JP2015011940A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素を発生させる反応容器内の圧力変動幅を小さくすることができ、しかも外部への安定した電力が出力可能な発電装置を提供する。
【解決手段】反応液１ａを加圧して排出する加圧容器１と、反応液１ａと反応して水素を発生させる水素発生剤２ａを気密状態で収容する反応容器２と、アノード３ａに供給された水素で発電を行う燃料電池３と、出力制御部の制御により燃料電池３からの出力が変動した際に、外部への出力を補うことが可能な蓄電手段３１と、前記出力制御部を制御する制御手段２１と、を備えている。制御手段２１は、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力から加圧容器圧検出器２２ｂで検出された圧力を減じた圧力差などに基づいて、燃料電池３からの出力が変化するように出力制御部を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応液を加圧して排出する加圧容器から反応液を供給しつつ、その反応液と水素発生剤との反応で発生させた水素を燃料電池に供給して発電を行う発電装置に関する。

水素発生剤と反応液との反応で発生させた水素を燃料電池に供給して発電を行う発電装置としては、例えば、下記特許文献１に開示されている。特許文献１の発電装置は、一方の表面から燃料ガスが供給され、他方の表面から酸素が供給されることで発電を行なう複数の発電セルと、その複数の発電セルを前記一方の表面を内部に向けて保持することで、前記複数の発電セルと共に内部空間を形成するセル保持体と、そのセル保持体の前記内部空間に配置され、燃料ガスを発生させる燃料発生部と、を備えるものである。

この発電装置では、燃料発生部において最初に反応液を水素発生剤に供給した後、一定の速度で水素を発生させることで発電を行う方式を採用しており、電力消費量に応じで水素発生量を制御する方式は採用されていなかった。

一方、電力消費量に応じた水素発生を簡易な装置構成で行える技術として、例えば、下記特許文献２に開示された発電装置が挙げられる。特許文献２の発電装置は、反応液を加圧して排出する加圧容器と、加圧容器から供給される反応液と反応して水素を発生させる水素発生剤を収容する反応容器と、発生した水素をアノード側供給部から供給して発電を行う燃料電池とを備えている。この発電装置では、燃料電池により水素が消費されると、反応容器内の圧力が下がることで、自然に反応液が反応容器に供給される。また、反応容器から排出される水素を加圧容器に供給することで、加圧容器内の圧力を一定以上に保つ方式が採用されている。

国際特開ＷＯ２００９／１２２９１０号公報 国際特開ＷＯ２００６／１０１２１４号公報

しかしながら、特許文献２の発電装置では、加圧容器内の圧力と反応容器内の圧力との関係を積極的に調節する機構が存在しないため、両者の圧力の関係に応じて、反応液の供給量が自然に変動するので、反応容器内の圧力変動幅が大きくなる傾向がある。その結果、水素の供給圧力が極端に小さくなることで、十分な水素が供給されずに燃料電池からの出力が停止するという問題があった。また、水素の供給圧力が極端に大きくなることで、安全弁を介して水素を大気放出せざるを得ない状況が生じる場合があった。

そこで、本発明の目的は、水素を発生させる反応容器内の圧力変動幅を小さくすることができ、しかも外部への安定した電力が出力可能な発電装置を提供することにある。

上記目的は、以下の如き本発明により達成できる。

即ち、本発明の発電装置は、
内部空間の圧力により反応液を加圧して排出する加圧容器と、
前記加圧容器から反応液が供給され、その反応液と反応して水素を発生させる水素発生剤を気密状態で収容する反応容器と、
その反応容器内の圧力を検出する反応容器圧検出器と、
水素が供給されるアノード側供給部を有し、アノードに供給された水素で発電を行う燃料電池と、
前記反応容器に接続され前記アノード側供給部に水素を供給する水素供給経路と、
前記反応容器に連通し、水素の流入を許容する逆止弁を介して前記加圧容器に接続された加圧用経路と、
前記燃料電池からの出力を制御する出力制御部と、
前記反応容器圧検出器で検出された反応容器圧力と関連付けて、前記出力制御部を制御する制御手段と、
前記出力制御部の制御により前記燃料電池からの出力が変動した際に、外部への出力を補うことが可能な蓄電手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明の発電装置によると、加圧容器内の圧力と反応容器内の圧力との差により、加圧容器から反応液が供給されて、反応容器内で水素が発生し、水素を燃料とする燃料電池により発電が行われる。その際、制御手段による制御として、反応容器圧検出器で検出された反応容器圧力と関連付けて、前記出力制御部を制御することにより、反応容器圧力を維持する方向で発電装置の制御を行なうことができる。つまり、反応容器圧力が低下傾向にある場合には、水素の消費量が比較的大きい状態となるが、燃料電池からの出力を低下させる制御により、反応容器圧力がより低下するのを抑制することができる。その結果、水素を発生させる反応容器内の圧力変動幅を小さく抑制することができる。そして、燃料電池からの出力が変化した際に、外部への出力を補うことが可能な蓄電手段を備えるため、外部への安定した電力が出力可能となる。

更に、前記反応容器に連通し、水素の流入を許容する逆止弁を介して前記加圧容器に接続された加圧用経路を備えることで、加圧容器内の圧力より反応容器内の圧力が大きくなった際に、加圧容器に水素を供給することができ、加圧容器内の圧力が一方的に減少して加圧できなくなる状態を防止することができる。

上記において、前記制御手段は、前記反応容器圧力が特定の低い値又は特定の減少傾向である場合に、前記燃料電池からの出力が低下するように前記出力制御部を制御するものであることが好ましい。

このような制御において、反応容器圧力が特定の低い値又は特定の減少傾向の場合には、水素の消費量が比較的大きい状態となるが、燃料電池からの出力を低下させる制御により、反応容器圧力がより低下するのを抑制することができる。特に、反応容器圧力の変動が特定の減少傾向である場合に、前記制御を行なうようにすると、より早いタイミングで反応容器圧力の低下を抑制できるため、制御の応答性がより良好になる。

あるいは、前記加圧容器内の圧力を検出する加圧容器圧検出器を更に備えると共に、前記制御手段は、前記反応容器圧力から前記加圧容器圧検出器で検出された圧力を減じた圧力差に基づいて、前記圧力差が特定の低い値又は特定の減少傾向である場合に、前記燃料電池からの出力が低下するように前記出力制御部を制御するものであることが好ましい。このような制御において、前記圧力差が特定の低い値又は特定の減少傾向の場合には、水素の消費量が比較的大きい状態となるが、燃料電池からの出力を低下させる制御により、反応容器圧力がより低下するのを抑制することができる。特に、圧力差の変動が特定の減少傾向である場合に、前記制御を行なうようにすると、より早いタイミングで反応容器圧力の低下を抑制できるため、制御の応答性がより良好になる。

上記において、前記制御手段は、前記圧力差の変動に基づいて、その変動が特定の減少傾向である場合に、前記燃料電池からの出力が低下するように前記出力制御部を制御し、前記変動が特定の増加傾向である場合に、前記燃料電池からの出力が増加するように前記出力制御部を制御することが好ましい。変動が特定の減少傾向の場合には、水素の消費量が比較的大きい状態となるが、燃料電池からの出力を低下させる制御により、変動の減少傾向を抑制することができる。また、逆の場合にも、変動の増加傾向を抑制することができ、その結果、水素を発生させる反応容器内の圧力変動幅を小さく抑制することができる。また、圧力差等の変動に基づいて制御を行うことで、圧力差の値を用いる場合と比較して、より早いタイミングで反応容器圧力又は圧力差の絶対値が小さくなるような制御が可能となるため、水素を発生させる反応容器内の圧力変動幅を小さくして、より安定した発電装置の運転が可能となる。また、外部出力の負荷の変動が大きい場合でも、圧力差の変動幅を小さく抑制することができる。

また、前記加圧容器内の圧力を検出する加圧容器圧検出器を更に備えると共に、前記制御手段は、前記加圧容器圧検出器で検出された圧力が設定した下限値以下となった場合に前記燃料電池からの出力を停止又は５０％以下まで減少させ、前記加圧容器圧検出器で検出された圧力が設定した上限値以上となった場合に前記燃料電池からの出力を回復するように前記出力制御部を制御することが好ましい。このような制御を行って、燃料電池からの出力を一時的に停止又は５０％以下まで減少させることで、反応容器内の圧力を積極的に増加させることができ、その結果、加圧容器内の圧力をより確実に上限値以上まで回復することができる。

また、前記出力制御部は、前記燃料電池の出力が入力されて定電流出力が可能な直流電圧変換器を有し、その直流電圧変換器の設定電流値を変化させることで、前記燃料電池からの出力を制御することが好ましい。このように設定電流値を変化させることで、より確実に水素の消費量を制御することができる。また、定電流出力が可能な直流電圧変換器を用いることで、内部二次電池や内蔵負荷そして外部出力とバランスを可変にすることが可能となり、燃料電池の活性状態や二次電池の残容量など様々な状況に応じて、出力比率選択が可能となる。

上記において、前記直流電圧変換器は出力側の負荷に応じて出力電圧が変動するものであり、前記直流電圧変換器からの出力電圧と前記蓄電手段の出力電圧との関係を利用して前記蓄電手段の充放電が行われることが好ましい。このように、直流電圧変換器からの出力電圧が変動する場合、直流電圧変換器からの出力電圧と前記蓄電手段の出力電圧との差が一定範囲内の場合には燃料電池と蓄電手段との両者から外部への出力が行われ、蓄電手段からの出力電圧がその範囲を超えて大きい場合には、蓄電手段から外部への出力が優先的に行われ、蓄電手段からの出力電圧がその範囲を超えて小さい場合には、蓄電手段への充電と燃料電池からの出力が行われる。

また、発電装置の使用開始時において、前記反応容器に反応液を供給可能な別の反応液供給器を更に備えることが好ましい。このような反応液供給器により、発電装置の使用開始時に反応容器に反応液を供給することで水素発生と発電が行えるようになるため、簡易な方法で発電装置を起動させることができる。

本発明の発電装置の一例を示す概略構成図 本発明の発電装置における燃料電池の一例を示す断面図 本発明の第１実施形態の発電装置における制御（運転ルーチン）の一例を示すフローチャート 本発明の第２実施形態の発電装置における制御（運転ルーチン）の一例を示すフローチャート 本発明の第３実施形態の発電装置における制御（運転ルーチン）の一例を示すフローチャート 本発明の第４実施形態の発電装置における制御（運転ルーチン）の一例を示すフローチャート 本発明の発電装置における制御（起動ルーチン）の一例を示すフローチャート 実験例１における結果を示すグラフ 実験例２における結果を示すグラフ 実験例３における結果を示すグラフ

本発明の発電装置には、制御の形態が異なる第１実施形態〜第４実施形態が存在する。第１実施形態では、反応容器圧検出器で検出された圧力から前記加圧容器圧検出器で検出された圧力を減じた圧力差の変動傾向に基づいて制御を行うのに対して、第２実施形態では、圧力差の値そのものに基づいて制御を行う点が相違している。第３実施形態では、反応容器圧検出器で検出された圧力の変動傾向に基づいて制御を行うのに対して、第２実施形態では、当該圧力の値そのものに基づいて制御を行う点が相違している。以下、各実施形態を分けて説明する。

（第１実施形態）
本発明の発電装置は、図１に示すように、内部空間の圧力により反応液１ａを加圧して排出する加圧容器１と、加圧容器１から反応液１ａが供給され、反応液１ａと反応して水素を発生させる水素発生剤２ａを気密状態で収容する反応容器２と、水素を供給するアノード側供給部３ｄを有し、アノード３ａに供給された水素で発電を行う燃料電池３とを備えている。

また、本発明の発電装置は、加圧容器１から排出される反応液１ａを反応容器２に供給する反応液供給路４と、反応容器２に接続され反応容器２から排出される水素をアノード側供給部３ｄに供給する水素供給路５とを備えている。本実施形態では、水素供給経路５から分岐し、水素の流入を許容する逆止弁６ａを介して加圧容器１に接続された加圧用経路６を更に備える例を示す。

加圧容器１は、内部に収容した反応液１ａを加圧して排出する構造であればよく、密閉容器内に、直接反応液１ａを収容する形態でも、内部に設けた別の容器を介して反応液１ａを収容する形態でもよい。反応液としては、水素発生剤２ａと反応して水素を発生させるものであればよく、中性の水、酸水溶液、アルカリ水溶液などが用いられる。

膨張可能又は変形可能な内部容器を用いる場合、ゴム製や樹脂製などの袋、蛇腹部を有する容器、シリンジ型容器などが挙げられる。また、これらにバネ、弾性体などの付勢手段を組み合わせたものでもよい。

加圧容器１内の圧力は、大気圧以上であればよいが、好ましくはゲージ圧として、５００ｋＰａ以下の一定範囲、より好ましくは３００ｋＰａ以下の一定範囲で制御されていることが望ましい。このような圧力の制御は、系内に設ける安全弁の圧力設定によって制御することができる。また、本実施形態のように、圧力レギュレータ５ａを設けて、圧力制御を、二次側の圧力に応じた弁の開閉によって、二次側の圧力一定以下に制御する圧力レギュレータ５ａを用いて行ってもよい。圧力レギュレータ５ａの二次側の設定圧力としては、例えば１００〜２００ｋＰａ（特に１２０ｋＰａ）が挙げられる。

反応液供給路４は、加圧容器１から排出される反応液１ａを反応容器２に供給するものであるが、反応液供給路４には、反応液１ａの流量を制限する流量制限部を有することが好ましい。これにより、圧力差により供給される反応液１ａの流量を適度に調整することができる。

流量制限部としては、反応液１ａの流量を制限できるものであればよく、開度調整が可能なものでもよいが、流量制限の性能の再現性を高める観点から、開度が固定されているものが好ましい。

流量制限部としては、具体的には、直径又は断面が一定の細管を用いることが好ましく、細管の内径又は内面積と長さによって、流動抵抗（圧力損失）を調節することができる。なお、反応液供給路４の配管を長さや太さを調整することにより、同様の流量制限を行うことが可能である。

流量制限部によって制限される反応液１ａの流量は、発電量や使用する水素発生剤などに応じて決定される。

反応容器２は、反応液１ａと反応して水素を発生させる水素発生剤２ａを収容するものである。反応容器２としては、密閉容器が用いられるが、水素発生剤２ａを収容する際に、開閉可能なものが好ましい。なお、反応容器２としては、水素発生剤２ａの反応でアルカリが生じる場合があるため、耐アルカリ性を有する材料を用いるのが好ましい。

反応容器２の容積は、反応時の水素発生剤２ａの膨張を考慮しつつ、初期の空気の量を減らす観点から、水素発生剤２ａの体積の１．２〜３倍が好ましく、１．５〜２倍がより好ましい。

水素発生剤２ａとしては、粒状等の水素発生物質を単独で使用する（樹脂包埋せずに使用する）ことも可能であるが、反応液との反応速度を制御する観点から、樹脂の母材中に粒状の水素発生物質を含有するものが好ましい。その際、使用する樹脂としては、反応を適度に調整する観点から、水溶性樹脂以外のものが好ましい。

水素発生物質としては、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化カリウム、水素化リチウムアルミニウム、水素化アルミニウムナトリウム、又は水素化マグネシウムなどの水素化金属、アルミニウム、鉄、マグネシウム、カルシウム等の金属、水素化ホウ素化合物等の金属水素錯化合物などが挙げられる。中でも、水素化金属が好ましく、特に水素化カルシウムが好ましい。水素化金属化合物、金属、金属水素錯化合物は、何れかを複数組み合わせて使用することもでき、また、それぞれを組み合わせて使用することも可能である。

即ち、水素発生剤としては、水溶性樹脂を除く樹脂の母材中に、粒状の水素化カルシウム（ＣａＨ_２）を含有するものが特に好ましい。この水素発生剤では、粒状の水素化カルシウムが樹脂のマトリックス中に分散又は埋設された状態となり、これにより、水素化カルシウムの反応性が抑制され、水との反応の際の取り扱い性が改善される。また、水素発生物質として水素化カルシウムを使用することで、水等との反応性が高くなり、水等と反応した際に生成する反応物（水酸化カルシウム）の体積膨張率が高くなるため、樹脂母材を崩壊させる作用が大きくなり、水等との反応が自然に内部まで進行し易くなる。

水素発生物質の含有量は、好ましくは水素発生剤中６０重量％以上であるが、保形性を維持しつつ反応の際に樹脂母材を崩壊させる観点から、水素発生剤中、６０〜９０重量％であることが好ましく、７０〜８５重量％がより好ましい。

粒状の水素発生物質の平均粒径は、樹脂中への分散性や反応を適度に制御する観点から、１〜１００μｍが好ましく、６〜３０μｍがより好ましく、８〜１０μｍが更に好ましい。

水素化カルシウムに他の水素発生物質を添加する場合、その水素発生物質の含有量は、水素発生剤中、０〜２０重量％が好ましく、０〜１０重量％がより好ましく、０〜５重量％が更に好ましい。

樹脂としては、好ましくは水溶性樹脂以外のものが使用され、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、耐熱性樹脂などが挙げられるが、熱硬化性樹脂が好ましい。熱硬化性樹脂を使用することで、一般的に樹脂母材がもろくなり易く、反応の際に樹脂母材がより容易に崩壊して、反応が自然に進行し易くなる。

なお、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル、ポリアミドなどが挙げられる。また、耐熱性樹脂としては、芳香族系のポリイミド、ポリアミド、ポリエステルなどが挙げられる。

熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、または熱硬化性ポリイミド樹脂等が挙げられる。なかでも、水素発生反応中に樹脂母材が適度な崩壊性を有する観点から、エポキシ樹脂が好ましい。熱硬化性樹脂を硬化させる際には、必要に応じて硬化剤や硬化促進剤などが適宜併用される。

樹脂の含有量は、好ましくは４０重量％未満であるが、保形性を維持しつつ反応の際に樹脂母材を崩壊させる観点から、水素発生剤中、５〜３５重量％が好ましく、１０〜３０重量％がより好ましい。

用いられる水素発生剤には、上記の成分以外の任意成分として、触媒、充填材、などのその他の成分を含有してもよい。触媒としては、水素発生剤用の金属触媒の他、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウムなどのアルカリ化合物も有効である。

水素発生剤２ａは、多孔質化された構造でもよいが、実質的に中実の構造が好ましい。つまり、本発明の水素発生剤は、空孔率（％）＝空孔体積／全体積×１００が５％以下が好ましく、２％以下がより好ましく、１％以下が更に好ましい。用いられる水素発生剤は、シート状、粒状（粉砕物）、塊状（成形品）など何れの形状でもよいが、粉砕を行う場合、その粒径は、１〜１０ｍｍが好ましく、２〜５ｍｍがより好ましい。

水素供給路５は、反応容器２から排出される水素を燃料電池３のアノード側供給部３ｄに供給するものであり、水素供給路５には反応容器２内の圧力を検出する反応容器圧検出器２２ａが設けられている。本発明において、反応容器圧検出器２２ａは、反応容器２内の圧力を検出可能であればよく、反応容器２内においてその圧力を測定する場合の他、反応容器２に連通する経路などにおいて圧力を測定する場合を含んでいる。

反応容器圧検出器２２ａとしては、気体の圧力をダイヤフラム（ステンレスダイヤフラム、シリコンダイヤフラム、など）を介して、感圧素子で計測し、電気信号に変換し出力する圧力センサ等が使用できる。代表的な、圧力センサとしては、半導体ピエゾ抵抗拡散圧力センサ、静電容量形圧力センサなどが挙げられる。

本実施形態では、更に水素供給路５に、前述した圧力レギュレータ５ａと、一定以上の圧力でガスを開放する安全弁５ｂと、より低圧に設定される圧力レギュレータ５ｃと第１電磁弁２３ｃとを有する例を示す。

本発明では、発生した水素から、不純物であるアンモニアを除去するために、水素供給路５にアンモニア除去剤を設けてもよい。具体的には、シート状のアンモニア除去剤を容器内に充填したものを使用することができる。このようなアンモニア除去剤は、シート状に形成されたものが市販されているが、粒状の吸着剤等を通気性の袋に収容したものを使用することも可能である。

アンモニア除去剤としては、例えば、水素中のアンモニアを吸着除去する吸着剤（吸着・分解や反応吸着などの化学吸着を含む）、アンモニアを溶解除去する吸収剤、アンモニアを反応により除去する反応剤、アンモニアを分解（加熱分解・触媒反応分解等）により除去する分解手段、などが挙げられるが、アンモニアを物理吸着又は化学吸着により除去する吸着剤を備えることが好ましい。

中でも吸着剤が、物理吸着又は化学吸着によりアンモニアを除去するものであることがより好ましく、固体酸、活性炭（固体酸に相当するものを除く）、ゼオライト（固体酸に相当するものを除く）、及びモレキュラーシーブからなる群から選ばれる１種以上であることが更に好ましい。中でも、アンモニアの吸着除去能力やより高温で吸着可能な観点から、固体酸を用いることが好ましい。

固体酸としては、固体酸自体が粒状であるものや、粒状体に固体酸や液体酸を担持させたものなどがあるが、活性炭に金属塩を担持したものがコストや製造性などの観点からより好ましい。金属塩としては、硫酸塩、リン酸塩、塩化物塩、硝酸塩が挙げられ、塩を形成する金属としては、金属塩として酸性を示す金属が好適に使用できる。

活性炭（固体酸に相当するものも含む）としては、ＧＷ４８／１００、ＧＷ−Ｈ４８／１００、ＧＧ１０／２０、２ＧＧ、ＧＬＣ１０／３２、２ＧＳ、ＧＷ１０／３２、ＧＷ２０／４０、ＫＬＹ１０／３２、ＫＷ１０／３２、ＫＷ２０／４２（以上、クラレケミカル（株）製）、ＳＷＷＢ剤（アルカリ用）、ＷＢ剤、Ｓ剤（酸用）（以上、アニコジャパン（株）製）、４Ｔ−Ｂ、４Ｔ−Ｃ、４Ｇ−Ｈ、４ＳＡ、２ＧＳ、ＧＷ２０／４０４２（以上、クラレケミカル（株）製）などが挙げられ、好ましくは４Ｔ−Ｂ、ＳＷＷＢ剤（アルカリ用）、ＷＢ剤である。

ゼオライトとしては、ＢＸ、ＨＩＳＩＶ、Ｒ−３（以上、ユニオン昭和（株）製）などが挙げられ、好ましくはＢＸである。

モレキュラーシーブとしては、ゼオラムＡ−３、ゼオラムＡ−４（以上、東ソー（株）製）などが挙げられ、好ましくはゼオラムＡ−４である。

安全弁５ｂは、一定以上の圧力でガスを開放するものであれば何れのものも使用可能である。小型化及び軽量化を図る観点から、安全弁５ｂとしては、アンブレラ型、ダックビル型、金属製のボールバルブ型などの弁を用いることが好ましい。なお、安全弁５ｂの設定圧力は、系の耐圧性に応じて決定されるが、例えば３０〜５００ｋＰａ（特に２２０ｋＰａ）程度に設定される。

より低圧の圧力レギュレータ５ｃは、二次側の圧力に応じた弁の開閉によって、二次側の圧力一定以下に制御するものであり、その設定圧力としては、例えば１０〜１００ｋＰａ（特に３０ｋＰａ）が挙げられる。

燃料電池３は、アノード３ａに供給された水素で発電を行うものであり、水素を供給するアノード側供給部３ｄを有している。燃料電池３には、ガスを排出するアノード側排出部３ｅを設けるのが好ましい。燃料電池３としては、水素を供給して発電を行うものが何れも使用できる。本発明では、スタック型の燃料電池を使用することも可能であるが、装置の小型化・軽量化の観点から、単位セルを平面状に配置したものが好ましい。なお、燃料電池３は、複数の単位セルを備えるものでよく、その場合、単位セル同士は接続部により直列又は並列に電気的に接続される。本実施形態では、単位セルが２７個直列に接続されたものが２系統並列接続されることで、電圧１５．５〜２５．５Ｖ、電力２００Ｗを可能にしている。

燃料電池３を構成する単位セルは、例えば、固体高分子電解質層３ｂと、この固体高分子電解質層３ｂの両側に設けられた第１電極層３ａ及び第２電極層３ｃと、これら電極層３ａ，３ｃの更に外側に各々配置された第１導電層及び第２導電層とを有する。本実施形態では、図２に示すように、第１導電層及び第２導電層が、第１電極層３ａ及び第２電極層３ｃを部分的に露出させる露出部を有する第１金属層１４及び第２金属層１５とからなる例を示す。これらの各層は、インサート成形により樹脂で一体化されていることが好ましい。インサート成形により単位セルを製造する方法は、国際公開ＷＯ２００９／１４５０９０号公報に詳述されている。

本実施形態の燃料電池３では、図２に示すように、単数又は複数の単位セルのアノード側を覆うように、空間形成部３ｇが単位セルと一体的に設けられ、空間形成部３ｇの内部にアノードに水素を供給するための空間３ｆが設けられている。空間形成部３ｇの両側の側壁には、水素を供給するアノード側供給部３ｄ及びガスを排出するアノード側排出部３ｅが形成されている。

固体高分子電解質層３ｂとしては、従来の固体高分子膜型の燃料電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。

固体高分子電解質層３ｂの厚みは、薄くするほど全体の薄型化及び高出力化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、１５〜５０μｍが好ましい。

電極層３ａ，３ｃは、固体高分子電解質層３ｂの表面付近でアノード側およびカソード側の電極反応を生じさせるものであれば何れでもよい。なかでも、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガス、燃料液、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが好適に使用できる。電極層３ａ，３ｃとしては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質層３ｂと接する内面側に少なくとも担持させるのが好ましい。

電極層３ａ，３ｃの電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。また、固体高分子電解質層３ｂに触媒を直接付着させたり、カーボンブラックなどの導電性粒子に担持させて固体高分子電解質層３ｂに付着させた電極層３ａ，３ｃを用いることも可能である。

一般に、電極層３ａ，３ｃは、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。

一般に、電極層３ａ，３ｃや固体高分子電解質層３ｂは、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いる。

空気が自然供給される側のカソード側の第２電極層３ｃ（本明細書では、アノード側を第１電極層、カソード側を第２電極層と仮定する）では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。

触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。

電極層３ａ，３ｃの厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１〜５００μｍが好ましく、１００〜３００μｍがより好ましい。電極層３ａ，３ｃと固体高分子電解質層３ｂとは、予め接着、融着、又は塗布形成等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、膜／電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用してもよい。

アノード側電極層３ａの表面にはアノード側の第１金属層１４が配置され、カソード側電極層３ｃの表面にはカソード側の第２金属層１５が配置される（本明細書では、アノード側を第１金属層、カソード側を第２金属層と仮定する）。第１金属層１４は、第１電極層３ａを部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、アノード側金属層１４には燃料ガス等を供給するための開孔が設けられている例を示す。

第１金属層１４の露出部は、アノード側電極層３ａが露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。アノード側金属層１４の開孔１４ａは、例えば、規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開孔を設けてもよい。開孔部分の面積が締める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。

また、カソード側の第２金属層１５は、第２電極層３ｃを部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、カソード側金属層１５には、空気中の酸素を供給（自然吸気）するための多数の開孔１５ａが設けられている例を示す。開孔の形状、大きさ、開孔率等は、アノード側の第１金属層と同様である。

金属層としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、導電性、コスト、形状付与性、加圧のための強度などの観点から、銅、銅合金、ステンレス板などが好ましい。また、上記の金属に金メッキなどの金属メッキを施したものでもよい。

なお、金属層の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、導電性、コスト、重量、形状付与性、加圧のための強度などを考慮すると、１０〜１０００μｍが好ましく、５０〜２００μｍがより好ましい。

第１金属層１４及び第２金属層１５は、少なくとも一部が樹脂から露出することにより、その部分を電極として電気を外部に取り出すことができる。このため、樹脂成形体に対して、第１金属層１４及び第２金属層１５を一部露出させた端子部を設けてもよい。金属層の形成や開孔の形成は、プレス加工（プレス打ち抜き加工）を利用して行うことができる。

本実施形態において、燃料電池３のアノード側排出部３ｅには、ガス排出経路が接続されており、ガス排出経路には検知セル２６と、排出制御弁である第２電磁弁２３ｂとが設けられている。検知セル２６は、単数又は少数の単位セルからなる燃料電池であり、ガス排出経路に十分な水素が存在するかを検知するための水素検知器である。

加圧用経路６は、圧力レギュレータ５ａと圧力レギュレータ５ｃとの間に介在する水素供給経路５から分岐しており、水素の流入を許容する逆止弁６ａを介して加圧容器１に接続される。本実施形態においては、加圧容器１内の圧力を検出する加圧容器圧検出器２２ｂが設けられるが、図示した例では、これが加圧用経路６に設けられている。本実施形態において、加圧容器圧検出器２２ｂは、加圧容器１内の圧力を検出可能であればよく、加圧容器１内においてその圧力を測定する場合の他、加圧容器１に連通する経路などにおいて圧力を測定する場合を含んでいる。

加圧容器圧検出器２２ｂは、反応容器圧検出器２２ａと同様に、気体の圧力をダイヤフラム（ステンレスダイヤフラム、シリコンダイヤフラム、など）を介して、感圧素子で計測し、電気信号に変換し出力する圧力センサ等が使用できる。代表的な、圧力センサとしては、半導体ピエゾ抵抗拡散圧力センサ、静電容量形圧力センサなどが挙げられる。

本実施形態では、加圧用経路６に第３電磁弁２３ｃが設けられており、起動時に加圧用経路６内の空気を排出できる例が示されている。第１電磁弁２３ａ〜第３電磁弁２３ｃを用いた起動ルーチンについては、後に詳述する。

逆止弁６ａとしては、気体の一方向の流動のみを許容する弁であれば何れのものも使用可能である。ただし、装置全体の小型化を図る上で、一次側が二次側の圧力より大のときに開口し、小のときには閉口するくちばし状の弾性部材を備える逆止弁が好ましい。このような逆止弁６ａは、ダックビルと呼ばれており、各種のものが市販されている。ボールバルブを用いた小型の逆止弁もシステムの小型化には有効である。

本発明では、図１に示すように、燃料電池３からの出力を制御する出力制御部を備えている。本実施形態では、出力制御部が、燃料電池３の出力が入力されて定電流出力が可能な直流電圧変換器２８を有し、その直流電圧変換器２８の設定電流値を変化させることで、燃料電池３からの出力を制御する例を示す。このような直流電圧変換器２８としては、例えば市販のチップと推奨回路によって構成された、ＤＣ／ＤＣ昇圧回路が採用できる。

本発明の発電装置は、前記出力制御部を制御する制御手段２１と、出力制御部の制御により燃料電池３からの出力が変動した際に、外部への出力を補うことが可能な蓄電手段３１とを備えている。また、本実施形態では、蓄電手段３１の出力電圧に応じて、燃料電池３からの出力と蓄電手段３１からの出力とのバランスや、蓄電手段３１の充放電の制御を行う例を示す。

本発明における制御手段２１は、反応容器圧検出器２２ａで検出された反応容器圧力Ｐ_Ｈと関連付けて、前記出力制御部を制御するものである。「反応容器圧力Ｐ_Ｈと関連付けて」とは、制御の因子として反応容器圧力Ｐ_Ｈが含まれていることを意味し、例えば、反応容器圧力Ｐ_Ｈそのものの値若しくはその微分値、または、圧力Ｐ_Ｈから加圧容器圧検出器２２ｂで検出された圧力Ｐ_Ｗを減じた圧力差ΔＰ（＝Ｐ_Ｈ−Ｐ_Ｗ）そのものの値若しくはその微分値を利用した制御が含まれる。

例えば、本発明における制御には、反応容器圧力Ｐ_Ｈが特定の低い値又は特定の減少傾向である場合に、燃料電池３からの出力が低下するように前記出力制御部を制御する場合（第３〜第４実施形態）と、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力Ｐ_Ｈから加圧容器圧検出器２２ｂで検出された圧力Ｐ_Ｗを減じた圧力差ΔＰ（＝Ｐ_Ｈ−Ｐ_Ｗ）に基づいて、その圧力差ΔＰが特定の低い値又は特定の減少傾向である場合に、燃料電池３からの出力が低下するように前記出力制御部を制御する場合（第１〜第２実施形態）とが存在する。

第１実施形態では、図３Ａに示すように、圧力差ΔＰ（＝Ｐ_Ｈ−Ｐ_Ｗ）の変動に基づいて、その変動が特定の減少傾向である場合に、燃料電池３からの出力が低下するように出力制御部を制御し、前記変動が特定の増加傾向である場合に、燃料電池３からの出力が増加するように前記出力制御部を制御する。

本実施形態において、「特定の減少傾向」とは、減少傾向（即ち、ｄΔＰ／ｄｔ＜０、ｔは時間を示す）を示す状態のうち、ある状態より顕著な減少傾向を示す状態を指し、例えばｄΔＰ／ｄｔ＜−０．１ｋＰａ／秒（勿論、ｄΔＰ／ｄｔ＜０としてもよい）と定義することができる。同様に、「特定の増加傾向」とは、増加傾向（即ち、ｄΔＰ／ｄｔ＞０）を示す状態のうち、ある状態より顕著な増加傾向を示す状態を指し、例えばｄΔＰ／ｄｔ＞０．１ｋＰａ／秒（勿論、ｄΔＰ／ｄｔ＞０としてもよい）と定義することができる。勿論、「特定の減少傾向」と「特定の増加傾向」を多段階に分けて、各々の状態に応じた制御を行ったり、「特定の減少傾向」と「特定の増加傾向」を関数化して、関数による制御を行うことも可能である。

また、本実施形態では、制御手段２１が、圧力Ｐ_Ｈが設定した下限値以下となった場合に燃料電池３からの出力を停止又は５０％以下まで減少させ、圧力Ｐ_Ｈが設定した上限値以上となった場合に燃料電池３からの出力を回復するように前記出力制御部を制御する例を示す。圧力Ｐ_Ｈの下限値としては、例えば１０〜８０ｋＰａが挙げられ、圧力Ｐ_Ｈの上限値としては、例えば１００〜３００ｋＰａが挙げられる。

制御手段としては、上記の制御に関する演算と操作信号が出力可能であればよく、例えばマイコンユニット、プログラムシーケンサー、パソコン等が使用できる。以下、本実施形態の制御フローを図３Ａに基づいて説明する。

起動ルーチンで定義されたステップＳ２０を抜けた状態において、まず、ステップＳ１では、データのサンプリングが行われる。その対象としては、圧力Ｐ_Ｈ、圧力Ｐ_Ｗ、時刻、などが挙げられ、短時間で多数回（例えば２０回／秒）のサンプリングを行うことも可能である。また、多数回のサンプリングを行って平均値を算出して、ある時刻における圧力Ｐ_Ｈ、圧力Ｐ_Ｗのデータとすることも可能である。

ステップＳ２では、圧力差ΔＰの変動が、特定の減少傾向であるか、又は特定の増加傾向であるかが判断される。本実施形態では、ｄΔＰ／ｄｔ＜０を満たす場合に特定の減少傾向であると判断し、ｄΔＰ／ｄｔ＞０を満たす場合に特定の増加傾向であると判断する例を示す。

圧力差ΔＰの変動は、ステップＳ１の一定のサンプリング時間内において、圧力差ΔＰの変動を算出する方法でもよく、また、繰り返しルーチンの中でステップＳ１を繰り返す際に、先のステップＳ１での圧力差ΔＰを記録しておき、先の圧力差ΔＰと新たなサンプリングによる圧力差ΔＰとからの変動を算出する方法の何れでもよい。前者の場合には、例えば５〜１０秒の間のサンプリングを行って、最初の１秒間の平均の圧力差ΔＰと、最後の１秒間の平均の圧力差ΔＰとの差から、圧力差ΔＰの変動が、特定の減少傾向であるか、又は特定の増加傾向であるかを判断することができる。後者の場合には、例えば先の圧力差ΔＰと、サンプリングによる圧力差ΔＰとの差から、圧力差ΔＰの変動が、特定の減少傾向であるか、又は特定の増加傾向であるかを判断することかできる。

ステップＳ３は、ステップＳ２における判断が、特定の減少傾向である場合に実行され、出力制御部に対して、出力低下させる操作信号を出力する処理である。一方、ステップＳ４は、ステップＳ２における判断が、特定の増加傾向である場合に実行され、出力制御部に対して、出力増加させる操作信号を出力する処理である。

出力を低下又は増加させるときの操作信号としては、プロセス制御で一般的に行われる微分制御と同様の制御の他、ｄΔＰ／ｄｔの値に応じて、段階的に決定した出力の設定値の変動幅を利用する制御、ｄΔＰ／ｄｔの値を変数とする関数を利用する制御などが挙げられる。

何れのステップＳ３、Ｓ４においても、その後にステップＳ５が実行される。ステップＳ５は、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力Ｐ_Ｈが４０ｋＰａ以下であるか否かを判断する処理である。圧力Ｐ_Ｈが４０ｋＰａ以下である場合、ステップＳ６が実行される。

ステップＳ６は、燃料電池３の出力を停止する処理である。本発明では、この処理に代えて、燃料電池３からの出力を５０％以下の設定値まで減少させる処理を行うことも可能である。

ステップＳ７では、圧力Ｐ_Ｈが１２０ｋＰａ以上であるか否かを判断する処理である。圧力Ｐ_Ｈが１２０ｋＰａ以上である場合、ステップＳ８が実行され、１２０ｋＰａ未満である場合、ステップＳ９が実行される。

ステップＳ９は、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力Ｐ_Ｈのサンプリングを行う処理であり、必要に応じて待機時間を経た後に、再度、ステップＳ７からの処理が繰り返される。図示した例では、ステップＳ６で一旦、出力が停止されると、ステップＳ８で出力が開始されるまで、停止状態が継続するが、本発明では、例えば圧力Ｐ_Ｈのサンプリング後に、回復した圧力Ｐ_Ｈに応じて、燃料電池３からの出力を段階的に戻す処理を実行してもよい。ステップＳ７とステップＳ９とを繰り返す間に、一定時間が経過しても圧力Ｐ_Ｈが１２０ｋＰａ以上にならない場合には、水素発生による圧力回復機能なし（タイムアウト）と判断して、ステップＳ１０の停止ルーチンが実行される（図示省略）。

ステップＳ８では、燃料電池３からの出力が開始される。ステップＳ６で、出力を５０％以下の設定値まで減少させる処理を行っていた場合には、ステップＳ８では、燃料電池３からの出力が元の状態に回復される。

一方、ステップＳ５において、圧力Ｐ_Ｈが４０ｋＰａを超えると判断した場合、ステップＳ１１の充放電制御ルーチンが実行される。充放電制御ルーチンでは、蓄電手段３１の出力電圧に応じて、燃料電池３からの出力と蓄電手段３１からの出力とのバランスや、蓄電手段３１の充放電の制御を行うことができる。このような制御としては、例えば、蓄電手段３１の出力電圧が上限設定値（例えば２６．４Ｖ）以上の場合には、蓄電手段３１からの出力（放電）を優先的に行ない、蓄電手段３１の出力電圧が下限設定値（例えば２３．８Ｖ）以上で上限設定値（例えば２６．４Ｖ）以下の場合には、燃料電池３からの出力を優先的に行ない、蓄電手段３１の出力電圧が下限設定値（例えば２３．８Ｖ）以下の場合には、燃料電池３からの出力と蓄電手段３１の充電を行なうことが可能である。

蓄電手段３１からの出力（放電）を優先的に行なうモードでは、蓄電池充放電ユニット２９に対して、蓄電手段３１からの出力が最大設定値までは、抑制されない状態とすることで、蓄電手段３１からの放電が優先的に行われる。燃料電池３からの出力を優先的に行なうモードでは、蓄電池充放電ユニット２９に対して、蓄電手段３１からの出力が抑制される状態とすることで、燃料電池３からの出力が最大設定値までは、優先的に行われる。燃料電池３からの出力と蓄電手段３１の充電を行なうモードでは、直流電圧変換器２８が出力側の負荷に応じて直流電圧変換器２８の出力電圧が変動するものを使用し、直流電圧変換器２８からの出力電圧と蓄電手段３１の出力電圧との関係を利用して、蓄電手段３１の充放電が充放電ユニット２９により行われる。

また、上記の充放電制御ルーチンにおいて、蓄電手段３１の出力電圧が所定の電圧（例えば２２Ｖ）以下になった場合に、外部出力を停止する制御を行うことも可能である。また、これと同様に、圧力Ｐ_Ｈが１０ｋＰａ以下になった場合に、外部出力を停止する制御を行うことも可能である。

充放電制御ルーチンのステップＳ１１の後には、ステップＳ１からの処理が繰り返し実行される。その繰り返しルーチンにおいて、停止操作が入力された場合には、ステップＳ１０の停止ルーチンが実行される。外部負荷が無くなった場合（ＯＦＦ状態）にも、停止ルーチンが実行される。停止ルーチンでは、第３電磁弁２３ｃなどを利用して、反応容器２への反応液１ａの導入を停止すると共に、発生した水素を、燃料電池３で消費する処理が実行される。

次ぎに、図４に基づいて、ステップＳ２０の起動ルーチンについて説明する。この起動ルーチンによる処理を実行するために、燃料電池３のガス排出経路に接続された電圧検出のための検知セル２６と、燃料電池３の出力電圧を検出する回路が利用される。

本実施形態では、初期の起動時に、必要に応じて弁を設けた反応液導入路７を経由して、シリンジ等の反応液供給器を用いて、水等の反応液１ａを反応容器２内に導入する。反応液１ａの導入後には、反応容器２は密閉された状態となる。つまり、本発明では、発電装置の使用開始時において、反応容器２に反応液１ａを供給可能な別の反応液供給器を更に備えることが好ましい。

ステップＳ２１では、第１電磁弁２３ａの開操作と、第２電磁弁２３ｂの開操作と、第３電磁弁２３ｃの閉操作の信号を出力する処理が実行される。なお、操作信号のない状態（ノーマル）において、第１電磁弁２３ａは閉状態、第２電磁弁２３ｂは閉状態、第３電磁弁２３ｃは開状態であるものを使用するのが好ましい。

ステップＳ２２では、データのサンプリングが行われるが、このようなサンプリングは、判断を行う各処理の直前に各々行うことも可能である。サンプリングの対象としては、検知セル２６の電圧、圧力Ｐ_Ｈ、圧力Ｐ_Ｗ、燃料電池３の出力電圧などが挙げられる。

ステップＳ２３では、検知セル２６の電圧が２００ｍＶ以上であるか否かが判断される。電圧が２００ｍＶ以上である場合、ステップＳ２４が実行され、２００ｍＶ未満である場合、ステップＳ２５が実行される。

ステップＳ２４では、第２電磁弁２３ｂの閉操作の信号の出力が行われ、ステップＳ２５では、第２電磁弁２３ｂの開操作の信号の出力が行われる。何れの場合も、次のステップＳ２６に進む。

ステップＳ２６は、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力Ｐ_Ｈが４０ｋＰａ以下であるか否かを判断する処理である。圧力Ｐ_Ｈが４０ｋＰａ以下である場合、ステップＳ２７が実行され、第２電磁弁２３ｂの閉操作の信号の出力が行われる。圧力Ｐ_Ｈが４０ｋＰａを超える場合、ステップＳ２８が実行される。

ステップＳ２８は、圧力差ΔＰが１５ｋＰａ以上であるか否かを判断する処理である。圧力差ΔＰが１５ｋＰａ以上である場合、ステップＳ２９が実行され、第２電磁弁２３ｂの開操作の信号の出力が行われる。圧力差ΔＰが１５ｋＰａ未満の場合、ステップＳ３０が実行される。

ステップＳ３０は、燃料電池３の出力電圧が２２Ｖ以上であるか否かを判断する処理である。出力電圧が２２Ｖ以上である場合、ステップＳ３１が実行され、通常の運転ルーチンがスタートする。出力電圧が２２Ｖ未満の場合、ステップＳ２２移行の処理が繰り返して実行される。

なお、運転ルーチンがスタートする際には、発電状態を安定させるための待機時間（例えば３０秒程度）を設けてもよい。また、運転ルーチンがスタートする際の第１電磁弁２３ａ〜第３電磁弁２３ｃの状態は、第１電磁弁２３ａは開状態、第２電磁弁２３ｂは閉状態、第３電磁弁２３ｃは閉状態である。

制御手段２１によるその他の制御としては、反応容器２内の温度を検知する温度センサ２５ａを用いて、急激な反応時に反応液１ａの供給を停止したり、冷却ファン２４ａにより反応容器２を冷却する制御が可能である。また、燃料電池３の温度を検知する温度センサ２５ｂを用いて、燃料電池３の異常時に発電を停止したり、冷却ファン２４ｂにより燃料電池３を冷却する制御が可能である。

なお、制御手段２１には、ＤＣ／ＤＣ降圧回路２７を介して、燃料電池３から電力が供給される。初期には、蓄電手段３１からの電力を供給することが可能である。

本実施形態では、燃料電池３から、出力電圧１５．５〜２５．５Ｖ、出力２００Ｗで出力しながら、出力端子３２から出力電圧２２〜２８．８Ｖで外部に出力することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態の発電装置には、第１実施形態と比較して、制御の形態のみが異なるものであり、第１実施形態では、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力Ｐ_Ｈから加圧容器圧検出器２２ｂで検出された圧力Ｐ_Ｗを減じた圧力差ΔＰ（＝Ｐ_Ｈ−Ｐ_Ｗ）の変動傾向に基づいて制御を行うのに対して、第２実施形態では、圧力差の値そのものに基づいて制御を行う点が相違している。つまり、第２実施形態では、圧力差ΔＰが特定の低い値である場合に、燃料電池３からの出力が低下するように前記出力制御部を制御する制御手段２１を備えている。

具体的な制御の例としては、特定の圧力差ΔＰの閾値（設定値）を境にして、オンオフ制御、ＰＩＤ制御などのフィードバック制御を行う方法の他、特定の圧力差ΔＰの下限値が検出された場合に、特定の圧力差ΔＰの上限値が検出されるまで、燃料電池３からの出力を低下させる制御を行う方法などが挙げられる。勿論、「特定の低い値」を多段階に分けて、各々の状態に応じた制御を行ったり、「特定の低い値」の程度を関数化して、関数による制御を行うことも可能である。

第２実施形態における制御では、図３Ｂに示すように、ステップＳ１２からステップＳ１６が、図３ＡにおけるステップＳ２からステップＳ４の代わりに実行される。ステップＳ１でサンプリングが行われた後、ステップＳ１２が実行される。

ステップＳ１２は、圧力差ΔＰが−２５ｋＰａ以下であるか否かを判断する処理である。圧力差ΔＰが−２５ｋＰａ以下である場合、ステップＳ１４が実行される。圧力差ΔＰが−２５ｋＰａを超える場合、ステップＳ５が実行される。ステップＳ５以降のフローは、図３Ａに示す第１実施形態と同様である。

ステップＳ１４は、燃料電池３の出力を低下させる操作信号を出力する処理である。出力を低下させる操作信号としては、例えば、燃料電池３からの出力を７０〜９５％の何れかの設定値まで減少させる処理を行うことが可能である。その後、ステップＳ１５が実行される。

ステップＳ１５は、圧力差ΔＰが−１０ｋＰａ以上であるか否かを判断する処理である。圧力差ΔＰが−１０ｋＰａ以上である場合、ステップＳ１３が実行され、−１０ｋＰａ未満である場合、ステップＳ１６が実行される。

ステップＳ１６は、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力Ｐ_Ｈと加圧容器圧検出器２２ｂで検出された圧力Ｐ_Ｗとのサンプリングを行う処理であり、必要に応じて待機時間を経た後に、再度、ステップＳ１５からの処理理が繰り返される。

ステップＳ１３では、燃料電池３からの出力を増加させる操作信号の出力により、燃料電池３からの出力が回復される。その後、ステップＳ５が実行される。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態の発電装置には、第１実施形態と比較して、制御の形態が異なるものであり、第１実施形態では、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力Ｐ_Ｈから加圧容器圧検出器２２ｂで検出された圧力Ｐ_Ｗを減じた圧力差ΔＰ（＝Ｐ_Ｈ−Ｐ_Ｗ）の変動傾向に基づいて制御を行うのに対して、第３実施形態では、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力Ｐ_Ｈの変動傾向に基づいて制御を行う点が相違している。つまり、第３実施形態では、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力Ｐ_Ｈが特定の減少傾向である場合に、燃料電池３からの出力が低下するように前記出力制御部を制御する制御手段２１を備えている。

第１実施形態では、図３Ｃに示すように、水素圧Ｐ_Ｈの変動ｄＰ_Ｈ／ｄｔが特定の減少傾向である場合に、燃料電池３からの出力が低下するように出力制御部を制御し、前記変動が特定の増加傾向である場合に、燃料電池３からの出力が増加するように前記出力制御部を制御する。

本実施形態において、「特定の減少傾向」とは、減少傾向（即ち、ｄＰ_Ｈ／ｄｔ＜０、ｔは時間を示す）を示す状態のうち、ある状態より顕著な減少傾向を示す状態を指し、例えばｄＰ_Ｈ／ｄｔ＜０と定義することができる。同様に、「特定の増加傾向」とは、増加傾向（即ち、ｄＰ／ｄｔ＞０）を示す状態のうち、ある状態より顕著な増加傾向を示す状態を指し、例えばｄＰ_Ｈ／ｄｔ＞０と定義することができる。勿論、「特定の減少傾向」と「特定の増加傾向」を多段階に分けて、各々の状態に応じた制御を行ったり、「特定の減少傾向」と「特定の増加傾向」を関数化して、関数による制御を行うことも可能である。

また、本実施形態では、制御手段２１が、圧力Ｐ_Ｈが設定した下限値以下となった場合に燃料電池３からの出力を停止又は５０％以下まで減少させ、圧力Ｐ_Ｈが設定した上限値以上となった場合に燃料電池３からの出力を回復するように前記出力制御部を制御する例を示す。圧力Ｐ_Ｈの下限値としては、例えば１０〜８０ｋＰａが挙げられ、圧力Ｐ_Ｈの上限値としては、例えば１００〜３００ｋＰａが挙げられる。

以下、本実施形態の制御フローを図３Ｃに基づいて説明する。

起動ルーチンで定義されたステップＳ２０を抜けた状態において、まず、ステップＳ１では、データのサンプリングが行われる。その対象としては、圧力Ｐ_Ｈ、時刻、などが挙げられ、短時間で多数回（例えば２０回／秒）のサンプリングを行うことも可能である。また、多数回のサンプリングを行って平均値を算出して、ある時刻における圧力Ｐ_Ｈのデータとすることも可能である。

ステップＳ２では、水素圧Ｐ_Ｈの変動が、特定の減少傾向であるか、又は特定の増加傾向であるかが判断される。本実施形態では、ｄＰ_Ｈ／ｄｔ＜０を満たす場合に特定の減少傾向であると判断し、ｄＰ_Ｈ／ｄｔ＞０を満たす場合に特定の増加傾向であると判断する例を示す。

圧力Ｐ_Ｈの変動は、ステップＳ１の一定のサンプリング時間内において、Ｐ_Ｈの変動を算出する方法でもよく、また、繰り返しルーチンの中でステップＳ１を繰り返す際に、先のステップＳ１でのＰ_Ｈを記録しておき、先のＰ_Ｈと新たなサンプリングによる_ＨＰとからの変動を算出する方法の何れでもよい。前者の場合には、例えば５〜１０秒の間のサンプリングを行って、最初の１秒間の平均のＰ_Ｈと、最後の１秒間の平均のＰ_Ｈとの差から、Ｐ_Ｈの変動が、特定の減少傾向であるか、又は特定の増加傾向であるかを判断することかできる。後者の場合には、例えば先のＰ_Ｈと、サンプリングによるＰ_Ｈとの差から、Ｐ_Ｈの変動が、特定の減少傾向であるか、又は特定の増加傾向であるかを判断することかできる。

ステップＳ３は、ステップＳ２における判断が、特定の減少傾向である場合に実行され、出力制御部に対して、出力低下させる操作信号を出力する処理である。一方、ステップＳ４は、ステップＳ２における判断が、特定の増加傾向である場合に実行され、出力制御部に対して、出力増加させる操作信号を出力する処理である。

出力を低下又は増加させるときの操作信号としては、プロセス制御で一般的に行われる微分制御と同様の制御の他、ｄＰ_Ｈ／ｄｔの値に応じて、段階的に決定した出力の設定値の変動幅を利用する制御、ｄＰ_Ｈ／ｄｔの値を変数とする関数を利用する制御などが挙げられる。

何れのステップＳ３、Ｓ４においても、その後にステップＳ５が実行される。ステップＳ５は、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力Ｐ_Ｈが４０ｋＰａ以下であるか否かを判断する処理である。圧力Ｐ_Ｈが４０ｋＰａ以下である場合、ステップＳ６が実行される。ステップＳ５以降のフローは、第１実施形態と同様に行なうことが可能である。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態の発電装置には、第１実施形態と比較して、制御の形態が異なるものであり、第１実施形態では、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力Ｐ_Ｈから加圧容器圧検出器２２ｂで検出された圧力Ｐ_Ｗを減じた圧力差ΔＰ（＝Ｐ_Ｈ−Ｐ_Ｗ）の変動傾向に基づいて制御を行うのに対して、第４実施形態では、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力Ｐ_Ｈの値に基づいて制御を行う点が相違している。つまり、第４実施形態では、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力Ｐ_Ｈが特定の低い値である場合に、燃料電池３からの出力が低下するように前記出力制御部を制御する制御手段２１を備えている。

具体的な制御の例としては、特定の圧力Ｐ_Ｈの閾値（設定値）を境にして、オンオフ制御、ＰＩＤ制御などのフィードバック制御を行う方法の他、特定の圧力Ｐ_Ｈの下限値が検出された場合に、特定の圧力Ｐ_Ｈの上限値が検出されるまで、燃料電池３からの出力を低下させる制御を行う方法などが挙げられる。勿論、「特定の低い値」を多段階に分けて、各々の状態に応じた制御を行ったり、「特定の低い値」の程度を関数化して、関数による制御を行うことも可能である。

第４実施形態における制御では、図３Ｄに示すように、ステップＳ１２からステップＳ１６が、図３ＣにおけるステップＳ２からステップＳ４の代わりに実行される。ステップＳ１でサンプリングが行われた後、ステップＳ１２が実行される。

ステップＳ１２は、圧力Ｐ_Ｈが８０ｋＰａ以下であるか否かを判断する処理である。圧力Ｐ_Ｈが８０ｋＰａ以下である場合、ステップＳ１４が実行される。圧力Ｐ_Ｈが８０ｋＰａを超える場合、ステップＳ５が実行される。ステップＳ５以降のフローは、図３Ａに示す第１実施形態と同様である。

ステップＳ１４は、燃料電池３の出力を低下させる操作信号を出力する処理である。出力を低下させる操作信号としては、例えば、燃料電池３からの出力を７０〜９５％の何れかの設定値まで減少させる処理を行うことが可能である。その後、ステップＳ１５が実行される。

ステップＳ１５は、圧力Ｐ_Ｈが１００ｋＰａ以上であるか否かを判断する処理である。圧力Ｐ_Ｈが１００ｋＰａ以上である場合、ステップＳ１３が実行され、１００ｋＰａ未満である場合、ステップＳ１６が実行される。

ステップＳ１６は、反応容器圧検出器２２ａで検出された圧力Ｐ_Ｈのサンプリングを行う処理であり、必要に応じて待機時間を経た後に、再度、ステップＳ１５からの処理理が繰り返される。ステップＳ１５とステップＳ１６とを繰り返す間に、一定時間が経過しても圧力Ｐ_Ｈが１００ｋＰａ以上にならない場合には、水素発生による圧力回復機能なし（タイムアウト）と判断して、ステップＳ１０の停止ルーチンが実行される（図示省略）。

ステップＳ１３では、燃料電池３からの出力を増加させる操作信号の出力により、燃料電池３からの出力が回復される。その後、ステップＳ５が実行される。

（他の実施形態）
（１）前述の実施形態では、初期の起動時に反応液導入路７を経由して、反応液１ａを反応容器２内に導入する例を示したが、加圧容器内を初期に加圧することも可能である。その場合、空気、窒素ガス、水素ガスなどを用いて加圧することができる。

（２）前述の実施形態では、燃料電池を検知セル２６として用いて、ガス排出経路に十分な水素ガスが存在するかを検知する例を示したが、初期における水素ガスの検知は、ガスセンサ等によっても行うことが可能である。また、初期において水素ガスを検知する代わりに、燃料電池３の出力電圧等によっても、水素ガスの供給状態を知ることができる。

（３）前述の実施形態では、単位セルのアノード側を覆うように、空間形成部が単位セルと一体的に設けられ、その内部にアノードに水素を供給するための空間が設けられている例を示したが、水素を供給するためのガス流路が、燃料電池に予め形成されたものを用いてもよい。

また、このような燃料電池としては、少なくとも一方の側に、燃料等を供給するための流路を設けた単位セルが独立して構成された構成燃料電池、又はセパレータを介在させたスタックタイプの燃料電池などを使用することが可能である。

（４）前述の実施形態では、直流電圧変換器２８からの出力電圧と蓄電手段３１の出力電圧との関係を利用して、蓄電手段３１の充放電が充放電ユニット２９により行われる例を示したが、本発明では、充放電の状態の切り替えを、段階的に切り替えるようにしてもよい。その場合、蓄電手段３１の出力電圧に応じた切り替えを行うことができる。

（５）前述の実施形態では、出力電圧２２〜２８．８Ｖ、電力２００Ｗで外部に出力する例を示したが、外部への出力電圧と電力は、燃料電池のユニット数、容量と、蓄電手段の電圧、容量などによって、適宜調整することができる。

以下、実験例に基づいて、本発明の効果について説明する。

実験例１（水素圧のみによる制御、１００Ｗ級）
燃料電池として、図２に示す構造を有し、次の材料でインサート成形した平面型セル（単位セル４枚分を直列接続したもの）を、空間形成部と一体化することにより製造したものを用いた。即ち、金属板として金メッキした複数の開口を有するニッケル板、固体高分子電解質層としてのナフィオンフィルム（デュポン社製ナフィオン１１２、３３ｍｍ×１２ｍｍ、厚み１５μｍ）、触媒層としての白金担持カーボン触媒、電極層としてのカーボンペーパー（厚み３７０μｍ、３３ｍｍ×１２ｍｍ）、成形用樹脂として樹脂（（株）プライムポリマー製、ポリプロピレン樹脂、Ｊ−７００ＧＰ）を用いた。

水素発生剤として、次のようして製造した成形体を用いた。即ち、未硬化のエポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）製、ｊＥＲ８２８）１１．７ｇノメチルフェノール）０．１２ｇを添加して撹拌した。フラットな金属板上にアルミニウムシートを置き、更にその表面に金属枠材を置き、前記の混合物を金属枠材の内側（３０ｍｍ×４６ｍｍ）に塗布して、金属枠材の上面にフラットな金属板を置いた状態（圧力２ＭＰａ相当）で、乾燥機（１２０℃設定）にて約６０分間乾燥硬化させた。得られた硬化物は、厚みが０．６ｍｍ、ＣａにＣａＨ_２（和光純薬社製、平均粒径１０μｍ）３７．５ｇを添加して撹拌後、更にジシアンジアミド系硬化剤（ジャパンエポキシレジン（株）製、ＤＩＣＹ７）０．７ｇ、変性脂肪族（3級アミン）硬化促進剤（ジャパンエポキシレジン（株）製、３０１０、トリスジメチルアミＨ_２の含有量が７５重量％であり、実質的に中実の成形体であった。

図１及び図２に示す装置において、反応液である水３００ｇを加圧容器（容積４００ｍＬ）に収容し、水素発生剤１６０ｇを反応容器（容積４００ｍＬ）に収容し、電圧１５．５〜２５．５Ｖ、電力０〜２００Ｗとした燃料電池を用い、反応液供給路の流量制限部を内径０．１７５ｍｍ長さ１０ｍｍのＰＥＥＫ樹脂チューブとし、初期に水の供給を行って、発電を開始した。発電は、出力電力が一定になるように、電子負荷機で出力電流を制御しつつ、反応容器内の水素圧が５０ｋＰａ未満では負荷をゼロにする制御を行ないながら、行った。発電を約４０分間行った際の水素圧（材料圧）と、加圧容器における圧力（水圧）と、出力電力とを、図５に示す。

この制御では、加圧容器内の圧力と反応容器内の圧力との関係を強制的に制御しないため、両者の圧力の関係に応じて、反応液の供給量が自然に変動するので、反応容器内の圧力変動幅が大きくなり、極端に水素圧が高い状態と低い状態とを繰り返した。但し、圧力変動幅が大きい分、加圧容器内の圧力を一定以上に維持するのが容易になった。。

実験例２（水素圧と水圧との差圧による制御、１００Ｗ級）
実験例１において、水素圧のみによる制御を行う代わりに、次のように条件を設定して水素圧と水圧との差圧による制御を行ったこと以外は、実験例１と全く同じ条件で発電を行った。つまり、差圧（水素圧−水圧）が−２５ｋＰａ未満となったときに、差圧が−１０ｋＰａを超えるまで、燃料電池の出力を通常の出力の８０％まで低下させる制御を行った。また、加圧容器の圧力（水圧）を回復させるために、圧力Ｐ_Ｈが４０ｋＰａ以下となったとき、圧力Ｐ_Ｈが１２０ｋＰａ以上となるまで、燃料電池の出力をゼロにする制御を行った。このようにして、発電を約６０分間行った際の水素圧（材料圧）と、加圧容器における圧力（水圧）と、出力電力とを、図６に示す。

この制御では、加圧容器内の圧力と反応容器内の圧力との差圧の値そのものによる制御を行っているため、反応容器内の圧力変動幅は小さくなり、極端に水素圧が高い状態（オーバーシュート）と低い状態を回避することができた。また、圧力Ｐ_Ｈが一定以下となったとき、圧力Ｐ_Ｈがより高い設定値となるまで、燃料電池の出力をゼロにする制御を行うことにより、加圧容器の圧力（水圧）を急速に回復させることができた。なお、５０分以降に水素圧が大幅に変動しているのは、水素発生剤がほぼ消費されたためであり、制御上の問題が生じた訳ではない。

実験例３（水素圧と水圧との差圧、水素圧の変動による制御、１００Ｗ級）
実験例２において、水素圧と水圧との差圧による制御と次のように条件を設定して水素圧の変動による制御を行ったこと以外は、実験例１と全く同じ条件で発電を行った。つまり、ΔＰとｄＰ_Ｈ／ｄｔの値に応じて、段階的に決定した出力の設定値の変動幅を利用する制御を行った。具体的には、ΔＰ＜０かつΔＰ＞−２０ｋＰａのとき、１秒間隔でサンプリングした水素圧Ｐ_ＨのｄＰ_Ｈ／ｄｔがマイナスの場合、燃料電池の出力を５０Ｗ下限としてｄＰ_Ｈ／ｄｔが０になるまで燃料電池の出力を段階的に低下させる。ｄＰ_Ｈ／ｄｔがプラスの場合、燃料電池の出力を１００Ｗ上限としてｄＰ_Ｈ／ｄｔが0になるまで燃料電池の出力を段階的に増加させた。また、ΔＰ＞０のとき、ｄＰ_Ｈ／ｄｔがマイナスの場合、燃料電池の出力を１００Ｗ下限としてｄＰ_Ｈ／ｄｔが0になるまで燃料電池の出力を段階的に低下させる。ｄＰ_Ｈ／ｄｔがプラスの場合、燃料電池の出力を１５０Ｗ上限としてｄＰ_Ｈ／ｄｔが０になるまで燃料電池の出力を段階的に増加させた。このようにして、発電を約１２０分間行った際の水素圧（材料圧）と、加圧容器における圧力（水圧）と、出力電力とを、図７に示す。

この制御では、加圧容器内の圧力と反応容器内の圧力との差圧と、反応容器内の圧力の変動に基づく制御を行っているため、反応容器内の圧力変動幅は小さくなり、極端に水素圧が高い状態（オーバーシュート）と低い状態を回避することができた。また、圧力Ｐ_Ｈが一定以下となったとき、圧力Ｐ_Ｈがより高い設定値となるまで、燃料電池の出力をゼロにする制御を行うことにより、加圧容器の圧力（水圧）を急速に回復させることができた。なお、１００分以降に水素圧が大幅に変動しているのは、水素発生剤がほぼ消費されたためであり、制御上の問題が生じた訳ではない。

１ 加圧容器
１ａ 反応液
２ 反応容器
２ａ 水素発生剤
３ 燃料電池
３ａ 電極層（アノード）
３ｂ 固体高分子電解質層
３ｃ 電極層（カソード）
３ｄ アノード側供給部
３ｅ アノード側排出部
４ 反応液供給路
５ 水素供給路
５ａ 圧力レギュレータ
５ｂ 安全弁
５ｃ 圧力レギュレータ
６ 加圧用経路
６ａ 逆止弁
７ 初期加圧用経路
１４ 金属層（アノード側）
１４ａ 開孔
１５ 金属層（カソード側）
１５ａ 開孔
２１ 制御手段
２８ 直流電圧変換器（出力制御部）

Claims (8)

1. 内部空間の圧力により反応液を加圧して排出する加圧容器と、
   前記加圧容器から反応液が供給され、その反応液と反応して水素を発生させる水素発生剤を気密状態で収容する反応容器と、
   その反応容器内の圧力を検出する反応容器圧検出器と、
   水素が供給されるアノード側供給部を有し、アノードに供給された水素で発電を行う燃料電池と、
   前記反応容器に接続され前記アノード側供給部に水素を供給する水素供給経路と、
   前記反応容器に連通し、水素の流入を許容する逆止弁を介して前記加圧容器に接続された加圧用経路と、
   前記燃料電池からの出力を制御する出力制御部と、
   前記反応容器圧検出器で検出された反応容器圧力と関連付けて、前記出力制御部を制御する制御手段と、
   前記出力制御部の制御により前記燃料電池からの出力が変動した際に、外部への出力を補うことが可能な蓄電手段と、
   を備える発電装置。
2. 前記制御手段は、前記反応容器圧力が特定の低い値又は特定の減少傾向である場合に、前記燃料電池からの出力が低下するように前記出力制御部を制御するものである請求項１に記載の発電装置。
3. 前記加圧容器内の圧力を検出する加圧容器圧検出器を更に備えると共に、
   前記制御手段は、前記反応容器圧力から前記加圧容器圧検出器で検出された圧力を減じた圧力差に基づいて、前記圧力差が特定の低い値又は特定の減少傾向である場合に、前記燃料電池からの出力が低下するように前記出力制御部を制御するものである請求項１に記載の発電装置。
4. 前記制御手段は、前記圧力差の変動に基づいて、その変動が特定の減少傾向である場合に、前記燃料電池からの出力が低下するように前記出力制御部を制御し、前記変動が特定の増加傾向である場合に、前記燃料電池からの出力が増加するように前記出力制御部を制御する請求項３に記載の発電装置。
5. 前記加圧容器内の圧力を検出する加圧容器圧検出器を更に備えると共に、
   前記制御手段は、前記加圧容器圧検出器で検出された圧力が設定した下限値以下となった場合に前記燃料電池からの出力を停止又は５０％以下まで減少させ、前記加圧容器圧検出器で検出された圧力が設定した上限値以上となった場合に前記燃料電池からの出力を回復するように前記出力制御部を制御する請求項１〜４いずれかに記載の発電装置。
6. 前記出力制御部は、前記燃料電池の出力が入力されて定電流出力が可能な直流電圧変換器を有し、その直流電圧変換器の設定電流値を変化させることで、前記燃料電池からの出力を制御する請求項１〜５いずれかに記載の発電装置。
7. 前記直流電圧変換器は出力側の負荷に応じて出力電圧が変動するものであり、前記直流電圧変換器からの出力電圧と前記蓄電手段の出力電圧との関係を利用して前記蓄電手段の充放電が行われる請求項６に記載の発電装置。
8. 発電装置の使用開始時において、前記反応容器に反応液を供給可能な別の反応液供給器を更に備える請求項１〜７いずれかに記載の発電装置。

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