JP5022079B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、液体燃料が供給されることで発電する燃料電池システムに関し、特に起動時の出力電圧が所定電圧になるまでの起動時間を短縮できる燃料電池システムに関する。

近年の電子技術の進歩によって、携帯電話機、ラップトップコンピュータ、オーディオ・ビジュアル機器、又はモバイル端末機器など携帯電子機器の普及が急速に進んでいる。このような携帯電子機器は、二次電池によって駆動することが一般的であり、新型二次電池の出現、小型軽量化及び高エネルギー密度化によってシール鉛バッテリーからＮｉ／ＣｄＮｉ／電池、Ｎｉ水素電池、さらにはＬｉイオン電池へと発展してきた。いずれの二次電池においてもエネルギー密度を高めるため、電池活物質の開発や高容量電池構造の開発が行われ、より使用時間の長い電源を実現する努力が払われている。

しかしながら、携帯電子機器において各個の機能はより一層の低消費電力化への努力がなされているが、今後もユーザニーズの向上のために新しい機能を追加する必要があるため、携帯機器トータルの消費電力は増加する傾向が予想される。そのため、より高密度の電源、すなわち、連続使用時間の長い電源を必要とする方向に向かうことになる。

前記のような連続使用時間の長い電源を二次電池において実現する場合は、その充電時間の長さが問題になる。そのため、充電を必要としない小型発電機の必要性が高まっていて、その解決策として燃料電池電源が考えられる。燃料電池については改質するなどして水素を燃料として用いるタイプが一般的に知られている。これらが主に８０℃以上を動作温度とするのに対し、室温でも動作する燃料電池には、液体燃料を燃料極において直接酸化するタイプのものがあり、代表的なものに固体高分子形燃料電池の一種であるメタノール直接型燃料電池(ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell)があげられる。主にＤＭＦＣに関しては、運転時の温度領域が低く、取扱いが容易であることから、特許文献１に見られるように携帯用途の機器に適用した例が知られている。
特開２００２−３２１５４号公報（段落００１９〜００２２、図１）

既存の二次電池とＤＭＦＣとの大きな違いは起動動作の有無である。二次電池とは異なり、ＤＭＦＣは、起動時に発電電極に燃料を供給する起動動作を実行することが一般的であり、これは、二次電池の自己放電に相当するメタノールクロスオーバーによる燃料の浪費を防止するためである。ＤＭＦＣは発電電極に燃料が存在しないときには起電圧がほぼゼロであり、ＤＭＦＣから出力は得られない。

したがって、ＤＭＦＣを搭載した燃料電池システムを起動する場合、まず、ＤＭＦＣに燃料を供給して、ＤＭＦＣが所定電圧を出力可能な状態となるまで補機の動作を待機させる方法、又は燃料電池システムの補機の動作に必要な出力を二次電池などによりまかなう方法が考えられる。

ここで、図８に一般的なＤＭＦＣモジュールの起動時の電圧挙動の例を示す。図８に示した例では、ＤＭＦＣモジュールに搭載された発電電極である膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の拡散層は、水で濡れた状態であり、また、ＤＭＦＣモジュールの出力電圧がほぼゼロ付近に低下するまで放置後の条件で、燃料投入完了後からの時間を測定している。

ＤＭＦＣモジュールが所定電圧を出力可能になるまでの起動時間は、２つの期間に区分することができる。
第１の期間は、燃料がカートリッジや燃料ポンプによってＤＭＦＣモジュールに供給されて、ＤＭＦＣモジュール内でＭＥＡの燃料極側拡散層および燃料極側電極内まで燃料が浸透する時間である燃料供給期間である。また、第２の期間は、供給された燃料によりＤＭＦＣモジュールの出力電圧が徐々に上昇する時間である電圧上昇期間である。

第１の期間である燃料供給期間は、カートリッジや燃料ポンプの燃料供給能力およびＤＭＦＣモジュールや燃料系等の構造に依存するが、およそ１０秒以内での供給が可能である。しかしながらＭＥＡが水で濡れた状態における電圧上昇期間（第２の期間）は、図８に示したように、０．５Ｖまでの上昇時間が約７０秒であり、燃料供給期間と比較して非常に長い。図８に示した例では、前記のように燃料投入完了後の測定時間であるため、この電圧上昇時間の長さは燃料極側拡散層と燃料極側電極内への燃料拡散に時間がかかっているためである。

次に、ＤＭＦＣモジュールに供給する燃料（メタノール）の濃度を変更したときの電圧上昇時間の変化の比較例を図９に示す。図９（ａ）は燃料濃度を５ｗｔ％とした場合、図９（ｂ）は燃料濃度を１０ｗｔ％とした場合、図９（ｃ）は燃料濃度を２０ｗｔ％とした場合をそれぞれ示している。ＤＭＦＣの理論電圧は１．２１Ｖであるが、実際に使用できる電圧範囲はおよそ０．５〜０．２Ｖの範囲であるため、０．５Ｖまでの電圧上昇時間を比較している。図９に示すように、０．５ＶまでのＤＭＦＣの電圧上昇時間は、燃料濃度を高くするほど時間が短縮されることが分かる。

一方で、ＭＥＡに供給する燃料濃度を高くすると、ＭＥＡの寿命が低下してしまうという問題点がある。

以上のことから、本発明が解決しようとする課題は、液体燃料が供給されることで発電する燃料電池システムにおいて、起動時間を短縮でき、かつ燃料電池システムの寿命の低下を抑制できる手段を提供することである。

前記課題に対して本発明は、燃料電池モジュールと、通常動作時に燃料電池モジュールに供給される燃料よりも高濃度の高濃度燃料が充填された高濃度燃料タンクと、通常動作時に燃料電池モジュールに供給される燃料の濃度以下の低濃度燃料が充填された低濃度燃料タンクと、燃料電池モジュールとの間で循環される燃料が蓄えられる循環タンクと、高濃度燃料を循環タンクに供給する高濃度燃料供給ポンプと、低濃度燃料を循環タンクに供給する低濃度燃料供給ポンプと、循環タンク及び燃料電池モジュールの間で、循環タンクに蓄えられた燃料を循環させる循環ポンプと、少なくとも高濃度燃料供給ポンプ、低濃度燃料供給ポンプ及び循環ポンプの動作を制御し、燃料電池モジュールの出力電圧及び循環タンク内の燃料の残量を検出する運転制御部とを備え、運転制御部は、燃料電池システムの起動時に、循環ポンプを起動し、循環タンク内の燃料の残量が所定量以上の場合に、燃料電池モジュールで使用可能な濃度範囲内で、通常動作時における燃料の濃度よりも高濃度の燃料が、第２所定量だけ循環タンクに供給されるように、高濃度燃料供給ポンプ及び低濃度燃料供給ポンプの動作を制御し、燃料電池モジュールの出力電圧を取得して、当該出力電圧が所定電圧以上になると、通常動作時の濃度の燃料が、循環タンクに供給されるように、高濃度燃料供給ポンプ及び低濃度燃料供給ポンプの動作を制御し、燃料電池システムの起動時に、循環タンク内の燃料の残量が所定量未満の場合に、通常動作時における濃度の燃料が、循環タンクに供給されるように、高濃度燃料供給ポンプ及び低濃度燃料供給ポンプの動作を制御する燃料電池システムを提供する。

本発明のその他の態様については、後記する実施の形態において詳しく説明する。

本発明によれば、燃料電池システムの寿命の低下を抑えつつ、起動時の出力電圧が所定電圧になるまでの起動時間を短縮できる。

以下、本発明を適用した好適な実施の形態（以下、実施形態）について、添付した図面を参照しつつ説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの補機構成例を示す図面である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、メタノール直接型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）本体であるＤＭＦＣモジュール１に対して燃料（メタノール）を供給する燃料供給系統として、ＤＭＦＣモジュール１との間で燃料を循環させる循環配管で接続され、ＤＭＦＣモジュール１に供給する燃料を蓄える循環タンク２、及び循環配管の供給側に設置され、循環タンク２に蓄えられた燃料を供給することで循環させる循環ポンプ３と、循環タンク２内の燃料濃度を上昇させるための高濃度燃料を蓄える高濃度燃料タンク４、及びその高濃度燃料を循環タンク２に供給する高濃度燃料供給配管に設置される高濃度燃料供給ポンプ５と、循環タンク２内の燃料濃度を低下させるための低濃度燃料を蓄える低濃度燃料タンク６、及びその低濃度燃料を循環タンク２に供給する低濃度燃料供給配管に設置される低濃度燃料供給ポンプ７とを備えている。

また、ＤＭＦＣモジュール１には、ＤＭＦＣモジュール１の温度を検出する温度センサ１１が設置され、循環タンク２には、循環タンク２内の燃料残量を検出する残量センサ２１が設置されている。この温度センサ１１は、サーミスタや温度ＩＣ等を用いることができる。また、残量センサ２１は、レベルセンサ等を用いることができる。

低濃度燃料タンク６は、ＤＭＦＣモジュール１の通常発電で必要とされる濃度範囲内で低濃度側の燃料（低濃度燃料）を充填することを想定している（例えば、１０〜５ｗｔ％の濃度範囲に対して５ｗｔ％に設計する等）。高濃度燃料タンク４は、ＤＭＦＣモジュール１が継続発電するために必要な濃度範囲で高濃度側の燃料（高濃度燃料）を充填することを想定している(例えば、５０〜３０ｗｔ％の濃度範囲に対して５０ｗｔ％に設計する等)。

さらに、本実施形態の燃料電池システムは、ＤＭＦＣモジュール１に対して空気を供給及び排気する空気供給系統として、空気供給配管に設置された空気供給補機８を備える。この空気供給補機８には、ファン、ブロア、空気ポンプ等、ＤＭＦＣモジュール１の空気極側構造に応じた特性の補機を選定することを想定しているが、同等の機能の得られるものであればどのような補機を用いても構わない。

本実施形態では、空気供給系統は空気供給補機８によってＤＭＦＣモジュール１に空気を供給及び排気するだけの機能を想定しているが、ＤＭＦＣモジュール１からの排気に含まれる発電により発生する水蒸気を回収して、低濃度燃料タンク６や循環タンク２に回収した水蒸気を水として供給する水回収システムを備える構成としてもよい。

次に、図２は、図１に示した本実施形態の燃料電池システムの補機を動作させる電力系統及び補機の動作を制御する制御系統を付加した、本実施形態の燃料電池システムの全体構成例を示す図面である。
図２に示すように、燃料電池システムの電力系統及び制御系統として、ＤＭＦＣモジュール１の発電電力の電圧を変換して外部負荷及び各補機に適切な電力供給およびその供給制御を行う運転制御装置９と、各補機に供給する電力に対してＤＭＦＣモジュール１の供給可能な電力が不足したときに電力補償をするための蓄電器１０とを備えている。

さらに、前記の運転制御装置９は、各補機にＤＭＦＣモジュール１又は蓄電器１０からの出力電力を供給するドライバ９１と、各補機への電力供給制御等を行う運転制御部９２と、ＤＭＦＣモジュール１の出力電力の電圧変換、蓄電器１０の充電制御及びドライバ９１への電力供給を実行する充電制御部９３とを備えている。

ドライバ９１は、運転制御部９２からの制御信号を受けて各補機に電力を供給する機能を有する。
運転制御部９２は、後記する燃料電池システムの運転制御手順にしたがって、各補機の運転を制御する。
充電制御部９３は、ＤＭＦＣモジュール１の出力電圧と、各補機及び外部負荷への供給電圧とに応じて選定されたＤＣ／ＤＣコンバータによる電圧変換機能を有している。また、ＤＭＦＣモジュール１及び蓄電器１０の出力電圧を監視し、電圧低下時にはＤＭＦＣモジュール１の出力電力を蓄電器１０に供給して充電を実施し、燃料電池システムの起動時又はＤＭＦＣモジュール１の電圧低下時には蓄電器１０の出力電力をドライバ９１に供給する機能を有している。

運転制御装置９の運転制御部９２は、入力情報として充電制御部９３が検出するＤＭＦＣモジュール１の電圧、温度センサ１１により検出されるＤＭＦＣモジュール１の温度、残量センサ２１により検出される循環タンク２の残量を少なくとも取得する。温度センサ１１の出力は、運転制御部９２が有する図示しないＡ／Ｄコンバータを介して取得される。また、残量センサ２１の出力も、同様に運転制御部９２が有するＡ／Ｄコンバータを介して取得することを想定しているが、同様の機能であれば構わない。
また、必要に応じて、運転制御部９２は、循環タンク２内の燃料濃度、高濃度燃料タンク４の残量、低濃度燃料タンク６の残量、燃料供給系統のポンプの各種フィードバック情報、空気供給補機８の各種フィードバック情報、電力系統の各種フィードバック情報等のすべて又はいずれかを取得して燃料電池システムの運転制御に利用することにしてもよい。

蓄電器１０は、従来公知の二次電池を用いることができ、ＤＭＦＣモジュール１を起動させるための燃料供給系統及び空気供給系統の各補機への電力供給、ＤＭＦＣモジュール１が起動するまでの運転制御装置９等の内部負荷への電力供給、起動後の外部負荷のピーク電力補償を想定しているが、これに限るものではない。
特にＤＭＦＣモジュール１を起動させるまでに必要な電力は、燃料供給系統及び空気供給系統の各補機への供給電力と内部負荷への供給電力の合計となるため、ＤＭＦＣモジュール１が起動するまでの期間は非常に負担が大きい。したがって、蓄電器１０に既存の二次電池を使用する場合は十分な電力供給が可能となるように容量の大きい電池を選定するため、結果として体積の大きいものを搭載する必要があった。出力密度の高いキャパシタや高出力の二次電池を使用する場合は逆に供給時間が長<なると体積が増加する。したがって、特にＤＭＦＣモジュール１の起動時間の短縮化は、蓄電器１０の体積減少につながることになる。

（制御方法：起動処理）
次に、前記の構成を有する本実施形態の燃料電池システムの動作について説明する。ここで、図３に、本実施形態の燃料電池システムの起動処理のフローチャートを示す。以下、図３を参照しつつ、燃料電池システムの起動処理を説明する（適宜、図２参照）。

まず、ユーザの起動動作等により、燃料電池システムの電源が投入されると、運転制御装置９の運転制御部９２は、ドライバ９１に循環ポンプ３及び空気供給補機８を起動させる信号を送信することで、循環ポンプ３及び空気供給補機８が起動する（ステップＳ１０１）。このとき、ＤＭＦＣモジュール１からの出力電力はほとんどないため、充電制御部９３は蓄電器１０からの出力電力をドライバ９１に送電し、この電力により循環ポンプ３及び空気供給補機８は動作する。
なお、本実施形態では、循環ポンプ３及び空気供給補機８の吐出量が、予め設定された値となるように運転制御部９２がドライバ９１に制御信号を送信することを想定するが、外気温度や、ＤＭＦＣモジュール１の温度等に応じて、循環ポンプ３及び空気供給補機８の吐出量を制御する制御信号を送信することにしてもよい。

次に、運転制御部９２は、残量センサ２１からの信号に基づいて、循環タンク２内の燃料の残量の有無を判定する（ステップＳ１０２）。ここで循環タンク２内に燃料の残量がある場合は（ステップＳ１０２で'Ｙｅｓ'）、ドライバ９１に高濃度燃料供給ポンプ５を起動させる信号を送信し、循環タンク２に所定量の高濃度燃料を供給する（ステップＳ１０３）。所定量の高濃度燃料を供給する方法としては、流量センサにより高濃度燃料の供給量を測定したり、所定時間だけ高濃度燃料供給ポンプ５を作動させたり、所定回数だけ高濃度燃料供給ポンプ５を作動させる等が考えられるが、同様の効果が得られるものであればその方法は問わない。

このとき供給される高濃度燃料の濃度は、通常動作時に供給される燃料濃度の２倍以内であり、これによりＤＭＦＣモジュール１における燃料の拡散速度を向上させて、起動時間を短縮することができる。
なお、供給する燃料濃度を上昇させることで膜電極接合体（ＭＥＡ）へのダメージが懸念されるが、実際の発電電極付近の濃度は起動時のような短時間の条件では、拡散により供給する高濃度燃料の濃度までは上昇しないため、ＭＥＡへのダメージは最小化され、寿命の低下は抑制される。

また、本実施形態では、高濃度燃料の濃度は、継続発電するために必要な濃度範囲で高濃度側の燃料としたが、それ以上の濃度を有する高濃度燃料を用い、ステップＳ１０３において、運転制御部９２が、高濃度燃料供給ポンプ５及び低濃度燃料供給ポンプ７の動作を制御して、高濃度燃料と低濃度燃料とを混合することで、継続発電するために必要な濃度範囲で高濃度側の燃料を供給することにしてもよい。

一方、循環タンク２内の燃料の残量が無い場合（ステップＳ１０２で'Ｎｏ'）、運転制御部９２は、ドライバ９１に高濃度燃料供給ポンプ５及び低濃度燃料供給ポンプ７を起動させる信号を送信し、循環タンク２にＤＭＦＣモジュール１の通常運転時の燃料濃度を有する通常濃度燃料を所定量だけ供給する（ステップＳ１０４）。このとき、循環タンク２内は乾燥した状態であるため、起動シーケンス後の通常駆動時の供給燃料濃度と同じ濃度の燃料を供給する。これは、乾燥した状態のときは、残液のある場合（ステップＳ１０２で'Ｙｅｓ'）とは異なり、濃度拡散が生じることがなく、拡散による起動速度低下が発生しないためである。また、通常濃度燃料を供給することで、高濃度燃料供給によるＭＥＡへのダメージも無く、寿命の低下が抑制される。

なお、ステップＳ１０４では、運転制御部９２は、高濃度燃料供給ポンプ５及び低濃度燃料供給ポンプ７のポンプ吐出量を制御して、高濃度燃料及び低濃度燃料を所定割合で供給することで、循環タンク２内において通常濃度燃料が生成される。また、低濃度燃料の濃度を通常運転時における燃料濃度に設定した場合には、ステップＳ１０４においては、低濃度燃料供給ポンプ７のみを起動させる信号を送信すればよい。

起動時の燃料供給は、ステップＳ１０３又はステップＳ１０４に限定して実行される。燃料供給を限定することで、ＤＭＦＣモジュール１、循環タンク２、循環ポンプ３からなる燃料循環系の異常や、燃料漏れや、ＤＭＦＣモジュール１の発熱上昇時等への対応が容易となる。

次に、運転制御部９２は、第二の判定としてＤＭＦＣモジュール１の出力電圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。この閾値電圧は、ＤＭＦＣモジュール１の通常使用範囲である０．５〜０．２Ｖの範囲で選択することを想定しているが、必要に応じて０．５Ｖ以上に設定しても構わない。
ここで、出力電圧が閾値以上であれば（ステップＳ１０５で'Ｙｅｓ'）、起動処理は終了し、通常動作が開始される。この通常動作とは、運転制御部９２が残量センサ２１からの燃料の残量に応じて、高濃度燃料供給ポンプ５及び低濃度燃料供給ポンプ７を作動させて、循環タンク２内で通常濃度燃料を生成し、この通常濃度燃料をＤＭＦＣモジュール１に供給する動作である。

一方、ＤＭＦＣモジュール１の出力電圧が閾値未満であれば（ステップＳ１０５で'Ｎｏ'）、所定時間経過したか否かを判定する（ステップＳ１０６）。このとき、所定時間経過していない場合は（ステップＳ１０６で'Ｎｏ'）、ステップＳ１０５に戻って電圧上昇を待つ。

なお、図３に示した起動処理の間、運転制御部９２は、充電制御部９３に蓄電器１０からの出力電力を各補機に供給する指令を送信し、これに応じて充電制御部９３は、蓄電器１０の出力電力をドライバ９１に供給する。このように、閾値以上の電圧までＤＭＦＣモジュール１から電力をほとんど出力させないことで、電力供給開始時にＤＭＦＣモジュール１の電圧が急激に低下して最大電力点を越えてしまう起動失敗の状態を防ぐことができ、かつ、ＤＭＦＣモジュール１の電圧を過度に低下させることがないため、ＭＥＡで発生する過酸化水素等、ＭＥＡに悪影響を及ぼす物質の生成を防ぐこともできるため長寿命化に有利となる。

一方、ＤＭＦＣモジュール１の出力電圧が閾値電圧まで上昇しないまま、所定時間経過した場合は（ステップＳ１０６で'Ｙｅｓ'）、運転制御部９２は、起動失敗と見なし、ユーザヘの通知を行った後（ステップＳ１０７）、後記する終了処理に移行する。ステップＳ１０７におけるユーザへの通知は、運転制御部９２が、図示しないブザーやランプ等の通知手段を駆動する信号を出力することで実行される。

（制御方法：終了処理）
次に、本実施形態の燃料電池システムの終了処理について説明する。終了処理とは、燃料電池システムの通常動作時におけるユーザの操作等、又は前記の起動処理において起動失敗した場合（ステップＳ１０６で'Ｙｅｓ'）に実行される処理である。ここで、図４に、本実施形態の燃料電池システムの終了処理のフローチャートを示す。以下、図４を参照しつつ、燃料電池システムの終了処理を説明する（適宜、図２参照）。

燃料電池システムの通常動作時におけるユーザの操作等により、又は前記の起動処理において起動失敗した場合に、終了処理が開始され、運転制御部９２は、その時点で動作している高濃度燃料供給ポンプ５及び／又は低濃度燃料供給ポンプ７を停止する（ステップＳ２０１）。そして、ユーザ等の操作により再起動の指令がなされたか否かを判定する（ステップＳ２０２）。ここで、再起動の指令がなされた場合は（ステップＳ２０２で'Ｙｅｓ'）、図３に示した起動処理を実行する。一方、再起動の指令がなされない場合は（ステップＳ２０２で'Ｎｏ'）、ＤＭＦＣモジュール１の出力電圧が所定の閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。このステップＳ２０３で用いる閾値は、起動処理におけるステップＳ１０５で用いる閾値よりも低い値が設定される。なお、ステップＳ２０３で用いる閾値は、特許請求の範囲の第２所定電圧に相当している。

ここで、ＤＭＦＣモジュール１の出力電圧が所定の閾値よりも大きい場合は（ステップＳ２０３で'Ｎｏ'）、ステップＳ２０２に戻って、ステップＳ２０２およびステップＳ２０３の判定を繰り返す。一方、ＤＭＦＣモジュール１の出力電圧が所定の閾値以下の場合は（ステップＳ２０３で'Ｙｅｓ'）、その他のすべての補機を停止して（ステップＳ２０４）、ＤＭＦＣモジュール１からの放電が停止する。

以上、本実施形態の燃料電池システムによると、ＤＭＦＣモジュール１の起動時間の短縮が実現できる。また、起動時間が短縮されるため、起動時の電力補償を行う蓄電器１０の容量の低減も可能となり、蓄電器１０の小型化が実現できる。また、本実施形態の起動処理により、ＭＥＡの寿命劣化を最小限に抑えることができ、燃料電池システムの寿命を低下させることなく、起動時間を短縮することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおける低濃度燃料タンク６を、水が蓄えられた水タンクに変更したことが特徴である。以下でその詳細について説明する。

図５は、本実施形態の燃料電池システムの補機構成例を示す図面である。図５に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システムの低濃度燃料タンク６が、水タンク１２に置き換えられ、循環タンク２に燃料の濃度を計測する濃度センサ２２を備える点が第１実施形態と異なっている。また、低濃度燃料供給ポンプ７は、水供給ポンプ７ａに置き換えられるがポンプとしての性能は、低濃度燃料供給ポンプ７と同等であればよい。したがって、第１実施形態の燃料電池システムと重複する構成要素については、同じ符号を付してその説明は省略する。

図５に示した燃料電池システムにおいて、水タンク１２には、燃料を含まない水が蓄えられている。また、濃度センサ２２は、燃料中を伝播する超音波の伝播速度を測定するセンサや、燃料を透過する赤外線の波長を測定するセンサ等により実現される。
なお、本実施形態の燃料電池システムの電力系統及び制御系統は、図２示した全体構成と同様であるため、その図示及び説明は省略する。

次に、前記の構成を有する本実施形態の燃料電池システムの起動処理について説明する。ここで、図６に、本実施形態の燃料電池システムの起動処理のフローチャートを示す。以下、図６を参照しつつ、燃料電池システムの起動処理を説明する（適宜、図２及び図５参照）。

まず、ユーザの起動動作等により、燃料電池システムの電源が投入されると、運転制御装置９の運転制御部９２は、ドライバ９１に循環ポンプ３及び空気供給補機８を起動させる信号を送信することで、循環ポンプ３及び空気供給補機８が起動する（ステップＳ３０１）。そして、運転制御部９２は、残量センサ２１からの信号に基づいて、循環タンク２内の燃料の残量の有無を判定する（ステップＳ３０２）。ここで循環タンク２内に燃料の残量がある場合は（ステップＳ３０２で'Ｙｅｓ'）、ドライバ９１に高濃度燃料供給ポンプ５を起動させる信号を送信し、循環タンク２に高濃度燃料を供給する（ステップＳ３０３）。

一方、循環タンク２内の燃料の残量が無い場合（ステップＳ３０２で'Ｎｏ'）、運転制御部９２は、ドライバ９１に水供給ポンプ７ａを起動させる信号を送信し、水供給ポンプ７ａを作動させて、ＭＥＡが水により濡れるまで循環タンク２に水を供給する（ステップＳ３０４）。そして、高濃度燃料供給ポンプ５をさらに作動させ、循環タンク２内で水と高濃度燃料を混合して、ＤＭＦＣモジュール１に通常濃度の燃料を供給する（ステップＳ３０５）。このとき、運転制御部９２は、循環タンク２に設置された濃度センサ２２が検知した信号に基づいて、通常濃度の燃料となるように、高濃度燃料供給ポンプ５及び水供給ポンプ７ａの吐出量を調整する。

また、循環タンク２内の燃料の残量が無い場合（ステップＳ３０２で'Ｎｏ'）、循環タンク２内は乾燥した状態であるため、残液のある場合（ステップＳ３０２で'Ｙｅｓ'）とは異なり、濃度拡散が生じることがなく、拡散による起動速度低下が発生しないため、通常濃度の燃料を供給する。また、水を先に供給することでＭＥＡへのダメージを確実に抑えて、燃料供給を実現することができる。
なお、起動時間の短縮を目的に、ＭＥＡが水で濡れる水位まで、循環タンク２が水で満たされる以前に、高濃度燃料の供給を開始する並列動作を行ってもよい。

以下、ステップＳ３０６以降の処理は、図３に示した第１実施形態の起動処理のステップＳ１０５〜ステップＳ１０７と同様であるため、その説明は省略する。また、燃料電池システムの終了処理についても、第１実施形態と同様である。

以上、本実施形態の燃料電池システムによると、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、低濃度燃料を水とすることで、燃料として高濃度燃料のみを準備すればよいため、燃料電池システムの運用が容易となる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、第１実施形態又は第２実施形態の燃料電池システムにおける通常動作において、異常状態発生時の対応動作を含む実施形態であり、燃料電池システムの構成は、第１実施形態又は第２実施形態のいずれかの燃料電池システムに適用されるものである。以下では、説明のために第２実施形態の構成を有する燃料電池システムに適用した例を説明する。

ここで、図７に、本実施形態の燃料電池システムの通常動作のフローチャートを示す。以下、図７を参照しつつ、本実施形態の燃料電池システムの通常動作を説明する（適宜、図２及び図５参照）。

図６に示した第２実施形態の起動処理において、ＤＭＦＣモジュール１の出力電圧が閾値以上になると（ステップＳ３０６で'Ｙｅｓ'）、通常動作が開始される。
まず、運転制御部９２は、温度センサ１１から送信されたＤＭＦＣモジュール１の温度信号を用いて、ＤＭＦＣモジュール１の温度が設定値以上か否かを判定する（ステップＳ４０１）。この設定値とは、ＤＭＦＣモジュール１の温度特性に基づいて決定された、通常運転時の上限温度である。ここで、ＤＭＦＣモジュール１の温度が設定値以上であると（ステップＳ４０１で'Ｙｅｓ'）、高濃度燃料供給ポンプ５を停止し、水供給ポンプ７ａのみを動作させることで、循環タンク２に水を供給する（ステップＳ４０２）。これにより、ＤＭＦＣモジュール１に供給する燃料濃度を低下させてＤＭＦＣモジュール１における化学反応を抑制し、ＤＭＦＣモジュール１の温度を低下させる。ステップＳ４０２において、水供給ポンプ７ａが、所定時間動作するか、所定量だけ水を供給すると、処理はステップＳ４０１に戻る。

一方、ＤＭＦＣモジュール１の温度が設定値未満であると（ステップＳ４０２で'Ｎｏ'）、運転制御部９２は、ＤＭＦＣモジュール１の出力電圧が所定の閾値以上か否かを判定する（ステップＳ４０３）。ここで用いる閾値は、図３に示した起動処理におけるステップＳ１０５（又はステップＳ３０６）で用いた閾値と同じ値を用いることができる
ここで、ＤＭＦＣモジュール１の出力電圧が閾値未満であれば（ステップＳ４０３で'Ｎｏ'）、運転制御部９２は、タイマを始動させ、出力電圧が閾値未満となってから所定時間経過したか否かを判定する（ステップＳ４０４）。ここで、所定時間経過していない場合は（ステップＳ４０４で'Ｎｏ'の場合）、充電制御部９３にＤＭＦＣモジュール１からの電力供給を止める制御信号を送信する。これにより、ＤＭＦＣモジュール１からの電力供給が停止する（ステップＳ４０５）。そして、処理をステップＳ４０３に戻して、ＤＭＦＣモジュール１の出力電圧が回復したか否かを判定することになる。

一方、出力電圧が閾値未満となってから所定時間経過した場合には（ステップＳ４０４で'Ｙｅｓ'）、ＤＭＦＣモジュール１の出力電圧が回復しないため、動作不良と見なし、ユーザヘの通知を行った後（ステップＳ４０６）、例えば、図４に示した終了処理に移行する。

ステップＳ４０３に戻って、ＤＭＦＣモジュール１の出力電圧が閾値以上の場合は（ステップＳ４０３で'Ｙｅｓ'）、高濃度燃料タンク４に蓄えられた高濃度燃料の残量が有るか否かを判定する（ステップＳ４０７）。この残量の判定は、高濃度燃料タンク４に図示しない水位センサを設置することで検出したり、高濃度燃料供給ポンプ５の負荷を測定することで検出できる。ここで、高濃度燃料の残量がない場合は（ステップＳ４０７で'Ｎｏ'）、運転制御部９２は、図示しない表示手段等を用いて高濃度燃料の残量がないことをユーザヘ通知した後（ステップＳ４０８）、例えば、図４に示した終了処理に移行する。

一方、高濃度燃料の残量がある場合は、水タンク１２に蓄えられた水の残量があるか否かを判定する（ステップＳ４０９）。この判定もステップＳ４０７と同様に、水タンク１２に図示しない水位センサを設置することで検出したり、水供給ポンプ７ａの負荷を測定することで検出できる。ここで、水の残量がない場合は（ステップＳ４０９で'Ｎｏ'）、運転制御部９２は、図示しない表示手段等を用いて水の残量がないことをユーザヘ通知した後（ステップＳ４１０）、例えば、図４に示した終了処理に移行する。

一方、水タンク１２に蓄えられた水の残量がある場合は（ステップＳ４０９で'Ｙｅｓ'）、運転制御部９２は、ドライバ９１に高濃度燃料供給ポンプ５及び水供給ポンプ７ａを起動させる信号を送信し、循環タンク２内で水と高濃度燃料を混合して、ＤＭＦＣモジュール１に通常濃度の燃料を供給する（ステップＳ４１１）。その後、処理をステップＳ４０１に戻して、前記の処理を繰り返す。
なお、図７に示した通常動作は、ステップＳ４０４、ステップＳ４０７又はステップＳ４０９の判定において終了処理に移行した場合や、ユーザの操作により強制的に終了処理に移行した場合に終了する。

本実施形態に係る燃料電池システムにおける通常動作によると、ＤＭＦＣモジュール１の昇温による損傷を防止でき、ＤＭＦＣモジュール１の電圧低下時に電圧回復を図ることができる。

以上、３つの実施形態を挙げたが、第１実施形態及び第２実施形態に係る燃料電池システムは単独で実施することも可能であり、また、第１実施形態又は第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせて実施することも可能である。
また、前記の実施形態では循環タンク２を備える構成としたが、循環タンク２を設けることなく、直接、高濃度燃料及び低濃度燃料を供給することにしてもよい。この場合、残量センサ２１を有しないため、起動動作においては、残量の判定をすることなく、所定料の高濃度燃料をＤＭＦＣモジュール１に供給することになる。
また、本発明に係る燃料電池システムの構成要素の配置は、前記の実施形態に限定されるものではなく様々に変更可能であり、その大きさ及び形態も限定されるものではない。したがって、本発明は特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められる。

第１実施形態に係る燃料電池システムの補機構成を示す図面である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図面である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの起動処理を説明するフローチャートである。 第１実施形態に係る燃料電池システムの終了処理を説明するフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの補機構成を示す図面である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの起動処理を説明するフローチャートである。 異常時対応処理を含む通常動作を説明するフローチャートである。 ＤＭＦＣモジュールの起動時の電圧挙動を示すグラフである。 燃料濃度ごとのＤＭＦＣモジュールの起動時の電圧挙動を示すグラフである。

符号の説明

１ ＤＭＦＣモジュール
２ 循環タンク
３ 循環ポンプ
４ 高濃度燃料タンク
５ 高濃度燃料供給ポンプ
６ 低濃度燃料タンク
７ 低濃度燃料供給ポンプ
７ａ 水供給ポンプ
８ 空気供給補機
９ 運転制御装置
１０ 蓄電器
１１ 温度センサ
１２ 水タンク

Claims (6)

1. 燃料電池モジュールと、通常動作時に前記燃料電池モジュールに供給される燃料よりも高濃度の高濃度燃料が充填された高濃度燃料タンクと、通常動作時に前記燃料電池モジュールに供給される燃料の濃度以下の低濃度燃料が充填された低濃度燃料タンクと、前記燃料電池モジュールとの間で循環される燃料が蓄えられる循環タンクと、前記高濃度燃料を前記循環タンクに供給する高濃度燃料供給ポンプと、前記低濃度燃料を前記循環タンクに供給する低濃度燃料供給ポンプと、前記循環タンク及び燃料電池モジュールの間で、前記循環タンクに蓄えられた燃料を循環させる循環ポンプと、少なくとも前記高濃度燃料供給ポンプ、前記低濃度燃料供給ポンプ及び前記循環ポンプの動作を制御し、前記燃料電池モジュールの出力電圧及び前記循環タンク内の燃料の残量を検出する運転制御部とを備える燃料電池システムであって、
   前記運転制御部は、
   前記燃料電池システムの起動時に、前記循環ポンプを起動し、前記循環タンク内の燃料の残量が所定量以上の場合に、前記燃料電池モジュールで使用可能な濃度範囲内で、通常動作時における燃料の濃度よりも高濃度の燃料が、第２所定量だけ前記循環タンクに供給されるように、前記高濃度燃料供給ポンプ及び前記低濃度燃料供給ポンプの動作を制御し、
   前記燃料電池モジュールの出力電圧を取得して、当該出力電圧が所定電圧以上になると、通常動作時の濃度の燃料が、前記循環タンクに供給されるように、前記高濃度燃料供給ポンプ及び前記低濃度燃料供給ポンプの動作を制御し、
   前記燃料電池システムの起動時に、前記循環タンク内の燃料の残量が所定量未満の場合に、通常動作時における濃度の燃料が、前記循環タンクに供給されるように、前記高濃度燃料供給ポンプ及び前記低濃度燃料供給ポンプの動作を制御する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記運転制御部は、
   前記燃料電池システムの起動時に、前記循環タンク内の燃料の残量が所定量未満の場合に、前記循環タンクに供給される通常動作時における濃度の燃料が、第２所定量だけ前記循環タンクに供給されるように、前記高濃度燃料供給ポンプ及び前記低濃度燃料供給ポンプの動作を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池システムの起動時に、前記循環タンク内の燃料の残量が所定量未満の場合に、前記低濃度燃料供給ポンプを先に作動させて前記低濃度燃料を供給し、その後、前記高濃度燃料供給ポンプを作動させて高濃度燃料を供給する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
4. 前記低濃度燃料として水を用いる
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記運転制御部は、
   燃料電池モジュールの温度を検出し、
   前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池モジュールの出力電圧が所定電圧以上となって、通常動作時の濃度の燃料の供給が開始された後で、
   前記燃料電池モジュールの温度が所定温度以上の場合、前記所定温度未満になるまで前記低濃度燃料供給ポンプのみを動作させる
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記運転制御部は、
   前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池モジュールの出力電圧が、所定時間経過後に所定電圧以上にならない場合、又は前記燃料電池システムの停止時に、
   前記高濃度燃料供給ポンプ及び前記低濃度燃料供給ポンプの動作を停止し、前記燃料電池モジュールの出力電圧が、前記所定電圧よりも低い第２所定電圧未満になると、前記高濃度燃料供給ポンプ及び前記低濃度燃料供給ポンプ以外の補機の動作を停止する
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

Images