(57)【要約】【課題】電極近傍に生成される水の除去を電池特性に合わせて効率良く行うことで、負荷変動の影響を受けることなく安定した電力を供給できる燃料電池装置を提供する。【解決手段】アノード拡散電極、カソード拡散電極及びアノード拡散電極とカソード拡散電極との間に挟持された電解質膜を有する膜電極接合体、並びに膜電極接合体を挟持すると共に、アノード拡散電極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード拡散電極との間に酸素を含むガスが通過するガス流路とを形成する一対のセパレータを備え、外部の負荷に電力を供給する燃料電池本体と、ガス流路の上流において酸素を含むガスを供給するためのガス供給手段と、ガス流路の下流においてガス流路を開閉するための流路開閉手段と、流路開閉手段を開閉する排出制御手段と、を備えている。【選択図】図１
2007134213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード拡散電極、カソード拡散電極及び該アノード拡散電極と該カソード拡散電極との間に挟持された電解質膜を有する膜電極接合体、並びに前記膜電極接合体を挟持すると共に、前記アノード拡散電極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード拡散電極との間に酸素を含むガスが通過するガス流路とを形成する一対のセパレータを備え、外部の負荷に電力を供給する燃料電池本体と、
前記ガス流路の上流において前記酸素を含むガスを供給するためのガス供給手段と、
前記ガス流路の下流において該ガス流路を開閉するための流路開閉手段と、
前記流路開閉手段を開閉する排出制御手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の大きさに基づいて定められる開閉周期で前記流路開閉手段を制御する構成を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の変更に基づいて定められる開閉周期で前記流路開閉手段を制御する構成を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記酸素を含むガスを前記ガス流路へ供給する供給量を調整するガス流量調整手段を備え、
前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の大きさに基づいて定められる開閉周期で、また、少なくとも前記負荷の大きさに基づいて定められるガス供給量となるように、前記流路開閉手段及び前記ガス流量調整手段を制御する構成を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記酸素を含むガスを前記ガス流路へ供給する供給量を調整するガス流量調整手段を備え、
前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の変更に基づいて定められる開閉周期で、また、少なくとも前記負荷の変更に基づいて定められるガス供給量となるように、前記流路開閉手段及び前記ガス流量調整手段を制御する構成を備えていることを特徴とする請求項１又は４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
第１の圧電素子をアクチュエータとし前記燃料を前記燃料流路に供給するための燃料供給手段を前記セパレータに隣接して備え、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を開いた状態では、前記第１の圧電素子は前記燃料を供給可能とする範囲の周波数Ａで駆動され、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を閉じた状態では、前記第１の圧電素子は、前記周波数Ａより高い周波数で駆動されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記ガス流路内の液体を回収するための液回収手段を備え、
前記液回収手段は、前記流路開閉手段が前記ガス流路を閉じている状態では停止していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
第２の圧電素子をアクチュエータとし前記ガス流路内の液体を回収するための液回収手段を前記セパレータに隣接して備え、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を開いた状態では、前記第２の圧電素子は前記ガス流路内の液体を回収可能とする範囲の周波数Ｂで駆動され、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を閉じた状態では、前記第２の圧電素子は、前記周波数Ｂより高い周波数で駆動されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、携帯型情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯型オーディオ、携帯型ビジュアル機器など携帯用電子機器の普及が進んでいる。従来、このような携帯用電子機器は、一次電池又は二次電池によって駆動されている。特に、二次電池としては、ニッカド電池又はリチウムイオン電池が用いられ、小型で高エネルギー密度を持つ電池が開発されている。しかし、二次電池は一定量の電力使用後に充電機器を用いて一定時間の充電をおこなう必要があるため、短い充電時間で長時間連続駆動が可能な電池が要望されている。
【０００３】
この要望に応えるため、充電を必要としない燃料電池が提案されている。燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的にエネルギーに変換する発電機である。このような燃料電池の例としては、パーフルオロカーボンスルフォン酸系の電解質を用いてアノード極で水素ガスを還元し、カソード極で酸素を還元して発電を行うという固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下、ＰＥＦＣと称する。）が知られている。このようなＰＥＦＣは、出力密度が高い電池であるという特徴を有しており、その開発が進められている。
【０００４】
ここで、ＰＥＦＣで行われている反応式を以下に示す。
アノード：Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-
カソード：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ
このようなＰＥＦＣに燃料として用いられる水素ガスは容積エネルギー密度が低く、燃料タンクの体積を大きくする必要があることや、燃料ガス、酸化ガス（空気など）を燃料電池本体（発電部）に供給する装置、電池性能を安定にするため加湿する装置などの補機が必要であり、燃料電池システムが大型になるため、携帯電子機器用の電源としては適さない。
【０００５】
一方、燃料となるメタノールから直接プロトンを取り出すことにより発電を行う直接型メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；以下、ＤＭＦＣと称する。）は、上記のＰＥＦＣと比較してその出力が小さくなるという欠点があるものの、燃料の体積エネルギー密度を上げることができ、燃料電池本体の構成が簡単になるので小型化が可能となる。このため、携帯機器用電源として注目されており、幾つかの提案がなされている。
【０００６】
ここで、ＤＭＦＣで行われている反応式を以下に示す。
アノード：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６ｅ-＋６Ｈ+
カソード：１．５Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  →  ３Ｈ2Ｏ
上記のＰＥＦＣ及びＤＭＦＣの何れの反応式が示すように、燃料電池を用いて発電することにより、カソード側では水が生成される。
【０００７】
これらの反応を連続的に行なうためには、電極へ反応物質を連続的に供給すると共に、電極付近から生成物質を取り除く必要がある。上記のどちらの燃料電池の場合も、カソードでは、酸素を連続的に供給すると共に生成物質である水を取り除く必要がある。生成物質の水を取り除かないと、水が電極付近に滞留し、電極基材の細孔を閉塞してしまい、運転効率を低下させ、場合によっては反応を停止させてしまうからである。
【０００８】
上記の生成物質である水を取り除く方法として、いくつかの方法が知られている。
【０００９】
例えば、燃料電池の出力電圧とインピーダンスを測定し、出力電圧及びインピーダンスがそれぞれ予め決められた範囲から外れた時に、（１）酸素ガスの供給量を増加させて酸素ガスの流量を増やす方法、（２）より乾燥した酸素ガスを供給して湿度の低下を図る方法、（３）酸素ガスの排出部の調整弁の開度を増大させて酸素ガスの流速を増す方法、を燃料電池の運転により電極付近に生成された余剰水を素早く除去する方法としている（特許文献１参照）。
【００１０】
また、燃料電池の空気供給の下流側に供給ガスを吸引するガス吸引手段を設け、供給ガスの圧力を制御する圧力制御手段を燃料電池の上流に設ける方法がある（特許文献２参照）。
【００１１】
更に、機械振動台に燃料電池を載せ、この燃料電池の端板に超音波振動子を備え、アノードガス及びカソードガスを供給するガス管にガスシリンダを取り付けそれぞれ吸入したガスを瞬時に間欠的に放出させる方法がある（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平７−２３５３２４号公報
【特許文献２】特開２００２−３３１１０号公報
【特許文献３】特開２００２−３０５０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記特許文献１に記載の従来技術においては、出力電圧が予め決めた値以下になって初めて、出力電圧を回復させる一連の動作に入るため出力電圧の変動が生じてしまうという問題がある。また、電圧計、インピーダンス計及び酸素ガス流量制御バルブとこれらの制御を行う制御部といった様な複雑で大掛かりな仕組みが必要とされるためこの仕組みを作動させるための電力損失が大きく、また燃料電池装置の小型化も困難である。
【００１３】
また、特許文献２に記載の従来技術においては、上記と同じく出力電圧が下限値を超えて初めて、出力電圧を回復させる一連の動作に入るため、出力電圧の変動が生じてしまう問題がある。また、常時ガス吸引手段が稼働され、供給ガスの圧力は常に負圧状態となっているため、本来必要な酸素も吸引されてしまい、ガス濃度低下、利用効率の低下を招く。このシステムをＤＭＦＣに当てはめた場合、アノード極側の燃料の膜透過が促進されカソード極で酸化反応することで触媒を劣化させる恐れがある。
【００１４】
更に、特許文献３には、一定の運転条件下の連続運転により発生する水による電池性能の低下を押さえることのみが開示されており、電池の運転状態に応じて生成される水量に対応する排出方法は示されてない。
【００１５】
本発明は、これらの問題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の運転に伴い電極近傍に生成される水の除去を電池特性に合わせて効率良く行うことで、負荷変動の影響を受けることなく安定した電力を供給できる燃料電池装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題は、以下の構成により解決される。
【００１７】
１．  アノード拡散電極、カソード拡散電極及び該アノード拡散電極と該カソード拡散電極との間に挟持された電解質膜を有する膜電極接合体、並びに前記膜電極接合体を挟持すると共に、前記アノード拡散電極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード拡散電極との間に酸素を含むガスが通過するガス流路とを形成する一対のセパレータを備え、外部の負荷に電力を供給する燃料電池本体と、
前記ガス流路の上流において前記酸素を含むガスを供給するためのガス供給手段と、
前記ガス流路の下流において該ガス流路を開閉するための流路開閉手段と、
前記流路開閉手段を開閉する排出制御手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
【００１８】
２．  前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の大きさに基づいて定められる開閉周期で前記流路開閉手段を制御する構成を備えていることを特徴とする１に記載の燃料電池装置。
【００１９】
３．  前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の変更に基づいて定められる開閉周期で前記流路開閉手段を制御する構成を備えていることを特徴とする１又は２に記載の燃料電池装置。
【００２０】
４．  前記酸素を含むガスを前記ガス流路へ供給する供給量を調整するガス流量調整手段を備え、
前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の大きさに基づいて定められる開閉周期で、また、少なくとも前記負荷の大きさに基づいて定められるガス供給量となるように、前記流路開閉手段及び前記ガス流量調整手段を制御する構成を備えていることを特徴とする１に記載の燃料電池装置。
【００２１】
５．  前記酸素を含むガスを前記ガス流路へ供給する供給量を調整するガス流量調整手段を備え、
前記排出制御手段は、少なくとも前記負荷の変更に基づいて定められる開閉周期で、また、少なくとも前記負荷の変更に基づいて定められるガス供給量となるように、前記流路開閉手段及び前記ガス流量調整手段を制御する構成を備えていることを特徴とする１又は４に記載の燃料電池装置。
【００２２】
６．  第１の圧電素子をアクチュエータとし前記燃料を前記燃料流路に供給するための燃料供給手段を前記セパレータに隣接して備え、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を開いた状態では、前記第１の圧電素子は前記燃料を供給可能とする範囲の周波数Ａで駆動され、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を閉じた状態では、前記第１の圧電素子は、前記周波数Ａより高い周波数で駆動されることを特徴とする１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【００２３】
７．  前記ガス流路内の液体を回収するための液回収手段を備え、
前記液回収手段は、前記流路開閉手段が前記ガス流路を閉じている状態では停止していることを特徴とする１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【００２４】
８．  第２の圧電素子をアクチュエータとし前記ガス流路内の液体を回収するための液回収手段を前記セパレータに隣接して備え、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を開いた状態では、前記第２の圧電素子は前記ガス流路内の液体を回収可能とする範囲の周波数Ｂで駆動され、
前記流路開閉手段が前記ガス流路を閉じた状態では、前記第２の圧電素子は、前記周波数Ｂより高い周波数で駆動されることを特徴とする１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【発明の効果】
【００２５】
請求項１に記載の発明によれば、ガス供給手段がガスを供給しているガス流路で、排出制御手段が流路開閉手段でもってガス流路を閉じてガス流路内のガスの圧力を大きくすることでカソード拡散電極内にガスを送り込み、この後、ガス流路を開いてガス流路内のガスの圧力を小さくすることでカソード拡散電極内のガスをガス流路内に噴出させて、このガス噴出に伴ってカソード拡散電極近傍に生成される水をガス流路内に排出させることが出来る。また、排出制御手段が制御する上記の流路開閉手段の開閉動作を負荷の大きさが変わる時期に合わせ、また負荷の大きさに応じた周期に設定することを可能とすることができる。よって、カソード拡散電極近傍に負荷の大きさに応じて生成量が変わる水を負荷の大きさに応じて、また負荷の大きさの変化に遅れることなく除去することを可能とすることができる。
【００２６】
従って、燃料電池の運転に伴い電極近傍に生成される水の除去を電池特性に合わせて効率良く行うことが出来、負荷変動の影響を受けることなく安定した電力を供給できる燃料電池装置を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明に係わる実施形態の一例の燃料電池装置の構成を図１に示す。図１（Ａ）に示す燃料電池装置Ａは、燃料電池として直接型メタノール（ＤＭＦＣ）燃料電池を採用しており、この燃料電池１に燃料液供給部Ｆから燃料液を供給して発電させることができる。また、図１（Ｂ）は、燃料電池１の内部構造を拡大して模式的に示す図である。
【００２８】
燃料電池１は、図１（Ｂ）に示す様に電解質膜１１の両面にアノード拡散電極（以下、アノードと称する。）１２とカソード拡散電極（以下、カソードと称する。）１３を接合したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）構造のもので、アノード１２にはセパレータＡ１４を貼り合わせて燃料流路１４０が形成され、カソード１３にもセパレータＢ１５を貼り合わせてガス流路である空気流路１５０が形成されている。
【００２９】
ここでは、アノード１２は電解質膜１１に接する触媒層（例えば白金黒或いは白金合金
をカーボンブラックに担持させたもの）とこれに積層されたカーボンペーパ等の拡散電極からなり、カソード１３も電解質膜１１に接する触媒層とこれに積層された同様の拡散電極からなっている。
【００３０】
セパレータＡ１４は、燃料液供給口１４１及び余剰燃料液回収口１４２に通じる燃料流路１４０を有しており、燃料液供給部Ｆから燃料供給口１４１に供給される燃料液を燃料流路１４０に通すことでアノード１２の全体に分散供給する機能を有している。
【００３１】
セパレータＢ１５は、空気流路１５０を有しており、その上流には空気供給口１５２が、下流に排出口１５１が設けられ、ガス供給手段である空気ポンプＡＰから供給される空気を空気供給口１５２に供給することでカソード１３の全体に分散供給する機能を有している。更に、セパレータＢ１５は、空気に含まれる酸素とアノード１２側から供給されるプロトンとの、触媒の存在下での、電気化学反応によりカソード１３近傍で生成される水、アノード１２側から電解質膜１１を通過してカソード１３側へ移動してくることがある液及び供給される空気のうち反応しなかったガスを、空気流路１５０を通じてカソード１３の全体から回収する機能も有しており、これらの回収されたガスや液は空気流路１５０の下流に位置する排出口１５１からセパレータＢ１５の外に排出される。
【００３２】
空気ポンプＡＰは、セパレータＢ１５外の空気を吸入し、空気供給口１５２に供給するように設けられており、空気の吸入、送出可能なものであれば特に限定されない。
【００３３】
燃料液供給部Ｆは、高濃度燃料液（本例では、略１００％濃度のメタノール）を収容す
る燃料液容器Ｃ１に接続された高濃度燃料液供給路Ｌ１、及び希釈液（本例では水又は水を主成分とする液）を収容する容器Ｃ２に接続された希釈液供給路Ｌ２を含んでいる。
【００３４】
高濃度燃料液供給路Ｌ１には、その途中に、燃料液容器Ｃ１の高濃度燃料液を送り出すためのポンプＭＰ１を接続してあり、希釈液供給路Ｌ２には、その途中に、容器Ｃ２内の希釈液を送りだすポンプＭＰ２を接続してある。
【００３５】
供給路Ｌ１、Ｌ２は合流部Ｌ３で合流しており、この合流部Ｌ３から気液分離器Ｆ２を介して燃料流路１４の燃料供給口１４１に接続されている。
【００３６】
気液分離器Ｆ２は、希釈混合により発生するガスがセパレータＡ１４に供給されるのを防止するためとアノード１２側で発生するガスが燃料供給口１４１から混合流路Ｌ４の方へ入り込むことを防止するためのもので、ここで気液を分離して外部へ放出する。
【００３７】
燃料電池１のセパレータＡ１４の余剰燃料液回収口１４２は、液回収路Ｌ５で希釈液収容容器Ｃ２に連通している。液回収路Ｌ５は、アノード１２側で使用され、メタノール濃度が低下した余剰の燃料液等の液体を容器Ｃ２へ導くものである。
【００３８】
また、余剰燃料液回収口１４２と希釈液収容容器Ｃ２との間に、余剰燃料液回収口１４２から流出してくる液体からガスを分離して外部へ放出する気液分離器Ｆ１が接続されている。
【００３９】
燃料電池１のセパレータＢ１５の排出口１５１は、これに通じる流路を開閉できる流路開閉手段であるバルブＢ１と気液分離器Ｆ３を介して液回収路Ｌ６にて希釈液収容容器Ｃ２へ接続されており、その途中に液回収手段であるポンプＭＰ３が接続されている。気液分離器Ｆ３は排出口１５１から排出され液体及びガスのうちガスを分離放出するためのものである。バルブＢ１に関しては、以降で説明する。
【００４０】
図１の燃料電池装置Ａは、ポンプＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３と空気ポンプＡＰ及びバルブＢ１の駆動回路及びこれら駆動回路を制御する制御部２を含んでいる。制御部２の指示のもとにポンプ駆動回路が各ポンプを駆動することで、ポンプＭＰ１により燃料液容器Ｃ１から高濃度燃料液を合流部Ｌ３へ送るとともに、ポンプＭＰ２により希釈液収容容器Ｃ２から希釈用液を合流部Ｌ３へ送り、これら液体を引き続き混合流路Ｌ４において混合し、得られる希釈された燃料液（例えば約３％のメタノール水溶液）を燃料電池１に供給し、発電に供し、負荷ＬＤに電力が供給される。
【００４１】
燃料電池１における電気化学反応によりカソード１３側に生成される水や、アノード１
２側から電解質膜１１を通過してカソード１３側へ到来することがある液体は、ポンプＭ
Ｐ３が駆動されることでセパレータＢ１５から希釈液収容容器Ｃ２へ回収される。なお、燃料電池装置Ａの使用開始当初には、希釈液収容容器Ｃ２に初期水を収容しておけばよい。更に、制御部２は、負荷ＬＤからの負荷の変更時期と大きさを受けて、予め設定されている制御手順に従いバルブＢ１及びポンプＡＰを制御する排出制御手段である排出制御部２ａを含んでいる。この排出制御部２ａは、例えばプログラムで制御されるマイクロコンピュータ等で構成しても良い。
【００４２】
ここで、バルブＢ１に関して説明する。バルブＢ１は排出口１５１に通じる流路を排出制御部２ａからの指示により瞬時に閉じたり開いたりすることができる機能を有するものであれば良く、本実施形態では電磁弁を用いている。燃料電池装置Ａにおいて、バルブＢ１を開いた状態で運転を継続すると、燃料や酸素である反応物質が十分に供給され、且つ負荷状態に変化がないにもかかわらず出力電圧が低下してしまう。これは、電気化学反応によりカソード１３近傍で生成される水が、カソード１３近傍に滞留し、カソード１３の電極基材の細孔（拡散層）を閉塞してしまうため電気化学反応が次第に困難になっていくためである。従って、燃料電池装置Ａを連続運転する場合において出力電圧を安定させるためには、この電極基材の細孔を閉塞する水を取り除く必要がある。
【００４３】
発明者の実験により運転を継続して出力電圧が低下した燃料電池装置Ａにおいて、バルブＢ１を一旦閉じた状態にした後開くと、バルブＢ１より水が吐出されるとともに今まで低下していた出力電圧が一時的に回復することが分かった。
【００４４】
これは、空気ポンプＡＰにより空気がセパレータＢ１５の空気流路１５０に圧を持って供給されていることから、バルブＢ１が瞬時に閉じられることで空気流路１５０内の空気圧が急激に増加する。この空気圧によって、カソード１３の電極基材の細孔に空気が押し込まれ、この後バルブＢ１が瞬時に開かれることによりこれまで増加していた空気圧が一気に下がることで細孔に押し込まれていた空気が水を伴って空気流路１５０内に排出されて、最終的に空気流路１５０の下流に位置する排出口１５１より勢いよく排出されるためと考えられる。
【００４５】
発明者はこの現象に着目して、燃料電池装置Ａを運転する際に、バルブＢ１の間欠的な開閉を継続して行う方法を適用することで、継続的に生成され且つ電極基材の細孔を閉塞する水を間欠的且つ継続して取り除くことで出力電圧の低下が生じないようにした。
【００４６】
図２は、バルブＢ１の開閉及び空気流路１５０内の圧力と時間との関係を模式的に示した図である。図２（Ａ）が示す様にバルブＢ１がＴ１で閉じられると、空気ポンプＡＰから供給される空気圧により、図２（Ｂ）に示す様に空気流路１５０内の圧力Ｐは上昇して行き、これに並行して、カソード１３の電極基材の細孔を閉塞していた水が細孔に押し込められて行く。この時、空気流路１５０内の圧力Ｐは、バルブＢ１を閉じない状態での圧力より高くする必要があるが、高すぎると電解質膜１１が劣化することで燃料電池装置の寿命低下となることが懸念されるため、空気ポンプＡＰの能力、空気流路１５０の容量及びその構造等からバルブＢ１の閉じる期間Ｔａ（＝Ｔ２−Ｔ１）を設定することで適宜決めればよい。尚、本実施形態においては、この期間Ｔａは１秒としている。
【００４７】
空気流路１５０内の圧力が適当な値に上昇した時点Ｔ２で、バルブＢ１を急激に開くと、空気圧が一気に下がることで細孔に押し込まれていた空気が水を伴って空気流路１５０に排出されて、最終的に排出口１５１から排出される。
【００４８】
また、図３は、燃料電池装置Ａが発生する電流密度とカソード１３近傍で生成される水量との関係を模式的に示した図である。この図３に示される様に、燃料電池装置Ａの発電量が大きくなるにつれて生成される水の量が多くなる。よって、燃料電池装置Ａが電力を供給する負荷が大きくなるとより多くの水が生成され、より短時間にカソード１３の電極基材の細孔を閉塞してしまい、出力電圧の低下を招くことになる。
【００４９】
これに対応するために、図２（Ａ）で示したバルブＢ１の開閉周期Ｔｃ（＝Ｔ３−Ｔ１）を図４の実線４−１で示すように、負荷が大きくなる場合は開閉周期Ｔｃを短く、負荷が小さくなる場合は開閉周期Ｔｃを長くするといった、負荷の大きさに応じて変化させれば良い。従って、例えば負荷が大きくなるに従いバルブＢ１の開閉周期Ｔｃを短くし、負荷が大きくなるに従い生成される量が増加する水を効率良く空気流路１５０の外に排出することで、出力電圧が低下することなく安定した電力を供給することが出来る。この開閉周期Ｔｃは、上記のバルブＢ１を閉じる期間Ｔａ、燃料電池の容量、負荷の大きさ及び負荷の変動幅等により適宜決めればよい。尚、本実施形態においては、開閉周期Ｔｃの可変範囲は１．５秒から１０秒としている。また、負荷の大きさに対応してバルブＢ１の開閉周期Ｔｃを決める場合、燃料電池装置Ａが電力を供給する対象の負荷の変化に応じて、連続的に開閉周期を変えるようにしても良いし、負荷の大きさをいくつかに分類して離散的に開閉周期を変えるようにしても良い。負荷の大きさを３つに分類し、バルブＢ１の開閉周期Ｔｃを３段階とした例を図４に破線４−２にて示している。
【００５０】
ここで制御部２は、燃料電池装置Ａが電力を供給する負荷から受ける変更負荷の変更時期と大きさに基づいてバルブＢ１を制御する排出制御部２ａを有している。この排出制御部２ａは、例えばマイクロコンピュータを用いて、負荷より負荷が変化する時期と変化後の負荷の大きさを得ると、予め実験等で得ている燃料電池１が持つ特性より、予め決めたおいたバルブＢ１を閉じる期間Ｔａと負荷の大きさより算出又は参照テーブル等により開閉周期Ｔｃを求め、この閉じる期間Ｔａ及び開閉周期Ｔｃに従ってバルブＢ１の開閉制御を行うように構成されている。
【００５１】
例えば特許文献１で示した様な燃料電池では、出力電圧に注目した場合図５の破線が示す様に、時期Ｔｆで負荷の変動、例えば負荷が大きくなることでカソード近傍で生成される水の増加により出力電圧が低下して行き、出力電圧値が一定量低下した出力電圧値Ｖｃに達したことを例えば燃料電池の出力に設けた電圧計等により検知した時点Ｔｓより初めて生成される水の排出を開始していたため、出力電圧が変動することになる。
【００５２】
本実施形態においては、この排出制御部２ａにより負荷が変動する時期Ｔｆに合わせて、負荷の大きさにより生成される水の量を考慮した水の排出制御が開始されることになり、図５の実線が示す様に負荷変動による出力電圧の変動を生じることなく安定した電力を供給することが出来る。
【００５３】
上記で説明したカソード１３の電極基材の細孔を閉塞していた水の除去方法は、図６（Ａ）に示すように空気供給ポンプＡＰから供給される空気量は一定として、バルブＢ１の開閉周期を制御しているが、図６（Ｂ）や（Ｃ）の様に排出制御部２ａにバルブＢ１の開閉の制御にガス流量調整手段として空気ポンプＡＰの流量制御を加えることは、制御対象が増えるものの、バルブＢ１の開閉周期の可変幅を比較的狭くすることができ、またガス流路調整の幅も広くする必要がない。従って、バルブＢ１や空気ポンプＡＰの制御を容易とすることができ、また空気流路１５０内の圧力を低く抑えることで電解質膜１１の劣化が抑えられることなるので好ましい。
【００５４】
図６（Ｂ）に示す制御例では負荷の範囲を３つに分類し、それに応じて空気流量を３段階可変とし、バルブＢ１の開閉周期は、３分割された負荷の範囲内での負荷の変化量に応じて連続的に可変させる方法としている。
【００５５】
また、図６（Ｃ）に示す制御例では上記と同様に負荷の範囲を３分類し、それに応じてバルブＢ１の開閉周期を３段階可変とし、空気流量は３分割された負荷範囲内での負荷の変化量に応じて連続的に可変させる方法としている。いずれの方法を用いてもカソード１３の電極基材の細孔を閉塞していた水を除去する効果は同等であることから燃料電池装置１や負荷ＬＤの特性に応じて上記の組み合わせ、負荷範囲の分割数、連続可変とするか離散的可変とするか等を適宜選択すればよい。
【００５６】
尚、閉塞した水を取り除く方法として、ガス流量を大幅に増やすことが考えられるが、上記で説明した電解質膜の劣化に加えて、空気の供給圧を増加させるための空気ポンプの容量の増加、セパレータ等の燃料電池本体の機械的強度の増加による装置の大型化等の問題が生じることから好ましくない。
【００５７】
また、燃料供給部ＦにおけるポンプＭＰ１、ポンプＭＰ２、カソード側のポンプＭＰ３は、送液可能なものであればよく、例えば圧電素子で駆動するダイヤフラム式のマイクロポンプ（特開２００１−３２２０９９号公報）を用いることが出来る。この圧電素子を用いたマイクロポンプを利用する場合、このポンプを燃料電池のセパレータに近い外壁等に設けるのが好ましい。
【００５８】
これらのポンプは、バルブＢ１が開いている状態では、通常の燃料や希釈液の送液や液の回収をおこなうポンプとして機能させて燃料電池装置Ａの電力供給を安定して行い、バルブＢ１が閉じている状態では、高周波振動源として機能させて、カソードの電極基材の細孔を閉塞している水の除去を空気流路１５０内の加圧に加えてこれらの圧電素子による高周波振動を燃料電池本体１、特にセパレータＢ１５に加えることでより効果的におこなうことが出来る。これらマイクロポンプの圧電素子に印加する周波数は、ポンプとして機能させる場合は、例えば３ｋＨｚから１０ｋＨｚ程度の範囲、高周波振動源として機能させる場合は、２０ｋＨｚ以上とするのが好ましい。
【００５９】
また、本実施形態による生成水の除去方法によれば、排出口１５１から水が排出されるのはバルブＢ１が開いた直後のしばらくの間であることから、排出される液体を回収するポンプＭＰ３は連続的に運転する必要はなく、バルブＢ１が開いている期間内に運転すれば良い。こうすることで、ポンプＭＰ３の稼働時間を少なくすることで燃料電池装置Ａの消費電力を押さえることが出来る。
【実施例】
【００６０】
（実施例１）
図１に示す構成と同じ燃料電池装置Ａを、当初の負荷を５０ｍＡ／ｃｍ2の一定負荷の下で、燃料及び希釈液の供給ポンプであるポンプＭＰ１及びポンプＭＰ２は一定の燃料を供給し続け、この間の空気ポンプＡＰからの空気供給も一定で供給する状態とし連続運転した。この時、バルブＢ１の閉じる期間Ｔａを１秒、開閉周期Ｔｃを６秒とした。この燃料電池装置が安定して電力を供給している状態で、図７で示す時間Ｐ１にて負荷を１００ｍＡ／ｃｍ2に増加させた。燃料電池装置Ａは、負荷より負荷の変更時期と大きさを制御部２の排出制御部２ａが受けて予め設定された負荷の大きさとバルブＢ１の開閉周期Ｔｃとの関係より、バルブＢ１の開閉周期Ｔｃを当初の６秒より３秒に変更した。この結果の出力電圧の変化を図７の実線で示す。この結果が示すように燃料電池装置Ａは、負荷が変化したにもかかわらず出力電圧の変動が生じることなくほぼ一定に保たれていた。
【００６１】
参考例として、同じ燃料電池装置Ａを用いて、負荷を５０ｍＡ／ｃｍ2から１００ｍＡ／ｃｍ2に切り替えたにもかかわらず、負荷の情報（負荷の変更時期と大きさ）が排出制御部２ａが受けられないようにし、バルブＢ１の開閉周期Ｔｃは当初の６秒に維持された状態で運転を続け、約７分経過後のＰ２の時点にて負荷が切り替わった情報を排出制御部２ａが受けて場合の出力電圧の変化を図７の破線で示す。この結果が示すように、負荷が増加した時点Ｐ１で、出力電圧が低下し始め、負荷が切り替わった情報を受けた時点Ｐ２で出力電圧が回復を開始し、回復後安定した状態となっていることが分かる。
【００６２】
従って、負荷変動に対して、負荷が変化する時期と変化後の負荷の大きさを排出制御部２ａが受けてバルブＢ１の開閉周期Ｔｃを制御することで、燃料電池装置Ａは安定した電力を供給できることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】燃料電池装置の一例の構成を示す図である。
【図２】バルブ開閉と空気流路内の圧力との関係を模式的に示した図である。
【図３】燃料電池装置が発生する電流密度とカソード近傍で生成される水量との関係を模式的に示した図である。
【図４】負荷の大きさとバルブＢ１の開閉周期との関係を示す図である。
【図５】燃料電池装置の出力電圧の安定に関する例を説明する図である。
【図６】本実施形態で示すカソード近傍に生成された水の除去方法の例を説明する図である。
【図７】実施例における燃料電池装置の出力電圧の状態を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１  燃料電池
２  制御部
２ａ  排出制御部
１１  電解質膜
１２  アノード拡散電極（アノード）
１３  カソード拡散電極（カソード）
１４  セパレータＡ（燃料流路を形成している）
１５  セパレータＢ（ガス流路を形成している）
１４０  燃料流路
１４１  燃料液供給口
１４２  余剰燃料液回収口
１５０  ガス流路
１５１  排出口
１５２  空気供給口
Ａ  燃料電池装置
Ｂ１  バルブ
Ｃ１  燃料液容器
Ｃ２  希釈液収容容器
ＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３  マイクロポンプ
ＡＰ  空気ポンプ
Ｆ  燃料液供給部
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３  気液分離器
Ｌ１  燃料液供給路
Ｌ２  希釈液供給路
Ｌ３  合流部
Ｌ４  混合流路
Ｌ５、Ｌ６  液回収路
ＬＤ  負荷
【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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