JP2005093143A - 燃料電池システムおよびその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の起動性を向上する。
【解決手段】 燃料電池システム９００は、燃料極１０２および酸化剤極１０８を含む燃料電池１００を有し、燃料電池１００に接続されたシステム負荷５３８に電力を供給する。燃料電池システム９００は、燃料電池１００からシステム負荷５３８への出入力端子間（５４２および５４０）を短絡する短絡経路５４５と、電源制御部５４８とを有する。電源制御部５４８は、燃料電池１００の温度に応じて、短絡経路５４５と燃料電池１００との間を接続する接続スイッチおよび短絡経路５４５に流れる電流の値に応じて、短絡経路５４５と燃料電池１００との間の間を切断する切断スイッチとして機能する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその使用方法に関する。

燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられていたが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。

燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ６Ｈ^＋ ＋ ＣＯ_２ ＋ ６ｅ⁻ （１）

また、酸化剤極での反応は以下の式（２）のようになる。
３／２Ｏ_２ ＋ ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ （２）

このように、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、小型化および軽量化を図ることができる。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。

しかし、一般に、燃料電池は他の電源に比べて起動性が悪いという問題がある。特に、直接型の燃料電池の発電効率は、温度の低下とともに減少し、温度が低いと、所望の電圧／電流を供給することができずに機器を起動できない可能性もある。

このような燃料電池の起動性の悪さを改善するために、たとえば、燃料電池に電熱ヒータを付加して強制的に所定の温度まで高温させる方式が提案されている（特許文献１）。また、たとえば、燃料電池起動時に、空気室に燃料のメタノールを直接供給し、空気極でメタノールを直接燃焼することにより、燃料電池を急速に温度上昇させることができ、短時間で最適運転温度とする方式が提案されている（特許文献２）。
特開平１−１８７７６号公報 特開平５−３０７９７０号公報

しかし、従来の電熱ヒータを付加する方式では、電熱ヒータを付加するため装置が大型化するという問題や、電熱ヒータを加熱するための電源を別途準備しなければならないという問題がある。また、空気極でメタノールを直接燃焼する方式においても、空気極にメタノールを供給するための配管を設ける必要があり、複数の燃料電池単セルを含むセルスタックに適用する場合、構造が複雑となり装置が大型化してしまうという問題がある。一方、燃料電池を携帯電話等の携帯型の機器に利用する場合は、外部で利用することも多く、０℃前後の低温雰囲気下でも使用可能であることが要求される。そのため、燃料電池を携帯型の機器に用いる場合、周囲温度が低くても短時間で燃料電池の温度を上昇させて出力を通常のレベルに到達させるための簡便な機構を有する携帯型燃料電池の提供がますます望まれる。

本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、本発明の目的は、温度が低い場合でも、燃料電池の温度を上昇させて利用性を高めることのできる技術を提供することにある。

本発明によれば、燃料極および酸化剤極を含む燃料電池を有し、燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池システムであって、燃料電池から負荷への出入力端子間を短絡する短絡経路と、燃料電池の温度に応じて、短絡経路と燃料電池との間を接続する接続スイッチと、短絡経路に流れる電流の値に応じて、短絡経路と燃料電池との間の接続を切断する切断スイッチと、を備えたことを特徴とする燃料電池システムが提供される。

このようにすれば、燃料電池の温度が低い場合に燃料電池を短絡させて燃料電池に短絡電流を流し、自己発熱により燃料電池を加熱することができる。その一方、短絡電流の電流の値が大きくなった場合、切断スイッチにより短絡電流が切断されるので、燃料電池に過剰な電流が流れることなく、燃料電池へのダメージを防ぐことができる。ここで、燃料電池の温度とは、燃料電池内、燃料電池表面、燃料電池の廃液、燃料電池の廃気、または外気のいずれかとすることができる。またはこれらの温度の複数を適宜用いることもできる。切断スイッチは、たとえば、短絡経路に流れる電流値を測定する測定部と、測定部の測定した電流値に応じて短絡電流を流すか否かを切り替えるスイッチにより構成することができる。また、短絡経路に過電流保護回路等を設けて所定の電流値以上の電流が流れた場合に、短絡電流を切断する構成とすることもできる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池の温度に応じて短絡経路に流れる電流の閾値を設定する設定部をさらに含むことができ、切断スイッチは、短絡経路に流れる電流の値が閾値以上となったときに短絡経路と燃料電池との間の接続を切断することができる。

本発明によれば、燃料極および酸化剤極を含む燃料電池を有し、燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池システムであって、燃料電池から負荷への出入力端子間を短絡する短絡経路と、燃料電池の温度に応じて、短絡経路と燃料電池との間を接続する接続スイッチと、短絡経路に流れる電流の値に応じて、短絡経路と燃料電池との間の接続の切断を促す報知を行う報知部と、を備えたことを特徴とする燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、短絡経路と燃料電池との間の接続を切断する切断スイッチをさらに含むことができる。

このようにすれば、燃料電池の温度が低い場合に燃料電池を短絡させて燃料電池に短絡電流を流し、自己発熱により燃料電池を加熱することができる。その一方、短絡電流の電流の値が大きくなった場合、報知部により報知が行われるので、燃料電池に過剰な電流が流れることなく、燃料電池へのダメージを防ぐことができる。報知は、燃料電池システムのユーザが検知できる方法で行うこともできるが、燃料電池システムを制御する制御システムへ行うこともできる。報知部は、たとえば制御部への出力を行う出力端子、監視結果を表示する表示器、監視結果を音声で出力するスピーカとすることができる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池の温度に応じて短絡経路に流れる電流の閾値を設定する設定部をさらに含むことができ、報知部は、短絡経路に流れる電流の値が閾値以上となったときに短絡経路と燃料電池との間の接続の切断を促す報知を行うことができる。

ここで、燃料電池の温度が低いほど電流の閾値が高くなるように設定することができる。これにより、燃料電池の温度が低い場合であっても、効率よく燃料電池を加熱することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、接続スイッチは、燃料電池の温度が所定温度以下のときに、短絡経路と燃料電池との間を接続することができる。

このようにすれば、燃料電池の温度が基準温度以上の通常温度の場合、燃料電池を短絡することなく、燃料電池が負荷に接続される処理を行うことができる。

本発明の燃料電池システムは、燃料極に燃料を供給する処理を行う燃料供給処理部と、燃料電池の温度に応じて、燃料供給処理部を制御して、燃料極に供給する燃料の濃度を調整する制御部と、をさらに備えることができる。

ここで、燃料電池の温度が低いほど、燃料の濃度が高くなるように設定することができる。燃料の濃度が高いと、燃料が固体電解質膜を介して酸化剤極に達するクロスオーバーが促進され、酸化剤極が加熱される。これにより、燃料電池を効率よく加熱することができ、低温時においても起動性を良好にすることができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池の温度が所定温度以下のときに、燃料電池の温度に応じて燃料極に供給する燃料の濃度を設定し、燃料電池の温度が所定温度を超えたときに、燃料極に供給する燃料を所定濃度とすることができる。制御部は、燃料電池の温度が所定温度を超えたとき、燃料電池の温度に関わらず、燃料極に供給する燃料を所定濃度に設定することができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池の温度に応じて、燃料供給処理部を制御して、燃料極に供給する燃料の量をさらに調整することができる。ここで、燃料電池の温度が低いほど、燃料の量が少なくなるように調整することができる。これにより、燃料によって燃料極が冷却されるのを防ぐことができる。

本発明の燃料電池システムは、酸化剤極に酸化剤を供給する処理を行う酸化剤供給処理部をさらに備えることができ、制御部は、燃料電池の温度に応じて、酸化剤供給処理を制御して、酸化剤極に供給する酸化剤の量を調整することができる。ここで、燃料電池の温度が低いほど、酸化剤の量が少なくなるように調整することができる。これにより、酸化剤によって酸化剤極が冷却されるのを防ぐことができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、燃料極に供給する燃料または酸化剤極に供給する酸化剤の少なくとも一方を加熱するヒータをさらに含むことができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、燃料極に供給する燃料が液体燃料とすることができる。

本発明によれば、燃料極および酸化剤極を含む燃料電池を有し、燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池システムの使用方法であって、燃料電池の温度が所定温度以下のときに、負荷への出入力端子間を短絡するステップと、出入力端子間を短絡した後、短絡された出入力端子間に流れる電流の値を監視するステップと、電流の値に応じて、出入力端子間を開放するステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法が提供される。

本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料電池の温度に応じて出入力端子間に流れる電流の閾値を設定するステップをさらに含むことができ、出入力端子間を開放するステップにおいて、出入力端子間に流れる電流の値が閾値以上となったときに、出入力間を解放することができる。

本発明によれば、燃料極および酸化剤極を含む燃料電池を有し、燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池システムの使用方法であって、燃料電池の温度が所定温度以下のときに、負荷への出入力端子間を短絡するステップと、出入力端子間を短絡した後、短絡された出入力端子間に流れる電流の値を監視するステップと、電流の値に応じて、出入力端子間の解放を促す報知を行うステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法が提供される。

本発明の燃料電池システムの使用方法は、報知を行うステップにおける報知に基づき、出入力端子間を開放するステップをさらに含むことができる。

本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料電池の温度に応じて出入力端子間に流れる電流の閾値を設定するステップをさらに含むことができ、報知を行うステップにおいて、出入力端子間に流れる電流の値が閾値以上となったときに、出入力間の解放を促す報知を行うことができる。

本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料電池の温度に応じて、燃料極に供給する燃料の濃度を設定するステップと、濃度を設定するステップで設定された濃度の燃料を燃料極に供給するステップと、をさらに含むことができる。

本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料を燃料極に供給するステップは、燃料電池の温度が所定温度以下のときに、濃度を設定するステップで設定された濃度の燃料を燃料極に供給するステップと、燃料電池の温度が所定温度を超えたときに、所定濃度の燃料を燃料極に供給するステップと、を含むことができる。所定濃度の燃料を燃料極に供給するステップにおいて、燃料電池の温度が所定温度を超えたとき、燃料電池の温度に関わらず、燃料極に供給する燃料を所定濃度とすることができる。

本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料電池の温度に応じて、燃料極に供給する燃料の量を設定するステップをさらに含むことができ、燃料を燃料極に供給するステップにおいて、燃料の量を調整するステップで設定された量の燃料を燃料極に供給することができる。

本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料電池の温度に応じて、酸化剤極に供給する酸化剤の量を設定するステップと、酸化剤の量を設定するステップで設定された量の酸化剤を酸化剤極に供給するステップと、をさらに含むことができる。

本発明の燃料電池システムの使用方法において、燃料極に供給する燃料または酸化剤極に供給する酸化剤の少なくとも一方を加熱するステップをさらに含むことができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
たとえば、本発明によれば、上記燃料電池システムを搭載した電気機器が提供される。このような電気機器としては、たとえば携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等が挙げられる。

以上述べたように、本発明によれば、温度が低い場合でも、燃料電池の温度を上昇させて利用性を高めることのできる技術を提供することができる。

以下の実施の形態で説明する燃料電池システムの用途は特に限定されないが、たとえば携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等の小型電気機器に適切に用いられる。

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
燃料電池システム９００は、燃料電池本体１００と、燃料極１０２に供給する燃料１２４を収容する燃料極タンク６６２と、酸化剤極１０８に供給する酸化剤１２６を収容する酸化剤極タンク９０６と、温度センサ５４６と、第１の燃料収容部６７６ａと、第２の燃料収容部６７６ｂと、燃料供給処理部６７４と、酸化剤供給処理部９０８と、燃料供給管９１０と、酸化剤供給管９１２とを含む。また、燃料電池システム９００は、燃料電池システム９００の各構成要素の制御を行う制御部９０２と、制御部９０２が参照するデータを記憶する対応値記憶部９０１とを含む。制御部９０２は、図示しないＡ／Ｄ変換器を介して温度センサ５４６からの信号を受け付け、その信号に応じて燃料供給処理部６７４、酸化剤供給処理部９０８、および電源制御部５４８等を制御する。

温度センサ５４６としては、熱電対、金属測温抵抗体、サーミスタ、ＩＣ温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、または焦電型温度センサ等を用いることができる。温度センサ５４６は、燃料電池本体１００の構造に応じて種々の配置を取り得る。温度センサ５４６は、たとえば、燃料極タンク６６２内、酸化剤極タンク９０６内、燃料電池本体１００表面、廃液の循環経路（不図示）、廃気の循環経路（不図示）、または燃料電池システム９００の外部等に配置することができる。また、燃料電池システム９００は、複数の温度センサ５４６を含むことができ、種々の場所に配置することもできる。燃料電池本体１００は、複数の単セル構造をスタックしたセルスタックとすることもでき、この場合、温度センサ５４６は、セルスタックの端部にある酸化剤極１０８表面に接着した構成とすることができる。このようにすれば、外部温度の影響を最も受ける可能性の高いセルスタックの端部の温度を反映することができ、良好な起動性の確保をすることができる。

燃料電池本体１００は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４を含む。なお、本実施の形態において、燃料電池本体１００の燃料極１０２には、燃料１２４が供給される。また、燃料電池本体１００の酸化剤極１０８には、酸化剤１２６が供給される。燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。酸化剤１２６としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを用いることもできる。燃料電池本体１００の詳細な構成は後述する。

燃料電池本体１００は、入力端子５４２、システムパワースイッチ５４４、および出力端子５４０を介してシステム負荷５３８に電気的に接続される。システム負荷５３８とは、上述した電気機器における抵抗である。

本実施の形態において、入力端子５４２と出力端子５４０との間は、システム負荷５３８と並行に設けられた短絡経路５４５および電源制御部５４８により接続される。電源制御部５４８は、制御部９０２からの制御により、短絡経路５４５およびシステム負荷５３８のいずれに電流を流すかの切り替え制御を行う。

制御部９０２は、温度センサ５４６により測定された温度に応じて電源制御部５４８への制御を行う。温度センサ５４６により測定された温度が基準温度より低い場合、制御部９０２は、短絡経路５４５に電流を流すよう電源制御部５４８を制御する。これにより、燃料電池本体１００には短絡電流が流れ、燃料電池本体１００で自己発熱がおこり、燃料電池本体１００が加熱されて燃料電池本体１００の温度が上昇する。

本実施の形態において、短絡経路５４５上には電流計９１８が設けられている。電源制御部５４８は、図示しないＡ／Ｄ変換器を介して電流計９１８からの信号を受け付け、その電流値に応じて、短絡経路５４５およびシステム負荷５３８のいずれに電流を流すかの切り替え制御を行う。

燃料供給処理部６７４は、燃料極タンク６６２に供給する燃料１２４の濃度および供給量を調整する。酸化剤供給処理部９０８は、酸化剤極タンク９０６に供給する酸化剤１２６の供給量を調整する。第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂは、それぞれ濃度の異なる燃料を収容する。第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂのいずれか一方は、アルコールを含まない水を収容することもできる。

図示していないが、燃料供給処理部６７４は、たとえばインバータおよびポンプを含むことができる。ポンプは第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂにそれぞれ設けた構成とすることができる。ポンプとしては、圧電ポンプを用いることができる。圧電ポンプを用いた場合、制御部９０２は、インバータにおける振動数または電圧を変化させることにより第１の燃料収容部６７６ａおよび第２の燃料収容部６７６ｂからの燃料の供給量を制御する。これにより、燃料極タンク６６２に供給する燃料１２４の濃度および供給量を調整することができる。

燃料供給処理部６７４として圧電ポンプおよびインバータを用いることにより、従来の電磁ポンプ等を用いた場合に比べ、ポンプの小型軽量化が可能となり、また耐久性も向上する。また、ポンプの駆動に必要な電力が低減する。また、ポンプからの燃料の供給量を、インバータにおける振動数または電圧を変化させることにより良好に制御することができる。インバータの振動数を変化させた場合、単位時間あたりのポンプの吐出頻度が変化する。また、これらの電圧を変化させた場合、圧電素子の変位量の変化により、１回の吐出あたりの吐出量が変化する。したがって、いずれを変化させた場合においても、燃料の濃度および供給量を調節することができる。

圧電ポンプとして、たとえばバイモルフ型圧電ポンプが好ましく用いられる。バイモルフ型圧電ポンプとしては、たとえばバイモルポンプ（極光社製、登録商標）や、ＦＤＫ社製のバイモルフ型圧電素子等を用いることができる。インバータとしては、たとえば松下電子部品株式会社製のＥＸＣＦシリーズ等を用いることができる。

酸化剤供給処理部９０８は、ファンを含むことができる。ファンの回転数を変化させることにより、酸化剤極タンク９０６に供給する酸化剤１２６の供給量を制御することができる。

制御部９０２は、温度センサ５４６により測定された温度が基準温度より低い場合、以下の低温時処理を行う。対応値記憶部９０１は、制御部９０２が低温時処理を行う際に参照する対応値を記憶する。ここで、対応値とは、燃料電池本体１００の温度と、その温度のときに燃料極タンク６６２に供給すべき燃料１２４の濃度および供給量、酸化剤極タンク９０６に供給すべき酸化剤１２６の供給量、ならびに短絡経路５４５に流れる電流の閾値とのそれぞれの関係である。

図２は、対応値記憶部９０１の内部構成の一例を示す図である。
対応値記憶部９０１は、温度センサ５４６により測定された温度に対応付けて、燃料濃度、燃料供給量、酸化剤供給量、および電流閾値を記憶する。ここでは、燃料電池本体１００が二つの単位セルが直列接続された構成を有する場合を例として示す。この場合、たとえば温度が０℃のときは、燃料濃度が３０体積％、燃料供給量が０．５ｍｌ／ｍｉｎ、酸化剤供給量が０．５ｌ／ｍｉｎ、電流閾値が２Ａとすることができる。また、たとえば温度が１０℃のときは、燃料濃度が２０体積％、燃料供給量が１．０ｍｌ／ｍｉｎ、酸化剤供給量が１．０ｌ／ｍｉｎ、電流閾値が１．５Ａとすることができる。また、ここで、低温処理を行うか否かの基準温度は２５℃とすることができ、温度が基準温度の２５℃以上となった場合、温度に関わらず、２５℃のときと同じ燃料濃度、燃料供給量、酸化剤供給量、および電流閾値とすることができる。なお、ここで示した値は単なる例示であって、これらの値は燃料電池システムの構成に応じて適宜設定することができる。また、対応値記憶部９０１は、燃料濃度、燃料供給量、酸化剤供給量、および電流閾値として、温度ｔを変数とする関数を記憶することもできる。

燃料極タンク６６２に供給すべき燃料１２４の濃度は、温度センサ５４６により測定された温度が低いほど高くなるように設定される。燃料１２４の濃度を高くすることにより、燃料極タンク６６２に供給されたメタノール等の燃料１２４が固体電解質膜１１４を介して酸化剤極１０８に達するクロスオーバーが促進され、酸化剤極タンク９０６が加熱される。

また、燃料極タンク６６２に供給すべき燃料１２４の供給量は、温度センサ５４６により測定された温度が低いほど低くなるように設定される。このようにすれば、燃料極タンク６６２への燃料１２４の供給速度が低下され、燃料電池本体１００からの放熱を低減することができる。

また、酸化剤極タンク９０６に供給すべき酸化剤１２６の供給量は、温度センサ５４６により測定された温度が低いほど低くなるように設定される。このようにすれば、酸化剤極タンク９０６への酸化剤１２６の供給速度が低下され、酸化剤極タンク９０６が酸化剤１２６により空冷されるのを防ぐことができる。

短絡経路５４５に流れる電流の閾値は、温度センサ５４６により測定された温度が低いほど高くなるように設定される。電源制御部５４８は、電流計９１８により測定された電流値が閾値以上となった場合に短絡経路５４５を開放し、システム負荷５３８に電流を流す切り替え制御を行う。

制御部９０２は、温度センサ５４６により測定された温度に基づき、対応値記憶部９０１を参照して、その温度のときに燃料供給処理部６７４から供給されるべき燃料１２４の濃度および供給量、酸化剤供給処理部９０８から供給されるべき酸化剤１２６の供給量、ならびに短絡経路５４５に流れる電流の閾値に関する情報を取得する。制御部９０２は、この情報に基づき、電源制御部５４８、燃料供給処理部６７４および酸化剤供給処理部９０８を制御する。

さらに、制御部９０２は、ヒータ９１４およびヒータ９１６を制御して、燃料供給管９１０および酸化剤供給管９１２をそれぞれ通過する燃料１２４および酸化剤１２６を加熱することもできる。

図３は、本実施の形態における燃料電池システム９００の処理手順を示すフローチャートである。
システムパワースイッチ５４４がオンとされると、温度センサ５４６が温度を測定する（Ｓ１００）。温度センサ５４６により測定された温度が基準温度以上の場合（Ｓ１０２のＹＥＳ）、制御部９０２は、燃料電池本体１００が短絡された状態か否かを判断する（Ｓ１１８）。燃料電池本体１００が短絡された状態の場合（Ｓ１１８のＹＥＳ）、制御部９０２は、電源制御部５４８を制御し、燃料電池本体１００と短絡経路５４５との間を開放する（Ｓ１２０）。その後、燃料電池システム９００は、通常運転を行う（Ｓ１２２）。ステップ１１８において、燃料電池本体１００が短絡された状態でない場合（Ｓ１１８のＮＯ）、ステップ１２０を省略し、ステップ１２２の通常運転を行う。ここで、基準温度は、システム負荷５３８に電力を供給するのに充分な発電効率が得られる温度とするのが好ましく、たとえば２５℃とすることができる。通常運転時時において、制御部９０２は、システム負荷５３８に電力を効率よく供給することのできる濃度および供給量で燃料１２４および酸化剤１２６が供給されるように燃料供給処理部６７４および酸化剤供給処理部９０８を制御する。

ステップ１０２において、温度センサ５４６により測定された温度が基準温度より低い場合（Ｓ１０２のＮＯ）、燃料電池システム９００は、以下に説明するステップ１０４〜ステップ１１６の処理を行う。

まず、制御部９０２は、対応値記憶部９０１を参照し、温度センサ５４６により測定された温度に対応付けられた燃料濃度、燃料供給量、酸化剤供給量、および電流閾値等の対応値を取得する（Ｓ１０４）。つづいて、制御部９０２は、この処理が最初の処理か否か（ｉ＝１か否か）を判断する（Ｓ１０６）。最初の処理の場合（Ｓ１０６のＹＥＳ）、制御部９０２は、電源制御部５４８を制御し、燃料電池本体１００を短絡させる（Ｓ１０８）。その後、制御部９０２は、低温時運転を行う（Ｓ１１０）。低温時運転とは、ステップ１０４で取得した燃料濃度、燃料供給量、および酸化剤供給量で燃料極タンク６６２および酸化剤極タンク９０６に燃料１２４および酸化剤１２６をそれぞれ供給することである。

つづいて、制御部９０２は、燃料電池本体１００が短絡された状態か否かを判断する（Ｓ１１２）。燃料電池が短絡された状態の場合（Ｓ１１２のＹＥＳ）、制御部９０２は、電流計９１８により測定された短絡経路５４５に流れる電流の値が閾値以上か否かを判断する（Ｓ１１４）。電流の値が閾値以上の場合（Ｓ１１４のＹＥＳ）、制御部９０２は、電源制御部５４８を制御し、燃料電池本体１００と短絡経路５４５との間を開放する（Ｓ１１６）。これにより、燃料電池本体１００からシステム負荷５３８に電流が流れるようになる。その後、再びステップ１００に戻り、温度センサ５４６により測定された温度が基準温度以上でない場合（Ｓ１０２のＮＯ）は再度ステップ１０４以下の処理が繰り返される。

ステップ１０６において、最初の処理でない場合（Ｓ１０６のＮＯ）、ステップ１０８の短絡処理を省略してステップ１１０の低温時運転を行う。また、ステップ１１２において、短絡状態でない場合（Ｓ１１２のＮＯ）、ステップ１１４およびステップ１１６の処理を省略してステップ１００に戻る。また、ステップ１１４において、電流計９１８により測定された電流の値が閾値以上でない場合（Ｓ１１４のＮＯ）、燃料電池本体１００を短絡させたままステップ１００に戻る。

以上のような処理を行うことにより、燃料電池本体１００の短絡（Ｓ１０８）および低温時運転（Ｓ１１０）により、燃料電池本体１００の温度が徐々に上昇すると、ステップ１０４において、その温度に応じて燃料濃度、燃料供給量、酸化剤供給量、電流閾値等の対応値が新たに取得される。制御部９０２は、ステップ１０４で取得した対応値に基づき燃料供給処理部６７４、酸化剤供給処理部９０８、および電源制御部５４８等の制御を行うので、燃料電池本体１００の温度を効率よく上昇させることができる。

温度センサ５４６により測定された温度が基準温度以上となった場合（Ｓ１０２のＹＥＳ）、ステップ１１８〜ステップ１２２に進み、制御部９０２は通常運転を行う。これにより、システム負荷５３８に電流が流れる。燃料電池本体１００の温度が基準温度を超えている場合、燃料電池５３２の発電効率も高くなっており、システム負荷５３８に充分な電力を供給することができる。

以上のように、本実施の形態の燃料電池システム９００においては、周囲温度が低く、燃料電池の起動性が悪い場合には、燃料電池本体１００に、燃料電池自体の内部抵抗のみで規定される短絡電流を流して燃料電池本体１００の温度を上昇させることができる。一方、短絡経路５４５を流れる電流の値が、温度に対応付けて設定された閾値以上となった場合は、燃料電池本体１００と短絡経路５４５との間が開放されるので、燃料電池本体１００に高電流が流れることなく、燃料電池本体１００の固体電解質膜１１４へのダメージ等を生じることなく、燃料電池本体１００の温度を上昇させることができる。

これに加えて、温度センサ５４６により測定された温度が基準温度以上となるまでは、低温時運転が行われ、燃料電池本体１００に供給する燃料１２４の濃度を高めてクロスオーバーを生じさせて燃料電池本体１００を加熱する処理も行うので、より一層効率よく燃料電池本体１００の温度を上昇させることができる。さらに、周囲温度が低い場合には、燃料電池本体１００に供給する燃料１２４および酸化剤１２６の供給量を低くして燃料電池本体１００が燃料１２４や酸化剤１２６により冷却されるのを防ぐこともできる。これにより、効率よく燃料電池本体１００の発電効率を高めることができる。さらに、燃料電池本体１００に供給する燃料１２４および酸化剤１２６をヒータにより加熱することもできるので、効率よく燃料電池本体１００の温度を上昇させることができる。

このように、上述した燃料電池本体１００を短絡させる処理が終了した後も、燃料電池本体１００の温度が基準温度以上となるまでは、低温時運転が行われるので、周囲温度が低い場合であっても、燃料電池本体１００の温度を上昇させることができる。

図４は、図１に示した燃料電池システム９００の燃料電池本体１００の単セル構造を模式的に示した断面図である。燃料電池本体１００は、一つまたは複数の単セル構造１０１を有する。各単セル構造１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４から構成される。

固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体電解質膜１１４を構成する材料としては、スルフォン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１,４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族縮合系高分子；スルフォン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製）（登録商標）、アシプレックス（旭化成社製））；カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭硝子社製）（登録商標））；等が例示される。

燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２を基体１０４および基体１１０上に形成した構成とすることができる。基体１０４および基体１１０の表面は撥水処理してもよい。

燃料極側触媒層１０６の触媒としては、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、またはこれらの合金等が例示される。酸化剤極側触媒層１１２の触媒としては、燃料極側触媒層１０６と同様のものを用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもどちらでもよい。

触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック（デンカブラック（電気化学社製）（登録商標）、ＸＣ７２（Vulcan社製）等）、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等が例示される。

燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２における固体電解質の微粒子は、同一のものであっても異なるものであってもよい。ここで、固体電解質の微粒子は、固体電解質膜１１４と同じ材料を用いることができるが、固体電解質膜１１４とは異なる材料や、複数の材料を用いることもできる。

燃料極１０２、酸化剤極１０８ともに、基体１０４および基体１１０としては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等の多孔性基体を用いることができる。また、基体１０４および基体１１０の撥水処理にはポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を用いることができる。

次に、本発明における単セル構造１０１の製造方法を説明する。
たとえば固体電解質膜１１４を有機高分子材料で構成する場合、固体電解質膜１１４は、有機高分子材料を溶媒に溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることにより得ることができる。

燃料極１０２および酸化剤極１０８は、たとえば以下の方法で得ることができる。まず、一般的に用いられている含浸法によって炭素粒子に触媒を担持させる。次に触媒を担持させた炭素粒子と固体電解質の微粒子を溶媒に分散させ、ペースト状としたのち、撥水化処理を行った基体１０４または基体１１０に塗布する。基体１０４または基体１１０へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷法等の方法を用いることができる。ペーストを塗布した後、たとえば、加熱温度１００℃〜２５０℃、加熱時間３０秒間〜３０分で乾燥させることによって燃料極１０２および酸化剤極１０８が得られる。

次に、固体電解質膜１１４を、燃料極１０２および酸化剤極１０８で挟み、ホットプレスすることにより、単セル構造１０１を得る。このとき、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２が固体電解質膜１１４と接するようにする。たとえば固体電解質膜１１４や燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２中の固体電解質の微粒子を有機高分子で構成する場合、ホットプレスの条件は、これらの有機高分子の軟化温度やガラス転位温度を超える温度とすることができる。具体的には、たとえば、温度１００〜２５０℃、圧力１〜１００ｋｇ／ｃｍ^２、時間１０秒〜３００秒とする。

以上のようにして形成された単セル構造１０１を積み重ねることにより、複数の単セル構造１０１が直列に接続された燃料電池本体１００を得ることができる。

以上、本発明を実施の形態および実施例をもとに説明した。この実施の形態および実施例は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

図５は、図１に示した燃料電池システム９００の他の例を示す図である。ここで、燃料電池システム９００は、報知部９２０をさらに含む。以上の実施の形態においては、電流計９１８により測定された電流の値が閾値以上となった場合、電源制御部５４８の制御に基づき、燃料電池本体１００と短絡経路５４５との間が自動的に開放される形態を説明したが、電流計９１８により測定された電流の値が閾値以上となった場合、電源制御部５４８は、報知部９２０により燃料電池システム９００のユーザに報知することができる。報知部は、たとえば外部への信号出力を行う出力端子、監視結果を表示する表示器、監視結果を音声で出力するスピーカなどである。

また、以上の実施の形態においては、短絡経路５４５上に電流計９１８が設けられ、電源制御部５４８が電流計９１８からの信号に基づき、短絡経路５４５および電源制御部５４８のいずれに電流を流すかの切り替え制御を行うとして説明したが、短絡経路５４５上に過電流保護回路等を設け、短絡経路５４５に所定の電流値以上の電流が流れた場合、短絡経路５４５に電流が流れないような構成とすることもできる。

対応値記憶部９０１は、温度に応じて、ヒータ９１４またはヒータ９１６により燃料１２４または酸化剤１２６をそれぞれ加熱するか否かに関する情報を記憶しておくこともできる。この場合、制御部９０２は、対応値記憶部９０１に記憶された情報に基づき、ヒータ９１４およびヒータ９１６を制御して燃料１２４および酸化剤１２６を加熱してから燃料電池本体１００に供給するようにする。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 図１に示した対応値記憶部の内部構成を示す図である。 本実施の形態における燃料電池システムの処理手順を示すフローチャートである。 図１に示した燃料電池本体の構造を模式的に示した断面図である。 図１に示した燃料電池システムの他の構成を示す図である。

符号の説明

１０１ 単セル構造
１００ 燃料電池本体
１０２ 燃料極
１０４ 基体
１１０ 基体
１０６ 燃料極側触媒層
１０８ 酸化剤極
１１２ 酸化剤極側触媒層
１１４ 固体電解質膜
１２４ 燃料
１２６ 酸化剤
５３８ システム負荷
５４０ 出力端子
５４２ 入力端子
５４４ システムパワースイッチ
５４５ 短絡経路
５４６ 温度センサ
５４８ 電源制御部
９００ 燃料電池システム
９０１ 対応値記憶部
９０２ 制御部
９０６ 酸化剤極タンク
９０８ 酸化剤供給処理部
９１０ 燃料供給管
９１２ 酸化剤供給管
９１４ ヒータ
９１６ ヒータ
９１８ 電流計

Claims (21)

1. 燃料極および酸化剤極を含む燃料電池を有し、前記燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から前記負荷への出入力端子間を短絡する短絡経路と、
   前記燃料電池の温度に応じて、前記短絡経路と前記燃料電池との間を接続する接続スイッチと、
   前記短絡経路に流れる電流の値に応じて、前記短絡経路と前記燃料電池との間の接続を切断する切断スイッチと、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の温度に応じて前記短絡経路に流れる電流の閾値を設定する設定部をさらに含み、
   前記切断スイッチは、前記短絡経路に流れる電流の値が前記設定部により設定された前記閾値以上となったときに前記短絡経路と前記燃料電池との間の接続を切断することを特徴とする燃料電池システム。
3. 燃料極および酸化剤極を含む燃料電池を有し、前記燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から前記負荷への出入力端子間を短絡する短絡経路と、
   前記燃料電池の温度に応じて、前記短絡経路と前記燃料電池との間を接続する接続スイッチと、
   前記短絡経路に流れる電流の値に応じて、前記短絡経路と前記燃料電池との間の接続の切断を促す報知を行う報知部と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の温度に応じて前記短絡経路に流れる電流の閾値を設定する設定部をさらに含み、
   前記報知部は、前記短絡経路に流れる電流の値が前記設定部により設定された前記閾値以上となったときに前記短絡経路と前記燃料電池との間の接続の切断を促す報知を行うことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至４いずかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記接続スイッチは、前記燃料電池の温度が所定温度以下のときに、前記短絡経路と前記燃料電池との間を接続することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料極に燃料を供給する処理を行う燃料供給処理部と、
   前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料供給処理部を制御して、前記燃料極に供給する燃料の濃度を調整する制御部と、
   をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記燃料電池の温度が所定温度以下のときに、前記燃料電池の温度に応じて前記燃料極に供給する燃料の濃度を設定し、前記燃料電池の温度が所定温度を超えたときに、前記燃料極に供給する燃料を所定濃度とすることを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項６または７に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、燃料電池の温度に応じて、前記燃料供給処理部を制御して、前記燃料極に供給する燃料の量をさらに調整することを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項６乃至８いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記酸化剤極に酸化剤を供給する処理を行う酸化剤供給処理部をさらに備え、
   前記制御部は、燃料電池の温度に応じて、前記酸化剤供給処理部を制御して、前記酸化剤極に供給する酸化剤の量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項１乃至９いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料極に供給する燃料または前記酸化剤極に供給する酸化剤の少なくとも一方を加熱するヒータをさらに含むことを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項１乃至１０いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料極に供給する燃料が液体燃料であることを特徴とする燃料電池システム。
12. 燃料極および酸化剤極を含む燃料電池を有し、前記燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池システムの使用方法であって、
    前記燃料電池の温度が所定温度以下のときに、前記負荷への出入力端子間を短絡するステップと、
    前記出入力端子間を短絡した後、短絡された前記出入力端子間に流れる電流の値を監視するステップと、
    前記電流の値に応じて、前記出入力端子間を開放するステップと、
    を含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
13. 請求項１２に記載の燃料電池システムの使用方法において、
    前記燃料電池の温度に応じて前記出入力端子間に流れる電流の閾値を設定するステップをさらに含み、
    前記出入力端子間を開放するステップにおいて、前記出入力端子間に流れる電流の値が前記閾値以上となったときに、前記出入力間を解放することを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
14. 燃料極および酸化剤極を含む燃料電池を有し、前記燃料電池に接続された負荷に電力を供給する燃料電池システムの使用方法であって、
    前記燃料電池の温度が所定温度以下のときに、前記負荷への出入力端子間を短絡するステップと、
    前記出入力端子間を短絡した後、短絡された前記出入力端子間に流れる電流の値を監視するステップと、
    前記電流の値に応じて、前記出入力端子間の解放を促す報知を行うステップと、
    を含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
15. 請求項１４に記載の燃料電池システムの使用方法において、
    前記報知を行うステップにおける報知に基づき、前記出入力端子間を開放するステップをさらに含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
16. 請求項１４または１５いずれかに記載の燃料電池システムの使用方法において、
    前記燃料電池の温度に応じて前記出入力端子間に流れる電流の閾値を設定するステップをさらに含み、
    前記報知を行うステップにおいて、前記出入力端子間に流れる電流の値が前記閾値以上となったときに、前記出入力間の解放を促す報知を行うことを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
17. 請求項１２乃至１６いずれかに記載の燃料電池システムの使用方法において、
    前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料極に供給する燃料の濃度を設定するステップと、
    前記濃度を設定するステップで設定された濃度の燃料を前記燃料極に供給するステップと、
    をさらに含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
18. 請求項１７に記載の燃料電池システムの使用方法において、
    前記燃料を前記燃料極に供給するステップは、
    前記燃料電池の温度が所定温度以下のときに、前記濃度を設定するステップで設定された濃度の燃料を前記燃料極に供給するステップと、
    前記燃料電池の温度が所定温度を超えたときに、所定濃度の燃料を前記燃料極に供給するステップと、
    を含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
19. 請求項１７または１８に記載の燃料電池システムの使用方法において、
    前記燃料電池の温度に応じて、前記燃料極に供給する燃料の量を設定するステップをさらに含み、
    前記燃料を前記燃料極に供給するステップにおいて、前記燃料の量を調整するステップで設定された量の燃料を前記燃料極に供給することを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
20. 請求項１７乃至１９いずれかに記載の燃料電池システムの使用方法において、
    前記燃料電池の温度に応じて、前記酸化剤極に供給する酸化剤の量を設定するステップと、
    前記酸化剤の量を設定するステップで設定された量の酸化剤を前記酸化剤極に供給するステップと、
    をさらに含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法。
21. 請求項１２乃至２０いずれかに記載の燃料電池システムの使用方法において、
    前記燃料極に供給する燃料または前記酸化剤極に供給する酸化剤の少なくとも一方を加熱するステップをさらに含むことを特徴とする燃料電池システムの使用方法。

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