JP2008300140A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の単位セル（単位発電部）を有する燃料電池システムにおいて、システム全体の長寿命化を実現することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】複数の単位セル１４１〜１４３の起電圧Ｖ１〜Ｖ３の大きさに応じて、制御部１７１〜１７３が、単位セル１４１〜１４３と負荷２（ＤＣ／ＤＣコンバータ１９）との間の接続を切り替え制御する。これにより、複数の単位セル１４１〜１４３のうちの一部の単位セル（例えば、単位セル１４２）における起電圧が所定の閾値電圧Ｖth1よりも低下した場合であっても、単位セル１４１〜１４３と負荷２（ＤＣ／ＤＣコンバータ１９）との間の接続が適切なものに設定され得る。よって、そのような場合であっても、燃料電池システム１全体として正常な発電が継続されるようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素と酸素との反応により発電を行う燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池は、発電効率が高く、有害物質を排出しないため、産業用や家庭用の発電装置として、あるいは人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきた。また、近年では、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源としての開発が進んでいる。このような燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型および直接型メタノールなどの種類に分類される。中でも、ダイレクトメタノール固体高分子電解質型燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）は、燃料水素源としてメタノールを用いることによって高エネルギー密度化することができ、また改質器が不要であり小型化が可能であることから、小型携帯用燃料電池向けに研究が進められている。

ＤＭＦＣでは、固体高分子電解質膜を２枚の電極で挟み、一体化させて接合したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜電極接合体）が使用される。そしてガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とすると共に、その表面に燃料としてのメタノールを供給すると、メタノールが水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とすると共に、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と上記水素イオンおよび電子とが結合し、水が生成される。このような電気化学反応により、ＤＭＦＣから起電力が生じるようになっている。

ＭＥＡはまた、その外側に、燃料としてのメタノールや酸素の供給通路を形成するセパレータを配した積層構造を有する。このセパレータは、積層方向に隣り合うＭＥＡへのメタノールの透過を防止すると共に、発生した電流を外部へ取り出すための集電を行うようになっている。このようなセパレータとＭＥＡとからなる単位セルを多数積層することにより、燃料電池スタックが構成される。

ここで、携帯向けのＤＭＦＣでは、小型積層化のために平面スタック構造を取るようにしたものが特許文献１等により提案されている。また、特許文献２には、小型化を目的として、１つの燃料タンクから複数の単位セルにそれぞれ分岐して燃料供給を行うようにしたものが提案されている。

特公平８−２８２３４号公報 特開２００６−１６４８７２号公報

ところで、上記したような従来の燃料電池では、各単位セルで発生した熱に対する放熱（冷却）機能の不均一性や、クロスオーバー現象の発生により、複数の単位セルのうちの一部の性能が特に劣化し、全体的な発電効率が低下してしまうことがある。そしてそのような場合、従来の燃料電池では、各単位セルが直列にスタックされているために単位セルごとの制御ができないことから、一部の単位セルのみが損傷した場合であってもスタックしたすべての燃料電池を破棄しなければならず、燃料電池システム全体の寿命が大幅に低下してしまうという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の単位セル（単位発電部）を有する燃料電池システムにおいて、システム全体の長寿命化を実現することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、負荷を駆動するための電力を供給するものであって、複数の単位発電部と、これら単位発電部と負荷との間の接続を切り替え可能な切替手段と、単位発電部の起電力の大きさに応じて、切替手段の切替動作を制御する制御手段とを備えたものである。

本発明の燃料電池システムでは、複数の単位発電部の起電力の大きさに応じて、これらの単位発電部と負荷との間の接続が切り替えられるため、例えば複数の単位発電部のうちの一部の単位発電部における起電力が低下した場合であっても、単位発電部と負荷との間の接続が適切なものに設定され得る。

本発明の燃料電池システムでは、上記制御手段が、複数の単位発電部同士が負荷に対して直列接続されると共に、起電力が所定の第１閾値電力よりも小さい単位発電部がその直列接続から切り離されるように切替手段を制御することが可能である。このように構成した場合、起電力が小さい単位発電部が選択的に直列接続から切り離されてバイパスされるため、他の単位発電部に対して悪影響を及ぼすのが回避され、これにより燃料電池システム全体としては正常な発電動作が維持される。

本発明の燃料電池システムによれば、複数の単位発電部の起電力の大きさに応じて、これらの単位発電部と負荷との間の接続を切り替えるようにしたので、例えば複数の単位発電部のうちの一部の単位発電部における起電力が低下した場合であっても、単位発電部と負荷との間の接続を適切なものに設定することができる。よって、そのような場合であっても、燃料電池システム全体として正常に発電を継続することができ、システム全体の長寿命化を実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システム（燃料電池システム１）の全体構成を表すものである。この燃料電池システム１は、負荷２を駆動するための電力を供給するためのものであり、燃料タンク１０と、燃料供給ポンプ１１Ａ，１１Ｂと、エアポンプ（冷却手段）１３と、３つの単位セル（単位発電部）１４１，１４２，１４３と、電圧検出部（検出手段）１６１，１６２，１６３と、制御部１７１，１７２，１７３と、切替部１８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ（電力保持部）１９とを含んで構成されている。

燃料タンク１０は、液体燃料（例えば、メタノールまたはメタノール水溶液）を収容するものである。この燃料タンク１０は、後述する燃料供給ポンプ１１Ａ，１１Ｂおよび流路１２を介して、単位セル１４１〜１４３と接続されようになっている。

燃料供給ポンプ１１Ａ，１１Ｂは、燃料タンク１０内の液体燃料を、流路１２を介して各単位セル１４１〜１４３へ供給するためのものであり、各単位セル１４１〜１４３に対して共通のポンプである。これら燃料供給ポンプ１１Ａ，１１Ｂはそれぞれ、例えば圧電ポンプや電磁ポンプなどにより構成されている。また、流路１２は、燃料供給ポンプ１１Ｂ、単位セル１４１、単位セル１４２および単位セル１４３の順に循環した経路により構成されている。燃料供給ポンプ１１Ａは、燃料タンク１０と循環してなる流路１２との間に配置されており、燃料タンク１０内の液体燃料を流路１２内へ供給するためのものである。一方、燃料供給ポンプ１１Ｂは、流路１２の循環経路の一部分に配置されており、燃料供給ポンプ１１Ａから供給された液体燃料が流路１２内で循環するように（例えば、図中の矢印Ｐ１で示したように）液体燃料の供給を行うものである。このような構成により、流路１２内を循環する液体燃料が、図中の矢印Ｐ２１，Ｐ２２，Ｐ２３で示したように、各単位セル１４１，１４２，１４３内（具体的には、後述するアノード電極１４１Ａ，１４２Ａ，１４３Ａ）へ供給されるようになっている。

エアポンプ１３は、空気（酸素）を、各単位セル１４１，１４２，１４３内（具体的には、後述するカソード電極１４１Ｃ，１４２Ｃ，１４３Ｃ）へ供給するためのポンプであると共に、各単位セル１４１〜１４３を放熱により冷却させる冷却機能も有している。このエアポンプ１３は、各単位セル１４１〜１４３に対して共通のポンプである。

単位セル１４１，１４２，１４３は、水素と酸素との反応により発電を行う直接メタノール型の単位発電部（ＭＥＡ）である。単位セル１４１は、電解質膜１４１Ｂを介して対向配置されたアノード電極（燃料電極、負極）１４１Ａと、カソード電極（酸素電極、正極）１４１Ｃとを有している。同様に、単位セル１４２は、電解質膜１４２Ｂを介して対向配置されたアノード電極１４２Ａと、カソード電極１４２Ｃとを有している。また、単位セル１４３は、電解質膜１４３Ｂを介して対向配置されたアノード電極１４３Ａと、カソード電極１４３Ｃとを有している。なお、電解質膜１４１Ｂ，１４２Ｂ，１４３Ｂはそれぞれ、例えばプロトン伝導体により構成されている。

電圧検出部１６１，１６２，１６３はそれぞれ、単位セル１４１〜１４３において発生した起電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を検出し、その検出値を制御部１７１〜１７３へ出力するものである。

切替部１８は、各単位セル１４１〜１４３に対応して単位セル１４１〜１４３とそれぞれ並列接続となるように配置されると共に、負荷２（ＤＣ／ＤＣコンバータ１９）に対して互いに直列接続された３つの切替スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を有している。これら切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ３はそれぞれ、単位セル１４１〜１４３の起電力Ｖ１（電圧検出部１６１〜１６３により検出された起電力Ｖ１〜Ｖ３）の大きさに応じてそのオン・オフ状態が制御される、これにより詳細は後述するが、単位セル１４１〜１４３と負荷２（ＤＣ／ＤＣコンバータ１９）との間の接続が切り替えられるようになっている。

制御部１７１，１７２，１７３はそれぞれ、電圧検出部１６１〜１６３により検出された起電圧Ｖ１〜Ｖ３の検出値の大きさに応じて、切替部１８の切替動作を制御するものである。具体的には、起電圧Ｖ１〜Ｖ３の検出値の大きさに応じて、切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のオン・オフ状態を制御するようになっている。なお、これら制御部１７１〜１７３による切替部１８の制御動作については、後ほど詳述する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１９は、切替部１８と負荷２との間に配置されており、切替部１８から供給される単位セル１４１〜１４３による合成起電圧（出力電圧）Ｖout1に基づき、一定の出力電圧Ｖout2を生成すると共に負荷２へ供給する電圧変換回路である。

次に、本実施の形態の燃料電池システム１の動作について説明する。

まず、図１を参照して、この燃料電池システム１の基本動作について説明する。

燃料電池システム１では、燃料供給ポンプ１１Ａ，１１Ｂによって、燃料タンク１０内の液体燃料が、図中の矢印Ｐ１，Ｐ２１〜Ｐ２３のように流路１２中を循環し、これにより各単位セル１４１〜１４３内のアノード電極１４１Ａ，１４２Ａ，１４３Ａへ供給される。一方、エアポンプ１３によって、空気（酸素）が各単位セル１４１〜１４３内のカソード電極１４１Ｃ，１４２Ｃ，１４３Ｃへ供給される。すると、アノード電極１４１Ａ，１４２Ａ，１４３Ａにおいて、反応により水素イオンと電子とが生成される。水素イオンは電解質膜１４１Ｂ，１４２Ｂ，１４３Ｂを通ってカソード電極１４１Ｃ，１４２Ｃ，１４３Ｃへ移動し、これにより電子および酸素と反応して水が生成されると共に、二酸化炭素が副生成される。このようにしてアノード電極１４１Ａ，１４２Ａ，１４３Ａにおいて生成された電子が負荷２等を介してカソード電極１４１Ｃ，１４２Ｃ，１４３Ｃへ達することにより、放電電流がカソード電極側からアノード極側へと流れる。

この放電電流に基づいて発生する各単位セル１４１〜１４３の起電圧Ｖ１〜Ｖ３は、切替部１８において合成され、合成起電圧Ｖout1となる。この合成起電圧Ｖout1は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９により電圧変換され、一定の出力電圧Ｖout2となる。そしてこの出力電圧Ｖout2に基づく電力が負荷２へ供給され、負荷２が駆動される。

次に、図１〜図３を参照して、本発明の特徴的部分の１つである、制御部１７１〜１７３による切替部１８の制御動作について詳細に説明する。ここで、図２は、比較例に係る従来の燃料電池システム（燃料電池システム１０１）の全体構成を表したものである。また、図３は、本実施の形態の燃料電システム１における切替部１８の制御動作を説明するためのブロック図である。

まず、図２に示した比較例に係る燃料電池システム１０１では、各単位セル１４１〜１４３の起電圧が回路部１０５において直列合成され、これにより各起電圧が合算された合成起電圧Ｖout101がＤＣ／ＤＣコンバータ１９へ供給され、この合成起電圧Ｖout101に基づいて電圧変換された出力電圧Ｖout102が負荷２へ供給されるようになっている。また、各単位セル１４１〜１４３に対する燃料供給ポンプ１１Ａ，１１Ｂ、流路１２およびエアポンプ１３はそれぞれ共通のものとなっている。ここで、例えば各単位セル１４１〜１４３の温度が単位セルによって異なる場合（例えば、中央部に配置された単位セル１４２のほうが、周辺部に配置された単位セル１４１，１４３と比べて温度が高くなる傾向にある）や、一部の単位セルにおけるメタノールクロスオーバー現象の発生により、複数の単位セル１４１〜１４３のうちの一部の性能が特に劣化し、全体的な発電効率が低下してしまうことがある。したがって、そのような場合、比較例に係る燃料電池システム１０１では、各単位セル１４１〜１４３が直列にスタックされており、上記のように直列合成された合成起電圧Ｖout1が生成されるようになっているため、一部の単位セル（例えば、単位セル１４２）のみが損傷した場合であっても、スタックしたすべての単位セル１４１〜１４３を破棄しなければならず、燃料電池システム１０１全体として寿命が低下してしまうことになる。

これに対し、図１，図３に示した本実施の形態の燃料電池システム１では、各単位セル１４１〜１４３の起電圧Ｖ１〜Ｖ３の大きさに応じて、制御部１７１〜１７３により、単位セル１４１〜１４３と負荷２（ＤＣ／ＤＣコンバータ１９）との間の接続が切り替えられる。具体的には、起電圧Ｖ１〜Ｖ３が電圧検出部１６１〜１６３によりそれぞれ検出され、その検出された起電圧Ｖ１〜Ｖ３が所定の閾値電圧Ｖth1（第１の閾値）以上である場合には、対応する単位セル用の切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ３がオフ状態となると共に、検出された起電圧Ｖ１〜Ｖ３が閾値電圧Ｖth1未満である場合には、対応する単位セル用の切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ３がオン状態となるように、制御部１７１〜１７３による切替動作の制御がなされる。したがって、例えば図３に示したように、複数の単位セル１４１〜１４３のうちの一部の単位セルである単位セル１４２の特性が特に劣化し、起電圧Ｖ２が閾値電圧Ｖth1よりも小さくなってしまった場合であっても、切替スイッチＳＷ２がオン状態となり、負荷２（ＤＣ／ＤＣコンバータ１９）に対する単位セル１４１〜１４３の直列接続から単位セル１４２が切り離されることにより、図３中の矢印Ｐ３で示したように、単位セル１４２の経路がバイパスされる。これにより、単位セル１４１〜１４３と負荷２（ＤＣ／ＤＣコンバータ１９）との間の接続が適切なものに設定され、その結果、複数の単位セル１４１〜１４３全体を破棄しなくても済むようになる。

このようにして本実施の形態の燃料電池システム１では、複数の単位セル１４１〜１４３の起電圧Ｖ１〜Ｖ３の大きさに応じて、制御部１７１〜１７３により、単位セル１４１〜１４３と負荷２（ＤＣ／ＤＣコンバータ１９）との間の接続が切り替えられるため、例えば複数の単位セル１４１〜１４３のうちの一部の単位セル（例えば、単位セル１４２）における起電圧が所定の閾値電圧Ｖth1よりも低下した場合であっても、単位セル１４１〜１４３と負荷２（ＤＣ／ＤＣコンバータ１９）との間の接続が適切なものに設定され得る。よって、そのような場合であっても、複数の単位セル１４１〜１４３全体を破棄しなくても済むようになるため、燃料電池システム全体として正常に発電を継続することができ、燃料電池システム１全体の長寿命化を実現することが可能となる。

具体的には、制御部１７１〜１７３が、複数の単位セル１４１〜１４３同士が負荷２（ＤＣ／ＤＣコンバータ１９）に対して直列接続されると共に、起電圧が閾値電圧Ｖth1よりも小さい単位セルがその直列接続から切り離されるように、切替部１８を制御するようにしたので、起電圧が小さい単位セルを選択的に直列接続から切り離してバイパスすることができ、他の単位セルに対して悪影響を及ぼすのを回避することができる。よって、燃料電池システム１全体としては正常な発電動作を維持することが可能となる。

また、各単位セル１４１〜１４３の起電圧Ｖ１〜Ｖ３をそれぞれ検出する電圧検出部１６１〜１６３を設けると共に、切替部１８が、各単位セル１４１〜１４３に対して並列接続となるように配置されると共に負荷２に対して互いに直列接続された複数の切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を有するようにし、制御部１７１〜１７３が、電圧検出部１６１〜１６３により検出された起電圧Ｖ１〜Ｖ３が閾値電圧Ｖth1以上の値である単位セルについては、その単位セルに対応する切替スイッチＳＷ１〜ＳＷがオフ状態となるように制御すると共に、検出された起電圧Ｖ１〜Ｖ３が閾値電圧Ｖth1未満の値である単位セルについては、その単位セルに対応する切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ３がオン状態となるように制御するようにしたので、実際に上記のように、起電圧が小さい単位セルを選択的に直列接続から切り離してバイパスすることが可能となる。

さらに、切替部１８と負荷２との間に、切替部１８から供給される複数の単位セル１４１〜１４３による合成起電圧Ｖout1に基づき、一定の出力電圧を出力するＤＣ／ＤＣコンバータ１９を設けるようにしたので、上記のように一部の単位セルが直列接続から切り離されて合成起電圧Ｖout1の値が低下した場合でも、一定の出力電圧Ｖout2を負荷２へ供給することが可能となる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図４は、本実施の形態に係る燃料電池システム（燃料電池システム１Ａ）の全体構成を表したものである。この燃料電池システム１Ａは、図１に示した第１の実施の形態の燃料電池システム１において、燃料供給ポンプ１１Ａ，１１Ｂ、流路１２およびエアポンプ１３を、単位セル１４１〜１４３ごとに独立して配置するようにしたものである。

具体的には、単位セル１４１に対しては、燃料供給ポンプ１１Ａ１，１１Ｂ１、流路１２１およびエアポンプ１３１が設けられ、単位セル１４２に対しては、燃料供給ポンプ１１Ａ２，１１Ｂ２、流路１２２およびエアポンプ１３２が設けられ、単位セル１４３に対しては、燃料供給ポンプ１１Ａ３，１１Ｂ３、流路１２３およびエアポンプ１３３が設けられるようになっている。

このような構成により本実施の形態の燃料電池システム１Ａでは、燃料タンク１０からの液体燃料の供給、空気（酸素）の供給および冷却（放熱）の各処理を、単位セル１４１〜１４３ごとに互いに独立して行うことができる。具体的には、複数の単位セル１４１〜１４３に対して独立した燃料供給を行うことができるため、例えばある単位セルに対して過剰な燃料供給を行ってしまった場合であっても、その単位セルに対して選択的に燃料供給を停止させるといったことができる。よって、各単位セル１４１〜１４３で発生した熱に対する放熱（冷却）機能の不均一性や、一部の単位セルにおけるメタノールクロスオーバー現象の発生を抑制し、これにより複数の単位セルのうちの一部の性能が特に劣化してしまうのを抑えることが可能となる。

なお、図４に示した燃料電池システム１Ａでは、燃料供給ポンプ１１Ａ，１１Ｂおよび流路１２と、エアポンプ１３との両方が、単位セル１４１〜１４３ごとに独立して設けられている場合について説明したが、例えば図５に示した燃料電池システム１Ｂのように、燃料供給ポンプ１１Ａ，１１Ｂおよび流路１２のみが単位セル１４１〜１４３ごとに独立して設けられているようにしてもよく、また、例えば図６に示した燃料電池システム１Ｃのように、エアポンプ１３のみが単位セル１４１〜１４３ごとに独立して設けられているようにしてもよい。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１または第２の実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

図７は、本実施の形態に係る燃料電池システム（燃料電池システム１Ｄ）の全体構成を表したものである。この燃料電池システム１Ｄは、図４に示した第２の実施の形態の燃料電池システム１Ａにおいて、制御部１７１〜１７３が、電圧検出部１６１〜１６３により検出された起電圧Ｖ１〜Ｖ３の大きさに応じて、切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ３に加えて燃料供給ポンプ１１Ａ１〜１１Ａ３の動作をも制御するようにしたものである。

次に、図７〜図１０を参照して、本実施の形態の燃料電池システム１Ｄにおける、制御部１７１〜１７３による切替部１８および燃料供給ポンプ１１Ａ１〜１１Ａ３の制御動作について詳細に説明する。ここで、図８は、本実施の形態における制御動作を流れ図で表したものであり、図９および図１０は、この制御動作を説明するためのブロック図である。

まず、電圧検出部１６１〜１６３が各単位セル１４１〜１４３による起電圧Ｖ１〜Ｖ３を検出すると（図８のステップＳ１０１）、制御部１７１〜１７３は、検出した起電圧Ｖ１〜Ｖ３がそれぞれ、所定の閾値電圧Ｖth2（≧Ｖth1、第２の閾値）以上の値であるか否かを判断する（ステップＳ１０２）。起電圧Ｖ１〜Ｖ３が閾値電圧Ｖth2以上の値であった場合（ステップＳ１０２：Ｙ）には、ステップＳ１０１へと戻り、起電圧Ｖ１〜Ｖ３が再度検出される。一方、起電圧Ｖ１〜Ｖ３が閾値電圧Ｖth2未満の値であった場合（ステップＳ１０２：Ｎ）には、次に制御部１７１〜１７３は、検出した起電圧Ｖ１〜Ｖ３が、所定の閾値電圧Ｖth1（第１の閾値）以上の値であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。

ここで、起電圧Ｖ１〜Ｖ３が閾値電圧Ｖth1以上の値であった場合（ステップＳ１０２：Ｙ）には、次に制御部１７１〜１７３は、該当する単位セルに対応する燃料供給ポンプ１１Ａ（燃料タンク１０側の燃料供給ポンプ）による液体燃料の供給動作が停止するように制御し（ステップＳ１０４）、これにより起電圧の低い単位セルに対するクリーニング処理を行う（ステップＳ１０５）。具体的には、例えば図９に示したように、単位セル１４２の起電圧Ｖ２のみが低く（Ｖth2＞Ｖ２≧Ｖth1）なった場合には、制御部１７２が燃料供給ポンプ１１Ａ２の燃料供給動作を停止させ、図中の矢印Ｐ５で示したように、水（あるいはメタノール濃度が低くなったメタノール水など）が流路１２２内を循環するようにする。これにより、単位セル１４２に対するクリーニング処理がなされ、単位セル１４２におけるメタノールクロスオーバー現象が抑えられ、性能の劣化も抑えられることとなる。また、場合によっては、低下した起電圧が回復しうることになる。

一方、起電圧Ｖ１〜Ｖ３が閾値電圧Ｖth1未満の値であった場合（ステップＳ１０２：Ｎ）には、次に制御部１７１〜１７３は、第１および第２の実施の形態において説明したのと同様に、該当する単位セルに対応する切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ３がオン状態となるように制御し（ステップＳ１０６）、これにより起電圧の低い単位セルに対する切り離し処理（バイパス処理）を行う（ステップＳ１０７）。具体的には、例えば図１０に示したように、単位セル１４２の起電圧Ｖ２のみが低く（Ｖth1＞Ｖ２）なった場合であっても、切替スイッチＳＷ２がオン状態となり、負荷２（ＤＣ／ＤＣコンバータ１９）に対する単位セル１４１〜１４３の直列接続から単位セル１４２が切り離されることにより、図１０中の矢印Ｐ３で示したように、単位セル１４２の経路がバイパスされる。これにより、単位セル１４１〜１４３と負荷２（ＤＣ／ＤＣコンバータ１９）との間の接続が適切なものに設定され、その結果、複数の単位セル１４１〜１４３全体を破棄しなくても済むようになる。

なお、ステップＳ１０５およびステップＳ１０７の処理後は、制御部１７１〜１７３は、例えばユーザからの指示による制御処理を終了するか否かを判断し（ステップＳ１０８）、制御処理をまだ終了しない場合（ステップＳ１０８：Ｎ）には、ステップＳ１０１へと戻る一方、制御処理を終了する場合（ステップＳ１０８：Ｙ）には、全体の制御処理が終了となる。

このようにして本実施の形態の燃料電池システム１Ｄでは、制御部１７１〜１７３により、電圧検出部１６１〜１６３により検出された起電圧Ｖ１〜Ｖ３が閾値電圧Ｖth1以上であると共に閾値電圧Ｖth2未満の値である単位セルについては、所定のクリーニング処理が行われるように制御すると共に、検出された起電圧Ｖ１〜Ｖ３が閾値電圧Ｖth2以上の値である単位セルについては、その単位セルに対応する切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ３がオフ状態となるように制御し、検出された起電圧Ｖ１〜Ｖ３が閾値電圧Ｖth1未満の値である単位セルについては、その単位セルに対応する切替スイッチＳＷ１〜ＳＷ３がオン状態となるように制御するようにしたので、検出された起電圧Ｖ１〜Ｖ３の大きさに応じて、２段階の制御を行うことができる。すなわち、起電圧の低下が比較的小さい場合（Ｖth2＞Ｖ１〜Ｖ３≧Ｖth1）には、まず、該当する単位セルに対してクリーニング処理を行って性能劣化の抑制や回復を試みると共に、起電圧の低下が比較的大きくなった場合（Ｖth1＞Ｖ１〜Ｖ３）に初めて、該当する単位セルに対する切り離し処理を行うといったことが可能となり、燃料電池システムに対する決め細やかな制御処理が可能となる。

また、起電圧が低下した単位セルに対して選択的にクリーニング処理を行うようにしたので、クリーニング処理が不要な（起電圧が低下していない）単位セルに対してもクリーニング処理を行う（すなわち、燃料供給を停止する）ことが回避され、全ての単位セルに対して一律にクリーニング処理を行う場合と比べ、燃料電池システム全体としての発電効率を向上させることが可能となる。

なお、本実施の形態の燃料電池システムにおいても、第２の実施の形態において説明した図５や図６と同様に、燃料供給ポンプ１１Ａ，１１Ｂおよび流路１２のみが単位セル１４１〜１４３ごとに独立して設けられているようにしてもよく、また、エアポンプ１３のみが単位セル１４１〜１４３ごとに独立して設けられているようにしてもよい。

以上、第１〜第３の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記第３の実施の形態では、燃料供給ポンプ１１Ａ，１１Ｂおよび流路１２が単位セル１４１〜１４３ごとに設けられている場合において、起電圧が低下した単位セルに対して選択的にクリーニング処理を行う場合について説明したが、燃料供給ポンプ１１Ａ，１１Ｂおよび流路１２が各単位セル１４１〜１４３に共通して設けられている場合において、一部の単位セルの起電圧が低下したとき、全ての単位セルに対してクリーニング処理を行うようにしてもよい。また、クリーニング処理の方法も上記第３の実施の形態で説明したものには限られず、他の方法によってクリーニング処理を行うようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、制御部１７１〜１７３が、電圧検出部１６１〜１６３により検出された起電圧Ｖ１〜Ｖ３の大きさに応じて制御を行う場合について説明したが、例えば電圧検出部１６１〜１６３に加え、単位セル１４１〜１４３により発生する電流を検出する電流検出部を単位セルごとに設け、単位セル１４１〜１４３による起電力の大きさに応じて制御を行うようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、単位セルの数が３つの場合について説明したが、単位セルの数はこれには限られず、複数個あればよい。

さらに、上位実施の形態では、ダイレクトメタノール型の燃料電池システムについて説明したが、本発明は、これ以外の種類の燃料電池システムについても適用することが可能である。

本発明の燃料電池システムは、例えば、携帯電話、電子写真機、電子手帳またはＰＤＡ（Personal Digital Assistants）等の携帯型の電子機器に好適に用いることが可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表すブロック図である。 比較例に係る燃料電池システムの全体構成を表すブロック図である。 第１の実施の形態の燃料電池システムにおける単位セルの切り離し処理を説明するためのブロック図である。 第２の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表すブロック図である。 第２の実施の形態の変形例に係る燃料電池システムの全体構成を表すブロック図である。 第２の実施の形態の他の変形例に係る燃料電池システムの全体構成を表すブロック図である。 第３の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表すブロック図である。 第３の実施の形態の燃料電池システムにおける制御処理を表す流れ図である。 第３の実施の形態の燃料電池システムにおける単位セルのクリーニング処理を説明するためのブロック図である。 第３の実施の形態の燃料電池システムにおける単位セルの切り離し処理を説明するためのブロック図である。

符号の説明

１，１Ａ〜１Ｄ…燃料電池システム、１０…燃料タンク、１１Ａ，１１Ａ１〜１１Ａ３，１１Ｂ，１１Ｂ１〜１１Ｂ３…燃料供給ポンプ、１２，１２１〜１２３…流路、１３，１３１〜１３３…エアポンプ（空気供給ポンプ）、１４１，１４２，１４３…単位セル、１４１Ａ，１４２Ａ，１４３Ａ…アノード極（負極、燃料極）、１４１Ｂ，１４２Ｂ，１４３Ｂ…電解質膜、１４１Ｃ，１４２Ｃ，１４３Ｃ…カソード極（正極、酸素極）、１６１，１６２，１６３…電圧検出部、１７１，１７２，１７３…制御部、１８…切替部、１９…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２…負荷、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３…検出電圧（起電圧）、Ｖout1，Ｖout2…出力電圧、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３…切替ＳＷ、Ｖth1，Ｖth2…閾値電圧。

Claims (8)

1. 負荷を駆動するための電力を供給する燃料電池システムであって、
   複数の単位発電部と、
   前記単位発電部と前記負荷との間の接続を切り替え可能な切替手段と、
   前記単位発電部の起電力の大きさに応じて、前記切替手段の切替動作を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記複数の単位発電部同士が前記負荷に対して直列接続されると共に、起電力が所定の第１閾値電力よりも小さい単位発電部がその直列接続から切り離されるように、前記切替手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 各単位発電部の起電力をそれぞれ検出する検出手段を備え、
   前記切替手段は、各単位発電部に対して並列接続となるように配置され、かつ、前記負荷に対して互いに直列接続された複数の切替スイッチを有し、
   前記制御手段は、前記検出手段により検出された起電力が前記第１閾値電力以上の値である単位発電部については、その単位発電部に対応する前記切替スイッチがオフ状態となるように制御すると共に、検出された起電力が前記第１閾値電力未満の値である単位発電部については、その単位発電部に対応する前記切替スイッチがオン状態となるように制御する
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記検出手段により検出された起電力が前記第１閾値以上であり、かつ、所定の第２閾値電力未満の値である単位発電部については、所定のクリーニング処理が行われるように制御すると共に、検出された起電力が前記第２閾値電力以上の値である単位発電部については、その単位発電部に対応する前記切替スイッチがオフ状態となるように制御する
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 液体燃料を収容する燃料タンクと、
   前記液体燃料を前記単位発電部へそれぞれ供給する燃料供給ポンプと
   を備え、
   前記制御手段は、前記燃料供給ポンプによる前記単位発電部への液体燃料の供給を停止させることにより、前記クリーニング処理が行われるように制御する
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 液体燃料を収容する燃料タンクと、
   前記液体燃料を前記単位発電部へ供給する燃料供給ポンプと
   を備え、
   前記燃料供給ポンプが、前記単位発電部ごとに独立して配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記単位発電部を冷却するための冷却手段を備え、
   前記冷却手段が、前記単位発電部ごとに独立して配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記切替手段と前記負荷との間に配置されると共に、前記切替手段から供給される前記複数の単位発電部による合成起電力に基づき、一定の電力を出力する電力保持部を備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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