JPWO2006077970A1 - 燃料電池システムおよびその起動方法 - Google Patents

Abstract

システムの起動時に二次電池１０８の蓄電エネルギーに適した起動モードを設定でき起動に不具合が生じない、燃料電池システム１０およびその起動方法を提供する。燃料電池システム１０は、燃料電池１２、燃料電池１２に電気的に接続される二次電池１０８、二次電池１０８の蓄電量を検出する二次電池蓄電量検出部１１２、および燃料電池システム１０の起動モードを決定するための少なくとも１つの閾値を記憶する記憶手段を含む。二次電池１０８の蓄電量に対応する蓄電エネルギーを算出し、二次電池１０８の蓄電エネルギーと記憶手段に記憶された閾値とに基づいて燃料電池システム１０の起動モードを決定する。

Description

この発明は燃料電池システムおよびその駆動方法に関し、より特定的には、燃料電池に電気的に接続される二次電池を含む燃料電池システムおよびその起動方法に関する。

燃料電池は、常温から十分に発電可能な温度に達するまで時間がかかり、低温時には発電出力が低い。そのため、燃料電池システムの起動時には、補機類等を駆動するエネルギーを燃料電池以外の手段から得ており、燃料電池システムは燃料電池以外にエネルギーを供給する手段がないと起動することができない。また、燃料電池システムがエネルギーを供給するたとえば二次電池を有するとしても、燃料電池が十分に発電可能な温度に達するまでの間、二次電池からエネルギーを十分に供給できなければ燃料電池システムの起動に不具合が生じる。

二次電池を有する燃料電池システムがたとえば特許文献１において開示されている。
特許文献１では、システムの起動時に二次電池が負荷に対して電力を供給し、その間、燃料電池の暖機状態が検出され、充分に暖機されたと判断されると、燃料電池と負荷とが接続され、燃料電池から負荷に対して電力が供給される技術が開示されている。
特開平９−２３１９９１号公報

しかし、特許文献１の燃料電池システムでは、二次電池の蓄電エネルギーをみておらず、二次電池に十分に蓄電されていなければ燃料電池システムの起動に不具合が生じる場合がある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、システムの起動時に二次電池の蓄電エネルギーに適した起動モードを設定でき起動に不具合が生じない、燃料電池システムおよびその起動方法を提供することである。

この発明のある見地によれば、負荷に接続される燃料電池システムであって、燃料電池、燃料電池に電気的に接続される二次電池、二次電池の蓄電エネルギーに関するデータを求める手段、および求められた二次電池の蓄電エネルギーに関するデータに基づいて、当該燃料電池システムの起動モードを消費エネルギーが異なる複数のモードのうちのいずれかに決定する第１決定手段を備える、燃料電池システムが提供される。

この発明の他の見地によれば、燃料電池と、燃料電池に電気的に接続される二次電池とを備え、負荷に接続される燃料電池システムの起動方法であって、二次電池の蓄電エネルギーに関するデータを求め、求められた二次電池の蓄電エネルギーに関するデータに基づいて、当該燃料電池システムの起動モードを消費エネルギーが異なる複数のモードのうちのいずれかに決定し、決定されたモードに従って当該燃料電池システムを動作させる、燃料電池システムの起動方法が提供される。

この発明では、二次電池の蓄電エネルギーに関するデータに基づいて、燃料電池システムの起動モードを決定し、決定された起動モードに従って燃料電池システムを動作させる。これによって、二次電池の蓄電エネルギーに応じた起動モードを選択でき、燃料電池システムの起動に不具合は生じない。

好ましくは、二次電池の蓄電エネルギーに関するデータと当該燃料電池システムの起動モードを決定するための少なくとも１つの閾値とに基づいて当該燃料電池システムの起動モードを決定する。この場合、最適な燃料電池システムの起動モードを決定できる。

また好ましくは、閾値は当該燃料電池システムを起動するのに必要なエネルギーに対応する第１閾値を含み、二次電池の蓄電エネルギーに関するデータと第１閾値とに基づいて当該燃料電池システムを起動するか否かを決定する。たとえば、蓄電エネルギーに関するデータが蓄電エネルギーそのものであり、第１閾値が燃料電池システムを起動するのに必要なエネルギーそのものである場合、二次電池の蓄電エネルギーが第１閾値以上であれば燃料電池システムを起動し、一方、二次電池の蓄電エネルギーが第１閾値未満であれば燃料電池システムを起動できないと判断し、燃料電池システムの起動を停止する。これによって、不要なエネルギー消費を避けることができる。

さらに好ましくは、閾値は当該燃料電池システムを通常モードで起動するのに必要な通常エネルギーに対応する第２閾値を含み、二次電池の蓄電エネルギーに関するデータと第２閾値とに基づいて当該燃料電池システムを通常モードで起動するか低消費モードで起動するかを決定する。たとえば、蓄電エネルギーに関するデータが蓄電エネルギーそのものであり、第２閾値が燃料電池システムを通常モードで起動するのに必要な通常エネルギーそのものである場合、二次電池の蓄電エネルギーが第２閾値以上であれば燃料電池システムを通常モードで起動し、一方、二次電池の蓄電エネルギーが第２閾値未満であれば燃料電池システムを低消費モードで起動する。このようにして二次電池の蓄電エネルギーに応じたモードで燃料電池システムを起動する。

好ましくは、当該燃料電池システムを通常モードで起動するのに必要な通常エネルギーと負荷を通常駆動するのに必要な負荷エネルギーとの和に対応する第３閾値をさらに用い、二次電池の蓄電エネルギーに関するデータと第３閾値とに基づいて負荷を通常駆動するか否かを決定し、決定結果に従って負荷を通常駆動するかまたは通常駆動以外のモードで駆動する。たとえば、蓄電エネルギーに関するデータが蓄電エネルギーそのものであり、第３閾値が通常エネルギーと負荷エネルギーとの和そのものである場合、二次電池の蓄電エネルギーが第３閾値以上であれば負荷を通常駆動し、一方、二次電池の蓄電エネルギーが第３閾値未満であれば負荷を通常駆動以外のモード、すなわち、負荷が消費するエネルギーを制限し負荷を制限的に駆動するモード、で駆動する。このように二次電池の蓄電エネルギーに応じて可能な範囲で負荷を駆動する。

また好ましくは、当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、通常モードで起動する場合より燃料電池と二次電池との接続を解除するか否かを判断するための規定電圧を低く設定し、燃料電池の出力電圧と規定電圧とに基づいて燃料電池と二次電池との接続を解除するか否かを判断する。低消費モードで起動する場合には通常モードで起動する場合より規定電圧を低く設定することによって、通常モードであれば燃料電池と二次電池との接続が解除されるような値（通常モードの規定電圧より小さい値）に燃料電池の出力電圧が達したとしても、低消費モードでは、燃料電池と二次電池との接続は解除されず（接続を維持した状態にし）、二次電池への充電を継続させることによって、二次電池の放電ひいては蓄電エネルギーの減少を抑制できる。特に、燃料電池の出力電圧が小さくなりやすい燃料電池温度が低い状態で燃料電池システムを起動する場合に効果的である。

さらに好ましくは、燃料電池に供給する燃料水溶液を収容する水溶液タンクを用い、当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、水溶液タンク内の水溶液量を制御しない。この場合、たとえばポンプを駆動する必要はなく消費電力を抑制できる。

好ましくは、当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、通常モードで起動する場合より高濃度の燃料水溶液を燃料電池に供給して発電を開始する。この場合、クロスオーバーが増大し効率は低下するが、燃料電池の温度上昇が早くなり目標温度までの所要時間を短縮できる。

また好ましくは、当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、水溶液タンク内の水溶液量を減じる制御を行わない。この場合、たとえばポンプを駆動する必要はなく消費電力を抑制できる。

さらに好ましくは、燃料電池へ酸素を含む空気を供給するエアポンプを用い、当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、通常モードで起動する場合よりエアポンプの出力を小さくして発電を開始する。この場合、エアポンプの消費電力を低減できる。

好ましくは、燃料電池へ酸素を含む空気を供給するエアポンプ、および燃料電池へ燃料水溶液を供給する水溶液ポンプを用い、当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、空気および燃料水溶液の流量を下げ、エアポンプと水溶液ポンプとを交互に駆動する。このようにエアポンプと水溶液ポンプとを同時に駆動しないことでエアポンプおよび水溶液ポンプの消費電力を低減でき、二次電池の蓄電エネルギーの減少を抑制できる。

また好ましくは、当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、燃料電池の出力電圧が二次電池の電圧以上になったとき当該燃料電池システムを負荷に接続する。この場合、燃料電池の出力電圧が二次電池の電圧以上になればたとえ燃料電池が所定温度（通常モード時において、無負荷運転を解除するための閾値となる温度）に達していなくても、燃料電池の無負荷運転を解除できる。これによって、無負荷運転の時間を短くでき目標温度までの昇温時間を短縮できる。

さらに好ましくは、当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、通常モードで起動する場合より同じ燃料電池温度における燃料電池の出力電圧を小さくする。これによって燃料電池からの出力電流を大きくでき、二次電池を早く充電できる。

好ましくは、負荷を通常駆動以外のモードで駆動しているとき、二次電池の蓄電エネルギーが第３閾値に対応するエネルギー以上になれば、負荷の駆動を通常駆動に切り替える。これによれば、二次電池の蓄電量に応じたモードで負荷を駆動できる。

燃料電池に燃料水溶液が供給されて発電する燃料電池システムでは、燃料水溶液自体が大きい熱容量を有するので、燃料水溶液の昇温にひいては燃料電池の十分な出力が得られるまでに時間がかかる。したがって、この発明は、燃料電池に燃料水溶液が供給されて発電する燃料電池システムに好適に用いられる。

また、この発明は、燃料電池システムを搭載する場合には二次電池の容量を小さくすることが要求される輸送機器に好適に用いられる。すなわち、この発明は、負荷の少なくとも１つが輸送機器のモータである場合に好適に用いられる。

なお、「蓄電エネルギーに関するデータ」は、蓄電エネルギーそのものに限定されず、蓄電エネルギーと一対一の関係にある（たとえば蓄電エネルギーとの間で相互に換算可能な）蓄電量、電圧、電流等であってもよい。

「燃料電池システムを起動するのに必要なエネルギー」とは、燃料電池システムを起動させ燃料電池が十分に発電可能な温度（目標温度）にまで燃料電池温度が到達するのに必要なエネルギーをいう。

「エネルギーに対応する閾値」は、エネルギーそのものである場合に限定されず、エネルギーと一対一の対応関係にある（たとえばエネルギーとの間で相互に換算可能な）蓄電量、電圧、電流等であってもよい。

「通常モード」とは、起動時に補機類等の要素の動作に制限を加えることなく燃料電池システムを動作させるモードをいう。

「低消費モード」とは、起動時に補機類等の要素の動作に制限を加えて燃料電池システムを動作させるモードをいい、消費エネルギーが通常モードの場合より小さくなる。

「負荷エネルギー」とは、燃料電池が十分に発電可能な温度（目標温度）に燃料電池温度が到達するまで負荷を通常駆動するのに必要なエネルギーをいう。

「通常駆動」とは、制限を加えることなく駆動することをいう。

この発明の上述の目的およびその他の目的、特徴、局面および利点は、添付図面に関連して行われる以下の実施形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。

この発明に係る燃料電池システムの要部を示す図解図である。 自動二輪車のフレームに燃料電池システムを搭載した状態を示す斜視図である。 燃料電池システムの要部を示す図解図である。 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。 （ａ）は燃料電池システム起動後の燃料電池温度の経時的変化を示すグラフであり、（ｂ）は燃料電池システム起動時の燃料電池温度と目標温度までの所要時間との対応関係を示すグラフである。 電圧コントロール部を示す回路図である。 燃料電池システムの起動時の主要動作の一例を示すフロー図である。 燃料電池システムを低消費モードで起動するが車両を駆動しない場合を説明するためのグラフである。 燃料電池システムを通常起動しかつ車両を制限的に駆動する場合を説明するためのグラフである。 燃料電池システムを通常起動しかつ車両を通常駆動する場合を説明するためのグラフである。 車両の出力を制限する例を示すグラフであり、（ａ）はモータの最大電流を制限する場合、（ｂ）はモータの最大出力を制限する場合である。 燃料電池システムの起動時の温度によって必要な二次電池の蓄電エネルギーが異なることを示すグラフである。 燃料電池システムを低消費モードで起動するが車両を駆動しない場合の動作を示すフロー図である。 燃料電池システムを通常モードで起動しかつ車両を制限的に駆動する場合の動作を示すフロー図である。 燃料電池システムを通常モードで起動しかつ車両を通常駆動する場合の動作を示すフロー図である。 発電開始時の動作を示すフロー図である。 アラームレベルを決定する処理を示すフロー図である。 水溶液タンク内の水溶液量を制御する処理を示すフロー図である。 メタノール水溶液の濃度を制御する処理を示すフロー図である。 水溶液タンク内の水溶液量を減らす処理を示すフロー図である。 水溶液ポンプおよびエアポンプを制御する処理を示すフロー図である。 燃料電池の出力電圧を制御する処理を示すフロー図である。 （ａ）は通常モードにおける運転時間に対する燃料電池の温度および燃料電池の出力電圧を示すグラフであり、（ｂ）は低消費モードにおける運転時間に対する燃料電池の温度および燃料電池の出力電圧を示すグラフである。 この発明の他の実施形態を説明するための図解図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１８ 水溶液タンク
２０ 燃料ポンプ
２６ 水溶液ポンプ
３２ 熱交換器用冷却ファン
３４ エアポンプ
４４ 水タンク
４８ 気液分離器用冷却ファン
６０ 水ポンプ
６４ 濃度センサ
６６ 電池温度センサ
７０ 制御回路
７２ ＣＰＵ
７６ 揮発性メモリ
７８ 不揮発性メモリ
８４ 電圧検出回路
１０８ 二次電池
１１２ 二次電池蓄電量検出部
１１６ モータ
Ｓ メタノール水溶液

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。
図１〜図４に示すように、この発明の一実施形態の燃料電池システム１０は、直接メタノール型燃料電池システムとして構成される。直接メタノール型燃料電池システムは改質器が不要であるので、携帯性を要する機器や小型化が望まれる機器に好適に用いられる。ここでは、燃料電池システム１０を輸送機器の一例である自動二輪車に用いる場合について説明する。なお、図２に示すように、自動二輪車については車体フレーム２００のみを示す。図２において左側が車両前方、右側が車両後方である。燃料電池システム１０は車体フレーム２００に沿って配置される。以下、必要に応じて自動二輪車を車両という。

図１を主に参照して、燃料電池システム１０は燃料電池１２を含む。燃料電池１２は、固体高分子膜からなる電解質１２ａと電解質１２ａを両側から挟むアノード（燃料極）１２ｂおよびカソード（空気極）１２ｃとを含む複数の燃料電池セルを直列に接続（積層）した燃料電池セルスタックとして構成される。

また、燃料電池システム１０は、高濃度のメタノール燃料（メタノールを約５０ｗｔ％程度含む水溶液）Ｆを収容する燃料タンク１４を含み、燃料タンク１４は燃料供給パイプ１６を介してメタノール水溶液Ｓが収容される水溶液タンク１８に接続される。燃料供給パイプ１６には燃料ポンプ２０が介挿され、燃料ポンプ２０の駆動によって燃料タンク１４内のメタノール燃料Ｆが水溶液タンク１８に供給される。

燃料タンク１４にはレベルセンサ１５が装着され、燃料タンク１４内のメタノール燃料Ｆの液面の高さが検出される。また、水溶液タンク１８にはレベルセンサ２２が装着され、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓの液面の高さが検出される。レベルセンサ１５，２２によって液面高さを検出することによって、タンク内の液量を検出できる。後述するレベルセンサ５４についても同様である。

水溶液タンク１８は、水溶液パイプ２４を介して燃料電池１２のアノード１２ｂに接続される。水溶液パイプ２４には、上流側から水溶液ポンプ２６、熱交換器として機能するラジエータ２８および水溶液フィルタ３０が順に介挿される。ラジエータ２８の近傍にはラジエータ２８を冷却するための冷却ファン３２が配置される。水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓは、水溶液ポンプ２６によってアノード１２ｂに向けて送られ、必要に応じてラジエータ２８によって冷却され、さらに水溶液フィルタ３０によって浄化されてアノード１２ｂに供給される。

一方、燃料電池１２のカソード１２ｃにはエアポンプ３４がエア側パイプ３６を介して接続され、エア側パイプ３６にはエアフィルタ３８が介挿される。したがって、エアポンプ３４からの酸素（酸化剤）を含む空気がエアフィルタ３８によって浄化されたのちカソード１２ｃに供給される。

また、アノード１２ｂと水溶液タンク１８とはパイプ４０を介して接続され、アノード１２ｂから排出される未反応のメタノール水溶液や生成された二酸化炭素が水溶液タンク１８に与えられる。

さらに、カソード１２ｃにはパイプ４２を介して水タンク４４が接続される。パイプ４２には気液分離器として機能するラジエータ４６が介挿され、ラジエータ４６の近傍にはラジエータ４６を冷却するための冷却ファン４８が配置される。カソード１２ｃから排出される水分（水および水蒸気）を含む排気がパイプ４２を介して水タンク４４に与えられる。

また、水溶液タンク１８と水タンク４４とはＣＯ₂ベントパイプ５０を介して接続される。ＣＯ₂ベントパイプ５０にはメタノール水溶液Ｓを分離するためのメタノールトラップ５２が介挿される。これによって、水溶液タンク１８から排出される二酸化炭素が水タンク４４に与えられる。

水タンク４４には、レベルセンサ５４が装着され、水タンク４４内の液面の高さが検出される。また、水タンク４４には排気ガスパイプ５６が取り付けられ、排気ガスパイプ５６から二酸化炭素とカソード１２ｃからの排気とが排出される。

水タンク４４は水還流パイプ５８を介して水溶液タンク１８に接続され、水還流パイプ５８には水ポンプ６０が介挿される。水タンク４４内の水は、水溶液タンク１８の状況に応じて必要なときに水ポンプ６０の駆動によって水溶液タンク１８へ還流される。

また、水溶液パイプ２４において、ラジエータ２８と水溶液フィルタ３０との間には、バイパスパイプ６２が形成される。

図４をも参照して、さらに燃料電池システム１０においては、バイパスパイプ６２にメタノール水溶液Ｓの濃度を検出するための濃度センサ６４およびメタノール水溶液Ｓの温度を検出するための水溶液温度センサ６５が設けられ、燃料電池１２の温度を検出するための電池温度センサ６６が燃料電池１２に装着され、外気温度を検出するための外気温度センサ６８がエアポンプ３４の近傍に設けられる。なお、電池温度センサ６６は、燃料電池１２のうち最も温度が高くなる箇所に配置され、たとえばメタノール水溶液Ｓの出口付近に設けられる。

図４に示すように、燃料電池システム１０は制御回路７０を含む。

制御回路７０は、必要な演算を行い燃料電池システム１０の動作を制御するためのＣＰＵ７２、ＣＰＵ７２にクロックを与えるクロック回路７４、ＣＰＵ７２に与えられるクロックに基づく経過時間やフラグ、演算データ等を格納するための、たとえばＤＲＡＭからなる揮発性メモリ７６、燃料電池システム１０の動作を制御するためのプログラムやデータ等を格納するための、たとえばＥＥＰＲＯＭやＳＲＡＭからなる不揮発性メモリ７８、燃料電池システム１０の誤動作を防ぐためのリセットＩＣ８０、外部機器と接続するためのインターフェイス回路８２ａ〜８２ｒ、燃料電池１２の出力電圧を検出するための電圧検出回路８４、燃料電池１２の出力電流を検出するための電流検出回路８６、燃料電池１２の出力電圧を調整するための電圧調整回路８８、電気回路９０の過電圧を防止するための電圧保護回路９２、電気回路９０に設けられ燃料電池１２を保護するためのダイオード９４、電気回路９０に通常モード用電圧を供給するための電源回路９６、および電気回路９０に低消費モード用電圧を供給するための電源回路９８を含む。燃料電池システム１０は二次電池１０８(後述)を介して負荷に電力を供給するシリーズ型のシステムとして構成される。

電圧検出回路８４、電流検出回路８６、電圧調整回路８８およびダイオード９４が電圧コントロール部１００を構成する。

このような制御回路７０のＣＰＵ７２には、濃度センサ６４、水溶液温度センサ６５、電池温度センサ６６および外気温度センサ６８からの検出信号がそれぞれインターフェイス回路８２ａ，８２ｂ，８２ｃおよび８２ｄを介して入力され、また、レベルセンサ１５，２２および５４からの検出信号がそれぞれインターフェイス回路８２ｌ，８２ｋおよび８２ｏを介して入力される。さらに、ＣＰＵ７２には、転倒の有無を検知する転倒スイッチ１０２からの検知信号がインターフェイス回路８２ｎを介して与えられ、また、各種設定や情報入力のための入力部１０４からの信号がインターフェイス回路８２ｐを介して与えられる。

また、ＣＰＵ７２から、燃料ポンプ２０、水溶液ポンプ２６、エアポンプ３４、熱交換器用冷却ファン３２、気液分離器用冷却ファン４８および水ポンプ６０にそれぞれインターフェイス回路８２ｊ，８２ｇ，８２ｈ，８２ｆ，８２ｅおよび８２ｉを介して制御信号が与えられ、これらの補器類がＣＰＵ７２によって制御される。また、ＣＰＵ７２から、各種情報を表示し自動二輪車の搭乗者に各種情報を報知するための表示部１０６にインターフェイス回路８２ｑを介して制御信号が与えられ、表示部１０６が制御される。

また、燃料電池１２には、バッテリボックス１０７に内蔵される二次電池１０８が接続される。二次電池１０８は、燃料電池１２からの出力を補完するものであり、燃料電池１２からの電気エネルギーによって充電され、その放電によってモータ１１６（後述）や補機類に電気エネルギーを与える。特に、発電開始時には二次電池１０８からの電気エネルギーで補機類を駆動し、燃料電池１２の発電量が大きくなれば二次電池１０８に電気エネルギーが充電される。二次電池１０８としては、ニッケル水素型電池、リチウムイオン電池、Ｎｉ−Ｃｄ電池等が用いられる。二次電池１０８には制御装置１１０が接続される。制御装置１１０は、ＣＰＵおよびメモリなどからなり、二次電池１０８の蓄電量を検出する二次電池蓄電量検出部１１２を含み、二次電池１０８の電圧、電流および温度等をも検出できる。この実施形態では、二次電池１０８の蓄電量は二次電池電圧に所定の定数を掛けることによって求められるが、さらに電流や電池の劣化度を考慮して求められてもよい。制御装置１１０は、これらの二次電池１０８の情報を、インターフェイス回路１１３を介して制御回路７０に送信するとともに、二次電池１０８に接続されるモータコントローラ１１４に送信する。モータコントローラ１１４には負荷すなわち自動二輪車のモータ１１６が接続され、モータ１１６に与えられる電気エネルギーはモータコントローラ１１４によって制御される。モータコントローラ１１４には、モータ１１６の各種データを計測するためのメータ１１８が接続される。メータ１１８によって計測されたデータ、モータ１１６の状況等の情報は、制御装置１１０のインターフェイス回路１１３および制御回路７０のインターフェイス回路８２ｍを介してＣＰＵ７２に入力される。

この実施形態では、揮発性メモリ７６には、二次電池１０８の蓄電量、二次電池１０８の蓄電エネルギー、検出された燃料電池１２の温度、燃料電池１２が目標温度に上昇するまでの所要時間、燃料電池システム１０を起動するか否かを決定するための第１閾値、燃料電池システム１０を通常モードで起動するか低消費モードで起動するかを決定するための第２閾値、負荷を通常駆動するか否かを決定するための第３閾値、負荷エネルギー等のデータが格納される。

不揮発性メモリ７８には、燃料電池システム１０を低消費モードで単位時間駆動するのに必要な低消費電力、燃料電池システム１０を通常モードで単位時間駆動するのに必要な通常電力、燃料電池１２を無負荷状態にするか否かを判断するための規定電圧、負荷を単位時間通常駆動するのに必要な単位エネルギーに相当する車両平均出力等のデータが格納される。また、不揮発性メモリ７８には、燃料電池システム１０の起動時の燃料電池１２の温度と目標温度（この実施形態では約６５℃）までの所要時間との関係を示すテーブルデータが格納される。所要時間は、起動時の燃料電池１２の温度と発電効率と熱容量とに基づいて算出される。たとえば図５（ａ）および（ｂ）に示すように、システム起動時の燃料電池１２の温度が高いほど、目標温度までの所要時間が短くなる。起動時の燃料電池１２の温度を検出すれば、このテーブルデータを参照して、燃料電池１２が目標温度まで上昇するのに必要な所要時間が推定される。図５（ａ）において時間０のとき（縦軸上）の燃料電池温度は、起動時の温度を示す。

また、不揮発性メモリ７８には、消費エネルギーが異なる複数の起動モードに対応する制御情報（制御パラメータ、プログラム等）が格納される。

この実施形態では、ＣＰＵ７２が第１決定手段、第２決定手段に対応し、揮発性メモリ７６、不揮発性メモリ７８が記憶手段に対応する。

ここで図６を参照して、電圧コントロール部１００について説明する。
電流検出回路８６はたとえばカレントトランスによって構成され、燃料電池１２からの出力電流を検出する。電流検出回路８６で検出された電流は電圧に変換されてＣＰＵ７２に与えられる。電流検出回路８６の出力側には電圧検出回路８４が接続され、燃料電池１２の出力電圧が検出される。検出された燃料電池１２の出力電圧はＣＰＵ７２に与えられる。なお、電圧検出回路８４は二次電池１０８の電圧をも検出する。さらに、電圧検出回路８４の出力側には、２つのＦＥＴ１およびＦＥＴ２を含む電圧調整回路８８が設けられる。ＦＥＴ１およびＦＥＴ２のそれぞれのゲートにはＣＰＵ７２から制御信号が与えられ、この制御信号に基づいて燃料電池１２の出力電圧が調整される。さらに、電圧調整回路８８の出力側には燃料電池１２を保護するためのダイオード９４が接続される。

このようにして構成される電圧コントロール部１００の出力側には二次電池蓄電量検出部１１２が接続され、二次電池蓄電量検出部１１２によって二次電池１０８の蓄電量が検出される。

このような燃料電池システム１０の発電動作の概略について説明する。燃料電池システム１０は、図示しないメインスイッチがオンされることを契機として、水溶液ポンプ２６やエアポンプ３４等の補機類を駆動し、発電（運転）を開始する。

発電開始時には、水溶液タンク１８内に収容された所望の濃度のメタノール水溶液Ｓが水溶液ポンプ２６の駆動によって燃料電池１２に向けて送られ、必要に応じてラジエータ２８で冷却され、水溶液フィルタ３０によって浄化されてアノード１２ｂに供給される。一方、酸化剤である酸素を含む空気がエアポンプ３４の駆動によって燃料電池１２に向けて送られ、エアフィルタ３８によって浄化されカソード１２ｃに供給される。

燃料電池１２のアノード１２ｂでは、メタノール水溶液Ｓのメタノールと水とが電気化学反応して二酸化炭素と水素イオンとが生成され、生成された水素イオンは、電解質１２ａを通ってカソード１２ｃに流入する。この水素イオンは、カソード１２ｃに供給された空気中の酸素と電気化学反応して、水（水蒸気）と電気エネルギーとが生成される。

燃料電池１２のアノード１２ｂで生成された二酸化炭素はパイプ４０、水溶液タンク１８およびＣＯ₂ベントパイプ５０を通って水タンク４４に与えられ、排気ガスパイプ５６から排出される。

一方、燃料電池１２のカソード１２ｃで生成された水蒸気の大部分は液化して水となって排出されるが、飽和水蒸気分はガス状態で排出される。カソード１２ｃから排出された水蒸気の一部は、ラジエータ４６で冷却され露点を下げることによって液化される。ラジエータ４６による水蒸気の液化動作は、冷却ファン４８を動作させることによって促進される。カソード１２ｃからの水分（水および水蒸気）ならびに未反応の空気はパイプ４２を通って水タンク４４に与えられる。また、水のクロスオーバーによってカソード１２ｃに移動した水がカソード１２ｃから排出され水タンク４４に与えられる。さらに、メタノールのクロスオーバーによってカソード１２ｃで生成された水と二酸化炭素がカソード１２ｃから排出され水タンク４４に与えられる。

なお、水のクロスオーバーとは、アノード１２ｂで生成された水素イオンのカソード１２ｃへの移動に伴って、数モルの水がカソード１２ｃへ移動する現象である。メタノールのクロスオーバーとは、水素イオンのカソード１２ｃへの移動に伴って、メタノールがカソード１２ｃへ移動する現象である。カソード１２ｃにおいて、メタノールはエアポンプ３４から供給される空気と反応して水と二酸化炭素とに分解される。

水タンク４４に回収された水（液体）は、水ポンプ６０の駆動によって水還流パイプ５８を経由して水溶液タンク１８に適宜還流され、メタノール水溶液Ｓの水として利用される。

ついで、図７を参照して、燃料電池システム１０の起動時の主要動作の一例について説明する。この実施形態では、燃料電池システム１０の起動モードとして、通常モード、低消費モード、起動しないの３つのモードがあり、各モードの消費エネルギーは異なる。

まず図示しないメインスイッチをＯＮすると、二次電池１０８の蓄電量（残存容量）が検出され揮発性メモリ７６に格納される（ステップＳ１）。制御装置１１０の二次電池蓄電量検出部１１２によって、二次電池電圧が検出され、検出された二次電池電圧に所定の定数を掛けることによって二次電池１０８の蓄電量が求められる。ＣＰＵ７２によって、求められた二次電池１０８の蓄電量に所定の電圧を掛けて二次電池１０８の蓄電エネルギーが算出され（蓄電量×電圧＝蓄電エネルギー）（ステップＳ２）、揮発性メモリ７６に格納される。この実施形態では、蓄電エネルギーを求める手段は、二次電池蓄電量検出部１１２とＣＰＵ７２とを含む。なお、二次電池１０８の蓄電量は電圧検出回路８４によって検出された二次電池電圧に基づいて求められてもよい。

そして、電池温度センサ６６によって燃料電池１２の温度が検出される（ステップＳ３）。なお、燃料電池１２の温度とは燃料電池１２の出力に対応する温度であり、燃料電池１２の温度を、たとえば、水溶液タンク１８内の熱容量が大きいメタノール水溶液Ｓの温度やカソード１２ｃからの排気温度等で代用させてもよい。

ついで、不揮発性メモリ７８に格納された、起動時の燃料電池１２の温度と目標温度までの所要時間との関係を示すテーブルデータを参照して、検出された燃料電池１２の温度に基づいて目標温度まで上昇させるのに必要な所要時間が推定される（ステップＳ５）。

この推定された所要時間に、燃料電池システム１０を低消費モードで単位時間駆動するのに必要な消費電力（低消費電力）を掛けることによって、第１閾値となる低消費エネルギーが算出される（所要時間×低消費電力＝低消費エネルギー）（ステップＳ７）。この実施形態では、低消費電力は約７０Ｗであり、エアポンプ３４および車両のヘッドライトでの消費電力が大部分を占める。

そして、二次電池１０８の蓄電エネルギーが低消費エネルギー（第１閾値）より小さいか否かが判断される（ステップＳ９）。二次電池１０８の蓄電エネルギーが低消費エネルギーより小さければ起動できないと判断され、燃料電池システム１０の起動が停止されるとともに車両も駆動されない（ステップＳ１１）。

一方、ステップＳ９において二次電池１０８の蓄電エネルギーが低消費エネルギー以上であれば、起動可能と判断され、第２閾値となる通常エネルギーが算出される（ステップＳ１３）。通常エネルギーは、上述の推定された所要時間に、燃料電池システム１０を通常モードで単位時間駆動するのに必要な通常電力を掛けることによって算出される（所要時間×通常電力＝通常エネルギー）。

そして、二次電池１０８の蓄電エネルギーが通常エネルギー（第２閾値）より小さいか否かが判断される（ステップＳ１５）。二次電池１０８の蓄電エネルギーが通常エネルギーより小さければ通常モードで起動できないと判断され、燃料電池システム１０が低消費モードで起動されるが車両は駆動されない（ステップＳ１７）。このように二次電池１０８の蓄電エネルギーがさほど多くない場合であっても燃料電池システム１０を起動できる。

一方、ステップＳ１５において、二次電池１０８の蓄電エネルギーが通常エネルギー以上であれば、通常モードで起動できると判断され、ステップＳ１９に進む。

ステップＳ１９では、不揮発性メモリ７８に格納された単位エネルギーに相当する通常駆動時の車両平均出力（たとえば８００Ｗ）に上記目標温度までの所要時間を掛けて負荷エネルギーが算出される（車両平均出力×所要時間＝負荷エネルギー）。そして、その負荷エネルギーと通常エネルギーとが加算されて第３閾値が算出される（ステップＳ２１）。

そして、二次電池１０８の蓄電エネルギーが、負荷エネルギーと通常エネルギーとの和（第３閾値）より小さいか否かが判断される（ステップＳ２３）。二次電池１０８の蓄電エネルギーの方が小さければ、車両の駆動が制限されることになり、その制限量が設定される（ステップＳ２５）。この実施形態では、走行時の車両の後輪駆動が制限される。たとえば、制限量を段階的に準備しておき、二次電池１０８の蓄電エネルギーに応じた制限量に設定される。そして、燃料電池システム１０が通常モードで起動されるとともに車両が制限的に駆動される（ステップＳ２７）。

一方、ステップＳ２３において、二次電池１０８の蓄電エネルギーが負荷エネルギーと通常エネルギーとの和以上であれば、燃料電池システム１０が通常モードで起動されるとともに、車両も通常駆動され通常走行する（ステップＳ２９）。

なお、上述の動作において、燃料電池システム１０の起動モードや車両の駆動状態を表示部１０６に表示するようにしてもよい。

ここで、図８（ａ）および（ｂ）を参照して、燃料電池システム１０を低消費モードで起動するが車両を駆動しない場合について説明する。
図８（ａ）に示すような二次電池１０８の蓄電エネルギー初期値を有する場合、燃料電池システム１０を通常モードで起動すると、破線Ａ１で示すように起動の途中で二次電池１０８の蓄電エネルギーがゼロになってしまい、たとえ車両を駆動しないときでも燃料電池システム１０の起動を継続できなくなる。したがって、この場合には、燃料電池システム１０を通常モードではなく低消費モードで起動し、特に補機類の消費電力を制限して発電を開始する。すると、二次電池１０８の蓄電エネルギーは実線Ｂ１のようになる。なお、補機類の消費電力の制限は、たとえば、目標温度までの所要時間を短縮したり補機類の駆動を制限したりすることによって行われる。

図８（ｂ）において、破線Ａ２は通常モードで起動したときの燃料電池１２の出力、実線Ｂ２は低消費モードで起動したときの燃料電池１２の出力、破線Ａ３は通常モードで起動したときの燃料電池システム１０の消費電力、実線Ｂ３は低消費モードで起動したときの燃料電池システム１０の消費電力、実線Ｂ４は車両を駆動していないときの車両の平均出力を示す。

破線Ａ２と実線Ｂ２とからわかるように、低消費モードであれば、燃料電池１２の出力が定常になるまで時間がかかってしまう。また、破線Ａ３および実線Ｂ３を参照して、通常モードでの起動では補機類によって１５０Ｗ程度消費されるが、低消費モードでの起動では補機類による消費電力は１００Ｗ程度に抑えられ、エネルギー消費を少なくできる。

ついで、図９（ａ）および（ｂ）を参照して、燃料電池システム１０を通常モードで起動しかつ車両を制限的に駆動する場合について説明する。
図９（ａ）に示すような二次電池１０８の蓄電エネルギー初期値を有する場合、燃料電池システム１０を通常モードで起動すると、二次電池１０８の蓄電エネルギーが少ないため破線Ｃ１で示すように起動の途中で二次電池１０８の蓄電エネルギーがゼロになってしまい、燃料電池システム１０の起動を継続できなくなる。したがって、この場合には、車両の駆動を制限して燃料電池システム１０を通常モードで起動する。すると、二次電池１０８の蓄電エネルギーは実線Ｄ１のようになる。

図９（ｂ）において、実線Ｄ２は通常モードでの起動時の燃料電池１２の出力、実線Ｄ３は通常モードでの起動時の燃料電池システム１０の消費電力、実線Ｄ４は車両を制限的に駆動したときの車両の平均出力、破線Ｃ４は通常駆動時の車両の平均出力を示す。この例では、車両の平均出力は破線Ｃ４から実線Ｄ４へと制限されている。

さらに、図１０（ａ）および（ｂ）を参照して、燃料電池システム１０を通常モードで起動しかつ車両を通常駆動する場合について説明する。
図１０（ａ）に示すような二次電池１０８の蓄電エネルギー初期値を有する場合において、燃料電池システム１０を通常モードで起動しかつ車両を通常駆動する。すると、実線Ｅ１で示すように時点ｔまでは燃料電池システム１０の補機類および車両によってエネルギーが消費され、二次電池１０８の蓄電エネルギーが減少していく。時点ｔ以降では、燃料電池１２の出力が安定化し補機類および車両での消費エネルギー以上となるので、二次電池１０８からのエネルギーの持ち出しがなくなり、燃料電池１２の出力によって補機類および車両が駆動されるとともに二次電池１０８に蓄電され始める。この場合には二次電池１２の蓄電エネルギーに余裕があるので通常モードでの起動および通常駆動が可能となる。

図１０（ｂ）において、実線Ｅ２は通常モードでの起動時の燃料電池１２の出力、実線Ｅ３は通常モードでの起動時の燃料電池システム１０の消費電力、実線Ｅ４は通常駆動時の車両の平均出力を示す。

なお、実際には走行したり停止したりするので車両の出力は変動するが、図８（ｂ），図９（ｂ）および図１０（ｂ）では車両の平均出力を示す。

ついで、図１１に車両の出力を制限する例を示す。
図１１（ａ）に、モータ１１６の最大電流を制限して車両の出力を制限する例を示す。図１１（ａ）より、モータ１１６の最大電流を制限することによって後輪駆動力が減少し消費エネルギーを抑制できることがわかる。

図１１（ｂ）に、モータ１１６の最大出力を制限して車両の出力を制限する例を示す。モータ１１６の最大出力を制限することによって図１１（ｂ）に斜線で示す部分の後輪駆動力が減少し、消費エネルギーを抑制できることがわかる。

また、図１２からわかるように、燃料電池１２の起動時の温度によって、二次電池１２に必要な蓄電エネルギーが異なる。具体的には、起動時の温度が２０℃のときは蓄電エネルギーＦ１、３０℃のときには蓄電エネルギーＦ２、４０℃のときには蓄電エネルギーＦ３が必要となり、起動時の温度が高いほど二次電池１０８に必要な蓄電エネルギーが少なくなる。なお、蓄電エネルギーＦ１〜Ｆ３は、燃料電池システム１０を通常モードで起動しかつ車両を通常駆動する場合に必要な蓄電エネルギーである。

ついで、図１３を参照して、図７のステップＳ１７のサブルーチン、すなわち燃料電池システム１０を低消費モードで起動するが車両を駆動しない場合の動作について説明する。
燃料電池システム１０については低消費モードで起動され発電が開始され（ステップＳ５１）、その後通常運転となる（ステップＳ５３）。

一方、負荷となる車両については最初は駆動されない（ステップＳ５５）。すなわち、モータ１１６に電圧は印加されずモータ１１６は駆動されない。そして、ステップＳ５７において二次電池１０８の蓄電エネルギーが通常エネルギー（第２閾値）以上になるまでその状態が継続される。すなわち、二次電池１０８がある程度充電されるまで二次電池１０８の充電のみが行われる。二次電池１０８の蓄電エネルギーが通常エネルギー以上になれば、車両は制限された（たとえばモータ１１６の最大電流が制限された）状態で駆動される（ステップＳ５９）。ステップＳ６１において、新たに算出された二次電池１０８の蓄電エネルギーが通常エネルギーと負荷エネルギーとの和（第３閾値）以上になるまで、車両のその状態での駆動が継続され、二次電池１０８の蓄電エネルギーが通常エネルギーと負荷エネルギーとの和以上になれば、制限が解除され車両は通常駆動される（ステップＳ６３）。

このように、二次電池１０８の蓄電エネルギーが第３閾値以上になれば、負荷を通常駆動に切り替えることによって、二次電池１０８の蓄電エネルギーに応じたモードで負荷を駆動できる。

つぎに、図１４を参照して、図７のステップＳ２７のサブルーチン、すなわち燃料電池システム１０を通常モードで起動しかつ車両を制限的に駆動する場合の動作について説明する。
燃料電池システム１０については、まずレベルセンサ５４によって水タンク４４内の液量（水量）が検出される（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１で検出した液量が予め設定されている第１所定量（たとえば２５０ｃｃ）以上であれば（ステップＳ１０３がＹＥＳ）、二次電池１０８の電力によって水ポンプ６０が駆動され、水タンク５４内の水が水還流パイプ５８を通って水溶液タンク１８に還流される（ステップＳ１０５）。その後、レベルセンサ５４の検出する液量が予め設定されている第２所定量（たとえば２２０ｃｃ）以下になると（ステップＳ１０７がＹＥＳ）、水ポンプ６０が停止される（ステップＳ１０９）。

また、ステップＳ１０７において、レベルセンサ５４の検出する液量が第２所定量以下にならずとも（ステップＳ１０７がＮＯ）、一定時間経過すれば（ステップＳ１１１がＹＥＳ）、ステップＳ１０９に進む。このように、一定時間経過後に水ポンプ６０を停止させることで、たとえばレベルセンサ５４の異常等のために検出する液量がいつまでも第２所定量にならず発電できないといったことがない。一定時間経過するまでは（ステップＳ１１１がＮＯ）、引き続きステップＳ１０５の処理が行われる。

ステップＳ１０９の後に、燃料ポンプ２０、水溶液ポンプ２６、エアポンプ３４、熱交換器用冷却ファン３２、気液分離器用冷却ファン４８および水ポンプ６０等の補機類が駆動され、通常モードでの発電が開始される（ステップＳ１１３）。ステップＳ１０３において、水タンク４４内の液量が第１所定量未満であれば（ステップＳ１０３でＮＯ）、ステップＳ１１３に進む。このように通常モードでの発電が開始された後、通常運転となる（ステップＳ１１５）。

一方、負荷となる車両については最初は制限された（たとえばモータ１１６の最大電流が制限された）状態で駆動される（ステップＳ１１７）。ステップＳ１１９において、新たに算出された二次電池１０８の蓄電エネルギーが通常エネルギーと負荷エネルギーとの和（第３閾値）以上になるまで車両のその状態での駆動が継続され、二次電池１０８の蓄電エネルギーが通常エネルギーと負荷エネルギーとの和以上になれば車両は通常駆動される（ステップＳ１２１）。

さらに、図１５を参照して、図７のステップＳ２９のサブルーチン、すなわち燃料電池システム１０を通常モードで起動しかつ車両を通常駆動する場合の動作について説明する。
燃料電池システム１０については、まずレベルセンサ５４によって水タンク４４内の液量（水量）が検出される（ステップＳ１５１）。ステップＳ１５１で検出した液量が予め設定されている第１所定量（たとえば２５０ｃｃ）以上であれば（ステップＳ１５３がＹＥＳ）、二次電池１０８の電力によって水ポンプ６０が駆動され、水タンク５４内の水が水還流パイプ５８を通って水溶液タンク１８に還流される（ステップＳ１５５）。その後、レベルセンサ５４の検出する液量が予め設定されている第２所定量（たとえば２２０ｃｃ）以下になると（ステップＳ１５７がＹＥＳ）、水ポンプ６０が停止される（ステップＳ１５９）。

また、ステップＳ１５７において、レベルセンサ５４の検出する液量が第２所定量以下にならずとも（ステップＳ１５７がＮＯ）、一定時間（たとえば１分）経過すれば（ステップＳ１６１がＹＥＳ）、ステップＳ１５９に進む。このように、一定時間経過後に水ポンプ６０を停止させることで、たとえばレベルセンサ５４の異常等のために検出する液量がいつまでも第２所定量にならず発電できないといったことがない。一定時間経過するまでは（ステップＳ１６１がＮＯ）、引き続きステップＳ１５５の処理が行われる。

ステップＳ１５９の後に、燃料ポンプ２０、水溶液ポンプ２６、エアポンプ３４、熱交換器用冷却ファン３２、気液分離器用冷却ファン４８および水ポンプ６０等の補機類が駆動され、通常モードでの発電が開始される（ステップＳ１６３）。ステップＳ１５３において、水タンク４４内の液量が第１所定量未満であれば（ステップＳ１５３でＮＯ）、ステップＳ１６３に進む。このように通常モードでの発電が開始された後、通常運転となる（ステップＳ１６５）。

一方、負荷となる車両については最初から出力に制限を加えることなく通常駆動される（ステップＳ１６７）。

さらに、図１６を参照して、図１３のステップＳ５１、図１４のステップＳ１１３、図１５のステップＳ１６３に示す発電開始時の処理について説明する。
まず、無負荷に設定される（ステップＳ２０１）。すなわち、電圧調整回路８８によって電気回路９０が開放され、燃料電池１２が無負荷運転となり、燃料電池１２と二次電池１０８との接続が解除される。この状態では、燃料電池１２からの電流の取り出しが停止される。そして、アラームレベルが決定される（ステップＳ２０２）。その後、水溶液タンク１８内の水溶液量が制御され（ステップＳ２０３）、メタノール水溶液Ｓの濃度が制御され（ステップＳ２０５）、水溶液タンク１８内の水溶液量が減らされる（ステップＳ２０７）。さらに、水溶液ポンプ２６およびエアポンプ３４が制御され（ステップＳ２０９）、燃料電池１２の出力電圧が制御される（ステップＳ２１１）。

図１６のステップＳ２０１〜Ｓ２１１の動作をさらに具体的に説明する。
図１７を参照して、図１６のステップＳ２０２に示すアラームレベルを決定する処理について説明する。
まず、モードが通常モードか低消費モードかが検出され（ステップＳ２５１）、モード毎に規定電圧（セルを傷めることなく運転できる最低電圧）が決定される（ステップＳ２５３）。規定電圧を単セル電圧（燃料電池セル１個の電圧）に換算すれば、たとえば、通常モードの場合には０．２５Ｖ、低消費モードの場合には０．２Ｖに設定される。

このように低消費モードで起動する場合には通常モードで起動する場合より規定電圧を低く設定することによって、通常モードであれば燃料電池１２と二次電池１０８との接続が解除されるような値に燃料電池１２の出力電圧が達するような場合であっても、低消費モードでは、燃料電池１２と二次電池１０８との接続は解除されず（接続を維持した状態にし）、二次電池１０８への充電を継続させることによって、二次電池１０８の放電ひいては蓄電エネルギーの減少を抑制できる。

図１８を参照して、図１６のステップＳ２０３に示す水溶液タンク１８内の水溶液量を
制御する処理について説明する。
まず、モードが判断される（ステップＳ３０１）。通常モードの場合には、レベルセンサ２２によって検出された水溶液タンク１８内の水溶液量が水溶液タンク規定量（発電時の水溶液タンク１８内の水溶液量であり、たとえば１リットル）より小さいか否かが判断され（ステップＳ３０３）、小さければレベルセンサ５４によって水タンク４４内の液量（水量）が検出され（ステップＳ３０５）、検出された液量が第１所定量（たとえば２５０ｃｃ）以上か否かが判断される（ステップＳ３０７）。検出された液量が第１所定量以上であれば、水ポンプ６０が駆動されて水が水溶液タンク１８へ還流される（ステップＳ３０９）。ステップＳ３１１において一定時間経過するまでその動作が継続され、一定時間経過するとステップＳ３０３に戻る。

ステップＳ３０３において水溶液タンク１８内の水溶液量が水溶液タンク規定量以上のときや、ステップＳ３０７において液量が第１所定量より少ないときは、水ポンプ６０が停止される（ステップＳ３１３）。

一方、低消費モードの場合には水溶液タンク１８内の水溶液量の制御は行われない。

このように低消費モードで起動する場合には水溶液タンク１８内の水溶液量を制御しないので、水ポンプ６０を駆動する必要はなく消費電力を抑制できる。

図１９を参照して、図１６のステップＳ２０５に示すメタノール水溶液Ｓの濃度の制御について説明する。ここではメタノール水溶液Ｓの濃度が通常運転時の濃度より高く設定される。

まず、モードが通常モードか低消費モードかが検出される（ステップＳ３５１）。そして、濃度センサ６４によってメタノール水溶液Ｓの濃度が検出され（ステップＳ３５３）、検出されたメタノール水溶液Ｓの濃度が、検出されたモードの規定濃度より小さいか否かが判断される（ステップＳ３５５）。規定濃度はモード毎に設定され、通常モードと低消費モードとで異なる。規定濃度は、通常モードの場合には、燃料電池１２の温度や外気温度などによって異なるが通常運転時の濃度より高く設定され、一方、低消費モードの場合には、通常モードの場合の設定値よりさらに２〜５ｗｔ％ほど高く設定される。規定濃度は、たとえば、外気温度が２０℃のとき、通常モードの場合には６％、低消費モードの場合には８％に設定される。

ステップＳ３５５において、メタノール水溶液Ｓの濃度が規定濃度より小さければ、燃料ポンプ２０が駆動される（ステップＳ３５７）。ステップＳ３５９において一定時間経過するまでその動作が継続され、一定時間経過するとステップＳ３５３に戻る。ステップＳ３５５においてメタノール水溶液Ｓの濃度が規定濃度以上であれば、燃料ポンプ２０が停止される（ステップＳ３６１）。

このように、低消費モードで起動する場合には、通常モードで起動する場合より高濃度のメタノール水溶液Ｓを燃料電池１２に供給して発電を開始する。この場合、クロスオーバーが増大し効率は低下するが、温度上昇が早くなり目標温度までの所要時間を短縮できる。

図２０を参照して、図１６のステップＳ２０７に示す水溶液タンク１８内の水溶液量を減らす処理について説明する。
まず、モードが判断される（ステップＳ４０１）。通常モードの場合には、水ポンプ６０を駆動して水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓを水タンク４４内に移すことによって、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓが減らされる（ステップＳ４０３）。一方、低消費モードの場合には、水ポンプ６０は駆動されず水溶液タンク１８内のメタノール水溶液Ｓを減らす制御は行われない。

このように、低消費モードで起動する場合には、水溶液タンク１８内のメタノール水溶液量を減じる制御を行わないことによって、水ポンプ６０を駆動する必要はなく消費電力を抑制できる。

図２１を参照して、図１６のステップＳ２０９に示す水溶液ポンプ２６およびエアポンプ３４を制御する処理について説明する。
まず、モードが通常モードか低消費モードかが検出される（ステップＳ４５１）。そして、エアポンプ３４による空気の流量が、検出されたモードに応じて決定される（ステップＳ４５３）。たとえば、エアポンプ３４による空気の流量は、通常モードの場合には理論必要量の３倍、低消費モード１の場合には理論必要量の２倍に設定される。なお、低消費モード１の場合のエアポンプ３４による空気の流量は、通常モードの場合の２０％以上１００％未満に設定されることが好ましい。ついで、水溶液ポンプ２６によるメタノール水溶液Ｓの流量が、検出されたモードに応じて決定される（ステップＳ４５５）。たとえば、水溶液ポンプ２６による水溶液の流量は、通常モードの場合には通常発電時と同量、低消費モード１の場合には必要最低限に設定される。

そして、通常モードおよび低消費モード１の場合には、エアポンプ３４が駆動されてモードに応じた流量の空気が燃料電池１２のカソード１２ｃへ送られ（ステップＳ４５７）、水溶液ポンプ２６が駆動されてモードに応じた流量のメタノール水溶液Ｓが燃料電池１２のアノード１２ｂへ送られる（ステップＳ４５９）。

また、低消費モード２の場合には、水溶液ポンプ２６とエアポンプ３４とが交互に駆動される（ステップＳ４６１）。これによって、両方のポンプを同時に動かすことによる大幅な電圧降下を防ぐ。

このように、低消費モード１で起動する場合には、通常モードの場合よりエアポンプ３４の出力を小さくして発電を開始することによって、エアポンプ３４の消費電力を低減できる。

また、低消費モード２で起動する場合には、空気およびメタノール水溶液Ｓの流量を下げ、エアポンプ３４と水溶液ポンプ２６とを交互に駆動し同時に駆動しない。これによって、エアポンプ３４および水溶液ポンプ２６の消費電力を低減でき、二次電池１０８の蓄電エネルギーの減少を抑制できる。

図２２を参照して、燃料電池の出力電圧を制御する処理について説明する。
まず、モードが通常モードか低消費モードかが検出される（ステップＳ５０１）。

低消費モードの場合には、燃料電池１２の出力電圧が二次電池１０８の電圧以上か否かが判断され（ステップＳ５０３）、燃料電池１２の出力電圧が二次電池１０８の電圧以上になるまで待機し、燃料電池１２の出力電圧が二次電池１０８の電圧以上になれば、燃料電池１２の出力電圧が低消費モード用のＶ１に設定される（ステップＳ５０５）。

一方、通常モードの場合には、燃料電池１２の温度が所定温度に達したか否かが判断され（ステップＳ５０７）、燃料電池１２の温度が所定温度に達するまで待機し、燃料電池１２の温度が所定温度に達すればステップＳ５０５に進み、燃料電池１２の出力電圧が通常モード用のＶ１に設定される。燃料電池１２の出力電圧は、電圧調整回路８８によって設定される。

そして、燃料電池１２の温度Ｔが判定され（ステップＳ５０９）、モードおよび温度Ｔに基づいて、燃料電池１２の出力電圧が設定される。温度ＴがＴ１以下であれば、一定時間経過するまで待機し（ステップＳ５１１）、一定時間経過すれば、燃料電池１２の出力電圧が規定電圧より小さいか否かが判断される（ステップＳ５１３）。単セル電圧でいえば、たとえば、通常モードの場合には単セル電圧が０．２５Ｖより小さいか否かが、低消費モードの場合には単セル電圧が０．２Ｖより小さいか否かが、判断される。燃料電池１２の出力電圧が規定電圧より小さければ、図１６に示すステップＳ２０１に戻り、無負荷に設定され、燃料電池１２からの電流の取り出しが停止される。一方、燃料電池１２の出力電圧が規定電圧以上であれば、燃料電池１２からの電流の取り出しが継続されステップＳ５０９に戻る。

ステップＳ５０９において、温度ＴがＴ１より大きくＴ２以下であれば、燃料電池１２の出力電圧がＶ２に設定され（ステップＳ５１５）、ステップＳ５１１へ進む。温度ＴがＴ２より大きくなれば、燃料電池１２の出力電圧がＶ３に設定され（ステップＳ５１７）、燃料電池１２の温度Ｔが目標温度（通常運転温度）に達したか否かが判断される（ステップＳ５１９）。温度Ｔが目標温度に達していなければステップＳ５１１に進み、達していればリターンし燃料電池システム１０は通常運転に入る。この実施形態では、Ｔ１＝５０℃、Ｔ２＝６０℃、目標温度＝６５℃である。また、電圧Ｖ１，Ｖ２およびＶ３に対応する単セル電圧は、通常モードではそれぞれ０．５０Ｖ，０．４０Ｖおよび０．３５Ｖであり、低消費モードではそれぞれ０．４０Ｖ，０．３５Ｖおよび０．２５Ｖである。燃料電池１２の出力電圧を下げていくことによって、二次電池１０８への充電電流を大きくできる。

このように、低消費モードで起動する場合には、燃料電池１２の出力電圧が二次電池１０８の電圧以上になればたとえ燃料電池１２が所定温度に達していなくても、燃料電池１２の無負荷運転を解除し燃料電池１２の出力電圧をＶ１に設定する。これによって、無負荷運転の時間を短くでき目標温度までの昇温時間を短縮できる。

図２３（ａ）に、通常モードにおける燃料電池１２の温度および燃料電池１２の出力電圧を示し、図２３（ｂ）に、低消費モードにおける燃料電池１２の温度および燃料電池１２の出力電圧を示す。

図２３（ａ）および（ｂ）より、通常モードより低消費モードの方が早く無負荷運転から燃料電池１２の出力電圧がＶ１となる運転へ切り替えることがわかる。これは、上述のように、低消費モードでは燃料電池１２の出力電圧が二次電池１０８の電圧以上になれば、燃料電池１２の出力電圧をＶ１に設定できるからである。通常モードではこの時点では未だ無負荷運転である。

また、低消費モードで起動する場合には、通常モードで起動する場合より同じ燃料電池温度における燃料電池１２からの出力電圧Ｖ１，Ｖ２およびＶ３を小さくする。これによって低消費モードの場合の燃料電池１２からの出力電流を通常モードの場合より大きくでき、二次電池１０８を早く充電できる。また、燃料電池１２の昇温も早くなり、早く通常運転に切り替えることができる。

このような燃料電池システム１０によれば、二次電池１０８の蓄電エネルギーと計算によって求めた閾値とに基づいて、燃料電池システム１０の起動モードを決定し、決定された起動モードに従って燃料電池システム１０を動作させる。これによって、二次電池１０８の蓄電エネルギー（蓄電量）に応じた最適な起動モードを選択でき、燃料電池システム１０の起動に不具合は生じない。

具体的には、二次電池１０８の蓄電量を蓄電エネルギーに換算し、その蓄電エネルギーと、燃料電池システム１０を低消費モードで起動するのに必要な低消費エネルギーそのものである第１閾値と比較する。二次電池１０８の蓄電エネルギーが第１閾値以上であれば燃料電池システム１０を起動する。一方、二次電池１０８の蓄電エネルギーが第１閾値未満であれば燃料電池システム１０を低消費モードであっても起動できないと判断し、燃料電池システム１０の起動を停止する。これによって、不要なエネルギー消費を避けることができる。

また、二次電池１０８の蓄電エネルギーが、燃料電池システム１０を通常モードで起動するのに必要な通常エネルギーそのものである第２閾値以上であれば、燃料電池システム１０を通常モードで起動する。一方、二次電池１０８の蓄電エネルギーが第２閾値未満であれば燃料電池システム１０を低消費モードで起動する。このようにして二次電池１０８の蓄電エネルギーに応じたモードで燃料電池システム１０を起動できる。

さらに、二次電池１０８の蓄電エネルギーが、通常エネルギーと負荷エネルギーとの和そのものである第３閾値以上であれば車両を通常駆動する。一方、二次電池１０８の蓄電エネルギーが第３閾値未満であれば車両を通常駆動以外のモードで駆動する。このように二次電池１０８の蓄電エネルギーに応じて可能な範囲で車両を駆動する。

上述の燃料電池システム１０は二次電池１０８の容量を小さくすることが要求される車両に好適に用いられる。

なお、上述の実施形態では、閾値としてエネルギーを用い、この閾値と二次電池１０８の蓄電エネルギーとを比較した場合について説明したが、これに限定されない。閾値として蓄電量を用い、この閾値と二次電池１０８の蓄電量とを比較するようにしてもよい。この場合には、エネルギーを蓄電量に換算し閾値とすればよい。また、閾値として電圧を用い、この閾値と二次電池１０８の電圧とを比較するようにしてもよく、閾値として電流を用い、この閾値と二次電池１０８を流れる電流とを比較するようにしてもよい。

上述の実施形態では、起動モードを決定するための閾値を計算によって求めたが、つぎのようにしてもよい。たとえば図２４に示すように二次電池１０８の蓄電量について予め３つの閾値Ａ，ＢおよびＣを設定しておき４区分を設ける。この場合には、メインスイッチをＯＮした後、二次電池１０８の蓄電量を検出し、その蓄電量がどの区分に属するかを決定し、属する区分の処理を実行するようにすればよい。

具体的には、蓄電量が閾値Ａ以下であれば、燃料電池システム１０を起動せずかつ車両も駆動しない。蓄電量が閾値Ａを超えかつ閾値Ｂ以下であれば、燃料電池システム１０を低消費モードで起動するが車両は駆動しない。蓄電量が閾値Ｂを超えかつ閾値Ｃ以下であれば、燃料電池システム１０を通常モードで起動しかつ車両を制限的に駆動する。蓄電量が閾値Ｃを超えれば、燃料電池システム１０を通常モードで起動しかつ車両も通常駆動する。

この実施形態によれば、簡単に起動モードを設定できる。

なお、低消費モードでは、ＣＰＵ７２の演算速度を下げて消費電力を抑制するようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、３つの閾値を用い、燃料電池システム１０および車両について４つの動作モードを設けたが、これに限定されない。

たとえば、燃料電池システム１０を通常起動するのに必要な通常エネルギーに対応する閾値Ｄと、燃料電池システム１０を通常モードで起動するのに必要な通常エネルギーと負荷を通常駆動するのに必要な負荷エネルギーとの和に対応する閾値Ｅ（Ｄ＜Ｅ）とを用い、３つの動作モードを設けるようにしてもよい。この場合たとえば、燃料電池１２の蓄電量が閾値Ｄ以下であれば、燃料電池システム１０を起動せずかつ車両も駆動しない。蓄電量が閾値Ｄを超えかつ閾値Ｅ以下であれば、燃料電池システム１０を通常モードで起動しかつ車両を制限的に駆動する。蓄電量が閾値Ｅを超えれば、燃料電池システム１０を通常モードで起動しかつ車両も通常駆動する。なお、閾値Ｄ，Ｅは、燃料電池１２の温度に基づいて計算によって求められてもよいし、予め設定されていてもよい。

さらに、閾値を用いることなく、二次電池１０８の蓄電エネルギーに関するデータに基づいて燃料電池システム１０の起動モードを決定するようにしてもよい。

この発明は、燃料水溶液の昇温にひいては燃料電池の十分な出力が得られるまでに時間がかかる直接メタノール型燃料電池システムに好適に用いられる。

上述の実施形態では、燃料としてメタノール燃料を、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、負荷として自動二輪車を用いる場合について説明したが、これに限定されず、自動二輪車以外の四輪自動車等の自動車両、船舶、航空機等、任意の輸送機器を負荷として用いることができる。

この発明は、改質器搭載タイプの燃料電池システムや水素を燃料電池に供給するタイプの燃料電池システムにも適用できる。また、この発明は、小型の据え付けタイプの燃料電池システムにも適用できる。

この発明が詳細に説明され図示されたが、それは単なる図解および一例として用いたものであり、限定であると解されるべきではないことは明らかであり、この発明の精神および範囲は添付された請求の範囲の文言のみによって限定される。

Claims (21)

1. 負荷に接続される燃料電池システムであって、
   燃料電池、
   前記燃料電池に電気的に接続される二次電池、
   前記二次電池の蓄電エネルギーに関するデータを求める手段、および
   求められた前記二次電池の蓄電エネルギーに関するデータに基づいて、当該燃料電池システムの起動モードを消費エネルギーが異なる複数のモードのうちのいずれかに決定する第１決定手段を備える、燃料電池システム。
2. 当該燃料電池システムの起動モードを決定するための少なくとも１つの閾値を記憶する記憶手段をさらに含み、
   前記第１決定手段は、前記二次電池の蓄電エネルギーに関するデータと前記記憶手段に記憶された前記閾値とに基づいて当該燃料電池システムの起動モードを決定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記閾値は当該燃料電池システムを起動するのに必要なエネルギーに対応する第１閾値を含み、
   前記第１決定手段は、前記二次電池の蓄電エネルギーに関するデータと前記第１閾値とに基づいて当該燃料電池システムを起動するか否かを決定する手段を含む、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記閾値は当該燃料電池システムを通常モードで起動するのに必要な通常エネルギーに対応する第２閾値を含み、
   前記第１決定手段は、前記二次電池の蓄電エネルギーに関するデータと前記第２閾値とに基づいて当該燃料電池システムを通常モードで起動するか低消費モードで起動するかを決定する手段を含む、請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記記憶手段は当該燃料電池システムを通常モードで起動するのに必要な通常エネルギーと前記負荷を通常駆動するのに必要な負荷エネルギーとの和に対応する第３閾値をさらに記憶し、
   前記二次電池の蓄電エネルギーに関するデータと前記第３閾値とに基づいて前記負荷を通常駆動するか否かを決定する第２決定手段をさらに備える、請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池に燃料水溶液が供給されて発電する、請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記負荷の少なくとも１つは輸送機器のモータである、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 燃料電池と、前記燃料電池に電気的に接続される二次電池とを備え、負荷に接続される燃料電池システムの起動方法であって、
   前記二次電池の蓄電エネルギーに関するデータを求め、求められた前記二次電池の蓄電エネルギーに関するデータに基づいて、当該燃料電池システムの起動モードを消費エネルギーが異なる複数のモードのうちのいずれかに決定し、決定されたモードに従って当該燃料電池システムを動作させる、燃料電池システムの起動方法。
9. 前記二次電池の蓄電エネルギーに関するデータと当該燃料電池システムの起動モードを決定するための少なくとも１つの閾値とに基づいて当該燃料電池システムの起動モードを決定する、請求項８に記載の燃料電池システムの起動方法。
10. 前記閾値は当該燃料電池システムを起動するのに必要なエネルギーに対応する第１閾値を含み、
    前記二次電池の蓄電エネルギーに関するデータと前記第１閾値とに基づいて当該燃料電池システムを起動するか否かを決定する、請求項９に記載の燃料電池システムの起動方法。
11. 前記閾値は当該燃料電池システムを通常モードで起動するのに必要な通常エネルギーに対応する第２閾値を含み、
    前記二次電池の蓄電エネルギーに関するデータと前記第２閾値とに基づいて当該燃料電池システムを通常モードで起動するか低消費モードで起動するかを決定する、請求項９に記載の燃料電池システムの起動方法。
12. 当該燃料電池システムを通常モードで起動するのに必要な通常エネルギーと前記負荷を通常駆動するのに必要な負荷エネルギーとの和に対応する第３閾値をさらに用い、
    前記二次電池の蓄電エネルギーに関するデータと前記第３閾値とに基づいて前記負荷を通常駆動するか否かを決定し、決定結果に従って前記負荷を通常駆動するかまたは通常駆動以外のモードで駆動する、請求項９に記載の燃料電池システムの起動方法。
13. 当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、通常モードで起動する場合より前記燃料電池と前記二次電池との接続を解除するか否かを判断するための規定電圧を低く設定し、前記燃料電池の出力電圧と前記規定電圧とに基づいて前記燃料電池と前記二次電池との接続を解除するか否かを判断する、請求項９に記載の燃料電池システムの起動方法。
14. 前記燃料電池に供給する燃料水溶液を収容する水溶液タンクをさらに用い、
    当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、前記水溶液タンク内の水溶液量を制御しない、請求項９に記載の燃料電池システムの起動方法。
15. 当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、通常モードで起動する場合より高濃度の燃料水溶液を前記燃料電池に供給して発電を開始する、請求項９に記載の燃料電池システムの起動方法。
16. 前記燃料電池に供給する燃料水溶液を収容する水溶液タンクをさらに用い、
    当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、前記水溶液タンク内の水溶液量を減じる制御を行わない、請求項９に記載の燃料電池システムの起動方法。
17. 前記燃料電池へ酸素を含む空気を供給するエアポンプをさらに用い、
    当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、通常モードで起動する場合より前記エアポンプの出力を小さくして発電を開始する、請求項９に記載の燃料電池システムの起動方法。
18. 前記燃料電池へ酸素を含む空気を供給するエアポンプ、および前記燃料電池へ燃料水溶液を供給する水溶液ポンプをさらに用い、
    当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、前記エアポンプと前記水溶液ポンプとを交互に駆動する、請求項９に記載の燃料電池システムの起動方法。
19. 当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、前記燃料電池の出力電圧が前記二次電池の電圧以上になったとき当該燃料電池システムを前記負荷に接続する、請求項９に記載の燃料電池システムの起動方法。
20. 当該燃料電池システムを低消費モードで起動する場合には、通常モードで起動する場合より同じ燃料電池温度における前記燃料電池の出力電圧を小さくする、請求項９に記載の燃料電池システムの起動方法。
21. 前記負荷を通常駆動以外のモードで駆動しているとき、前記二次電池の蓄電エネルギーが前記第３閾値に対応するエネルギー以上になれば、前記負荷の駆動を通常駆動に切り替える、請求項１２に記載の燃料電池システムの起動方法。

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