(57)【要約】  燃料電池と、その出力電力を蓄える二次電池とを備えた燃料電池システムを制御する方法であって、前記二次電池の残存容量を検出する工程、前記残存容量の変化率、ただし、増加する方向を正、減少する方向を負と定義する、を求める工程、及び前記燃料電池の運転状態を、前記残存容量及び前記変化率に基づいて、変化させる工程、を含む燃料電池システムの制御方法であり、運転状態を変化させる工程は、例えば、残存容量及び変化率に基づいて、運転状態を複数の発電モードの間で切り替える工程である。
2012081153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池の出力電力を蓄える二次電池と、を備えた燃料電池システムを制御する方法であって、
前記二次電池の残存容量を検出する工程、
前記残存容量の変化率、ただし、増加する方向を正、減少する方向を負と定義する、を求める工程、及び
前記燃料電池の運転状態を、前記残存容量及び前記変化率に基づいて、変化させる工程、を含む燃料電池システムの制御方法。
【請求項２】
前記運転状態を変化させる工程が、前記残存容量及び前記変化率に基づいて、前記運転状態を複数の発電モードの間で切り替える工程である、請求項１記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
前記発電モードを、前記残存容量を少なくとも１つの基準値と比較した比較結果に基づいて、切り替えるとともに、
前記少なくとも１つの基準値を有し、前記燃料電池の運転状態を制御する制御モードを、前記変化率を少なくとも１つの所定値と比較した比較結果に基づいて切り替える、請求項２記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
Ｎ個の前記基準値、ただし、Ｎは１以上の整数、により区分される（Ｎ＋１）個の前記残存容量の範囲に対して、（Ｎ＋１）個の前記発電モードが、それぞれ設定されており、
前記残存容量の小さい範囲ほど、前記発電モードの発電量が大きい、請求項３記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項５】
Ｍ個の所定値、ただし、Ｍは１以上の整数、により区分される（Ｍ＋１）個の前記変化率の範囲に対して、（Ｍ＋１）個の前記制御モードが、それぞれ設定されており、
前記変化率の大きい範囲ほど、前記制御モードが有する前記（Ｎ＋１）個の基準値のそれぞれが順次小さくなる、請求項４記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
前記残存容量を、前記二次電池の電圧に基づいて検出する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
前記二次電池の電圧を、前記二次電池と並列接続したキャパシタの端子電圧に基づいて検出する、請求項６記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項８】
前記運転状態を変化させる工程が、前記燃料電池の運転状態を制御する制御モードを連続的または段階的に変化させる工程であり、前記変化率が正の場合はその絶対値が小さいほど、また、前記変化率が負の場合はその絶対値が大きいほど、発電量が大きくなる発電モードで前記燃料電池が運転される確率が高くなる、請求項１記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
前記残存容量が小さいほど、発電量が大きくなるように、前記発電モードを連続的または段階的に変化させる、請求項８記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
燃料電池と、
前記燃料電池の出力電力を蓄える二次電池と、
前記二次電池の残存容量を検出する残存容量検知部と、
前記残存容量の変化率、ただし、増加する方向を正、減少する方向を負と定義する、を求め、前記残存容量及び前記変化率に基づいて、前記燃料電池の運転状態を、変化させる制御部と、を含む燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御部は、
前記残存容量及び前記変化率に基づいて、前記運転状態を複数の発電モードの間で切り替える、請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御部は、
前記発電モードを、前記残存容量を少なくとも１つの基準値と比較した比較結果に基づいて、切り替えるとともに、
前記少なくとも１つの基準値を有し、前記燃料電池の運転状態を制御する制御モードを、前記変化率を少なくとも１つの所定値と比較した比較結果に基づいて切り替える、請求項１１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
Ｎ個の前記基準値、ただし、Ｎは１以上の整数、により区分される（Ｎ＋１）個の前記残存容量の範囲に対して、（Ｎ＋１）個の前記発電モードが、それぞれ設定されており、
前記残存容量の小さい範囲ほど、前記発電モードの発電量が大きい、請求項１２記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
Ｍ個の所定値、ただし、Ｍは１以上の整数、により区分される（Ｍ＋１）個の前記変化率の範囲に対して、（Ｍ＋１）個の前記制御モードが、それぞれ設定されており、
前記変化率の大きい範囲ほど、前記制御モードが有する前記（Ｎ＋１）個の基準値のそれぞれが順次小さくなる、請求項１３記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記制御部は、
前記変化率が正の場合はその絶対値が小さいほど、また、前記変化率が負の場合はその絶対値が大きいほど、発電量が大きくなる発電モードで前記燃料電池が運転される確率が高くなるように、前記燃料電池の運転状態を制御する制御モードを連続的または段階的に変化させる、請求項１０記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１６】
前記制御部は、
前記残存容量が小さいほど、発電量が大きくなるように、前記発電モードを連続的または段階的に変化させる、請求項１５記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接酸化型燃料電池等の燃料電池と二次電池を具備する燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、二次電池の残存容量に基づいて燃料電池の運転状態を切り替える燃料電池システムのハイブリッド制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、使用される電解質の種類によって、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、及び固体酸化物型燃料電池等に分類される。なかでも固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、作動温度が低く、かつ出力密度が高いことから、車載用電源、及び家庭用コージェネレーションシステム用電源等として実用化されつつある。【０００３】
また、近年、燃料電池を、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、及び携帯情報端末（ＰＤＡ）等の携帯小型電子機器における電源として用いることが検討されている。燃料電池は燃料の補充によって連続発電が可能であることから、燃料電池を充電が必要な二次電池の代わりに用いることで、携帯小型電子機器の利便性を向上させ得るものと期待されている。また、上述したとおり、ＰＥＦＣは作動温度が低い点でも、携帯小型電子機器用の電源として有利である。キャンプなどのアウトドアレジャー用途の電源として燃料電池を実用化する動きも進んでいる。【０００４】
ＰＥＦＣのなかでも直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）は、常温で液体の燃料を使用し、この燃料を水素に改質することなく、直接的に酸化して電気エネルギーを取り出す。このため、直接酸化型燃料電池は、改質器を備える必要がなく、小型化が容易である。直接酸化型燃料電池のなかでも、燃料としてメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、エネルギー効率及び発電出力が他の直接酸化型燃料電池よりも優れており、携帯小型電子機器用の電源として、最も有望視されている。【０００５】
ＤＭＦＣのアノード及びカソードでの反応を、下記反応式（１１）及び（１２）にそれぞれ示す。カソードに導入される酸素は、一般に、大気中から取り入れられる。
アノード：  ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-       （１１）
カソード：  （３／２）Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ      （１２）【０００６】
ＤＭＦＣ等の固体高分子型燃料電池は、一般に、複数のセルを積層して構成される。各セルは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を間に挟むように配されたアノード及びカソードとを含んでいる。アノード及びカソードは、ともに触媒層及び拡散層を含んでおり、例えばＤＭＦＣのアノードには、燃料であるメタノールが供給され、カソードには酸化剤である空気が供給される。【０００７】
アノードに燃料を供給する燃料流路は、例えば、アノード拡散層と接するように配されるアノード側セパレータのアノードとの接触面に、蛇行する溝を形成して構成される。同様に、カソードに空気を供給する空気流路は、例えば、カソード拡散層と接するように配されるカソード側セパレータのカソードとの接触面に、蛇行する溝を形成して構成される。【０００８】
現在、ＤＭＦＣ等の直接酸化型燃料電池において解決すべき技術的課題としては、アノードに供給された燃料（例えばメタノール）が高分子電解質膜を透過し、カソードに到達して、酸化される現象を抑制することが挙げられる。上記現象は、メタノールクロスオーバー（ＭＣＯ）と呼ばれ、燃料の利用効率を低下させる原因となっている。さらに、カソードでの燃料の酸化反応は、カソードで通常生じる酸化剤（酸素）の還元反応と競合し、カソードの電位を低下させる。このため、ＭＣＯは、発電電圧の低下、及び発電効率の低下の原因ともなっている。【０００９】
燃料電池には、反応物質を外部から供給する必要がある。そのため、急激に負荷の大きさが変動するような用途に対しては、燃料電池を二次電池やキャパシタなどの蓄電装置とハイブリッド化してシステムを構成することが一般的である。中でもエネルギー密度の大きな二次電池、具体的にはニッケルカドミウム二次電池、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池などが蓄電装置として有望である。特にリチウムイオン二次電池は、最もエネルギー密度が高く、長期保存性も高いことから、携帯機器用の燃料電池システムの蓄電装置として最も有望である。ただし、一般的にこのような二次電池は、適切な残存容量範囲で充放電することが望ましく、適切な残存容量範囲を外れると、過充電または過放電よる劣化が顕著になりやすい。【００１０】
そこで、特許文献１は、二次電池の容量を検知して、それに応じて燃料電池の出力指令値を設定し、これに基づいて燃料電池を動作させることを提案している。この提案では、二次電池の容量に応じて、燃料電池の出力や、起動と停止が指示される。しかし、頻繁に燃料電池の起動と停止を繰り返したり、出力を変化させたりすることは、燃料電池の発電効率を考慮すると、必ずしも優れた方策でない。特に出力変動による発電効率の低下は、燃料のクロスオーバーが起りやすい直接酸化型燃料電池において顕著である。なぜなら、燃料電池の発電電流と燃料の供給量を比較したときの過不足によって、燃料のクロスオーバー量が変化するためである。【００１１】
燃料ストイキオ比が大きくなるほど、燃料のクロスオーバー量が増加し、燃料の利用効率が低下するため、発電効率も低下することが一般的に知られている。燃料の供給量が必要量に比べて過剰であるほど、アノードと高分子電解質膜の界面での燃料濃度が増加するため、電解質膜内部の濃度勾配が大きくなり、電解質膜内の燃料の拡散速度が増加する。なお、燃料ストイキオ比とは、例えば、式（１１）に基づいて、発電電流に相当する燃料量を計算し、その値を分母としたとき、実際の燃料供給量を分子とした化学量論比である。【００１２】
ただし、燃料ストイキオ比を極端に小さくすると、燃料電池の電極内部での燃料濃度の低下が顕著になり、濃度過電圧によって燃料電池の発電電圧が低下し、出力も低下する。よって、高い発電効率を得るためには、適切な燃料ストイキオ比を選択する必要がある。【００１３】
つまり、燃料電池の出力を変化させるためには、まず燃料電池の発電電流を変化させる必要がある。次に、その発電電流に、設定された燃料ストイキオ比を乗じて、燃料供給量の設定値を決定し、燃料供給量を設定値まで変化させる必要がある。そのとき、電流値や燃料供給量の変更は瞬時に行うことができるが、実際の電極内部の燃料濃度の変化には時間的な遅れを生じる。例えば、燃料電池の出力を減少させる場合、電流値や燃料供給量を減少させたとしても、アノード側セパレータに形成された流路やアノードの拡散層には燃料の蓄積がある。そのため、燃料の消費量に比べて燃料が過剰となり、アノードと電解質膜の界面で燃料濃度が増加する。結果として、燃料のクロスオーバー量が増加する。逆に、出力を増加させる場合、燃料不足による濃度過電圧が増加することを防止するために、予め燃料供給量を増加させ、次に電流値を増加させる必要がある。そのタイムラグの間は、アノードに燃料が過剰に供給されるため、燃料のクロスオーバー量が増加する。【００１４】
特許文献２は、上記のような出力変化の過渡状態での発電効率の低下を防止するために、燃料電池の出力制御を複数の発電モードに限定することを提案している。具体的には、二次電池の残存容量に応じて、発電モードを切り替えることによって、燃料電池の出力の切り替え頻度を低減している。これにより、燃料電池の発電効率を高く維持しながら、二次電池の寿命を伸長させることが期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開2002-34171号公報
【特許文献２】特開2005-38791号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、特許文献２の提案では、必ずしも二次電池の寿命を伸長させることができるとは云えない。その理由について、アウトドアレジャーでの使用を想定した燃料電池システムを例に挙げて説明する。【００１７】
キャンピングカーの補助電源として燃料電池システムを使用する場合、常時使用される電気機器としては、冷蔵庫、照明、換気などが挙げられ、それらの消費電力の合計は１００Ｗ未満である。一方、少ない頻度ではあるが、電子レンジ、コーヒーメーカー、衛星テレビシステムといった１５０〜８００Ｗの高消費電力の機器が使用される。【００１８】
上記のような使用形態に対応する場合、燃料電池システムは、例えば、燃料電池の出力を１００Ｗに設定して低消費電力の機器に電力を供給し、高消費電力の機器には、システムが内蔵する高出力の二次電池から電力を供給する。高消費電力の機器は、数分から長くても１時間程度の範囲で使用される。そのため、システムを小型かつ軽量にしてポータブルな燃料電池システムの可搬性を向上させるには、二次電池の容量を必要最低限とすることが望まれる。【００１９】
しかし、特許文献２の提案では、高消費電力の機器を使用することにより、急激に二次電池の残存容量が低下していく場合に、適切に発電モードを切り替えることが困難である。これは、二次電池の残存容量が予め設定された閾値を下回るまでは、燃料電池の発電モードを変更することができないからである。結果として、高消費電力の機器を接続したときに、二次電池の残存容量が著しく低下したり、残存容量の低下を補うための充電が高頻度で行われたりするため、充放電の頻度が高くなり、二次電池の劣化を早めることになる。【００２０】
そこで、本発明は、燃料電池の発電効率を高め、かつ二次電池の寿命を伸長させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、残存容量だけでなく、残存容量の変化率を求めて、燃料電池の発電モードを、残存容量及び残存容量の変化率に基づいて切り替えることを提案する。
すなわち、本発明の一局面は、燃料電池と、その出力電力を蓄える二次電池とを備えた燃料電池システムを制御する方法であって、前記二次電池の残存容量を検出する工程、前記残存容量の変化率、ただし、増加する方向を正、減少する方向を負と定義する、を求める工程、及び前記燃料電池の運転状態を、前記残存容量及び前記変化率に基づいて、変化させる工程、を含む燃料電池システムの制御方法、に関する。【００２２】
本発明の他の一局面は、燃料電池と、前記燃料電池の出力電力を蓄える二次電池と、前記二次電池の残存容量を検出する残存容量検知部と、前記残存容量の変化率、ただし、増加する方向を正、減少する方向を負と定義する、を求め、前記残存容量及び前記変化率に基づいて、前記燃料電池の運転状態を、変化させる制御部と、を含む燃料電池システム、に関する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、高いエネルギー変換効率と長寿命を有する燃料電池システムを提供することができる。
本発明の新規な特徴を添付の請求の範囲に記述するが、本発明は、構成および内容の両方に関し、本願の他の目的および特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明によりさらによく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムに含まれる燃料電池の要部を拡大した断面図である。
【図２】同上の直接酸化型燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図３】直接酸化型燃料電池の電流と電圧の関係および電流と出力の関係を示す図である。
【図４ａ】従来の直接酸化型燃料電池システムの残存容量変化率と発電モードを変更する基準値となる閾値との関係を示す図である。
【図４ｂ】本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムの残存容量変化率と発電モードを変更する基準値となる閾値との関係を示す図である。
【図５】発電モードの切り替え手順を示す図である。
【図６】実際のアプリケーションの負荷パターンを模擬した、時間と負荷の消費電力との関係を示す図である。
【図７ａ】パターンＡの負荷パターンを使用して初期残存容量４０％の燃料電池システムを稼動させたときの二次電池の残存容量の推移を示す図である。
【図７ｂ】パターンＡの負荷パターンを使用して初期残存容量７０％の燃料電池システムを稼動させたときの二次電池の残存容量の推移を示す図である。
【図８ａ】パターンＢの負荷パターンを使用して初期残存容量４０％の燃料電池システムを稼動させたときの二次電池の残存容量の推移を示す図である。
【図８ｂ】パターンＢの負荷パターンを使用して初期残存容量７０％の燃料電池システムを稼動させたときの二次電池の残存容量の推移を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の一局面は、燃料電池と、その出力電力を蓄える二次電池とを備えた燃料電池システムの制御方法に関する。この制御方法は、（i）二次電池の残存容量を検出する工程、（ii）残存容量の変化率、ただし、増加する方向を正、減少する方向を負と定義する、を求める工程、及び（iii）燃料電池の運転状態を、残存容量及び前記変化率に基づいて、変化させる工程、を含む。
【００２６】
上記制御方法に適した燃料電池システムは、例えば、燃料電池と、燃料電池の出力電力を蓄える二次電池と、二次電池の残存容量を検出する残存容量検知部と、残存容量の変化率、ただし、増加する方向を正、減少する方向を負と定義する、を求め、前記残存容量及び前記変化率に基づいて、燃料電池の運転状態を、変化させる制御部と、を含む。
【００２７】
前記運転状態を変化させる工程は、例えば、前記残存容量及び前記変化率に基づいて、前記運転状態を複数の発電モードの間で切り替える工程である。
このような制御方法およびシステムでは、例えば、前記発電モードを、前記残存容量を少なくとも１つの基準値（以下、容量閾値）と比較した比較結果に基づいて切り替えるとともに、前記少なくとも１つの基準値を有する制御モードを、前記変化率を少なくとも１つの所定値（以下、変化率閾値）と比較した比較結果に基づいて切り替える。
【００２８】
なお、発電モードは、燃料電池の発電量の指標であり、一つの発電量または所定範囲内の発電量に対して、一つの発電モードが対応する。制御モードは、二次電池の残存容量（ｘ）に応じて、燃料電池の発電モードを変化させる制御パターンである。一つの制御モードは、固有のY＝ｆ（ｘ）の関係を有する。
なお、発電量は出力電力（Ｗ）と同義である。
【００２９】
すなわち、燃料電池の運転は、それぞれ少なくとも１つの容量閾値を有する複数の制御モードにより制御される。複数の制御モードは、二次電池の残存容量の変化率により切り替えられる。二次電池の残存容量の変化率は、負荷による消費電力を反映しているため、残存容量の変化率により制御モードを切り替えることで、消費電力の状況に応じた、適切な制御モードを選択することが可能となる。
【００３０】
上記の場合、燃料電池システムが具備する制御部は、前記発電モードを、前記残存容量を少なくとも１つの基準値（容量閾値）と比較した比較結果に基づいて、切り替えるとともに、前記少なくとも１つの基準値を有する制御モードを、前記変化率を少なくとも１つの所定値（変化率閾値）と比較した比較結果に基づいて切り替える制御を行う。
【００３１】
上記制御方法によれば、燃料電池として直接酸化型燃料電池を用いる場合に、特に高いエネルギー変換効率が得られる。また、二次電池としてリチウムイオン二次電池を用いる場合に、長寿命化の効果が大きくなる。すなわち、上記制御方法は、直接酸化型燃料電池（特に直接メタノール型燃料電池）とリチウムイオン二次電池を具備する燃料電池システムに最も適している。
【００３２】
ただし、燃料電池および二次電池の種類は、特に限定されるわけではなく、高いエネルギー変換効率と長寿命の効果が得られる限り、どのような燃料電池と二次電池を用いてもよい。例えば、燃料クロスオーバーが発生する燃料電池を用いる場合には、エネルギー変換効率の改善効果を得ることができる。
【００３３】
上記制御方法およびシステムでは、例えば、Ｎ個の容量閾値（Ｎは１以上の整数）により区分される（Ｎ＋１）個の残存容量の範囲に対して、（Ｎ＋１）個の発電モードが、それぞれ設定される。ただし、二次電池の残存容量の小さい範囲ほど、燃料電池の発電量が大きくなるように発電モードを設定することが好ましい。
【００３４】
例えば、N＝２の場合、複数の制御モードは、それぞれ２個の容量閾値を有する。この場合、二次電池の残存容量の範囲は、高容量範囲、中容量範囲および低容量範囲の３つの範囲に区分される。そして、二次電池の残存容量がどの範囲に含まれるかによって、燃料電池の発電モードが決定される。例えば二次電池の残存容量が低容量範囲に該当する場合、低容量範囲に割り当てられた、最も発電量の大きい発電モードで燃料電池が運転される。Ｎは１以上の整数であればよく、例えば１、２、３、４などの数値が選択される。
【００３５】
また、上記制御方法およびシステムでは、例えば、Ｍ個の変化率閾値（Ｍは１以上の整数）により区分される（Ｍ＋１）個の残存容量の変化率の範囲に対して、（Ｍ＋１）個の制御モードが、それぞれ設定される。ただし、残存容量の変化率の大きい範囲ほど、対応する制御モードが有する（Ｎ＋１）個の容量閾値がそれぞれ小さくなるように設定することが好ましい。このような設定にすることで、変化率が小さいほど、すなわち変化率が正の場合はその絶対値が小さいほど、また、変化率が負の場合はその絶対値が大きいほど、発電量が大きくなる発電モードで燃料電池が運転される確率を高くすることができる。
【００３６】
例えば、Ｍ＝２、すなわち変化率閾値が２個である場合、変化率の範囲は、高率範囲、中率範囲および低率範囲の３つの範囲に区分される。３つの範囲には、それぞれ対応する制御モードが割り当てられる。ここで、Ｎ＝２の場合、各制御モードは２個の容量閾値を有している。高率範囲に割り当てられた制御モードは、２つの容量閾値Ｃhigh-1およびＣhigh-2（Ｃhigh-1＞Ｃhigh-2）を有する。中率範囲に割り当てられた制御モードは、２つの容量閾値Ｃmiddle-1およびＣmiddle-2（Ｃmiddle-1＞Ｃmiddle-2）を有する。低率範囲に割り当てられた制御モードは、２つの容量閾値Ｃlow-1およびＣlow-2（Ｃlow-1＞Ｃlow-2）を有する。これらの容量閾値はＣhigh-1＜Ｃmiddle-1＜Ｃlow-1かつＣhigh-2＜Ｃmiddle-2＜Ｃlow-2を満たすように設定される。Ｍは１以上の整数であればよく、例えば１、２、３、４などの数値が選択される。
【００３７】
制御部は、Ｎ個の容量閾値と（Ｎ＋１）個の発電モードとの関係およびＭ個の変化率閾値と（Ｍ＋１）個の制御モードとの関係を用いて、二次電池の残存容量およびその変化率に応じた演算を行い、適切な発電モードを選択する。なお、上記の容量閾値と発電モードとの関係および変化率閾値と制御モードとの関係は、容量範囲と、変化率の範囲と、発電モードとの関係として、例えば制御部の所定の格納部に記憶される。この場合、制御部は、基本的に下記式に基づいて発電モードを選択する。
【００３８】
ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）
ただし、ｚは燃料電池の発電モード、ｘは二次電池の残存容量、ｙは二次電池の残存容量の変化率
【００３９】
前記運転状態を変化させる工程は、燃料電池の運転状態を制御する制御モードを連続的または段階的に変化させる工程であってもよい。この場合、前記変化率が小さいほど、すなわち変化率が正の場合はその絶対値が小さいほど、また、変化率が負の場合はその絶対値が大きいほど、発電量が大きくなる発電モードで燃料電池が運転される確率が高くなるように、制御モードを変化させればよい。また、発電モードは、前記残存容量が小さいほど、発電量が大きくなるように、連続的に変化させてもよく、段階的に変化させてもよい。
この場合においても、燃料電池の発電量（ｚ）は、二次電池の残存容量（ｘ）およびその変化率（ｙ）の関数であり、ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）の関係を有する。ただし、ｚは燃料電池の発電モード、ｘは二次電池の残存容量、ｙは二次電池の残存容量の変化率である。
【００４０】
二次電池の残存容量は、どのような方法で検出してもよいが、例えば二次電池の電圧に基づいて検出することができる。二次電池の電圧は、二次電池の端子間電圧を直接検出してもよく、二次電池と並列接続したキャパシタの端子電圧に基づいて検出してもよい。
【００４１】
二次電池の数は１個だけでもよく、複数でもよい。例えば複数の二次電池を並列接続した高容量の電池群を用いてもよく、更にこのような電池群を直列接続した高電圧の組電池を用いてもよい。複数の二次電池が並列または直列に接続された電池群もしくは組電池を用いる場合、残存容量は、個々の二次電池について測定して、これらを合算してもよく、電池群もしくは組電池の端子電圧を測定してもよい。
【００４２】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムに含まれる燃料電池の要部を拡大して、断面図により示す。図２には、燃料電池システムの概略構成を示す。
【００４３】
始めに、図１を参照して、燃料電池の構造を説明する。燃料電池は、一般に、２以上のセルを電気的に直列に接続するように積層したセルスタックを含んでいる。本実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池も２以上のセルを含んでいるが、図２には、１つのセルの構造の一例を示す。
【００４４】
図示例のセル２１は、直接メタノール型燃料電池のセルであり、高分子電解質膜２２と、高分子電解質膜２２を間に挟むように配置されたアノード２３及びカソード２４を含んでいる。高分子電解質膜２２は、水素イオン伝導性を有している。アノード２３には、燃料であるメタノールが供給される。カソード２４には、酸化剤である空気が供給される。アノード２３、カソード２４およびこれらの間に介在する高分子電解質膜２２の組み合わせは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極接合体）と呼ばれる。
【００４５】
アノード２３、高分子電解質膜２２及びカソード２４の積層方向において、アノード２３の上にはアノード側セパレータ３３が積層され、アノード側セパレータの更に上には端板３６Ａが配置されている。また、カソード２４の上（図では下方向）にはカソード側セパレータ３４が積層され、カソード側セパレータ３４の更に上には端板３６Ｂが配置されている。なお、セル２１が２以上積層される場合には、端板３６Ａ及び３６Ｂはセル毎に設けられず、セルスタックの積層体の両端に１つずつ配置される。
【００４６】
さらに、アノード側セパレータ３３と高分子電解質膜２２の周縁部との間には、アノード２３を囲むようにガスケット３５Ａが配置され、カソード側セパレータ３４と高分子電解質膜２２の周縁部との間には、カソード２４を囲むようにガスケット３５Ｂが配置されている。ガスケット３５Ａ及び３５Ｂは、それぞれ、燃料及び酸化剤がアノード２３及びカソード２４から外部に漏れるのを防止する。
【００４７】
２つの端板３６Ａ及び３６Ｂは、図示しないボルト及びバネ等により、各セパレータとＭＥＡとを加圧するように締結されて、セル２１が構成されている。ＭＥＡと、アノード側セパレータ３３及びカソード側セパレータ３４との界面は接着性に乏しい。そのため、上記のようにして、各セパレータとＭＥＡとを加圧することにより、ＭＥＡと各セパレータとの接着性を高めることができる。その結果、ＭＥＡと各セパレータとの間の接触抵抗を低減させることができる。
【００４８】
アノード２３は、アノード触媒層２５及びアノード拡散層２８を含む。アノード触媒層２５は、高分子電解質膜２２に接している。アノード拡散層２８は、撥水処理が施されたアノード多孔質基材２７、及びその表面に形成された、撥水性の高い材料からなるアノード撥水層２６を含む。アノード撥水層２６及びアノード多孔質基材２７は、この順番で、アノード触媒層２５の高分子電解質膜２２と接している面とは反対側の面に積層されている。
【００４９】
カソード２４は、カソード触媒層２９及びカソード拡散層３２を含む。カソード触媒層２９は、高分子電解質膜２２のアノード触媒層２５が接している面とは反対側の面に接している。カソード拡散層３２は、撥水処理が施されたカソード多孔質基材３１、及びその表面に形成された、撥水性の高い材料からなるカソード撥水層３０を含む。カソード撥水層３０及びカソード多孔質基材３１は、この順番で、カソード触媒層２９の高分子電解質膜２２と接している面とは反対側の面に積層されている。
【００５０】
高分子電解質膜２２、アノード触媒層２５及びカソード触媒層２９からなる積層体は、燃料電池の発電を担っており、ＣＣＭ（Catalyst Coated Membrane）と呼ばれている。ＭＥＡは、ＣＣＭと、アノード拡散層２８及びカソード拡散層３２とからなる積層体である。アノード拡散層２８及びカソード拡散層３２は、アノード２３及びカソード２４に供給される燃料及び酸化剤の均一な分散を担うとともに、生成物である水及び二酸化炭素の円滑な排出を担っている。
【００５１】
アノード側セパレータ３３は、アノード多孔質基材２７との接触面に、アノード２３に燃料を供給するための燃料流路３８を有している。燃料流路３８は、例えば、上記接触面に形成され、アノード多孔質基材２７に向かって開口する凹部ないしは溝から構成される。
【００５２】
カソード側セパレータ３４は、カソード多孔質基材３１との接触面に、カソード２４に酸化剤（空気）を供給するための空気流路４０を有している。空気流路４０もまた、例えば、上記接触面に形成され、カソード多孔質基材３１に向かって開口する凹部ないしは溝から構成される。
【００５３】
アノード側セパレータ３３の燃料流路３８およびカソード側セパレータ３４の空気流路４０は、例えば、セパレータの表面を溝状に切削することにより形成することができる。また、燃料流路３８および空気流路４０は、セパレータ自体を射出成形、圧縮成形等の手法により成形するときに形成することもできる。
【００５４】
アノード触媒層２５は、上述の反応式（１１）に示す反応を促進するためのアノード触媒粒子と、アノード触媒層２５と高分子電解質膜２２との間のイオン伝導性を確保するための高分子電解質とを含む。アノード触媒層２５に含まれる高分子電解質としては、例えば、パーフルオロスルホン酸／ポリテトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｈ+型）、及びアミノ化ポリエーテルスルホン（ＯＨ-型）等が挙げられる。
【００５５】
アノード触媒粒子は、カーボンブラック等の導電性炭素粒子の担体に担持させることができる。アノード触媒粒子には、白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）とを含む合金、またはＰｔとＲｕの混合物を使用することができる。アノード触媒粒子の活性点を増加させ、反応速度を向上させるために、アノード触媒粒子はできる限り小さくして使用することが好ましい。アノード触媒粒子の平均粒径は、１〜２０ｎｍとすることができる。
【００５６】
カソード触媒層２９は、上述の反応式（１２）に示す反応を促進するためのカソード触媒粒子と、カソード触媒層２９と高分子電解質膜２２とのイオン伝導性を確保するための高分子電解質とを含む。カソード触媒層２９に含まれる高分子電解質としては、アノード触媒層２５に含まれる高分子電解質として例示した材料を用いることができる。
【００５７】
カソード触媒粒子は、そのまま用いてもよいし、カーボンブラック等の導電性炭素粒子の担体に担持させてもよい。カソード触媒粒子としては、例えば、Ｐｔ単体およびＰｔ合金が挙げられる。Ｐｔ合金としては、Ｐｔと、コバルト、鉄等の遷移金属との合金が挙げられる。
【００５８】
高分子電解質膜２２の構成材料としては、高分子電解質膜２２がイオン伝導性を有していれば特に限定されない。このような材料としては、たとえば、当該分野で公知の各種高分子電解質材料を用いることができる。なお、現在、流通している高分子電解質膜は、主として、水素イオン伝導タイプの電解質膜である。
【００５９】
高分子電解質膜２２の具体例としては、フッ素系高分子膜等が挙げられる。フッ素系高分子膜の具体例としては、例えば、パーフルオロスルホン酸／ポリテトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）等のパーフルオロスルホン酸ポリマーを含有する高分子膜が挙げられる。パーフルオロスルホン酸ポリマーを含有する膜の具体例としては、たとえば、ナフィオン膜（商品名「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」、デュポン社製）等が挙げられる。
【００６０】
なお、高分子電解質膜２２は、燃料電池に用いられる燃料（メタノール等）のクロスオーバーを低減する効果を有していることが好ましい。このような効果を有する高分子電解質膜としては、上記フッ素系高分子膜のほかに、例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＥＫ）等のフッ素原子を含まない炭化水素系ポリマーを含む膜、無機物と有機物との複合膜等が挙げられる。
【００６１】
アノード多孔質基材２７およびカソード多孔質基材３１に用いられる多孔質基材としては、例えば、炭素繊維を含むカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン不織布（カーボンフェルト）、耐腐食性を有する金属メッシュ、発泡金属等が挙げられる。
【００６２】
アノード撥水層２６及びカソード撥水層３０に用いられる高撥水性材料としては、例えば、フッ素系高分子、フッ化黒鉛等が挙げられる。フッ素系高分子としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。
【００６３】
アノード側セパレータ３３及びカソード側セパレータ３４は、例えば、黒鉛等のカーボン材料を用いて形成される。セパレータは、セル間の化学物質の流通を防止する隔壁の役割を果たすとともに、セル間の電子伝導を担い、各セルを直列に接続する役割を果たしている。
【００６４】
ガスケット３５Ａ及び３５Ｂの構成材料としては、例えば、ＰＴＦＥ、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）等のフッ素系高分子、フッ素ゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）等の合成ゴム、シリコーンエラストマー等が挙げられる。例えば、ＰＴＦＥ等からなるシートの中央部分に、アノードおよびカソードを収容するための開口部を設けることにより、ガスケットを構成することができる。
【００６５】
直接酸化型燃料電池が発生する電圧は、単位セルあたり、０．３〜０．５Ｖである。複数のセルを積層し、それらのセルを電気的に直列に接続することで、燃料電池スタックの出力電圧は、単位セルあたりの出力電圧とセル積層数の積となる。一般的には、セルの積層数を著しく多くすることは、燃料電池スタックの部品点数や組立工数を増加させ、製造原価を増加させる。そこで、燃料電池スタックが発生する電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９によって昇圧されて、電気機器に供給されるか、交流を発生するインバータに供給される。
【００６６】
次に、図２を参照して、本発明の燃料電池システムの構成を説明する。
図示例の燃料電池システムは、燃料電池スタック１、アノードに燃料を供給する燃料供給装置２、カソードに空気を供給する空気供給装置３、燃料供給装置に燃料を供給する燃料タンク４、アノードおよびカソードからの排液を貯留する液回収部５、燃料電池システム１を冷却する冷却装置６、システム全体の運転状態を制御する制御部７、燃料電池スタックの出力電力を蓄える二次電池８、ＤＣ−ＤＣコンバータ９、二次電池の残存容量を検知する残存容量検知部１０を備えている。燃料電池システムは、図示しないが、ＤＣ−ＤＣコンバータ９と電気機器との間に、交流電力を出力するためのインバータを備えてもよい。
【００６７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ９の入力端子は、燃料電池スタック１に接続されており、出力端子は、図示しない電気機器に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ９の出力端子は、二次電池８とも接続されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ９を介して送られてくる燃料電池スタック１の出力のうち、電気機器に送られない電力を蓄電する。二次電池８に蓄電された電力は、必要に応じて、負荷機器に送られる。
【００６８】
ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、制御部７の命令に応じて、燃料電池スタック１の出力を、所望の電圧に変換する。具体的には、制御部７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９を介して、燃料電池スタック１の出力を二次電池８の充放電に適するように制御する。二次電池の充放電は、電気機器が要求する電力や二次電池の残存容量に応じて、制御部７により制御される。二次電池の残存容量は、充放電により逐次変化する。
【００６９】
二次電池の残存容量は、残存容量検知部１０により検知される。制御部７は、検知された残存容量およびその変化率を求め、これらの値に基づいて、燃料電池スタックの出力を、複数の発電モードの間で切り替える制御を行う。具体的には、二次電池の残存容量およびその変化率に応じて、燃料供給装置２および空気供給装置３の出力を変化させるとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ９を制御して出力電圧を変化させる。これにより、燃料電池スタックの発電モードが変更される。
【００７０】
制御部７には、演算装置、記憶装置（メモリ）、本発明の制御を行うためのソフトウエアや種々のロジック開路などにより構成することができる。演算装置には、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）などを用いることができる。一般的には、パソコン（ＰＣ）やマイクロコンピュータを制御部として利用することができる。
【００７１】
燃料供給装置２および空気供給装置３には、様々なフィードポンプを用いることができる。例えば、圧電素子とダイアフラムを利用したマイクロポンプなどが挙げられる。
【００７２】
燃料タンク４は、燃料であるメタノールまたはメタノール水溶液を貯蔵している。燃料タンク４に貯蔵された燃料は、燃料供給装置２により燃料電池スタック１のアノード２３に送られる。燃料電池スタック１に送られる燃料は、直接燃料電池スタック１に送られる場合もあるが、通常は、液回収部５から供給される回収液と混合され、希釈された状態で、燃料電池スタック１に送られる。メタノールを希釈する理由は、高濃度のメタノールがアノード２３に供給されると、メタノールクロスオーバー（ＭＣＯ）が顕著となるからである。
【００７３】
ここで、燃料ストイキオＦstoは、アノードに供給された燃料量を、発電電流値の燃料換算量、つまり実際に発電に使用された燃料量で除して得られる係数であり、下記式（１）により求めることができる。
Ｆsto＝（Ｉ１＋Ｉ２）／Ｉ１               （１）
ただし、Ｉ１：発電電流、Ｉ２：未消費の燃料量とＭＣＯの燃料量との和の電流換算値、である。
【００７４】
制御部７は、計測された燃料電池スタックの発電電流値の情報と、設定された燃料ストイキオＦstoを元に、燃料供給量（Ｉ１＋Ｉ２の燃料換算値）を求める。更に、アノード２３に供給される燃料濃度を考慮して、燃料供給装置２が上記の求められた燃料供給量で燃料を供給できるように、燃料供給装置２に制御信号を送る。
【００７５】
また、燃料利用率Ｆutiは、下記式（２）により求めることができる。
Ｆuti＝Ｉ１／（Ｉ１＋ＩMCO）                     （２）
ただし、ＩMCO：ＭＣＯに対応する燃料量の電流換算値、である。
【００７６】
燃料電池スタック１に送られた燃料のうち、Ｉ２に対応する余剰の燃料は、燃料電池スタック１において消費されることなく、液回収部５を経由して、再び燃料電池スタック１に供給される。ただし、燃料ストイキオＦstoを十分小さく設定した場合には、Ｉ２に対応する余剰の燃料量は非常に小さいため、燃料電池スタック１から排出される液体に含まれる燃料量は非常に小さい。このときは、燃料タンク４から供給される燃料と、液回収部５から供給される微量の燃料を含んだ水とを、混合タンク（図示せず）において混合する。このような混合は、燃料供給装置２の内部に備えられた混合部で行われる場合もある。
【００７７】
一方、酸化剤である空気は、空気供給装置３により、空気配管を経由して、燃料電池スタック１のカソード２４に送られる。カソード２４では水が生成される。生成された水の一部は、液回収部５に回収されて、液体の水として貯蔵され、燃料の希釈に利用される。余剰の水は、水蒸気として、カソード２４に供給された空気とともに、液回収部５に配置された気液分離膜により分離され、液回収部５から外部に排出される。発電によってアノード２３で生成される二酸化炭素も、気液分離膜により分離され、液回収部５から外部に放出される。
【００７８】
液回収部５は、例えば、上部に開口部を有する容器で形成され、開口部を図示しない気液分離膜により塞ぐようにして構成される。気液分離膜は、液体である水および未使用燃料と、気体である空気、水蒸気および二酸化炭素とを分離する。液回収器５は蓄積された水の量を検知するためのセンサを有することが好ましい。
【００７９】
液量の情報は制御部７へ送られる。長時間の連続運転によって水が過剰に蓄積されると、制御部７は、空気供給装置３の出力を増大させることにより、液回収部５の内部に空気を流通させて、水蒸気として外部に逸散させる水量を増加させる。逆に、液回収器５の水が不足した場合には、冷却装置６をフルに運転させて、燃料電池スタック１の温度あるいは液回収部５の温度を低下させ、液回収部５から逸散する水蒸気の量を低減させる。このように、液回収部５は、制御部７、空気供給装置３、冷却装置６と連携しながら、システム内の水量をコントロールするバッファーの役割を果たす。
【００８０】
冷却装置６は、例えば送風機から構成される。送風機は、シロッコファン、ターボファン、軸流ファン、クロスフローファン等のファン類でもよく、遠心ブロア、軸流ブロア、及び容積ブロア等のブロア類でもよく、ファンモータでもよい。
【００８１】
二次電池８には、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、リチウムイオン二次電池などを用いることができる。これらのうちでは、リチウムイオン二次電池が高出力かつ高エネルギー密度である点で、特に本発明の燃料電池システムに適している。複数の二次電池が並列または直列に接続された電池群もしくは組電池を用いてもよい。一般的な直流出力電圧は、１２Ｖまたは２４Ｖであるため、例えばリチウムイオン電池であれば、４セルあるいは７セルを直列に接続した組電池が使用される。また、必要な容量に応じて複数のセルが並列に接続される。
【００８２】
残存容量検知部１０は、例えば、二次電池の電圧を計測する電圧計を具備し、かつ二次電池の電圧と残存容量との関係を記憶している。残存容量検知部１０は、二次電池の電圧を検知し、当該電圧に対応する残存容量を求める。その際、残存容量検知部１０は制御部７と協働的に動作して残存容量を求めてもよい。電池残量検知部１０によって検知された残存容量は、制御部７に送られる。制御部７は、残存容量の情報から残存容量の変化率を算出し、それらの情報に基づいて燃料電池スタック１の出力を制御する。二次電池の電圧としては、開回路電圧を測定してもよく、比較的小さな負荷を接続した状態での閉回路電圧を測定してもよい。また、各セルの電圧を測定してもよく、組電池全体の電圧を測定してもよい。また、残存容量検知部１０は、二次電池の充放電電流を逐次計測し、積算する積算装置を具備してもよい。
【００８３】
二次電池８の残存容量およびその変化率を、少数の電圧測定結果から求めると、実際の残存容量およびその変化率との間に誤差を生じる場合がある。例えば、急激に負荷が変動する場合、電池電圧が激しく変動するため、大きな誤差が生じる。従って、複数の測定結果の時間平均を演算によって求めるのが好ましい。
【００８４】
二次電池と並列にキャパシタを接続しておき、キャパシタの端子間電圧を測定することにより、二次電池の平均的な電圧を求めることもできる。すなわち、いわゆるフライング・キャパシタ方式を採用してもよい。この場合、キャパシタの電圧は、短時間に激しく変動する電圧には影響されず、ある一定時間の平均的な電圧を示す。そのため、電圧を平均化する演算が不要となり、演算が複雑になることを回避できる。また、電気的に接地せずに二次電池の電圧を正確に測定できる。
【００８５】
二次電池の残存容量の変化率は、残存容量が増加する方向を正と定義する。変化率の単位は、特に限定されないが、例えば１時間あたりのＳＯＣの変化量（％）として定義できる。ＳＯＣとは、二次電池の充電状態を表示するパラメータであり、公称容量に相当する容量を有する満充電状態はＳＯＣ１００％、放電終止電圧に対応する完全放電状態はＳＯＣ０％である。
【００８６】
電気機器の消費電力が、燃料電池スタック１の出力から燃料電池スタック１を動作させるための補助機器（燃料供給装置２、空気供給装置３等）の消費電力を差し引いた電力を上回った場合、二次電池８は放電する。そのため、残量容量の変化率は負の値を示す。逆に、二次電池８が充電される場合、残量容量の変化率は正の値を示す。
【００８７】
次に、燃料電池システムの発電モードの切り替え方法について説明する。
一般に、燃料電池の電流と電圧との関係および電流と出力電力との関係は、図３に示すような曲線を描く。従って、電流値または電圧値を決定すれば出力電力を制御することができる。例えば、制御部７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９に目標の入力電圧を指示し、燃料電池の出力電力が目標値に到達するように制御する。
【００８８】
本来、燃料電池スタック１の動作点は、図３の電流電圧曲線および電流出力曲線のいずれのポイントも選択可能である。しかし、本発明においては、頻繁な出力変動に伴う燃料利用率の低下と制御の煩雑さを防止するために、少数の有限な発電モードを設定する。図３では、発電モードの例として、強モード（ポイントＣ、ｃ）、中モード（ポイントＢ、ｂ）、弱モード（ポイントＡ、ａ）の３モードを示す。強モードは、電流出力曲線において出力が最大となる点である。弱モードは、燃料電池を動作させるために必要な燃料供給装置２、空気供給装置３、冷却装置６、制御部７等が消費する電力と、燃料電池スタック１の出力とがほぼ等しくなる点である。中モードは、それらの中間点である。
【００８９】
以下、上記のように３つの発電モードが存在する場合を例にとって、図４ａおよび図４ｂを参照しながら説明する。
まず、図４ａに、従来の発電モードの切り替えに関する容量閾値を示す。
発電モードが３個ある場合には、２個の容量閾値が存在する。つまり、残存容量が図中の破線以上である場合には、弱モードで運転し、図中の一点破線以下である場合には、強モードで運転し、それらの間である場合には、中モードで運転する。
【００９０】
このとき、各モード間の切り替えの頻度を低減させて、燃料電池の発電効率を向上させるためには、破線と一点破線との間隔、つまり中モードで運転する残存容量の範囲を幅広く設定することが好ましい。例えば、破線と一点破線の間隔は、電池の全容量ＳＯＣを１００％としたときに、２０〜４０％の間隔であることが好ましい。特に、二次電池がリチウムイオン電池である場合、残存容量が中庸の領域で置かれる場合が最も性能劣化が小さいことから、破線と一点破線との中間点における残存容量は、４０〜６０％であることが好ましい。
【００９１】
次に、図４ｂに、本発明に係る発電モードの切り替えに関する容量閾値を示す。ここでは、残存容量の変化率を、２つの変化率閾値により３つの範囲に分け、それぞれの範囲について、２個の容量閾値を有する制御モードを設定している。ただし、残存容量の変化率の範囲は３つである必要はなく、２以上のいずれの数でもよい。
【００９２】
まず、残存容量の変化率が最も小さい低率範囲（１時間あたりのＳＯＣの変化量が−１００％〜−５０％の範囲）では、負荷の消費電力が大きく、二次電池が大きな電流で放電され、二次電池の残存容量は急速に低下する。このような状態を継続すると、やがて二次電池の残存容量が尽きるか、組電池の場合には、一部のセルが過放電状態に到達する場合がある。また、一部のセルが過放電状態になることを防止するために、残存容量がある閾値を下回ると放電を停止させるような保護機構を二次電池に設置する場合、放電の停止により電気機器が使用できなくなる。
【００９３】
従って、二次電池の残存容量が著しく低下するまでに、燃料電池スタック１の出力を強モードにして、残存容量の低下を緩和することが必要になる。このとき、図４ａに示すような発電モードの切り替え制御を行うと、強モードへ変更するタイミングが遅れることがある。その結果、早期に二次電池の放電が停止したり、二次電池が深い放電深度まで放電された後に充電されるため、二次電池の劣化が促進されたりする。
【００９４】
一方、残存容量の変化率によって制御モードを切り替える場合、残存容量の変化率が最も小さい低率範囲（−１００％〜−５０％の範囲）では、２つの容量閾値を高く設定し、かつ閾値間の間隔を小さく設定することができる。これによって、二次電池の残存容量の状態にかかわらず、二次電池が大きな電流で放電される場合には、速やかに強モードに変更し、二次電池の残存容量の低下を遅延させることができる。
【００９５】
残存容量の変化率が最も大きい高率範囲（０〜５０％の範囲）では、負荷の消費電力が小さく、二次電池は、ほとんど放電されないか、あるいは充電される。この場合、二次電池の残存容量は、ほとんど変化しないか、あるいは増加する。このような状態で、燃料電池スタックが不必要に大きな出力を発生すると、急速に二次電池が充電される。二次電池は一般的に、充電電流が大きいほど、充放電サイクルに伴う劣化が促進される。また、残存容量が高い状態で更に充電を行うと、組電池の場合には、一部のセルが過充電状態になり、電池性能が劣化する。従って、残存容量の変化率が最も大きい範囲では、速やかに燃料電池を弱モードに変化させて、二次電池への充電電流を低下させるか、二次電池が微弱放電を行う状態とし、二次電池の残存容量を中庸に維持することが好ましい。そのためには、残存容量の変化率が最も大きい高率範囲では、２つの容量閾値を中庸に設定することが望ましい。
【００９６】
残存容量の変化率が中間の中率範囲（−５０％〜０％の範囲）では、負荷の消費電力が燃料電池スタック1の出力に比べて多少大きく、二次電池は緩やかに放電している。残存容量の変化は、さほど大きくなく、中庸の残存容量も維持しやすい。このような状態では、上記のような残存容量の変化率が最も小さい範囲と最も大きい範囲との中間の容量閾値を設定すればよい。つまり、２つの容量閾値は中庸に、閾値間の間隔も中庸に設定することが好ましい。
【００９７】
上記のように、３つの制御モードを設定する場合、２つの変化率閾値は、例えば１時間あたりのＳＯＣの変化量（％）の閾値で表示すると、例えば、以下のように設定することが好ましい。
小さい方の変化率閾値：−１０００〜０％
大きい方の変化率閾値：−１００〜５０％
また、２つの変化率閾値の間隔は２０〜１００％離れていることが好ましい。
【００９８】
この場合、変化率が最も大きい高率範囲に割り当てられた制御モードが有する２つの容量閾値Ｃhigh-1およびＣhigh-2（Ｃhigh-1＞Ｃhigh-2）は、それぞれ８０〜１００％および７０〜９０％であることが好ましく、中率範囲に割り当てられた制御モードが有する２つの容量閾値Ｃmiddle-1およびＣmiddle-2（Ｃmiddle-1＞Ｃmiddle-2）は、それぞれ６５〜９０％および５０〜８５％であることが好ましく、低率範囲に割り当てられた制御モードが有する２つの容量閾値Ｃlow-1およびＣlow-2（Ｃlow-1＞Ｃlow-2）は、それぞれ５０〜８０％および４０〜７０％であることが好ましい。また、Ｃhigh-1＜Ｃmiddle-1＜Ｃlow-1かつＣhigh-2＜Ｃmiddle-2＜Ｃlow-2を満たすことが好ましい。
【００９９】
図４ａ、ｂでは、３つの制御モードに対して、それぞれ２つの容量閾値を設定しているが、容量閾値にヒステリシスを設けても良い。つまり、弱モードから中モードまたは中モードから強モードに変更するときの容量閾値を、強モードから中モードまたは中モードから弱モードに変更するときの容量閾値よりも小さくしてもよい。ここで、現在の発電モードよりも出力が増加する方向に変化させる閾値を下りの閾値と称し、現在の発電モードよりも出力が減少する方向に変化させる閾値を上りの閾値と称する。このようなヒステリシスを設定することで、残存容量が閾値付近を往復し、いわいるハンチング状態となることを防止することが可能となる。ハンチング状態になると、発電モードの切り替えが頻繁に発生する可能性がある。例えば、下りの閾値を、上りの閾値よりも、１〜１０％程度小さく設定すれば、ハンチング現象を防止するのに好ましい。
【０１００】
発電モードの選択は、概略的には、例えば以下の手順で行われる。図５にフローチャートを示す。
まず、燃料電池システムが起動され、負荷への電力供給が開始される（Ｓ０）と、残存容量検知部が、二次電池の電圧を検出し（Ｓ１）、残存容量を算出する（Ｓ２）。残存容量検出部は、例えば、電圧計と、予め求められた二次電池の電圧と残存容量との関係を記憶し、かつ電圧検出値を記憶する記憶部とを具備する。前記関係および電圧検出値から残存容量を算出する際には、制御部の演算装置を利用できる。電圧の検出は、所定時間ごとに行われる。電圧検出値から残存容量を算出する演算は、電圧の検出ごとに行ってもよく、複数回の電圧の検出ごとに行ってもよい。
【０１０１】
次に、制御部は、例えばＬ回目に算出された残存容量とＬ＋１回目に算出された残存容量から、残存容量の変化率を演算する（Ｓ３）。ただし、残存容量の変化率は、増加する方向を正、減少する方向を負と定義する。
【０１０２】
残存容量の変化率が算出されると、制御部は、Ｍ個の変化率閾値で区分された（Ｍ＋１）個のいずれの範囲に含まれるかを判断し、判断結果に基づいて、制御モードを選択する（Ｓ４）。
【０１０３】
制御モードが選択されると、制御部は、その制御モードにおけるＮ個の容量閾値で区分された（Ｎ＋１）個の容量範囲のうち、Ｌ回目またはＬ＋１回目に算出された残存容量が含まれる範囲を判断し、判断結果に基づいて、発電モードを選択する（Ｓ５）。
【０１０４】
発電モードが選択されると、制御部は、燃料電池が選択された発電モードで発電しているかどうかを判断し、必要であれば発電モードの切り替えを行う（Ｓ６）。
【０１０５】
本発明によれば、必要最小限の燃料電池出力と二次電池容量を有するが故に、小型かつ軽量でありながら、消費電力の異なるさまざまな機器の使用を可能にし、かつその消費電力に応じて適切に燃料電池の出力を制御することで、高いエネルギー変換効率と長寿命を有する燃料電池システムを提供することができる。
【０１０６】
上記実施形態においては、燃料にメタノールを使用するＤＭＦＣに適用する場合を説明したが、燃料電池はＤＭＦＣに限られない。ただし、本発明は、水と親和性の高い、常温で液体の燃料を使用する直接酸化型燃料電池に適用した場合に、特に顕著な効果を奏する。常温で液体の燃料の例としては、メタノールの他に、エタノール、ジメチルエーテル、蟻酸、及びエチレングリコール等の炭化水素系液体燃料を挙げることができる。
【０１０７】
次に、実施例及び比較例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されない。
【０１０８】
《実施例１》
アノード触媒粒子と、それを担持する導電性の担体とを含むアノード触媒担持体を調製した。アノード触媒粒子としては、白金−ルテニウム合金（原子比１：１）（平均粒径：５ｎｍ）を用いた。担体としては、平均一次粒子径が３０ｎｍの導電性炭素粒子を用いた。白金−ルテニウム合金と導電性炭素粒子との合計重量に占める白金−ルテニウム合金の重量は８０重量％とした。
【０１０９】
カソード触媒粒子と、それを担持する導電性の担体とを含むカソード触媒担持体を調製した。カソード触媒粒子としては、白金（平均粒径：３ｎｍ）を用いた。担体としては、平均一次粒子径が３０ｎｍの導電性炭素粒子を用いた。白金と導電性炭素粒子との合計重量に占める白金の重量は８０重量％とした。
【０１１０】
高分子電解質膜には、厚さ５０μｍのフッ素系高分子膜（パーフルオロスルホン酸／ポリテトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）をベースとするフィルム、商品名「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２」、デュポン社製）を使用した。
【０１１１】
（ａ）ＣＣＭの作製
（i）アノードの形成
アノード触媒担持体の１０ｇと、パーフルオロスルホン酸／ポリテトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）を含有する分散液（商品名：「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）５重量％溶液」、米国デュポン社製）の７０ｇとを、適量の水とともに攪拌機により攪拌して混合した。この後、得られた混合物を脱泡して、アノード触媒層形成用インクを得た。
【０１１２】
得られたアノード触媒層形成用インクを、エアーブラシを使用したスプレー法により、高分子電解質膜の一方の表面に吹き付けて塗布し、一辺１０ｃｍの正方形のアノード触媒層を形成した。アノード触媒層の寸法は、マスキングにより調整した。アノード触媒層形成用インクの吹き付け時には、表面温度をヒータにより調整した金属板に、高分子電解質膜を、減圧により吸着させて固定した。アノード触媒層形成用インクは、塗布中に漸次乾燥させるようにした。アノード触媒層の厚みは６１μｍであった。単位面積あたりのＰｔ−Ｒｕの量は、３ｍｇ／ｃｍ2であった。
【０１１３】
（ii）カソードの形成
カソード触媒担持体の１０ｇと、パーフルオロスルホン酸／ポリテトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）を含有する分散液（前出の商品名：「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）５重量％溶液」）の１００ｇとを、適量の水とともに攪拌機により攪拌して混合した。この後、得られた混合物を脱泡して、カソード触媒層形成用インクを得た。
【０１１４】
得られたカソード触媒層形成用インクを、アノード触媒層を形成したのと同様の方法で、高分子電解質膜のアノード触媒層が形成された面とは反対側の面に塗布した。これにより、一辺１０ｃｍの正方形のカソード触媒層を、高分子電解質膜に形成した。形成されたカソード触媒層に含まれる単位面積あたりのＰｔの量は、１ｍｇ／ｃｍ2であった。
なお、アノード触媒層と、カソード触媒層とは、それぞれの中心が高分子電解質膜の厚さ方向において重なるように、配置した。
以上のようにして、ＣＣＭを作製した。
【０１１５】
（ｂ）ＭＥＡの作製
（i）アノード多孔質基材の作製
撥水処理が施されたカーボンペーパー（商品名：「ＴＧＰ−Ｈ−０９０」、厚さ約３００μｍ、東レ（株）製）を、希釈されたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のディスパージョン（商品名：「Ｄ−１」、ダイキン工業（株）製）に１分間浸漬した。次いで、そのカーボンペーパーを、１００℃に温度設定された熱風乾燥機中で乾燥させた。次いで、乾燥後のカーボンペーパーを、電気炉中において、２７０℃で２時間焼成した。そのようにして、ＰＴＦＥの含有量が１０重量％であるアノード多孔質基材を得た。
【０１１６】
（ii）カソード多孔質基材の作製
撥水処理が施されたカーボンペーパーに代えて、カーボンクロス（商品名：「ＡｖＣａｒｂ（商標）１０７１ＨＣＢ」、バラードマテリアルプロダクツ社製）を使用したこと以外は、アノード多孔質基材と同様にして、ＰＴＦＥの含有量が１０重量％であるカソード多孔質基材を作成した。
【０１１７】
（iii）アノード撥水層の作製
アセチレンブラックの粉末と、ＰＴＦＥのディスパージョン（商品名：「Ｄ−１」、ダイキン工業（株）製）と、を攪拌機により攪拌して混合することにより、全固形分に占めるＰＴＦＥの含有量が１０重量％であり、全固形分に占めるアセチレンブラックの含有量が９０重量％である撥水層形成用インクを得た。得られた撥水層形成用インクを、エアーブラシを使用したスプレー法により、アノード多孔質基材の一方の表面に吹き付けて塗布した。その後、塗布されたインクを、１００℃に温度設定された恒温槽内で乾燥させた。次いで、撥水層形成用インクを塗布したアノード多孔質基材を、電気炉により、２７０℃で２時間焼成して、界面活性剤を除去した。こうして、アノード多孔質基材上にアノード撥水層を形成し、アノード多孔質基材及びアノード撥水層を含むアノード拡散層を作製した。
【０１１８】
（iv）カソード撥水層の作製
カソード多孔質基材の一方の表面に、アノード撥水層と同様にして、カソード撥水層を形成し、カソード多孔質基材及びカソード撥水層を含むカソード拡散層を作製した。
【０１１９】
アノード拡散層及びカソード拡散層は、いずれも、抜き型を使用して、一辺１０ｃｍの正方形に成形した。
次に、アノード撥水層とアノード触媒層とが接するように、アノード拡散層とＣＣＭとを積層した。また、カソード撥水層とカソード触媒層とが接するように、カソード拡散層とＣＣＭとを積層した。
得られた積層体を、温度を１２５℃に設定した熱プレス装置により、５ＭＰａの圧力で１分間加圧した。これにより、アノード触媒層とアノード拡散層とを接合するとともに、カソード触媒層とカソード拡散層とを接合した。
以上のようにして、アノードと、高分子電解質膜と、カソードとを具備する膜−電極接合体（ＭＥＡ）を得た。
【０１２０】
（ｃ）ガスケットの配置
厚み０．２５ｍｍのエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）のシートを、一辺１２ｃｍの正方形に裁断した。さらに、そのシートの中央部分を、一辺１０ｃｍの正方形に開口するようにくり抜いた。このようにして、２枚のガスケットを得た。一方のガスケットの開口部にアノードが、他方のガスケットの開口部にカソードが嵌め込まれるように、各ガスケットをＭＥＡに配置した。
【０１２１】
（ｄ）セパレータの作製
セパレータの素材として、厚み２ｍｍ、一辺１２ｃｍの正方形の樹脂含浸黒鉛板を準備した。黒鉛板の表面を切削して、片側にメタノール水溶液をアノードに供給する燃料流路を形成した。セパレータの一端部には、燃料流路の入口部を配置し、別の一端部には、出口部を配置した。
黒鉛板の反対側の表面には、酸化剤としての空気をカソードに供給する空気流路を形成した。セパレータの一端部には、空気流路の入口部を配置し、別の一端部には、出口部を配置した。このようにして、燃料電池スタック１のセパレータを作製した。
【０１２２】
燃料流路及び空気流路を構成する溝の断面形状は、それぞれ、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍとした。また、燃料流路及び空気流路は、それぞれ、アノード拡散層及びカソード拡散層の各部に満遍なく燃料及び空気を供給し得るサーペンタイン型とした。
【０１２３】
（ｅ）ＤＭＦＣのセルスタックの作製
セパレータの燃料流路がアノード拡散層と接し、空気流路がカソード拡散層と接するように、ＭＥＡとセパレータとを２０セル積層した。なお、最端部に位置する一対のセパレータには、それぞれ片面のみに燃料流路および空気流路を形成したものを用いた。
【０１２４】
上記の２０セル積層体に対し、積層方向の両端に、厚さ１ｃｍのステンレス鋼板からなる一対の端板を配置した。各端板と最端部の各セパレータとの間には、表面に金メッキが施された厚さ２ｍｍの銅板からなる集電板と、絶縁板とを配置した。集電板はセパレータ側に配置し、絶縁板は端板側に配置した。この状態で、一対の端板を、ボルト、ナット及びばねを用いて互いに締結し、ＭＥＡと各セパレータとを加圧した。
以上のようにして、サイズが１２×１２ｃｍであるＤＭＦＣのセルスタックを得た。
【０１２５】
（ｆ）燃料電池システムの構成
ＤＭＦＣのセルスタックを使用して、燃料電池システムを構成した。
セルスタックへの空気及び燃料の供給量は、精密に調節し、実験の精度を高めるように配慮した。空気の供給については、一般的な空気ポンプではなく、高圧空気ボンベから供給される圧縮空気を、堀場製作所（株）製のマスフローコントローラーにより流量を調節して、セルスタックに供給した。燃料の供給には、日本精密科学（株）製の精密ポンプ（パーソナルポンプＮＰ−ＫＸ−１００（製品名））を使用した。
【０１２６】
冷却装置としての送風機には、米国イービーエムパプスト社製の４１２ＪＨＨを使用した。
【０１２７】
燃料供給装置に相当する精密ポンプ、空気供給装置に相当するマスフローコントローラー、冷却装置に相当する送風機は、制御部に相当するパソコンに接続した。そして、制御部によって、各装置の起動および停止、並びに流量調整をコントロールできるようにした。
【０１２８】
液回収部には、底面が一辺５ｃｍの正方形、高さが１０ｃｍの直方体のポリプロピレン製の容器を使用した。液回収器の上面には、日東電工（株）製の多孔膜テミッシュ（気液分離膜）を熱溶着により接合した。
【０１２９】
各セルの燃料流路の入口部と燃料ポンプとを、シリコンチューブ及び分岐管により接続した。同様に、各セルの燃料流路の出口部と液回収部とを、シリコンチューブ及び分岐管により接続した。また、各セルの空気流路の入口部とマスフローコントローラーとの間、及び空気流路の出口部と液回収部との間を、シリコンチューブ及び分岐管により接続した。
【０１３０】
セルスタックは、角筒状のプラスチック製ケーシングの内部に収納した。そのケーシングの天部及び底部の内面と、セルスタックの上面及び下面（セルスタックの積層方向における一端面及び他端面）とは接するようにして、送風機による送風が抜けないようにした。一方、ケーシングの両側部の内面と、セルスタックの両側面との間には、１０ｍｍの隙間を設けて、送風を通す風路を形成した。そして、ケーシングの開口部に向けて送風するように送風機を配置した。
【０１３１】
二次電池としては、リチウムイオン電池ＣＧＲ２６６５０を７個直接に接続した組電池を使用した。組電池には、残存容量検知部として、電圧センサを取り付け、電圧情報が制御部であるパソコンに送信されるようにした。パソコンでは、あらかじめ測定された組電池の電圧と残存容量との関係図をもとに、電圧に基づいて残存容量が認識できるようにした。残存容量および残存容量の変化率は、それぞれ０．５秒毎に計測し、１０秒間の平均値を演算した。こうして得られた平均値に応じて、制御モードおよび発電モードの選択を行った。
【０１３２】
ＤＣ−ＤＣコンバータを介して、ＤＭＦＣのセルスタックと、組電池とを接続した。ＤＣ−ＤＣコンバータは、制御部であるパソコンに接続し、パソコンからＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧すなわちセルスタックの出力電圧を調整できるようにした。
【０１３３】
（ｇ）燃料電池の発電モードおよび制御モードの設定
（i）発電モード
ＤＭＦＣのセルスタック（燃料電池）の発電モードを以下の３種に設定した。
強モード：セルスタックの電圧８Ｖ
中モード：セルスタックの電圧９Ｖ
弱モード：セルスタックの電圧１１Ｖ
【０１３４】
具体的には、セルスタックの電圧が上記設定値になるように、制御部であるパソコンからＤＣ−ＤＣコンバータに信号を送り、ＤＣ−ＤＣコンバータを制御した。ＤＣ−ＤＣコンバータには、図示しない電流センサを取り付け、発電時のセルスタックの出力電流を計測し、制御部であるパソコンに送信するようにした。
【０１３５】
各発電モードでの発電初期（発電開始から３０分後）のセルスタックの正味の出力、つまり燃料電池スタックの出力から燃料供給装置、空気供給装置、冷却装置および制御部が消費する電力を差し引いた出力値は、それぞれ以下の通りである。
強モード：１００Ｗ
中モード：５２Ｗ
弱モード：０Ｗ
【０１３６】
制御部であるパソコンでは、電流センサの計測値に対し設定されたストイキオ比を乗じて、燃料および空気の供給量を決定して、精密ポンプとマスフローコントローラーを制御した。燃料ストイキオ比は１．５、空気ストイキオ比は２と設定した。
【０１３７】
実際の電気機器の代わりに、燃料電池システムの出力端子は、電子負荷装置「ＰＬＺ１６４ＷＡ」（菊水電子工業（株）製）に接続し、適宜出力を変化させながら、燃料電池システムを稼動させた。
【０１３８】
（ii）容量閾値と制御モード
発電モードを切り替えるための容量閾値には、ハンチング現象を防止するために、ヒステリシスを設定した。つまり、現在の発電モードよりも出力が増加する方向に変化させる閾値（下りの閾値）は、現在の発電モードよりも出力が減少する方向に変化させる閾値（上りの閾値）に比べて、常に２％小さくなるように設定した。例えば、中モードから強モードに変更する下りの容量閾値は、強モードから中モードに変更する上りの容量閾値に比べて、常に２％小さくなるように設定した。
ここで、上りの閾値と下りの閾値の中央値を、閾値の中央値と称する。
【０１３９】
容量閾値および変化率閾値は、図４ｂのように設定した。
（Ａ）残存容量の変化率が−５０％／ｈ未満の範囲
弱モードと中モードの容量閾値の中央値：９５％
中モードと強モードの容量閾値の中央値：８０％
（Ｂ）残存容量の変化率が−５０％／ｈ以上、０％／ｈ未満の範囲
弱モードと中モードの容量閾値の中央値：９０％
中モードと強モードの容量閾値の中央値：６５％
（Ｃ）残存容量の変化率が０％／ｈ以上の範囲
弱モードと中モードの容量閾値の中央値：６５％
中モードと強モードの容量閾値の中央値：５０％
【０１４０】
《比較例１》
実施例１と同様の燃料電池システムを使用し、残存容量の閾値を、残存容量の変化率に関係なく、以下のように設定した。ただし、実施例１と同様に、下りの閾値は、上りの閾値に比べて、常に２％小さくなるようにヒステリシスを設定した。
弱モードと中モードの容量閾値の中央値：８０％
中モードと強モードの容量閾値の中央値：５０％
【０１４１】
［評価］
本発明の効果を明らかにするために、燃料電池システムに負荷を接続して８時間使用し、そのときの二次電池の残存容量の変化を計測した。負荷は、実際の負荷電力の変動を模擬して、図６に示すような負荷電力のパターンをプログラムして、燃料電池システムに接続した。下記の２パターンについて、それぞれ８時間の計測を、初期の二次電池の残存容量が４０％の場合と７０％の場合について行った。
パターンＡ：１５０Ｗ５分間、３０Ｗ１５分間
パターンＢ：１００Ｗ５分間、３０Ｗ１５分間
【０１４２】
実施例１、並びに比較例１の燃料電池について、初期の二次電池の残存容量が４０％の場合に、パターンＡで残存容量の推移を測定した結果を図７ａに示す。また、初期の二次電池の残存容量が７０％の場合に、パターンＡで残存容量の推移を測定した結果を図７ｂに示す。
【０１４３】
実施例１、並びに比較例１の燃料電池について、初期の二次電池の残存容量が４０％の場合に、パターンＢで残存容量の推移を測定した結果を図８ａに示す。また、初期の二次電池の残存容量が７０％の場合に、パターンＢで残存容量の推移を測定した結果を図８ｂに示す。
【０１４４】
各図からわかるように、二次電池の残存容量は、負荷が大きいときに低下し、負荷が小さいときに増加するというサイクルを繰り返しながら、ある一定の残存容量に向かって収束する。残存容量が収束するまでの時間は約２時間であった。
二次電池の充放電の繰り返しの幅と頻度を定量化するために、２時間後から８時間後までの残存容量の標準偏差を算出した。その結果を表１に示す。
【０１４５】
【表１】
2012081153.tif 000003
【０１４６】
これらの結果を実施例１と比較例１について比較すると、まず、残存容量が収束した２時間後以降の残存容量の変動は、あきらかに実施例１の方が、比較例１より小さくなっている。このことから、リチウムイオン電池の充放電深度が低減されていることがわかる。とくに、パターンＢにおいては、実施例１における残存容量の標準偏差が、比較例１における残存容量の標準偏差の約１/２に低減されており、二次電池の充放電サイクルに伴う劣化が大幅に低減されることが考えられる。
【０１４７】
また、実施例１においては、いずれの初期残存容量および負荷パターンにおいても、２時間後の残存容量は約６５％に収束するのに対し、比較例１においては、残存容量の収束値が負荷パターンに依存し、約５０％に収束する場合と約７０％に収束する場合とがある。比較例１では、残存容量の閾値が一定であるため、負荷が大きい場合には、中モードと強モードの閾値に近い値に収束し、負荷が小さい場合には、弱モードと中モードの閾値に近い値に収束する。一方、残存容量がより大きい値に収束するほど、燃料電池システムを停止した後、休止した状態で二次電池が劣化しやすいという課題がある。また、残存容量がより小さい値に収束するほど、次回の起動時に、大きな負荷で使用することが困難になり、かつ充電から開始する必要がある。そのため、起動と停止の繰り返しが多くなる使用態様では、充放電サイクルに伴う劣化が促進される。
【０１４８】
一方、実施例１では、常に中庸の残存容量でシステムを停止させることができるため、二次電池の保存劣化や充放電サイクルに伴う劣化を低減できる。
以上のように、本発明によれば、二次電池の充放電深度を低減させることができるとともに、停止時に常に適切な残存容量で停止できるため、二次電池の劣化を低減させることが可能となり、燃料電池システムの寿命を伸長することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
本発明の燃料電池システムおよびその制御方法は、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）等の携帯小型電子機器における電源、あるいはキャンプなどのアウトドアレジャー用途のポータブル電源に適用すると有用である。また、本発明の燃料電池システムおよびその制御方法は、電動スクータ用電源等の用途にも適用することができる。【０１５０】
本発明を現時点での好ましい実施態様に関して説明したが、そのような開示を限定的に解釈してはならない。種々の変形および改変は、上記開示を読むことによって本発明に属する技術分野における当業者には間違いなく明らかになるであろう。したがって、添付の請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、すべての変形および改変を包含する、と解釈されるべきものである。
【符号の説明】
【０１５１】
１：燃料電池スタック、２：燃料供給装置、３：空気供給装置、４：燃料タンク、５：液回収部、６：冷却装置、７：制御部、８：二次電池、９：ＤＣ−ＤＣコンバータ、１０：電池残量検知部、２１：燃料電池、２２：高分子電解質膜、２３：アノード、２４：カソード、２５：アノード触媒層、２６：アノード撥水層、２７：アノード多孔質基材、２８：アノード拡散層、２９：カソード触媒層、３０：カソード撥水層、３１：カソード多孔質基材、３２：カソード拡散層、３３：アノード側セパレータ、３４：カソード側セパレータ、３５Ａ、Ｂ：ガスケット、３６Ａ、Ｂ：端板
【図１】
2012081153.tif 000004
【図２】
2012081153.tif 000005
【図３】
2012081153.tif 000006
【図４ａ】
2012081153.tif 000007
【図４ｂ】
2012081153.tif 000008
【図５】
2012081153.tif 000009
【図６】
2012081153.tif 000010
【図７ａ】
2012081153.tif 000011
【図７ｂ】
2012081153.tif 000012
【図８ａ】
2012081153.tif 000013
【図８ｂ】
2012081153.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成24年7月12日(2012.7.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１５】
前記制御部は、
前記変化率が正の場合はその絶対値が小さいほど、また、前記変化率が負の場合はその絶対値が大きいほど、発電量が大きくなる発電モードで前記燃料電池が運転される確率が高くなるように、前記燃料電池の運転状態を制御する制御モードを連続的または段階的に変化させる、請求項１０記載の燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１６】
前記制御部は、
前記残存容量が小さいほど、発電量が大きくなるように、前記発電モードを連続的または段階的に変化させる、請求項１５記載の燃料電池システム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３１】
二次電池としては、リチウムイオン電池ＣＧＲ２６６５０を７個直列に接続した組電池を使用した。組電池には、残存容量検知部として、電圧センサを取り付け、電圧情報が制御部であるパソコンに送信されるようにした。パソコンでは、あらかじめ測定された組電池の電圧と残存容量との関係図をもとに、電圧に基づいて残存容量が認識できるようにした。残存容量および残存容量の変化率は、それぞれ０．５秒毎に計測し、１０秒間の平均値を演算した。こうして得られた平均値に応じて、制御モードおよび発電モードの選択を行った。
【国際調査報告】
2012081153.tif 000015
2012081153.tif 000016
2012081153.tif 000017
2012081153.tif 000018