(57)【要約】【課題】二次電池の過充電を回避し、二次電池の寿命を長くできる、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１０は、セルスタック１２と、二次電池６６と、セルスタック１２および二次電池６６に電気的に接続される補機類９０およびヒータ３０と、燃料電池システム１０の動作状態を制御するためのＣＰＵ５２とを備える。ＣＰＵ５２は、出力モードと二次電池６６の蓄電率とに基づいて、燃料電池システム１０の動作状態を、セルスタック１２の発電が停止している停止状態と、セルスタック１２を発電させてセルスタック１２を昇温させる昇温状態とのいずれかに制御する。昇温状態において、セルスタック１２の発電によって発生した電力は、補機類９０およびヒータ３０で消費され、二次電池６６は充電されない。【選択図】図２
2013045581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に電気的に接続される二次電池と、
前記燃料電池を発電させるために前記燃料電池および前記二次電池に電気的に接続される補機類と、
前記燃料電池および前記二次電池のうち少なくとも前記燃料電池からの電力を消費するために前記燃料電池および前記二次電池に電気的に接続されかつ前記補機類以外の電力消費部と、
前記二次電池の蓄電量に関する蓄電情報を検出する蓄電検出部と、
前記燃料電池および前記二次電池からの電力に関する出力モードを通常出力モードか高出力モードかに設定するためのモード設定部と、
当該燃料電池システムの動作状態を制御するための制御部とを備え、
当該燃料電池システムの動作状態は、前記燃料電池の発電が停止している停止状態と、前記燃料電池を発電させて前記燃料電池を昇温させる昇温状態とを含み、
前記制御部は、前記出力モードと前記蓄電情報とに基づいて、前記動作状態を前記停止状態および前記昇温状態のいずれかに制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記電力消費部は、前記燃料電池からの電力のうち前記補機類によって消費される電力以外の電力を消費する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記電力消費部は、前記燃料電池を加温するためのヒータを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池および前記二次電池に電気的に接続される外部負荷の負荷量を検出するための負荷検出部をさらに含み、
当該燃料電池システムの動作状態は、前記燃料電池を定常的に発電させる定格運転状態と、前記定格運転状態よりも低出力になるように前記燃料電池を発電させかつ前記ヒータの発熱によって前記燃料電池を保温する保温待機状態とをさらに含み、
前記制御部は、前記出力モードと前記蓄電情報と前記外部負荷とに基づいて、前記動作状態を、前記昇温状態から前記定格運転状態および前記保温待機状態のいずれかに移行させる、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記出力モードと前記蓄電情報と前記外部負荷とに基づいて、前記動作状態を前記定格運転状態と前記保温待機状態との間で切り替える、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記出力モードと前記蓄電情報とに基づいて、前記動作状態を前記保温待機状態から前記停止状態へ移行させる、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記出力モードと前記蓄電情報とに基づいて、前記動作状態を前記定格運転状態から前記停止状態へ移行させる、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池へ供給すべき燃料水溶液および前記ヒータが収容される水溶液収容部をさらに含む、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記ヒータは前記燃料電池に設けられている、請求項３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】
この発明は燃料電池システムに関し、より特定的には、二次電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の従来技術の一例が特許文献１において開示されている。
特許文献１に開示された電子機器システムは、電子機器と、電子機器に接続される燃料電池ユニットとを含み、燃料電池ユニットは、燃料電池と二次電池とを有する。そして、電源オフ時に、二次電池の残量が所定値より少なければ、二次電池を充電し、その後に燃料電池の動作を停止させる。これによって、次回の燃料電池の発電開始時において、燃料電池ユニットの補機類を支障なく駆動できることを目指している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２２７８３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の技術を用いて二次電池を十分に充電した状態で、燃料電池の発電を開始させると、発生する電力によって二次電池を過充電してしまい、二次電池の劣化を早め、二次電池の寿命を縮めるおそれがある。
【０００５】
それゆえに、この発明の主たる目的は、二次電池の過充電を回避し、二次電池の寿命を長くできる、燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に電気的に接続される二次電池と、燃料電池を発電させるために燃料電池および二次電池に電気的に接続される補機類と、燃料電池および二次電池のうち少なくとも燃料電池からの電力を消費するために燃料電池および二次電池に電気的に接続されかつ補機類以外の電力消費部と、二次電池の蓄電量に関する蓄電情報を検出する蓄電検出部と、燃料電池および二次電池からの電力に関する出力モードを通常出力モードか高出力モードかに設定するためのモード設定部と、当該燃料電池システムの動作状態を制御するための制御部とを備え、当該燃料電池システムの動作状態は、燃料電池の発電が停止している停止状態と、燃料電池を発電させて燃料電池を昇温させる昇温状態とを含み、制御部は、出力モードと蓄電情報とに基づいて、動作状態を停止状態および昇温状態のいずれかに制御することを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、電力消費部は、燃料電池からの電力のうち補機類によって消費される電力以外の電力を消費することを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、電力消費部は、燃料電池を加温するためのヒータを含むことを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の燃料電池システムは、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池および二次電池に電気的に接続される外部負荷の負荷量を検出するための負荷検出部をさらに含み、当該燃料電池システムの動作状態は、燃料電池を定常的に発電させる定格運転状態と、定格運転状態よりも低出力になるように燃料電池を発電させかつヒータの発熱によって燃料電池を保温する保温待機状態とをさらに含み、制御部は、出力モードと蓄電情報と外部負荷とに基づいて、動作状態を、昇温状態から定格運転状態および保温待機状態のいずれかに移行させることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、制御部は、出力モードと蓄電情報と外部負荷とに基づいて、動作状態を定格運転状態と保温待機状態との間で切り替えることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載の燃料電池システムは、請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、制御部は、出力モードと蓄電情報とに基づいて、動作状態を保温待機状態から停止状態へ移行させることを特徴とする。
【００１２】
請求項７に記載の燃料電池システムは、請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、制御部は、出力モードと蓄電情報とに基づいて、動作状態を定格運転状態から停止状態へ移行させることを特徴とする。
【００１３】
請求項８に記載の燃料電池システムは、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池へ供給すべき燃料水溶液およびヒータが収容される水溶液収容部をさらに含むことを特徴とする。
【００１４】
請求項９に記載の燃料電池システムは、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、ヒータは燃料電池に設けられていることを特徴とする。
【００１５】
請求項１に記載の燃料電池システムでは、出力モードと蓄電情報とに基づいて、燃料電池システムの動作状態が停止状態か昇温状態かに制御される。たとえば、出力モードが通常出力モードから高出力モードに切り替えられたとき、または出力モードが通常出力モードでありかつ蓄電情報が第１閾値以下になれば、燃料電池システムの動作状態を停止状態から昇温状態に移行させ、燃料電池が所定温度に達するまで燃料電池を発電させる。昇温状態において、燃料電池の発電によって発生した電力は、補機類および電力消費部で消費され、二次電池は充電されない。したがって、昇温状態に入り燃料電池が発電しても、二次電池は過充電されることはなく、二次電池の寿命を長くできる。
【００１６】
請求項２に記載の燃料電池システムでは、電力消費部は、燃料電池からの電力のうち補機類によって消費される電力以外の電力、すなわち余剰電力を消費する。したがって、二次電池の過充電を防止できる。
【００１７】
請求項３に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の発電によって発生した電力は、ヒータによって消費され、ヒータの発熱によって燃料電池が加温される。したがって、昇温状態において、燃料電池の昇温を早めることができる。
【００１８】
請求項４に記載の燃料電池システムでは、出力モードと蓄電情報と外部負荷とに基づいて、動作状態を、昇温状態から定格運転状態および保温待機状態のいずれかに移行させる。たとえば、出力モードが高出力モードであり、蓄電情報が第１閾値を超えかつ外部負荷が第２閾値未満であれば、燃料電池システムの動作状態を昇温状態から保温待機状態に移行させ、定格運転状態よりも低出力になるように燃料電池を発電させる。一方、出力モードが通常出力モードであるか、蓄電情報が第１閾値以下であるか、または外部負荷が第２閾値以上であれば、燃料電池システムの動作状態を昇温状態から定格運転状態に移行させ、燃料電池を定常的に発電させる。保温待機状態では、燃料電池の発電によって発生した電力は、補機類およびヒータで消費され、二次電池は充電されない。したがって、二次電池が過充電されることはない。また、保温待機状態では、燃料電池の自己発熱は少ないが、ヒータで電力を消費することによって、ヒータは発熱し、その熱によって燃料電池を保温できる。したがって、必要なときに直ちに定格運転へ移行できる。
【００１９】
請求項５に記載の燃料電池システムでは、出力モードと蓄電情報と外部負荷とに基づいて、動作状態を定格運転状態と保温待機状態との間で切り替える。たとえば、蓄電情報が第３閾値（＜第１閾値）以下であるか、または外部負荷が第２閾値以上であれば、燃料電池システムの動作状態を保温待機状態から定格運転状態に移行させ、燃料電池を定常的に発電させる。一方、蓄電情報が第１閾値を超え、外部負荷が第２閾値未満でありかつ出力モードが高出力モードであれば、燃料電池システムの動作状態を定格運転状態から保温待機状態に移行させ、定格運転状態よりも低出力になるように燃料電池を発電させる。このように、保温待機状態において、二次電池の蓄電量が減少したときや、外部負荷が大きくなったときには、定格運転状態に移行することによって、二次電池の蓄電量を大きくでき、外部負荷の増大に対応できる。また、定格運転状態において、二次電池の蓄電量が十分大きくなり、外部負荷が小さくなりかつ出力モードが高出力モードになれば、保温待機状態に移行することによって、外部負荷の減少に対応すべく、燃料電池の出力を小さくして燃料の浪費を防止できるので、燃費を向上できる。
【００２０】
請求項６に記載の燃料電池システムでは、出力モードと蓄電情報とに基づいて、動作状態を保温待機状態から停止状態へ移行させる。たとえば、蓄電情報が第１閾値を超え、かつ出力モードが通常出力モードであるかまたは高出力モードから通常出力モードに切り替われば、燃料電池システムの動作状態を保温待機状態から停止状態に移行させ、燃料電池の発電を停止させる。このように、保温待機状態において、二次電池の蓄電量が十分大きくなりかつ出力モードが通常出力モードであれば、停止状態に移行することによって、燃料電池の発電を停止させて燃料の浪費を防止でき、燃費を向上できる。
【００２１】
請求項７に記載の燃料電池システムでは、出力モードと蓄電情報とに基づいて、動作状態を定格運転状態から停止状態へ移行させる。たとえば、蓄電情報が第１閾値を超え、かつ出力モードが通常出力モードであるかまたは高出力モードから通常出力モードに切り替われば、燃料電池システムの動作状態を定格運転状態から停止状態に移行させ、燃料電池の発電を停止させる。このように、定格運転状態において、二次電池の蓄電量が十分大きくなりかつ出力モードが通常出力モードであれば、停止状態に移行することによって、燃料電池の発電を停止させて燃料の浪費を防止でき、燃費を向上できる。
【００２２】
請求項８に記載の燃料電池システムでは、ヒータを水溶液収容部に収容することによって、水溶液収容部内の燃料水溶液を加温することができる。その燃料水溶液は燃料電池に供給されるので、燃料電池を加温できる。
【００２３】
請求項９に記載の燃料電池システムでは、ヒータを燃料電池に設けることによって、燃料電池を直接加温することができる。
【００２４】
なお、高出力モードにおいて出力される電力は、通常出力モードにおいて出力される電力より大きく設定される。
【発明の効果】
【００２５】
この発明によれば、二次電池の過充電を回避し、二次電池の寿命を長くできる、燃料電池システムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の一実施形態の燃料電池システムの配管を示すシステム図である。
【図２】この発明の一実施形態の燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の一実施形態の燃料電池システムの動作を示す状態遷移図である。
【図４】燃料電池システムの昇温状態から保温待機状態に移行する挙動の一例を示すグラフである。
【図５】燃料電池システムの昇温状態から定格運転状態に移行する挙動の他の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。
図１を参照して、この発明の一実施形態の燃料電池システム１０は、メタノール（メタノール水溶液）を改質せずにダイレクトに電気エネルギの生成（発電）に利用する直接メタノール型燃料電池システムである。
【００２８】
燃料電池システム１０は、燃料電池セルスタック（以下、単にセルスタックという）１２を含む。セルスタック１２は、それぞれメタノールに基づく水素イオンと酸素（酸化剤）との電気化学反応によって発電できる複数の燃料電池（燃料電池セル）１４を含む。これらの燃料電池１４は積層（スタック）されかつ直列接続されている。各燃料電池１４は、固体高分子膜からなる電解質膜１６と、電解質膜１６を挟んで互いに対向するアノード（燃料極）１８およびカソード（空気極）２０とを含む。アノード１８およびカソード２０はそれぞれ、電解質膜１６側に白金触媒層（図示せず）を有する。隣り合う燃料電池１４間にはセパレータ２２が挟まれている。
【００２９】
また、燃料電池システム１０は、燃料タンク２４を含む。燃料タンク２４は、セルスタック１２の電気化学反応の燃料となる高濃度（好ましくは、メタノールを約５０ｗｔ％含む）のメタノール燃料（高濃度メタノール水溶液）を収容している。
【００３０】
燃料タンク２４は、パイプＰ１を介して水溶液タンク２６に接続されている。水溶液タンク２６は、燃料タンク２４からのメタノール燃料をセルスタック１２の電気化学反応に適した濃度（好ましくは、メタノールを約３ｗｔ％含む）に希釈したメタノール水溶液を収容している。水溶液タンク２６にはレベルセンサ２８が装着されている。レベルセンサ２８は、たとえばフロートセンサであり、水溶液タンク２６内の液面の高さ（液位）を検出する。また、水溶液タンク２６には、ヒータ３０が収容されている。ヒータ３０によって、水溶液タンク２６内のメタノール水溶液が加温され、そのメタノール水溶液がセルスタック１２に供給されることによってセルスタック１２が加温される。水溶液タンク２６には排気管Ｅ１が設けられている。水溶液タンク２６内の気体は排気管Ｅ１を通って外部に排出される。パイプＰ１には燃料ポンプ３２が介挿されている。燃料ポンプ３２を駆動することによって、燃料タンク２４から水溶液タンク２６へメタノール燃料が供給される。
【００３１】
水溶液タンク２６は、パイプＰ２を介してセルスタック１２のアノード入口Ｉ１に接続されている。パイプＰ２には、上流側から順に濃度センサ３４および水溶液ポンプ３６が介挿されている。濃度センサ３４としては、たとえば超音波センサが用いられる。超音波センサは、メタノール水溶液の濃度（メタノール水溶液におけるメタノールの割合）に応じて変化する超音波の伝播時間（伝播速度）を電圧値として検出する。ＣＰＵ５２（後述）は、その電圧値に基づいてメタノール水溶液の濃度を検出する。水溶液ポンプ３６を駆動することによって、水溶液タンク２６からセルスタック１２へメタノール水溶液が供給される。
【００３２】
セルスタック１２のアノード出口Ｉ２には、パイプＰ３を介してラジエータ３８が接続されている。パイプＰ３におけるアノード出口Ｉ２付近には、温度センサ４０が設けられている。温度センサ４０は、メタノール水溶液の温度を検出し、それをセルスタック１２ひいては燃料電池１４の温度とみなす。ラジエータ３８は、パイプＰ４を介して水溶液タンク２６に接続されている。
【００３３】
上述したパイプＰ１は燃料の流路となる。パイプＰ２〜Ｐ４は主としてメタノール水溶液の流路となる。
【００３４】
セルスタック１２のカソード入口Ｉ３には、パイプＰ５が接続されており、パイプＰ５には、エアポンプ４２が介挿されている。エアポンプ４２を駆動させることによって、外部からセルスタック１２に酸素（酸化剤）を含む気体としての空気が供給される。
【００３５】
セルスタック１２のカソード出口Ｉ４には、パイプＰ６を介して気液分離器４４が接続されている。気液分離器４４は、パイプＰ７を介して水タンク４６に接続されている。水タンク４６は、水溶液タンク２６に供給すべき水を収容している。水タンク４６にはレベルセンサ４８が装着されている。レベルセンサ４８は、たとえばフロートセンサであり、水タンク４６内の液面の高さ（液位）を検出する。
【００３６】
水タンク４６には排気管Ｅ２が設けられている。排気管Ｅ２は水タンク４６の排気口に設けられ、セルスタック１２からの排気を外部に排出する。
【００３７】
上述したパイプＰ５〜Ｐ７は主として酸化剤の流路となる。
【００３８】
水タンク４６は、パイプＰ８を介して水溶液タンク２６に接続されている。パイプＰ８には、水ポンプ５０が介挿されている。水ポンプ５０を駆動させることによって、水タンク４６から水溶液タンク２６へ水が供給される。
【００３９】
上述したパイプＰ８は主として水の流路となる。
【００４０】
ついで、図２を参照して、燃料電池システム１０の電気的構成について説明する。
燃料電池システム１０はＣＰＵ５２を含む。
【００４１】
ＣＰＵ５２は、必要な演算を行い燃料電池システム１０の動作を制御する。ＣＰＵ５２には、クロック回路５４からクロック信号が与えられる。ＣＰＵ５２には記憶部であるメモリ５６が接続されている。メモリ５６はたとえばＥＥＰＲＯＭからなる。メモリ５６には、燃料電池システム１０の動作を制御するためのプログラムやデータおよび演算データ等が格納されている。
【００４２】
ＣＰＵ５２には、モード切替スイッチ５８からのモード切替信号、およびメインスイッチ６０からの入力信号が与えられる。ユーザは、必要な電力に応じてモード切替スイッチ５８を切り替え、モード切替信号をＣＰＵ５２に与える。メインスイッチ６０がオンされることによってＣＰＵ５２に運転開始指示が与えられ、メインスイッチ６０がオフされることによってＣＰＵ５２に運転停止指示が与えられる。セルスタック１２の発電動作中にメインスイッチ６０がオフされた場合は、ＣＰＵ５２に運転停止指示および発電停止指示が与えられる。
【００４３】
ＣＰＵ５２には、濃度センサ３４、温度センサ４０、レベルセンサ２８および４８からの検出信号が入力される。
【００４４】
ＣＰＵ５２によって、ユーザに各種情報を報知するための表示部６２が制御される。
【００４５】
また、ＣＰＵ５２は、モード切替スイッチ５８からのモード切替信号等に基づいて、出力制御回路６４からの出力を制御する。たとえば、ＣＰＵ５２は、モード切替信号に基づいて、出力モードが通常出力モードか高出力モードかになるように出力制御回路６４からの出力を制御する。
【００４６】
出力制御回路６４には、セルスタック１２、二次電池６６、外部負荷６８および補機用電源７０が接続されている。言い換えれば、セルスタック１２と二次電池６６とは出力制御回路６４を介して電気的に接続され、外部負荷６８はセルスタック１２および二次電池６６に、出力制御回路６４を介して電気的に接続され、補機用電源７０はセルスタック１２および二次電池６６に、出力制御回路６４を介して電気的に接続されている。
【００４７】
出力制御回路６４は、たとえばＤＣ−ＤＣコンバータを含み、出力制御回路６４には、セルスタック１２および二次電池６６からの電力が与えられる。出力制御回路６４は、出力モードに応じた電力を、外部負荷６８および補機用電源７０に出力する。たとえば、出力制御回路６４は、出力モードが通常出力モードであれば、２００〜７００Ｗの範囲内で電力を出力し、出力モードが高出力モードであれば、５００〜１０００Ｗの範囲内で電力を出力する。
【００４８】
出力制御回路６４とセルスタック１２との間にはスタック電流センサ７２が設けられ、出力制御回路６４と二次電池６６との間には電池電流センサ７４が設けられ、出力制御回路６４と外部負荷６８との間には負荷電流センサ７６が設けられている。セルスタック１２にはスタック電圧センサ７８が並列接続され、二次電池６６には電池電圧センサ８０が並列接続され、外部負荷６８には負荷電圧センサ８２が並列接続さている。
【００４９】
スタック電流センサ７２によって検出されたセルスタック１２の電流検出値、電池電流センサ７４によって検出された二次電池６６の電流検出値、負荷電流センサ７６によって検出された外部負荷６８の電流検出値、スタック電圧センサ７８によって検出されたセルスタック１２の電圧検出値、電池電圧センサ８０によって検出された二次電池６６の電圧検出値、および負荷電圧センサ８２によって検出された外部負荷６８の電圧検出値のそれぞれは、ＣＰＵ５２に与えられる。また、電池電流センサ７４によって検出された二次電池６６の電流検出値は、電流積算器８４によって積算され、ＣＰＵ５２に与えられる。
【００５０】
ＣＰＵ５２は、入力された二次電池６６の電圧検出値および／または電流積算器８４によって積算された値に基づいて二次電池６６の蓄電量を検出し、その蓄電量と容量とに基づいて二次電池６６の蓄電率を算出する。ＣＰＵ５２は、スタック電流センサ７２からの電流検出値とスタック電圧センサ７８からの電圧検出値とに基づいて、セルスタック１２の出力を算出する。ＣＰＵ５２は、負荷電流センサ７６からの電流検出値と負荷電圧センサ８２からの電圧検出値とに基づいて、外部負荷６８の負荷量を算出する。
【００５１】
二次電池６６は、セルスタック１２の出力を補完するものであり、セルスタック１２からの電力によって充電され、その放電によって外部負荷６８、補機類９０およびヒータ３０に電力を供給する。二次電池６６としては、たとえば鉛電池が用いられる。
【００５２】
補助用電源７０は、たとえばＤＣ−ＤＣコンバータを含む。補助用電源７０には、燃料ポンプ３２、水溶液ポンプ３６、エアポンプ４２、水ポンプ５０、ラジエータファン８６および気液分離器ファン８８を含む補機類９０と、ヒータ３０とが接続されている。したがって、補機類９０は、セルスタック１２および二次電池６６に、補機用電源７０および出力制御回路６４を介して電気的に接続されている。ヒータ３０は、セルスタック１２および二次電池６６に、補機用電源７０および出力制御回路６４を介して電気的に接続されている。ラジエータファン８６は、ラジエータ３８の近傍に設けられ、ラジエータ３８を冷却する。気液分離器ファン８８は、気液分離器４４の近傍に設けられ、気液分離器４４を冷却する。
【００５３】
ＣＰＵ５２によって補助用電源７０が制御され、燃料電池システム１０の動作状態が設定される。この実施形態では、ＣＰＵ５２から補助用電源７０へは２ビットの制御信号が与えられ、燃料電池システム１０の動作状態を「停止状態」、「昇温状態」、「保温待機状態」および「定格運転状態」に設定する場合には、それぞれ「００」、「０１」、「１０」および「１１」の制御信号が与えられる。補助用電源７０は、与えられた制御信号に応じた電力を、補機類９０およびヒータ３０へ与える。たとえば、補助用電源７０は、制御信号が「００」のとき、補機類９０およびヒータ３０への電力はゼロとなり、制御信号が「０１」のとき、補機類９０およびヒータ３０への電力は１００Ｗ（補機類９０へ５０Ｗ、ヒータ３０へ５０Ｗ）となり、制御信号が「１０」のとき、補機類９０およびヒータ３０への電力は１００Ｗ（補機類９０へ５０Ｗ、ヒータ３０へ５０Ｗ）となり、制御信号が「１１」のとき、補機類９０およびヒータ３０への電力は５０Ｗ（補機類９０へ５０Ｗ、ヒータ３０へ０Ｗ）となる。
【００５４】
この実施形態では、ヒータ３０が電力消費部に相当する。蓄電検出部は、ＣＰＵ５２と、電池電圧センサ８０および／または電流積算器８４とを含む。モード切替スイッチ５８がモード設定部に相当する。ＣＰＵ５２が制御部に相当する。負荷検出部は、ＣＰＵ４２と負荷電流センサ７６と負荷電圧センサ８２とを含む。水溶液タンク２６が水溶液収容部に相当する。
【００５５】
ついで、図３を参照して、燃料電池システム１０の動作状態の遷移について説明する。
まず、メインスイッチ６０がオンされると、ＣＰＵ５２によって、燃料電池システム１０が起動され、燃料電池システム１０は、燃料電池１４ひいてはセルスタック１２の発電が停止している停止状態に入る。停止状態では、ＣＰＵ５２から補助用電源７０へは「００」の制御信号が与えられる。
【００５６】
停止状態では、ＣＰＵ５２は、セルスタック１２および二次電池６６の出力モードと二次電池６６の蓄電率とに基づいて、燃料電池システム１０の動作状態を昇温状態に移行するか否かを制御する。停止状態において、出力モードが通常出力モード（好ましくは最大４８０Ｗ）から高出力モード（好ましくは最大８４０Ｗ）に切り替えられたとき、または出力モードが通常出力モードでありかつ蓄電率が第１閾値（好ましくは９０％）以下になれば、ＣＰＵ５２は、燃料電池システム１０の動作状態を停止状態から昇温状態に移行させて、セルスタック１２の発電を開始させる。このとき、ＣＰＵ５２から補機用電源７０へは「０１」の制御信号が与えられ、二次電池６６からの電力が出力制御回路６４および補機用電源７０を介して補機類９０およびヒータ３０に供給される。それによって、燃料ポンプ３２、水溶液ポンプ３６、エアポンプ４２、水ポンプ５０、ラジエータファン８６、気液分離器ファン８８およびヒータ３０が駆動され、セルスタック１２が発電する。そして、温度センサ４０によってセルスタック１２の温度の検出が開始される。昇温状態では、セルスタック１２は所定温度（好ましくは、６０℃）に達するまで発電する。ＣＰＵ５２は、セルスタック１２の温度に基づいてセルスタック１２からの電力を取り出せるように、出力制御回路６４を制御する。
【００５７】
セルスタック１２が所定温度に達すれば、ＣＰＵ５２は、出力モードと蓄電率と外部負荷とに基づいて、昇温状態から、定格運転状態（好ましくは５３０Ｗで発電）と保温待機状態（好ましくは１００Ｗで発電）とのいずれかに燃料電池システム１０の動作状態を移行させる。昇温状態において、出力モードが高出力モードであり、二次電池６６の蓄電率が第１閾値を超えかつ外部負荷６８が第２閾値（好ましくは５００Ｗ）未満であれば、ＣＰＵ５２は、燃料電池システム１０の動作状態を昇温状態から保温待機状態に移行させ、定格運転状態よりも低出力になるようにセルスタック１２を発電させる。このとき、ＣＰＵ５２から補機用電源７０へは「１０」の制御信号が与えられる。一方、出力モードが通常出力モードであるか、二次電池６６の蓄電率が第１閾値以下であるか、または外部負荷６８が第２閾値以上であれば、ＣＰＵ５２は、燃料電池システム１０の動作状態を昇温状態から定格運転状態に移行させ、セルスタック１２を定常的に発電させる。このとき、ＣＰＵ５２から補機用電源７０へは「１１」の制御信号が与えられる。
【００５８】
その後、ＣＰＵ５２は、出力モードと二次電池６６の蓄電率と外部負荷６８とに基づいて、定格運転状態と保温待機状態との間で動作状態を切り替える。二次電池６６の蓄電率が第３閾値（＜第１閾値、好ましくは５０％）以下になれば、または外部負荷６８が第２閾値以上であれば、ＣＰＵ５２は、燃料電池システム１０の動作状態を保温待機状態から定格運転状態に移行させ、セルスタック１２を定常的に発電させる。このとき、ＣＰＵ５２から補機用電源７０への制御信号は、「１０」から「１１」に変更される。一方、二次電池６６の蓄電率が第１閾値を超え、外部負荷６８が第２閾値未満でありかつ出力モードが高出力モードであれば、ＣＰＵ５２は、燃料電池システム１０の動作状態を定格運転状態から保温待機状態に移行させ、定格運転状態よりも低出力になるようにセルスタック１２を発電させる。このとき、ＣＰＵ５２から補機用電源７０への制御信号は、「１１」から「１０」に変更される。
【００５９】
そして、出力モードと二次電池６６の蓄電率とに基づいて、ＣＰＵ５２は、動作状態を保温待機状態から停止状態に移行させる。二次電池６６の蓄電率が第１閾値を超え、かつ出力モードが通常出力モードであるかまたは高出力モードから通常出力モードに切り替われば、ＣＰＵ５２は、燃料電池システム１０の動作状態を保温待機状態から停止状態に移行させ、セルスタック１２の発電を停止させる。このとき、ＣＰＵ５２から補機用電源７０への制御信号は、「１０」から「００」に変更される。
【００６０】
また、出力モードと二次電池６６の蓄電率とに基づいて、ＣＰＵ５２は、動作状態を定格運転状態から停止状態に移行させる。二次電池６６の蓄電率が第１閾値を超え、かつ出力モードが通常出力モードであるかまたは高出力モードから通常出力モードに切り替われば、ＣＰＵ５２は、燃料電池システム１０の動作状態を定格運転状態から停止状態に移行させ、セルスタック１２の発電を停止させる。このとき、ＣＰＵ５２から補機用電源７０への制御信号は、「１１」から「００」に変更される。
【００６１】
燃料電池システム１０によれば、二次電池６６が満充電されている状態で、昇温状態においてセルスタック１２の発電によって発生した電力は、補機類９０およびヒータ３０で消費される。言い換えれば、セルスタック１２で発生した電力は、補機類９０およびヒータ３０で積極的に消費され、二次電池６６は充電されない。したがって、昇温状態に入りセルスタック１２が発電しても、二次電池６６は過充電されることはなく、二次電池６６の寿命を長くできる。その結果、燃料電池システム１０に小容量の二次電池６６を用いることができる。また、二次電池６６が満充電されている状態でセルスタック１２を円滑に発電できるので、二次電池６６の負担を減ずることができる。特に、二次電池６６として鉛電池を用いる場合に二次電池６６の劣化を抑制できる。
【００６２】
ヒータ３０は、セルスタック１２からの電力のうち補機類９０によって消費される電力以外の電力、すなわち余剰電力を消費する。したがって、二次電池６６の過充電を防止できる。
【００６３】
セルスタック１２の発電によって発生した電力は、ヒータ３０によって消費され、ヒータ３０の発熱によってセルスタック１２が加温される。したがって、昇温状態において、セルスタック１２の昇温を早めることができる。
【００６４】
保温待機状態では、セルスタック１２の発電によって発生した電力は、補機類９０およびヒータ３０で消費され、二次電池６６は充電されない。したがって、二次電池６６が過充電されることはない。また、ヒータ３０で電力を消費することによって、ヒータ３０は発熱し、その熱によってセルスタック１２を保温できる。したがって、たとえば大電力を要する外部負荷６８が接続されたときなど、必要なときに直ちに定格運転への移行が可能となり、二次電池６６の過放電や過負荷を防ぐことができる。これによって、セルスタック１２が発電していない状態から定格運転へ移行する場合と比較して、大電力を要する外部負荷６８への対応が円滑となる。
【００６５】
保温待機状態において、二次電池６６の蓄電率が減少したときや、外部負荷６８が大きくなったときには、直ちに定格運転状態に移行することによって、二次電池６６の蓄電率を大きくでき、外部負荷６８の増大に対応できる。また、定格運転状態において、二次電池６６の蓄電率が十分大きくなり、外部負荷６８が小さくなりかつ出力モードが高出力モードになれば、保温待機状態に移行することによって、外部負荷６８の減少に対応すべく、セルスタック１２の出力を小さくして燃料の浪費を防止できるので、燃費を向上できる。
【００６６】
保温待機状態において、二次電池６６の蓄電率が十分大きくなりかつ出力モードが通常出力モードであれば、停止状態に移行する。また、定格運転状態において、二次電池６６の蓄電率が十分大きくなりかつ出力モードが通常出力モードであれば、停止状態に移行する。停止状態では、セルスタック１２の発電は行われない。このように停止状態に設定することによって、セルスタック１２の発電を停止させて燃料の浪費を防止でき、燃費を向上でき、高効率で運転できる。
【００６７】
ヒータ３０を水溶液タンク２６に収容することによって、水溶液タンク２６内のメタノール水溶液を加温することができ、そのメタノール水溶液がセルスタック１２に供給されることによってセルスタック１２を加温できる。保温待機状態では、セルスタック１２の自己発熱が少ないため、当該自己発熱によってセルスタック１２を十分に加温できないが、ヒータ３０によってセルスタック１２を加温できる。
【００６８】
ヒータ３０の消費電力分もセルスタック１２で発電するので、ヒータ３０を用いない燃料電池システムと比較して、セルスタック１２は高負荷運転となり、セルスタック１２の耐久性への悪影響が少なくなる。
【００６９】
燃料電池システム１０は、セルスタック１２および二次電池６６の出力モードとして、高出力が得られる高出力モードと、高効率かつセルスタック１２が高耐久となる通常出力モードとを有し、必要に応じて出力モードを切り替えることができる。したがって、相反する特性である高出力と高効率・高耐久とを兼備した燃料電池システム１０が得られる。
【００７０】
ついで、図４を参照して、燃料電池システム１０において昇温状態から保温待機状態に移行する挙動例について説明する。
図４において、時点Ａは、停止状態から昇温状態に移行した時点である。時点Ａでは、出力モードは高出力モードであり、二次電池６６の蓄電率は１００％であり、セルスタック１２の発電によって発生する電力はゼロである。
【００７１】
なお、セルスタック１２の発電によって発生する電力（以下、「スタック電力」という）から、補機類９０およびヒータ３０で消費される電力を減じた値が、燃料電池システム１０からの電力（以下、「システム電力」という）となる。スタック電力が所謂「グロス」、システム電力が所謂「ネット」に相当する。
【００７２】
その後、スタック電力は増加していき、時点Ｂで、スタック電力と、補機類９０およびヒータ３０で消費される電力とが等しくなる。この時点でシステム電力がゼロに達する。その後時点Ｃまでは、スタック電力は、補機類９０およびヒータ３０で消費される電力より多くなり、システム電力がゼロより大きくなる。言い換えれば、時点ＡからＢまでは、二次電池６６からの電力が、補機類９０およびヒータ３０で消費され、二次電池６６の蓄電率は減少し続ける。その後、スタック電力が補機類９０、ヒータ３０および外部負荷６８での消費電力を上回ると、二次電池６６の蓄電率は増加し、時点Ｃで１００％に戻る。
【００７３】
時点Ｃは、セルスタック１２の温度が所定温度（好ましくは６０℃）に達した時点に相当する。この例では、時点Ｃにおいて、二次電池６６の蓄電率が第１閾値（好ましくは９０％）を超え、外部負荷６８が第２閾値（好ましくは５００Ｗ）未満であり、かつ出力モードが高出力モードであるので、燃料電池システム１０の動作状態は、保温待機状態に移行する。
【００７４】
図４に示す例によれば、昇温状態におけるセルスタック１２の発電開始初期には、セルスタック１２の発生電力を小さくして、補機類９０およびヒータ３０による燃料電池システム１０の電力自己消費が、スタック電力を上回るようにし、二次電池６６からの電力を消費させる。その後、徐々に増加するスタック電力を、燃料電池システム１０の電力自己消費で相殺させる。これによって、二次電池６６の過充電を防ぐ。
【００７５】
また、保温待機状態におけるスタック電力は、定格運転状態におけるスタック電力よりも小さく、補機類９０およびヒータ３０で消費される電力と略等しくなるよう設定されている。したがって、保温待機状態では、スタック電力は、補機類９０およびヒータ３０で消費され、二次電池６６は充電されない。したがって、二次電池６６が過充電されることはない。
【００７６】
つぎに、図５を参照して、燃料電池システム１０において昇温状態から定格運転状態に移行する挙動例について説明する。
図５において、時点Ａは、停止状態から昇温状態に移行した時点である。時点Ａでは、二次電池６６の蓄電率は１００％であり、スタック電力はゼロである。
【００７７】
その後、スタック電力は増加していき、時点Ｂで、スタック電力と、補機類９０およびヒータ３０で消費される電力とが等しくなる。この時点でシステム電力がゼロに達する。その後時点Ｃまでは、スタック電力は、補機類９０およびヒータ３０で消費される電力より多くなり、システム電力がゼロより大きくなる。言い換えれば、時点ＡからＢまでは、二次電池６６からの電力が、補機類９０およびヒータ３０で消費され、二次電池６６の蓄電率は減少し続ける。その後、スタック電力が補機類９０、ヒータ３０および外部負荷６８での消費電力を上回ると、二次電池６６の蓄電率は増加し、時点Ｃで１００％に戻る。
【００７８】
時点Ｃは、セルスタック１２の温度が所定温度（好ましくは６０℃）に達した時点に相当する。この例では、時点Ｃにおいて、外部負荷６８が第２閾値（好ましくは５００Ｗ）以上であるので、燃料電池システム１０の動作状態は、定格運転状態に移行する。
【００７９】
図５に示す例によれば、定格運転状態における外部負荷６８は大きいので、図４に示す例と比較して、二次電池６６の蓄電率は大きく減少する。この例においても、二次電池６６の過充電を防ぐことができる。
【００８０】
なお、燃料電池システム１０における昇温状態の他の挙動例として、セルスタック１２の発電を開始してからセルスタック１２の温度が所定温度に達するまで、所定時間間隔で酸化剤欠乏処理を行うようにしてもよい。酸化剤欠乏処理とは、一時的にセルスタック１２のカソード２０への酸化剤の供給を停止するあるいは一時的にカソード２０への酸化剤の供給量を減少させることによってカソード２０を酸化剤欠乏状態にする処理をいう。この例によれば、昇温状態では、スタック電力およびシステム電力のそれぞれの波形が、鋸歯状をしつつ漸次大きくなるように形成される。
【００８１】
また、燃料電池システム１０における昇温状態のその他の挙動例として、セルスタック１２の発電を開始してからセルスタック１２の温度が所定温度に達するまで、スタック電力およびシステム電力のそれぞれの波形が、階段状をしつつ漸次大きくなるように形成されてもよい。
【００８２】
上述の実施形態では、蓄電情報として、二次電池６６の蓄電率が用いられたが、これに限定されない。蓄電情報は、二次電池６６の蓄電量であってもよい。
【００８３】
温度センサ４０は、アノード入口Ｉ１付近に設けられてもよく、また、燃料電池１４自体の温度を直接検出するように設けられてもよい。
【００８４】
ヒータ３０は燃料電池１４に設けられてもよい。この場合、燃料電池１４を直接加温することができる。
【００８５】
電力消費部は、ヒータ３０に限定されず、ランプ等の電力を消費可能な任意の電気部品であってもよい。
【００８６】
上述の実施形態では、燃料としてメタノールを、燃料水溶液としてメタノール水溶液を用いたが、これに限定されず、燃料としてエタノール等のアルコール系燃料、燃料水溶液としてエタノール水溶液等のアルコール系水溶液を用いてもよい。
【００８７】
この発明の燃料電池システムは、自動二輪車、自動車および船舶等の任意の輸送機器に好適に用いることができる。
【００８８】
この発明は、改質器搭載タイプの燃料電池システムや水素を燃料電池に供給するタイプの燃料電池システムにも適用できる。また、この発明は、据え付けタイプの燃料電池システムにも適用でき、さらに、パーソナルコンピュータ、携帯機器等の電子機器に搭載される可搬型の燃料電池システムにも適用できる。
【符号の説明】
【００８９】
１０      燃料電池システム
１２      燃料電池セルスタック
１４      燃料電池
２６      水溶液タンク
３０      ヒータ
３２      燃料ポンプ
３６      水溶液ポンプ
４０      温度センサ
４２      エアポンプ
５０      水ポンプ
５２      ＣＰＵ
５６      メモリ
５８      モード切替スイッチ
６６      二次電池
６８      外部負荷
７４      電池電流センサ
７６      負荷電流センサ
８０      電池電圧センサ
８２      負荷電圧センサ
８６      ラジエータファン
８８      気液分離器ファン
９０      補機類
【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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