(57)【要約】【課題】簡便な装置構成で短時間に正確な電流電圧特性の判断を行って、水素パージを行うか否かを判定することが可能な燃料電池運転方法およびそれを用いた燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池ごとに定められた出力電流値と出力電圧値の関係である標準電流電圧特性と、燃料電池の出力電流とから閾値電圧を求め、燃料電池の出力電圧が閾値電圧よりも低下した場合に、燃料気体の流量を急増させてパージを行う。また、燃料気体のパージを行なった後に、閾値電圧を直近に行った燃料気体のパージ後の最大電圧よりも低い電圧に再設定し、水素パージ後に回復した発電効率を反映させて次回の水素パージを行う。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素と燃料気体とを反応させて発電を行う燃料電池の運転方法であって、
当該燃料電池ごとに定められた出力電流値と出力電圧値の関係である標準電流電圧特性と前記燃料電池の出力電流とから閾値電圧を求め、
前記燃料電池の出力電圧が前記閾値電圧よりも低下した場合に、前記燃料気体の流量を急増させてパージを行うことを特徴とする燃料電池運転方法。
【請求項２】
前記標準電流電圧特性は、前記燃料電池を稼動させる条件下での電流値範囲内で近似した一次関数形式で表されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池運転方法。
【請求項３】
前記閾値電圧は、前記標準電流電圧特性と前記出力電流とから求められる標準電圧よりも低い電圧であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池運転方法。
【請求項４】
前記閾値電圧は、前記燃料電池を構成する積層されたスタックセルの全層数に占める一層の比率を層比率とし、前記標準電圧と前記層比率に基づいて決定されることを特徴とする請求項３記載の燃料電池運転方法。
【請求項５】
前記燃料気体のパージを行なった後に、前記閾値電圧を再設定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池運転方法。
【請求項６】
前記閾値電圧を、直近に行った前記燃料気体のパージ後の最大電圧よりも低い電圧に再設定することを特徴とする請求項５記載の燃料電池運転方法。
【請求項７】
前記最大電圧は、前記燃料気体のパージを行った後に一定期間測定した前記燃料電池の出力電圧の最大値であることを特徴とする請求項６記載の燃料電池運転方法。
【請求項８】
前記閾値電圧は、前記燃料電池を構成する積層されたスタックセルの全層数に占める一層の比率を層比率とし、前記最大電圧と前記層比率とに基づいて決定されることを特徴とする請求項６記載の燃料電池運転方法。
【請求項９】
燃料が流れる燃料流路に接続されたパージ弁を開放することにより、前記燃料電池に流れる前記燃料気体の流量を急増させてパージを行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池運転方法。
【請求項１０】
酸素と燃料気体とを反応させて発電を行う燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池が発電によって供給する出力電圧および出力電流を測定する手順と、
当該燃料電池ごとに定められた出力電流値と出力電圧値の関係である標準電流電圧特性と前記出力電流から標準電圧を算出する手順と、
前記標準電圧および前記出力電圧から評価値を算出する手順と、
前記評価値が予め設定された閾値よりも小さい場合には前記燃料気体の流量を急増させてパージを行う手順とを有することを特徴とする燃料電池運転方法。
【請求項１１】
前記標準電流電圧特性は、前記燃料電池を稼動させる条件下での電流値範囲内で近似した一次関数形式で表されることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池運転方法。
【請求項１２】
前記評価値は、前記標準電圧に対する前記出力電圧の比率であり、
（評価値）＝（出力電圧）÷（標準電圧）
で求められることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池運転方法。
【請求項１３】
前記閾値は、前記燃料電池を構成する積層されたスタックセルの全層数に占める一層の比率である層比率から算出され、
（閾値）≧１−（層比率）
であることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池運転方法。
【請求項１４】
前記燃料気体のパージを行なった後に、前記閾値を再設定する手順を有することを特徴とする請求項１０記載の燃料電池運転方法。
【請求項１５】
前記閾値を、直近に行った前記燃料気体のパージ後の最大電圧と前記標準電圧との比率に基づいて再設定し、
（閾値）＝（最大電圧）÷（標準電圧）×（係数）
であることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池運転方法。
【請求項１６】
前記最大電圧は、前記燃料気体のパージを行った後に一定期間測定した前記燃料電池の出力電圧の最大値であることを特徴とする請求項１５記載の燃料電池運転方法。
【請求項１７】
前記閾値を、直近に行った前記燃料気体のパージ後に一定期間測定した出力電圧と標準電圧との比率の最大値である最大評価値に基づいて再設定し、
（閾値）＝（最大評価値）×（係数）
であることを特徴とする請求項１４記載の燃料電池運転方法。
【請求項１８】
燃料が流れる燃料流路に接続されたパージ弁を開放することにより、前記燃料電池に流れる前記燃料気体の流量を急増させてパージを行うことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池運転方法。
【請求項１９】
酸素と燃料気体とを反応させて発電を行う燃料電池であって、
前記燃料電池から排出される燃料ガスの流量を調節するパージ弁と、
前記燃料電池が供給する出力電圧および出力電流を測定する測定手段と、
前記測定手段が測定した前記出力電圧と前記出力電流に基づいて前記パージ弁の駆動を制御する制御部とを有し、
当該燃料電池ごとに定められた出力電流値と出力電圧値の関係である標準電流電圧特性と前記出力電流から標準電圧を算出し、
前記標準電圧と前記出力電圧の比率である評価値が、予め設定された閾値よりも小さい場合に、前記制御部が前記パージ弁から排出される燃料気体を急増させることを特徴とする燃料電池。
【請求項２０】
前記標準電流電圧特性は、前記燃料電池を稼動させる条件下での電流値範囲内で近似した一次関数形式で表されることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池。
【請求項２１】
前記閾値は、前記燃料電池を構成する積層されたスタックセルの全層数に占める一層の比率である層比率から算出されることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池。
【請求項２２】
前記燃料気体のパージを行なった後に、前記閾値を再設定することを特徴とする請求項１９記載の燃料電池。
【請求項２３】
前記閾値を、前記標準電圧と前記出力電圧の比率である評価値よりも小さい値に再設定することを特徴とする請求項２２記載の燃料電池。
【請求項２４】
前記閾値を、直近に行った前記燃料気体のパージ後に一定期間測定した標準電圧と出力電圧の比率である前記評価値の最大値よりも小さい値に再設定することを特徴とする請求項２２記載の燃料電池。
【請求項２５】
前記閾値は、前記燃料電池を構成する積層されたスタックセルの全層数に占める一層の比率である層比率から算出されることを特徴とする請求項２４記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池運転方法およびそれを用いた燃料電池に関し、特に燃料ガスの流量を瞬間的に増大させてパージを行う燃料電池運転方法およびそれを用いた燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、例えば水素ガス（燃料ガス）と空気に含まれる酸素（酸化剤ガス）を電気化学的に反応させることにより発電を行う発電素子である。燃料電池は、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電素子として近年注目されており、例えば自動車を駆動するための駆動電源として使用する試みが行われている。
【０００３】
さらに、上述の自動車駆動用の駆動電源に止まらず、例えばノート型パソコン、携帯電話及びＰＤＡなどの携帯型電子機器の駆動電源としての燃料電池の開発も活発に行われている。このような燃料電池においては、所要の電力を安定して出力できるとともに、携帯可能なサイズ及び重量とされることが重要となり、このような要求に対応するべく各種技術開発が盛んに行われている。
【０００４】
燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質に固体高分子電解質を用いた燃料電池が知られている。固体高分子電解質型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、例えば上記の用途に有望である。また、複数の発電セルとセパレータを交互に積層することにより構成するスタックセル型の燃料電池も提案されている。
【０００５】
長時間にわたって燃料電池により発電を行うと、水素と酸素の反応によって生じた生成水が燃料極へ逆拡散して発電面積が減少し、発電には不要なガスが燃料極に滞留して水素分圧が低下して、燃料電池の発電による出力電圧が次第に低下してくる。燃料電池は電子機器への電流供給源であるので、出力電圧が低下して電子機器の許容電圧範囲以下となることは好ましくない。そこで一般的には、燃料極に供給される水素の流量を急増させて水素パージを行い、燃料極に滞留している水分や発電に不要なガスをスタックセルの外部に放出して、発電面積の回復と水素分圧の上昇を図り出力電圧を安定させる手法が用いられる。
【０００６】
燃料電池の水素パージを行う時期を判断する方法としては幾つかの技術が公開されている。その一つとして、燃料電池を構成するスタックセルの全てのセルに関して電圧を検出し、そのうちセルの一層でも所定電圧以下になった場合に水素パージを行う方法がある（例えば特許文献１参照）。また、ある一定時間が経過する毎に強制的に水素パージを行うことや、定期的な水素パージとセル毎の電圧測定による水素パージを併用する方法がある。また、その他にも燃料電池が出力する電圧および電流をある一定時間または一定のサンプリング数検出し、その測定値から内部抵抗を演算して予め求めておいた標準値と比較し、燃料電池の電解質の状態を推定して必要に応じ水素パージを行う方法などが提案されている（例えば特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−９３４３８号公報
【特許文献２】特開２００２−１６４０６５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上述した特許文献１に記載されている技術では、スタックセルを構成する全ての層のセル電圧を検出する為に、セルの層数と同数の出力電圧の測定を行うための回路系を必要とし、燃料電池を小型化することが困難になる。また、燃料電池に接続された負荷である電子機器側の電流は、電子機器の駆動状態により消費される電流が広範囲に変化するため、所定電圧との単純比較により水素パージを制御するためには所定電圧を低めに設定する必要があり、負荷に対して大電流を供給しようとした時に対応出来ない場合があった。
【０００９】
また上述した特許文献２に記載されている技術では、燃料電池が出力する電流と電圧を測定して正確な内部抵抗を求めるためには、燃料電池に接続された負荷である電子機器側の電流が十分に広範囲に分散した状態で電流電圧特性の近似を行う必要がある。しかし、電子機器の駆動状態に変化が無い場合には電流値がほぼ一定値となるために、短時間の測定では正確な内部抵抗の測定および水素パージの可否判断を行うことが困難であった。また、内部抵抗を正確に測定しようとして長時間の測定を行って電流範囲を分散させる場合には、測定期間内に内部抵抗が変化する可能性もあり、短時間に正確な内部抵抗の測定を行うことが困難であった。したがって、短時間の測定においても長時間の測定においても結果として正確な内部抵抗を求めることが困難であり、有効な水素パージを実行できずに燃料電池の発電特性が急激に悪化してしまう場合があった。
【００１０】
したがって本発明は、簡便な装置構成で短時間に正確な電流電圧特性の判断を行って、水素パージを行うか否かを判定することが可能な燃料電池運転方法およびそれを用いた燃料電池を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の燃料電池運転方法は、酸素と燃料気体とを反応させて発電を行う燃料電池の運転方法であって、当該燃料電池ごとに定められた出力電流値と出力電圧値の関係である標準電流電圧特性と前記燃料電池の出力電流とから閾値電圧を求め、前記燃料電池の出力電圧が前記閾値電圧よりも低下した場合に、前記燃料気体の流量を急増させてパージを行うことを特徴とする。
【００１２】
燃料電池の出力電圧が、燃料電池ごとに定められた標準電流電圧特性と出力電流から求められる閾値電圧よりも低い場合に水素パージを行うことで、出力電流と出力電圧を測定して即座に水素パージの必要性を判断することができる。水素パージの必要性を素早く行うことで、発電効率が急激に低下した場合にも適宜水素パージを行って発電効率の回復を図ることができ、負荷側の電子機器に安定して電流を供給することが可能となる。
【００１３】
また、標準電流電圧特性は、燃料電池を稼動させる条件下での電流値範囲内で近似した一次関数形式で表される。標準電流電圧特性を簡単な数式で表現することで、水素パージの必要性を判断するための情報処理速度に対する要求を低下させることができ、安価な演算回路を用いることが可能となる。
【００１４】
また閾値電圧は、標準電流電圧特性と出力電流とから求められる標準電圧よりも低い電圧であり、燃料電池を構成する積層されたスタックセルの全層数に占める一層の比率を層比率とし、標準電圧と層比率に基づいて決定される。スタック構造の一層が寄与している電圧相当の発電効率低下がおこる前に水素パージを行うことができるため、燃料ガス流路に水分が滞留して一層に燃料が供給不可能となった場合などには、確実に水素パージを行うことができ、発電効率の回復を迅速に試みることが可能となる。
【００１５】
また、燃料気体のパージを行なった後に、閾値電圧を直近に行った燃料気体のパージ後の最大電圧よりも低い電圧に再設定する。この最大電圧は、燃料気体のパージを行った後に一定期間測定した燃料電池の出力電圧の最大値とする。もしくは閾値を、直近に行った燃料気体のパージ後に一定期間測定した出力電圧と標準電圧との比率の最大値である最大評価値づいて再設定する。閾値電圧もしくは閾値を再設定することで、水素パージ後に回復した発電効率を反映させて次回の水素パージを行うことができる。これにより水素パージの効果にばらつきがあるときにも効率的に水素パージの必要性を判断することができる。
【００１６】
また、上記課題を解決するために本発明の燃料電池運転方法は、酸素と燃料気体とを反応させて発電を行う燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池が発電によって供給する出力電圧および出力電流を測定する手順と、当該燃料電池ごとに定められた出力電流値と出力電圧値の関係である標準電流電圧特性と前記出力電流から標準電圧を算出する手順と、前記標準電圧および前記出力電圧から評価値を算出する手順と、前記評価値が予め設定された閾値よりも小さい場合には前記燃料気体の流量を急増させてパージを行う手順とを有することを特徴とする。
【００１７】
また、上記課題を解決するために本発明の燃料電池は、酸素と燃料気体とを反応させて発電を行う燃料電池であって、前記燃料電池から排出される燃料ガスの流量を調節するパージ弁と、前記燃料電池が供給する出力電圧および出力電流を測定する測定手段と、前記測定手段が測定した前記出力電圧と前記出力電流に基づいて前記パージ弁の駆動を制御する制御部とを有し、当該燃料電池ごとに定められた出力電流値と出力電圧値の関係である標準電流電圧特性と前記出力電流から標準電圧を算出し、前記標準電圧と前記出力電圧の比率である評価値が、予め設定された閾値よりも小さい場合に、前記制御部が前記パージ弁から排出される燃料気体を急増させることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
［第一の実施の形態］
【００１９】
以下、本発明を適用した燃料電池運転方法および燃料電池について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００２０】
図１に本発明の実施の形態として、本発明の燃料電池運転方法を用いて発電を行う燃料電池モジュールの構成例を示す。図１に示すように、燃料電池モジュール２０は、筐体３０と、当該燃料電池モジュール２０を動作させるのに必要な各種回路が形成された制御基板４０と、発電を行う単位素子が積層されてスタック構造をとる発電部５０と、この発電部５０を冷却するための冷却ファン６１と、発電部５０に対して空気を供給する空気供給部に相当する２つの空気供給ファン６２，６３と、燃料ガス流路５に滞留した水を排出するための水素パージバルブ６４と、水素ガスの圧力制御を行うレギュレータ６５と、水素ガスを発電部５０に供給するための手動バルブ６６とを備える。
【００２１】
さらには、図示しないが、必要に応じて、外部から取りこまれる空気や当該燃料電池モジュール２０の内部から排出される空気の温度・湿度・圧力等を検知するセンサや、発電部５０自体の温度を検知するセンサ等を備える。また、この燃料電池モジュール２０には、水素ガスを吸蔵させた水素吸蔵カートリッジ７０が取り付けられる。燃料電池モジュール２０は、この水素吸蔵カートリッジ７０から供給される水素ガスを受け取り、発電を行う。すなわち、この水素吸蔵カートリッジ７０は、水素ガスを供給する水素供給部に相当するものである。
【００２２】
筐体３０は、図１及び図２に示すように、略直方体状の外形を呈し、燃料電池モジュール２０に搭載される各種部材を覆うように、内部が空洞とされるとともに、底面が開放されて構成される。また、筐体３０は、その上面における一の側面側が、かかる一の側面に向かった傾斜面とされる。また、筐体３０には、３つの排気口３１，３２，３３と、２つの吸気口３４，３５とが形成される。
【００２３】
排気口３１，３２，３３は、図２（ａ）に示すように、筐体３０の一の側面において互いに隣接するように形成される。これら排気口３１，３２，３３からは、それぞれ、発電部５０を冷却するために燃料電池モジュール２０の内部に送風された空気と発電部５０による発電反応後の空気とが排出される。
【００２４】
具体的には、排気口３１は、筐体３０の一の側面にスリット状の開口部として形成され、かかる一の側面の上下方向に複数の開口部が配列形成されるとともに、かかる一の側面の上下方向において開口部の長手方向の長さが次第に短くなるように形成され、全体形状が略々円形を呈するようにされている。この排気口３１は、後述する放熱フィンを介して放熱するための空気が、燃料電池モジュール２０から排出されるための空気の出口として設けられる。
【００２５】
また、排気口３２，３３は、それぞれ、排気口３１と同様に、筐体３０の一の側面にスリット状の開口部として形成され、かかる一の側面の上下方向に複数の開口部が配列形成されるとともに、かかる一の側面の上下方向において開口部の長手方向の長さが次第に短くなるように形成され、全体形状が略々円形を呈するようにされている。これら排気口３２，３３は、それぞれ、発電部５０による発電を行う際に、この発電部５０に供給された空気が排出されるための出口として設けられる。
【００２６】
一方、吸気口３４，３５は、図２（ｂ）に示すように、筐体３０における排気口３１，３２，３３が形成された一の側面と対面する他の側面において互いに隣接するように形成される。これら吸気口３４，３５からは、それぞれ、発電部５０を冷却するための空気と発電部５０による発電反応に供される酸素を含む空気とが、燃料電池モジュール２０の内部に取り込まれる。具体的には、吸気口３４は、筐体３０の側面に略矩形状に開口するように形成され、複数の開口が当該側面の上下方向に配列形成される。この吸気口３４は、後述する放熱フィンを介して放熱するための空気が、燃料電池モジュール２０に取り込まれるための空気の取り込み口として設けられる。また、吸気口３５は、吸気口３４と同様に、筐体３０の他の側面に略矩形状に開口し、かかる一の側面の上下方向に複数形成される。この吸気口３５は、発電部５０による発電を行う際に、この発電部５０に供給される空気が取り込まれるための取り込み口として設けられる。
【００２７】
さらに、筐体３０には、図１、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示すように、一の端面に、燃料電池モジュール２０と外部との間で各種信号を送受信するための配線を当該燃料電池モジュール２０の内部に挿入するための接続孔３６が形成されるとともに、他の端面に、所要の接続孔３８が形成される。
【００２８】
制御基板４０には、燃料電池モジュール２０を構成する各種部材を制御するための制御回路を含む各種回路が形成される。制御基板４０は、発電部５０の上側に設けられる。なお、この制御基板４０に形成される制御回路の詳細については、特に図示しないが、例えば、冷却ファン６１及び空気供給ファン６２，６３の駆動を制御する制御回路、水素パージバルブ６４、レギュレータ６５及び手動バルブ６６の開閉動作を制御する制御回路、発電部５０から出力される電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｔｏ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）コンバータといった電圧変換回路、発電部５０の出力電圧および出力電流を測定する電流電圧検出装置、後述するセンサによって検知された温度や湿度等の各種環境条件を取得することによって各種部材の駆動に関する指示を与える制御回路等が実装される。なお、ここでは、この制御基板４０が、燃料電池モジュール２０の内部に設けられるものとして説明するが、この制御基板４０は、燃料電池モジュール２０の外部に設けてもよく、例えば、燃料電池モジュール２０から駆動用の電力が提供される各種電子機器が備えるようにしてもよい。
【００２９】
発電部５０は、図１及び図３に示すように、略直方体状の外形を呈し、冷却ファン６１及び空気供給ファン６２，６３に臨む側面５６に対向する側面の一部が上下方向に沿って矩形状に切り欠かれた形状とされる。具体的には、発電部５０は、図３に示すように、例えば９枚のセパレータ４の間にそれぞれ発電体としての接合体５１が挟み込まれて構成され、これにより、発電を行う単位素子が８個直列に接続されたスタック構造を有する。なお、発電部５０を形成する単位素子は、必ずしも８個である必要はなく、各種電子機器を駆動するために必要な出力電力に合わせて所要の数だけ設置すればよい。
【００３０】
単位素子は、図４に示すように、２つのセパレータ４と、これら２つのセパレータ４の間に挟持される接合体５１とから構成される。なお、同図においては、直列に接続される２つの単位素子を示している。
【００３１】
セパレータ４には、燃料ガス流路５及び空気流路１０が形成された面外に放熱フィン５２が突設される。セパレータ４においては、後述するように、冷却ファン６１の作用により、この放熱フィン５２を介して放熱が行われる。また、セパレータ４には、裏面側に複数の空気流路１０が設けられる。セパレータ４においては、後述するように、空気供給ファン６２，６３の作用によってこの空気流路１０に空気が供給されることにより、発電部５０の内部における空気の流動が実現される。
【００３２】
接合体５１は、吸湿した際にイオン伝導性を有する固体高分子電解質膜５３と、この固体高分子電解質膜５３を両面から挟み込む電極５４とによって形成される。固体高分子電解質膜５３としては、例えばスルホン酸系の固体高分子電解質膜を用いることができる。また、電極５４としては、発電反応を促進するための触媒が担持された電極を用いることができる。
【００３３】
また、接合体５１の周縁付近には、発電部５０としてスタック構造を形成した際に、セパレータ４と接合体５１との間を封止する封止部材５５が配置される。この封止部材５５は、セパレータ４の周縁部と接合体５１の周縁部とを十分に絶縁することができる材質から構成される。また、封止部材５５としては、発電部５０の放熱性を高めるために高い熱伝導性を有する材質を用いることが好ましく、例えば商品名コサーム（太陽金網社製）といった十分な熱伝導性及び電気的絶縁性を有する材質が好適である。
【００３４】
各セパレータ４には、水素ガスの入口となる燃料供給孔６及び燃料極で水素が消費された後の燃料排ガスの出口となる燃料排出孔７がセパレータ４を厚さ方向に貫通する形で形成されており、上記燃料ガス流路５の一方の端部は燃料引き込み口８を介して燃料供給孔６と接続され、他方の端部は燃料吐き出し口９を介して燃料排出孔７と接続されている。上記燃料供給孔６と燃料排出孔７は、複数のセパレータ４を重ね合わせたときに互いに連通し、それぞれ燃料供給路、燃料排出路を構成する。
【００３５】
発電部５０は、このような単位素子が複数直列に接続されることによってスタック構造とされる。したがって、発電部５０の一の側面５６には、図３に示したように、各セパレータ４に形成された複数の空気流路１０における排出口が臨み、反対側の側面には、図示しないが、複数の排出口のそれぞれに対応するように、複数の空気流路１０における上述した供給口が臨むように、当該発電部５０が構成される。
【００３６】
そして、発電部５０には、図１に示したように、側面５６に沿って、冷却ファン６１及び空気供給ファン６２，６３が互いに隣接するように設けられる。また、発電部５０には、端面に沿って、水素パージバルブ６４、レギュレータ６５及び手動バルブ６６が互いに隣接するように設けられる。
【００３７】
冷却ファン６１は、筐体３０に形成された排気口３１と発電部５０における放熱フィン５２との間に側面５６に沿って設けられ、発電部５０を冷却する。具体的には、冷却ファン６１は、図５に示すように、筐体３０に形成された吸気口３４から取り込まれた空気を排気口３１まで送風し、発電部５０の外部に排出する。このように、燃料電池モジュール２０においては、放熱フィン５２を通過するように冷却ファン６１によって空気を流動させることにより、放熱フィン５２を介して発電部５０の放熱を行うことができる。
【００３８】
なお、冷却ファン６１を設ける位置としては、放熱フィン５２の近傍に限ることはなく、発電部５０の冷却を目的として燃料電池モジュール２０の内部全体に空気を流動させるような位置に設けるようにしてもよい。また、燃料電池モジュール２０においては、冷却ファン６１を逆回転させることにより、空気を逆向きに送風するようにしてもよい。
【００３９】
空気供給ファン６２，６３は、それぞれ、筐体３０に形成された排気口３２，３３と発電部５０における空気流路１０の排出口に臨む領域との間に側面５６に沿って設けられ、発電部５０に対して空気を供給する。具体的には、空気供給ファン６２，６３は、それぞれ、図５に示すように、筐体３０に形成された吸気口３５から取り込まれた空気を発電部５０を介して排気口３２，３３まで流動させ、燃料電池モジュール２０の外部に排出する。
【００４０】
このように、燃料電池モジュール２０においては、発電部５０を通過するように空気供給ファン６２，６３のそれぞれによって空気を送り込むことにより、発電部５０を構成するセパレータ４に形成された空気流路１０に空気を供給することができる。
【００４１】
なお、燃料電池モジュール２０においては、冷却ファン６１と同様に、空気供給ファン６２，６３のそれぞれを逆回転させることにより、空気を逆向きに流動させるようにしてもよい。また、これら空気供給ファン６２，６３のそれぞれによって形成される空気の流れは、冷却ファン６１によって形成される空気の流れとは独立させることができる。したがって、燃料電池モジュール２０においては、冷却ファン６１と空気供給ファン６２，６３とを独立して駆動することにより、発電部５０の冷却と発電部５０に対する空気の供給及び排出とを独立して行うことが可能となる。特に、燃料電池モジュール２０においては、発電部５０の温度や発電部５０に残留する水分量を測定し、これに応じて、空気供給ファン６２，６３と冷却ファン６１とを独立して駆動することにより、例えばドライアップのような発電の際の不具合を生じさせることなく安定した発電を行うことが可能となる。
【００４２】
水素パージバルブ６４は、セパレータ４に形成された燃料ガス流路５を大気開放することによって水素濃度が低下したり不純物濃度が上昇した燃料排ガスを排出し、さらには燃料ガス流路５内に滞留した水を排出する。すなわち、燃料電池モジュール２０においては、水素パージバルブ６４を開くことによって燃料ガス流路５が大気開放されると、燃料ガス流路５に滞留した水に対する供給マニホールド側の水素ガスの圧力と大気開放された排出側の圧力との間に圧力差が生じ、かかる圧力差によって燃料ガス流路５に滞留した水が排出される。
【００４３】
なお、燃料電池モジュール２０においては、水素パージバルブ６４として、例えば電磁力を用いた駆動方式によって駆動するものを用いてもよく、当該水素パージバルブ６４を駆動させるための電力を発電部５０から供給するようにしてもよい。
【００４４】
レギュレータ６５は、水素吸蔵カートリッジ７０から供給される水素ガスの圧力制御を行うものであり、水素ガスの圧力を所定の圧力になるように調整し、発電部５０に供給する。例えば、レギュレータ６５は、水素吸蔵カートリッジ７０から供給される水素ガスの圧力が例えば０．８ＭＰａ〜１．０ＭＰａ程度である場合には、この水素ガスの圧力を例えば０．０５ＭＰａ〜０．１０ＭＰａ程度の圧力に減圧し、発電部５０に供給する。
【００４５】
手動バルブ６６は、水素ガスを発電部５０に供給するために設けられるものであり、発電部５０によって発電を行う際に、水素吸蔵カートリッジ７０から発電部５０に水素ガスを供給するための流路を開放する。
【００４６】
このような各部を備える燃料電池モジュール２０においては、冷却ファン６１、空気供給ファン６２，６３、水素パージバルブ６４、レギュレータ６５及び手動バルブ６６を配置するための領域を発電部５０の周囲に確保することにより、当該燃料電池モジュール２０を駆動するための各種部材をコンパクトに筐体３０の内部に収納することが可能となり、これにより、当該燃料電池モジュール２０の大幅な小型化を実現することが可能となる。
【００４７】
したがって、以上の構成を有する燃料電池モジュール２０は、例えば、ノート型のパーソナルコンピュータ、携帯電話機又は携帯情報端末機（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ；ＰＤＡ）といった携帯型の各種電子機器をはじめとする任意の電子機器を駆動するための電力を供給する電源として極めて好適に用いることができる。
【００４８】
次に本発明の燃料電池運転方法について図面を参照して説明する。図６は本発明の燃料電池運転方法により発電を行う燃料電池のブロック図である。発電部５０の発電による電力であるセル出力は、制御基板４０に設けられたＤＣ／ＤＣコンバーター４１を介して電子機器である負荷に供給される。また、制御基板４０は電圧電流検出手段４２を備えて、発電部５０が供給する出力電圧値および出力電流値を測定する。さらに、発電部５０の燃料ガス排出側には水素パージバルブ６４を設けてあり、制御基板４０に搭載されている制御部４３が電圧電流検出手段４２の測定値に基づいて情報処理を行い、制御部４３が水素パージバルブ６４の開閉動作の制御を行う。
【００４９】
次に水素パージを行うか否か制御部４３が判断する処理について説明をする。材質・構造・サイズが同様である同一構成の発電部５０においては、発電によって得られる電流電圧特性は略同一の特性であると考えられる。したがって、同一構成の発電部５０を複数製造して、無作為に抽出した発電部５０の初期状態での電流電圧特性を測定する。測定した発電部５０の初期状態での電流電圧特性のグラフを図７に示す。縦軸は発電部５０の出力電圧値を示し、横軸は発電部５０の出力電流値を示し、測定値を丸でプロットしている。測定した発電部５０と同一構成の発電部では、初期状態での電流電圧特性は図７に示した実測による電流電圧特性と同一の特性であるとし、全ての発電部について初期状態の電流電圧特性について測定を行う必要はなくなる。
【００５０】
図７に示した測定結果を基にして、実測によって得られる発電部５０の電流電圧特性は図８の曲線で示される標準特性曲線を描く。実際に発電部５０が出力する電流は、電子機器などの負荷によって消費されるので、利用する電圧範囲と電流範囲が実用領域として限定される。そこで、実用領域内で標準特性曲線の近似を行って標準近似直線を得る。標準近似直線は一次関数形式で表現することができ、電圧軸切片をＶ０とし、標準近似直線の傾きをＲとすると、
Ｖ＝Ｖ０−ＩＲ  ・・・・・（１）
となる。ここでＲは発電部の等価内部抵抗である。標準特性曲線および標準近似直線は、発電部５０の出力電流と出力電圧を測定して得られるものであり、発電部５０のスタック構造の一層ごとの発電に関しての特性を示すものではなく、スタック構造全体での発電に関する特性を表している。
【００５１】
実際の発電においては、継続して発電を行っているうちに水素と酸素の反応によって生じた生成水が燃料極側への逆拡散による発電面積の減少や、発電には不要なガスが燃料極に滞留することによる水素分圧の低下によって、燃料電池の発電による出力電圧が次第に低下してくる。この出力電圧の低下は、発電部５０の発電状態の履歴や発電時の湿度・温度等の外的環境によっても変化するために、出力電圧の低下を予測して対策を講じることは容易ではない。そこで標準近似直線から一定割合電圧が低い閾値電圧を設定し、発電部５０の出力電圧が閾値電圧を下回った場合に水素パージを行う。
【００５２】
図９は標準近似直線と閾値電圧の関係を示したグラフである。例えば、閾値電圧は標準近似直線で示される電圧よりも１０％低い電圧であると設定され、その電流と電圧の関係は閾値電圧直線を描くことになる。ここで閾値電圧を標準近似直線よりも１０％低い電圧に設定した理由は、発電部５０が図３に示したように８層のスタック構造を有するからであり、８層のスタック構造のうちの１層が発電に寄与する割合は１２．５％であるから、少なくとも１層分の発電効率が低下する以前に水素パージを実行することができる。これにより、セパレータ４の燃料ガス流路５に水分が滞留してスタック構造の１層に燃料ガスの供給が行えなくなった場合などには、確実に水素パージを行うことができ、迅速に発電効率の改善を行うことが可能になる。ここでは、閾値電圧は標準近似直線より１０％低い電圧としたが、１０％に限定するものではなく、発電部５０の構成や使用用途等によって適宜設定することができ、スタック構造の１層分に相当する電圧降下にも限定しない。
【００５３】
図９に示すように、ある時点で測定した発電部５０の電流値が検出電流Ｉであり、電圧値が検出電圧Ｖであるとする。前述した標準近似直線を表す式１に、検出電流Ｉを入力すると、標準電圧Ｖｓが得られる。検出電圧Ｖが標準電圧Ｖｓの９０％相当の電圧以下である場合、つまり、図９のグラフ中で閾値電圧直線よりも検出電圧Ｖが下の領域にある場合には水素パージを行うことになる。このとき、検出電流Ｉと検出電圧Ｖの測定は定期的に行うとするが、不定期に測定してもよい。
【００５４】
発電部５０が出力する電圧が検出電圧Ｖ、電流が検出電流Ｉであるときには、その時点での発電部５０が供給する電流電圧特性は図９破線で示される曲線を描くと考えられる。しかし、本発明の燃料電池運転方法によれば、標準近似直線から求められる閾値電圧と検出電圧Ｖとの比較のみで水素パージの可否を決定できる。これにより、正確な電流電圧特性を求めるために図７に示したように広範囲にわたって電流値と電圧値を測定する必要がなくなり、水素パージの必要性を瞬時に判断することが可能となる。素早い水素パージの必要性判断により、負荷側の電子機器に対して安定した電流供給を行うことができる。
【００５５】
上述した水素パージの必要性判断動作を制御部４３で行うための制御ルーチンのフローチャートを図１０に示す。予め制御部４３には、発電部５０の標準近似直線を表す式１の関係式と、電流と電圧の実用領域が記録されており、標準近似直線に対する閾値電圧直線の比率がＴＨＬＤ＝０．９として記録されている。ＴＨＬＤの値は任意に設定可能であるが、上述した様にスタック構造の一層が発電に寄与する割合に基づいて、一層が発電停止した場合の電圧よりも閾値電圧を大きくする値であることが望ましい。また、この制御ルーチンは定期的に実行されるものとする。
【００５６】
ステップ１では、電圧電流検出手段４２が発電部５０からＤＣ／ＤＣコンバーター４１に対して出力される電流値Ｉと電圧値Ｖの測定を行う。このとき測定する電流値Ｉと電圧値Ｖは、スタック構造を有する発電部５０の全層における発電によって得られる出力である。測定後に、ステップ２に移行する。
【００５７】
ステップ２では、測定した電流値Ｉが実用領域内か否かを比較を行い、条件分岐をする。電流値Ｉが実用領域内である場合にはステップ３に移行し、実用領域外である場合には、制御ルーチンのＥＮＤステップに移行して制御ルーチンを終了する。ここで電流値Ｉが実用領域内か否かを判断する理由は、実際に負荷側の電子機器を駆動させた場合の電圧電流値は、図７のグラフに示したように広範囲に分散するからである。電子機器の起動時や動作状況の変化時には瞬間的に大電流が流れる場合があるため、電流値Ｉが標準近似直線から逸脱することになり、実用領域外では標準近似直線との差が過大になるため水素パージの必要性判断処理を停止する。
【００５８】
ステップ３では、水素パージの必要性を判断するための標準電圧Ｖｓと評価値Ｖａｌの算出を行う。標準電圧Ｖｓは、電流値Ｉの場合の標準近似直線での電圧値であるので、式１で表される標準近似直線にステップ１で測定した電流値Ｉを代入することで式２として得られる。標準近似直線を、式１のような一次関数形式で表すことで、水素パージの必要性を判断するための情報処理速度に対する要求を低下させることができ、安価な演算回路を用いることが可能となる。
Ｖｓ＝Ｖ０−ＩＲ  ・・・・・（２）
また、評価値Ｖａｌは式２で得られた標準電圧Ｖｓとステップ１で測定した電圧値Ｖの比率であり、式３により求められる。
Ｖａｌ＝Ｖ／Ｖｓ  ・・・・・（３）
評価値Ｖａｌを算出した後に、ステップ４に移行する。
【００５９】
ステップ４では、水素パージの必要性を判断する条件分岐を行う。予め記録されている標準近似直線に対する閾値電圧直線の比率ＴＨＬＤと、ステップ３で算出した評価値Ｖａｌを式４で表される不等式に代入し、不等式が成立する場合にはステップ５に移行し、不等式が成立しない場合には制御ルーチンのＥＮＤステップに移行して制御ルーチンを終了する。
Ｖａｌ＜ＴＨＬＤ  ・・・・・（４）
ここでＴＨＬＤ＝０．９と設定した場合には、式４は式３からＶ＜０．９×Ｖｓであり、測定した電圧値Ｖが標準近似直線から求められる標準電圧Ｖｓよりも１０％低いか否かの判断を行っていることになる。つまり標準電圧ＶｓにＴＨＬＤの値を乗じた値を閾値電圧として、測定した電圧値Ｖが閾値電圧よりも低いか否かを判断して、水素パージの必要性の判断を行っている。
【００６０】
ステップ５では、水素パージを行う。ステップ４の式４の条件が満たされた場合には、標準近似直線から求められる閾値電圧よりも測定した電圧値Ｖが低いので、制御部４３は水素パージバルブ６４に対して開放の制御信号を送出し、水素パージバルブ６４を開放させて発電部５０から排出される燃料ガスを急増させる。水素パージを行った後に制御部４３は水素パージバルブ６４に対して閉止の制御信号を送出し、水素パージバルブ６４を閉止させて燃料ガスの放出を停止する。その後、制御ルーチンのＥＮＤステップに移行して制御ルーチンを終了する。
【００６１】
水素パージバルブ６４が開放されると、発電部５０内部の燃料ガス流路５を通過して水素パージバルブ６４から大気中に流出する燃料ガスの流速が増大し、接合体５１の燃料極に滞留していた水分や発電に寄与しないガスが燃料ガスと共に排出される。燃料極に滞留していた水分や発電に寄与しないガスを排出することで、燃料極に対して燃料ガスが供給され易くなり、発電部５０の発電効率を回復させることが可能となる。
【００６２】
以上に説明した制御ルーチンを制御部４３が実行することで、出力電流と出力電圧を測定して即座に水素パージの必要性を判断することができる。水素パージの必要性を素早く行うことで、発電効率が急激に低下した場合にも適宜水素パージを行って発電効率の回復を図ることができ、負荷側の電子機器に安定して電流を供給することが可能となる。
【００６３】
また、標準近似直線に対する閾値電圧直線の比率ＴＨＬＤを０．９と設定することで、閾値電圧を標準電圧Ｖｓより１０％低い電圧とすることと等価となる。これにより、スタック構造の一層が寄与している電圧相当の発電効率低下がおこる前に水素パージを行うことができるため、燃料ガス流路に水分が滞留して一層への燃料供給が不可能となった場合などには、確実に水素パージを行うことができ、発電効率の回復を迅速に試みることが可能となる。また、無作為抽出した発電部の電流電圧特性の測定を行い、同一構成の発電部での電流電圧特性を実測による電流電圧特性と同一の特性であるとすることで、全ての発電部について初期状態の電流電圧特性について測定を行う必要はなくなる。
【００６４】
［第二の実施の形態］
次に本発明の他の実施の形態として、水素パージを行った後に閾値電圧の再設定を行う燃料電池の運転方法を説明する。本実施の形態で用いる燃料電池は第一の実施の形態において図１乃至図６を用いて説明したものと同様の構成であるため、燃料電池の運転方法に関してのみ説明を行う。
【００６５】
本実施の形態においても、図７乃至図９で説明したのと同様に、発電部５０の初期状態での電流電圧特性である標準特性曲線を測定によって求め、実用領域内での標準特性曲線を式１に示した標準近似直線に近似して表す。また、閾値電圧直線を標準近似直線よりも一定割合低い電圧として設定する。
【００６６】
実際の発電においては、継続して発電を行っているうちに水素と酸素の反応によって生じた生成水が燃料極側への逆拡散による発電面積の減少や、発電には不要なガスが燃料極に滞留することによる水素分圧の低下によって、燃料電池の発電による出力電圧が次第に低下してくる。この出力電圧の低下を、水素パージを行うことで回復させるのであるが、水素パージによってどの程度発電効率が回復するかは不明である。そこで、水素パージを行った後に回復した発電効率を反映させて、次回の水素パージを行う必要性を判断するための閾値電圧の再設定を行う。
【００６７】
図１１は、本実施の形態における燃料電池の運転方法を用いて水素パージ繰り返して行った場合の、発電部５０の出力電圧値の時間経過を表したグラフである。縦軸は電圧電流検出手段４２が測定した発電部５０の出力電圧値をしめし、横軸は時間経過を示している。グラフ中太線で示された曲線が電圧値の時間経過を示し、図中上矢印は水素パージを行った時間を示している。ここでは説明の簡略化のために発電部５０が出力する電流値は略一定であるとし、したがって標準近似直線から求められる標準電圧Ｖｓも略一定値をとるとして、標準電圧Ｖｓと各時点での閾値電圧とを横線で示している。
【００６８】
発電時の最初の閾値電圧は、発電部５０が初期状態であることから標準近似直線から求められる標準電圧Ｖｓよりも１０％低い電圧として設定される。時間経過と共に発電の効率が悪化し、出力電圧が閾値電圧を下回った場合には第一の実施の形態と同様にして制御部４３が水素パージバルブ６４を開放して、水素パージＰ１を行う。
【００６９】
次に水素パージＰ１後にも出力電圧の測定を継続し、水素パージＰ１後に回復した発電効率を反映させた最大電圧をＶｍａｘとし、最大電圧Ｖｍａｘよりも１０％低い電圧を次の閾値電圧に設定する。以降、再設定された閾値電圧を出力電圧が下回った場合に水素パージを行い、最大電圧Ｖｍａｘと閾値電圧の再設定を繰り返して水素パージＰ２、ｐ３、ｐ４・・・・を行う。このとき、最大電圧Ｖｍａｘは標準電圧Ｖｓよりも大きくても小さくてもよく、実際の測定により得られた電圧に基づいて決定される。
【００７０】
水素パージを行った後に測定した出力電圧から最大電圧Ｖｍａｘを決定し、最大電圧Ｖｍａｘから閾値電圧を算出することによって、水素パージによる発電効率の回復、換言すると燃料ガス流路５に滞留している水分等の影響、を考慮に入れて次回の水素パージの必要性を判断することが可能となる。
【００７１】
上述した水素パージの必要性判断動作を制御部４３で行うための制御ルーチンのフローチャートを図１２に示す。予め制御部４３には、発電部５０の標準近似直線を表す式１の関係式と、電流と電圧の実用領域が記録されており、標準近似直線に対する閾値電圧直線の比率がＴＨＬＤ＝０．９を初期状態として記録されている。ＴＨＬＤの値は任意に設定可能であるが、上述した様にスタック構造の一層が発電に寄与する割合に基づいて、一層が発電停止した場合の電圧よりも閾値電圧を大きくする値であることが望ましい。また、この制御ルーチンは定期的に実行されるものとし、２回目以降のＴＨＬＤの値は直近に実行された制御ルーチンによって決定された値に再設定されるとする。
【００７２】
ステップ１１では、電圧電流検出手段４２が発電部５０からＤＣ／ＤＣコンバーター４１に対して出力される電流値Ｉと電圧値Ｖの測定を行う。このとき測定する電流値Ｉと電圧値Ｖは、スタック構造を有する発電部５０の全層における発電によって得られる出力である。測定後に、ステップ１２に移行する。
【００７３】
ステップ１２では、測定した電流値Ｉが実用領域内か否かを比較を行い、条件分岐をする。電流値Ｉが実用領域内である場合にはステップ１３に移行し、実用領域外である場合には、制御ルーチンのＥＮＤステップに移行して制御ルーチンを終了する。
【００７４】
ステップ１３では、水素パージの必要性を判断するための標準電圧Ｖｓと評価値Ｖａｌの算出を行う。標準電圧Ｖｓは、電流値Ｉの場合の標準近似直線での電圧値であるので、式１で表される標準近似直線にステップ１１で測定した電流値Ｉを代入することで式２として得られる。また、評価値Ｖａｌは式２で得られた標準電圧Ｖｓとステップ１１で測定した電圧値Ｖの比率であり、式３により求められる。評価値Ｖａｌを算出した後に、ステップ１４に移行する。
【００７５】
ステップ１４では、水素パージの必要性を判断をして条件分岐を行う。Ｓｔａｒｔステップにおいて記録されているＴＨＬＤの値と、ステップ１３で算出した評価値Ｖａｌを式４で表される不等式に代入し、不等式が成立する場合にはステップ１５に移行し、不等式が成立しない場合には制御ルーチンのＥＮＤステップに移行して制御ルーチンを終了する。
【００７６】
ステップ１５では、水素パージを行う。式４の条件が満たされた場合には、制御部４３は水素パージバルブ６４に対して開放の制御信号を送出し、水素パージバルブ６４を開放させて発電部５０から排出される燃料ガスを急増させる。水素パージを行った後に制御部４３は水素パージバルブ６４に対して閉止の制御信号を送出し、水素パージバルブ６４を閉止させて燃料ガスの放出を停止し、その後ステップ１６に移行する。
【００７７】
水素パージバルブ６４が開放されると、発電部５０内部の燃料ガス流路５を通過して水素パージバルブ６４から大気中に流出する燃料ガスの流速が増大し、接合体５１の燃料極に滞留していた水分や発電に寄与しないガスが燃料ガスと共に排出される。燃料極に滞留していた水分や発電に寄与しないガスを排出することで、燃料極に対して燃料ガスが供給され易くなり、発電部５０の発電効率を回復させることが可能となる。
【００７８】
ステップ１６では、電圧電流検出手段４２が発電部５０からＤＣ／ＤＣコンバーター４１に対して出力される電流値Ｉと電圧値Ｖの測定を再度行う。このとき測定する電流値Ｉと電圧値Ｖは、スタック構造を有する発電部５０の全層における発電によって得られる出力である。測定後に、ステップ１７に移行する。
【００７９】
ステップ１７では、最大電圧Ｖｍａｘの検出を行う。ステップ１５以降にステップ１６で測定した電圧値Ｖのうちで最大値となる電圧値を最大電圧Ｖｍａｘと設定する。最大電圧Ｖｍａｘの設定後にステップ１８に移行する。後述するようにステップ１６からステップ１９までは、ステップ１５での水素パージ後に一定時間繰り返されるため、繰り返し実行されたステップ１６での測定により得られる電圧値Ｖの最大の値が最大電圧Ｖｍａｘとされることになる。
【００８０】
ステップ１８では、標準電圧Ｖｓの算出を再度行う。標準電圧Ｖｓは、電流値Ｉの場合の標準近似直線での電圧値であるので、式１で表される標準近似直線にステップ１６で測定した電流値Ｉを代入することで式２として得られる。標準電圧Ｖｓを算出した後に、ステップ１９に移行する。
【００８１】
ステップ１９では、ステップ１５で水素パージを実行した後の経過時間の判定を行って条件分岐を行う。ステップ１５での水素パージが終了してから１０秒が経過している場合にはステップ２０に移行する。ステップ１５での水素パージが終了してから１０秒経過していない場合には、ステップ１６に移行して電流値Ｉおよび電圧値Ｖの測定から最大電圧Ｖｍａｘの設定、標準電圧Ｖｓの算出を繰り返す。ここでは１０秒経過を繰り返しの判断基準としたが、発電の効率を最適にするために時間は適宜変更可能である。
【００８２】
ステップ２０では、ＴＨＬＤの値を再設定して制御部４３に記録を行う。ステップ１６からステップ１９を繰り返し行うことにより、最大電圧Ｖｍａｘはステップ１５での水素パージ後１０秒間での出力電圧の最大値となり、標準電圧Ｖｓは水素パージ後１０秒経過した時点での標準電圧となっている。そこで、標準電圧Ｖｓと最大電圧Ｖｍａｘから式５に示す計算により、新たなＴＨＬＤの値を算出する。
ＴＨＬＤ＝Ｖｍａｘ／Ｖｓ×０．９  ・・・・・（５）
新たなＴＨＬＤの値を算出した後に、ＴＨＬＤの値を制御部４３に記録して次回の制御ルーチン実行時のＴＨＬＤの値として用いることになる。ＴＨＬＤの値を記録した後に、制御ルーチンのＥＮＤステップに移行して制御ルーチンを終了する。
【００８３】
ここで式５の係数を０．９とした理由は、閾値電圧が最大電圧Ｖｍａｘより１０％低い電圧とするためであり、１０％に限定するものではないため、発電部５０の構成や使用用途等によって適宜設定することができる。
【００８４】
本制御ルーチンを最初に実行した時には、ＴＨＬＤ＝０．９と初期設定されているため、ステップ１４での評価値ＶａｌとＴＨＬＤとの比較は、Ｖ＜０．９×Ｖｓであり、測定した電圧値Ｖが標準近似直線から求められる標準電圧Ｖｓよりも１０％低いか否かの判断を行っていることになる。つまり標準電圧ＶｓにＴＨＬＤの値を乗じた値を閾値電圧として、測定した電圧値Ｖが閾値電圧よりも低いか否かを判断して、水素パージの必要性の判断を行っている。
【００８５】
しかし、本制御ルーチンを２回目以降に行う場合には、ＴＨＬＤの値としては、直近の水素パージが行われた制御ルーチン実行時にステップ２０で式５により算出された値が記録されている。したがって、ステップ１４での評価値ＶａｌとＴＨＬＤとの比較は、式３と式５から得られる式６と等価の比較になる。
Ｖ＜Ｖｍａｘ×０．９  ・・・・・（６）
【００８６】
これにより、直近の水素パージが行われた制御ルーチン実行時にステップ１７で決定された最大電圧Ｖｍａｘよりも、測定した電圧値Ｖが１０％低いか否かの判断を行っていることになる。つまり最大電圧Ｖｍａｘに０．９の値を乗じた値を閾値電圧として、測定した電圧値Ｖが閾値電圧よりも低いか否かを判断して、水素パージの必要性の判断を行っていることになる。
【００８７】
図１１のグラフおよび図１２のフローチャートには記していないが、ＴＨＬＤの値はある範囲内であることの制約が設けておき、発電部５０の特性がある程度以下に低下した場合、つまりＴＨＬＤの値が一定値以下になった場合にはＴＨＬＤの値を再設定しないとしてもよい。
【００８８】
このように水素パージを行った後の発電効率の回復を反映させて、次回の水素パージを行うための閾値電圧を決定することにより、安定した発電状態を長時間維持する事が可能となる。
【００８９】
［第三の実施の形態］
次に本発明の他の実施の形態として、水素パージを行った後に閾値電圧の再設定を行う燃料電池の運転方法を説明する。本実施の形態で用いる燃料電池は第一の実施の形態において図１乃至図６を用いて説明したものと同様の構成であるため、燃料電池の運転方法に関してのみ説明を行う。また、上述した第二の実施の形態では、説明の簡略化のために発電部が出力する電流値は略一定であるとし、したがって標準近似直線から求められる標準電圧Ｖｓも略一定値とした場合の燃料電池の運転方法に関して説明を行った。しかし、実際に燃料電池を使用した場合には発電部が出力する電流値は一定とは限らない。本実施の形態では、出力電流値が一定ではない場合での燃料電池の運転方法に関して説明を行う。
【００９０】
本実施の形態においても、図７乃至図９で説明したのと同様に、発電部５０の初期状態での電流電圧特性である標準特性曲線を測定によって求め、実用領域内での標準特性曲線を式１に示した標準近似直線に近似して表す。また、閾値電圧直線を標準近似直線よりも一定割合低い電圧として設定する。
【００９１】
実際の発電においては、継続して発電を行っているうちに水素と酸素の反応によって生じた生成水が燃料極側への逆拡散による発電面積の減少や、発電には不要なガスが燃料極に滞留することによる水素分圧の低下によって、燃料電池の発電による出力電圧が次第に低下してくる。この出力電圧の低下を、水素パージを行うことで回復させるのであるが、水素パージによってどの程度発電効率が回復するかは不明である。そこで、水素パージを行った後に回復した発電効率を反映させて、次回の水素パージを行う必要性を判断するための閾値電圧の再設定を行う。
【００９２】
本実施の形態での水素パージの必要性判断動作を制御部４３で行うための制御ルーチンのフローチャートを図１３に示す。予め制御部４３には、発電部５０の標準近似直線を表す式１の関係式と、電流と電圧の実用領域が記録されており、標準近似直線に対する閾値電圧直線の比率がＴＨＬＤ＝０．９を初期状態として記録されている。ＴＨＬＤの値は任意に設定可能であるが、上述した様にスタック構造の一層が発電に寄与する割合に基づいて、一層が発電停止した場合の電圧よりも閾値電圧を大きくする値であることが望ましい。また、この制御ルーチンは定期的に実行されるものとし、２回目以降のＴＨＬＤの値は直近に実行された制御ルーチンによって決定された値に再設定されるとする。
【００９３】
ステップ２１では、電圧電流検出手段４２が発電部５０からＤＣ／ＤＣコンバーター４１に対して出力される電流値Ｉと電圧値Ｖの測定を行う。このとき測定する電流値Ｉと電圧値Ｖは、スタック構造を有する発電部５０の全層における発電によって得られる出力である。測定後に、ステップ２２に移行する。
【００９４】
ステップ２２では、測定した電流値Ｉが実用領域内か否かの比較を行い、条件分岐をする。電流値Ｉが実用領域内である場合にはステップ２３に移行し、実用領域外である場合には、制御ルーチンのＥＮＤステップに移行して制御ルーチンを終了する。
【００９５】
ステップ２３では、水素パージの必要性を判断するための標準電圧Ｖｓと評価値Ｖａｌの算出を行う。標準電圧Ｖｓは、電流値Ｉの場合の標準近似直線での電圧値であるので、式１で表される標準近似直線にステップ２１で測定した電流値Ｉを代入することで式２として得られる。また、評価値Ｖａｌは式２で得られた標準電圧Ｖｓとステップ２１で測定した電圧値Ｖの比率であり、式３により求められる。評価値Ｖａｌを算出した後に、ステップ２４に移行する。
【００９６】
ステップ２４では、水素パージの必要性を判断する条件分岐を行う。Ｓｔａｒｔステップにおいて記録されているＴＨＬＤの値と、ステップ２３で算出した評価値Ｖａｌを式４で表される不等式に代入し、不等式が成立する場合にはステップ２５に移行し、不等式が成立しない場合には制御ルーチンのＥＮＤステップに移行して制御ルーチンを終了する。
【００９７】
ステップ２５では、水素パージを行う。式４の条件が満たされた場合には、制御部４３は水素パージバルブ６４に対して開放の制御信号を送出し、水素パージバルブ６４を開放させて発電部５０から排出される燃料ガスを急増させる。水素パージを行った後に制御部４３は水素パージバルブ６４に対して閉止の制御信号を送出し、水素パージバルブ６４を閉止させて燃料ガスの放出を停止し、その後ステップ２６に移行する。
【００９８】
水素パージバルブ６４が開放されると、発電部５０内部の燃料ガス流路５を通過して水素パージバルブ６４から大気中に流出する燃料ガスの流速が増大し、接合体５１の燃料極に滞留していた水分や発電に寄与しないガスが燃料ガスと共に排出される。燃料極に滞留していた水分や発電に寄与しないガスを排出することで、燃料極に対して燃料ガスが供給され易くなり、発電部５０の発電効率を回復させることが可能となる。
【００９９】
ステップ２６では、以後の繰り返しルーチンであるステップ２７からステップ３１の間で用いられる評価値の最大値として、最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）の初期値を０に設定する。
【０１００】
ステップ２７では、電圧電流検出手段４２が発電部５０からＤＣ／ＤＣコンバーター４１に対して出力される電流値Ｉと電圧値Ｖの測定を再度行う。このとき測定する電流値Ｉと電圧値Ｖは、スタック構造を有する発電部５０の全層における発電によって得られる出力である。測定後に、ステップ２８に移行する。
【０１０１】
ステップ２８では、標準電圧Ｖｓの算出を再度行う。標準電圧Ｖｓは、電流値Ｉの場合の標準近似直線での電圧値であるので、式１で表される標準近似直線にステップ２７で測定した電流値Ｉを代入することで式２として得られる。標準電圧Ｖｓを算出した後に、ステップ２９に移行する。
【０１０２】
ステップ２９では、最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）の更新を行うか否かの条件分岐をする。ステップ２８で算出した評価値Ｖａｌと、ステップ２６以後に記録されている最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）とを式７に代入して、評価値Ｖａｌと最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）の比較を行う。
Ｖａｌ（ｍａｘ）＜Ｖａｌ  ・・・・・（７）
式７の不等式が成立している場合にはステップ３０に移行して最大評価値の更新を行い、成立していない場合にはステップ３１に移行する。後述するようにステップ２７からステップ３０までは、ステップ２５での水素パージ後に一定時間繰り返されるため、繰り返し実行されたステップ２８での計算により得られる評価値Ｖａｌの最大の値が最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）とされることになる。
【０１０３】
ステップ３０では、ＴＨＬＤの値を再設定して制御部４３に記録を行う。まず、ステップ２９で式７の不等式が成立しているため、最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）をステップ２８で算出した評価値Ｖａｌに置き換えて、最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）の更新を行う。ステップ２７からステップ３０を繰り返し行うことにより、最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）はステップ２５での水素パージ後の評価値Ｖａｌの最大値となっている。そこで、標準電圧Ｖｓと最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）から式８に示す計算により、新たなＴＨＬＤの値を算出する。
ＴＨＬＤ＝Ｖａｌ（ｍａｘ）×０．９  ・・・・・（８）
【０１０４】
新たなＴＨＬＤの値を算出した後に、ＴＨＬＤの値を制御部４３に記録して次回の制御ルーチン実行時のＴＨＬＤの値として用いることになる。ＴＨＬＤの値を記録した後に、ステップ３１に移行する。初めてステップ２９を実行した場合には、ステップ２６で設定したように最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）は０であり、電圧値Ｖが０でない限りは式７の不等式は必ず成立し、必ず一度はステップ３０が実行されて新たな閾値ＴＨＬＤが算出されることになる。つまり、最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）を記録した電圧値Ｖでの閾値ＴＨＬＤが次回の制御ルーチン実行時に用いられることになる。
【０１０５】
最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）を記録したときに、スタックによる発電が最良の状態であることを意味するので、その時点での閾値ＴＨＬＤを次回の制御ルーチン実行時に用いることで、スタックセルが最良である状態からの発電効率の低下を反映した制御を行うことが可能となる。ここで式８の係数を０．９とした理由は、閾値電圧が最大電圧Ｖｍａｘより１０％低い電圧とするためであり、１０％に限定するものではないため、発電部５０の構成や使用用途等によって適宜設定することができる。
【０１０６】
ステップ３１では、ステップ２５で水素パージを実行した後の経過時間の判定を行って条件分岐を行う。ステップ２５での水素パージが終了してから１０秒が経過している場合には制御ルーチンのＥＮＤステップに移行して制御ルーチンを終了する。ステップ２５での水素パージが終了してから１０秒経過していない場合には、ステップ２７に移行して電流値Ｉおよび電圧値Ｖの測定から最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）の設定、閾値ＴＨＬＤの算出を繰り返す。ここでは１０秒経過を繰り返しの判断基準としたが、発電の効率を最適にするために時間は適宜変更可能である。
【０１０７】
本制御ルーチンを最初に実行した時には、ＴＨＬＤ＝０．９と初期設定されているため、ステップ２４での評価値ＶａｌとＴＨＬＤとの比較は、Ｖ＜０．９×Ｖｓであり、測定した電圧値Ｖが標準近似直線から求められる標準電圧Ｖｓよりも１０％低いか否かの判断を行っていることになる。つまり標準電圧ＶｓにＴＨＬＤの値を乗じた値を閾値電圧として、測定した電圧値Ｖが閾値電圧よりも低いか否かを判断して、水素パージの必要性の判断を行っている。
【０１０８】
しかし、本制御ルーチンを２回目以降に行う場合には、ＴＨＬＤの値としては、直近の水素パージが行われた制御ルーチン実行時にステップ３０の式８により算出された値が記録されている。したがって、ステップ２４での評価値ＶａｌとＴＨＬＤとの比較は、最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）を記録したときに、スタックによる発電が最良の状態であることを意味するので、スタックセルが最良である状態から発電効率が低下しているか否かの判断となる。
【０１０９】
図１３のフローチャートには記していないが、ＴＨＬＤの値はある範囲内であることの制約が設けておき、発電部５０の特性がある程度以下に低下した場合、つまりＴＨＬＤの値が一定値以下になった場合にはＴＨＬＤの値を再設定しないとしてもよい。このように水素パージを行った後の発電効率の回復を反映させて、次回の水素パージを行うための閾値電圧を決定することにより、安定した発電状態を長時間維持する事が可能となる。また、最大評価値Ｖａｌ（ｍａｘ）の算出のために繰り返されるステップ２８での評価値の算出は、ステップ２７での電流値Ｉと電圧値Ｖを反映することができるため、電流値が変化する場合においても水素パージの必要性を判断することが可能となる。
【０１１０】
［第四の実施の形態］
次に本発明の他の実施の形態として、本発明の燃料電池運転方法により発電を行う燃料電池のブロック図の他の例を図１４に示す。図１４に示したブロック図の構成を持つ燃料電池を用い、第一の実施の形態乃至第三の実施の形態で説明した燃料電池の運転方法により発電を行うことで、発電効率が低下した場合に効率的に水素パージを行って発電効率の回復を図ることができる。
【０１１１】
発電部８０の発電による電力であるセル出力は、制御基板９０に設けられたＤＣ／ＤＣコンバーター９１を介して電子機器である負荷に供給される。発電部８０の燃料ガス排出側には水素の大気開放を行う水素パージバルブ８４を設けてあり、空気排出側には空気を発電部から排出する空気ファン８１が設けてある。また、制御基板９０はマイコン９２を備えて、発電部８０が供給する出力電圧値および出力電流値を測定し、水素パージバルブ８４の開閉動作の制御を行う。
【０１１２】
マイコン９２には、セル出力の電流を測定する電流検出９３と、セル出力の電圧を測定する電圧検出９４とが接続され、上述した実施の形態における制御ルーチンを実行して、水素パージの必要性を判断する。水素パージが必要と判断された場合には、マイコン９２は水素パージバルブ８４に対して開放の制御信号を送出し、発電部８０内部から大気中に水素ガスを放出して水素パージを行った後、再度水素パージバルブ８４を閉鎖する。
【０１１３】
水素パージバルブ８４が開放されると、発電部８０内部の燃料ガス流路を通過して水素パージバルブ８４から大気中に流出する燃料ガスの流速が増大し、接合体の燃料極に滞留していた水分や発電に寄与しないガスが燃料ガスと共に排出される。燃料極に滞留していた水分や発電に寄与しないガスを排出することで、燃料極に対して燃料ガスが供給され易くなり、発電部８０の発電効率を回復させることが可能となる。
【０１１４】
【発明の効果】
燃料電池の出力電圧が、燃料電池ごとに定められた標準近似直線と出力電流から求められる閾値電圧よりも低い場合に水素パージを行うことで、出力電流と出力電圧を測定して即座に水素パージの必要性を判断することができる。水素パージの必要性を素早く行うことで、発電効率が急激に低下した場合にも適宜水素パージを行って発電効率の回復を図ることができ、負荷側の電子機器に安定して電流を供給することが可能となる。
【０１１５】
また、燃料電池を稼動させる条件下での電流値範囲内で標準特性曲線を標準近似直線として近似することで、水素パージの必要性を判断するための情報処理速度に対する要求を低下させることができ、安価な演算回路を用いることが可能となる。
【０１１６】
また閾値電圧を、燃料電池を構成する積層されたスタックセルの全層数に占める一層の比率を層比率とし、標準電圧と層比率に基づいて決定することで、スタック構造の一層が寄与している電圧相当の発電効率低下がおこる前に水素パージを行うことができる。このため、燃料ガス流路に水分が滞留して一層に燃料が供給不可能となった場合などには、確実に水素パージを行うことができ、発電効率の回復を迅速に試みることが可能となる。
【０１１７】
また、水素パージを行なった後に、直近に行った水素パージ後の最大評価値よりも低い値に閾値を再設定することで、水素パージ後に回復した発電効率を反映させて次回の水素パージを行うことができる。これにより水素パージの効果にばらつきがあるときにも効率的に水素パージの必要性を判断することができる。また、無作為抽出した発電部の電流電圧特性の測定を行い、同一構成の発電部での電流電圧特性を実測による電流電圧特性と同一の特性であるとすることで、全ての発電部について初期状態の電流電圧特性について測定を行う必要はなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池モジュールの構成を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池モジュールの筐体の外観を示す側面図である。
【図３】本発明の燃料電池モジュールの発電体を示す外観斜視図である。
【図４】図３に示した発電部のスタック構造を示す分解斜視図である。
【図５】本発明の燃料電池モジュールにおける酸素の流れを示す模式図である。
【図６】本発明の燃料電池運転方法を実行するための燃料電池のブロック図である。
【図７】発電部の出力電流と出力電圧を測定して標準特性曲線をグラフに表した特性図である。
【図８】実用領域内で標準特性曲線に近似した標準近似直線を示すグラフである。
【図９】標準特性曲線と標準近似直線と閾値電圧直線との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の第一の実施の形態で説明する燃料電池の運転方法を制御部が実行するための制御ルーチンを説明するフローチャートである。
【図１１】本発明の第二の実施の形態である、水素パージを行った後の発電効率が回復した状態を反映して水素パージを行う様子を示す出力電圧の経時変化を示すグラフである。
【図１２】本発明の第二の実施の形態で説明する燃料電池の運転方法を制御部が実行するための制御ルーチンを説明するフローチャートである。
【図１３】本発明の第三の実施の形態で説明する燃料電池の運転方法を制御部が実行するための制御ルーチンを説明するフローチャートである。
【図１４】本発明の第四の実施の形態としての燃料電池のブロック図である。
【符号の説明】
４    セパレータ
５    燃料ガス流路
６    燃料供給孔
７    燃料排出孔
１０    空気流路
２０    燃料電池モジュール
３０    筐体
３１，３２，３３    排気口
３４，３５    吸気口
３６，３８    接続孔
４０，９０    制御基板
４１，９１    ＤＣ／ＤＣコンバーター
４２    電圧電流検出手段
４３    制御部
９２    マイコン
９３    電流検出
９４    電圧検出
５０，８０    発電部
５１    接合体
５２    放熱フィン
５３    固体高分子電解質膜
５４    電極
５５    封止部材
５６    側面
６１    冷却ファン
６２，６３    空気供給ファン
６４，８４    水素パージバルブ
６５    レギュレータ
６６    手動バルブ
７０    水素吸蔵カートリッジ
８１    空気ファン
Ｖａｌ    評価値
Ｖａｌ（ｍａｘ）    最大評価値
Ｖｍａｘ    最大電圧
Ｖｓ    標準電圧
【図１】
2004311149.tif 000003
【図２】
2004311149.tif 000004
【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】
2004311149.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004311149.tif 000011
【図１０】
2004311149.tif 000012
【図１１】
2004311149.tif 000013
【図１２】
2004311149.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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