JP2008243787A - 燃料電池システム及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料の有効な利用を可能にした燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供する。
【解決手段】 液体燃料により電力を発電する燃料電池本体１の燃料電池発電部１０１の状態情報として発熱温度を検出し、この発熱温度が予め設定されたポンプ停止設定値Ｔ３を超えたとき、電池発電部１０１へ燃料を供給するポンプ１０４の動作を停止して電池発電部１０１の発電を止めるとともに、オフタイマー７０５を動作し、発熱温度が予め設定されたポンプ動作設定値より下がったときオフタイマー７０５のタイムアウトを待ってポンプ１０４を再動作させ電池発電部１０１の発電を再開させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びこの燃料電池システムの制御方法に関する。

携帯電話機や携帯情報端末などの電子機器の小型化は目覚しいものがあり、これら電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は、燃料と空気を供給するのみで、発電することができ、燃料のみを交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型化が実現できれば、小型の電子機器の電源として極めて有効である。

そこで、最近、燃料電池として、直接メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ；Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌと称する。）が注目されている。かかるＤＭＦＣは、液体燃料の供給方式によって分類され、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式のものと、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式のものがあり、これらのうち、パッシブ方式のものはＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。

従来、このようなパッシブ方式のＤＭＦＣとして、特許文献１に開示されるように、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造のものが考えられている。

また、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続する構成のものも特許文献２〜４に開示されている。これら特許文献２〜４は、燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整可能としたもので、特に、特許文献３では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給している。また、ポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることも記載されている。さらに特許文献４には電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給することが記載されている。
国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット 特表２００５−５１８６４６号公報 特開２００６−０８５９５２号公報 米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報 特開２００６−２８６３２１号公報

ところで、従来、ＤＭＦＣへの燃料供給は、ポンプを連続動作させて、液体収容部から連続して液体燃料を供給するようにしている。しかし、この方法では、ＤＭＦＣの発電状態に関係なく液体燃料が連続供給されるため、燃料過剰の状態でＤＭＦＣが動作し、無駄に燃料が消費され、経済的にも不利になるという問題があった。

また、ＤＭＦＣは、液体燃料が燃料極全面に行き渡り発電動作が立ち上がるまでに時間がかかることがあり、このような場合も液体燃料が連続して供給されるとＤＭＦＣの発電動作の立ち上がりとともに、ＤＭＦＣ出力が急激に増加し、大量の発熱による温度上昇によりＤＭＦＣ自身を破損する虞もあった。

従来、特許文献５に開示されるように燃料電池出力および温度に応じて燃料ポンプを作動させるものが考えられているが、かかる特許文献５は、燃料電池出力および温度から混合タンク中のアルコール濃度を制御するものであり、液体燃料の効率的な利用などついての開示はなされていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料の有効利用を可能にした燃料電池システム及び制御方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、液体燃料により電力を発電する燃料電池本体と、前記燃料電池本体の状態情報を検出する状態情報検出手段と、前記燃料電池本体の状態情報に対し前記燃料電池本体の動作設定値及び停止設定値を設定する設定手段、前記燃料電池本体の動作時間を設定するオンタイマー、前記燃料電池本体の停止時間を設定するオフタイマーを有する制御手段とを具備し、前記燃料電池本体は、前記オンタイマーの設定された動作時間内の動作、及び前記オフタイマーの設定された停止時間内の停止により制御されるものであり、前記燃料電池本体の前記状態情報が前記停止設定値を超えたとき、前記オンタイマーのタイムアウト前に前記燃料電池本体の動作を停止するとともに、前記オフタイマーの動作を停止し、前記状態情報が前記動作設定値より下がったとき、前記燃料電池本体を動作開始するとともに、前記停止設定値を超えるまでは前記オンタイマーの動作時間による制御および前記オフタイマーの停止時間による制御を行うことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載において、前記制御手段は、前記燃料電池本体の前記状態情報が前記停止設定値を超えることなく前記オンタイマーがタイムアウトになったとき前記燃料電池本体を停止させるとともに前記オフタイマーを動作し、前記燃料電池本体の前記状態情報が前記停止設定値を超えることなく前記オフタイマーがタイムアウトになったとき前記燃料電池本体を再動作させることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１または２のいずれかに記載において、前記制御手段は、前記燃料電池本体の状態情報に対する異常設定値を設定する設定手段を有し、前記前記燃料電池本体の前記状態情報が前記異常設定値を超えたとき前記燃料電池本体の動作を強制停止させることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１記載において、前記オンタイマーにより設定される前記燃料電池本体の動作時間を前記オフタイマーにより設定される前記燃料電池本体の停止時間より短く設定したことを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項１記載において、前記制御手段は、さらに出力状態判定手段を有し、前記燃料電池本体の前記状態情報が前記停止設定値を超えることなく前記オンタイマーがタイムアウトになると、前記燃料電池本体を停止させるとともに、前記出力状態判定手段により前記燃料電池本体の出力低下が所定時間内に予め設定された変化量以上であると判定されると前記燃料電池本体を動作させることを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載において、前記燃料電池本体は、起電部を構成する燃料電池発電部、液体燃料を収容する燃料収容部及び前記燃料収容部から前記燃料電池発電部への液体燃料の供給を制御する燃料移送制御手段を有し、前記燃料電池本体の動作及び停止は、前記燃料移送制御手段に対する動作及び停止であることを特徴としている。

請求項７記載の発明は、請求項６記載において、前記状態情報検出手段により検出される前記燃料電池本体の状態情報は、前記燃料電池発電部の発熱温度、前記燃料電池発電部の出力電流、前記燃料電池発電部の発熱温度と前記燃料電池本体の外側温度との差温度の少なくとも１つであることを特徴としている。

請求項８記載の発明は、液体燃料により電力を発電する燃料電池本体を有する燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池本体の動作時間を設定するオンタイマー、及び前記燃料電池本体の停止時間を設定するオフタイマーを具備し、前記燃料電池本体の状態情報を検出し、この検出された状態情報に対して設定される前記燃料電池本体の動作設定値及び停止設定値に対し、前記燃料電池本体の前記状態情報が前記停止設定値を超えたとき、前記オンタイマーのタイムアウト前に前記燃料電池本体の動作を停止させるとともに、前記オフタイマーの動作を停止し、前記状態情報が前記動作設定値より下がったとき前記燃料電池本体を動作開始するとともに、前記停止設定値を超えるまでは前記オンタイマーの動作時間による制御および前記オフタイマーの停止時間による制御を行うことを特徴としている。

本発明によれば、燃料の有効利用を可能にした燃料電池システム及び制御方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示している。

図１において、１は燃料電池本体（ＤＭＦＣ）で、この燃料電池本体１は、起電部を構成する燃料電池発電部（セル）１０１、液体燃料を収容する燃料収容部１０２、燃料収容部１０２と燃料電池発電部（セル）１０１を接続する流路１０３及び燃料収容部１０２から燃料電池発電部（セル）１０１に液体燃料を移送するための燃料供給制御手段としてのポンプ１０４を有している。

図２は、このような燃料電池本体１をさらに詳細に説明するための断面図である。

この場合、燃料電池発電部１０１は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を有している。

ここで、アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。

電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７はこれらに限られるものではない。

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばＡｕのような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等が用いられる。電解質膜１７と後述する燃料分配機構１０５およびカバープレート１８との間には、それぞれゴム製のＯリング１９が介在されており、これらによって燃料電池発電部１０１からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

カバープレート１８は酸化剤である空気を取入れるための不図示の開口を有している。カバープレート１８とカソード１６との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。

燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３側には、燃料分配機構１０５が配置されている。燃料分配機構１０５には配管のような液体燃料の流路１０３を介して燃料収容部１０２が接続されている。

燃料収容部１０２には、燃料電池発電部１０１に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部１０２には燃料電池発電部１０１に応じた液体燃料が収容される。

燃料分配機構１０５には燃料収容部１０２から流路１０３を介して液体燃料が導入される。流路１０３は燃料分配機構１０５や燃料収容部１０２と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構１０５は流路１０３を介して燃料収容部１０２と接続されていればよい。

ここで、燃料分配機構１０５は図３に示すように、液体燃料が流路１０３を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口２１と、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口２２とを有する燃料分配板２３を備えている。燃料分配板２３の内部には図２に示すように、燃料注入口２１から導かれた液体燃料の通路となる空隙部２４が設けられている。複数の燃料排出口２２は燃料通路として機能する空隙部２４にそれぞれ直接接続されている。

燃料注入口２１から燃料分配機構１０５に導入された液体燃料は空隙部２４に入り、この燃料通路として機能する空隙部２４を介して複数の燃料排出口２２にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口２２には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３には液体燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構１０５とアノード１３との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口２２からアノード１３の複数個所に向けて排出される。

燃料排出口２２は燃料電池発電部１０１の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板２３のアノード１３と接する面に複数設けられている。燃料排出口２２の個数は２個以上であればよいが、燃料電池発電部１０１の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ²の燃料排出口２２が存在するように形成することが好ましい。

燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２の間を接続する流路１０３には、ポンプ１０４が挿入されている。このポンプ１０４は燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部１０２から燃料分配機構１０５に液体燃料を移送する燃料供給ポンプである。このようなポンプ１０４で必要時に液体燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めるものである。この場合、ポンプ１０４としては、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。

また、ポンプ１０４には、後述する燃料供給制御回路５が接続され、ポンプ１０４の動作、停止が制御される。この点については後述する。

このような構成において、燃料収容部１０２に収容された液体燃料は、ポンプ１０４により流路１０３を移送され、燃料分配機構１０５に供給される。そして、燃料分配機構１０５から放出された燃料は、燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３に供給される。燃料電池発電部１０１内において、燃料はアノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …(1)
この反応で生成した電子（ｅ^-）は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる出力として負荷側に供給された後、カソード（空気極）１６に導かれる。また、(1)式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成される。

６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …(2)
図１に戻って、このように構成された燃料電池本体１は、燃料電池発電部（セル）１０１に状態情報検出手段としての温度センサ１０６が設けられている。この温度センサ１０６は、燃料電池発電部（セル）１０１の状態情報として発熱温度Ｔを検出するもので、例えば、サーミスタや熱電対からなり、図２に示す燃料電池発電部（セル）１０１のカソード(空気極)１６に配置されている。また、温度センサ１０６は、発熱温度Ｔに対応する検出信号を制御部７に出力する。制御部７については、後述する。

燃料電池本体１には、出力調整手段としてＤＣ−ＤＣコンバータ（電圧調整回路）２が接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ２は、不図示のスイッチング要素とエネルギー蓄積要素を有し、これらスイッチング要素とエネルギー蓄積要素により燃料電池本体１で発電された電気エネルギーを蓄積／放出させ、燃料電池本体１からの比較的低い出力電圧を十分の電圧まで昇圧して生成される出力を発生する。このＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力は、補助電源４に供給される。

なお、ここでは標準的な昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ２を示したが、昇圧動作が可能なものならば、他の回路方式のものでも実施可能である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端には、補助電源４が接続されている。この補助電源４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力により充電可能としたもので、電子機器本体３の瞬間的な負荷変動に対して電流を供給し、また、燃料枯渇状態になって前記燃料電池本体１が発電不能に陥った場合に電子機器本体３の駆動電源として用いられる。この補助電源４には、充放電可能な二次電池(例えばリチウムイオン充電池（ＬＩＢ）)や電気二重層コンデンサ）が用いられる。

補助電源４には、燃料供給制御回路５が接続されている。この燃料供給制御回路５は、補助電源４を電源としてポンプ１０４の動作を制御するもので、制御手段としての制御部７の指示に基づいてポンプ１０４をオン／オフ制御する制御信号を出力する。

燃料供給制御回路５には、制御部７が接続されている。

制御部７は、システム全体を制御するもので、ポンプ動作設定部７０１、ポンプ停止設定部７０２、異常設定部７０３、オンタイマー７０４及びオフタイマー７０５を有している。ポンプ動作設定部７０１は、ポンプ１０４の動作条件を設定するもので、ポンプ動作設定値として温度Ｔ１が設定されている。ポンプ停止設定部７０２は、ポンプ１０４の停止条件を設定するもので、ポンプ停止設定値として温度Ｔ３（＞Ｔ１）が設定されている。異常設定部７０３は、ポンプ１０４の異常を設定するもので、異常設定値として温度Ｔ２（＞Ｔ３）が設定されている。オンタイマー７０４は、ポンプ１０４の最大動作時間を設定するもので、オンタイマー時間としてｔ１が設定されている。オフタイマー７０５は、ポンプ１０４の最小停止時間を設定するもので、オフタイマー時間としてｔ２が設定されている。ここでは、オンタイマー時間ｔ１は、例えば、ｔ１≦ｔ２×０．６程度に設定されている。つまり、オンタイマー時間ｔ１に対応するポンプ１０４の動作時間（燃料が供給されている燃料電池本体１の動作時間）をオフタイマー時間ｔ２に対応するポンプ１０４の停止時間（燃料が供給されない燃料電池本体１の停止時間）より短くして、ポンプ動作時間＜ポンプ停止時間の関係に設定されている。

このような構成において、図４に示すフローチャートが実行される。

いま、補助電源４の出力が、燃料供給制御回路５に電源として供給されると、燃料供給制御回路５は、制御部７の指示によりポンプ１０４の駆動信号を出力する。これにより、ポンプ１０４が動作し(ステップ４０１)、燃料収容部１０２の液体燃料が流路１０３を介して燃料電池発電部１０１に供給され、燃料電池発電部１０１より発電出力が発生する。また、ポンプ１０４の動作とともに、オンタイマー７０４が動作する（ステップ４０２）。

この場合、燃料電池発電部１０１の発電動作とともに、燃料電池発電部１０１の発熱温度Ｔが上昇する。この発熱温度Ｔは、温度センサ１０６により検出され制御部７に送られる。発熱温度Ｔは、図５に示す実線のように時間経過とともに上昇していく(図示Ａ期間)。

制御部７は、このときの発熱温度Ｔがポンプ停止設定部７０２のポンプ停止設定値（温度Ｔ３）より大きいかを判断する(ステップ４０３)。ここで、発熱温度Ｔがポンプ停止設定値（温度Ｔ３）より小さければ、ステップ４０４に進み、オンタイマー７０４がタイムアウトかを判断し、タイムアウトになっていなければ、ステップ４０３に戻って、発熱温度Ｔがポンプ停止設定値（温度Ｔ３）より大きいかを判断し続ける。

この状態で、オンタイマー７０４がタイムアウトになる前に、発熱温度Ｔがポンプ停止設定値（温度Ｔ３）を超えると（図５の実線（ａ）参照）、ステップ４０３でＹＥＳと判断し、ステップ４０６に進み、オンタイマー７０４をリセットする。また、燃料供給制御回路５は、制御部７の指示によりポンプ１０４の駆動を停止し、電池発電部１０１への燃料供給を断って発電動作を停止させる（ステップ４０７）。制御部７は、燃料電池発電部１０１の発熱温度Ｔがポンプ動作設定部７０１のポンプ動作設定値（温度Ｔ１）より小さいかを判断する(ステップ４０９)。この場合、燃料電池発電部１０１は、ポンプ１０４の動作停止により燃料供給を止められ、発電を停止しているので、発熱温度Ｔは、図５に示す実線のように、一旦上昇するものの時間経過とともに低下していく(図示Ｂ期間)。なお、本発明でいう燃料供給を断って発電動作を停止とは、電池発電部１０１に残留する燃料による発電を除外するものではない。

ここで、発熱温度Ｔがポンプ動作設定部７０１のポンプ動作設定値（温度Ｔ１）より大きければ、ステップ４１２に進む（このステップについては後述する。）。

この状態で、発熱温度Ｔがポンプ動作設定値（温度Ｔ１）より下がると（図５の実線（ｂ）参照）、ステップ４０９でＹＥＳと判断し、ステップ４０１に戻って、ポンプ１０４を動作し、電池発電部１０１へ燃料を供給し、発電動作を再開させる。以下、ステップ４０２以降の動作を繰り返す。この場合、燃料電池発電部１０１での発熱温度Ｔは、ポンプ１０４が動作し、燃料電池発電部１０１が発電を開始しても所定時間遅れて（図５の実線（ｃ）参照）上昇を始める。

一方、発熱温度Ｔがポンプ停止設定値（温度Ｔ３）より小さい状態、つまり、発熱温度Ｔがポンプ停止設定値（温度Ｔ３）を超えることなく、この状況が続くと（図５の実線（ｄ）参照）、ステップ４０４で、オンタイマー７０４がタイムアウトとなり、ポンプ１０４を停止した後、ステップ４１１に進む。このステップ４１１では、オフタイマー７０５を動作し、その後、ステップ４１０で、オフタイマー７０５のタイムアウトを判断すると、ステップ４０１に戻って、ポンプ１０４を動作し、電池発電部１０１へ燃料を供給し、発電動作を再開させる。そして、再度、ステップ４０２以降の動作を実行する。また、オフタイマー７０５がタイムアウトになっていなければ、タイムアウトまで判断を継続する。

また、発熱温度Ｔがさらに上昇（図５の実線（ｅ）参照）し、異常設定部７０３の異常設定値（温度Ｔ２）に達すると（図５の実線（ｆ）参照）、ステップ４１２で、ＹＥＳと判断し、異常検出を行う（ステップ４１５）。この場合は、燃料電池本体１全体の動作を強制的に停止し、その後の手動操作等による復旧をまって動作を再開可能にする。また、制御部７は、異常検出信号を発生し、この異常検出信号を電子機器本体３に出力する。電子機器本体３は、報知手段としての表示部３１及び記憶部３２が設けられている。表示部３１は、制御部７の異常検出信号により燃料電池本体（ＤＭＦＣ）１又は補助電源４が異常であることを表示するもので、例えばＬＥＤが用いられる。勿論、報知手段としてブザーなど音を発生する手段を用いることもできる。記憶部３２は、制御部７の異常検出信号を記憶する。この場合、記憶部３２に記憶される情報は、燃料電池本体１の状態の解析などに用いられる。

なお、このステップ４１２において燃料電池本体１全体の動作を強制的に停止した場合においても、ＤＣ／ＤＣコンバータ２への燃料電池本体１からの出力は継続的に行う構成とすることが好ましい。

したがって、このようにすれば、液体燃料により電力を発電する燃料電池本体１の燃料電池発電部１０１の状態情報として発熱温度を検出し、この発熱温度が予め設定されたポンプ停止設定値Ｔ３を超えたとき、電池発電部１０１へ燃料を供給するポンプ１０４の動作を停止して電池発電部１０１の発電を止めるとともに、発熱温度が予め設定されたポンプ動作設定値より下がったときポンプ１０４を再動作させ電池発電部１０１の発電を再開させるようにした。これにより、従来の発電状態に関係なく液体燃料を連続して供給している方法と比べ、液体燃料の供給量を節約でき、無駄に燃料が消費されるのを防止することができ、燃料の有効な利用が実現できる。

また、ポンプ１０４の動作に応動するオンタイマーを設け、燃料電池発電部１０１の発熱温度が停止設定値を超えることなくオンタイマーがタイムアウトになったときオフタイマーを動作し、該オフタイマーのタイムアウトを待ってポンプ１０４を再動作させ電池発電部１０１の発電を再開させるようにした。これにより、液体燃料が電池発電部１０１の燃料極全面に行き渡り発電動作が立ち上がるまでに時間がかかるようなことがあっても、液体燃料の供給を最小限にできるので、電池発電部１０１の発電動作が立ち上がっても、電池発電部１０１の出力が急激に増加するようなことを防止でき、大量の発熱による温度上昇を抑制することができる。

さらに、燃料電池発電部１０１の発熱温度がポンプ動作設定値より下がるのを待ってポンプ１０４を再動作させ電池発電部１０１の発電を再開させるようにしたので、燃料電池発電部１０１の発熱温度が高い状態のまま液体燃料の供給を続け、さらに発熱温度を上昇させてしまうことを防止でき、電池発電部１０１への悪影響を回避できる。

さらに、燃料電池発電部１０１の発熱温度が異常設定値を超えたときポンプ１０４の動作を止めて燃料電池発電部１０１の発電動作を強制停止させるようにしたので、燃料電池発電部１０１の異常発熱による破損を防止することもできる。

さらに、ポンプ１０４の動作時間（燃料が供給されている燃料電池本体１の動作時間）をポンプ１０４の停止時間（燃料が供給されない燃料電池本体１の停止時間）より短くして、ポンプ動作時間＜ポンプ停止時間の関係に設定している。このようにすると、通常燃料電池発電部１０１での発電に必要とする燃料の量は決まっているので、ポンプ動作時間を短くした分、燃料流量を大きくすることとなり、単位時間に供給される燃料が増える。これにより、一時的に燃料電池発電部１０１でのクロスオーバ（燃料がアノード側からカソード側に流れる状態）が大きくなる時間が生じ、その効果として燃料電池発電部１０１での発熱をあるレベルに保つことができ、電池発電部１０１の出力レベルを常に高めに維持することが可能になる。

（変形例１）
例えば、上述した実施の形態では、状態情報検出手段として燃料電池本体１の燃料電池発電部（セル）１０１に設けられた温度センサ１０６より検出される燃料電池発電部（セル）１０１の発熱温度に対して、ポンプ動作設定部７０１、ポンプ停止設定部７０２、異常設定部７０３のそれぞれに温度値を設定した例を述べたが、図１に示すように状態情報検出手段として燃料電池発電部（セル）１０１の出力電流を検出する電流検出部８を設け、この電流検出部８で検出される状態情報としての出力電流に対してポンプ動作設定部７０１、ポンプ停止設定部７０２、異常設定部７０３それぞれに電流値を設定するようにしてもよい。この場合、ポンプ動作設定値として電流値Ｉ１、ポンプ停止設定値として電流値Ｉ３（＞Ｉ１）、異常設定値として電流値Ｉ２（＞Ｉ３）が設定される。

このようにしても、燃料電池発電部（セル）１０１の出力電流は、ポンプ動作設定部７０１、ポンプ停止設定部７０２、異常設定部７０３のそれぞれの設定値に対して図５の実線に示すような関係が得られ、第１の実施の形態と同様な作用及び効果を期待することができる。

（変形例２）
また、状態情報検出手段として図１に示すように燃料電池本体１の燃料電池発電部（セル）１０１に設けられた温度センサ１０６の他に、燃料電池本体１の外側の温度を検出する温度センサ９を設け、これら温度センサ１０６と９で検出される温度の差、つまり温度差を状態情報とし、この温度差に対してポンプ停止設定部７０２、異常設定部７０３のそれぞれに温度値を設定するようにしてもよい。この場合、ポンプ動作設定値として差温度ΔＴ１、ポンプ停止設定値として差温度ΔＴ３（＞ΔＴ１）、異常設定値として差温度ΔＴ２（＞ΔＴ３）が設定される。

このようにしても、温度センサ１０６と９の温度差は、ポンプ動作設定部７０１、ポンプ停止設定部７０２、異常設定部７０３のそれぞれの設定値に対して図５の破線に示すような関係が得られ、第１の実施の形態で述べたと同様な作用及び効果を期待することができる。

（第２の実施の形態）
この第２の実施では、図１に示す制御部７に、さらに出力状態判定手段としての出力状態判定部７０６が設けられている。この出力状態判定部７０６は、ポンプ１０４が停止状態（燃料供給停止）で、燃料電池発電部（セル）１０１の出力、例えば燃料電池発電部（セル）１０１の出力電流を検出する電流検出部８の検出信号の変化を監視し、所定時間内に検出信号の変化が下げ方向に予め設定された変化量以上のとき燃料電池発電部（セル）１０１の出力低下を判定する。

このような構成において、図６に示すフローチャートが実行される。図６は、図４に示すフローチャートと同一部分には同符号を付している。

この場合、発熱温度Ｔがポンプ停止設定値（温度Ｔ３）より小さい状態、つまり、発熱温度Ｔがポンプ停止設定値（温度Ｔ３）を超えることなく、この状況が続くと（図５の実線（ｄ）参照）、ステップ４０４で、オンタイマー７０４がタイムアウトとなり、ポンプ１０４を停止した後、ステップ４０５に進む。ステップ４０５では、出力状態判定部７０６により燃料電池発電部（セル）１０１の出力低下を判定する。この場合、ポンプ１０４が停止した状態（燃料供給停止）で出力状態判定部７０６により電流検出部８の検出信号の変化が監視され、所定時間内に検出信号の変化が下げ方向に予め設定された変化量以上ならば、燃料電池発電部（セル）１０１の出力低下（ＹＥＳ）が判定される。すると、直ちにステップ４０１に戻って、ポンプ１０４を動作し、電池発電部１０１へ燃料を供給し、発電動作を再開させる。

一方、ポンプ１０４が停止の状態で電流検出部８の検出信号の下げ方向の変化が所定時間内に予め設定された変化量以下の場合は、出力状態判定部７０６が出力低下でない（ＮＯ）と判定し、ステップ４１１に進む。このステップ４１１では、オフタイマー７０５を動作し、その後、ステップ４１０で、オフタイマー７０５のタイムアウトを判断すると、ステップ４０１に戻って、ポンプ１０４を動作し、電池発電部１０１へ燃料を供給し、発電動作を再開させる。

その他は、図４と同様であり、ここでの説明は省略する。

このようにすれば、電池発電部１０１の発熱温度Ｔがポンプ停止設定値（温度Ｔ３）を超えることなくオンタイマー７０４がタイムアウトになった場合、ポンプ１０４が停止（燃料供給停止）の状態で、出力状態判定部７０６により燃料電池発電部（セル）１０１の出力低下が判定されると、ポンプ１０４を動作し燃料を供給し、電池発電部１０１の発電動作を直ちに再開させるようにしたので、例えば、電池発電部１０１の始動の際に、電池発電部１０１の発電量が十分でなく、発熱温度の上昇が十分でないような場合、ポンプ１０４の停止時間を短くして多めに燃料を電池発電部１０１に供給するようにできるので、電池発電部１０１が定常的な出力を発生するまでの立ち上がり時間を短縮することができる。また、低温の環境で燃料電池を使用し、電池発電部１０１での発熱温度の上昇が十分でないような場合も、ポンプ１０４の停止時間を短くして、多めに燃料を電池発電部１０１に供給するようにできるので、電池発電部１０１での発熱を維持することができ、低温環境でも安定した発電出力を発生させることができる。 など、さらにきめ細かな制御を実現できる。

なお、このような第２の実施の形態では、燃料電池発電部（セル）１０１の出力として、燃料電池発電部（セル）１０１の出力電流を検出する電流検出部８の検出信号を用いたが、例えば、燃料電池発電部（セル）１０１の出力電圧を検出する電圧検出部を設けるなど、他の出力検出手段を用いることができる。また、上述の第２の実施の形態の考え方は、上述した変形例１、変形例２にも適用できる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。

例えば、上述の実施の形態では、状態情報として燃料電池発電部（セル）１０１の発熱温度、出力電流及び温度差を個々に使用する例を述べたが、これら発熱温度、出力電流、温度差のうち２つを組合せた状態情報、又は発熱温度、出力電流、温度差の全部を用いた状態情報を適用することもできる。

また、上述した実施の形態では、燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２の間を接続する流路１０３に燃料移送制御手段としてのポンプ１０４を配置した例を述べたが、さらにポンプ１０４と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。この燃料遮断バルブは、長期保管時等におけるポンプ１０４からの液体燃料の蒸発を防止するために設けられるものであるが、ポンプ１０４の制御を停止する代わりに、燃料遮断バルブを強制的に遮断し燃料電池本体１への液体燃料の供給を強制的に停止させる燃料供給制御手段の機能を持たせるようにしてもよい。

また、燃料分配機構１０５から燃料電池発電部１０１への燃料供給が行われる構成であればポンプ１０４に代えて燃料遮断バルブのみを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

燃料電池発電部１０１へ供給される液体燃料においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる

本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示す図。 第１の実施の形態の燃料電池本体を詳細に説明するための断面図。 第１の実施の形態の燃料電池本体に用いられる燃料分配機構の斜視図。 第１の実施の形態の動作を説明するためのフローチャート。 第１の実施の形態の動作を説明するためのタイムチャート。 本発明の第２の実施の形態の動作を説明するためのフローチャート。

符号の説明

１…燃料電池本体、１０１…燃料電池発電部
１０２…燃料収容部、１０３…流路
１０４…ポンプ、１０５…燃料分配機構
１０６…温度センサ
２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３…電子機器本体
３１…表示部、３２…記憶部、
４…補助電源、５…燃料供給制御回路
６…充電量検出部、７…制御部、７０１…ポンプ動作設定部、
７０２…ポンプ停止設定部、７０３…異常設定部
７０４…オンタイマー、７０５…オフタイマー
７０６…出力状態判定部、８…電流検出部、９…温度センサ
１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層
１３…アノード、１４…カソード触媒層
１５…カソードガス拡散層、１６…カソード
１７…電解質膜、１８…カバープレート
１９…Ｏリング、２１…燃料注入口
２２…燃料排出口、２３…燃料分配板
２４…空隙部

Claims (8)

1. 液体燃料により電力を発電する燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体の状態情報を検出する状態情報検出手段と、
   前記燃料電池本体の状態情報に対し前記燃料電池本体の動作設定値及び停止設定値を設定する設定手段、前記燃料電池本体の動作時間を設定するオンタイマー、及び前記燃料電池本体の停止時間を設定するオフタイマーを有する制御手段と を具備し、
   前記燃料電池本体は、前記オンタイマーの設定された動作時間内の動作、及び前記オフタイマーの設定された停止時間内の停止により制御されるものであり、
   前記燃料電池本体の前記状態情報が前記停止設定値を超えたとき、前記オンタイマーのタイムアウト前に前記燃料電池本体の動作を停止するとともに、前記オフタイマーの動作を停止し、
   前記状態情報が前記動作設定値より下がったとき、前記燃料電池本体を動作開始するとともに、前記停止設定値を超えるまでは前記オンタイマーの動作時間による制御および前記オフタイマーの停止時間による制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記燃料電池本体の前記状態情報が前記停止設定値を超えることなく前記オンタイマーがタイムアウトになったとき前記燃料電池本体を停止させるとともに前記オフタイマーを動作し、前記燃料電池本体の前記状態情報が前記停止設定値より超えることなく前記オフタイマーがタイムアウトになったとき前記燃料電池本体を動作させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、燃料電池本体の状態情報に対する異常設定値を設定する設定手段を有し、前記前記燃料電池本体の前記状態情報が前記異常設定値を超えたとき前記燃料電池本体の動作を強制停止させることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池システム。
4. 前記オンタイマーにより設定される前記燃料電池本体の動作時間を前記オフタイマーにより設定される前記燃料電池本体の停止時間より短く設定したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、さらに出力状態判定手段を有し、前記燃料電池本体の前記状態情報が前記停止設定値を超えることなく前記オンタイマーがタイムアウトになると、前記燃料電池本体を停止させるとともに、前記出力状態判定手段により前記燃料電池本体の出力低下が所定時間内に予め設定された変化量以上であると判定されると前記燃料電池本体を動作させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池本体は、起電部を構成する燃料電池発電部、液体燃料を収容する燃料収容部及び前記燃料収容部から前記燃料電池発電部への液体燃料の供給を制御する燃料移送制御手段を有し、
   前記燃料電池本体の動作及び停止は、前記燃料移送制御手段に対する動作及び停止であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記状態情報検出手段により検出される前記燃料電池本体の状態情報は、前記燃料電池発電部の発熱温度、前記燃料電池発電部の出力電流、前記燃料電池発電部の発熱温度と前記燃料電池本体の外側温度との差温度の少なくとも１つであることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
8. 液体燃料により電力を発電する燃料電池本体を有する燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池本体の動作時間を設定するオンタイマー、及び前記燃料電池本体の停止時間を設定するオフタイマーを具備し、
   前記燃料電池本体の状態情報を検出し、この検出された状態情報に対して設定される前記燃料電池本体の動作設定値及び停止設定値に対し、前記燃料電池本体の前記状態情報が前記停止設定値を超えたとき、前記オンタイマーのタイムアウト前に前記燃料電池本体の動作を停止させるとともに、前記オフタイマーの動作を停止し、前記状態情報が前記動作設定値より下がったとき前記燃料電池本体を動作開始するとともに、前記停止設定値を超えるまでは前記オンタイマーの動作時間による制御および前記オフタイマーの停止時間による制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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