JP2010225459A - 燃料電池システム及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間に亘って安定した発電を可能とする燃料電池システムを実現すること。
【解決手段】燃料電池システム１０１は、積層された複数のセルを有する発電部５と、セルに燃料を供給する、燃料供給量が調整可能な燃料供給部４と、複数のセルのうち少なくとも一つの特定セル５１の出力電圧を監視する電圧監視部８と、特定セルに電力を一時的に供給する電力供給部１３と、電力が特定セルに供給された後に現れる出力電圧の最小値と、出力電圧が最小値となった後の出力電圧の応答値との電圧差を検知し、電圧差に応じて燃料供給量を制御する制御部９とを備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、液体を燃料とする固体高分子型燃料電池を制御する燃料電池システム及び燃料電池に関する。

固体高分子型燃料電池は、プロトン交換膜とも称呼されることもあるプロトン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いる燃料電池として知られており、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の１つとして、液体燃料を利用する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）がある。この、直接メタノール型燃料電池では、アノード極（燃料極とも称せられる。）と、カソード極（空気極とも称せられる。）と、これらの間に挟持され、プロトンを透過させる固体高分子膜とを備え、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を形成する。そして、前記ＭＥＡを含むセルが複数重なることで、所定の発電量を有する発電部を形成する。

ＭＥＡのアノード極では、下記の式（１）の反応が起こり、メタノールと水との電気化学反応によって二酸化炭素、プロトン、及び電子が生じる。

また、ＭＥＡのカソード極においては、下記の式（２）の反応が起こり、前記アノード極から固体高分子膜を移動し、カソード極へと移動したプロトンと、酸素、および、電子との電気化学反応によって水が生じる。

さらに直接メタノール型燃料電池では、アノード極に供給されたメタノール水溶液に含まれるメタノールの一部がアノード極からカソード極に直接移動するメタノールクロスオーバーが起こり、カソード極では、式（２）に示される反応に加えて下記の式（３）の反応が起こる。

ここで、発電部の発電効率は、電圧×燃料利用効率で定義される値であり、燃料利用効率は、式（１）のアノード極反応で使われるメタノール量に対する、式（３）のメタノールクロスオーバーで失われるメタノール量の割合で定義する。この時、発電効率を高めるためには、式（１）、式（２）の過電圧を低下させて電圧を向上させることと、式（３）のメタノールクロスオーバーを低減させ、燃料利用効率を高めることが必要となる。

また、発電量（電力）は、電圧×負荷電流で定義される値であり、発電量を高めるためには、負荷電流を増加させることが必要となる。

そこで、特許文献１では、上記メタノールクロスオーバーを所定の範囲におさめて燃料利用効率と発電効率の２つの効率を高める為に、発電部の負荷を閉回路から開回路に切り替え、切り替え後の一定時間後の出力電圧をもとにメタノール濃度を検出する手法が提案されている。この手法では、発電部の出力電圧値を評価値とする為、濃度センサーが不要となり、装置を小型化できるという利点がある。

複数のセルを積層して構成される発電部では、予め定められた濃度のメタノール水溶液を、各セルのアノード極に燃料供給部を通して供給する。発電部中央領域のセルと、端部領域のセルでは、外気温度等の環境因子の影響を受けてセル温度に差が生じることがある。このように、セル間で温度のバラツキが生じた場合、温度が高いセルでは、式（３）のメタノールクロスオーバーが高くなり、燃料利用効率が低下する。よって、発電効率は低下する。

一方、温度の高いセルと同一の濃度のメタノール水溶液が供給されるが、外部環境の要因等を受けて温度が低いセルでは、式（１）の過電圧が増加し、電圧が低下することから、発電効率は低下してしまう。また、温度の高いセルに比較し、温度の低いセルではアノードの燃料拡散性が低下するため、セルから取り出せる負荷は減少する。この場合、発電量が減少する問題が生じる。

例えば、発電部を低温環境にて起動させる場合、積層されたセルのうち、外気と隣接する端部のセルは外気温度の影響を受けて温度の上昇速度が遅いことがある。この時、他のセルに比較して温度の低い端部セルでは、前記燃料拡散性の低下によって取り出すことが可能な負荷電流が低下する。この場合、発電部から取り出すことが可能な最大負荷は端部セルの負荷で制限される。よって低温始動から、所定の発電量を得る定常状態までの間において、発電量および起動速度が低下する問題がある。

そこで、特許文献２では、発電部端部に断熱性を有する導電性のダミーセルを配置することで、端部領域の温度低下を抑制し、セル間の温度バラツキを抑制する工夫がなされている。また、特許文献３では、発電部の積層方向両端部のうち、少なくとも一方の端部領域に抵抗体を備え、端部領域の温度低下を抑制し、セル間の温度バラツキを抑制する工夫がなされている。さらには、特許文献４では、起動時に通常運転時よりも低熱容量の燃料をアノードに供給し、アノード出口の燃料を再びアノード入口に循環させることで、発電セルの起動を高速化させている。

特開２００５−２８５６２８号公報 特開２００７−２５０３３８号公報 特開２００５−１７４６００号公報 特開２００８−２５７９４５号公報

第１の課題は、発電部の発電効率を高めるため、発電部のメタノールクロスオーバーを簡易的に検知し、メタノールクロスオーバーを所定の範囲内に納めることである。

また、第２の課題は、発電部のセル間の温度特性や出力（電圧）特性が異なる条件下において発電部の発電効率および発電量を高めることである。

この発明は上記２点の事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、長期間に亘って安定した発電を可能とする燃料電池システム及び燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の第１の態様は、積層された複数のセルを有する発電部と、前記セルに燃料を供給する、燃料供給量が調整可能な燃料供給部と、前記複数のセルのうち少なくとも一つの特定セルの出力電圧を監視する電圧監視部と、前記特定セルに電力を一時的に供給する電力供給部と、前記電力が前記特定セルに供給された後に現れる前記出力電圧の最小値と、前記出力電圧が最小値となった後の前記出力電圧の応答値との電圧差を検知し、前記電圧差に応じて前記燃料供給量を制御する制御部とを具備する燃料電池システムを提供する。

また、この発明の第２の態様は、積層された複数のセルを有する発電部と、前記複数のセルのうち少なくとも一つの特定セルの温度を監視する温度監視部と、前記特定セルに電力を一時的に供給する電力供給部と、前記温度に応じて前記特定セルに前記電力を供給する制御部とを具備することを特徴とする燃料電池システムを提供する。

また、この発明の第３の態様は、積層された複数のセルを有する発電部と、前記複数のセルのうち少なくとも一つの特定セルの電圧を監視する電圧監視部と、前記特定セルに電力を一時的に供給する電力供給部と、前記電圧に応じて前記特定セルに前記電力を供給する制御部とを具備することを特徴とする燃料電池システムを提供する。

また、この発明の第４の態様は、積層された複数のセルを有する発電部と、前記複数のセルのうち少なくとも一つの特定セルに電力を一時的に供給する電力供給部とを具備することを特徴とする燃料電池を提供する。

したがってこの発明によれば、長期間に亘って安定した運用を可能とする燃料電池システム及び燃料電池を提供することができる。

第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図。 第１の実施形態における発電部の構成の詳細を示す図。 第１の実施形態のシステム制御手法に関する図。 第１の実施形態の制御部の処理手順を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図。 第１の実施形態の実施例１を示す図。 第１の実施形態の比較例１を示す図。 第３の実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図。 第３の実施形態における発電部の構成の詳細を示す図。 第３の実施形態のシステム制御手法に関する図。 第３の実施形態の制御部の処理手順を示すフローチャート。 第４の実施形態における発電部の構成の詳細を示す図。 第４の実施形態の制御部の処理手順を示すフローチャート。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、発電部に積層されるセルのうち特定セルに電力を一時的に供給し、特定セルでのみ負荷変動を引き起こすことによって、メタノールクロスオーバーを推定し、発電部への燃料供給量を制御するものである。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０１の構成例を示している。燃料電池システム１０１は、図２に示すようなセル積層構造５０を有する発電部５と、高濃度メタノール、あるいはメタノール燃料と少量の水の混合溶液（メタノール水溶液）等の液体燃料を貯蔵する燃料タンク３と、発電部５における発電をサポートする補器類２と、発電部５で発電した電力を負荷電力１１に送るにあたり、外部電源（例えばリチウムイオンバッテリー）と発電部５から取り出す電力を制御する電力調整部１０とを備える。

補器類２は、燃料タンク３から燃料を発電部５に供給する燃料供給部４と、空気を発電部５に供給する空気供給部６と、発電部５から取り出される負荷電流を調整する負荷調整部７と、セル積層構造５０の各セルの出力電圧を監視するセル電圧監視部８と、外部電力供給部１３と、補器類２内の各部を制御するための制御部９とを備える。

制御部９は、上記補器類２の各部の状態を検知する検知処理部９ａと、検知された情報に応じて各部を制御する為の制御情報が予め格納されたデータベース９ｂとを備える。制御部９は、発電部５及び補器類２の各部から必要な情報を検知し、検知した情報の処理または演算を行う。さらに、制御部９はこの処理または演算の結果に応じて、燃料供給部４、発電部５、負荷調整部７、外部電力供給部１３、及び空気供給部６に制御信号を与える。後に説明するように、データベース９ｂは、セルから測定される値に基づき、補器類２の各部をどのように制御するかについて予め記述した各種データベースを含んでいる。

発電部５は、負荷調整部７および電力調整部１０を介して負荷電力１１に接続される。負荷電力１１は、例えば、この燃料電池システム１０１で発生される電力で駆動される電子機器に相当する。電力調整部１０は、発電部５で発生される電力を負荷電力１１に供給している。電力の調整は、負荷調整部７により負荷電流の調整で行われる。電力調整部１０は、負荷電力１１で必要な電力に対し、発電部５で発電される電力が不足する場合、図には記載していないが、外部電源（例えば二次電池やコンデンサ）などから不足分の電力を補う。電力調整部１０は、発電部５で発生される電力の負荷電力１１への供給をオン或いはオフするスイッチング回路を含んでいる。電力調整部１０は、オン状態で、負荷電力１１に接続され閉回路状態となり、オフ状態で負荷電力１１から切断されてその出力側が開回路状態となるように構成されている。

発電部５と補器類２との間は、流体配管系で接続されている。この流体配管系においては、燃料タンク３と燃料供給部４とは、燃料供給ラインＬ１で接続される。燃料供給部４と発電部５とは、燃料供給ラインＬ２で接続されている。燃料タンク３内の燃料は、燃料供給部４での調整により発電部５のアノード極に供給される。また、空気供給部６と発電部５とは空気供給ラインＬ３で接続され、空気供給部６での調整により発電部５のカソード極に空気が送り込まれる。

なお、上記図１に示すシステムでは、燃料タンク３内の燃料が発電部５に直接供給される方式となっているが、この方式に限らず、燃料タンク３内の燃料を、希釈した燃料を蓄える混合タンク内に供給し、発電部５での発電で残った燃料と混合させる方式にしても良い。また、空気供給部６に例えばファンを用いた場合、流体配管Ｌ３は空気導入経路とすることができる。また、ブリージング方式の場合、空気供給部６は不要となる。

発電部５と補器類２との間は、信号及び電流配線系で接続されている。制御部９は、信号ラインＥ１を介して燃料供給部４に接続される。発電部５と制御部９とは、信号ラインＥ２で接続される。負荷調整部７と制御部９とは信号ラインＥ３で接続される。セル電圧監視部８と制御部９とは、信号ラインＥ４で接続されている。空気供給部６と制御部９とは、信号ラインＥ５で接続されている。発電部５と負荷調整部７とは電流配線ラインＥ６１で接続され、負荷調整部７と電力調整部１０とは電流配線ラインＥ６２で接続される。さらに、外部電力供給部１３は、発電部５と電流供給ラインＥ７で接続され、制御部９と信号ラインＥ８で接続される。

負荷調整部７は、信号ラインＥ３を介して発電部５に負荷を与える。この負荷調整部７で検出された負荷電流の値は、負荷電流情報として信号ラインＥ３を介して制御部９に送られる。また、制御部９で設定された負荷制御信号は、信号ラインＥ３を介して制御部９から負荷調整部７に与えられる。従って、負荷調整部７は、負荷制御信号に従って定められた設定負荷に相当する負荷を発電部５に接続し、この設定負荷に流れる負荷電流が検出されて負荷電流情報として制御部９に送られる。
なお、負荷調整部７に電力調整部１０の役割を持たせることで、電力調整部１０を省略させることも可能である。この場合、負荷電力１１は負荷調整部７に接続される。

セル電圧監視部８は、予め定められた少なくとも１つの特定セル５１で発生される電圧を検出するセル電圧検出回路（図示せず）を含み、信号ラインＥ４を介して発電部５内のセル積層構造５０の上記特定セル５１に接続される。ここで、特定セル５１には、セル積層構造５０に含まれるセルのうち、出力および温度が平均的なセルを選択することが好ましい。ここで平均的なセルとは、外部環境因子の影響を受けにくいセルをいう。例えば、セル積層方向で中央領域にあるセル、もしくは、セル温度分布を測定しその温度が平均に最も近いセルを平均的なセルとして採用することができる。特定セル５１としてこのような平均的なセルを採用することにより、外部環境が変化しても、セルの特性を安定的に得ることができるという効果が得られる。この特定セル５１で発生される電圧がセル電圧検出回路で計測され、計測されたセル電圧値が電圧情報として制御部９に送られる。ここで、上記特定セル５１として、セル積層構造５０に含まれるセルのうち１枚を選択する他、セル積層構造５０のうち複数枚のセルを選択し、それらの電圧平均を計測し、電圧情報として制御部９に送るようにしても良い。

そして、上記セル電圧監視部８が接続された特定セル５１に対し、外部電力供給部１３が電気的に並列する形で電流供給ラインＥ７を介して接続される。外部電力供給部１３は予め定められた大きさの電流を特定セル５１に与える。

発電部５は、図２（ａ）及び２（ｂ）に示されるようなセル積層構造５０を備えている。図２（ａ）に示すように、セル積層構造５０は、アノード集電板１２とカソード集電板１４との間に積層された複数のセルを備え、各セルがアノード集電板１２及びカソード集電板１４に電気的に直列に接続されている。アノード集電板１２とカソード集電板１４との間に積層されたセルは、一対の締め付け板１８Ａ、１８Ｂ間に配置され、この締め付け板１８Ａ、１８Ｂ間に固定具１９Ａ、１９Ｂによって締め付け固定されている。アノード集電板１２及びカソード集電板１４は、それぞれ負荷調整部７に接続され、セル積層構造５０で生成された電流がカソード集電板１４で収集されて負荷調整部７に供給される。

また、図２（ｂ）は、上記特定セル５１の構成を示したものである。なお、特定セル５１以外のセルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２０と、アノード流路板２２と、カソード流路板２４と、ガスケット２６とを備える。

ＭＥＡ２０の一方の側には、アノード流路板２２が設けられ、他方の側にカソード流路板２４が設けられている。ＭＥＡ２０は、アノード流路板２２とカソード流路板２４とに挟まれ、アノード流路板２２とカソード流路板２４とに接続されたガスケット２６で密閉された構造に形成されている。アノード流路板２２とカソード流路板２４は、このガスケット２６で絶縁され、しかも、このガスケット２６によってＭＥＡ２０から外部への燃料及び空気のリークが防止される。ＭＥＡ２０は、電解質膜の一方の側にアノード極が形成され、電解質膜の他方の側にカソード極が形成される。

特定セル５１には、当該特定セル５１の電圧を外部から監視する為にアノード流路板２２及びカソード流路板２４に出力端子２２Ａ，２４Ａが設けられている。この出力端子２２Ａ，２４Ａがセル電圧信号ラインＥ４を介してセル電圧監視部８の電圧検出回路に接続され、セル電圧監視部８により特定セル５１の電圧がモニター（監視）されている。セル電圧監視部８からは、特定セル５１で発生される電圧に相当する電圧値を表す電圧情報が信号ラインＥ４を介して制御部９の検知処理部９ａに供給される。

さらに、上記特定セル５１には、アノード流路板２２及びカソード流路板２４に入力端子２２Ｂ，２４Ｂが設けられている。この入力端子２２Ｂ，２４Ｂは、電流供給ラインＥ７を介して外部電力供給部１３の電流回路に電気的に並列に接続される。外部電力供給部１３は、上記特定セル５１に対して電力を供給する信号を、制御部９から信号ラインＥ８を介して受け取る。

アノード流路板２２は、ＭＥＡ２０のアノード極側に面し、メタノールおよびメタノール水溶液を供給する。カソード流路板２４は、ＭＥＡ２０のカソード極側に面し、空気を供給する。アノード流路板２２、カソード流路板２４ともに、上記目的を果たす限り、任意の形状をとることができる。

次に、図１に示される燃料電池システム１０１の動作について説明する。
発電を始めるにあたり、燃料供給部４は、制御部９による制御の下で、燃料タンク３から所定の濃度のメタノール水溶液（燃料）を流路Ｌ１、流路Ｌ２を介してアノード流路板２２に供給する。また、空気供給部６は、制御部９による制御の下で、空気を流路Ｌ３を介してカソード流路板２４に供給する。

負荷調整部７によりセル積層構造５０に接続される負荷が印加されると、アノード極、即ち、ＭＥＡ２０のアノード側では、式（１）に示したメタノール酸化反応が起こる。カソード極、即ち、ＭＥＡ２０のカソード側では、式（２）で示した酸素還元反応が起こる。電子（ｅ−）は負荷調整部７へ流れる。

上記発電時、メタノールが固体高分子膜を通してカソード極へと流れるという問題がある（メタノールクロスオーバー）。メタノールクロスオーバー値の増加、或いはこれの極端な低下は発電効率および燃料利用効率を下げる原因となるため、メタノールクロスオーバー値を所定の範囲内に制御する処理を行う。

図３を参照して、メタノールクロスオーバーを推定し、その値が所定の範囲におさまるよう、発電部５へ供給するメタノール量を制御する流れについて説明する。

図３に示すグラフにおける、時点Ｔ＝Ｔ_０以前の期間においては、負荷調整部７で第１の負荷が選択されてセル積層構造５０から負荷電流Ｉ＝Ｉ０が取り出され、発電が行われている。この期間では、外部電力供給部１３から特定セル５１に電力（電流）の供給は行われていない。

次に、時点Ｔ＝Ｔ_０において、特定セル５１に電気的に並列に接続された外部電力供給部１３から特定セル５１に所定の電流（Ｉ２）となる電力が供給される。よって、特定セル５１から取り出されるセル電流Ｉは、負荷調整部７が発電部５全体から取り出す電流が一定（Ｉ０）の下で減少し、特定セル５１から取り出されるセル電流はＩ１＝Ｉ０−Ｉ２となる。

特定セル５１はセル電流Ｉ１にて時点Ｔ＝Ｔ_１まで運転され、時点Ｔ＝Ｔ₁において、外部電力供給部１３からの電力（電流）の供給を停止する。よって、時点Ｔ＝Ｔ₁において、特定セル５１から取り出される電流ＩはＩ１からＩ０に増加する。

この負荷電流Ｉ１からＩ０への負荷変動に伴い、第２の負荷に切り替えた直後の時点Ｔ＝Ｔ_２では、セル電圧Ｖは、Ｖ＝Ｖ₂で最小電圧値（電圧の極小値）となり、その後、時点Ｔ＝Ｔ₃では、Ｖ＝Ｖ₃で最大電圧値（電圧の極大値）をとり、その後一定の電圧に収束する。

ここで、最小電圧値Ｖ_２と最大電圧値Ｖ_３との間の電圧差を第１の電圧差ΔＶ₃（ΔＶ₃＝Ｖ₃―Ｖ_２）と定義する。また、最小電圧値Ｖ_２と一定時間（例えばＴ＝Ｔ_４）経過後の定常電圧Ｖ_４との間の電圧差を第２の電圧差ΔＶ_４（ΔＶ_４＝Ｖ_４―Ｖ_２）と定義する。この第１の電圧差ΔＶ_３及び第２の電圧差ΔＶ_４を用いて特定セル５１のメタノールクロスオーバーを推定する。

以下、セル電圧監視部８で特定セル５１のセル電圧がモニターされ、最小電圧値Ｖ_２と最小電圧後に出現する出力応値（出力電圧の応答値）とする最大電圧値Ｖ_３と間の第１の電圧差ΔＶ_３が検知処理部９ａで求められ、この第１の電圧差ΔＶ_３に基づいてメタノールクロスオーバーの推定、制御する処理の基本的原理について説明する。なお、以下のメタノールクロスオーバーの推定、制御方法は第２の電圧差ΔＶ_４に基づいても同様である。

図４は、第１の実施形態におけるシステムの処理手順を示したものである。この図４を参照して、制御部９の制御動作について説明する。

制御部９において制御動作が開始されると（ステップＳ０１）、検知処理部９ａは外部電力供給部１３に対し、所定の電力（電流Ｉ２）を供給する負荷変動処理の指示を与える（ステップＳ０２）。この指示にしたがって、外部電力供給部１３は、特定セル５１に対し、電流（Ｉ２）を供給する（ステップＳ０３）。そして一定時間経過後、外部電力供給部１３から電力の供給を停止する。この時、同時に、セル電圧監視部８は、セル電圧監視部８内の電圧検出回路で特定セル５１の電圧値を時刻と共に計測する（ステップＳ０４）。これにより、検知処理部９ａには、特定セル５１に時刻と共に変動される電圧情報がセル電圧監視部８から入力される。

検知処理部９ａは、入力されてくる電圧情報から最小電圧値Ｖ_２とその後に現れる最大電圧値Ｖ_３を検出し、上記検出された最小電圧値Ｖ_２と最大電圧値Ｖ_３との差を第１の電圧差ΔＶ_３として検出する（ステップＳ０５）。

上記得られた第１の電圧差ΔＶ₃からメタノールクロスオーバー値を推定するには、データベース９ｂ内に蓄えられたクロスオーバー換算データベース９ｂ−１を用いる（ステップＳ０６）。クロスオーバー換算データベース９ｂ−１には、第１の電圧差ΔＶ_３をメタノールクロスオーバー値に換算するための情報が予め記憶されている。検知処理部９ａは、メタノールクロスオーバー値を推定した後、この値に基づいて燃料供給量を制御する指示を行う。ここで、推定したメタノールクロスオーバー値と燃料供給量との関係は、データベース９ｂに予め記憶されたクロスオーバー供給量制御データベース９ｂ−２を用いる（ステップＳ０７）。このクロスオーバー供給量制御データベース９ｂ−２をもとに、制御部９は燃料供給部４に供給量制御信号を送り、燃料供給部４において燃料供給量の制御が行われる（ステップＳ０８）。

以上述べたように、上記第１の実施形態では、外部電力供給部１３からの電力供給によって特定セル５１のみに対して負荷変動を引き起こし、メタノールクロスオーバーを推定する。したがって、発電部５全体の負荷を変動させる手法と比較し、発電部５全体の発電量を低下させる必要がなく、長期間にわたり発電効率を高めることが可能となる。また、負荷変動に伴う発電部５の非定常的な温度変動は、メタノールクロスオーバーを推定して燃料供給量を制御する過程での誤差を生じさせる原因となるが、本実施形態では、発電量が変化しない、すなわち発熱量が変化しない。このことにより、発電部５の温度変動が抑制され、上記影響を抑えることが可能となる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、発電部５を構成するセルのうちの特定セル５１にのみ外部電力供給部１３を電気的に並列に接続し、外部電力供給部１３から特定セル５１に供給する電力を制御することでメタノールクロスオーバーを推定することを特徴とした。ここで、外部電力供給部１３は特定セル５１に所定の時間、一定の電力を供給する目的を果たす限り、他の補器と併用することが可能である。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１０２の構成例を示している。この燃料電池システム１０２は、上記図１に示した燃料電池システム１から外部電力供給部１３を取り除いた構成である。また、電力調整部１０と発電部５に含まれる特定セル５１は、ラインＥ７０を通して電気的に接続される。さらに、電力調整部１０と制御部９はラインＥ８０を通して接続されている。また、制御部９における検知処理部９ａの動作が異なる。その他の構成は、上記図１と同様であるため、上記図１と同一の構成については同一の符号を付して詳しい説明は省略する。

電力調整部１０は、負荷電力１１で必要な電力に対し、発電部５で発電される電力が不足する場合、図には記載していないが、外部電源（例えばリチウムイオンバッテリーやキャパシタ）などから不足分の電力を補う調整機能を有するため、図１に示した外部電力供給部１３の機能を電力調整部１０に持たせることで、システム構成を簡略化することが可能となる。なお、図５の燃料電池システム１０２の運転方法は、図１の外部電力供給部１３の機能を電力調整部１０で実行すれば、第１の実施形態と同様になるため、ここでは説明を省略する。

なお、上記第１及び第２の実施形態は、燃料循環部によって燃料タンク３内の燃料を、希釈した燃料を蓄える混合タンク内に供給し、発電部５での発電で残った燃料と混合させる方式にも適用できる。

（実施例１）
実施例１では、上記第１の実施形態の手法を用い、最小電圧値と出力応値（最大電圧値）との電圧差Ｖ_３を評価値として得ることを試みた。

発電部５はセルを直列に２０組積層したものを使用した。発電部５に含まれるセルのうち、アノード極側から数えて１０組目のセルを予め定められた１組の特定セル５１として、この特定セル５１のみに電圧監視部８と外部電力供給部１３を接続し、特定セル５１のセル電圧の監視と、特定セル５１への電力供給を可能とした。残りの１９枚のセルは電圧監視部８と外部電力供給部１３との接続は行っていない。発電部５への空気供給量は、空気ポンプによって行い、測定中は空気供給流量を固定とした。また、発電部５への燃料供給は燃料ポンプによって行い、所定の燃料濃度、燃料流量で固定した。発電部５の温度は別途温度調整手段で一定になるよう制御を行った。

図６（ａ）は、負荷電流と外部電力供給部１３から特定セル５１へ供給される電流とを示したグラフで、図６（ｂ）は、発電部５の出力電圧と特定セル１のセル電圧とを示したグラフである。

上記運転条件にて、図６（ａ）に示すように、発電部５から取り出す負荷電流は、Ｉ０＝１．０７Ａと固定し、外部電力供給部１３が接続された特定セル５１には、外部電力供給部１３から、Ｔ＝Ｔ_０でＩ２＝０．９５Ａ固定の電流が３５秒間だけ供給されるようにし、３５秒後のＴ＝Ｔ_１に外部電力供給部１３からの電流供給を終了し、負荷変動を与える運転を行った。そして、Ｔ＝Ｔ_２にて観測される最小電圧と、Ｔ＝Ｔ₃にて観測される最大電圧との電圧差Ｖ_３を求めた。

（比較例１）
実施例１と比較するために、比較例１は、発電部５全体の負荷を変動させるようにしたものである。図７（ａ）は、負荷電流を示したグラフで、図７（ｂ）は、発電部５の出力電圧と各セルのセル電圧とを示したグラフである。

図７（ａ）に示すように、発電部５から取り出す負荷電流を、Ｔ＝Ｔ_０でＩ０＝１．０７ＡからＩ０＝０．１２Ａに切り替え、３５秒間保持後、Ｔ＝Ｔ_１にて再びＩ０＝１．０７Ａへ負荷変動を与える運転を行った。そして、Ｔ＝Ｔ_２にて観測される最小電圧と、Ｔ＝Ｔ₃にて観測される最大電圧との差を求めた。この結果を図７（ａ）、（ｂ）に示す。

図６（ａ）、（ｂ）では、発電部５から取り出す負荷電流Ｉ＝Ｉ０で運転するため、特定セル５１以外の１９個のセルはＩ＝Ｉ０での発電が可能となり、Ｔ＝Ｔ_０からＴ＝Ｔ_１までの期間で発電部５の発電出力を維持することが可能となった。一方、図７（ａ）、（ｂ）では、Ｔ＝Ｔ_０からＴ＝Ｔ_１までの期間は、負荷電流を０．１２Ａに低下させるため、発電部５から取り出すことが可能な電力が低下してしまっている。

実施例１の手法で求めた電圧差Ｖ_３は０．０４３Ｖであり、比較例１の手法で求めた電圧差Ｖ_３も０．０４３Ｖであり、両者で電圧差Ｖ_３に差はなかった。よって、実施例１の手法によれば、発電部５の発電出力を断続的に低下させることなく電圧差を測定することが可能となり、連続的に長時間に亘って高出力で安定した発電が可能となることを確認することができた。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態は、発電部５に積層されるセルのうち端部などの特定セルに外部電力供給部１３を接続し、特定セルの温度に応じて外部電力供給部１３を操作するようにしたものである。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１０３の構成例を示している。この燃料電池システム１０３は、上記図１に示した燃料電池システム１０１のセル電圧監視部８の代わりにセル温度監視部８１を備えたものである。また、制御部９における検知処理部９ａの動作及びデータベース９ｂに格納される内容が異なる。その他の構成は、上記図１と同様であるため、同一の構成については同一の符号を付して詳しい説明は省略する。

セル温度監視部８１は、発電部５内のセル積層構造５０に含まれるセルのうち予め定められた少なくとも１つのセルの温度を検出するセル温度検出回路（図示せず）を含み、信号ラインＥ４０を介して上記セルに接続される。上記セルの温度がセル温度検出回路で計測され、セル温度情報として制御部９に送られる。ここでは、セル温度監視部８１が接続されるセルは、セル積層構造５０の中で最も温度が低下する端部のセルとする。以下、セル積層構造５０の両端の２つのセルを特定セル５１１とし、セル温度監視部８１を接続した発電部５の構成について説明する。

発電部５は、図９（ａ）及び９（ｂ）に示されるようなセル積層構造５０を備えている。図９（ａ）に示すように、セル積層構造５０は、アノード集電板１２とカソード集電板１４との間に積層された特定セル５１１と、特定セル５１１の内側に積層される複数のセル５１０を備え、特定セル５１１及びセル５１０がアノード集電板１２及びカソード集電板１４に電気的に直列に接続されている。アノード集電板１２とカソード集電板１４との間に積層されたセル５１０、特定セル５１１は、一対の締め付け板１８Ａ、１８Ｂ間に配置され、この締め付け板１８Ａ、１８Ｂ間に固定具１９Ａ、１９Ｂによって締め付け固定されている。アノード集電板１２及びカソード集電板１４は、それぞれ負荷調整部７に接続され、セル積層構造５０で生成された電流がカソード集電板１４で収集されて負荷調整部７に供給される。

また、特定セル５１１及びセル５１０は、図２（ｂ）に示されるように膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２０を備えている。このＭＥＡ２０の一方の側にアノード流路板２２が設けられ、他方の側にカソード流路板２４が設けられている。ＭＥＡ２０は、アノード流路板２２とカソード流路板２４とに挟まれ、アノード流路板２２とカソード流路板２４とに接続されたガスケット２６で密閉された構造に形成されている。アノード流路板２２とカソード流路板２４は、このガスケット２６で絶縁され、しかも、このガスケット２６によってＭＥＡ２０から外部への燃料及び空気のリークが防止される。ＭＥＡ２０は、電解質膜の一方の側にアノード極が形成され、電解質膜の他方の側にカソード極が形成される。

また、特定セル５１１には、セル温度を監視するためにアノード流路板２２もしくはカソード流路板２４にセル温度検知センサー２２Ｃもしくは２４Ｃが設けられている。この温度検知センサーの情報が信号ラインＥ４０を介してセル温度監視部８１の温度検出回路に送られる。セル温度監視部８１からは、特定セル５１１の温度情報が信号ラインＥ４０を介して制御部９の検知処理部９ａに供給される。温度検知センサーとしては、例えば熱電対を用いることができる。

さらに、上記特定セル５１１には、アノード流路板２２及びカソード流路板２４に電気入力端子２２Ｂ，２４Ｂが設けられている。この入力端子２２Ｂ，２４Ｂが電流供給ラインＥ７を介して外部電力供給部１３の電流回路に電気的に並列に接続される。

アノード流路板２２は、ＭＥＡ２０のアノード極側に面し、メタノールおよびメタノール水溶液を供給する。カソード流路板２４は、ＭＥＡ２０のカソード極側に面し、空気を供給する。アノード流路板２２、カソード流路板２４ともに、上記目的を果たす限り、任意の形状をとることができる。

次に、図８に示される燃料電池システム１０３の動作について説明する。
発電を始めるにあたり、燃料供給部４は、制御部９による制御の下で、燃料タンク３から所定の濃度のメタノール水溶液（燃料）を流路Ｌ１、流路Ｌ２を介してアノード流路板２２に供給する。また、空気供給部６は、制御部９による制御の下で、空気を流路Ｌ３を介してカソード流路板２４に供給する。

負荷調整部７によりセル積層構造５０に接続される負荷が印加されると、アノード極、即ち、ＭＥＡ２０のアノード側では、式（１）に示したメタノール酸化反応が起こる。カソード極、即ち、ＭＥＡ２０のカソード側では、式（２）で示した酸素還元反応が起こる。電子（ｅ−）は負荷調整部７へ流れる。

上記発電時、発電部の発電効率と発電量を所定の値に保つため、発電部は所定の温度で運転される。この時、外気温度等の影響で発電部の発電セル間には温度分布がつく。特に、外気の影響を最も受けやすい発電部５の端部の特定セル５１１の温度が最も低下する。この場合、特定セル５１１のアノード極での燃料拡散性が低下し、この特定セル５１１よりも温度が高い中央部のセル５１０と同じ負荷を取り出すことができなくなる問題がある。この場合、端部の特定セル５１１の温度で取り出すことが可能な負荷にて発電部５を発電すると、他のセル５１０もその特定セル５１１の負荷に合わせて低減して発電することになるため、発電部５全体の発電量は低下してしまう。また、特定セル５１１以外のセルでは、負荷の低減によってメタノールクロスオーバーが増加し、発電効率が低下するという問題がある。

そこで、第３の実施形態では、アノード集電板１８Ａおよびカソード集電板１８Ｂと接する端部の特定セル５１１に対してセル温度監視部８および外部電力供給部１３を接続し、上記問題を解決する手法を説明する。

図１０を参照して、第３の実施形態に係る燃料電池システム１０３の運転方法について説明する。
図１０は、外気温度をある範囲で変化させた場合の特定セル５１１の温度の経時変化を示している。外気温度が低下すると、それに伴い、上記特定セル５１１の温度は低下する。

ここで、制御部９は、セル温度監視部８１から供給される温度情報をもとに、発電時間ｘ＝ｘ_１で特定セル５１１の温度が所定の下限温度Ｔ_ｌｉｍよりも低下したと判定すると、特定セル５１１に対し、外部電力供給部１３を電流供給ラインＥ７を介して電気的に並列に接続する。電流供給ラインＥ７を介して、特定セル５１１に外部電力供給部１３が接続されると、外部電力供給部１３は一定の電力（電流Ｉ２）を特定セル５１１へ供給する。これにより、発電部５の負荷電流が、発電時間中一定Ｉ＝Ｉ０であっても、特定セル５１１から取り出す負荷電流Ｉ１は、Ｉ１＝Ｉ０−Ｉ２で一定に減少する。その後、制御部９は、発電時間ｘ＝ｘ_２で特定セル５１１温度が下限温度Ｔ_ｌｉｍよりも高くなったと判定すると、外部電力供給部１３からの電力の供給を停止する。これにより、特定セル５１１から取り出す負荷電流Ｉ１は発電部負荷Ｉ０と同じ負荷Ｉ１＝Ｉ０となる。

図１１は、第３の実施形態におけるシステムの処理手順を示したものである。この図１１を参照して、制御部９の制御動作について説明する。

制御部９において制御動作が開始されると（ステップＳ１１）、検知処理部９ａは特定セル５１１の温度を測定する（ステップＳ１２）。この指示にしたがって、セル温度監視部８１は、特定セル５１１の温度を検知する（ステップＳ１３）。そして、データベース９ｂ内に予め蓄えられたセル温度データベース９ｂ−１１をもとに、上記測定した特定セル５１１の温度が所定の範囲にあるか否かを判定する（ステップＳ１４）。セル温度データベース９ｂ−１１には、セルが正常に発電可能な温度範囲（上限値及び下限値の少なくとも一方）を示した情報が予め記憶されている。特定セル５１１の温度が所定の範囲にある場合、検知処理部９ａはステップＳ１２に移行し、特定セル５１１の温度の測定を繰り返し行う（ステップＳ１４：ＹＥＳ）。

一方、測定した特定セル５１１の温度が所定の範囲にない場合（ステップＳ１４：ＮＯ）、検知処理部９ａは、データベース９ｂ内に予め蓄えられた外部電力供給量データベース９ｂ−１２に基づいて、外部電力供給部１３に対して外部電力を供給する指示を与える（ステップＳ１５）。外部電力供給量データベース９ｂ−１２には、測定されたセル温度を外部電力供給部１３からの電力（電流）の供給量に換算するための情報が予め記憶されている。これにより、特定セル５１１に電気的に並列に接続した外部電力供給部１３から特定セル５１１に電力供給が行われる（ステップＳ１６）。

以上述べたように、上記第３の実施形態では、定常発電時に、外気温等の外部環境因子によって特定セル５１１の温度が所定の温度より低下し、特定セル５１１から取り出せる負荷電流が減少した場合でも、外部電力供給部１３から特定セル５１１への電力（電流）供給により、発電部５全体の負荷電流を一定に保つことができる。したがって、燃料電池システムにおいて、発電部に含まれるセル間に温度のバラツキがある場合でも、発電効率と発電量の向上を図ることが可能となる。

また、上記第３の実施形態は、所定の電力量を発電する、定常発電時のみならず、起動時などにも適用できる。起動時は、セル温度が低い状態から所定の温度に達するまでの時間を早め、所定の発電量を得られるまでの時間を短縮することが好ましい。上記第３の実施形態の手法を応用して、燃料電池システムの起動時に、特定セル５１１が低温のために他のセルと同等の負荷電流が取り出せない場合は、特定セル５１１のみに外部電力供給部１３を電気的に並列に接続し、特定セル５１１から取り出す負荷電流を低減させる。このようにすることで、特定セル５１１以外の他セルは所定の負荷で運転することができ、低温からの起動速度を高速化させることが可能となる。

（第４の実施形態）
上記第３の実施形態では、最も温度の低い特定セル５１１に対してセル温度監視部８１と外部電力供給部１３を接続し、セル温度に応じて外部電力供給部１３を操作したが、第４の実施形態では、発電部５内の出力電圧の低いセルに対して外部電力供給部１３を接続し、当該セル出力電圧に応じて外部電力供給部１３を操作する。

第４の実施形態に係る燃料電池システムの構成は、上記図１に示した燃料電池システム１０１と同様であるため、上記図１を用いて説明を行う。ただし、第４の実施形態では、発電部５の構成、制御部９における検知処理部９ａの動作及びデータベース９ｂに格納される内容が異なる。

発電部５は、図１２（ａ）及び１２（ｂ）に示されるようなセル積層構造５０を備えている。図１２（ａ）に示すように、セル積層構造５０は、アノード集電板１２とカソード集電板１４との間に積層される、セル電圧監視部８に接続された特定セル５２１と、セル電圧監視部８が接続されていないセル５２０とを備え、特定セル５２１及びセル５２０がアノード集電板１２及びカソード集電板１４に電気的に直列に接続されている。特定セル５２１とセル５２０との割合は、特定セル５２１を１セル以上有すれば任意に設定することができる。図１２（ａ）では１セル間隔で特定セル５２１とセル５２０とが積層されている例を示している。アノード集電板１２とカソード集電板１４との間に積層された特定セル５２１と、セル５２０とは、一対の締め付け板１８Ａ、１８Ｂ間に配置され、この締め付け板１８Ａ、１８Ｂ間に固定具１９Ａ、１９Ｂによって締め付け固定されている。アノード集電板１２及びカソード集電板１４は、それぞれ負荷調整部７に接続され、セル積層構造５０で生成された電流がカソード集電板１４で収集されて負荷調整部７に供給される。

特定セル５２１及びセル５２０は、図１２（ｂ）に示されるように膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２０を備えている。このＭＥＡ２０の一方の側にアノード流路板２２が設けられ、他方の側にカソード流路板２４が設けられている。ＭＥＡ２０は、アノード流路板２２とカソード流路板２４とに挟まれ、アノード流路板２２とカソード流路板２４とに接続されたガスケット２６で密閉された構造に形成されている。アノード流路板２２とカソード流路板２４は、このガスケット２６で絶縁され、しかも、このガスケット２６によってＭＥＡ２０から外部への燃料及び空気のリークが防止される。

また、特定セル５２１には、セル電圧を監視するためにアノード流路板２２とカソード流路板２４にセル電圧検知用の電気配線２２Ｄ、２４Ｄが設けられている。このセル電圧検知用の電気配線２２Ｄ、２４Ｄが信号ラインＥ４を介してセル電圧監視部８の電圧検出回路に接続されている。セル電圧監視部８からは、電圧検出回路で検出された特定セル５２１の電圧値を表す電圧情報が信号ラインＥ４を介して制御部９の検知処理部９ａに供給される。

さらに、セル電圧監視部８の電圧検出回路が接続された特定セル５２１には、アノード流路板２２及びカソード流路板２４に入力端子２２Ｂ，２４Ｂが設けられている。この入力端子２２Ｂ，２４Ｂが電流供給ラインＥ７を介して外部電力供給部１３の電流回路に電気的に並列に接続される。

図１３は、第４の実施形態におけるシステムの処理手順を示したものである。この図１３を参照して、制御部９の制御動作について説明する。

制御部９において制御動作が開始されると（ステップＳ２１）、検知処理部９ａは特定セル５２１のセル電圧を測定する（ステップＳ２２）。この指示にしたがって、セル電圧監視部８は、特定セル５２１のセル電圧を個別に検知する（ステップＳ２３）。そして、データベース９ｂ内に予め蓄えられたセル電圧データベース９ｂ−２１をもとに、測定した各セルの電圧が所定の範囲にあるか否かを判定する（ステップＳ２４）。セル電圧データベース９ｂ−２１には、セルが正常に発電していると判断される電圧範囲（上限値及び下限値の少なくとも一方）を示した情報が予め記憶されている。全ての特定セル５２１の電圧が所定の範囲にある場合、検知処理部９ａはステップＳ１２に移行し、特定セル５２１の電圧の測定を繰り返し行う（ステップＳ２４：ＹＥＳ）。

一方、特定セル５２１の電圧が所定の範囲にない場合（ステップＳ２４：ＮＯ）、検知処理部９ａは、電圧が所定の値にない特定セル５２１のみに対して、データベース９ｂ内に予め蓄えられた外部電力供給量データベース９ｂ−２２に基づいて、外部電力供給部１３からの電力供給指示を与える（ステップＳ２５）。外部電力供給量データベース９ｂ−２２には、測定されたセル電圧の値を外部電力供給部１３からの電力（電流）の供給量に換算するための情報が予め記憶されている。これにより、特定セル５２１のうち、電圧が所定の範囲にない特定セル５２１のみに対して、電気的に並列に接続した外部電力供給部１３から電力供給が行われる（ステップＳ２８）。

通常、発電部５０に含まれるセルは、全てが同じ特性を有するとは限らず、燃料、空気の供給状態、セル温度、その他劣化等によって、同一負荷の条件下でセル電圧にバラツキが生じる。セル電圧が極端に低下したセルがある場合、そのセル電圧に基づいて負荷電流を低下させてしまうと、発電量が低下する問題がある。

上記第４の実施形態の手法では、特定セル５２１の個別の電圧を検知し、その電圧値に応じて外部電力を供給するため、特定セル５２１のうち、セル電圧が極端に低下したセルから取り出す負荷を任意に調整可能となる。よって、セル電圧が極端に低下したセルのみ発電量が低下しても、発電部５０全体の発電量を低下させることがない。

なお、この発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１０１…第１の実施形態の燃料電池システム、２…補器類、３…燃料タンク、４…燃料供給部、５…発電部、６…空気供給部、７…負荷調整部、８…セル電圧監視部、９…制御部、９ａ…検知処理部、９ｂ…データベース、１０…電力調整部、１１…負荷電力、５０…セル積層構造、５１…特定セル、１２…アノード集電板、１３…外部電力供給部、１４…カソード集電板、１８Ａ，１８Ｂ…締め付け板、１９Ａ，１９Ｂ…固定具、２０…膜電極接合体（ＭＥＡ）、２２…アノード流路板、２４…カソード流路板、２２Ａ，２４Ａ…出力端子、２６…ガスケット、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…供給ライン、Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ８…信号ライン、Ｅ６１，Ｅ６２…電流配線ライン、Ｅ７…電流供給ライン、９ｂ−１…クロスオーバー換算データベース、９ｂ−２…クロスオーバー供給量制御データベース、１０２…第２の実施形態の燃料電池システム、Ｅ７０，Ｅ８０…信号ライン、１０３…第３の実施形態の燃料電池システム、８１…セル温度監視部、Ｅ４０…信号ライン、９ｂ−１１…セル温度データベース、９ｂ−１２…外部電力供給量データベース、９ｂ−２１…セル電圧データベース、９ｂ−２２…外部電力供給量データベース。

Claims (11)

1. 積層された複数のセルを有する発電部と、
   前記セルに燃料を供給する、燃料供給量が調整可能な燃料供給部と、
   前記複数のセルのうち少なくとも一つの特定セルの出力電圧を監視する電圧監視部と、
   前記特定セルに電力を一時的に供給する電力供給部と、
   前記電力が前記特定セルに供給された後に現れる前記出力電圧の最小値と、前記出力電圧が最小値となった後の前記出力電圧の応答値との電圧差を検知し、前記電圧差に応じて前記燃料供給量を制御する制御部と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記応答値は、前記出力電圧が最小値に達した後に略一定に維持される定常値に相当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. 前記応答値は、前記出力電圧が最小値に達した後に現れる最大値に相当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。
4. 前記制御部は、前記発電部から取り出す負荷を一定にした状態で、前記特定セルに前記電力を供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記電力供給部は、キャパシタ又は二次電池を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 積層された複数のセルを有する発電部と、
   前記複数のセルのうち少なくとも一つの特定セルの温度を監視する温度監視部と、
   前記特定セルに電力を一時的に供給する電力供給部と、
   前記温度に応じて前記特定セルに前記電力を供給する制御部と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。
7. 前記特定セルは、前記発電部の端部のセル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. 前記制御部は、前記温度が基準値以下の場合に前記電力供給部から前記特定セルに前記電力を供給することを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池システム。
9. 積層された複数のセルを有する発電部と、
   前記複数のセルのうち少なくとも一つの特定セルの電圧を監視する電圧監視部と、
   前記特定セルに電力を一時的に供給する電力供給部と、
   前記電圧に応じて前記特定セルに前記電力を供給する制御部と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。
10. 前記制御部は、前記電圧が基準値以下の場合に前記特定セルに前記電力を供給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。
11. 積層された複数のセルを有する発電部と、
    前記複数のセルのうち少なくとも一つの特定セルに電力を一時的に供給する電力供給部と
    を具備することを特徴とする燃料電池。

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