(57)【要約】【課題】装置を大型化することなく燃料電池の出力低下を効率よく回復することができるとともに、発電効率を下げることなく低出力運転が可能な燃料電池システムおよびその動作制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、複数のセル積層体（４２ａ、４２ｂ、４２ｃ）を備え、各セル積層体は、対向配置されたアノード、カソードをそれぞれ有し互いに積層された複数の単セルと、アノードに燃料を供給する燃料流路と、カソードに空気を供給する空気流路と、を備え、化学反応により発電する。複数のセル積層体に空気を供給する送気ポンプ５０と、送気ポンプと各セル積層体の空気流路との間に設けられ、送気ポンプから各セル積層体への空気の配流を切替えるバルブ機構１５６と、が設けられている。電源制御部は、バルブ機構を切替えて複数のセル積層体への配流を変化させる。【選択図】      図８
2008034254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向配置されたアノードおよびカソードをそれぞれ有し互いに積層された複数の単セルと、前記アノードに燃料を供給する燃料流路と、前記カソードに空気を供給する空気流路と、を備え、化学反応により発電する複数のセル積層体と、
前記複数のセル積層体に空気を供給する送気ポンプと、
前記送気ポンプと各セル積層体の空気流路との間に設けられ、送気ポンプから各セル積層体への空気の配流を切替えるバルブ機構と、
前記バルブ機構を切替えて前記複数のセル積層体への配流を変化させる電源制御部と、を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記バルブ機構を切替えて前記送気ポンプから少なくとも１つのセル積層体への空気の供給を停止し、他のセル積層体へ前記送気ポンプから空気を配流することにより、前記他のセル積層体の回復処理を行う燃料電池制御部を備えている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池制御部は、前記複数のセル積層体の各々に対して、前記回復処理を順番に行う手段を備えている請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記各セル積層体の発電出力を検出する検出部と、前記検出部により検出された発電出力が所定の発電出力よりも低下しているセル積層体がある場合、前記バルブ機構を切替えて前記発電出力が低下しているセル積層体以外のセル積層体への空気の配流を停止し、前記発電出力が低下しているセル積層体のみに前記送気ポンプから空気を配流することにより前記セル積層体の回復処理を行う燃料電池制御部と、を備えている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記送気ポンプから前記複数のセル積層体へ空気を供給する空気供給路を備え、前記空気供給路は、送気ポンプから延びた主流路と、主流路から分岐しそれぞれ前記複数のセル積層体まで延びた複数の分岐路と、を有し、前記バルブ機構は、前記主流路と複数の分岐路との合流部に設けられ前記主流路から各分岐路への配流を切替える切替えバルブを備えている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
対向配置されたアノードおよびカソードをそれぞれ有し互いに積層された複数の単セルと、前記アノードに燃料を供給する燃料流路と、前記カソードに空気を供給する空気流路と、を備え、化学反応により発電する複数のセル積層体と、
前記複数のセル積層体に燃料を供給する送液ポンプと、
前記複数のセル積層体に空気を供給する送気ポンプと、
前記送液ポンプと各セル積層体の燃料流路との間に設けられ、送液ポンプから各セル積層体への燃料の配流を切替える第１バルブ機構と、
前記送気ポンプと各セル積層体の空気流路との間に設けられ、送気ポンプから各セル積層体への空気の配流を切替える第２バルブ機構と、
前記第１および第２バルブ機構を切替えて、前記送液ポンプおよび送気ポンプから前記複数のセル積層体への燃料および空気の配流を変化させる電源制御部と、を備えた燃料電池システム。
【請求項７】
前記第１バルブ機構および第２バルブ機構により、前記送液ポンプおよび送気ポンプから少なくとも１つのセル積層体への燃料および空気の供給を停止し、他のセル積層体へ前記送液ポンプおよび送気ポンプから燃料および空気を配流することにより、前記他のセル積層体のみの発電による低出力運転を行う燃料電池制御部を備えている請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記各セル積層体の発電出力を検出する検出部と、前記検出部により検出された発電出力が最も高いセル積層体を選択し、前記第１バルブ機構および第２バルブ機構により、前記送液ポンプおよび送気ポンプから前記発電出力が最も高いセル積層体のみに燃料および空気の供給を配流し、他のセル積層体への燃料および空気の配流を停止することにより、前記発電出力が最も高いセル積層体のみ発電による低出力運転を行う燃料電池制御部と、を備えている請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
対向配置されたアノードおよびカソードをそれぞれ有し互いに積層された複数の単セルと、前記アノードに燃料を供給する燃料流路と、前記カソードに空気を供給する空気流路と、を備え、化学反応により発電する複数のセル積層体と、
前記複数のセル積層体に空気を供給する送気ポンプと、
前記送気ポンプと各セル積層体の空気流路との間に設けられ、送気ポンプから各セル積層体への空気の配流を切替えるバルブ機構と、
前記バルブ機構を切替えて前記複数のセル積層体への配流を変化させる電源制御部と、を備えた燃料電池システムの動作制御方法であって、
通常運転時、前記送気ポンプから前記複数のセル積層体に均等に空気を配流して発電動作を行い、
回復処理時、前記バルブ機構を切替えて前記送気ポンプから少なくとも１つのセル積層体への空気の供給を停止し、他のセル積層体のみへ前記送気ポンプから空気を配流することにより、前記他のセル積層体を回復処理する燃料電池システムの動作制御方法。
【請求項１０】
前記各セル積層体の発電出力を検出し、
検出された発電出力が所定の発電出力よりも低下しているセル積層体がある場合、前記バルブ機構を切替えて前記発電出力が低下しているセル積層体以外のセル積層体への空気の配流を停止し、前記発電出力が低下しているセル積層体のみに前記送気ポンプから空気を配流することにより前記セル積層体の回復処理を行う請求項９に記載の燃料電池システムの動作制御方法。
【請求項１１】
対向配置されたアノードおよびカソードをそれぞれ有し互いに積層された複数の単セルと、前記アノードに燃料を供給する燃料流路と、前記カソードに空気を供給する空気流路と、を備え、化学反応により発電する複数のセル積層体と、前記複数のセル積層体に燃料を供給する送液ポンプと、前記複数のセル積層体に空気を供給する送気ポンプと、前記送液ポンプと各セル積層体の燃料流路との間に設けられ、送液ポンプから各セル積層体への燃料の配流を切替える第１バルブ機構と、前記送気ポンプと各セル積層体の空気流路との間に設けられ、送気ポンプから各セル積層体への空気の配流を切替える第２バルブ機構と、前記第１および第２バルブ機構を切替えて、前記送液ポンプおよび送気ポンプから前記複数のセル積層体への燃料および空気の配流を変化させる電源制御部と、を備えた燃料電池システムの動作制御方法であって、
通常運転時、前記送気ポンプから前記複数のセル積層体に均等に空気を配流して発電動作を行い、
余剰発電電流が生じた際、前記第１バルブ機構および第２バルブ機構を切替えて、前記送液ポンプおよび送気ポンプから少なくとも１つのセル積層体への燃料および空気の供給を停止し、他のセル積層体へ前記送液ポンプおよび送気ポンプから燃料および空気を配流することにより、前記他のセル積層体のみの発電による低出力運転を行う燃料電池システムの動作制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器等の電源として使用される燃料電池ユニットを備えた燃料電池システムおよびその動作制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ（以下、ノートＰＣと称する）、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する）は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器の電源として注目されている。
【０００３】
通常、燃料電池は、水素イオン（プロトン）透過性を有した電解質板あるいは固体高分子電解質膜等の電解質層を２つの電極間に挟んだ構成の単セルと、反応ガスの流路としての溝を形成したセパレータとを交互に積層したセルスタックを有している（例えば、特許文献１）。単セルは、高分子電解質膜の両面に、触媒層とカーボンペーパで構成されたアノード（燃料極）とカソード（空気極）とを一体化した膜・電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）を備えている。セルスタックの流路を通して、アノードには濃度数％〜数十％のメタノール水溶液が、カソードには空気が供給される。
【０００４】
アノードでは燃料の酸化反応が起こり、メタノールが水と反応して酸化され、二酸化炭素、プロトン、電子を生成する。プロトンは高分子電解質膜を透過しカソードに移動する。カソードでは、空気中の酸素ガスが水素イオン、電子と結合して還元され水を生成する。その過程で外部回路に電子が流れて電流を取り出す。
【０００５】
上記のようなセルスタックを用いて燃料電池システムを構築する際、出力向上あるいは実装の観点から、システム内に複数のセルスタックを搭載し並列接続する場合がある。このようなシステムにおいて、並列接続の出力電圧は電圧が最も大きいセルスタックの電圧に固定される。そのため、出力電圧の低いセルスタックの発電電流が相対的に低くなって出力電流は主に出力電圧の高いセルスタックから供給される。
【０００６】
複数のセルスタックからの出力電流値を均一にする目的で、各セルスタック毎に出力電力を検出し、出力電流に応じてバルブの開閉度を調整しセルスタック毎に空気および燃料の供給量を調整するシステムが提案されている（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２００５−２９３９８１号公報
【特許文献２】特開平６−２６７５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記構成の燃料電池システムでは、各セルスタックの空気流路および燃料流路にそれぞれに供給側および排出側の弁を設け、これらの４つの弁の開閉度を各セルスタックの出力電流値に応じて調整する必要がある。そのため、システム全体の構成および制御が複雑となる。
【０００８】
一方、燃料電池では、発電によって空気極に発生した水が増加して流路に停滞し発電反応が阻害される「フラッディング」と呼ばれる現象が知られている。この現象を防止するため、空気極に一時的に通常運転時よりも多量の空気を流して停滞している水を吹き飛ばし、燃料電池の出力回復を図る処理が考えられる。このような回復処理においては、送気ポンプを通常運転時よりも高回転で運転するほうが効果的となる。しかし、この場合、送気ポンプは通常運転では必要のない高いスペックを持つ必要があり、ポンプサイズを増加する必要がある。その結果、燃料システムの大型化、コストの増加を招く。
【０００９】
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、装置を大型化することなく燃料電池の出力低下を効率よく回復することができるとともに、発電効率を下げることなく低出力運転が可能な燃料電池システムおよびその動作制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を達成するため、この発明の態様に係る燃料電池システムは、対向配置されたアノードおよびカソードをそれぞれ有し互いに積層された複数の単セルと、前記アノードに燃料を供給する燃料流路と、前記カソードに空気を供給する空気流路と、を備え、化学反応により発電する複数のセル積層体と、前記複数のセル積層体に空気を供給する送気ポンプと、前記送気ポンプと各セル積層体の空気流路との間に設けられ、送気ポンプから各セル積層体への空気の配流を切替えるバルブ機構と、前記バルブ機構を切替えて前記複数のセル積層体への配流を変化させる電源制御部と、を備えている。
【００１１】
この発明の他の態様に係る燃料電池システムの動作制御方法は、対向配置されたアノードおよびカソードをそれぞれ有し互いに積層された複数の単セルと、前記アノードに燃料を供給する燃料流路と、前記カソードに空気を供給する空気流路と、を備え、化学反応により発電する複数のセル積層体と、前記複数のセル積層体に空気を供給する送気ポンプと、前記送気ポンプと各セル積層体の空気流路との間に設けられ、送気ポンプから各セル積層体への空気の配流を切替えるバルブ機構と、前記バルブ機構を切替えて前記複数のセル積層体への配流を変化させる電源制御部と、を備えた燃料電池システムの動作制御方法であって、  
通常運転時、前記送気ポンプから前記複数のセル積層体に均等に空気を配流して発電動作を行い、回復処理時、前記バルブ機構を切替えて前記送気ポンプから少なくとも１つのセル積層体への空気の供給を停止し、他のセル積層体のみへ前記送気ポンプから空気を配流することにより、前記他のセル積層体を回復処理する。
【発明の効果】
【００１２】
以上構成によれば、装置を大型化することなく燃料電池の出力低下を効率よく回復することができるとともに、発電効率を下げることなく低出力運転が可能な燃料電池システムおよびその動作制御方法を提供する可能な燃料電池システムおよびその動作制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムについて詳細に説明する。  
本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池ユニットおよびこの燃料電池ユニットから電力供給を受ける情報処理装置、例えば、ノートＰＣを備えている。
【００１４】
図１は、燃料電池ユニット１０を示す外観図であり、図２は、燃料電池ユニットおよびこの燃料電池ユニットに接続された情報処理装置１８を示す外観図である。図１に示すように、燃料電池ユニット１０は、情報処理装置１８の後部を載置するための載置部１１と、燃料電池ユニット本体１２とを備えている。後述するように、燃料電池ユニット本体１２には、電気化学反応で発電を行うＤＭＦＣスタックや、ＤＭＦＣスタックに対して燃料となるメタノールや空気を注入、循環させるための種々の補機を内蔵している。
【００１５】
燃料電池ユニット本体１２はユニットケース１２ａを備え、このユニットケース内部の例えば左端に、着脱可能な燃料カートリッジが内蔵されている。燃料カートリッジを交換できるように、ユニットケース１２ａの一部は、取り外し可能なカバー１２ｂを構成している。
【００１６】
ユニットケース１２ａの例えば上面一端部には、発電設定スイッチ１１２および燃料電池運転スイッチ１１６が設けられる。ユニットケース１２ａの上面中央部には、燃料電池ユニット１０の動作状態および燃料カートリッジにおける燃料の有無を示す指示手段として、複数のインジケータ８が設けられている。
【００１７】
発電設定スイッチ１１２は、燃料電池ユニット１０での発電を許可或いは禁止するためにユーザが予め設定するためのスイッチであり、例えばスライド型スイッチで構成される。燃料電池運転スイッチ１１６は、例えば、燃料電池ユニット１０から供給される電力によって情報処理装置１８が動作している時に、情報処理装置１８の動作を継続しつつ燃料電池ユニット１０での発電のみを停止させるような場合等に用いる。この場合、情報処理装置１８は内蔵された二次電池の電力を用いて情報処理装置１８の動作を継続する。燃料電池運転スイッチ１１６は、例えばプッシュスイッチ等で構成される。
【００１８】
載置部１１は、平坦な矩形状に形成され、ユニットケース１２ａから水平に延出しているとともに、情報処理装置１８の後部を載置可能に形成されている。載置部１１の上面には、情報処理装置１８と接続するための接続部としてドッキングコネクタ１４が設けられている。情報処理装置１８の例えば底面後部には、燃料電池ユニット１０と接続するための接続部として後述のドッキングコネクタ２１が設けられている。情報処理装置１８の後部を載置部１１の上に載せた際、ドッキングコネクタ１４、２１が互いに機械的、電気的に接続される。
【００１９】
載置部１１の３箇所には、ロック機構を構成する位置決め突起１５およびフック１６が設けられている。これらの位置きめ突起１５およびフック１６は、情報処理装置１８の底面後部に設けられた図示しない係合孔と係合し、載置部１１に対して情報処理装置を位置決め、保持する。載置部１１には、情報処理装置１８を燃料電池ユニット１０から取り外す際、ロック機構のロックを解除するイジェクトボタン１７が設けられている。  
なお、図１、図２に示した燃料電池ユニット１０の形状や大きさ、或いはドッキングコネクタ１４の形状や位置等は、種々変更可能である。
【００２０】
図３は、燃料電池ユニット１０の系統図を示したものであり、特にＤＭＦＣスタックとその周辺に設けられた補機について細部の系統を示している。  
燃料電池ユニット１０は、発電部４０と、燃料電池ユニット１０の制御部である燃料電池制御部４１とを備えている。燃料電池制御部４１は発電部４０の制御を行う他、情報処理装置１８との通信を行う通信制御部としての機能を有している。
【００２１】
発電部４０は、発電を行うための中心となる複数、例えば３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃを有する他、燃料となるメタノールを収納する燃料カートリッジ４３を備えている。燃料カートリッジ４３には高濃度のメタノールが封入されている。燃料カートリッジ４３は、燃料を消費した時には容易に交換できるよう、着脱可能に配設されている。
【００２２】
ダイレクトメタノール型燃料電池においては、発電効率をあげるためにクロスオーバ現象を低減する必要がある。このために高濃度メタノールを希釈して低濃度化し、これを燃料極４７に注入することが有効である。これを実現するため、燃料電池ユニット１０は、希釈循環システム６２を採用し、発電部４０に希釈循環システム６２の実現に必要な補機６３が設けられている。
【００２３】
希釈循環システム６２は、燃料、その他の流体を流す液体流路と、空気、その他の気体を流す気体流路と、を備えている。補機６３には液体流路に設けられるものと気体流路に設けられるものとが含まれている。
【００２４】
液体流路に設けられる補機６３は、燃料カートリッジ４３の出力部に配管接続された燃料供給ポンプ４４、燃料供給ポンプ４４の出力部に接続された混合タンク４５、混合タンク４５の出力部に接続された送液ポンプ４６を備え、送液ポンプ４６の出力部は、燃料供給流路および第１バルブ機構を構成する４方弁１５４を介してＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃのアノード（燃料極）４７に接続される。各ＤＭＦＣスタックのアノード４７の出力部は混合タンク４５に配管接続される。
【００２５】
液体流路の一部を構成している燃料供給路は、送液ポンプ４６から延びた主流路１５１と、主流路から分岐しそれぞれ３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃのアノード４７まで延びた３本の分岐路１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃと、を有している。４方弁１５４は、主流路１５１と分岐路１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃとの合流部に設けられている。４方弁１５４は、燃料電池制御部４１の制御により、複数位置の動作位置に切替えられ、送液ポンプ４６から３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃへ供給される燃料の配流を変化させる。
【００２６】
すなわち、４方弁１５４は、例えば電磁弁として構成され、送液ポンプ４６から主流路１５１を通して供給された燃料を３本の分岐路１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃに均等に配流し、３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃへ燃料を供給する通常運転位置、それぞれ分岐路の１つを閉じ残りの２本の分岐路に燃料を配流する３つの第１切替え位置、および、それぞれ２本の分岐路を閉じ、残り１本の分岐路に燃料を配流する３つの第２切替え位置へ切替え可能に構成されている。
【００２７】
また、補機６３は、後述する凝縮器５３に隣接して設けられた水回収タンク５５を有し、水回収タンク５５の出力部は水回収ポンプ５６に配管接続されている。水回収ポンプ５６の出力部は混合タンク４５へ接続される。燃料カートリッジ、燃料供給ポンプ４４、混合タンク４５、送液ポンプ４６は、ＤＭＦＣスタック４２ａ４２ｂ、４２ｃに燃料を供給する燃料供給部を構成している。
【００２８】
一方、気体流路に設けられる補機６３は、気体流路の一部を構成する空気供給路を介してＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃのカソード（空気極）５２に接続された送気ポンプ５０、この送気ポンプとＤＭＦＣスタックとの間で空気供給路に設けられた４方弁１５６、およびカソード５２の出力部に接続された凝縮器５３を有している。また、混合タンク４５は、混合タンクバルブ４８を介して凝縮器５３に配管接続される。凝縮器５３は排気バルブ５７を介して排気口５８に接続される。凝縮器５３には、水蒸気を効果的に凝縮するフィンが備えられている。凝縮器５３に対向して冷却ファン５４が配設されている。
【００２９】
気体流路の一部を構成している空気供給路は、送気ポンプ５０から延びた主流路１５８と、主流路から分岐しそれぞれ３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃのカソード５２まで延びた３本の分岐路１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃと、を有している。４方弁１５６は、主流路１５８と分岐路１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃとの合流部に設けられている。４方弁１５６は、燃料電池制御部４１の制御により、複数位置の動作位置に切替えられ、送気ポンプ５０から３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃへ供給される空気の配流を変化させる。
【００３０】
すなわち、４方弁１５４は、例えば電磁弁として構成され、送気ポンプ５０から主流路１５８を通して供給された空気を３本の分岐路１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃに均等に配流し、３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃへ空気を供給する通常運転位置、それぞれ分岐路の１つを閉じ残りの２本の分岐路に空気を配流する３つの第１切替え位置、および、それぞれ２本の分岐路を閉じ、残り１本の分岐路に空気を配流する３つの第２切替え位置へ切替え可能に構成されている。
【００３１】
セル積層体として設けられた３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃは互いに同一の構成を有している。ここでは、ＤＭＦＣスタック４２ａを代表してその構成を説明する。  
図４および図５に示すように、ＤＭＦＣスタック４２ａは、複数、例えば、４つの単セル１４０と、５枚の矩形板状のセパレータ１４２とを交互に積層して構成された積層体、および積層体を支持した枠体１４５を有している。各単セル１４０は、それぞれ触媒層とカーボンペーパで構成されたほぼ矩形板状のカソード５２およびアノード４７、これらカソード、アノード間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜１４４とを一体化した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。高分子電解質膜１４４は、カソード５２およびアノード４７よりも大きな面積に形成されている。
【００３２】
３つのセパレータ１４２は、隣合う２つの単セル１４０間に積層され、他の２つのセパレータは、積層方向両端にそれぞれ積層されている。セパレータ１４２および枠体１４５には、各単セル１４０のアノード４７に燃料を供給する燃料流路１４６、および各単セルのカソード５２に空気を供給する空気流路１４７が形成されている。
【００３３】
次に、燃料電池ユニット１０の発電部４０の発電メカニズムについて、燃料と空気（酸素）の流れに沿って説明する。  
図３に示すように、まず、燃料カートリッジ４３内の高濃度メタノールは、燃料供給ポンプ４４によって、混合タンク４５に供給される。混合タンク４５の内部で高濃度メタノールは、回収された水やアノード４７からの低濃度メタノール（発電反応の残余分）等と混合されて希釈され、低濃度メタノールが生成される。低濃度メタノールの濃度は発電効率の高い濃度、例えば３〜６％、を保てるように制御される。この濃度制御は、例えば、濃度センサ６０の検出結果を基に、燃料電池制御部４１が燃料供給ポンプ４４によって混合タンク４５に供給される高濃度メタノールの量を制御することによって実現される。または、混合タンク４５に環流する水の量を水回収ポンプ５６等で制御することによって実現できる。
【００３４】
混合タンク４５には、混合タンク４５内のメタノール水溶液の液量を検出する液量センサ６１や、温度を検出する温度センサ６４が設けられ、これらセンサの検出結果は燃料電池制御部４１に送られて発電部４０の制御などに使用される。
【００３５】
混合タンク４５で希釈されたメタノール水溶液は送液ポンプ４６で加圧され、主流路１５１、４方弁１５４および分岐路１５２ａ１５２ｂ、１５２ｃを介して３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃへ送られる。各ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃにおいて、メタノール水溶液は、燃料流路１４６へ送られ、燃料流路から各単セル１４０のアノード４７に注入される。図５に示すように、アノード４７では、メタノールの酸化反応が行われることで電子が発生する。酸化反応で生成される水素イオン（Ｈ+）はＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃ内の固体高分子電解質膜１４４を透過してカソード５２に達する。
【００３６】
アノード４７での酸化反応によって生成される二酸化炭素は、反応に供されなかったメタノール水溶液とともに再び混合タンク４５に環流する。二酸化炭素は混合タンク４５内で気化し、気体流路を通って凝縮器５３へ送られ、最終的には排気バルブ５７を介して、排気口５８から外部へ排気される。
【００３７】
他方、図３に示すように、空気（酸素）は、空気供給部を構成する送気ポンプ５０により、吸気口４９から取り込まれ、加圧された後、主流路１５８、４方弁１５６、３つの分岐路１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃを介してＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃへ送られる。各ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃにおいて、空気流路１４７へ送られた空気は、この空気流路から各単セル１４０のカソード（空気極）５２に供給される。カソード５２では、酸素（Ｏ2）の還元反応が進行し、外部の負荷からの電子（ｅ-）と、アノード４７からの水素イオン（Ｈ+）と酸素（Ｏ2）とから水（Ｈ2Ｏ）が水蒸気として生成される。この水蒸気はカソード５２から排出され、凝縮器５３に入る。凝縮器５３では、冷却ファン５４によって水蒸気が冷却されて水（液体）となり、水回収タンク５５内に一時的に蓄積される。この回収された水は水回収ポンプ５６によって混合タンク４５へと環流し、高濃度メタノールを希釈するための希釈循環システム６２が構成される。
【００３８】
この希釈循環システム６２による燃料電池ユニット１０の発電メカニズムからわかるように、ＤＭＦＣスタック４２から電力を取り出す、即ち、発電を開始するために、各部のポンプ４４、４６、５０、５６やバルブ４８、５１、５７或いは冷却ファン５４等の補機６３を駆動させる。これによってメタノール水溶液と空気（酸素）がＤＭＦＣスタック４２内に注入されそこで電気化学反応が進行することによって電力が得られる。ＤＭＦＣスタック４２で発生した電力は、燃料電池制御部４１、ドッキングコネクタ１４を介して情報処理装置１８へ供給される。一方、発電を停止するには、これらの補機６３の駆動を停止するか、あるいは、ＤＭＦＣスタック４２からの電力の取り出しを停止することによる。
【００３９】
図６は、本発明に係る燃料電池ユニット１０が接続される情報処理装置１８のシステム構成を示したものである。  
情報処理装置１８は、ＣＰＵ６５、主メモリ６６、ディスプレイコントローラ６７、表示部として機能するディスプレイ６８、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）６９、キーボードコントローラ７０、ポインタデバイス７１、入力部を構成するキーボード７２、ＦＤＤ７３、これら構成品間において信号を伝送するバス７４、バス７４を介して伝送される信号を変換するためのノースブリッジ７５、サウスブリッジ７６と呼ばれるデバイス等から構成される。また、情報処理装置１８の内部に電源部７９を設け、ここに二次電池８０として、例えばリチウムイオン電池を保有している。電源部７９は、電源制御部７７によって制御される。
【００４０】
ＣＰＵ６５は、情報処理装置１８全体の動作制御を司り、主メモリ６６に格納されたオペレーティングシステム（ＯＳ）、電源管理ユーティリティを含むユーティリティソフトウェア、アプリケーションソフトウェアなどの各種プログラムを実行する。
【００４１】
燃料電池ユニット１０と情報処理装置１８との電気的インターフェースとして制御系インターフェースと電源系インターフェースとが設けられている。制御系インターフェースは情報処理装置１８の電源制御部７７と燃料電池ユニット１０の燃料電池制御部４１との間にて通信を行うために設けられるインターフェースである。制御系インターフェースを介して情報処理装置１８と燃料電池ユニット１０との間で行われる通信は、例えば、Ｉ２Ｃバス７８といったシリアルバスを介して行われる。
【００４２】
電源系インターフェースは、燃料電池ユニット１０と情報処理装置１８との間における電力の授受のために設けられるインターフェースである。例えば、発電部４０のＤＭＦＣスタック４２で発電された電力が燃料電池制御部４１およびドッキングコネクタ１４、２１を介して情報処理装置１８に供給される。電源系インターフェースには、情報処理装置１８の電源部７９から、燃料電池ユニット１０内の補機６３等への電力供給８３も含まれる。
【００４３】
なお、情報処理装置１８の電源部７９に対してＡＣアダプタ用コネクタ８１を介してＡＣ／ＤＣ変換された直流電源が供給され、これによって情報処理装置１８の動作、二次電池８０の充電が可能である。
【００４４】
図７は、燃料電池ユニット１０の燃料電池制御部４１と、情報処理装置１８の電源部７９との、接続関係を示す構成図である。  
燃料電池ユニット１０と情報処理装置１８とはドッキングコネクタ１４、２１によって機械的かつ電気的に接続される。ドッキングコネクタ１４、２１には、燃料電池ユニット１０のＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃで発電された電力を情報処理装置１８へ供給するための第一の電源端子（出力電源端子）９１および、情報処理装置１８から、燃料電池ユニット１０のマイクロコンピュータ９５にレギュレータ９４を介して電源を供給し、かつ補機用電源回路９７にスイッチ１０１を介して電源を供給するための第二の電源端子（補機用入力電源端子）９２が設けられている。ドッキングコネクタ１４、２１は、情報処理装置１８からＥＥＰＲＯＭ９９へ電源供給するための第三の電源端子９２ａを有している。
【００４５】
また、ドッキングコネクタ１４、２１は情報処理装置１８の電源制御部７７と燃料電池ユニット１０のマイクロコンピュータ９５との通信や、書き込み可能な不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）９９との通信、を行うための通信用入出力端子９３を有している。マイクロコンピュータ９５は、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの出力電力を検出する検出部としても機能し、検出した出力電力、ここでは、出力電流値をＥＥＰＲＯＭ９９に格納する。
【００４６】
次に、図７を参照して、燃料電池ユニット１０のＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃで発電された電力が燃料電池ユニット１０から情報処理装置１８へ供給されるまでの基本的な処理の流れを説明する。なお、情報処理装置１８の二次電池（リチウムイオン電池）８０には所定の電力が充電されているものとする。図７の中のスイッチは全て開いているものとする。
【００４７】
情報処理装置１８は、コネクタ接続検出部１１１から出力される信号に基いて、情報処理装置１８と燃料電池ユニット１０とが機械的および電気的に接続されたことを認識する。この認識は、コネクタ接続検出部１１１が例えばコネクタ接続検出部１１１へ入力される信号に基いて、ドッキングコネクタ１４、２１の接続によって燃料電池ユニット１０の内部で接地されることを検出することによって行われる。
【００４８】
情報処理装置１８の電源制御部７７は、燃料電池ユニット１０の発電設定スイッチ１１２の設定が発電許可設定であるか発電禁止設定であるかを認識する。例えば、発電設定スイッチ検出部１１３へ入力される信号に基いて、発電設定スイッチ検出部１１３が発電設定スイッチ１１２の設定状態に応じて接地状態であるか或いは解放状態であるか否かを検出する。発電設定スイッチ１１２が解放状態である場合は、電源制御部７７は発電禁止設定として認識する。
【００４９】
情報処理装置１８と燃料電池ユニット１０とがドッキングコネクタ１４、２１を介して機械的に接続されると、情報処理装置１８側から第三の電源端子９２ａを介して燃料電池制御部４１の記憶部であるＥＥＰＲＯＭ９９に電源が供給される。ＥＥＰＲＯＭ９９には、燃料電池ユニット１０のステータス情報等が予め記憶されている。ステータス情報には、例えば燃料電池ユニット１０の部品コードや製造シリアル番号、或いは定格出力、検出されたＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの出力電流値、各種センサで検出された液晶、温度、濃度などの検出データ等の情報を含ませることができる。ＥＥＰＲＯＭ９９は、例えば、Ｉ２Ｃバス７８といったシリアルバスに接続され、ＥＥＰＲＯＭ９９に記憶されているデータはこのＥＥＰＲＯＭ９９に電源が供給されている状態において読み出し可能である。電源制御部７７は通信用入出力端子９３を介してＥＥＰＲＯＭ９９のステータス情報を読み出し、内蔵したレジスト等に格納することが可能である。
【００５０】
この状態においては、燃料電池ユニット１０は発電を行っておらず、また燃料電池ユニット１０の内部の状態は、ＥＥＰＲＯＭ９９の電源以外は電源が供給されていない状態である。
【００５１】
ここで、ユーザが発電設定スイッチ１１２の設定を発電許可設定に設定すると、情報処理装置１８に設けられる電源制御部７７は、燃料電池ユニット１０に設けられるＥＥＰＲＯＭ９９に記憶された識別情報を読み出すことが可能となる。発電設定スイッチは、例えばスライドスイッチ等のように開または閉の状態をいずれか一方の状態に保持できるものが好ましい。
【００５２】
電源制御部７７は、燃料電池ユニット１０のＥＥＰＲＯＭ９９から読み出された識別情報に基いて、情報処理装置１８に接続されている燃料電池ユニット１０が情報処理装置１８に適合した燃料電池ユニットであると判断した場合、電源制御部７７は、情報処理装置１８に設けられるスイッチ１００を閉じる。これにより、二次電池８０の電力が第１の電源端子９２を介して燃料電池ユニット１０へ供給され、レギュレータ９４を介してマイクロコンピュータ９５へ供給される。この状態では、燃料電池ユニット１０に設けられるスイッチ１０１は開いており、補機用電源回路９７には電源は供給されていない。従って、この状態において補機６３は動作していない。
【００５３】
しかしながら、マイクロコンピュータ９５は動作を開始しており、情報処理装置１８の電源制御部７７から各種の制御用コマンドを受信することが可能な状態である。マイクロコンピュータ９５は、燃料電池ユニット１０の電源情報を情報処理装置１８へ送信可能な状態である。
【００５４】
この状態で、電源制御部７７から発電開始コマンドが燃料電池制御部４１に送られると、これを受信した燃料電池制御部４１は、マイクロコンピュータ９５からの制御によってスイッチ１０１を閉じて補機用電源回路９７に情報処理装置１８からの電源を供給する。併せて、燃料電池制御部４１は、マイクロコンピュータ９５から送信される補機用制御信号によって、発電部４０に設けられる補機６３、即ち、各ポンプ４４、４６、５０、５６、バルブ４８、５１、５７及び冷却ファン５４等を駆動する。マイクロコンピュータ９５は、燃料電池制御部４１に設けられたスイッチ１０２を閉じる。
【００５５】
この結果、発電部４０に設けられるＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃに対してメタノール水溶液や空気が注入され、発電が開始される。通常運転において、マイクロコンピュータ９５は、４方弁１５４、１５６をそれぞれ通常運転位置に維持し、３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃに均等に燃料および空気を供給する。ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃによる発電電力は、燃料電池制御部４１の情報処理装置用電源回路１２０を介して情報処理装置１８に供給が開始される。ただし、発電出力は、瞬時に定格値に達するわけではないため、定格値に達するまでウォームアップ状態となる。
【００５６】
燃料電池制御部４１のマイクロコンピュータ９５は、例えばＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの出力電圧およびＤＭＦＣスタックの温度をモニタすることにより、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの出力が定格値に達したと判断すると、燃料電池ユニット１０のスイッチ１０１を開き、補機６３への電力供給源を情報処理装置１８からＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃに切り替える。
【００５７】
次に、ＤＭＦＣスタック４２の出力低下に対して適切な回復処理を行う手法について説明する。  
例えば、燃料電池ユニット１０の長時間の使用により、主にＤＭＦＣスタック４２を構成する単セル１４０のカソード５２で生成した水が、ＤＭＦＣスタック４２の空気流路１４７で停滞し、単セル１４０に空気が行き渡らなくなると、燃料、空気の供給バランスが崩れＤＭＦＣスタック４２の出力電流値、すなわち、発電出力が低下する。出力の低い状態で発電を継続すると電力供給の効率が悪化するとともに発熱量も増加し、やがてセルの破壊に至ることがある。
【００５８】
そこで、燃料電池システムでは、上記のような出力低下が生じた場合、あるいは、ユーザ任意のタイミングで、燃料電池ユニット１０の回復処理を行う。図９に示すフローチャートを参照して、回復処理動作を説明する。  
通常運転において、４方弁１５４、１５６は通常運転位置に切替えられている。そのため、図８（ａ）に示すように、送気ポンプ５０から供給された空気は、４方弁１５６により３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃに均等に配流される。すなわち、送気ポンプ５０からの空気供給量を１とした場合、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃには１／３ずつ均等に空気が供給される。
【００５９】
ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃによる発電動作が行われている間、燃料電池制御部４１のマイクロコンピュータ９５は、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの出力電流値を監視し、検出した出力電流値をＥＥＰＲＯＭ９９に記憶するとともに、随時、更新する。主メモリ６６に格納されている電源管理ユーティリティにより、ユーザが回復処理の実行を選択すると、情報処理装置１８のＣＰＵ６５からメインテナンス開始コマンドを出力し、メインテナンスモード、すなわち、回復処理を開始する。
【００６０】
図９に示すように、電源制御部７７はこのメインテナンス開始コマンドを検知すると（ＳＴ１）、このメインテナンス開始コマンドに応じて、燃料電池ユニット１０のＥＥＰＲＯＭ９９から燃料電池ユニットのステータス情報を取り込む。そして、電源制御部７７は、取り込んだＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの各出力電流値と予め設定されている基準出力、ここでは、定格出力値と比較し、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの各出力電流値が定格出力値よりも低下しているか否かを判断する（ＳＴ２）。
【００６１】
いずれかのＤＭＦＣスタックの出力電流値が一定値以上低下している場合、電源制御部７７は、燃料電池ユニット１０のマイクロコンピュータ９５により発電部４０の発電を停止する（ＳＴ３）。例えば、スイッチ１０２を開放し、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃからの出力を停止することにより、発電を停止する。なお、各ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの出力電流値が定格出力値よりも一定値以上低下していない場合は、メインテナンスモードを終了する。
【００６２】
発電を停止した後、電源制御部７７の制御の下、燃料電池ユニット１０のマイクロコンピュータ９５は、発電部４０の送気ポンプ５０を通常運転時と同一の回転数で、つまり、通常運転時と同一の空気供給量にて運転するとともに、４方弁１５６を第１切替え位置あるいは第２切替え位置へ切替えて配流を変化させる（ＳＴ４）。例えば、ＤＭＦＣスタック４２ａの出力電流値が低下している場合、また、回復処理に必要な空気供給量が通常運転時の空気供給量の１．５倍程度である場合、マイクロコンピュータ９５は、３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの内、１つのＤＭＦＣスタック４２ｃに続く分岐路１６０ｃを閉じる第１切替え位置へ４方弁１５６を切替える。これにより、図８（ｂ）に示すように、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂには、送気ポンプ５０からの空気供給量の１／２ずつ、すなわち、通常運転時の１．５倍の供給量で空気が供給される。
【００６３】
この状態で、送気ポンプ５０を所定時間、例えば、５分〜１５分、駆動し、吸気口４９から取り込まれ、送気ポンプ５０で加圧され空気をＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂの空気流路１４７へ流す（ＳＴ５）。この際、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの発電動作は停止し、カソード５２側での水の生成も停止している。従って、空気流路１４７へ加圧された空気を流すことにより、空気流路１４７に詰まった水はＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂから排出され、水回収タンク５５へ送られる。これにより、カソード５２への空気供給を円滑に行うことができ、ＤＭＦＣスタック４２ａの出力低下を回復することができる。
【００６４】
また、ＤＭＦＣスタック４２ａの回復処理に必要な空気供給量が通常運転時の空気供給量の３倍程度である場合、マイクロコンピュータ９５は、３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの内、２つのＤＭＦＣスタック４２ｂ、４２ｃに続く分岐路１６０ｂ、１６０ｃを閉じる第２切替え位置へ４方弁１５６を切替える。これにより、図８（ｃ）に示すように、ＤＭＦＣスタック４２ａには、送気ポンプ５０からの空気供給量の同一量、すなわち、通常運転時の３倍の供給量で空気が供給される。この状態で、送気ポンプ５０を所定時間駆動し、ＤＭＦＣスタック４２ａの空気流路１４７へ加圧された空気を流すことにより、出力低下したＤＭＦＣスタック４２ａを優先的に回復することができる。
【００６５】
電源制御部７７は、上記空気供給を行っている間、ＤＭＦＣスタック４２の出力電流値を検出し、ＤＭＦＣスタック４２の出力電流値が定格電流値まで回復したか否かを検出する（ＳＴ６）。回復している場合には送気ポンプ５０による空気供給を終了する（ＳＴ７）。回復していない場合、電源制御部７７は、送気ポンプ５０による空気供給開始から所定時間経過したか否かを判断し（ＳＴ８）、所定時間経過した時点で送気ポンプ５０による空気供給を終了する（ＳＴ７）。
【００６６】
その後、電源制御部７７は、燃料電池ユニット１０のマイクロコンピュータ９５による制御の下、スイッチ１０２を閉じ、発電部４０の発電動作を開始する（ＳＴ９）。発電開始から一定時間経過した後（ＳＴ１０）、マイクロコンピュータ９５は、回復処理後のＤＭＦＣスタック４２の出力電流値を検出し、ＥＥＰＲＯＭ９９に記録する（ＳＴ１１）。以上の動作により、メインテナンスモードが終了し、回復処理が完了する。
【００６７】
上述した実施形態では、ユーザからのメインテナンス開始コマンドにより、出力電流値が低下しているＤＭＦＣスタックを検出し、この出力電流値が低下しているＤＭＦＣスタックに優先的に回復処理する構成としたが、ユーザからのメインテナンス開始コマンドにより、出力電流値を検出することなく、３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃを順番に回復処理する構成としてもよい。この場合、送気ポンプ５０を通常運転時と同一の空気供給量にて駆動し、一定時間毎に、４方弁１５６を３つの第１切替え位置、あるいは３つの第２切替え位置へ順次切替え、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃへ必要量の空気を供給する。
【００６８】
また、上述した実施形態では、ユーザからのメインテナンス開始コマンドにより、回復処理を任意に行う構成としたが、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの出力が低下した際に、情報処理装置１８の電源制御部７７により自動的に回復処理を実行する構成としてもよい。図１０に示すフローチャートを参照して、自動の回復処理動作を説明する。
【００６９】
ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃによる発電動作が行われている間、燃料電池制御部４１のマイクロコンピュータ９５は、ＤＭＦＣスタックＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの出力電流値を監視し、検出した出力電流値をＥＥＰＲＯＭ９９に記憶するとともに、随時、更新する。情報処理装置１８の電源制御部７７は、定期的に、ＥＥＰＲＯＭ９９から燃料電池ユニット１０のステータス情報を取り込み、各ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの出力電流値が予め設定されている基準出力、ここでは、定格出力値と比較し、各ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの出力電流値が定格出力値よりも低下しているか否かを判断する（ＳＴ１）。ここで、定期的とは常時を含むものとする。出力電流値が一定値以上低下している場合、電源制御部７７は、ＣＰＵ６５の制御の下、メインテナンスモードを開始する。
【００７０】
電源制御部７７は、燃料電池ユニット１０のマイクロコンピュータ９５により発電部４０の発電を停止する（ＳＴ２）。例えば、スイッチ１０２を開放し、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃからの出力を停止することにより、発電を停止する。
【００７１】
発電を停止した後、電源制御部７７の制御の下、燃料電池ユニット１０のマイクロコンピュータ９５は、発電部４０の送気ポンプ５０を通常運転時と同一の回転数で、つまり、通常運転時と同一の空気供給量にて運転するとともに、４方弁１５６を第１切替え位置あるいは第２切替え位置へ切替えて配流を変化させる（ＳＴ３）。例えば、ＤＭＦＣスタック４２ａの出力電流値が低下している場合、また、回復処理に必要な空気供給量が通常運転時の空気供給量の１．５倍程度である場合、マイクロコンピュータ９５は、３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの内、１つのＤＭＦＣスタック４２ｃに続く分岐路１６０ｃを閉じる第１切替え位置へ４方弁１５６を切替える。これにより、図８（ｂ）で示したように、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂには、送気ポンプ５０からの空気供給量の１／２ずつ、すなわち、通常運転時の１．５倍の供給量で空気が供給される。
【００７２】
この状態で、送気ポンプ５０を所定時間、例えば、５分〜１５分、駆動し、吸気口４９から取り込まれ、送気ポンプ５０で加圧され空気をＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂの空気流路１４７へ流す（ＳＴ４）。この際、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの発電動作は停止し、カソード５２側での水の生成も停止している。従って、空気流路１４７へ加圧された空気を流すことにより、空気流路１４７に詰まった水はＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂから排出され、水回収タンク５５へ送られる。これにより、カソード５２への空気供給を円滑に行うことができ、ＤＭＦＣスタック４２ａの出力低下を回復することができる。
【００７３】
また、ＤＭＦＣスタック４２ａの回復処理に必要な空気供給量が通常運転時の空気供給量の３倍程度である場合、マイクロコンピュータ９５は、３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの内、２つのＤＭＦＣスタック４２ｂ、４２ｃに続く分岐路１６０ｂ、１６０ｃを閉じる第２切替え位置へ４方弁１５６を切替える。これにより、図８（ｃ）で示したように、ＤＭＦＣスタック４２ａには、送気ポンプ５０からの空気供給量の同一量、すなわち、通常運転時の３倍の供給量で空気が供給される。この状態で、送気ポンプ５０を所定時間駆動し、ＤＭＦＣスタック４２ａの空気流路１４７へ加圧された空気を流すことにより、出力低下したＤＭＦＣスタック４２ａを優先的に回復することができる。
【００７４】
電源制御部７７は、上記空気供給を行っている間、ＤＭＦＣスタック４２の出力電流値を検出し、ＤＭＦＣスタック４２の出力電流値が定格電流値まで回復したか否かを検出する（ＳＴ５）。回復している場合には送気ポンプ５０による空気供給を終了する（ＳＴ６）。回復していない場合、電源制御部７７は、送気ポンプ５０による空気供給開始から所定時間経過したか否かを判断し（ＳＴ７）、所定時間経過した時点で送気ポンプ５０による空気供給を終了する（ＳＴ６）。
【００７５】
その後、電源制御部７７は、燃料電池ユニット１０のマイクロコンピュータ９５の制御の下、スイッチ１０２を閉じ、４方弁１５６を通常運転位置に切替え、発電部４０の発電動作を開始する（ＳＴ８）。発電開始から一定時間経過した後（ＳＴ９）、マイクロコンピュータ９５は、回復処理後のＤＭＦＣスタック４２の出力電流値を検出し、ＥＥＰＲＯＭ９９に記録する（ＳＴ１０）。以上の動作により、メインテナンスモードが終了し、回復処理が完了する。
【００７６】
また、燃料電池システムは、４方弁１５４、１５６の切替えによって運転するＤＭＦＣスタック数を制御する事で以下のような低出力運転モードあるいは、長寿命運転モードを設定することが可能となる。
【００７７】
（低出力運転モード）  
燃料電池は電気負荷に対する応答性が悪いため、通常、システムを構築する際にはキャパシタや二次電池８０などの蓄電機構が設けられる。燃料電池ユニット１０の発電状態によっては、これらの蓄電機構でも余剰電力を処理しきれなくなる場合もある。この場合、燃料電池ユニット１０そのものの発電量を抑制する必要がある。しかし、最適な条件で運転している燃料電池ユニット１０の出力を運転電圧の制御で抑制することは効率の低下につながり、発電機としては望ましくない。
【００７８】
そこで、本実施形態において、必要電力が小さく、燃料電池システムの発電量を抑制する場合、電源制御部７７は低出力運転モードを設定し、複数配置されたＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの内、一部のＤＭＦＣスタックにのみに燃料および酸化剤（空気）を供給することで、最適な運転条件を変更せずＤＭＦＣスタックの運転個数のみを減少させることで効果的な出力抑制を行う。
【００７９】
図１１（ａ）に示すように、通常運転時、送液ポンプ４６および送気ポンプ５０が駆動され、４方弁１５４、１５６はそれぞれ通常運転位置に切替えられている。これにより、送液ポンプ４６から供給された燃料は、４方弁１５４により３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃに均等に配流され、アノード４７へ供給される。送液ポンプ４６からの燃料供給量を１とした場合、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃには１／３ずつ均等に燃料が供給される。
【００８０】
同様に、送気ポンプ５０から供給された空気は、４方弁１５６により３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃに均等に配流される。送気ポンプ５０からの空気供給量を１とした場合、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃには１／３ずつ均等に空気が供給される。
【００８１】
図１２に示すように、通常運転時の燃料電池システム全体の発電量を例えば３６Ｗとした場合、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃはそれぞれ発電効率３０％、出力１２Ｗで発電している。
【００８２】
図１３は、低出力運転モードの動作を示すフローチャートである。この図に示すように、電池ユニット１０のマイクロコンピュータ９５は、電源制御部７７の制御の下、余剰電力の発生を検出すると（ＳＴ１）、低出力運転モードを設定する。続いて、余剰電力の状態に応じて、２スタック（２４Ｗ運転）あるいは１スタック運転（１２Ｗ運転）のいずれかを選択する（ＳＴ３、４）。
【００８３】
２スタック運転が選択された場合、図１１（ｂ）および図１２に示すように、マイクロコンピュータ９５は、発電部４０の送液ポンプ４６および送気ポンプ５０を通常運転時と同一の回転数で、つまり、通常運転時と同一の燃料供給量および空気供給量にて運転するとともに、４方弁１４６、１５６を第１切替え位置へ切替えて配流を変化させる（ＳＴ５）。例えば、マイクロコンピュータ９５は、３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの内、１つのＤＭＦＣスタック４２ｃに続く分岐路１５２ｃを閉じる第１切替え位置へ４方弁１５４を切替える。また、マイクロコンピュータ９５は、１つのＤＭＦＣスタック４２ｃに続く分岐路１６０ｃを閉じる第１切替え位置へ４方弁１５６を切替える。
【００８４】
ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂには、送液ポンプ４６からの燃料供給量の１／２ずつ燃料が供給され、また、送気ポンプ５０からの空気供給量の１／２ずつ空気が供給される。これにより、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂはそれぞれ運転効率３０％、出力１２Ｗで発電し、システム全体として２４Ｗ発電の低出力運転（ＳＴ６）となる。
【００８５】
このように、３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃをそれぞれを出力８Ｗ（運転効率２０％）に低下させるのではなく、２つのＤＭＦＣスタックのみを通常通りの効率で運転させることで発電の効率を落とすことなく出力を抑制することが可能になる。
【００８６】
ＳＴ４において１スタック運転が選択された場合、図１１（ｃ）および図１２に示すように、マイクロコンピュータ９５は、発電部４０の送液ポンプ４６および送気ポンプ５０を通常運転時と同一の回転数で、つまり、通常運転時と同一の燃料供給量および空気供給量にて運転するとともに、４方弁１４６、１５６を第２切替え位置へ切替えて配流を変化させる（ＳＴ５）。例えば、マイクロコンピュータ９５は、３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの内、２つのＤＭＦＣスタック４２ｂ、４２ｃに続く分岐路１５２ｂ、１５２ｃを閉じる第２切替え位置へ４方弁１５４を切替える。同様に、マイクロコンピュータ９５は、２つのＤＭＦＣスタック４２ｂ、４２ｃに続く分岐路１６０ｂ、１６０ｃを閉じる第２切替え位置へ４方弁１５６を切替える。
【００８７】
これにより、ＤＭＦＣ４２ｂ、４２ｃへの燃料および空気の供給が停止され、ＤＭＦＣスタック４２ａのみに、送液ポンプ４６からの燃料供給量と同一量の燃料が供給され、また、送気ポンプ５０からの空気供給量と同一量の空気が供給される。したがって、ＤＭＦＣスタック４２ａは運転効率３０％、出力１２Ｗで発電し、システム全体として１２Ｗ発電の低出力運転（ＳＴ６）となる。
【００８８】
このように、３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃをそれぞれを出力４Ｗ（運転効率１０％）に低下させるのではなく、１つのＤＭＦＣスタックのみを通常通りの効率で運転させることで発電の効率を落とすことなく低出力運転を行うことができる。
【００８９】
（長寿命運転モード）  
複数のＤＭＦＣスタックが搭載された燃料電池システムを長期使用する場合、電気的な制御や部品交換などのメンテナンスを考えると、発電性能に優れたＤＭＦＣスタックを優先的に使用し、複数のＤＭＦＣスタックの性能低下が一様に起こるようにすることが望ましい。また、発電性能に優れたＤＭＦＣスタックの使用は、発電効率の面でも有利だと言える。
【００９０】
そこで、本実施形態によれば、上述した低出力運転等を行う場合において、燃料電池制御部４１のマイクロコンピュータ９５は、ＤＭＦＣスタックＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの出力電流値を監視し、検出した出力電流値をＥＥＰＲＯＭ９９に記憶するとともに、随時、更新する。情報処理装置１８の電源制御部７７は、定期的に、ＥＥＰＲＯＭ９９から燃料電池ユニット１０のステータス情報を取り込み、各ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの出力電流値から、最も発電性能に優れたＤＭＦＣスタックを検出する。そして、上述した低出力運転モード等を行う場合において、マイクロコンピュータ９５は、複数のＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃのうち最も発電性能に優れたＤＭＦＣスタックにのみ燃料および空気を供給してこのＤＭＦＣスタックのみを発電動作させる。これにより、複数のＤＭＦＣスタックの性能低下が一様に起こるようにし、燃料電池システムとしての運転寿命や発電効率の点で有利な運転を可能とすることができる。
【００９１】
以上のように構成された燃料電池システムおよびその動作制御方法によれば、複数のＤＦＭＣスタックに対して、単一の送液ポンプおよび単一の送気ポンプを設け、これらポンプとＤＭＦＣスタックとの間に設けられた切替えバルブ、ここでは、４方弁によってＤＭＦＣスタックへの燃料および空気の配流を変化させ最適な運転を行うことができる。ＤＭＦＣスタック毎にポンプ等の補機を設けた構成に比較して、ポンプを含み補機の数を低減し、制御の簡略化、装置の小型化を図ることが可能となる。
【００９２】
切替えバルブによって空気の供給経路を切替え、通常運転ときよりも空気流量を増加させることにより、効率的な出力回復運転を行うことができる。出力回復運転の際、送気ポンプは通常運転時と同一の回転数で駆動すればよく、出力回復運転用に余分なスペックを備えたポンプを設ける必要はない。これにより、装置全体の小型化、騒音の低減等を図ることが可能となる。また、出力低下の著しいＤＭＦＣスタックのみを優先的に回復処理することができ、総合的に高高率な運転が可能となる。
【００９３】
切替えバルブによって燃料および空気の供給経路を切替えることにより、複数のＤＭＦＣスタックの内、一部のみを運転する高効率運転を実現し、運転効率を落とすことなく低出力運転あるいは長期寿命運転を行うことができる。
【００９４】
以上ことから、装置を大型化することなく燃料電池の出力低下を効率よく回復することができるとともに、発電効率を下げることなく低出力運転が可能な燃料電池システムおよびその動作制御方法を提供する可能な燃料電池システムおよびその動作制御方法を提供することができる。
【００９５】
なお、この発明は上記実施の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可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、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、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００９６】
例えば、燃料電池ユニットは、情報処理装置の外部に接続する構成としたが、情報処理装置に内蔵された構成としてもよい。燃料電池ユニットにおいて、ＤＭＦＣスタックの数は３つに限らず、２つあるいは４つ以上としてもよい。回復処理における、送気ポンプの空気供給量および動作時間等は、上述した実施形態に限らず、種々選択可能である。
【００９７】
上述した実施形態において、送気ポンプおよび送液ポンプは、流量が一定のポンプを用いたが、これに限らず、流量が可変のポンプを用いても良い。図１４は、流量可変の送液ポンプ４６および送気ポンプ５０を用いて低出力運転モードを行う場合の配流を示している。
【００９８】
図１４（ａ）に示すように、通常運転時、送液ポンプ４６および送気ポンプ５０が駆動され、４方弁１５４、１５６はそれぞれ通常運転位置に切替えられている。これにより、送液ポンプ４６から供給された燃料は、４方弁１５４により３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃに均等に配流され、アノード４７へ供給される。送液ポンプ４６からの燃料供給量を１とした場合、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃには１／３ずつ均等に燃料が供給される。同様に、送気ポンプ５０から供給された空気は、４方弁１５６により３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃに均等に配流される。送気ポンプ５０からの空気供給量を１とした場合、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃには１／３ずつ均等に空気が供給される。
【００９９】
低出力運転モードの２スタック運転が選択された場合、図１４（ｂ）に示すように、マイクロコンピュータ９５は、発電部４０の送液ポンプ４６および送気ポンプ５０を通常運転時の２／３の燃料供給量および２／３の空気供給量にて運転するとともに、４方弁１４６、１５６を第１切替え位置へ切替えて配流を変化させる。例えば、マイクロコンピュータ９５は、３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの内、１つのＤＭＦＣスタック４２ｃに続く分岐路１５２ｃを閉じる第１切替え位置へ４方弁１５４を切替える。また、マイクロコンピュータ９５は、１つのＤＭＦＣスタック４２ｃに続く分岐路１６０ｃを閉じる第１切替え位置へ４方弁１５６を切替える。これにより、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂには、送液ポンプ４６からの燃料供給量２／３の半分ずつ、つまり、１／３ずつ燃料が供給され、また、送気ポンプ５０からの空気供給量２／３の半分ずつ、つまり、１／３ずつ空気が供給される。
【０１００】
低出力運転モードの１スタック運転が選択された場合、図１４（ｃ）に示すように、マイクロコンピュータ９５は、発電部４０の送液ポンプ４６および送気ポンプ５０を通常運転時の１／３の燃料供給量および１／３の空気供給量にて運転するとともに、４方弁１４６、１５６を第２切替え位置へ切替えて配流を変化させる。例えば、マイクロコンピュータ９５は、３つのＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃの内、１つのＤＭＦＣスタック４２ｂ、４２ｃに続く分岐路１５２ｂ、１５２ｃを閉じる第２切替え位置へ４方弁１５４を切替える。また、マイクロコンピュータ９５は、１つのＤＭＦＣスタック４２ｂ、４２ｃに続く分岐路１６０ｂ、１６０ｃを閉じる第２切替え位置へ４方弁１５６を切替える。これにより、ＤＭＦＣスタック４２ａには、送液ポンプ４６からの燃料供給量１／３と同一量の燃料が供給され、また、送気ポンプ５０からの空気供給量１／３と同一量の空気が供給される。  
このような構成においても、ＤＭＦＣスタック４２ａ、４２ｂ、４２ｃ発電の効率を落とすことなく低出力運転を行うことができる。
【０１０１】
上述した実施形態において、第１バルブ機構は、それぞれ４方弁を備え、この４方弁を燃料供給路の主流路１５１と分岐路１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃとの合流部に設けた構成とし、同様に、第２バルブ機構は４方弁を備え、この４方弁を空気供給路の主流路１５８と分岐路１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃとの合流部に設けた構成とした。しなしながら、バルブ機構はこれに限らず、各分岐路に独立した開閉弁を設け、各開閉弁を独立して開閉制御する構成としてもよい。
【０１０２】
その他、この発明に係る燃料電池システムは、上述したパーソナルコンピュータに限らず、モバイル機器、携帯端末等の他の電子機器にも適用可能である。燃料電池の形式としは、ＤＭＦＣに限らず、ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte   Fuel Cell）等の他の形式としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池ユニットを示す斜視図。
【図２】図２は、前記燃料電池システムを示す斜視図。
【図３】図３は、前記燃料電池ユニットの発電部の内部構成を主に示す系統図。
【図４】図４は、前記燃料電池ユニットのＤＭＦＣスタックを示す断面図。
【図５】図５は、前記ＤＭＦＣスタックの単セルを概略的に示す図。
【図６】図６は、前記燃料電池ユニットに情報処理装置を接続した状態を示す系統図。
【図７】図７は、前記燃料電池ユニット及び前記情報処理装置の構成を示す系統図。
【図８】図８は、回復処理動作時における切替えバルブの切替え位置に応じた空気の配流を示すブロック図。
【図９】図９は、前記燃料電池システムの回復処理動作を示すフローチャート。
【図１０】図１０は、前記燃料電池システムの他の回復処理動作を示すフローチャート。
【図１１】図１１は、低出力運転モード時における切替えバルブの切替え位置に応じた燃料および空気の配流を示すブロック図。
【図１２】図１２は、３スタック運転、２スタック運転、および１スタック運転時の各スタックの出力および運転効率を示す図。
【図１３】図１３は、前記燃料電池システムの低出力運転モードを示すフローチャート。
【図１４】図１４は、この発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの低出力運転モード時における切替えバルブの切替え位置に応じた燃料および空気の配流を示すブロック図。
【符号の説明】
【０１０４】
１０…燃料電池ユニット、１１…載置部、１２…燃料電池ユニット本体、
１４…ドッキングコネクタ、１８…情報処理装置、４０…発電部、
４１…燃料電池制御部、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ…ＤＭＦＣスタック、
４３…燃料カートリッジ、  ４６…送液ポンプ、４５…混合タンク、
４６…送液ポンプ、４７…アノード（燃料極）、５０…送気ポンプ、
５２…カソード（空気極）、  ６３…補機、６５…ＣＰＵ、７７…電源制御部、
９５…マイクロコンピュータ、  １４０…単セル、１４６…燃料流路、
１４７…空気流路、  １５１、１５８…主流路、  １５４、１５６…４方弁、
１５２ａ、１５２ｂ、１５２ｃ、１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ…分岐路、
【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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