(57)【要約】【課題】  本発明は、例えばＤＭＦＣ等、メタノール等の有機燃料をアノードに直接供給しながら発電する燃料電池を用いた電源システムにおいて、電源システム内の凍結を防止する電源システムを提供する事を目的とする。【解決手段】  本発明に係る電源システムは、ＤＭＦＣ等の燃料電池を電力源とする電源システムである。本電源システムは前記燃料電池、および、加熱手段を有する。前記電源システムの停止状態において、前記加熱手段は、少なくとも前記燃料電池の一部、または、前記電源システム全体を加熱可能である。本システムは前記加熱手段により、前記電源システムの停止時において電源システムの凍結を防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側にアノードおよびカソードをそれぞれ接合し、前記アノードおよび前記カソードにそれぞれ液体有機燃料および気体酸化剤を供給することによって継続的に発電可能な燃料電池を電力源とする電源システムであって、
前記電源システムの停止状態において、少なくとも前記燃料電池の一部、または、前記電源システム全体を加熱する加熱手段を有することを特徴とする電源システム。
【請求項２】
さらに、前記加熱手段へ電力を供給するバッテリーを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の電源システム。
【請求項３】
前記加熱手段が通電により加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の電源システム。
【請求項４】
前記加熱手段は前記燃料電池から電力が供給されることを特徴とする請求項３に記載の電源システム。
【請求項５】
さらに、前記燃料電池の温度、前記電源システム全体の温度、前記電源システムの外部の温度のうち少なくとも１つを計測する温度センサと、
前記加熱手段を制御する加熱制御装置とを備え、
前記加熱制御装置が前記温度センサからの信号を受け、前記信号が第１基準温度を下回る値を示す場合に前記加熱手段を作動させることを特徴とする、請求項１ないし４に記載の電源システム。
【請求項６】
前記加熱手段が動作している場合において、前記加熱制御装置が前記温度センサからの信号を受け、前記信号が、前記第１基準温度以上である、第２基準温度を上回る値を示す場合に前記加熱手段の動作を停止させることを特徴とする、請求項５に記載の電源システム。
【請求項７】
さらに、前記バッテリーの残存容量を監視する容量監視装置、および、
前記容量監視装置と接続された始動制御装置とを有し、
前記始動制御装置が前記容量監視装置からの信号を受け、受信した前記信号の示す前記バッテリーの残存容量が第１残存容量を下回っている場合、前記燃料電池を始動させ、前記始動制御装置からの指示で発電状態になった前記燃料電池により、前記バッテリーを充電することを特徴とする請求項２ないし６のいずれか１つに記載の電源システム。
【請求項８】
前記始動制御装置により前記燃料電池が前記バッテリーを充電している場合において、前記始動制御装置が前記容量監視装置からの信号を受け、前記信号の示す前記バッテリーの残存容量が第２残存容量を上回っている場合、前記始動制御装置からの指示で発電状態になっている前記燃料電池の発電を停止させることを特徴とする、請求項７に記載の電源システム。
【請求項９】
さらに、前記電源システムの停止状態において、前記停止状態を、前記加熱手段が稼動しない通常停止状態、または、前記加熱手段が稼動可能な稼動停止状態のいずれかに切替える停止状態切替え手段を設けたことを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源システムに関し、特にメタノール等の有機燃料を直接アノードに供給することで発電する燃料電池を備えた電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代のクリーンかつ高効率なエネルギー源として、燃料電池が注目されている。なかでも、高分子電解質膜の両側にアノードおよびカソードをそれぞれ接合した固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）は電気自動車用電源や家庭用分散型電源として適した特徴を有しており、急速に開発が進んでいる。近年、この固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の技術をベースとし、メタノールやジメチルエーテルを改質せずに直接アノードに供給して発電する直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）の開発が活発化している。この直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）はメタノールなどの有機燃料を水素リッチなガスに改質するための改質器や水素容器が不用であるためコンパクトであり、また起動が早く、負荷変動応答性も優れており、移動型電源として注目されている。例えば、非特許文献１には、ＤＭＦＣを用いたノートパソコン用電源システムの試作機が開示されている。
【０００３】
一方、ＤＭＦＣでは、固体高分子電解質膜は一般的にパーフルオロスルホン酸系高分子（デュポン社製、商品名Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）等）が使用されている。このパーフルオロスルホン酸系高分子の水和膜は高いプロトン伝導性を有するが、そのプロトン伝導性は水和したプロトンの伝導によるものであり、水との親和性の高いメタノールのクロスオーバー（アノード側からカソード側への燃料用メタノールの透過）が発生しやすい。またクロスオーバーはメタノール濃度が高くなるにつれて尚更発生しやすくなる。また、ＤＭＦＣにおいては、そもそのアノードでは以下の反応機構によりメタノールと水が反応する。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
従って、アノードへ供給するメタノール水溶液は、理論値である水対メタノール比、１対１よりも薄い水溶液で供給する必要がある。例えば、特許文献１によればメタノール水溶液の濃度は５mol/L（以下Ｍ）までが望ましい。
【０００４】
そのため、ＤＭＦＣで用いられるメタノールは、燃料電池に希釈メタノール水溶液として供給され、それをそのままアノードへ供給されるか、または、燃料電池に１００％溶液、もしくは、高濃度水溶液として供給され、これを燃料電池内部にて水で希釈してからアノードへ供給される（特許文献１参照。）。
【０００５】
ここで、メタノールを希釈することにより燃料の凍結の可能性が増大する。なぜなら、メタノールの融点は約-97.8℃と低く、通常の環境下における使用では凍結の可能性は無いが、希釈水溶液、例えば５Ｍの水溶液では凝固点は約-10℃となるからである（例えば、特許文献２参照。）。このため、寒冷地域では燃料の凍結の可能性が高い。また、燃料希釈用に水を用いる場合、凍結の可能性は更に増大する。
【０００６】
ところで、ＤＭＦＣを用いた電源システムの稼動時には、ＤＭＦＣは発電時に発熱し、また電源システムが接続された、例えばノートパソコン等の接続機器も稼動時には発熱する。これらの発熱により、または、発熱を利用することにより、電源システムの稼動時には電源システムを加熱することができるため、凍結の可能性は低い。しかし、電源システムの停止時には外部環境の温度に応じた温度となるため、停止時に燃料が凍結してしまい、そのまま起動不可能になることがある。
【０００７】
従来、燃料電池を用いた電源システムで凍結を防止する方法として、例えば特許文献２、３等が開示されている。特許文献２では電源システムに冷却水系統を有し、この冷却水の温度を監視し、冷却水を加熱することで凍結を防止している。特許文献３では電源システムに断熱構造を有する水の予備タンクを有し、この予備タンクの水を加熱することで電源システムの起動を可能とし凍結を防止している。
【特許文献１】特開２００３−０２２８３０号公報
【特許文献２】特開２００１−１４３７３６号公報
【特許文献３】特開２０００−１４９９７０号公報
【非特許文献１】株式会社東芝、“プレスリリース”、[online]、平成１５年３月５日、［平成１５年６月６日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.toshiba.co.jp/about/press/2003_03/pr_j0501.htm＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２、および、特許文献３で用いられている冷却水系や予備タンクはＤＭＦＣを用いた電源システムには不要である。また、これらの技術では電源システム内に、本来、電源システムとしては不要な、液体のための配管が必要である。そのため、これら技術を導入した電源システムはその構成が複雑である。
【０００９】
また、上記の参考特許文献の開示する電源システムは、電源システムの燃料にメタノールを用いている点で本発明に係る電源システムと共通する。しかし、上記の参考特許文献の開示するシステムはメタノールを改質し、水素ガスを燃料電池に供給する電源システムである。このタイプの電源システムは、動作原理、および、システム構成に関し、ＤＭＦＣを用いた電源システムのそれらと全く異なる。上記参考文献の開示するシステムは凍結防止用熱源としてガス改質機構において発生する熱を利用することができるが、ＤＭＦＣを用いた電源システムは、本来的にガス改質機構を必要としない。従い、これら参考特許文献に記載された技術を、ＤＭＦＣを電源とするシステムに適用することは困難である。また、ＤＭＦＣは燃料、および、酸化剤を電極に供給することにより、即時的に発電を開始可能であるという有利点を有する。この点に着目することで、よりシステム構成が簡単化され、かつ、凍結防止効果に優れた電源システムを開発することが可能である。
【００１０】
上記の問題を解決すべく本発明は、例えばＤＭＦＣ等といった、メタノール等の液体有機燃料をアノードに直接供給しながら発電するタイプの燃料電池を用いた電源システムにおいて、電源システム内の凍結を防止する電源システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る電源システムは、電解質膜の両側にアノードおよびカソードをそれぞれ接合し、前記アノードおよび前記カソードにそれぞれ液体有機燃料および気体酸化剤を供給することで継続的に発電可能な燃料電池を電力源とする電源システムである。本電源システムは前記燃料電池、および、加熱手段を有する。前記電源システムの停止状態において、前記加熱手段は、少なくとも前記燃料電池の一部、または、前記電源システム全体を加熱可能である。本システムは前記加熱手段により、前記電源システムの停止時において電源システムの凍結を防止可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る電源システムにより、電源システムの凍結の畏れのある場合、加熱手段により加熱され、凍結を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下添付の図面を参照して、本発明に係る燃料電池を用いた電源システムの実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
第１の実施形態
＜構成＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電源システムの構成を示すブロック図である。第１実施形態に係る電源システム１００ａは燃料電池１、加熱装置２、温度センサ４、加熱制御装置５、および、外部負荷と接続するための外部出力端子６を備える。燃料電池１の出力は加熱制御装置５を介し、加熱装置２および外部出力端子６と接続される。加熱制御装置５は温度センサ４と接続されている。
【００１５】
燃料電池１は燃料電池セル１０、燃料電池セル１０に供給される燃料を貯蔵する燃料タンク１１、燃料供給経路１２、および、酸化剤供給経路１３を有する。燃料電池セル１０は電解質膜１０１、ならびに、その両側にアノード１０２およびカソード１０３を有する。電解質膜１０１、アノード１０２、および、カソード１０３はそれぞれ接合されて一体化されている。そのような燃料電池１として、例えばメタノール直接型燃料電池（ＤＭＦＣ）が好ましい。なお、図１においては簡単のため、燃料電池セル１０を単セルからなる燃料電池セルとして図示しているが、燃料電池セル１０はこの単セルを複数積層したスタック構造を有してもよい。
【００１６】
電解質膜１０１には、例えばデュポン社製、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）や旭硝子社製、Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）といったパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子膜等が好適な一例としてあげられる。
【００１７】
アノード１０２およびカソード１０３は共に貴金属触媒を担持した、例えば多孔性炭素材料や発泡金属からなる電極である。アノード１０２には液体有機燃料を直接供給し、カソード１０３には酸化剤を供給する。
【００１８】
燃料タンク１１はアノード１０２に供給される液体有機燃料を貯蔵するためのタンクである。アノード１０２に供給される液体有機燃料としては、例えばメタノール、エタノール、ジメチルエーテル等がある。
【００１９】
燃料タンク１１は数Ｍ程度にまで希釈された液体有機燃料希釈水溶液を貯蔵してよく、また、純燃料または高濃度燃料を貯蔵するタンク、および、それらを希釈するための希釈水を貯蔵するタンクをそれぞれ有してもよい。後者の場合、燃料タンク１１は純燃料または高濃度燃料を希釈するための手段（図示せず）を要する。
【００２０】
燃料供給経路１２は液体有機燃料を燃料タンク１１からアノード１０２に供給する。燃料供給経路１２は燃料循環型でも燃料非循環型でもよい。燃料循環型の場合、アノード１０２に供給された液体有機燃料はアノード１０２内を通り、アノード１０２における反応のためにその濃度を幾分か変化させながら、燃料タンク１１に戻る。燃料非循環型の場合、燃料供給経路１２のアノード１０２側端部は毛管現象等を利用した構造を有しており、それによってアノード１０２へ液体有機燃料を供給する。
【００２１】
酸化剤供給経路１３がカソード１０３へ酸化剤を供給する。酸化剤供給経路１３は送気型でも開放型でもよい。送気型の場合、酸化剤供給経路１３が、例えば空気または純酸素といった酸化剤をカソード１０３に供給し、供給された酸化剤はカソード１０３における反応のために消費されながら、カソード１０３を通過する。開放型の場合、燃料電池セル１０はカソード１０３が直接大気に面するような構成が可能であり、酸化剤供給経路１３の構成物は実質的に不要である。
【００２２】
加熱装置２は、燃料電池セル１０、燃料タンク１１、燃料供給経路１２、酸化剤供給経路１３のうちの少なくとも１つを、または、電源システム１００ａ全体を加熱するための手段である。加熱対象は周囲環境の温度低下により凍結の恐れが高い部分が好ましい。一般的に、凍結の恐れが高い部分は、システムの構造、および、使用状況等により変化する。
【００２３】
加熱装置２は通電により発熱する手段が好ましく、それは例えば電気抵抗を用いたヒータ等である。加熱装置２が電気抵抗を用いたヒータの場合、電気抵抗を複数個用意し、その使用数を適宜変更する手段を備えることで消費電力を最適化することも可能である。
【００２４】
温度センサ４は燃料電池の少なくとも一部の温度を検出する。例えば、燃料電池セル１０、燃料タンク１１、燃料供給経路１２、または、酸化剤供給経路１３を測定対象とする。但し、電源システム１００ａを測定対象とすることも可能である。さらには、参照温度として電源システム１００ａの外部の温度を測定対象としてもよい。各測定点において、各温度センサ４は温度測定値を加熱制御装置５へ送信する。測定値送信間隔は特に限定されない。実質的に連続的に送信することも、間欠的に送信することも可能である。
【００２５】
加熱制御装置５は温度センサ４からの信号を受け、その信号に基づいて加熱装置２を作動または停止させることが可能な加熱制御装置である。例えば、加熱装置２が電気抵抗を用いたヒータの場合、加熱制御装置５はヒータへの通電を制御可能なスイッチ等が可能である。また、電源システム１００ａが加熱装置２を１個備えている場合、加熱制御装置は１つでよいが、加熱装置２を２以上備えている場合、加熱制御装置５の数は１以上となる。また、加熱制御装置５の数が加熱装置２の数よりも多くとも問題はない。
【００２６】
外部出力端子６は燃料電池１の出力を外部負荷に供給するための接続部である。
【００２７】
＜動作＞
以上のように構成される電源システム１００ａの動作を説明する。本実施形態において、用いる燃料電池１は、その発電状態において、かなりの熱を発する。従って電源システム１００ａが現在、発電状態であるか、または、停止状態であるかの判断は、温度センサ４による継続的な温度監視により可能である。なお、発熱の少ない燃料電池を電源として用いる場合、外部出力への電力供給の有無を監視し、燃料電池が発電状態にあるのか、または、停止状態なのかを監視する手段を備えてもよい。
【００２８】
電源システム１００ａの停止状態において、温度センサ４は測定対象の温度を監視し、測定値を加熱制御装置５に送信する。加熱制御装置５は温度センサ４から送信される温度データと、加熱制御装置５に予め設定されている第１基準温度とを比較し、第１基準温度以下であれば加熱装置２を作動させる。ここで第１基準温度は特に限定されないが、凍結防止の観点より、４℃程度が望ましい。
【００２９】
なお、温度センサ４を複数個備える場合、各温度センサ４が異なる温度測定値を出力することが考えられる。そのため、加熱制御装置５は予め設定されている、第１平均基準温度と前記温度測定値の平均値とを比較し、平均値が第１平均基準温度を下回っていれば加熱装置２を作動させる。もしくは、温度測定値のうちの最低温度と、加熱制御装置５に予め設定されている第１最低基準温度とを比較し、最低温度が第１最低基準温度を下回っていれば加熱装置２を作動させる。この場合、第１平均基準温度、および、第１最低基準温度は例えば、それぞれ４℃、および、０℃と設定される。
【００３０】
燃料電池１が稼動すると、燃料電池１から加熱装置２に電力が供給され、加熱対象が加熱される。これにより、燃料電池１等の温度が上昇し凍結を防止することができる。また、例えば燃料供給経路が燃料非循環型の燃料電池の場合、電気抵抗が接続され通電することで燃料電池が自動的に発電を開始する。燃料電池が発電を開始することで熱が発生する。この熱も凍結の防止に寄与する。
【００３１】
そして、温度センサ４からの温度の測定値が、予め設定されている第２基準温度またはそれ以上（好ましくは第１基準温度＋３℃以上）になった場合、加熱制御装置５は加熱装置２を停止させる。例えば、加熱装置２が前述の電気抵抗を用いたヒータの場合、加熱制御装置５はヒータへの燃料電池１からの電力供給を遮断する。
【００３２】
なお、複数の温度センサ４を備える場合、各温度センサ４の出力にばらつきが見られることが考えられる。その場合、各センサ４の温度測定値の平均値が、加熱制御装置５に予め設定された第２平均基準温度を上回るか、または、前記温度測定値の最高温度が第２最高基準温度を上回った場合に、加熱制御装置５は加熱装置２を停止させる。
【００３３】
＜効果＞
本発明に係る第１実施形態により、以上説明したように燃料電池１等が自動的に加熱され、燃料電池１等を常時凍結温度以上に維持することができる。したがって、電源システム１００ａ内の凍結を防止することができ、確実に電源システムを起動することができる。また、凍結の恐れのない温度まで燃料電池１等の温度が上昇すれば、加熱手段が自動的に停止するので、電源システムを必要以上に加熱することを防止し、電力の過度な消費を防止することができる。
【００３４】
第２の実施形態
＜構成＞
本実施形態における電源システムは、図２に示すように、第１の実施形態の構成に、さらに停止状態切替え手段である停止状態切替えスイッチ７を加えた構成を有する。停止状態切替えスイッチ７は、人為的に電源システム１００ｂの停止状態を切り替え可能とするスイッチである。本実施形態には、電源システムの停止時において、加熱装置２が温度センサ４の測定値に関わりなく作動しない通常停止状態、および、加熱装置２が温度センサ４の測定値に応じて自動的に作動する稼動停止状態の２種類の停止状態を有する。
【００３５】
＜作用＞
本実施形態に係る電源システム１００ｂは、操作者の判断により、凍結の恐れがない場合には停止状態切替えスイッチ７を通常停止状態にすることで、加熱手段を人為的に温度に関係なく停止させる。他方、凍結の恐れがあると操作者が判断すれば、停止状態切替えスイッチ７を稼動停止状態とすることで、本実施形態の動作は第１実施形態の動作と同一のものとなる。
【００３６】
＜効果＞
本実施形態により、凍結の恐れがないと操作者が判断した場合、電源システムを通常停止状態とすることで、加熱装置２の作動に係る燃料電池１の燃料の不必要な消費を防止できる。
【００３７】
第３の実施形態
＜構成＞
図３は本発明に係る第３の実施形態における電源システムの構成を示すブロック図である。本実施形態における電源システム１００ｃは燃料電池１、加熱装置２、バッテリ３、温度センサ４、加熱制御装置５、および、外部負荷と接続するための外部出力端子６を有する。燃料電池１の出力は、バッテリ３、および、外部出力端子６と接続され、バッテリ３から加熱制御装置５を介して加熱装置２と接続されている。さらに加熱制御装置５は温度センサ４と、温度センサ４からの信号が受信可能に接続されている。
【００３８】
燃料電池１、加熱装置２、温度センサ４、および、加熱制御装置５の構成は、第１、および、第２の実施形態と同一である。
【００３９】
バッテリ３は充放電可能な電池であれば特に限定はされないが、エネルギー密度の大きな電池、例えばＬｉイオン電池やＮｉ−Ｈ電池、Ｌｉポリマー電池等が好適である。また、バッテリー３は電源システム１００ｃ内に複数個有してもよい。バッテリ３は燃料電池１から充電されるが、外部に太陽電池のような、再生式エネルギー源を備え、そのエネルギー源から充電されてもよい。また、バッテリ３は、交換も容易な構成である。
【００４０】
外部出力端子６は燃料電池１の出力を外部負荷に供給するための接続部であり、外部出力端子６とバッテリ３は接続されていてもよい。
【００４１】
＜動作＞
電源システム１００ｃの停止時において、温度センサ４は、第１、および、第２の実施形態と同様にして、測定対象の温度を監視し、測定値を加熱制御装置５に送信する。加熱制御装置５は、第１、および、第２実施形態と同様に、温度センサ４から送信される温度データと、加熱制御装置５に予め設定されている第１基準温度とを比較し、前記温度データが第１基準温度を下回れば加熱装置２を作動させる。
【００４２】
ここで第１基準温度は特に限定されないが、凍結防止の観点より、４℃程度が望ましい。なお、温度センサ４を複数個有する場合は、第１、および、第２の実施形態と同様に、センサ４の各測定値の平均値、および、それらの最低値を基に、加熱制御装置５が加熱装置２の稼動、および、停止を制御する。
【００４３】
加熱装置２にはバッテリ３から電力が供給され、加熱対象が加熱される。これにより、燃料電池１等の温度が上昇し凍結を防止することができる。
【００４４】
そして、温度センサ４からの温度の測定値が、予め設定されている第２基準温度またはそれ以上（好ましくは第１基準温度＋３℃以上）になった場合、加熱制御装置５は加熱装置２を停止させる。すなわち加熱制御装置５が、バッテリ３から加熱装置２への電力供給を遮断する。
【００４５】
＜効果＞
本実施形態における電源システム１００ｃは、自動的に加熱され、その停止状態においても、常に凍結温度以上に維持することができる。第１、および、第２の実施形態における電源システム１００ａ、および、１００ｂでは、燃料は循環型、酸化剤は開放型の構成を有することが想定されるが、そのようなシステムでは燃料電池のスタック化が困難であるため、出力を向上させることが容易ではない。だが、バッテリー３を備えることで、ポンプ等の補機の使用が可能となり、燃料電池をスタック構造とし、高出力を得ることが容易となっている。
【００４６】
第４の実施形態
＜構成＞
図４は本発明に係る第４の実施形態における電源システム１００ｄの構成を示すブロック図である。第４の実施形態における電源システム１００ｄは、図３に示す第３の実施形態に係る電源システム１００ｃに、さらに容量監視装置８、および、始動制御装置９を備える。容量監視装置８は一方でバッテリ３に接続され、バッテリ３の残存容量を監視し、また、他方で始動制御装置９に接続され、バッテリ３の残存容量に関する信号を送信する。始動制御装置９は、容量監視装置８からの信号を受けて、燃料電池１を始動、または、停止させるよう制御を行う。
【００４７】
本実施形態は、第３の実施形態と同様、バッテリ３に蓄えられている電力を用いて電源システム１００ｄを凍結から保護する。当然のことながら、バッテリ３に蓄えられる電力量は有限であり、その電力は有限時間内に消費される。そこで、容量監視装置８を設け、これによりバッテリ３の残存容量を監視する。容量監視装置８の数は任意である。例えば、バッテリ３を１つ有する電源システムの場合、容量監視装置８は１つで十分であるが、バッテリ３を２つ有する場合、１つの容量監視装置８で２つのバッテリ３の合計残存容量を監視してもよく、または、２つの容量監視装置８でそれぞれのバッテリ３の残存容量を監視してもよい。また、容量監視装置８はバッテリ３の数より多くともよい。容量監視装置８はこれらバッテリ３の残存容量の測定値を始動制御装置９へ送信する。始動制御装置９は容量監視装置８からの信号を受け、燃料電池１を制御、換言すれば、始動、または、停止させる。
【００４８】
＜動作＞
電源システム１００ｄの停止時において、温度センサ４は、第１、ないし、第３の実施形態と同様にして、測定対象の温度を監視し、測定値を加熱制御装置５に送信する。加熱制御装置５は、第１、ないし、第３実施形態と同様に、温度センサ４から送信される温度データと、加熱制御装置５に予め設定されている第１基準温度とを比較し、第１基準温度以下であれば加熱装置２を作動させる。加熱装置２には、バッテリ３から電力が供給され、加熱対象を加熱する。これにより、燃料電池１等の温度が上昇し凍結を防止することができる。
【００４９】
このような加熱装置２の作動により、バッテリ３の電力が消費される。始動制御装置９は容量監視装置８からのバッテリ３の残存容量の測定値が予め設定されている第１残存容量（例えば最大容量の２０％）を下回った場合に、燃料電池１を始動させる。なお、複数のバッテリ３を備え、複数の容量監視装置８が残存容量の監視をしている場合、複数のバッテリ３の残存容量の平均値が第１残存容量を下回るか、または、残存容量のうちの少なくとも１つが、予め設定されている第１最低残存容量を下回る場合に、始動制御装置９が燃料電池１を始動させる。ただし、複数のバッテリを備え、バッテリを順に１つずつ使用する場合は、最後のバッテリの残存容量を監視すればよく、全バッテリに監視装置を備えていても最後のバッテリの残存容量を監視し、その残存容量が第１最終残存容量、例えば５０％を下回った場合に、始動制御装置９が燃料電池１を始動させる。第１最終残存容量は複数のバッテリの全容量と、最後に消費されるバッテリの容量との比に応じて変化する。
【００５０】
燃料電池１による発電電力はバッテリ３の充電に用いられる。充電作業中において、加熱装置２への電力供給を停止する必要はないが、バッテリ３からの供給を停止させる場合には、加熱装置２への電力供給源を変更し、電力供給を燃料電池１から行ってもよい。
【００５１】
そして容量監視装置８からの測定値が、予め設定されている第２残存容量（例えば最大容量の８５％）を上回った場合、始動制御装置９は燃料電池１を停止させ、バッテリ３への充電は終了する。なお、複数のバッテリ、および、容量監視装置を備えている場合、上述した充電開始の判断と同様に、各バッテリの残存容量の平均値、および／または、特定の１個のバッテリの残存容量を用いて充電終了の判断を行う。
【００５２】
＜効果＞
本発明の第４の実施形態により、以上説明したように第３実施形態と同様の効果が得られ、さらには外部電源を必要とせずにバッテリ３の充電が可能である。よってバッテリ３の容量が小さい場合でも、自動的に燃料電池１から充電されることで、加熱装置２の維持時間はバッテリ３の容量に依存しない。したがって、本発明の電源システム単体で長時間にわたり、加熱装置２を稼動させることができ、電源システム１００の凍結を防止することができる。また、充電が自動的に停止することで燃料電池１を必要以上稼動することは無く、燃料の消費を最小限にまで抑制することができる。
【００５３】
第５の実施形態
＜構成＞
第５の実施形態に係る電源システムは、第３、または、第４の実施形態の構成にさらに停止状態切替えスイッチ７を加えた構成を有する。本実施形態には、電源システムの停止時において、加熱装置２が温度センサ４の測定値に関わりなく作動しない通常停止状態、および、加熱装置２が温度センサ４の測定値に応じて自動的に作動する稼動停止状態の２種類の停止状態が備えられている。前記停止状態切替えスイッチ７は、人為的に電源システムの前記２つの停止状態を切り替え可能とするスイッチである。
【００５４】
＜作用＞
本実施形態に係る電源システムは、操作者の判断により、凍結の恐れがない場合には停止状態切替えスイッチ７を通常停止状態にすることで、加熱手段を人為的に停止する。凍結の恐れがあると操作者が判断すれば、停止状態切替えスイッチ７を稼動停止状態とすることで、本実施形態に係る電源システムの動作は第３、または、第４実施形態と同一のものとなる。
【００５５】
＜効果＞
本実施形態に係る電源システムは、操作者が、凍結の恐れがないと判断した場合には停止状態切替えスイッチ７を用いて停止状態を通常停止状態にすることで、加熱や充電等の動作を人為的に停止することができる。これにより加熱装置２等の作動に係るバッテリ３の電力の不必要な消費を防止できる。また、第４の実施形態と組み合わせた場合にはバッテリの電力の不必要な消費、ならびに燃料の不必要な消費を防止できる。
【００５６】
なお、本発明は電解質膜を挟んでアノードとカソードを有するセルを備え、前記アノードに液体有機燃料を直接供給するとともに、前記カソードに酸化剤を気体で供給することによって発電する燃料電池、および、加熱手段を有する電源システムに関する発明である。それ以外は上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の加熱装置やバッテリ、温度センサや、加熱制御装置等の具体的な構成は、前述したものに限定されることは無く、加熱手段が作動できれば、自由に選択できる。
【実施例】
【００５７】
以下に本発明における実施例を示す。以下の全ての実施例において、燃料電池には３％メタノール水溶液を燃料とするＤＭＦＣを用い、加熱装置には電気抵抗を用いている。バッテリーを有する実施例においては、Ｌｉイオン電池をバッテリーとして使用している。なお、全ての実施例、および、比較例において同一の構成要素はその同一の機能を有するものである。
【００５８】
実施例１は第１の実施形態の構成を有する、すなわち、燃料電池、加熱手段、温度センサ、加熱制御装置、および、外部出力端子を有する電源システムである。
【００５９】
実施例２は第４の実施形態の構成を有する、すなわち、第３の実施形態の構成要素に加え、容量監視装置、および、始動制御装置を有する電源システムである。
【００６０】
また、比較例は燃料電池、および、外部出力端子のみを有する電源システムである。
【００６１】
全ての実施例において、第１基準温度を４℃、第２基準温度を７℃と設定し、また、実施例２における第１残存容量を最大容量の２０％、第２残存容量を最大容量の８５％とした。
【００６２】
電源システムの評価
第１の評価例
実施例１、および、比較例の電源システムを停止状態で−１０℃の環境に放置し、１時間後および６時間後に電源システムが起動するかを確認した。結果を表１に示す。
【００６３】
【表１】
2005032585.tif 000003
表１より、−１０℃の低温環境下では、加熱手段をもたない比較例の電源システムは起動不能になる。それに対し、加熱手段を有する実施例１の電源システムは低温環境下でも起動することができる。
【００６４】
第２の評価例
実施例２、比較例の電源システムを停止状態で−１０℃の環境に放置し、１時間後および６時間後に電源システムが起動するかを確認した。結果を表２に示す。
【００６５】
【表２】
2005032585.tif 000004
表２より、−１０℃の低温環境下では、加熱手段をもたない比較例の電源システムは起動不能になった。それに対し、加熱手段を有する実施例２の電源システムは１時間後に低温環境下でも起動することができた。また、低温環境下で長時間保存した場合、バッテリーを充電するための機能を有する実施例２では燃料電池からバッテリーへ充電が行われたため起動が可能であった。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明に係る燃料電池を用いた電源システムは、凍結防止効果を有し、移動型電源システム等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】第１の実施形態のブロック図である。
【図２】第２の実施形態のブロック図である。
【図３】第３の実施形態のブロック図である。
【図４】第４の実施形態のブロック図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  ・・  燃料電池                    ２  ・・  加熱手段
３  ・・  バッテリー                  ４  ・・  温度センサ
５  ・・  加熱制御装置                ６  ・・  外部出力端子
７  ・・  停止状態切替えスイッチ      ８  ・・  容量監視装置
９  ・・  始動制御装置              １０  ・・  燃料電池セル
１１  ・・  燃料タンク                １２  ・・  燃料供給経路
１３  ・・  酸化剤供給経路
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ    ・・・・  電源システム
１０１  ・・  電解質膜                １０２  ・・  アノード
１０３  ・・  カソード
【図１】
2005032585.tif 000005
【図２】
2005032585.tif 000006
【図３】
2005032585.tif 000007
【図４】
2005032585.tif 000008