(57)【要約】【課題】  本発明は、燃料電池スタックの電気出力を安定化し、エネルギーの利用効率を高めることができる。【解決手段】  本発明の燃料電池は、電解質膜がアノード極及びカソード極で挟持されている膜電極接合体を少なくとも１個有する発電部を有し、燃料をアノード極に供給し、酸化剤をカソード極に供給して発電する。そして、本発明の燃料電池は、発電部を覆って発電部を断熱保温する断熱保温手段を設け、酸化剤を断熱保温手段を介することで、カソード極に供給する酸化剤を発熱部で生じる熱で加熱した後カソード極に供給する。【選択図】        図３
2009170402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜がアノード極及びカソード極で挟持されている膜電極接合体を少なくとも１個有する発電部を有し、燃料を前記アノード極に供給し、酸化剤を前記カソード極に供給して発電する燃料電池において、
前記発電部を覆って前記発電部を断熱保温する断熱保温手段を設け、前記酸化剤を前記断熱保温手段を介し、前記発熱部の排熱で加熱された前記酸化剤を前記カソード極に供給することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記断熱保温手段は、断熱保温する第１の部材と第２の部材の二重構造をなし、前記第１の部材と前記第２の部材で形成される空間内に前記カソード極に供給する前記酸化剤を供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記空間内に管路を形成し、該管路に前記カソード極に供給する酸化剤を供給することを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１の部材の内壁に、断熱材を設けることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項５】
凝縮器を通して前記酸化剤を加熱し、加熱した前記酸化剤を前記断熱保温手段を介して前記発熱部の排熱で更に加熱された前記酸化剤を前記カソード極に供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池とDC-DCコンバータと蓄電器とを有し、負荷として接続される負荷装置の動作に必要な電力を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
前記負荷装置の負荷に応じて前記燃料電池のアノード極へ供給する燃料の濃度及び前記カソード極へ供給する酸化剤の流量を制御する燃料電池制御部を有することを特徴とした請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池制御部は、前記負荷装置の負荷が低負荷になった時に、前記燃料電池のアノード極へ供給する燃料の濃度を低くすると共に、前記カソード極へ供給する酸化剤の流量を少なくするように制御を行うことを特徴とした請求項７記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池及び燃料電池システムに関し、詳細には電子機器の電源部で、特に燃料電池を使用した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子技術の進歩によって、携帯電話、ノートＰＣ、ミニＰＣ（＝ポケットＰＣ）、携帯オーディオ機器、ＰＤＡなどの携帯電子機器の普及が急激に進んでいる。これらの携帯電子機器は二次電池を電源として稼動するシステムが多数を占めており、これらのシステムはユーザの利便性の観点から高機能化が加速している。市場ではこれらのシステムが高機能化するにつれ、システムの消費電力は増大する傾向にある。更には、携帯電子機器においても長時間にわたる使用が要求されているため、電源である二次電池の大容量化も進んでいる。このような状況の中で注目されているのが燃料電池である。燃料電池の反応は、基本的には水素と酸素を反応させて水を生成する過程に、電気化学的エネルギーを取り出すものである。燃料とする水素は、必ずしも水素そのものである必要はなく、水素基を含有する化合物であってもよい。具体的に、アルコール、炭化水素などである。同様に酸素は、必ずしも酸素である必要はなく、酸化剤として空気なども使用される。
【０００３】
燃料電池の一つの方式に、高分子固体電解質を用いるものがある。この方式の燃料電池は、発電ロスによる発熱が小さいのが特徴であり、常温での発電効率が高いという長所がある一方で、低温発電させた場合、極端に出力が小さくなりまた、発電効率が低くなるという特性も併せ持つ。言い換えれば、燃料電池内で起こる化学反応は、その反応速度が温度の関数であり、低温では反応速度は遅く、高温になるほど反応速度は早くなる。よって、実用レベルの電力を取り出そうとすれば、反応速度を上げる必要があり、燃料電池には適度な(使用する材料等の機能低下を起こさない程度に)高温で発電させることが要求される。従って、燃料電池を適正な温度に上げて発電させることが重要であり、発電中の燃料電池温度を効率よく保持することも要求される。
【０００４】
このような要求に対して従来よりいくつか提案がなされているが、その一つとして、特許文献１では、温度を上げる手段として、燃料電池セルと、該燃料電池セルのカソード極に空気を供給する空気供給手段とを備える燃料電池装置において、燃料電池セルの温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段により検出される燃料電池セルの温度に基づいて供給空気を加熱する空気加熱手段が設けられたことにより、始動時の発電効率を向上させ、氷点下など低温下での装置内の氷を解凍する燃料電池装置が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−９３４４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１では、供給空気を加熱するために空気加熱手段を設けて始動時の発電効率を向上させるため、エネルギーの消費が大きい。また、燃料電池の温度が上昇させた後の燃料電池のカソード極へは室温環境下の空気供給となって温度が低くなり、発電部の発電動作が不安定となってしまう。
【０００６】
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、燃料電池スタックの電気出力を安定化し、エネルギーの利用効率を高めることができる燃料電池及び燃料電池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】
【０００７】
前記問題点を解決するために、本発明の燃料電池は、電解質膜がアノード極及びカソード極で挟持されている膜電極接合体を少なくとも１個有する発電部を有し、燃料をアノード極に供給し、酸化剤をカソード極に供給して発電する。そして、本発明の燃料電池は、発電部を覆って発電部を断熱保温する断熱保温手段を設け、酸化剤を断熱保温手段を介し、発熱部の排熱で加熱された酸化剤をカソード極に供給することに特徴がある。よって、燃料電池スタックの電気出力を安定化し、エネルギーの高利用効率が可能な燃料電池を提供できる。
【０００８】
また、第１の部材と第２の部材の二重構造をなし、発電部を覆って発電部を断熱保温する断熱保温手段を設け、第１の部材と第２の部材で形成される空間内に酸化剤を通して発熱部の排熱で加熱し、加熱された酸化剤をカソード極に供給する。よって、カソード極に供給する酸化剤を加温することができる。
【０００９】
更に、空間内に管路を形成し、該管路にカソード極に供給する酸化剤を供給することにより、カソード極に供給する酸化剤を加温することができる。
【００１０】
また、第１の部材の内壁に断熱材を設けることにより、断熱保温を向上できる。
【００１１】
更に、凝縮器を通して酸化剤を加熱し、加熱した酸化剤を断熱保温手段を介して発熱部の排熱で更に加熱された酸化剤をカソード極に供給する。よって、カソード極へ供給する酸化剤は凝縮器を通されて予め加熱することで、発電部の各セル内の温度ばらつきを少なくでき、発電部の発電動作時出力の安定性を高めることができる。
【００１２】
また、別の発明としての燃料電池システムは、上記燃料電池とDC-DCコンバータと蓄電器とを有し、負荷として接続される負荷装置の動作に必要な電力を供給することに特徴がある。よって、カソード極へ供給する酸化剤を予め加熱することで、発電部の各セル内の温度ばらつきを少なくでき、発電部の発電動作時出力の安定性を高めることができる燃料電池システムを提供できる。
【００１３】
更に、負荷装置の負荷に応じて燃料電池のアノード極へ供給する燃料の濃度及びカソード極へ供給する酸化剤の流量を制御する燃料電池制御部を有する。そして、燃料電池制御部は、負荷装置の負荷が低負荷になった時に、燃料電池のアノード極へ供給する燃料の濃度を低くすると共に、カソード極へ供給する酸化剤の流量を少なくするように制御を行う。よって、負荷装置の低負荷時に対して燃料電池を温めるためのエネルギーの余分な消費をなくすことで、燃量電池システムの効率の向上ができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池の発電部を断熱保温する断熱保温手段によって発電部からの排気熱でカソード極へ供給する酸化剤を予め加熱することで、発電部の各セル内の温度ばらつきを少なくでき、発電部の発電動作時出力の安定性を高めることができる燃料電池が提供できる。また、このような燃料電池を搭載することで燃料電池システムの出力安定化を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、様々な燃料電池がある中で、メタノール水溶液を燃料とする固体高分子形燃料電池を例として説明する。なお、本実施の形態の燃料電池は、一例として水素と酸素を化学反応させて水ができる際のエネルギーを電力という形で取り出す電源、特に酸化剤(空気)とメタノールとを燃料とする強制循環型ＤＭＦＣ（Direct Methanol Fuel Cell）直接メタノール型燃料電池を採用しているが、エタノールやジメチルエーテルなどの各種液体を燃料として用いるなど、他の構造を持つものであってもよい。
【００１６】
図１は燃料電池の構成を示す斜視図である。同図に示すように、液体を燃料とする燃料電池スタック１は、一枚の発電単セル２では電圧が低いため発電単セル２を複数枚積層したスタックで発電されることが一般的である。燃料電池スタック１は、図１に示すように、発電単セル２を複数直列に接続して構成されている。発電単セル２の出力電圧は１Ｖに満たないため、複数の発電単セル２を直列に接続することにより、より大きな出力電圧を得ることができる。発電単セル２は、アノード極３とカソード極４と高分子電解質膜５とを有する。アノード極３は、メタノールを電気化学的に酸化する触媒（メタノール酸化電極触媒）６を有する。カソード極４は、酸素を選択的に電気化学的還元する触媒（酸素還元電極触媒）を有する。高分子電解質膜５は、アノード極３とカソード極４との間に挟み込まれている。そして、アノード極３にメタノールが供給され、カソード極４に酸化剤(空気)が供給されると、アノード極３とカソード極４との間に電力が生じるとともに、アノード極３側に二酸化炭素が発生し、カソード極４側に水が発生する。このように、燃料電池スタック１は、アノード極３に燃料のメタノールを、カソード極４に酸化剤(空気)を供給することで発電する。
【００１７】
燃料電池スタック１に供給される燃料の濃度を高めすぎると、アノード極３で反応しなかった燃料が高分子電解質膜５を通り過ぎてカソード極４で反応する「クロスオーバー現象」が発生し、カソード極３での分極が大きくなるため出力が低下する。このため、燃料の濃度を数％程度にする必要がある。燃料タンクに収容された燃料を数％程度に保つと、燃料タンクが非常に大きくなるため、燃料タンクには高濃度(例えば１００％)の燃料を入れておき、循環タンクで濃度を数％に薄めてから燃料電池セルに供給することが望ましい。循環タンクにおける燃料の濃度は、燃料濃度センサで監視され、予め設定しておいた値より濃度が高い時はポンプで水を補給し、逆に濃度が低い時はポンプで燃料を補給して、常に濃度が一定になるように制御される。
【００１８】
また、燃料電池スタックの発電中は、化学反応による発熱で５０℃から８０℃程度の温度となっており、循環タンクの燃料は燃料電池セルを循環するため循環タンク内の燃料もそれに近い温度になる。一方、酸化剤の供給に関しては、常温(室温)の空気を取り込むことになり、スタック温度に比べ低温になっている。エアブロアにより酸化剤が供給されると、スタックへの供給口の直近は冷やされ、出口付近はスタックの温度により温められた状態となっている。見かけ上の温度は、温度制御としてスタック内の一点を検出して、その温度をフィードバックしながら行うので、所望の温度制御ができていると判断されるが、発電単セル内では温度ばらつきが発生しており、発電単セル内の局所的な出力偏差が起こり、また発電単セルのダメージを誘起させることになる。よって、本発明では、発電単セル内の温度バラツキを小さくすることで、発電単セル内の出力偏差を小さくすることで、安定した出力電力を得るものである。
【００１９】
図２は本発明の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。同図に示す本発明の燃料電池システム１００は、燃料電池制御部１０を含む燃料電池２０と、DC-DCコンバータ４０と、蓄電器５０とを有し、負荷となる電子機器２００の動作に必要な電力を供給する電源システムとして機能する。
【００２０】
そして、燃料電池２０は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の構成を示すブロック図である図３に示すように、主要な構成要素として、セルスタック２１と温度センサ２２と燃料タンク２３と燃料ポンプ２４と水回収タンク２５と水ポンプ２６と循環タンク２７と燃料濃度センサ２８と循環ポンプ２９とエアブロア３０と凝集器３１とファン３２とを筐体（図示せず）内に配置して構成される発電装置である。
【００２１】
また、図２に示すようにDC-DCコンバータ４０は、不安定な燃料電池の出力電圧を安定化してから、電子機器等の負荷に電力を供給する。蓄電器５０は、二次電池や電気二重層コンデンサなどにより構成され、燃料電池のセルスタックからの出力電流で充電する。蓄電器５０は、主電源として機能し、変動する負荷に十分な電力を供給可能な容量を有し、燃料電池２０は、蓄電器５０を充電する補助電源として機能する。燃料電池２０を構成する燃料ポンプ２４やエアブロア３０などの補機は、燃料電池制御部１０のマイコンにより制御されるとともに、動作に必要な電力を燃料電池２０の出力から取り出す。
【００２２】
ここで、燃料電池２０は内部抵抗の値が蓄電器５０の内部抵抗に比べ大きいため、電流をＩ、出力抵抗をＲとするとき電力損失Ｗは、Ｗ＝Ｉ２×Ｒで表されることから、燃料電池単独で直接、負荷変動の大きな電子機器等の負荷に電力を供給すると、負荷が大きくなった時に大きな電流が流れるため、出力抵抗での損失が大きくなり効率が悪い。そこで、蓄電器５０を設けることにより、負荷が大電流を必要とするときはセルスタックからの出力電流だけでなく蓄電器５０から電流供給できるため、セルスタックの内部抵抗による電力損失を少なくし効率よい電源システムを構成することができる。
【００２３】
また、燃料電池２０は、体積当たりに取り出せる電力が蓄電器５０に比べ少ないため、蓄電器５０を主電源とし、燃料電池２０を補助電源として、燃料電池２０は蓄電器５０の充電と負荷容量の増加の時に蓄電器５０のアシストを行う機能を有することで、小型、軽量の燃料電池システムを構成することができる。
【００２４】
次に、本実施の形態の燃料電池の動作について説明する。
図３の燃料タンク２３は、液体燃料としての高濃度(ほぼ１００％)のメタノールを収容している。燃料ポンプ２４は、燃料タンク２３内の燃料を循環タンク２７に送出する。セルスタック２１のカソード極から、空気と(カソード極で発生した)水を含んだ排気が排出され、凝縮器３１を通して冷やされ、水回収タンク２５に水として回収される。回収された水は、水ポンプ２６により循環タンク２７内に送出する。循環タンク２７は、燃料タンク２３からの燃料を、水回収タンク２５からの水によって希釈するタンクであり、循環タンク２７内の燃料は、初期状態で予め数％の一定値に調整されている。濃度センサ２８は、循環タンク２７の燃料濃度を検出する。循環ポンプ２９は、循環タンク２７とアノード極とを接続した燃料供給路の途中に配置され、循環タンク２７で希釈された燃料をアノード極に供給する。酸化剤(空気)は、エアブロワ３０によりカソード極に供給する。図２の燃料電池制御部１０は、濃度センサ２８で検出された循環タンク２７内の燃料濃度をモニタし、循環タンク２７内の燃料濃度が予め設定された濃度設定値より高い時、水ポンプ２６を間欠動作させて水回収タンク２５の水を循環タンク２７へ補給し、循環タンク２７内の燃料濃度が設定値より低い時、燃料ポンプ２４を間欠動作させて燃料タンク２３の燃料を循環タンク２７へ補給する。また、燃料電池制御部１０は、循環タンク２７内の燃料の量をセンサ(図示せず)で検出し適宜、燃料及び水を循環タンク２７に供給させる。
【００２５】
そして、燃料電池から出力を取り出すにあたり、燃料電池内で起こる化学反応は、その反応速度は温度の関数であり、低温では反応速度は遅く、高温になるほど反応速度は早くなるので、実用レベルの電力を取り出そうとすれば、反応速度を上げる必要があり、燃料電池には適度な高温で発電させることが要求される。そのために、本実施の形態では、図３に示すように、断熱保温手段として、発熱部であるセルスタック２１の全体を断熱保温する断熱保温パッケージ３３で覆っている。このように、セルスタック２１を断熱保温パッケージ３３で覆うことで、セルスタック２１からの熱放散を断熱保温パッケージ３３内に留めることで、セルスタック２１の温度低下を極力少なくすることができ、セルスタック２１の動作温度を適切な高温状態に維持でき、発電部の低温化による出力低下を防ぐことができる。なお、セルスタック２１の温度は使用する材料等の機能低下を起こさない程度の適切な高温状態に維持する必要があるが、そのために後述するように燃料の濃度を調整するか、あるいは酸化剤（空気）の供給量を制御する。
【００２６】
この断熱保温パッケージ３３は、内側に案内壁３４を、また外側にパッケージ３５を形成した二重構造とし、案内壁３４とパッケージ３５との間に空間３６を形成している。案内壁３４には、流入口３７と流出口３８とが設けられ、酸化剤(空気)はエアブロア３０から流入口３７を通して断熱保温する断熱保温パッケージ３３の案内壁３４とパッケージ３５で形成された空間３６に流入し、案内壁３４に沿って案内され、セルスタック２１によって加熱されて流出口３８からカソード極に流入する。つまり、案内壁３４とパッケージ３５で形成された空間３６にカソード極に供給する酸化剤(空気)を案内し、セルスタック２１からの排熱を利用して、酸化剤（空気）を加熱するのである。なお、酸化剤(空気)の加熱は、断熱保温する案内壁３４とパッケージ３５で形成された空間３６で、断熱保温パッケージ３３の内側全域を使用するのが良い。このように、断熱保温する案内壁３４とパッケージ３５で形成された空間３６は高温に維持されているので、酸化剤（空気）の加熱が可能となり、加熱された酸化剤(空気)は、案内壁３４とパッケージ３５で形成された空間３６内を案内された後にカソード極に供給される。排気熱の加熱による加温された酸化剤（空気）は、カソード極に供給されるが、具体的には図１のセパレータ７を介してカソード極４に供給される。
【００２７】
ここで、図４に発電単セル内に酸化剤を案内するセパレータの構成を示す。同図の（ａ）の溝形状はサーペンタイン型流路であり、同図の（ｂ）の溝形状はパラレル型流路であって、実線円は温度が低い箇所であり、点線円は温度が高い箇所である。このように、発電単セル内での温度バラツキにより電池特性の変動が生じている。これに対し、本実施の形態では、断熱保温する案内壁３４とパッケージ３５で空間３６を形成し、空間内で酸化剤が加熱され、カソード極に供給されるので、従来例に比べセル内の温度ばらつきが小さくなり、電池特性の変動が抑制される。
【００２８】
本実施の形態では、酸化剤(空気)を加熱するため発電部の排熱エネルギーが使用されるため、発電部は冷却されるので、発電部を高温維持するエネルギーが必要となる。しかし、従来例でも酸化剤(空気)は、低温のため発電部を冷却するので、発電部を高温維持するためにはエネルギーが必要とされ、本実施の形態の場合は従来例と比べると排熱を利用して酸化剤(空気)を加熱しているので、その分のエネルギーは既に酸化剤(空気)に取り込まれているため、酸化剤(空気)を少ないエネルギーで更に加温することで、動作温度を維持できることになる。すなわち、エネルギー収支としては、本実施の形態の酸化剤(空気)の予備加熱と従来例の供給とでは、殆ど差は無いと言える。余分なエネルギーを殆ど追加することなく、酸化剤(空気)を加熱してカソード極に供給できるので、温度偏差による電池特性の変動を抑えることができる。
【００２９】
次に、本実施の形態において用いられる断熱保温パッケージの構成の一例について説明する。
図５は図３の断熱保温パッケージの構成の一例を示す図である。同図の（ａ）は断面図であり、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。同図に示す断熱保温パッケージは、酸化剤(空気)の流入口３７と流出口３８の両端部で連結した複数の管路３９が並行して設置されており、酸化剤(空気)が案内壁面を均等に案内され、効率よく加熱することができるように構成されている。
【００３０】
図６は図３の断熱保温パッケージの構成の他の例を示す図である。同図の（ａ）は断面図であり、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。同図に示す断熱保温パッケージは、酸化剤(空気)の流入口３７と流出口３８の両端部を一本の管路３９で連結した構成を示しており、酸化剤(空気)が案内壁面を均等に案内され、かつ酸化剤(空気)が断熱保温する案内壁３４とパッケージ３５で形成された空間３６に滞留する時間を長くすることで、より効率よく加熱することができるように構成されている。
【００３１】
なお、図５及び図６に示す断熱保温する案内壁とパッケージで空間を形成する面は、複数面であっても良いし、管路配置も複数面を使用しても良い。
【００３２】
図７は図３の断熱保温パッケージの構成の他の例を示す断面図である。同図に示すように、図６の断熱保温パッケージ３３におけるパッケージ３５の内壁に断熱材４１を設け、断熱保温性能を上げ、発電部排熱の外部へ逃げることを防止し、効率的に酸化剤(空気)を加熱して、より高い温度で、カソード極へ供給する。
【００３３】
以上説明したように、燃料電池のカソード極に加温された酸化剤を供給する燃料電池を搭載した燃料電池システムを構成し、燃料電池スタックの電気的出力が安定した燃料電池システムが実現できる。
【００３４】
ここで、セルスタックの温度を上げる方法の一つに、燃料のクロスオーバーを利用するものがある。燃料電池制御部は、発電により消費される循環タンク内の燃料であるメタノールの濃度を一定に保つことにより、メタノールの濃度の低下に伴う発電電力の低下を防止する。燃料電池制御部は、循環タンク内のメタノール水溶液の濃度を数％程度に制御することにより、いわゆるクロスオーバー現象を防止する。クロスオーバー現象は、燃料の濃度が高い場合に、アノード極で反応しなかった燃料が電解質膜を通り過ぎてカソード極に到達し、カソード極で反応する現象であり、クロスオーバー現象が起きるとカソード極の分極電圧が増加するため、アノード極とカソード極との間の電位差が少なくなり、外部へ取り出すことのできる電力が小さくなる。
【００３５】
一方で、クロスオーバーしたメタノールは、カソード極で反応すると反応熱を伴うので、燃料電池スタックの温度を上げる方法としても、考慮されている。前述したように、化学反応自体は、温度による活性化が大きく寄与しており、高温であるほど出力電力を取り出せることは既知であり、できるだけ適切な範囲で高温動作をさせるのが良い。
【００３６】
ここで、クロスオーバーを起こさせて、つまりメタノール燃料の濃度を上げ、カソード極での反応を利用して温度を上げ、全体の酸化還元反応活性を高めて出力を上げる。クロスオーバーで生じるカソード極の分極による出力低下とのバランスを燃料の濃度を変えて調整することで、燃料効率の良い温度にて制御を行う。
【００３７】
次に、クロスオーバーを利用した発電制御において負荷対象となる電子機器の低負荷時又は高負荷時の制御について説明する。
対象負荷の電子機器等では、負荷が一定ではなく、例えば待機時やスリープモードといった低負荷の状態が多々ある。このときに、燃料電池システムを通常の負荷時と同様に運転動作すれば、燃料の消費に対して取り出す電力が少ないので、非効率になる。効率向上の一つの方法として、燃料電池の温度制御の目標値を下げて燃料消費を減らして、必要電力を賄うように適切な温度での制御を行うことで達成する。すなわち、温度を下げる手段として、燃料濃度を下げることが有効である。
【００３８】
図２に示す燃料電池システム１００は、負荷対象となる電子機器等の負荷装置２００における低負荷モード(例えば、待機時やスリープモード)を、負荷装置３００から低負荷モード動作という状態信号を受け取り(信号のＩ／Ｆ(インターフェース)は図示していない)、燃料電池制御部１０は燃料電池の動作温度を、低付加時の設定温度に設定し、図２及び図３に示すように燃料ポンプ２４からの高濃度メタノール溶液の循環タンク２７への供給量を減少させ、燃料電池制御部１０で濃度センサ２８をモニタし、低負荷時では運転動作での設定濃度目標値にする制御を行うことで実現する。また、負荷装置２００の低負荷モード判断は、上記のような負荷装置２００と燃料電池システム１００とに、負荷装置２００の負荷状態の受け取りを授受するＩ／Ｆが無い場合は、燃料電池システム１００の出力電流をモニタして、ある一定時時間継続して負荷電流が小さい場合を燃料電池制御部１０で、負荷装置２００が低負荷モードであると判断することでも実現できる。
【００３９】
また、燃料濃度を低濃度にすることは、上記のクロスオーバー量を低減する制御を行うこととなり、カソード極での反応熱を低減させ、スタック温度を下げる。低濃度の運転制御を行えば、燃料消費が少なくなり、燃料消費効率も向上する。また、待機時やスリープモードといった低負荷の状態時の必要電力は小さいので、カソード極への酸化剤(空気)供給の量も少なくすることが可能となり、エアブロアへの電力供給を減らすことができるので、補機の電力低減も可能となる。酸化剤(空気)とメタノールとを燃料とする強制循環型DMFC（Direct Methanol Fuel Cell）直接メタノール型燃料電池システムの補機の中で、エアブロアの消費電力の占める割合は高く、エアブロアの消費電力低減は、燃料電池システムの効率向上に大きく寄与する。この制御において、セルスタック温度が下がっても、カソード極への酸化剤(空気)供給の量も少なくなるので、酸化剤(空気)の加熱とカソード極への供給に関しては、スタック温度との相対的関係となるので、問題は生じない。
【００４０】
更に、負荷装置２００は、連続駆動時や初期モードによっては高負荷の状態となるときがある。このようなとき、図３のセルスタック２１の温度は上がり、限界温度に達する場合がある。上記のように断熱保温パッケージ３３により高温状態が継続した場合セルスタックに使用される材料等の機能を低下してしまう。そこで、このように限界値に近づいた場合は、燃料の濃度を下げることができないので、カソード極への酸化剤(空気)供給の量を増加させて低温な酸化剤（空気）を多くカソード極へ供給してセルスタックの温度を下げるようにする。
【００４１】
図８は本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の構成を示すブロック図である。同図において、図３と同じ参照符号は同じ構成要件を示す。同図に示す本実施の形態において、セルスタック２１のカソード極から、空気と(カソード極で発生した)水を含んだ排気が排出され、凝縮器３１を通して冷やされ、水回収タンク２５に水として回収される。回収された水は、水ポンプ２６により循環タンク２７内に送出する。
【００４２】
ところで、燃料電池から出力を取り出すにあたり、燃料電池内で起こる化学反応は、その反応速度は温度の関数であり、低温では反応速度は遅く、高温になるほど反応速度は早くなるので、実用レベルの電力を取り出そうとすれば、反応速度を上げる必要があり、燃料電池には適度な高温で発電させることが要求される。そのために、本実施の形態では、図８に示すように、断熱保温手段として、発熱部であるセルスタック２１の全体を断熱保温する断熱保温パッケージ３３で覆い、セルスタック２１の動作温度を適切な高温状態に維持し、発電部の低温化による出力低下を防いでいると同時に、この断熱保温パッケージ３３は内側に案内壁３４を、また外側にパッケージ３５を形成した二重構造とし、案内壁３４とパッケージ３５との間に空間３６を形成している。
【００４３】
一方、エアブロア３０からの酸化剤(空気)は凝縮器３１を通し、更には流入口３７を通して断熱保温する断熱保温パッケージ３３の案内壁３４とパッケージ３５で形成された空間３６に流入し、案内壁３４に沿って案内され、セルスタック２１によって加熱されて流出口３８からカソード極に流入する。つまり、エアブロア３０からの酸化剤(空気)は凝縮器３１で予め加熱され、そして案内壁３４とパッケージ３５で形成された空間３６にカソード極に供給する酸化剤(空気)が案内され、セルスタック２１からの排熱を利用して、酸化剤（空気）を更に加熱するのである。凝縮器３１には燃料電池のカソード極から空気と、カソード極で発生した水とを含んだ排気が流入される。この排気自体は燃料電池で加熱されているので、凝縮器３１が高温になっている。よって、凝縮器３１内を通った酸化剤は加熱されることになる。
【００４４】
ここで、本実施の形態の燃料電池における凝縮器の構成を図９に示す。なお、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。同図の（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の凝縮器３１は、排気が通る管路４２と、酸化剤が通る管路４２とを隔壁４３によって分離した２層構造を成している。このように管路４２内を隔壁４３によって２層にしているのは、排気と酸化剤が混合することを防ぐと共に、管路４２内で隔壁４３を介して排気の熱で酸化剤を加熱する熱交換を行うためである。なお、管路４２や隔壁４３の部材は高熱伝導性の部材を用いるのが良い。
【００４５】
このような構成を有する凝縮器３１を用いた本実施の形態の燃料電池システムによれば、燃料電池のカソード極から、空気とカソード極で発生した水とを含んだ排気が排出され、当該排気が凝縮器３１の一端の供給口から入り、凝縮器３１内の管路４２を通って、排出口から出る。排気が凝縮器３１内の管路４２を通る時、凝縮器３１の放熱フィン等を介して熱が奪われ冷却されて水となる。同時に、エアブロア３０から供給される酸化剤（空気）は、排気の供給口とは反対端面供給口から入り、凝縮器３１内の管路４２を通って、排気の排出側とは反対側の排出口から出て発熱部２１に供給される。よって、発熱部２１のカソード極へ供給する酸化剤を予め加熱しておくことで、発熱部２１の各セル内の温度ばらつきを少なくでき、発電部の発電動作時出力の安定性を高めることができる。
【００４６】
なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】燃料電池の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の構成を示すブロック図である。
【図４】セパレータの構成を示す断面図である。
【図５】図３の断熱保温パッケージの構成の一例を示す図である。
【図６】図３の断熱保温パッケージの構成の他の例を示す図である。
【図７】図３の断熱保温パッケージの構成の他の例を示す断面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の構成を示すブロック図である。
【図９】第２の実施の形態の燃料電池における凝縮器の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１；燃料電池スタック、２；発電単セル、３；アノード極、
４；カソード極、５；高分子電解質膜、６；触媒、
７；セパレータ、１０；燃料電池制御部、２０；燃料電池、
２１；セルスタック、２２；温度センサ、２３；燃料タンク、
２４；燃料ポンプ、２５；水タンク、２６；水ポンプ、
２７；循環タンク、２８；濃度センサ、２９；循環ポンプ、
３０；エアブロワ、３１；凝縮器、３２；ファン、
３３；断熱保温パッケージ、３４；案内壁、３５；パッケージ、
３６；空間、３７；流入口、３８；流出口、３９，４２；管路、
４０；DC-DCコンバータ、４１；断熱材、４３；隔壁、５０；蓄電器、
１００；燃料電池システム、２００；負荷装置。
【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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