(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの動作上好ましい供給量で水素発生物質に水を供給することができる燃料電池システムを得ること。【解決手段】  水との発熱反応により水素を発生する水素発生物質を収容した水素発生部３と、前記水素発生部３に水を供給する水供給手段２と、前記水素発生部３で発生した水素を燃料として発電を行う燃料電池５とを備えた燃料電池システムであって、前記水素発生部３で発生した水素量を検出する水素量検出手段として、前記水素発生部の温度を検出する温度検出手段６、および、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段、および、前記燃料池部の出力電流を検出する電流検出手段のうちの少なくとも１つを備え、かつ、前記水素量検出手段での検出結果に基づいて、前記水素発生部３に供給する水量を制御する制御手段を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水との発熱反応により水素を発生する水素発生物質を収容した水素発生部と、
前記水素発生部に水を供給する水供給手段と、
前記水素発生部で発生した水素を燃料として発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システムであって、
前記水素発生部で発生した水素量を検出する水素量検出手段として、前記水素発生部の温度を検出する温度検出手段、および、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段、および、前記燃料池部の出力電流を検出する電流検出手段のうちの少なくとも１つを備え、
かつ、前記水素量検出手段での検出結果に基づいて、前記水素発生部に供給する水量を制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
発電開始時において、前記水素量検出手段で検出された水素量が所定量よりも多くなったときに、前記制御手段が、前記水素発生部への水の供給量を減少させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
発電動作中において、前記水素量検出手段で検出された水素量が所定量よりも少なくなったときに、前記制御手段が、前記水素発生部への水の供給を停止する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池で発電された電力を蓄える二次電池と、
前記二次電池に蓄えられている電力の残量を検出する電池残量検出手段とをさらに備え、
前記電池残量検出手段が検出した前記二次電池に蓄えられている電力の残量に応じて、前記制御手段が前記水素発生部への水の供給量を変化させる請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記電池残量検出手段が検出した前記二次電池に蓄えられている電力の残量が、第１の閾値を下回った場合には、前記制御手段が前記水素発生部への水の供給量を増加させ、
前記電池残量検出手段が検出した前記二次電池に蓄えられている電力の残量が、前記第１の閾値よりも大きな値である第２の閾値を上回った場合には、前記制御手段が前記水素発生部への水の供給量を減少させる請求項４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】
本発明は、水素発生部と、水素発生部で発生した水素を燃料として動作する燃料電池を有するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話などのモバイル機器の普及に伴い、その電源である電池は、ますます小型化、高容量化が要望されている。このような、エネルギー密度が高く、小型であり、かつ、出力容量が大きいという要望に応えうる電池として、固体高分子型燃料電池などの燃料電池の開発が進められている。
【０００３】
燃料電池は、燃料および酸素の供給を行えば連続的に使用することが可能である。例えば、高分子電解質膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に燃料（水素、メタノールなど）を用いるものであり、現在の主流であるリチウムイオン二次電池よりも高エネルギー密度化が期待できる電池として注目されている。このＰＥＭＦＣで使用する燃料として水素を用いる場合の、水素を製造する方法として、水と、イオン化傾向の高い金属であるリチウム、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウムなどの水素発生物質との発熱反応により水素を発生させる方法が提案されている。
【０００４】
このような、水素発生物質を収容した水素発生部に水を供給して、水と水素発生物質とを反応させて燃料電池の燃料とする水素を発生させる方法について、水素発生物質として用いる金属材料の粒径を規定して、低温で簡便に水素を発生させる技術が開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−３０６７００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水との発熱反応により水素を発生する水素発生物質に水を供給して水素を発生させる方法では、水素発生の開始時点において、水の供給を開始してから水素が発生するまでに時間がかかるという問題がある。このため、燃料電池での発電を開始しようとしたときに、発電開始から一定の水量で、水素発生物質が収容されている水素発生部に水を供給するという方法では、燃料電池が必要な電力を出力するまでに時間がかかるという問題がある。
【０００６】
また、水との発熱反応が進んで未反応の水素発生物質が減少し、水素の発生が継続できなくなった場合には、それ以上の水の供給を止めないと水素発生部から水があふれてしまって、安全な動作ができなくなるという問題が生じる。
【０００７】
さらに、燃料電池システム内に二次電池を有し、燃料電池で発電された電力を二次電池に蓄えて、必要に応じて二次電池から燃料電池外に電力を出力する場合には、二次電池に蓄えられた電力の残量に応じて、燃料電池での発電を制御して二次電池への充電を行うようにすることが燃料電池システムの効率上好ましい。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、水と水素発生物質との発熱反応の特性や、未反応の水素発生物質の残量、さらには、燃料電池に求められる発電量といった、燃料電池システムの動作上好ましい供給量で水素発生物質に水を供給することができる燃料電池システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水との発熱反応により水素を発生する水素発生物質を収容した水素発生部と、前記水素発生部に水を供給する水供給手段と、前記水素発生部で発生した水素を燃料として発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システムであって、前記水素発生部で発生した水素量を検出する水素量検出手段として、前記水素発生部の温度を検出する温度検出手段、および、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段、および、前記燃料池部の出力電流を検出する電流検出手段のうちの少なくとも１つを備え、かつ、前記水素量検出手段での検出結果に基づいて、前記水素発生部に供給する水量を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池システムによれば、水素発生部に収容された水素発生物質に供給される水の供給量を、水素発生物質の状態や燃料電池に求められる発電量に対応したより適切なものとすることができ、効率よく生成された水素を用いて発電が行なわれる燃料電池システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
上記のように、本発明の燃料電池システムは、水との発熱反応により水素を発生する水素発生物質を収容した水素発生部と、前記水素発生部に水を供給する水供給手段と、前記水素発生部で発生した水素を燃料として発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池システムであって、前記水素発生部で発生した水素量を検出する水素量検出手段として、前記水素発生部の温度を検出する温度検出手段、および、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段、および、前記燃料池部の出力電流を検出する電流検出手段のうちの少なくとも１つを備え、かつ、前記水素量検出手段での検出結果に基づいて、前記水素発生部に供給する水量を制御する制御手段を備える。
【００１２】
このようにすることで、温度検出手段、電圧検出手段、電流検出手段のいずれかによって、水素発生部で発生する水素の量を検出することができる。そして、検出された水素の発生量に応じて、水素発生部への水の供給量をより適切な量に制御できるので、水素発生物質と水との水素発生反応を効率よく行うことができる。
【００１３】
また、発電開始時において、前記水素量検出手段で検出された水素量が所定量よりも多くなったときに、前記制御手段が、前記水素発生部への水の供給量を減少させることが好ましい。このようにすることで、水素の発生開始が遅くなる燃料電池の発電開始時に、水素発生部へより多くの水を供給することができ、水素の発生開始を速めることができる。
【００１４】
なお、本発明において、水素量検出手段で検出された水素量が所定量よりも多いことは、水素量検出手段が温度検出手段であるときは、検出された温度が所定の温度より高いことで、水素量検出手段が電圧検出手段であるときは、検出された電圧値が所定の電圧値より高いことで、水素量検出手段が電流検出手段であるときは、検出された電流値が所定の電流値より高いことで、把握することができる。
【００１５】
また、発電動作中において、前記水素量検出手段で検出された水素量が所定量よりも少なくなったときに、前記制御手段が、前記水素発生部への水の供給を停止することが好ましい。このようにすることで、水素発生部に収容されている未反応の水素発生物質が減少して水素の発生量が低下した場合に、過剰な水を供給してしまうことで未反応の水があふれ出してしまうなどのトラブルを未然に防止できる。
【００１６】
また、本発明において、水素量検出手段で検出された水素量が所定量よりも少ないことは、水素量検出手段が温度検出手段であるときは、検出された温度が所定の温度より低いことで、水素量検出手段が電圧検出手段であるときは、検出された電圧値が所定の電圧値より低いことで、水素量検出手段が電流検出手段であるときは、検出された電流値が所定の電流値より低いことで、把握することができる。
【００１７】
また、前記燃料電池で発電された電力を蓄える二次電池と、前記二次電池に蓄えられている電力の残量を検出する電池残量検出手段とをさらに備え、前記電池残量検出手段が検出した前記二次電池に蓄えられている電力の残量に応じて、前記制御手段が前記水素発生部への水の供給量を変化させることが好ましい。このようにすることで、燃料電池の発電量を制御し、二次電池に蓄えられている電力の残量を所定の範囲内に収めた、効率のよう燃料電池システムを得ることができる。
【００１８】
この場合において、前記電池残量検出手段が検出した前記二次電池に蓄えられている電力の残量が、第１の閾値を下回った場合には、前記制御手段が前記水素発生部への水の供給量を増加させ、前記電池残量検出手段が検出した前記二次電池に蓄えられている電力の残量が、前記第１の閾値よりも大きな値である第２の閾値を上回った場合には、前記制御手段が前記水素発生部への水の供給量を減少させることが好ましい。
【００１９】
以下、本発明にかかる燃料電池システムの実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明にかかる燃料電池システムの第１の実施形態における概略構成を示すブロック図である。
【００２１】
本実施形態の燃料電池システムは、水素を発生させるために必要な水を貯蔵する水貯蔵タンク１と、水貯蔵タンク１内の水を水素発生物質と反応させるために水素発生部３に供給する水供給手段としての電動ポンプ２、電動ポンプ２によって供給された水が、内部にあらかじめ収容されている水素発生物質と発熱反応を生じて水素が発生する水素発生部３とを有している。
【００２２】
水素発生部３は、水および水素を透過しにくく、かつ水素発生の発熱反応によって１００℃程度に温度が上昇し多場合や、内部に収容された水素発生物質の体積が膨張した場合でも破損等しない材質である、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等の樹脂製の容器内に、水素発生物質が収容されたものである。この容器の形状としては、角柱状、円柱状等が採用できる。なお、容器の材質としては、上記の他にアルミニウム、鉄、ステンレス等の金属なども利用できる。
【００２３】
水素発生物質としては、水として反応して水素を発生させる材料であれば特に限定されないが、イオン化傾向の高い金属であるリチウム、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、さらに、ケイ素、亜鉛、および、これらの元素を主体とする合金からなる群から選択される少なくとも１種の金属材料が好適に使用できる。また、水素発生物質である金属材料に、親水性酸化物、炭素および吸水性高分子からなる群から選ばれる少なくとも１つの物質を添加すれば、金属材料と水との反応を促進させることができるので好ましい。このような親水性酸化物としては、アルミナ、シリカ、チタニア、マグネシア、ジルコニア、ゼオライト、酸化亜鉛等が使用できる。さらに、水と水素発生物質との発熱反応を容易に開始させるために、水素発生物質以外の材料であって水と反応して発熱する発熱材料を含ませることもできる。
【００２４】
水供給手段としての電動ポンプ２には、チューブポンプ、ダイヤフラムポンプあるいはシリンジポンプなどのマイクロポンプを使用することができる。なお、水供給手段としては、これらの電動ポンプに限られず、水素発生部３への供給水量を制御する制御信号にしたがって、水素発生物質への水の供給速度と時間とをコントロールして水供給量が調整可能な手段であれば、その具体的構成の制限はない。
【００２５】
水素発生部３で水素発生物質と水との発熱反応により生成された水素は、水素発生部３に形成された水素導出管を経て、燃料電池５に導かれる。
【００２６】
燃料電池５は、水素を燃料として酸素と反応させる、周知の固体高分子形燃料電池であり、例えば固体高分子電解質膜型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を使用することができる。
【００２７】
具体的には、燃料電池５は、電解質とそれを挟む一対の電極（正極、負極）とで構成されたセルを複数個備えてスタックを形成している。電解質には、固体高分子電解質が使われている。燃料電池５の正極には、空気流入部４を介して流入する空気中の酸素ガス（正極活物質）が供給され、負極には水素発生部３で発生した水素（負極活物質）が供給される。この構成において、負極活物質の水素イオンが電解質を通って正極側へ移動し、酸素分子と結合する時に、外部回路中を電子が移動し発電される。なお、燃料電池５の構成は、一般的なものであるため、その構成の詳細と電力生成のメカニズムについての図示と説明は省略する。また、燃料電池５において使用される電解質などの構成は、上記例示したものに限定されない。
【００２８】
水素発生部３には、水素発生部３で発生した水素発生量を検出する水素量検出手段の一つとしての、温度検出手段である温度センサ６が設けられている。この温度センサ６は、温度により抵抗値が変化するサーミスタや温度により起電力が変化する熱電対などが用いられ、水素発生物質との水との反応の度合いによって変化する水素の発生量を、水素発生物質の温度から検出するものである。なお、本実施形態において温度センサ６は、水素発生部３の容器の外側に貼着されて、容器の温度変化を介して水素発生物質の温度を検出するように構成されている。しかし、本発明における温度検出手段はこの方法に限られず、例えば熱電対などを用いることで水素発生物質そのものの温度を検出する構成とすることもできる。
【００２９】
また、本発明にかかる水素量検出手段としては、この温度検出手段に限られず、生成された水素を用いて発電を行う燃料電池５が生成する電力から、その出力電圧の値を検出する電圧検出手段や、その出力電流の値を検出する電流検出手段を用いることができる。さらに、これら温度検出手段と、電圧検出手段と、電流検出手段のうちのいずれか２つ、又は３つ全てを、水素量検出手段として複合的に使用することもできる。
【００３０】
操作部７は、燃料電池システムに発電開始の指示などを入力するユーザーインタフェース部である。操作部７としては、スイッチやタッチパネルなどを用いることができる。また、燃料電池５で生成される電力を電源として使用する、各種機器のスイッチ信号がそのまま操作部７に入力される構成とすることもできる。
【００３１】
演算部８は、操作部７からの発電開始の指示を受け、水供給手段である電動ポンプ２を駆動させるポンプ制御装置９に駆動信号を与える。また、水素量検出手段である温度センサ６からの出力に基づいて、水素発生部３で発生している水素量を検出し、この水素量に基づいてポンプ制御装置９に、電動ポンプ２によって水素発生部３に供給すべき水の量を演算して出力する。出力する情報は、例えばＤ／Ａ変換によるアナログ値が用いられるが、他の情報でも良い。このような機能を有するため、演算部８は、マイコン等のプログラミング可能な制御装置や、マイクロプロセッサーなどによる構成が望ましいが、電子回路などにより構成することも可能である。
【００３２】
ポンプ制御装置９は、演算部８の出力した供給すべき水供給量に関する情報を受け取り、電動ポンプ２の供給水量を制御する。演算部８とポンプ制御装置９とが、水素量検出手段である温度センサ６からの検出情報にしたがって、水素発生部３に供給する水量を制御する制御手段１０を構成する。
【００３３】
次に、図２を用いて、本実施形態の燃料電池システムの、水素発生部３に供給される水量の制御動作について説明する。
【００３４】
図２は、本実施形態にかかる燃料電池システムの動作を示す、フローチャートである。
【００３５】
ここで、水供給量Ａは、発電の開始時、すなわち、水素発生部３に収容された水素発生物質に水を供給して水素の生成を始めるときに適した供給水量を示す。また、水供給量Ｂは、発電開始後の発電継続に適した水量、すなわち、水素発生部３で水素発生物質と水との水素発生の発熱反応が安定して行われているときに、水素を生成し続けるときに好適な水の供給量を示す。また、温度ＴＡは、水と水素発生物質との水素発生の発熱反応が安定して生じていると判断できる、水素発生物質の温度である。また、温度ＴＢは、水との反応が進み、未反応な水素発生物質の量が少なくなって、安定して一定量の水素を発生させることが困難になった時の水素発生物質の温度である。
【００３６】
なお、これらの水供給量Ａ、水供給量Ｂ、温度ＴＡ、温度ＴＢは、水素発生物質の材質や水素発生部３内の収容量、水素発生部３の形状や環境温度、燃料電池５の性能や燃料電池５の出力として必要とされる電力量などにより適宜決定される数値である。
【００３７】
図２に示すように、最初のステップＳ１０１において、操作部７からの操作によって、発電開始命令が与えられる。
【００３８】
ステップＳ１０２において、発電開始命令を受け取った演算部８は、ポンプ制御装置９に対して水供給量Ａで水を供給すべきという、供給水量の情報を伝達する。ポンプ制御装置９は、伝達された供給水量の情報により、電動ポンプ２を制御し、電動ポンプ２は水貯蔵タンク１から水素発生部３へ水供給量Ａで水を供給する。
【００３９】
ステップＳ１０３において、演算部８は、温度センサ６で検出される水素発生部３の温度が、上記所定の温度ＴＡ以上に上昇したか否かを判断する。水素発生部３の温度が、ＴＡ以下の場合（Ｎｏの場合）は、水供給量Ａで水を供給する動作を継続し、水素発生部３の温度がＴＡよりも高くなった場合（Ｙｅｓの場合）に、次のステップＳ１０４に移行する。
【００４０】
ステップＳ１０４では、温度センサ６で検出された水素発生部３の温度が温度ＴＡ以上となったことに対応して、演算部８が、ポンプ制御装置９に対して水供給量Ｂでの水の供給を行うよう、供給水量の情報を伝達する。この供給水量情報に基づき、ポンプ制御装置９は、電動ポンプ２を制御して、水貯蔵タンク１から水素発生部３へ水供給量Ｂでの水の供給を行う。
【００４１】
続いて、ステップＳ１０５において、演算部８は、温度センサ６で検出される水素発生部３の温度が、上記所定の温度ＴＢ以下に低下したか否かを判断する。水素発生部３の温度が、ＴＢ以上である場合（Ｎｏの場合）には、水供給量Ｂでの水の供給を継続する。一方、水素発生部３の温度がＴＢよりも低くなった場合（Ｙｅｓの場合）に、次のステップＳ１０６に移行する。
【００４２】
ステップＳ１０６では、温度センサ６で検出された水素発生部３の温度が温度ＴＢ以下となったことに対応して、演算部８が、ポンプ制御装置９に対して水の供給を停止する情報を伝達する。
【００４３】
ステップＳ１０６において、水供給を停止するとの供給水量情報に基づき、ポンプ制御装置９は、電動ポンプ２を停止して、水貯蔵タンク１から水素発生部３への水の供給が停止される。
【００４４】
水素発生部３への水の供給が停止したことにより、水素発生部３での水と水素発生物質との水素発生反応が停止し、水素が供給されなくなったことにより、燃料電池５での発電が終了する（ステップＳ１０７）。
【００４５】
図３に、図２で説明した水供給量の制御を行った場合の、水の供給量と、水素発生部３の温度と、燃料電池５での発電量との関係を示す。図３におけるそれぞれのグラフの横軸は、発電開始命令が出された時点（ｔ＝０）からの時間の経過を表している。
【００４６】
図３に示すように、発電開始命令が出されると、水供給量Ａでの水の供給が開始される。水供給量Ａでの水の供給が行われると、水素発生部３内の水素発生物質と水との発熱反応が開始し、ある程度時間が経過すると水素発生部３の温度が徐々に上昇する。
【００４７】
そして、水素発生部３の温度が、所定の温度ＴＡに達した時刻ｔ１において、演算部８からの指示によって、ポンプ制御装置９は、電動ポンプによる水の供給量を水供給量Ａよりも少ない、水供給量Ｂに変更する。この時刻ｔ１以降は、水素の発生が継続して行われ、燃料電池５での発電が開始される。
【００４８】
その後、水供給量Ｂでの水の供給が継続して行われと、水素発生部３の温度はやがて安定し、一定量での水素が継続して発生する。このため、燃料電池５での発電量も安定する。
【００４９】
一定時間以上、水素の発生を行うことで、水素発生部３内に収容された水素発生物質が次々と水と反応し、次第に未反応の水素発生物質の量が減少していく。このため、一定の水供給量Ｂでの水の供給を続けていても、水素発生部３での温度が徐々に下がり始める。そして、時刻ｔ２で、水素発生部３の温度が、所定の温度ＴＢよりも低くなる。
【００５０】
水素発生部３の温度がＴＢよりも低くなると、これ以上の安定した水素生成は不可能となる。このため、演算部８が、ポンプ制御装置９に水の供給を停止する情報を伝達し、水の供給が停止する。時刻ｔ２で、水の供給が停止された以降、水素発生部３の温度はさらに低下し、また、水素発生部３からの水素発生量が低下するため、燃料電池５での発電量も低下し、やがて発電が終了する。
【００５１】
このように、本実施形態の燃料電池システムでは、発電開始時に適した水供給量（水供給量Ａ）によって発電を開始するとともに、水素発生量を水素発生部３の温度で検出して、水素発生量が所定量以上となったときに、安定して水素発生を継続することができる水供給量（水供給量Ｂ）に変更する。また、未反応の水素発生物質の量が減少し、水素発生量が低下したことを、水素発生部３の温度を検出することによって検出し、安定して水素を発生することができなくなったことを感知して、水の供給を停止して、水素の発生を停止する。このため、水素発生を速やかに行うことができるとともに、水素発生のための水の供給を適切に継続し、また、水素発生の終了時を的確に把握して水の過剰供給を防止することができる。
【００５２】
なお、本実施形態では、水素発生部３での水素発生量の検出手段として、水素発生部３の温度を検出する温度検出手段を用いた。しかし、本発明はこれに限られず、燃料電池５での発電量が、水素発生部３から供給される水素量と関連して変動することを用いて、水素発生部３での水素発生量の検出を、燃料電池での出力電圧、もしくは出力電流を用いて検出することができる。この場合、電圧と電流の値は、電圧計や電流計などの周知の測定装置を使用することで容易に測定することができる。
【００５３】
このとき、燃料電池５の出力電圧を電圧検出手段で検出した場合には、検出された電圧が所定電圧よりも高くなったときに、一定以上の量の水素が発生していることになる。また、燃料電池５の出力電流を電流検出手段で検出した場合には、検出された電流が所定電流よりも高くなったときに、一定以上の量の水素が発生していることになる。
【００５４】
また、例えば、水素発生部３の温度と、燃料電池５での出力電圧との双方を検出することにより、より正確に水素発生部３での水素発生量の検出を行うことができる。
【００５５】
なお、上記では、水素発生の開始時と水素発生の停止時との両方において、水素発生量に基づいた水素発生部への供給水量の制御を行うことを例示して説明したが、本発明の燃料電池においてこれは必須ではない。水素発生の開始時、もしくは、水素発生の停止時のいずれかにおいてのみ、供給水量の制御を行うことができ、それぞれの場合において、本発明の効果を奏することができる。
【００５６】
（第２の実施形態）
次に、本発明にかかる燃料電池システムの第２の実施形態として、燃料電池の出力電力を一旦二次電池に蓄え、その後、この二次電池に蓄えられた電力を放電させて接続された機器の電源とするような場合について説明する。
【００５７】
図４は、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【００５８】
図４に示す、第２の実施形態にかかる燃料電池システムでは、水素を発生して燃料電池で発電を行うまでの構成要素は、上記図１を用いて説明した、第１の実施形態にかかる燃料電池システムと同じである。したがって、これら第１の実施形態と共通する構成要素については、図１と同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５９】
図４に示す第２の実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池５で発電された電力を蓄える二次電池１２と、この二次電池１２に燃料電池５で発電した電力を充電する充電部１１と、二次電池１２に蓄えられている電力の残量を検出する電池残量検出手段である電池残量検出部１３とをさらに備えている。
【００６０】
ここで、二次電池１２は、所定量の電力を充電し放電することができる二次電池であれば、特に制限なく各種の二次電池が使用できるが、例えばエネルギー密度が高いリチウムイオン二次電池を用いることが好適である。
【００６１】
電池残量検出部１３は、二次電池１２の残量を、残存量の指標となる電圧値などで検出し、演算部８に出力する。
【００６２】
演算部８は、上記本発明の第１の実施の形態として説明した、水素発生部３で発生する水素量を検出して行う、水素発生部３への供給水量の制御に加えて、電池残量検出部１３で検出された、二次電池１２に蓄えられている電力の残量についての情報から、より最適な供給水量を演算する。そして、演算部８での演算結果に基づいて、演算部８とともに制御部１０を構成するポンプ制御装置９を介して、水供給手段である電動ポンプ２を制御して、水素発生部３に供給される水の供給量を制御する。
【００６３】
次に、図５を用いて、第２の実施形態にかかる燃料電池システムの、水素発生部３に供給される水の量の制御動作について説明する。
【００６４】
図５は、第２の実施形態にかかる燃料電池システムの動作を示す、フローチャートである。
【００６５】
ここで、水供給量Ａが、発電の開始時に適した供給水量、水供給量Ｂが、発電開始後の発電継続に適した供給水量、温度ＴＡが、水と水素発生物質との水素生成の発熱反応が安定して生じていると判断できる水素発生部３の温度、温度ＴＢが、安定して一定量の水素の発生が維持できなくなった時の水素発生部３の温度である点については、図２に示した第１の実施形態のものと同じである。
【００６６】
第２の閾値である二次電池電圧ＶＡは、二次電池１２に必要十分な電力が残留している場合の、電池残量検出部１３での電圧値である。また、第２の閾値である二次電池電圧ＶＢは、二次電池１２からの放電量が充電量よりも大きい場合など、二次電池１２に残留している電力量が少なくなっていると判断できる電池残量検出部１３での電圧値を示す。なお、本実施形態では、第２の閾値ＶＡは、第１の閾値ＶＢよりも大きな値である。
【００６７】
また、水供給量Ｃは、発電開始後の安定した水素生成が行われている状態よりも、より多くの水素を発生することができる場合の水素発生部３への供給水量である。なお、本実施形態では、この供給水量Ｃは供給水量Ａよりは少なく、供給水量Ｂ＜供給水量Ｃ＜供給水量Ａの関係が成り立つ。
【００６８】
なお、これらの二次電池電圧ＶＡ、二次電池電圧ＶＢ、水供給量Ｃについても、適用される燃料電池システムでの二次電池１２の容量や出力することが要求される電力量などに応じて、適宜決定されるべき数値である。
【００６９】
図５に示すように、最初のステップＳ２０１において、操作部７からの操作によって、発電開始命令が与えられる。
【００７０】
ステップＳ２０２において、発電開始命令を受け取った演算部８は、ポンプ制御装置９に対して水供給量Ａを供給すべきという、供給水量の情報を伝達する。ポンプ制御装置９は、伝達された供給水量情報により、電動ポンプ２を制御し、電動ポンプ２は水貯蔵タンク１から水素発生部３へ水供給量Ａで水を供給する。
【００７１】
ステップＳ２０３において、演算部８は、温度センサ６で検出される水素発生部３の温度が、上記所定の温度ＴＡ以上に上昇したか否かを判断する。水素発生部３の温度が、ＴＡ以下の場合（Ｎｏの場合）は、水供給量Ａで水を供給する動作を継続し、水素発生部３の温度がＴＡよりも高くなった場合（Ｙｅｓの場合）に、次のステップＳ２０４に移行する。
【００７２】
ステップＳ２０４では、温度センサ６で検出された水素発生部３の温度が温度ＴＡ以上となったことに対応して、演算部８が、ポンプ制御装置９に対して水供給量Ｂでの水供給を行うよう、供給水量の情報を伝達する。この供給水量情報に基づき、ポンプ制御装置９は、電動ポンプ２を制御して、水貯蔵タンク１から水素発生部３へ水供給量Ｂでの水の供給を行う。
【００７３】
以上、ステップＳ２０１からＳ２０４までの、水素発生部３で水素生成が開始されて燃料電池５での発電が開始されるまでの各ステップは、上記した第１の実施形態における図２のステップＳ１０１からＳ１０４までと同じである。
【００７４】
ステップＳ２０５において、演算部８が、電池残量検出部１３で検出された二次電池１２の電圧値がＶＡ以上であるか否かを判断する。二次電池１２の電圧値がＶＡ以上である場合（Ｙｅｓの場合）、すなわち、二次電池１２に十分な電力が蓄えられている状態であることを検出した場合には、ステップＳ２０６に進んで、演算部８は、供給水量Ｂでの水素発生部３への水供給の継続をポンプ制御装置９に指示する。
【００７５】
一方、ステップＳ２０５において、電池残量検出部１３が検出した二次電池１２の電圧値がＶＡ以下である場合（Ｎｏの場合）、二次電池１２に蓄えられている電力が減少していることを検出した場合には、次のステップＳ２０７に進む。
【００７６】
ステップＳ２０７において、電池残量検出部１３が、二次電池１２の電圧値がＶＢ以下ではない、すなわち、二次電池１２にまだ一定量以上の電力が蓄えられている状態であることを検出した場合（Ｎｏの場合）には、ステップＳ２０９に進んで、未反応の水素発生物質が残っているかの判断を行う。
【００７７】
ステップＳ２０７において、電池残量検出部１３が、二次電池１２の電圧値がＶＢ以下である、すなわち、二次電池１２に蓄えられている電力量が減少していることを検出した場合（Ｙｅｓの場合）には、ステップＳ２０８に進む。
【００７８】
ステップＳ２０８において、演算部８は、供給水量Ｂよりも多い供給水量である供給水量Ｃでの水供給を行うことを演算し、ポンプ制御装置９を介して水素発生部３への水の供給量を供給水量Ｃとする。その後、ステップＳ２０９に進んで、未反応の水素発生物質が残っているかの判断を行う。
【００７９】
ステップＳ２０９で、まだ未反応の水素発生物質が残っていると判断された場合には、再びステップＳ２０５で、電池残量検出部１３が、二次電池１２の電圧値がＶＡ以上に回復したか否かを検出し、二次電池１２の電圧値がＶＡ以上に回復した場合（Ｙｅｓの場合）には、次のステップＳ２０６で、供給水量を安定した水素生成が行われる供給水量Ｂに戻す。
【００８０】
その後、ステップＳ２０９において、演算部８は、温度センサ６で検出される水素発生部３の温度が、温度ＴＢ以下になり、水素発生部３内に残存する未反応の水素発生物質が引き続き十分な量の水素を発生させることができる状態にないと判断される場合（Ｙｅｓの場合）には、次のステップＳ２１０に移行する。また、水素発生部３の温度が、温度ＴＢ以下になっていない場合（Ｎｏの場合）には、ステップＳ２０５に戻り、水素の発生を継続する。
【００８１】
ステップＳ２１０では、温度センサ６で検出された水素発生部３の温度が温度ＴＢ以下となったことに対応して、演算部８が、ポンプ制御装置９に対して水の供給を停止する情報を伝達する。
【００８２】
ステップＳ２１０において、水供給を停止するとの水供給量情報に基づき、ポンプ制御装置９は、電動ポンプ２を停止して、水貯蔵タンク１から水素発生部３への水の供給を停止する。そして、水素発生部３での水と水素発生物質との水素発生反応が停止し、水素が供給されなくなったことにより、燃料電池５での発電が停止する（ステップＳ２１１）。
【００８３】
第２の実施形態において、水素発生部３内の水素発生物質の残存量が十分に残っていない場合に、水素発生部３への水の供給を停止し、燃料電池での発電を停止するステップＳ２０９からステップＳ２１１までの各ステップは、上記第１の実施形態で説明した、ステップＳ１０５からステップＳ１０７までの各ステップと同じである。
【００８４】
なお、本実施形態におけるＶＡとＶＢとの関係は、ヒステリシス性を持たせるためＶＡ＞ＶＢとすることがより好ましいが、ＶＡ＝ＶＢとすることもできる。
【００８５】
図６に、図５で説明した水供給量の制御を行った場合の、水供給量と、二次電池１２の電圧と、水素発生部３の温度と、燃料電池５での発電量との関係を示す。図６におけるそれぞれのグラフの横軸は、図３と同様に、発電開始命令が出された時点（ｔ＝０）からの時間の経過を表している。
【００８６】
図６に示すように、発電開始命令が出されると、水供給量Ａでの水の供給が開始される。水供給量Ａでの水の供給が行われると、水素発生部３内の水素発生物質と水との発熱反応が開始し、一定時間経過後に水素発生部３の温度が徐々に上昇する。
【００８７】
そして、水素発生部３の温度が、所定の温度ＴＡに達した時刻ｔ１において、演算部８からの指示によって、ポンプ制御装置９は、電動ポンプによる水の供給量を水供給量Ａよりも少ない、水供給量Ｂに変更する。この時刻ｔ１から安定した水素の発生が開始されるため、燃料電池５での発電が開始される。水供給量Ｂでの水の供給が継続して行われると、水素発生部３の温度はやがて安定し、一定量での水素が継続して発生する。このため、燃料電池５での発電量も安定する。ここまでは、図３に示した第１の実施形態のものと同じである。
【００８８】
その後、二次電池１２に接続された負荷での電力消費が大きい場合などで、二次電池１２での電圧値が次第に低下していったことを想定する。時刻ｔ２において、二次電池１２の電圧値が、正常な電力供給を行うことができない程度にまで低下し、第１の閾値であるＶＢを下回ると、演算部８からの指示により、ポンプ制御装置９では、定常状態の水供給量Ｂよりも多い水供給量である、水供給量Ｃでの水の供給を行う。
【００８９】
その結果、水素発生部３からの水素生成量が増加し、燃料電池５での発電量が増えることで、二次電池１２の残留電力量を示す電圧値が徐々に増加する。そして、二次電池１２に残留する電力量が、時刻Ｔ３において、正常な電力供給を行うことができる電力量まで回復したことが、二次電池１２の電圧値が第２の閾値であるＶＡ以上まで回復したことで検出される。このため、時刻ｔ３以降は、演算部８からの指示により、ポンプ制御装置９が水素発生部３への供給水量Ｂでの水の供給を行う。
【００９０】
なお、水素発生物質の温度は、定常状態である水供給量Ｂでの水素発生を行っている時点で、平衡状態にまで達しているので、水供給量Ｃに増加させた場合でも、温度の変化は生じていない。
【００９１】
その後、供給水量Ｂで一定時間以上の水素の生成を行うことで、水素発生部３内に収容された水素発生物質が次々と水と反応し、次第に未反応の水素発生物質の量が減少していく。このため、一定の水供給量Ｂでの水の供給を続けていても、水素発生部３での温度が徐々に下がり始める。そして、時刻ｔ４で、水素発生部３の温度が、所定の温度ＴＢよりも低くなる。
【００９２】
水素発生部３の温度が、ＴＢよりも低くなると、これ以上の安定した水素生成は不可能となるので、演算部８が、ポンプ制御装置９に水の供給を停止する情報を伝達し、水の供給が停止する。時刻ｔ４で、水の供給が停止された以降、水素発生部３の温度はさらに低下し、また、水素発生部３からの水素発生量が低下するため、燃料電池５での発電量も低下し、やがて発電が終了する。
【００９３】
このように、本実施形態の燃料電池システムでは、第１の実施形態で説明したように、発電開始時と、安定して水素発生を継続する場合と、未反応の水素発生物質の量が減少して水素発生量が低下した場合それぞれについて、適切な水供給量での水の供給を行って水素の生成を行うことに加え、燃料電池５の発電した電力を二次電池１２に蓄え、これを放電して負荷に供給する燃料電池システムの場合に、二次電池１２に蓄えられた電力の残存量を一定レベルに保つことができる。
【００９４】
このため、燃料電池システムのから供給される電力量を一定として、燃料電池システムから電力を供給される機器の動作を、より安定した状態で行うことができる。また、燃料電池算利用検出部１３から得られる指標の閾値を変化させることで、燃料電池１２に十分な電力が残存している場合に、燃料電池５からの電力供給を低減するような制御を行うこともできる。このため、本実施形態の燃料電池システムでは、必要に応じた量の発電を行うことで、燃料電池に供給する燃料を、効率的に発生させて発電を行うという優れた効果が得られる。
【００９５】
なお、上記第２の実施形態の説明では、二次電池の電圧に対応した供給水量の制御を、水素発生の開始時と水素発生の停止時との両方において水素発生量に基づいた水素発生部への供給水量の制御に加えて行う場合について説明した。しかし、本発明の燃料電池においてこれは必須ではなく、二次電池の電圧に対応した供給水量の制御のみを行う場合や、水素発生の開示、もしくは、停止時のいずれか一方における供給水量の制御との組み合わせにおいて、二次電池の電圧に対応した供給水量の制御を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
以上のように本発明の燃料電池システムは、水素発生部での水素発生量を把握することにより、効率よく発電することができる燃料電池システムとして、幅広い用途に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の第１の実施形態としての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２】本発明の第１の実施形態としての燃料電池システムでの、動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第１の実施形態としての燃料電池システムにおける、水供給量と、水素発生部の温度と、燃料電池での発電量の変化を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態としての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５】本発明の第２の実施形態としての燃料電池システムでの、動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態としての燃料電池システムにおける、水供給量と、二次電池電圧と、水素発生部の温度と、燃料電池での発電量の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９８】
１      水貯蔵タンク
２      電動ポンプ（水供給手段）
３      水素発生部
５      燃料電池（燃料電池）
６      温度センサ（温度検出手段）
８      演算部
９      ポンプ制御装置
１０    制御部
１２    二次電池
１３    電池残量検出部（電池残量検出手段）
【図１】
2010061915.tif 000003
【図２】
2010061915.tif 000004
【図３】
2010061915.tif 000005
【図４】
2010061915.tif 000006
【図５】
2010061915.tif 000007
【図６】
2010061915.tif 000008