JP4672627B2 - 燃料電池システム及び燃料電池周辺装置の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は，燃料電池システム及び燃料電池周辺装置の駆動方法に関し，より詳細には，燃料電池の作動のための多くの周辺装置を順次起動させることで，電気貯蔵装置に対する予想出来ない損傷を防止して寿命及び安全性に対する悪影響を防止することができる燃料電池システム及び燃料電池周辺装置の駆動方法に関する。

燃料電池（ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）は，燃料の持っているエネルギーを化学反応によって直接電気エネルギーに変換する発電システムである。例えば，燃料電池は水素と酸素から水が生成される反応，すなわち，水素の燃焼反応を利用して電気エネルギーを得る。上記燃料電池は，使用される電解質（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）の種類によって，燐酸型燃料電池，溶融炭酸塩型燃料電池，固体酸化物型燃料電池，高分子電解質型燃料電池，アルカリ型燃料電池などに分類される。これらのそれぞれの燃料電池は，基本的に同じ原理によって作動するが使用される燃料の種類，運転温度，触媒，電解質などが各々違う。

その中，高分子電解質型燃料電池（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ，ＰＥＭＦＣ）は，他の燃料電池に比べて出力特性が非常に高く，作動温度が低くて，同時に早い始動及び応答特性とともに，ポータブル電磁機器用のような移動用電源や自動車用動力源のような輸送用電源は勿論，住宅，公共建物の停止型発電所のような分散用電源など，その応用範囲が広いという長所を有する。また，高分子電解質型燃料電池の一種として液状のメタノール燃料を直接使用する直接メタノール型燃料電池（ｄｉｒｅｃｔ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ，ＤＭＦＣ）は，高分子電解質型燃料電池とは違って改質装置を使わないために小型化にさらに有利である。

上記従来のＰＥＭＦＣやＤＭＦＣシステムは，通常，燃料貯蔵のための燃料タンク，燃料移送のための燃料ポンプ，空気圧縮のための空気ポンプ，システム制御のための制御装置，及び燃料電池スタックを含む。燃料電池スタックは膜−電極アセンブリ（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ，ＭＥＡ）とセパレータ（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）で構成された単位電池が数十〜数百個に積層された構造を有する。

ここで，膜−電極アセンブリは，高分子電解質膜を間に置いてアノード電極（燃料極または酸化電極ともいう）とカソード電極（空気極または還元電極ともいう）が密着された構造を持ち，セパレータは燃料または酸化剤の供給のための流動流路を具備して複数の膜−電極アセンブリを電気的に直列連結させる伝導体の役割をする。

上記構成のシステムにおいて，メタノール水溶液のような液状燃料や水素ガスのような気体状態の燃料が燃料電池スタックのアノードに供給され，大気中の空気や酸素ガスなどの酸化剤が燃料電池スタックのカソードに供給されれば，燃料電池スタックは燃料及び酸化剤を電気化学的に反応させて電気と熱を発生させる。

また，上記従来の燃料電池システムは，二次電池とスーパーキャパシタ及びこれらの充放電制御のための制御装置を含む電気貯蔵装置を具備する。電気貯蔵装置はシステム起動の時燃料ポンプ，空気ポンプ，ファンなどの燃料電池周辺装置に電気エネルギーを供給したり負荷の過度な電力要求の時，燃料電池の代わりに負荷に充電された電気エネルギーを供給したりする。電気貯蔵装置を具備した燃料電池システムは，使用時間を遅延し，システム応答の特性を最適化することができるという長所を有する。

しかし，従来の燃料電池システムにおいて，電気貯蔵装置はシステム運転効率を高めるために設置された各種燃料電池周辺装置に起動電力を円滑に供給し，負荷の過度な電力要求の時に対応できるように充分な容量を有するように選択される。この場合，電気貯蔵装置の重さと体積は増加し，それによって燃料電池システムの重さと体積も増加するという短所がある。

また，電気貯蔵装置の容量は比較的大きく設計される。それは，燃料電池システム起動の時周辺装置が要求する瞬間最大電力，すなわち，瞬間ピーク電力によって電気貯蔵装置が損傷されうるから周辺装置の瞬間ピーク電力に対応できるようにするためである。しかし，このような努力にもかかわらず二次電池のような電気貯蔵装置は，瞬間ピーク電力によって損傷される場合がたびたび発生されている。

さらに，二次電池を利用する燃料電池システムの場合，起動の時二次電池の残余容量が小さいか起動に要求される時間が長くなる場合，二次電池の過放電が誘発され，それによって二次電池が簡単に破損されうるという問題点がある。よって，従来の燃料電池システムではシステムの規模に比べて比較的大きい容量の二次電池を使わなければならなかった。

このように，上記従来の燃料電池システムでは二次電池やスーパーキャパシタなどの電気貯蔵装置が燃料電池周辺装置の起動の時に損傷されることがあり，かつ安全性に良くない影響を受けることがあり得る。よって，従来の燃料電池システムでは電気貯蔵装置の寿命と安全性に悪影響を与えない適切な方案が要求されている。

一方，上記燃料電池周辺装置の駆動方法及びこれを利用する燃料電池システムに関する技術を記載した文献としては，下記特許文献１等がある。

特開２００４−１４６１１８号公報

このように，従来の燃料電池システム及び燃料電池周辺装置の駆動方法によれば，電気貯蔵装置が損傷されるという問題がある。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的は，電気貯蔵装置を利用する燃料電池システムの起動の時電気貯蔵装置の損傷と，その寿命及び安全性に悪影響を及ぶことを防止することが可能な，新規かつ改良された燃料電池システム及び燃料電池周辺装置の駆動方法を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，混合燃料（アルコール混合燃料）及び酸化剤の電気化学的な反応によって電気を発生させる燃料電池本体に，上記酸化剤を供給する酸化剤供給装置と；上記燃料電池本体から排出される流体から回収された未反応燃料及び水を貯蔵する混合タンクに高濃度燃料を供給するための燃料供給装置と；上記混合タンクに貯蔵された上記混合燃料を上記燃料電池本体に供給するための燃料注入装置を有する燃料電池周辺装置と；上記燃料電池周辺装置に電気的に連結される電気貯蔵装置と；既に記憶装置に保存された作動優先順位によって，上記電気貯蔵装置に貯蔵された電気エネルギーを利用して上記燃料電池周辺装置を順次駆動させる制御装置と；を備えることを特徴とする燃料電池システムが提供される。

また，上記電気貯蔵装置は，上記燃料電池周辺装置の全体起動の時発生される最大瞬間ピークに対応することができる容量より小さい容量を備えてもよい。

また，上記制御装置は，上記制御装置に入力される起動要求信号に応答して上記混合燃料の燃料濃度を感知し，上記燃料濃度が基準濃度範囲にある時，上記酸化剤供給装置，上記燃料注入装置の順に優先的に駆動させてもよい。

また，上記制御装置は，入力される起動要求信号に応答して上記混合燃料の燃料濃度を感知し，上記燃料濃度が基準濃度より低い時，上記燃料供給装置を一番優先的に駆動させてもよい。

また，上記燃料電池周辺装置は，上記混合タンクに水を供給する水供給装置をさらに備え，上記制御装置は，入力される起動要求信号に応答して上記混合タンクに結合されたレベルセンサを通じて上記混合燃料のレベルを感知し，上記感知された混合燃料のレベルが基準レベル未満の時，上記水供給装置を一番優先的に駆動させてもよい。

また，上記燃料電池周辺装置は，上記燃料電池本体から排出される流体から熱を回収して上記未反応燃料及び水を凝縮させるための熱交換装置をさらに備え，上記制御装置は，上記混合燃料のレベルを感知し，上記感知された混合燃料のレベルが基準レベル未満の時，上記熱交換装置を追加的に駆動させてもよい。

また，上記電気貯蔵装置と上記燃料電池周辺装置を電気的に接続させるスイッチング部をさらに有し，上記制御装置は，上記スイッチング部を制御してもよい。

また，上記制御装置は，プログラムが保存されているメモリと，上記メモリに結合されて上記プログラムを遂行するプロセッサと，を備え，上記プロセッサは，上記制御装置に入力される起動要求信号に応答して上記メモリに保存された上記作動優先順位によって上記スイッチング部を制御してもよい。

上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，燃料及び酸化剤の電気化学的な反応によって電気を発生させる燃料電池本体に上記燃料を供給するための燃料供給装置を具備する燃料電池周辺装置と；上記燃料電池周辺装置に電気エネルギーを供給し，上記燃料電池周辺装置全体の起動の時発生される瞬間ピークに対応することができる容量より小さい容量を備える電気貯蔵装置と；既に設定された優先作動手順によって上記電気貯蔵装置に貯蔵された上記電気エネルギーを利用して上記燃料電池周辺装置を順次起動させる制御装置と；を備えることを特徴とする燃料電池システムが提供される。

また，上記燃料電池周辺装置は，上記燃料電池本体に上記酸化剤を供給するための酸化剤供給装置と，上記燃料電池本体を冷却させるための冷却装置と，上記燃料電池本体内の電解質膜の水化のための加湿装置と，の中で少なくともいずれか一つをさらに備えてもよい。

また，上記制御装置は，制御装置に入力される起動要求信号に応答して上記加湿装置，上記燃料供給装置及び上記酸化剤供給装置を，上記加湿装置，上記燃料供給装置，上記酸化剤供給装置の順に所定時間間隔を置いて駆動させてもよい。

また，上記電気貯蔵装置と上記燃料電池周辺装置それぞれを接続させる複数のスイッチング接点を有すスイッチング部をさらに備え，上記制御装置は，上記スイッチング接点を順次オン及びオフ制御してもよい。

また，上記燃料は，水素ガスまたは水素ガスを主成分にする気体燃料であってもよい。

上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，燃料電池本体に燃料及び酸化剤を供給して上記燃料電池本体の作動に必要な環境を提供する燃料電池周辺装置に結合される制御装置で，小容量電気貯蔵装置を利用して上記燃料電池周辺装置を駆動させる方法において：（ａ）上記燃料電池周辺装置に対する作動優先順位を設定し，設定した情報を記憶装置に保存する段階と，（ｂ）上記記憶装置に保存された作動優先順位によって上記小容量電気貯蔵装置に貯蔵された電気エネルギーを利用して上記燃料電池周辺装置を順次駆動させる段階と，を含むことを特徴とする燃料電池周辺装置の駆動方法が提供される。

また，上記電気貯蔵装置は，二次電池及び／またはスーパーキャパシタを含み，上記小容量電気貯蔵装置は，上記燃料電池周辺装置全体起動の時の瞬間ピークに対応することができる容量より小さい容量を有する電気貯蔵装置であってもよい。

また，上記燃料電池周辺装置は，上記燃料電池本体に上記酸化剤を供給する酸化剤供給装置と，上記燃料と水が混合された混合燃料を上記燃料電池本体に注入する燃料注入装置と，上記混合燃料を貯蔵する混合タンクに高濃度燃料を供給する燃料供給装置と，
を有してもよい。

また，上記制御装置に入力される起動要求信号に応答して上記混合燃料のレベルを感知する段階をさらに含んでもよい。

また，上記混合燃料のレベルを感知する段階の後に，上記感知された混合燃料のレベルが基準レベル未満の時，上記混合タンクに水を供給する水供給装置を優先的に駆動させる段階をさらに含んでもよい。

また，上記混合燃料のレベルを感知し，上記レベルに応じて上記水供給装置を優先的に駆動させる又はさせない段階の後に，上記制御装置に入力される起動要求信号に応答して上記混合燃料の燃料濃度を感知する段階をさらに含んでもよい。

また，上記（ｂ）段階において，上記混合燃料の燃料濃度を感知する段階の後に，上記感知された燃料濃度が基準濃度より低い時，上記燃料供給装置，上記酸化剤供給装置及び上記燃料注入装置を，上記燃料供給装置，上記酸化剤供給装置，上記燃料注入装置の順に所定時間間隔を置いて駆動させる段階を含んでもよい。

また，上記（ｂ）段階において，上記混合燃料の燃料濃度を感知する段階の後に，上記感知された燃料濃度が基準濃度範囲にある時，上記酸化剤供給装置，上記燃料注入装置及び上記燃料供給装置を，上記酸化剤供給装置，上記燃料注入装置，上記燃料供給装置の順に所定時間間隔を置いて駆動させる段階を含んでもよい。

また，既に記憶装置に保存された駆動優先順位によって上記燃料電池周辺装置を順次駆動させた段階以後に，上記混合燃料のレベルが基準レベル未満である時，上記燃料電池本体から排出される流体の熱エネルギーを回収する熱交換装置を駆動させる段階をさらに含んでもよい。

また，上記燃料電池本体は，水素を含有した液状燃料を直接使用する直接メタノール型燃料電池方式の構造を備えてもよい。

また，上記燃料電池本体は，水素ガスまたは上記水素ガスを主成分にする気体燃料を使用する高分子電解質型燃料電池方式の構造を備えてもよい。

また，上記（ｂ）段階は，上記制御装置に入力される起動要求信号に応答して上記燃料電池本体内の電解質膜の水化のための加湿装置と，上記燃料電池本体に上記燃料を供給する燃料供給装置と，上記燃料電池本体に上記酸化剤を供給する酸化剤供給装置とを，上記燃料供給装置，上記酸化剤供給装置の順に所定時間間隔を置いて順次駆動させる段階を含んでもよい。

以上説明したように，本発明によれば，燃料電池システムの起動の時燃料電池周辺装置に起動電力を提供する電気貯蔵装置から発生されうる予想できない損傷や悪影響を防止することで電気貯蔵装置の寿命と安全性を確保することができる。同時に，電気貯蔵装置を利用する燃料電池システムの信頼性を高めることができる。

以下に，添付した図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する発明特定事項については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

以下，本発明の望ましい実施形態を添付された図面を参照して詳しく説明する。

図１は，本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムをあらわすブロック図である。

図１を参照すれば，燃料電池システム１００は，燃料電池本体１１０，酸化剤供給装置１１２，燃料タンク１１３に結合される燃料供給装置１１４，燃料注入装置１１５，混合タンク１２０，二次電池１３０，スイッチング部１４０及び制御装置１５０を含む。

各構成要素を具体的に説明すれば，燃料電池本体１１０は数十〜数百個の膜−電極アセンブリがセパレータを介在して積層されたスタック構造を有する。しかし，燃料電池本体１１０は，スタック構造に限定されない。

燃料供給装置１１４は，混合タンク１２０に高濃度の燃料，例えば，高濃度のメタノール水溶液を供給し，燃料注入装置１１５は燃料電池本体１１０のアノード１１０ａに混合タンク１２０に貯蔵された混合燃料（アルコール混合燃料）を供給し，酸化剤供給装置１１２は燃料電池本体１１０のカソード１１０ｂに酸化剤，例えば，空気，酸素ガスなどを供給する。混合燃料及び酸化剤が燃料電池本体１１０に供給されれば，燃料電池本体１１０は混合燃料と酸化剤の電気化学的な反応によって電気と熱を発生させる。高濃度の燃料とは、下記説明される基準濃度より高い濃度をいう。そして，混合タンク１２０は燃料電池本体１１０から排出されるアノード流出物とカソード流出物の中で所望の流体，例えば，未反応燃料と水を回収して貯蔵する。

二次電池１３０は前述した酸化剤供給装置１１２，燃料供給装置１１４及び燃料注入装置１１５のような燃料電池の作動を支援する燃料電池周辺装置に電気エネルギーを供給する。また，二次電池１３０は燃料電池周辺装置全体起動の時発生される瞬間ピークに対応することができる容量より小さい容量を備える。本明細書において最大瞬間ピーク電圧、瞬間電流のなかで少なくともいずれか一つを含んで用いられる。上記二次電池１３０は充放電制御のための制御装置を含む電気貯蔵装置の一例として言及されたものであり，本実施形態で二次電池１３０は，スーパーキャパシタなどのように電気エネルギーを充電して再び使用することができる多様な電気貯蔵装置に代替可能である。

スイッチング部１４０は，制御装置１５０の制御によって燃料電池周辺装置に二次電池１３０を電気的に順次接続させる。スイッチング部１４０は，各燃料電池周辺装置に二次電池を順次接続させるための複数のスイッチング接点ａ，ｂ，ｃを具備する。上記スイッチング部１４０は別途の装置であってもよく，制御装置１５０の機能部の一部であってもよい。

制御装置１５０は，入力される起動要求信号に応答して燃料電池周辺装置の順次駆動のためのルーチンを遂行する。制御装置１５０は，燃料電池周辺装置の順次駆動のための手段を具備する。ここで，順次駆動のための手段は，メモリに既貯蔵された情報や制御装置１５０内に搭載されてフリップフロップなどによって構成される論理回路を含む。また，制御装置１５０は，燃料電池システムの状態によって効率的及び弾力的に対応するために混合タンク１２２に貯蔵される混合燃料のレベルを検出するレベルセンサ１２２と，混合燃料の燃料濃度を検出する濃度センサ１２４から入力される情報を利用する。レベルセンサ１２２と濃度センサ１２４では既存の多様なセンサが利用されうる。

図２は，本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムをあらわすブロック図である。

図２を参照すれば，本実施形態にかかる燃料電池システム１００ａは，燃料電池本体１１０，酸化剤供給装置１１２，燃料タンク１１３に結合される燃料供給装置１１４，燃料注入装置１１５，水タンク１１６に結合される水供給装置１１７，混合タンク１２０ａ，二次電池１３０，スイッチング部１４０ａ及び制御装置１５０ａを含む。

本実施形態の燃料電池システムは，図１を参照して前述した燃料電池システムと実質的に同一であり，但し，いくつかの周辺装置をさらに含むように構成されている。一方，以下の説明では前述した燃料電池システムの周辺装置と同じか類似する構成要素の詳細な説明は重複を避けるために省略する。

追加された構成要素を中心に具体的に説明すれば，水供給装置１１７は水タンク１１６に貯蔵された水を供給する。ここで，水は燃料電池本体１１０内の電解質膜や電極触媒などに悪影響を及ぼすことを防止するために純粋な水であることが望ましい。

熱交換装置１１８は，燃料電池本体１１０から排出される流体から熱を回収して未反応燃料と水を凝縮させる。熱交換装置１１８は，燃料電池本体１１０のアノード１１０ａ及び／またはカソード１１０ｂと混合タンク１２０ａを連結する配管の所定位置に設置されたファンで構成されてもよい。この場合，ファンが接した一部配管は，熱伝導性が優秀で通気が容易になるように露出することが望ましい。また，熱交換装置１１８は凝縮された未反応燃料及び水と所望でないガスを排出させるためのトラップ１１９とともに設置されることが望ましい。

上記水供給装置１１７及び熱交換装置１１８を含むすべての燃料電池周辺装置は，制御装置１５０ａによって制御される。特に，燃料電池システム１００ａの起動の時，制御装置１５０ａは，二次電池１３０に貯蔵された電気エネルギーが各周辺装置に順次供給されるように，スイッチング部１４０ａを順次オンになるよう接続して制御する。

上記構成によれば，燃料電池システムの起動の時，二次電池に要求される瞬間ピークを減少させて二次電池の損傷を防止し，二次電池の容量が小さい場合にも二次電池の過放電が発生される場合を減少させることができるという長所がある。つまり，燃料電池周辺装置が順次起動されるので，電気貯蔵装置は，燃料電池周辺装置の全部を起動させた時に発生する最大瞬間ピークに対応することができる容量より小さい容量を備えることができる。

一方，上記燃料供給装置，燃料注入装置，酸化剤供給装置，水供給装置は，電気エネルギーによって該当機能をするように作動するすべての装置を含む。例えば，上記装置等はポンプ，送風機などのように所定圧力を発生させて直接流体を移送する装置や，電力型バルブなどのように別途の圧力によって移送される流体の移送路の開度を調節して流体供給を制御する装置を含む。

次に，本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの周辺装置駆動方法を詳しく説明する。図３ａ〜図３ｄは，本発明の第１及び第２実施形態にかかる燃料電池周辺装置の駆動方法をあらわすフローチャートである。本実施形態の燃料電池周辺装置の駆動方法は，図１及び図２を参照して前に説明した燃料電池システムに適用することが望ましい。

図３ａを参照すれば，本実施形態の燃料電池周辺装置の駆動方法は，燃料電池周辺装置に対して作動優先順位を設定して設定された作動優先順位に対する情報を記憶装置に保存する（Ｓ１０）。その後，システム起動の時，起動要求信号に応答して燃料電池周辺装置を順次駆動させる（Ｓ２０）。この時，燃料電池周辺装置は既に記憶装置に保存された作動優先順位によって段階的に起動される。

上記駆動方法を利用する燃料電池システムに搭載された電気貯蔵装置は，瞬間ピークの時に対応するように設定される容量が従来の燃料電池システムに搭載された電気貯蔵装置の容量より小さい。そこで，本発明によれば，従来に使われた電気貯蔵装置に比べて電気貯蔵装置の小型化が可能であり，同時に電気貯蔵装置の小型化によって燃料電池システムの小型化及び軽量化をはかることができる。

上記燃料電池周辺装置の駆動方法は，燃料電池システムの状態によって対応を変えることができるように構成することができる。まず，図３ｂを参照すれば，燃料電池周辺装置の駆動方法は，燃料電池周辺装置に対して作動優先順位を設定し，設定された作動優先順位に対する情報を記憶装置に保存するように構成される（Ｓ１０）。その後，燃料電池システムの制御装置に起動要求信号が入力されれば，制御装置は起動要求信号に応答して混合タンクに貯蔵された混合燃料のレベルを感知する（Ｓ１２）。

次に，制御装置は感知されたレベルと基準レベルを比較する（Ｓ１４）。基準レベルは混合タンクに貯蔵される混合燃料の量が少なくて燃料及び／または水の補充を要求するレベルをあらわす。よって，感知されたレベルが基準レベルより小さい場合は，制御装置は混合タンクに水を供給するために水供給装置を優先的に駆動させる（Ｓ１６）。そして，制御装置は既に記憶装置に保存された作動優先順位によって燃料電池周辺装置を順次駆動させる（Ｓ２０）。感知されたレベルが基準レベル以上である場合は，水供給装置を優先的に駆動させず，燃料電池周辺装置を順次駆動させる（Ｓ２０）。

また，本実施形態の燃料電池周辺装置の駆動方法は，次のような燃料電池周辺装置を順次駆動する過程を含むことができる。図３ｃを参照して前記Ｓ２０について詳しく説明すれば，まず，制御装置は混合燃料の濃度を感知する（Ｓ２１）。次に，感知された濃度が基準濃度範囲にあるかを判断する（Ｓ２３）。基準濃度は，燃料のクロスオーバー（ｃｒｏｓｓ ｏｖｅｒ）などのように燃料電池システムの性能に影響を及ぼす燃料電池本体の特性を考慮して混合燃料の濃度を適切に選択したもので，メタノール水溶液の場合，電解質膜の特性によって０．５〜６モルの範囲で選択されることが望ましい。

上記判断の結果，感知された濃度が基準濃度範囲内にあれば，制御装置は酸化剤供給装置，燃料注入装置，燃料供給装置の手順で各周辺装置を順次駆動させる（Ｓ２５）。

上記段階で酸化剤供給装置を優先的に駆動させる理由は，通常，酸化剤供給装置が要求する電力容量が他の燃料注入装置や燃料供給装置に比べて大きいからである。つまり，他の周辺装置を駆動する前に先に起動させることで，二次電池などの電気貯蔵装置の負担を減少させることができる。そして，燃料注入装置を酸化剤供給装置の次に起動させる理由は，燃料電池システムを速やかに起動させるためである。燃料供給装置は，酸化剤供給装置と燃料注入装置の順次起動後に起動され，混合燃料の濃度が所望の濃度に維持されるように高濃度燃料を混合タンクに供給する。

一方，上記判断の結果，感知された濃度が基準濃度範囲内になければ，制御装置は，感知された濃度が基準濃度より低いかを判断する（Ｓ２７）。その判断の結果，感知された濃度が基準濃度より低ければ，制御装置は燃料供給装置，酸化剤供給装置，燃料注入装置の手順で各周辺装置を順次駆動させる（Ｓ２９）。

上記段階で燃料供給装置を優先的に起動させる理由は，燃料電池本体に供給される混合燃料の濃度が低いので，混合燃料の濃度を所望の濃度に高めるためである。そして，酸化剤供給装置と燃料注入装置を記載した手順で起動させる理由は，前述したように一般的な場合，酸化剤として空気を燃料電池本体に供給する酸化剤供給装置の容量が液状の混合燃料を燃料電池本体に供給する燃料注入装置の容量より大きいからである。

一方，上記判断の結果，感知された濃度が基準濃度より低くなければ，本駆動過程は終わる。また，直接メタノール型燃料電池の一般的な場合，混合燃料の濃度が自然に増加することがほとんど発生しないので，本実施形態では別途の過程を遂行しないように設計される。しかし，上記段階で感知された濃度が基準濃度より低くない場合，すなわち，感知された濃度が基準濃度範囲を超過する場合，システム警報を発生させたり水供給装置を先に駆動させるように制御装置を設計したりすることも可能である。

また，上記本実施形態の燃料電池周辺装置の駆動方法は，起動時間が長くなって混合燃料のレベルが減少される場合に，図３ｄに図示したような過程を追加で含むことができる。

図３ｄを参照すれば，制御装置は前述したように既に記憶装置に保存された駆動優先順位によって燃料電池周辺装置を順次駆動させた後に，混合燃料のレベル状態をモニタリングするために混合燃料のレベルを感知する（Ｓ３０）。そして，感知されたレベルが基準レベルより小さいかを判断する（Ｓ３２）。

上記判断の結果，感知された混合燃料のレベルが基準レベルより小さければ，制御装置は熱交換装置をさらに駆動させる（Ｓ３４）。熱交換装置は，燃料電池本体から排出される高温の流体に含まれた気体状態の未反応燃料と水蒸気が混合タンクによく流入されるように流体の熱エネルギーを奪って未反応燃料と水蒸気を液状燃料と水で凝縮させる。そして，上記判断の結果，感知された混合燃料のレベルが基準レベルより小さくなければ，基準レベル範囲にあることと仮定して上記熱交換装置の作動停止状態で本過程を終了するように設計される。

一方，大部分の直接メタノール型燃料電池システムにおいて，混合燃料のレベルは，システム駆動の時自然に減少するので，本実施形態では混合燃料のレベルが基準レベル範囲を超過する場合に対して特別に言及しない。但し，本実施形態は，混合燃料のレベルが基準レベル範囲を超過する場合，本実施形態では，例えば，制御装置がシステム警報を発生させるように設計することができる。

このように，本実施形態の燃料電池周辺装置の駆動方法は，起動の時燃料電池システムの状態によって熱交換装置の外にも他の周辺装置を追加的に順次駆動させることができ，それによって電気貯蔵装置の安全性を高めて燃料電池システムの信頼性を高めることができる。

図４は，本発明の第１及び第２実施形態にかかる燃料電池システムに採用することができる制御装置をあらわすブロック図である。

図４を参照すれば，制御装置１５０ｂは，燃料電池システムの全体的な作動を制御する。このために，制御装置１５０ｂは，燃料電池システムの多くの要素を制御するためのプログラムが保存されたメモリシステム１５７と，このメモリシステム１５７（記憶装置に相当する。）に結合されてプログラムを遂行するプロセッサ１５１を含む。プログラムは，例えばメモリシステム１５７に保存された作動優先順位によってスイッチング部を制御するものであってもよい。

より具体的に，プロセッサ１５１は計算を遂行するためのＡＬＵ（Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ Ｌｏｇｉｃ Ｕｎｉｔ）１５２と，データ及び命令語の一時的な保存のためのレジスター１５３，及びシステムの動作を制御するためのコントローラ１５４を含む。

プロセッサ１５１は，デジタル（Ｄｉｇｉｔａｌ）社のアルファ（Ａｌｐｈａ），ＭＩＰＳテクノロジー，ＮＥＣ，ＩＤＴ， ジーメンス（Ｓｉｅｍｅｎｓ）などのＭＩＰＳ，インテル（Ｉｎｔｅｌ）とサイリックス（Ｃｙｒｉｘ），ＡＭＤ及びネックスゼン（Ｎｅｘｇｅｎ）を含む会社のｘ８６及びＩＢＭとモトローラ（Ｍｏｔｏｒｏｌａ）のパワーＰＣ（ＰｏｗｅｒＰＣ）のように多様なアキテクチャー（Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｒｕｅ）を備えるプロセッサの中で少なくとも一つを含む。

また，プロセッサ１５１は，入力端１５５と出力端１５６を備える。入力端１５５は所定ビットのアナログデジタル変換器であってもよい。出力端１５６は，燃料電池システムの各要素の制御に適する信号形態で制御信号を出力し，コントローラ１５４から出力される信号を受け，受けた信号を該当装置に伝達するデジタルアナログ変換器及び／または出力バッファで構成されてもよい。

上記構成の制御装置１５０ｂは，燃料電池システムや別途の電源供給装置１６０から電力の供給を受け，所定の電圧及び電流測定装置１６１を通じて燃料電池システムの出力電圧及び電流を感知し，レベルセンサ１６２を通じて混合タンクなどに貯蔵される混合燃料などのレベルを感知し，増幅器１６４を通じて濃度センサ１６３から検出された混合燃料の濃度に対する電気信号を感知する。

また，制御装置１５０ｂは，例えば，酸化剤供給装置に含まれた第１ポンプ１６５，燃料供給装置に含まれた第２ポンプ１６６，燃料注入装置に含まれた第３ポンプ１６７，そして熱交換装置などのその他の周辺装置ＢＯＰ１６８を制御し，特に，システム起動の時メモリシステム１５７に貯蔵された駆動優先順位によって各周辺装置を順次駆動させる。この場合，プロセッサ１５１は各周辺装置１６５，１６６，１６７，１６８を制御する各周辺装置制御装置（図示せず。）を制御したり周波数などを通じてポンプなどの周辺装置を直接制御したりすることができる。

記憶装置であるメモリシステム１５７は，一般的にＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）とＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）のような貯蔵媒体形態である高速のメインメモリと，フロッフィディスク，ハードディスク，磁気テープ，ＣＤ−ＲＯＭ，フラッシュメモリなどの長期貯蔵媒体形態の補助メモリ及び電気，磁気，光学やその外の貯蔵媒体を利用してデータを保存する装置を含む。ここで，メインメモリはディスプレイ装置を通じてイメージをディスプレイするビデオメモリを含むことができる。

また，メモリシステム１５７は，システム起動の時燃料電池周辺装置の効果的な順次駆動のための情報を保存する。この情報は，図３ａ〜図３ｄを参照して前述したように燃料電池システムの状態によって弾力的に対応するように階層的に細分化されて保存されることが望ましい。そしてメモリシステム１５７は，混合燃料に対する基準濃度と基準レベルに対する情報を保存する。

一方，本実施形態にかかる燃料電池周辺装置の駆動方法は，基本的に直接メタノール型燃料電池システムに一番適合するように設計されている。しかし，本発明は高分子電解質型燃料電池システムなどの他の種類の燃料電池システムにも適用可能である。

図５は，本発明の第３実施形態にかかる高分子電解質型燃料電池システムを概略的にあらわす図面である。

図５を参照すれば，本実施形態の高分子電解質型燃料電池システム２００は，燃料と酸化剤の電気化学的な反応によって電気を発生させる燃料電池本体２１０，燃料電池本体２１０のアノードに燃料を供給する燃料供給装置２２０，燃料電池本体２１０のカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給装置２３０，燃料電池本体２１０内の電解質膜２１１の水化（ｈｙｄｒａｔｉｏｎ）のための加湿装置２４０，及びこれら燃料供給装置２２０，酸化剤供給装置２３０及び加湿装置２４０の作動を制御する制御装置（図示せず。）を含む。

本実施形態の高分子電解質型燃料電池システムは，燃料電池本体２１０が別途の改質装置によって供給される改質がスを利用せず，水素を含む気体状態の燃料を直接使用する方式に設計される。よって，燃料供給装置２２０は，純粋水素ガスを供給することができる装置になって，燃料は純粋水素ガスであることが望ましい。そして，第１実施形態で述べた制御装置のような制御装置がシステム起動の時に既貯蔵された駆動優先順位によって燃料供給装置，酸化剤供給装置，加湿装置などの各周辺装置を順次駆動させることを特徴とする。

上記高分子電解質型燃料電池システムをより具体的に説明すれば，燃料電池本体２１０は高分子電解質膜２１１とこの電解質膜２１１の両面に位置するアノード電極２１２ａ，２１２ｂ及びカソード電極２１３ａ，２１３ｂからなる膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ，ＭＥＡ）と，複数の膜−電極接合体を直列接続させてアノード電極２１２ａ，２１２ｂとカソード電極２１３ａ，２１３ｂに燃料及び酸化剤をそれぞれ供給するセパレータ２１５，２１５ａ，２１５ｂを具備する。また，燃料電池本体２１０は，電解質膜２１１とセパレータ２１５，２１５ａ，２１５ｂの間に位置するガスケット２１４，膜−電極接合体とセパレータの積層構造に所定の締結圧を提供するための一対のエンドプレート２１６，及び一対のエンドプレート２１６を締結するための締結手段２１７を具備する。

膜−電極接合体は，燃料と酸化剤の酸化及び還元反応を誘導して電気エネルギーを発生させる。アノード電極は，燃料を酸化反応によって電子と水素イオンに変換させる触媒層２１２ａと，燃料と二酸化炭素の円滑な移動と電子移動のための拡散層２１２ｂを具備する。カソード電極は，酸化剤，例えば，空気中の酸素を還元反応によって電子と酸素イオンに変換させる触媒層２１３ａと，空気の円滑な移動と生成された水の円滑な排出のための拡散層２１３ｂを具備する。そして，電解質膜２１１はその厚さが５０〜２００ｕｍの固体ポリマ電解質であり，アノード電極の触媒層２１２ａから生成された水素イオンをカソード電極の触媒層２１３ａに移動させるイオン交換機能を有する。アノード電極またはカソード電極の拡散層２１２ｂ，２１３ｂは，その表面にコーティングされて触媒層２１２ａ，２１３ａの方へ燃料または酸化剤を分配供給するための微細気孔層２１２ｃ，２１３ｃを具備することが望ましい。

各構成要素を具体的に説明すれば，上記電解質膜２１１は，水素イオン伝導性の優秀なパーフルオロ（Ｐｅｒ Ｆｌｕｏｒｏ）系高分子，ベンズイミダゾル系高分子，ポリイミド系高分子，ポリエーテルイミド系高分子，ポリフェニレンサルファイド系高分子，ポリスルホン系高分子，ポリエーテルスルホン系高分子，ポリエーテルケトン系高分子，及びポリフェニルキノキサリン系高分子からなるグループから選ばれる１種以上の水素イオン伝導性高分子を含むことが望ましく，ポリ（パーフルオロスルホン酸），ポリ（パーフルオロカルボキシル酸），スルホン酸基を含むテトラフルオロエチレンとフルオロビニルエ−テルの共重合体，脱フッ素化された硫化ポリエーテルケトン，アリールケトン，ポリ（２，２’−（ｍ−フェニレン−）５，５’−ビベンズイミダゾル）（ｐｏｌｙ（２，２’−（ｍ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ）−５，５’−ｂｉｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ））及びポリ（２，５−ベンズイミダゾル）からなるグループから選ばれる１種以上の水素イオン伝導性高分子を含むことがさらに望ましい。

上記触媒層２１２ａ，２１３ａは，白金，ルテニウム，オスミウム，白金−ルテニウム合金，白金−オスミウム合金，白金−パラジウム合金，及び白金−Ｍ合金（Ｍは，Ｇａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ及びＺｎからなるグループから選ばれる１種以上の転移金属）からなるグループから選ばれる１種以上の金属触媒を含むことができる。担持体は伝導性を有する物質であれば何でも良いが，炭素担持体であることが望ましい。

上記拡散層２１２ｂ，２１３ｂは燃料，水，空気などの分散を均一にさせる燃料分散作用と生産される電気を集める集電作用，及び触媒層２１２ａ，２１３ａが流体によって消失することを防ぐ保護作用をする。拡散層２１２ｂ，２１３ｂは炭素布（ｃａｒｂｏｎ ｃｌｏｔｈ），カーボン紙（ｃａｒｂｏｎ ｐａｐｅｒ）のような炭素基材であってもよい。

上記微細気孔層２１２ｃ，２１３ｃは黒鉛，炭素ナノチューブ（ＣＮＴ，Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ），フラーレン（Ｃ６０），活性炭素，エボナイト，ケチェンブラック，カーボンブラック及び炭素ナノホーン（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｈｏｒｎ）からなるグループから選ばれる１種以上の炭素物質を含むことが望ましく，ポリ（パーフルオロスルホン酸，ポリ（テトラフルオロエチレン）及びフルオロネイティドエチレンプロピレンからなるグループから選ばれる１種以上のバインダをさらに含むことができる。

セパレータは，隣接した膜−電極接合体を電気的に直列連結させる伝導体の機能を持ち，膜−電極接合体の酸化反応と還元反応に必要な燃料と酸化剤をアノード電極とカソード電極に供給する通路の機能も有する。そして，セパレータは，アノード側モノプレート２１５ａと，カソード側モノプレート１１５ｂ，及びこれらのアノード側モノプレート２１５ａとカソード側モノプレート２１５ｂが接合された少なくとも一つのバイポーラプレート２１５を含む。

ガスケット２１４，エンドプレート２１６及び締結手段２１７は，膜−電極接合体とセパレータの積層構造を気密に結合するための手段であり，既存の多様な材質，形態及び構造の手段が利用されうる。

図６は，本発明の第３実施形態にかかる燃料電池システムの作動のための燃料電池周辺装置の駆動方法をあらわすフローチャートである。

図６を参照すれば，本実施形態の燃料電池周辺装置の駆動方法は，燃料電池周辺装置に対して作動優先順位を設定し，設定された作動優先順位に対する情報を記憶装置に保存する（Ｓ４０）。

その後，制御装置は，燃料電池システムに対する起動要求信号に応答して既に記憶装置に保存された作動優先順位によって燃料電池周辺装置を順次駆動させる。まず，電解質膜の水化のために加湿装置を駆動させる（Ｓ４２）。次に，酸化剤供給装置を駆動させる（Ｓ４４）。そして燃料供給装置を駆動させる（Ｓ４６）。

燃料供給装置より酸化剤供給装置を先に駆動させる理由は，大部分の燃料電池システムにおいて空気を燃料電池本体に供給する酸化剤供給装置，例えば，空気ポンプが燃料を供給する燃料供給装置より大きい容量に設計され，多くの電力を消耗するからである。よって，電解質膜を水化させた後に酸化剤供給装置を優先的に起動させることが電気貯蔵装置の初期負担を減少させることができる。

本発明は，電気貯蔵装置が結合された燃料電池システムにおいて，システム始動の時電気貯蔵装置で発生し得る予想できない損傷と悪影響を防止して電気貯蔵装置の寿命と安全性を高めるという長所を有する。

一方，上記実施形態では電気貯蔵装置の容量が燃料電池周辺装置全体起動の時の瞬間ピークに対応できる容量より小さいと説明した。それは，本発明を明確に説明するためであり，本発明の電気貯蔵装置の容量は少なくとも二つ以上の一部周辺装置起動の時の瞬間ピークに対応することができる容量より小さくすることも可能であることは，追加的な説明がなくても自明であろう。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は，燃料電池システム及び燃料電池周辺装置の駆動方法に適用可能である。

本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムをあらわすブロック図である。 本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムをあらわすブロック図である。 本発明の第１及び第２実施形態にかかる燃料電池周辺装置の駆動方法をあらわすフローチャートである。 本発明の第１及び第２実施形態にかかる燃料電池周辺装置の駆動方法をあらわすフローチャートである。 本発明の第１及び第２実施形態にかかる燃料電池周辺装置の駆動方法をあらわすフローチャートである。 本発明の第１及び第２実施形態にかかる燃料電池周辺装置の駆動方法をあらわすフローチャートである。 本発明の第１及び第２実施形態にかかる燃料電池システムに採用することができる制御装置をあらわすブロック図である。 本発明の第３実施形態にかかる燃料電池システムを概略的にあらわす図面である。 本発明の第３実施形態にかかる燃料電池周辺装置の駆動方法をあらわすフローチャートである。

符号の説明

１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池本体
１１２ 酸化剤供給装置
１１３ 燃料タンク
１１４ 燃料供給装置
１１５ 燃料注入装置
１２０ 混合タンク
１２２ レベルセンサ
１２４ 濃度センサ
１３０ 二次電池
１４０ スイッチング部
１５０ 制御装置
２１０ 燃料電池本体
２２０ 燃料供給装置
２３０ 酸化剤供給装置
２４０ 加湿装置

Claims (11)

1. 混合燃料及び酸化剤の電気化学的な反応によって電気を発生させる燃料電池本体に，前記酸化剤を供給する酸化剤供給装置，
   前記燃料電池本体から排出される流体から回収された未反応燃料及び水を貯蔵する混合タンクに高濃度燃料を供給するための燃料供給装置，並びに
   前記混合タンクに貯蔵された前記混合燃料を前記燃料電池本体に供給するための燃料注入装置，
   を有する燃料電池周辺装置と；
   前記燃料電池周辺装置に電気的に連結される電気貯蔵装置と；
   既に保存された作動優先順位によって，前記電気貯蔵装置に貯蔵された電気エネルギーを利用して前記燃料電池周辺装置を順次駆動させる制御装置と；
   を備え，
   前記制御装置は，
   前記制御装置に入力される起動要求信号に応答して前記混合燃料の燃料濃度を感知し，
   前記燃料濃度が基準濃度範囲にある時，前記酸化剤供給装置，前記燃料注入装置，前記燃料供給装置の順に駆動させ，及び
   前記燃料濃度が基準濃度より低い時，前記燃料供給装置，前記酸化剤供給装置，前記燃料注入装置の順に駆動させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池周辺装置は，前記混合タンクに水を供給する水供給装置をさらに備え，
   前記制御装置は，入力される起動要求信号に応答して前記混合タンクに結合されたレベルセンサを通じて前記混合燃料のレベルを感知し，
   前記感知された混合燃料のレベルが基準レベル未満の時，前記水供給装置を一番優先的に駆動させることを特徴とする，請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池周辺装置は，前記燃料電池本体から排出される流体から熱を回収して前記未反応燃料及び水を凝縮させるための熱交換装置をさらに備え，
   前記制御装置は，前記混合燃料のレベルを感知し，前記感知された混合燃料のレベルが基準レベル未満の時，前記熱交換装置を追加的に駆動させることを特徴とする，請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記電気貯蔵装置と前記燃料電池周辺装置を電気的に接続させるスイッチング部をさらに有し，
   前記制御装置は，前記スイッチング部を制御することを特徴とする，請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御装置は，
   プログラムが保存されているメモリと，
   前記メモリに結合されて前記プログラムを遂行するプロセッサと，
   を備え，前記プロセッサは，前記制御装置に入力される起動要求信号に応答して前記メモリに保存された前記作動優先順位によって前記スイッチング部を制御することを特徴とする，請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 燃料電池本体に燃料及び酸化剤を供給して前記燃料電池本体の作動に必要な環境を提供する燃料電池周辺装置に結合される制御装置で，小容量電気貯蔵装置を利用して前記燃料電池周辺装置を駆動させる方法において：
   前記燃料電池周辺装置は，
   前記燃料電池本体に前記酸化剤を供給する酸化剤供給装置と，
   前記燃料と水が混合された混合燃料を前記燃料電池本体に注入する燃料注入装置と，
   前記混合燃料を貯蔵する混合タンクに高濃度燃料を供給する燃料供給装置と，
   を有し，
   前記方法は，
   （ａ）前記燃料電池周辺装置に対する作動優先順位を設定し，設定した情報を記憶装置に保存する段階と，
   （ｂ）前記保存された作動優先順位によって前記小容量電気貯蔵装置に貯蔵された電気エネルギーを利用して前記燃料電池周辺装置を順次駆動させる段階と，
   を含み，
   前記（ｂ）段階は，
   前記制御装置に入力される起動要求信号に応答して前記混合燃料の燃料濃度を感知する段階と，
   前記感知された燃料濃度が基準濃度より低い時，前記燃料供給装置，前記酸化剤供給装置及び前記燃料注入装置を，前記燃料供給装置，前記酸化剤供給装置，前記燃料注入装置の順に所定時間間隔を置いて駆動させる段階と，
   前記感知された燃料濃度が基準濃度範囲にある時，前記酸化剤供給装置，前記燃料注入装置及び前記燃料供給装置を，前記酸化剤供給装置，前記燃料注入装置，前記燃料供給装置の順に所定時間間隔を置いて駆動させる段階と，
   を含むことを特徴とする燃料電池周辺装置の駆動方法。
7. 前記制御装置に入力される起動要求信号に応答して前記混合燃料のレベルを感知する段階をさらに含むことを特徴とする，請求項６に記載の燃料電池周辺装置の駆動方法。
8. 前記混合燃料のレベルを感知する段階の後に，前記感知された混合燃料のレベルが基準レベル未満の時，前記混合タンクに水を供給する水供給装置を優先的に駆動させる段階をさらに含むことを特徴とする，請求項７に記載の燃料電池周辺装置の駆動方法。
9. 既に保存された駆動優先順位によって前記燃料電池周辺装置を順次駆動させた段階以後に，前記混合燃料のレベルが基準レベル未満である時，前記燃料電池本体から排出される流体の熱エネルギーを回収する熱交換装置を駆動させる段階をさらに含むことを特徴とする，請求項６に記載の燃料電池周辺装置の駆動方法。
10. 前記燃料電池本体は，水素を含有した液状燃料を直接使用する直接メタノール型燃料電池方式の構造を備えることを特徴とする，請求項６〜９のいずれか１項に記載の燃料電池周辺装置の駆動方法。
11. 前記燃料電池本体は，水素ガスまたは前記水素ガスを主成分にする気体燃料を使用する高分子電解質型燃料電池方式の構造を備えることを特徴とする，請求項６〜９のいずれか１項に記載の燃料電池周辺装置の駆動方法。
    

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