JP4919634B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池と二次電池等の蓄電手段とを併用する燃料電池システムおよびその制御方法に関し、特にモバイルパソコン、ＰＤＡなどの携帯電子機器に電源を供給するための燃料電池システムとして有用である。

ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー変換効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用コージェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。

また、近年のＩＴ技術の活発化に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジカメなどモバイル機器が頻繁に使用される傾向があるが、これらの電源は、ほとんどリチウムイオン二次電池が用いられている。ところが、モバイル機器の高機能化に伴って消費電力がどんどん増大し、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池が注目されてきている。

モバイル機器の電源として燃料電池を使用する場合、燃料であるメタノールを用いた電極反応によって直接電流を取り出すことができる直接メタノール型燃料電池が、これまで開発の主流であった（例えば非特許文献１）。直接メタノール型では、改質型のように改質器を必要とせず、また、燃料が液体のため、ガスと比べて燃料の貯留や取り扱いが簡易に行えるためである。

しかしながら、直接メタノール型燃料電池は、メタノールのクロスオーバー（膜透過）の問題があるため、メタノールの濃度を十分高めることができず、エネルギー変換効率が悪いという問題があった。

一方、このような理由から、自動車向けの燃料電池では、水素ガスを燃料として用いるタイプが開発の主流になっている。しかし、水素ガスの貯留の方法、水素ガスの供給インフラなど、残された問題も多い。特に、モバイル機器では、水素ガスの貯留容器を配置するためのスペースが確保しにくく、ポンプなどのガス供給・制御装置の組み込みなどについても問題が多い。

モバイル機器に水素ガス燃料を用いる燃料電池を適用した例としては、燃料の貯蔵に水素吸蔵合金を収納したタンクを用いる方式が知られている（例えば非特許文献１）。しかし、この方式では、合金に対する水素の吸蔵量が十分でないため、合金の重量が大きくなるという問題があった。また、水素の吸蔵には高圧に耐える圧力容器が必要となり、これも重量増加の要因となり、更に、圧力制御が困難になり易いという問題もある。

他方、下記の特許文献１には、水との反応により水素を生成する水素発生装置として、鉄等の金属を反応容器に収容し、これに水を供給して反応させる水素発生装置が開示されている（例えば、金属として鉄を用いた場合の反応式は、３Ｆｅ＋４Ｈ_２Ｏ→Ｆｅ_３Ｏ_４＋４Ｈ_２と表わせる）。この装置では、金属を収容した反応容器を着脱できるようにし、別途、水素ガス等で金属の加熱・還元を行うようにしている。

しかしながら、水素発生装置で発生する水素ガスを燃料電池に供給して発電するシステムでは、一般的に、発電電力が一定以上になるまでに時間を要し、また負荷（機器）がオフされた際に、直ちに水素発生反応を停止するのが困難であった。

このような燃料電池の立ち上がりの遅さなどを補完するシステムとして、二次電池を併用するハイブリッド型の燃料電池システムが提案されている。例えば、下記の特許文献２には、ダイレクトメタノール型の燃料電池における発電初期の不安定な状態を回避するために、発電初期には二次電池から機器に電力を供給し、両電池の電圧を検出して燃料電池の電圧が二次電池より高い場合には、二次電池の充電を行う燃料電池システムが提案されている。

また、下記の特許文献３には、上記と同様のハイブリッド型の燃料電池システムにおいて、二次電池の過充電状態を検出して二次電池への充電を好適に制御するものが提案されている。その際、機器に流れる電流を検出して、充電モードへの移行を行う制御をしている。

しかしながら、特許文献３の燃料電池システムでは、燃料電池の起動・停止の制御を行っておらず、特に水素ガスの燃料電池への供給をどのように制御するかが大きな問題となる。また、特許文献２の燃料電池システムでは、燃料電池へ供給する燃料の供給量を制御しているが、この制御は燃料電池の発電状態に応じた燃料を供給して、効率的な発電を行うことを目的とするものであり、燃料の供給量を制御して、燃料電池の起動・停止の制御を行うものではない。

「燃料電池２００４」発行日２００３年１０月７日、発行所：日経ＢＰ社 特開２００４−１４９３９４号公報 特開２００４−７１２６０号公報 特開２００４−３４２５５１号公報

そこで、本発明の目的は、機器の状態に応じて燃料電池の起動・停止を自動制御することができ、その起動・停止に合わせて効果的に二次電池からの放電・充電を行うことができる燃料電池システム及びその制御方法を提供することにある。

上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明の燃料電池システムは、燃料を供給して発電を行う燃料電池と、充電および放電が可能な蓄電手段と、電力を供給する機器を接続する出力部と、前記出力部に対して前記燃料電池からの電力供給と前記蓄電手段からの電力供給とを切り替える電力供給切替手段と、前記蓄電手段に対し前記燃料電池からの充電と前記電力供給のための放電とを切り替える充放電切替手段と、前記燃料電池からの電力供給の電圧と前記蓄電手段からの電力供給の電圧とを検出する電圧検出部と、前記電圧検出部からの信号に応じて前記電力供給切替手段および前記充放電切替手段を切り替える制御を行う切替制御部と、前記出力部への電力供給を検出する出力検出部と、その出力検出部からの信号と前記電圧検出部からの信号とに応じて前記燃料電池を起動又は停止させる制御を行う燃料電池制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明の燃料電池システムによると、前記燃料電池側の電圧が設定値以上の場合に、前記電力供給切替手段を前記燃料電池からの電力供給に切り替える制御が行え、燃料電池の起動初期の低電圧状態において蓄電手段による電力供給を行うことができる。また、燃料電池側の電圧が設定値以上の場合に、前記充放電切替手段を充電側へと切り替える制御が行え、燃料電池の起動状態で蓄電手段への充電を行うことができる。また、出力部への電力供給が設定値以上に変化した場合に前記燃料電池を起動させ、その電力供給が設定値未満に変化した場合でも起動を継続し、前記蓄電手段の電圧が設定値以上でかつ前記電力供給が設定値未満の場合に前記燃料電池を停止させる制御が行えるため、機器の状態に応じて燃料電池の起動・停止を自動制御することができ、その起動・停止に合わせて効果的に二次電池からの放電・充電を行うことができる。

上記において、前記燃料電池が水素ガスを燃料とするものであり、この燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス供給手段を更に備えることが好ましい。水素ガスを燃料とする燃料電池は出力密度が大きいため、小型化に適したシステムとなるので、水素ガス供給手段を設ける形態が実用的なものとなる。

一方、本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料を供給して発電を行う燃料電池と、
充電および放電が可能な蓄電手段と、電力を供給する機器を接続する出力部と、前記出力部に対して前記燃料電池からの電力供給と前記蓄電手段からの電力供給とを切り替える電力供給切替手段と、前記蓄電手段に対し前記燃料電池からの充電と前記電力供給のための放電とを切り替える充放電切替手段と、前記燃料電池からの電力供給の電圧と前記蓄電手段からの電力供給の電圧とを検出する電圧検出部と、前記出力部への電力供給を検出する出力検出部と、を備える燃料電池システムに対して、前記電圧検出部からの信号に応じて前記電力供給切替手段および前記充放電切替手段を切り替える制御と、前記出力検出部からの信号と前記電圧検出部からの信号とに応じて前記燃料電池を起動又は停止させる制御とを行うことを特徴とする。

本発明の制御方法によると、前記燃料電池側の電圧が設定値以上の場合に、前記電力供給切替手段を前記燃料電池からの電力供給に切り替える制御が行え、燃料電池の起動初期の低電圧状態において蓄電手段による電力供給を行うことができる。また、燃料電池側の電圧が設定値以上の場合に、前記充放電切替手段を充電側へと切り替える制御が行え、燃料電池の起動状態で蓄電手段への充電を行うことができる。また、出力部への電力供給が設定値以上に変化した場合に前記燃料電池を起動させ、その電力供給が設定値未満に変化した場合でも起動を継続し、前記蓄電手段の電圧が設定値以上でかつ前記電力供給が設定値未満の場合に前記燃料電池を停止させる制御が行えるため、機器の状態に応じて燃料電池の起動・停止を自動制御することができ、その起動・停止に合わせて効果的に二次電池からの放電・充電を行うことができる。

つまり、本発明の制御方法としては、前記電圧検出部からの信号に応じて前記燃料電池側の電圧が設定値以上の場合に、前記電力供給切替手段を前記燃料電池からの電力供給に切り替える制御と、前記電圧検出部からの信号に応じて前記燃料電池側の電圧が設定値以上の場合に、前記充放電切替手段を充電側へと切り替える制御と、前記出力検出部からの信号に応じて前記電力供給が設定値以上に変化した場合に前記燃料電池を起動させ、その電力供給が設定値未満に変化した場合でも起動を継続し、前記電圧検出部および前記出力検出部からの信号に応じて前記蓄電手段の電圧が設定値以上でかつ前記電力供給が設定値未満の場合に前記燃料電池を停止させる制御と、を行うことが好ましい。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１〜図４は、本発明の燃料電池システムの一例を示す概略構成図であり、それぞれ、機器オフ状態、機器オン状態（蓄電手段による供給）、機器オン状態（燃料電池による供給）、機器オフ状態（充電中）を示している。

［システム構成の概略と制御］
本発明の燃料電池システムは、図１〜図４に示す様に、燃料電池４０と、リチウム電池４１などの蓄電手段と、出力部２１と、電力供給切替手段４５と、充放電切替手段４６と、電圧検出部４２と、切替制御部４８と、電流検出部５０などの出力検出部と、燃料電池制御部５１とを備える。

燃料電池４０は、燃料を供給して発電を行うものであればよく、水素供給型、ダイレクトメタノール型、改質型などが挙げられるが、水素供給型の燃料電池が好ましい。燃料電池４０は、少なくとも１つの単位セルにより構成され、複数の単位セルで構成する場合は、通常それらが直列接続される。本発明における燃料電池４０については、後に詳述する。

蓄電手段としては、充電および放電が可能なものであればよく、リチウム電池４１などの二次電池、大容量のキャパシタなどが挙げられる。本発明では、機器のオフ後に、十分な充電を常に行えるため、蓄電手段の容量を比較的小さく設計することができる。

出力部２１は、電力を供給する機器を接続する部分であり、通常、端子類が設けられる。出力部２１には、電力供給切替手段４５からの配線が接続される。なお、出力部２１に並列接続されたキャパシタ４９は、電力供給切替手段４５等の切替動作時に生じるノイズ成分を吸収するために設けられるものであり、例えば、スーパーキャパシタを用いることができる。

電力供給切替手段４５は、出力部２１に対して燃料電池４０からの電力供給と蓄電手段４１からの電力供給とを切り替えるものである（「第１接続切替部」に対応）。電力供給切替手段４５は、例えば、パワーＭＯＳ−ＦＥＴやその他の適宜のスイッチング用トランジスタを用いて構成することができる。

充放電切替手段４６は、蓄電手段４１に対し燃料電池４０からの充電と電力供給のための放電とを切り替えるものであるが（「第２接続切替部」に対応）、放電と充電の切替以外の無接続状態などを有していてもよい。充放電切替手段４６は、例えば、パワーＭＯＳ−ＦＥＴやその他の適宜のスイッチング用トランジスタを用いて構成することができる。

本実施形態では、第１昇圧回路４３の出力部と充放電切替手段４６の間にダイオード４７が接続され、この経路は、リチウム電池４１を充電するための充電経路として機能する。すなわち、燃料電池４０による電力供給が行なわれるときには、図３に示すようなスイッチ状態となり、リチウム電池４１への充電も同時に行なわれることになる。ダイオード４７を設けることで、リチウム電池４１から燃料電池４０への逆充電を防止すると共に、燃料電池４０による電力供給が行なわれているときに、リチウム電池４１による電力供給が行なわれないようにしている。

電圧検出部４２は、燃料電池４０からの電力供給の電圧と蓄電手段４１からの電力供給の電圧とを検出するものである。電圧検出部４２は、燃料電池４０とリチウム電池４１の電圧値を常時監視しており、電圧に応じた信号を切替制御部４８に送る機能を有する。本実施形態において、電圧検出部４２は、燃料電池４０とリチウム電池４１に直接接続されているが、昇圧後の配線に接続して昇圧後の電圧を検出してもよい。

リチウム電池４１の電圧レベルは、例えば３．７Ｖ〜５Ｖ程度であり、燃料電池４０の電圧レベルは、例えば、４つの単位セルを使用して２．７Ｖレベルである。これら２つの電圧レベルを検出して、例えば、その絶対値がしきい値以上か否かの判断や、両者の相対的な比較などを行なうことで、いずれを出力部２１に接続すべきかを判断できる。

本実施形態では、燃料電池４０の出力電圧は、第１昇圧回路４３により機器に適した電圧となるように昇圧される例を示す。リチウム電池４１の出力電圧も、同様に第２昇圧回路４４により昇圧される例を示す。これら昇圧回路４３，４４は、同じ構成のものを採用することができ、公知のＤＣ−ＤＣコンバータにより構成することができる。なお、第１昇圧回路４３は、リチウム電池４１の充電に適した電圧まで昇圧する出力系統を併せ持つのが好ましい。

切替制御部４８は、電圧検出部４２からの信号に応じて電力供給切替手段４５および充放電切替手段４６を切り替える制御を行うものである。具体的には、切替制御部４８は、電圧検出部４２からの信号に応じて燃料電池側の電圧が設定値以上の場合に、電力供給切替手段４５を燃料電池４０からの電力供給に切り替える制御と、例えば電圧検出部４２からの信号に応じて燃料電池側の電圧が設定値以上の場合に、充放電切替手段４６を充電側へと切り替える制御とを行えばよい。

これによって、燃料電池４０の電圧値がリチウム電池４１の電圧値に比べて、あまりに低い状態（例えば燃料電池の起動初期）のときは、リチウム電池４１により電力供給を行なうことができる。つまり、燃料電池４０では機器（負荷）を駆動するのに必要な電力供給ができない状態のときは、図２に示すような状態に、電力供給切替手段４５と充放電切替手段４６とを切り替えることで、リチウム電池４１による電力供給が出力部２１を介して行なわれる。このときは、充放電切替手段４６の切替により、リチウム電池４１への充電経路も切断される。

出力検出部は、出力部２１への電力供給を検出するものである。出力検出部は、負荷による電圧変動を電圧検出することも可能であるが、本実施形態のように電流検出部５０で構成する方が好ましい。この方が、より高精度に出力部２１への電力供給を検出することができる。

燃料電池制御部５１は、出力検出部５０からの信号と電圧検出部４２からの信号とに応じて燃料電池４０を起動又は停止させる制御を行うものである。本実施形態では、水素供給手段３０を起動又は停止させることで、燃料電池４０を起動又は停止させる例を示す。燃料電池４０を起動又は停止は、トリガー信号によって、起動状態と停止状態が交互に継続するように構成することが好ましい。水素供給手段３０については、後に詳述する。

具体的には、例えば、出力検出部からの信号に応じて電力供給が設定値以上に変化した場合に燃料電池４０を起動させ、その電力供給が設定値未満に変化した場合でも起動を継続し、電圧検出部４２および出力検出部からの信号に応じて蓄電手段４１の電圧が設定値以上でかつ電力供給が設定値未満の場合に燃料電池４０を停止させる制御を行う。

以上の制御を各々の状態について順次説明すると、次のようになる。まず、図１は機器オフ状態（充電も修了した状態）を示している。この状態では、燃料電池４０は停止し、リチウム電池４１からの電力供給も行われていない。

次に、図２は機器オン状態（蓄電手段による供給）を示している。この直前の状態（図１に示す状態）では、電力供給切替手段４５が出力部２１に対して蓄電手段４１から電力供給するスイッチ状態であり、充放電切替手段４６が蓄電手段４１に対し電力供給のための放電側に切り替えられたスイッチ状態である。このため、機器の電源オンによって、リチウム電池４１からの電力供給が行われ、これを出力検出部である電流検出部５０が検出し、その信号によって、燃料電池制御部５１が水素供給手段３０に対して、起動（オン）信号を送る。これによって、燃料電池４０が起動するが、起動初期には電圧が不十分なため、出力部２１への電力供給は行われない。このような起動初期には、燃料電池４０に対してダミーとなる負荷を接続して、自己放電させることが起動初期の立ち上りを良好にする上で好ましい。このような自己放電に関する制御も、電圧検出部４２および出力検出部からの信号に応じて切替制御部４８によって行うことができる。

次に、図３は機器オン状態（燃料電池４０による供給）を示している。図２に示す状態で機器の電源オンが続くと、燃料電池４０の発電電圧が上昇し、設定値以上となる。電圧検出部４２がこれを検出しており、その信号に基づいて、切替制御部４８が電力供給切替手段４５および充放電切替手段４６を図３に示すスイッチ状態に切り替える。これによって、燃料電池４０から出力部２１への電力供給が行われる。

次に、図４は機器オフ状態（充電中）を示している。図３に示す状態で機器の電源をオフしても、燃料電池４０の発電電圧が設定値以上であるため、電圧検出部４２の信号に基づいて、切替制御部４８が電力供給切替手段４５および充放電切替手段４６を、図３に示すスイッチ状態のまま維持し、燃料電池４０から蓄電手段への充電が継続する。

機器の電源オフ時に直ちに、燃料電池４０の発電を停止することも可能であるが、せっかく起動させた燃料電池４０を停止するのは効率が悪いため、本発明では燃料電池４０の発電を継続して蓄電手段に対し十分な充電を行う。この制御は、燃料電池制御部５１によって行われ、出力検出部からの信号に応じて、電力供給が設定値未満に変化した場合でも燃料電池４０の起動を継続する制御によって可能となる。つまり、電力供給が設定値未満に変化した場合には、燃料電池４０の停止のためのトリガー信号を発生させないようにする。

そして、燃料電池４０から蓄電手段への充電を継続し、電圧検出部４２および出力検出部からの信号に応じて蓄電手段４１の電圧が設定値以上でかつ電力供給が設定値未満の場合に、燃料電池４０を停止させる。本実施形態では、図１に示すように、燃料電池制御部５１が水素供給手段３０に対して、停止（オフ）のためのトリガー信号を送る。

［システム構成の概略と制御の別実施形態］
（１）上記実施形態では、充放電切替手段４６は、充電経路か放電経路のいずれか一方にのみ切り替えられるように構成しているが、いずれの位置でもないニュートラルな状態を取れるように構成してもよい。この実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

つまり、燃料電池４０により電力供給を行う場合に、機器側の負荷の駆動とリチウム電池４１への充電の双方を行なうことが過負荷状態になることがある。その場合、ニュートラル位置に設定して、リチウム電池４１が回路から切り離された状態にすることができる。

（２）上記実施形態では、機器への電力供給がオン又はオフの２つの状態のみを想定した例を示したが、通常より小さい電流で電力供給が必要となる待機状態を機器が有していてもよい。その場合、待機状態においては、蓄電手段から電力供給を行うようにし、蓄電手段の電圧が一定以下となった場合に、燃料電池を起動するように制御するのが好ましい。つまり、出力検出部で電流を検出し、これが所定の範囲内の場合に、燃料電池制御部から起動信号を送ることなく、蓄電手段から電力供給を行うように制御し、蓄電手段の電圧が一定以下となった場合に、燃料電池を起動するように燃料電池制御部で制御することができる。

（３）上記実施形態では、水素供給手段を起動又は停止することで、燃料電池の起動又は停止を行う例を示したが、負荷の制御（自己放電の有無）によって燃料電池を起動又は停止させたり、燃料電池の上流側に設けた弁などによって、燃料電池を起動又は停止させることも可能である。

（４）上記実施形態では、燃料電池又は蓄電手段から出力部への電力供給を一方のみに選択する例を示したが、電力供給が不足する場合には、燃料電池および蓄電手段から出力部へ電力供給するようにしてもよい。その場合、例えば出力検出部からの出力が一定以上の場合に、燃料電池からの供給経路と蓄電手段からの供給経路とを接続する制御を行えばよい。また、逆電流が生じるのを防止すべく、ダイオードを各供給経路に設けるのが好ましい。

［燃料電池］
本発明における燃料電池４０は、例えば水素ガスをアノード側に供給して発電を行うものである。燃料電池４０は、一般的に、アノード側空間（又は流路）、アノード側電極、電解質膜、カソード側電極、カソード側空間（又は流路）を備える。携帯機器に利用する場合、特に部品数を減らすのが好ましいため、カソード側空間は、大気開放されて空気中の酸素を自然供給できるようにするのが好ましい。

携帯機器に適した燃料電池４０の構造や材料等については、例えば国際公開ＷＯ２００５／０５０７６６号公報に詳述されている。概略を説明すると次のようになる。

この燃料電池は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の一方側に配置されたカソード側電極板と、他方側に配置されたアノード側電極板とを備える。また、これら電極板のさらに外側には、カソード側金属板とアノード側金属板とが設けられる。例えば、アノード側金属板には、エッチングにより燃料の流路溝が形成される。

固体高分子電解質としては、従来の固体高分子膜型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。固体高分子電解質の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、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、２５〜５０μｍが好ましい。

電極板（ガス拡散板）は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、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使用できる。電極板としては、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、固体高分子電解質と接する内面に少なくとも担持させるのが好ましい。

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。一般に、電極板は、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。

カソード側電極板の表面にはカソード側金属板が配置され、アノード側電極板の表面にはアノード側金属板が配置される。アノード側金属板には燃料の注入口及び排出口が設けられ、更に本実施形態では、アノード側金属板に流路溝が設けられている。

カソード側金属板には、空気中の酸素を供給するための多数の開口孔が設けられている。開口部は、カソード側電極板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。但し、空気中の酸素の供給効率と、カソード側電極板からの集電効果などを考慮すると、開口孔の面積はカソード側電極板の面積の１０〜５０％であるのが好ましい。

金属板としては、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、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレス加工性、エッチング加工性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。金属板の周囲は、絶縁状態を維持しつつ、カシメなどの機械的封止手段や樹脂封止などによって封止される。

［水素供給手段］
水素供給手段は、例えば、反応液との反応で水素ガスを発生させる水素発生剤を収容する水素ガス発生手段と、水素ガス発生手段に反応液を供給する反応液供給手段と、燃料電池への水素ガスの供給量を調節する供給側調節機構とを備える。

反応液供給手段は、貯液部を有しており、水などの反応液が貯留されている。貯液部には、注水口が設けられており、水の消費量に応じて、水を追加供給することができる。貯液部には、繊維集合体や多孔質体を配置して、毛管現象によって所定の部分に水が保持されるようにしてもよい。

反応液供給手段は、貯液部の反応液を輸送する圧送手段とを有し、これによって水素ガス発生手段に反応液を供給することができる。この圧送手段を電動ポンプで構成することにより、電気的な制御によって、反応液の供給と停止を行うことができる。

圧送手段としては、制御部からの操作信号に基づいて、供給量が調節可能（発動・停止を含む）ものであればよく、例えば駆動源を電気モータとするチューブ型のマイクロポンプや、圧電素子を利用したマイクロポンプ、ギヤポンプなどを使用することができる。

水素ガス発生手段は、水分（水又は水蒸気）との反応で水素ガスを発生させる水素発生剤を反応容器内に備え、これにより燃料電池に水素ガスを供給することができる。水素発生剤の反応が加熱を要する場合、加熱手段が設けられる。

水素発生剤としては、水分と反応して水素を生成する金属粒子が好ましく、Ｆｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｉなどから選ばれる１種以上の金属の粒子や、これらが部分的に酸化された金属の粒子が挙げられる。また、酸化反応を促進するための金属触媒などを添加することで、より低温で水素ガスを発生させることができる。水素発生剤は、反応容器内に金属粒子のまま充填することも可能であるが、金属粒子を結着させた多孔質体を使用することもできる。

このような水素ガス発生手段によって、水素組成が略１００％（水分は除く）の水素ガスを発生させることができる。水素ガス発生手段３０と燃料電池４０とは配管で連結されており、発生した水素ガス（Ｈ_２）が燃料電池４０のアノード側空間に供給される。

本発明の燃料電池システムの一例の機器オフ状態を示す概略構成図 本発明の燃料電池システムの一例の機器オン状態（蓄電手段による供給）を示す概略構成図 本発明の燃料電池システムの一例の機器オン状態（燃料電池による供給）を示す概略構成図 本発明の燃料電池システムの一例の機器オフ状態（充電中）を示す概略構成図

符号の説明

２１ 出力部
３０ 水素供給手段
４０ 燃料電池
４１ リチウム電池（蓄電手段）
４２ 電圧検出部
４５ 電力供給切替手段
４６ 充放電切替手段
４８ 切替制御部
５０ 電流検出部（出力検出部）
５１ 燃料電池制御部

Claims (2)

1. 燃料を供給して発電を行う燃料電池と、
   充電および放電が可能な蓄電手段と、
   負荷機器を接続する出力部と、
   前記出力部に対する接続先を、２つのノード間で切り替える第１接続切替部と、
   前記蓄電手段の接続先を、２つのノード間で切り替える第２接続切替部と、
   前記燃料電池の出力電圧値及び前記蓄電手段の出力電圧値を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部からの信号に応じて前記第１接続切替部および前記第２接続切替部の切替制御を行う切替制御部と、
   前記出力部への電力供給を検出する出力検出部と、
   前記出力検出部からの信号と前記電圧検出部からの信号とに応じて前記燃料電池を起動又は停止させる制御を行う燃料電池制御部と、を備え、
   前記燃料電池の起動前において、前記蓄電手段から前記第２接続切替部及び前記第１接続切替部を介して前記出力部に接続する一のノードが形成されており、
   前記燃料電池制御部は、前記出力部に対する供給電力値が設定値以上になったことを前記出力検出部が検出すると、前記燃料電池の起動制御を行い、
   前記切替制御部は、前記燃料電池の出力電圧値が設定値以上になったことを前記電圧検出部が検出すると、前記第１接続切替部及び前記第２接続切替部の切替制御を行って、前記燃料電池から前記第２接続切替部を介して前記蓄電手段に接続する一のノードと、前記燃料電池から前記第１接続切替部を介して前記出力部に接続する一のノードを形成し、
   前記燃料電池制御部は、前記出力部に対する供給電力値が設定値未満になったことを前記出力検出部が検出し、且つ前記蓄電手段の出力電圧値が設定値以上になったことを前記電圧検出部が検出すると、前記燃料電池の停止制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１接続切替部は、前記出力部に対する電圧供給源を前記燃料電池と前記蓄電手段の間で切り替えるための電力供給切替手段を形成し、
   前記第２接続切替部は、前記蓄電手段に関し、前記燃料電池から供給される電圧に基づく充電と、前記出力部に対する放電との間で切り替えるための充放電切替手段を形成す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。
   

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