(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な構成で、長時間安定して高い発電効率と燃料利用効率にて運転可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、積層された複数のセルを有する発電部５と、複数のセルのうち少なくとも一つのセルの出力電圧を監視するセル電圧監視部８と、発電部５から取り出される負荷電流を調整する負荷調整部７と、負荷調整部７により負荷電流が第１の値から第２の値に調整された後に上記出力電圧が最小値となった時点から最大値となるまでの時間を測定し、この時間の温度に対する依存性を表す情報に基づいてセルの温度を推算する制御部９とを備える。【選択図】図１
2010225460.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数のセルを有する発電部と、
前記複数のセルのうち少なくとも一つのセルの出力電圧を監視する電圧監視部と、
前記発電部から取り出される負荷電流を調整する負荷調整部と、
前記負荷電流が第１の値から第２の値に調整された後に前記出力電圧が最小値となった時点から最大値となるまでの時間を測定する測定部と、
前記時間の温度に対する依存性を表す情報に基づいて前記セルの温度を推算する推算部と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記発電部又は前記セルの温度を調整する温度調整部と、
前記推算された温度に応じて前記温度調整部を制御する制御部と
をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記温度調整部は、冷却器及び加熱器の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記推算された温度に応じて前記負荷電流を制御する負荷制御部をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
積層された複数のセルを有する発電部と、
前記セルに燃料を供給する、燃料供給量が調整可能な燃料供給部と、
前記複数のセルのうち少なくとも一つのセルの出力電圧を監視する電圧監視部と、
前記発電部から取り出される負荷電流を調整する負荷調整部と、
前記負荷電流が第１の値から第２の値に調整された後に前記出力電圧が第１の出力応値となった時点から第２の出力応値となるまでの時間と、前記第１又は第２の出力応値に関する電圧値とを測定する測定部と、
前記時間及び前記電圧値の燃料濃度及び温度に対する依存性を表す情報に基づいて、前記セルへ供給される燃料濃度及び前記セルの温度を推算する推算部と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記電圧値は、前記第１の出力応値、前記第２の出力応値、又は前記第１の出力応値と前記第２の出力応値との差であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第１の出力応値は前記出力電圧の最小値であって且つ前記第２の出力応値は前記出力電圧の最大値であるとき、前記第２の値は前記第１の値より大きいことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１の出力応値は前記出力電圧の最大値であって且つ前記第２の出力応値は前記出力電圧の最小値であるとき、前記第２の値は前記第１の値より小さいことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記推算された燃料濃度に応じて前記燃料供給量を制御する制御部をさらに具備することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記発電部又は前記セルの温度を調整する温度調整部と、
前記推算された温度に応じて前記温度調整部を制御する制御部と
をさらに具備することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記温度調整部は、冷却器及び加熱器の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記時間は、前記負荷電流が前記第２の値に調整されている時間を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体を燃料とする固体高分子型燃料電池を制御する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、プロトン交換膜燃料電池とも称呼されることもあるプロトン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いる燃料電池として知られている。固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の中に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）がある。このＤＭＦＣは、気化器或いは加湿器のような補機が不要である点、メタノールが水素のような気体燃料と比べて取扱いやすい点、低温での運転が可能である点、等から携帯用機器の小型電源として開発が進められている。
【０００３】
ＤＭＦＣの出力効率は電解質膜や触媒の組成、セルの流路構成など、さまざまな要因に影響される。同じ電解質膜や触媒の組成、セルの流路構成において、ＤＭＦＣの出力効率は燃料の濃度および運転温度に大きく支配されることが知られている。
【０００４】
そこで、燃料濃度の計測・制御方法に関しては、高価な外付け濃度センサを用いず、燃料濃度を計測・制御する手法が既に提案されている（特許文献１−５、非特許献１，２を参照。）。しかしながら、これらの測定方法はいずれも、運転温度が既知または一定の前提条件において、燃料濃度の測定が行われている測定方法であった。
【０００５】
また、ＤＭＦＣの運転温度を把握するために、従来では、熱電対を用いて、ＤＭＦＣの複数枚積層された発電部の運転温度を計測する手法（特許文献６，７を参照。）、または、サーミスタを用いて、ＤＭＦＣに供給または再循環される燃料の温度を計測する手法（特許文献４，６を参照。）が提案されている。その他にも、金属測温抵抗体（非特許文献３を参照。）、ＩＣ温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、または焦点型温度センサなどを用いた測定方法（特許文献８を参照。）も提案されている。
【０００６】
これらの温度測定方法はいずれも温度計測システムをＤＭＦＣシステムに組み込む必要があり、ＤＭＦＣシステムの小型化および低価格化において大きな障害となっている。特に、発電部の内の温度分布を把握する場合、複数個の熱電対を発電部に分散・設置しなければならないため、付加装置が非常に大きくなる。ノートパソコンのような小型携帯機器にＤＭＦＣを組み込んで使用する場合、温度センサとして、熱電対の使用は好ましくない。また、サーミスタを用いる場合、発電部全体の温度情報しか得ることができず、発電部の各セルの温度分布情報を把握することができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１６５１４８号公報
【特許文献２】特開２００５−２８５６２８号公報
【特許文献３】米国特許第６８２４８９９号
【特許文献４】米国特許第６６９８２７８  Ｂ２号
【特許文献５】特開２００７−２２７３３６号公報
【特許文献６】特開２００６−２０２６１１号公報
【特許文献７】特開２００５−９３２８２号公報
【特許文献８】特開２００４−１７１８１３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】C. Y. Chen, et al., J. Power Sources, 167(2007)442-449.
【非特許文献２】T. J. Ha, et al., International Journal of Hydrogen Energy, 33(23), (2008)7163-7171.
【非特許文献３】C.Y. Lee, et al., Jnp. J. Appl. Phys. Vol. 46, No.10A (2007)6911-6914.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、従来手法では、ＤＭＦＣの運転温度を計測するために、各種温度センサを付加する必要があったため、装置の小型化の障害となっていた。また、ＤＭＦＣの運転温度と燃料濃度とが同時に変化する状態では、センサレスで運転温度と燃料濃度とを同時に計測することができなかった。このため、ＤＭＦＣシステムの発電効率及び発電量を高めることが困難であった。
【００１０】
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、簡易な構成で、長時間安定して高い発電効率と燃料利用効率にて運転可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するためにこの発明の一態様は、積層された複数のセルを有する発電部と、前記複数のセルのうち少なくとも一つのセルの出力電圧を監視する電圧監視部と、前記発電部から取り出される負荷電流を調整する負荷調整部と、前記負荷電流が第１の値から第２の値に調整された後に前記出力電圧が最小値となった時点から最大値となるまでの時間を測定する測定部と、前記時間の温度に対する依存性を表す情報に基づいて前記セルの温度を推算する推算部とを具備する燃料電池システムを提供する。
【００１２】
また、この発明の他の態様は、積層された複数のセルを有する発電部と、前記セルに燃料を供給する、燃料供給量が調整可能な燃料供給部と、前記複数のセルのうち少なくとも一つのセルの出力電圧を監視する電圧監視部と、前記発電部から取り出される負荷電流を調整する負荷調整部と、前記負荷電流が第１の値から第２の値に調整された後に前記出力電圧が第１の出力応値となった時点から第２の出力応値となるまでの時間と、前記第１又は第２の出力応値に関する電圧値とを測定する測定部と、前記時間及び前記電圧値の燃料濃度及び温度に対する依存性を表す情報に基づいて、前記セルへ供給される燃料濃度及び前記セルの温度を推算する推算部とを具備する燃料電池システムを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
したがってこの発明によれば、簡易な構成で、長時間安定して高い発電効率と燃料利用効率にて運転可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成例を示す図。
【図２】図１の発電部の構成の詳細を示す図。
【図３】負荷変動によるセル電圧の応答特性を示す図。
【図４】時間評価値の温度依存性を表すグラフ。
【図５】温度制御手法を示す図。
【図６】温度制御処理の手順を示すフローチャート。
【図７】負荷制御処理の手順を示すフローチャート。
【図８】出力密度と負荷電流密度との関係を示すグラフ。
【図９】実施例１−１におけるセル電圧の応答特性の評価結果を示すグラフ。
【図１０】図９のグラフから得られた時間評価値と温度とを示す図。
【図１１】負荷電流の印加時間による電圧の時間的変化を示す図。
【図１２】時間評価値と負荷電流の印加時間との関係を示す図。
【図１３】負荷変動によるセル電圧の応答特性を示す図。
【図１４】時間評価値及び電圧評価値の燃料濃度及び温度に対する依存性を示すグラフ。
【図１５】図１４のグラフを変換した図。
【図１６】図１４において時間評価値に第２の負荷の印加時間を加えた図。
【図１７】図１５において時間評価値に第２の負荷の印加時間を加えた図。
【図１８】時間評価値及び電圧評価値の燃料濃度及び温度に対する依存性を三次元で示したグラフ。
【図１９】電流電圧曲線の温度依存性を示す図。
【図２０】第２の負荷を物質拡散律速領域に設定した場合のセル電圧の応答特性を示す図。
【図２１】図２０の場合の時間評価値及び電圧評価値（Ｅｍｉｎ）の燃料濃度及び温度に対する依存性を示すグラフ。
【図２２】図２０の場合の時間評価値及び電圧評価値（Ｅｍａｘ）の燃料濃度及び温度に対する依存性を示すグラフ。
【図２３】図２０の場合の時間評価値及び電圧評価値（ΔＥ）の燃料濃度及び温度に対する依存性を示すグラフ。
【図２４】実施例２−１の燃料濃度と温度の推算結果を示す図。
【図２５】実施例２−１の燃料濃度と温度の推算結果を示す図。
【図２６】実施例２−１の時間評価値と電圧評価値との交点から求められた燃料濃度と温度とを示すグラフ。
【図２７】実施例２−２の燃料濃度と温度の推算結果を示す図。
【図２８】実施例２−２の燃料濃度と温度の推算結果を示す図。
【図２９】実施例２−２の燃料濃度と温度の推算結果を示す図。
【図３０】実施例２−２の時間評価値と電圧評価値との交点から求められた燃料濃度と温度とを示すグラフ。
【図３１】燃料濃度制御処理の手順を示すフローチャート。
【図３２】温度制御処理の手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。  
（第１の実施形態）  
本発明の第１の実施形態は、負荷変動によるセル電圧の応答特性から時間評価値を測定し、この時間評価値から発電セルの温度を求める手法である。
【００１６】
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池システム１の構成例を示している。燃料電池システム１は、図２に示すようなセル積層構造５０を有する発電部５と、高濃度メタノール、あるいはメタノール燃料と少量の水の混合溶液（メタノール水溶液）等の液体燃料を貯蔵する燃料タンク３と、発電部５における発電をサポートする補器類２と、発電部５で発電した電力を負荷電力１１に送るにあたり、外部電源（例えばリチウムイオンバッテリー）と発電部５から取り出す電力を制御する電力調整部１０とを備える。
【００１７】
補器類２は、燃料タンク３から液体燃料を発電部５に供給する燃料供給部４と、空気を発電部５に供給する空気供給部６と、発電部５から取り出される負荷電流を調整する負荷調整部７と、セル積層構造５０の各セルの出力電圧を監視するセル電圧監視部８と、冷却器及び加熱器の少なくとも一方を有し、冷却器または加熱器によりセル積層構造５０の温度を調整する温度調整部１３と、補器類２内の各部を制御するための制御部９とを備える。
【００１８】
制御部９は、上記補器類２の各部の状態を検知する検知処理部９ａと、検知された情報に応じて各部を制御する為の制御情報が予め格納されたデータベース９ｂとを備える。制御部９は、発電部５及び補器類２の各部から必要な情報を検知し、検知した情報の処理または演算を行う。さらに、制御部９はこの処理または演算の結果に応じて、燃料供給部４、発電部５、負荷調整部７、温度調整部１３、及び空気供給部６に制御信号を与える。後に説明するように、データベース９ｂは、セルから測定される値に基づき、補器類２の各部をどのように制御するかについて予め記述した各種データベースを含んでいる。
【００１９】
発電部５は、負荷調整部７および電力調整部１０を介して負荷電力１１に接続される。負荷電力１１は、例えば、この燃料電池システム１で発生される電力で駆動される電子機器に相当する。電力調整部１０は、発電部５で発生される電力を負荷電力１１に供給している。電力の調整は、負荷調整部７により負荷電流の調整で行われる。電力調整部１０は、負荷電力１１で必要な電力に対し、発電部５で発電される電力が不足する場合、図には記載していないが、外部電源（例えば二次電池やコンデンサ）などから不足分の電力を補う。電力調整部１０は、発電部５で発生される電力の負荷電力１１への供給をオン或いはオフするスイッチング回路を含んでいる。電力調整部１０は、オン状態で、負荷電力１１に接続され閉回路状態となり、オフ状態で負荷電力１１から切断されてその出力側が開回路状態となるように構成されている。
【００２０】
発電部５と補器類２との間は、流体配管系で接続されている。この流体配管系においては、燃料タンク３と燃料供給部４とは、燃料供給ラインＬ１で接続される。燃料供給部４と発電部５とは、燃料供給ラインＬ２で接続されている。燃料タンク３内の燃料は、燃料供給部４での調整により発電部５のアノード極に供給される。また、空気供給部６と発電部５とは空気供給ラインＬ３で接続され、空気供給部６での調整により発電部５のカソード極に空気が送り込まれる。
【００２１】
なお、上記図１に示すシステムでは、燃料タンク３内の燃料が発電部５に直接供給される方式となっているが、この方式に限らず、燃料タンク３内の燃料を、希釈した燃料を蓄える混合タンク内に供給し、発電部５での発電で残った燃料と混合させる方式にしても良い。また、空気供給部６に例えばファンを用いた場合、流体配管Ｌ３は空気導入経路とすることができる。また、ブリージング方式の場合、空気供給部６は不要となる。
【００２２】
発電部５と補器類２との間は、信号及び電流配線系で接続されている。制御部９は、信号ラインＥ１を介して燃料供給部４に接続される。発電部５と制御部９とは、信号ラインＥ２で接続される。負荷調整部７と制御部９とは信号ラインＥ３で接続される。セル電圧監視部８と制御部９とは、信号ラインＥ４で接続されている。空気供給部６と制御部９とは、信号ラインＥ５で接続されている。
【００２３】
燃料供給部４から発電部５に供給される液体燃料の流量が計測される。この計測された流量を表す燃料流量情報が信号ラインＥ１を介して制御部９に送られる。制御部９からは、供給流量を定める供給量制御信号が信号ラインＥ１を介して燃料供給部４に送られる。この供給量制御信号に従って燃料供給部４から燃料が発電部５に供給される。ここで、各セル５１に供給される燃料は、各セル５１に流入する燃料の流路に燃料流量調整バルブ(図示せず）が設けられ、セル５１毎に調整されても良い。
【００２４】
また、温度調整部１３と制御部９とは信号ラインＥ７で接続される。制御部９からは、温度調整部１３に対して、冷却器の冷却の風量および冷媒の流速や、加熱器（ヒーター）のＯＮ、ＯＦＦなどの指示を表す温度制御信号が信号ラインＥ７を介して送出される。この制御部９からの温度制御信号に従って発電部５の温度が調整される。なお、温度調整部１３は、セル積層構造５０の全体温度または局部の温度（各セルの温度）についても、冷却器や加熱器の全体または一部に指示を行うことにより制御することができる。
【００２５】
また、発電部５内のセル積層構造５０で発生され、出力されるスタック電圧（各セル全体の電圧）を表す情報は、電圧情報として信号ラインＥ２を介して制御部９に送られる。電力調整部１０はラインＥ６を介して負荷調整部７に接続されている。負荷調整部７は、信号ラインＥ３を介して発電部５に負荷を与える。この負荷調整部７で検出された負荷電流の値は、負荷電流情報として信号ラインＥ３を介して制御部９に送られる。また、制御部９で設定された負荷制御信号は、信号ラインＥ３を介して制御部９から負荷調整部７に与えられる。負荷調整部７は、この負荷制御信号に従って、設定負荷に相当する負荷を発電部５に接続し、この設定負荷に流れる負荷電流が検出されて負荷電流情報として制御部９に送られる。  
なお、負荷調整部７に電力調整部１０の役割を持たせることで、電力調整部１０を省略させることも可能である。この場合、負荷電力１１は負荷調整部７に接続される。
【００２６】
セル電圧監視部８は、予め定められた少なくとも１つのセルで発生される電圧を検出するセル電圧検出回路（図示せず）を含み、信号ラインＥ４を介して発電部５内のセル積層構造５０の上記セルにそれぞれ接続される。各セルで発生される電圧がセル電圧検出回路で計測され、計測されたセル電圧値が電圧情報として制御部９に送られる。ここでは、予め定められたセルとは、セル積層構造５０に含まれる各セル５１の全てとするが、この他にも、セル積層構造５０のうち複数枚のセル５１だけを選択し、それらの合算電圧とすることもできる。また、特定のセル５１だけを選択して予め定められたセルとすることもできる。例えば、セル積層構造５０が多数のセル５１を有する場合、セル電圧監視部８は全てのセル５１のそれぞれの電圧を検出するのではなく、隣接する２〜３枚のセル５１を選択し、これらの合算電圧を予め定められたセルにおける電圧とすることができる。
【００２７】
発電部５は、図２（ａ）及び２（ｂ）に示されるようなセル積層構造５０を備えている。図２（ａ）に示すように、セル積層構造５０は、アノード集電板１２とカソード集電板１４との間に積層された複数のセル５１を備え、各セル５１がアノード集電板１２及びカソード集電板１４に電気的に直列に接続されている。アノード集電板１２とカソード集電板１４との間に積層されたセル５１は、一対の締め付け板１８Ａ、１８Ｂ間に配置され、この締め付け板１８Ａ、１８Ｂ間に固定具１９Ａ、１９Ｂによって締め付け固定されている。アノード集電板１２及びカソード集電板１４は、それぞれ負荷調整部７に接続され、セル積層構造５０で生成された電流がカソード集電板１４で収集されて負荷調整部７に供給される。
【００２８】
また、セル５１は、図２（ｂ）に示されるように膜電極接合体（ＭＥＡと称する。）２０を備えている。この膜電極接合体２０の一方の側にアノード流路板２２が設けられ、他方の側にカソード流路板２４が設けられている。ＭＥＡ２０は、アノード流路板２２とカソード流路板２４とに挟まれ、アノード流路板２２とカソード流路板２４とに接続されたガスケット２６で密閉された構造に形成されている。アノード流路板２２とカソード流路板２４は、このガスケット２６で絶縁され、しかも、このガスケット２６によってＭＥＡ２０から外部への燃料及び空気のリークが防止される。ＭＥＡ２０は、電解質膜の一方の側にアノード極が形成され、電解質膜の他方の側にカソード極が形成される。
【００２９】
各セル５１のアノード流路板２２は、隣接するセル５１のカソード流路板２４に電気的且つ機械的に接続され、各セル５１のカソード流路板２４は、隣接するセル５１のアノード流路板２２に電気的且つ機械的に接続され、積層されたセル５１は、互いに直列に接続されている。また、セル電圧監視部８に接続されるセル５１には、当該セル５１が発生する電圧を外部から監視する為にアノード流路板２２及びカソード流路板２４に出力端子２２Ａ，２４Ａが設けられている。この出力端子２２Ａ，２４Ａがセル電圧信号ラインＥ４を介してセル電圧監視部８の電圧検出回路に接続され、セル電圧監視部８により各セル５１の電圧がモニター（監視）されている。セル電圧監視部８からは、予め定められたセルで発生される電圧に相当する電圧値を表す電圧情報が信号ラインＥ４を介して制御部９の検知処理部９ａに供給される。
【００３０】
アノード流路板２２は、ＭＥＡ２０のアノード極側に面してメタノール、およびメタノール水溶液等の燃料が流通される流路が形成されている。この流路を介して燃料がＭＥＡ２０に供給され、また、ＭＥＡ２０における反応で生成した気体がこのアノード流路板２２の流路を介して排出される。カソード流路板２４は、ＭＥＡ２０のカソード極側に面して空気が流通される流路が形成され、この流路を介してＭＥＡ２０に空気が供給され、また、ＭＥＡ２０において反応で生成され、ＭＥＡ２０を透過した水がカソード流路板２４の流路を介して排出される。
【００３１】
膜電極接合体（ＭＥＡ）２０は、固体高分子膜の両面に触媒層を塗布して触媒層を形成し、その触媒層の外側に集電及び燃料供給と反応生成物の排出を円滑に行うためのガス拡散層を接合することで形成される。固体高分子膜としては、例えば、デュポン（DuPont）社のナフィオン（Nafion：商標）で作られたイオン交換膜を用いることができる。アノード触媒（アノード電極膜）としては市販のＰｔ−Ｒｕ触媒、カソード触媒（カソード電極膜）としては市販Ｐｔ触媒等を用いることができる。ガス拡散層としては市販のカーボンペーパー、カーボン繊維、カーボン不織布を用いることができる。これら拡散層には、主としてカーボンと撥水性素材から成る緻密層（Micro Porous Layer）を設けても良い。
なお、アノード流路板２２及びカソード流路板２４は、それぞれＭＥＡ２０のアノード極への燃料供給及び反応生成物の排出、カソード極への空気供給及び反応生成物の排出と、反応によって生成した電気の集電を行う為に設けられ、この目的を果たす限り、アノード流路板２２及びカソード流路板２４の形状は任意の形状をとることができる。例えば、アノード流路板２２にサーペンタイン流路板を用いることができる。
【００３２】
次に、図１に示される燃料電池システム１の動作について説明する。  
発電を始めるにあたり、燃料供給部４は、制御部９による制御の下で、燃料タンク３から所定の濃度のメタノール水溶液（燃料）を流路Ｌ１、流路Ｌ２を介してアノード流路板２２に供給する。また、空気供給部６は、制御部９による制御の下で、空気を流路Ｌ３を介してカソード流路板２４に供給する。これにより、アノード流路板２２のアノード側では、燃料が流通される流路からアノード極に燃料が浸透される。また、カソード流路板２４のカソード側は、空気が流通される流路からカソード極に空気が浸透される。
【００３３】
負荷調整部７によりセル積層構造５０に接続される負荷が印加されると、アノード極、即ち、ＭＥＡ２０のアノード側では、下記の式（１）に示されるメタノール酸化反応が起こる。
【数１】
2010225460.tif 000003
【００３４】
カソード極、即ち、ＭＥＡ２０のカソード側では、式（２）に示される酸化還元反応が起こる。電子（ｅ−）は負荷調整部７へ流れる。この場合、運転温度および燃料濃度、空気供給量などに応じて、電極表面への物質輸送が律速にならないように、負荷調整部７を操作して、複数枚積層された発電部５に負荷を印加することが望ましい。
【００３５】
アノード触媒で生成されたプロトン（Ｈ＋）は、アノード極から固体高分子膜を通してカソード極へと流れる。この時、プロトンと同時にメタノールが固体高分子膜を通してカソード極へと流れる。カソード極に流れたメタノールはカソード側で式（３）の反応が起こり、カソード極には水が生成される（メタノールクロスオーバー）。  
【数２】
2010225460.tif 000004
【００３６】
また、燃料タンク３内の燃料に水を含む場合、プロトンと同時に水も固体高分子膜を通してカソード極へと流れ込む。
【００３７】
（温度センサレスによるＤＦＭＣの温度の推算方法）  
温度センサレスによるセル積層構造５０の運転温度の推算方法について説明する。  
図３は、負荷調整部７で負荷が切り換えられ、セル積層構造５０から取出される負荷電流Ｉがステップ状に負荷電流Ｉ１から負荷電流Ｉ２に変動した際の各セル５１から出力されるセル電圧の応答特性（ＣＡ１、ＣＡ２、ＣＡ３、ＣＡ４）を示している。これらＣＡ１〜ＣＡ４は、セル積層構造５０における４つのセル５１１〜５１４において測定されたセル電圧の特性を示している。セル５１１〜５１４の各々は、セル電圧監視部８に接続され、各セル５１１〜５１４の電圧が個別に監視され、セル電圧信号が検知処理部９ａに供給される。
【００３８】
図３において、上付のサフィックス（添え字）１〜４は、４枚のセル５１のセル番号１〜４を示す。
【００３９】
図３に示すグラフにおいて、負荷調整部７で第１の負荷Ｉ＝Ｉ1および第２の負荷Ｉ＝Ｉ２が一定時間に選択され、セル電圧監視部８でセル５１１〜５１４の電圧が測定される。検知処理部９ａは、電圧の時間変化特性(ＣＡ１、ＣＡ２、ＣＡ３、ＣＡ４)から、第１の負荷から第２の負荷に変更させた後の最小電圧値となった時点から最大電圧値に達した時点までの時間を時間評価値（Δｔ１、Δｔ2、Δｔ３、Δｔ４）として測定する。
【００４０】
図４は、時間評価値の温度依存性を表したグラフであり、横軸に温度、縦軸に時間評価値の対数を示したものである。このような時間評価値の温度依存性を表す情報は、予め実測結果をもとに作成され、検量線としてデータベース９ｂに格納される。検知処理部９ａは、時間評価値の温度依存性を表す情報を用いて、上記測定された時間評価値から各セル５１の温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４）を推算することができる。このようにして、セル積層構造５０の温度分布を把握することができる。
【００４１】
同様にして、上記負荷変動の際のセル積層構造５０から出力される全セル電圧の応答特性をセル電圧監視部８で収集することができる。この場合は、検知処理部９ａは、セル積層構造５０の平均時間評価値［Δｔ＝（Δｔ１＋Δｔ２＋Δｔ３＋Δｔ４）／４］を測定することができるため、図４に示すような時間評価値の温度依存性を表す情報を用いてセル積層構造５０の平均温度を推算することができる。
【００４２】
燃料流量や燃料濃度が一定の場合、同一の温度条件において、セル５１またはセル積層構造５０から得られる時間評価値ｌｏｇΔｔは、ほぼ同じ値となる。
【００４３】
（温度制御方法）  
上述した温度推算方法を用いて、発電部の出力効率を向上させるための温度制御処理について説明する。図５及び図６は、温度制御処理の手法を示す図である。
【００４４】
図６のフローチャートにおいて、検知処理部９ａは、セル電圧監視部８によりセル電圧をモニターし、上述した方法を用いてセル積層構造５０の時間評価値Δｔに基づいてセル積層構造５０の温度Ｔを推算する（ステップＳ１ａ）。検知処理部９ａは、推算された温度Ｔに応じて冷却器からの冷却風量を調整するための温度度制御信号を温度調整部１３に送る。なお、運転温度の制御方法は、冷却器の冷却風量の増減に限定されるものではなく、その他に、例えば、ジャケット式冷媒の循環速度制御法またはヒーターのＯＮ／ＯＦＦ制御法を用いることもできる。
【００４５】
図５は、推算された温度Ｔから冷却器からの冷却風量Ｑを換算するための関係を表したデータであり、データベース９ｂに予め記憶されている。図５では、センター温度Ｔｃをセルの最適な運転温度として設定し、その周辺の温度範囲（〜Ｔｍｉｎ，Ｔｍｉｎ〜Ｔｃ−ｘ，Ｔｃ−ｘ〜Ｔｃ＋ｘ，Ｔｃ＋ｘ〜Ｔｍａｘ，Ｔｍａｘ〜）において、５つ冷却風量領域（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５）に分けて、セル積層構造５０の温度を制御する。なお、セル積層構造５０の温度をより精密に制御するために、制御可能な冷却風量領域において、冷却風量領域をより細かく分割することができる。
【００４６】
検知処理部９ａは、図５のデータをもとに、上記ステップＳ１ａで推算された温度ＴがＴｍｉｎより低いと判定すると（ステップＳ２ａ：ＹＥＳ）、冷却風量領域Ｑ１に該当するため冷却風量をＱ１とする指示を表す温度制御信号を温度調整部１３に出力する（ステップＳ３ａ）。
【００４７】
一方、検知処理部９ａは、上記推算された温度ＴがＴｍａｘより高いと判定すると（ステップＳ４ａ：ＹＥＳ）、冷却風量領域Ｑ５に該当するため冷却風量をＱ５とする指示を表す温度制御信号を温度調整部１３に出力する（ステップＳ５ａ）。
【００４８】
また、検知処理部９ａは、上記推算された温度ＴがＴｃ＋ｘ≦Ｔ≦Ｔｍａｘの範囲であると判定すると（ステップＳ６ａ：ＹＥＳ）、冷却風量領域Ｑ４に該当するため冷却風量をＱ４とする指示を表す温度制御信号を温度調整部１３に出力する（ステップＳ７ａ）。
【００４９】
また、検知処理部９ａは、上記推算された温度ＴがＴｍｉｎ≦Ｔ≦Ｔｃ−ｘの範囲であると判定すると（ステップＳ８ａ：ＹＥＳ）、冷却風量領域Ｑ２に該当するため冷却風量をＱ２とする指示を表す温度制御信号を温度調整部１３に出力する（ステップＳ９ａ）。
【００５０】
検知処理部９ａは、上記推算された温度Ｔが適温範囲Ｔｃ−ｘ≦Ｔ≦Ｔｃ＋ｘの範囲であると判定すると（ステップＳ１０ａ：ＹＥＳ）、冷却風量領域Ｑ３に該当するため温度調整部１３の冷却風量をＱ３とする（ステップＳ１１ａ）。
【００５１】
（セルの出力制御方法）  
さらに、温度のバラツキを有するセル５１については、負荷調整部７を通して、セル５１の温度条件に対応した負荷電流密度を設定することにより、各セル５１から最適な出力を引き出すことができる。図７は、負荷制御処理の手順を示すフローチャートである。
【００５２】
制御部９の検知処理部９ａは、上述した方法を用いてセル積層構造５０の時間評価値Δｔに基づいてセル５１ｎの温度Ｔｎを推算する（ステップＳ１ｂ）。
【００５３】
検知処理部９ａは、上記ステップＳ１ｂで推算されたセル５１の温度ＴｎがＴｃ−ｘ≦Ｔｎ≦Ｔｃ＋ｘの範囲であると判定すると（ステップＳ２ｂ）、負荷調整部７の負荷電流密度を現状のままＩｎとする（ステップＳ３ｂ）。
【００５４】
一方、検知処理部９ａは、上記セル５１の温度ＴｎがＴｍｉｎ≦Ｔｎ≦Ｔｃ−ｘの範囲であると判定すると（ステップＳ４ｂ）、負荷電流密度ＩｎをＩｎ１に減少させる指示を表す負荷制御信号を負荷調整部７に出力する（ステップＳ５ｂ）。また、検知処理部９ａは、上記セル５１の温度ＴｎがＴｃ＋ｘ≦Ｔｎ≦Ｔｍａｘの温度範囲であると判定すると（ステップＳ６ｂ）、負荷電流密度ＩｎをＩｎ２に増大させる指示を表す負荷制御信号を負荷調整部７に出力する（ステップＳ７ｂ）。
【００５５】
負荷電流密度Ｉｎ１およびＩｎ２の値は、データベース９ｂに予め格納されたセル５１の出力密度（Ｗ）と負荷電流密度との関係を表すデータ（図８）に基づいて決定する。図８には、例として３０℃から７０℃まで、１０℃ずつ、温度を変化させた場合の出力密度と負荷電流密度との関係を示す。なお、図８の温度間隔を狭めることにより、出力密度と負荷電流密度との関係をより正確に把握することができる。温度が求められたセル５１は、該温度の出力密度と負荷電流密度の曲線から、負荷電流密度を決めることができる。この場合は、最大出力密度が得られたときの負荷電流密度より低い負荷電流密度を選択することが望ましい。上記のように、各セル５１の温度条件に応じて、負荷調整部７を通して、負荷電流密度を選択することにより、各セル５１から効率よく電力を引き出すことができる。
【００５６】
上記の温度センサレスによるＤＭＦＣ温度の推算方法は、セル積層構造５０のカソードへ空気をファンなどで送気する送気型ＤＭＦＣ、またはブリージング型ＤＭＦＣの両方とも適用することができる。
【００５７】
（実施例１−１）  
一例として、図９に本実施形態によるブリージング型ＤＭＦＣの評価結果を示す。セル積層構造５０から取り出される負荷電流Ｉがステップ状に負荷電流Ｉ１から負荷電流Ｉ２に変動した際のセル５１から出力されるセル電圧の応答特性（ＣＢ１、ＣＢ２、ＣＢ３、ＣＢ４、ＣＢ５、ＣＢ6）を示している。これらのＣＢ１〜ＣＢ6は、セル積層構造５０における６つのセル５１１〜５１６において測定されたセル電圧の特性を示している。図９より、セル５１（ＣＢ１〜ＣＢ6）の時間評価値（ｌｏｇΔｔ）を得ることができた。得られた時間評価値を、図１０に示すように、データベース９ｂに予め格納された時間評価値の対数ｌｏｇΔｔの温度依存性を表したグラフ（検量線）と照合することにより、各セル５１（ＣＢ１〜ＣＢ６）の温度はそれぞれ４５℃、５０℃、５５℃、６０℃、６５℃と推算できる。これらのセル５１の温度条件及び図８に示すような出力密度と負荷電流密度との関係を示すグラフに基づいて、負荷調整部７を操作して、各セル５１の負荷（Ｉｎｘ）を個別に調整することにより、各セル５１から効率よく電力を引き出すことが可能となる。
【００５８】
なお、負荷電流Ｉ１の印加時間変化による電圧の時間的変化を図１１に示した。さらに、図１１から得られた時間評価値Δｔと負荷電流Ｉ１の印加時間ｔ１との関係を図１２に示す。図１２から、時間評価値Δｔは、負荷電流Ｉ１の印加時間ｔ１の変化に対して、あまり変化しないことがわかる。したがって、セル電圧Ｅ１が非定常時の負荷電流Ｉ１の印加時間ｔ1で測定を行うことで、測定時間を短縮することができる。
【００５９】
（第２の実施形態）  
本発明の第２の実施形態は、負荷変動によるセル電圧の応答特性から時間評価値と電圧評価値とを測定し、時間評価値と電圧評価値とから燃料濃度と温度とを同時に求める手法である。
【００６０】
この第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成は、上記図１に示した燃料電池システム１と同様であるため、上記図１を用いて説明を行う。ただし、第２の実施形態では、制御部９における検知処理部９ａの動作及びデータベース９ｂに格納される内容が異なる。その他の部分については詳しい説明は省略する。
【００６１】
（センサレスによるＤＦＭＣの燃料濃度及び温度の同時推算方法）  
セル積層構造５０へ供給される燃料の濃度と運転温度とを同時に推算する方法について説明する。  
図１３は、負荷調整部７で負荷が切り換えられ、セル積層構造５０から取り出される負荷電流Ｉがステップ状に負荷電流Ｉ１から負荷電流Ｉ２に変動した際のセル５１から出力されるセル電圧の応答特性（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３）を示している。これらＸ１、Ｘ２、Ｘ３は、セル積層構造５０における３つのセル５１１〜５１３においてそれぞれ測定されたセル電圧の応答特性を示している。各々のセル５１１〜５１３は、セル電圧監視部８に接続され、各セル５１１〜５１３の電圧が個別に監視され、セル電圧信号が検知処理部９ａに供給される。図１３において、上付のサフィックス（添え字）１〜３は、３枚のセル５１のセル番号１〜３を示す。
【００６２】
図１３に示すグラフにおいて、負荷調整部７で第１の負荷Ｉ＝Ｉ１および第２の負荷Ｉ＝Ｉ２（Ｉ１＜Ｉ２）が一定時間に選択され、セル５１１〜５１３からセル電圧監視部８でセル５１１〜５１３の電圧が測定される。検知処理部９ａは、電圧の応答特性（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３)から、第１の負荷から第２の負荷に変更させた後の最小電圧値となった時点から最大電圧値に達した時点までの時間を時間評価値（Δt１、Δt２、Δt３）として測定する。また、検知処理部９ａは、第２の負荷の印加時間（ｔ２）において得られた最大電圧値を電圧評価値（Ｅ１ｍａｘ、Ｅ２ｍａｘ、Ｅ３ｍａｘ）として測定する。
【００６３】
図１４は、横軸に時間評価値、縦軸に電圧評価値を示し、セル５１の燃料濃度（Ｃ1、Ｃ2、Ｃ３、・・・、Ｃｎ）に対する時間評価値と電圧評価値の依存性を表すグラフと、温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、・・・、Ｔn）に対する時間評価値と電圧評価値の依存性を表すグラフとを同一平面に重ねて表したものである。図１４中のグラフの時間評価値Δｔと電圧評価値Ｅｍａｘの各交点から温度Ｔ及び燃料濃度Ｃの値が求められる。したがって、図１４に示すような燃料濃度及び温度に対する時間評価値及び電圧評価値の依存性を表す情報を、予め実測結果をもとに作成してデータベース９ｂに格納しておけば、この情報に基づいて、上記図１３のような測定により得られた二つのパラメーター（時間評価値及び電圧評価値）から、異なる二つのパラメーター（セル５１へ供給される燃料の濃度と温度）を同時に推算することができる。図１４には、一例として、三種類の燃料濃度（Ｃ1、Ｃ2、Ｃ３）および五種類の温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５）のグラフをそれぞれ示すが、本実施形態においてグラフの本数は、推算の感度と精度に応じて適宜増減することが出来る。また、図１４のグラフを図１５のように横軸を時間評価値、縦軸を温度としたグラフに変換することも可能である。
【００６４】
同様に、上記負荷変動の際のセル積層構造５０から出力される全セル電圧の応答特性をセル電圧監視部８で収集することができる。この場合は、セル積層構造５０の平均時間評価値［Δt＝（Δt１＋Δt２＋Δt３＋・・・＋Δtｎ）／ｎ］と平均電圧評価値［Ｅｍａｘ＝（Ｅ１ｍａｘ＋Ｅ２ｍａｘ＋Ｅ３ｍａｘ＋・・・＋Ｅｎｍａｘ）／ｎ］が測定されるため、平均時間評価値と平均電圧評価値とを用いて、図１４又は図１５の燃料濃度および温度に対する時間評価値及び電圧評価値の依存性を表したグラフからセル積層構造５０へ供給される燃料濃度の平均値（Ｃ）および温度の平均値（Ｔ）を同時に推算することができる。
【００６５】
その他にも、各セル５１の燃料濃度値からセル積層構造５０へ供給する燃料の平均濃度［Ｃ＝（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）／３］を推算することができる。同様に、各セルの運転温度からセル積層構造５０の温度の平均値［Ｔ＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）/３］を推算することができる。
【００６６】
また、図１６、図１７に示すように、上記時間評価値（Δｔ）の代わりに、第２の負荷の印加時間（ｔ２）を加えた値（ｔ２１／２／（Δｔ１／２−ｔ２１／２））の絶対値の自然対数を時間評価値［ｌｎ｜ｔ２１／２／（Δｔ１／２-ｔ２１／２）｜］とすることができる。
【００６７】
その他にも、第１の負荷Ｉ１から第２の負荷Ｉ２（Ｉ１＞Ｉ２）に切り替えてセル５１に負荷変動を与えた場合、セルの最大電圧値となった時点から最小電圧値となる時点までの時間を時間評価値とすることもできる。また、この場合の電圧評価値は、第２の負荷の印加時間（ｔ２）を経過したときのセル５１の最小電圧値とする。
【００６８】
また、電圧評価値として、第１の負荷Ｉ１から第２の負荷Ｉ２に切り替え、第２の負荷の印加時間（ｔ２）を経過したときのセル５１の最大電圧値と最小電圧値との電圧差（ΔＥ）の絶対値を用いることもできる。図１８に、セル５１の最大電圧値と最小電圧値との電圧差（ΔＥ）の絶対値を電圧評価値とした場合の電圧評価値と時間評価値、燃料濃度、温度との依存性を示す三次元グラフを示す。この場合は電圧評価値と時間評価値、温度、燃料濃度との間の相関関係を表す相関関数を求めることができる。この方法により、迅速にセル５１の燃料濃度と温度を求めることもできる。
【００６９】
同一のセル積層構造５０を有し、同じ運転時間および運転温度、燃料濃度などの運転条件において、セル５１またはセル積層構造５０から出力される時間評価値または電圧評価値はほぼ等しい値となる。しかし、同一のセル積層構造５０を有する場合においても、異なる運転時間において、運転時間の長期化に伴った電解質膜の劣化やカソードのフラッディングなどの影響を受け、同じ運転温度と燃料濃度により、セル５１またはセル構造５０から同じ時間評価値と電圧評価値が得られなくなるおそれがある。この場合は、所定の運転時間において、各運転温度または各燃料濃度における時間評価値および電圧評価値を予め測定してデータベースを作成し、データベース９ｂに格納すればよい。データベースの作成は、例えば約５００時間の運転間隔で行うことができるが、データベースの作成間隔が短ければ短いほど、より正確な評価結果が得られると考えられる。本実施形態においては、データベースの作成間隔は燃料電池システムの運転条件および電解質膜の劣化速度、カソードのフラッディングなどの状況から総合的に判断し、適切に選択することができる。
【００７０】
上記燃料電池システムにおいて、負荷調整部７を用いて、第１の負荷（Ｉ１）または第２の負荷（Ｉ２）を調整することにより、いろいろな電圧信号の曲線を得ることができる。例えば、図１３の（Ｘ1、Ｘ２）のような電圧信号の曲線を得るためには、第２の負荷は第１の負荷より大きく設定し、且つ図１９に示された温度依存性を示すＩＶ曲線（電流電圧曲線）において、電極反応律速および物質（燃料および空気）拡散（輸送）律速の領域を避けて設定することが望ましい。換言すれば、第２の負荷は主に抵抗分極（抵抗過電圧）が支配的な領域において選択され、セル積層構造５０またはセル５１に与えられることが望ましい。また、図１９において、運転温度Ｔ５におけるＩＶ曲線により得られたＩ５２の領域が運転温度Ｔ１のＩ１２と比べて広いが、測定条件を揃えるために、運転温度Ｔ１のＩ１２を選択することができる。
【００７１】
また、第２の負荷は一律に物質拡散律速の領域に設定することもできるが、電極の劣化およびカソードのフラッディングを防ぐために、第２の負荷の印加時間（ｔ２）をなるべく短く設定すると良い。物質拡散律速の領域において、第２の負荷を設定する場合、図２０のようなセル電圧の応答特性（Ｊ７、Ｊ８、Ｊ９）が得られる。この場合、セル電圧の応答特性（Ｊ７、Ｊ８、Ｊ９）の第１のピークの最小電圧値と、第２の出力応値と、その電圧差から電圧評価値（Ｅ７min、Ｅ７max、ΔＥ７、Ｅ８min、Ｅ８max、ΔＥ８、Ｅ９min、Ｅ９max、ΔＥ９）を求めることができる。具体的には次の通りである。
【００７２】
セル電圧の応答特性（Ｊ７）の第１のピークの最小電圧値と、第２のピークの最大電圧値（出力応値）と、その電圧差から電圧評価値（Ｅ７min、Ｅ７max、ΔＥ７）を求めることができる。同様に、セル電圧の応答特性（Ｊ８）の第１のピークの最小電圧値と、第２のピークの最大電圧値（出力応値）と、その電圧差から電圧評価値（Ｅ８ｍｉｎ、Ｅ８ｍａｘ、ΔＥ８）を求めることができる。また、セル電圧の応答特性（Ｊ９）の第１のピークの最小電圧値と、第２の電圧信号の変曲点の電圧値（出力応値）と、その電圧差（ΔＥ９）から電圧評価値（Ｅ９ｍｉｎ、Ｅ９ｍａｘ、ΔＥ９）を求めることができる。ここで変曲点とは、第１のピークの後に最初に現れる、電圧値が略一定値となる期間の最初の点をいう。すなわち、この電圧値が略一定値となる部分を踊り場と称するならば、この踊り場の左端の点を言う。一方、時間評価値（Δｔ７、Δｔ８、Δｔ９）は、上記電圧差（ΔＥ７、ΔＥ８、ΔＥ９）が測定される２点の電圧信号間（ＥｍｉｎとＥｍａｘの間）の時間から求めることができる。なお、物質拡散律速の領域において、第２の負荷を設定して、測定を行なう場合、第２のピークの最大電圧値及び第２の電圧信号の変曲点の電圧値は、第２の負荷の印化時間（ｔ２）において得られるセル電圧の応答曲線の中で、最大の電圧値でなくてもよい。
【００７３】
物質拡散律速の領域において、第２の負荷を設定した場合に測定された電圧評価値（Ｅｍｉｎ、Ｅｍａｘ、ΔＥ）と時間評価値（Δｔ）の、セル５１の燃料濃度（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、・・・、Ｃｎ）および温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、・・・、Ｔｎ)に対する依存性を表すグラフを図２１〜図２３にそれぞれ示す。図２１〜図２３のグラフは、物質拡散律速の領域において、第２の負荷を設定した場合のデータベースとして予めデータベース９ｂに格納することができる。図２１〜図２３には、三種類の燃料濃度（Ｃ1、Ｃ2、Ｃ３）における時間評価値及び電圧評価値の依存性のグラフ、および三種類の温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３)における時間評価値及び電圧評価値の依存性のグラフをそれぞれ示すが、これらのグラフの本数は、推算の感度と精度に応じて適宜に増減することが出来る。本実施形態では、図２１〜図２３のようなグラフに基づいて、物質拡散律速の領域において、第２の負荷を設定したときに得られた電圧評価値と時間評価値とから、セル５１の燃料濃度とセル５１の温度とを同時に求めることができる。
【００７４】
上記の説明から明らかなように、セル５１またはセル積層構造５０の電圧の応答特性は第１の負荷と第２の負荷の設定値に依存し、同一セル５１またはセル積層構造５０において、同じ第１の負荷と第２の負荷の設定値とこれらの設定値より得られたデータベースを使用することが望ましい。
【００７５】
また、第１の負荷を第２の負荷より大きく設定した場合でも、得られた電圧信号の経時変化曲線から電圧評価値と時間評価値を測定・利用することもできる。この場合、電圧信号の最大値と最小値の出現する順番は異なるが、同様に電圧評価値として用いることができる。また、その電圧差の絶対値を電圧評価値とすることができる。
【００７６】
なお、本実施形態はＰａｓｓｉｖｅ型（ブリージング型）ＤＭＦＣまたはＡｃｔｉｖｅ型（送気型）ＤＭＦＣの両方へ適用させることができる。
【００７７】
次に、本発明のセンサレスによるＤＦＭＣに供給される燃料の濃度と温度の同時推算方法に係る実施例について説明する。
【００７８】
（実施例２−１）  
実施例２−１はＡｃｔｉｖｅ型（送気型）ＤＭＦＣの場合の実施結果を示す。  
異なる運転温度および燃料濃度において、負荷調整部７で負荷が切り換えられ、セル５１に印加した負荷電流Ｉがステップ状に負荷電流Ｉ１から負荷電流Ｉ２に変動した際のセル５１から出力されるセル電圧の応答特性がそれぞれＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５、Ｇ６、Ｇ７のような応答曲線として得られたものとする（図示省略）。上付のサフィックス（添え字）はそれぞれ、異なる温度または燃料濃度条件における同一セル５１から得られた電圧の応答特性を示す。
【００７９】
負荷調整部７で第１の負荷Ｉ＝Ｉ１および第２の負荷Ｉ＝Ｉ2がそれぞれ一定時間（ｔ１、ｔ２）に選択され、セル電圧監視部８でセル５１の電圧が測定される。検知処理部９ａは、電圧の時間的変化特性(Ｇ１〜Ｇ７)から、第１の負荷から第２の負荷に変更させた後の最小電圧値となった時点から最大電圧値に達した時点までの時間を時間評価値（Δt１、Δt2、Δt３、Δt４、Δt５、Δt６、Δt７）として測定する。また、検知処理部９ａは、第２の負荷に変更させた後の所定時間（ｔ２）において得られた最大電圧値を電圧評価値（Ｅ１ｍａｘ、Ｅ２ｍａｘ、Ｅ３ｍａｘ、Ｅ４ｍａｘ、Ｅ５ｍａｘ、Ｅ６ｍａｘ、Ｅ７ｍａｘ）として測定する。
【００８０】
この時間評価値と電圧評価値を用いて、データベース９ｂに予め格納されているセル５１の燃料濃度（Ｃ1、Ｃ2、Ｃ３、・・・、Ｃｎ）及び温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、・・・、Ｔｎ)に対する時間評価値及び電圧評価値の依存性を表すグラフ（図１４）に基づいて、セル５１へ供給される燃料の濃度とセル５１の温度とを同時に推算することができる。ここでは、Ｃ１＜Ｃ２＜Ｃ３＜・・・＜Ｃｎ、またはＴ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４＜Ｔ５＜・・・＜Ｔnである。図２４及び図２５に燃料濃度と温度の推算結果を示した。図２４に示すように、上記得られた時間評価値（Δt１〜Δt７）と電圧評価値（Ｅ１ｍａｘ〜Ｅ７ｍａｘ）とにより、それぞれの時間評価値と電圧評価値の交点（Ｚ１、Ｚ2、Ｚ３、Ｚ４、Ｚ５、Ｚ６、Ｚ７）から、セル５１へ供給される燃料の濃度（Ｃ１、Ｃ３）と温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７）を推算することができた。例えば、図２４により、Δｔ１とＥ１ｍａｘの交点（Ｚ１）から燃料濃度と温度はそれぞれＣ３とＴ１であると求められる。また、Δｔ６とＥ６ｍａｘの交点（Ｚ６）から燃料濃度と温度はそれぞれＣ１とＴ３であると求められる。同様の方法で時間評価値と電圧評価値とのそれぞれの交点から求められた燃料濃度と温度の値を図２６に示す。
【００８１】
（実施例２−２）  
実施例２−２は、Ｐａｓｓｉｖｅ型（ブリージング型）ＤＭＦＣの場合の実施結果を示す。
【００８２】
異なる運転温度および燃料濃度において、負荷調整部７で負荷が切り換えられ、セル５１に印加した負荷電流Ｉがステップ状に負荷電流Ｉ１から負荷電流Ｉ２に変動した際のセル５１から出力されるセル電圧の応答特性がそれぞれＪ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６、Ｊ７、Ｊ８、Ｊ９のような電圧の時間的変化特性として得られるものとする。物質拡散律速の領域において第２の負荷を設定する場合、得られたＪ７、Ｊ８、Ｊ９の電圧応答特性を図２０に示す。Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６の電圧応答特性は図示を省略する。Ｊの上付のサフィックス（添え字）はそれぞれ、異なる温度または燃料濃度条件における同一セル５１から得られた電圧の応答特性を示す。
【００８３】
負荷調整部７で第１の負荷Ｉ＝Ｉ1および第２の負荷Ｉ＝Ｉ2がそれぞれ一定時間（ｔ１、ｔ２）に選択され、セル５１からセル電圧監視部８でセル５１の電圧が測定される。検知処理部９ａは、セル５１の電圧の応答特性(Ｊ１〜Ｊ９)から、第１の負荷から第２の負荷に変更させた後の最小電圧値になった時点から最大電圧値（または第２のピークの最大電圧値、または第２の電圧信号の変曲点。出力応値）に達した時点までの時間を時間評価値（Δt１、Δt２、Δt３、Δt４、Δt５、Δt６、Δt７）として測定する。
【００８４】
また、検知処理部９ａは、第２の負荷に変更させた後の所定時間（ｔ２）に得られた電圧信号の第１のピークの最小値を第１の電圧評価値（Ｅ１ｍｉｎ、Ｅ２ｍｉｎ、Ｅ３ｍｉｎ、Ｅ４ｍｉｎ、Ｅ５ｍｉｎ、Ｅ６ｍｉｎ、Ｅ７ｍｉｎ、Ｅ８ｍｉｎ、Ｅ９ｍｉｎ）として求める。また、第２の負荷に変更させた後の所定時間（ｔ２）に得られた電圧信号の最大電圧値、第２のピークの最大電圧値または変曲点の電圧値を第２の電圧評価値（Ｅ１ｍａｘ、Ｅ２ｍａｘ、Ｅ３ｍａｘ、Ｅ４ｍａｘ、Ｅ５ｍａｘ、Ｅ６ｍａｘ、Ｅ７ｍａｘ、Ｅ８ｍａｘ、Ｅ９ｍａｘ）として求める。また、上記最小値（Ｅｍｉｎ）と最大値（Ｅｍａｘ）との電圧差を第３の電圧評価値（ΔＥ１、ΔＥ２、ΔＥ３、ΔＥ４、ΔＥ５、ΔＥ６、ΔＥ７、ΔＥ８、ΔＥ９）として求める。
【００８５】
この時間評価値と第１〜第３の電圧評価値とを用いて、データベース９ｂに予め格納されているセル５１の燃料濃度及び温度に対する時間評価値及び第１〜第３の電圧評価値の依存性を表したグラフ（図２１〜図２３）に基づいて、セル５１へ供給される燃料の濃度とセル５１の温度を推算することができる。ここでは、Ｃ1＜Ｃ２＜Ｃ３、またはＴ１＜Ｔ２＜Ｔ３である。図２７〜図２９に燃料濃度とセル５１の温度の推算結果を示す。
【００８６】
図２７に示すように、上記得られた時間評価値（Δt１〜Δt９）と第１の電圧評価値（Ｅｍｉｎ１〜Ｅｍｉｎ９）により、それぞれの時間評価値と第１の電圧評価値との交点（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５、Ｋ６、Ｋ７、Ｋ８、Ｋ９）から、セル５１へ供給される燃料の濃度とセル５１の温度を同時に推算することができる。例えば、図２７により、Δt４とＥｍｉｎ４の交点（Ｋ４）から燃料濃度とセル５１の温度はそれぞれＣ1とＴ２であることが求められる。また、Δt６とＥｍｉｎ６の交点（Ｊ６）から燃料濃度とセル５１の温度はそれぞれＣ３とＴ２であることがわかった。同様の方法を用いて、図３０に示すように、時間評価値と第１〜第３の電圧評価値（Ｅｍｉｎ、Ｅｍａｘ、ΔＥ）のそれぞれの交点（Ｋ、Ｏ、Ｐ）からそれぞれの燃料濃度とセル５１の温度を同時に求めることができる。
【００８７】
（燃料濃度制御方法）  
燃料電池システム１において、安定なセル出力を維持するために、燃料供給部４から発電部５へ供給する燃料が所定の濃度範囲において保たれることが非常に重要である。
【００８８】
そこで、上述した方法で各セル５１または積層セル構造５０へ供給される燃料の濃度を推算し、燃料供給部４（または燃料流量調整バルブ）を操作して、燃料濃度を調整する方法について説明する。図３１は、制御部９の処理手順を示すフローチャートを示したものである。
【００８９】
図３１において、検知処理部９ａは、セル電圧監視部８によりセル電圧をモニターし、上述した方法を用いてセル積層構造５０の時間評価値と電圧評価値とに基づいて、燃料濃度Ｃと温度Ｔとを同時に推算する（ステップＳ１ｃ）。検知処理部９ａは、上記ステップＳ１ａで推算された燃料濃度Ｃに応じて燃料タンク３からの燃料の供給流量を調整するための供給量制御信号を燃料供給部４に送る。
【００９０】
例えば、図３１では、燃料濃度をＣとして、その濃度範囲（〜Ｃｍｉｎ、Ｃｍｉｎ〜Ｃｃ−ｘ、Ｃｃ−ｘ〜Ｃｃ＋ｘ、Ｃｃ＋ｘ〜Ｃｍａｘ、Ｃmax〜）において、それぞれ５つの燃料濃度制御モード（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５）に分けて、セル積層構造５０へ供給する燃料の濃度を燃料制御する。セル積層構造５０へ供給される燃料の濃度をより精密に制御するために、制御可能な燃料濃度範囲において、燃料濃度の制御モードをより細かく分割することができる。
【００９１】
検知処理部９ａは、上記ステップＳ１ａで推算された燃料濃度ＣがＣｍｉｎより低いと判定すると（ステップＳ２ｃ：ＹＥＳ）、燃料濃度上昇処理Ｐ１として燃料供給量を増大させる指示を表す供給量制御信号を燃料供給部４に出力する（ステップＳ３ｃ）。
【００９２】
一方、検知処理部９ａは、上記推算された燃料濃度ＣがＣｍａｘより高いと判定すると（ステップＳ４ｃ：ＹＥＳ）、燃料濃度上昇処理Ｐ５として燃料供給量を減少させる指示を表す燃料濃度制御信号を燃料供給部４に出力する（ステップＳ５ｃ）。
【００９３】
また、検知処理部９ａは、上記推算された燃料濃度ＣがＣｃ＋ｘ≦Ｃ≦Ｃｍａｘの範囲であると判定すると（ステップＳ６ｃ：ＹＥＳ）、燃料濃度上昇処理Ｐ４として燃料供給量を減少させる指示を表す燃料濃度制御信号を燃料供給部４に出力する（ステップＳ７ｃ）。
【００９４】
また、検知処理部９ａは、上記推算された燃料濃度ＣがＣｍｉｎ≦Ｃ≦Ｃｃ−ｘの範囲であると判定すると（ステップＳ８ｃ：ＹＥＳ）、燃料濃度上昇処理Ｐ２として燃料供給量を増大させる指示を表す燃料濃度制御信号を燃料供給部４に出力する（ステップＳ９ｃ）。
【００９５】
検知処理部９ｃは、上記推算された燃料濃度ＣがＣｃ−ｘ≦Ｃ≦Ｃｃ＋ｘの範囲であると判定すると（ステップＳ１０ｃ：ＹＥＳ）、燃料濃度は適切な範囲Ｐ３に該当するため燃料供給部４の燃料供給量をそのまま維持する（ステップＳ１１ｃ）。
【００９６】
（温度制御方法）  
次に、上述した方法で推算された温度を用いて発電部の出力効率を向上させるための温度制御処理について説明する。図３２は、制御部９の処理手順を示すフローチャートを示したものである。ここでは、制御部９は、上記図５のグラフを用いて温度調整部１３により、セル積層構造５０の温度を制御する。
【００９７】
図３２において、検知処理部９ａは、セル電圧監視部８によりセル電圧をモニターし、上述した方法を用いてセル積層構造５０の時間評価値と電圧評価値とに基づいて、燃料濃度Ｃと温度Ｔとを同時に推算する（ステップＳ１ｄ）。検知処理部９ａは、推算された温度Ｔに応じて冷却器からの冷却風量を調整するための温度度制御信号を温度調整部１３に送る。なお、運転温度の制御方法は、冷却器の冷却風量の増減に限定されるものではなく、その他に、例えば、ジャケット式冷媒の循環速度制御法またはヒーターのＯＮ／ＯＦＦ制御法を用いることもできる。
【００９８】
検知処理部９ａは、図５のグラフをもとに、上記ステップＳ１ａで推算された温度ＴがＴｍｉｎより低いと判定すると（ステップＳ２ａ：ＹＥＳ）、冷却風量領域Ｑ１に該当するため冷却風量をＱ１とする指示を表す温度制御信号を温度調整部１３に出力する（ステップＳ３ａ）。
【００９９】
一方、検知処理部９ｄは、上記推算された温度ＴがＴｍａｘより高いと判定すると（ステップＳ４ｄ：ＹＥＳ）、冷却風量領域Ｑ５に該当するため冷却風量をＱ５とする指示を表す温度制御信号を温度調整部１３に出力する（ステップＳ５ｄ）。
【０１００】
また、検知処理部９ａは、上記推算された温度ＴがＴｃ＋ｘ≦Ｔ≦Ｔｍａｘの範囲であると判定すると（ステップＳ６ｄ：ＹＥＳ）、冷却風量領域Ｑ４に該当するため冷却風量をＱ４とする指示を表す温度制御信号を温度調整部１３に出力する（ステップＳ７ｄ）。
【０１０１】
また、検知処理部９ａは、上記推算された温度ＴがＴｍｉｎ≦Ｔ≦Ｔｃ−ｘの範囲であると判定すると（ステップＳ８ｄ：ＹＥＳ）、冷却風量領域Ｑ２に該当するため冷却風量をＱ２とする指示を表す温度制御信号を温度調整部１３に出力する（ステップＳ９ｄ）。
【０１０２】
検知処理部９ａは、上記推算された温度Ｔが適温範囲Ｔｃ−ｘ≦Ｔ≦Ｔｃ＋ｘの範囲であると判定すると（ステップＳ１０ｄ：ＹＥＳ）、冷却風量領域Ｑ３に該当するため温度調整部１３の冷却風量をＱ３とする（ステップＳ１１ｄ）。
【０１０３】
上記実施形態では、セル５１へ供給される燃料の濃度と温度を別々に制御する方法について述べたが、両変数は推算結果に基づいて同時に（並列的に）調整・制御することもできる。
【０１０４】
なお、ＤＭＦＣの最高出力を保つために、セル積層構造５０の平均温度は、最低温度を有するセル５１の温度より高く設定することが望ましい。しかしながら、温度が高くなるとメタノールのクロスオーバー量も増大し、その結果、ＤＭＦＣの出力が低下する恐れも出てくる。本実施形態は、それらのバランスを考慮し、最大出力が得られるよう、温度調整部１３を操作する。
【０１０５】
また、冷却風量の調整による温度調節を行う場合、セル積層構造５０への送気量がカソードで行われている電極反応に対して、空気拡散律速にならない範囲において、冷却風量を調整すると良い。
【０１０６】
なお、この発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【符号の説明】
【０１０７】
１…燃料電池システム、２…補器類、３…燃料タンク、４…燃料供給部、５…発電部、６…空気供給部、７…負荷調整部、８…セル電圧監視部、９…制御部、９ａ…検知処理部、９ｂ…データベース、１０…電力調整部、１１…負荷電力、５０…セル積層構造、５１…セル、１２…アノード集電板、１３…温度調整部、１４…カソード集電板、１８Ａ，１８Ｂ…締め付け板、１９Ａ，１９Ｂ…固定具、２０…膜電極接合体（ＭＥＡ）、２２…アノード流路板、２４…カソード流路板、２２Ａ，２４Ａ…出力端子、２６…ガスケット、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…供給ライン、Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５，Ｅ６，Ｅ７…信号ライン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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