(57)【要約】【課題】燃料電池の起動時及び停止時における制御に際し、使用環境における外気温の影響を抑制することができ、簡略な構成によってこれらの制御を行うことが可能となる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料極と酸化剤極とを含む発電部を備えた燃料電池１１と、該燃料電池に燃料を供給する燃料タンク１２と、を有する燃料電池システムにおいて、  前記燃料極と酸化剤極との間に、抵抗体を接続または接続解除する負荷接続手段１４を備え、  前記負荷接続手段による抵抗体の接続または接続解除が、前記燃料電池の発電部の温度、前記燃料タンクの温度、あるいは外気温度、のいずれかの間の温度差を電力に変換する熱電変換素子１５の起電力に基づいて行なわれる構成とする。【選択図】            図１
2007317517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極とを含む発電部を備えた燃料電池と、該燃料電池に燃料を供給する燃料タンクと、を有する燃料電池システムであって、
前記燃料極と酸化剤極との間に、抵抗体を接続または接続解除する負荷接続手段を備え、
前記負荷接続手段による抵抗体の接続または接続解除が、前記燃料電池の発電部の温度、前記燃料タンクの温度、あるいは外気温度、のいずれかの間の温度差を電力に変換する熱電変換素子の起電力に基づいて行なわれることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記熱電変換素子により発生した起電力によって、前記負荷接続手段を駆動することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記負荷接続手段は、前記熱電変換素子に発生した起電力によって抵抗体を接続または接続解除するスイッチ手段を備えていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記スイッチ手段は、前記熱電変換素子の起電力が予め定められた値以下において前記抵抗体を接続状態とし、
前記熱電変換素子の起電力が予め定められた値以上において前記抵抗体を接続解除状態とする、スイッチ手段であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記熱電変換素子に発生した起電力によって、前記負荷接続手段を制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、熱電変換素子の起電力が予め定められた値以下において前記抵抗体を接続状態に制御し、熱電変換素子の起電力が予め定められた値以上において前記抵抗体を接続解除状態に制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記熱電変換素子は、前記燃料電池の発電部と前記燃料タンクとの間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記熱電変換素子は、前記燃料電池の発電部の温度と外気温度との温度差、または前記燃料タンクの温度と外気温度との温度差を、電力に変換できる位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックで構成され、前記抵抗体が各々の燃料電池セル毎に接続されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料タンクは、高圧水素あるいは水素吸蔵合金に吸蔵された水素が充填される燃料タンクであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池の起動時及び停止時における制御を温度に基づいて行う燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）、ノートＰＣ、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラなどの携帯用電子機器は、多機能化や処理情報量の増大化が進み、消費電力量が益々大きくなってきている。
そのため、搭載電池の高エネルギー密度化が強く要望されている。
燃料電池は、水素と酸素を化学反応させて得られる化学エネルギーを、直接電気エネルギーに変換するものである。
このような燃料電池は、水素自身のエネルギー密度が高いこと、酸素を外気から取り入れるためカソード側の活物質を持たなくて良いこと、等から体積あたり・重量あたりのエネルギー容量を、従来の電池に比べて飛躍的に高めることができる。
【０００３】
中でも、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、フレキシブルなポリマー膜を電解質とする全固体型のため、ハンドリング性が良く、構造はシンプルであり、低温作動で起動停止が早いなどの特徴を有している。このようなことから、携帯用電子機器搭載用に適していると言える。
固体高分子型燃料電池は、基本的にはプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜、及びその両面に配置された一対の電極からなる。
電極は、白金あるいは白金族金属触媒からなる触媒層、触媒層の外面に形成されたガス供給と集電を担うガス拡散電極から構成される。
この電極および固体高分子電解質膜を一体化させたものを膜電極接合体（ＭＥＡ）と言い、一方の電極に燃料（水素）を、他方に酸化剤（酸素）を供給することで発電が行われる。
【０００４】
一組の膜電極接合体の理論電圧は約１．２３Ｖで、通常の運転状態においては０．７Ｖ程度で使用されることが多い。
そのため、より高い起電圧を必要とする場合には、複数のセルを積層し、各セルを電気的に直列化して用いられる。
このような積層構造は燃料電池スタックと呼ばれ、通常、スタック内では、酸化剤流路と燃料流路はセパレータと呼ばれる部材によって隔離されている。
燃料電池の燃料としては種々のものが挙げられ、メタノールなどの液体燃料を直接供給する方式、純水素を供給する方式、液体燃料を改質して水素を燃料極へ供給する方式などがある。
携帯電子機器用には、出力が高く小型化に有利である点から水素供給方式が好ましいと言える。
【０００５】
燃料電池システムの運転では、起動時と停止時に燃料電池の燃料極と酸化剤極との間に抵抗体を接続する制御方法が従来から提案されている。
燃料電池の起動時においては、安定した電気特性を得るために、固体高分子電解質を速やかに加湿する必要がある。
固体高分子電解質膜には、プロトン伝導性、ガスバリアー性、電子絶縁性、化学・電気化学的安定性、耐熱性、高い機械的強度、等々の要求特性が必要とされている。
これらの要求に対しては、特にパーフルオロスルホン酸系のイオン交換樹脂が適しており、広く使われている。
これらパーフルオロスルホン酸系の固体高分子電解質では、プロトンの伝導には同伴水が必要である。
このため、固体高分子電解質が乾燥状態で含水率が低い場合には、低いプロトンの伝導性を示し、湿潤状態で含水率が高い場合には、高いプロトンの伝導性を示す。
固体高分子電解質膜のプロトン伝導性は燃料電池の内部抵抗の大きなウェートを占め、発電特性に与える影響は大きい。そのため、固体高分子電解質の含水率を高め湿潤状態にもっていくための工夫が不可欠である。
燃料電池では、燃料極で発生したプロトンは、固体高分子電解質膜中を水の同伴で酸化剤極側に向かって移動（電気浸透）するが、酸化剤極では水の生成反応が生じるため、膜内に水の濃度勾配が生じる。このため、酸化剤極から燃料極へ向かっての水の逆拡散が起こり、これが電解質膜の湿潤に寄与している。前記現象を有効に利用するために、薄い電解質膜を用いて、発電による生成水の逆拡散を促し、加湿する手法が好ましい。
【０００６】
駆動により電解質膜を速やかに加湿し、電気特性を定常状態にもっていくためには、小電流密度では時間を要する上に十分な活性化がなされないことから、セルに拡散限界電流域に近い大電流密度を通電する必要がある。しかし、電解質膜の含水率が少なく内部抵抗が高い状態で大電流密度を通電すると、プロトンの供給律速により、セルの発電能が追いつかないことから、転極が生じる恐れがある。
そこで、燃料電池の起動時に、電子機器への電力供給を行なう前に、燃料電池の燃料極と酸化剤極との間に抵抗体を接続する。
両極間に抵抗体を接続することで、発電による短絡電流が流れるが、この時に酸化剤極に生じる生成水が電解質膜を加湿させ、燃料電池の電気特性を安定させる。
抵抗体に接続させることは強制負荷ではないため、燃料電池の活性化の状態に応じた最大電流が短絡電流として流れることになり、転極が生じるおそれはない。燃料電池の活性化の判断を待って、発電を電子機器への電力供給に切り替えることで安定的な動作を可能とする。
【０００７】
また、燃料電池の停止時においては、劣化抑制のために、残留する燃料を消費する必要がある。
固体高分子型燃料電池においては、燃料電池の運転を停止した状態（燃料電池の出力端子と付加とを接続する回路を開放した状態）で燃料極及び酸化剤極の供給ガスを残留状態のままで放置しておくと、触媒燃焼などを引き起こす。
すなわち、ガスを残留状態のままで放置しておくと、一方の電極から電解質膜を透過して他方の電極へと到達するクロスリークが生じ、触媒燃焼などを引き起こすこととなる。
また、燃料が残留して燃料極と酸化剤極との間に電位差が生じている場合、電位差によっては、その状態に放置しておくことで触媒や電解質などの構成材料の劣化がより促進されることが知られている。
そこで、燃料電池の停止時においては、上記劣化を防止するために、燃料電池の燃料極と酸化剤極との間に抵抗体を接続する。両極間に抵抗体を接続することで残留する燃料の速やかな消費・除去が可能となる。
【０００８】
携帯電子機器向けの小型の燃料電池システムにおいては、システムの大型化を招かないためにも、これら起動時及び停止時の制御を、同一な機構で行う必要がある。また、該制御をパッシブな機構で行うことがより好ましい。
従来において、このような燃料電池の起動時及び停止時における制御を、絶対温度に基づいて行う提案がなされている。
例えば、特許文献１では、燃料電池の燃料極と酸化剤極との間に、常温で導電性を示すと共に、常温よりも高い所定の温度で非導電性を示す部材を接続するようにした燃料電池が提案されている。
これら燃料電池の燃料極と酸化剤極との間を接続する部材には、チタン酸バリウムなどを成分とするＰＴＣ部材（ＰＴＣサーミスタ等の温度可変抵抗体）が用いられる。
また、特許文献２では、燃料電池の燃料極と酸化剤極との間にバイメタルなどの温度スイッチを有した負荷回路を接続する。そして、該スイッチは常温ではスイッチを閉じた状態とするとともに常温よりも高い所定の温度でスイッチを開いた状態とする燃料電池システムの起動装置が提案されている。
【０００９】
上記特許文献１、２の従来例のものにおいては、燃料電池の起動時及び停止時における制御が、絶対温度に基づいてつぎのように行われる。
燃料電池は起動時において、燃料極と酸化剤極との間に抵抗体が接続された状態から自己発電を開始し、発電に伴う発熱により燃料電池が所定の温度（絶対温度）以上になると抵抗体の接続が自動的に解除される。この所定の温度（絶対温度）以上においては、抵抗体の接続が解除された状態が維持される。
また、燃料電池の停止時において、燃料電池の温度が低下し、所定温度（絶対温度）以下になると、燃料電池の燃料極と酸化剤極との間に抵抗体が自動的に接続される。
【特許文献１】特開２００５−３２７５８７号公報
【特許文献２】特開２００５−１６６５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１、２の従来例のものにおいては、燃料電池の起動時及び停止時における制御が、前述したように絶対温度に基づいて行われるものであることから、使用環境における外気温の影響に左右されるという問題を有している。
携帯電子機器への搭載を考えた場合、燃料電池は室内外、季節を問わず使用される。そのため、夏季及び冬季の気温差を考慮した設計が必要であるが、制御の所定温度は少なくとも夏季気温以上に設定されなければならない。
そのため、外気温によって所定温度に到達するまでの時間と燃料消費に大きく差が生じてくることになる。
仮に、外気温が氷点下からの起動に対して制御の所定温度を６０℃に設定した場合、低出力を目して設計された小型の燃料電池では、発熱量の小ささから所定温度にまで到達できない可能性が生じてくる。
また、高出力を目して設計され、発熱量が大きな燃料電池であっても、所定温度に到達するまでにかなりの時間と燃料の消費を抱えることになる。これらは、固体高分子電解質の湿潤による電気特性の安定化を図るために消費されるにしては過分であり、無駄な消費と言える。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑み、燃料電池の起動時及び停止時における制御に際し、使用環境における外気温の影響を抑制することができ、簡略な構成によってこれらの制御を行うことが可能となる燃料電池システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成した燃料電池システムを提供するものである。
本発明の燃料電池システムは、燃料極と酸化剤極とを含む発電部を備えた燃料電池と、該燃料電池に燃料を供給する燃料タンクと、を有する燃料電池システムであって、
前記燃料極と酸化剤極との間に、抵抗体を接続または接続解除する負荷接続手段を備え、
前記負荷接続手段による抵抗体の接続または接続解除が、前記燃料電池の発電部の温度、前記燃料タンクの温度、あるいは外気温度、のいずれかの間の温度差を電力に変換する熱電変換素子の起電力に基づいて行なわれることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記熱電変換素子により発生した起電力によって、前記負荷接続手段を駆動することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記負荷接続手段が、前記熱電変換素子に発生した起電力によって抵抗体を接続または接続解除するスイッチ手段を備えていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記スイッチ手段が、前記熱電変換素子の起電力が予め定められた値以下において前記抵抗体を接続状態とし、
前記熱電変換素子の起電力が予め定められた値以上において前記抵抗体を接続解除状態とする、スイッチ手段であることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記熱電変換素子に発生した起電力によって、前記負荷接続手段を制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、熱電変換素子の起電力が予め定められた値以下において前記抵抗体を接続状態に制御し、熱電変換素子の起電力が予め定められた値以上において前記抵抗体を接続解除状態に制御することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記熱電変換素子が、前記燃料電池の発電部と前記燃料タンクとの間に配置されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記熱電変換素子が、前記燃料電池の発電部の温度と外気温度との温度差、または前記燃料タンクの温度と外気温度との温度差を、電力に変換できる位置に配置されていることを特徴とする
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池が、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックで構成され、前記抵抗体が各々の燃料電池セル毎に接続されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料タンクが、高圧水素あるいは水素吸蔵合金に吸蔵された水素が充填される燃料タンクであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池の起動時及び停止時における制御に際し、使用環境における外気温の影響を抑制することができ、簡略な構成によってこれらの制御を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
つぎに、本発明における実施の形態について説明する。
本実施の形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池の燃料極と酸化剤極との間に抵抗体を接続する、あるいは、抵抗体の接続を解除するための制御を、熱電変換素子の起電力に基づいて行うように構成される。
これにより、従来のような絶対温度でなく、温度差に基づいた制御が可能となり、使用環境下の外気温の影響を小さく抑えることができ、外気温に関わらず確実かつ一定な制御を行うことが可能となる。したがって、室内外、季節を問わず使用される燃料電池に対してきわめて有用である。
また、従来では温度差の検知に少なくとも２つの温度センサを必要とし、その差を算出する方式であったのが、温度差の検知に熱電変換素子の起電力を用いることで、センサ数を１つに簡略化することが可能となる。
また、燃料電池システムの運転に伴う熱エネルギーの変動を熱電変換素子で積極的に利用することになり、エネルギー利用効率の向上につなげることも可能である。
また、燃料電池の燃料極と酸化剤極との間に抵抗体を接続する負荷接続手段の駆動を、熱電変換素子の起電力によって行った場合、外部電源などによる電力消費を抱えることがない。
また、燃料電池システムの起動時および停止時における負荷接続をパッシブな制御で行うことが可能となる。
【実施例】
【００１５】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した燃料電池システムについて説明する。図１に、本実施例における燃料電池システムの構成の概略図を示す。
図１において、１１は燃料電池、１２は燃料タンク、１３は燃料供給制御手段、１４は負荷接続手段、１５は熱電変換素子、１６は制御部である。
【００１６】
本実施例の燃料電池システムは、燃料極と酸化剤極とを含む発電部を有する燃料電池１１と、燃料電池に燃料を供給する燃料タンク１２と、燃料電池の燃料極と酸化剤極との間に抵抗体を接続する負荷接続手段１４とを備えている。
本実施例においては、負荷接続手段１４の抵抗体の接続及び接続の解除は、燃料電池の発電部の温度と、燃料タンクの温度と、外気温度とのいずれかの間の温度差を電力に変換する熱電変換素子１５の起電力に基づいて行なわれる。
【００１７】
本実施例の燃料電池１１は、燃料として純水素やメタノール等、どのような燃料を供給する方式のものでも用いることができる。
また、燃料電池１１の発電部の構成とし、プロトン伝導性の固体高分子電解質とその両側に触媒層とガス拡散層からなる燃料極、酸化剤極の二つの電極を有する。
燃料極へは燃料タンク１２から水素燃料が供給され、また、酸化剤極へは酸素が空気の自然拡散により供給される。
固体高分子電解質膜には、どのようなものを用いても良いが、パーフルオロスルホン酸系のプロトン交換樹脂膜が好ましい。
固体高分子電解質膜は、カソード生成水の逆拡散で速やかに加湿される必要があるため、なるべく薄い膜であることが好ましいが、膜の機械的強度やガスバリアー性等を考えると、５０μｍ程度が好ましいと言える。
【００１８】
固体高分子型燃料電池用の膜電極接合体は、つぎのようにして作製される。
まず、白金黒や白金担持カーボン等の触媒担持粒子と固体高分子電解質溶液とイソプロピルアルコール等の有機溶媒を混合することで触媒インクを作製する。
次に、この触媒インクをスプレー塗工法やスクリーン印刷法、ドクターブレード法などでポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の高分子フィルム、導電性多孔質体のカーボン電極基板上などに成膜することで触媒層が作製される。
次に、得られた触媒層を固体高分子電解質膜の両面に触媒が担持された側を内側にして、熱転写等で圧着することで固体高分子型燃料電池用の膜電極接合体を得ることができる。
燃料タンク１２は、水素燃料を燃料電池に供給できるものならばどのようなものを用いても良く、燃料としては、純水素や水素吸蔵材料に吸蔵された水素、メタノールやエタノールなどの液体燃料が挙げられる。
また、液体燃料及びその改質器を有して改質水素を燃料電池に供給する方式でも構わない。
【００１９】
本実施例においては、システムの運転時に温度差が生じる構成が好ましいため、燃料タンクには高圧水素あるいは水素吸蔵合金に吸蔵された水素が充填されていることが好ましい。
この場合、燃料タンクの水素放出には吸熱が伴うため、システム運転時に燃料タンクは冷却していくことになる。
また、水素吸蔵合金を使用すれば、より低圧で効率良く水素を蓄えることができるためより好ましいと言える。
燃料流路および燃料極室は、燃料タンクから供給された水素燃料を系外へリークさせることのないよう、部品間の接続部分などにはシール処理が施され、密閉状態に保たれる構成を有している。
【００２０】
燃料供給制御手段１３は、駆動時は燃料タンクから燃料電池への燃料の供給を可能とし、停止時には機器側から停止信号を受けるなどして燃料の供給を遮断する。
このような電気的信号を受けて燃料の供給を制御するような手段としては電磁弁などが挙げられる。
また、燃料タンクと燃料電池とはコネクタにより接続され、接続口のカップリングはコネクタが接続されていると開き、コネクタが脱離していると閉じる構成をとり、停止時に燃料タンクを脱離させることで燃料供給を遮断する方法でも構わない。
【００２１】
負荷接続手段１４は、燃料電池の燃料極と酸化剤極との間に抵抗体を接続する機構を有し、抵抗体の接続は熱電変換素子１５の起電力に基づいて行われる。
抵抗体の接続は、抵抗体を有したスイッチ回路を両極間に接続した状態としておき、該スイッチの開閉を制御するなどによって行われる。
また、該制御は制御部１６によって行われる。
抵抗体は設計に応じて任意に選択可能であるが、起動時や停止時における可及的速やかな処理を考慮すれば、金属のような低い電気抵抗率を有する低抵抗部材がより好ましい。
【００２２】
また、本実施例の燃料電池においては、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックとして構成することができる。
その際、図２のように、複数の燃料電池セル２３を積層した燃料電池スタック２４間に抵抗体２２を設け、スイッチ２１によりそれらを接続、接続解除自在に構成することができる。
しかし、図２のように燃料電池スタックの出力端子間に抵抗体を接続すると、セル間での電圧分布にばらつきが生じ、燃料電池セルの一部が転極を起こす可能性がある。
そのため、このような場合の抵抗体の接続としては、図３に示すように、個別の燃料電池セル毎に行うと有効である。
【００２３】
熱電変換素子１５は、燃料電池の発電部の温度と、燃料タンクの温度と、外気温とのいずれかの間の温度差で起電力を得るように配置されるが、好ましくは燃料電池の発電部と燃料タンクの間に配置される。
これは、燃料電池の発電部は駆動に伴う発熱により高温源となり、また、燃料タンクは水素放出に伴う吸熱により低温源となるため、システム内で最も大きな温度差を得ることができるためである。
【００２４】
高温源である燃料電池の発電部温度と、低温源である燃料タンク温度の温度差ΔＴと熱電変換素子のゼーベック係数αによって、α×ΔＴの起電力が発生する。
熱電変換素子は、より高い電圧を得るためにｐ型半導体とｎ型半導体を交互に接続した構成が好ましく、これら材料には従来から知られているように、ｐ型半導体には（Ｂｉ，Ｓｂ）２Ｔｅ３、ｎ型半導体にはＢｉ２（Ｔｅ，Ｓｅ）３などを用いることができる。
また、ｐ−ｎ接合型の酸化物系や、有機半導体系などを用いても良い。
また、熱電変換素子により発生した起電力は、コンデンサや二次電池などの充電あるいは補器類の駆動電力として用いることもできる。これら電力は燃料電池システムの運転に伴う熱エネルギーの変動を積極的に利用することにつながり、エネルギー利用効率の向上に寄与することになる。
【００２５】
制御部１６は、熱電変換素子の起電力を検知し、起電力が所定値以下であるときは、負荷接続手段を接続した状態とし、起電力が所定値以上のときは、負荷接続手段を接続解除状態に制御する。
制御の方法は、前記のとおり、抵抗体を有したスイッチ回路を両極間に接続した状態としておき、該スイッチの開閉を制御するなどによって行われる。
所定値の設定は燃料電池システムが起動から安定駆動に到達するまでの温度差変化及びそれに従う起電力変化の間から任意に選択されれば良く、該変化の外気温によらず到達可能な値を選んでやれば良い。
【００２６】
以下に、燃料電池システムの起動時および停止時における動作について説明する。
図４に、燃料電池システムの起動時における燃料電池の発電部の温度と燃料タンクの温度、両者の温度差の経時変化を示す。
また、図５に燃料電池システムの停止時における燃料電池の発電部の温度と燃料タンクの温度、両者の温度差の経時変化を示す。
燃料電池システムの起動時において、燃料電池と燃料タンクはともに外気温に近い温度を有する。
このため、両者の間で温度差は殆ど無いか、小さな状態であることから、予め燃料電池の燃料極と酸化剤極との間には負荷接続手段１４により抵抗体が接続された状態となっている。
起動信号に対して燃料供給制御手段１３が燃料タンク１２の燃料を燃料電池１１へ供給可能とすると、燃料電池は抵抗体の接続による自己発電で、固体高分子電解質を加湿するための活性化を行う。
このとき、燃料電池は電気エネルギーとは別に熱エネルギーを放出するため発電部温度は上昇していく。
一方、燃料タンク１２は、燃料電池へ水素燃料を供給するに従い吸熱により冷却していく。
これから起動時においては、両者の温度差ΔＴは徐々に大きくなっていく。
【００２７】
熱電変換素子１５は、燃料電池と燃料タンクの間に配置されているため、起動時において、両者の温度差変化に従い起電力を大きくしていく。
制御部１６は熱電変換素子１５の起電力を検知し、該起電力が所定値以上となった時点で負荷接続手段１４の抵抗体の接続を解除する制御を行う。
抵抗体の接続の解除をもって搭載電子機器への出力供給を開始することで、発電状態が安定となるため、発電部の温度および燃料タンクの温度は、一定の温度範囲を有することになる。
これから、温度差ΔＴは常にある範囲以上に保たれるため、駆動時において負荷接続部は抵抗体の接続を解除した状態で維持される。
【００２８】
一方、燃料電池システムは停止時において発電停止命令を受けると、搭載電子機器への出力供給を停止すると同時に、燃料供給制御手段１３が燃料電池と燃料タンクの間の流路を遮断し、燃料の供給を停止させる。
燃料電池は駆動時に上昇した温度が運転停止により徐々に下降していき外気温に近づいていく。一方、燃料タンクは駆動時に下降した温度が水素放出の停止により徐々に上昇していき外気温に近づいていく。
これから停止時においては、両者の温度差ΔＴは徐々に小さくなっていく。
熱電変換素子の起電力は両者の温度差変化に従い起電力を小さくしていく。
制御部は熱電変換素子の起電力を検知し、該起電力が所定値以下となった時点で負荷接続部の抵抗体を接続する制御を行い、残留燃料を消費する。
また、停止後は熱電変換素子の起電力がほとんど生じないことから、抵抗体の接続は次回の起動時まで維持された状態となる。
【００２９】
これにより、燃料電池システムは起動時において速やかに電気特性を安定化させることができるとともに、停止時において残留燃料を消費し劣化を抑制させることができる。
また、これら起動時及び停止時の制御を同一な機構で行うため、システムの簡略化につなげることができる。
また、抵抗体の接続あるいは接続の解除を従来のような絶対温度でなく、熱電変換素子を利用した温度差検知で行っているため、使用環境下の外気温の影響は小さく抑えられ、外気温に関わらず確実かつ一定な制御を行うことが可能となる。また、従来では温度差の検知に少なくとも２つの温度センサを必要とし、その差を算出する方式であったのが、温度差の検知に熱電変換素子の起電力を用いることで、センサ数を１つに簡略化することが可能となる。
また、燃料電池システムの運転に伴う熱エネルギーの変動を熱電変換素子で積極的に利用することになり、エネルギー利用効率の向上につなげることも可能である。
【００３０】
［実施例２］
実施例２においては、実施例１とは別の形態の燃料電池システムについて説明する。
図６に、本実施例の燃料電池システムの構成の概略図を示す。実施例１では、制御部１６が熱電変換素子の起電力に基づいて負荷接続部の制御を行っていた。そのため、実施例１では起電力の検知および負荷接続部の駆動のために、アクティブな制御が必要であり、また、制御対象となる燃料電池以外の外部電源からの電力供給が必要となる。
そこで、本実施例では、熱電変換素子により発生した起電力によって、負荷接続手段を駆動する構成を採る。
負荷接続手段１４は、抵抗体を有したスイッチ回路を燃料電池の燃料極と酸化剤極との間に接続した状態としておく。
そして、このスイッチは、熱電変換素子１５から供給される起電力が所定値以下のときは、閉状態で抵抗体を接続した状態とし、起電力が所定値以上のときは、開状態で抵抗体の接続を解除した状態とするように駆動する構成とされる。
このような所定の電力供給の有無でスイッチの開閉を行うものとしては、電磁スイッチや半導体スイッチなどが挙げられる。
【００３１】
燃料電池が複数の燃料電池セル２３を積層した燃料電池スタック２４からなる場合には、燃料電池スタックの出力端子間に抵抗体を接続すると、セル間での電圧分布にばらつきが生じ、燃料電池セルの一部が転極を起こす可能性がある。
このような場合、抵抗体の接続は、図３に示すように個別の燃料電池セル毎に行うと有効である。
また、電磁スイッチを使用した場合などは、各配線の絶縁を保ちつつ接点を一つに集約することで、一つのスイッチで複数のセルを個別に抵抗体に接続することもできる。
負荷接続手段１４は燃料電池システムの起動および停止に伴う熱電変換素子１５の起電力の変化を受けて、その駆動を制御される。
これにより、起動および停止時に必要となる両極間への抵抗体の接続および接続の解除を、外部電源からの電力供給を必要とせず、かつ、パッシブな制御で行うことができる。
【００３２】
［実施例３］
実施例３においては、上記各実施例とは別の形態の燃料電池システムについて説明する。
図７に、本実施例における燃料電池システムの一つの構成例の概略図を示す。
図８に、本実施例における燃料電池システムの他の構成例の概略図を示す。
実施例１及び実施例２では、熱電変換素子は燃料電池の発電部と燃料タンクの間に配置した構成が採られている。
このような構成によると、燃料電池の発電部は駆動に伴う発熱により高温源となり、また、燃料タンクは水素放出に伴う吸熱により低温源となり、システム内で最も大きな温度差を得ることができるためである。
しかしながら、駆動時における発電部の温度（高温源）と外気温（低温源）、および、燃料タンクの温度（低温源）と外気温（高温源）の間の温度差の利用も勿論可能である。
この場合、燃料電池システムの駆動は、燃料電池および燃料タンクが外気温との間で温度差を生じやすい室温に近い使用環境下でより好ましいと言える。
【００３３】
本実施例の一つの構成例では、図７に示されるように、熱電変換素子１５は片面を燃料電池の発電部側にもう片面を大気に晒すよう配置される構成が採られる。
この場合、発電部側が高温源、大気側が低温源となり、両者の温度差に従って熱電変換素子は起電力を生じさせることができる。
また、本発明の他の構成例では、図８に示されるように、熱電変換素子１５は片面を燃料タンク側に、もう片面を大気に晒すように配置された構成が採られる。この場合、燃料タンク側が低温源、大気側が高温源となり、両者の温度差に従って熱電変換素子は起電力を生じさせることができる。
どちらに配置した場合でも、燃料電池システムの起動時には温度差が拡大し、停止時には温度差が縮小するような変化を有することから、熱電変換素子の起電力も同様な傾向を示すことになる。
該起電力の変化を制御部が検知し、負荷接続手段を制御する、あるいは、該起電力によって負荷接続手段を駆動させることによって、起動および停止時に必要となる両極間への抵抗体の接続および接続の解除を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例１における燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例１における燃料電池スタック間に抵抗体を接続する構成例を説明するための概略図である。
【図３】本発明の実施例１における燃料電池スタック間に抵抗体を接続する他の構成例を説明するための概略図である。
【図４】本発明の実施例１を説明するための、燃料電池システムの起動時における燃料電池の発電部の温度と燃料タンクの温度、両者の温度差の経時変化を示す図である。
【図５】本発明の実施例１を説明するための、燃料電池システムの停止時における燃料電池の発電部の温度と燃料タンクの温度、両者の温度差の経時変化を示す図である。
【図６】本発明の実施例２における燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図７】本発明の実施例３における燃料電池システムの構成例の一つを示す概略図である。
【図８】本発明の実施例３における燃料電池システムの他の構成例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１：燃料電池
１２：燃料タンク
１３：燃料供給制御手段
１４：負荷接続手段
１５：熱電変換素子
１６：制御部
２１：スイッチ
２２：抵抗体
２３：燃料電池セル
２４：燃料電池スタック
【図１】
2007317517.tif 000003
【図２】
2007317517.tif 000004
【図３】
2007317517.tif 000005
【図４】
2007317517.tif 000006
【図５】
2007317517.tif 000007
【図６】
2007317517.tif 000008
【図７】
2007317517.tif 000009
【図８】
2007317517.tif 000010