵抗値ｒがある値を超えた場合に上記と同様の制御により燃料電池本体１１１は送風停止状態にあるため、短時間の間に乾燥化した燃料電池本体１１１の表面を湿潤状態に戻すことが可能である。
【００８５】
このように本実施の形態の燃料電池装置１１０では、燃料電池本体１１１からの出力電圧Ｖｏｕｔが閾値電圧Ｖｔｈ以下に低下した際（内部抵抗値を用いた場合は内部抵抗値ｒｔｈ以上に増加した際）に、空気供給制御部１１６を送風停止状態にして燃料電池本体１１１を過電流状態とするような制御が行われ、この制御によって強制的且つ一時的な電極の保湿状態の回復が行われる。このため長時間などの運転時や起動時などにおいて、燃料電池本体１１１の表面の水分が不良で、定格な出力電圧が得られなくなった場合でも、比較的短時間で燃料電池の出力特性を回復させることができる。また、本実施の形態の燃料電池装置１１０では、空気供給制御部１１６を送風停止状態としている間では、出力電圧も低下することから、後述するようなフローティングバッテリーやキャパシタなどの電力補償手段を一時的に使用することができる。
【００８６】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の燃料電池装置のより詳細な実施の形態について、図１３から図１５を参照しながら説明する。先ず、本実施の形態の燃料電池装置は、図１３に示すように、例えば複数のＭＥＡの如き発電体を積層した構造の燃料電池本体１７１を有し、更に負荷の制御を行うための制御ユニット１７３と、燃料電池本体１７１に接続して該燃料電池本体１７１にかかる負荷の値を可変とする負荷制御部として、スイッチング素子１７８及び抵抗素子１７７からなる低抵抗化回路部と、ダイオード１７９及びフローティングバッテリー１８０からなる電源補償回路部とを有している。この負荷制御部を介して燃料電池本体１７１には当該燃料電池本体１７１で発生した起電力が供給される負荷装置１７５が接続され、更に燃料電池本体１７１には燃料流体を供給するための水素供給装置１７２が接続されている。また、燃料電池本体１７１には、空気を供給すると共に余分な水分を蒸発させるための空気供給制御部として空気供給コンプレッサー１７６が接続される。この空気供給コンプレッサー１７６は図１１の空気供給制御部１１６として機能する。
【００８７】
燃料電池本体１７１は、前述のように、電解質膜を燃料側電極と酸素側電極で挟持したＭＥＡを積層しており、燃料側電極に水素を供給し、酸素側電極に空気を供給することで起電力を一対に出力端子間に発生させる。燃料電池本体１７１には、水素供給装置１７２から水素などの燃料流体がガス供給路１８１を介して供給され、燃料電池本体１７１の燃料側電極に該燃料流体が送られる。
【００８８】
空気供給コンプレッサー１７６は、空気供給制御部として機能する装置であって、例えばファン、ポンプなどの気圧に変化を生じさせる機構からなり、燃料電池本体１７１の酸素側電極の表面に空気中に含まれる酸素を供給すると共に、その酸素側電極の表面に発生する水分を空気を送ることで蒸発させていくための装置である。この空気供給コンプレッサー１７６は、燃料電池本体１７１と一体的に形成されていても良く、別個の部材として着脱されるような装置であっても良い。空気供給コンプレッサー１７６は、空気導入管１８２を介して燃料電池本体１７１に接続し、この空気導入管１８２の流出口付近には燃料電池本体１７１の酸素側電極が配設される。酸素側電極が仮に水で覆われてしまった場合では、それ以上の酸素の取り込みが不能となり、発電特性が低下していくことになるが、空気供給コンプレッサー１７６を設けることで不要な水分が蒸発されて除去される。このため水分が酸素側電極で過剰になって出力低下を招くような問題は未然に防止される。また、燃料電池本体１７１では起動時や長時間の運転時に逆に燃料電池本体１７１が乾燥化してしまい、その結果、電解質膜におけるイオン交換の効率が低下するおそれがあるが、本実施の形態の燃料電池装置では、一時的に燃料電池本体１７１を送風停止状態にすることができるため、燃料電池本体１７１の乾燥状態を解決することも可能である。燃料電池本体１７１に供給された空気は空気排気管１８３を介して燃料電池本体１７１の外部に排出される。
【００８９】
負荷装置１７５は当該燃料電池装置で発生した起電力が供給される装置であり、例えば、当該燃料電池装置が搭載される装置がパーソナルコンピュータである場合には、そのパーソナルコンピュータの電源として当該燃料電池装置が使用されるため、負荷装置１７５は内部回路及び周辺装置などである。また、燃料電池装置が自動車などの輸送用機械に搭載される場合には、負荷装置は推進力をもたらすモーターなどの装置に該当する。また、燃料電池装置が家庭用小型電源として使用される場合では、電球や家庭用電気装置などが負荷装置１７５に該当する。
【００９０】
図１３において、制御ユニット１７３は、燃料電池本体１７１の出力又は内部抵抗の状態をモニターしながら、次に説明する空気供給コンプレッサー１７６及び負荷制御部の低抵抗化回路部と電源補償回路部を制御するための装置である。燃料電池本体１７１の出力又は内部抵抗の状態は、燃料電池即ちＭＥＡの出力端子からの信号化された情報によって監視される。図１３の装置では、燃料電池本体１７１の出力又は内部抵抗の状態をモニターする方法を用いているが、これに限定されず、各電極や電解質膜の湿潤度を直接モニターするようにすることも可能であり、温度や気圧センサーなどを用いたり或いは出力センサーと併用したりすることも可能である。なお、制御ユニット１７３は、空気供給コンプレッサー１７６の運転状況を直接モニターすることも可能である。
【００９１】
発電機能を回復させるために空気供給コンプレッサー１７６の作動を制御する場合においては、燃料電池本体１７１に電流を流して水を生成させる。すなわち、空気供給コンプレッサー１７６の作動を停止させることで水分の蒸発を止めることができ、同時に、電解質膜に生成水を速やかに浸透させることができる。この空気供給コンプレッサー１７６の送風停止は、比較的に短い期間で良く、発電性能を迅速に回復させることができる。また、制御ユニット１７３は、負荷装置１７５の電力消費状態や必要度についての情報も受け取り、それらの情報に基づいて無駄の少ない高効率な発電を実現させることができる。
【００９２】
このような空気供給コンプレッサー１７６の送風動作の制御に加えて、本実施の形態の燃料電池装置は、燃料電池本体１７１にかかる負荷電流の値を可変とする負荷制御部として、スイッチング素子１７８及び抵抗素子１７７からなる低抵抗化回路部と、ダイオード１７９及びフローティングバッテリー１８０からなる電源補償回路部とを有している。低抵抗化回路部を構成するスイッチング素子１７８と抵抗素子１７７は、前述の制御ユニット１７３からの信号に応じて作動する回路であり、例えばスイッチング素子１７８としては本実施形態におけるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体素子や、更にはリレーなどを使用しても良い。抵抗素子１７７は、負荷装置１７５と比べて極めて小さな抵抗値を有し、電流が流れた場合に両端で発生する電位差は小さい値にされる。燃料電池本体１７１の出力端子のプラス端子とマイナス端子の間にスイッチング素子１７８と抵抗素子１７７が直列に接続され、スイッチング素子１７８のゲート電極がオン側に制御されれば、スイッチング素子１７８が導通状態となって、燃料電池本体１７１の出力端子にかかる負荷電流が増加する。
【００９３】
負荷制御部の電源補償回路部は、ダイオード１７９及びフローティングバッテリー１８０からなり、ダイオード１７９は燃料電池本体１７１の出力が低下した場合における整流器として機能する。フローティングバッテリー１８０は、燃料電池本体１７１の出力端子のプラス端子とマイナス端子の間がスイッチング素子１７８と抵抗素子１７７からなる低抵抗化回路部の作動に応じて低抵抗化した際に、燃料電池本体１７１の代わりに負荷装置１７５に対する電源として機能する素子である。フローティングバッテリー１８０のプラス端子がダイオード１７９を介して燃料電池本体１７１の出力端子のプラス端子に接続されると共に負荷装置１７５のプラス端子側に接続され、フローティングバッテリー１８０のマイナス端子が燃料電池本体１７１の出力端子のマイナス端子に接続されると共に負荷装置１７５のマイナス端子側に接続される。このフローティングバッテリー１８０は、スイッチング素子１７８がオン状態の場合、その起電力で負荷装置１７５を駆動する。なお、フローティングバッテリー１８０の代わりに容量などを使用しても良い。
【００９４】
図１４は図１３の燃料電池装置の動作を説明するためのタイムチャートの一例であり、燃料電池の負荷電流一定時の出力電圧を乾燥状態のパラメータとして検出に使用した例である。横軸は時間ｔであり、縦軸は負荷電流一定時のセル電圧Ｖｃｅｌｌを示している。セル電圧Ｖｃｅｌｌが燃料電池本体１７１の出力電圧Ｖｏｕｔに対応する。この燃料電池装置は、その燃料電池本体１７１の出力電圧低下が顕著になった場合に、制御ユニット１７３がその出力電圧低下を検知し、ある値（例えば図１２のＶｔｈ）以下と判断される場合には、制御ユニット１７３からの信号によって空気供給コンプレッサー１７６が送風停止状態に制御される。
【００９５】
発電性能を回復させる際には、先ず、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給を制御する。例えば、燃料電池本体１７１の出力電圧が低下した状態では、空気供給コンプレッサー１７６の作動を一旦停止させて空気の供給を停止させる制御を行うことができる。このような空気供給コンプレッサー１７６の一旦停止によって、水分の蒸発を止めることができると共に、電解質膜に生成水を速やかに浸透させることができ、これら水分の蒸発抑制や生成水の電解質膜への浸透によって発電性能を迅速に回復させることができる。
【００９６】
また、低抵抗化回路部の低抵抗化への遷移によって、燃料電池本体１７１はその出力端子間が低抵抗化若しくは短絡したかの如き状態に変化し、燃料電池本体１７１には大きな過電流が流れることになる。この燃料電池本体１７１を流れる過電流によって、酸素側電極においては活発に酸素原子が水素原子と結合して生成水が一時的に多量に発生し、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能である。
【００９７】
燃料電池本体１７１への空気供給を停止した際には、出力端子の電位差即ちセル電圧Ｖｃｅｌｌも急激に小さくなることから、図１４に示すように比較的に短い時間で所要の電圧（例えば図１２の電圧Ｖｓ）を下回り、制御ユニット１７３はその出力電圧が所要の電圧よりも低下したことを検知して、通常の空気供給制御に遷移させる。すると、空気供給制御部は通常の状態に戻り、酸素側電極に空気を供給する。その結果、セル電圧Ｖｃｅｌｌ即ち出力電圧Ｖｏｕｔも反転して急激に高くなる。燃料電池本体１７１の出力電圧Ｖｏｕｔが再び高くなることで、フローティングバッテリー１８０の電圧Ｖｂを超えることとなり、燃料電池本体１７１から再び負荷装置１７５に対して電力の供給が行われる。この段階では、燃料電池本体１７１への空気供給を停止した際に生成水が多量に発生し、電解質膜が速やかに湿潤状態になることから、出力を瞬時に回復させることができる。
【００９８】
図１４では、更に燃料電池装置を運転した場合についても図示しており、再度、運転を続けることで同様な出力電圧の低下が発生すれば、同様な機能回復のための燃料電池本体１７１への空気供給を停止することができ、同様に出力電圧を向上させることができる。また、燃料電池本体１１１における空気供給が自己加湿状態を維持できる程度であれば、出力電圧は所定の値で平衡化することになり、その値で出力電圧を維持して長時間発電が可能である。
【００９９】
次に、図１３に示した本実施の形態の燃料電池装置を作動させる各手順の一例について図１５を参照しながら説明する。本実施の形態の燃料電池装置は、出力特性又は内部抵抗の特性が許容範囲外となった時にそれを回復させるように動作する。本例では、燃料電池装置の運転を開始した直後の起動時と開始後しばらく経過した時点の運転中では、それぞれ許容範囲が異なるために、異なる手順で処理を進めるように構成されている。この手順は制御ユニットの判断を手順化したものであり、例えば図１３の制御ユニット１７３におけるＣＰＵの制御手順が図１５のフローチャートに該当する。
【０１００】
制御手順として、先ず、手順Ｓ３１で現段階が燃料電池装置の運転を開始した直後の起動時と開始後しばらく経過した時点の運転中とのいずれかであるかが判断される。これは制御ユニット１７３の内部のクロックやタイマーなどによってモニターすることが可能であるが、他のデータ、例えば負荷装置側からのデータを用いても良い。
【０１０１】
この手順Ｓ３１の判断結果が起動時であると判断される場合、手順Ｓ３２に進み電圧、電流、温度の各データが燃料電池本体１７１から制御ユニット１７３に取り込まれる。次に、これらのパラメータによってデータ取り込み時における燃料電池本体１７１の電圧−電流特性又は内部抵抗の特性が検知若しくは算出され、その電圧−電流初期特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内に有るか否かが手順Ｓ３３で判断される。もし、データ取り込み時における燃料電池本体１７１の電圧−電流初期特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内に有る場合（ＹＥＳ）、手順Ｓ３４に進み、現在の運転状況は良好であるとして、現在の負荷制御をそのまま持続させ、処理を終了する。
【０１０２】
データ取り込み時における燃料電池本体１７１の電圧−電流初期特性又は内部抵抗の特性が許容範囲外と判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ３５に進み、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給を停止する。このような空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給の停止によって、燃料電池本体１１１の酸素側電極で発生する水分の蒸発が抑制される。次いで、手順Ｓ３６に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下したか否かが判断される。ここで電圧Ｖｂは、前述のフローティングバッテリー１８０の公称電圧Ｖｂであるが、その制御や微調整分を考慮して、多少高めの電圧を設定したり、低めの電圧を設定したりすることもできる。出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下していない場合（ＮＯ）は、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給の停止を継続させながら（手順Ｓ５１）、手順Ｓ３６に戻り、再び出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下したか否かが判断される。
【０１０３】
手順Ｓ３６で出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下したか否かが判断され、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下した場合（ＹＥＳ）は、負荷抵抗に電気負荷をかける制御が行われ（手順Ｓ３７）、スイッチング素子１７８などのパワー素子をオフからオンに制御し、低抵抗な抵抗素子１７７に電流を流す。これによって燃料電池本体１７１の酸素側電極では、多量の酸素が消費されて水分になって行くようになり、その生成水によって電解質膜の湿潤状態が得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能となる。また、この期間では、燃料電池本体１７１からの電力供給ができないことになるため、フローティングバッテリー１８０の電力を負荷装置１７５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【０１０４】
過負荷電流を燃料電池本体１７１に流すために、スイッチング素子１７８などのパワー素子をオンに制御した後では、手順Ｓ３８に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下したか否か（内部抵抗値ｒがｒｓより低下したか否か）が判断される。未だ、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下（内部抵抗値ｒがｒｓより低下）していないと判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ４１に進み、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給の停止を継続させながら、燃料電池本体１７１を流れている過負荷電流がそのまま維持され、再び条件判断を行う手順Ｓ３６に戻る。
【０１０５】
手順Ｓ３８で出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下した（内部抵抗値ｒがｒｓより低下した）と判断される場合（ＹＥＳ）では、既に燃料電池本体１７１で発生した生成水によって機能回復が行われたものとして、手順Ｓ３９で当該燃料電池本体１７１を流れる過負荷電流を遮断する。このためパワー素子などのスイッチング素子１７８をオン状態からオフ状態に制御する。このようにスイッチング素子１７８をオフ状態に制御することで、抵抗素子１７８を流れる電流は遮断され、同時に燃料電池本体１７１を流れる過負荷電流も遮断される。その結果、燃料電池本体１７１にかけられる負荷は通常の負荷となる。また、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下した（内部抵抗値ｒがｒｓより低下した）と判断される場合（ＹＥＳ）では、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給も再開され（手順Ｓ４０）、処理を終了する。図１５は空気の供給制御と負荷電流制御とを組み合わせた場合の手順の１例を紹介したが、空気供給制御のみの場合でも本実施例となる。つまり、手順Ｓ３６、Ｓ３７、Ｓ３９、Ｓ４１を省いた手順でも可能である。
【０１０６】
次に、運転開始から所要時間経過したところである運転中の場合には、手順Ｓ３１で運転中であると判断されることになり、手順Ｓ４２に進み電圧、電流、温度の各データが燃料電池本体１７１から制御ユニット１７３に取り込まれる。次に、これらのパラメータによってデータ取り込み時における燃料電池本体１７１の電圧−電流特性又は内部抵抗の特性が検知若しくは算出され、その運転中の電圧−電流低下特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内に有るか否かが手順Ｓ４３で判断される。もし、データ取り込み時における燃料電池本体１７１の電圧−電流低下特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内に有る場合（ＹＥＳ）、手順Ｓ４４に進み、現在の運転状況は良好であるとして、現在の負荷制御をそのまま持続させ、処理を終了する。
【０１０７】
データ取り込み時における燃料電池本体１７１の電圧−電流低下特性又は内部抵抗の特性が許容範囲外と判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ３５に進み、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給を停止する。このような空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給の停止によって、燃料電池本体１１１の酸素側電極で発生する水分の蒸発が抑制される。次いで、過負荷電流を燃料電池本体１７１に流すために、手順Ｓ３６に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下したか否かが判断される。ここで電圧Ｖｂは、前述のフローティングバッテリー１８０の公称電圧Ｖｂであるが、その制御や微調整分を考慮して、多少高めの電圧を設定したり、低めの電圧を設定したりすることもできる。出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下していない場合（ＮＯ）は、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給の停止を継続させながら（手順Ｓ４１）、手順Ｓ３６に戻り、再び出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下したか否かが判断される。
【０１０８】
手順Ｓ３６で出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下したか否かが判断され、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｂより低下した場合（ＹＥＳ）は、負荷抵抗に電気負荷をかける制御が行われ（手順Ｓ３７）、スイッチング素子１７８などのパワー素子をオフからオンに制御し、低抵抗な抵抗素子１７７に電流を流す。これによって燃料電池本体１７１の酸素側電極では、多量の酸素が消費されて水分になって行くようになり、その生成水によって電解質膜の湿潤状態が得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能となる。また、この期間では、燃料電池本体１７１からの電力供給ができないことになるため、フローティングバッテリー１８０の電力を負荷装置１７５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【０１０９】
過負荷電流を燃料電池本体１７１に流すために、スイッチング素子１７８などのパワー素子をオンに制御した後では、手順Ｓ３８に進み、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下したか否か（内部抵抗値ｒがｒｓより低下したか否か）が判断される。未だ、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下（内部抵抗値ｒがｒｓより低下）していないと判断される場合（ＮＯ）では、手順Ｓ４１に進み、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給の停止を継続させながら、燃料電池本体１７１を流れている過負荷電流がそのまま維持され、再び条件判断を行う手順Ｓ３６に戻る。
【０１１０】
この運転中においても、起動時と同様に、手順Ｓ３８で出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下した（内部抵抗値ｒがｒｓより低下した）と判断される場合（ＹＥＳ）では、既に燃料電池本体１７１で発生した生成水によって機能回復が行われたものとして、手順Ｓ３９で当該燃料電池本体１７１を流れる過負荷電流を遮断する。このためパワー素子などのスイッチング素子１７８をオン状態からオフ状態に制御する。このようにスイッチング素子１７８をオフ状態に制御することで、抵抗素子１７８を流れる電流は遮断され、同時に燃料電池本体１７１を流れる過負荷電流も遮断される。その結果、燃料電池本体１７１にかけられる負荷は通常の負荷となる。また、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖｓより低下した（内部抵抗値ｒがｒｓより低下した）と判断される場合（ＹＥＳ）では、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給も再開され（手順Ｓ４０）、処理を終了する。
【０１１１】
以上の手順のように、本実施の形態の燃料電池装置は、燃料電池本体からの出力特性である電圧‐電流特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内か否かが判断され、許容範囲を外れた際に空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給が停止され、更にスイッチング素子をオン状態に制御して燃料電池本体に過負荷電流が流される。また、過負荷電流が流された後は、同様に出力電圧又は内部抵抗値を参照して或るレベルを下回った際にスイッチング素子をオフ状態に制御して燃料電池本体への過負荷電流が停止される。
【０１１２】
従って、燃料電池本体の出力特性の回復を比較的短時間に行うことができ、その制御は出力特性をモニターしながら進められるため、不必要に回復作業を行うものでもない。特に、燃料電池本体からの出力特性である電圧‐電流特性又は内部抵抗の特性が許容範囲内か否かは、起動時と運転中で異なる制御とされ、それぞれ電解質膜の状態が微妙に異なっていても、それぞれ的確な制御を行うことができる。
【０１１３】
なお、本実施の形態においては、出力回復のための期間に、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給は停止されるものとして説明したが、停止ではなく出力回復のために空気の送風量を低下させ、回復後に元に戻すような制御を行うようにしても良い。また、図１５の手順では、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給を制御した後で、燃料電池本体を流れる電流量を調整するように構成したが、燃料電池本体を流れる電流量を調整した後に、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給を制御しても良いし、空気供給コンプレッサー１７６からの空気供給を制御するだけで構成しても良い。
【０１１４】
［第６の実施の形態］
次に、図１６を参照しながら、第４の実施の形態にかかる燃料電池装置について説明する。図１６の装置は、例えば複数のＭＥＡの如き発電体を積層した構造の燃料電池本体２１１を有し、更に空気供給と負荷の制御を行うための制御ユニット２１３と、燃料電池本体２１１に接続して該燃料電池本体２１１にかかる負荷の値を可変とする負荷制御部として、スイッチング素子２１８及び抵抗素子２１７からなる低抵抗化回路部と、ダイオード２１９及びフローティングバッテリー２２０からなる電源補償回路部とを有している。
【０１１５】
この負荷制御部を介して燃料電池本体２１１には当該燃料電池本体２１１で発生した起電力が供給される負荷装置２１５が接続され、更に燃料電池本体２１１には燃料流体を燃料導入管２２３を介して供給するための水素供給装置２１２が接続されている。また、燃料電池本体２１１には、酸素を供給すると共に余分な水分を蒸発させるための空気供給コンプレッサー２１６が接続される。空気供給コンプレッサー２１６からの空気は空気導入管２２４を介して燃料電池本体２１１に届けられ空気排気管２２２を介して余分な水分等と共に排気される。
【０１１６】
空気排気管２２２は、燃料電池本体２１１の酸素側電極を通り、酸素側電極で発生した余分な水分を蒸発させて排出するための流体路である。この空気排気管２２２には、特に本実施の形態において、当該空気排気管２２２における空気の流通を遮断できる遮断弁２２１が設けられている。この遮断弁２２１は、制御ユニット２１３からの信号に応じて遮断状態と流通状態を呈し、例えば、燃料電池本体２１１の出力特性が低下した場合では、空気の流通を遮断すべく遮断弁２２１を遮断状態に遷移させる。遮断弁２２１を遮断状態に遷移させることで、燃料電池本体２１１の酸素側電極での水分の除去は抑制されることになり、生成水によって電解質膜の湿潤状態が速やかに得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では出力を瞬時に回復させることが可能である。なお、この図１６の装置において、燃料電池本体２１１、水素供給装置２１２、負荷装置２１５、及び空気供給コンプレッサー２１６は、図１３に示すそれぞれ対応する装置と同様の構成を有しており、ここでは簡単のため重複した説明を省略する。
【０１１７】
図１６の装置では、制御ユニット２１３によって空気供給コンプレッサー２１６の空気供給の制御に加えて、空気排気管２２２に形成された遮断弁２２１によっても酸素側電極表面の空気の流通を制御することができ、空気供給コンプレッサー２１６の停止などが好ましくない装置では、遮断弁２２１によって確実な制御を図ることができる。
【０１１８】
本実施の形態の燃料電池装置では、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能である。また、この期間では、燃料電池本体２１１からの電力供給ができないことになるが、フローティングバッテリー２２０の電力を負荷装置２１５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【０１１９】
［第７の実施の形態］
次に、図１７を参照しながら、第７の実施の形態にかかる燃料電池装置について説明する。図１７の装置は、例えば複数のＭＥＡの如き発電体を積層した構造の燃料電池本体２３１を有し、更に空気供給と負荷の制御を行うための制御ユニット２３３と、燃料電池本体２３１に接続して該燃料電池本体２３１にかかる負荷の値を可変とする負荷制御部として、スイッチング素子２３８及び抵抗素子２３７からなる低抵抗化回路部と、ダイオード２３９及びフローティングバッテリー２４０からなる電源補償回路部とを有している。
【０１２０】
この負荷制御部を介して燃料電池本体２３１には当該燃料電池本体２３１で発生した起電力が供給される負荷装置２３５が接続され、更に燃料電池本体２３１には燃料流体を燃料導入管を介して供給するための水素供給装置２３２が接続されている。また、燃料電池本体２３１には、酸素を供給すると共に余分な水分を蒸発させるための空気供給コンプレッサー２３６が接続される。空気供給コンプレッサー２３６からの空気は空気導入管２４２を介して燃料電池本体２３１に届けられ空気排気管２４１を介して余分な水分等と共に排気される。
【０１２１】
空気導入管２４２は、燃料電池本体２３１の酸素側電極に空気を送りこむための流体路である。この空気導入管２４２には、特に本実施の形態において、当該空気排気管２２２における空気の流通を遮断できる遮断弁２４３が設けられている。この遮断弁２４３は、制御ユニット２３３からの信号に応じて遮断状態と流通状態を呈し、例えば、燃料電池本体２３１の出力特性が低下した場合では、空気の流通を遮断すべく遮断弁２４３を遮断状態に遷移させる。遮断弁２４３を遮断状態に遷移させることで、燃料電池本体２３１の酸素側電極での水分の除去は抑制されることになり、生成水によって電解質膜の湿潤状態が速やかに得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では出力を瞬時に回復させることが可能である。なお、この図１７の装置において、燃料電池本体２３１、水素供給装置２３２、負荷装置２３５、及び空気供給コンプレッサー２３６は、図１３に示すそれぞれ対応する装置と同様の構成を有しており、ここでは簡単のため重複した説明を省略する。
【０１２２】
図１７の装置では、制御ユニット２３３によって空気供給コンプレッサー２３６の空気供給の制御に加えて、空気導入管２４２に形成された遮断弁２４３によっても酸素側電極表面の空気の流通を制御することができ、空気供給コンプレッサー２３６の停止などが好ましくない装置では、遮断弁２４３によって確実な制御を図ることができる。
【０１２３】
本実施の形態の燃料電池装置では、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能である。また、この期間では、燃料電池本体２３１からの電力供給ができないことになるが、フローティングバッテリー２４０の電力を負荷装置２３５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【０１２４】
［第８の実施の形態］
次に、図１８を参照しながら、第８の実施の形態にかかる燃料電池装置について説明する。図１８の装置は、例えば複数のＭＥＡの如き発電体を積層した構造の燃料電池本体２５１を有し、更に空気供給と負荷の制御を行うための制御ユニット２５３と、燃料電池本体２５１に接続して該燃料電池本体２５１にかかる負荷の値を可変とする負荷制御部として、スイッチング素子２５８及び抵抗素子２５７からなる低抵抗化回路部と、ダイオード２５９及びフローティングバッテリー２６０からなる電源補償回路部とを有している。
【０１２５】
この負荷制御部を介して燃料電池本体２５１には当該燃料電池本体２５１で発生した起電力が供給される負荷装置２５５が接続され、更に燃料電池本体２５１には燃料流体を燃料導入管を介して供給するための水素供給装置２５２が接続されている。また、燃料電池本体２５１は、前述の図３や図５のように筐体の内部に収納されるように構成されており、その筐体の外部から開口部２６２を介して空気を取り込んで発電を行うように構成されている。
【０１２６】
本実施の形態では、開口部２６２に近接してシャッター２６４が設けられており、制御ユニット２５３からの信号に応じて該シャッター２６４が開閉し、燃料電池本体２５１の酸素側電極に空気が供給されるか否かが制御される。例えば該シャッター２６４が閉じている場合では、該シャッター２６４に連続する空気導入管２６３に空気の流入がなくなり、燃料電池本体２５１の酸素側電極での水分の除去は抑制されることになり、生成水によって電解質膜の湿潤状態が速やかに得られることになる。従って、出力低下が乾燥化による場合では出力を瞬時に回復させることが可能である。なお、図１８の装置において、燃料電池本体２５１、水素供給装置２５２、及び負荷装置２５５図１３に示すそれぞれ対応する装置と同様の構成を有しており、ここでは簡単のため重複した説明を省略する。
【０１２７】
図１８の装置では、制御ユニット２３３によって空気供給コンプレッサー２３６の空気供給の制御に加えて、開口部２６２に近接して配設されるシャッター２６４によっても酸素側電極表面の空気の流通を制御することができ、空気供給コンプレッサー２３６の停止などが好ましくない装置では、シャッター２６４によって確実な制御を図ることができる。
【０１２８】
本実施の形態の燃料電池装置では、出力低下が乾燥化による場合では電解質膜を速やかに湿潤状態に戻すために出力を瞬時に回復させることが可能である。また、この期間では、燃料電池本体２５１からの電力供給ができないことになるが、フローティングバッテリー２６０の電力を負荷装置２５５が臨時的に使用することができ、電力制御に伴う瞬断などの問題も有効に回避できることになる。
【０１２９】
なお、上述の実施の形態では、燃料電池本体に過電流を流すために一対の出力端子の間を電気回路で短絡させたり或いは低抵抗化させるように構成しているが、必ずしも出力端子の抵抗値を操作する方法に限定されず、ＭＥＡ自体や集電体などに燃料側電極と酸素側電極の間を短絡又は低抵抗化する手段を形成しても良く、また、その短絡又は低抵抗化する手段は単数に限らず複数設けるようにしても良い。また、電解質膜で均一な機能回復処理を図るために、燃料電池本体に過電流を流すための専用の配線を施すことも可能である。
【０１３０】
また、本実施の形態では、燃料電池本体の出力電圧等をモニターしながら、所定の出力特性回復動作を行う例について説明したが、これに限らず、タイマーなどによって自動的に所定の出力特性回復動作を行うことも可能であり、特に起動時などではタイマーを用いても良好な結果が得られることになる。また、燃料電池本体が複数の発電体からなる場合では、全部の発電体に一度に過電流処理を行うようにすることも可能であるが、過電流を印加させる発電体を時間的にずらすようにして順番に処理するようにすることも可能である。
【０１３１】
なお、本発明においては、燃料電池、燃料電池カードを搭載する機器としてノート型パソコンについて説明したが、他の使用例として、本発明は、プリンターやファクシミリ、パソコン用周辺機器、電話機、テレビジョン受像機、画像表示装置、通信機器、携帯端末、カメラ、オーディオビデオ機器、扇風機、ラジオ、時計、冷蔵庫、ヘアドライヤー、アイロン、ポット、掃除機、炊飯器、電磁調理器、照明器具、ゲーム機やラジコンカーなどの玩具、電動工具、医療機器、測定機器、車両搭載用機器、事務機器、健康美容器具、電子制御型ロボット、衣類型電子機器、各種電動機器、車両、船舶、航空機などの輸送用機械、家庭用若しくは事業用発電装置、その他の用途に使用できるものである。特に本発明は、比較的簡単な機構でも良いことから、小型携帯機器用の燃料電池にも好適に用いられる。小型携帯機器には、ラップトップコンピューター、ＰＤＡ、携帯電話、ＣＤ，ＭＤなどのポータブル音響機器、ポータブルＤＶＤ・デジタルカメラ・デジタルビデオカメラ等のポータブル映像機器などがある。
【０１３２】
また、本発明では、燃料として主に水素ガスを使用する例について説明したが、いわゆるダイレクトメタノール方式に対応してメタノール（液体）等のアルコールを燃料とする構成としても良い。
【０１３３】
【発明の効果】
本発明の燃料電池装置及び燃料電池の制御方法によれば、燃料電池にかかる負荷を該燃料電池の出力状態又は内部抵抗の状態に応じて変化させ、その出力電圧を低く制御した場合では、出力電流が大きくなって酸素側電極における反応が活発化し生成水の発生量が増大する。その生成された水は酸素電極の乾燥化を抑制すると共に電解質の適正な湿潤状態を形成できることになり、出力特性を瞬時に回復させることができる。
【０１３４】
また、本発明の燃料電池装置及び燃料電池の制御方法によれば、空気供給制御部による空気供給量を該燃料電池の出力又は内部抵抗の状態に応じて変化させ、燃料電池表面の水分の蒸発量を抑制するように制御することで、酸素側電極の乾燥化を抑制すると共に適正な湿潤状態を提供できることになる。従って、本発明の燃料電池装置及び燃料電池の制御方法によれば、出力特性を比較的短い時間で回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図２】前記一実施形態の燃料電池装置の出力電圧を示すタイムチャートである。
【図３】本発明の実施の形態の燃料電池装置を示す模式的斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態の燃料電池カードをノート型パソコンに挿入するところを示す斜視図である。
【図５】図４の燃料電池カードを示す外観斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態の燃料電池装置の燃料電池本体要部を示す模式図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図８】図７の燃料電池装置の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図９】図７の燃料電池装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図１２】前記第４の実施形態の燃料電池装置の出力電圧を示すタイムチャートである。
【図１３】本発明の第５の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図１４】図１３の燃料電池装置の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図１５】図１３の燃料電池装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１６】本発明の第６の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第７の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【図１８】本発明の第８の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１ 燃料電池本体
１２ 水素供給装置
１３ 制御ユニット
１４ 負荷制御部
１５ 負荷装置
６１、６２ プロトン伝導体
６３、６４ 燃料側電極
６５、６６ 酸素側電極
７１ 燃料電池本体
７２ 水素供給装置
７３ 制御ユニット
７５ 負荷装置
７７ 抵抗素子
７８ スイッチング素子
７９ ダイオード
８０ フローティングバッテリー
９１ 燃料電池本体
９２ 水素供給装置
９３ 制御ユニット
９５ 負荷装置
９７ ＤＣ−ＤＣ変換器
９８ フローティングバッテリー
９９ ダイオード
１１１ 燃料電池本体
１１２ 水素供給装置
１１３ 制御ユニット
１１４ 負荷制御部
１１５ 負荷装置
１１６ 空気供給制御部
２１１ 燃料電池本体
２１２ 水素供給装置
２１３ 制御ユニット
２１５ 負荷装置
２１６ 空気供給コンプレッサー
２１７ 抵抗素子
２１８ スイッチング素子
２１９ ダイオード
２２０ フローティングバッテリー
２２１ 遮断弁
２３１ 燃料電池本体
２３２ 水素供給装置
２３３ 制御ユニット
２３５ 負荷装置
２３６ 空気供給コンプレッサー
２３７ 抵抗素子
２３８ スイッチング素子
２３９ ダイオード
２４０ フローティングバッテリー
２４３ 遮断弁
２５１ 燃料電池本体
２５２ 水素供給装置
２５３ 制御ユニット
２５４ 筐体
２５５ 負荷装置
２５６ 空気供給コンプレッサー
２５７ 抵抗素子
２５８ スイッチング素子
２５９ ダイオード
２６０ フローティングバッテリー
２６２ 開口部
２６４ シャッター
Claims (52)
- 酸素電極と、燃料電極と、前記酸素電極と前記燃料電極に挟持される電解質とからなる発電体を有する燃料電池において、燃料電池の出力電圧が第一の所定値以下になったときに、前記酸素電極と前記燃料電極を電気的に接続して電流を流すバイパス回路を有することを特徴とする燃料電池装置。
- 前記第一の所定値は、発電体１つあたり、０．０１Ｖ以上、０．８Ｖ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
- 前記第一の所定値は、平常時の起電力より低く設定されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
- 前記第一の所定値は、通常の起電力の１％〜９５％に設定されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
- 前記バイパス回路の接続後、さらに前記出力電圧が第二の所定値以上になったとき、前記バイパス回路が電気的に切断されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
- 前記バイパス回路が電気的に接続されている間、電力消費機器に電力を供給するための、一次電池、二次電池、コンデンサー、他の燃料電池を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
- 酸素電極と、燃料電極と、前記酸素電極と前記燃料電極に挟持される電解質と、からなる発電体を有する燃料電池において、
前記酸素電極と前記燃料電極を電気的に接続し、燃料電池の出力電圧が第一の所定値以下になったときに抵抗を小さくする可変抵抗を有することを特徴とする燃料電池装置。 - さらに、前記出力電圧が第二の所定値以上になったとき、前記可変抵抗の抵抗を大きくすることを特徴とする請求項７記載の燃料電池装置。
- 前記可変抵抗の抵抗が小さくなっている間、電力消費機器に電力を供給するための、一次電池、二次電池、コンデンサー、他の燃料電池を有することを特徴とする請求項７記載の燃料電池装置。
- 燃料電池の起電力を測定する工程と、
前記起電力が第一の所定値以下になったとき、前記燃料電池にかかる負荷を通常より大きくする工程とを有することを特徴とする燃料電池の制御方法。 - さらに、前記起電力が第二の所定値以上になったとき、前記燃料電池にかかる負荷を通常に戻す工程を有することを特徴とする請求項１０記載の燃料電池の制御方法。
- 燃料電池の起電力を測定する工程と、
前記起電力が第一の所定値以下になったとき、前記燃料電池に供給する空気又は酸素を減少又は遮断させる工程とを有することを特徴とする燃料電池の制御方法。 - さらに、前記起電力が第二の所定値以上になったとき、前記燃料電池にかかる負荷を通常に戻す工程を有することを特徴とする請求項１２記載の燃料電池の制御方法。
- 電解質を燃料電極と酸素電極で挟んで燃料を前記燃料側電極に供給すると共に空気又は酸素を前記酸素電極に供給することで起電力を発生させる燃料電池と、
前記燃料電池に接続され前記燃料電池にかかる負荷を該燃料電池の出力または内部抵抗の状態に応じて可変とさせる負荷制御部とを有することを特徴とする燃料電池装置。 - 前記燃料電池は自己加湿型の燃料電池であることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池装置。
- 前記燃料電池は大気開放型の燃料電池であることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池装置。
- 前記負荷制御部は前記燃料電極と前記酸素電極の間に接続され、前記両電極の間の負荷抵抗値を変化させることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池装置。
- 前記負荷制御部は前記燃料電池に過電流を印加することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池装置。
- 前記負荷制御部は前記燃料電極と前記酸素電極の間に接続されるスイッチを有することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池装置。
- 前記燃料電池の出力特性または内部抵抗の特性情報に基づき、前記負荷制御部は該出力特性または内部抵抗の特性が所定範囲から外れた場合に負荷抵抗値を変化させるように動作することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池装置。
- 前記負荷制御部の前記負荷抵抗値は、前記出力特性または内部抵抗の特性が所定範囲から外れた場合に低く制御され、次いで出力特性または内部抵抗の特性が所定の閾値よりも下がった時に、常時の抵抗値に戻されることを特徴とする請求項２０記載の燃料電池装置。
- 前記負荷制御部の作動により前記燃料電池の前記電解質の水分が増加することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池装置。
- 前記負荷制御部は、前記燃料電池に過電流を印加する期間に、電力消費機器に対して代りに電力を供給する電力代替手段を有することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池装置。
- 燃料電池の出力特性または内部抵抗の特性を監視する手順と、前記燃料電池の出力特性または内部抵抗の特性が変化した場合に、該特性の変化に応じて該燃料電池を流れる電流量又は移動するイオン量を制御する手順とを有することを特徴とする燃料電池の制御方法。
- 燃料電池の出力特性を監視する手順と、
前記燃料電池の出力特性が低下した場合に、該燃料電池を流れる電流量又は移動するイオン量を常時に比べて増加させる制御する手順とを有することを特徴とする燃料電池の制御方法。 - 燃料電池の内部抵抗特性を監視する手順と、
前記燃料電池の内部抵抗値が増加した場合に、該燃料電池を流れる電流量又は移動するイオン量を常時に比べて増加させる制御をする手順とを有することを特徴とする燃料電池の制御方法。 - 前記燃料電池を流れる電流を常時に比べて増加させる様に制御した後、常時の前記電流に戻すことを特徴とする請求項２４記載の燃料電池の制御方法。
- 前記燃料電池の出力または内部抵抗の特性の監視は、起動時と運転中で異なる監視状態とされることを特徴とする請求項２４記載の燃料電池の制御方法。
- 前記燃料電池を流れる電流を常時に比べて増加させる様に制御した際、前記燃料電池の前記電解質の水分が増加することを特徴とする請求項２４記載の燃料電池の制御方法。
- 燃料電池の出力特性または内部抵抗の特性を監視する出力特性または内部抵抗の特性監視手段と、前記燃料電池を流れる電流量又は移動するイオン量を制御する燃料電池電流制御手段とを有し、前記燃料電池電流制御手段は、前記出力特性または内部抵抗の特性監視手段により監視される出力特性又は内部抵抗特性の変化に応じて、前記燃料電池を流れる電流量又は移動するイオン量を制御することを特徴とする燃料電池装置。
- 燃料電池の出力特性を監視する出力特性監視手段と、
前記燃料電池を流れる電流量又は移動するイオン量を制御する燃料電池電流制御手段とを有し、前記燃料電池電流制御手段は、前記特性監視手段により監視される出力特性が所定の値より低下した場合に、前記燃料電池を流れる電流量又は移動するイオン量を増加させることを特徴とする燃料電池装置。 - 燃料電池の内部抵抗特性を監視する内部抵抗特性監視手段と、前記燃料電池を流れる電流量又は移動するイオン量を制御する燃料電池電流制御手段とを有し、前記燃料電池電流制御手段は、前記内部抵抗特性監視手段により監視される内部抵抗特性が所定の値より増加した場合に、前記燃料電池を流れる電流量又は移動するイオン量を増加させることを特徴とする燃料電池装置。
- 燃料電池の出力特性または内部抵抗の特性の変化を監視する出力特性または内部抵抗特性変化監視手段と、前記燃料電池を流れる電流量又は移動するイオン量を制御する燃料電池電流制御手段とを有し、前記燃料電池電流制御手段は、前記出力特性または内部抵抗特性変化監視手段により監視される出力特性または内部抵抗の特性の変化に応じて、前記燃料電池を流れる電流量又は移動するイオン量を制御することを特徴とする燃料電池装置。
- 燃料電池の出力特性または内部抵抗の特性の変化を監視する出力特性または内部抵抗特性変化監視手段と、前記燃料電池を流れる電流量又は移動するイオン量を制御する燃料電池電流制御手段とを有し、前記燃料電池電流制御手段は、前記出力特性または内部抵抗特性変化監視手段により監視される出力特性または内部抵抗の特性の変化が所定値を超えた場合に、前記燃料電池を流れる電流量又は移動するイオン量を増加させることを特徴とする燃料電池装置。
- 電解質を燃料電極と酸素電極で挟んで燃料を前記燃料電極に供給すると共に空気又は酸素を前記酸素電極に供給することで起電力を発生させる燃料電池と、
前記燃料電池の酸素電極に供給される空気の供給量を該燃料電池の出力または内部抵抗の状態に応じて可変させる空気供給制御部とを有することを特徴とする燃料電池装置。 - 前記燃料電池は自己加湿型の燃料電池であることを特徴とする請求項３５記載の燃料電池装置。
- 前記空気供給制御部は前記燃料電池に対して強制的に空気を送る強制送風機構部を有し、該強制送風機構部を運転及び停止させることで前記酸素電極に供給される空気の供給量を可変とさせることを特徴とする請求項３５記載の燃料電池装置。
- 前記空気供給制御部は空気が通過する開口部を有し、該開口部の面積を変化させることで空気の供給量を可変とさせることを特徴とする請求項３５記載の燃料電池装置。
- 前記燃料電池の出力特性または内部抵抗の特性情報に基づき前記空気供給制御部は該出力特性または内部抵抗の特性が所定範囲から外れた場合に空気の供給量を変化させるように動作することを特徴とする請求項３５記載の燃料電池装置。
- 前記空気供給制御部による空気の供給量は前記出力特性または内部抵抗の特性が所定範囲から外れた場合に低くなるように制御され、次いで出力特性または内部抵抗の特性が所定の閾値よりも下がった時に、常時の空気の供給量に戻されることを特徴とする請求項３９記載の燃料電池装置。
- 前記空気供給制御部が空気の供給量を変化させるように動作する際に、前記燃料電池の前記電解質の水分が増加することを特徴とする請求項３９記載の燃料電池装置。
- 前記空気供給制御部は、空気の前記供給量を低く抑えた期間に、電力消費機器に対して代りに電力を供給する電力代替手段を有することを特徴とする請求項３５記載の燃料電池装置。
- 燃料電池の出力特性を監視する手順と、
前記燃料電池の出力特性が低下した場合に該燃料電池に供給される空気の供給量を常時に比べて小さくなるように制御する手順とを有することを特徴とする燃料電池の制御方法。 - 燃料電池の内部抵抗特性を監視する手順と、
前記燃料電池の内部抵抗特性が増加した場合に該燃料電池に供給される空気の供給量を常時に比べて小さくなるように制御する手順とを有することを特徴とする燃料電池の制御方法。 - 前記燃料電池に供給される空気の供給量を常時に比べて小さくなるように制御した後、常時の空気の供給量に戻すことを特徴とする請求項４３又は請求項４４記載の燃料電池の制御方法。
- 前記燃料電池の出力特性または内部抵抗の特性の監視は、起動時と運転中で異なる監視状態とされることを特徴とする請求項４３又は請求項４４記載の燃料電池の制御方法。
- 前記燃料電池に供給される空気の供給量を常時に比べて小さくなるように制御した際、前記燃料電池の前記電解質の水分が増加することを特徴とする請求項４３又は請求項４４記載の燃料電池の制御方法。
- 燃料電池の出力特性または内部抵抗の特性を監視する出力特性または内部抵抗の特性監視手段と、前記燃料電池に供給される空気の供給量を常時に比べて小さくなるように制御する空気供給量制御手段とを有し、前記空気供給量制御手段は、前記出力特性または内部抵抗の特性監視手段により監視される出力特性又は内部抵抗特性の変化に応じて、前記燃料電池に供給される空気の供給量を制御することを特徴とする燃料電池装置。
- 燃料電池の出力特性を監視する出力特性監視手段と、
前記燃料電池に供給される空気の供給量を常時に比べて小さくなるように制御する空気供給量制御手段とを有し、前記空気供給量制御手段は、前記特性監視手段により監視される出力特性が所定の値より低下した場合に、前記燃料電池に供給される空気の供給量を減少させることを特徴とする燃料電池装置。 - 燃料電池の内部抵抗特性を監視する内部抵抗特性監視手段と、前記燃料電池に供給される空気の供給量を常時に比べて小さくなるように制御する空気供給量制御手段とを有し、前記空気供給量制御手段は、前記内部抵抗特性監視手段により監視される内部抵抗特性が所定の値より増加した場合に、前記燃料電池に供給される空気の供給量を減少させることを特徴とする燃料電池装置。
- 燃料電池の出力特性または内部抵抗の特性の変化を監視する出力特性または内部抵抗特性変化監視手段と、前記燃料電池に供給される空気の供給量を常時に比べて小さくなるように制御する空気供給量制御手段とを有し、前記空気供給量制御手段は、前記出力特性または内部抵抗特性変化監視手段により監視される出力特性または内部抵抗の特性の変化に応じて、前記燃料電池に供給される空気の供給量を減少させることを特徴とする燃料電池装置。
- 燃料電池の出力特性または内部抵抗の特性の変化を監視する出力特性または内部抵抗特性変化監視手段と、前記燃料電池に供給される空気の供給量を常時に比べて小さくなるように制御する空気供給量制御手段とを有し、前記空気供給量制御手段は、前記出力特性または内部抵抗特性変化監視手段により監視される出力特性または内部抵抗の特性の変化が所定値を超えた場合に、前記燃料電池に供給される空気の供給量を減少させることを特徴とする燃料電池装置。
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