JP5923355B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池装置に関する。

燃料電池は、リチウムイオンバッテリーに代表される二次電池のように充電を行わなくても良いので、充電の待ち時間が無く、ＡＣ電源等の外部電源も必要としない。しかも、燃料電池は、燃料を交換することで連続的に電気を取り出すことが可能なため、利便性が良く、新規電源として実用化が期待されている。

ところで、燃料電池の種類は、用いる電解質によって、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子型などに分類される。特に固体高分子型燃料電池は、小型電子機器類の電源としての応用が検討されている。
さらに、燃料電池は、その動作・運転方法の違いにより、パッシブ型とアクティブ型とに分けられる。

パッシブ型の燃料電池は、ポンプや電磁弁など電力の消費によって動作する補機と呼ばれる機材を用いずに、燃料の移送や燃料の生成制御などを行う。そのため、燃料電池装置の小型化や高効率な発電が期待できる（例えば、特許文献１）。

一方、アクティブ型の燃料電池は、ポンプやブロアなどの電源を必要とする補機を用い、燃料の輸送や燃料の生成制御などを行う。アクティブ型は、パッシブ型に比べて大量の燃料の供給制御が可能になるため、燃料電池から大電力を取り出すことが可能である（例えば、特許文献２）。

ここで、アクティブ型の燃料電池装置の起動時における、上記補機の駆動電源を確保するために、燃料電池装置には、二次電池などの電源が搭載されている（例えば、特許文献３）。

このような二次電池などの電源が搭載された燃料電池装置において、長期間使用されなかったり、低温環境に曝されたりなどの理由により、燃料電池に搭載された二次電池が過放電状態だったり、電圧や容量が低減し、二次電池から出力が得られず、燃料電池システムの起動、及び、燃料電池の発電が出来ない場合がある。

そこで、二次電池から出力が得られなくても、外部電源から燃料電池装置に電源を供給し、燃料電池を立ち上げることが出来る構成が考えられている（例えば、特許文献４）。

特開２０１１−１４６２２４号公報 特開２０１１−４０２１０号公報 特開２００４−７１２６０号公報 特開２００２−５０３７８号公報

しかしながら、上記のように外部電源から電力を供給するような構成では、外部電源が用意できない場合は、燃料電池装置を起動することが出来ない問題がある。この場合、外部電源に替えて二次電池により補機に電力供給を行うこととなるが、上述の通り、二次電池に不良や劣化、過放電状態などが起きると、燃料供給装置に電力を供給することができなくなるので、燃料電池に燃料を供給出来ないという問題が起こり得る。
そこで、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池装置において、起動時において電源が無くても確実に燃料電池装置を起動し、大電力を得ることが出来る燃料電池装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の第１の態様は、供給された燃料によって発電する燃料電池と、燃料電池に燃料を供給する燃料容器部と、充放電が可能な蓄電装置と、を備え、燃料容器部は、内部に収容された燃料をパッシブ方式で供給するパッシブ燃料供給装置と、蓄電装置より受電可能に構成され、内部に収容された燃料をアクティブ方式で供給するアクティブ燃料供給装置と、燃料電池と接続可能に構成され、パッシブ燃料供給装置及びアクティブ燃料供給装置と連接され、燃料電池と接続された状態で当該パッシブ燃料供給装置とアクティブ燃料供給装置の双方又は何れか一方より燃料電池に燃料を供給可能な接続部と、を有することを要旨とする。
本様態によれば、アクティブ燃料供給装置に電力の供給が無くても、燃料を供給可能なパッシブ燃料供給装置により確実に燃料供給を行うことができる。また、燃料電池装置に搭載された蓄電装置等から出力が得られない状態であっても、迅速、かつ確実に燃料電池装置を起動することが出来る。

本発明の第２の態様は、燃料電池の発電により生成される電力を直接出力するとともに、蓄電装置に蓄電された電力を出力可能な出力端子を備え、燃料容器部は、出力端子と接続され、当該出力端子より出力された電力をアクティブ燃料供給装置に給電する給電部を有することを要旨とする。
本様態によれば、アクティブ燃料供給装置から燃料電池へ燃料の供給が行われ、燃料電池から大出力が取り出せるようになる。

本発明の第３の態様は、接続部は、燃料電池と接続された時点で、パッシブ燃料供給装置より燃料電池に燃料を供給させる第１の状態と、アクティブ燃料供給装置より燃料電池に燃料を供給させる第２の状態と、を切り替えるための状態切り替え部を備えることを要旨とする。
本様態によれば、状態切り替え部を有することにより、燃料電池へ燃料を確実に供給することが出来る。

本発明の第４の態様は、アクティブ燃料供給装置は、給電部によって給電された後、パッシブ燃料供給装置の動作を制御することを要旨とする。
本様態によれば、電力の供給を受けたアクティブ燃料供給装置がパッシブ燃料供給装置の動作を制御することができる。

本発明の第５の態様は、アクティブ燃料供給装置は、給電部によって給電された後、接続部を介してパッシブ燃料供給装置による燃料電池への燃料の供給動作を停止させる制御を行うことを要旨とする。
本様態によれば、アクティブ燃料供給装置が燃料電池に燃料の供給を行っているときは、パッシブ燃料供給装置による燃料供給を停止することで、確実な燃料供給制御を行うことが出来る。

本発明の第６の態様は、接続部は、パッシブ燃料供給装置による燃料の供給動作を停止させた後、当該パッシブ燃料供給装置による燃料供給の停止状態を維持させることを要旨とする。
本様態によれば、アクティブ燃料供給装置による確実な燃料供給制御を維持することができる。

本発明の第７の態様は、接続部は、停止状態を維持させた状態で燃料電池との接続が遮断された場合、当該燃料電池と再接続されたとき、燃料電池と再接続される動作に連動してパッシブ燃料供給装置より燃料電池に燃料を供給させることを要旨とする。
本様態によれば、燃料容器が燃料電池から外された状態で、燃料が外部に漏れ出すことを防止することが出来る。

本発明の燃料電池装置は、燃料を燃料電池に供給する連動接続部と、燃料電池に燃料をパッシブで供給するパッシブ燃料供給装置と、燃料電池に燃料をアクティブで供給するアクティブ燃料供給装置と、燃料電池から電力の供給を受ける受電部と、を有することにより、起動時において電源が無くても確実に燃料電池装置を起動し、大電力を得ることが出来る燃料電池装置を提供することが出来る。

本発明の第１実施形態にかかる燃料電池装置を示す概略図である。 本発明の第１実施形態にかかる燃料電池装置の制御手順を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態にかかる燃料電池装置のパッシブ燃料供給状態を示す概略図である。 本発明の第１実施形態にかかる燃料電池装置のパッシブ・アクティブ燃料供給状態を示す概略図である。 本発明の第１実施形態にかかる燃料電池装置のアクティブ燃料供給状態を示す概略図である。 本発明の第２実施形態にかかる燃料電池装置を示す概略図である。 本発明の第２実施形態にかかる燃料電池装置のパッシブ燃料供給状態を示す概略図である。 本発明の第２実施形態にかかる燃料電池装置のアクティブ燃料供給状態を示す概略図である。 本発明の第３実施形態にかかる燃料電池装置を示す概略図である。 本発明の第３実施形態にかかる燃料電池装置の蓄電装置が使用不可な場合の制御手順を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態にかかる燃料電池装置の蓄電装置が使用可能な場合の制御手順を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態にかかる燃料電池装置のパッシブ燃料供給状態を示す概略図である。 本発明の第３実施形態にかかる燃料電池装置のパッシブ・アクティブ燃料供給状態を示す概略図である。 本発明の第３実施形態にかかる燃料電池装置のアクティブ燃料供給状態を示す概略図である。 本発明の第４実施形態にかかる燃料電池装置を示す概略図である。 本発明の第４実施形態にかかる燃料電池装置のパッシブ燃料供給状態を示す概略図である。 本発明の第４実施形態にかかる燃料電池装置のアクティブ燃料供給状態を示す概略図である。

次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
（第１実施形態）
（１）燃料電池装置の構成
以下に、図１に基づいて本発明の燃料電池装置の構成を説明する。図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池装置を示す概略図である。
図１に示すように、燃料電池装置１は、燃料電池本体２と、燃料容器部３とから構成される。

燃料電池本体２は、燃料の供給により発電する燃料電池２０と、燃料電池２０の出力電圧を所望の電圧に変換して出力する電圧変換装置２１と、燃料容器部３から燃料の供給を受ける本体側連動接続部２２と、電圧変換装置２１を介して燃料電池２０の発電電力を出力する出力端子２３及び２４から構成される。また、燃料電池２０と本体側連動接続部２２は電池燃料流路２６を介して接続される。また、燃料電池２０と電圧変換装置２１、電圧変換装置２１と出力端子２３、２４は、それぞれ電気的に接続されている。

燃料容器部３は、ポンプなどの電力駆動の補機類を用いず燃料の供給が可能なパッシブ方式で供給するパッシブ燃料供給装置３１と、ポンプなどの電力駆動の補機類を用いた燃料供給を行うアクティブ方式で供給するアクティブ燃料供給装置３２と、燃料電池２０へ燃料を供給する経路を形成する容器側連動接続部３３と、燃料電池本体２から電力の供給を受ける受電部（給電部）３４とから構成される。

パッシブ燃料供給装置３１は、燃料電池本体２と接続されていない状態では燃料供給機構が、電力を消費しない制御手段により停止させられており、燃料容器部３から燃料が出ないようになっている。燃料容器部３と燃料電池本体２との接続によって、パッシブ燃料供給装置３１の燃料供給を止めていた停止手段が解除され、容器側連動接続部３３が動作し、電源が無くても燃料電池２０へ燃料の供給が可能になる。例えば、制御手段としては、燃料の入った容器をバネを用いた加圧手段と、当該加圧手段を加圧できない状態にするストッパーとを用いて行うことができる。また、この詳細については、第２実施形態を用いて後述する。つまり、パッシブ燃料供給装置３１は、電力を消費しない制御手段によって容器内に収容された燃料を供給可能な、補機類を用いないパッシブ方式の燃料供給装置である。これにより、パッシブ燃料供給装置の動作の開始を燃料電池と燃料容器部の接続に連携することで、燃料電池２０へ燃料を確実に供給すると共に、確実に燃料電池を起動することが出来る。

アクティブ燃料供給装置３２は、図示しないポンプを有しており、電力の供給を受けてポンプを動作させ、容器側連動接続部３３を介して燃料電池２０に燃料を供給する。なお、ポンプなど燃料を燃料電池に供給する機構は、燃料電池本体２に搭載されていても良い。このように、アクティブ燃料供給装置３２は、ポンプやブロアなどの電源を必要とする補機を用いて制御を行う。つまり、アクティブ燃料供給装置３２は、電力を消費する制御手段によって容器内に収容された燃料を供給可能なアクティブ方式の燃料供給装置である。また、アクティブ燃料供給装置３２は、容器側連動接続部３３を、制御信号に基づいて制御する。

容器側連動接続部３３は、本体側連動接続部２２と接続されることによって、燃料容器部３と燃料電池本体２とを接続する。また、本実施形態においては、容器側連動接続部３３と本体側連動接続部２２とをあわせたものを接続部とする。パッシブ燃料供給装置３１と容器側連動接続部３３は、パッシブ燃料流路３６を介して接続される。また、アクティブ燃料供給装置３２と容器側連動接続部３３は、アクティブ燃料流路３７を介して接続される。そして、容器側連動接続部３３は、パッシブ燃料供給装置３１による燃料の供給が開始された後に、アクティブ燃料供給装置３２により、任意のタイミングでパッシブ燃料供給装置３１を停止するように構成されており、パッシブ燃料供給装置３１とアクティブ燃料供給装置３２のうち何れか一方或いは双方の燃料供給装置より、燃料電池２０に対して燃料を供給する。

また、容器側連動接続部３３は、本体側連動接続部２２へ燃料を供給するための流路の端部（接続端）が開閉自在に構成される。そして、容器側連動接続部３３は、本体側連動接続部２２と接続されていないとき、燃料容器部３から燃料が出ないように接続端が閉状態の所謂ノーマリークローズドである。

受電部３４は、出力端子２３と接続されてなり、電圧変換装置２１を介して燃料電池２０により発電された電力を受給することができる。また、受電部３４は、アクティブ燃料供給装置３２と電気的に接続されている。

なお、燃料電池装置１には、パッシブ燃料供給装置３１から燃料電池２０への燃料の流れを順方向として、パッシブ燃料供給装置３１に燃料が逆流することを防止するためにパッシブ燃料供給装置３１と容器側連動接続部３３の間に逆止弁などの燃料の逆流防止手段を設けることが望ましい。また、燃料電池装置１には、アクティブ燃料供給装置３２と容器側連動接続部３３の間にも逆流防止手段を設けることが望ましい。また、逆流防止手段は容器側連動接続部３３の流路内に形成しても良い。

また、燃料電池２０は、ＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ‐Ｍｅｔｈａｎｏｌ‐Ｆｕｅｌ‐Ｃｅｌｌ）を用いることができる。他に、たとえば、水素−酸素を燃料とするＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ‐Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ‐Ｆｕｅｌ‐Ｃｅｌｌ、固体高分子形燃料電池）やＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ‐Ｏｘｉｄｅ‐Ｆｕｅｌ‐Ｃｅｌｌ、固体酸化物形燃料電池）、ＭＣＦＣ（Ｍｏｌｔｅｎ‐Ｃａｒｂｏｎａｔｅ‐Ｆｕｅｌ‐Ｃｅｌｌ、溶融炭酸塩形燃料電池）、ＰＡＦＣ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ‐Ａｃｉｄ‐Ｆｕｅｌ‐Ｃｅｌｌ、リン酸形燃料電池）等を用いることができる。また、燃料は、燃料電池２０に適用可能な燃料であれば良く、例えば、ＰＥＦＣの場合、燃料としてメタノールや水素などを用いればよい。

また、電圧変換装置２１は、電圧変換装置２１に入力される電力を所望の出力電圧に変換し、安定化して出力する装置であり、リニア方式やスイッチング方式などのＤＣ−ＤＣコンバータ等を用いることができる。

（２）燃料電池装置の動作
次いで、図２から図５に基づいて、本発明の燃料電池装置の動作について説明する。図２は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池装置の制御手順を示すフローチャートである。図３は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池装置のパッシブ燃料供給状態を示す概略図である。図４は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池装置のパッシブ・アクティブ燃料供給状態を示す概略図である。図５は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池装置のパッシブ・アクティブ燃料供給状態を示す概略図である。

燃料電池装置１の初期状態においては、図１に示した通り、燃料電池本体２と燃料装置３が接続されていない状態である。
はじめに、本燃料電池装置１の使用者が燃料容器部３と燃料電池本体２とを接続する（Ｓ１）。

そして、燃料容器部３と燃料電池本体２とが接続されると、当該接続動作に連動して容器側連動接続部３３が動作し、パッシブ燃料供給装置３１の燃料供給動作を制止していた図示しないストッパーが外れる。その結果、パッシブ燃料供給装置３１は、燃料電池２への燃料の供給を開始する。このように、パッシブ燃料供給装置は容器側連動接続部３３の動作により起動する（Ｓ２）。

続いて、パッシブ燃料供給装置３１からパッシブ燃料流路３６及び容器側連動接続部３３を介して燃料電池本体２へ燃料が供給される。そして、燃料は本体側連動接続部２２及び電池燃料流路２６を介して、燃料電池２０へ供給される。このときの燃料電池装置１の状態を図３に示す。図３においては、本体側連動接続部２２と容器側連動接続部３３により燃料電池本体２と燃料容器部３が接続される。また、この際、パッシブ燃料供給装置３１の図示しないストッパーが外れているため、燃料供給が可能となる。また、図中の波線矢印は燃料の流れを示している。このように、パッシブ燃料供給装置３１は燃料電池２へ燃料供給を開始する（Ｓ３）。

次いで、パッシブ燃料供給装置３１から燃料の供給を受けることによって燃料電池２０が発電を開始する（Ｓ４）。
次いで、燃料電池２０が発電を開始すると、燃料電池２０の発電による電力の一部もしくは全てが、電圧変換装置２１と出力端子２３及び受電部３４を介して燃料容器部３のアクティブ燃料供給装置３２に供給される（Ｓ５）。

次いで、アクティブ燃料供給装置３２に電力が供給されると、アクティブ燃料供給装置３２のポンプやブロアなどの電源を必要とする補機が起動し、燃料電池２０への燃料供給を開始する（Ｓ６）。これにより、アクティブ燃料供給装置３２から燃料電池２０へ燃料の供給が行われるので、燃料電池２０から大出力が取り出せるようになる。また、このときの燃料電池装置１の状態を図４に示す。図４に示す通り、パッシブ燃料供給装置３１とアクティブ燃料供給装置３２の双方が燃料電池２に燃料を供給している状態である。

次いで、アクティブ燃料供給装置３２が燃料供給を開始すると、アクティブ燃料供給装置３２は、パッシブ燃料供給装置３１の燃料供給を停止させる（Ｓ７）。このように、アクティブ燃料供給装置３２がパッシブ燃料供給装置３１の動作を制御することにより、電力の供給を受けたアクティブ燃料供給装置３２がパッシブ燃料供給装置３１の動作を制御することができる。また、アクティブ燃料供給装置３２が、パッシブ燃料供給装置３１による燃料供給を停止することで、確実な燃料供給制御を行うことが出来る。このときの燃料電池装置１の状態を図５に示す。図５に示す通り、アクティブ燃料供給装置３２がパッシブ燃料供給装置３１の燃料供給が停止するように図示しない停止手段により制御を行い、燃料電池２０への燃料供給はアクティブ燃料供給装置３２のみが行っている状態である。この停止手段の具体的な例については、第２実施形態で述べる。なお、アクティブ燃料供給装置３２が燃料電池本体２へ燃料供給する工程Ｓ６とアクティブ燃料供給装置３２がパッシブ燃料供給装置３１の燃料供給を停止させる工程Ｓ７は、時間をおいて順次行っても良く、同時に行っても良い。

次いで、パッシブ燃料供給装置３１は、アクティブ燃料供給装置３２からの動力を用いることなく燃料供給の停止状態を維持する（Ｓ８）。第２実施例にて後述するが、パッシブ燃料供給装置３１が燃料供給の停止状態を維持するために、接続部の容器側連動接続部３３が作動する。このように、接続部は、パッシブ燃料供給装置の燃料供給を停止した後、パッシブ燃料供給装置の燃料供給停止状態を維持する。これにより、アクティブ燃料供給装置による確実な燃料供給制御を維持することができる。

また、接続部の容器側連動接続部３３は、燃料電池本体２０と燃料容器部３とが再接続されるまで停止状態が維持される。再接続されたときは、接続部の接続時の動作に連動してパッシブ燃料供給装置３１が動作する。これにより、燃料容器部３が燃料電池本体２から外された状態で、燃料が外部に漏れ出すことを防止することが出来る。

そして、アクティブ燃料供給装置３２が使用者により停止され、燃料電池装置１の起動処理が終了する。
このようにして、起動時の燃料供給の手順を踏むことで、アクティブ燃料供給装置３２に電源が供給されていない状態でも、燃料電池装置１の起動を行うことが出来る。

（第２実施形態）
図６から図８に基づき、本発明の第２実施形態における燃料電池装置を説明する。図６は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池装置を示す概略図である。また、図６は燃料電池本体２と燃料容器部３が接続されていない状態である。図７は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池装置のパッシブ燃料供給状態を示す概略図である。図８は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池装置のアクティブ燃料供給状態を示す概略図である。

本実施形態の燃料電池装置１０は、燃料電池本体２と燃料容器部３とからなる。燃料電池本体２においては、第１実施例と同様であるため、説明を省略する。燃料容器部３は、パッシブ燃料供給装置３１ａと、容器側連動接続部３３と、アクティブ燃料供給装置３２と、受電部３４からなる。更にパッシブ燃料供給装置３１ａは、容器３１０aと加圧装置３１１aからなる。また、容器側連動接続部３３は、停止手段としてストッパー３１２aを有する。その他の部分については、第１実施例と同様であるため、説明を省略する。

図６に示すように、パッシブ燃料供給装置３１ａは、容器３１０aと加圧装置３１１ａからなり、メタノールを封入した可塑性の容器３１０aを加圧装置３１１ａによって加圧できる状態とした。加圧装置３１１ａは、燃料を燃料電池２０へ供給可能な構成で有れば良く、本実施形態では、容器３１０aを加圧し、容器３１０aに充填されたメタノールを押し出すことで、燃料を燃料電池２０へ供給する構成とした。

また、燃料容器部３が燃料電池本体２と接続されていないときは、容器側連動接続部３３のストッパー３１２ａによって、加圧装置３１１ａが容器３１０aを加圧できない状態となっている。そのため、燃料容器部３から燃料のメタノールが燃料容器部３の外に浸出することはない。

図７に示す通り、燃料容器部３と燃料電池本体２が接続されると、容器側連動接続部３３の接続動作に連動してストッパー３１２ａが外れるようになる。これにより、加圧装置３１１ａが容器３１０aを加圧することが出来、燃料であるメタノールがパッシブ燃料供給装置３１ａから押し出され、容器側連動接続部３３を介して燃料電池２０へ供給される。

また、燃料容器部３と燃料電池本体２が接続されると、容器側連動接続部３３と本体側連動接続部２２が一体化する。また、受電部３４と出力端子２３も一体化し、電気的に接続される。
次いで、燃料電池２０に燃料が供給され燃料電池２０が発電を開始すると、燃料電池２０からアクティブ燃料供給装置３２に、出力端子３２と受電部３２を介して電力が供給される。

次いで、図８に示すように、アクティブ燃料供給装置３２が燃料電池２０に燃料の供給を開始すると、アクティブ燃料供給装置３２は、パッシブ燃料供給装置３１ａの燃料供給を停止させるため、容器側連動接続部３３に指示を出す。指示を受けた容器側連動接続部３３は、加圧装置３１１ａにストッパーをかけるよう作動する。このように、容器３１０aが加圧されない状態となることで、パッシブ燃料供給装置３１ａの燃料供給が停止される。なお、ポンプの耐背圧能力が高ければ、パッシブ燃料供給装置３１ａの燃料供給を停止させなくても良いが、燃料容器部３と燃料電池本体２との接続が解除される際には、接続の解除の動作に連動して、パッシブ燃料供給装置３１ａの燃料供給を停止させればよい。

（第３実施形態）
（１）燃料電池装置の構成
本発明の第３実施形態に係る燃料電池装置１００においては、蓄電装置２５を備える。以下に、図９に基づいて本発明の燃料電池装置１００の構成を説明する。図９は、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池装置１００を示す概略図である。
図９に示すように、燃料電池装置１００は、燃料電池本体２と、蓄電装置２５と、燃料容器部３とから構成される。

燃料電池本体２は、燃料の供給により発電する燃料電池２０と、燃料電池２０の出力電圧を所望の電圧に変換して出力する電圧変換装置２１と、燃料容器部３から燃料の供給を受ける本体側連動接続部２２と、電圧変換装置２１を介して燃料電池２０の発電電力を出力する出力端子２３及び２４から構成される。また、燃料電池２０と本体側連動接続部２２は流路を介して接続される。また、燃料電池２０と電圧変換装置２１、電圧変換装置２１と出力端子２３、２４は、それぞれ電気的に接続されている。更に、電圧変換装置２１は蓄電装置２５と接続されている。

蓄電装置２５は、鉛蓄電池やニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池等に代表される繰り返し充放電が可能な二次電池や、コンデンサやキャパシタや電気二重層コンデンサ等の電圧の印加によって電荷・静電エネルギーを蓄え電気容量を得る蓄電器を用いることが可能である。負荷の動作電圧や最低動作電圧や負荷特性等によって、適切な二次電池あるいは蓄電器の種類を選択し、必要に応じて二次電池あるいは蓄電器を直列接続し負荷へ供給する電圧を調整することが可能である。また、他の部分については第１実施例と同様であるため、説明を省略する。

また、蓄電装置２５は、上記の通り電圧変換装置２１と接続されているため、燃料電池２０にて発電された電力により充電可能である。しかも、蓄電装置２５は、電圧変換装置２１（出力端子２３及び受電部３４）を介して蓄電された電力をアクティブ燃料供給装置３２（補機）に供給出来る。

この構成により、アクティブ燃料供給装置３２に電力の供給が無くても、燃料を供給可能なパッシブ燃料供給装置３１により確実に燃料供給を行うことができる。また、燃料電池装置１００に搭載された蓄電装置２５から出力が得られない状態であっても、迅速、かつ確実に燃料電池装置１００を起動することが出来る。

（２）燃料電池装置の動作
次いで、図１０から図１４に基づいて、本発明の燃料電池装置の動作について説明する。図１０は、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池装置の蓄電装置が使用不可な場合の制御手順を示すフローチャートである。図１１は、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池装置の蓄電装置が使用可能な場合の制御手順を示すフローチャートである。図１２は、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池装置のパッシブ燃料供給状態を示す概略図である。図１３は、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池装置のパッシブ・アクティブ燃料供給状態を示す概略図である。図１４は、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池装置のパッシブ・アクティブ燃料供給状態を示す概略図である。

（Ａ）蓄電装置が充電されていない場合の燃料電池装置の動作
燃料電池装置１００の初期状態においては、図９に示した通り、燃料電池本体２と燃料装置３が接続されていない状態である。
図１０を用いて、蓄電装置が充電されておらず、使用不可な場合の燃料電池装置１００の制御手順を説明する。
はじめに、本燃料電池装置１の使用者が燃料容器部３と燃料電池本体２とを接続する（Ｓ１１）。

そして、燃料容器部３と燃料電池本体２とが接続されると、当該接続動作に連動して容器側連動接続部３３が動作し、パッシブ燃料供給装置３１の燃料供給動作を制止していた図示しないストッパーが外れる。その結果、パッシブ燃料供給装置３１は、燃料電池２への燃料の供給を開始する。このように、パッシブ燃料供給装置は容器側連動接続部３３の動作により起動する（Ｓ１２）。

続いて、パッシブ燃料供給装置３１からパッシブ燃料流路３６及び容器側連動接続部３３を介して燃料電池本体２へ燃料が供給される。そして、燃料は本体側連動接続部２２及び電池燃料流路２６を介して、燃料電池２０へ供給される。このときの燃料電池装置１００の状態を図１２に示す。図１２においては、本体側連動接続部２２と容器側連動接続部３３により燃料電池本体２と燃料容器部３が接続される。また、この際、パッシブ燃料供給装置３１の図示しないストッパーが外れているため、燃料供給が可能となる。また、図中の波線矢印は燃料の流れを示している。このように、パッシブ燃料供給装置３１は燃料電池２へ燃料供給を開始する（Ｓ１３）。

次いで、パッシブ燃料供給装置３１から燃料の供給を受けることによって燃料電池２０が発電を開始する（Ｓ１４）。
次いで、燃料電池２０が発電を開始すると、燃料電池２０の発電による電力の一部もしくは全てが、電圧変換装置２１と出力端子２３及び受電部３４を介して燃料容器部３のアクティブ燃料供給装置３２に電力が供給される（Ｓ１５）。

次いで、アクティブ燃料供給装置３２に電力が供給されると、アクティブ燃料供給装置３２のポンプやブロアなどの電源を必要とする補機が起動し、燃料電池２０への燃料供給を開始する（Ｓ１６）。これにより、アクティブ燃料供給装置３２から燃料電池２０へ燃料の供給が行われるので、燃料電池２０から大出力が取り出せるようになる。また、このときの燃料電池装置１００の状態を図１４に示す。図１４に示す通り、パッシブ燃料供給装置３１とアクティブ燃料供給装置３２の双方が燃料電池２に燃料を供給している状態である。

次いで、アクティブ燃料供給装置３２が燃料供給を開始すると、燃料電池２０から電圧変換装置２１を介して蓄電装置２５へ電力が供給され、蓄電装置２５が充電を開始する（Ｓ１７）。なお、蓄電装置２５は所定の電力量が蓄電されると、充電を終了する構造となっている。蓄電装置２５を充電することにより、次回燃料電池装置１００を起動させる際、蓄電装置２５からアクティブ燃料供給装置３２に電力を供給することができる。よって、より迅速に燃料電池装置１００を起動させることができる。

次いで、アクティブ燃料供給装置３２が燃料供給を開始すると、アクティブ燃料供給装置３２は、パッシブ燃料供給装置３１の燃料供給を停止させる（Ｓ１８）。このときの燃料電池装置１００の状態を図１４に示す。図１４に示す通り、アクティブ燃料供給装置３２がパッシブ燃料供給装置３１の燃料供給が停止するように図示しないストッパーをかけ、燃料電池２０への燃料供給はアクティブ燃料供給装置３２のみが行っている状態である。なお、アクティブ燃料供給装置３２が燃料電池本体２へ燃料供給する工程（Ｓ１６）と、蓄電装置２５が充電を開始する工程（Ｓ１７）、アクティブ燃料供給装置３２がパッシブ燃料供給装置３１の燃料供給を停止させる工程（Ｓ１８）は、時間をおいて順次行っても良く、同時に行っても良い。

次いで、パッシブ燃料供給装置３１は、アクティブ燃料供給装置３２からの動力を用いることなく燃料供給の停止状態を維持する（Ｓ１９）。
その後、アクティブ燃料供給装置３２が使用者により停止され、燃料電池装置１００の起動処理が終了する。
このようにして、起動時の燃料供給の手順を踏むことで、アクティブ燃料供給装置３２に電源が供給されていない状態でも、燃料電池装置１００の起動を行うことが出来る。

（Ｂ）蓄電装置が充電された状態での燃料電池装置の動作
次いで、ステップＳ１７にて充電された状態にある使用可能な蓄電装置２５を用いて、再度燃料電池装置１００を起動させる場合の、燃料電池装置１００の動作について、図１１を用いて説明する。なお、図１１に示すステップＳ１３〜Ｓ１９までの処理は、図１０に示すステップＳ１３〜Ｓ１９までの処理と同様であるので、同一の符号を付してその説明を省略する。
はじめに、本燃料電池装置１の使用者が燃料容器部３と燃料電池本体２とを接続する（Ｓ１１）。

そして、燃料容器部３と燃料電池本体２とが接続されると、当該接続動作に連動して容器側連動接続部３３が動作し、パッシブ燃料供給装置３１の燃料供給動作を制止していた図示しないストッパーが外れる。その結果、パッシブ燃料供給装置３１は、燃料電池２への燃料の供給を開始する。このように、パッシブ燃料供給装置は容器側連動接続部３３の動作により起動する（Ｓ１２）。
ここでパッシブ燃料供給装置３１が正常に作動した場合、それ以降のステップは図１０に示すステップＳ１３〜Ｓ１９までの処理と同様に行う。

パッシブ燃料供給装置３１が正常に作動しなかった場合においては、使用者において図示しない状態切り替え部にて切り替えを行い、パッシブ燃料供給装置３１からアクティブ燃料供給装置３２で燃料を供給する。状態切り替え部は、燃料電池と接続された時点で、パッシブ燃料供給装置より燃料電池に燃料を供給させる第１の状態と、アクティブ燃料供給装置より燃料電池に燃料を供給させる第２の状態と、を切り替える。また、状態切り替え部は接続部に有していても良い。

以下にパッシブ燃料供給装置３１が正常に作動しなかった場合の手順を示す。
まず、充電された状態にある使用可能な蓄電装置２５からアクティブ燃料供給装置３２へ電力が供給される（Ｓ２０）。
これにより、アクティブ燃料供給装置３２から燃料電池２０へ燃料が供給され、燃料電池２０が発電を行う（Ｓ２１）。

次いで、燃料電池本体２からアクティブ燃料供給装置３２に電力が供給される（Ｓ２２）。
次いで、電力が供給されたアクティブ燃料供給装置３２のポンプやブロアなどの補機が起動し、燃料電池２０へ燃料を供給する（Ｓ２３）。

次いで、蓄電装置２５は燃料電池２０が発電した電力を用いて充電を行う（Ｓ２４）。なお、蓄電装置２５は所定の電力量が蓄電されると、充電を終了する構造となっている。また、アクティブ燃料供給装置３２を起動させる際に消費した分の電力を充電するようにしても良い。
その後、アクティブ燃料供給装置３２が使用者により停止され、燃料電池装置１００の起動処理が終了する。

以上により、本実施形態に係る燃料電池装置１００によると、アクティブ燃料供給装置３２に電力が供給されていない状態でも、パッシブ燃料供給装置３１を用いることで燃料電池装置１００の起動を行うことが出来る。また、一旦燃料電池２０が発電すると、蓄電装置２５は、燃料電池２の発電時の電力を用いて充電できる。そのため、蓄電装置２５が充電された状態で燃料電池装置１００を起動させる場合、例えば、パッシブ燃料供給装置３１内の燃料が枯渇した、或いはパッシブ燃料供給装置３１による燃料供給機構が作動しなくなった、等の事態が生じても、当該蓄電装置２５の電力を用いてアクティブ燃料供給装置３２による燃料電池２０への燃料供給を行うことができる。換言すると、本実施形態に係る燃料電池装置１００は、パッシブ燃料供給装置３１とアクティブ燃料供給装置３２とを燃料電池装置１００の起動時における相互補完の関係にならしめることができるので、一層確実な燃料電池装置の起動処理を実現することができる。

（第４実施形態）
図１５から図１７に基づき、本発明の第４実施形態における燃料電池装置を説明する。図１５は、本発明の第４実施形態にかかる燃料電池装置を示す概略図である。また、図１５は燃料電池本体２と燃料容器部３が接続されていない状態である。図１６は、本発明の第４実施形態にかかる燃料電池装置のパッシブ燃料供給状態を示す概略図である。図１７は、本発明の第４実施形態にかかる燃料電池装置のアクティブ燃料供給状態を示す概略図である。

本実施形態の燃料電池装置２００は、燃料電池本体２と燃料容器部３と蓄電装置２５からなる。燃料容器部３においては、第２実施例と同様であるため、説明を省略する。燃料電池本体２は、電圧変換装置２１と接続された蓄電装置２５を有する。燃料電池本体２の他の部分に関しては、第１実施例と同様であるため、説明を省略する。
本実施形態において、燃料電池装置２００は、燃料電池２０として、メタノール−酸素を燃料とするＤＭＦＣを用い、燃料容器部３には、燃料としてメタノールを封入した。

図１５に示すように、パッシブ燃料供給装置３１ａは、容器３１０aと加圧装置３１１ａからなり、メタノールを封入した可塑性の容器３１０aを加圧装置３１１ａによって加圧できる状態とした。加圧装置３１１ａは、燃料を燃料電池２０へ供給可能な構成で有れば良く、本実施形態では、容器３１０aを加圧し、容器３１０aに充填されたメタノールを押し出すことで、燃料を燃料電池２０へ供給する構成とした。

また、燃料容器部３が燃料電池本体２と接続されていないときは、容器側連動接続部３３のストッパー３１２ａによって、加圧装置３１１ａが容器３１０aを加圧できない状態となっている。そのため、燃料容器部３から燃料のメタノールが燃料容器部３の外に浸出することはない。

図１６に示す通り、燃料容器部３と燃料電池本体２が接続されると、容器側連動接続部３３の接続動作に連動してストッパー３１２ａが外れるようになる。これにより、加圧装置３１１ａが容器３１０aを加圧することが出来、燃料であるメタノールがパッシブ燃料供給装置３１ａから押し出され、容器側連動接続部３３を介して燃料電池２０へ供給される。

次いで、燃料電池２０に燃料が供給され燃料電池２０が発電を開始すると、燃料電池２０からアクティブ燃料供給装置３２に、出力端子３２と受電部３２を介して電力が供給される。

アクティブ燃料供給装置３２は、図示しないポンプを有しており、電力の供給を受けてポンプを動作させ、容器側連動接続部３３を介して燃料電池２０に燃料を供給する。なお、ポンプなど燃料を燃料電池に供給する機構は、燃料電池本体２に搭載されていても良い。

また、アクティブ燃料供給装置３２によって燃料電池２０への燃料の供給が開始された後に、蓄電装置２５は燃料電池２０から電圧変換装置２１を介して電力が供給される。これにより、蓄電装置２５が充電を開始する。なお、蓄電装置２５は所定の電力量が蓄電されると、充電を終了する構造となっている。

次いで、図１７に示すように、アクティブ燃料供給装置３２が燃料電池２０に燃料の供給を開始すると、アクティブ燃料供給装置３２は、パッシブ燃料供給装置３１ａの燃料供給を停止させるため、容器側連動接続部３３に指示を出す。指示を受けた容器側連動接続部３３は、加圧装置３１１ａにストッパーをかけるよう作動する。このように、容器３１０aが加圧されない状態として、パッシブ燃料供給装置３１ａの燃料供給を停止する。なお、ポンプの耐背圧能力が高ければ、パッシブ燃料供給装置３１ａの燃料供給を停止させなくても良いが、燃料容器部３と燃料電池本体２との接続が解除される際には、接続の解除の動作に連動して、パッシブ燃料供給装置３１ａの燃料供給を停止させればよい。

また、蓄電装置２５を充電することにより、次回燃料電池装置２００を起動させる際、蓄電装置２５からアクティブ燃料供給装置３２に電力を供給することができる。電力は、蓄電装置２５から電圧変換装置２１、出力端子２３、受電部３４を介してアクティブ燃料供給装置３２に供給される。よって、より迅速に燃料電池装置２００を起動させることができる。

本発明は、燃料電池及び燃料電池装置の産業分野で利用することができる。

１、１０、１００、２００ 燃料電池装置
２ 燃料電池本体
２０ 燃料電池
２１ 電圧変換装置
２２ 本体側連動接続部
２３、２４ 出力端子
２５ 蓄電装置
２６ 電池燃料流路
３ 燃料容器部
３１、３１ａ パッシブ燃料供給装置
３２ アクティブ燃料供給装置
３３ 容器側連動接続部
３４ 受電部
３６ パッシブ燃料流路
３７ アクティブ燃料流路
３１０a 容器
３１１a 加圧装置
３１２a ストッパー

Claims (2)

1. 供給された燃料によって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料を供給する燃料容器部と、
   充放電が可能な蓄電装置と、
   前記燃料電池の発電により生成される電力を直接出力するとともに、前記蓄電装置に蓄電された電力を出力可能な出力端子と、
   を備え、
   前記燃料容器部は、
   内部に収容された燃料をパッシブ方式で供給するパッシブ燃料供給装置と、
   前記燃料電池、或いは前記蓄電装置より受電可能に構成され、内部に収容された燃料をアクティブ方式で供給するアクティブ燃料供給装置と、
   前記燃料電池と接続可能に構成され、前記パッシブ燃料供給装置及び前記アクティブ燃料供給装置と連接され、前記燃料電池と接続された状態で当該パッシブ燃料供給装置とアクティブ燃料供給装置の双方又は何れか一方より前記燃料電池に燃料を供給可能な接続部と、
   前記出力端子と接続され、当該出力端子より出力された電力を前記アクティブ燃料供給装置に給電する給電部と、
   を有し、
   前記アクティブ燃料供給装置は、前記給電部によって給電された後、前記接続部を介して前記パッシブ燃料供給装置による前記燃料電池への燃料の供給動作を停止させる制御を行い、
   前記接続部は、前記パッシブ燃料供給装置による燃料の供給動作を停止させた後、当該パッシブ燃料供給装置による燃料供給の停止状態を維持させ、さらに、前記停止状態を維持させた状態で前記燃料電池との接続が遮断された場合、当該燃料電池と再接続されたとき、前記燃料電池と再接続される動作に連動して前記パッシブ燃料供給装置より前記燃料電池に燃料を供給させることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記接続部は、前記燃料電池と接続された時点で、前記パッシブ燃料供給装置より前記燃料電池に燃料を供給させる第１の状態と、前記アクティブ燃料供給装置より前記燃料電池に燃料を供給させる第２の状態と、を切り替えるための状態切り替え部を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。

Images