JP2010067485A - 燃料電池に供給する燃料の流量を制御する方法と燃料供給装置、それを用いた燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の燃料利用効率を最大にするように燃料流量を制御することを目的とする。
【解決手段】本発明による燃料電池に供給する燃料の流量を制御する方法では、一定の電流を出力させた状態で、ステップバイステップで燃料流量を増加させつつ電圧変化を調べ、電圧変化が少なくなったら逆にステップバイステップで燃料流量を減少させる。そして電圧変化が大きくなったら１回前の燃料流量を採用する。これによって燃料電池の運転状態に応じて燃料流量を最適化することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池に供給する燃料の流量を制御する方法と、それを実現する燃料供給装置に関する。

近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望も高まっている。また、小型民生用途のみならず、電力貯蔵用や電気自動車用などの長期に渡る耐久性や安全性が要求される大型の二次電池に対する技術開発も加速してきている。さらに、充電の必要な二次電池よりも燃料供給によって長時間連続使用が可能な燃料電池が注目されている。

燃料電池システムは、セルスタックを含む燃料電池スタックと、このセルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤を供給する酸化剤供給部とを有する。セルスタックはアノード電極とカソード電極とこれらの電極の間に介在する電解質膜とからなる膜電極接合体と、セパレータとを積層し、積層方向両端にエンドプレートを配して構成されている。

電流値を一定とした場合、燃料電池スタックから出力される電圧は燃料供給部から供給される燃料の流量により変化する。すなわちある値までは燃料の流量の増加に伴って電圧が上昇する。しかしながらその値を超えて燃料の流量を増加しても電圧が上昇しない。これはアノード電極内での燃料の拡散に上限があるためなどによる。したがってその値を超えた流量で燃料を供給しても燃料ロスが大きくなる。このような燃料電池スタックの特性は、例えば特許文献１に開示されている。そのため、設定した流量以下で燃料電池スタックに燃料を供給することで燃料利用効率を高めることができる。
特開２００６−０７３３７９号公報

しかしながら燃料電池スタックは運転状況によって温度が変化する。また長期の運転によって燃料電池スタックは徐々に劣化する。これらの変化により燃料利用効率の最適な値は変化する。したがって燃料流量を一定にしても燃料利用効率を最適化することはできない。

本発明は、この課題を解決し、燃料電池における燃料利用効率を最適化することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による燃料電池に供給する燃料の流量を制御する方法は、次の各ステップを有する。
Ａ）燃料電池から出力する電流を一定にする。
Ｂ）第１の流量Ｑ_１で燃料を燃料電池に供給して、その状態での電圧Ｖ_１を測定する。
Ｃ）燃料の流量を第１の流量Ｑ_１から所定の変化量Ｘだけ増加させ、その状態での電圧Ｖ_２を測定して電圧変化ΔＶ_Ｘを算出する。
Ｄ）Ｃの操作を、電圧変化ΔＶ_Ｘが所定変化量ａ以下になるまでｎ回繰り返し、燃料の流量を第２の流量Ｑ_１＋ｎＸとして、その状態での電圧Ｖ_３を測定する。
Ｅ）第２の流量Ｑ_１＋ｎＸから所定の変化量Ｙだけ減少させ、その状態での電圧Ｖ_４を測定して電圧変化ΔＶ_Ｙを算出する。
Ｆ）Ｅの操作を、電圧変化ΔＶ_Ｙの絶対値が所定変化量ｂを超えるまでｍ回繰り返して燃料の流量を減少させて第３の流量Ｑ_１＋ｎＸ−ｍＹとする。
Ｇ）Ｆの状態から所定の変化量Ｙだけ増加させた第４の流量Ｑ_１＋ｎＸ−（ｍ−１）Ｙの流量で燃料電池に燃料を供給する。

このようにして燃料利用効率の最適点を随時リアルタイムに求めることにより燃料電池の特性変化に対応可能となる。

本発明によれば、そのような流量（第４の流量）で燃料電池に燃料を供給することにより燃料電池を燃料利用効率が最大の状態で運転することができる。

本発明の第１の発明は、燃料電池に供給する燃料の流量を制御する方法である。この方法は次の各ステップを有する。
Ａ）燃料電池から出力する電流を一定にする。
Ｂ）第１の流量Ｑ_１で燃料を燃料電池に供給して、その状態での電圧Ｖ_１を測定する。
Ｃ）燃料の流量を第１の流量Ｑ_１から所定の変化量Ｘだけ増加させ、その状態での電圧Ｖ_２を測定して電圧変化ΔＶ_Ｘを算出する。
Ｄ）Ｃの操作を、電圧変化ΔＶ_Ｘが所定変化量ａ以下になるまでｎ回繰り返し、燃料の流量を第２の流量Ｑ_１＋ｎＸとして、その状態での電圧Ｖ_３を測定する。
Ｅ）第２の流量Ｑ_１＋ｎＸから所定の変化量Ｙだけ減少させ、その状態での電圧Ｖ_４を測定して電圧変化ΔＶ_Ｙを算出する。
Ｆ）Ｅの操作を、電圧変化ΔＶ_Ｙの絶対値が所定変化量ｂを超えるまでｍ回繰り返して燃料の流量を減少させて第３の流量Ｑ_１＋ｎＸ−ｍＹとする。
Ｇ）Ｆの状態から所定の変化量Ｙだけ増加させた第４の流量Ｑ_１＋ｎＸ−（ｍ−１）Ｙの流量で燃料電池に燃料を供給する。

このようにして燃料利用効率の最適点を随時リアルタイムに求めることにより燃料電池の特性変化に対応可能となる。

本発明の第２の発明は、第１の発明において、燃料電池が複数の単位セルを直列接続したスタックであり、燃料電池から出力する電流を一定にしつつ、上記Ｂから上記Ｇまでのステップを複数の単位セルに対しそれぞれ行うことを特徴とする燃料電池に供給する燃料の流量を制御する方法である。直列接続されている単位セルは、同じ電流値で運転される。この状態で単位セル毎に最適な流量で燃料を供給することにより、全ての単位セルの燃料利用効率（発電効率）を最大化することができる。また、スタックの中に比較的特性が低い単位セルがあっても、発電電力の低下を抑制することができる。

本発明の第３の発明は、第１の発明による制御を実現する燃料供給装置である。この燃料供給装置は、燃料ポンプと、流量制御部と、電圧測定部と、主制御部とを有する。流量制御部は燃料ポンプから燃料電池に供給する燃料の流量を制御する。電圧測定部は燃料電池の電圧を計測する。主制御部は燃料電池から出力される電流を一定に保つとともに、電圧測定部からの出力電圧に基づき流量制御部を制御する。具体的には、まず主制御部は流量制御部を制御して第１の流量Ｑ_１で燃料を燃料電池に供給させる。電圧測定部はその状態での電圧Ｖ_１を測定する。続いて主制御部は流量制御部により燃料の流量を第１の流量Ｑ_１から所定の変化量Ｘだけ増加させる。電圧測定部はその状態での電圧Ｖ_２を測定する。主制御部は電圧変化ΔＶ_Ｘを算出する。そして主制御部は流量制御部により、電圧変化ΔＶ_Ｘが所定変化量ａ以下になるまで、燃料の流量をＸずつｎ回繰り返して増加させる。最終的に燃料の流量を第２の流量Ｑ_１＋ｎＸとする。電圧測定部はその状態での電圧Ｖ_３を測定する。この後、主制御部は流量制御部により、第２の流量Ｑ_１＋ｎＸから所定の変化量Ｙだけ減少させる。電圧測定部はその状態での電圧Ｖ_４を測定する。主制御部は電圧変化ΔＶ_Ｙを算出する。そして主制御部は流量制御部により、電圧変化ΔＶ_Ｙの絶対値が所定変化量ｂを超えるまでｍ回繰り返して燃料の流量を減少させる。最終的に燃料の流量を第３の流量Ｑ_１＋ｎＸ−ｍＹとする。最後に主制御部は、所定の変化量Ｙだけ増加させた第４の流量Ｑ_１＋ｎＸ−（ｍ−１）Ｙの流量で燃料電池に燃料を供給するよう、流量制御部に指示する。

本発明の第４の発明は、第３の発明において、燃料電池が複数の単位セルを直列接続したスタックであり、燃料ポンプは複数の単位セルに対し個別に燃料流量を制御可能である。そして主制御部は燃料電池から出力する電流を一定にしつつ、各単位セルに対し燃料流量を最適化する。

本発明の第５の発明は、第３の発明による燃料供給装置を用いた燃料電池システムであり、本発明の第６の発明は、第４の発明による燃料供給装置を用いた燃料電池システムである。

以下、本発明の実施の形態について、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。

（実施の形態）
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。図２は、本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる燃料電池スタックの要部の概略構成を示す概念断面図である。

この燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料タンク４と、燃料ポンプ５と、空気ポンプ６と、制御部７と、蓄電部８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９と電圧測定部１０を有する。燃料電池スタック１は起電部である膜電極接合体（ＭＥＡ）３５を含み、発電された電力は正極端子２と負極端子３から出力される。出力された電力はＤＣ／ＤＣコンバータ９に入力される。またＤＣ／ＤＣコンバータ９は燃料電池スタック１から出力される電流値を調整する機能を有する。燃料ポンプ５は燃料タンク４の中の燃料を燃料電池スタック１のアノード電極３１に供給する。空気ポンプ６は酸化剤である酸素を含む空気を燃料電池スタック１のカソード電極３２に供給する。制御部７は燃料ポンプ５と空気ポンプ６の駆動を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を制御して外部への出力と蓄電部８への充放電を制御する。なお制御部７は主制御部７１と流量制御部７２とを含んでいる。流量制御部７２は燃料ポンプ５から燃料電池スタック１に供給する燃料の流量を制御する。電圧測定部１０は燃料電池スタック１の電圧を計測する。主制御部７１は燃料電池スタック１から出力される電流を一定に保つとともに、電圧測定部１０からの出力電圧に基づき流量制御部７２を制御する。

燃料タンク４と燃料ポンプ５と制御部７は、燃料電池スタック１内のアノード電極３１に燃料を供給する燃料供給装置を構成している。一方、空気ポンプ６と制御部７は、燃料電池スタック１内のカソード電極３２に酸化剤を含むガスを供給する酸化剤供給装置を構成している。なお、燃料供給装置、酸化剤供給装置は上述の構成に限定されない。

また図１では制御部７が主制御部７１と流量制御部７２とを含み、ＤＣ／ＤＣコンバータ９や電圧測定部１０が別個に設けられているが、それぞればらばらに形成してもよいし、全てを一体に形成してもよい。

図２に示すように、アノード電極３１には燃料であるメタノール水溶液が供給され、カソード電極３２には空気が供給される。ＭＥＡ３５は、アノード電極３１と、カソード電極３２と、アノード電極３１とカソード電極３２との間に介在する電解質膜３３とを積層して構成されている。

アノード電極３１はセパレータ３４の側から順に、拡散層３１Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）３１Ｂ、触媒層３１Ｃを積層して構成されている。カソード電極３２もまた、セパレータ３４の側から順に、拡散層３２Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）３２Ｂ、触媒層３２Ｃを積層して構成されている。正極端子２はカソード電極３２に、負極端子３はアノード電極３１に、それぞれ電気的に接続されている。拡散層３１Ａ、３２Ａは、例えばカーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロスなどからなる。ＭＰＬ３１Ｂ、３２Ｂは、例えばポリテトラフルオロエチレンまたはテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体とカーボンとから構成されている。触媒層３１Ｃ、３２Ｃは白金やルテニウムなど、各電極反応に適した触媒を炭素表面に高分散させ、この触媒体をバインダーで結着させることで形成されている。電解質膜３３は水素イオンを透過するイオン交換膜、例えばパーフルオロスルホン酸・テトラフルオロエチレン共重合体で構成されている。

次に、燃料電池スタック１における動作について簡単に説明する。図１、図２に示すように、アノード電極３１にはメタノールを含む水溶液が燃料ポンプ５によって供給される。一方、カソード電極３２には空気ポンプ６によって加圧された空気が供給される。アノード電極３１に供給された燃料であるメタノール水溶液とこれに由来するメタノールと水蒸気は拡散層３１ＡにてＭＰＬ３１Ｂの全面に拡散する。これらはさらにＭＰＬ３１Ｂを通過して触媒層３１Ｃに達する。

一方、カソード電極３２に供給された空気に含まれる酸素は、拡散層３２ＡにてＭＰＬ３２Ｂの全面に拡散する。酸素はさらにＭＰＬ３２Ｂを通過して触媒層３２Ｃに達する。触媒層３１Ｃに達したメタノールは（１）式のように反応し、触媒層３２Ｃに達した酸素は（２）式のように反応する。

次に燃料電池スタック１に燃料ポンプ５から供給する流量を最適化して燃料利用効率を最大化する制御について、図３〜図５を用いて説明する。図３、図４は本発明の実施の形態における燃料流量制御方法を説明するためのフローチャート、図５は燃料流量と燃料電池スタック１の出力電圧との関係を示す図である。

まず主制御部７１は流量制御部７２を制御して、第１の流量Ｑ_１で燃料を燃料電池スタック１に供給させるとともにＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して燃料電池スタック１から出力される電流を所定値（Ｉ_１）とする。また制御部７内の図示しないカウンタにおいてｎを１にセットする（Ｓ０１）。電圧測定部１０はその状態での電圧Ｖ_１を測定する（Ｓ０２）。

続いて主制御部７１は流量制御部７２により燃料の流量を第１の流量Ｑ_１から所定の変化量Ｘだけ増加させる（Ｓ０３）。流量制御部７２は増加後の流量が予め設定された上限値以下かどうか判断する（Ｓ０４）。上限値以下の場合、処理はＳ０５へ進み。上限値を超えている場合には図４のＳ１７へ進む。

上限値以下の場合、電圧測定部１０はその状態での電圧Ｖ_２を測定する（Ｓ０５）。主制御部７１はこのときの電圧変化ΔＶ_Ｘを算出する（Ｓ０６）。そして主制御部７１は電圧変化ΔＶ_Ｘが所定変化量ａを超えたかどうか判断する（Ｓ０７）。電圧変化ΔＶ_Ｘが所定変化量ａを超えている場合、主制御部７１はｎをカウントアップしてｎ＋１とし処理はＳ０３へ戻る（Ｓ０８）。そして電圧変化ΔＶ_Ｘが所定変化量ａ以下の場合、処理は図４のＳ０９へ進む。

このようにして主制御部７１は、流量制御部７２により、電圧変化ΔＶ_Ｘが所定変化量ａ以下になるまで、燃料の流量をＸずつｎ回繰り返して増加させる。そして最終的に燃料の流量を第２の流量Ｑ_２＝Ｑ_１＋ｎＸとする（Ｓ０９）。

図５に示すように、燃料流量の少ない領域では、変化量Ｘだけ燃料流量を増加させると、これに伴い電圧変化ΔＶ_Ｘだけ電圧が上昇する。そしてある程度流量が増加すると、電圧変化ΔＶ_Ｘが小さくなってゆき、ΔＶ_Ｘが所定変化量ａ以下となる。これ以上流量を増加させると電圧の飽和域に入っていくので、一旦このときの流量を仮の最適値（第２の流量Ｑ_２）とする。ここまでの制御は図５の矢印Ａに相当する。

しかしながら第１の流量Ｑ_１がある程度大きく、Ｘが大きい場合、ｎ＝２のときに流量が完全に電圧の飽和域に達する可能性もある。そこで第２の流量Ｑ_２からさらに調整する。

図４に示すように、主制御部７１は図示しないカウンタにおいてｍを１とする（Ｓ０９）。電圧測定部１０はその状態での電圧Ｖ_３を測定する（Ｓ１０）。この後、主制御部７１は流量制御部７２により、第２の流量Ｑ_２から所定の変化量Ｙだけ減少させる（Ｓ１１）。電圧測定部１０はその状態での電圧Ｖ_４を測定する（Ｓ１２）。

主制御部７１はこのときの電圧変化ΔＶ_Ｙを算出する（Ｓ１３）。そして電圧変化ΔＶ_Ｙの絶対値が所定変化量ｂを超えているか判断する（Ｓ１４）。電圧変化ΔＶ_Ｙの絶対値が所定変化量ｂを超えている場合、処理はＳ１６へ進み、電圧変化ΔＶ_Ｙの絶対値が所定変化量ｂ以下の場合、主制御部７１はｍをカウントアップしてｍ＋１とし処理はＳ１１へ戻る（Ｓ１５）。

このようにして主制御部７１は、流量制御部７２により、電圧変化ΔＶ_Ｙの絶対値が所定変化量ｂを超えるまでｍ回繰り返して燃料の流量を減少させる。最終的に燃料の流量を第３の流量Ｑ_３＝Ｑ_１＋ｎＸ−ｍＹとする（Ｓ１６）。ここまでの制御は図５の矢印Ｂに相当する。

最後に主制御部７１は、第３の流量Ｑ_３から所定の変化量Ｙだけ増加させた第４の流量Ｑ_４＝Ｑ_１＋ｎＸ−（ｍ−１）Ｙで燃料電池スタック１に燃料を供給するよう、流量制御部７２に指示する（Ｓ１６、Ｓ１７）。この制御は図５の矢印Ｃに相当する。

このようにして主制御部７１は第２の流量Ｑ_２から燃料流量を変化量Ｙずつ減少させる。そして電圧変化ΔＶ_Ｙの絶対値が所定変化量ｂを超えると、図５における変曲点を下回ったと判断して変化量Ｙだけ戻す（増加させる）。これにより電圧の飽和域と同等の電圧で、かつ最も流量の少ない状態に調整することができる。このようにして燃料利用効率の最適点を随時リアルタイムに求めることにより燃料電池スタック１の特性変化に対応可能となる。

次に、燃料電池スタック１の構造と、さらに好ましい燃料流量制御について説明する。図６は燃料電池スタック１の斜視図、図７は図６に示す燃料電池スタック１と、燃料ポンプ５との接続を説明するための斜視図である。

図６に示すように、燃料電池スタック１は、セルスタック１６と、バッキングプレート１４、１５と、第１板ばね１１と第２板ばね１２とを有する。セルスタック１６は、図２に示すＭＥＡ３５と、ＭＥＡ３５を挟むように配置されたセパレータ３４と、一対のエンドプレート１７、１８とを有する。エンドプレート１７、１８はＭＥＡ３５の積層方向両端、すなわちＭＥＡ３５とセパレータ３４との積層方向両端からＭＥＡ３５とセパレータ３４を挟んでいる。

エンドプレート１７、１８およびセパレータ３４は、カーボン材やステンレス鋼で構成されている。図２に示すように、セパレータ３４の、アノード電極３１に対向する面にはアノード電極３１へ燃料を供給するための燃料流路溝３４Ｂが形成されている。一方、セパレータ３４の、カソード電極３２に対向する面にはカソード電極３２へ空気を供給するための流路溝３４Ｄが形成されている。

図６に示すように、セパレータ３４の、ＭＥＡ３５より外側には平面部（第２平面部）３４Ａが設けられている。すなわち平面部３４Ａは積層方向に平行で、第１板ばね１１と第２板ばね１２から開放された、セルスタック１６の第１側面上に設けられている。積層方向における平面部３４Ａの寸法は、セパレータ３４同士、あるいはセパレータ３４とエンドプレート１７とがＭＥＡ３５を挟持する部分のセパレータ３４の厚さよりも大きい。平面部３４Ａには、外部から燃料を取り込む燃料入口（第２燃料入口）３４１が設けられている。そして燃料入口３４１と燃料流路溝３４Ｂとを連通するように貫通孔（図示せず）が設けられている。一方、セルスタック１６の積層方向に平行な第２側面には、外部から空気を取り込む図示しないガス入口（第２ガス入口）が設けられている。第２側面もまた第１板ばね１１と第２板ばね１２から開放され、第１側面に対向している。

なおアノード電極３１に対向するアノード側のエンドプレート１７にも燃料流路溝が形成され、カソード電極３２に対向するカソード側のエンドプレート１８にも空気を供給するための流路溝が形成されている。またエンドプレート１７には燃料入口（第１燃料入口）１７１が設けられた平面部（第１平面部）１７Ａが形成され、上述の燃料流路溝は貫通孔（図示せず）によって燃料入口１７１と連通している。セルスタック１６の積層方向に平行な第２側面には、外部から空気を取り込む図示しないガス入口（第１ガス入口）が設けられている。

バッキングプレート１４はセルスタック１６におけるアノード電極３１の側に配置され、バッキングプレート１５はカソード電極３２側に配置されている。バッキングプレート１４、１５は絶縁性の樹脂やセラミック、あるいはガラス繊維を含む樹脂、絶縁膜をコーティングされた金属板などで構成されている。

第１板ばね１１、第２板ばね１２は、バッキングプレート１４、１５を介してセルスタック１６をそのばね弾性力によって締め付けている。第２板ばね１２は第１板ばね１１に対向するように配置されている。第１板ばね１１、第２板ばね１２は、ばね鋼材などで構成されている。

本実施の形態では、第１板ばね１１と第２板ばね１２とを用い、バッキングプレート１４、１５を介してセルスタック１６を締結している。第１板ばね１１、第２板ばね１２は図６に示すように、セルスタック１６の外形に沿うように極めてコンパクトにセルスタック１６を締結している。すなわち、セルスタック１６の側面においてデッドスペースが極めて小さくなり、従来のボルトとナットで締結する場合に比べ燃料電池スタック１を小さくすることができる。

また、ボルトとナットで締結する場合にはセルスタック１６の外側に押圧点があるが、第１板ばね１１、第２板ばね１２は、セルスタック１６の比較的中央寄りを押圧点としている。このため、バッキングプレート１４、１５の面方向においてセルスタック１６に均等に押圧力が作用する。このような押圧力によりセルスタック１６全体を均等に締結することができ、（１）式、（２）式に示す電気化学反応がＭＥＡ３５の面方向において均等に進行する。その結果、燃料電池スタック１の電流電圧特性が向上する。

平面部１７Ａ、３４Ａは燃料ポンプ５と接続される側面に形成されている。そして図７に示すように、燃料ポンプ５の、平面部１７Ａに対応する位置には燃料吐出部（第１燃料吐出部）５１Ａが設けられ、平面部３４Ａに対応する位置には燃料吐出部（第２燃料吐出部）５１Ｂが設けられている。燃料吐出部５１Ａにはシール材（第１シール材）５２Ａが配置されている。同様に、燃料吐出部５１Ｂにはシール材（第２シール材）５２Ｂが配置されている。シール材５２Ａ、５２Ｂはそれぞれ平面部１７Ａ、平面部３４Ａより小さく形成されている。そして、燃料入口１７１と燃料吐出部５１Ａとを対向させ、燃料入口３４１と燃料吐出部５１Ｂとを対向させる。さらにシール材５２Ａ、５２Ｂが平面部１７Ａ、３４Ａにより圧縮されるように燃料ポンプ５と燃料電池スタック１とをボルトなどで締結することで燃料経路がシールされる。

この構造によれば、薄いエンドプレート１７やセパレータ３４を用いた場合でも平面部１７Ａ、３４Ａを用いて、確実にシールして燃料ポンプ５と接続することができる。これにより、接続部分での燃料漏れを防ぐことができる。

なお図６に示すように、平面部１７Ａと平面部３４Ａ、あるいは平面部３４Ａ同士を、積層方向と垂直な方向において位置をずらして設けることが好ましい。図６では積層順に互い違いになる位置に平面部１７Ａ、３４Ａを設けている。このような位置関係により平面部１７Ａと平面部３４Ａ、あるいは平面部３４Ａ同士が接触しない。したがってセルスタック１６内のショートを防止することができる。また燃料吐出部５１Ａ、５１Ｂの配置に自由度が与えられる。

また平面部１７Ａと平面部３４Ａ、あるいは平面部３４Ａ同士を、同一平面上に設けることがさらに好ましい。平面部１７Ａと平面部３４Ａとを、積層方向と垂直な方向において位置をずらしつつ同一平面上に設けることによって、燃料吐出部５１Ａ、５１Ｂも同一平面上に設ければよい。これにより燃料吐出部５１Ａ、５１Ｂのそれぞれのシールを確実にすることができる。

また燃料ポンプ５は、燃料吐出部５１Ａと燃料吐出部５１Ｂのそれぞれから吐出する燃料流量を個別に制御可能であることが好ましい。このような燃料ポンプ５を用いることにより、各単位セルに最適な流量で燃料を供給することができる。単位セルには起電力や流路圧損にバラツキがあるため、単位セル毎に燃料流量を制御することが好ましい。すなわち、複数の単位セルを直列接続した燃料電池スタック１を用いる場合、燃料ポンプ５はこの複数の単位セルに対し個別に燃料流量を制御可能であることが好ましい。そして主制御部７１は燃料電池スタック１から出力する電流を一定にしつつ、図３、図４を用いて説明した制御操作を複数の単位セルのそれぞれに対し行うことが好ましい。

直列接続されている単位セルは、同じ電流値で運転される。この状態で単位セル毎に最適な流量で燃料を供給することにより、全ての単位セルの燃料利用効率（発電効率）を最大化することができる。また、燃料電池スタック１の中に比較的特性が低い単位セルがあっても、発電電力の低下を抑制することができる。

なおこの場合、電圧測定部１０が各単位セルの電圧を測定して制御に反映させてもよい。このようにすれば全ての単位セルへ供給する燃料流量を同時に、比較的短時間で最適化することができる。一方、電圧測定部１０が燃料電池スタック１全体の電圧を測定し、各単位セルへの燃料流量を順次最適化してもよい。この場合、流量制御に時間を要するが、電圧検知を簡略化できる。

例えば、１セルのＱ_１を０．２０ｃｍ^３／分、Ｘを０．０２ｃｍ^３／分とすると、ΔＶ_ｘは最大で約０．１Ｖである。そこで電圧値を複数回検出・平均化処理することにより、電圧変化量が小さい場合でも、ΔＶ_ｘを的確に検出することができる。

以上のように、本発明による燃料電池に供給する燃料の流量を制御する方法では、ステップバイステップで燃料流量を増加させつつ電圧変化を調べ、電圧変化が少なくなったら逆にステップバイステップで燃料流量を減少させる。そして電圧変化が大きくなったら１回前の燃料流量を採用する。これによって燃料流量を最適化することができる。そして本発明はこの制御を実現する燃料供給装置、およびそれを用いた燃料電池システムである。このような制御、燃料供給装置、燃料電池システムは、特に小型電子機器の電源として有用である。

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ブロック図 本発明の実施の形態における燃料電池システムに用いる燃料電池スタックの要部の概略構成を示す概念断面図 本発明の実施の形態における燃料流量制御方法を説明するためのフローチャート 図３に続く本発明の実施の形態における燃料流量制御方法を説明するためのフローチャート 燃料流量と燃料電池スタックの出力電圧との関係を示す図 本発明の実施の形態における燃料電池スタックの斜視図 本発明の実施の形態における燃料電池スタックと、燃料ポンプとの接続を説明するための斜視図

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 正極端子
３ 負極端子
４ 燃料タンク
５ 燃料ポンプ
６ 空気ポンプ
７ 制御部
８ 蓄電部
９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０ 電圧測定部
１１ 第１板ばね
１２ 第２板ばね
１４，１５ バッキングプレート
１６ セルスタック
１７，１８ エンドプレート
１７Ａ 平面部（第１平面部）
３１ アノード電極
３１Ａ，３２Ａ 拡散層
３１Ｂ，３２Ｂ 微多孔層（ＭＰＬ）
３１Ｃ，３２Ｃ 触媒層
３２ カソード電極
３３ 電解質膜
３４ セパレータ
３４Ａ 平面部（第２平面部）
３４Ｂ 燃料流路溝
３４Ｄ 流路溝
３５ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
５１Ａ 燃料吐出部（第１燃料吐出部）
５１Ｂ 燃料吐出部（第２燃料吐出部）
５２Ａ シール材（第１シール材）
５２Ｂ シール材（第２シール材）
７１ 主制御部
７２ 流量制御部
１７１ 燃料入口（第１燃料入口）
３４１ 燃料入口（第２燃料入口）

Claims (6)

1. 燃料電池に供給する燃料の流量を制御する方法であって、
   Ａ）前記燃料電池から出力する電流を一定にし、
   Ｂ）第１の流量Ｑ_１で前記燃料を燃料電池に供給して、その状態での電圧Ｖ_１を測定し、
   Ｃ）前記燃料の流量を第１の流量Ｑ_１から所定の変化量Ｘだけ増加させ、その状態での電圧Ｖ_２を測定して電圧変化ΔＶ_Ｘを算出し、
   Ｄ）前記Ｃの操作を、電圧変化ΔＶ_Ｘが所定変化量ａ以下になるまでｎ回繰り返し、前記燃料の流量を第２の流量Ｑ_１＋ｎＸとして、その状態での電圧Ｖ_３を測定し、
   Ｅ）第２の流量Ｑ_１＋ｎＸから所定の変化量Ｙだけ減少させ、その状態での電圧Ｖ_４を測定して電圧変化ΔＶ_Ｙを算出し、
   Ｆ）前記Ｅの操作を、電圧変化ΔＶ_Ｙの絶対値が所定変化量ｂを超えるまでｍ回繰り返して前記燃料の流量を減少させて第３の流量Ｑ_１＋ｎＸ−ｍＹとし、
   Ｇ）前記Ｆの状態から前記所定の変化量Ｙだけ増加させた第４の流量Ｑ_１＋ｎＸ−（ｍ−１）Ｙの流量で前記燃料電池に前記燃料を供給する、
   燃料電池に供給する燃料の流量を制御する方法。
2. 前記燃料電池は、複数の単位セルを直列接続したスタックであり、
   前記燃料電池から出力する電流を一定にしつつ、前記Ｂから前記Ｇまでのステップを前記複数の単位セルに対しそれぞれ行う、
   請求項１記載の燃料電池に供給する燃料の流量を制御する方法。
3. 燃料電池に燃料を供給する燃料供給装置であって、
   燃料ポンプと、
   前記燃料ポンプから前記燃料電池に供給する燃料の流量を制御する流量制御部と、
   前記燃料電池の電圧を計測する電圧測定部と、
   前記燃料電池から出力される電流を一定に保つとともに、前記電圧測定部からの出力電圧に基づき前記流量制御部を制御する主制御部と、を備え、
   Ｂ）前記主制御部は前記流量制御部を制御して第１の流量Ｑ_１で前記燃料を燃料電池に供給させ、前記電圧測定部はその状態での電圧Ｖ_１を測定し、
   Ｃ）続いて前記主制御部は前記流量制御部により前記燃料の流量を第１の流量Ｑ_１から所定の変化量Ｘだけ増加させ、前記電圧測定部はその状態での電圧Ｖ_２を測定して、前記主制御部は電圧変化ΔＶ_Ｘを算出し、
   Ｄ）前記主制御部は前記流量制御部により電圧変化ΔＶ_Ｘが所定変化量ａ以下になるまで前記燃料の流量をＸずつｎ回繰り返して増加させ、前記燃料の流量を第２の流量Ｑ_１＋ｎＸとして、前記電圧測定部はその状態での電圧Ｖ_３を測定し、
   Ｅ）前記主制御部は前記流量制御部により第２の流量Ｑ_１＋ｎＸから所定の変化量Ｙだけ減少させ、前記電圧測定部はその状態での電圧Ｖ_４を測定し、前記主制御部は電圧変化ΔＶ_Ｙを算出し、
   Ｆ）前記主制御部は前記流量制御部により、電圧変化ΔＶ_Ｙの絶対値が所定変化量ｂを超えるまでｍ回繰り返して前記燃料の流量を減少させて第３の流量Ｑ_１＋ｎＸ−ｍＹとし、
   Ｇ）前記主制御部は前記所定の変化量Ｙだけ増加させた第４の流量Ｑ_１＋ｎＸ−（ｍ−１）Ｙの流量で前記燃料電池に前記燃料を供給するよう、前記流量制御部に指示する、
   燃料供給装置。
4. 前記燃料電池は、複数の単位セルを直列接続したスタックであり、前記燃料ポンプは前記複数の単位セルに対し個別に燃料流量を制御可能であり、
   前記主制御部は前記燃料電池から出力する電流を一定にしつつ、前記Ｂから前記Ｇまでの操作を前記複数の単位セルに対しそれぞれ行う、
   請求項３記載の燃料供給装置。
5. 燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給する請求項３記載の燃料供給装置とを備えた燃料電池システム。
6. 複数の単位セルを直列接続した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに燃料を供給する請求項４記載の燃料供給装置とを備えた燃料電池システム。

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