(57)【要約】【課題】固体水素源の炭化を低減し、また燃料電池セルを活性化させる燃料電池システム、炭化防止方法および燃料電池セル活性化方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム２０は、水を加圧して排出する加圧容器１０と、加圧容器から供給された水と反応して水素を発生させる固体水素源１を収容する燃料容器５０と、供給される水素で発電を行う燃料電池３０と、燃料容器に接続され、燃料電池に水素を供給する水素供給管１５Ａ・１５Ｂと、加圧容器に一端が接続され、他端は固体水素源に挿入され、水を注入する反応液供給管１４Ａ・１４Ｂと、燃料容器に連通し、水素の流入を許容する逆止弁２を介して加圧容器に接続された加圧配管１３Ａ・１３Ｂと、加圧配管に配置され水圧を検出する第１の圧力検出器１３Ｐと、水素供給管に配置され水素圧を検出する第２の圧力検出器１５Ｐとを備え、水圧と水素圧との差圧を変化させて、水を断続的に注入する。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間の圧力により反応液を加圧して排出する加圧容器と、
前記加圧容器から供給された反応液と反応して水素を発生させる固体水素源を気密状態で収容する燃料容器と、
水素が供給されるアノードを有し、前記アノードに供給された水素で発電を行う燃料電池と、
前記燃料容器に接続され、前記燃料電池に水素を供給する水素供給管と、
前記加圧容器に一端が接続され、他端は前記固体水素源に挿入され、反応液を注入する反応液供給管と、
前記燃料容器に連通し、水素の流入を許容する逆止弁を介して前記加圧容器に接続された加圧配管と、
前記水素供給管に配置された第１の電磁弁と、
前記加圧配管に配置され、反応液圧を検出する第１の圧力検出器と、
前記水素供給管に配置され、水素圧を検出する第２の圧力検出器と
を備え、
前記反応液圧と前記水素圧との差圧を変化させて、前記反応液を断続的に注入することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池から出力されるＤＣ電流が供給されるＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、外部からの電流の逆流を阻止するダイオードと
を備え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】
前記燃料電池からの出力が変動した際に、外部への出力を補うことが可能な蓄電手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記蓄電手段は、リチウムイオンバッテリを備え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】
前記第１の圧力検出器で検出された反応液圧および前記第２の圧力検出器で検出された水素圧に基づいて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御装置を備え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６】
前記反応液供給管は、前記反応液の流量を制御する第２の電磁弁を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記固体水素源に必要に応じて前記反応液を注入し、オンデマンドに水素を発生させると共に、その要求が連続的であっても前記反応液の注入は、断続的に行うことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記反応液の注入が不連続になり、連続的な水素要求があった場合は、前記リチウムイオンバッテリから電力を補完する、あるいは出力そのものを断続的に止めることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
断続的な水素発生により燃料電池の出力が断続的になる場合を補完して、前記リチウムイオンバッテリから電力を供給し、実質的に一定の出力電力を得ることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
出力が要求する負荷に対して、それよりも重い負荷、軽い負荷を周期的に印加し、その平均出力をとりだすことによって、燃料電池セルの活性化を図ることを請求項１〜９のいずれか１項に記載の特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
前記固体水素源は水素化カルシウムを備え、前記反応液は水を備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
内部空間の圧力により反応液を加圧して排出する加圧容器と、
前記加圧容器から供給された反応液と反応して水素を発生させる固体水素源を気密状態で収容する燃料容器と、
水素が供給されるアノードを有し、前記アノードに供給された水素で発電を行う燃料電池と、
前記燃料容器に接続され、前記燃料電池に水素を供給する水素供給管と、
前記加圧容器に一端が接続され、他端は前記固体水素源に挿入され、反応液を注入する反応液供給管と、
前記燃料容器に連通し、水素の流入を許容する逆止弁を介して前記加圧容器に接続された加圧配管と、
前記水素供給管に配置された第１の電磁弁と、
前記加圧配管に配置され、反応液圧を検出する第１の圧力検出器と、
前記水素供給管に配置され、水素圧を検出する第２の圧力検出器と、
前記燃料電池からの出力が変動した際に、外部への出力を補うことが可能な蓄電手段と
を備え、
出力が要求する負荷に対して、それよりも重い負荷、軽い負荷を周期的に印加し、その平均出力をとりだすことによって、燃料電池セルの活性化を図ることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
前記反応液圧と前記水素圧との差圧を変化させて、前記反応液を断続的に注入することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記蓄電手段は、リチウムイオンバッテリを備えることを特徴とする請求項１２または１３に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料電池から出力されるＤＣ電流が供給されるＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに接続され、外部からの電流の逆流を阻止するダイオードと
を備えることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
要求負荷より重い負荷を前記燃料電池に印加する際には余った電力を前記リチウムイオンバッテリに蓄電し、軽い負荷の場合は足りない電力を前記リチウムイオンバッテリから補うことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
ある時間における前記反応液圧と前記水素圧との差圧を、現在の出力負荷の大きさと、これまでに注入した水の積算値と、前記リチウムイオンバッテリへの依存度と、これまでに使用した前記固体水素源の４つのパラメータを用いて決定することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
水素を発生させる固体水素源と、前記水素で発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の外部出力を補完するリチウムイオンバッテリとを備える燃料電池システムの固体水素源の炭化防止方法において、
前記燃料電池の出力電流を０とし、負荷電流を前記リチウムイオンバッテリ電流で保持するステップと、
前記出力電流を徐々に増加させるステップと、
前記出力電流が第１の電流値に達したところでその状態を維持するステップと、
前記出力電流の時間平均が負荷電流の時間平均に等しくなるか否かを判定し、ＹＥＳであれば終了し、ＮＯであれば、前記出力電流を徐々に増加させるステップに戻るステップと、
水素圧が規定値以下になるか否かを判定し、ＹＥＳであれば終了し、ＮＯであれば、前記出力電流を徐々に増加させるステップに戻るステップと、
前記リチウムイオンバッテリの充電容量が満杯になるか否かを判定し、ＹＥＳであれば終了し、ＮＯであれば、負荷電流を前記リチウムイオンバッテリ電流で保持するステップに戻るステップと
を有することを特徴とする固体水素源の炭化防止方法。
【請求項１９】
水素を発生させる固体水素源と、前記水素で発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の外部出力を補完するリチウムイオンバッテリとを備える燃料電池システムの燃料電池セル活性化方法において、
前記燃料電池の出力電流を第１の電流値とするステップと、
前記燃料電池の入出力の関係から活性化状態を判定するステップと、
前記燃料電池の出力特性を評価するステップと、
前記燃料電池の出力電圧が第１の電圧値以上である場合には、問題なしと判定し、手続き終了するステップと、
前記燃料電池の出力電圧が前記第１の電圧値より小である場合には、前記燃料電池の出力電流を０とし、徐々に増加させるステップと、
前記燃料電池の出力電流の値が前記第１の電流値に達したところでその状態を維持するステップと、
数秒たったところで前記燃料電池の出力電流の値を元に戻し、手続き終了するステップと
を有することを特徴とする燃料電池セル活性化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、燃料電池システム、固体水素源の炭化防止方法および燃料電池セル活性化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水を供給して水素ガスを発生させる固体水素源としては、鉄、アルミニウム等の金属を主成分とするものや、水素化マグネシウムや水素化カルシウム等の水素化金属化合物を主成分とするものが知られている。
【０００３】
また、水素化カルシウム等を固体水素源として、水との反応で発生した水素を供給して発電する固体高分子型の燃料電池を用いた燃料電池システムも種々提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３１４７９２号公報
【特許文献２】特開２００９−１２０４４１号公報
【特許文献３】国際特開ＷＯ２００９／１２２９１０号公報
【特許文献４】国際特開ＷＯ２００６／１０１２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
固体水素源に必要に応じて水を注入する水素発生システムにおいて、水の注入制御方法に関して、これまでは水素が足りなくなった段階で水を必要量注入する制御を行っていた。しかし、連続的に水素を必要とする状況では固体水素源と水が過度に反応し、燃料が高温になり炭化する。その際、炭化ガスが発生し、発生した水素に混じることによって、燃料電池セルを劣化させてしまっていた。
【０００６】
一方、これまで燃料電池セルの活性化方法としては、燃料電池セル自体を高温に保つ(１００℃以上)方法、パルス状に重負荷を周期的に印加する方法などがある。
【０００７】
前者は高温に保つための装置が必要であり、高温に耐えられるように燃料電池セルの構成及び燃料電池システムを構築する必要があり、コストの増大につながる。
【０００８】
また後者は電極の被毒に対する対処方法であり、短時間(数百ｍｓ)の重負荷を印加する方法である。
【０００９】
本実施の形態は、固体水素源の炭化を低減し、また燃料電池セルを活性化させる燃料電池システム、固体水素源の炭化防止方法および燃料電池セル活性化方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施の形態の一態様によれば、内部空間の圧力により反応液を加圧して排出する加圧容器と、前記加圧容器から供給された反応液と反応して水素を発生させる固体水素源を気密状態で収容する燃料容器と、水素が供給されるアノードを有し、前記アノードに供給された水素で発電を行う燃料電池と、前記燃料容器に接続され、前記燃料電池に水素を供給する水素供給管と、前記加圧容器に一端が接続され、他端は前記固体水素源に挿入され、反応液を注入する反応液供給管と、前記燃料容器に連通し、水素の流入を許容する逆止弁を介して前記加圧容器に接続された加圧配管と、前記水素供給管に配置された第１の電磁弁と、前記加圧配管に配置され、反応液圧を検出する第１の圧力検出器と、前記水素供給管に配置され、水素圧を検出する第２の圧力検出器とを備え、前記反応液圧と前記水素圧との差圧を変化させて、前記反応液を断続的な注入する燃料電池システムが提供される。
【００１１】
本実施の形態の他の態様によれば、内部空間の圧力により反応液を加圧して排出する加圧容器と、前記加圧容器から供給された反応液と反応して水素を発生させる固体水素源を気密状態で収容する燃料容器と、水素が供給されるアノードを有し、前記アノードに供給された水素で発電を行う燃料電池と、前記燃料容器に接続され、前記燃料電池に水素を供給する水素供給管と、前記加圧容器に一端が接続され、他端は前記固体水素源に挿入され、反応液を注入する反応液供給管と、前記燃料容器に連通し、水素の流入を許容する逆止弁を介して前記加圧容器に接続された加圧配管と、前記水素供給管に配置された第１の電磁弁と、前記加圧配管に配置され、反応液圧を検出する第１の圧力検出器と、前記水素供給管に配置され、水素圧を検出する第２の圧力検出器と、前記燃料電池からの出力が変動した際に、外部への出力を補うことが可能な蓄電手段とを備え、出力が要求する負荷に対して、それよりも重い負荷、軽い負荷を周期的に印加し、その平均出力をとりだすことによって、燃料電池セルの活性化を図る燃料電池システムが提供される。
【００１２】
本実施の形態の他の態様によれば、水素を発生させる固体水素源と、前記水素で発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の外部出力を補完するリチウムイオンバッテリとを備える燃料電池システムの固体水素源の炭化防止方法において、前記燃料電池の出力電流を０とし、負荷電流を前記リチウムイオンバッテリ電流で保持するステップと、前記出力電流を徐々に増加させるステップと、前記出力電流が第１の電流値に達したところでその状態を維持するステップと、前記出力電流の時間平均が負荷電流の時間平均に等しくなるか否かを判定し、ＹＥＳであれば終了し、ＮＯであれば、前記出力電流を徐々に増加させるステップに戻るステップと、水素圧が規定値以下になるか否かを判定し、ＹＥＳであれば終了し、ＮＯであれば、前記出力電流を徐々に増加させるステップに戻るステップと、前記リチウムイオンバッテリの充電容量が満杯になるか否かを判定し、ＹＥＳであれば終了し、ＮＯであれば、負荷電流を前記リチウムイオンバッテリ電流で保持するステップに戻るステップとを有する固体水素源の炭化防止方法が提供される。
【００１３】
本実施の形態の他の態様によれば、水素を発生させる固体水素源と、前記水素で発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の外部出力を補完するリチウムイオンバッテリとを備える燃料電池システムの燃料電池セル活性化方法において、前記燃料電池の出力電流を第１の電流値とするステップと、前記燃料電池の入出力の関係から活性化状態を判定するステップと、前記燃料電池の出力特性を評価するステップと、前記燃料電池の出力電圧が第１の電圧値以上である場合には、問題なしと判定し、手続き終了するステップと、前記燃料電池の出力電圧が前記第１の電圧値より小である場合には、前記燃料電池の出力電流を０とし、徐々に増加させるステップと、前記燃料電池の出力電流の値が前記第１の電流値に達したところでその状態を維持するステップと、数秒たったところで前記燃料電池の出力電流の値を元に戻し、手続き終了するステップとを有する燃料電池セル活性化方法が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本実施の形態によれば、固体水素源の炭化を低減し、また燃料電池セルを活性化させる燃料電池システム、固体水素源の炭化防止方法および燃料電池セル活性化方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】基本技術に係る燃料電池システムの概略構成図。
【図２】基本技術に係る燃料電池システムの構成例を示すブロック図。
【図３】基本技術に係る燃料電池システムにおいて、制御装置の模式的ブロック構成図。
【図４】水素化カルシウムと水との化学反応を模式的に示す説明図。
【図５】基本技術に係る燃料電池システムに適用される燃料電池の構成例を示す概略構成図。
【図６】比較例に係る燃料電子システムにおいて、連続的な注水のために水圧と水素圧との差圧を略一定に保持させる水圧と水素圧の時間特性。
【図７】比較例に係る燃料電子システムにおいて、炭化ガスにより燃料電池の出力電流Ｉfcに対する燃料電池の出力電圧Ｖfcが低下し、燃料電池出力特性が劣化する様子を示す実験結果。
【図８】比較例に係る燃料電子システムにおいて、高温状態のイオン交換樹脂から窒素化合物と炭素が発生する様子を説明する模式図。
【図９】（ａ）電解質膜（触媒担持体）上に配置されるＰｔ触媒と水素が反応して、水素イオンを発生する様子を説明する模式図、（ｂ）Ｐｔ触媒表面に炭素が吸着してＰｔ触媒が不活性化する様子を説明する模式図。
【図１０】実施の形態に係る燃料電子システムであって、燃料電池と並列にリチウムイオンバッテリ（ＬＩＢ）を備える模式的ブロック構成図。
【図１１】実施の形態に係る燃料電子システムにおいて、水圧と水素圧との差圧を変化させて、断続的な注水により燃料の炭化を抑制するための水圧および水素圧の時間特性の様子を説明する模式図。
【図１２】実施の形態に係る燃料電子システムにおいて、炭化ガスの抑制効果により燃料電池の出力電流Ｉfcに対する燃料電池の出力電圧Ｖfcが低下せず、良好な燃料電池出力特性が得られる様子を示す実験結果。
【図１３】実施の形態に係る燃料電子システムの模式的な動作説明であって、（ａ）水圧および水素圧の時間変化特性、（ｂ）水圧と水素圧の差圧が相対的に小さい場合の短いパルス幅の電流出力特性、（ｃ）水圧と水素圧の差圧が相対的に大きい場合の長いパルス幅の電流出力特性。
【図１４】実施の形態に係る燃料電子システムにおいて、実質的に一定のシステム負荷出力パワーを示す模式的な出力特性。
【図１５】実施の形態に係る燃料電子システムの模式的な連続動作説明であって、（ａ）水素圧および水圧の時間変化特性、（ｂ）水素圧と水圧の差圧が相対的に小さい場合の連続的に短いパルス幅の電流出力特性、（ｃ）水素圧と水圧の差圧が相対的に大きい場合の連続的に長いパルス幅の電流出力特性。
【図１６】実施の形態に係る燃料電子システムにおいて、燃料電池の出力電流制御回路の構成例。
【図１７】比較例に係る燃料電子システムにおいて、外部環境の違い（出力負荷）による内部圧力および温度の時間変化特性例（低出力時）。
【図１８】比較例に係る燃料電子システムにおいて、外部環境の違い（出力負荷）による内部圧力および温度の時間変化特性例（高出力時）。
【図１９】実施の形態に係る燃料電子システムにおいて、外部環境の違い（出力負荷）による内部圧力および温度の時間変化特性例（低出力時）。
【図２０】実施の形態に係る燃料電子システムにおいて、外部環境の違い（出力負荷）による内部圧力および温度の時間変化特性例（高出力時）。
【図２１】固体高分子(膜)形燃料電池（ＰＥ（Ｍ）ＦＣ：Polymer Electrolyte (Membrane) Fuel Cell）における一般的な温度特性を説明する模式図。
【図２２】（ａ）実施の形態に係る燃料電子システムにおいて、出力が要求する負荷に対して、それよりも重い負荷・軽い負荷を周期的(数秒程度)に印加し、その平均出力をとりだすセル活性化方法の説明図であって、水圧および水素圧と時間との関係、（ｂ）図２２（ａ）に対応する負荷電流に対応する電流出力特性例。
【図２３】実施の形態に係る燃料電子システムにおいて、セル活性化方法を適用前におけるＦＣ出力電圧Ｖfcと出力電流Ｉfcとの関係。
【図２４】実施の形態に係る燃料電子システムにおいて、セル活性化方法を適用後におけるＦＣ出力電圧Ｖfcと出力電流Ｉfcとの関係。
【図２５】実施の形態に係る燃料電池システムにおいて、固体水素源の炭化防止方法を説明するタイムチャートであって、（ａ）水圧および水素圧と時間との関係、（ｂ）図２５（ａ）に対応する負荷電流特性例。
【図２６】実施の形態に係る燃料電池システムにおいて、固体水素源の炭化防止方法を説明するフローチャート図。
【図２７】実施の形態に係る燃料電池システムにおいて、セル活性化方法を説明するタイムチャートであって、（ａ）水圧および水素圧と時間との関係、（ｂ）図２７（ａ）に対応する負荷電流特性例、（ｃ）図２７（ａ）および図２７（ｂ）に対応する出力電圧特性例。
【図２８】実施の形態に係る燃料電池システムにおいて、セル活性化方法を説明するフローチャート図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１７】
又、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１８】
（燃料電池システム）
基本技術に係る燃料電池システム２０Ａの概略構成は、図１に示すように表される。また、基本技術に係る燃料電池システム２０Ａの構成例を示すブロック図は、図２に示すように表される。また、基本技術に係る燃料電池システム２０Ａにおいて、制御装置２６の模式的ブロック構成は、図３に示すように表される。また、水素化カルシウムと水との化学反応を模式的に示す説明図は、図４に示すように表され、基本技術に係る燃料電池システム２０Ａに適用される燃料電池の構成例を示す概略構成は、図５に示すように表される。
【００１９】
基本技術に係る燃料電池システム２０Ａは、図１に示すように、ボトル状の燃料容器５０Ａ内に水を含む反応液を供給して水素を発生させる水素発生手段２１と、発生した水素を供給して発電を行う固体高分子型の燃料電池３０と、水素発生手段２１で発生した水素を燃料電池３０に供給する水素供給管１５とを備える。
【００２０】
水で構成される反応液１１は、加圧容器１０に貯留されている。加圧容器１０には、容器内に圧力（水素圧等）を印加する加圧装置１２および加圧配管１３が設けられている。
【００２１】
加圧容器１０内の圧力は、大気圧以上であればよいが、好ましくはゲージ圧として、例えば、約５００ｋＰａ以下の一定範囲、より好ましくは３００ｋＰａ以下の一定範囲で制御されていることが望ましい。このような圧力の制御は、系内に設ける安全弁（図示せず）の圧力設定によって制御することができる。
【００２２】
また、加圧によって押し出された反応液１１を固体水素源１に供給する反応液供給管１４が設けられている。
【００２３】
なお、反応液供給管１４には、反応液の流量を制限する流量制限部を設けることが好ましい。これにより、圧力差により供給される反応液の流量を適度に調整することができる。
【００２４】
そして、反応液供給管１４の一端は、固体水素源１の上方まで延設され、供給されて来る反応液１１ａが固体水素源１上に滴下されるように構成されている。
【００２５】
燃料容器５０Ａには、発生した水素を燃料電池３０に供給する水素供給管１５が接続されている。
【００２６】
そして、燃料電池３０で発電された電気は、例えばスマートフォン等で構成される外部負荷４０に給電されるようになっている。
【００２７】
ここで、図２のブロック図を参照して、燃料電池システム２０のより具体的な構成について説明する。
【００２８】
基本技術に係る燃料電池システム２０Ａは、図２に示すように、発電部２５と、発電部２５から出力されるＤＣ電流Ｉfcによって供給されるＤＣ電圧のＤＣ／ＤＣ変換等を行う電源回路２８と、発電部２５の発電量の過不足を吸収するリチウムイオンバッテリ（ＬＩＢ：Lithium Ion Battery）２９と、発電部２５における水圧、水素圧等に基づいて電源回路２８およびＬＩＢ２９を制御するためのＣＰＵ２７を備える制御装置２６とを備える。
【００２９】
加圧容器１０には燃料電池セル（燃料電池）３０に接続される加圧配管（水素配管）１３が接続され、加圧容器１０内を水素によって加圧するようになっている。
【００３０】
電源回路２８は、燃料電池セル（燃料電池）３０から出力されるＤＣ電流Ｉfcが供給されるＤＣ／ＤＣコンバータ３５および外部からの電流の逆流を阻止するダイオード３６を備える。
【００３１】
ＬＩＢ２９は、ＬＩＢセル２９ａを備える。
【００３２】
また、ＣＰＵ２７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５から出力される電流Ｉoutが外部負荷要求で決まる負荷電流Ｉloadより大きい場合には、余剰分の電流をＬＩＢセル２９ａに充電し、電流Ｉoutが負荷電流Ｉloadより少ない場合には、ＬＩＢセル２９ａから不足分の電流（Ｉlib）を供給するように制御する。
【００３３】
このように、基本技術に係る燃料電池システム２０Ａによれば、各種装置等からの外部負荷要求に対して、要求を満たす電流を安定して供給することができる。
【００３４】
制御装置２６は、図３に示すように、ＣＰＵ２７と、ＣＰＵ２７に接続される表示装置４６・温度センサ４８・圧力センサ５４・電圧モニタ５６・バルブセンサ５２を備える。また、ＣＰＵ２７は、発電部２５・電源回路２８・ＬＩＢ２９に接続され，各部を制御可能である。
【００３５】
ここで、固体水素源１を構成する水素化カルシウム（ＣａＨ２）と、反応液１１を構成する水（Ｈ２Ｏ）との化学反応は図４に示すように表される。
【００３６】
この際の化学反応式は、ＣａＨ２＋２Ｈ２Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）２＋２Ｈ２で表される。
【００３７】
加圧容器１０は、内部に収容した反応液１１を加圧して排出する構造であればよく、密閉容器内に、直接反応液１１を収容する形態でも、内部に設けた別の容器を介して反応液１１を収容する形態でもよい。反応液１１としては、固体水素源１と反応して水素を発生させるものであればよく、中性の水、酸水溶液、アルカリ水溶液などが用いられる。
【００３８】
加圧容器１０内の圧力は、大気圧以上であればよいが、好ましくはゲージ圧として、５００ｋＰａ以下の一定範囲、より好ましくは３００ｋＰａ以下の一定範囲で制御されていることが望ましい。
【００３９】
固体水素源１としては、粒状等の水素発生物質を単独で使用する（樹脂包埋せずに使用する）ことも可能であるが、反応液との反応速度を制御する観点から、樹脂の母材中に粒状の水素発生物質を含有するものが好ましい。その際、使用する樹脂としては、反応を適度に調整する観点から、水溶性樹脂以外のものが好ましい。
【００４０】
固体水素源１としては、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化カリウム、水素化リチウムアルミニウム、水素化アルミニウムナトリウム、又は水素化マグネシウムなどの水素化金属、アルミニウム、鉄、マグネシウム、カルシウム等の金属、水素化ホウ素化合物等の金属水素錯化合物などが挙げられる。中でも、水素化金属が好ましく、特に水素化カルシウムが好ましい。水素化金属化合物、金属、金属水素錯化合物は、何れかを複数組み合わせて使用することもでき、また、それぞれを組み合わせて使用することも可能である。
【００４１】
即ち、固体水素源１としては、水溶性樹脂を除く樹脂の母材中に、粒状の水素化カルシウム（ＣａＨ2）を含有するものが特に好ましい。この固体水素源１では、粒状の水素化カルシウムが樹脂のマトリックス中に分散又は埋設された状態となり、これにより、水素化カルシウムの反応性が抑制され、水との反応の際の取り扱い性が改善される。また、水素発生物質として水素化カルシウムを使用することで、水等との反応性が高くなり、水等と反応した際に生成する反応物（水酸化カルシウム）の体積膨張率が高くなるため、樹脂母材を崩壊させる作用が大きくなり、水等との反応が自然に内部まで進行し易くなる。
【００４２】
固体水素源１の含有量は、好ましくは固体水素源１中、６０重量％以上であるが、保形性を維持しつつ反応の際に樹脂母材を崩壊させる観点から、固体水素源１中、６０〜９０重量％であることが好ましく、７０〜８５重量％がより好ましい。
【００４３】
粒状の固体水素源１の平均粒径は、樹脂中への分散性や反応を適度に制御する観点から、１〜１００μｍが好ましく、６〜３０μｍがより好ましく、８〜１０μｍが更に好ましい。
【００４４】
水素化カルシウムに他の水素発生物質を添加する場合、その水素発生物質の含有量は、水素発生剤中、０〜２０重量％が好ましく、０〜１０重量％がより好ましく、０〜５重量％が更に好ましい。
【００４５】
樹脂としては、好ましくは水溶性樹脂以外のものが使用され、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、耐熱性樹脂などが挙げられるが、熱硬化性樹脂が好ましい。熱硬化性樹脂を使用することで、一般的に樹脂母材がもろくなり易く、反応の際に樹脂母材がより容易に崩壊して、反応が自然に進行し易くなる。
【００４６】
なお、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル、ポリアミドなどが挙げられる。また、耐熱性樹脂としては、芳香族系のポリイミド、ポリアミド、ポリエステルなどが挙げられる。
【００４７】
熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、または熱硬化性ポリイミド樹脂等が挙げられる。なかでも、水素発生反応中に樹脂母材が適度な崩壊性を有する観点から、エポキシ樹脂が好ましい。熱硬化性樹脂を硬化させる際には、必要に応じて硬化剤や硬化促進剤などが適宜併用される。
【００４８】
樹脂の含有量は、好ましくは４０重量％未満であるが、保形性を維持しつつ反応の際に樹脂母材を崩壊させる観点から、水素発生剤中、５〜３５重量％が好ましく、１０〜３０重量％がより好ましい。
【００４９】
用いられる固体水素源１には、上記の成分以外の任意成分として、触媒、充填材、などのその他の成分を含有してもよい。触媒としては、水素発生剤用の金属触媒の他、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウムなどのアルカリ化合物も有効である。
【００５０】
次に、図５を参照して、燃料電池３０の概略構成について説明する。
【００５１】
燃料電池の仕組みは、発生された水素と、空気中の酸素とを電気化学的に反応させて直接発電するものである。
【００５２】
燃料電池３０は、水素と酸素が化学反応して、水と電力を得る原理を利用している。ここで、水素は投入原料として用いられ、酸素は酸化剤として用いられている。
【００５３】
燃料電池３０は、燃料極（アノード）３３と、空気極（カソード）３１と、電解質膜（イオン交換樹脂膜等）３２とから構成される。
【００５４】
一組の燃料極３３、空気極３１および電解質膜３２とによって一つの発電セル（単セル）が構成される。発電セルは、図５に示すように、電解質膜３２を空気極３１と燃料極３３で挟んだサンドイッチ構造を備える。実際には、このような発電セルが複数個にわたって直並列接続されて燃料電池３０を形成する。
【００５５】
燃料極３３は、例えば、白金等で形成されるアノード触媒とそれを支えるための多孔質導電性支持層からなり、空気極３１は、例えば、カソード触媒と多孔質導電性支持層から構成される。
【００５６】
このように構成された燃料電池３０の燃料極（アノード）３３には、固体水素源１で発生された水素（Ｈ２）が供給され、アノード触媒において、水素が電子（ｅ−）を放出して水素イオン（プロトン：Ｈ＋）となる。
【００５７】
電子（ｅ−）は、負荷（例えば、各種電気回路等）４０を経由して空気極（カソード）３１に移動する。
【００５８】
一方、水素イオン（Ｈ＋）は電解質膜３２中を空気極（カソード）３１に向かって移動し、空気極（カソード）３１で、酸素（Ｏ２）と、負荷４０を通して移動してくる電子（ｅ−）と結合して水（Ｈ２Ｏ）に還元される。
【００５９】
このような各電極における反応を化学式で示すと以下のように表される。
【００６０】
燃料極３３での反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
空気極３１での反応：２Ｈ＋＋（１／２）Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全体の反応： Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ 
このような反応により、燃料電池３０は、固体水素源１から生成した水素（Ｈ２）を燃料として、電気を出力することができる。
【００６１】
（炭化ガスの発生による燃料電池セル劣化）
比較例に係る燃料電子システムにおいて、連続的な注水のために水圧ＰH2Oと水素圧ＰH2との差圧ΔＰを略一定に保持させる水圧ＰH2Oおよび水素圧ＰH2の時間特性の様子は、模式的に図６に示すように表される。
【００６２】
比較例に係る燃料電子システムにおいては、燃料容器５０に対して水を連続的に注入するために、図６に示すように、水素圧ＰH2と水圧ＰH2Oの差圧ΔＰを略一定に保持させている。このように、差圧ΔＰを略一定に保持させることによって、連続的に水を注入する。
【００６３】
比較例に係る燃料電子システムにおいて、燃料電池の出力電流Ｉfcに対する燃料電池の出力電圧Ｖfcの特性は、図７に示すように表される。比較例に係る燃料電子システムにおいては、連続的な注水により燃料が炭化する。すなわち、比較例に係る燃料電子システムにおいては、炭化ガスにより燃料電池の出力電流Ｉfcに対する燃料電池の出力電圧Ｖfcが低下し、図７に示すように、燃料電池出力特性が劣化する。比較例に係る燃料電子システムにおいては、炭化ガスの発生により、燃料電池セルが劣化し、１００Ｗ常時出力を得ることはできない。
【００６４】
また、比較例に係る燃料電子システムにおいて、高温状態の電解質膜（イオン交換樹脂膜）３２から窒素化合物７０Ｎと炭素７０Ｃが発生する様子を説明する模式図は、図８に示すように表される。
【００６５】
また、燃料極（アノード、触媒担持体）３３上に配置されるＰｔ触媒と水素が反応して、水素イオンを発生する様子は、図９（ａ）に示すように模式的に表され、Ｐｔ触媒表面に炭素が吸着してＰｔ触媒が不活性化する様子は、図９（ｂ）に示すように模式的に表される。
【００６６】
比較例においては、固体水素源を用いた水素発生システムを備える燃料電池システムにおける固体水素源への水注入を、システムの要求に応じて連続的に行っていたため、連続的に水注入を行うことで燃料が炭化し、発生する炭化ガスにより燃料電池セルを劣化させ、結果出力が低下してしまう。
【００６７】
（固体水素源を用いた燃料電池システム）
実施の形態に係る燃料電子システム２０の模式的ブロック構成は、図１０に示すように表される。図１０においては、燃料電池３０と並列にリチウムイオンバッテリ（ＬＩＢ）２９が配置されている。
【００６８】
実施の形態に係る燃料電池システム２０は、図１０に示すように、内部空間の圧力により反応液（水：Ｈ2Ｏ）を加圧して排出する加圧容器１０と、加圧容器１０から供給された反応液（水：Ｈ2Ｏ）と反応して水素を発生させる固体水素源１を気密状態で収容する燃料容器５０と、水素が供給されるアノードを有し、アノードに供給された水素で発電を行う燃料電池３０と、燃料容器５０に接続され、燃料電池３０に水素を供給する水素供給管１５Ａ・１５Ｂと、加圧容器１０に一端が接続され、他端は固体水素源に挿入され、反応液を注入する反応液供給管１４（１４Ａ・１４Ｂ）と、燃料容器５０に連通し、水素の流入を許容する逆止弁２を介して加圧容器１０に接続された加圧配管１３Ａ・１３Ｂと、水素供給管１５Ａに配置された第１の電磁弁１５Ｓと、加圧配管１３Ａに配置され、水圧ＰH2Oを検出する第１の圧力検出器１３Ｐと、水素供給管１５Ａに配置され、水素圧ＰH2を検出する第２の圧力検出器１５Ｐとを備える。ここで、水圧ＰH2Oと水素圧ＰH2との差圧ΔＰ＝ＰH2O−ＰH2を変化させて、断続的な注水により固体水素源１の炭化を抑制することができる。
【００６９】
また、実施の形態に係る燃料電池システム２０は、図１０に示すように、燃料電池３０から出力されるＤＣ電流Ｉfcが供給されるＤＣ／ＤＣコンバータ３５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５に接続され、外部からの電流の逆流を阻止するダイオード３６とを備えていても良い。
【００７０】
また、実施の形態に係る燃料電池システム２０は、図１０に示すように、燃料電池３０からの出力が変動した際に、外部への出力を補うことが可能な蓄電手段を備えていても良い。
【００７１】
ここで、蓄電手段は、ＬＩＢ２９を備えていても良い。
【００７２】
また、図１２では省略されているが、第１の圧力検出器１３Ｐおよび第２の圧力検出器１５Ｐで検出された水圧ＰH2Oおよび水素圧ＰH2に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５を制御する制御装置（２６：図２）を備えていても良い。
【００７３】
また、反応液供給管１４Ａ・１４Ｂは、水の流量を制御する第２の電磁弁４を備えていても良い。
【００７４】
また、水素供給管１５Ａは、水素の流量を制御するレギュレータ１５Ｒを備えていても良い。また、水素供給管１５Ｂは、水素の流量を制御するレギュレータ１３Ｒを備えていても良い。また、レギュレータ１５Ｒの二次側の設定圧力としては、例えば１００〜２００ｋＰａ（特に１２０ｋＰａ）が挙げられる。レギュレータ１３Ｒの設定圧力としては、例えば１０〜１００ｋＰａ（特に３０ｋＰａ）が挙げられる。
【００７５】
また、実施の形態に係る燃料電池システム２０においては、後述するように、出力が要求する負荷に対して、それよりも重い負荷、軽い負荷を周期的に印加し、その平均出力をとりだすことによって、燃料電池セルの活性化を図っても良い。
【００７６】
また、固体水素源１は水素化カルシウムを備え、反応液は水を備えていても良い。
【００７７】
圧力検出器１３Ｐ・１５Ｐとしては、気体の圧力をダイヤフラム（ステンレスダイヤフラム、シリコンダイヤフラム、など）を介して、感圧素子で計測し、電気信号に変換し出力する圧力センサ等が使用できる。代表的な、圧力センサとしては、半導体ピエゾ抵抗拡散圧力センサ、静電容量形圧力センサなどが挙げられる。
【００７８】
実施の形態に係る燃料電池システムでは、発生した水素から、不純物であるアンモニアを除去するために、水素供給管１５Ａ・１５Ｂにアンモニア除去剤を設けてもよい。具体的に、シート状のアンモニア除去剤を容器内に充填したものを使用することができる。このようなアンモニア除去剤は、シート状に形成されたものが市販されているが、粒状の吸着剤等を通気性の袋に収容したものを使用することも可能である。
【００７９】
実施の形態に係る燃料電子システム２０において、水圧ＰH2Oと水素圧ＰH2との差圧ΔＰを変化させて、断続的な注水により燃料の炭化を抑制するための水圧ＰH2Oおよび水素圧ＰH2の時間特性の様子は、模式的に図１１に示すように表される。
【００８０】
実施の形態に係る燃料電子システム２０においては、燃料容器５０に対して水を断続的に注入するために、図１１に示すように、水圧ＰH2Oと水素圧ＰH2の差圧ΔＰを断続的に変化させている。このように、差圧ΔＰを変化させることによって、断続的に水を注入することができる。
【００８１】
実施の形態に係る燃料電子システム２０において、燃料電池の出力電流Ｉfcに対する燃料電池の出力電圧Ｖfcの特性は、図１２に示すように表される。炭化ガスの抑制効果により、良好な燃料電池出力特性が得られている。実施の形態に係る燃料電子システム２０においては、炭化ガス発生を抑え、燃料電池セルの劣化を防止することができ、図１２に示すように、１００Ｗ常時出力も可能である。
【００８２】
実施の形態に係る燃料電池システムは、固体水素源に水を注入する際に、過度な発熱による燃料の炭化を抑制することができる。
【００８３】
実施の形態に係る燃料電池システムでは、水の注入を断続的に行うことで、反応を分散させ過度な温度にならないように制御する。固体水素源に必要に応じて水を注入し、オンデマンドに水素を発生させるシステムにおいては、その要求が連続的であっても水の注入は、断続的に行う。
【００８４】
また、注水が不連続になり、システムからの連続的な水素要求があった場合は、ＬＩＢ２９から電力を補完する、あるいは出力そのものを断続的に止めることで対応しても良い。
【００８５】
実施の形態に係る燃料電子システムにおいては、燃料の炭化を抑制し、炭化ガスが水素に混じることがなくなり、燃料電池セルの高寿命化を図ることができる。
【００８６】
実施の形態に係る燃料電子システにおいては、燃料電池と並列にＬＩＢを配置して、断続的な水素発生により燃料電池の出力が断続的になる場合を補完して、実質的に一定の電力が得ることができる。
【００８７】
―動作説明―
実施の形態に係る燃料電子システム２０の模式的な動作説明であって、水圧ＰH2Oおよび水素圧ＰH2の時間変化特性は、模式的に図１３（ａ）に示すように表される。図１３（ａ）において、実線は、水圧ＰH2Oの時間変化特性を示す。また、実線に略平行な破線は、最小の水素圧ＰH2minの時間変化特性を示す。
【００８８】
また、水圧ＰH2Oと水素圧ＰH2の差圧が相対的に小さい場合の出力電流Ｉoutは、図１３（ｂ）の実線に示すように模式的に表され、水圧ＰH2Oと水素圧ＰH2の差圧が相対的に大きい場合の出力電流Ｉoutは、図１３（ｃ）に示すように模式的に表される。
【００８９】
水圧ＰH2Oと水素圧ＰH2の差圧が相対的に小さい場合には、図１３（ａ）の太線で示される水素圧ＰH2となるため、図１３（ｂ）に示すように、時刻ｔ１・時刻ｔ２間および時刻ｔ４・時刻ｔ５間の短いパルス幅で波高値Ｉ1の出力電流Ｉoutが得られる。
【００９０】
水圧ＰH2Oと水素圧ＰH2の差圧が同程度のままで、水素圧ＰH2の変化を曲線Ｂに示すように変更した場合には、図１３（ｂ）の破線に示すように、時刻ｔ１・時刻ｔ３間の相対的に長いパルス幅で波高値Ｉ1の出力電流Ｉoutが得られる。
【００９１】
水圧ＰH2Oと水素圧ＰH2の差圧を相対的に大きくして水素圧ＰH2の変化を曲線Ａに示すように変更した場合には、図１３（ｃ）に示すように、時刻ｔ１・時刻ｔ３間の相対的に長いパルス幅で波高値Ｉ2の出力電流Ｉoutが得られる。ここで、波高値Ｉ2は、波高値Ｉ1よりも大きい。
【００９２】
実施の形態に係る燃料電子システム２０の負荷が重い場合には、図１３（ａ）の曲線Ａに示すように、水素圧ＰH2を下げ、水の供給量を増大している。一方、負荷が軽い場合には、図１３（ａ）の曲線Ｂ或いは斜線部分に示すように、水圧ＰH2Oに対して水素圧ＰH2が下がりにくくなる。このため、差圧ΔＰを変化させることによって、断続的に水を注入することができる。
【００９３】
実施の形態に係る燃料電子システム２０において、実質的に一定のシステム負荷ＰW（Ｗ）出力を示す例は、模式的に図１４に示すように表される。図１４においては、システム負荷ＰW（Ｗ）が負荷が重い場合（１２０Ｗ）を破線で示し、これよりも相対的に負荷が軽い場合（８０Ｗ）を太い実線で示す。図１０に示すようなＬＩＢ２９と燃料電池３０が並列に構成されているシステムにおいては、断続的な水素発生により燃料電池３０の出力が断続的になる場合には、ＬＩＢ２９から電力を補助することで、負荷出力では常に一定の電力が得られる。
【００９４】
一方、実施の形態に係る燃料電子システム２０において、ＬＩＢ２９がない場合も考えられる。例えば、実施の形態に係る燃料電子システム２０を充電用電池への充電動作などにおいて使用する場合には、出力が断続的になることが許容できるため、出力も断続的に行うことで対処可能である。
【００９５】
―連続動作例―
実施の形態に係る燃料電子システム２０の模式的な連続動作説明であって、水圧ＰH2Oおよび水素圧ＰH2の時間変化特性は、模式的に図１５（ａ）に示すように模式的に表される。また、水圧ＰH2Oと水素圧ＰH2の差圧が相対的に小さい場合の連続的に短いパルス幅の出力電流Ｉoutは、図１５（ｂ）に示すように模式的に表され、水圧ＰH2Oと水素圧ＰH2の差圧が相対的に大きい場合の連続的に長いパルス幅の出力電流Ｉoutは、図１５（ｃ）に示すように模式的に表される。
【００９６】
水圧ＰH2Oと水素圧ＰH2の差圧が相対的に小さい場合には、図１５（ａ）の太線で示される水素圧ＰH2となるため、図１５（ｂ）に示すように、時刻ｔ１・時刻ｔ２間、時刻ｔ３・時刻ｔ４間、時刻ｔ５・時刻ｔ６間、および時刻ｔ７・時刻ｔ８間の短いパルス幅で波高値Ｉ3の出力電流Ｉoutが得られる。
【００９７】
水圧ＰH2Oと水素圧ＰH2の差圧を相対的に大きくした場合には、図１５（ｃ）に示すように、時刻ｔ１・時刻ｔ２１間、時刻ｔ３１・時刻ｔ５１間、および時刻ｔ６１・時刻ｔ７１間の相対的に長いパルス幅で波高値Ｉ4の出力電流Ｉoutが得られる。ここで、波高値Ｉ4は、波高値Ｉ3よりも大きい。
【００９８】
実施の形態に係る燃料電子システム２０においては、さまざまな負荷要求に対応して、水素圧ＰH2と水圧ＰH2Oの差圧を連続的に変化させて、連続動作を実施可能である。
【００９９】
（燃料電池の出力電流制御回路）
実施の形態に係る燃料電子システム２０において、燃料電池３０の出力電流制御回路６０の構成例は、図１６に示すように表される。
【０１００】
実施の形態に係る燃料電子システム２０において、燃料電池３０の出力電流制御回路６０は、図１６に示すように、燃料電池３０の出力にコレクタが接続されたバイポーラトランジスタＱ１と、バイポーラトランジスタＱ１のエミッタと接地電位間に接続された抵抗Ｒ１からなるエミッタホロワで構成可能である。バイポーラトランジスタＱ１のベース電圧ＶＢを可変制御することで、可変定電流制御回路を構成している。ここで、ベース電圧ＶＢの可変制御方式としては、例えば、パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）制御若しくはパルス数変調（ＰＮＭ：Pulse Number Modulation）制御などを適用可能である。バイポーラトランジスタＱ１のベース電圧ＶＢは、制御装置２６内のＣＰＵ２７（図２）によって制御可能である。
【０１０１】
（差圧制御アルゴリズム）
比較例に係る燃料電子システムにおいては、水注入の方法として、ポンプなどを使わずに燃料ボトルと水ボトルの差圧を利用して水を注入する。しかし、この方法では、水素圧の上下動により出力を上下させるため、任意の動作環境(出力や環境温度、使用時間)に対応するものではない。比較例に係る固体水素源型燃料電池システムにおいて、任意の環境下でも安定して水を注入する制御方法がこれまで確立されていない。
【０１０２】
圧力差を用いた水注入方法では、単に水素圧の上下に応じて出力を上下させ、安定した水素圧を保つようにするものである。しかしセルユニットの特性や燃料の反応状態は外部環境によって異なる上、出力の変動、特に急峻な変動や内部のＬＩＢの状態などが反映されていないため、環境や出力の変化に追従できずに系が不安定になる。
【０１０３】
比較例に係る燃料電子システムにおいて、外部環境の違い（出力負荷）による内部圧力および温度の時間変化特性例（低出力時：３０Ｗ）は、図１７に示すように表される。また、外部環境の違い（出力負荷）による内部圧力および温度の時間変化特性例（高出力時：８０Ｗ）は、図１８に示すように表される。図１７・図１８において、ＰH2は水素圧、ＰH2Oは水圧、ＢＢは燃料容器の底部の温度、ＢＵは燃料容器の上部における温度を表す。ＴH2は水素温度を示す。
【０１０４】
実施の形態に係る燃料電子システムにおいては、ある時間tにおける圧力差を、現在の出力負荷の大きさ（ステップＡ)、これまでに注入した水の積算値（ステップＢ）、内部ＬＩＢへの依存度（ステップＣ）、およびこれまでに使用した燃料（ステップＤ）の４つのパラメータを用いて決定する制御アルゴリズムを実施可能である。
【０１０５】
ステップＡは、出力の急峻な変動に対応するため、出力負荷が大きく変化した場合は瞬時に大きな差圧を許すことで、水を素早く大量に注入させる工程を有する。
【０１０６】
ステップＢは、注入した水の量とこれまでに使用した電力量を比べて、水の量が多ければ今後水素圧ＰH2が上がるだろうと見越して、差圧ΔＰ（＝ＰH2O−ＰH2）の最大値を狭めるようにする工程を有する。
【０１０７】
ステップＣは、は内部ＬＩＢ２９への依存度が大きい場合には、燃料電池３０からの電力を増やすために差圧ΔＰ（＝ＰH2O−ＰH2）の最大値を広げる工程を有する。
【０１０８】
ステップＤは、燃料（固体水素源１）を使用すると徐々に水を注入してから水素を発生するまでに時間がかかるようになるため、差圧ΔＰ（＝ＰH2O−ＰH2）の最大値を広げて大量に水を注入するようにする工程を有する。
【０１０９】
実施の形態に係る燃料電子システムにおいて、外部環境の違い（出力負荷）による内部圧力（ＰH2、ＰH2O）および燃料電池・ＬＩＢの出力容量（Ｗｈ）の時間変化特性例（低出力時：３０Ｗ）は、図１９に示すように表される。また、外部環境の違い（出力負荷）による内部圧力（ＰH2、ＰH2O）および燃料電池・ＬＩＢの出力容量（Ｗｈ）の時間変化特性例（高出力時：８０Ｗ）は、図２０に示すように表される。図１９・図２０において、ＰH2は水素圧、ＰH2Oは水圧、ＦＣ・Ｌｉｂは燃料電池・ＬＩＢの出力容量（Ｗｈ）を示す。
【０１１０】
実施の形態に係る燃料電子システムにおいては、加圧容器１０と燃料容器５０との差圧ΔＰ（＝ＰH2O−ＰH2）により水の注入を行う場合の上記の４つのパラメータを用いて決定する制御アルゴリズムによって、小出力時および高出力時ともに内部の圧力が安定化可能である。
【０１１１】
実施の形態に係る燃料電子システムにおいては、このような差圧制御アルゴリズムにより、任意の動作環境下で安定した電力が燃料電池から得られる。
【０１１２】
実施の形態に係る燃料電子システムは、燃料電池から取り出した電力をためておくことのできる二次電池を備えるシステムにおいて有用である。
【０１１３】
（セル活性化）
固体高分子(膜)形燃料電池（ＰＥ（Ｍ）ＦＣ：Polymer Electrolyte (Membrane) Fuel Cell）における一般的な温度特性は、模式的に図２１に示すように表される。
【０１１４】
負荷電流Ｉloadの出力電力要求に対して、同じ電力を燃料電池３０から取り出す燃料電池システムでは、出力電力要求が小さい場合には燃料電池３０での反応も少なく、結果として生成される水分量が小さくなる。水分量が少ないと発生する水素イオンＨ+も少なくなるため、燃料電池３０の電解質膜（ＭＥＡ）の抵抗が高くなり、燃料電池３０での反応効率が悪くなり、図２１の破線Ｄ部分に示されるように、燃料電池の出力（Ｗ）が低下してしまう。
【０１１５】
一方、負荷電流Ｉloadの出力電力要求が大きい場合には、燃料電池３０での反応も増加し、結果として生成される水分量も多くなる。水分量が多いと燃料電池の電解質膜（ＭＥＡ）を通過するガスの流量が阻害され、反応効率が悪くなり、図２１の破線Ｃ部分に示されるように、燃料電池の出力（Ｗ）が低下してしまう。
【０１１６】
図２１において、温度Ｔ１〜Ｔ２が、ある一定範囲内の温度であれば、水分が燃料電池３０内に有る程度存在する状態が、反応性が良好となる。
【０１１７】
図２１において、破線Ｃ部分に示される場合には、例えば、出力負荷が２０Ｗ〜３０Ｗ程度と軽く、水分量が多くなる。
【０１１８】
図２１において、破線Ｄ部分に示される場合には、例えば、出力負荷が１００Ｗ以上と重く、水分量が少なくなる。
【０１１９】
実施の形態に係る燃料電子システム２０において、出力が要求する負荷に対して、それよりも重い負荷・軽い負荷を周期的(数秒程度)に印加し、その平均出力をとりだすセル活性化の説明図であって、水素圧ＰH2および水圧ＰH2Oと時間ｔとの関係は、図２２（ａ）に示すように表され、図２２（ａ）に対応する出力電流Ｉoutは、図２２（ｂ）に示すように表される。
【０１２０】
セル活性化方法とは、ＦＣ負荷の変更を実行する方法であり、出力が要求する負荷に対して、それよりも重い負荷・軽い負荷を周期的(数秒程度)に印加し、図２２（ｂ）に示すように、平均出力電流ＩAVEとして、その平均出力をとりだす方法である。
【０１２１】
出力が要求する負荷に対して、それよりも重い負荷・軽い負荷を周期的(数秒程度)に印加するために、水圧ＰH2Oと水素圧ＰH2との差圧ΔＰを図２２（ａ）に示すように変化させる。差圧ΔＰがある程度あり、水圧ＰH2Oに対して、水素圧ＰH2が低い場合には、軽負荷となる。水圧ＰH2Oに対して、水素圧ＰH2が高い場合には、重負荷となる。
【０１２２】
図２２（ｂ）に示すように、常に燃料電池セルが湿潤する状態を保つために、相対的に長時間(数ｓ)にかけて重負荷をスロープ傾きαを有するスロープ状に印加することで、燃料電池３０を活性化させている。
【０１２３】
実施の形態に係る燃料電池システム２０においては、出力が要求する負荷に対して、それよりも重い負荷・軽い負荷を周期的(数秒程度)に印加し、その平均出力をとりだすことによって、燃料電池セルの活性化を図ることができる。平均化には燃料電池システムが内蔵するＬＩＢ２９を使用することで、要求負荷より重い負荷を燃料電池３０に印加する際には余った電力をＬＩＢ２９に流し込み、軽い負荷の場合は足りない分をＬＩＢ２９から補うことで実現する。
【０１２４】
実施の形態に係る燃料電池システム２０においては、図２２（ｂ）に示すように、燃料電池３０中の水分量が減少することによるセルの不活性現象に着目し、常に燃料電池セルが湿潤する状態を保つために時刻ｔ１・ｔ２間において、相対的に長時間(数ｓ)にかけてスロープ傾きαを有するスロープ状に負荷を印加することで燃料電池セル中の水分量を保つことで燃料電池３０を活性化させ、燃料電池３０から効率よく電力を取り出すことができる。
【０１２５】
時刻ｔ１において、水素圧ＰH2が最小の水素圧ＰH2Ominに等しくなると、出力電流Ｉoutは、最小の出力値Ｉminに低下させる。
【０１２６】
時刻ｔ１〜ｔ２間において、長時間(数ｓ)にかけて重負荷をスロープ傾きαを有するスロープ状に印加する。
【０１２７】
時刻ｔ３において、水素圧ＰH2が水圧ＰH2Oよりも高くなった場合には、出力が要求する負荷に対して、それよりも重い負荷を印加して、出力電流Ｉoutを最大値Ｉmaxに保持する。
【０１２８】
（活性化による特性比較）
また、実施の形態に係る燃料電池システムにおいて、セル活性化方法を適用前におけるＦＣ出力特性は、図２３に示すように表され、セル活性化方法を適用後におけるＦＣ出力特性は、図２４に示すように表される。
【０１２９】
実施の形態に係る燃料電池システムにおいて、セル活性化方法を適用前における出力電流Ｉfcに対するＦＣ出力電圧Ｖfcは、図２３に示すように約１０％低下している。
【０１３０】
一方、実施の形態に係る燃料電池システムにおいて、セル活性化方法を適用後における出力電流Ｉfcに対するＦＣ出力電圧Ｖfcは、図２４に示すように約１０％増加している。
【０１３１】
（炭化防止方法）
ＬＩＢ２９と燃料電池３０が並列に構成されている実施の形態に係る燃料電池システム（図１０参照）においては、断続的な水素発生により燃料電池３０の出力が断続的になる場合には、ＬＩＢ２９から電力を補助することで、負荷出力では常に一定の電力が得られる。
【０１３２】
実施の形態に係る燃料電池システム（図１０参照）において、固体水素源の炭化防止方法を説明するタイムチャートであって、水圧ＰH2Oおよび水素圧ＰH2と時間との関係は図２５（ａ）に示すように表され、図２５（ａ）に対応する電流特性例は、図２５（ｂ）に示すように表される。
【０１３３】
また、実施の形態に係る燃料電池システムにおいて、図２５（ａ）・図２５（ｂ）に対応し、固体水素源の炭化防止方法を説明するフローチャートは、図２６に示すように表される。このような固体水素源の炭化防止方法は、常に実施している。
【０１３４】
水素を発生させる固体水素源１と、水素で発電を行う燃料電池３０と、燃料電池３０の外部出力を補完するＬＩＢ２９とを備える燃料電池システム２０の固体水素源の炭化防止方法は、燃料電池３０の出力電流Ｉfcを０とし、負荷電流ＩloadをＬＩＢ電流Ｉlibで保持するステップと、出力電流Ｉoutを徐々に増加させるステップと、出力電流Ｉoutが第１の電流値に達したところでその状態を維持するステップと、出力電流Ｉoutの時間平均が負荷電流Ｉloadの時間平均に等しくなるか否かを判定し、ＹＥＳであれば終了し、ＮＯであれば、出力電流Ｉoutを徐々に増加させるステップに戻るステップと、水素圧ＰH2が規定値以下になるか否かを判定し、ＹＥＳであれば終了し、ＮＯであれば、出力電流Ｉoutを徐々に増加させるステップに戻るステップと、ＬＩＢ２９の充電容量が満杯になるか否かを判定し、ＹＥＳであれば終了し、ＮＯであれば、負荷電流ＩloadをＬＩＢ電流Ｉlibで保持するステップに戻るステップとを有する。以下に、図２５（ａ）・図２５（ｂ）および図２６を参照して、詳述する。
(ａ)まず、時刻０〜ｔ１間のステップＳ２１において、出力電流Ｉout＝０とし、負荷電流Ｉload＝Ｉlibとして、負荷電流ＩloadをすべてＬＩＢ２９の出力電流Ｉlibで保持する。この状態は、外部負荷要求をすべて内部のＬＩＢ２９で賄っている状態に相当する。
（ｂ）次に、時刻ｔ１〜ｔ２間のステップＳ２２において、出力電流Ｉoutを徐々に増加させる。例えば、２０ｍＡ／ｓ程度の傾きである。この時、燃料電池３０の出力電流Ifcが増加し、ＬＩＢ２９の出力電流Ｉlibは減少する。この時、内部水素が消費され、水素圧ＰH2と水圧ＰH2Oとの差が広がり、固体水素源１に注入される水の量が徐々に増加する。
（ｃ）次に、時刻ｔ２〜ｔ３間のステップＳ２３において、出力電流Ｉoutがシステムの最大値Ｉmaxに達したところでその状態を維持する。
（ｄ）次に、時刻ｔ３〜ｔ３１間において、以下のいずれかのステップＳ２４・Ｓ２５・Ｓ２６の条件を満たしたら、出力電流Ｉout＝０（最小値Ｉmin）にする。
（ｅ）ステップＳ２４においては、出力電流Ｉoutの時間平均がＩloadの時間平均に等しくなるか否かを判定し、ＹＥＳであれば終了し、ＮＯであれば、ステップＳ２２に戻る。ステップＳ２４において、内部水素圧力が規定値以下になる場合には、システムは均衡状態となる。
（ｆ）ステップＳ２５においては、内部水素圧力が規定値以下になるか否かを判定し、ＹＥＳであれば終了し、ＮＯであれば、ステップＳ２２に戻る。ここで、規定値は、水素不十分につき負荷印加できない場合であり、最小値ＰH2minである。ステップＳ２５において、図２５（ｃ）に示すように、内部水素圧力が規定値以下になる場合には、水素が不足しているため、水注入量を上げるために、水素圧と水圧の差を広げ、出力電流Ｉoutを上げ下げして圧力差を保持することを繰り返して水を連続的に注入し、水素発生を促す。
（ｇ）ステップＳ２６においては、ＬＩＢ２９の充電容量が満杯になるか否かを判定し、ＹＥＳであれば終了し、ＮＯであれば、ステップＳ２１に戻る。ＬＩＢ２９の充電容量が満杯になるのは、電力平均化ができない場合に相当する。ステップＳ２６において、ＬＩＢ２９の充電容量が満杯になる場合には、電力平均化ができないため、出力電流Ｉout＝０に設定し、ＬＩＢ２９からの電力使用を促す。
【０１３５】
システムの負荷要求Ｉload＝出力電流Ｉout＋ＬＩＢの出力電流Ｉlibであり、燃料電池の出力電流Ifcは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５の昇圧倍率で出力電流Ｉoutを割った値に等しくなるため、図２５（ｂ）では図示を省略している。
【０１３６】
（セル活性化方法）
実施の形態に係る燃料電池システムにおいて、セル活性化方法を説明するタイムチャートであって、水素圧および水圧と時間との関係は、図２７（ａ）に示すように表され、図２７（ａ）に対応する電流特性例は、図２７（ｂ）に示すように表され、図２７（ａ）および図２７（ｂ）に対応する出力電圧特性例は、図２７（ｃ）に示すように表される。
【０１３７】
また、実施の形態に係る燃料電池システムにおいて、図２７（ａ）・図２７（ｂ）に対応し、セル活性化方法を説明するフローチャートは、図２８に示すように表される。このようなセル活性化方法は、数秒に1回程度定期的に実施可能である。図２７（ｂ）において、ＬＩＢの出力電流Ｉlibが０以下の状態は、ＬＩＢ２９へ充電していることを表している。
【０１３８】
水素を発生させる固体水素源１と、水素で発電を行う燃料電池３０と、燃料電池３０の外部出力を補完するＬＩＢ２９とを備える燃料電池システム２０の燃料電池セル活性化方法は、燃料電池３０の出力電流を第１の電流値とするステップと、燃料電池３０の入出力の関係から活性化状態を判定するステップと、燃料電池３０の出力特性を評価するステップと、燃料電池３０の出力電圧Ｖfcが第１の電圧値以上である場合には、問題なしと判定し、手続き終了するステップと、燃料電池３０の出力電圧Ｖfcが第１の電圧値より小である場合には、燃料電池３０の出力電流Ｉfcを０とし、徐々に増加させるステップと、燃料電池３０の出力電流Ｉfcの値が第１の電流値に達したところでその状態を維持するステップと、数秒たったところで燃料電池３０の出力電流Ｉfcの値を元に戻し、手続き終了するステップとを有する。以下に、図２７（ａ）・図２７（ｂ）および図２８を参照して、詳述する。
（ａ）まず、時刻０〜ｔ１間のステップＳ１１において、出力電流Ｉout＝Ｉmaxとする。この場合には、動作は、外部負荷によらないで、余った電流はＬＩＢ２９へ充電される。
（ｂ）次に、時刻０〜ｔ１間のステップＳ１２において、これまでの燃料電池３０の出力-燃料電池３０の入力の関係から燃料電池３０の活性化状態を判定する。
（ｃ）次に、時刻０〜ｔ１間のステップＳ１３において、燃料電池３０の出力特性を評価する。具体的には、Ｉfc−Ｖfc特性を確認する。
（ｄ）次に、燃料電池３０の出力電圧Ｖfcが最小値Ｖfcmin以上である場合には、問題なしと判定し、出力電流Ｉoutが負荷電流Ｉloadに等しいものとして手続き終了する（ステップＳ１４）。
（ｅ）次に、時刻ｔ１〜ｔ２間のステップＳ１５において、燃料電池３０の出力電圧Ｖfcが最小値Ｖfcminより小である場合には、出力電流Ｉout＝０とし、出力電流Ｉoutを徐々に増加させる。例えば、２０ｍＡ／秒程度の傾きである。同時に、燃料電池３０の出力電流Ｉfcは増加し、ＬＩＢの出力電流Ｉlibは減少する。Ｓ１５においては、出力電流Ｉoutを増加できる状態にシステムがあるか判定を行う。判定項目としては、内部水素圧が一定値以上であること、 ＬＩＢ２９の空き容量が十分であることである。空き容量が十分でない場合は、消費回路にて消費させる。
（ｆ）次に、時刻ｔ２〜ｔ３間のステップＳ１６において、燃料電池３０の出力電流Ｉfcの値が上限に達したところでその状態を維持する。
（ｇ）次に、時刻ｔ３〜ｔ４間のステップＳ１７において、数秒たったところで出力電流Ｉoutの値を元に戻す。
（ｈ）次に、ステップＳ１４において、出力電流Ｉoutが負荷電流Ｉloadに等しいものとして手続き終了する。
【０１３９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、固体水素源の炭化を低減し、また燃料電池セルを活性化させる燃料電池システム、固体水素源の炭化防止方法および燃料電池セル活性化方法を提供することができる。
【０１４０】
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この実施の形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０１４１】
このように、本実施の形態はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【０１４２】
本実施の形態に係る燃料電池システムは、固体水素源を用いた水素発生システムやポータブル型の発電装置等の燃料電池システム全般、特に燃料電池セルから取り出した電力をためておくことのできる二次電池を持つシステムに応用することができる。
【符号の説明】
【０１４３】
１…固体水素源（水素化カルシウム）
２…逆止弁
４、１５Ｓ…電磁弁
１０…加圧容器
１１、１１ａ…反応液
１２…加圧装置
１３、１３Ａ、１３Ｂ…加圧配管（水素配管）
１３Ｐ、１５Ｐ…圧力検出器
１３Ｒ、１５Ｒ…レギュレータ
１４、１４Ａ、１４Ｂ…反応液供給管（水配管）
１５…水素供給管
２０…燃料電池システム
２１…水素発生手段
２５…発電部
２６…制御装置
２７…ＣＰＵ
２８…電源回路
２９…リチウムイオンバッテリ（ＬＩＢ）
２９ａ…リチウムイオンバッテリセル（ＬＩＢセル）
３０…燃料電池
３１…空気極
３２…電解質膜
３３…燃料極
３５…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３６…ダイオード
４０…外部負荷
４６…表示装置
４８…温度センサ
５０、５０Ａ…燃料容器
５２…電磁弁開閉センサ
５４…圧力センサ
５６…電圧モニタ
６０…出力電流制御回路
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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