JP2009218044A - 燃料電池システム及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの立ち上げ時間を短くする。
【解決手段】本発明は、所定濃度のメタノール水溶液をアノード側から供給し、所定風量の空気をカソード側から供給してその化学反応により定格電圧の電力を発電するDMFC（Direct Methanol Fuel Cell）スタック、DMFCスタックの運転開始に応答して、アノード側から供給する所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液を溜める混合タンク、及び所定風量より少ない風量の空気をカソード側から供給する空気ポンプを有する燃料電池システム及びその制御方法である。望ましくは、DMFCスタックの運転開始に応答して、所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液を冷却するブロアの風量を所定温度より高い温度に維持する風量に制御する。
【選択図】図2

Description

本発明は、電子機器を駆動することが可能な直接型メタノール燃料電池（DMFC：Direct Methanol Fuel Cell）を発電部とした燃料電池システム及びその制御方法に関する。

最近の電子技術の進歩によって、多種多様な携帯電子機器が急速に普及している。今後、携帯電子機器の増加する情報量とその高速化、高機能化に対応して、連続駆動時間の長い電源として、容易に燃料補給ができる燃料電池電源が注目されている。

燃料電池の中でも、液体燃料を使用する直接型メタノール燃料電池は燃料の体積エネルギー密度が高く、取り扱いも容易である。

燃料電池システムは、直接型メタノール燃料電池（DMFCスタック）におけるメタノール水溶液と酸素ガスとによる化学反応によって発電される。メタノール水溶液の濃度と温度によってその反応が促進され、DMFCスタックから発熱する。しかしながら、燃料電子システムの運転開始時は、メタノール水溶液やDMFCスタックの温度は常温（燃料電池システムの外気温(環境温度)）であり、DMFCスタックにおける反応は進みにくく、燃料電池システムの出力電圧が、要求される電圧（定格電圧）に達し、定常運転に入るまでに時間を要するという問題がある。

このような燃料電池システムの立ち上げ時間を問題点として注目した文献は見当たらない。

本発明の目的は、燃料電池システムの立ち上げ時間(発電開始から定常運転に入るまでの時間)を短くすることである。

本発明の他の目的は、燃料電池システムの立ち上げ時間を短くするために、安定した制御を実現することである。

本発明のさらに他の目的は、燃料電池システムの立ち上げ時間を制御する制御プログラムを簡単に構成することである。

本発明のさらに他の目的は、燃料電池システムの立ち上げ時間を外気温に応じて制御できるようにすることである。

本発明の燃料電池システム及びその制御方法は、所定濃度のメタノール水溶液をアノード側から供給し、所定風量の空気をカソード側から供給してその化学反応により定格電圧の電力を発電するDMFCスタック、DMFCスタックの運転開始に応答して、所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液をアノード側から供給するための混合タンク、及び所定風量より少ない風量の空気をカソード側から供給する空気ポンプを有する。

本発明の望ましい他の態様は、混合タンク内の所定濃度のメタノール水溶液を所定温度に冷却する風量のブロアをさらに有し、DMFCスタックの運転開始に応答して、ブロアの風量を所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液を所定温度より高い温度に維持する風量に制御する。

本発明の望ましいさらに他の態様は、DMFCスタックの運転開始から定格電圧の電力の発電に達するまで、高い濃度のメタノール水溶液の濃度を所定濃度に向けて、空気ポンプの所定風量より少ない風量を所定風量に向けて、かつブロアの所定温度より高い温度に維持する風量を所定温度に冷却する風量に向けて、段階的に制御する。

本発明の望ましいさらに他の態様は、DMFCスタックの運転開始から定格電圧の電力の発電に至る時間経過に応じて、段階的な制御の各々は各段階の差が小さくなるように実行される。

本発明の望ましいさらに他の態様は、各々の段階的な制御を予め定めた制御データに基づいて実行する。

本発明の望ましいさらに他の態様は、燃料電池システムの外気温(環境温度)に応答して、予め定めた複数組の制御データから一組の制御データを選択する。

本発明によれば、燃料電池システムの立ち上げ時間を短くすることができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１に、本実施形態の燃料電池システム1のブロック図を示す。燃料電池システム1の、電解質膜/電極接合体によるDMFCスタック（直接型メタノール燃料電池の発電部）4は、そのアノードに供給されるメタノール水溶液とカソードに供給される酸素による化学反応により発電する。

メタノール水溶液がアノード側において式（1）に従って反応し、水素イオン、電子および炭酸ガスに解離する。
CH₃OH + H₂O → ６H⁺ + ６e^- + CO₂ （1）
生成された水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソードに供給された空気中から拡散された酸素ガスおよび電極上の電子と、式（2）に従って反応して水を生成する。
６H⁺ +６e^- + 3/2O₂ → 3H₂O （2）
さらに直接型メタノール燃料電池ではアノード側のメタノールが電解質膜を通過し、カソード側へ移動するメタノールクロスオーバという現象が生じる。このカソード側へ移動したメタノールは式（3）に示すように、メタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水を生成するメタノールの燃焼反応となり、発熱する。
CH₃OH + 3/2O₂ → CO₂ + 2H₂O （3）
DMFCスタック4のアノードに供給されるメタノール水溶液は、燃料カートリッジ2から供給されるメタノールと精製水カートリッジ3から供給される精製水（以下、単に水と呼ぶことがある。）とが混合タンク９において所定の濃度（3％程度）に混合され、混合タンク９に溜められている。燃料カートリッジ2から供給されるメタノールは、混合ポンプ5により電磁弁7を介して混合タンク9に供給される。精製水カートリッジ３から供給される水は、混合ポンプ6により電磁弁8を介して混合タンク9に供給される。混合タンク9において所定の濃度のメタノール水溶液を得るために、混合ポンプ5、6及び電磁弁7、8がコントローラ13によって制御される（図中の破線）。メタノール水溶液はメタノール濃度センサ10を経て、燃料ポンプ11によってDMFCスタック4のアノードに供給される。DMFCスタック4のカソードに供給される酸素は、空気ポンプ12による空気中から拡散された酸素ガスである。

コントローラ13は、種々のセンサ出力（図中の1点鎖線）を基に、DMFCスタック4、及び混合ポンプ5などの補機類を制御する（図中の破線）。センサは、DMFCスタック4へ供給されるメタノール濃度を監視する濃度センサ10、DMFCスタック4の温度を監視する温度センサ15、混合タンク9のメタノール水溶液温度を監視する温度センサ16、燃料電池システム1の内部温度（環境温度）を監視する温度センサ17、燃焼カートリッジ2のメタノールの残量を監視する残量センサ18、精製水カートリッジ3の水の残量を監視する残量センサ19、及びDMFCスタック4が発電している電圧を監視する電圧計21である。温度センサ17が検出する温度は、燃料電池システム1の（しばらくの間の停止を経た）運転開始前は、外気温と同じ内部温度である。コントローラ13による制御対象は、混合ポンプ5、6、電磁弁7、8、燃料ポンプ11、及び空気ポンプ12及び混合タンク9を冷却するためのブロア22である。

DMFCスタック4における化学反応は、メタノール水溶液の濃度によって反応が促進されるだけではなく、メタノール水溶液の温度によっても反応が促進される。DMFCスタック4の出力電力を安定に維持するだけでなく、DMFCスタック4の過熱を避けるためにも、混合タンク9内のメタノール水溶液の温度が温度センサ26によって監視され、混合タンク9を冷却するためにブロア22がコントローラ13によって制御される。また、DMFCスタック4のカソード側に酸素ガスを供給する空気ポンプ12は、DMFCスタック4の過熱を避け、出力電力を安定に維持するための冷却装置としても作用する。

コントローラ13は、DMFCスタック4により発電された電力を、接続する電子機器に供給するための出力インターフェース（コネクタ）20、燃料電池システム1外との制御情報や表示情報などの入出力のための外部インターフェース23、及びLi（リチウム）バッテリー14に接続する。Liバッテリー14は、燃料電池システム1の立ち上げ（運転開始）時にコントローラ13などの動作のために電力を供給し、燃料電池システム1が定常運転に入ると、DMFCスタック4により発電された電力により充電される。

図2を用いて、燃料電池システムの運転開始時（発電開始時）の、コントローラによる制御を説明する。燃料電池システムの定常状態におけるメタノール水溶液の濃度C_n、空気ポンプ12の風量Q_n、及びブロア22の風量ｑ_nを設定し、燃料電池システムの運転を開始すると（開始時刻：ｔ＝0）、DMFCスタック4の出力電圧V(ｔ)は図2(a)に破線で示すように、むだ時間（dead time）T_dを経て、時定数τ_Aの指数関数に従って高くなり、時刻ｔ₆において定常状態の電圧（定格電圧）V_nに達する（式（4））。
V(t)＝V_n｛1−exp（−（t−T_d）/τ_A）｝ （4）
この時間ｔ₆（＝ｔ₆−0）は、燃料電池システムの利用者にとっては、携帯電子機器などの負荷を電気的に接続できない待ち時間となる。特に、非常時、緊急時の携帯電子機器などの利用に際して、この待ち時間は短いことが望ましい。

そこで本実施形態では、定格電圧V_nに達するまでの時間がｔ₅（ｔ₅＜ｔ₆）となるように制御する（式（5））。τ_Bは時定数であり、τ_B＜τ_Aである。
V(t)＝V_n｛1−exp（−（t−T_d）/τ_B）｝ （5）
このように制御するために、メタノール水溶液の濃度C(t)、空気ポンプ12の風量Q(t)、及びブロア22の風量q(t)を、燃料電池システムの運転開始からの時間経過に従って、式（6）〜式(8)のように変化させる。
C(t)＝C_n＋(C₀−C_n)・exp（−t/τ_C） （6）
Q(t)＝Q₀＋(Q_n−Q₀)・｛1−exp（−t/τ_C）｝ （7）
q(t)＝ｑ_n・｛1−exp（−t/τ_C）｝ （8）
ここで、C₀はメタノール水溶液の濃度の初期値、Q₀は空気ポンプ12の風量の初期値であり、DMFCスタック4における式(2)の反応が進むために必要最小限の酸素ガスを供給できる風量、τ_Cは時定数であり、τ_B＜τ_C＜τ_Aである。式（6）〜(8)を図2(b)〜(d)に指数関数曲線(細い実線)として示す。

燃料電池システムの運転開始から定常運転に入るまでの立ち上げ運転時に、式（6）は定常運転時のメタノール水溶液の所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液を供給することを意味し、式（7）及び式（8）は、定常運転時の所定風量より少ない風量に空気ポンプ１２及びブロア２２のそれぞれの風量を制御することを意味している。後述するように、外気温によって混合タンク９内のメタノール水溶液の温度が適切に保たれている場合などには、メタノール水溶液を冷却するためのブロア22の風量q(t)を制御する必要はない。要は、メタノール水溶液の温度を、所定温度又は立ち上げ運転時における所定温度より高い温度に維持できれば良い。

式（6）〜(8)の理論曲線に従って、濃度や風量を制御するためには、メタノール濃度センサ10、温度センサ16、図示していない空気ポンプ12の風量を計測するセンサ、さらにDMFCスタック4の発電電圧を計測する電圧計21の値をフィードバックした制御系を構成しなければならず、その制御系は複雑になる。この制御をプロセッサにより実行するプログラムにより実現するためには、制御(プログラム)ステップが多くなる。

ここでは、図2(b)〜(d)(階段状の太い実線)に示すように、メタノール濃度C(t)、空気ポンプの風量Q(t)、及び混合タンク9内のメタノール水溶液を冷却するブロア22の風量q(t)を時間経過と共に段階的に変化させる。メタノール濃度C(t)を、時刻0〜t₁ではC₁(C₀＞C₁≧C(ｔ₁)、たとえばC₁＝（C₀＋C(ｔ₁)）/2)、時刻t₁〜t₂ではC₂(C(ｔ₁)＞C₂≧C(ｔ₂)、たとえばC₂＝（C(ｔ₁)＋C(ｔ₂)）/2)のように制御する。空気ポンプ12の風量Q(t)を、時刻0〜t₁ではQ₁(Q₀≦Q₁＜Q(ｔ₁)、たとえばQ₁＝（Q₀＋Q(ｔ₁)）/2)、時刻t₁〜t₂ではQ₂(Q(ｔ₁) ≦Q₂＜Q(ｔ₂)、たとえばQ₂＝（Q(ｔ₁)＋Q(ｔ₂)）/2)のように制御する。ブロア22の風量q(t)に関しても同様に制御する。

このような制御は、制御データC_i、Q_i、q_i(i＝1、2、3、・・・)をメモリに持ち、所定の時間間隔で切り替えればよく、制御プログラムが簡単になる。

メタノール濃度C(t)、空気ポンプ12の風量Q(t)及びブロア22の風量q(t)を同期して制御するように説明したが、必ずしも同期する必要は無い。また、ポンプやブロアの装置としての制御条件や制御精度の制約もあり、必ずしも同期した制御を実現できない。DMFCスタック4による発電電圧やメタノール水溶液の濃度などは、制御に不具合や異常の発生に備えて監視しているので、必要に応じてフィードバックすることにより、微調整などを含めた望ましい制御を実現する。

メタノール濃度C(t)、空気ポンプ12の風量Q(t)及びブロア22の風量q(t)を同期して制御できる場合、時刻t₁、t₂、t₃、・・・の時間間隔Δｔ（Δｔ＝t_i+1−t_i、(i＝1、2、3、・・・)）は一定であることが望ましい。制御プログラムを周期タイマによって時刻t₁、t₂、t₃、・・・のタイミングで起動すればよいからである。また定格電圧V_nに達するまでの時間がｔ₅（ｔ₅＜ｔ₆）となるように制御すると前述したが、時間Δｔ×5に定常状態にすることを意味するものではない（添字は説明のために付したものである）
代案として、階段状に変化させるメタノール濃度C(t)、空気ポンプの風量Q(t)、及びブロア22の風量q(t)の各制御量のステップ(段階)の差(たとえば、C(ｔ₂)−C(ｔ₁))を一定にする方法がある。この場合の時間間隔は、指数関数の特性に依存するので、燃料電池システム1の運転開始直後は小さく、定常状態に近づくに従って大きくなる。他の代案として、指数関数ではなく直線状にステップを決定してゆく（制御量のステップの差及び時間間隔が一定）方法もある。

これらの代案と比較すると、前述の時間間隔一定の制御は、制御(プログラム)の実現の容易性のみでなく、次のような利点がある。時間間隔一定の制御は、燃料電池システム1の運転開始直後は制御量の変化(段階の差)が大きく（指数関数の微係数の絶対値が大きく微分制御の作用が働く）、燃料電池システム1の立ち上げ時間を短くする作用があり、定常状態に近づくに従って制御量の変化(段階の差)が小さく（指数関数の微係数の絶対値が小さく積分制御の作用が働く）、燃料電池システム1を定常状態へ安定化させる（出力電圧をオーバーシュートさせない）作用がある。上記の代案では、微分制御、積分制御の作用が逆になり、制御が複雑になるだけでなく、不安定な制御になる。また他の代案は比例制御によるもので、運転開始直後に本実施形態の制御の利点を得られないだけでなく、定常状態に近づいたときの安定性の利点も得られない。以上の代案との比較は、理想に近い状態でメタノール濃度C(t)などを制御できる場合であって、用いる具体的な機器の制約によっては代案や、他の代案の制御を選択または組み合わせざるを得ない場合がある。

以上の制御を実現するコントローラ13の概略図を図3に示す。コントローラ13は、プロセッサ30、制御プログラムを格納するEEPROM（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory）などの書換え可能な不揮発メモリ31、各センサからの検出データや制御データなどを格納するRAM（Random Access Memory）などの書換え可能なメモリ32、タイマ33、各センサとの間でデータ（制御データ、検出データ）を送受するためのセンサインターフェース34、DMFCスタック4やポンプ類などとの間でデータ（制御データ、状態データ）を送受するための制御インターフェース35、外部インターフェース23又は遠隔に設けたDIPスイッチ23などとのデータを入出力する入出力インターフェース36、及び外部インターフェース23に設けた通信コネクタ24を介して、パーソナルコンピュータなどの計算機又は計算機相当の機器(以下、計算機)と所定の通信プロトコルに従って通信するための通信インターフェース37を有する。なお、各インターフェースは、機能的に分けて説明したが、実装上は統合又はさらに分離して構成しても良い。

図4に制御プログラムの処理フローチャートを示す。制御プログラムは、制御データC_i、Q_i、q_i(i＝1、2、3、・・・)などの定数と共に、不揮発メモリ31に格納されている、いわゆるファームウエアである。制御プログラムは、タイマ33に設定した周期タイマにより起動される。周期タイマに設定する周期は、たとえば前述の時間間隔Δｔとする。運転開始からの立ち上げ時と定常運転時との時間間隔を異にする場合は、短い方の時間間隔によって起動する。各センサからの検出データを読み込む（ステップ40）。定常運転か否かを判定し(ステップ41)、定常運転ならばステップ45に分岐する。定常運転か否かを判定は後にステップ43で説明する時間のカウント値が、定常運転に入るまでの時間として設定した、たとえば図2におけるt₅を超えている、又は出力が定格電圧に達しているならば、定常運転とする。読み込んだセンサデータが正常値を示しているかを判定し（ステップ42）、正常状態で無いならばステップ47に分岐する。

立ち上げ運転時の場合、時間をカウントする（ステップ43）。通常は運転開始と共に、コントローラ13にはLiバッテリー14から電力が供給され、リセットされる。リセットされると揮発メモリ32はゼロクリアされる。時間のカウンタとしてメモリ32の所定の領域(時間カウントエリア)の値もゼロクリアされるので、その後、ステップ43の処理に入る毎にカウント（＋1）する。時間カウントエリアに時間間隔Δｔを乗じることにより、燃料電池システムの運転開始（正確にはコントローラ13のリセット）からの経過時間が得られる。この経過時間に応じて、図2を用いて説明した、メタノール濃度C(t)を制御し、空気ポンプの風量Q(t)及びブロアの風量q(t)を設定する。

メタノール濃度C(t)は、燃料カートリッジ2からのメタノールと精製水カートリッジ3からの水の混合比で決定される。したがって、コントローラ13は、メタノール水溶液の濃度を監視する濃度センサ10のセンサデータ(混合タンク9内のメタノール水溶液の濃度)と所定のメタノール濃度C(t)との偏差が0になるように、混合ポンプ5、6、電磁弁7、8を制御する。メタノール濃度C(t)はいわゆるフィードバック制御で実現するが、混合ポンプ5、6、電磁弁7、8の応答遅れから制御系としてのむだ時間が発生する。このむだ時間が燃料電池システム1の立ち上げ処理に影響を与える(立ち上げ時間が所望の時間より長くなる)ならば、制御プログラムの起動周期を短くし、むだ時間を打ち消すように所定時刻より前もって次の段階の制御を開始する、又は所定のメタノール濃度C(t)より高い濃度（C(t)＋ΔC）を目標値として制御すればよい。

定常運転の場合、読み込んだセンサデータが正常値を示しているかを判定し（ステップ45）、正常状態で無いならばステップ47に分岐する。正常状態ならば、定常運転の処理をする（ステップ46）。定常運転の処理は、（1）電圧計21が示すDMFCスタック4による発電電圧が負荷の変動にも安定になるように、メタノール水溶液の濃度や空気ポンプ12の風量を制御する、（2）定常運転に入った直後にコントローラ13及びポンプなどの機器の電源をLiバッテリー14から、DMFCスタック4からの出力に切り替える、（3）燃料カートリッジ2及び精製水カートリッジ3の残量監視、（4）異常監視及び異常処理などである。異常状態の場合は、異常の内容に応じた異常処理（燃料電池システムの緊急停止や異常表示ランプ25の点灯など）を実行する(ステップ47)。定常運転の処理および異常処理の詳細説明は省略する。

なお、ステップ41で定常運転か否かを判定した後に、正常状態か否かをステップ42とステップ45とで分けて判定しているのは、立ち上げ運転時には、適切(正常)であると設定したメタノール水溶液の濃度が、定常運転時には異常である場合があるからである。すなわち正常／異常の判定基準が、立ち上げ運転時と定常運転時とで異なるからである。

次に燃料電池システム1の典型的な動作モードについて説明する。典型的な動作モードとは、図3のDIPスイッチ26に付した動作モードである、電池運転モード、外部制御モード及び書換えモードである。最初に燃料電池システム1の通常の動作である電池運転モードについて説明する。図3のDIPスイッチ26は、ビット0のスイッチがONしており、電池運転モードを設定した状態を表している。このように設定された状態で、スイッチ／表示25の運転スイッチがONされると、Liバッテリー14からコントローラ13及び各機器に電源が供給され、リセット回路(図示略)によりコントローラ13及びリセット処理が必要な機器がリセットされる。リセット後の動作は、図4を用いて説明したとおりである。

DIPスイッチ26のビット1がONの場合の外部制御モードについて説明する。外部制御モードとは、通信インターフェース37及び通信コネクタ24を介して接続する計算機が実行するプログラムによって、不揮発メモリ31に格納されている制御プログラムの実行に代わって、燃料電池システムを制御するモードである。この場合、コントローラ13の各インターフェースなどとの入出力や制御に関わる制御プログラムの部分を動作させるようにして、この部分と通信インターフェース37及び通信コネクタ24を介した計算機との協調により制御する方法と、コントローラ13のバス（制御バス、アドレスバス、データバス）を外部に引き出すインターフェースを設け、このインターフェースを介して計算機を接続する方法がある。後者の方法をとる場合は、コントローラ１３のプロセッサ30及び不揮発メモリ31は、バスとの接続を電気的に切断する(たとえば、バスから見てハイインピーダンス状態にする)。

このような構成をとることにより、燃料電池システム１の外部に接続した計算機により、制御プログラムの実行をエミュレーションできる。このエミュレーションによって、制御プログラムの論理のテストを実行することができる。エミュレーションは、定常運転時の各種パラメータに限らず、本実施形態における制御データC_i、Q_i、q_i(i＝1、2、3、・・・)の決定のためにも必要である。燃料電池システム１のDMFCスタック4における化学反応は、メタノール水溶液の濃度によって反応が促進されるだけではなく、メタノール水溶液の温度によっても反応が促進されることを説明した。携帯電子機器へ接続する燃料電池システム１の使用場所として寒冷地や熱帯地方などもあり、しかも屋外でも使用される。したがって、常温条件下の制御データC_i、Q_i、q_i(i＝1、2、3、・・・)のみでなく、たとえば、外気温が0℃、−20℃などに適合した制御データも備えなければならない。これらの制御データの値を実験的に定めるためにもエミュレーションが有用になる。極端な環境によっては、制御プログラムの論理も変える必要があるかもしれない。

DIPスイッチ26のビット2がONの場合の書換えモードについて説明する。書換えモードとは、外部制御モードでテストした制御プログラム及び制御データを、外部の計算機からEEPROMなどの書換え可能な不揮発メモリ31に新たに書き込むモードである。このために必要な、通信インターフェースを介して所定の通信プロトコルに従って外部の計算機から読み込み、不揮発メモリ31に書き込むローダを、不揮発メモリ31の所定の領域（制御プログラムの格納領域とは異なる領域）に予め格納しておく。DIPスイッチ26のビット2がONの立ち上がり（OFFからONへの変化）の検知に応じて、プロセッサ30がローダを実行するように設定しておく。DIPスイッチ26のビット2がONの立ち上がりは、ビット2へのON設定後に、スイッチ25により運転開始されると、前述のリセット信号により入出力インターフェース（具体的にはレジスタ）がリセットされ（OFF状態）、引き続いてビット2へのON状態がレジスタに反映されるので、この変化を検知する。スイッチ25により運転開始され、その後にビット2へON状態が設定されたならば、設定されたタイミングで検知できる。

なお、エミュレーションなどにより外気温に応じて複数組の制御データをC_i、Q_i、q_i(i＝1、2、3、・・・)を用意した場合、それらを書換え可能な不揮発メモリ31に書き込んでおき、燃料電池システム1の環境温度を監視する温度センサ17からの温度データに応じて、制御プログラムがいずれかの制御データを選択して処理する。また、予め使用場所の外気温が分かっている場合は、DIPスイッチ26の予備のビットを用いて外気温の段階を設定し、制御プログラムはDIPスイッチ26の予備のビットの設定に応じて、制御データを選択するようにしても良い。

本実施形態によれば、燃料電池システムの立ち上げ時間を短くすることができる。

本実施形態によれば、指数関数に従って制御量を変化させるので、運転開始直後は立ち上げ時間を短くするように動作し、定常状態に近づくに従って定常状態へ安定化させることができる。

本実施形態によれば、制御プログラムは、周期タイマにより起動され、制御データを切り替えて設定する処理を実行するので、簡単に構成される。

本実施形態によれば、エミュレーションするモードが設けられ、制御プログラムの論理のテスト、制御データC_i、Q_i、q_i(i＝1、2、3、・・・)の決定を容易にできる。

本実施形態によれば、制御プログラムが複数の制御データの組のいずれかを選択して処理するので、外気温に応じた制御が可能である。

燃料電池システムのブロック図である。 コントローラによる制御を説明する図である。 コントローラのブロック図である。 制御プログラムの処理フローチャートである。

符号の説明

1：燃料電池システム、2：燃料カートリッジ、3：精製水カートリッジ、4：DMFCスタック、5、6：混合ポンプ、7、8：電磁弁、9：混合タンク、10：濃度センサ、11：燃料ポンプ、12：空気ポンプ、13：コントローラ、14：Liバッテリー、15、16、17：温度センサ、18、19：残量センサ、20：出力インターフェース、21：電圧計、22：ブロア、23：外部インターフェース、24：通信コネクタ、25：スイッチ／表示、26：DIPスイッチ、30：プロセッサ、31、32：メモリ、33：タイマ、34：センサインターフェース、35：制御インターフェース、36：入出力インターフェース、37：通信インターフェース。

Claims (15)

1. 所定濃度のメタノール水溶液をアノード側から供給し、所定風量の空気をカソード側から供給してその化学反応により定格電圧の電力を発電するDMFC（Direct Methanol Fuel Cell）スタック、
   前記DMFCスタックの運転開始に応答して、前記アノード側から供給する、前記所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液を溜める混合タンク、及び
   前記DMFCスタックの運転開始に応答して、前記所定風量より少ない風量の空気を前記カソード側から供給する空気ポンプを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記混合タンク内の前記所定濃度のメタノール水溶液を所定温度に冷却する風量のブロアを、さらに有す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DMFCスタックの運転開始に応答して、前記ブロアの風量は前記所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液を前記所定温度より高い温度に維持する風量であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記DMFCスタックの運転開始から前記定格電圧の電力の発電に達するまで、前記混合タンクの前記高い濃度のメタノール水溶液の濃度を前記所定濃度に向けて段階的に制御し、前記空気ポンプの前記所定風量より少ない風量を前記所定風量に向けて段階的に制御し、前記ブロアの前記所定温度より高い温度に維持する風量を前記所定温度に冷却する風量に向けて段階的に制御することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記DMFCスタックの運転開始から前記定格電圧の電力の発電に至る時間経過に応じて、前記段階的な制御の各々は、各段階の差が小さくなるように実行されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記メタノール水溶液の濃度の段階的な制御、前記空気ポンプの前記風量の段階的な制御及び前記ブロアの前記風量の段階的な制御を実行するコントローラを、さらに有することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記コントローラは、予め定めた制御データに基づいて、前記メタノール水溶液の濃度の段階的な制御、前記空気ポンプの前記風量の段階的な制御及び前記ブロアの前記風量の段階的な制御を制御プログラムによって実行す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. 前記制御プログラムは、該燃料電池システムの外気温に応答して、予め定めた複数組の制御データから前記予め定めた制御データを選択することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
9. アノード側から供給される所定濃度のメタノール水溶液とカソード側から供給される所定風量の空気との化学反応により定格電圧の電力を発電するDMFCスタックの運転開始に応答して、
   前記所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液を前記アノード側から供給し、
   前記所定風量より少ない風量の空気を前記カソード側から供給することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
10. 前記定格電圧の電力を発電するDMFCに前記所定濃度のメタノール水溶液を所定温度に冷却することを特徴とする請求項９記載の燃料電池システムの制御方法。
11. 前記DMFCスタックの運転開始に応答して、前記所定濃度より高い濃度のメタノール水溶液を前記所定温度より高い温度に維持することを特徴とする請求項10記載の燃料電池システムの制御方法。
12. 前記DMFCスタックの運転開始から前記定格電圧の電力の発電に達するまで、前記高い濃度のメタノール水溶液の濃度を前記所定濃度に向けて段階的に制御し、前記カソード側に供給する前記所定風量より少ない風量を前記所定風量に向けて段階的に制御し、前記メタノール水溶液を前記所定温度より高い温度に維持する風量を前記所定温度に冷却する風量に向けて段階的に制御することを特徴とする請求項11記載の燃料電池システムの制御方法。
13. 前記DMFCスタックの運転開始から前記定格電圧の電力の発電に至る時間経過に応じて、前記段階的な制御の各々を各段階の差が小さくなるように実行することを特徴とする請求項12記載の燃料電池システムの制御方法。
14. 予め定めた制御データに基づいて、前記メタノール水溶液の濃度、前記カソードに供給する前記風量及び前記メタノール水溶液を冷却する前記風量を段階的に制御することを特徴とする請求項13記載の燃料電池システムの制御方法。
15. 該燃料電池システムの外気温に応答して、予め定めた複数組の制御データから前記予め定めた制御データを選択することを特徴とする請求項14記載の燃料電池システムの制御方法。

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