JP5407235B2 - 燃料電池システムとその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池から排出される気液混合流体の液体成分の量を最適に制御する燃料電池システムとその制御方法に関する。
近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望が高まっている。そして、小型民生用途のみならず、電力貯蔵用や電気自動車用などの長期に渡る耐久性や安全性が要求される大型の二次電池に対する技術開発も加速してきている。さらに、充電の必要な二次電池よりも燃料供給によって長時間連続使用が可能な燃料電池が注目されている。
燃料電池は、少なくとも、セルスタックを含む燃料電池スタックと、セルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤を供給する酸化剤供給部とを有する。そして、セルスタックは、一般に、アノード電極とカソード電極とこれらの電極の間に介在する電解質膜とからなる膜電極接合体とセパレータとを積層し、積層方向の両端にエンドプレートを配して構成されている。
このような燃料電池スタックとして、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が開発されている。そして、ＤＭＦＣにおいては、燃料としてメタノール水溶液が、酸化剤として空気中の酸素が用いられる。その結果、アノード電極からは反応生成物である二酸化炭素および燃料の残分である未反応メタノールや水などの水溶液が排出される。そして、携帯機器においては、排出された水溶液を燃料供給部へ戻すのが一般的である。一方、カソード電極からは反応生成物の水や水蒸気とともに、カソード電極を経た窒素や未反応の酸素などが排出される。このとき、燃料電池システムでは、アノード電極の反応で水が必要であるため、カソード電極で生成した水を燃料供給部へ戻して再利用されている。これにより、燃料電池スタックから排出される液体成分を循環させて利用することで、燃料電池システムの可搬性を向上させている。
しかし、液体成分を直接、燃料供給部に戻す場合、最適な燃料の濃度などで燃料電池システムを発電させることが困難となる。
そこで、燃料電池スタックからの排出物を直接、燃料供給部へ戻すのではなく、気体成分と液体成分を分離した後、液体成分をタンクに貯留して、必要な量を燃料供給部へ供給する方法が一般的に行われている。そのため、タンクに貯留される液体成分の量を管理することが重要となる。
そこで、燃料電池ユニットの燃料と水を混合する混合タンクの液量を所定の範囲に収めるために、水蒸気を凝集させて回収する水の回収量を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このとき、燃料電池ユニットに供給する燃料水溶液が混合タンクから溢れることを防止できるとしている。
特開２００６−１０７７８６号公報
しかしながら、特許文献１に示す燃料電池ユニットは、水回収タンクと混合タンクが必要であるため、燃料電池システムの小型化や軽量化が困難である。
また、特許文献１によれば、混合タンクの液量を液量センサで検出し、所定の範囲内に収めるために、水回収タンクの水の回収量を冷却ファンと送気ポンプの出力を制御して増減させ、混合タンクの液量を制御することが記載されている。しかし、例えば、水回収タンクに回収された水の温度が高い場合、蒸散などにより、回収した水の量が減少しても、それを検出し制御することができない。そのため、混合タンクの液量が増減しても、タイムリーに水を供給できない可能性がある。
また、水回収タンクには、燃料電池から排出される水蒸気を、冷却ファンにより凝縮器で凝縮して水（液体）として回収することが記載されている。しかし、水回収タンクに回収される水の量が多い場合、水回収タンクから溢れる可能性があるが、その検出手段や対処方法についても何ら開示されていない。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、気液分離部に貯留する液体成分の量と温度を最適に制御する燃料電池システムとその制御方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に酸素を含むガスを供給するポンプと、少なくとも燃料電池のカソード側から排出される気液混合流体から液体成分を分離して貯留する気液分離部と、気液分離部に貯留された液体成分を冷却する冷却部と、気液分離部に貯留された液体成分の温度を測定する温度検知部と、気液分離部に貯留された液体成分の量を測定する液量検知部と、ポンプからのガスの流量を制御するとともに、冷却部による放熱量を制御する制御部と、を備え、制御部は温度検知部からの出力と液量検知部からの出力に基づき、冷却部による放熱量とポンプから供給するガスの流量とを制御する構成を有する。
この構成により、気液分離部に貯留される液体の量を、液体の温度に基づいて、冷却部による放熱量とポンプから供給するガスの流量による供給量との２つのパラメータで制御できるため、制御精度が高く、燃料の利用効率の高い燃料電池システムを実現できる。さらに、液体の量を最適に制御できるため、可搬性や携帯性に優れた燃料電池システムを実現できる。
また、本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料電池と、燃料電池に酸素を含むガスを供給するポンプと、少なくとも燃料電池のカソード側から排出される気液混合流体から液体成分を分離して貯留する気液分離部と、気液分離部に貯留された液体成分を冷却する冷却部と、を備え、気液分離部に貯留された液体成分の量を制御する燃料電池システムの制御方法であって、気液分離部に貯留された液体成分の温度を測定し、気液分離部に貯留された液体成分の量を測定し、冷却部による放熱量とポンプから供給するガスの流量とにより、液体成分の温度および液体成分の量を制御する。
この制御方法により、気液分離部に貯留される液体成分の量を、液体の温度に基づいて、冷却部による放熱量とポンプから供給するガスの流量による供給量との２つのパラメータを用いて所定の範囲内に精度よく制御できる。
本発明によれば、気液分離部に貯留される液体成分の量を最適に制御することにより、燃料の利用効率が高く、可搬性や携帯性に優れた燃料電池システムとその制御方法を実現できる。
本発明の第１の発明は、燃料電池と、燃料電池に酸素を含むガスを供給するポンプと、少なくとも燃料電池のカソード側から排出される気液混合流体から液体成分を分離して貯留する気液分離部と、気液分離部に貯留された液体成分を冷却する冷却部と、気液分離部に貯留された液体成分の温度を測定する温度検知部と、気液分離部に貯留された液体成分の量を測定する液量検知部と、ポンプからのガスの流量を制御するとともに、冷却部による放熱量を制御する制御部と、を備え、制御部は温度検知部からの出力と液量検知部からの出力に基づき、冷却部による放熱量とポンプから供給するガスの流量とを制御する構成を有する。
この構成により、気液分離部に貯留される液体の量を、液体の温度に基づいて、冷却部による放熱量とポンプから供給するガスの流量による供給量との２つのパラメータで制御できるため、制御精度が高く、燃料の利用効率の高い燃料電池システムを実現できる。さらに、液体の量を最適に制御できるため、可搬性や携帯性に優れた燃料電池システムを実現できる。
本発明の第２の発明は、第１の発明において、制御部は、気液分離部に貯留された液体成分の量が、所定の上限量より多くかつ液体成分の検知温度が所定の下限温度より低いとき、冷却部を停止するとともに、ポンプに上限流量でガスを供給させ、気液分離部に貯留された液体成分の量が、所定の上限量より多くかつ液体成分の検知温度が所定の下限温度より高いとき、液体成分の目標温度を所定の上限温度に設定して目標温度と検知温度との偏差を算出し、算出された偏差に基づいて、冷却部による放熱量を減少モードで制御するとともに、ポンプから供給するガスの流量を増加モードで制御する。
これにより、特に緊急時において、液体の検知温度に基づいて、冷却部による放熱量とポンプから供給するガスの流量との２つのパラメータで、気液分離部から液体が溢れでることのない燃料電池システムを実現できる。
本発明の第３の発明は、第１の発明において、制御部は、気液分離部に貯留された液体成分の量が、所定の下限量より少なくかつ液体成分の検知温度が所定の上限温度より高いとき、冷却部を最大放熱量で運転するとともに、ポンプに下限流量でガスを供給させ、気液分離部に貯留された液体成分の量が、所定の下限量より少なくかつ液体成分の検知温度が所定の上限温度より低いとき、液体成分の目標温度を所定の下限温度に設定して目標温度と検知温度との偏差を算出し、算出された偏差に基づいて、冷却部による放熱量を増加モードで制御するとともに、ポンプから供給するガスの流量を減少モードで制御する。
これにより、特に、緊急時において、液体の検知温度に基づいて、冷却部による放熱量とポンプから供給するガスの流量との２つのパラメータで、気液分離部の液体の量が枯渇することない燃料電池システムを実現できる。
本発明の第４の発明は、燃料電池と、燃料電池に酸素を含むガスを供給するポンプと、少なくとも燃料電池のカソード側から排出される気液混合流体から液体成分を分離して貯留する気液分離部と、気液分離部に貯留された液体成分を冷却する冷却部と、を備え、気液分離部に貯留された液体成分の量を制御する燃料電池システムの制御方法であって、気液分離部に貯留された液体成分の温度を測定し、気液分離部に貯留された液体成分の量を測定し、冷却部による放熱量とポンプから供給するガスの流量とにより、液体成分の温度および液体成分の量を制御する。
この制御方法により、気液分離部に貯留される液体成分の量を、液体の温度に基づいて、冷却部による放熱量とポンプから供給するガスの流量による供給量との２つのパラメータを用いて所定の範囲内に精度よく制御できる。
本発明の第５の発明は、第４の発明において、制御部は、気液分離部に貯留された液体成分の量が、所定の上限量より多くかつ液体成分の検知温度が所定の下限温度より低いとき、冷却部を停止するとともに、ポンプに上限流量でガスを供給させ、気液分離部に貯留された液体成分の量が、所定の上限量より多くかつ液体成分の検知温度が所定の下限温度より高いとき、液体成分の目標温度を所定の上限温度に設定して目標温度と検知温度との偏差を算出し、算出された偏差に基づいて、冷却部による放熱量を減少モードで制御するとともに、ポンプから供給するガスの流量を増加モードで制御する。これにより、特に、緊急時において、液体の検知温度に基づいて、冷却部による放熱量とポンプから供給するガスの流量との２つのパラメータで、気液分離部から溢れさせることなく液体の量を精度よく制御できる。
本発明の第６の発明は、第４の発明において、制御部は、気液分離部に貯留された液体成分の量が、所定の下限量より少なくかつ液体成分の検知温度が所定の上限温度より高いとき、冷却部を最大放熱量で運転するとともに、ポンプに下限流量でガスを供給させ、気液分離部に貯留された液体成分の量が、所定の下限量より少なくかつ液体成分の検知温度が所定の上限温度より低いとき、液体成分の目標温度を所定の下限温度に設定して目標温度と検知温度との偏差を算出し、算出された偏差に基づいて、冷却部による放熱量を増加モードで制御するとともに、ポンプから供給するガスの量を減少モードで制御する。これにより、特に、緊急時において、液体の検知温度に基づいて、冷却部による放熱量とポンプから供給するガスの流量との２つのパラメータで、気液分離部の液体の量が枯渇することなく、精度よく制御できる。
以下、本発明の実施の形態について、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態における燃料電池の発電動作を説明する断面模式図である。
以下に、図１および図２を用いて、燃料電池システムの概略と燃料電池の動作について説明する。
図１に示すように、燃料電池システムは、少なくとも、燃料電池１、燃料タンク４、燃料を供給するポンプ５、空気を供給するポンプ６、演算部７Ａを備えた制御部７、蓄電部８、ＤＣ／ＤＣコンバータ９、温度検知部３４と液量検知部３６を備えた気液分離部１０、例えば冷却ファンなどの冷却部１２とを有する。また、燃料電池１は、発電部を有し、発電された電力は、正極端子２と負極端子３から出力される。そして、出力された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９に入力される。このとき、ポンプ５は燃料タンク４中のメタノール水溶液などの燃料を燃料電池１のアノード電極２１に供給し、ポンプ６は酸化剤である空気などのガスを燃料電池１のカソード電極２２に供給する。また、制御部７は燃料を供給するポンプ５と空気などのガスを供給するポンプ６の駆動を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を制御して外部機器（図示せず）への出力と蓄電部８への充放電を制御する。そして、燃料タンク４とポンプ５と制御部７は、燃料電池１内のアノード電極２１に燃料を供給する燃料供給部を構成している。一方、ポンプ６と制御部７は、燃料電池１内のカソード電極２２に酸化剤などのガスを供給する酸化剤供給部を構成している。また、気液分離部１０は、アノード電極２１およびカソード電極２２から排出される気液混合流体から液体成分（主に、水）を分離し、燃料タンク４から供給される燃料とともにポンプ５に供給する。
以下に、燃料電池１の構造および動作について簡単に説明する。
図２に示すように、燃料電池１は、起電部である膜電極接合体（ＭＥＡ）２４と、ＭＥＡ２４を挟むように配置された、アノード側エンドプレート２５とカソード側エンドプレート２６を有する。なお、燃料電池が、ＭＥＡ２４を複数枚積層して構成される場合、ＭＥＡ２４間にセパレータを設け、セパレータを介して積層される。そして、アノード側エンドプレート２５とカソード側エンドプレート２６は、ＭＥＡ２４の積層方向両端を挟んでいる。
また、ＭＥＡ２４は、アノード電極２１、カソード電極２２、アノード電極２１とカソード電極２２との間に介在する電解質膜２３とが積層して構成されている。そして、アノード電極２１はアノード側エンドプレート２５の側から順に、拡散層２１Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）２１Ｂ、触媒層２１Ｃを積層して構成されている。同様に、カソード電極２２は、カソード側エンドプレート２６の側から順に、拡散層２２Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）２２Ｂ、触媒層２２Ｃを積層して構成されている。さらに、正極端子２はカソード電極２２に、負極端子３はアノード電極２１に、それぞれ電気的に接続されている。
ここで、拡散層２１Ａ、２２Ａは、例えばカーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロスなどからなる。ＭＰＬ２１Ｂ、２２Ｂは、例えばポリテトラフルオロエチレンまたはテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体とカーボンとから構成されている。そして、触媒層２１Ｃ、２２Ｃは、白金やルテニウムなど、各電極反応に適した触媒を炭素表面に高分散させ、この触媒体をバインダーで結着させることで形成されている。また、電解質膜２３は、水素イオンを透過するイオン交換膜、例えばパーフルオロスルホン酸・テトラフルオロエチレン共重合体で構成されている。アノード側エンドプレート２５、カソード側エンドプレート２６とセパレータは、例えばカーボン材やステンレス鋼で構成され、アノード電極２１には燃料を流通させる燃料流路２５Ａ、カソード電極２２には酸化剤などのガスを流通するガス流路２６Ａが、例えば溝形状で設けられている。
上記のように構成された燃料電池１は、図１と図２に示すように、アノード電極２１に燃料であるメタノールを含む水溶液がポンプ５によって供給され、カソード電極２２にポンプ６によって加圧された酸化剤である空気などのガスが供給される。そして、アノード電極２１に供給されたメタノール水溶液とこれに由来するメタノールと水蒸気は拡散層２１ＡにてＭＰＬ２１Ｂの全面に拡散し、さらにＭＰＬ２１Ｂを通過して触媒層２１Ｃに達する。同様に、カソード電極２２に供給された空気に含まれる酸素は、拡散層２２ＡでＭＰＬ２２Ｂの全面に拡散し、ＭＰＬ２２Ｂを通過して触媒層２２Ｃに達する。また、触媒層２１Ｃに達したメタノールは（１）式のように反応し、触媒層２２Ｃに達した酸素は（２）式のように反応する。
Figure 0005407235
Figure 0005407235
その結果、電力が発生するとともに、アノード電極２１側には二酸化炭素、カソード電極２２側には水などの気液混合流体が、それぞれ反応生成物として生成され、図１に示す気液分離部１０に供給される。そして、以下で、図３を用いて詳細に説明するように、気液分離部１０の気液分離膜を介して、アノード電極２１の二酸化炭素は燃料電池システムから外部へと排気されるとともに、カソード電極２２で反応しない窒素などの気体や未反応の酸素も、同様に燃料電池システムの外部へと排気される。このとき、アノード電極２１側ではメタノール水溶液中のメタノールの全てが反応に寄与するわけではないので、図１に示すように排出されたメタノール水溶液は、気液分離部１０を介してポンプ５に還流される。同様に、アノード電極２１の反応で消費される水を供給するために、カソード電極２２で生成した水も気液分離部１０を介してポンプ５に還流しアノード電極２１側へ供給される。
これにより、燃料電池１から排出される水などの液体成分を気液分離部１０を介して、循環させることで、燃料であるメタノール水溶液の濃度を調節することができる。その結果、外部から水を供給する必要がなくなるとともに、反応生成物の水を外部に排出する（廃棄する）必要がなくなる。したがって燃料電池システムの可搬性、携帯性や、燃料などの利用効率が向上する。
そして、上記気液分離部１０を介して、水などの液体を効率的に循環させるには、気液分離部１０に回収される液体が、溢れたり、渇水状態にならないように、所定の範囲内の液量に保ち、ポンプ５に供給することが重要となる。なぜなら、液体の量、つまり液量または貯留量が過剰になると気液分離部１０から漏水する。また、液体の貯留量が過少になると、アノード電極に供給される燃料の濃度を調節することができなくなるためである。
そこで、以下に、気液分離部１０の構造および回収される液体の量を所定の範囲に保つ、制御方法について、詳細に説明する。
以下に、本発明の実施の形態における気液分離部の構造について、図３を用いて詳細に説明する。
図３（ａ）は本発明の実施の形態における気液分離部の斜視図で、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
図３（ａ）に示すように、気液分離部１０は、タンク３０、気液分離膜３１、導入管３２Ａ、３２Ｂと排出管３２Ｃおよび貯留される液体成分の温度（液温）と液量を測定する温度検知部３４と液量検知部３６を有して構成されている。このとき、導入管３２Ａ、３２Ｂはタンク３０の上部に、排出管３２Ｃはタンク３０の下部にそれぞれ接続されている。そして、カソード電極２２で発生した反応生成物である水や水蒸気およびカソード電極２２を経たガスは導入管３２Ａから気液分離部１０へ流入する。一方、アノード電極２１で発生した反応生成物である二酸化炭素および燃料の残分である未反応メタノールを含む水は導入管３２Ｂから気液分離部１０へ流入する。
また、タンク３０の上面に設けられた気液分離膜３１は、気液混合流体である、二酸化炭素や水蒸気などの気体成分と水などの液体成分を分離し、余分な気体成分を外部に気体状態で排出するとともに、液体３８をタンク３０内に貯留する。そして、タンク３０内に貯留された液体３８は、排出管３２Ｃに設けた図示しない弁を介してポンプ５の入口側へ供給される。
そして、制御部７は、この弁の開閉により液体の供給量を制御し、アノード電極に供給する燃料であるメタノール水溶液の濃度を調節する。さらに、制御部７は、温度検知部３４および液量検知部３６で検出された温度と液量の情報に基づいて、制御部７の演算部７Ａで演算処理して、タンク３０内の液量を所定の範囲に保つように制御する。
なお、気液分離膜３１は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）やテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素樹脂で作られた多孔質体のシートで構成することができる。または、これらフッ素樹脂をコートしたカーボン繊維などで作られたクロス、ペーパーや不織布状のシートを用いることができる。また、タンク３０は樹脂やセラミック等の絶縁材料で構成されている。
また、温度検知部３４は、例えばサーミスタなどで構成され、少なくとも貯留された液体３８が存在する位置に配置される。このとき、温度検知部３４は、タンク３０の外周側面に設けてもよいが、好ましくは、液体３８と直接接触するようにタンク３０内に配置することが好ましい。これにより、液体３８の温度の検出精度が向上する。
また、液量検知部３６は、例えば図３（ｃ）に示すように、タンク３０の対向する側面に形成した一対の電極３６Ａ、３６Ｂから構成され、電極３６Ａと電極３６Ｂ間の電気容量（静電容量）の変化により、タンク３０の液体３８の量を検出する。つまり、対向する電極３６Ａ、３６Ｂ間に存在する気体部分と液体部分の電気容量を並列で検出することにより、その変化から液体３８の量を演算部７Ａで算出し検出する。そのため、タンク３０は、電極間に、直列に接続されて電気容量の一部を構成するので、検出精度を向上させるために、誘電率の小さい材料で構成することが好ましい。
そして、タンク３０内の液体３８の液量は、図３（ｂ）や図３（ｃ）に示すように、所定の上限量から下限量の範囲内に、液温に基づいて、冷却部の冷却ファンの風量による放熱量とポンプから供給されるガスの流量による供給量により、制御される。具体的には、冷却部による放熱量の制御により、タンク内の液体の蒸散量を調整する。また、ガスの流量による供給量の制御により、カソード電極から排出される気液分離流体の量により調整するものである。
上記により、本実施の形態の燃料電池システムが構成される。
以下に、本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御方法、特に気液分離部に貯留される液体の量を所定の範囲に保持する制御方法について、図４から図７を用いて説明する。特に、図４は燃料電池システムが通常状態にあるときの制御方法であり、図５から図７は燃料電池システムが緊急時における状態のときの制御方法である。
図４は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの気液分離部に貯留される液体の量を所定の範囲に保持する制御方法の概略を説明するフローチャートである。
まず、図４に示すように、タンク内の液体の温度を、温度検知部により測定する（ステップＳ４１）。
つぎに、測定された温度（検知温度）が、使用する燃料電池の動作温度が異常設定温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ４２）。異常設定温度以上（ステップＳ４２のＮｏの場合）であれば、燃料電池システムの動作を停止する（ステップＳ１００）。このとき、例えば、ＤＭＦＣからなる燃料電池の場合、５５℃〜８０℃の動作温度で運転するのが一般的であるので、異常設定温度として、例えば８５℃に設定する。
つぎに、異常設定温度以下（ステップＳ４２のＹｅｓの場合）であれば、タンク内の液量（液体の量）を液量検知部で測定する（ステップＳ４３）。
つぎに、測定された液量が、下限量から上限量の範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ４４）。液量が下限量未満または上限量を超える場合、図５に示す緊急時の処理である、ステップＡの処理を行う（ステップＳ４４のＮｏの場合）。このとき、下限量および上限量は、例えばタンク内の最大上限量の３０％および７０％に設定する。なお、下限量および上限量は上記範囲に限定されるものではなく、例えば制御精度や制御時間と液量の増減速度などの要素を考慮して設定されるものである。
つぎに、下限量から上限量の範囲にある場合（ステップＳ４４のＹｅｓの場合）、目標液量と検知したタンク内の液量との偏差を制御部で算出する（ステップＳ４５）とともに、目標温度（例えば６０℃）と検知したタンク内の液体の温度との偏差を制御部で算出する（ステップＳ４６）。なお、目標液量としては、制御範囲のマージンを大きくできる、例えばタンクに貯留される液体の下限量と上限量の中間程度に設定する。また、目標温度としては、タンク内の液体の蒸散量や燃料電池の動作温度などを考慮して、例えば６０℃に設定する。
そして、ステップＳ４５とステップＳ４６で算出された偏差に基づいて、冷却部による放熱量を調整する（ステップＳ４７）とともに、ガスの供給量を調整する（ステップＳ４８）。
上記各ステップにより、タンク内に貯留する液体の液量と温度を制御して、燃料電池システムのアノード電極側に最適な濃度の燃料を供給することができる。なお、上記タンク内の液体の液量と液温の制御は、所定時間ごとに行っても、常時行ってもよい。しかし、制御で消費される電力を抑制するために、燃料電池システムが使用される環境の温度や湿度の変化が、大きい場合には制御する間隔を短くし、小さい場合には制御する間隔を長くすることが好ましい。
これにより、燃料電池から排出される気液分離流体の液体成分が貯留されるタンク内の液体が、タンクから溢れて漏水することを防止できる。また、タンク内の液体が、枯渇することがないので、最適な濃度の燃料をアノード電極に供給することができる。
上記の燃料電池システムの制御方法は、通常状態における制御としては、好ましいものではある。しかし、図４のステップＳ４４のＮｏの場合など、緊急時においては上記と異なる制御をすることで、より大きな効果を発揮できる。
そこで、以下に図５と図６を用いて、緊急時における燃料電池システムの制御方法について詳細に説明する。
図５は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの気液分離部に貯留される液体の量が上限量から上限最大量の範囲にある場合の制御方法の概略を説明するフローチャートである。図６は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの気液分離部に貯留される液体の量が下限量から下限最小量の範囲にある場合の制御方法の概略を説明するフローチャートである。
まず、図５に示すように、タンク内の液量が、図４のステップＳ４４において、下限量から上限量の範囲から外れている場合、ステップＡの処理として、さらに、上限量から上限最大量の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ４９）。なお、上限最大量以上または下限量未満の場合、図６で説明する緊急時の処理である、ステップＢの処理を行う（ステップＳ４９のＮｏの場合）。このとき、最大上限量とは、図３（ｂ）に示すように、理想的には、平坦な状態に燃料電池システムが設置された場合、導入管３２Ａの下面と同じ位置に設定することが好ましい。しかし、一般には、タンクの傾き、緊急時における制御時のディレーやオーバーシュートなどを考慮して、導入管３２Ａの下面より、下側に設定し、液体の溢れなどを避けることがより好ましい。
つぎに、上限量から上限最大量の範囲内にある場合（ステップＳ４９のＹｅｓの場合）、タンク内の液体の温度を温度検知部により測定し、タンク内の液体の検知温度が所定の下限温度未満であるか否かを判定する（ステップＳ５０）。このとき、下限温度としては、燃料電池システムの発電効率などを考慮して、例えば５５℃に設定する。
つぎに、液体の検知温度が、下限温度未満の場合（ステップＳ５０のＹｅｓの場合）、タンクを冷却する冷却ファンなどの冷却部の駆動を停止する（ステップＳ５１）とともに、空気などの酸化剤となるガスを供給するポンプから、燃料電池のカソードに供給するガスの量を上限流量で供給する（ステップＳ５２）。このとき、上限流量は、例えばポンプで供給するガス流量の制御範囲内の最大供給量である。
一方、下限温度以上の場合（ステップＳ５０のＮｏの場合）、液体の目標温度を、上限温度（例えば８０℃）に設定する（ステップＳ５３）。そして、目標温度（上限温度）と測定した液体の検知温度との偏差を制御部で算出する（ステップＳ５４）。
つぎに、ステップＳ５４で算出された偏差に基づいて、タンクを冷却する冷却部による放熱量を減少モードで制御する（ステップＳ５５）とともに、燃料電池のカソード電極に供給するガスの供給量を増加モードで制御して供給する（ステップＳ５６）。具体的には、タンクを冷却する冷却部の冷却ファンの風量を減少させて放熱量を減少させる。同時に、燃料電池のカソードに供給するガスの供給量を増加させながら供給する。このとき、放熱量の減少モードによる制御は、燃料電池システムの使用状態において初期時に設定される初期放熱量未満で、冷却部の最小放熱量の範囲内で放熱量を増減することにより制御される。例えば、目標温度との偏差に応じて、制御範囲内で放熱量の減少量を増減させて、例えばＰＩＤ制御などにより制御する。また、ガスの供給量の増加モードによる制御は、燃料電池システムの使用状態において初期時に設定される初期供給量を超え、ポンプの最大供給量の範囲内、かつガス供給量の増加による著しい温度低下が発生しない範囲内で供給量を増減することにより制御される。
上記制御は、タンク内に液体が必要以上に貯留された状態で、液体の温度が低い場合、つまり液体の蒸散量が少ないために、燃料電池から排出される気液分離流体により、タンクから液体が溢れ、漏水する確率が高い場合に有効な制御となる。すなわち、冷却部の冷却ファンの動作を止めるか、または減少モードで制御することにより、液体の蒸散量を高めて液体のタンク内の貯留量を減少させる。また、空気などのガスの供給量を増加モードで制御し上限近傍で供給することにより、カソード電極から排出される水などの気液分離流体の量を減少できる。
また、図６に示すように、タンク内の液量が、図５のステップＳ４９において、上限量から上限最大量の範囲内から外れている場合、ステップＢの処理として、さらに、下限最小量から下限量の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ５７）。なお、下限最小量以下または上限最大量以上の場合、図７で説明する緊急時の処理である、ステップＣの処理を行う（ステップＳ５７のＮｏの場合）。このとき、最小下限量とは、図３（ｂ）に示すように、理想的には、平坦な状態に燃料電池システムが設置された場合、排出管３２Ｃの上面と同じ位置に設定することが好ましい。しかし、一般には、タンクの傾き、緊急時における制御時のディレーやアンダーシュートなどを考慮して、排出管３２Ｃの上面より、上側に設定し、液体の供給量の不足などを避けることがより好ましい。
つぎに、下限最小量から下限量の範囲内にある場合（ステップＳ５７のＹｅｓの場合）、タンク内の液体の温度を温度検知部により測定し、タンク内の液体の検知温度が所定の上限温度を超えている否かを判定する（ステップＳ５８）。このとき、上限温度としては、タンク内の液体の蒸散量を考慮して、例えば８０℃に設定する。
つぎに、液体の温度が、上限温度を超えている場合（ステップＳ５８のＹｅｓの場合）、タンクを冷却する冷却部である、例えば冷却ファンの風量を最大にして放熱量を最大にする（ステップＳ５９）とともに、空気などの酸化剤となるガスを供給するポンプから、燃料電池のカソードに供給するガスの供給量を下限流量で供給する（ステップＳ６０）。このとき、下限流量は、例えばポンプで供給するガス流量の制御範囲内の最小供給量である。
一方、上限温度以下の場合（ステップＳ５８のＮｏの場合）、液体の目標温度を、下限温度（例えば５５℃）に設定する（ステップＳ６１）。そして、目標温度（下限温度）と測定した液体の検知温度との偏差を制御部で算出する（ステップＳ６２）。
つぎに、ステップＳ６２で算出された偏差に基づいて、タンクを冷却する冷却部による放熱量を増加モードで制御する（ステップＳ６３）とともに、燃料電池のカソードに供給するガスの供給量を減少モードで制御して供給する（ステップＳ６４）。具体的には、タンクを冷却する冷却部の冷却ファンの風量を増加させて放熱量を増加させる。同時に、燃料電池のカソードに供給するガスの供給量を減少させて供給する。このとき、放熱量の増加モードによる制御は、燃料電池システムの使用状態において初期時に設定される初期放熱量を超え、冷却部の最大放熱量の範囲内で放熱量を増減することにより制御される。例えば、目標温度との偏差に応じて、制御範囲内で放熱量の増加量を増減させて、例えばＰＩＤ制御などにより制御する。また、ガスの供給量の減少モードによる制御は、燃料電池システムの使用状態において初期時に設定される初期供給量未満で、ポンプの最小供給量の範囲内、かつガス供給量の減少による著しい温度上昇が発生しない範囲内で供給量を増減することにより制御される。
上記制御は、タンク内に液体が枯渇に近い状態で、液体の温度が高い場合、つまり液体の蒸散量が大きいために、燃料電池から排出される気液分離流体により、タンク内に液体が供給されても、液体が枯渇する確率が高い場合に有効な制御となる。すなわち、冷却部による放熱量を最大にするか、または増加モードで制御することにより、液体の蒸散量を抑制し液体のタンク内の貯留量を増加させる。また、空気などのガスの供給量を減少モードで制御し下限近傍で供給することにより、カソード電極から排出される水などの気液分離流体の量を増加できる。
そして、図４から図６に示すタンク内の液体の液量が、制御開始時点で、所定の範囲を外れている場合、図７に示す制御をすることになる。
図７は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの気液分離部に貯留される液体の量が上限最大量以上または下限最小量以下である場合の制御方法の概略を説明するフローチャートである。
まず、タンク内の液体の量が、下限最小量以下であるか否かを判定する（ステップＳ６５）。
そして、下限最小量以下（ステップＳ６５のＹｅｓの場合）であれば、燃料電池システムの動作を停止する（ステップＳ１００）。
また、下限最小量を超える（ステップＳ６５のＮｏの場合）場合、タンク内と液体の量が上限最大量と判断し（ステップＳ６６）、上記と同様に、燃料電池システムの動作を停止する（ステップＳ１００）。
上記で詳細に説明したように、本実施の形態によれば、気液分離部のタンク内の液体の液量を、液体の検知温度に基づいて、冷却部の、例えば冷却ファンの風量による放熱量と空気などのガスを供給するポンプによる供給量（ガスの流量）の２つのパタメータを用いて、精度よく制御できる。また、緊急時においても、液体の液量を短時間で、使用範囲内に制御できるため、高い信頼性とともに、可搬性や携帯性に優れた燃料電池システムを実現できる。
なお、本実施の形態では、ＤＭＦＣを例に説明したがこれに限られず、セルスタックと同様の発電素子を用いる燃料電池であれば本発明の構成に適用できる。例えば、水素を燃料とする、いわゆる高分子固体電解質燃料電池やメタノール改質型の燃料電池などにも適用できる。
また、本実施の形態では、基本的に燃料電池システムが平坦な場所に設置された場合にタンクの液量を制御することを例に説明したが、これに限られない。例えば、傾斜センサなどを燃料電池システムに組み込み、傾斜センサによりタンクの傾き量を検出して、その傾き量で液量を補正して、同様の処理をしてもよい。これにより、例えば携帯機器など使用場所などの制約が大幅に緩和でき、利用範囲が拡大する。
また、本実施の形態では、液量検知部として、電気容量で検出する静電容量型のセンサを例に説明したが、これに限られない。例えば、フロート型のセンサで液量を検知してもよい。
また、本実施の形態では、液量検知部として、タンクの対向する側面の全面に電極を設けた例で説明したが、これに限られない。例えば、２分割などの複数に分割した電極を形成して、対向する電極間の電気容量の測定値から、液量とともに傾き量の検知部として用いてもよい。具体的には、図３（ａ）において、液量検知部３６を左右に分割すれば、タンクが図面中の左右方向に傾いた場合、左右の液量検知部の電気容量に差が生じる。この差により、傾き量を検知できるものである。同様な構成により、タンクの図面中の前後方向に傾く場合も、異なる側面に電極を形成することにより、実現できる。
また、本実施の形態では、冷却部として冷却ファンを例に説明したが、これに限られない。例えば、ペルチェ素子などを冷却部として用いてもよい。さらに、放熱効率や冷却効率を向上させるために、タンクの壁面に冷却フィンを設けてもよい。
本発明の燃料電池システムとその制御方法によれば、安全性や長寿命などの高い信頼性とともに、小型で携帯性が特に要望される電子機器の電源として有用である。
本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図 本発明の実施の形態における燃料電池の発電動作を説明する断面模式図 （ａ）本発明の実施の形態における気液分離部の斜視図、（ｂ）図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図 本発明の実施の形態における燃料電池システムの気液分離部に貯留される液体の量を所定の範囲に保持する制御方法の概略を説明するフローチャート 本発明の実施の形態における燃料電池システムの気液分離部に貯留される液体の量が上限量から上限最大量の範囲にある場合の制御方法の概略を説明するフローチャート 本発明の実施の形態における燃料電池システムの気液分離部に貯留される液体の量が下限量から下限最小量の範囲にある場合の制御方法の概略を説明するフローチャート 本発明の実施の形態における燃料電池システムの気液分離部に貯留される液体の量が上限最大量以上または下限最小量以下である場合の制御方法の概略を説明するフローチャート
符号の説明
１ 燃料電池
２ 正極端子
３ 負極端子
４ 燃料タンク
５，６ ポンプ
７ 制御部
７Ａ 演算部
８ 蓄電部
９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０ 気液分離部
１２ 冷却部
２１ アノード電極
２１Ａ，２２Ａ 拡散層
２１Ｂ，２２Ｂ 微多孔層（ＭＰＬ）
２１Ｃ，２２Ｃ 触媒層
２２ カソード電極
２３ 電解質膜
２４ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
２５ アノード側エンドプレート
２５Ａ 燃料流路
２６ カソード側エンドプレート
２６Ａ ガス流路
３０ タンク
３１ 気液分離膜
３２Ａ，３２Ｂ 導入管
３２Ｃ 排出管
３４ 温度検知部
３６ 液量検知部
３６Ａ，３６Ｂ 電極
３８ 液体

Claims (6)

  1. 燃料電池と、
    前記燃料電池に酸素を含むガスを供給するポンプと、
    少なくとも前記燃料電池のカソード側から排出される気液混合流体から液体成分を分離して貯留する気液分離部と、
    前記気液分離部に貯留された液体成分を冷却する冷却部と、
    前記気液分離部に貯留された液体成分の温度を測定する温度検知部と、
    前記気液分離部に貯留された液体成分の量を測定する液量検知部と、
    前記ポンプからの前記ガスの流量を制御するとともに、前記冷却部による放熱量を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は前記温度検知部からの出力と前記液量検知部からの出力に基づき、前記冷却部による放熱量と前記ポンプから供給する前記ガスの流量とを制御することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記冷却部は冷却ファンを有し、
    前記制御部は、
    前記気液分離部に貯留された前記液体成分の量が、所定の上限量より多くかつ前記液体成分の検知温度が所定の下限温度より低いとき、前記冷却部を停止するとともに、前記ポンプに上限流量で前記ガスを供給させ、
    前記気液分離部に貯留された前記液体成分の量が、前記所定の上限量より多くかつ前記液体成分の前記検知温度が前記所定の下限温度より高いとき、前記液体成分の目標温度を所定の上限温度に設定して前記目標温度と前記検知温度との偏差を算出し、算出された前記偏差に基づいて、前記冷却ファンの風量を減少させて前記冷却部による放熱量が減少するように制御するとともに、前記ポンプから供給する前記ガスの流量が増加するように前記ポンプ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. 前記冷却部は冷却ファンを有し、
    前記制御部は、
    前記気液分離部に貯留された前記液体成分の量が、所定の下限量より少なくかつ前記液体成分の検知温度が所定の上限温度より高いとき、前記冷却部を最大放熱量で運転するとともに、前記ポンプに下限流量で前記ガスを供給させ、
    前記気液分離部に貯留された前記液体成分の量が、前記所定の下限量より少なくかつ前記液体成分の前記検知温度が所定の上限温度より低いとき、前記液体成分の目標温度を所定の下限温度に設定して前記目標温度と前記検知温度との偏差を算出し、算出された前記偏差に基づいて、前記冷却ファンの風量を増加させて前記冷却部による放熱量が増加するように制御するとともに、前記ポンプから供給する前記ガスの流量が減少するように前記ポンプ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。
  4. 燃料電池と、前記燃料電池に酸素を含むガスを供給するポンプと、少なくとも前記燃料電池のカソード側から排出される気液混合流体から液体成分を分離して貯留する気液分離部と、前記気液分離部に貯留された液体成分を冷却する冷却部と、を備え、前記気液分離部に貯留された前記液体成分の量を制御する燃料電池システムの制御方法であって、
    前記気液分離部に貯留された前記液体成分の温度を測定し、
    前記気液分離部に貯留された前記液体成分の量を測定し、
    前記冷却部による放熱量と前記ポンプから供給する前記ガスの流量とにより、前記液体成分の温度および前記液体成分の量を制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  5. 前記冷却部は冷却ファンを有し、
    前記制御部は、
    前記気液分離部に貯留された前記液体成分の量が、所定の上限量より多くかつ前記液体成分の検知温度が所定の下限温度より低いとき、前記冷却部を停止するとともに、前記ポンプに上限流量で前記ガスを供給させ、
    前記気液分離部に貯留された前記液体成分の量が、前記所定の上限量より多くかつ前記液体成分の前記検知温度が前記所定の下限温度より高いとき、前記液体成分の目標温度を所定の上限温度に設定して前記目標温度と前記検知温度との偏差を算出し、算出された前記偏差に基づいて、前記冷却ファンの風量を減少させて前記冷却部による放熱量が減少するように制御するとともに、前記ポンプから供給する前記ガスの流量が増加するように前記ポンプを制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの制御方法。
  6. 前記冷却部は冷却ファンを有し、
    前記制御部は、
    前記気液分離部に貯留された前記液体成分の量が、所定の下限量より少なくかつ前記液体成分の検知温度が所定の上限温度より高いとき、前記冷却部を最大放熱量で運転するとともに、前記ポンプに下限流量で前記ガスを供給させ、
    前記気液分離部に貯留された前記液体成分の量が、前記所定の下限量より少なくかつ前記液体成分の前記検知温度が所定の上限温度より低いとき、前記液体成分の目標温度を所定の下限温度に設定して前記目標温度と前記検知温度との偏差を算出し、算出された前記偏差に基づいて、前記冷却ファンの風量を増加させて前記冷却部による放熱量が増加するように制御するとともに、前記ポンプから供給する前記ガスの流量が減少するように前記ポンプを制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの制御方法。
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