(57)【要約】  本充電方法は、燃料電池に第１流量ＡＱの酸化剤を供給する工程、燃料電池に第２流量ＦＱの燃料を供給する工程、鉛蓄電池を、燃料電池の発電電力により燃料電池の出力電流Ｉｆを一定にして充電する工程、鉛蓄電池の電池電圧Ｅｂの増大に伴って、充電電流Ｉｂを低減する工程、燃料電池の発電電力の減少により燃料電池の出力電圧Ｅｆが下限電圧値ＤＥまで低下したときに、出力電圧Ｅｆを下限電圧値ＤＥ以上とするように、出力電流Ｉｆを低減する工程、並びに、電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達する毎に、出力電流Ｉｆを、第１電流Ｉｂ(１)から第ｎ電流Ｉｂ(ｎ)まで、（ｎ−１）回、段階的に低減する工程を含む。
2014057603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池及び鉛蓄電池を含む燃料電池システムで、前記鉛蓄電池を前記燃料電池の発電電力により充電する充電方法であって、
（i）前記燃料電池に第１流量ＡＱの酸化剤を供給する工程と、
（ii）前記燃料電池に第２流量ＦＱの燃料を供給する工程と、
（iii）前記鉛蓄電池を、前記燃料電池の出力電流Ｉｆを一定にして、前記燃料電池の発電電力により充電する工程と、
（iv）前記鉛蓄電池の電池電圧Ｅｂに応じて、前記鉛蓄電池の充電電流Ｉｂを調節する工程と、
（v）前記燃料電池の発電電力の減少により前記燃料電池の出力電圧Ｅｆが下限電圧値ＤＥまで低下したときに、前記出力電圧Ｅｆを下限電圧値ＤＥ以上とするように、前記出力電流Ｉｆを調節する工程と、
（vi）前記電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達する毎に、前記出力電流Ｉｆを、第１電流Ｉｆ(１)から第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで、（ｎ−１）回、低減する工程、ただし、ｎは２以上の整数であり、かつＩｆ(１)＞Ｉｆ(２)＞…、である、とを具備する、燃料電池システムの充電方法。
【請求項２】
前記工程（vi）で、前記出力電流Ｉｆを、前記第１電流Ｉｆ(１)から前記第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで低減するのに伴って、前記第１流量ＡＱおよび、前記第２流量ＦＱを低減する、請求項１記載の燃料電池システムの充電方法。
【請求項３】
さらに、（vii）前記出力電流Ｉｆが前記第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで低減されたときに、前記電池電圧Ｅｂが第２上限電圧ＥＲmax、ただし、ＥＲmax＞ＥＲ１である、に達するまで、前記出力電流Ｉｆを前記第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)に維持して、前記鉛蓄電池を充電する工程、を具備する請求項１または２記載の燃料電池システムの充電方法。
【請求項４】
燃料電池と、
前記燃料電池の出力電流Ｉｆを検出する第１電流センサと、
前記燃料電池の出力電圧Ｅｆを検出する第１電圧センサと、
前記燃料電池の発電電力により充電される鉛蓄電池と、
前記燃料電池の出力端子と接続され、前記出力電流Ｉｆを設定するように、前記出力電圧Ｅｆを変圧して前記燃料電池の発電電力を前記鉛蓄電池に出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記鉛蓄電池の電池電圧Ｅｂを検出する第２電圧センサと、
前記出力電流Ｉｆを調節するとともに、前記電池電圧Ｅｂに応じて、前記鉛蓄電池の充電電流Ｉｂを調節するように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの変圧比ＰＳを設定する充電制御部と、を備え、
前記充電制御部は、
前記出力電流Ｉｆを一定にして、前記燃料電池の発電電力により前記鉛蓄電池を充電しているときに、前記発電電力の減少により前記出力電圧Ｅｆが下限電圧値ＤＥまで低下すると、前記出力電圧Ｅｆを下限電圧値ＤＥ以上とするように、前記変圧比ＰＳを設定するとともに、
前記電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達する毎に、前記出力電流Ｉｆを、第１電流Ｉｆ(１)から第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで、（ｎ−１）回、低減する、ただし、ｎは２以上の整数であり、かつＩｆ(１)＞Ｉｆ(２)＞…、である、ように、前記変圧比ＰＳを設定する、燃料電池システム。
【請求項５】
前記鉛蓄電池の充電を開始するときの、前記出力電流Ｉｆの初期値Ｉｆａが、前記燃料電池の最大出力が得られる最適出力電流ＭＦＩを基準に設定される、請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記最適出力電流ＭＦＩと、前記出力電流Ｉｆの初期値Ｉｆａとの差が、０〜３０００ｍＡである、請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記下限電圧値ＤＥが、前記燃料電池の最大出力が得られる最適出力電圧ＭＦＥを基準に設定されている、請求項４〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記最適出力電圧ＭＦＥと、前記下限電圧値ＤＥとの差が、０．０１〜０．１Ｖ／セルである、請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
さらに、
前記燃料電池に燃料を送る燃料ポンプと、
前記燃料電池に酸化剤を送る酸化剤ポンプとを備え、
前記充電制御部は、前記出力電流Ｉｆを低減するように、前記変圧比ＰＳを設定するときに、前記燃料ポンプおよび前記酸化剤ポンプの少なくとも一方の吐出量を低減するための指示を発する、請求項４〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料がメタノールを含む、請求項４〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記酸化剤が空気を含む、請求項４〜１０のいずれか１項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、燃料電池システムに関し、特に燃料電池により発電された電力を鉛蓄電池に充電して、外部に供給するための燃料電池システムの充電制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、ノートＰＣ、デジタルカメラ等のモバイル機器の高性能化に伴い、その電源として、高分子電解質膜を用いた高分子電解質型燃料電池が期待されている。高分子電解質型燃料電池（以下、単に「燃料電池」とする）の中でも、燃料としてメタノールなどの液体燃料を直接アノードへ供給する直接酸化型燃料電池は、小型軽量化に適しており、モバイル機器用電源やポータブル発電機として開発が進められている。【０００３】
さらに、燃料電池は、発電効率が高く、一般的な発電機に比べて騒音や振動も少ないために、静音性が求められる民生用の中型の電源装置のエネルギ源としても期待されている。例えば、アウトドア・アクティビティに使用される電源装置に燃料電池を使用することが検討されている。燃料電池は、発電効率が高いことから、携行すべき燃料量を最小限度に抑えることができるとともに、発電時の騒音が小さいことから、住宅地に近い環境において、夜間等の使用も可能となる。【０００４】
そして、燃料電池により発電された電力を有効利用するために、燃料電池を含む電源装置には、二次電池を含ませるのが好ましい。燃料電池は、起動されてから運転状態が安定するまでの間は発電効率が低下することがあり、発電中も、負荷の変動に即応して発電量を調整するのが困難なことがあるからである。【０００５】
そして、例えばアウトドア・アクティビティに使用される中型の電源装置の場合には、燃料電池システムに含ませる二次電池として、鉛蓄電池の利用が好ましい。そのような電源装置は、小型化の要求が、携帯電話等の携帯電子機器の電源装置に対するほどには大きくないために、例えば高容量かつ高エネルギ密度のリチウムイオン二次電池等を使用する必要性は小さく、鉛蓄電池を使用することで低コスト化が図れる。【０００６】
鉛蓄電池は、メモリー効果がない一方で、深い放電を行うと劣化が早く、そのような使い方をすれば、数回程度の使用で使用不能に陥るおそれもある。このため、鉛蓄電池は、過放電を避けるために、使用後すぐに充電を行い、いつも充電容量を満たしておく運用が望ましい。【０００７】
以上の点に関し、燃料電池により鉛蓄電池を充電する従来のシステムにおいては、特許文献１および２に示すように、鉛蓄電池を定電流・定電圧充電により充電することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−５９７９号公報
【特許文献２】特開２００６−２３６６１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、燃料電池をエネルギ源として鉛蓄電池を蓄電する場合には、通常の定電流・定電圧充電により充電するだけでは、鉛蓄電池を満充電状態まで充電することが困難なことがある。定電流充電では、充電の進行に伴って電池電圧（充電電圧）が上昇する。このため、充電の進行に伴って、定電流充電では、燃料電池の負荷は次第に大きくなる。このとき、燃料電池の負荷が定格出力を超えると、発電効率は大きく低下する。これを避けるためには、定格出力のより大きな燃料電池を使用する必要性が生じ、その結果、電源装置が高コスト化する。【００１０】
上記の不都合を避けるためには、定電流・定電圧充電において、より早い時期に定電流充電を終了して、定電圧充電に切り替える必要性が生じる。しかしながら、満充電状態まで充電するのに必要とされる電気量に占める定電圧充電の割合が大きくなれば、それだけ、充電時間は長くなる。以上のような理由で、電源装置を低コスト化すると、燃料電池により鉛蓄電池を満充電状態まで充電するためには長時間を要することとなる。これにより、鉛蓄電池を常に満充電状態まで充電することができなくなる。その結果、鉛蓄電池のサイクル寿命を十分に向上させることは困難となる。また、定電圧充電では、充電に必要とされる電力量が非常に小さくなる。このため、燃料電池の発電電力により定電圧充電を実行すると、燃料電池の発電効率が低下することも考えられる。【００１１】
さらに、燃料電池は、発電を開始し、発電状態が安定した後、ある程度の時間が経過すると、発電電力が低下する場合がある（図５参照）。その原因は、必ずしも明らかではないが、燃料電池に燃料を供給する燃料流路や、酸化剤を供給する酸化剤流路に、発電の際に生成された水が溜まることで、流路抵抗が大きくなることが原因の一つと考えられる。したがって、燃料電池は、発電開始からある程度の時間が経過した時点に、いったん発電を止めて、酸化剤流路の水つまり等を解消するリセット動作を実行することが望ましい。【００１２】
一方で、燃料電池は、既に述べたように、発電を開始してから発電状態が安定するまでの間は、発電効率が低下することがある。このため、燃料電池の起動および停止を繰り返すことによる発電効率の低下を防止するという観点からは、例えば鉛蓄電池の充電のために燃料電池を一旦起動すると、鉛蓄電池の充電が完了するまでの間は、燃料電池の運転を継続して、燃料電池を停止しない運用が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一局面は、
燃料電池及び鉛蓄電池を含む燃料電池システムで、前記鉛蓄電池を前記燃料電池の発電電力により充電する充電方法であって、
（i）前記燃料電池に第１流量ＡＱの酸化剤を供給する工程と、
（ii）前記燃料電池に第２流量ＦＱの燃料を供給する工程と、
（iii）前記鉛蓄電池を、前記燃料電池の出力電流Ｉｆを一定にして、前記燃料電池の発電電力により充電する工程と、
（iv）前記鉛蓄電池の電池電圧Ｅｂに応じて、前記鉛蓄電池の充電電流Ｉｂを調節する工程と、
（v）前記燃料電池の発電電力の減少により前記燃料電池の出力電圧Ｅｆが下限電圧値ＤＥまで低下したときに、前記出力電圧Ｅｆを下限電圧値ＤＥ以上とするように、前記出力電流Ｉｆを調節する工程と、
（vi）前記電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達する毎に、前記出力電流Ｉｆを、第１電流Ｉｆ(１)から第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで、（ｎ−１）回、低減する工程、ただし、ｎは２以上の整数であり、かつＩｆ(１)＞Ｉｆ(２)＞…、である、とを具備する、燃料電池システムの充電方法に関する。【００１４】
本発明の他の局面は、
燃料電池と、
前記燃料電池の出力電流Ｉｆを検出する第１電流センサと、
前記燃料電池の出力電圧Ｅｆを検出する第１電圧センサと、
前記燃料電池の発電電力により充電される鉛蓄電池と、
前記燃料電池の出力端子と接続され、前記出力電流Ｉｆを設定するように、前記出力電圧Ｅｆを変圧して前記燃料電池の発電電力を前記鉛蓄電池に出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記鉛蓄電池の電池電圧Ｅｂを検出する第２電圧センサと、
前記出力電流Ｉｆを調節するとともに、前記電池電圧Ｅｂに応じて、前記鉛蓄電池の充電電流Ｉｂを調節するように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの変圧比ＰＳを設定する充電制御部と、を備え、
前記充電制御部は、
前記出力電流Ｉｆを一定にして、前記燃料電池の発電電力により前記鉛蓄電池を充電しているときに、前記発電電力の減少により前記出力電圧Ｅｆが下限電圧値ＤＥまで低下すると、前記出力電圧Ｅｆを下限電圧値ＤＥ以上とするように、前記変圧比ＰＳを設定するとともに、
前記電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達する毎に、前記出力電流Ｉｆを、第１電流Ｉｆ(１)から第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで、（ｎ−１）回、低減する、ただし、ｎは２以上の整数であり、かつＩｆ(１)＞Ｉｆ(２)＞…、である、ように、前記変圧比ＰＳを設定する、燃料電池システムに関する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池システムを高コスト化することなく、充電時間を短縮すること、燃料電池システムに使用される鉛蓄電池を長寿命化すること、および、燃料電池の発電効率を向上させること、の少なくとも１つが可能となる。【００１６】
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、構成及び内容の両方に関し、本発明の他の目的及び特徴と併せ、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】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。
【図２】同燃料電池システムに使用される燃料電池のセルを概略的に示す断面図である。
【図３】同燃料電池システムによる充電処理の概要を示すグラフである。
【図４】同燃料電池システムに使用される燃料電池の出力特性を示すグラフである。
【図５】同燃料電池の最大発電電力の経時的変化を示すグラフである。
【図６】同燃料電池システムにおける充電処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、燃料電池及び鉛蓄電池を含む燃料電池システムで、鉛蓄電池を燃料電池の発電電力により充電する充電方法に関する。本方法は、（i）燃料電池に第１流量ＡＱの酸化剤を供給する工程と、（ii）燃料電池に第２流量ＦＱの燃料を供給する工程と、（iii）鉛蓄電池を、燃料電池の出力電流Ｉｆを一定にして、燃料電池の発電電力により充電する工程と、（iv）鉛蓄電池の電池電圧Ｅｂに応じて、鉛蓄電池の充電電流Ｉｂを調節する工程と、を含む。ここで、第１流量ＡＱおよび第２流量ＦＱは、例えば燃料電池の定格出力と対応する値よりも所定量だけ多めの流量に設定することができる。
【００１９】
燃料電池の出力電流Ｉｆを一定にすることで、燃料電池の運転状態を安定化することができ、発電効率を向上させることができる。つまり、燃料電池を、実際の消費燃料量に対して、常に最大またはその近傍の出力電力が得られるポイントで発電することが容易となる。図４に示されているように、燃料電池は、出力電力Ｐ１の最大値（Ｐ１max）を得ることができる出力電流Ｉｆおよび出力電圧Ｅｆが決まっている。このため、出力電流Ｉｆを、そのような電流値（例えば図４のＭＦＩ）で一定に維持することで、常に最大の発電効率が得られるポイントで燃料電池を発電させることが容易となる。なお、図４に示す出力電力Ｐ１のグラフ、および、これに対応する出力特性曲線１のグラフは、燃料電池が定格出力で発電しているときと対応している。
【００２０】
さらに、本発明は、燃料電池の発電電力の減少により燃料電池の出力電圧Ｅｆが下限電圧値ＤＥまで低下したときに、出力電圧Ｅｆを下限電圧値ＤＥ以上とするように、出力電流Ｉｆを調節する工程（v）を含む。上述したとおり、燃料電池は、発電開始からある程度の時間が経過すると、酸化剤流路の水つまり等に起因して発電電力が低下する（図５参照）。このとき、燃料消費量も減少する。これにより、燃料電池の出力特性は、例えば図４に示すように、出力特性曲線１および出力電力Ｐ１のグラフから、図に破線で示す、出力特性曲線２および出力電力Ｐ２のグラフのように変化する。これにより、最大の発電効率を得ることができるポイント（以下、効率最大ポイントという）もＰ１maxからＰ２maxに変位する。
【００２１】
その結果、燃料電池の出力電流Ｉｆを、初期値のまま一定にして鉛蓄電池を充電していると、発電電力の減少により出力電圧Ｅｆが低下する。それにより発電効率も低下する。したがって、出力電圧Ｅｆがある程度低下すれば、それに応じて出力電流Ｉｆも低減する方が、高い発電効率を維持できる。つまり、出力電流Ｉｆを一定にすることで得られる発電効率向上の効果よりも、効率最大ポイントの変位に追従するように出力電流Ｉｆを調節することで得られる発電効率向上の効果の方が大きくなるターニングポイントがある。下限電圧値ＤＥは、そのターニングポイントを基準に設定することが好ましい。
【００２２】
より具体的には、下限電圧値ＤＥと、定格出力運転時の最適出力電圧ＭＦＥとの差が、０．０１〜０．１Ｖ／セルの所定電圧値を超えないように下限電圧値ＤＥを設定することが好ましい。そのような所定電圧値を超えて出力電圧Ｅｆが低下したときに、そのまま出力電流Ｉｆを例えば最適出力電流ＭＦＩに維持していると、発電効率は大きく低下する。出力特性曲線２を例にとると、発電効率は、（Ｐ２max−ＰＴｒ）に相当する分だけ低下する。したがって、出力電圧Ｅｆの下限電圧値ＤＥを、最適出力電圧ＭＦＥとの差が０．０１〜０．１Ｖ／セル、より好ましくは、０．０５〜０．１Ｖ／セルの所定電圧値に設定することで、発電効率が低下するのを防止することができる。なお、「１セル」は、ＭＥＡを１つだけ具備している燃料電池をいう。燃料電池システムは、通常、複数のセルを、セパレータを間に挟んで積層したセルスタックを含んでいる。
【００２３】
そして、本発明は、鉛蓄電池の電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達すると、電池電圧Ｅｂを第１上限電圧ＥＲ１以下とするように、出力電流Ｉｆを低減する工程（vi）を具備する。図３に示すように、電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達する毎に、燃料電池の出力電流Ｉｆを、第１電流Ｉｆ(１)から第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで、（ｎ−１）回、例えば段階的に低減する。ただし、ｎは２以上の整数であり、Ｉｆ(１)＞Ｉｆ(２)＞…、である。また、第１電流Ｉｆ(１)は、電池電圧Ｅｂが最初に第１上限電圧ＥＲ１に達したときの出力電流Ｉｆであり、上記の理由で、出力電流Ｉｆの初期値Ｉｆａよりも小さくなる傾向がある。
【００２４】
このとき、出力電圧Ｅｆは、最大ないしはその近傍の発電効率を得るように、第１電圧Ｅｆ(１)から第ｎ電圧Ｅｆ(ｎ)まで、（ｎ−１）回、段階的に増加される。なお、出力電流Ｉｆを段階的に低減すると、燃料電池の発電電力および燃料消費量も段階的に減少する。その結果、充電電流Ｉｂも段階的に減少する。充電電流Ｉｂが段階的に減少すると、図３に示すように、そのタイミングに同期して、電池電圧（充電電圧）Ｅｂはいったん低下し、その後、再び上昇することを繰り返す。
【００２５】
上記のように、電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１まで上昇したときに、燃料電池の出力電流Ｉｆを低減することで、燃料電池が定格出力を超えて発電するのを防止することができる。これにより、燃料電池の発電効率が低下するのを防止することができる。したがって、システム全体の効率を向上させることができる。また、出力電流Ｉｆを段階的に低減することで、鉛蓄電池が満充電状態になる直前、あるいは満充電状態に達するまで、上記の水つまり等に起因する燃料電池の発電電力の低下にかかわらず、十分に高い燃料電池の発電効率で、鉛蓄電池を充電することができる。その結果、燃料電池の発電電力を非常に小さい電力値にまで徐々に低減する必要がある定電圧充電を省略することも可能となる。これにより、比較的に高いレート（単位時間あたりの充電電気量）で、鉛蓄電池が満充電状態に達するまで充電することができる。また、発電電力が小さすぎることによる燃料電池の発電効率の低下を防止できる。したがって、発電効率の更なる向上、および充電時間の短縮を実現することができる。
【００２６】
本発明の好ましい形態においては、出力電流Ｉｆを、第１電流Ｉｆ(１)から第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで低減するのに伴って、第１流量ＡＱおよび、第２流量ＦＱが低減される。出力電流Ｉｆを、第１電流Ｉｆ(１)から第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで段階的に低減する場合には、それに伴って、第１流量ＡＱおよび、第２流量ＦＱも段階的に低減することができる。出力電流Ｉｆが低減され、それに応じて、出力電圧Ｅｆが増加されると（図３参照）、燃料電池の発電電力が減少する。これにより、発電のために消費される燃料量および酸化剤量も減少する。したがって、燃料供給量および酸化剤供給量を低減することが可能となる。燃料供給量および酸化剤供給量を低減することで、燃料ポンプおよび酸化剤ポンプ（空気ポンプ）等の補機類の消費電力を低減することができる。その結果、システム全体の効率を向上させることができる。なお、出力電流Ｉｆを低減するのに伴って、燃料電池に供給される燃料の濃度（燃料水溶液の濃度）を低減してもよい。これにより、燃料のクロスオーバーを抑えることができ、発電効率を向上させることができる。
【００２７】
本発明のさらに好ましい形態においては、出力電流Ｉｆが第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで低減されたときに、電池電圧Ｅｂが第２上限電圧ＥＲmaxに達するまで、出力電流Ｉｆを第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)に維持して、鉛蓄電池が充電される。ただし、ＥＲmax＞ＥＲ１である。これにより、燃料電池の発電電力がほぼ一定に維持され、当該発電電力により、鉛蓄電池をほぼ一定の充電電流Ｉｂで充電することが可能となる（図３参照）。これにより、鉛蓄電池を、満充電状態、あるいはそれに近い状態まで、比較的大きな電流で充電することが可能となり、例えば定電圧充電により充電する場合と比較すると、短時間で満充電状態まで充電することが可能となる。
【００２８】
その結果、鉛蓄電池を常に満充電状態、ないしはそれに近い状態に維持することが容易となる。これにより、鉛蓄電池を長寿命化することができる。ここで、鉛蓄電池（例えば  公称電圧１２Ｖ）では、第１上限電圧ＥＲ１は１４．４±０．１Ｖの電圧に設定され、第２上限電圧ＥＲmaxは、１４．５Ｖ〜１８．０Ｖ（ただし、ＥＲmax＞ＥＲ１）に設定される。なお、電池電圧Ｅｂが第２上限電圧ＥＲmaxに達しなくとも、第ｎ電流（ｎ）で所定時間（例えば、０．２５〜５．０時間、好ましくは、１．５〜２．５時間）充電したときに、充電を終了するようにしてもよい。
【００２９】
また、鉛蓄電池は、電槽の内部に、通常、複数のセル室を有している。セル室には電極群および電解液がそれぞれ収容されている。複数のセル室のそれぞれに収容された各電極群は、直列および／または並列に接続される。そして、公称電圧ＮＶが２Ｖ、４Ｖ、６Ｖ等であれば、例えば、第１上限電圧ＥＲ１はＮＶ×１．２±０．１Ｖの電圧値に設定することができ、第２上限電圧ＥＲmaxは、第１上限電圧ＥＲ１よりも大きく、かつＮＶ×１．５（Ｖ）以下の電圧値に設定することができる。
【００３０】
また、本発明は、燃料電池と、燃料電池の出力電流Ｉｆを検出する第１電流センサと、燃料電池の出力電圧Ｅｆを検出する第１電圧センサと、燃料電池の発電電力により充電される鉛蓄電池と、燃料電池の出力端子と接続され、出力電流Ｉｆを設定するように、出力電圧Ｅｆを変圧して燃料電池の発電電力を鉛蓄電池に出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、充電電流Ｉｂを検出する第２電流センサと、鉛蓄電池の電池電圧Ｅｂを検出する第２電圧センサと、出力電流Ｉｆを調節するとともに、電池電圧Ｅｂに応じて、鉛蓄電池の充電電流Ｉｂを調節するように、ＤＣ／ＤＣコンバータの変圧比ＰＳを設定する充電制御部とを備える燃料電池システムに関する。
【００３１】
ここで、充電制御部は、電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１を下回っている間、出力電流Ｉｆを一定に保つように変圧比ＰＳを設定する。また、発電電力が減少して、出力電圧Ｅｆが下限電圧値ＤＥまで低下すると、出力電圧Ｅｆを下限電圧値ＤＥ以上とするために、出力電流Ｉｆを低減するように変圧比ＰＳを設定する。燃料電池は、図５に示すように、発電を開始して、運転状態が安定した後（ｔ０）、最大発電電力が徐々に低下するからである。出力電流Ｉｆを調節することで、実際の燃料消費量に対して、常に最大、ないしは最大近傍の発電効率で燃料電池を発電することができる。
【００３２】
さらに、充電制御部は、電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達すると、電池電圧Ｅｂを第１上限電圧ＥＲ１以下とするために、出力電流Ｉｆを低減するように、変圧比ＰＳを設定する。これにより、燃料電池の発電量が定格出力を超えることが防止される。したがって、燃料電池の発電効率が低下するのを防止することができる。このとき、電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達する毎に、出力電流Ｉｆを、第１電流Ｉｆ(１)から第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで、（ｎ−１）回、段階的に低減するように、変圧比ＰＳを設定することができる。ただし、ｎは２以上の整数であり、かつＩｆ(１)＞Ｉｆ(２)＞…、である。このとき、出力電圧Ｅｆは、第１電圧Ｅｆ(１)から第ｎ電圧Ｅｆ(ｎ)まで、（ｎ−１）回、段階的に増加される。出力電流Ｉｆを段階的に低減すると、充電電流Ｉｂと電池電圧Ｅｂはいったん低下する。これにより、燃料電池の発電電力が減少して、燃料消費量も減少する。
【００３３】
このとき、鉛蓄電池の充電を開始するときの、出力電流Ｉｆの初期値Ｉｆａは、例えば燃料電池の定格出力時に、燃料電池の最大出力が得られる最適出力電流ＭＦＩを基準に設定するのが好ましい。また、上記の下限電圧値ＤＥは、例えば燃料電池の定格出力時に、燃料電池の最大出力が得られる最適出力電圧ＭＦＥを基準に設定するのが好ましい。図４に示すように、燃料電池の出力電力Ｐ１を最大とするポイントＰ１ｍａｘ（ＭＦＩ，ＭＦＥ）の周囲は、グラフが十分になだらかであることから、出力電流Ｉｆの初期値Ｉｆａは、最適出力電流ＭＦＩとの差が０〜３０００ｍＡである範囲の電流値に設定することができる。同様に、下限電圧値ＤＥは、最適出力電圧ＭＦＥとの差が０．０１〜０．１Ｖ／セル、より好ましくは、０．０５〜０．１Ｖ／セルの範囲の電圧値に設定することができる。
【００３４】
本燃料電池システムには、さらに、燃料電池に燃料を送る燃料ポンプと、燃料電池に酸化剤を送る酸化剤ポンプとを備えさせることができる。充電制御部は、出力電流Ｉｆを低減するときに、それに応じて、燃料ポンプおよび酸化剤ポンプの少なくとも一方の吐出量を低減するための指示を発するのが好ましい。そのような指示は、それらのポンプを制御するポンプ制御部に対して発することができる。これにより、燃料ポンプおよび酸化剤ポンプの少なくとも一方の消費電力を低減することができ、システム全体の効率を向上させることができる。なお、ポンプ制御部と充電制御部とは、１つの制御装置として構成されていてもよい。
【００３５】
燃料電池には、メタノールを燃料とする燃料電池、例えば直接メタノール型燃料電池を使用することができる。このとき、酸化剤には、空気を使用することができる。
【００３６】
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１に示すように、本実施形態に係る直接酸化型燃料電池システム２０は、カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池（燃料電池スタック）２２と、カソードに空気を供給する空気ポンプ２４と、アノードに燃料水溶液を供給する燃料ポンプ２６と、アノードから排出されたアノード流体およびカソードから排出されたカソード流体を回収する回収部２８と、燃料電池２２が発電した電力を蓄電する鉛蓄電池３０と、制御部４４とを備える。制御部４４は、充電制御部を含む。鉛蓄電池３０には、制御弁式鉛蓄電池やいわゆるディープサイクルバッテリーを使用することができる。
【００３７】
制御部４４には、マイクロコンピュータなどの情報処理装置を利用することができる。情報処理装置は、演算部、記憶部、各種インターフェースなどで構成されており、演算部は、記憶部に記憶されているプログラムに沿って燃料電池の発電に必要な演算を行い、燃料電池システムの各構成要素の出力を制御するのに必要な命令（指示）を出力する。また、制御部４４の記憶部（フラッシュメモリなどの補助記憶装置）には、後述の第１電流Ｉｆ（１）〜第ｎ電流Ｉｆ（ｎ）、第１電圧Ｅｆ（１）〜第ｎ電圧Ｅｆ（ｎ）、第１酸化剤供給量ＡＱ（１）〜第ｎ酸化剤供給量ＡＱ（ｎ）、第１燃料供給量ＦＱ（１）〜第ｎ燃料供給量ＦＱ（ｎ）、および下限電圧値ＤＥを記憶させておくことができる。制御部４４の演算部（主記憶装置（メモリ）を含む）は、本実施形態の充電処理を実行するときに、必要に応じて、上記のデータを記憶部から読み出すことができる。
【００３８】
図２に燃料電池（燃料電池スタック）２２を構成するセルの構造を示す。セル１は、アノード２、カソード３、およびアノード２とカソード３との間に介在する電解質膜４を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）５を有する。ＭＥＡ５の一方の側面には、アノード２を封止するようにガスケット１４が配置され、他方の側面には、カソード３を封止するようにガスケット１５が配置されている。
【００３９】
ＭＥＡ５は、アノード側セパレータ１０およびカソード側セパレータ１１に挟持されている。アノード側セパレータ１０は、アノード２に接し、カソード側セパレータ１１は、カソード３に接している。アノード側セパレータ１０は、アノード２に燃料を供給する燃料流路１２を有する。燃料流路１２は、燃料が流入するアノード入口と、反応で生成したＣＯ2や未使用の燃料などを排出するアノード排出口を有する。カソード側セパレータ１１は、カソード３に酸化剤を供給する酸化剤流路１３を有する。酸化剤流路１３は、酸化剤が流入するカソード入口と、反応で生成した水や未使用の酸化剤などを排出するカソード排出口を有する。
【００４０】
図２のようなセルを複数設け、各セルを電気的に直列に積層することで、スタックが構成される。この場合、通常はアノード側セパレータ１０とカソード側セパレータ１１は一体のものとして形成される。すなわち、一枚のセパレータの一方の面がアノード側セパレータ、他方の面がカソード側セパレータとなる。各セルのアノード入口は、マニホールドを用いるなどして通常１つに集約される。アノード排出口、カソード入口およびカソード排出口も同様に、それぞれ集約される。
【００４１】
燃料電池の停止中にアノード２へ酸素が侵入することがないように、燃料電池システムにおけるアノード側空間、すなわち燃料ポンプ２６からアノードを経由して回収部内の液体に至るまでの空間は、密閉空間となっている。ＭＥＡ５のアノード２は、アノード入口とアノード排出口以外が外部と連通しないように、ガスケット１４で封止されている。アノード側セパレータ１０およびカソード側セパレータ１１とそれぞれ接触するように導電体板１６および１７を配置することで、電気的に直列に接続するように、セル１を積層することができる。導電体板１６および１７とそれぞれ接触するように端板１８を配置することで、積層された複数のセル１を締結することができる。
【００４２】
さらに、図１において、燃料電池のカソード３へは、空気ポンプ２４により空気が供給され、燃料電池のアノード２へは、燃料（メタノール）が燃料ポンプ２６により供給される。アノード側から排出される液体は、回収部２８に回収される。回収部２８の液体は、燃料と混合して、燃料水溶液としてアノード２に供給される。また、カソード３からのカソード流体の少なくとも一部が回収部２８に流入するようになっている。燃料タンク３２からの高濃度メタノールは、回収部２８からの液体（薄いメタノール水溶液）と混合されて、燃料ポンプ２６により、燃料電池２２の各セルのアノード２に送られる。
【００４３】
そして、図１の燃料電池システム２０は、さらに、燃料電池２２の出力電圧Ｅｆを検出する第１電圧センサ（ＦＶＳ）３４と、燃料電池２２の出力電流Ｉｆを検出する第１電流センサ（ＦＩＳ）３６と、燃料電池が発電した電力を、出力電圧Ｅｆを変圧比ＰＳで変圧して鉛蓄電池３０に出力するＤＣ／ＤＣコンバータ３８と、鉛蓄電池３０の電池電圧Ｅｂ（充電電圧、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧）を検出する第２電圧センサ（ＢＶＳ）４０と、鉛蓄電池３０の充電電流Ｉｂ（ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流）を検出する第２電流センサ（ＢＩＳ）４２とを備える。第１電圧センサ３４、第１電流センサ３６、第２電圧センサ４０、および第２電流センサ４２の検出信号は制御部４４に入力される。制御部４４は、入力された各検出信号に基づいて、空気ポンプ２４、燃料ポンプ２６、およびＤＣ／ＤＣコンバータ３８の変圧比ＰＳを制御する。
【００４４】
次に、直接酸化型燃料電池システムに使用される燃料電池の各構成要素について、図２を参照しながら説明する。ただし、燃料電池の構成は、下記に限定されるものではない。
【００４５】
カソード３は、電解質膜４に接するカソード触媒層８およびカソード側セパレータ１１に接するカソード拡散層９を含む。カソード拡散層９は、例えば、カソード触媒層８に接する導電性撥水層と、カソード側セパレータ１１に接する基材層とを含む。
【００４６】
カソード触媒層８は、カソード触媒と高分子電解質を含む。カソード触媒としては、触媒活性の高いＰｔなどの貴金属が好ましい。カソード触媒は、そのまま用いてもよいし、担体に担持した形態で用いてもよい。担体としては、電子伝導性および耐酸性の高さから、カーボンブラックなどの炭素材料を用いることが好ましい。高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルホン酸系高分子材料、炭化水素系高分子材料などを用いることが好ましい。パーフルオロスルホン酸系高分子材料としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などを用いることができる。
【００４７】
アノード２は、電解質膜４に接するアノード触媒層６およびアノード側セパレータ１０に接するアノード拡散層７を含む。アノード拡散層７は、例えば、アノード触媒層６に接する導電性撥水層と、アノード側セパレータ１０に接する基材層とを含む。
【００４８】
アノード触媒層６は、アノード触媒と高分子電解質を含む。アノード触媒としては、一酸化炭素による触媒の被毒を低減する観点から、ＰｔとＲｕとの合金触媒が好ましい。アノード触媒は、そのまま用いてもよいし、担体に担持した形態で用いてもよい。担体としては、カソード触媒を担持する担体と同様の炭素材料を用いることができる。アノード触媒層６に含まれる高分子電解質としては、カソード触媒層８に用いられる材料と同様の材料を用いることができる。
【００４９】
アノード拡散層７およびカソード拡散層９に含まれる導電性撥水層は、導電剤と撥水剤を含む。導電性撥水層に含まれる導電剤としては、カーボンブラックなど、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。導電性撥水層に含まれる撥水剤は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）など、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。
【００５０】
基材層としては、導電性の多孔質材料が用いられる。導電性の多孔質材料としては、カーボンペーパーなど、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。これらの多孔質材料は、燃料の拡散性および生成水の排出性などを向上させるために、撥水剤を含んでいてもよい。撥水剤は、導電性撥水層に含まれる撥水剤と同様の材料を用いることができる。
【００５１】
電解質膜４としては、例えば、従来から用いられているプロトン伝導性高分子膜を特に限定なく使用できる。具体的には、パーフルオロスルホン酸系高分子膜、炭化水素系高分子膜などを好ましく使用できる。パーフルオロスルホン酸系高分子膜としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）などが挙げられる。
【００５２】
図２に示される直接酸化型燃料電池は、例えば、以下の方法で作製することができる。電解質膜４の一方の面にアノード２を、他方の面にカソード３を、ホットプレス法などを用いて接合して、ＭＥＡ５を作製する。次いで、ＭＥＡ５を、アノード側セパレータ１０およびカソード側セパレータ１１で挟み込む。このとき、ＭＥＡ５のアノード２をガスケット１４で封止し、カソード３をガスケット１５で封止するように配置する。その後、アノード側セパレータ１０およびカソード側セパレータ１１の外側に、それぞれ、集電板１６および１７、端板１８を積層し、これらを締結する。さらに、端板１８の外側に、温度調整用のヒーターを積層してもよい。
【００５３】
次に、本実施形態の充電方法を説明する。本方法においては、（i）燃料電池に第１流量ＡＱの酸化剤を供給する工程と、（ii）燃料電池に第２流量ＦＱの燃料を供給する工程と、（iii）鉛蓄電池を、燃料電池の出力電流Ｉｆを一定にして、燃料電池の発電電力により充電する工程と、（iv）鉛蓄電池の電池電圧Ｅｂに応じて、鉛蓄電池の充電電流Ｉｂを調節する工程と、（v）燃料電池の発電電力の減少に起因して、燃料電池の出力電圧Ｅｆが下限電圧値ＤＥまで低下したときに、出力電圧Ｅｆを下限電圧値ＤＥ以上とするように、出力電流Ｉｆを低減する工程と、（vi）電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達すると、電池電圧Ｅｂを第１上限電圧ＥＲ１以下とするように、出力電流Ｉｆを低減する工程と、が実行される。このとき、電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達する毎に、出力電流Ｉｆを、第１電流Ｉｆ(１)から第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで、（ｎ−１）回、段階的に低減することができる。これに伴って、出力電圧Ｅｆを、第１電圧Ｅｆ(１)から第ｎ電圧Ｅｆ(ｎ)まで、（ｎ−１）回、段階的に増加することができる。ただし、ｎは２以上の整数であり、Ｉｆ(１)＞Ｉｆ(２)＞…、であり、かつ、Ｅｆ(１)＜Ｅｆ(２）＜…、である。
【００５４】
また、本実施形態の充電方法においては、出力電流Ｉｆが、低減されるのに伴って、酸化剤供給流量（第１流量）ＡＱおよび、燃料供給流量（第２流量）ＦＱが低減される。例えば出力電流Ｉｆが第１電流Ｉｆ(１)から第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで段階的に低減される場合には、それに伴って、第１流量ＡＱおよび、第２流量ＦＱを段階的に低減することができる。または、燃料電池に供給される燃料（水溶液）の濃度を段階的に低減することもできる。
【００５５】
さらに、本実施形態の充電方法においては、出力電流Ｉｆが第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで低減されると、電池電圧Ｅｂが第２上限電圧ＥＲmaxに達するまで、出力電流Ｉｆ、ないしは燃料電池の発電電力をそのまま維持して、鉛蓄電池が充電される。ただし、ＥＲmax＞ＥＲ１である。なお、電池電圧Ｅｂが第２上限電圧ＥＲmaxに達しなくとも、第ｎ電流（ｎ）の発電が所定時間（例えば、０．５〜２．５時間、好ましくは、１．５〜２．５時間）継続されると、燃料電池の発電を停止して、充電処理を終了することができる。
【００５６】
以下、鉛蓄電池３０の公称電圧が１２Ｖであり、図３に示すように、出力電流Ｉｆを最高で３段階だけ切り替える（ｎ＝４）場合を例に、図４〜６を参照しながら、本実施形態の充電方法を説明する。
【００５７】
まず、充電を開始する前の鉛蓄電池の電池電圧ＥＯｂを検出する（ＳＴ１）。このときの電池電圧ＥＯｂに応じて、充電の開始または停止を決定する。検出された電圧が所定電圧値（例えば１２．３Ｖ）以下であれば、出力電流Ｉｆを初期値Ｉｆａ（図３の例では、１４Ａ）に設定するとともに、充電電流Ｉｂを所定電流値（例えば１１Ａ）に設定して、充電を開始する。そして、出力電流Ｉｆの切り替え回数に関係する変数ｋを値「１」に設定する（ＳＴ２）。これにより、電池電圧Ｅｂは、充電の進展とともに増大していく。このとき、燃料電池は、定格出力と対応する流量よりも、それぞれ、所定量だけ多めの酸化剤供給量ＡＱ（１）、および燃料供給量ＦＱ（１）で発電を開始しておく。一方、ＳＴ１で検出された電池電圧ＥＯｂが上記所定電圧値を超える場合は、鉛蓄電池３０が満充電状態であるものとして充電は行わず、処理を終了する。
【００５８】
次に、電池電圧Ｅｂを検出する（ＳＴ３）。ＳＴ３の手順は十分に短い所定時間Δｔ（例えば０．１秒）毎に実行される。これにより、電池電圧Ｅｂが監視される。次に、変数ｋが値「ｎ」（図３の例では、ｎ＝４である）以上であるかを判定する（ＳＴ４）。ｋ≧ｎであれば（ＳＴ４でＹｅｓ）、充電を終了すべきかを判定するために、ＳＴ８に進む。ＳＴ８以降の手順は後で説明する。
【００５９】
変数ｋが値「ｎ」以上でなければ（ＳＴ４でＮｏ）、変数ｋは、１、２、…、（ｎ−１）（ここでは、（ｎ−１）＝３）のいずれかであり、ＳＴ５に進んで、電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達しているかを判定する。ここで、電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達していれば（ＳＴ５でＹｅｓ）、出力電流Ｉｆを、例えば低減率ＤＲ（ｋ）で小さくする。そして、変数ｋを値「１」だけ増加させ（ＳＴ６）、ＳＴ３に戻る。ＳＴ３では、前回の電圧検出から所定時間Δｔが経過したときに電池電圧Ｅｂを検出する（以下、同様である）。ＳＴ６の手順により、出力電流Ｉｆは、Ｉｆ（ｋ）からＩｆ（ｋ＋１）に低減される。
【００６０】
第１電流Ｉｆ（１）は、電池電圧Ｅｂが最初に第１上限電圧ＥＲ１に達したときの出力電流Ｉｆである。第１電流Ｉｆ（１）である出力電流Ｉｆは、低減率ＤＲ（１）で小さくされ、第２電流Ｉｆ（２）となる。２回目に電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達すると、第２電流Ｉｆ（２）である出力電流Ｉｆが低減率ＤＲ（２）で小さくされ、第３電流Ｉｆ（３）となる。以上のようにして、出力電流Ｉｆが、第１電流Ｉｆ（１）から第ｎ電流Ｉｆ（ｎ）まで低減される。低減率ＤＲ（ｋ）は、予め決めておくこともできるし、状況に応じて適宜設定することもできる。なお、第１電流Ｉｆ（１）は、出力電流Ｉｆの初期値Ｉｆａと必ずしも一致していない。後で説明するステップＳＴ７、ＳＴ１０の手順で出力電流Ｉｆが低減されていれば、第１電流Ｉｆ（１）は、初期値Ｉｆａよりも小さくなっている。
【００６１】
または、第２電流Ｉｆ（２）〜第ｎ電流Ｉｆ（ｎ）を、初期値Ｉｆａに基づいて決めることもできる。例えば、ステップＳＴ６の手順で、第１電流Ｉｆ（１）の代わりに初期値Ｉｆａを低減率ＤＲ（ｋ）（または、一定の低減率ＤＲｃ）で低減していくことで、第２電流Ｉｆ（２）〜第ｎ電流Ｉｆ（ｎ）を得ることができる。例えば、ｎ＝４であれば、低減率ＤＲ（ｋ）（または、ＤＲｃ）は、４０％〜５０％に設定するのが好ましい。あるいは、第２電流Ｉｆ（２）〜第３電流Ｉｆ（ｎ）を、最適出力電流ＭＦＩに基づいて、予め設定しておくこともできる。例えば、ｎ＝４であれば、第２電流Ｉｆ（２）は、ＭＦＩの５０％〜７０％に設定することができる。第３電流Ｉｆ（３）は、ＭＦＩの３０％〜４０％に設定することができる。第４電流Ｉｆ（４）は、ＭＦＩの１０％〜２０％に設定することができる。
【００６２】
上記のように、最初は、ｋ＝１であるので、出力電流Ｉｆは、最初に電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達したときに、第１電流Ｉｆ（１）から第２電流Ｉｆ（２）に切り替わる。そして、ＳＴ５でＹｅｓと判定される度に、出力電流Ｉｆは、合計（ｎ−１）回、第１電流Ｉｆ（１）から第ｎ電流Ｉｆ（ｎ）まで段階的に低減される。この出力電流Ｉｆの切り替えに対応して、出力電圧Ｅｆは、合計（ｎ−１）回、第１電圧Ｅｆ（１）から第ｎ電圧Ｅｆ（ｎ）まで段階的に増加される。なお、出力電流Ｉｆの初期値Ｉｆａは、燃料電池２２が定格出力で発電しているときに最大の発電効率を得ることができる電流値（ＭＦＩ）を基準に設定することができる。例えば、ＭＦＩとの差が０〜３０００ｍＡである電流値に設定することができる。
【００６３】
このとき、酸化剤供給量ＡＱ（ｋ）、および燃料供給量ＦＱ（ｋ）も、出力電流Ｉｆの切り替えに伴って、酸化剤供給量ＡＱ（ｋ＋１）、および燃料供給量ＦＱ（ｋ＋１）に切り替えることができる。ただし、ＡＱ（ｋ＋１）＜ＡＱ（ｋ）であり、ＦＱ（ｋ＋１）＜ＦＱ（ｋ）である。例えば、Ｉｆ（ｋ）／Ｉｆ（ｋ＋１）＝α×（ＦＱ（ｋ）／ＦＱ（ｋ＋１））＝β×（ＡＱ（ｋ）／ＡＱ（ｋ＋１））であれば、α＝０．９〜２．０、β＝０．９〜２．０とすることができる。上記のように、出力電流Ｉｆの切り替えに対応して、酸化剤供給量ＡＱ（ｋ）を、第１酸化剤供給量ＡＱ（１）から第ｎ酸化剤供給量ＡＱ（ｎ）まで、（ｎ−１）回、切り替えることができる。同様にして、燃料供給量ＦＱ（１）を、第１燃料供給量ＦＱ（１）から第ｎ燃料供給量ＦＱ（ｎ）まで、（ｎ−１）回、切り替えることができる。
【００６４】
一方、ＳＴ５で、電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達していなければ（ＳＴ５でＮｏ）、さらに、燃料電池２２の出力電圧Ｅｆが下限電圧値ＤＥよりも小さいかを判定する（ＳＴ７）。下限電圧値ＤＥは、燃料電池２２が定格出力で発電しているときに最大の発電効率を得ることができる値（ＭＦＥ）を基準に設定することができる。例えば、ＭＦＥとの差が０．０１〜０．１Ｖ／セルである値に設定することができる。
【００６５】
ここで、出力電圧Ｅｆが下限電圧値ＤＥ以上であれば（ＳＴ７でＮｏ）、そのままの出力電流Ｉｆで燃料電池の発電を継続するように、ＳＴ３に戻る。一方、出力電圧Ｅｆが下限電圧値ＤＥよりも小さければ（ＳＴ７でＹｅｓ）、出力電流Ｉｆを、最大、ないしは最大近傍の発電効率を得るように、微小な所定量ΔＩｆだけ小さくして、ＳＴ３に戻る。このようにして、出力電流Ｉｆが低減されていく。なお、ＳＴ７の判定手順については、実際にはｋ＝１のときだけしか問題とはならない（図３参照）ので、ＳＴ７の前に、ｋ＝１かどうかを判定する手順を実行し、ｋ＝１のときだけ、このＳＴ７の判定手順を実行してもよい。
【００６６】
上記のＳＴ４で変数ｋが値「ｎ（＝４）」であれば（ＳＴ４でＹｅｓ）、電池電圧Ｅｂが第２上限電圧ＥＲmax（例えば１８．０Ｖ）よりも小さいかを判定する（ＳＴ８）。ここで、電池電圧Ｅｂが第２上限電圧ＥＲmaxに達していれば（ＳＴ８でＮｏ）、直ちに充電を終了する。電池電圧Ｅｂが第２上限電圧ＥＲmaxに達していなければ（ＳＴ８でＹｅｓ）、変数ｋが値「ｎ（＝４）」となってから所定時間ＴＩ（例えば２．５時間）が経過したかを判定する（ＳＴ９）。ここで、所定時間ＴＩが経過していれば（ＳＴ９でＹｅｓ）、充電を終了する。所定時間ＴＩが経過していなければ（ＳＴ９でＮｏ）、ＳＴ３に戻り、ＳＴ８でＮｏとなるか、ＳＴ９でＹｅｓとなるまで、第ｎ電流Ｉｆ（ｎ）（ｎ＝４）で発電を継続し、鉛蓄電池を充電する。
【００６７】
以上のように、燃料電池の出力電流Ｉｆを一定にして、その発電電力により鉛蓄電池を充電することで、燃料電池の運転状態を安定化することができ、発電効率を向上させることができる。さらに、燃料電池を、実際の消費燃料量に対して、常に最大またはその近傍の出力電力が得られるポイントで発電することが容易となるので、発電効率を向上させることができる。
【００６８】
そして、一定の出力電流Ｉｆで燃料電池を発電しているときにも、燃料電池の発電電力が低下し、出力電圧Ｅｆが下限電圧値ＤＥまで低下すると、出力電圧Ｅｆを下限電圧値ＤＥ以上とするように、出力電流Ｉｆを低減する。これにより、燃料電池の発電電力が発電時間の経過とともに低下したときにも、より高い発電効率を実現できる。
【００６９】
そして、鉛蓄電池の電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達すると、燃料電池の出力電流Ｉｆを低減することで、燃料電池が定格出力を超えた発電電力で発電することを防止できる。これにより、発電効率が低下するのを防止できる。また、例えば電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達する毎に第１電流Ｉｆ(１)から第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで、（ｎ−１）回、段階的に低減することで、鉛蓄電池を、満充電状態、あるいはそれに近い状態まで比較的に高いレートで充電することができ、充電時間を短縮することができる。その結果、鉛蓄電池を常に満充電状態に近い状態にすることが容易となり、長寿命化することができる。また、出力電流Ｉｆの段階的な低減に伴って、出力電圧Ｅｆを段階的に増加させることで、消費燃料量も段階的に低減されるので、燃料電池を常に最大の発電効率、ないしは最大近傍の発電効率で発電させることができる。
【００７０】
さらに、出力電流Ｉｆの切り替えに応じて、酸化剤供給流量ＡＱおよび、燃料供給流量ＦＱまたは燃料電池に供給される燃料の濃度を段階的に低減することで、燃料ポンプおよび酸化剤ポンプ（空気ポンプ）等の補機類の消費電力を低減することができる。その結果、システム全体の効率を向上させることができる。
【００７１】
さらに、出力電流Ｉｆが第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで低減されると、電池電圧Ｅｂが第２上限電圧ＥＲmaxに達するまで、出力電流Ｉｆを第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)に維持して、鉛蓄電池が充電される。これにより、鉛蓄電池を、満充電状態、ないしはそれに近い状態まで、出力電流Ｉｆを一定に保って充電することができる。したがって、燃料電池の発電効率の低下をさらに効果的に防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明によれば、鉛蓄電池を含む燃料電池システムの寿命特性や効率を向上させることができる。よって、長期にわたって優れた発電特性を維持でき、安定した性能を維持できる燃料電池システムを提供することができる。本発明の直接酸化型燃料電池システムは、アウトドア・アクティビティに使用されるような中型の電源として非常に有用である。【００７３】
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。種々の変形及び改変は、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、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく、すべての変形及び改変を包含する、と解釈されるべきものである。
【符号の説明】
【００７４】
２０…燃料電池システム、
２２…燃料電池、
２４…空気ポンプ、
２６…燃料ポンプ、
３０…鉛蓄電池、
３２…燃料タンク、
３４…第１電圧センサ、
３６…第１電流センサ、
３８…ＤＣコンバータ、
４０…第２電圧センサ、
４２…第２電流センサ、
４４…制御部
【図１】
2014057603.tif 000003
【図２】
2014057603.tif 000004
【図３】
2014057603.tif 000005
【図４】
2014057603.tif 000006
【図５】
2014057603.tif 000007
【図６】
2014057603.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成26年4月9日(2014.4.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
さらに、燃料電池は、発電を開始し、発電状態が安定した後、ある程度の時間が経過すると、発電電力が低下する場合がある（図５参照）。その原因は、必ずしも明らかではないが、燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤流路に、発電の際に生成された水が溜まることで、流路抵抗が大きくなることが原因の一つと考えられる。したがって、燃料電池は、発電開始からある程度の時間が経過した時点に、いったん発電を止めて、酸化剤流路の水つまり等を解消するリセット動作を実行することが望ましい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
その結果、鉛蓄電池を常に満充電状態、ないしはそれに近い状態に維持することが容易となる。これにより、鉛蓄電池を長寿命化することができる。ここで、鉛蓄電池（例えば  公称電圧１２Ｖ）では、第１上限電圧ＥＲ１は１４．４±０．１Ｖの電圧に設定され、第２上限電圧ＥＲmaxは、１４．５Ｖ〜１８．０Ｖ（ただし、ＥＲmax＞ＥＲ１）に設定される。なお、電池電圧Ｅｂが第２上限電圧ＥＲmaxに達しなくとも、第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)で所定時間（例えば、０．２５〜５．０時間、好ましくは、１．５〜２．５時間）充電したときに、充電を終了するようにしてもよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
さらに、本実施形態の充電方法においては、出力電流Ｉｆが第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで低減されると、電池電圧Ｅｂが第２上限電圧ＥＲmaxに達するまで、出力電流Ｉｆ、ないしは燃料電池の発電電力をそのまま維持して、鉛蓄電池が充電される。ただし、ＥＲmax＞ＥＲ１である。なお、電池電圧Ｅｂが第２上限電圧ＥＲmaxに達しなくとも、第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)の発電が所定時間（例えば、０．５〜２．５時間、好ましくは、１．５〜２．５時間）継続されると、燃料電池の発電を停止して、充電処理を終了することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
または、第２電流Ｉｆ（２）〜第ｎ電流Ｉｆ（ｎ）を、初期値Ｉｆａに基づいて決めることもできる。例えば、ステップＳＴ６の手順で、第１電流Ｉｆ（１）の代わりに初期値Ｉｆａを低減率ＤＲ（ｋ）（または、一定の低減率ＤＲｃ）で低減していくことで、第２電流Ｉｆ（２）〜第ｎ電流Ｉｆ（ｎ）を得ることができる。例えば、ｎ＝４であれば、低減率ＤＲ（ｋ）（または、ＤＲｃ）は、４０％〜５０％に設定するのが好ましい。あるいは、第２電流Ｉｆ（２）〜第ｎ電流Ｉｆ（ｎ）を、最適出力電流ＭＦＩに基づいて、予め設定しておくこともできる。例えば、ｎ＝４であれば、第２電流Ｉｆ（２）は、ＭＦＩの５０％〜７０％に設定することができる。第３電流Ｉｆ（３）は、ＭＦＩの３０％〜４０％に設定することができる。第４電流Ｉｆ（４）は、ＭＦＩの１０％〜２０％に設定することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
このとき、酸化剤供給量ＡＱ（ｋ）、および燃料供給量ＦＱ（ｋ）も、出力電流Ｉｆの切り替えに伴って、酸化剤供給量ＡＱ（ｋ＋１）、および燃料供給量ＦＱ（ｋ＋１）に切り替えることができる。ただし、ＡＱ（ｋ＋１）＜ＡＱ（ｋ）であり、ＦＱ（ｋ＋１）＜ＦＱ（ｋ）である。例えば、Ｉｆ（ｋ）／Ｉｆ（ｋ＋１）＝α×（ＦＱ（ｋ）／ＦＱ（ｋ＋１））＝β×（ＡＱ（ｋ）／ＡＱ（ｋ＋１））であれば、α＝０．９〜２．０、β＝０．９〜２．０とすることができる。上記のように、出力電流Ｉｆの切り替えに対応して、酸化剤供給量ＡＱ（ｋ）を、第１酸化剤供給量ＡＱ（１）から第ｎ酸化剤供給量ＡＱ（ｎ）まで、（ｎ−１）回、切り替えることができる。同様にして、燃料供給量ＦＱ（ｋ）を、第１燃料供給量ＦＱ（１）から第ｎ燃料供給量ＦＱ（ｎ）まで、（ｎ−１）回、切り替えることができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】要約書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【要約】
本充電方法は、燃料電池に第１流量ＡＱの酸化剤を供給する工程、燃料電池に第２流量ＦＱの燃料を供給する工程、鉛蓄電池を、燃料電池の発電電力により燃料電池の出力電流Ｉｆを一定にして充電する工程、鉛蓄電池の電池電圧Ｅｂの増大に伴って、充電電流Ｉｂを低減する工程、燃料電池の発電電力の減少により燃料電池の出力電圧Ｅｆが下限電圧値ＤＥまで低下したときに、出力電圧Ｅｆを下限電圧値ＤＥ以上とするように、出力電流Ｉｆを低減する工程、並びに、電池電圧Ｅｂが第１上限電圧ＥＲ１に達する毎に、出力電流Ｉｆを、第１電流Ｉｆ(１)から第ｎ電流Ｉｆ(ｎ)まで、（ｎ−１）回、段階的に低減する工程を含む。
【国際調査報告】
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