(57)【要約】【課題】燃料の消費量をできるだけ少なくしつつ、効率よく電力を供給することのできる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９９は、燃料電池本体１００と、燃料電池本体の温度を測定する温度センサ５７２および出力値を測定する出力値測定部５７６を含む。制御部５６２は、燃料電池本体１００の温度または出力値が適正範囲内にない場合に、これらの温度または出力値の特性に応じて、これらの温度または出力値を適正範囲内にするための複数の処理の中からいずれかの処理を選択し、その処理を行う。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体の状態を示すパラメータを検出する検出部と、
当該パラメータが適正範囲内にない場合に、前記パラメータの特性に応じて、当該パラメータを適正範囲内にするための複数の処理の中から、いずれかの処理を選択し、当該処理を行う制御部と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記パラメータは、少なくとも前記燃料電池本体の出力または温度のいずれか一方を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記パラメータの特性に応じて、前記複数の処理のいずれを優先的に行うかを判断する判断部を有し、前記判断部の判断結果に基づき前記処理を選択することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記パラメータの特性と前記複数の処理との関係を示す情報を記憶した記憶部をさらに含み、
前記判断部は、前記記憶部を参照して前記複数の処理のいずれを優先的に行うかを判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記複数の処理は、前記燃料電池本体の温度を調整する処理および前記燃料電池本体の出力を調整する処理を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体に燃料または酸化剤を供給する供給部と、
前記燃料電池本体の温度を調整する温度調整部と、をさらに含み、
前記複数の処理は、前記温度を調整するために前記温度調整部を制御する処理と、前記出力を調整するために前記燃料または酸化剤の供給量を調整する処理とを含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
前記温度調整部は、前記燃料電池本体から当該燃料電池本体に接続された負荷への出入力端子間を短絡または開放する温度スイッチを含み、
前記制御部は、前記温度スイッチを切り替えることにより前記温度を調整する処理を行うことを特徴とする特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記温度調整部は、前記負荷と並列に前記燃料電池本体に接続して形成された短絡経路をさらに有し、
前記温度スイッチは、前記短絡経路と前記燃料電池本体との間を接続または切断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１乃至４いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体に燃料または酸化剤を供給する供給部をさらに含み、
前記複数の処理は、前記燃料電池本体の温度を適正範囲内にするための第一の制御方法で前記燃料または酸化剤の供給量を調整する処理と、前記燃料電池本体の出力を適正範囲内にするための第二の制御方法で前記供給量を調整する処理とを含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項６乃至９いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料は複数の成分を含み、
前記供給部は前記複数の成分を個別に供給し、
前記制御部は、前記複数の成分の混合率を制御して前記燃料の濃度を変化させることにより前記燃料の供給量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０いずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体で生成した生成物を除去する除去部をさらに含み、
前記複数の処理は、前記除去部を駆動する処理を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池本体に供給する燃料または酸化剤の供給量が適正な範囲内であるか否かを判断し、当該供給量が適正な範囲内であると判断した場合であって、前記パラメータが適正範囲内でない場合に前記除去部を駆動する処理を選択することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の燃料電池システムにおいて、
警告を提示する警告提示部をさらに含み、
前記制御部は、前記除去部を駆動する処理を所定回数行った後にも前記パラメータが適正範囲内とならなかった場合に、前記警告提示部に警告を提示させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１乃至１３いずれかに記載の燃料電池システムを搭載したことを特徴とする携帯型電気機器。
【請求項１５】
燃料電池の状態を示すパラメータを検出するステップと、
当該パラメータが適正範囲内にない場合に、前記パラメータの特性に応じて、当該パラメータを適正範囲内にするための複数の処理の中から、いずれかの処理を選択するステップと、
選択された前記処理を制御するステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の燃料電池の運転方法において、
前記パラメータは、少なくとも前記燃料電池本体の出力または温度のいずれか一方を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載の燃料電池の運転方法において、
前記選択するステップは、前記パラメータの特性に応じて、前記複数の処理のいずれを優先的に行うかを判断するステップをさらに含み、前記判断の結果に基づき、前記処理を選択することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１８】
請求項１５乃至１７いずれかに記載の燃料電池の運転方法において、
前記複数の処理は、前記燃料電池本体の温度を調整する処理および前記燃料電池本体の出力を調整する処理を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池に供給する燃料または酸化剤の供給量を調整するステップと、
前記燃料電池の温度を調整するステップと、をさらに含み、
前記複数の処理は、前記温度を調整するために前記温度調整部を制御する処理と、前記出力を調整するために前記供給量を調整する処理とを含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項２０】
請求項１５乃至１７いずれかに記載の燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池に供給する燃料または酸化剤の供給量を調整するステップをさらに含み、
前記複数の処理は、前記燃料電池の温度を適正範囲内にするための第一の制御方法で前記供給量を調整する処理と、前記燃料電池の出力を適正範囲内にするための第二の制御方法で前記供給量を調整する処理とを含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項２１】
請求項１９または２０に記載の燃料電池の運転方法において、前記燃料は複数の成分を含み、
前記供給量を調整するステップにおいて、前記複数の成分の混合率を制御して前記燃料の濃度を変化させることにより前記供給量を調整することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項２２】
請求項１５乃至２１いずれかに記載の燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池内で生成した生成物を除去するステップをさらに含み、
前記複数の処理は、前記除去部を駆動する処理を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の燃料電池の運転方法において、
前記燃料電池本体に供給する燃料または酸化剤の供給量が適正な範囲内であるか否かを判断するステップをさらに含み、
前記選択するステップにおいて、前記供給量が適正な範囲内であると判断した場合であって、前記パラメータが適正範囲内でない場合に前記生成物を除去する処理が選択されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２４】
請求項２２または２３に記載の燃料電池の運転方法において、
前記生成物を除去するステップを所定回数繰り返した後に、前記パラメータが適正範囲内とならなかった場合に、警告信号を発するステップをさらに含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項２５】
燃料電池の運転を制御するためにコンピュータに、
請求項１５乃至２４いずれかに記載した方法を実行させるためのプログラム。
【請求項２６】
請求項２５に記載のプログラムを格納した記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムを用いた携帯型電気機器、および燃料電池の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。
【０００３】
燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
３Ｈ２  →  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−    （１）
【０００４】
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（２）のようになる。
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ６Ｈ＋  ＋  ＣＯ２  ＋  ６ｅ−    （２）
【０００５】
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（３）のようになる。
３／２Ｏ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ    （３）
【０００６】
特に、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、小型化および軽量化を図ることができる。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。
【０００７】
従来、燃料タンク内の液温が下がると予備メタノールタンクからメタノールを補給し、燃料タンクの液温が高くなると水タンクから水を補給することにより、燃料の濃度と温度とを同時に所定の数値範囲に保持することが可能となる燃料電池の運転制御方法および装置が開示されている（特許文献１）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−２５８７６０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃料電池をたとえば携帯電話用電源等の携帯型の電気機器に適用する場合、小型化が望まれ、できるだけ少ない燃料で効率よく高い電力を供給する技術が必要である。このような技術を提供するためには、燃料電池の出力値が低下する原因等に応じて適切な処置を施すような制御を考慮すべきである。
【００１０】
燃料電池の出力値が低下する原因としては、たとえば以下のものが挙げられる。
（ｉ）燃料または酸化剤の供給量不足：上述したように、燃料電池は、燃料極に燃料が、酸化剤極に酸化剤がそれぞれ供給されて電気化学反応により発電する。したがって、燃料および酸化剤の供給量が充分でないと、燃料電池の出力が低下する。この場合、燃料または酸化剤の供給量を増加させることにより燃料電池の出力を上昇させることができる。
【００１１】
（ｉｉ）燃料電池本体の温度：燃料電池の発電効率は、温度の低下とともに減少し、温度が低いと、所望の電圧／電流を供給することができずに電気機器を起動できない可能性もある。この場合、燃料電池本体の温度を上昇させることにより、燃料電池の出力を上昇させることができる。さらに、燃料電池の温度が高すぎても燃料電池の発電効率が悪化する。この場合、燃料電池本体の温度を適正範囲内に下げることにより、燃料電池の出力を上昇させることができる。
【００１２】
（ｉｉｉ）生成物の滞留：上記反応式（１）〜（３）に示すように、燃料極では二酸化炭素またはその中間生成物である一酸化炭素が、酸化剤極では水がそれぞれ生成する。燃料電池を連続的に効率よく運転するためには、燃料極および酸化剤極へそれぞれ燃料および酸化剤を連続的に供給するとともに、これらの電極付近から生成物を速やかに取り除く必要がある。たとえば、燃料極において、電極表面に二酸化炭素等が滞留すると、電極への燃料の供給が阻害されることによる発電効率の低下や、有効な触媒の表面が減少することによる出力の低下が生じる。同様に、酸化剤極において、電極表面に水が滞留すると、電極のガス透過性が低下することによる発電効率の低下や、有効な触媒の表面が減少することによる出力の低下が生じる。
【００１３】
（ｉｖ）燃料電池本体の劣化：たとえば、触媒反応を担当する電極の白金が劣化すること等により、燃料電池の発電効率が低下して出力が低下する。この場合は燃料や酸化剤の供給量を増加させたり、燃料電池本体の温度を上昇させても出力の上昇は期待できない。
【００１４】
したがって、このような種々の原因に応じて適切な処置を施すような制御を行うことの可能な燃料電池システムの提供が望まれる。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、燃料の消費量をできるだけ少なくしつつ、効率よく電力を供給することのできる燃料電池システムを提供することにある。本発明の別の目的は、システム全体の消費電力を低減して高い出力を安定して発揮させる簡便な燃料電池システムを提供することにある。本発明のさらに別の目的は、携帯型電気機器を小型化および軽量化することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料電池本体と、燃料電池本体の状態を示すパラメータを検出する検出部と、当該パラメータが適正範囲内にない場合に、パラメータの特性に応じて、当該パラメータを適正範囲内にするための複数の処理の中から、いずれかの処理を選択し、当該処理を行う制御部と、を含むことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１７】
本発明の燃料電池システムにおいて、パラメータは、少なくとも燃料電池本体の出力または温度のいずれか一方を含むことができる。このパラメータは、燃料電池本体の出力および温度の双方を含むこともできる。
【００１８】
複数の処理には、たとえば、燃料電池本体に供給する燃料または酸化剤の供給量を調整する処理、燃料電池本体の温度を調整する処理、あるいは燃料電池本体で生成した生成物を除去する処理等が含まれる。ここで、供給量を調整するとは、燃料や酸化剤の濃度を増減させることも含む。検出部は、燃料電池本体内に設置された温度センサ、または電圧計とすることができる。
【００１９】
燃料電池本体は、固体電解質膜と、固体電解質膜を挟んで設けられた燃料極および酸化剤極とを含むことができる。また、固体電解質膜は、燃料極と酸化剤極とで挟持された構成とすることができる。固体電解質膜として、高分子固体電解質膜を用いることができる。燃料電池の燃料として、液体燃料を用いることができる。ここで、液体燃料は、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類等を用いることができる。液体燃料は、水溶液とすることができる。
【００２０】
本発明によれば、燃料電池本体の状態を示すパラメータを考慮して、そのパラメータを適正範囲内にするための複数の処理の中から適切な処理を選択することができる。
【００２１】
たとえば燃料電池本体の状態を示すパラメータが燃料電池本体の出力である場合、燃料電池本体の出力が低下する原因に応じて適切な対処を行うことができる。また、たとえば上記パラメータが燃料電池本体の温度および出力である場合、これらの双方を考慮して適切な対処を行うことができる。燃料電池本体の出力だけを考慮した場合、燃料電池本体の温度が低くても、燃料電池本体に供給する燃料の供給量を増加させれば、燃料電池本体の出力を適正範囲内とすることができる。しかし、このようにすると、燃料が無駄に消費される。温度および出力の双方を考慮することにより、燃料や酸化剤の供給量を低減しつつ、燃料電池本体の出力を適正範囲内とすることができる。
【００２２】
本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、パラメータの特性に応じて、複数の処理のいずれを優先的に行うかを判断する判断部を有することができ、判断部の判断結果に基づき処理を選択することができる。
【００２３】
本発明によれば、パラメータの特性に応じて複数の処理のいずれかが優先的に行われるので、燃料電池本体の状態に応じて適切な対処をすることができる。たとえば、パラメータが燃料電池本体の出力の場合、出力が低下する原因に応じて適切な対処をすることができる。判断部は、パラメータの特性に応じて、燃料の消費量をできるだけ少なくして良好な出力が得られるような処理を優先的に行うように判断することができる。
【００２４】
本発明の燃料電池システムにおいて、判断部は、燃料電池本体の温度が適正範囲内でない場合、温度を調整する処理を優先的に行うよう判断し、前記温度が適正範囲内である場合、または温度を調整する処理が所定回数行われた後に燃料電池本体の出力を調整する処理を行うよう判断することができる。
【００２５】
このようにすれば、燃料電池本体の温度が適正範囲内でないために燃料電池本体の出力が適正範囲内とならないような場合に、燃料電池本体の温度を調整する処理を優先して行うことができるので、燃料や酸化剤の供給量を低減しつつ、燃料電池本体の出力を制御することができる。
【００２６】
本発明の燃料電池システムは、パラメータの特性と複数の処理との関係を示す情報を記憶した記憶部をさらに含むことができ、判断部は、記憶部を参照して複数の処理のいずれを優先的に行うかを判断することができる。
【００２７】
記憶部は、たとえば、各温度において、各処理を行った場合の燃料の消費量と出力の増加見込みに関する情報を含む。このようにすれば、燃料の消費量を考慮しつつ燃料電池本体の出力を好適に制御することができる。これにより、燃料の消費量を低減することができる。
【００２８】
本発明の燃料電池システムにおいて、複数の処理は、燃料電池本体の温度を調整する処理および燃料電池本体の出力を調整する処理を含むことができる。
【００２９】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池本体に燃料または酸化剤を供給する供給部と、燃料電池本体の温度を調整する温度調整部と、をさらに含むことができ、複数の処理は、温度を調整するために温度調整部を制御する処理と、出力を調整するために燃料または酸化剤の供給量を調整する処理とを含むことができる。
【００３０】
温度調整部は、燃料または酸化剤の供給量を変化させることなく燃料電池本体の温度を調整することができる。温度調整部としては、たとえばヒータや後述する短絡回路等を用いることができる。本発明によれば、燃料または酸化剤の供給量を変化させる処理とは別の手法で燃料電池本体の温度を調整することができるので、燃料や酸化剤の供給量を低減しつつ、燃料電池本体の出力を制御することができる。
【００３１】
本発明の燃料電池システムにおいて、温度調整部は、燃料電池本体から当該燃料電池本体に接続された負荷への出入力端子間を短絡または開放する温度スイッチを含むことができ、制御部は、温度スイッチを切り替えることにより温度を調整する処理を行うことができる。
【００３２】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記温度調整部は、負荷と並列に燃料電池本体に接続して形成された短絡経路をさらに含むことができ、温度スイッチは、短絡経路と燃料電池本体との間を接続または切断することができる。
【００３３】
燃料電池本体に接続された負荷への出入力端子間を短絡させた場合、負荷には電流が流れない。出入力端子間を短絡すると、燃料電池本体には短絡電流が流れ、燃料電池本体で自己発熱がおこり、燃料電池本体が過熱されて燃料電池本体の温度が上昇する。このように、本発明によれば、温度スイッチを切り替えるだけで燃料電池本体の温度を調整することができるので、燃料や酸化剤の供給量を低減しつつ、燃料電池本体の出力値を制御することができる。
【００３４】
本発明の燃料電池は、燃料電池本体に燃料または酸化剤を供給する供給部をさらに含むことができ、複数の処理は、燃料電池本体の温度を適正範囲内にするための第一の制御方法で燃料または酸化剤の供給量を調整する処理と、燃料電池本体の出力を適正範囲内にするための第二の制御方法で供給量を調整する処理とを含むことができる。
【００３５】
たとえば、温度が適正範囲よりも低い場合、第一の制御方法として、燃料の濃度を増加することができる。これにより、燃料が酸化剤極に拡散するクロスオーバーが瞬間的に起こり、酸化剤極を燃焼させて温度を上げることができる。温度が適正範囲よりも高い場合、第一の制御方法として、酸化剤の供給量を増加することができる。これにより、酸化剤極が空冷されて温度を下げることができる。本発明によれば、パラメータの特性に応じて異なる制御方法で燃料または酸化剤の供給量が調整されるので、燃料電池本体の出力が低下する原因に応じて適切な対処をすることができる。これにより、燃料や酸化剤の供給量を好適に制御することができる。
【００３６】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料は複数の成分を含むことができ、供給部は複数の成分を個別に供給することができ、制御部は、複数の成分の混合率を制御して燃料の濃度を変化させることにより燃料の供給量を調整することができる。
【００３７】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池本体で生成した生成物を除去する除去部をさらに含むことができ、複数の処理は、除去部を駆動する処理を含むことができる。
【００３８】
ここで、生成物とは、燃料極で発生する二酸化炭素またはその中間生成物である一酸化炭素、または酸化剤極で発生する水である。本発明によれば、燃料電池本体で生成した生成物が好適に除去されるので、燃料や酸化剤の電極への供給が阻害されたり有効な触媒表面が減少することによる発電効率の低下を阻止することができ、燃料電池本体の出力値を安定に保つことができる。また、制御部は、燃料電池本体の出力の推移を考慮して、除去部を駆動することもできる。
【００３９】
本発明の燃料電池システムにおいて、除去部は、燃料電池本体に振動を与える加振手段とすることができる。
【００４０】
本発明の燃料電池システムにおいて、制御部は、燃料電池本体に供給する燃料または酸化剤の供給量が適正な範囲内であるか否かを判断し、当該供給量が適正な範囲内であると判断した場合であって、パラメータが適正範囲内でない場合に除去部を駆動する処理を選択することができる。
【００４１】
本発明の燃料電池システムは、警告を提示する警告提示部をさらに含むことができ、制御部は、除去部を駆動する処理を所定回数行った後にもパラメータが適正範囲内とならなかった場合に、警告提示部に警告を提示させることができる。
【００４２】
このようにすれば、燃料電池本体の劣化等が原因でパラメータが適正範囲内とならない場合に、警告が提示されるので、燃料や酸化剤を無駄に消費することなく燃料電池システムの故障を検知することができる。
【００４３】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料電池本体に液体燃料を供給することができる。
【００４４】
本発明の燃料電池システムにおいて、供給部は、燃料を気化する気化手段を有することができ、気化した燃料を燃料電池本体に供給することができる。
【００４５】
本発明の燃料電池システムにおいて、供給部は、燃料を霧化する霧化手段を有することができ、霧化した燃料を燃料電池本体に供給することができる。
【００４６】
本発明によれば、上述した燃料電池システムを搭載したことを特徴とする携帯型電気機器が提供される。
【００４７】
本発明によれば、燃料電池の状態を示すパラメータを検出するステップと、当該パラメータが適正範囲内にない場合に、パラメータの特性に応じて、当該パラメータを適正範囲内にするための複数の処理の中から、いずれかの処理を選択するステップと、選択された処理を制御するステップと、を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法が提供される。
【００４８】
本発明の燃料電池の運転方法において、パラメータは、少なくとも燃料電池本体の出力または温度のいずれか一方を含むことができる。
【００４９】
本発明の燃料電池の運転方法において、選択するステップは、パラメータの特性に応じて、複数の処理のいずれを優先的に行うかを判断するステップをさらに含むことができ、判断の結果に基づき、処理を選択することができる。
【００５０】
本発明の燃料電池の運転方法において、複数の処理は、燃料電池本体の温度を調整する処理および燃料電池本体の出力を調整する処理を含むことができる。
【００５１】
本発明の燃料電池の運転方法は、燃料電池に供給する燃料または酸化剤の供給量を調整するステップと、燃料電池の温度を調整するステップと、をさらに含むことができ、複数の処理は、温度を調整するために温度調整部を制御する処理と、出力を調整するために供給量を調整する処理とを含むことができる。
【００５２】
本発明の燃料電池の運転方法において、燃料電池の温度を調整するステップは、燃料電池に接続された負荷への出入力端子間を短絡または開放することにより温度を調整することができる。
【００５３】
本発明の燃料電池の運転方法は、燃料電池に供給する燃料または酸化剤の供給量を調整するステップをさらに含むことができ、複数の処理は、燃料電池の温度を適正範囲内にするための第一の制御方法で供給量を調整する処理と、燃料電池の出力を適正範囲内にするための第二の制御方法で供給量を調整する処理とを含むことができる。
【００５４】
本発明の燃料電池の運転方法において、燃料は複数の成分を含むことができ、供給量を調整するステップにおいて、複数の成分の混合率を制御して燃料の濃度を変化させることができる。
【００５５】
本発明の燃料電池の運転方法は、燃料電池内で生成した生成物を除去するステップをさらに含むことができ、複数の処理は、除去部を駆動する処理を含むことができる。
【００５６】
本発明の燃料電池の運転方法は、燃料電池本体に供給する燃料または酸化剤の供給量が適正な範囲内であるか否かを判断するステップをさらに含むことができ、選択するステップにおいて、供給量が適正な範囲内であると判断した場合であって、パラメータが適正範囲内でない場合に生成物を除去する処理が選択されてよい。
【００５７】
本発明の燃料電池の運転方法は、生成物を除去するステップを所定回数繰り返した後に、パラメータが適正範囲内とならなかった場合に、警告信号を発するステップをさらに含むことができる。
【００５８】
本発明によれば、燃料電池の運転を制御するためにコンピュータに、上述した燃料電池の運転方法を実行させるためのプログラムが提供される。
【００５９】
本発明によれば、上述したプログラムを格納した記録媒体が提供される。
【００６０】
なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、システム、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを格納した記録媒体等の間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【００６１】
【発明の実施の形態】
以下の実施の形態で説明する燃料電池システムの用途は特に限定されないが、たとえば携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等の小型電気機器に適切に用いられる。
【００６２】
以下の実施の形態において、燃料電池システムは、燃料電池本体の状態を示すパラメータとして燃料電池本体の温度および出力を用い、パラメータの特性に応じて、これらのパラメータを適正範囲内とするための複数の処理の中からいずれかの処理を選択してその処理を行う。
【００６３】
（第一の実施の形態）
図１は、本発明の第一の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。図１の燃料電池システム９９は、燃料電池本体１００と、制御部５６２と、システムパワースイッチ５６４と、酸化剤供給処理部５６６と、燃料供給処理部５６８と、燃料容器５７０と、温度センサ５７２と、負荷５７４と、出力値測定部５７６と、生成物除去処理部５７８と、残量検出部５８０と、アラーム部５８２と、条件記憶部５９０とを有する。なお、負荷５７４とは上述した電気機器における抵抗、システムパワースイッチ５６４とはこの電気機器の電源である。
【００６４】
燃料電池本体１００は、燃料極１０２および酸化剤極１０８を含む。燃料電池本体１００の詳細な構成については後述する。
【００６５】
酸化剤供給処理部５６６は、燃料電池本体１００の酸化剤極１０８に酸化剤１２６を供給する処理を行う。燃料供給処理部５６８は、燃料容器５７０に収容された燃料１２４を燃料電池本体１００の燃料極１０２に供給する処理を行う。生成物除去処理部５７８は、燃料電池本体１００の燃料極１０２および酸化剤極１０８でそれぞれ生成される二酸化炭素および／または水を除去する処理を行う。酸化剤供給処理部５６６、燃料供給処理部５６８、および生成物除去処理部５７８の詳細な構成については後述する。
【００６６】
温度センサ５７２は、燃料電池本体１００の温度を測定する。温度センサ５７２が測定した温度は、制御部５６２に伝達される。温度センサ５７２としては、熱電対、金属測温抵抗体、サーミスタ、ＩＣ温度センサ、磁気温度センサ、サーモパイル、または焦電型温度センサ等を用いることができる。温度センサ５７２は、燃料電池本体１００の構造に応じて種々の配置を取り得るが、たとえば燃料電池本体１００内の端部にある酸化剤極１０８表面に接着される。これにより、外部温度の影響を最も受ける可能性の高い燃料電池本体１００の端部の温度を反映することができ、良好な温度制御を行うことができる。
【００６７】
出力値測定部５７６は、燃料電池本体１００の出力値を測定する。出力値測定部５７６の詳細な構成についても後述する。出力値測定部５７６が検出した出力値は制御部５６２に伝達される。制御部５６２は、温度センサ５７２により測定された温度および出力値測定部５７６により測定された出力値が適正な範囲内であるか否かを判断し、これらの温度および出力値を適正な範囲内とする複数の処理の中からいずれかの処理を選択してその処理を行う。
【００６８】
条件記憶部５９０は、温度および出力値等のパラメータの特性とそれらのパラメータを適正にする処理との関係を示す情報を含む。条件記憶部５９０は、複数の処理の優先順位や処理手順を記憶することもできる。制御部５６２は、条件記憶部５９０を参照して上記のいずれかの処理を優先的に行うかを判断し、その判断結果に基づいていずれかの処理を選択する。
【００６９】
図１３は、条件記憶部５９０のデータ構造の一部を示す一例である。ここで、パラメータとして温度および出力値が例示され、その特性としては、温度および出力値の双方が適正範囲内、温度が適正範囲内で出力値が適正範囲内、温度が適正範囲内でなく出力値が適正範囲内、温度および出力値のいずれも適正範囲内でない等が挙げられる。また、温度および出力値を適正にするための処理としては、維持、燃料または酸化剤の供給量を調整する処理、燃料電池本体１００の温度を調整する処理、が例示される。
【００７０】
たとえば温度および出力値の双方が適正範囲内の場合、制御部５６２はそのままの状態を維持する。温度が適正範囲内で出力値が適正範囲内でない場合  制御部５６２は、燃料１２４または酸化剤１２６の供給量を調整する処理を行う。燃料電池本体１００からの出力値が適正範囲よりも高い場合、制御部５６２は、燃料供給処理部５６８または酸化剤供給処理部５６６が燃料電池本体１００に供給する酸化剤極１０８または燃料極１０２の量を減少する処理を行う。これにより、不必要な燃料１２４の消費を抑えることができ、燃料１２４を効率よく利用することができる。また、燃料電池本体１００からの出力値が適正範囲よりも低い場合、制御部５６２は、燃料供給処理部５６８または酸化剤供給処理部５６６が燃料電池本体１００に供給する酸化剤極１０８または燃料極１０２の量を増加する処理を行う。
【００７１】
また、温度が適正範囲内でない場合は、出力値が適正範囲内の場合も出力値が適正範囲内でない場合も、制御部５６２は、燃料電池本体１００の温度を調整する処理を行う。本実施の形態において、制御部５６２は、温度を調整する処理としても燃料１２４または酸化剤１２６の供給量を調整する処理を行う。この場合、制御部５６２は、出力値を適正にするために燃料１２４または酸化剤１２６の供給量を調整する処理とは異なる制御方法で燃料１２４または酸化剤１２６の供給量を調整する。燃料電池本体１００の温度が適正な温度範囲よりも低い場合、制御部５６２は、燃料供給処理部５６８が燃料電池本体１００に供給する燃料１２４の濃度を増加する処理を行う。これにより燃料１２４が拡散して酸化剤極１０８に到達するいわゆるクロスオーバーが瞬間的に起こり、酸化剤極１０８の温度を上昇することができる。また燃料電池本体１００の温度が適正な温度範囲よりも高い場合、制御部５６２は、酸化剤供給処理部５６６が燃料電池本体１００に供給する酸化剤の量を増加する処理を行う。これにより酸化剤極１０８が空冷されて酸化剤極１０８の温度を低下することができる。
【００７２】
さらに、図示していないが、制御部５６２は、燃料電池本体１００からの出力値が適正な出力値範囲よりも低い場合、生成物除去処理部５７８に燃料電池本体１００内で生成した二酸化炭素または水を除去させる処理を行うこともできる。これにより、燃料電池本体１００の発電効率を高めることができ、燃料電池本体１００からの出力値を高めることができる。
【００７３】
残量検出部５８０は、燃料容器５７０内の燃料１２４の残量を検出する。制御部５６２は、燃料容器５７０内の燃料１２４が所定量以下となると、アラーム部５８２に警告を発生させる。
【００７４】
図２は、燃料供給処理部５６８、酸化剤供給処理部５６６、および生成物除去処理部５７８の構成を詳細に示す図である。
図２（ａ）に示すように、燃料供給処理部５６８は、インバータ４６１と燃料供給部４６５を有する。燃料供給部４６５は、燃料容器５７０から燃料電池本体１００に燃料１２４を供給する。インバータ４６１は、燃料電池本体１００からの出力を直交変換し、また燃料供給部４６５から燃料電池本体１００に供給する燃料１２４の供給量を変化させる。燃料供給部４６５としては、圧電ポンプを用いることができる。燃料供給部４６５として圧電ポンプを用いた場合、制御部５６２は、インバータ４６１における振動数または電圧を変化させることにより燃料供給部４６５からの燃料１２４の供給量を制御する。
【００７５】
図２（ｂ）に示すように、酸化剤供給処理部５６６は、酸化剤供給部４５９およびインバータ４５５を有する。酸化剤供給部４５９は、燃料電池本体１００に酸化剤１２６（通常は外気）を供給する。酸化剤供給部４５９としては、圧電ポンプを用いることができる。酸化剤供給部４５９として圧電ポンプを用いた場合、制御部５６２は、インバータ４５５における振動数または電圧を変化させることにより酸化剤１２６の供給量を制御する。
【００７６】
燃料供給部４６５および酸化剤供給部４５９として圧電ポンプを用いることにより、従来の電磁ポンプ等を用いた場合に比べ、ポンプの小型軽量化が可能となり、また耐久性も向上する。また、ポンプの駆動に必要な電力が低減する。また、ポンプからの燃料１２４または酸化剤１２６の供給量を、インバータ４５５またはインバータ４６１における振動数または電圧を変化させることにより良好に制御することができる。インバータ４５５またはインバータ４６１の振動数を変化させた場合、単位時間あたりのポンプの吐出頻度が変化する。また、これらの電圧を変化させた場合、圧電素子の変位量の変化により、１回の吐出あたりの吐出量が変化する。したがって、いずれを変化させた場合においても、燃料１２４または酸化剤１２６の供給量を調節することができる。
【００７７】
圧電ポンプとして、たとえばバイモルフ型圧電ポンプが好ましく用いられる。バイモルフ型圧電ポンプとしては、たとえばバイモルポンプ（極光社製、登録商標）や、ＦＤＫ社製のバイモルフ型圧電素子等を用いることができる。バイモルフ型圧電ポンプの駆動電源は、燃料電池本体１００からの出力の一部をインバータ４６１またはインバータ４５５において直交変換することにより得られる。バイモルフ型とすることにより、ポンプからの吐出量を、通常のユニモルフ型等の圧電ポンプと比較して多くすることができるため、周波数による制御がより広い範囲で可能となる。また、燃料１２４または酸化剤１２６の供給量をより一層精密に制御することができる。また、バイモルフ型圧電ポンプを用いることにより、消費電力の低下や、ポンプからの発熱の抑制、ポンプからの電磁的なノイズの発生の抑制、等の利点が得られる。
【００７８】
図２（ｃ）に示すように、生成物除去処理部５７８は、除去部５８６およびインバータ５８８を有する。除去部５８６は、燃料電池本体１００内で生成した二酸化炭素や水を除去する。除去部５８６はたとえば燃料電池本体１００に振動を加える加振手段である。加振手段としては、たとえば圧電振動子が用いられる。除去部５８６として加振手段を用いた場合、燃料電池本体１００内の二酸化炭素や水を除去することができ、とくに、気体の二酸化炭素を効率よく除去することができる。
【００７９】
圧電振動子としては、たとえばバイモルフ型、モノモルフ型、ユニモルフ型等を用いることができる。中でもバイモルフ型圧電振動子が好ましい。消費電力が小さく、低電圧で大きな変位量が得られるためである。こうしたバイモルフ型圧電振動子としては、たとえばＴＦＴ株式会社製の圧電セラミックアクチュエータを使用することができる。
【００８０】
除去部５８６が圧電振動子である場合、図３に示すように、燃料電池本体１００の表面に直接固定することもできるが、必ずしも両者を隣接させる必要はない。たとえば、一枚の基板上に燃料電池本体１００および圧電振動子を離間して固定してもよい。圧電振動子の振動がこの基板を介して燃料電池本体１００に伝達されるため、上記の効果が得られるからである。
【００８１】
なお、上記では除去部５８６として圧電振動子を用いた形態について説明したが、除去部５８６はこれに限られない。除去部５８６としては、燃料電池本体１００に振動を加えるために振動モーターを採用することもできる。こうした振動モーターとしては、秋月電子製のＦＭ２３Ａ、ＣＭ５Ｍ、マブチモーター株式会社製のＦＦ−Ｈ３０ＷＡ、ＲＦ−Ｊ２０ＷＡ等が例示される。
【００８２】
インバータ４６１、インバータ４５５、およびインバータ５８８としては、たとえば松下電子部品株式会社製のＥＸＣＦシリーズ等を用いることができる。なお、これらのインバータ４６１、４５５、および５８８の機能は、一つのインバータにより実現することができる。こうすることにより、さらなる省電力化が可能である。
【００８３】
また、以上の構成において、燃料容器５７０と燃料電池本体１００とは、燃料供給部４６５を介して燃料１２４が循環可能な構成となっており、燃料１２４として液体燃料を用いた際に、燃料極１０２において発生する二酸化炭素等の気体が効率よく燃料極１０２から除去される。このため、燃料極１０２における触媒の利用効率が向上し、燃料電池本体１００の出力を向上させることができる。一方、酸化剤１２６の供給、排出についても、酸化剤供給部４５９を用いることにより、酸化剤供給部４５９を用いずに自然吸引とした場合に比べ、効率よい供給、排出が可能となる。酸化剤供給部４５９を用いることにより、酸化剤１２６の供給量が増加し、燃料電池本体１００の出力を向上させることができる。
【００８４】
また、燃料電池システム９９は、図４に示すように、燃料容器および燃料供給部をそれぞれ２つずつ含む構成とすることができる。この場合、図４（ａ）に示すように、燃料電池システム９９は、図１に示した燃料容器５７０にかえて、第１の燃料容器４０７および第２の燃料容器４０９を含む。燃料供給処理部５６８は、第１の燃料供給部４６５ａと、第２の燃料供給部４６５ｂと、インバータ４６１と、混合部４８５を含む。第１の燃料供給部４６５ａは、第１の燃料容器４０７から混合部４８５に第１燃料成分４８１を供給する。第２の燃料供給部４６５ｂは、第２の燃料容器４０９から混合部４８５に第二燃料成分４８３を供給する。第１の燃料供給部４６５ａおよび第２の燃料供給部４６５ｂから供給された第１の燃料成分４８１および第２の燃料成分４８３は、混合部４８５で混合されて燃料１２４として燃料電池本体１００に供給される。第１の燃料供給部４６５ａおよび第２の燃料供給部４６５ｂは、いずれもインバータ４６１に接続されており、制御部５６２によってそれぞれの供給量が制御される。ここで、第１の燃料成分４８１および第２の燃料成分４８３は、たとえば水およびメタノールとすることができる。混合部４８５は、たとえばスロットバルブまたは圧電バルブとすることができる。
【００８５】
また、図４（ｂ）に示すように、燃料電池システム９９は、濃度調整部５９２をさらに含むことができる。濃度調整部５９２は混合部４８５を調整して第１の燃料供給部４６５ａおよび第２の燃料供給部４６５ｂからそれぞれ供給される第１の燃料成分４８１および第２の燃料成分４８３の混合率を制御する。濃度調整部５９２は、インバータ４６１に接続されており、制御部５６２によって制御される。
【００８６】
このように、図４に示した構成の燃料供給処理部５６８においては、２つの燃料成分の供給量が個別に制御されるので、燃料１２４の濃度を適宜調整することができる。また、２つの燃料成分は、混合部４８５で混合されて燃料電池本体１００に供給されるので、２つの燃料成分を均一に混合して燃料電池本体１００に供給することができる。これにより、燃料電池本体１００の出力をさらに精度よく制御可能である。
【００８７】
なお、燃料供給処理部５６８は、３つ以上の燃料供給部を含むこともできる。この場合、燃料電池システム９９も３つ以上の燃料容器を含むことができる。さらに、酸化剤供給処理部５６６も、複数の酸化剤供給部を含むことができる。
【００８８】
図１の燃料電池システム９９を携帯型電子機器に搭載する場合、後述するように、機器に実装されたインバータを用いることができるため、機器全体をさらに小型軽量化することができる。
【００８９】
図５は、出力値測定部５７６の構成を詳細に示す図である。図５（ａ）に示すように、出力値測定部５７６は、負荷５７４の両端の電圧を測定する第１の電圧計４１７と、燃料電池本体１００と並列に設けられた抵抗４８８およびツェナーダイオード４７１と、ツェナーダイオード４７１の両端の電圧を測定する第２の電圧計４１９とを含む。ツェナーダイオード４７１を設けることにより、一定の参照電圧値が得られ、第２の電圧計４１９によりこれを測定することができる。制御部５６２は、第１の電圧計４１７により測定された電圧値および第２の電圧計４１９により測定された参照電圧値を変数とする量を算出する演算を行う。制御部５６２は、たとえばこれら電圧値の比や差を求める演算を行う。制御部５６２は、演算により算出された量と、予め設定された適正範囲との大小関係を比較することにより、出力値が適正範囲内であるか否かを判断する。
【００９０】
また、出力値測定部５７６は、図５（ｂ）に示す構成とすることもできる。ここでは、ツェナーダイオード４７１が燃料電池本体１００に直列に接続されている。第１の電圧計４１７および第２の電圧計４１９はそれぞれ負荷５７４およびツェナーダイオード４７１の両端の電圧を測定する。この構成においても、一定の参照電圧値が得られ、第２の電圧計４１９によりこれを測定することができる。
【００９１】
以上では、負荷５７４の両端の電圧値を参照電圧値で補正した値を用いて出力値を算出したが、このような補正を行うことなく、燃料電池本体１００からの出力値のみを検知して、この大きさが一定となるように制御することも可能である。また、図２においては、制御部５６２がインバータ４６１またはインバータ４５５を制御する構成が例示されているが、必ずしもインバータ４６１またはインバータ４５５を設ける構成とする必要はなく、制御部５６２は、燃料供給部４６５または酸化剤供給部４５９を直接制御する構成とすることもできる。
【００９２】
次に、本実施の形態における制御部５６２の制御方法を説明する。本実施の形態において、制御部５６２は、燃料電池本体１００の温度および出力値をモニタして燃料電池本体１００の出力値が適正範囲内となるように、調整を行う。燃料電池本体１００の出力値が適正範囲内とならない場合、種々の原因が考えられるが、上述したように、たとえば（ｉ）燃料１２４または酸化剤１２６の供給量が適正でない、（ｉｉ）燃料電池本体１００の温度が適正範囲内にない、（ｉｉｉ）燃料電池本体１００内に二酸化炭素またはその中間生成物である一酸化炭素や水等の生成物が滞留している、（ｉｖ）燃料電池本体１００の劣化等を例示することができる。この中で、たとえば（ｉｉｉ）または（ｉｖ）が原因の場合、燃料１２４または酸化剤１２６の供給量を増加しても、燃料電池本体１００の出力値を高めることはできない。
【００９３】
また、（ｉ）と（ｉｉ）が原因の場合の対処法は、燃料１２４や酸化剤１２６の供給量を調整するという点では同様であるが、その調整方法が異なる。たとえば、（ｉｉ）が原因の場合、燃料１２４中のメタノール等の有機液体燃料の濃度を増加させ、クロスオーバーを生じさせることにより酸化剤極１０８の温度を上昇することができる。また、酸化剤１２６の供給量を増加して酸化剤極１０８を空冷することにより酸化剤極１０８の温度を低下することができる。一方、（ｉ）が原因の場合は、燃料１２４中の有機液体成分の濃度を適度に保ちつつ燃料１２４や酸化剤１２６の供給量を増加させる必要がある。このように、原因に応じて適切な対処を行わないと、燃料１２４を無駄に消費することになってしまう。本実施の形態においては、たとえば以下に示す手順に従って、燃料電池本体１００の出力値が適正範囲内とならない原因に応じて適切な対処を行う。
【００９４】
図６は、制御部５６２の処理手順を示すフローチャートである。制御部５６２は、条件記憶部５９０に記憶された手順に従って制御を行う。
まず、システムパワースイッチ５６４がオンとなることにより、制御部５６２の処理が開始される。制御部５６２は、システム停止命令があったか否かを判断する（Ｓ１０）。システム停止命令があった場合（Ｓ１０のＹｅｓ）、制御部５６２は処理を終了する。
【００９５】
ステップ１０において、システム停止命令がない場合（Ｓ１０のＮｏ）、制御部５６２は、残量検出部５８０から受け付けた燃料１２４の燃料の残量が充分か否かを判断する（Ｓ１２）。燃料１２４の残量が充分でない場合（Ｓ１２のＮｏ）、制御部５６２は、アラーム部５８２に警告を発生させる（Ｓ１４）。これにより、制御部５６２は、このサイクルの処理を終了する。
【００９６】
ステップ１２において、燃料１２４の残量が充分な場合（Ｓ１２のＹｅｓ）、制御部５６２は、温度センサ５７２から燃料電池本体１００の測定温度を受け付け、その温度が適正範囲内であるか否かを判断する（Ｓ１６）。温度が適正範囲内でない場合（Ｓ１６のＮｏ）、温度が適正範囲内となるように調整処理を行う（Ｓ１８）。温度の調整処理については後述する。
【００９７】
ステップ１６において、温度が適正範囲内である場合（Ｓ１６のＹｅｓ）、制御部５６２は、出力値測定部５７６から燃料電池本体１００の出力値を受け付け、その出力値が適正範囲内にあるか否かを判断する（Ｓ２０）。出力値が適正範囲内でない場合（Ｓ２０のＮｏ）、制御部５６２は、燃料１２４または酸化剤１２６の供給量が適正か否かを判断する（Ｓ２２）。供給量が適正か否かの判断は、たとえばインバータ４６１およびインバータ４５５における振動数または電圧に基づき判断することができる。
【００９８】
供給量が適正でない場合（Ｓ２２のＮｏ）、制御部５６２は、燃料１２４または酸化剤１２６の供給量を調整する処理を行う（Ｓ２４）。たとえば、制御部５６２は、燃料１２４または酸化剤１２６の供給量が適正となるようにインバータ４６１またはインバータ４５５における振動数または電圧を調整する。燃料１２４の供給量が適正範囲よりも低い場合、制御部５６２は、インバータ４６１における振動数または電圧を増加させて、燃料容器５７０からの燃料１２４の供給量を増加させる。また、燃料供給処理部５６８が図４に示した構成を有する場合、制御部５６２は、インバータ４６１を制御して以下のような処理を行う。燃料１２４の供給量が適正範囲よりも低い場合、制御部５６２は、第２の燃料容器４０９からの供給量を増加させる。これにより、燃料１２４中の第２の燃料成分４８３の濃度を高くすることができる。燃料１２４の供給量が適正範囲よりも低い場合、制御部５６２は、第１の燃料容器４０７からの供給量を増加させる。これにより、燃料１２４中の第２の燃料成分４８３の濃度を低くすることができる。
【００９９】
ステップ２２において、供給量が適正な場合（Ｓ２２のＹｅｓ）、制御部５６２は、生成物除去処理部５７８に燃料電池本体１００内の生成物を除去する処理を行わせる（Ｓ２８）。ここで、ステップ２８に進む前に、その前のサイクルでステップ２８の生成物の除去処理が既に連続して所定回数ｉ行われているか否かを判断する（Ｓ２６）。ここでは所定回数ｉを２とする。ステップ２６において、ｉ＞２の場合（Ｓ２６のＹｅｓ）、制御部５６２は、燃料電池本体１００に何らかの故障が生じているとしてアラーム部５８２にエラー通知を行わせる（Ｓ３０）。これにより、制御部５６２は、このサイクルの処理を終了する。ステップ２６において、ｉ＞２でない場合（Ｓ２６のＮｏ）、制御部５６２は、生成物除去処理部５７８に生成物の除去処理を行わせる（Ｓ２８）。
【０１００】
ステップ１８における温度調整処理を行った後、ステップ２４の供給量の調整処理を行った後、ステップ２８の生成物の除去処理を行った後、およびステップ２０において出力値が適正範囲内であった場合（Ｓ２０のＹｅｓ）、ステップ１０に戻り、停止命令があるまでこのサイクルを繰り返す。
【０１０１】
以上のように、本実施の形態における燃料電池システム９９によれば、燃料電池本体１００の出力値が適正範囲内とならない原因に応じて種々の処理を適宜行うので、燃料電池本体１００本体の出力値を好適に制御することができる。これにより、燃料１２４の供給量を低減しつつ、燃料電池本体の出力値を適正範囲内に保つことができる。また、燃料電池本体１００の出力値が所定範囲内となるように制御を行うので、負荷変動に関わらず、電池出力を安定させることができる。
【０１０２】
次に、図１に示した燃料電池本体１００の構成を説明する。燃料電池本体１００は、単数または複数の単セル構造１０１を有する。図７は、単セル構造１０１を模式的に示した断面図である。各単セル構造１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４を含む。燃料電池本体１００において、単セル構造１０１の燃料極１０２には、燃料極側セパレータ１２０を介して燃料１２４が供給される。また、各単セル構造１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤極側セパレータ１２２を介して酸化剤１２６が供給される。
【０１０３】
固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。
【０１０４】
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２をそれぞれ基体１０４および基体１１０上に形成した構成とすることができる。基体１０４および基体１１０の表面は撥水処理してもよい。上述したように、燃料極１０２において、基体１０４における二酸化炭素の気泡の滞留は発電効率の低下の原因となる。この気泡滞留の原因は、気泡を覆う水分が基体１０４に付着して留まっているためである。そこで、基体１０４の表面に、親水性コート材あるいは疎水性コート材による表面処理を行うことが好ましい。親水性コート材により表面処理することで、基体１０４の表面における燃料の流動性が高められる。これにより二酸化炭素の気泡は燃料とともに移動しやすくなる。また、疎水性コート材により処理することにより、基体１０４の表面に、気泡の形成の原因となる水分の付着を軽減できる。したがって、基体１０４の表面上における気泡の形成を軽減できる。さらに、これらの表面処理による作用と燃料電池本体１００への加振処理との相乗作用により、燃料極１０２から二酸化炭素が一層効率的に除去されるため、高い発電効率が実現する。親水性コート材としては、たとえば酸化チタン、酸化ケイ素等が挙げられる。一方、疎水性コート材としては、ポリテトラフルオロエチレン、シラン等が例示される。
【０１０５】
以上のようにして構成された単セル構造１０１を積み重ねることにより、複数の単セル構造１０１が直列に接続された燃料電池セルスタックを含む燃料電池本体１００を得ることができる。
【０１０６】
このように構成された燃料電池本体１００において、各単セル構造１０１の燃料極１０２には、燃料１２４が供給される。また、各単セル構造１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤１２６が供給される。燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。また、燃料容器５７０への燃料１２４の供給は、たとえば注入により行うことができる。また、燃料の入ったカートリッジを用い、これを交換する構成とすることもできる。酸化剤１２６としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。
【０１０７】
図８は、本実施の形態における燃料電池システム９９を携帯型パーソナルコンピュータに搭載した模式図を示す。携帯型パーソナルコンピュータ４７３は、キーボード４７５側の底面に燃料容器５７０が設けられており、液晶ディスプレイ４７７側に燃料電池本体１００が実装されている。また、ヒンジ部に、燃料供給部４６５となる圧電ポンプが組み込まれている。
【０１０８】
携帯型パーソナルコンピュータ４７３はこのような構成であるため、燃料容器５７０と燃料電池本体１００との間をヒンジ部に設けられた燃料供給部４６５を介して燃料が図８中の矢印に示されるように循環する。また、燃料供給部４６５からの燃料の供給は、図６を参照して説明された手順で制御されるため、燃料１２４の消費量をできるだけ少なくしつつ、搭載された燃料電池システム９９が安定して高い出力を発揮することができる。
【０１０９】
さらに、携帯型パーソナルコンピュータ４７３においては、液晶ディスプレイ４７７用に実装されているインバータ（図示せず）を、圧電ポンプの電源として用いることができる。したがって、電源の併用により構成が簡素化し、携帯型パーソナルコンピュータ４７３の小型軽量化、小電力化が可能である。液晶ディスプレイ４７７用に実装されているインバータとして、たとえば液晶のバックライト用のインバータを併用することが可能となる。この場合、制御部５６２は、このインバータを制御する構成とすることができる。
【０１１０】
（第二の実施の形態）
図９は、本発明の第二の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す図である。本実施の形態における燃料電池システム９９は、燃料電池本体１００の温度を上昇させるために加熱手段５８４を含む点で第一の実施の形態における燃料電池システム９９と異なる。本実施の形態において、図１に示した第一の実施の形態における燃料電池システム９９に含まれるものと同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【０１１１】
第一の実施の形態においては、制御部５６２は、燃料電池本体１００の温度が適正範囲内でない場合に、酸化剤供給処理部５６６または燃料供給処理部５６８を制御して燃料１２４または酸化剤１２６の供給量を調整することにより燃料電池本体１００の温度を調整するとして説明した。しかし、本実施の形態において、制御部５６２は、燃料電池本体１００の温度が適正範囲内でない場合に、加熱手段５８４を制御して燃料電池本体１００の温度を調整する。本実施の形態において、加熱手段５８４としては、たとえば薄膜ヒータを用いることができる。このように、加熱手段５８４を設けることにより、燃料電池本体１００を加熱するために燃料１２４の供給量を増加させる必要がなく、燃料１２４の消費量を低減することができる。
【０１１２】
また、加熱手段５８４としては、図１０に示すような短絡経路５４５を用いることもできる。短絡経路５４５は、負荷５７４への出力端子５４０と負荷５７４からの入力端子５４２間に設けられる。負荷５７４への出力端子５４０は、燃料電池本体１００の酸化剤極１０８に接続される。燃料電池本体１００の燃料極１０２には負荷５７４からの入力端子５４２が接続される。短絡経路５４５上には温度スイッチ５３６が設けられる。制御部５６２は、温度センサ５７２により測定された燃料電池本体１００の温度が適正範囲よりも低い場合、温度スイッチ５３６をオンとして出力端子５４０と入力端子５４２とを接続する。これにより、燃料電池本体１００には短絡電流が流れ、燃料電池本体１００で自己発熱がおこり、燃料電池本体１００が過熱されて燃料電池本体１００の温度が上昇する。燃料電池本体１００の温度が上昇することにより、燃料電池本体１００の発電効率が高くなり、負荷５７４に充分な電力を供給することができる。このようにすれば、加熱手段５８４の消費電力を必要とせず、燃料電池本体１００の温度を適宜制御することができるため、効率よく電力を供給することのできる燃料電池システム９９を提供することができる。
【０１１３】
（第三の実施の形態）
本実施の形態においても、燃料電池システム９９は、第一の実施の形態において図１に示したのと同様の構造を有する。本実施の形態において、燃料１２４は霧化されて燃料電池本体１００へ供給される。以下、図２および図３をも参照して説明する。
【０１１４】
図１１は、本実施の形態における燃料電池本体１００の単セル構造１０１および燃料容器５７０の一例を示す図である。本実施の形態において、燃料電池本体１００は、燃料１２４が霧化された燃料ミスト３３７を燃料極１０２に供給することにより発電する。単セル構造１０１は筐体３３８に内包され、支持されている。
【０１１５】
筐体３３８と単セル構造１０１との間には、燃料用流路３１０および酸化剤用流路３１２が設けられている。筐体３３８の下方には燃料容器５７０が配され、そのさらに下方には霧化ユニット３３５が配されている。ここで、霧化ユニット３３５は、図２（ａ）に示した燃料供給部４６５の機能を果たす。霧化ユニット３３５はインバータ４６１に接続しており、制御部５６２によって霧化量が制御される。燃料容器５７０と燃料用流路３１０とは、筐体３３８の壁の一部に設けられた貫通口３４１を介して連結されている。燃料容器５７０の中には燃料１２４が貯蔵される。燃料１２４は後述するように燃料ミスト３３７として燃料用流路３１０へ送られる。一方、酸化剤用流路３１２には筐体３３８に設けられた吸気口３３９から酸化剤１２６が送られ、酸化剤１２６は同じく筐体３３８に設けられた排気口３４０より排出される。なお、燃料用流路３１０を構成する筐体３３８の壁の一部には貫通口またはスリットが設けられ、これを塞ぐように二酸化炭素を透過させるガス透過膜３３６が設けられている。
【０１１６】
霧化ユニット３３５は、たとえば超音波振動のような高周波数の振動を発する。この振動は、燃料容器５７０を介して燃料１２４に伝導する。この振動により、燃料１２４が霧化されて燃料ミスト３３７を生じる。燃料ミスト３３７は貫通口３４１を通って燃料用流路３１０に進入する。このとき、ガス透過膜３３６は、液体である燃料ミスト３３７を透過させない。そのため、燃料ミスト３３７は燃料用流路３１０に充満し、その一部は基体１０４の細孔を通過して燃料極側触媒層１０６に達する。
【０１１７】
霧化ユニット３３５としては、たとえば秋月電子社製のＵＳＨ−４００、株式会社テックジャム販売のＣ−ＨＭ−２４１２等の超音波振動型霧化ユニットが挙げられる。このような霧化ユニットは、燃料を応答性良く霧化することが可能である。また、ＦＤＫ株式会社製の霧化ディスクのような、圧電振動子を有する超音波振動型霧化ユニットを用いることもできる。こうした霧化ユニットは低消費電力であるため、負荷を大きくすることなく、二酸化炭素の気泡の滞留を防ぎ、安定した発電状態を維持することができる。
【０１１８】
ガス透過膜３３６は二酸化炭素を透過させる膜であればよいが、たとえば特開２００１−１０２０７０号公報において教示されている、二酸化炭素を選択的に透過させる膜、すなわち０．０５μｍ〜４μｍ程度の細孔を有する多孔質膜を用いてもよい。
【０１１９】
本実施の形態において、燃料１２４を霧化して供給するので、燃料極１０２において二酸化炭素の気泡が形成されにくい。その結果、二酸化炭素は、燃料極１０２に留まることなく基体１０４を通って燃料用流路３１０に移動する。これにより、燃料極１０２における反応が安定的に進行し、安定した出力が得られる。
【０１２０】
その後、二酸化炭素はガス透過膜３３６を通過して燃料電池本体１００の外部へ排出される。このとき、燃料ミスト３３７はガス透過膜を通過しないため、燃料を消費せずに排出することはない。また、余剰の燃料ミスト３３７は燃料用流路３１０の壁面等において液滴となるが、この液滴は一定の大きさ以上に成長すると、壁面を伝って落下し、燃料容器５７０に回収され、再利用される。
【０１２１】
霧化ユニット３３５の配設位置は、燃料容器５７０中の燃料１２４に振動が伝われば特に限定されない。図１１のように燃料容器５７０の底面に配設してもよいし、側面に配設してもよい。また、たとえば次のようにして燃料容器５７０と霧化ユニット３３５とを分離して配置することもできる。布あるいは紙の一端を燃料容器５７０に浸し、他端を霧化ユニット３３５に接触させる。このようにすることで、霧化機能を担保しつつ、燃料容器５７０と霧化ユニット３３５とを分離して配置することができる。
【０１２２】
なお、上記では霧化ユニット３３５により燃料ミスト３３７を発生させたが、その他の手段によることもできる。たとえば、ノズルを設けた燃料容器に燃料を入れ、この容器内を加圧することにより燃料を霧化することができる。
【０１２３】
また、上記では燃料１２４を燃料ミスト３３７として燃料極１０２に供給したが、これに限られない。たとえば燃料１２４を蒸気として供給してもよい。この場合、霧化ユニット３３５に代わり、ヒータ等により燃料１２４を加熱することにより実行できる。
【０１２４】
また、本実施の形態においても、燃料電池システム９９は、第一の実施の形態において図３に示したように、燃料容器および霧化ユニットをそれぞれ２つずつ有するように構成することができる。
【０１２５】
図１２は、本実施の形態における燃料電池システム９９を携帯型パーソナルコンピュータに実装した例を示す図である。図１２（ａ）は携帯型パーソナルコンピュータ３７０の斜視図であり、図中のＡ−Ａ’断面が図１２（ｂ）に示されている。ここでは、単セル構造１０１、燃料容器５７０、ガス透過膜３３６および霧化ユニット３３５が薄型の筐体３３８中に図示したように配置される。燃料電池システム９９は、携帯型パーソナルコンピュータ３７０のディスプレイ３７１の裏面に配設される。このような構成を採用することにより、パソコン本体に燃料電池を配置するためのスペースが不要となる。したがって、パソコンのサイズの小型化を阻害することなく本発明に係る燃料電池を実装することができる。
【０１２６】
このように、本実施の形態においては、燃料極１０２に燃料ミスト３３７が供給されるので、燃料極１０２で発生する二酸化炭素が燃料用流路３１０内に滞留することなく、ガス透過膜３３６を透過して外部に除去される。そのため、本実施の形態の燃料電池システム９９は、図１に示した生成物除去処理部５７８を含まない構成としても安定した出力を得ることができる。
【０１２７】
燃料１２４を霧化する手段としては、上述したもののほか、超音波式微粒化装置を用いることもできる。
【０１２８】
以上、本発明を実施の形態および実施例をもとに説明した。この実施の形態および実施例は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、そうした例を説明する。
【０１２９】
たとえば、第一の実施の形態において、燃料電池システム９９の制御方法を図６を参照して説明したが、燃料電池システム９９の制御方法はこれに限定されず、たとえばステップ１６の温度が適正範囲内か否かを判断する処理およびステップ２０の出力値が適正範囲内か否かを判断する処理は同時に行ってもよい。この場合、制御部５６２は、温度および出力値に応じて、ステップ１８の温度を調整する処理およびステップ２４の供給量を調整する処理のいずれを優先的に行うかを判断することができる。条件記憶部５９０は、温度毎に、ステップ１８およびステップ２４の処理を行った場合それぞれの燃料１２４の消費量と出力値の増加見込みに関する情報を記憶することができる。制御部５６２は、条件記憶部５９０を参照して、いずれの処理を優先的に行うかを判断することができる。これにより、燃料１２４の消費量を低減しつつ、燃料電池本体１００の出力値を制御することができる。
【０１３０】
また、たとえば、図１の燃料電池システム９９において、燃料容器５７０と燃料供給処理部５６８との間に燃料改質機が設けられた構成とすることにより、燃料改質機で改質された燃料１２４の燃料電池本体１００への供給について、制御部５６２によって制御することが可能となる。こうすることにより、外部改質方式の燃料電池システム９９においても、燃料電池本体１００からの出力を向上させ、安定させることができる。
【０１３１】
また、図２に示したように、燃料供給部４６５または酸化剤供給部４５９をバイモルフ型圧電ポンプとした場合、これらを制御する方法として、バイモルフ圧電素子の振幅方向の可動範囲を機械的に調整する制御部材を設け、これにより変化させる方法を用いることもできる。
【０１３２】
また、本発明の燃料電池システム９９を携帯電話機に搭載する場合、生成物除去処理部５７８は、携帯電話機においてユーザに着信等を伝えるための振動モーターの機能と兼用することができる。
【０１３３】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料の消費量をできるだけ少なくしつつ、効率よく電力を供給することのできる燃料電池システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
【図２】図１に示した燃料供給処理部、酸化剤供給処理部、および生成物除去処理部を詳細に示す図である。
【図３】燃料電池本体の表面に圧電振動子を固定した状態を示す図である。
【図４】燃料電池システムが、燃料容器および燃料供給部をそれぞれ２つずつ含む構成を示す図である。
【図５】出力値測定部の構成を例示した図である。
【図６】制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明に係る燃料電池システムに用いられる燃料電池本体の構成の一例を示す図である。
【図８】本発明に係る燃料電池システムを携帯型パーソナルコンピュータに搭載した模式図である。
【図９】本発明に係る燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
【図１０】図９に示した加熱手段として短絡経路を用いた例を示す図である。
【図１１】本発明に係る燃料電池システムの燃料電池本体の単セル構造および燃料容器の一例を示す図である。
【図１２】本発明に係る燃料電池システムを携帯型パーソナルコンピュータに実装した例を示す図である。
【図１３】条件記憶部のデータ構造の一部を示す図である。
【符号の説明】
９９  燃料電池システム
１００  燃料電池本体
１０１  単セル構造
１０２  燃料極
１０４  基体
１０６  燃料極側触媒層
１０８  酸化剤極
１１０  基体
１１２  酸化剤極側触媒層
１１４  固体電解質膜
１２０  燃料極側セパレータ
１２２  酸化剤極側セパレータ
１２４  燃料
１２６  酸化剤
３１０  燃料用流路
３１２  酸化剤用流路
３３５  霧化ユニット
３３６  ガス透過膜
３３７  燃料ミスト
３３８  筐体
３３９  吸気口
３４０  排気口
３４１  貫通口
３７０  携帯型パーソナルコンピュータ
３７１  ディスプレイ
４０７  第１の燃料容器
４０９  第２の燃料容器
４１７  第１の電圧計
４１９  第２の電圧計
４５５  インバータ
４５９  酸化剤供給部
４６１  インバータ
４６５  燃料供給部
４６５ａ  第１の燃料供給部
４６５ｂ  第２の燃料供給部
４７１  ツェナーダイオード
４７３  携帯型パーソナルコンピュータ
４７５  キーボード
４７７  液晶ディスプレイ
４８１  第１の燃料成分
４８３  第２の燃料成分
４８５  混合部
４８８  抵抗
５３６  温度スイッチ
５４０  出力端子
５４２  入力端子
５４５  短絡経路
５６２  制御部
５６４  システムパワースイッチ
５６６  酸化剤供給処理部
５６８  燃料供給処理部
５７０  燃料容器
５７２  温度センサ
５７４  負荷
５７６  出力値測定部
５７８  生成物除去処理部
５８０  残量検出部
５８２  アラーム部
５８４  加熱手段
５８６  除去部
５８８  インバータ
５９０  条件記憶部
５９２  濃度調整部
【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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