JP5543173B2 - 燃料電池システムおよびそれを備える輸送機器 - Google Patents

Description

この発明は燃料電池システムおよびそれを備える輸送機器に関し、より特定的には、直接メタノール型の燃料電池システムおよびそれを備える輸送機器に関する。

燃料電池システムでは、燃料電池のアノードに燃料を、燃料電池のカソードに空気を、それぞれ供給することによって発電反応を行うものが一般的に知られている。この発電反応ではカソード側で水が生成される。また、燃料としてメタノール水溶液などの液体を用いる燃料電池システムにおいては、カソードで生成される水に加えて燃料水溶液がアノードとカソードとを隔離する電解質膜などの部材を透過してしまう場合がある。生成された水や透過した燃料水溶液がカソードのうち発電反応を行う部分の表面を覆ってしまう、所謂フラッディング発生すると、発電反応が阻害されて燃料電池の出力電力が低下してしまう場合がある。

特許文献１には、液体がカソードの表面を覆ってしまう不具合を検出した際、カソードに供給する空気の供給量を増加させることが開示されている（段落００４７参照）。
特開２００６−２１００７０号公報

しかし、特許文献１において、フラッディングを検出した後エアポンプによる空気供給量を一気に上げると、エアポンプの消費電力が急増するためネット出力電力が低下し発電効率が低下してしまう。

それゆえに、この発明の主たる目的は、発電効率の低下を抑制できる燃料電池システムを提供することである。

上述の目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、アノードとカソードとを有する燃料電池と、燃料電池のカソードに酸化剤を含む気体を供給するための気体供給部と、燃料電池の出力電力に相関性のある相関情報を取得する情報取得部と、情報取得部によって取得された相関情報に基づいて気体供給部による気体供給量を制御する制御部とを備え、制御部は、相関情報が燃料電池の出力電力の減少を示すごとに気体供給部による気体供給量を増加させ、これによって、気体供給部による気体供給量を、燃料電池の発電開始時の気体供給量よりも出力電力の減少に伴い徐々に上げていくことを特徴とする。

請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、相関情報は燃料電池の発電時間を含み、制御部は、発電時間が第１所定時間を経過するごとに燃料電池の出力電力が減少しているとみなして気体供給部による気体供給量を増加させることを特徴とする。

請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、相関情報は燃料電池の出力電力に関する情報を含み、制御部は、燃料電池の出力電力に関する情報が所定分小さくなるごとに気体供給部による気体供給量を増加させ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は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池のアノードに燃料水溶液を供給する水溶液供給部をさらに備え、制御部は、燃料電池の発電を停止させる際、水溶液供給部を停止させたのち気体供給部を第２所定時間分駆動させることを特徴とする。

請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電開始からの総発電時間を取得する時間取得部をさらに備え、制御部は、時間取得部によって取得された総発電時間に基づいて第２所定時間を設定することを特徴とする。

請求項６に記載の輸送機器は、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムと、燃料電池システムから電力が供給される電動モータとを備える。

請求項１に記載の燃料電池システムでは、情報取得部によって取得された相関情報に基づいて燃料電池の出力電力の減少を認識するごとに、気体供給部による気体供給量を増加させていく。これによって、気体供給部による気体供給量を、燃料電池の発電開始から暫くは少なめに設定しその後徐々に上げることができる。したがって、燃料電池のカソード内の飽和蒸気圧を徐々に上昇させて、カソード内の液体の気化を促進できるとともに、液体のカソードからの排出を促進でき、経時的に徐々に進行する性質を有する燃料電池のフラッディングの進行を抑えることができる。その結果、気体供給部による気体供給量の急激な増大による電力の浪費を防ぎつつ、燃料電池の出力電力の低下を抑制でき、発電効率の低下を抑制できる。

一般的に、燃料電池のフラッディングは経時的に徐々に進行するので、燃料電池の出力電力は経時的に徐々に低下していく。したがって、燃料電池の発電開始からの経過時間と燃料電池の出力電力との間には強い相関性がある。請求項２に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の発電時間が第１所定時間を経過するごとに、燃料電池の出力電力が減少しているとみなし、気体供給部による気体供給量を所定分ずつ増加させていく。これによって、気体供給部による気体供給量を簡単に制御でき、発電開始から定期的に気体供給部による気体供給量を増加させることができる。その結果、カソード内に存在する液体の排出を促進でき、燃料電池の出力電力の低下を抑制することができる。

請求項３に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の出力電力に関する情報を検出し、その値が所定分（たとえば所定量または所定割合）小さくなるごとに気体供給部による気体供給量を所定分増加させる。これによって、気体供給部による気体供給量を精度よく制御でき、燃料電池の出力電力の低下をより確実に抑制することができる。

請求項４に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の発電を停止させる際、水溶液供給部を停止させた後、気体供給部を第２所定時間分駆動させる。これによって、水溶液供給部と気体供給部とを同時に停止させる場合と比較して、発電終了時にカソードの液体をより多く排出させることができる。これによって、次回の発電においてフラッディングが発生するまでの時間を長くすることができる。

燃料電池の発電開始からの経過時間である総発電時間の長さに応じて、カソードに存在する液体の量が変化する傾向がある。したがって、請求項５に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の総発電時間に基づいて、カソードに存在する液体の量に応じた第２所定時間を設定する。そして、水溶液供給部を停止させた後、設定された第２所定時間分、気体供給部を駆動させる。これによって、気体供給部の駆動に要する電力の浪費を防ぐことができる。

輸送機器は運転時において外力によって振動等を受け易いので、輸送機器に燃料電池システムを搭載する場合にはフラッディングが起こり易い。この発明によれば、フラッディングの発生を抑制し発電効率の低下を抑えることができるので、この発明は、請求項６に記載するように燃料電池システムを備える輸送機器に好適に用いられる。

なお、「燃料電池の出力電力に相関性のある相関情報」とは、当該情報をみれば燃料電池の出力電力が減少しているか否かを認識できる情報をいう。燃料電池の出力電力が減少しているとき、当該情報は増加傾向にあるかまたは減少傾向にある。相関情報としては、燃料電池の発電時間、燃料電池の出力電力に関する情報、燃料電池の発電効率などが挙げられる。燃料電池の発電効率は、水溶液タンクへの単位時間当たりの燃料補給量や、燃料電池のアノード出口やカソード出口からの排出物の温度に基づいて求めることができる。

「燃料電池の出力電力に関する情報」としては、燃料電池自体の出力電力、出力電圧、出力電流や、セルスタックの出力電力、出力電圧、出力電流などが挙げられる。

この発明によれば、燃料電池システムの発電効率の低下を抑制できる。

この発明の一実施形態の自動二輪車を示す左側面図である。 この発明の一実施形態の燃料電池システムの配管を示すシステム図である。 この発明の一実施形態の燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。 この発明の一実施形態の動作の一例を示すフロー図である。 総発電時間と第２所定時間との関係を示すテーブルである。 （ａ）は従来例におけるセルスタックのグロス出力電力を示すグラフであり、（ｂ）は図４の動作を行う場合と従来例とにおけるセルスタックのグロス出力電力およびネット出力電力ならびに補機消費電力を示すグラフである。 この発明の一実施形態の動作の他の例を示すフロー図である。 （ａ）は従来例におけるセルスタックのグロス出力電力を示すグラフであり、（ｂ）は図７の動作を行う場合と従来例とにおけるセルスタックのグロス出力電力およびネット出力電力ならびに補機消費電力を示すグラフである。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。
ここでは、この発明の燃料電池システム１００を、輸送機器の一例である自動二輪車１０に搭載した場合について説明する。

まず、自動二輪車１０について説明する。この発明の実施の形態における左右、前後、上下とは、自動二輪車１０のシートにドライバがそのハンドル２４に向かって着座した状態を基準とした左右、前後、上下を意味する。

図１を参照して、自動二輪車１０は車体フレーム１２を有する。車体フレーム１２は、ヘッドパイプ１４、ヘッドパイプ１４から後方へ斜め下方に延びるフロントフレーム１６、およびフロントフレーム１６の後端部に連結されかつ後方へ斜め上方に立ち上がるリヤフレーム１８を備えている。リヤフレーム１８の上端部には、図示しないシートを設けるためのシートレール２０が固設されている。

ヘッドパイプ１４内には、ステアリング軸２２が回動自在に挿通されている。ステアリング軸２２の上端にはハンドル２４が固定されたハンドル支持部２６が取り付けられている。ハンドル支持部２６の上端には表示操作部２８が配置されている。

図３をも参照して、表示操作部２８は、各種指示や各種情報入力用の入力部２８ａ、および各種情報提供用のたとえば液晶ディスプレイ等で構成される表示部２８ｂを含む。入力部２８ａは、後述するセルスタック１０２ひいては燃料電池１０４の発電を停止させるための強制停止スイッチ２８ｃを含む。

図１に示すように、ステアリング軸２２の下端には左右一対のフロントフォーク３０が取り付けられており、一対のフロントフォーク３０それぞれの下端には前輪３２が回転自在に取り付けられている。

リヤフレーム１８の下端部には、スイングアーム（リヤアーム）３４が揺動自在に取り付けられている。スイングアーム３４の後端部３４ａには、後輪３６に連結されかつ後輪３６を回転駆動させるためのたとえばアキシャルギャップ型の電動モータ３８が内蔵されている。スイングアーム３４には、電動モータ３８に電気的に接続される駆動ユニット４０が内蔵されている。駆動ユニット４０は、電動モータ３８の回転駆動を制御するためのモータコントローラ４２、および二次電池１２８（後述）の蓄電量を検出する蓄電量検出器４４を含む。

このような自動二輪車１０には、車体フレーム１２に沿って燃料電池システム１００の構成部材が配置されている。燃料電池システム１００は、電動モータ３８や補機類等を駆動するための電気エネルギを生成する。

以下、図１および図２を参照して、燃料電池システム１００について説明する。
燃料電池システム１００は、メタノール（メタノール水溶液）を改質せずにダイレクトに電気エネルギの生成（発電）に利用する直接メタノール型燃料電池システムである。

燃料電池システム１００は、燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという）１０２を含む。図１に示すように、セルスタック１０２は、フロントフレーム１６から吊るされ、フロントフレーム１６の下方に配置されている。

図２に示すように、セルスタック１０２は、それぞれメタノールに基づく水素イオンと酸素（酸化剤）との電気化学反応によって発電できる複数の燃料電池（燃料電池セル）１０４を含む。これらの燃料電池１０４は積層（スタック）されかつ直列接続されている。各燃料電池１０４は、固体高分子膜からなる電解質膜１０６と、電解質膜１０６を挟んで互いに対向するアノード（燃料極）１０８およびカソード（空気極）１１０とを含む。アノード１０８およびカソード１１０はそれぞれ、電解質膜１０６側に白金触媒層（図示せず）を有する。隣り合う燃料電池１０４間にはセパレータ１１２が挟まれている。

図１に示すように、フロントフレーム１６の下方でありかつセルスタック１０２の上方には、ラジエータユニット１１４が配置されている。

図２に示すように、ラジエータユニット１１４は、水溶液用のラジエータ１１４ａと気液分離用のラジエータ１１４ｂとを一体的に設けたものである。

また、リヤフレーム１８の一対の板状部材の間には、上方から順に燃料タンク１１６、水溶液タンク１１８および水タンク１２０が配置されている。

燃料タンク１１６は、セルスタック１０２の電気化学反応の燃料となる高濃度（好ましくは、メタノールを約５０ｗｔ％含む）のメタノール燃料（高濃度メタノール水溶液）を収容している。水溶液タンク１１８は、燃料タンク１１６からのメタノール燃料をセルスタック１０２の電気化学反応に適した濃度（好ましくは、メタノールを約３ｗｔ％含む）に希釈したメタノール水溶液を収容している。水タンク１２０は、水溶液タンク１１８に供給すべき水を収容している。

燃料タンク１１６にはレベルセンサ１２２が装着され、水溶液タンク１１８にはレベルセンサ１２４が装着され、水タンク１２０にはレベルセンサ１２６が装着されている。レベルセンサ１２２，１２４および１２６は、それぞれたとえばフロートセンサであり、タンク内の液面の高さ（液位）を検出する。

燃料タンク１１６の前側でありかつフロントフレーム１６の上側には、二次電池１２８が配置されている。二次電池１２８は、セルスタック１０２からの電力を蓄え、コントローラ１３６（後述）の指示に応じて電気構成部材に電力を供給する。二次電池１２８の上側には、燃料ポンプ１３０が配置されている。

フロントフレーム１６の左側の収納スペースには、水溶液ポンプ１３２およびエアポンプ１３４が収納されている。フロントフレーム１６の右側の収納スペースには、コントローラ１３６および水ポンプ１３８が配置されている。

フロントフレーム１６にはメインスイッチ１４０が設けられている。メインスイッチ１４０がオンされることによってコントローラ１３６に運転開始指示が与えられ、メインスイッチ１４０がオフされることによってコントローラ１３６に運転停止指示が与えられる。セルスタック１０２の発電動作中にメインスイッチ１４０がオフされた場合は、コントローラ１３６に運転停止指示および発電停止指示が与えられる。

図２に示すように、燃料タンク１１６と燃料ポンプ１３０とはパイプＰ１によって連通され、燃料ポンプ１３０と水溶液タンク１１８とはパイプＰ２によって連通され、水溶液タンク１１８と水溶液ポンプ１３２とはパイプＰ３によって連通され、水溶液ポンプ１３２とセルスタック１０２とはパイプＰ４によって連通されている。パイプＰ４はセルスタック１０２のアノード入口Ｉ１に接続されている。水溶液ポンプ１３２を駆動させることによってセルスタック１０２にメタノール水溶液が供給される。パイプＰ４にはメタノール水溶液の濃度（メタノール水溶液におけるメタノールの割合）を検出するための濃度センサ１４２が設けられている。濃度センサ１４２としては、たとえば超音波センサが用いられる。超音波センサは、メタノール水溶液の濃度に応じて変化する超音波の伝播時間（伝播速度）を電圧値として検出する。コントローラ１３６は、その電圧値に基づいてメタノール水溶液の濃度を検出する。

セルスタック１０２のアノード入口Ｉ１付近には、セルスタック温度センサ１４４が設けられている。セルスタック温度センサ１４４は、メタノール水溶液の温度を検出し、それをセルスタック１０２ひいては燃料電池１０４の温度とみなす。

セルスタック１０２と水溶液用のラジエータ１１４ａとはパイプＰ５によって連通され、ラジエータ１１４ａと水溶液タンク１１８とはパイプＰ６によって連通されている。パイプＰ５はセルスタック１０２のアノード出口Ｉ２に接続されている。
上述したパイプＰ１〜Ｐ６は主として燃料の流路となる。

また、エアポンプ１３４にはパイプＰ７が接続され、エアポンプ１３４とセルスタック１０２とはパイプＰ８によって連通されている。パイプＰ８はセルスタック１０２のカソード入口Ｉ３に接続されている。エアポンプ１３４を駆動させることによって外部からセルスタック１０２に酸素（酸化剤）を含む気体としての空気が供給される。パイプＰ７近傍には、外気温を検出する外気温センサ１４６が設けられている。

セルスタック１０２と気液分離用のラジエータ１１４ｂとはパイプＰ９によって連通され、ラジエータ１１４ｂと水タンク１２０とはパイプＰ１０によって連通され、水タンク１２０にはパイプ（排気管）Ｐ１１が設けられている。パイプＰ９は、セルスタック１０２のカソード出口Ｉ４に接続されている。パイプＰ１１は水タンク１２０の排気口に設けられ、セルスタック１０２からの排気を外部に排出する。
上述したパイプＰ７〜Ｐ１１は主として酸化剤の流路となる。

水タンク１２０と水ポンプ１３８とはパイプＰ１２によって連通され、水ポンプ１３８と水溶液タンク１１８とはパイプＰ１３によって連通されている。
上述したパイプＰ１２，Ｐ１３は水の流路となる。

ついで、図３を参照して、燃料電池システム１００の電気的構成について説明する。
燃料電池システム１００のコントローラ１３６は、ＣＰＵ１４８、クロック回路１５０、メモリ１５２、電圧検出回路１５４、電流検出回路１５６、ＯＮ／ＯＦＦ回路１５８および電源回路１６０を含む。

ＣＰＵ１４８は、必要な演算を行い燃料電池システム１００の動作を制御する。クロック回路１５０は、ＣＰＵ１４８にクロック信号を与える。メモリ１５２は、たとえばＥＥＰＲＯＭからなり、燃料電池システム１００の動作を制御するためのプログラムやデータおよび演算データ等を格納する。電圧検出回路１５４は、セルスタック１０２の電圧を検出する。電流検出回路１５６は、電気回路１６２を流れる電流を検出する。ＯＮ／ＯＦＦ回路１５８は、電気回路１６２を開閉する。電源回路１６０は、電気回路１６２に所定の電圧を供給する。

コントローラ１３６のＣＰＵ１４８には、メインスイッチ１４０および入力部２８ａからの入力信号が入力される。また、ＣＰＵ１４８には、レベルセンサ１２２，１２４，１２６、濃度センサ１４２、セルスタック温度センサ１４４および外気センサ１４６からの検出信号が入力される。さらに、ＣＰＵ１４８には、電圧検出回路１５４からの電圧検出値、および電流検出回路１５６からの電流検出値が入力される。ＣＰＵ１４８は、電圧検出回路１５４からの電圧検出値と電流検出回路１５６からの電流検出値とに基づいて、セルスタック１０２の出力電力を算出する。

ＣＰＵ１４８によって、燃料ポンプ１３０、水溶液ポンプ１３２、エアポンプ１３４および水ポンプ１３８等の補機類が制御される。

また、ドライバに各種情報を報知するための表示部２８ｂがＣＰＵ１４８によって制御される。さらに、電気回路１６２を開閉するＯＮ／ＯＦＦ回路１５８がＣＰＵ１４８によって制御される。

二次電池１２８は、セルスタック１０２の出力電力を補完するものであり、セルスタック１０２の出力電力によって充電され、その放電によって電動モータ３８や補機類等に電力を供給する。

ＣＰＵ１４８には、インターフェイス回路１６４を介して蓄電量検出器４４からの蓄電量検出値が入力される。ＣＰＵ１４８は、入力された蓄電量検出値と二次電池１２８の容量とを用いて二次電池１２８の蓄電率を算出する。

記憶手段であるメモリ１５２には、図４および図７の動作を実行するためのプログラム、各種演算値および各種検出値等が格納される。また、メモリ１５２には、図５の総発電時間と第２所定時間（パージ時間）との関係を示すテーブルデータが格納されている。図５において、総発電時間が１時間未満、２時間未満、３時間未満のときには、それぞれ、第２所定時間は１分、２分、３分となる。しかし、総発電時間が３時間以上になれば第２所定時間は４分のままである。これは総発電時間が３時間以上になればフラッディングが飽和するからである。

この実施形態では、制御部はＣＰＵ１４８を含む。気体供給部はエアポンプ１３４を含む。情報取得部は、ＣＰＵ１４８、クロック回路１５０、電圧検出回路１５４および電流検出回路１５６を含む。水溶液供給部は水溶液ポンプ１３２を含む。時間取得部はＣＰＵ１４８およびクロック回路１５０を含む。

図４を参照して、燃料電池システム１００の動作の一例について説明する。
メインスイッチ１４０がオンされ蓄電量検出器４４が二次電池１２８の蓄電率が所定値（好ましくは４０％）未満であることを検出すれば、セルスタック１０２ひいては燃料電池１０２の発電が開始される。このとき、ＣＰＵ１４８は、水溶液ポンプ１３２を駆動させ、メタノール水溶液がセルスタック１０２のアノード１０８に供給されるとともに、エアポンプ１３４を駆動させ、空気がセルスタック１０２のカソード１１０に供給される。

このように発電が開始されると、ＣＰＵ１４８は、クロック回路１５０からの信号に基づいてセルスタック１０２ひいては燃料電池１０４の発電時間をカウントする（ステップＳ１）。セルスタック１０２の発電時間のカウントはセルスタック１０２の発電開始時に開始される。後述のように、当該発電時間は第１所定時間（ここでは１時間）経過するごとにゼロクリアされ、０から第１所定時間までのカウントが繰り返される。

そして、ＣＰＵ１４８は、セルスタック１０２の発電時間が第１所定時間（ここでは１時間）経過したか否かを判断する（ステップＳ３）。発電時間が第１所定時間経過していなければ、ＣＰＵ１４８は、第２所定時間を設定するために、セルスタック１０２の発電開始からの経過時間である総発電時間をカウントする（ステップＳ５）。そして、ＣＰＵ１４８は、発電停止信号が与えられたか否かを判断する（ステップＳ７）。強制停止スイッチ２８ｃがオフされたとき、発電停止信号がＣＰＵ１４８に与えられる。また、ＣＰＵ１４８が、蓄電量検出器４４の出力に基づいて二次電池１２８の蓄電率が所定値（たとえば９８％）以上であることを検出すれば、自らに発電停止信号を与える。ステップＳ７において、ＣＰＵ１４８に発電停止信号が与えられていなければステップＳ１に戻る。ステップＳ３およびＳ７がＮＯである限り、ステップＳ１〜Ｓ７の処理が繰り返される。

ステップＳ３において第１所定時間が経過すれば、ＣＰＵ１４８は、エアポンプ１３４の出力を大きくし、セルスタック１０２のカソード１１０への空気供給量を５％増加させる（ステップＳ９）。そして、ＣＰＵ１４８は、発電時間をゼロクリアし（ステップＳ１１）、ステップＳ１に戻る。

一方、ステップＳ７においてＣＰＵ１４８に発電停止信号が与えられれば、ＣＰＵ１４８は、メモリ１５２に格納された図５の関係を示すテーブルデータを参照して、総発電時間に基づいて第２所定時間を設定する（ステップＳ１３）。そして、ＣＰＵ１４８は、パージ処理を行う。すなわち、水溶液ポンプ１３２を停止させた後、設定された第２所定時間分エアポンプ１３４を駆動させ（ステップＳ１５）、終了する。

このように動作する燃料電池システム１００によれば、セルスタック１０２の発電時間が第１所定時間（ここでは１時間）経過するごとに、セルスタック１０２の出力電力が減少しているとみなし、エアポンプ１３４による空気供給量を所定分（ここでは５％）ずつ増加させていく。これによって、エアポンプ１３４による空気供給量を、セルスタック１０２の発電開始から暫くは少なめに設定し、その後定期的に徐々に上げることができ、制御も簡単にできる。したがって、セルスタック１０２のカソード１１０内の飽和蒸気圧を徐々に上昇させて、カソード１１０内の液体の気化を促進できるとともに、液体のカソード１１０からの排出を促進でき、経時的に徐々に進行する性質を有するセルスタック１０２のフラッディングの進行を抑えることができる。その結果、エアポンプ１３４による空気供給量の急激な増大による電力の浪費を防ぎつつ、セルスタック１０２ひいては燃料電池１０４の出力電力の低下を抑制でき、発電効率の低下を抑制できる。

また、セルスタック１０２の総発電時間に基づいて、カソード１１０に存在する液体の量に応じた第２所定時間を設定し、セルスタック１０２の発電を停止させる際、水溶液ポンプ１３２を停止させた後、エアポンプ１３４を第２所定時間分駆動させる。これによって、水溶液ポンプ１３２とエアポンプ１３４とを同時に停止させる場合と比較して、発電終了時にカソード１１０の液体をより多く排出させることができ、次回の発電においてフラッディングが発生するまでの時間を長くすることができる。また、セルスタック１０２の総発電時間に基づいて第２所定時間を設定することによって、エアポンプ１３４の駆動に要する電力の浪費を防ぐことができる。

図４の動作を行う場合の効果を、図６を参照して説明する。
図６（ａ）には、従来例においてセルスタックの発電とその停止とを３回行った場合のセルスタックのグロス出力電力の一例を示す。図６（ｂ）には、そのうちの１つに対応するデータとして、図４の動作を行う場合と従来例とにおけるセルスタックのグロス出力電力およびネット出力電力ならびに補機消費電力を示す。セルスタックのネット出力電力は、セルスタックのグロス出力電力から補機消費電力を減じたものである。

図６（ａ）に示すように、セルスタックの出力電力は、発電開始後に急上昇し、その後経時的に緩やかに減少していく。

図６（ｂ）を参照して、従来例では、補機（エアポンプを含む）の消費電力は破線Ａ１に示すように一定であるが、セルスタックのグロス出力電力は破線Ａ２に示すように時間の経過とともに減少するので、セルスタックのネット出力電力も破線Ａ３に示すように時間の経過とともに減少する。

それに対して、燃料電池システム１００が図４の動作を行う場合、補機（エアポンプ１３４を含む）の消費電力は実線Ｂ１に示すように第１所定時間経過するたびにエアポンプ１３４による空気供給量の増加に伴って増加していく。セルスタック１０２のグロス出力電力は実線Ｂ２に示すように、緩やかに減少した後にエアポンプ１３４による空気供給量の増加に伴って急激に増加し（真上に立ち上がり）、それを繰り返すという鋸歯状の特性を有し、フラッディングまでの時間が長くなる。これに伴って、セルスタック１０２のネット出力電力も破線Ｂ３に示すように鋸歯状の特性を有し、従来例に比べて減少を抑えることができる。

ついで、図７を参照して、燃料電池システム１００の他の動作例について説明する。
図７に示す動作例では、図４に示す動作例のステップＳ３の処理に代えてステップＳ３ａおよびＳ３ｂの処理が行われ、ステップＳ１１の処理に代えてステップＳ１１ａの処理が行われる。それ以外については図４の動作と同様であるので、同一のステップ番号を付することで、重複する説明は省略する。

図７に示す動作例において、ステップＳ１の後のステップＳ３ａでは、ＣＰＵ１４８は、発電開始から５分後の出力電力を２分間継続して取得して平均する。この平均値を出力電力初期値とする。そして、ステップＳ３ｂにおいて、ＣＰＵ１４８は、セルスタック１０２のグロス出力電力が出力電力初期値から所定分（ここでは５％以上）低下したか否かを判断する。グロス出力電力が所定分低下していなければステップＳ５に進み、一方、所定分低下していればステップＳ９に進む。

また、ステップＳ９の後、ＣＰＵ１４８は、ステップＳ３ａで得られた出力電力初期値をクリアし、ステップＳ１に戻る。

このように動作する燃料電池システム１００によれば、セルスタック１０２の出力電力を検出し、その値が所定分（ここでは５％）小さくなるごとにエアポンプ１３４による空気供給量を所定分（ここでは５％）増加させる。これによって、エアポンプ１３４による空気供給量を精度よく制御でき、セルスタック１０２の出力電力の低下をより確実に抑制することができる。また、図４の動作を行う場合と同様の効果を得ることができる。

図７に示す動作を行う場合の効果を、図８を参照して説明する。
図８（ａ）は図６（ａ）と同じ図であり、図８（ａ）には、従来例においてセルスタックの発電とその停止とを３回行った場合のセルスタックのグロス出力電力の一例を示す。図８（ｂ）には、そのうちの１つに対応するデータとして、図７の動作を行う場合と従来例とにおけるセルスタックのグロス出力電力およびネット出力電力ならびに補機消費電力を示す。図８（ｂ）における破線Ａ１〜Ａ３は、図６（ｂ）の破線Ａ１〜Ａ３と同じ従来例である。

図８（ｂ）を参照して、燃料電池システム１００が図７の動作を行う場合、補機（エアポンプ１３４を含む）の消費電力は、セルスタック１０２のグロス出力電力が所定分低下するたびに、エアポンプ１３４による空気供給量の増加に伴って実線Ｃ１に示すように増加していく。セルスタック１０２のグロス出力電力は実線Ｃ２に示すように、緩やかに減少した後にエアポンプ１３４による空気供給量の増加に伴って急激に増加し（真上に立ち上がり）、それを繰り返すという鋸歯状の特性を有し、フラッディングまでの時間が長くなる。これに伴って、セルスタック１０２のネット出力電力も実線Ｃ３に示すように鋸歯状の特性を有し、破線Ａ３で示す従来例に比べて減少を抑えることができる。

なお、図７に示す動作例においては、ステップＳ３ｂにおいて、セルスタック１０２のグロス出力電力が出力電力初期値から所定割合（ここでは５％）低下したか否かを判断したが、これに限定されない。たとえば、セルスタック１０２のグロス出力電力が出力電力初期値から所定量低下したか否かを判断するようにしてもよい。

上述の実施形態では、燃料電池１０４の出力電力に関する情報として、セルスタック１０２の出力電力を用いたが、これに限定されず、燃料電池１０４の出力電力を用いてもよい。燃料電池１０４の出力電力は、セルスタック１０２の出力電力を、セルスタック１０２に含まれる燃料電池１０４の数で割ることによって得られる。また、燃料電池１０４の出力電力に関する情報として、燃料電池１０４の出力電圧や出力電流、セルスタック１０２の出力電圧や出力電流を用いてもよい。

上述の実施形態では、燃料としてメタノールを、燃料水溶液としてメタノール水溶液を用いたが、これに限定されず、燃料としてエタノール等のアルコール系燃料、燃料水溶液としてエタノール水溶液等のアルコール系水溶液を用いてもよい。

上述の実施形態では、セルスタック１０２（燃料電池１０４）のカソード１１０にエアポンプ１３４によって空気を供給する場合について説明したが、これに限定されない。この発明は、酸化剤を含む任意の気体をカソード１１０に供給でき、気体供給部として任意の送気ポンプを用いることができる。

自動二輪車１０などの輸送機器は運転時において外力によって振動等を受け易いので、輸送機器に燃料電池システムを搭載する場合にはフラッディングが起こり易い。この発明によれば、フラッディングの発生を抑制し発電効率の低下を抑えることができるので、この発明は、燃料電池システムを備える任意の輸送機器に好適に用いられる。輸送機器としては、自動二輪車だけではなく、自動車や船舶等が含まれる。

また、この発明は、据え付けタイプの燃料電池システムにも適用でき、さらに、パーソナルコンピュータ、携帯機器等の電子機器に搭載される可搬型の燃料電池システムにも適用できる。

１０ 自動二輪車
３８ 電動モータ
１００ 燃料電池システム
１０２ 燃料電池セルスタック
１０４ 燃料電池
１０８ アノード
１１０ カソード
１３２ 水溶液ポンプ
１３４ エアポンプ
１３６ コントローラ
１４８ ＣＰＵ
１５０ クロック回路
１５２ メモリ
１５４ 電圧検出回路
１５６ 電流検出回路

Claims (6)

1. アノードとカソードとを有する燃料電池と、
   前記燃料電池の前記カソードに酸化剤を含む気体を供給するための気体供給部と、
   前記燃料電池の出力電力に相関性のある相関情報を取得する情報取得部と、
   前記情報取得部によって取得された前記相関情報に基づいて前記気体供給部による気体供給量を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記相関情報が前記燃料電池の出力電力の減少を示すごとに前記気体供給部による気体供給量を増加させ、これによって、前記気体供給部による気体供給量を、前記燃料電池の発電開始時の気体供給量よりも前記出力電力の減少に伴い徐々に上げていく、燃料電池システム。
2. 前記相関情報は前記燃料電池の発電時間を含み、
   前記制御部は、前記発電時間が第１所定時間を経過するごとに前記燃料電池の出力電力が減少しているとみなして前記気体供給部による気体供給量を増加させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記相関情報は前記燃料電池の出力電力に関する情報を含み、
   前記制御部は、前記燃料電池の出力電力に関する情報が所定分小さくなるごとに前記気体供給部による気体供給量を増加させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の前記アノードに燃料水溶液を供給する水溶液供給部をさらに備え、
   前記制御部は、前記燃料電池の発電を停止させる際、前記水溶液供給部を停止させたのち前記気体供給部を第２所定時間分駆動させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の発電開始からの総発電時間を取得する時間取得部をさらに備え、
   前記制御部は、前記時間取得部によって取得された前記総発電時間に基づいて前記第２所定時間を設定する、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムと、
   前記燃料電池システムから電力が供給される電動モータとを備える、輸送機器。

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