JP5556123B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電気機器の充電電源などに適用される燃料電池システムに関する。

携帯電話機や携帯情報端末などの電子機器の小型化は目覚しいものがあり、これら電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は、燃料と空気を供給するのみで、発電することができ、燃料のみを補充あるいは交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型化が実現できれば、小型の電子機器の電源として極めて有効である。

そこで、最近、燃料電池として、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌと称する。）が注目されている。かかる燃料電池は、液体燃料の供給方式によって分類され、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式のものと、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式のものがあり、これらのうち、パッシブ方式のものは燃料電池の小型化に対して特に有利である。

従来、このようなパッシブ方式の燃料電池として、特許文献１に開示されるように、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、燃料収容部上に配置した構造のものが考えられている。

また、燃料電池の燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続する構成のものも特許文献２〜４に開示されている。これら特許文献２〜４は、燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整可能としたもので、特に、特許文献３では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給している。また、ポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることも記載されている。さらに特許文献４には電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給することが記載されている。

国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット 特表２００５−５１８６４６号公報 特開２００６−０８５９５２号公報 米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報 特開２００６−１４７４８６号公報

ところで、燃料電池は、通常の運転では、図６に示すように時間ＴＭの経過とともに、燃料電池の温度Ｔが増減すると、この温度Ｔの増減に対応して燃料電池に対する燃料供給量Ｆを調整するようにしている。このようにすると、周囲環境温度が一定ならば、温度Ｔを目標温度Ｔｏにしたがって一定温度に保つのに必要な燃料供給量Ｆはほぼ一定となり、燃料供給量Ｆの周期は、温度Ｔの逆位相の関係で推移し、出力電流Ｉが略一定に維持される。

ところが、燃料電池の運転中に、例えば、燃料電池のカソードへの空気の供給が遮断され、カソード面が閉塞されることがあると、酸素量の不足による電気化学反応の低下により、図７に示すように燃料電池の温度Ｔおよび出力電圧Ｔが低下する。また、外部環境、つまり外気温度や風量などの変化で燃料電池の放熱量が増加すると、図８に示すように温度Ｔを目標温度Ｔｏに維持するのに必要とする燃料供給量Ｆが増加し、結果として酸素供給量の不足による出力電圧Ｉの低下を引き起こす。

このように燃料電池は、燃料、酸素、その他、種々の環境などが適正でないと、安定した発電を継続することができない。言い換えると、これら必要とする要素のどれか一つでも欠けると、安定した発電が継続できずに出力が低下する。

そこで、燃料電池の出力低下が燃料や酸素量の不足によるものか、外部環境の変化によるものかを判定するための手段を必要とするが、パッシブ方式の燃料電池では基本的に燃料供給以外の制御手段を持たないため，これらの判定を下すのが難しい。このため、これらの判定を誤ると、必要としない燃料供給を行うことがあり、この結果、初期の段階では出力や発電効率の低下が起こり、この状態が継続されると、燃料の過供給により異常昇温や発電部での不可逆劣化が生じるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料過供給による異常昇温や、発電部での不可逆劣化を確実に防止できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、
請求項１記載の本発明は、燃料供給により電力を発電する燃料電池発電部を有する燃料電池本体と、前記燃料電池発電部に燃料を送液する燃料送液手段と、前記燃料電池発電部に接続され前記燃料電池発電部の出力を調整する出力調整手段と、前記燃料電池本体の出力電流が所定時間、所定値以下の状態を検出する出力電流状態検出手段と、前記出力電流が所定時間、所定値以下の状態で、前記燃料電池本体の開回路電圧の大きさを判定する開回路電圧判定手段と、を具備し、第１及び第２の基準電圧Ｖ１、Ｖ２（但しＶ１＞Ｖ２）を有する第１の状態維持領域が設定され、前記燃料電池本体が前記燃料送液手段の動作許可状態での通常運転で、前記出力電流状態検出手段により出力電流が所定時間、所定値以下の状態が検出されると、前記出力調整手段の出力を遮断し、前記出力調整手段の出力を遮断した後、前記開回路電圧判定手段で判定される前記開回路電圧が前記第１の状態維持領域にあると、前記出力調整手段の出力を遮断した状態が維持され、前記出力調整手段の出力を遮断した後、前記開回路電圧が前記第１の状態維持領域を超えて前記第１の基準電圧Ｖ１より大きくなると、前記燃料電池本体を前記通常運転に復帰させ、前記出力調整手段の出力を遮断した後、前記開回路電圧が前記第１の状態維持領域を超えて前記第２の基準電圧Ｖ２より小さくなると、前記燃料送液手段を動作禁止にすることを特徴としている。

本発明によれば、燃料電池本体への酸素供給量の不足、温度や風量等の周囲環境の変化など、燃料電池の出力を低下させる要因が生じても、不必要に燃料供給量を急増させることが無く、燃料の過供給による異常昇温、発熱体の不可逆劣化を防止して、安的性向上を図ることができる。

また、これらの問題を解決するために、不必要にシステムを停止してユーザーの利便性を損なうこともない。

さらには、上記出力低下要因の検知手段として、発電体そのものを一種の化学センサーとして用いるため、個別にセンサーを設置する必要がなく、システムの簡略化、ひいては低コスト化を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態の燃料電池システムの概略構成を示す図。 第１の実施の形態の燃料電池本体を詳細に説明するための断面図。 第１の実施の形態の燃料電池本体に用いられる燃料分配機構の斜視図。 第１の実施の形態の燃料電池システムの動作を説明するフローチャート。 第１の実施の形態の燃料電池システムの動作状態を説明するための図。 従来の燃料電池の通常運転時での運転経過時間に対する温度、燃料供給量及び出力電流の状態を示す図。 従来の燃料電池での酸素量不足時の運転経過時間に対する温度、燃料供給量及び出力電流の状態を示す図。 従来の燃料電池での放熱量増加状態の運転経過時間に対する温度、燃料供給量及び出力電流の状態を示す図。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示している。

図１において、１は燃料電池本体（ＤＭＦＣ）で、この燃料電池本体１は、起電部を構成する燃料電池発電部（セル）１０１、液体燃料を収容する燃料収容部１０２、燃料収容部１０２と燃料電池発電部１０１を接続する流路１０３及び燃料収容部１０２から燃料電池発電部１０１に液体燃料を移送するための燃料送液手段としてのポンプ１０４を有している。

図２は、このような燃料電池本体１をさらに詳細に説明するための断面図である。

この場合、燃料電池発電部１０１は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を有している。

ここで、アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。

電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７はこれらに限られるものではない。

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばＡｕ、Ｎｉのような導電性金属材料からなる多孔質層（例えば、メッシュ）、多孔質膜、箔体あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。

電解質膜１７と後述する燃料分配機構１０５およびカバープレート１８との間には、それぞれゴム製のＯリング１９が介在されており、これらによって燃料電池発電部１０１からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

カバープレート１８は酸化剤である空気を取入れるための不図示の開口を有している。カバープレート１８とカソード１６との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。

燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３側には、燃料分配機構１０５が配置されている。燃料分配機構１０５には配管のような液体燃料の流路１０３を介して燃料収容部１０２が接続されている。

燃料収容部１０２には、燃料電池発電部１０１に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部１０２には燃料電池発電部１０１に応じた液体燃料が収容される。

燃料分配機構１０５には燃料収容部１０２から流路１０３を介して燃料が導入される。流路１０３は燃料分配機構１０５や燃料収容部１０２と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ燃料の流路であってもよい。燃料分配機構１０５は流路１０３を介して燃料収容部１０２と接続されていればよい。

ここで、燃料分配機構１０５は図３に示すように、燃料が流路１０３を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口２１と、燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口２２とを有する燃料分配板２３を備えている。燃料分配板２３の内部には図２に示すように、燃料注入口２１から導かれた燃料の通路となる空隙部２４が設けられている。複数の燃料排出口２２は燃料通路として機能する空隙部２４にそれぞれ直接接続されている。

燃料注入口２１から燃料分配機構１０５に導入された燃料は空隙部２４に入り、この燃料通路として機能する空隙部２４を介して複数の燃料排出口２２にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口２２には、例えば燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３には燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構１０５とアノード１３との間に気液分離膜等として設置してもよい。燃料の気化成分は複数の燃料排出口２２からアノード１３の複数個所に向けて排出される。

燃料排出口２２は燃料電池発電部１０１の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板２３のアノード１３と接する面に複数設けられている。燃料排出口２２の個数は２個以上であればよいが、燃料電池発電部１０１の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ²の燃料排出口２２が存在するように形成することが好ましい。

燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２の間を接続する流路１０３には、ポンプ１０４が挿入されている。このポンプ１０４は燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部１０２から燃料分配機構１０５に燃料を移送する燃料供給ポンプである。このようなポンプ１０４で必要時に燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めるものである。この場合、ポンプ１０４としては、少量の燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。

ポンプ１０４には、後述する燃料供給制御回路５が接続され、ポンプ１０４の駆動が制御される。

このような構成において、燃料収容部１０２に収容された燃料は、ポンプ１０４により流路１０３を移送され、燃料分配機構１０５に供給される。そして、燃料分配機構１０５から放出された燃料は、燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３に供給される。燃料電池発電部１０１内において、燃料はアノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …(1)
この反応で生成した電子（ｅ^-）は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる出力として負荷側に供給された後、カソード（空気極）１６に導かれる。また、(1)式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成される。

６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …(2)
図１に戻って、このように構成された燃料電池本体１は、燃料電池発電部（セル）１０１に温度検出手段としての温度センサー１０６が設けられている。この温度センサー１０６は、燃料電池発電部１０１の温度、つまり発熱部温度を検出するもので、例えば、サーミスタや熱電対からなり、図２に示す燃料電池発電部１０１のカソード(空気極)１６に配置され、燃料電池発電部１０１の中央温度として、例えばカソード温度Ｔを検出し、制御部７に出力する。制御部７については、後述する。

燃料電池本体１には、出力検出部６及び出力調整手段としてＤＣ−ＤＣコンバータ（電圧調整回路）２が接続されている。出力検出部６は、燃料電池本体１の出力電流Ｉ及び燃料電池本体１の開回路電圧（Open Circuit Voltage：ＯＣＶ）を検出する。ここで、開回路電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の動作を停止して出力を遮断した状態（出力電流Ｉが取り出せない状態）での燃料電池本体１の出力電圧である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、不図示のスイッチング要素とエネルギー蓄積要素を有し、これらスイッチング要素とエネルギー蓄積要素により燃料電池本体１で発電された電気エネルギーを蓄積／放出させ、燃料電池本体１からの比較的低い出力電圧を十分の電圧まで昇圧して生成される出力を発生する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、制御部７の指示により出力（出力電圧）を任意に調整されるとともに、コンバータ動作を停止されるようになっている。このＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力は、補助電源４に供給される。

なお、ここでは標準的な昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ２を示したが、昇圧動作が可能なものならば、他の回路方式のものでも実施可能である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端には、補助電源４が接続され、所謂ハイブリッド型燃料電池を構成している。この補助電源４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力により充電可能としたもので、負荷である電子機器本体３の瞬間的な負荷変動に対して電流を供給し、また、燃料枯渇状態になって燃料電池本体１が発電不能に陥った場合に電子機器本体３の駆動電源として用いられる。この補助電源４には、充放電可能な蓄電素子(例えばリチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）)や電気二重層コンデンサ）が用いられる。

補助電源４には、燃料供給制御回路５が接続されている。燃料供給制御回路５は、補助電源４が電源として与えられ制御部７の指示に基づいてポンプ１０４の動作禁止、動作許可を制御する。

燃料供給制御回路５には、制御部７が接続されている。制御部７は、システム全体を制御するもので、出力電流状態検出部７０１、開回路電圧判定部７０２、送液制御部７０３を有している。出力電流状態検出部７０１は、出力検出部６より検出される燃料電池本体１の出力電流Ｉが、所定時間続けて所定値以下まで低下した状態を検出する。開回路電圧判定部７０２は、出力検出部６より検出される開回路電圧の大きさを判定する。送液制御部７０３は、開回路電圧判定部７０２で判定された開回路電圧の大きさに基づいて、図４に示す第１の状態維持領域としての閉塞解除待ち領域４１、第２の状態維持領域としての燃料消費待ち領域４２、第３の状態維持領域としての燃料枯れ回避領域４３での動作を実行するとともに、ポンプ１０４に対する動作許可、動作停止の他、燃料電池本体１の運転停止を決定する。閉塞解除待ち領域４１、燃料消費待ち領域４２、燃料枯れ回避領域４３については後述する。

次に、このように構成された実施の形態の作用を図４に示すフローチャートに従い説明する。

いま、燃料電池本体１への燃料及び酸素の供給が適量である場合、ポンプ１０４は、起動許可されＤＣ−ＤＣコンバータ２も動作しており、燃料電池本体１の通常運転により燃料電池本体１の発電出力が負荷の電子機器本体３側に供給されている（ステップ４０１）。この状態で、ステップ４０２で、出力電流状態検出部７０１により、燃料電池本体１の出力電流Ｉが所定時間続けて所定値以下まで低下されるかが判断される。具体的には、出力電流Ｉが１００ｍＡ以下の状態が、６０ｓｅｃ連続しているかが判断される。ここで、Ｎｏと判断されると、ステップ４０１に戻り、通常運転が継続される。一方、ＹＥＳと判断されると、ステップ４０３に進み、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の動作を一時停止させ、燃料電池本体１の出力を遮断した状態（出力電流Ｉが取り出せない状態）にする。この状態で、出力検出部６より検出される開回路電圧により開回路電圧判定部７０２で開回路電圧の大きさを判定する。

まず、第１の状態維持領域である閉塞解除待ち領域４１に進む。この閉塞解除待ち領域４１では、出力電流Ｉの低下の原因が、燃料電池本体１への燃料供給量は適量であるが、酸素供給路が一時的に閉塞され酸素量が不足している可能性を判断し、閉塞解除待ちをする。この場合、閉塞解除待ち領域４１には、第１及び第２の基準電圧Ｖ１、Ｖ２（但しＶ１＞Ｖ２）が設定されている。そして、ステップ４０４で、開回路電圧が第２の基準電圧Ｖ２（例えば４．５Ｖ）より大きいかを判断する。ここで、開回路電圧が第２の基準電圧Ｖ２より大きくＹｅｓと判断されると、ステップ４０５に進み、開回路電圧が第１の基準電圧Ｖ１（例えば５Ｖ）より大きいかを判断する。ここで、Ｎｏと判断されると、ステップ４０４に戻って、再び開回路電圧が第２の基準電圧Ｖ２より大きいかを判断し、以下、この動作を繰り返して閉塞解除待ち領域４１での閉塞解除待ちを維持する。その後、開回路電圧が第１の基準電圧Ｖ１より大きくなって、ステップ４０５でＹｅｓと判断されると、一時的な酸素供給路の閉塞が解消して燃料電池本体１での運転が正常に戻ったと判定し、ステップ４０１に戻り、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を再起動させて燃料電池本体１を通常運転に復帰させる。

一方、ステップ４０４で、Ｎｏと判定されると、つまり開回路電圧が第２の基準電圧Ｖ２（４．５Ｖ）より小さいと判断されると、ステップ４０６でポンプ１０４の動作を停止し、第２の状態維持領域である燃料消費待ち領域４２に進む。

この燃料消費待ち領域４２では、出力電流Ｉの低下の原因が、燃料電池本体１への燃料供給量が過多で、酸素供給が不足している可能性を判断し、燃料消費待ちをする。この場合、燃料消費待ち領域４２には、第２及び第３の基準電圧Ｖ２、Ｖ３（但しＶ２＞Ｖ３）が設定されている。そして、ステップ４０７で、開回路電圧が第３の基準電圧Ｖ３（例えば３．５Ｖ）より大きいかを判断する。ここで、開回路電圧が第３の基準電圧Ｖ３より大きくＹｅｓと判断されると、ステップ４０８に進み、開回路電圧が第２の基準電圧Ｖ２（４．５Ｖ）より大きいかを判断する。ここで、Ｎｏと判断されると、ステップ４０７に戻って、再び開回路電圧が第３の基準電圧Ｖ３より大きいかを判断し、以下、この動作を繰り返して燃料消費待ち領域４２での燃料消費待ちを維持する。その後、開回路電圧が第２の基準電圧Ｖ２より大きくなって、ステップ４０８でＹｅｓと判断されると、燃料供給量の過多が解消したと見なして、ステップ４０９で、ポンプ１０４の動作を許可し、閉塞解除待ち領域４１のステップ４０４に戻り、上述し動作を繰り返す。一方、ステップ４０７でＮｏと判定されると、つまり開回路電圧が第３の基準電圧Ｖ３（３．５Ｖ）より小さいと判断されると、ステップ４１０でポンプ１０４の動作を許可して第３の状態維持領域である燃料枯れ回避領域４３に進む。

この燃料枯れ回避領域４３では、出力電流Ｉの低下の原因が、燃料電池本体１への燃料供給量が不足で酸素供給量も不足している可能性を判断し、燃料枯れの回避を行う。この場合、燃料枯れ回避領域４３には、第３及び第４の基準電圧Ｖ３、Ｖ４（但しＶ３＞Ｖ４）が設定されている。そして、ステップ４１１で、開回路電圧が第３の基準電圧Ｖ３（３．５Ｖ）より小さいかを判断する。ここで、開回路電圧が第３の基準電圧Ｖ３より小さくてＹｅｓと判断されると、ステップ４１２に進み、開回路電圧が第４の基準電圧Ｖ４（例えば３．０Ｖ）より小さいかを判断する。ここで、Ｎｏと判断されると、ステップ４１１に戻って、再び開回路電圧が第３の基準電圧Ｖ３より小さいかを判断し、以下、この動作を繰り返して燃料枯れ回避領域４３での燃料枯れの回避を維持する。その後、開回路電圧が第３の基準電圧Ｖ３より大きくなって、ステップ４１１でＮｏと判定されると、つまり燃料枯れの回避を継続した結果、開回路電圧が第３の基準電圧Ｖ３（３．５Ｖ）より大きくなったことが判断されると、ステップ４０６でポンプ１０４の動作を禁止し、燃料消費待ち領域４２に戻る。一方、ステップ４１２でＹｅｓと判断されると、これら閉塞解除待ち領域４１、燃料消費待ち領域４２、燃料枯れ回避領域４３での動作を継続しても燃料電池本体１を通常運転に戻るのが難しいと判断し、ステップ４１３に進み、燃料電池本体１の運転を停止する。

このような動作を図５により、さらに説明する。この場合、期間Ａは、燃料電池本体１の通常運転を示しており、この期間Ａでは、図６でも述べたように、時間ＴＭの経過とともに、燃料電池の温度Ｔが増減すると、この温度Ｔの増減に対応して燃料供給量Ｆが調整される。これにより、温度Ｔを目標温度Ｔｏにしたがって一定温度に保つのに必要な燃料供給量Ｆは、ほぼ一定となり、燃料供給量Ｆの周期は、温度Ｔの逆位相の関係で推移し、出力電流Ｉも略一定に維持される。このような通常運転から、期間Ｂにおいて、酸素供給量の不足、或いは外気温度の低下、風量の増加による放熱量の増加などの要因で燃料電池本体１の出力電流Ｉが低下し、図示Ｃ点で、出力電流Ｉが所定時間（例えば６０ｓｅｃ）続けて所定値（例えば１００ｍＡ）以下になると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の動作を一時停止させ、燃料電池本体１の出力を遮断した状態（出力電流Ｉが取り出せない状態）にする。そして、この状態で、開回路電圧を検出し、この開回路電圧の大きさに基づいて、上述した閉塞解除待ち領域４１、燃料消費待ち領域４２、燃料枯れ回避領域４３での動作が行われる。これにより、期間Ｄでは、これらの閉塞解除待ち領域４１、燃料消費待ち領域４２、燃料枯れ回避領域４３での適切な動作により、燃料供給量Ｆは、開回路電圧を保つための最低限に保持されるので、温度Ｔが低下することがあっても燃料過供給に陥るようなことが無くなる。また、この期間Ｄでは、開回路電圧の大きさが燃料電池本体１の通常運転への移行が可能な状態に戻れば、通常運転を試み、可能であれば、期間Ａに示す通常運転状態に復帰する。また、不可であれば、再び開回路電圧に切替えて閉塞解除待ち領域４１、燃料消費待ち領域４２、燃料枯れ回避領域４３での動作が行われる。そして、これら閉塞解除待ち領域４１、燃料消費待ち領域４２、燃料枯れ回避領域４３での動作が一定時間継続する場合は、燃料電池本体１の運転を停止する。

したがって、このようにすれば、燃料供給により電力を発電する燃料電池本体１の燃料電池発電部１０１に燃料を送液するポンプ１０１、燃料電池本体１の出力電流が所定時間、所定値以下の状態を検出する出力電流状態検出部７０１、燃料電池本体１の開回路電圧の大きさを判定する開回路電圧判定部７０２をそれぞれ有し、さらに第１及び第２の基準電圧Ｖ１、Ｖ２（但しＶ１＞Ｖ２）を有する閉塞解除待ち領域４１が設定され、燃料電池本体１の通常運転で、燃料電池本体１の出力電流が所定値以下の状態が検出されると、この状態で開回路電圧が検出され、この開回路電圧の大きさが第２の基準電圧Ｖ２以上で第１の基準電圧Ｖ１以下にあると、閉塞解除待ち領域４１での動作を維持し、開回路電圧が第１の基準電圧Ｖ１を超えると、燃料電池本体１を通常運転に復帰させるようにしたので、仮に燃料電池本体１への酸素の供給路が閉塞され酸素供給量の不足が生じたような場合も、閉塞解除待ちを維持することで不必要に燃料供給量を急増させること無くなり、燃料の過供給による異常昇温を確実に防止できるとともに、異常昇温による発熱体の不可逆劣化を防止することもできる。

また、第２及び第３の基準電圧Ｖ２、Ｖ３（但しＶ２＞Ｖ３）を有する燃料消費待ち領域４２、第３及び第４の基準電圧Ｖ３、Ｖ４（但しＶ３＞Ｖ４）を有する燃料枯れ回避領域４３がそれぞれ設定され、開回路電圧が閉塞解除待ち領域４１で第２の基準電圧Ｖ２以下であれば、ポンプ１０１を動作禁止にするとともに、燃料消費待ち領域４２に移行させ、開回路電圧が第３の基準電圧Ｖ３以上で、第４の基準電圧Ｖ４以下に有ると、燃料消費待ち領域４２での動作を維持し、開回路電圧が第２の基準電圧Ｖ２を超えると、ポンプ１０４の動作を許可して閉塞解除待ち領域４１の動作に復帰させ、開回路電圧が第３の基準電圧Ｖ３以下であれば、ポンプ１０４の動作を許可して燃料枯れ回避領域４３に移行させ、開回路電圧が第３の基準電圧Ｖ３以下で、第４の基準電圧Ｖ４以上であれば、燃料枯れ回避領域４３での動作を維持し、開回路電圧が第３の基準電圧Ｖ３を超えると、ポンプ１０４を動作禁止にして燃料消費待ち領域４２の動作に復帰させるようにしたので、さらに外気温度の低下、風量の増加による放熱量の増加などの原因で、燃料電池本体１への燃料供給量が過多で、酸素供給が不足している可能性が生じたような場合も、燃料消費待ちを維持することで不必要に燃料供給量を急増させること無くなり、この場合も、燃料の過供給による異常昇温を確実に防止でき、異常昇温による発熱体の不可逆劣化を防止できる。さらに、燃料電池本体１への燃料供給量が不足で酸素供給量も不足している可能性が生じたような場合も、燃料枯れ回避の動作を維持することで燃料枯れにより燃料電池本体が動作不能に陥るようなことも無くすことができる。

さらに、閉塞解除待ち領域４１、燃料消費待ち領域４２、燃料枯れ回避領域４３での動作が所定時間継続すると燃料電池本体１の運転を停止するようにもしたので、燃料電池本体１に対して不都合な動作が長時間継続するのを防止でき、燃料電池システムの動作の安全性も確保することもできる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、上述では、第１の状態維持領域として閉塞解除待ち領域について述べたが、これに代えて、第１の状態維持領域として燃料消費待ち領域を設定してもよい。この場合、燃料電池本体が通常運転で、出力電流状態検出手段により出力電流が所定時間、所定値以下の状態が検出されると、燃料送液手段を動作禁止してから第１の状態維持領域（燃料消費待ち領域）に移行させるようにすればよい。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

さらに燃料電池発電部へ供給される液体燃料の気化成分においても、全て液体燃料の気化成分を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］燃料供給により電力を発電する燃料電池発電部を有する燃料電池本体と、
前記燃料電池発電部に燃料を送液する燃料送液手段と、
前記燃料電池本体の出力電流が所定時間、所定値以下の状態を検出する出力電流状態検出手段と、
前記出力電流が所定時間、所定値以下の状態で、前記燃料電池本体の開回路電圧の大きさを判定する開回路電圧判定手段と、を具備し、
第１及び第２の基準電圧Ｖ１、Ｖ２（但しＶ１＞Ｖ２）を有する第１の状態維持領域が設定され、前記燃料電池本体が前記燃料送液手段の動作許可状態での通常運転で、前記出力電流状態検出手段により出力電流が所定時間、所定値以下の状態が検出されると、前記開回路電圧判定手段で判定される前記開回路電圧が前記第２の基準電圧Ｖ２以上で前記第１の基準電圧Ｖ１以下にあると、前記第１の状態維持領域での動作を維持し、前記開回路電圧が前記第１の基準電圧Ｖ１を超えると、前記燃料電池本体を前記通常運転に復帰させることを特徴とする燃料電池システム。
［２］さらに、第２及び第３の基準電圧Ｖ２、Ｖ３（但しＶ２＞Ｖ３）を有する第２の状態維持領域、第３及び第４の基準電圧Ｖ３、Ｖ４（但しＶ３＞Ｖ４）を有する第３の状態維持領域がそれぞれ設定され、前記開回路電圧が前記第１の状態維持領域で第２の基準電圧Ｖ２以下であれば、前記燃料送液手段を動作禁止にするとともに、前記第２の状態維持領域に移行させ、前記開回路電圧が前記第３の基準電圧Ｖ３以上で、前記第４の基準電圧Ｖ４以下に有ると、前記第２の状態維持領域での動作を維持し、前記開回路電圧が前記第２の基準電圧Ｖ２を超えると、前記燃料送液手段を動作許可して前記第１の状態維持領域の動作に復帰させ、前記開回路電圧が前記第３の基準電圧Ｖ３以下であれば、前記燃料送液手段を動作許可して前記第３の状態維持領域に移行させ、前記開回路電圧が前記第３の基準電圧Ｖ３以下で、前記第４の基準電圧Ｖ４以上であれば、前記第３の状態維持領域での動作を維持し、前記開回路電圧が前記第３の基準電圧Ｖ３を超えると、前記燃料送液手段を動作禁止にして前記第２の状態維持領域の動作に復帰させることを特徴とする［１］記載の燃料電池システム。
［３］前記第１乃至３の状態維持領域での動作が継続すると前記燃料電池本体の運転を停止することを特徴とする［２］記載の燃料電池システム。
［４］前記第１の状態維持領域は、閉塞解除待ち領域、前記第２の状態維持領域は、燃料消費待ち領域、前記第３の状態維持領域は、燃料枯れ回避領域であることを特徴とする［２］又は［３］記載の燃料電池システム。

１…燃料電池本体、１０１…燃料電池発電部
１０２…燃料収容部、１０３…流路
１０４…ポンプ、１０４１…ポンプ異常検出部、１０５…燃料分配機構
１０６…温度センサー、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３…電子機器本体
４…補助電源、５…燃料供給制御回路、６…出力検出部、
７…制御部、７０１…出力電流状態検出部、７０２…開回路電圧判定部、 ７０３…送液制御部、

Claims (4)

1. 燃料供給により電力を発電する燃料電池発電部を有する燃料電池本体と、
   前記燃料電池発電部に燃料を送液する燃料送液手段と、
   前記燃料電池発電部に接続され前記燃料電池発電部の出力を調整する出力調整手段と、
   前記燃料電池本体の出力電流が所定時間、所定値以下の状態を検出する出力電流状態検出手段と、
   前記出力電流が所定時間、所定値以下の状態で、前記燃料電池本体の開回路電圧の大きさを判定する開回路電圧判定手段と、を具備し、
   第１及び第２の基準電圧Ｖ１、Ｖ２（但しＶ１＞Ｖ２）を有する第１の状態維持領域が設定され、
   前記燃料電池本体が前記燃料送液手段の動作許可状態での通常運転で、前記出力電流状態検出手段により出力電流が所定時間、所定値以下の状態が検出されると、前記出力調整手段の出力を遮断し、
   前記出力調整手段の出力を遮断した後、前記開回路電圧判定手段で判定される前記開回路電圧が前記第１の状態維持領域にあると、前記出力調整手段の出力を遮断した状態が維持され、
   前記出力調整手段の出力を遮断した後、前記開回路電圧が前記第１の状態維持領域を超えて前記第１の基準電圧Ｖ１より大きくなると、前記燃料電池本体を前記通常運転に復帰させ、
   前記出力調整手段の出力を遮断した後、前記開回路電圧が前記第１の状態維持領域を超えて前記第２の基準電圧Ｖ２より小さくなると、前記燃料送液手段を動作禁止にすることを特徴とする燃料電池システム。
2. さらに、第２及び第３の基準電圧Ｖ２、Ｖ３（但しＶ２＞Ｖ３）を有する第２の状態維持領域が設定され、
   前記燃料送液手段を動作禁止にした後、前記開回路電圧が前記第２の状態維持領域に有ると、前記出力調整手段の出力を遮断し、かつ前記燃料送液手段を動作禁止にした状態を維持し、
   前記燃料送液手段を動作禁止にした後、前記開回路電圧が前記第２の状態維持領域を超えて前記第２の基準電圧Ｖ２より大きくなると、前記燃料送液手段を動作許可して前記第１の状態維持領域の動作に復帰させ、
   前記燃料送液手段を動作禁止にした後、前記開回路電圧が前記第２の状態維持領域を超えて前記第３の基準電圧Ｖ３より小さくなると、前記燃料送液手段を動作許可す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. さらに、第３及び第４の基準電圧Ｖ３、Ｖ４（但しＶ３＞Ｖ４）を有する第３の状態維持領域が設定され、
   前記開回路電圧が前記第３の基準電圧Ｖ３より小さくなることにより前記燃料送液手段を動作許可した後、前記開回路電圧が前記第３の状態維持領域に有れば、前記出力調整手段の出力を遮断し、かつ前記燃料送液手段を動作許可した状態を維持し、
   前記開回路電圧が前記第３の基準電圧Ｖ３より小さくなることにより前記燃料送液手段を動作許可した後、前記開回路電圧が前記第３の状態維持領域を超えて、前記第３の基準電圧Ｖ３より大きくなると、前記燃料送液手段を動作禁止にして前記第２の状態維持領域の動作に復帰させ、
   前記開回路電圧が前記第３の基準電圧Ｖ３より小さくなることにより前記燃料送液手段を動作許可した後、前記開回路電圧が前記第３の状態維持領域を超えて、前記第４の基準電圧Ｖ４より小さくなると、前記燃料電池本体の運転を停止す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１乃至３の状態維持領域での動作が継続すると前記燃料電池本体の運転を停止することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。

Images