JP5218555B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池を含む燃料電池システムに関する。
固体高分子形燃料電池（以下、単に、燃料電池と表記する）と、それに燃料等を供給する機構とを含むシステム（以下、燃料電池システムと表記する。）としては、水素を燃料電池に供給するものや、都市ガス、メタノール等の改質により水素を生成して燃料電池に供給するもの（例えば、特許文献２、４、５参照。）が知られている。また、メタノール、エタノール等を、直接（改質することなく）、燃料電池に供給する燃料電池システム（例えば、特許文献１、３参照。）も知られている。
燃料電池に液体燃料（メタノール等）を直接供給するタイプの燃料電池システムは、改質器が不要である、水素よりも貯蔵や輸送が容易な液体を燃料として使用できる、といった利点を有している。ただし、燃料電池に液体燃料を直接供給した場合、液体燃料が電解質膜を通ってカソード極に到達するという現象が発生してしまう。この現象は、クロスオーバーと呼ばれているが、クロスオーバーが発生すると、燃料が無駄に消費されることになる。また、クロスオーバーした液体燃料がカソード極側で酸化されると、燃料電池の出力が低下してしまうことになる。このため、クロスオーバーが発生しにくい電解質膜や、クロスオーバーした液体燃料を酸化させない触媒（例えば、特許文献１参照。）の開発が進められている。
特開２００８−０１６３４４号公報 特表２００６−５１１９２３号公報 特開２００８−０９７８３８号公報 特開２００１−２５０５７３号公報 特開２００３−０１７０９６号公報
カソード極側の触媒を工夫すれば、クロスオーバーによる出力低下を防止できることにはなる。しかしながら、そのような工夫をしても、クロスオーバーの発生自体を止めることは出来ない。このため、クロスオーバーによる燃料の消費量を経済的に（運用コストが上昇しない形で）低減できる技術が望まれる。
また、既存の燃料電池システムは、始動（特に低温での始動）に時間がかかる、出力（発電量）の大きな変更が困難であるといった欠点を有するものとなっている。このため、そのような欠点を有さない燃料電池システムも望まれている。
そこで、本発明の第１の課題は、クロスオーバーによる燃料の消費量がより少なく、かつ、経済的に運用できる燃料電池システムを提供することにある。
また、本発明の第２の課題は、クロスオーバーによる燃料の消費量がより少ないシステム、発電量の大きな変更が可能なシステム等として動作させることが可能な構成を有する燃料電池システムを提供することにある。
上記第１の課題を解決するために、本発明の第１の態様の燃料電池システムは、供給された液体燃料と酸化剤とを、その内部で電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を動作させるために前記燃料電池に第１液体燃料を供給する燃料電池制御部であって、前記燃料電池の動作を停止させるときに、前記燃料電池に、前記第１液体燃料よりも飽和蒸気圧が低い第２液体燃料を供給することにより前記燃料電池内の前記第１液体燃料を前記第２液体燃料で置換する燃料電池制御部とを備える。
すなわち、動作停止中の燃料電池内に、蒸発しやすい（飽和蒸気圧が高い）液体燃料が存在している場合、カソード極側にクロスオーバーした液体燃料が比較的に早く蒸発するので、クロスオーバーが進行してしまうことになる。一方、動作停止中の燃料電池内に、蒸発しにくい（飽和蒸気圧が低い）液体燃料が存在している場合には、カソード極側にクロスオーバーした液体燃料が早く蒸発しないため、電解質膜のカソード極側に液体燃料の層（液体燃料濃度が高い部分）が形成され、その結果として、クロスオーバーの進行が停止することになる。従って、クロスオーバーが進行しないようにするために、蒸発しにくい液体燃料を使用することが考えられるのであるが、そのような液体燃料は、蒸発しやすい液体燃料（エタノール、メタノール等）よりも高価なものである。
そして、通常時には、安価な（飽和蒸気圧が第２液体燃料よりも低い）第１液体燃料を燃料として使用されるように、かつ、燃料電池の停止時に、燃料電池内の第１液体燃料が、より飽和蒸気圧が高い第２液体燃料に置換されるようにしておけば、運用コスト（発電コスト）を上昇させることなく、燃料電池の停止中に、燃料（第１液体燃料及び第２液体燃料）がクロスオーバーにより無駄に消費されることを防止できる。このため、本発明では、燃料電池システムを上記構成のものとしているのである。
本発明の第１の態様の燃料電池システムは、電解質膜としてカチオン交換膜を備えた燃料電池、電解質膜としてアニオン交換膜を備えた燃料電池のいずれを用いても実現することが出来る。ただし、アニオン交換膜の方が、カチオン交換膜よりもクロスオーバーする燃料量が少ない電解質膜である。また、電解質膜がアニオン交換膜である場合には、クロスオーバーした燃料を酸化しない触媒（非白金触媒）をカソード側に使用できることになる。このため、本発明の燃料電池システムを実現する際には、各電解質膜としてアニオン交換膜が用いられた燃料電池を採用しておくことが望ましい。
また、本発明の第１の態様の燃料電池システムにおける第２液体燃料（燃料電池制御部が燃料電池に供給する第２液体燃料）は、第１液体燃料よりも飽和蒸気圧が低いものでありさえすれば良い。ただし、第２液体燃料を、凍結しにくい物質、例えば、エチレングリコールとしておけば、燃料電池の凍結も抑制できることにもなる。
また、燃料電池制御部としては、燃料電池の動作を開始させるときに、燃料電池にはじめから第１液体燃料を供給するものや、“前記燃料電池の動作を開始させるときに、前記第２液体燃料を供給することにより前記燃料電池の動作を開始させた後、前記燃料電池に供給する液体を前記第２液体燃料から前記第１液体燃料に切り替える”ものを採用することが出来る。ただし、第２液体燃料が第１液体燃料よりも燃料電池の出力電圧が高くなるものである場合には、後者の燃料電池制御部を採用しておくことが望ましい。何故ならば、当該場合に後者の燃料電池制御部を採用しておけば、燃料電池の始動時に、燃料電池の出力電圧が速やかに必要値まで上昇する燃料電池システムを実現できることになるためである。
なお、燃料電池の始動時における第２液体燃料の供給時間を過度に長くすると、平均的な発電コストが上昇してしまうことになる。また、第２液体燃料の供給時間を一定時間とした場合には、燃料電池内等で凍結が生ずる温度で第１液体燃料への切り替えが行われてしまうことが考えられる。このため、上記燃料電池制御部は、第２液体燃料から第１液体燃料に切り替えを、燃料電池の温度が所定温度以上となったときに行うものとしておくことが望ましい。
また、本発明の第２の態様の燃料電池システムは、供給された燃料と酸化剤とを、その内部で電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に複数種類の燃料を供給可能な燃料電池制御部であって、前記燃料電池の状態に応じた燃料を前記複数種類の燃料の中から選択して前記燃料電池に供給する燃料電池制御部とを備える。
すなわち、本発明の第２の態様の燃料電池システムは、燃料電池に供給する燃料を、燃料電池の状態に応じて動的に切り替える構成を有している。従って、この燃料電池システムの“複数種類の燃料”として、上記した第１液体燃料及び第２液体燃料を採用し、“燃料電池制御部”として、燃料電池の動作を停止させるとき（燃料電池がそのような状態になったとき）に第２液体燃料を燃料電池に供給するものを採用しておけば、クロスオーバーによる燃料の消費量がより少なく、かつ、経済的に運用できる燃料電池システムが得られることになる。また、“複数種類の燃料”として、それらを供給した場合における燃料電池の出力電圧が異なる２種（或いはそれ以上）の燃料を採用し、“燃料電池制御部”として、燃料電池の出力電力量をより大きくする必要が生じたときに、燃料電池の出力電圧が高くなる方の燃料（或いは、燃料電池の出力電圧が最も高くなる燃料）を燃料電池に供給するものを採用しておけば、必要時に発電量を大きくできる燃料電池システムを実現できることになる。
さらに、“複数種類の燃料”として、融点（凍結しやすさ）の異なる２種（或いはそれ以上）の燃料を採用し、“燃料電池制御部”として、燃料電池が始動中であるときに（システムの始動時に）、融点が低い方の燃料（或いは、融点が最も低い燃料）を燃料電池に供給するものを採用しておけば、低温始動時に問題が生じにくい（より低温での始動が可能な）燃料電池システムを実現できることになる。また、“複数種類の燃料”の中に、揮発性（発火性）の極めて低い燃料を含めておき、“燃料電池制御部”として、燃料電池の状態が異常状態になったときに、当該燃料を燃料電池に供給するものを採用しておけば、出力を停止させることなく、燃料電池の異常に対処できる燃料電池システムを実現できることになる。
当然、“複数種類の燃料”を適切に選択しておくと共に、“燃料電池制御部”として、燃料電池へ供給する燃料の切り替えを適切な時期（燃料電池の状態から定まる時期）に行うものを採用しておけば、上記した各種効果を併せ持つ燃料電池システムを実現することもできる。従って、この第２の態様の燃料電池システムは、クロスオーバーによる燃料の消費量がより少ないシステム、出力の大きな変更が可能なシステム等として動作させることが可能な構成を有する燃料電池システムとなっていると言うことが出来る。
本発明によれば、クロスオーバーによる燃料の消費量がより少なく、かつ、経済的に運用できる燃料電池システム等を提供できる。
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムが備える２つの切替弁が取り得る状態の説明図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムが備える２つの切替弁が取り得る他の状態の説明図である。 第１実施形態に係る燃料電池システム内のＥＣＵが実行する始動時処理の流れ図である。 第１実施形態に係る燃料電池システム内のＥＣＵが実行する停止時処理の流れ図である。 第１実施形態に係る燃料電池システム内の燃料電池の、システム停止中における状態の説明図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム内のＥＣＵが実行する通常制御処理の流れ図である。
符号の説明
１・・・燃料電池システム
１０・・・燃料電池
１１ｉ、１１ｏ・・・切替弁
１２・・・主燃料供給系
１３・・・副燃料供給系
１４・・・酸化剤供給系
１５・・・主燃料タンク
１６・・・主燃料用ポンプ
１７・・・副燃料タンク
１８・・・副燃料用ポンプ
１９・・・空気用ポンプ
２０・・・ＭＥＡ
２１・・・アニオン交換膜
２２ａ・・・アノード側触媒層
２２ｃ・・・カソード側触媒層
２３ａ・・・アノード側拡散層
２３ｃ・・・カソード側拡散層
２４ａ・・・アノード側集電板
２４ｃ・・・カソード側集電板
２５ａ・・・燃料流路
２５ｃ・・・空気流路
２８・・・温度センサ
３０・・・ＥＣＵ
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
《第１実施形態》
図１に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１の概略構成を示す。なお、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池自動車の電源システムとして開発されたものである。より具体的には、燃料電池システム１は、燃料電池自動車の、ＤＣ−ＤＣコンバータ、インバータ、バッテリ、車両用モータ等からなる部分（図１では、“負荷”）に電力を供給するためのシステムとして開発されたものとなっている。
図示してあるように、燃料電池システム１は、燃料電池１０、主燃料供給系１２、副燃料供給系１３、酸化剤供給系１４、ＥＣＵ３０等を備えている。
燃料電池１０は、アニオン交換膜２１の一方の面上にアノード側触媒層２２ａ及びアノード側拡散層２３ａを形成し、他方の面上にカソード側触媒層２２ｃ及びカソード側拡散層２３ｃを形成したＭＥＡ（膜電極複合体）２０を備えた燃料電池である。ＭＥＡ２０のアノード側（アノード側拡散層２３ａ側）には、アノード側集電板２４ａ及び燃料流路２５ａが設けられている。また、ＭＥＡ２０のカソード側（カソード側拡散層２３ｃ側）には、カソード側集電板２４ｃ及び空気流路２５ｃが設けられている。
なお、図１には、１個のＭＥＡ２０だけを示してあるが、実際の燃料電池１０は、ＭＥＡ２０、燃料流路２５ａ、空気流路２５ｃ等を複数個ずつ備えたものである。より具体的には、実際の燃料電池１０は、複数個のＭＥＡ２０を、アノード側集電板２４ａ、カソード側集電板２４ｃ、燃料流路２５ａ及び空気流路２５ｃとして機能する部材（いわゆるバイポーラプレート）を介して積層したものとなっている。
また、この燃料電池１０のＭＥＡ２０に採用されているアノード側触媒層２２ａは、メタノールの酸化活性が低い触媒が用いられたものとなっている。さらに、燃料電池１０は、各燃料流路２５ａと繋がった燃料供給口及び燃料排出口と、各空気流路２５ｃと繋がった空気供給口及び空気排出口とを備えたものとなっている。
燃料電池１０には、燃料電池１０の温度を測定するための温度センサ２８が取り付けられている。燃料電池１０の燃料供給口には、切替弁１１ｉ（詳細は後述）が取り付けられている。また、燃料電池１０の燃料排出口にも、切替弁１１ｏ（詳細は後述）が取り付けられている。
切替弁１１ｉ、１１ｏを介して燃料電池１０と接続されている主燃料供給系１２は、比較的に安価な液体燃料である主燃料（本実施形態では、エタノール）を貯蔵しておくための主燃料タンク１５、主燃料タンク１５内の主燃料を燃料電池１０に供給するための主燃料用ポンプ１６、各部を接続する配管等で構成されたシステムである。なお、図示は省略してあるが、主燃料供給系１２の、切替弁１１ｏから主燃料タンク１５に至る配管の途中には、排燃料（燃料排出口より排出される、燃料、ＣＯ2、水の混合物）からＣＯ2を除去するための気液分離器と、排燃料から水を除去するためのエタノール・水分離器とが設けられている。
切替弁１１ｉ、１１ｏを介して燃料電池１０と接続されている副燃料供給系１３は、主燃料よりも飽和蒸気圧が低い液体燃料である副燃料（本実施形態では、エチレングリコール）を貯蔵しておくための副燃料タンク１７、副燃料タンク１７内の副燃料を燃料電池１０に供給するための副燃料用ポンプ１８、各部を接続する配管等で構成されたシステムである。この副燃料供給系１３も、主燃料供給系１２と同様に、図示せぬ気液分離器やエチレングリコール・水分離器が、切替弁１１ｏから副燃料タンク１７に至る配管の途中に設けられたものとなっている。
そして、切替弁１１ｉ及び１１ｏは、図２、図３に模式的に示してあるように、主燃料供給系１２、副燃料供給系１３のいずれか一方を燃料電池１０と接続することができる三方弁（本実施形態では、電磁弁）となっている。
酸化剤供給系１４（図１）は、空気を燃料電池１０に供給するための空気用ポンプ１９（いわゆるエアーコンプレッサ）、配管等からなるシステムである。既に説明したように、燃料電池１０は、アニオン交換膜２１が用いられたもの（カソード極に水分も供給しなければならない燃料電池）であるため、この酸化剤供給系１４の、燃料電池１０の空気供給口に至る配管の途中には、空気用ポンプ１９からの空気に水分を含ませるための混合器（図示せず）が設けられている。
ＥＣＵ（電子制御ユニット）３０は、システム搭載車両に設けられている各種センサ（アクセルペダルセンサ等）の出力に基づき、燃料電池１０が所望の電力を発生するように、燃料電池システム１内の各部（主燃料用ポンプ１６、切替弁１１ｉ及び１１ｏ等）を制御するユニットである。ここで、システム搭載車両とは、燃料電池システム１が搭載されている燃料電池自動車のことである。なお、ＥＣＵ３０は、システム搭載車両内のバッテリ（図１における“負荷”の要素）からの電力に基づき動作するユニットとなっている。
このＥＣＵ３０は、燃料電池１０の発電動作を開始させる場合（本実施形態では、システム搭載車両のイグニッションスイッチがＯＮになった場合）、図３に示した手順の始動時処理を行うユニットとして構成（プログラミング）されている。
すなわち、ＥＣＵ３０は、燃料電池１０の発電動作を開始させる場合、まず、燃料電池１０に副燃料及び空気（水分を含むもの）が供給されるように各部を制御する（ステップＳ１０１）。すなわち、ＥＣＵ３０は、副燃料が燃料電池１０に供給されるようにように切替弁１１ｉ、１１ｏを制御（図３参照）すると共に、動作を開始するように副燃料用ポンプ１７及び空気用ポンプ１９を制御する。
その後、ＥＣＵ３０は、“燃料電池温度≧既定温度 and 経過時間≧既定時間”が成立するのを監視する処理（ステップＳ１０２）を開始する。ここで、燃料電池温度とは、燃料電池１０の温度（温度センサ２８により検出される温度）のことであり、経過時間とは、ステップＳ１０２の処理の開始後の経過時間のことである。既定温度、既定時間とは、予め定められている数値（温度、時間）のことである。これらの数値は、燃料の切り替えが適切なタイミングで行われるように（詳細は後述）、定められたものとなっている。
ＥＣＵ３０は、“燃料電池温度≧既定温度 and 経過時間≧既定時間”が成立した場合（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）には、燃料電池１０に主燃料が供給されるように各部を制御する（ステップＳ１０３）。すなわち、このステップＳ１０３にて、ＥＣＵ３０は、主燃料が燃料電池１０に供給されるように切替弁１１ｉ、１１ｏを制御（図２参照）する、また、ＥＣＵ３０は、副燃料用ポンプ１８の動作を停止させ、主燃料用ポンプ１６の動作を開始させるための制御も行う。
そして、そのような制御を行ったＥＣＵ３０は、この始動時処理（図４の処理）を終了して、通常の制御処理を開始する。
また、ＥＣＵ３０は、燃料電池１０の発電動作を停止させる場合（本実施形態では、システム搭載車両のイグニッションスイッチがＯＦＦされた場合）、図５に示した手順の停止時処理を行うユニットとして構成されている。
すなわち、ＥＣＵ３０は、燃料電池１０の発電動作を停止させる場合には、まず、燃料電池１０への空気の供給が停止されるように、かつ、燃料電池１０に副燃料が供給されるように、各部を制御する（ステップＳ２０１）。より具体的には、ＥＣＵ３０は、主燃料用ポンプ１６及び空気用ポンプ１９の動作を停止させるための制御と、切替弁１１ｉ、１１ｏの状態を図３に示した状態とするための制御と、副燃料用ポンプ１７の動作を開始させるための制御とを行う。
その後、ＥＣＵ３０は、第２既定時間が経過するのを待機する処理（ステップＳ２０２）を開始する。ここで、第２既定時間とは、燃料電池１０内の主燃料を副燃料に置換するのに要する時間として予め定められている時間のことである。
ＥＣＵ３０は、第２既定時間が経過した場合（ステップＳ２０２；ＹＥＳ）には、副燃料用ポンプ１８の動作を停止させるための制御（ステップＳ２０３）を行う。そして、ＥＣＵ３０は、この停止時処理を終了すると共に、動作を停止する。
以上の説明から明らかなように、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池１０に発電を行わせるために、原則として、比較的に安価なエタノール（主燃料）が供給されるシステムではあるが、燃料電池１０を停止させる際に、燃料電池１０内に存在しているエタノールが、より蒸発しにくい（飽和蒸気圧が低い）エチレングリコール（副燃料）に置換されるシステムとなっている。
従って、本実施形態に係る燃料電池システム１は、エタノールのみが燃料として用いられている既存の燃料電池システム（以下、従来システムと表記する）よりも、燃料（エタノール及びエチレングリコール）のクロスオーバーによる消費量が少ないシステムであることになる。また、燃料電池システム１は、従来システムと同等のコストで運用できるシステムであることにもなる。
具体的には、動作停止中の燃料電池１０内に、エタノールが存在している場合と、エチレングリコールが存在している場合とを考える。前者の場合、エタノールが蒸発しやすい物質であるため、カソード極側にクロスオーバーしたエタノールが比較的に早く蒸発することになる。すなわち、この場合、両極間の燃料濃度差が大きい状態に保たれることになり、その結果として、クロスオーバーが進行してしまうことになる。
また、後者の場合にも、しばらくの間は、クロスオーバーが発生することになる。ただし、エチレングリコールの蒸発速度が遅いため、或る程度の量のエチレングリコールがアニオン交換膜２１を透過すると、図６に模式的に示したように、エチレングリコールでアニオン交換膜２１のカソード側が覆われた状態、つまり、それ以上、クロスオーバーが進行しない状態となる。
従って、燃料電池１０を停止させる際に、燃料電池１０内に存在しているエタノールをエチレングリコールで置換する燃料電池システム１は、従来システムよりも、燃料電池１０の動作停止中（システムの動作停止中）における燃料のクロスオーバーによる消費量が少ないシステムであることになる。
また、エチレングリコールは、エタノールよりも高価な物質であるが、燃料電池システム１は、通常は、エタノールで燃料電池１０を機能させるシステムとなっている。そして、上記したように、燃料電池システム１は、クロスオーバーによるエタノールの消費量が少ないシステム（エタノールが無駄に消費されなくなる分、エタノールに関する運用コストが下がっているシステム）となっている。このため、燃料電池システム１は、比較的に高価なエチレングリコールを必要とするものではあるが、従来システムと同等のコストで運用できるシステムであることになる。
さらに、燃料電池システム１は、燃料電池１０の始動時（図４参照）に、エチレングリコールで燃料電池１０に発電動作を行わせるシステムとして構成されている。そして、エチレングリコールは、エタノールよりも燃料電池１０の出力電圧が高くなる燃料であるので、燃料電池システム１は、システム始動時（燃料電池１０の始動時）に、燃料電池１０の出力電圧が速やかに必要値まで上昇するシステムとなっていることにもなる。
また、エチレングリコールは、凍結しにくい物質であるので、燃料電池システム１は、低温始動時に問題が生じにくいシステム（従来システムが始動困難な温度でも始動できるシステム）であることにもなる。
最後に、“燃料電池温度≧既定温度 and 経過時間≧既定時間”が成立したときに、燃料電池１０へ供給する燃料がエチレングリコールからエタノールに切り替えられるようにしている理由を説明しておくことにする。
上記したように、エチレングリコールで燃料電池１０に発電動作を行わせれば、燃料電池１０の出力電圧が速やかに上昇させることが出来る。ただし、エチレングリコールの供給時間を過度に長くすると、燃料電池システム１の運用コストが上昇してしまう。また、エチレングリコールの供給時間を一定時間とした場合には、燃料電池１０内や配管内で凍結が生ずる温度でエタノールへの切り替えが行われてしまう虞がある。さらに、燃料電池１０の出力電圧は、常に（燃料電池温度が比較的に高い状態で始動された場合にも）、速やかに上昇することが望ましい。
そして、既定温度として適切な値を定めた上で、“燃料電池温度≧既定温度”という条件を入れておけば、エチレングリコールの供給時間が過度に長くならないようにすることと、燃料の切り替え時に問題が生じないようにすることが可能となる。また、既定時間として適切な値を定めた上で、“経過時間≧既定時間”という条件を入れておけば、燃料電池温度が比較的に高い場合にも、燃料電池１０の出力電圧を速やかに上昇させること（エチレングリコールで燃料電池１０に発電動作を行わせること）が可能となる。このため、既定温度、既定時間として適切な値を定めた上で、“燃料電池温度≧既定温度 and 経過時間≧既定時間”が成立したときに、燃料の切り替えが行われるようにしているのである。
《第２実施形態》
本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムは、上記したものとは若干異なる制御がＥＣＵ３０によって行われるように第１実施形態に係る燃料電池システム１を改良したシステムである。このため、以下では、第１実施形態の燃料電池システム１の説明時に用いたものと同じ符号を用いて、第２実施形態に係る燃料電池システム１内のＥＣＵ３０の制御動作のみを説明することにする。
第２実施形態に係る燃料電池システム１内のＥＣＵ３０（以下、第２ＥＣＵ３０とも表記する）も、既に説明したものと同内容の始動時処理（図４参照）、停止時処理（図５参照）を行うユニットである。
ただし、第２ＥＣＵ３０は、始動時処理が終了した場合、図７に示した手順の通常制御処理を開始するように構成（プログラミング）されている。
すなわち、始動時処理を終えた第２ＥＣＵ３０は、燃料電池１０に所望の電力を発生するように制御する処理（図示せず）を開始すると共に、自システムの状況が燃料電池１０の発電量を上げる必要がある状況になる（燃料電池１０の目標状態が、高発電量が必要な状態となる）のを監視する処理（ステップＳ３０１）を開始する。
そして、第２ＥＣＵ２０は、燃料電池１０の発電量を上げる必要が生じた場合（ステップＳ３０１；ＹＥＳ）には、燃料電池１０に副燃料が供給されるように、各部を制御する（ステップＳ３０２）。なお、この場合、空気用ポンプ１９は既に動作している。このため、このステップ３０２にて第２ＥＣＵ３０が行う制御は、主燃料用ポンプ１６の動作を停止させるための制御、切替弁１１ｉ、１１ｏの状態を図３に示した状態とするための制御、及び、副燃料用ポンプ１７の動作を開始させるための制御である。
その後、第２ＥＣＵ３０は、自システムの状況が、燃料電池１０の発電量を上げておく必要がない状況（燃料電池１０の発電量を通常レベルに戻せる状況）になるのを監視する処理（ステップＳ３０３）を開始する。
そして、第２ＥＣＵ２０は、燃料電池１０の発電量を上げておく必要がなくなった場合（ステップＳ３０３；ＹＥＳ）には、燃料電池１０に主燃料が供給されるように各部を制御（ステップＳ３０４）してから、ステップＳ３０１以降の処理を再び開始する。
要するに、第２ＥＣＵ３０は、自システム（燃料電池１０）の出力を大きく上げる必要が生じた場合、副燃料（主燃料であるエタノールよりも、燃料電池１０の出力電圧が高くなるエチレングリコール）を供給することにより燃料電池１０に発電動作を行わせるユニットとなっている。従って、第２ＥＣＵ３０を備えた本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１を用いておけば、必要時に発電量（負荷への電力供給量）を大きく増やせることになる。
《変形形態》
上記した各実施形態に係る燃料電池システム１は、各種の変形を行うことが出来る。例えば、各実施形態に係る燃料電池システム１は、主燃料、副燃料として、それぞれ、エタノール、エチレングリコールを用いたものであったが、各燃料として、他の物質が使用されたものに、燃料電池システム１を変形することが出来る。
ただし、以下の表に示すように、エチレングリコールは、一般的なアルコールよりも、飽和蒸気圧が特に低い物質である。また、エチレングリコールは、凍結しにくく、燃料電池１０の出力電圧が高くなる物質ともなっている。このため、副燃料は、エチレングリコールとしておくことが望ましい。
Figure 0005218555
また、各実施形態に係る燃料電池システム１を、電解質膜がカチオン交換膜である燃料電池１０を備えたシステムに変形することも出来る。ただし、カチオン交換膜の方が、アニオン交換膜２１よりもクロスオーバーが発生しやすい電解質膜であるし、カチオン交換膜（＝強酸性電解質膜）の電極触媒は、耐食性が必要とされる都合上、アルコールを酸化させてしまう白金系触媒にせざるを得ない。このため、燃料電池１０としては、各電解質膜としてアニオン交換膜２１が用いられているものを採用しておくことが望ましい。
また、各実施形態に係る燃料電池システム１を、『燃料のクロスオーバーによる消費量の低減』以外のことを目的として、燃料電池１０に供給する燃料を切り替えるシステムに変形することも出来る。具体的には、第１実施形態に係る燃料電池システム１を、低温での始動性を向上させるために、燃料電池１０に供給する燃料を切り替えるシステム（融点が低い燃料と、通常運転用の燃料とを備え、始動時に前者の燃料が燃料電池１０に供給されるシステム）に変形することが出来る。
また、第２実施形態に係る燃料電池システム１を、始動時処理や停止時処理が行われないシステム（発電量を一時的に上昇させるためだけに、燃料の切り替えが行われるシステム）に変形することが出来る。
また、第２実施形態に係る燃料電池システム１を、揮発性（発火性）の極めて低い燃料と、通常運転用の燃料とを備え、燃料電池１０の状態が異常状態になったときに、前者の燃料を燃料電池１０に供給するシステムに変形することも出来る。なお、そのような変形を行っておけば、第２実施形態に係る燃料電池システム１を、出力を停止させることなく、燃料電池１０の異常に対処できるシステムとして機能させることができることになる。
さらに、第２実施形態に係る燃料電池システム１を、自システムについて発生し得る各種状況での使用に適した多数の燃料（高出力が必要な場合用の燃料、低温始動用の燃料、燃料電池１０の異常時用の燃料、通常運転用の燃料、クロスオーバーによる燃料消費量の低減用の燃料等）を備え、自システムの実際の状況に応じて燃料電池１０に供給する燃料を選択するシステムに変形しておくことも出来る。
本発明は、燃料電池に発電を行わせる燃料電池システムに係り、電力を必要とするさまざまなシステム／装置に利用可能である。

Claims (5)

  1. 供給された液体燃料と酸化剤とを、その内部で電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池を動作させるために前記燃料電池に第１液体燃料を供給する燃料電池制御部であって、前記燃料電池の動作を停止させるときに、前記燃料電池に、前記第１液体燃料よりも飽和蒸気圧が低い第２液体燃料を供給することにより前記燃料電池内の前記第１液体燃料を前記第２液体燃料で置換する燃料電池制御部と
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池制御部は、
    前記燃料電池の動作を開始させるときに、前記第２液体燃料を供給することにより前記燃料電池の動作を開始させた後、前記燃料電池に供給する液体燃料を前記第２液体燃料から前記第１液体燃料に切り替える
    ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池制御部は、
    前記燃料電池の温度が所定温度以上となったときに、前記燃料電池に供給する液体を前記第２液体燃料から前記第１液体燃料に切り替える
    ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
  4. 前記第２液体燃料が、エチレングリコールである、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池に用いられている各電解質膜が、アニオン交換膜である
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。
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