JP2010170732A - 燃料電池システム及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に安定した発電部温度及び発電出力を得られる燃料電池システム及び電子機器を提供する。
【解決手段】燃料電池発電部１０１への燃料送液時間を制御する送液制御部７０３と、燃料電池発電部１０１の発熱部温度Ｔの変化過程でのピーク値を検出するピーク検出部７０１を有し、ピーク検出部７０１で発電部温度Ｔのピーク値を検出すると、このピーク値とピーク値直前の底値との温度差ΔＴを求め、この温度差ΔＴが予め設定される温度差下限値ＴＬより小さい場合、送液制御部７０３により燃料送液時間を増加させ、温度差ΔＴが予め設定される温度差上限値ＴＨより大きな場合、送液制御部７０３により燃料送液時間を減少させる。
【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を電源として用いた電子機器に関する。

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、このような燃料電池システムを電子機器などの負荷の電源として適用した場合、燃料電池からの出力を安定して負荷に供給できることが重要である。

そこで、従来、特許文献５に開示されるように燃料電池の出力及び温度を検出し、これら出力及び温度に基づいて燃料電池への燃料供給を制御するものが知られている。

ところが、このような従来の制御では、例えば、図１０に示すように燃料電池のカソード温度Ｔｋに対する温度閾値Ｔｓを予め設定しておき、カソード温度Ｔｋが温度閾値Ｔｓ以下の期間（図示Ａ１、Ａ２期間）では、燃料電池への燃料の送液時間Ｔｏｎと送液停止時間Ｔｏｆｆを所定のデューティ比で繰り返し、カソード温度Ｔｋが温度閾値Ｔｓを超えた期間（図示Ｂ１、Ｂ２期間）では、燃料電池への燃料送液を停止するようにしている。つまり、温度閾値Ｔｓを基準としてカソード温度Ｔｋが閾値以上か、又は以下かで燃料電池への燃料の送液の有無を決定している。

しかしながら、このような制御によると、燃料電池への燃料供給から実際にカソード温度Ｔｋが上昇するまでにタイムラグがあるため、例えば、周囲温度の低下（環境変動）によりカソード温度Ｔｋが上昇せずに温度閾値Ｔｓ以下である状況が続いたような場合（期間Ａ２参照）、この間、燃料電池への燃料の送液時間Ｔｏｎが繰り返して設定され、燃料電池に対して多量の燃料供給が行われる。このため、後になって燃料電池のカソード温度Ｔｋが異常に高くなることがあり、燃料電池の発電出力Ｐも大きく変動し、安定した発電出力Ｐを負荷に供給できないという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池に安定した発電部温度及び発電出力を得られる燃料電池システム及び電子機器を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、燃料供給により電力を発電する燃料電池発電部を有する燃料電池本体と、前記燃料電池発電部に燃料を送液する燃料送液手段と、前記燃料電池発電部の発熱部温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出される発熱部温度の変化過程でのピーク値を検出するピーク検出手段と、前記ピーク検出手段で検出される発熱部温度のピーク値に基づいて前記燃料送液手段による燃料送液を制御する制御手段と、を具備したことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、制御手段は、前記ピーク検出手段で検出される発電部温度のピーク値と該ピーク値直前の底値との温度差を求め、該温度差が予め設定される温度差下限値より小さい場合、前記燃料送液手段による燃料送液の時間を増加し、前記温度差が予め設定される温度差上限値より大きな場合、前記燃料送液手段による燃料送液の時間を減少させるように制御することを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記制御手段は、前記ピーク検出手段で検出される発電部温度のピーク値が所定の閾値以下の場合、前記燃料送液手段による燃料送液を、前記発熱部温度が前記ピーク値から所定温度低下したところから開始させ、前記発電部温度のピーク値が前記閾値以上の場合、前記燃料送液手段による燃料送液を、前記発熱部温度が前記ピーク値から前記閾値まで低下したところから開始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２又は３記載の発明において、前記制御手段は、前記燃料送液手段による燃料送液の時間増加により、該送液時間が予め設定される最大送液時間以上となる場合、前記燃料送液手段による燃料送液時間を前記最大送液時間に設定し、前記燃料送液手段による燃料送液の時間減少により、該送液時間が予め設定される最小送液時間以下になる場合、前記燃料送液手段による燃料送液時間を前記最小送液時間に設定することを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項２又は３記載の発明において、前記制御手段は、前記ピーク検出手段で検出される発電部温度のピーク値が所定の閾値以上の場合、前記燃料送液の減少時間を変更可能にした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のいずれか一記載の燃料電池システムを電源として使用した電子機器である。

本発明によれば、燃料電池に安定した発電部温度及び発電出力を得られる燃料電池システム及び電子機器を提供できる。

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送液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、Ｎｉのような導電性金属材料からなる多孔質層（例えば、メッシュ）、多孔質膜、箔体あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。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、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、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。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。

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の駆動が制御される。

このような構成において、燃料収容部１０２に収容された燃料は、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。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に温度検出手段としての温度センサー１０６が設けられている。この温度センサー１０６は、燃料電池発電部（セル）１０１の温度、つまり発熱部温度を検出するもので、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、温度センサー１０６は、発熱部温度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、出力検出部６及び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。出力検出部６は、燃料電池発電部（セル）１０１の出力である出力電圧（出力電流）を検出し、検出信号を制御部７に出力する。

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。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、制御部７の指示により出力（出力電圧）を任意に調整できるようになっている。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、所謂ハイブリッド型燃料電池を構成している。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、充放電可能な蓄電素子(例えばリチウムイオン二次電池（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。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のオンオフ動作を制御するもので、制御部７の指示に基づいてポンプ１０４による燃料供給量を制御する。

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、温度ピーク検出部７０１、パラメータ設定部７０２、送液制御部７０３を有している。温度ピーク検出部７０１は、温度センサー１０６より検出される燃料電池発電部１０１の温度である発電部温度Ｔの変化過程でのピーク値を検出する。この場合、発電部温度Ｔのピーク値は、例えば、発電部温度Ｔの上昇を確認しつつ下降に転じた点をピーク値として検出する方法、上昇するの発電部温度Ｔの微分値が零になった時点をピーク値として検出する方法などが用いられる。パラメータ記憶部７０２は、各種のパラメータとして初期送液時間ｔｄ、送液時間可変値ｔｉ、最小送液時間ｔｍｉｎ、最大送液時間ｔｍａｘ、温度閾値ＴｓＴＳ、温度上限値Ｔｍａｘ、モード切替温度Ｔｍ、温度差下限値ＴＬ、温度差上限値ＴＨなどが記憶されている。送液制御部７０３は、パラメータ記憶部７０２に記憶された各パラメータに基づいて燃料送液の開始、送液時間、送液停止時間などを制御する。送液制御部７０３の詳細は、後述する。

次に、このように構成された実施の形態の作用を図４に示すフローチャートに従い説明する。

ユーザによりシステム起動要求が入力されると、図５に示す立ち上げモードＴＡとなり、送液制御部７０３は、燃料供給制御回路５にポンプ１０４の動作を指示し、燃料電池発電部１０１への送液時間Ｔｏｎと停止時間Ｔｏｆｆを所定のデューティ比で繰り返す。この場合、燃料電池発電部１０１の温度が短時間で上昇して異常温度にならないように、最初は、出力検出部６より検出される燃料電池発電部１０１の出力、つまり発電出力Ｐの変化を監視し、この発電出力Ｐが所定値まで立ち上がった後に、温度センサー１０６で検出される発電部温度Ｔがモード切替温度Ｔｍに到達するのをまって、定常発電モードＴＢに移行する。

この定常発電モードＴＢでは、送液制御部７０３により図４に示すフローチャートが実行される。まず、ステップ４０１において、温度センサー１０６より検出される発電部温度Ｔが送液可能な温度範囲かを判断する。この場合、送液可能な温度範囲を外れるような場合、例えば、発電部温度Ｔが図５に示す温度上限値Ｔｍａｘを超えるような場合は、この状態を維持し温度の低下を待つ。

燃料電池発電部１０１の発電部温度Ｔが送液可能な温度範囲であれば、ステップ４０２に進み、燃料送液時間Ｔｏｎを初期送液時間ｔｄに設定する。そして、ステップ４０３に進み、送液制御部７０３より燃料供給制御回路５にポンプ１０４の動作を指示し、燃料電池発電部１０１への燃料送液を開始する。初期送液時間ｔｄを経過の後、ステップ４０４で送液停止時間を判定すると、ステップ４０５に進み、不図示の制御保留タイマーを動作させて燃料送液の停止時間Ｔｏｆｆを設定する。その後、ステップ４０６で、制御保留タイマーの動作終了を判断すると、ステップ４０７に進む。

ステップ４０７では、発電部温度Ｔの前回のピーク判定値をリセットし、ステップ４０８に進み、温度ピーク検出部７０１により発電部温度Ｔの変化過程でのピーク値を検出する。この場合、温度ピーク検出部７０１は、例えば、発電部温度Ｔの上昇を確認しながら降下に転じた点をピーク値として検出する。そして、ステップ４０８で、発電部温度Ｔのピーク値を検出すると、ステップ４０９に進み、このときの発電部温度Ｔが送液可能な温度範囲以下か、つまり温度上限値Ｔｍａｘ以下かを判断する。この場合も、発電部温度Ｔが図５に示す温度上限値Ｔｍａｘを超えるような場合は、この状態を維持し温度低下を待つ。

ステップ４０９で燃料電池発電部１０１の温度Ｔが送液可能な温度範囲（Ｙｅｓ）と判断すると、ステップ４１０に進み、発電部温度Ｔが温度閾値Ｔｓ以下かを判断する。ここで、温度閾値Ｔｓ以下（Ｙｅｓ）であれば、ステップ４１１に進む。一方、発電部温度Ｔが温度閾値Ｔｓ以上（Ｎｏ）である場合は、パラメータ変更ステップ４２３に動作に進み、パラメータの設定を変更可能にする。かかるパラメータ変更ステップ４２３の動作は後述する。

ステップ４１１では、発電部温度Ｔのピーク値と、このピーク値直前の底値との差の温度差ΔＴを求める。そして、ステップ４１２で、温度差ΔＴが温度差下限値ＴＬより小さいかを判定する。ここで、温度差ΔＴが温度差下限値ＴＬより小さくＹｅｓならば、ステップ４１３に進み、燃料送液時間の増加設定を行う。この場合、例えば、図６（ａ）に示すように温度差ΔＴが、ΔＴ１、ピーク値ＴＰ１が温度閾値Ｔｓ以下（図５に示すＴＢ１の期間）で、さらにΔＴ１＜温度差下限値ＴＬであれば、送液時間Ｔｏｎとして初期送液時間ｔｄに送液時間可変値ｔｉを加えたｔｄ＋ｔｉを新たな燃料送液時間ｔ１に設定する。そして、次のステップ４１４で、新たな燃料送液時間ｔ１が最大送液時間ｔｍａｘ以下（Ｎｏ）と判断されると、ステップ４０３に戻って、これ以降、新たな燃料送液時間ｔ１により上述した動作を繰り返す。この場合の温度差ΔＴ１のピーク値ＴＰ１が温度閾値Ｔｓ以下の期間ＴＢ１では、発電部温度Ｔがピーク値ＴＰ１から所定温度ΔＴＰ（例えば０．３℃程度）低下したところから、次の燃料送液を開始する。

その後、燃料送液時間ｔ１により燃料送液を行った結果、例えば、図６（ｂ）に示すように温度差ΔＴが、ΔＴ２、ピーク値ＴＰ２が温度閾値Ｔｓ以上（図５に示すＴＢ２の期間）になったとすると、この場合も、ΔＴ２＜温度差下限値ＴＬであれば、送液時間Ｔｏｎとして前回の燃料送液時間ｔ１に、さらに送液時間可変値ｔｉを加えたｔ１＋ｔｉを新たな燃料送液時間ｔ２に設定する。そして、ステップ４１４で、新たな燃料送液時間ｔ２が最大送液時間ｔｍａｘ以下（Ｎｏ）と判断されると、ステップ４０３に戻って、これ以降、燃料送液時間ｔ２により上述した動作を繰り返す。この場合の温度差ΔＴ２のピーク値ＴＰ２が温度閾値Ｔｓ以上の期間ＴＢ２では、発電部温度Ｔがピーク値ＴＰ２から温度閾値Ｔｓまで低下したところから次の燃料送液を開始する。

なお、ステップ４１４で、新たな燃料送液時間ｔ１（ｔ２）が最大送液時間ｔｍａｘ以上（Ｙｅｓ）と判断された場合は、ステップ４１５に進む。ステップステップ４１５では、燃料送液時間ｔ１（ｔ２）を強制的に最大送液時間ｔｍａｘに設定してステップ４０３に戻り、最大送液時間ｔｍａｘにより燃料送液を行う。

一方、ステップ４１２において、温度差ΔＴが温度差下限値ＴＬより大きい（Ｎｏ）と判断された場合は、ステップ４１６に進む。このステップ４１６では、温度差ΔＴが温度差上限値ＴＨより小さいかを判定する。この場合、例えば、図６（ｃ）に示すように温度差ΔＴが、ΔＴ３、ピーク値ＴＰ３が温度閾値Ｔｓ以上（図５に示すＴＢ３の期間）で、温度差ΔＴ３が温度差上限値ＴＨより小さい（Ｙｅｓ）場合は、ステップ４０３に戻って、上述した燃料送液時間ｔ１（ｔ２）により同様な動作を繰り返す。また、温度差ΔＴ３が温度差上限値ＴＨより大きい（Ｎｏ）と判断されると、ステップ４１７に進み、燃料送液時間の減少設定を行う。この場合、送液時間Ｔｏｎとして燃料送液時間ｔ１（ｔ２）から送液時間可変値ｔｉを差し引いたｔ１（ｔ２）−ｔｉを新たな燃料送液時間ｔ３に設定する。そして、次のステップ４１８で、新たな送液時間ｔ３が最小送液時間ｔｍｉｎ以下かが判断され、ここで、最小送液時間ｔｍｉｎより大きい（Ｎｏ）と判断されれば、ステップ４０３に戻って、新たな燃料送液時間ｔ３により上述した動作を繰り返す。この場合の温度差ΔＴ３のピーク値Ｐ３が温度閾値Ｔｓ以上の期間ＴＢ３では、発電部温度Ｔがピーク値Ｐ３から温度閾値Ｔｓまで低下したところから、次の燃料送液を開始する。

なお、ステップステップ４１８で、新たな燃料送液時間ｔ３が最小送液時間ｔｍｉｎ以下（Ｙｅｓ）と判断された場合は、ステップ４１９に進み、燃料送液時間を強制的に最小送液時間ｔｍｉｎに設定してステップ４０３に戻り、最小送液時間ｔｍｉｎにより次の燃料送液を行う。

ところで、上述したステップ４１０において、発電部温度Ｔが温度閾値Ｔｓ以上（Ｎｏ）と判断された場合、パラメータ変更ステップ４２３に進む。このパラメータ変更ステップ４２３では、まず、ステップ４２０で、パラメータを変更して燃料送液時間減少の設定を行う。この場合、上述の燃料送液時間ｔ１、ｔ２、ｔ３を数秒、例えば５秒程度強制的に短縮する。そして、ステップ４２１に進み、短縮した燃料送液時間が最小送液時間ｔｍｉｎ以下かを判定する。ここで、短縮した燃料送液時間が最小送液時間ｔｍｉｎより大きければ、上述したステップ４１１以降の動作に進む。また、ステップ４２１で、短縮した燃料送液時間が最小送液時間ｔｍｉｎ以下と判断されると、ステップ４２２に進み、燃料送液時間を最小送液時間ｔｍｉｎに設定して上述したステップ４１１以降の動作に進む。

したがって、このようにすれば、燃料電池発電部１０１への燃料送液時間を制御する送液制御部７０３と燃料電池発電部１０１の発熱部温度Ｔの変化過程でのピーク値を検出するピーク検出部７０１を有し、ピーク検出部７０１で発電部温度Ｔのピーク値を検出すると、このピーク値とピーク値直前の底値との温度差ΔＴを求め、この温度差ΔＴが予め設定される温度差下限値ＴＬより小さい場合、送液制御部７０３により燃料送液時間を増加させ、温度差ΔＴが予め設定される温度差上限値ＴＨより大きな場合、送液制御部７０３により燃料送液時間を減少させるように制御する、いわゆるΔＴ温度ピーク制御を行うようにしたので、例え、発熱部温度Ｔが温度閾値Ｔｓ以下であっても、適切な送液時間を確保して燃料電池発電部１０１への燃料供給を続けることができ、常に安定した発熱部温度Ｔと発電出力Ｐを得られ、変動の少ない安定した発電出力Ｐを負荷側に供給することができる。

また、発電部温度Ｔのピーク値が温度閾値Ｔｓ以下の場合、燃料電池発電部１０１への燃料送液を、発熱部温度Ｔがピーク値から所定温度だけ低下したところから開始させ、発電部温度Ｔのピーク値が、温度閾値Ｔｓ以上の場合、燃料電池発電部１０１への燃料送液を、発熱部温度Ｔがピーク値から温度閾値Ｔｓまで低下したところから開始させるようにしたので、例えば、周囲温度が低くて発電部温度Ｔが温度閾値Ｔｓ以下である状態でも、確実に発電出力Ｐを制御することができる。

さらに、燃料送液時間の増加により送液時間が予め設定される最大送液時間Ｔｍａｘ以上となる場合は、燃料送液時間を最大送液時間Ｔｍａｘに設定し、燃料送液の時間減少により、送液時間が予め設定される最小送液時間Ｔｍｉｎ以下となる場合は、燃料送液時間を最小送液時間Ｔｍｉｎに設定しているので、燃料供給が多過ぎたり、少な過ぎるようなことがなくなり、常に適切な燃料送液を行うことができる。

ちなみに、本願によるΔＴ温度ピーク制御の場合と従来の閾値温度制御の場合を比較するため、雰囲気変動により周囲温度が大きく変化した場合の発電部温度Ｔと発電出力Ｐの関係を実際に調べたところ、図７及び図８に示す結果が得られた。この場合、図７及び図８では、周囲温度を例えば室温２５℃から恒温漕を用いた１５℃まで急激に低下させ、その後、室温２５℃まで再び上昇させた場合の発電部温度Ｔと発電出力Ｐの関係を示している。

図７に示す本願のΔＴ温度ピーク制御の場合、周囲温度が２５℃から１５℃に低下し、その後、２５℃まで上昇させると、発電部温度Ｔは、周囲温度の低下とともに温度閾値Ｔｓ以下まで低下するが、この温度閾値Ｔｓ以下の領域でも発電部温度Ｔの変化過程でのピーク値を検出して燃料電池への燃料送液時間の制御が行われるので、発電出力Ｐは、発電部温度Ｔに沿って変化するようになり、急激な出力変動が生じることがない。また、燃料電池発電部１０１での出力密度ＰＭ（ｍＷ／ｃｍ^２）も安定した状態で維持される。さらに、発電部温度Ｔのピーク値に応じて燃料送液時間が適切に制御され、ポンプ１０４のオン／オフ操作による燃料電池発電部１０１への燃料供給も比較的時間間隔をおいて行われるので、過剰な燃料供給を抑制でき、省エネルギー化も実現できる。そして、燃費についても調べたところ、０．９０Ｗｈ／ｇ程度となり、後で述べる従来のものより大幅に改善できた。なお、ＰＨは、燃料電池発電部１０１の積算電力である。

一方、図８に示す従来の閾値温度制御の場合、発電部温度Ｔが温度閾値Ｔｓ以下の状態では、発電部温度Ｔを温度閾値Ｔｓに制御するため燃料送液が繰り返し行われるので、過剰な燃料供給により発電出力Ｐが異常に上昇し大きな出力変動が生じる。また、発電部温度Ｔが周囲温度の低下とともに温度閾値Ｔｓ以下になると、再び発電部温度Ｔを温度閾値Ｔｓに制御するため燃料送液が繰り返されるため、発電出力Ｐに変動を生じる。そして、このように発電部温度Ｔを温度閾値Ｔｓにするため燃料送液が頻繁に行われ、ポンプ１０４のオン／オフ操作による燃料電池発電部１０１への燃料供給が短時間のうちに集中して行われるので、燃料消費も大きくなり、省エネルギー化が難しい。この場合も燃費について調べたところ０．７３Ｗｈ／ｇ程度となり、上述した本願のΔＴ温度ピーク制御の場合に比べて大幅に低下した。

一方、本願のΔＴ温度ピーク制御によれば、図９に示すように周囲温度の変化により発電部温度Ｔが温度閾値Ｔｓ以下となって温度閾値Ｔｓを維持できない場合でも、発電部温度Ｔの変化過程でのピーク値に応じて燃料電池発電部１０１への燃料送液時間Ｔｏｎが適切に制御されるので、燃料電池発電部１０１の発電変化率ＰＡも、常に７０％以上に維持でき、効率よく発電出力Ｐを得られることも確認できた。

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、上述した実施の形態では、発電部温度Ｔの変化過程でのピーク値に基づいて燃料電池発電部１０１への燃料送液時間を制御するようにしたが、燃料電池発電部１０１に供給する燃料送液の回数を制御するようにしても良い。

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。

さらに燃料電池発電部へ供給される液体燃料の気化成分においても、全て液体燃料の気化成分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フローチャート。 第１の実施の形態での立ち上げモードと定常発電モードでの発電部温度の温度と出力の関係を説明する図。 第１の実施の形態での送液時間の制御を説明する図。 第１の実施の形態でのΔＴ温度ピーク制御の実施データを示す図。 従来の閾値温度制御の実施データを示す図。 第１の実施の形態の発電部温度と発電力変化の関係を示す図。 従来の燃料電池システムの閾値温度制御を説明するための図。

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、１０４１…ポンプ異常検出部、１０５…燃料分配機構
１０６…温度センサー、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３…電子機器本体
４…補助電源、５…燃料供給制御回路、６…出力検出部、
７…制御部、７０１…温度ピーク検出部、７０２…パラメータ設定部、
７０３…送液制御部、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 (6)

1. 燃料供給により電力を発電する燃料電池発電部を有する燃料電池本体と、
   前記燃料電池発電部に燃料を送液する燃料送液手段と、
   前記燃料電池発電部の発熱部温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段で検出される発熱部温度の変化過程でのピーク値を検出するピーク検出手段と、
   前記ピーク検出手段で検出される発熱部温度のピーク値に基づいて前記燃料送液手段による燃料送液を制御する制御手段と、
   を具備したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 制御手段は、前記ピーク検出手段で検出される発電部温度のピーク値と該ピーク値直前の底値との温度差を求め、該温度差が予め設定される温度差下限値より小さい場合、前記燃料送液手段による燃料送液の時間を増加し、前記温度差が予め設定される温度差上限値より大きな場合、前記燃料送液手段による燃料送液の時間を減少させるように制御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. 前記制御手段は、前記ピーク検出手段で検出される発電部温度のピーク値が所定の閾値以下の場合、前記燃料送液手段による燃料送液を、前記発熱部温度が前記ピーク値から所定温度低下したところから開始させ、前記発電部温度のピーク値が前記閾値以上の場合、前記燃料送液手段による燃料送液を、前記発熱部温度が前記ピーク値から前記閾値まで低下したところから開始させ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. 前記制御手段は、前記燃料送液手段による燃料送液の時間増加により、該送液時間が予め設定される最大送液時間以上となる場合、前記燃料送液手段による燃料送液時間を前記最大送液時間に設定し、前記燃料送液手段による燃料送液の時間減少により、該送液時間が予め設定される最小送液時間以下になる場合、前記燃料送液手段による燃料送液時間を前記最小送液時間に設定することを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記ピーク検出手段で検出される発電部温度のピーク値が所定の閾値以上の場合、前記燃料送液の減少時間を変更可能にしたことを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか一記載の燃料電池システムを電源として使用した電子機器。

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