(57)【要約】【課題】  液体を燃料とする燃料電池において、長時間安定して高い発電効率にて運転可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックに接続された負荷調整部８を操作し、前記燃料電池スタックに負荷変動を与える。前記負荷変動に対して、燃料電池スタックの出力応答の差を求め、その出力応答値の差と制御部内に予め蓄積されたデータベースから、発電部７に供給される燃料の燃料状態を推定する。そして発電部７に供給する燃料状態が所定の範囲内に収まるよう、前記燃料電池スタックに供給する燃料供給量を制御する。【選択図】  図５
2009176483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を蓄える燃料タンクと、
電解質膜と、前記電解質膜を介して互いに対向するアノード極及びカソード極とを含む膜電極複合体を有し、前記アノード極に供給された前記燃料と、前記カソード極に供給された空気との反応により発電する発電部と、
前記発電部に第１の負荷及び第２の負荷を選択的に接続する負荷調整部と、
前記発電部から出力される電圧出力を検知する検知部、前記負荷調整部に負荷調整信号を与える処理部及び濃度換算データベース及び流量制御データベースを含むデータベース部と、を有し、前記燃料タンクから前記発電部への燃料供給を制御する制御部であって、
前記発電部に前記第１の負荷が接続されている状態において、前記処理部が前記流量制御データベースを参照して制御動作を開始し、
前記制御動作の開始に伴って前記処理部が前記負荷調整部に負荷変動信号を与えて前記第１の負荷から前記第２の負荷に切り換え、前記第２の負荷を前記発電部に接続させ、
前記第１の負荷から前記第２の負荷への切り換えた後に、前記検知部が前記電圧出力を検知し、前記処理部がこの電圧出力に含まれる最小電圧値及びこの最小電圧値の出現後に出力される出力応値の差を評価値として算出し、前記評価値で前記濃度換算データベースを参照して前記発電部における前記燃料濃度を推定し、
前記推定燃料濃度に基づき、前記処理部が前記流量制御データベースを参照して前記発電部に供給する前記燃料の供給量を決定し、この決定燃料供給量に従って前記燃料タンクから前記発電部への前記燃料の供給を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料を希釈した燃料水溶液を蓄える混合タンクと、
前記燃料水溶液を前記混合タンクから前記アノード極に供給する燃料循環部と、
前記燃料タンクから前記混合タンクへ前記燃料を供給する燃料供給部であって、当該燃料供給部から前記混合タンクへの供給量が前記制御部によって制御される燃料供給部と、
を具備することを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料を前記燃料タンクから前記発電部に供給する燃料供給部であって、当該燃料タンクから前記発電部への前記燃料の供給量が前記制御部によって制御される燃料供給部と、
を具備することを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項４】
前記発電部は、当該発電部の温度を制御する温度制御部を有し、前記制御部が前記評価値に基づいて前記温度制御部を制御して前記発電部の温度を目標温度に制御する温度制御部を更に備えることを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項５】
前記出力応値は、前記最小電圧値に達した後に略一定に維持される定常電圧値に相当することを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項６】
前記出力応値は、前記最小電圧値に達した後に出現する最大電圧値に相当することを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第１の負荷は、前記発電部に対して第１の電流密度での電流出力を与え、前記第２の負荷は、前記発電部に対して第１の電流密度よりも大きい第２の電流密度での電流出力を与え、前記負荷変動で前記電流出力が前記第１の電流密度から前記第２の電流密度に切替えられることを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１の負荷は、負荷無しの無負荷を含み、前記負荷変動は、前記無負荷から前記第２負荷に切り換えて高電流密度を有する電流を前記発電部に出力させることを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御部は、前記発電部での起動時に前記調整部が前記発電部を負荷状態に維持し、当該負荷状態における前記発電部から出力される電圧値で前記燃料供給部を制御し、その後、前記調整部が前記発電部に前記負荷変動を与えるように制御することを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御部は、前記評価値が所定の範囲よりも大きい場合、前記燃料供給部を制御して前記混合タンクへ供給する燃料供給量を所定の値よりも減少させることを特徴とする請求項２の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御部は、前記電圧差が所定の範囲よりも小さい場合、前記燃料供給部を制御して前記混合タンクへ供給する燃料供給量を所定の値よりも増加させることを特徴とする請求項２の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御部は、前記電圧差が所定の範囲よりも大きい場合、前記燃料供給部を制御して前記発電部へ供給する燃料供給量を所定の値よりも減少させることを特徴とする請求項３の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記制御部は、前記電圧差が所定の範囲よりも小さい場合、前記燃料供給部を制御して前記発電部へ供給する燃料供給量を所定の値よりも増加させることを特徴とする請求項３の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記温度制御部は、前記発電部の温度を制御するファンを含むことを特徴とする請求項４の燃料電池システム。
【請求項１５】
液体燃料を蓄える燃料タンクと、
電解質膜と、前記電解質膜を介して互いに対向するアノード極及びカソード極とを含む膜電極複合体を有し、前記アノード極に供給された前記燃料と、前記カソード極に供給された空気との反応により発電する発電部と、
前記発電部に第１の負荷及び第２の負荷を選択的に接続する負荷調整部と、
前記発電部から出力される電圧出力を検知する検知部、前記負荷調整部に負荷調整信号を与える処理部及び濃度換算データベース及び流量制御データベースを含むデータベース部と、を有し、前記燃料タンクから前記発電部への燃料供給を制御する制御部であって、
前記発電部に前記第１の負荷が接続されている状態において、前記処理部が前記流量制御データベースを参照して制御動作を開始し、
前記制御動作の開始に伴って前記処理部が前記負荷調整部に負荷変動信号を与えて前記第１の負荷から前記第２の負荷に切り換え、前記第２の負荷を前記発電部に接続させ、
前記第１の負荷から前記第２の負荷への切り換えた後に、前記検知部が前記電圧出力を検知し、前記処理部がこの電圧出力に含まれる最小電圧値を評価値として算出し、前記評価値で前記濃度換算データベースを参照して前記発電部における前記燃料濃度を推定し、
前記推定燃料濃度に基づき、前記処理部が前記流量制御データベースを参照して前記発電部に供給する前記燃料の供給量を決定し、この決定燃料供給量に従って前記燃料タンクから前記発電部への前記燃料の供給を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１６】
前記発電部は、当該発電部の温度を制御する温度制御部を有し、前記制御部が前記最低電圧値に基づいて前記温度制御部を制御して前記発電部の温度を目標温度に制御する温度制御部を更に備えることを特徴とする請求項１５の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記第１の負荷は、負荷無しの無負荷を含み、前記負荷変動は、前記無負荷から前記第２負荷に切り換えて高電流密度を有する電流を前記発電部に出力させることを特徴とする請求項１６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、液体を燃料とする固体高分子型燃料電池を制御する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、プロトン交換膜燃料電池とも称呼されることもあるイオン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いる燃料電池として知られている。固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）には、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）があり、この直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、気化器或いは加湿器のような補機が不要である点、メタノールが水素のような気体燃料と比べて取扱いやすい点、低温での運転が可能である点から携帯用機器の小型電源として開発が進められている。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、膜／電極接合アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）、アノード極(燃料極とも称せられる。)及びカソード極(空気極とも称せられる。）を備え、アノード極及びカソード極への燃料供給に補器を用いるアクティブ型並びに自然力を利用したパッシブ型がある。前者のアクティブ型ＤＭＦＣは、セルの出力密度を高くすることが可能であるが、アノード極及びカソード極に燃料を供給するポンプ等の補器を必要とする。一方、後者のパッシブ型ＤＭＦＣは、前記補器が不要となるものの、セルの出力密度は低い。
【０００４】
ここで、アクティブ、パッシブセルともに共通し、出力密度を高め、発電効率を向上させるためには、アノード極側から電解質膜を通過してカソード極側に浸透するメタノールのクロスオーバー（メタノールクロスリークとも称される。以下、メタノールクロスオーバーとする。）の抑制が重要な鍵となる。メタノールクロスオーバーは発電部アノードに供給する燃料濃度に依存するため、発電部に供給する燃料濃度を所定の範囲内に収めるための工夫が従来より行われてきている。
【０００５】
例えば、特許文献１は、高濃度燃料タンクからの燃料流量とカソード極水回収部とを操作して混合液の濃度を制御するシステムを提案している。また、特許文献２は、高濃度燃料タンクからの燃料供給量とカソード極側での水回収量とを制御して混合液の濃度を適切化するシステムを提案している。また、特許文献３は、高濃度燃料タンクからの燃料供給量と水タンクから水の供給量を制御して混合液の液量と濃度を制御するシステムを提案している。また、特許文献４は、カソード極から排出した空気を凝縮部に送り込み、凝縮ファンと水回収部を操作して混合タンクに供給する水の量を変化させて混合液の濃度と液量とを制御するシステムを提案している。
【０００６】
更に、特許文献５には、電気的負荷に燃料電池から電流を流している状態における定常電圧の出力を測定し、燃料電池から電気的負荷に流している電流を略零に減少させて一定時間経過した後における無負荷電圧を測定して測定された定常電圧出力と無負荷電圧とからＤＭＦＣに供給される燃料のメタノール濃度を求める技術が開示されている。また、特許文献６には、ＤＭＦＣの検査方法が開示され、この検査方法では、起電部での電流密度を変化させることによって生ずる起電部における電圧の時間変化を観測して燃料電池の良否を判定している。
【０００７】
上記特許文献１から４のように、従来の燃料電池システムは、発電部に供給する燃料の濃度を制御するために、濃度を検知するための濃度検知センサ、そして濃度を調整するためのカソード極側の水回収部、或いは、アノード極側の燃料供給部、カソード極側とアノード極側とをつなぐ水回収循環経路、外部から水を補給するための水タンクを備えている。これらの補機のうち、濃度検知センサの占有体積は無視できない大きさであり、装置全体のサイズを増大させている。一方、燃料電池システムを小型化するため、濃度検知センサを取り除くと、燃料濃度を所定の範囲内に収める制御が困難となり、燃料利用効率が低下してしまう問題がある。そこで特許文献５から６のように濃度検知センサなしで濃度を推定する手法が考案させているが、その検知手法の長期的な安定性や、濃度情報を得る迄の検知時間の短縮が課題となっている。
【０００８】
このように、ＤＭＦＣに供給される燃料の供給量を制御して適切なメタノール濃度を維持し、長時間に亘り安定して高い発電効率にてＤＭＦＣが運転されることが要請されている。
【特許文献１】特開２００５−３２６１０号公報
【特許文献２】特開２００５−１１６３３号公報
【特許文献３】特開平５−２５８７６０号公報
【特許文献４】特開２００５−１０８７１３号公報
【特許文献５】特開２００５−２８５６２８
【特許文献６】特開２００３−３０８８６７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、従来の濃度検知センサは制御基板までを含めた体積が大きく、携帯電話、携帯オーディオ、ノートパソコンのような携帯用小型機器の中に組み込むには大きすぎるという問題があり、小型かつ安定な濃度管理システムが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、上記問題点を解決するためになされてものであり、その目的は、液体を燃料とする燃料電池において、長時間に亘り安定して高い発電効率にて燃料電池を運転可能な燃料電池システムを提供することにある。
【００１１】
この発明によれば、
液体燃料を蓄える燃料タンクと、
電解質膜と、前記電解質膜を介して互いに対向するアノード極及びカソード極とを含む膜電極複合体を有し、前記アノード極に供給された前記燃料と、前記カソード極に供給された空気との反応により発電する発電部と、
前記発電部に第１の負荷及び第２の負荷を選択的に接続する負荷調整部と、
前記発電部から出力される電圧出力を検知する検知部、前記負荷調整部に負荷調整信号を与える検知処理部及び濃度換算データベース及び流量制御データベースを含むデータベース部と、を有し、前記燃料タンクから前記発電部への燃料供給を制御する制御部であって、
前記発電部に前記第１の負荷が接続されている状態において、前記処理部が前記流量制御データベースを参照して制御動作を開始し、
前記制御動作の開始に伴って前記処理部が前記負荷調整部に負荷変動信号を与えて前記第１の負荷から前記第２の負荷に切り換え、前記第２の負荷を前記発電部に接続させ、
前記第１の負荷から前記第２の負荷への切り換えた後に、前記検知部が前記電圧出力を検知し、前記処理部がこの電圧出力に含まれる最小電圧値及びこの最小電圧値の出現後に出力される出力応値の差を評価値として算出し、前記評価値で前記濃度換算データベースを参照して前記発電部における前記燃料濃度を推定し、
前記推定燃料濃度に基づき、前記処理部が前記流量制御データベースを参照して前記発電部に供給する前記燃料の供給量を決定し、この決定燃料供給量に従って前記燃料タンクから前記発電部への前記燃料の供給を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１２】
また、この発明によれば、
液体燃料を蓄える燃料タンクと、
電解質膜と、前記電解質膜を介して互いに対向するアノード極及びカソード極とを含む膜電極複合体を有し、前記アノード極に供給された前記燃料と、前記カソード極に供給された空気との反応により発電する発電部と、
前記発電部に第１の負荷及び第２の負荷を選択的に接続する負荷調整部と、
前記発電部から出力される電圧出力を検知する検知部、前記負荷調整部に負荷調整信号を与える処理部及び濃度換算データベース及び流量制御データベースを含むデータベース部と、を有し、前記燃料タンクから前記発電部への燃料供給を制御する制御部であって、
前記発電部に前記第１の負荷が接続されている状態において、前記処理部が前記流量制御データベースを参照して制御動作を開始し、
前記制御動作の開始に伴って前記処理部が前記負荷調整部に負荷変動信号を与えて前記第１の負荷から前記第２の負荷に切り換え、前記第２の負荷を前記発電部に接続させ、
前記第１の負荷から前記第２の負荷への切り換えた後に、前記検知部が前記電圧出力を検知し、前記処理部がこの電圧出力に含まれる最小電圧値を評価値として算出し、前記評価値で前記濃度換算データベースを参照して前記発電部における前記燃料濃度を推定し、
前記推定燃料濃度に基づき、前記処理部が前記流量制御データベースを参照して前記発電部に供給する前記燃料の供給量を決定し、この決定燃料供給量に従って前記燃料タンクから前記発電部への前記燃料の供給を制御する制御部と、
を具備することを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいては、発電部の出力応答から濃度を推定することを特徴とし、これにより濃度検知センサレスで小型かつ安定な濃度管理システムを提供することが可能となり、その結果、燃料電池システムは長時間に亘り安定して高い発電効率にて運転される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、必要に応じて図面を参照しながら、この発明の一実施の形態に係る燃料電池システムを説明する。
【００１５】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１の構成を示している。燃料電池システム１は、図２を参照して説明するようなスタック構造１０を備え、電力を発生する発電部７、燃料としての高濃度メタノール若しくはメタノール燃料と少量の水の混合溶液（メタノール水溶液）を含む比較的高濃度の燃料を貯蔵する燃料タンク２、そして発電部７における発電をサポートする補器類３から構成されている。
【００１６】
補器類３は、発電部７の反応に最適な濃度のメタノールと水の混合溶液を蓄えた混合タンク５、燃料タンク２からのメタノール若しくはメタノールと水の混合溶液を混合タンク５に供給するための燃料供給部４、混合タンク５内のメタノールと水の混合溶液を発電部７のアノード極に供給し、発電部７で未使用な溶液を再び混合タンク５に戻すための燃料循環部６、発電部７に負荷を与え、負荷に与えられる電流を検出し、負荷を調整して、発電部７の出力電力を制御する負荷調整部８及び補器３内の各部を制御する為の制御部９から構成されている。この制御部９は、発電部７での出力電圧に依存する出力検出信号並びに発電部７の温度に依存する温度検出信号及び各補器３からの検出信号等の必要な情報を検知する検知部と、燃料供給部４、発電部７及び負荷調整部８に操作命令を与えてこれら補器３を制御する処理部を備えた検知処理部９ａ、各部で検出した検出信号を含む検出情報に基づいて各部に与えられる操作命令を設定する為の操作情報が予め格納されているデータベース部９ｂから構成される。
【００１７】
尚、発電部７は、後に第５の実施例を参照して説明するように反応温度を制御する為の温度制御部を更に備えても良く、制御部９からの制御指令に基づいてこの温度制御部がスタック構造１０内での反応温度を制御しても良い。
【００１８】
発電部７と補器３との間は、流体配管系で接続されている。この流体配管系においては、燃料タンク２と燃料供給部４とは、供給ラインＬ１で接続され、燃料供給部４と混合タンク５とは、供給ラインＬ２で接続されている。従って、燃料タンク２からは、比較的高濃度の燃料が供給ラインＬ１を介して燃料供給部４に供給され、燃料供給部４からは、混合タンク５に供給ラインＬ２を介して必要に応じて燃料が補充される。また、流体配管系においては、混合タンク５と燃料循環部６とは供給ラインＬ３で接続され、燃料循環部６と発電部７とは供給ラインＬ４で接続され、発電部７と混合タンク５は供給ラインＬ５で接続されている。従って、燃料循環部６が動作されて混合タンク５に蓄えられた燃料は、供給ラインＬ３を介して燃料循環部６に供給され、供給された燃料は、燃料循環部によって発電部７に供給ラインＬ４を介して供給される。発電部７で消費されなかった混合溶液及び二酸化炭素（反応生成物）は、分離されて混合溶液がラインＬ５に供給され、二酸化炭素（反応生成物）が発電部７外に放出される。また、ラインＬ５に供給された混合溶液は、混合タンク５内に戻される。
【００１９】
また、発電部７と補器３との間は、信号及び電流配線系で接続されている。この信号及び電流配線系においては、制御部９は、信号ラインＳ１を介して燃料供給部４に接続され、発電部７と制御部９とは信号ラインＳ２で、負荷調整部８と制御部９とは信号ラインＳ３で接続されている。燃料供給部４から混合タンク５に供給される燃料流量が計測され、この計測された流量信号を含む流量情報が信号ラインＳ１を介して制御部９に送信され、制御部９からは、供給流量を定める流量制御命令(流量設定信号）が信号ラインＳ１を介して燃料供給部４に送信される。従って、流量制御命令に従って燃料供給部４から燃料が混合タンク５に供給される。また、発電部７内のスタック構造１０で発生される出力電圧及びそのスタック構造１０内で検出された温度は、夫々電圧情報(電圧信号）及び温度情報(温度信号）として信号ラインＳ２を介して制御部９に送信される。発電部７は、図示しない外部電源（外部バッテリー）に接続されると共に電流ラインＳ４を介して負荷調整部８に接続されている。定常運転時においては、外部電源（外部バッテリー）が発電部７から出力される電力で充電される。負荷調整部８は、電流ラインＳ４を介して発電部７に負荷を与え、この負荷調整部８で検出された負荷電流の値は、負荷電流情報（負荷電流信号）として制御部９に信号ラインＳ３を介して制御部９に送信される。また、制御部９で設定された負荷制御命令は、信号ラインＳ３を介して制御部９から負荷調整部８に与えられる。従って、負荷調整部８は、負荷制御命令に従って定められた設定負荷に相当する負荷を発電部７に接続し、この設定負荷に流れる負荷電流が検出されて負荷電流情報として制御部９に送信される。
【００２０】
発電部７は、図２（ａ）及び（ｂ）に示されるようなスタック構造１０を備えている。この図２（ａ）及び（ｂ）を参照してこのスタック構造１０の詳細に関して説明する。図２（ａ）及び（ｂ）に示されるように、スタック構造１０では、図２（ａ）に示すようにアノード集電板１２及びカソード集電板１４間に複数個の単位セル１６が積層され、アノード集電板１２及びカソード集電板１４間に電気的に直列に接続されている。アノード集電板１２及びカソード集電板１４間に積層された単位セル１６は、一対の締め付け板１８Ａ、１８Ｂ間に配置され、この締め付け板１８Ａ、１８Ｂ間に固定具１９Ａ、１９Ｂによって締め付け固定されている。アノード集電板１２及びカソード集電板１４とは、夫々負荷調整部８及びバッテリー(図示せず）に接続されてスタック構造１０で生成された電流がカソード集電板１４で収集されて負荷調整部８及びバッテリー(図示せず)に供給される。
【００２１】
単位セル１６は、図２（ｂ）に示されるように電解質膜／電極複合体（ＭＥＡと称する。）２０を備え、この電解質膜／電極複合体２０の一方の側にアノード流路板２２が設けられ、電解質膜／電極複合体２０の他方の側にカソード流路板２４が設けられ、電解質膜／電極複合体２０がアノード流路板２２及びカソード流路板２４で挟まれ、電解質膜／電極複合体２０がアノード流路板２２及びカソード流路板２４に接続されたガスケット２６で密閉された構造に形成されている。アノード流路板とカソード流路板は、このガスケット２６で絶縁され、しかも、このガスケット２６によってＭＥＡから外部に燃料及び空気のリークが防止される。電解質膜／電極複合体２０は、電解質膜の一方の側にアノード電極膜が形成され、電解質膜の他方の側にカソード電極膜が形成されている。
【００２２】
アノード流路板には、ＭＥＡアノード極側に面して燃料となるメタノール水溶液が流通される流路が形成され、この流路を介してメタノール水溶液がＭＥＡに供給され、また、ＭＥＡにおける反応で生成した気体がこのアノード流路板の流路を介して排出される。また、カソード流路板には、ＭＥＡカソード極側に面して空気が流通される流路が形成され、この流路を介してＭＥＡに空気が供給され、また、ＭＥＡにおいて反応で生成され、ＭＥＡを透過した水がカソード流路板の流路を介して排出される。
【００２３】
膜／電極接合体（ＭＥＡ）は、固体高分子膜の両面に触媒層を塗布して触媒層を形成し、その触媒層の外側に集電及び燃料供給と反応生成物の排出を円滑に行うためのガス拡散層を接合することで形成される。固体高分子膜としては、例えば、デュポン（Dupont）社のナフィオン（Nafion：登録商標）で作られたイオン交換膜を用いることができる。アノード触媒(アノード電極膜）及びカソード触媒(カソード電極膜）としては、市販のＰｔ−Ｒｕ触媒、Ｐｔ触媒等を用いることができる。ガス拡散層としては市販のカーボンペーパー、カーボン繊維、カーボン不織布を用いることができる。これら拡散層には、主としてカーボンと撥水性から成る緻密層(Micro Porous Layer)を設けても良い。
アノード流路板２２及びカソード流路板２４は、夫々ＭＥＡアノード膜への燃料及び生成物排出、ＭＥＡカソード膜への空気供給及び生成物排出を実現する為に設けられ、この目的を果たす限り、アノード流路板２２及びカソード流路板２４の形状は任意の形状をとることができる。例えば、アノード流路板２２にサーペンタイン流路板を用いることができ、特開２００７−９５５８１号公報に開示されるようにカソード流路板２４に、大気からの空気を直接取り入れるブリージング流路板を用いることができる。
【００２４】
以下、図１に示される燃料電池システムの運転において、アノード流路板２２の流路にメタノール水溶液が流路Ｌ４を介して供給される。また、カソード流路板２４の流路には、カソード流路板２４の流路に接続された他の流路を介して空気が送り込まれず、直接的に大気の空気が取り入れられるブリージング方式で空気が供給される。以下の説明においては、カソード流路板２４の流路にブリージング方式で空気が送り込まれる例について説明する。
【００２５】
発電を始めるにあたり、燃料循環部６が操作されて燃料供給部４を介して混合タンク５内に蓄積された所定の濃度のメタノール水溶液がスタック構造１０に供給される。空気は、カソード流路板２４の流路にブリージングにより直接取り込まれる。従って、アノード流路板２２のアノード側では、燃料が流通される流路からアノード触媒層に燃料が浸透される。また、カソード流路板２４のカソード側は、外気に露出され、空気がカソード触媒層に浸透される。
【００２６】
負荷調整部８が操作されて、スタック構造１０に接続される負荷が加わると、アノード触媒層、即ち、ＭＥＡのアノード側において
【数１】
2009176483.tif 000003
【００２７】
の反応が起こり、メタノールと水との電気化学反応によって二酸化炭素、水素イオン及び電子が発生される。また、膜電極接合体のカソード触媒層、即ち、ＭＥＡのカソード側において
【数２】
2009176483.tif 000004
【００２８】
の反応が起こり、空気に含まれる酸素と水素イオンが反応して水が生じる。生じた水はカソード側のカソード触媒層中に吸収されると共に供給された空気中に放出される。
【００２９】
アノード触媒で生成したプロトン（Ｈ＋）は、アノード触媒層から固体高分子膜を通してカソード触媒層へと流れる。電子（ｅ−）は負荷調整部８を流れる。アノード触媒層で生成した二酸化炭素（ＣＯ２）は、アノード流路板２２の流路を介してスタック構造１０外に放出される。ここで、二酸化炭素を燃料電池システム１から排出するため、混合タンク５内や供給ラインＬ５、若しくは、スタック構造１０内に気液分離機構が設けられている。スタック構造１０にて未反応のメタノール水溶液は、供給ラインＬ５を通して再び混合タンク５に戻され、燃料タンク２から供給される燃料と混合される。カソード触媒層で生成した水（Ｈ２Ｏ）は一部固体高分子膜を通してアノード触媒層側へと逆拡散され、残りは外部大気へと放出される。
【００３０】
この発明の実施の形態に係る燃料電池システムでは、クロスオーバー過電圧に起因する情報が検知され、発電効率が所定の範囲内に納まるようにスタック構造１０に供給する燃料の燃料濃度が制御される。ここで、クロスオーバー過電圧Ｖｃ．ｏ．は、発電時におけるクロスオーバーが全くない状態の理論電圧の値Ｖｔｈと、実際の発電時にクロスオーバーを加味した時の電圧の値Ｖａｃの差、すなわち
Ｖｃ．ｏ．  ＝  Ｖｔｈ  −  Ｖａｃ
をいう。なお、それぞれの電圧の値は温度、負荷、燃料濃度、燃料供給量など運転条件を同一にした時の値を用いる必要がある。
【００３１】
検知情報は、以下に説明するようにスタック構造１０に与える負荷を変動させて負荷変動に伴うスタック構造１０から出力される最小電圧及び最大電圧との差、最小電圧及び最小電圧後に生じる略一致の電圧値を有する定常電圧の差、或いは、負荷変動に伴いスタック構造１０から出力される最小電圧等のスタック構造１０から出力される電圧（スタック電圧と称する。）の応答特性を含み、この電圧差或いは最小電圧が測定されて燃料濃度が推定され、推定された燃料濃度に基づいてスタック構造１０に供給する燃料の燃料濃度が適正に復帰され、或いは、適正に維持される。以下に、このスタック電圧の応答特性に基づいて燃料濃度を制御する方法について説明する。
【００３２】
通常、発電反応が起こるプロセスでは、プロトンの移動と共にメタノール並びに水も固体高分子膜を通過して夫々カソード触媒層側及びアノード触媒層側に移動される。透過したメタノールは、カソード触媒層でクロスオーバー過電圧を引き起す。クロスオーバー過電圧損失が大きい運転条件では、スタック構造１０からの電圧出力(所謂、スタック電圧)は、低下し、結果として発電効率の低下を引き起こす。逆に、クロスオーバー過電圧が非常に低い運転条件では、発電部７に燃料供給不足が起こりやすい領域があると、その領域で燃料不足が起こり、同様に、発電効率の低下が引き起される。従って、クロスオーバー過電圧に起因する情報が検知され、発電効率が所定の範囲内に納まるようにスタック構造１０に供給する燃料量が制御されることが必要とされる。クロスオーバー過電圧に起因する情報として以下に説明するように図３に示されるようなスタック電圧の応答特性が利用される
図３は、負荷調整部８で負荷が切り換えられてスタック構造１０から取出される負荷電流Ｉがステップ状に負荷電流Ｉ1から負荷電流Ｉ2に変動した際のスタック電圧の応答特性を示している。ここで、時点Ｔ＝Ｔ0以前の時間期間においては、負荷調整部８で第１の負荷が選択されてスタック構造１０から負荷電流Ｉ＝Ｉ1が取出される。時点Ｔ＝Ｔ0において、負荷調整部８における負荷が第１の負荷から第２の負荷に変更されて取り出される負荷電流ＩがＩ＝Ｉ1からＩ＝Ｉ2にステップ状に増加させられる。この負荷電流Ｉの変動に伴い、第２の負荷に切り替えた直後の時点Ｔ＝Ｔ1では、スタック電圧Ｖは、Ｖ＝Ｖ1で最小電圧値（極小点電圧値Ｖ１）を取り、その後、スタック電圧Ｖは、最大電圧値（極大電圧値（Ｖmax））に達した後に、徐々に略一定の値(定常電圧値Ｖ２）に収束される。ここで、最小電圧値Ｖ1と一定時間（例えばＴ＝Ｔ2）経過後の定常電圧値Ｖ2との間には電圧差ΔＶ（ΔＶ＝Ｖ2―Ｖ1）が生じる。
【００３３】
なお、燃料電池システム１が一意に決まれば、スタック構造１０の面積Ａは一定の値となるので、負荷電流Ｉと電流密度ｉとは
ｉ  ＝  Ｉ  ／  Ａ
の関係で結びつけられる。したがって、燃料電池システム１が一意に決まっている場合においては、上記負荷電流Ｉ（Ｉ1、Ｉ2）は、それぞれスタック構造１０の面積Ａで割った電流密度ｉ（ｉ1、ｉ2）を用いてもよい。以下、簡単のため、以下の説明では負荷電流Ｉ（Ｉ1、Ｉ2）を用いて説明する。
【００３４】
尚、第１及び第２の負荷の一方は、零の負荷値を有する負荷を含み、その他方は、所定の値を有する。
【００３５】
以下の説明において、時点Ｔ1は、負荷変動直後に第１の極小電圧値Ｖ1を取るタイミングと定め、時点Ｔ2は、第１の極小電圧値Ｖ１を取り、第１の極大電圧値Ｖmaxに達した後に定常電圧値Ｖ2に収束した時点と定める。この時点Ｔ2は、第１の最小電圧（極小電圧値Ｖ1）、第１の最大電圧値（最大電圧値Ｖmax）を経過した後であれば任意に設定することができる。ここで、時点Ｔ1は、負荷変動の後の１０秒以内に観測される傾向が実験により得られている。従って、時点Ｔ2は、通常負荷変動の後の１０秒〜６０秒後の間に定めることができる。
【００３６】
次に、燃料濃度と負荷電流Ｉ及びスタック電圧との関係について説明する。
【００３７】
低負荷電流Ｉ＝Ｉ1におけるアノード触媒層のメタノール濃度Ｄ1は、高負荷電流Ｉ＝Ｉ2におけるそれのメタノール濃度Ｄ2よりも高い。（Ｉ1＜Ｉ2，Ｄ1＞Ｄ2）よって、メタノールクロスオーバーが生ずる過電圧（メタノールクロスオーバー過電圧）の値は、負荷電流Ｉ＝Ｉ1の状態の方が負荷電流Ｉ＝Ｉ2の場合に比べて大きくなる。（なお、上述の通り、電流密度を用いて、第１の電流密度負荷電流i1＝I1／Ａの状態の方が第２の電流密度i2＝Ｉ2／Ａの場合に比べて大きくなると考えてもよい。なお、ここでＡは一定値である。）
時点Ｔ＝Ｔ0で負荷電流ＩがＩ＝Ｉ1からＩ2にステップ状に瞬時に切替えられた場合、アノード触媒層のメタノール濃度が低下し、クロスオーバー過電圧が低下するまでの濃度拡散に時間遅れが生じ、その遅れが生じている間はクロスオーバー過電圧が高い状態が続く。よって、時点Ｔ＝Ｔ0〜Ｔ1付近では発電スタック電圧が低い状態が続く。その後、メタノールの消費によりアノード触媒層におけるメタノール濃度が低下すると、電圧の低下は回復し始め、濃度が安定した段階で電圧低下は収束する。
【００３８】
図４は、測定結果としてのクロスオーバー過電圧に起因するメタノールクロスオーバー電流Ｉと電圧差ΔＶの関係を示すグラフである。なお、図４の縦軸において電流密度を記載しているが、燃料電池システム１が一意に決まる場合には、一定の値Ａを掛けることにより電流と電流密度とは一意に換算できることは上述した通りである。よって、以下、クロスオーバー電流密度をクロスオーバー電流として説明する。図４において測定されたメタノールクロスオーバー電流は、公知文献（J. Electrochem. Soc. 153、 A543 (2006)）に開示された手法を用いて測定されている。この測定結果から、この電圧差ΔＶとメタノールクロスオーバー電流に直線的な相関関係があることが理解される。従って、メタノールクロスオーバー電流は、供給するメタノール濃度と線形的な関係を有し、その結果、電圧差ΔＶを利用して発電部７に供給される燃料の濃度を推定することができる。この電圧差ΔＶによりスタック構造１０に供給される燃料濃度が所定の範囲内に収まるよう、燃料供給部４を制御することで、メタノールクロスオーバーを防止し、燃料電池を最適濃度を含む最適な状態で運転することができる。
【００３９】
図５には、制御部９における負荷調整部８及び燃料供給部４の制御動作の詳細が示されている。この図５に示される制御動作を実現する濃度―流量制御データベース（制御プログラムを含む）はデータベース部９ｂに格納され、信号ラインＳ２を介して検知処理部９ｂに入力される出力電圧検出信号、温度検出信号等に基づき検知処理部９ｂがデータベース部９ｂの電圧差―濃度換算データベース（電圧差―濃度換算表）を参照して下記の制御動作を実施している。この検知処理部９ｂにおける動作を以下に説明する。
【００４０】
初めに、ステップＳ０１に示すように所定のタイミングで処理部９ｂが流量制御データベースを参照して制御動作が開始されると、ステップＳ０２に示すように制御部９内の検知処理部９ａから負荷調整部８に信号ラインＳ３を介して負荷変動処理の命令が与えられる。命令を受けた負荷調整部８は、ステップＳ０３に示すように負荷変動処理を実行して発電部７に接続される負荷を変更する。また、検知処理部９ｂでは、信号ラインＳ２を介して発電部７からの出力される電圧出力をモニターし続け、この負荷変動を実施した直後に生ずる最小電圧値Ｖ１及びその後の復帰される定常電圧値Ｖ２が検出され、最小電圧値Ｖ１及び定常電圧値Ｖ２の差に相当する電圧差ΔＶ(ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１：評価値)が求められる。すなわち、本発明の第１の実施の形態においては、定常電圧値Ｖ２が出力応値に相当する。検知処理部９ａでは、この求められた電圧差ΔＶを電圧差パラメータ(電圧差情報)に設定してステップＳ０４に示すように、データベース部９ｂの電圧差―濃度換算データベースを参照し、ステップＳ０５に示すように、この電圧差ΔＶのパラメータからメタノールクロスオーバー過電圧を求め、現在発電部７に供給されている燃料の燃料濃度を推定する。
【００４１】
尚、電圧差ΔＶから燃料濃度を推定するステップＳ０５における電圧差ΔＶと燃料濃度との相関は、発電部７の温度、負荷変動時に設定した負荷値等の環境因子の影響を受けて変動される。従って、制御部９内のデータベース部９ｂは、電圧差ΔＶから濃度Ｄを推定するために発電部温度依存性データ及び負荷電流値依存性データを含む必要な環境因子の補正情報を予めデータベースとして備えていることが好ましい。そのため、負荷調整部８は、選定された負荷に発電部７から供給される電流(負荷電流）を検出する電流センサを備え、発電部７は、スタック構造１０の温度を測定する為に温度センサを備えることが好ましい。電流センサからの電流信号及び温度センサからの温度信号が夫々ライン(図示せず）を介して制御部９に入力される。制御部９は、夫々入力された温度信号及び電流信号でデータベース部９ｂの発電部温度依存性データ及び負荷電流値依存性データを参照して温度補正係数及び電流補正係数を導き出し、温度補正係数及び電流補正係数で電圧差―濃度換算表の濃度値を補正することが好ましい。
【００４２】
ステップＳ０６に示すようにデータベース部９ｂをもとに濃度を推定した後、その濃度情報とデータベース内に蓄積された濃度と燃料流量の関係に応じて、検知処理部９ａは、ステップＳ０７に示すように信号ラインＳ１を介して燃料供給部４に定められた流量制御命令を送信する。命令を受けた燃料供給部４は、ステップＳ０８に示すように燃料供給量が所定の流量になるように燃料供給部４を制御する。その結果、発電部７に供給される燃料濃度が推定され、その濃度を所定の範囲内に収めるための制御が可能となる。
【００４３】
なお、上記図５記載の方法では、クロスオーバーを所定の範囲に制御する為、前記電圧差ΔVから濃度を推定し、その推定から求めた濃度値に基づいて燃料供給量を制御する方法について述べたが、濃度推定を行わずに発電部でのクロスオーバー量を所定の範囲に制御する方法も別途可能である。この場合、前記電圧差ΔVを直接クロスオーバーに関連する情報として検知し、その値に基づいて、クロスオーバーが所定の範囲内にあるように燃料供給量を制御する。よって電圧差ΔVから濃度を推定するステップＳ０５が不要となり、濃度推定の際に必要な前記補正情報は不要となる。ただし、以下では、電圧差ΔVから濃度を推定する手法に関して述べる。
【００４４】
ここで、負荷変動前の電流値Ｉ1及びＩ2は、電流値として大きな差をつけた方が電圧差ΔＶを大きく得ることができる。そこで、電流値Ｉ2を所定の発電量を得るための定格電流値とした場合、電流値Ｉ1を無負荷（開回路電圧）、若しくは微小負荷とすることができる。また、電流値Ｉ1と電流値Ｉ2の負荷の大小関係を逆にしてもよい。
【００４５】
図１に示したシステムにおいて混合タンク５内に蓄積したメタノール水溶液濃度Ｄが高い場合、クロスオーバー過電圧が大きくなり、電圧差ΔＶは大きくなる。一方、メタノール水溶液濃度Ｄが低い場合、クロスオーバー過電圧は小さくなり、電圧差ΔＶは小さくなる。従って、電圧差ΔＶが所定の範囲内にあるように、燃料供給部４が操作されて、燃料タンク２からの燃料供給流量が制御されてクロスオーバー過電圧を所定の範囲内に収めることが可能となり、発電効率の制御が可能となる。
【００４６】
次に、発電効率を所定の範囲内に収めるための燃料タンク２からの燃料供給流量を制御する制御フローについて説明する。
【００４７】
システムの負荷変動応答制御フローチャートの詳細を示す図６を参照して説明する。尚、このシステムフローチャートは、制御部９内のデータベース部９ｂに予め記録され、各条件に基づいて各補器が操作され、制御される。
【００４８】
ステップＳ１１に示されるように、発電効率を所定の範囲内に収める制御が開始されると、始めに、タイマー(図示せず）がセットされ、ステップＳ１２に示されるように負荷に流れる負荷電流がＩ1に設定される。次に、ステップＳ１３に示すように、システム運転時に予め定められた時間間隔Ｔlimが経過しているかが確認される。タイマーでの計測時間が時間間隔Ｔlimを経過していない場合には、再び、ステップＳ１２に戻され、時間間隔Ｔlimの経過を待つこととなる。時間間隔Ｔlimを経過した時点で、ステップＳ１４に示すように負荷調整部８が操作されて負荷が第１の負荷から第２の負荷に切り換えられてスタック構造１０の負荷変動が測定される。この負荷変動が燃料電池運転中に一定時間間隔Ｔlimで周期的に生じるように検知処理部９ａ内にプログラムが設定され、定期的に発電部７に供給される燃料濃度が推定され、燃料濃度が制御される。この周期的な燃料濃度の推定及び制御によって、長時間に亘り高い発電効率での運転が可能となる。負荷変動処理では、負荷に所定の電流値Ｉ1が流れるようにセットして電圧値が安定するまでその負荷のままに一定時間保持され、その後、電流値がＩ2に変化される。そして、電流Ｉ2へ変化した後におけるスタック構造１０の応答値が監視(モニター）され、ステップＳ１５に示すように電圧差ΔＶが計測され、また、ステップＳ１６に示すようにデータベース部９ｂが参照される。
【００４９】
ステップＳ１７において電圧差ΔＶがデータベース９ｂに格納されている所定の範囲と比較される。ステップＳ１７において、電圧差ΔＶが所定の範囲内にある場合、クロスオーバー過電圧が所定の範囲内に収まっているため、制御部９は、発電部７に供給される燃料の燃料濃度は所定の範囲内にあると判断する。従って、ステップＳ１８に示すように、燃料タンク２からの燃料供給量Ｑが予め定められた一定流量（Ｑ＝Ｑ０）になるように燃料供給部４が操作される。ここで、電圧差ΔＶが所定の範囲内にあるかを判断するには、制御部９がデータベース部９ｂ内に蓄積されている電圧差ΔＶと濃度との換算表から判断する。燃料供給流量Ｑ０の条件も同様にデータベース９ｂ内に蓄積されている。
【００５０】
一方、ステップＳ１７において、電圧差ΔＶが所定の範囲内にない場合には、ステップＳ１９に示すように、その電圧差ΔＶが所定の範囲よりも大きいか（電圧差ΔＶが上限か）が判別される。電圧差ΔＶが所定の範囲よりも大きい場合、スタック構造１０は、クロスオーバー過電圧が大きくなっているため、ステップＳ２０に示すように燃料タンク２からの燃料供給量Ｑが抑制され、燃料供給量Ｑ＝Ｑｌｏｗ＜Ｑ０となるように燃料供給部４が操作される。そして、再び、ステップＳ１１に戻され、一定時間間隔Ｔlimの経過後、再び負荷変動が与えられ、ステップＳ１５において、電圧差ΔＶが計測される。ステップＳ１７において、電圧差ΔＶが所定の範囲内に収束されると、ステップＳ１８に示すように燃料供給量をＱ＝ＱｌｏｗからＱ０になるように燃料供給部４が操作されて運転が続けられる。一定時間間隔Ｔlimの経過後においても、電圧差ΔＶが所定の範囲内よりも大きいままの場合、ステップＳ２０に示されるように燃料供給量がＱ＝Ｑｌｏｗに抑制された状態のままに運転が継続される。
【００５１】
ステップＳ１７において、電圧差ΔＶが所定の範囲内になく、ステップＳ１９において、その電圧差ΔＶが所定の範囲よりも小さい場合、スタック構造１０は、クロスオーバー過電圧が小さくなり、そのままの状態で運転が続けられた場合、燃料供給不足を引き起こす可能性がある。従って、ステップＳ２１に示すように燃料タンク２からの燃料供給量が増加され、Ｑ＝Ｑｕｐ＞Ｑ０となるよう、燃料供給部４が操作される。そして、再びステップＳ１１に戻され、一定時間間隔Ｔlimの経過後に、ステップＳ１４に示すように再び負荷変動が与えられ、ステップＳ１５において、電圧差ΔＶが計測される。ステップＳ１７において、電圧差ΔＶが所定の範囲内に収まった場合、燃料供給量がＱ＝ＱｕｐからＱ０になるように燃料供給部４が操作され、フローチャートに沿って運転が続けられる。一定時間間隔Ｔlimの経過後もステップＳ１７において、電圧差ΔＶが所定の範囲内よりも小さいままの場合、ステップＳ２１に示すように燃料供給量をＱ＝Ｑｕｐに増加した状態のままで運転が継続される。
【００５２】
尚、図６に示されるフローチャートに従ってシステムが動作されている間において、スタック構造１０の温度が外部環境等により大きく変動する場合、負荷変動が与えられると、一定時間間隔Ｔlimの経過後においても、電圧値Ｖ2が安定しないことがある。この電圧値Ｖ2が不安定となることを回避するために、スタック構造１０の温度が温度信号として計測され、その温度が所定の範囲内に収まるように制御部９が冷却ファン(図示せず）を制御して冷却ファンからの送風量が制御され、スタック構造１０の温度が制御されることが好ましい。
【００５３】
上述したようにこの発明の実施形態のシステムにおいては、発電部７のクロスオーバー過電圧に相関する電圧差ΔＶを計測し、この計測された電圧差ΔＶの情報に応じて燃料供給量を制御することができる。電圧差情報の計測に基づく燃料供給量制御は、濃度センサを用いて混合タンク５内の燃料濃度を検知し、その検知した濃度状態からクロスオーバー過電圧を推定して燃料供給を制御する手法に比べてより正確な制御が可能となる。例えば、長期にわたりスタック構造１０が運転される場合、膜電極接合体の経年劣化等を原因として、スタック構造１０内への燃料の導入量が変動される問題がある。この燃料導入量が変動される場合、クロスオーバー過電圧を一定に保ち、発電効率を所定の範囲内に保って運転を続けるためには、発電部７に供給する燃料濃度を燃料の導入量の変化に応じて経時的に変化させていかねばならない。しかし、この発明の実施形態のシステムにおいては、混合タンク５の燃料濃度の情報からクロスオーバー過電圧を推定する必要がなく、クロスオーバー過電圧値を直接計測情報として利用している。従って、このような経時的な変化に対しての対応が容易となる。また、濃度センサのような特殊な部品を必要としないため、システムの小型化並びに低コスト化を実現することができる。
【００５４】
また、この発明の実施形態のシステムにおいては、検知情報として使用する電圧差ΔＶは、外乱を与えた非定常時における応答より求められるため、定常時における電圧値を使用する場合に比較して測定までの計測時間を短縮することができる。
【００５５】
［第２の実施の形態］
上述した第１の実施の形態においては、負荷変動直後の電圧差ΔＶが最小電圧値（極小電圧値）Ｖ１と一定時間間隔経過後の電圧値(定常電圧知）Ｖ２との差として求められ、検出される。電圧差ΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１は、極小電圧値Ｖ１と定常電圧値Ｖ２との差に限らず、その他にも最小電圧値Ｖ１と最大電圧値Ｖ３とを利用して電圧差（評価値）ΔＶ＝Ｖ３−Ｖ１の求め、その電圧差情報に基づき燃料供給量を制御し、最小電圧値の絶対値に基づき燃料供給量を制御しても良い。すなわち、本発明の第２の実施の形態においては、最大電圧値Ｖ３が出力応値に相当する。
【００５６】
図７を参照して最小電圧値と最大電圧値を利用して電圧差ΔＶを求めて燃料供給量を制御する方法について説明する。ここで、時点Ｔ＝Ｔ0以前においては、負荷調整部８はスタック構造１０から電流Ｉ＝Ｉ1が取出され、時点Ｔ＝Ｔ0において取り出される電流がＩ＝Ｉ１からＩ＝Ｉ２にステップ状に増加される。この負荷変動の過程においては、負荷変動直後に、発電スタック電圧はＶ＝Ｖ1で最小電圧値（極小点電圧値）を取り、その直後の時点Ｔ＝Ｔ３に最大電圧値Ｖ３（極大点電圧値）を取る。そこで最小電圧値（極小点電圧値Ｖ1）と最大電圧値（極大点電圧値Ｖ３）の電圧差をΔＶ＝Ｖ３−Ｖ1として求め、この電圧差情報に基づき、燃料供給量を制御する。なお、制御方法については実施の形態１で述べたものと同じであるため、ここでは説明を省略する。この手法では、電圧差ΔＶを求めるまでの時間がより一層短縮されることから、制御の追従性を早めることが可能となる。最小電圧値Ｖ1と最大電圧値Ｖ3の検出に当たり、負荷変動をスタック構造１０に与えると同時に、スタック電圧のモニターが開始され、記録される。その記録した電圧値から最小電圧値Ｖ１と最大電圧値Ｖ３が制御部９内で求められ、電圧差ΔＶが得られる。そして制御部データベース部９ｂに含まれる電圧差ΔＶと濃度の相関表をもとに、発電部７に供給される燃料の燃料濃度状態が推定される。
【００５７】
更に他の例として、図８を参照して最小電圧値の絶対値に基づいて燃料供給量を制御する手法について説明する。時点Ｔ＝Ｔ0以前の期間、負荷調整部８はスタック構造１０からＩ＝Ｉ1の電流を取出し、時点Ｔ＝Ｔ0において取出し、電流をＩ＝Ｉ1からＩ＝Ｉ2へステップ状に増加させている。この時、負荷変動直後に発電スタック電圧は時点Ｔ＝Ｔ1においてＶ＝Ｖ1の最小電圧値（極小点電圧値）Ｖ１をとる。この最小電圧値Ｖ1が予めデータベース部９ｂ内に蓄積されている電圧の上限値Ｖ_upとＶ_lowの間にあるかを判断する。この実施の形態では、最小電圧値Ｖ１のみが電圧情報として利用される。混合タンク５内の濃度値変動が小さいことが予め分かっている系の場合、高負荷である負荷変動後の定常電圧値Ｖ２は、メタノールクロスオーバーの影響が小さいため、出力電圧は濃度変動に対する影響を受けにくい。そこで、図３で算出していた電圧差（評価値）ΔＶ＝Ｖ2−Ｖ1におけるＶ2をほぼ一定とみなし、電圧差ΔＶが殆ど最小電圧値Ｖ１に依存（ΔＶ∝−Ｖ1）しているとすることでシステムを制御している。制御方法は、図５に示したフローチャートを基にして電圧差ΔＶが殆ど最小電圧値Ｖ１に依存しているとして、ΔＶ（電圧差）∝−Ｖ1（最小電圧値）に置き換えて行う。フローチャートの詳細な流れは同様なため、ここでは説明を省略する。
【００５８】
この方法では、負荷変動を与えた後の定常電圧値Ｖ２を計測しないため、負荷変動処理の時間を短縮することが可能となり、システムの制御性を上げることができる。電圧データのサンプリング数も削減できるため、制御部９の処理負荷を削減し、処理速度を向上させることが可能となる。
【００５９】
ただし、負荷変動後の定常電圧値Ｖ2を条件によらず一定とみなしているため、濃度変動が大きな系、或いは、温度などの外部因子の影響を大きく受ける系では誤差が生じやすい。よって、外部因子の影響が予めに把握できる系で用いることが望ましい。
【００６０】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態では、燃料タンク２を備えず、燃料タンク２内の燃料を混合タンク５内で希釈せずに直接スタック構造１０に供給する制御方法に関して説明する。
【００６１】
図９は、第３の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示している。図９においては、図１に示した符号と同様の符号を同一部分、同一箇所に付してその説明を省略する。
【００６２】
図９に示すシステム１は電極を含むスタック構造１０、燃料若しくは燃料と少量の水の混合溶液を含む燃料タンク２、そして発電部７をサポートする補器類３から構成される。補器３は、燃料タンク２からのメタノール若しくはメタノールと水の混合溶液をスタック構造１０に供給するための燃料供給部４、発電部７の電力値を検知して発電部７から負荷を取出すための負荷調整部８、制御部９から構成される。制御部９は、発電部７及び負荷調整部８に操作命令を与えてこれら補器３を制御する検知処理部９ａ、各部で検出した検出信号を含む検出情報に基づいて各部に与えられる操作命令を設定する為の操作情報が予め格納されているデータベース部９ｂから構成される。
【００６３】
ここで、燃料タンク２と燃料供給部４は、供給ラインＬ１で、燃料供給部４とスタック構造１０は、供給ラインＬ６で接続されている。
【００６４】
燃料供給部４が操作され、燃料タンク２内の燃料がスタック構造１０のアノード流路板２２に送り込まれ、空気が同様にスタック構造１０のカソード流路板２４に送り込まれ、負荷調整部８が操作されると、スタック構造１０は発電を開始する。発電部７は、スタック構造１０に加えて気液分離部(図示せず）が設けられ、反応で生成した気体が外部に排出される。
【００６５】
図９に示すシステムでは、燃料タンク２の燃料を直接スタック構造１０に供給している。従って、図９に示すシステムは、混合タンク５内の燃料とスタック構造１０からの未反応燃料水溶液を混合し、燃料タンク２の燃料が供給されて燃料を所定の濃度に調整する混合タンク５、混合タンク５から発電部７に燃料を供給し、未反応の燃料を再び混合タンク５に循環させる循環機構（例えば図１における燃料循環部６等）を備えず、システムが簡略化されている。
【００６６】
図９に示すシステムでは、燃料タンク２からスタック構造１０へ供給する燃料供給流量が多い場合、スタック構造１０ではクロスオーバー過電圧が大きくなる。一方、供給するメタノール水溶液量が少ない場合、スタック構造１０ではクロスオーバー過電圧が小さくなり、所定の値よりも小さくなった場合、燃料不足により発電不能となる。よって、システム運転中に負荷変動が与えられ、その負荷変動時のスタック構造１０からの出力応答値ΔＶ(電圧差）の情報値からクロスオーバー過電圧が推定され、その値が所定の範囲内に収まるように燃料供給部４が操作され、システムの発電効率が高められる。スタック構造１０に負荷変動が与えられ、この負荷変動に伴う出力応答値ΔＶを検出する手法は、上述した実施の形態１及び２記載の方法を利用することができる。また、電圧差ΔＶを検出し、その値が所定の範囲内に収まるよう、燃料供給部４を操作する制御フローに関しては、実施の形態１の記載の方法を利用することができる。
【００６７】
図９に示されるシステムによれば、長時間に亘り高い発電効率を維持した条件での発電が可能となる。
【００６８】
［第４の実施の形態］
負荷変動を与えて電圧差（電圧変動値）ΔＶを計測し、電圧変動値ΔＶが所定の範囲内に収まるように制御するシステムは、その原理上、負荷変動を与えた場合に電圧変動値ΔＶの応答が得られる条件にてそのシステムが作動される。しかし、燃料電池システムでは、起動直後のスタック構造１０が低温にある時、或いは、スタック構造１０のセルの一部にだけ何らかの要因で燃料の供給不足が起こってしまったような場合、負荷を与えることができず、負荷変動応答は得られない。よって負荷変動応答を得る制御条件範囲にない環境下では、予め開回路電圧に基づいて燃料供給量を制御する開回路電圧制御ループで運転され、制御条件範囲内に移行した後に、図６を参照して説明した負荷変動応答制御ループに移行する制御方法を採用することで、システムの安定した制御を実現することができる。
【００６９】
開回路電圧制御ループで運転される制御方法は、(1)低温環境にあるシステムが起動される際、(2)図６に示されるフローチャートにおいて、電圧差ΔVが所定の範囲内になく、かつ、所定の値よりも小さい場合、即ち、燃料濃度が極端に低く、負荷変動を与えることができない場合、及び(3)スタック内の特定の一部セルでの発電中に他セルに比べて一定以上の出力電圧の低下がこの特定のセルに現れた場合に実施される。
【００７０】
図１０には、システムが開回路電圧制御ループで運転されるフローチャートが示されている。この図１０を参照してシステムの運転を説明する。
【００７１】
尚、このシステムフローチャートは、制御部９内に予めプログラムとしてデータベース部９ｂに格納され、このプログラムに基づいて検知処理部９ａが各条件に基づいて各補器を操作し、制御する。
【００７２】
始めに、ステップＳ２１に示すように運転が開始されると、ステップＳ２２に示されるように、システムは、スタック構造１０、補器３からの情報に基づき、システムが負荷変動応答の制御条件範囲にあるがどうかを判断する。ここで、負荷変動応答制御条件内にある場合、ステップＳ２３に示すように、システムは、図６を参照して説明した負荷変動応答制御ループに移行される。ステップＳ２２において、制御条件内にない場合、ステップＳ２４に示すように、負荷調整部８が操作されて開回路電圧が測定される。ここで、開回路電圧とは、負荷が発電部７に接続されず、発電部７に負荷を接続する端子が開回路で構成され、この発電部の開回路を構成する開放端子の電圧が測定されることを意味している。
【００７３】
ステップＳ２５において、測定した開回路電圧が所定の範囲内にある場合、制御部９が燃料供給部４を制御し、ステップＳ２６に示すように燃料供給部４からの燃料供給量が所定の流量Ｑ０に維持される。ステップＳ２５において、開回路電圧が所定の範囲内になく、ステップＳ２７において、その電圧値が所定の値よりも高い場合、ステップＳ２８に示すように、燃料供給部４の燃料供給量が所定の流量Ｑ０よりも多い値であるＱｕｐとなるように制御部９が燃料供給部４を制御する。ステップＳ２７において、開回路電圧が所定の範囲内になく、その電圧値が所定の値よりも低い場合、ステップＳ２９に示すように、燃料供給部４の燃料供給量が所定の流量Ｑ０よりも少ない値であるＱｌｏｗとなるように制御部９が燃料供給部４を制御する。
【００７４】
上述した設定流量にてシステムが運転され、一定時間経過後、再びシステムは、ステップＳ２２において、負荷変動応答制御条件範囲にあるがどうか判断される。そして、ステップＳ２２において、負荷変動応答制御条件範囲に入れば、図５及び図６を参照して説明したステップＳ２３として示す負荷変動応答制御ループに移行される。ステップＳ２２において、制御条件の範囲になければ、再び、ステップＳ２４〜Ｓ２９に示す開回路電圧測定のループに移行される。
【００７５】
［第５の実施の形態］
この発明の制御方法は、図１１に示す第５の実施の形態に係るシステムにも適用することができる。図１１においては、図１に示した符号と同様の符号を同一部分、同一箇所に付してその説明を省略する。
【００７６】
図１１に示すシステムは、電極を含むスタック構造１０及びこのスタック構造１０の温度を制御する温度制御部３０を備えた発電部７、燃料若しくは燃料と少量の水の混合溶液を含む燃料タンク２、そして発電部７をサポートする補器類３から構成される。補器３は、燃料タンク２から燃料循環部６へのメタノール若しくはメタノールと水の混合溶液の供給を開閉するための開閉バルブ４０、混合タンク５内のメタノールと水の混合溶液を発電部７のアノード流路板２２に供給し、発電部７で未使用な溶液を再び循環させるための燃料循環部６、スタック構造１０の出力値を検知してスタック構造１０から負荷を取出すための負荷調整部８、制御部９から構成される。制御部９は、発電部７の出力並びに温度及び各補器から必要な情報を検知し、操作命令を与えるための検知処理部９ａ、検知した情報に対し、どのような操作命令を与えるかという情報を事前に貯えたデータベース部９ｂから構成される。
【００７７】
温度制御部３０は、例えば、スタック構造１０に空気を供給すると共にこのスタック１０を冷却するファン等の冷却部及び発電スタック１０の温度を検出するセンサを含んでいる。
【００７８】
燃料タンク２及びスタック構造１０と補器３の間を接続する流体配管系について説明する。燃料タンク２と開閉バルブ４０とは供給ラインＬ１で接続され、開閉バルブ４０と燃料循環部６とは供給ラインＬ８及びＬ７で接続され、燃料循環部６とスタック構造１０とは供給ラインＬ４で接続され、スタック構造１０と供給ラインＬ７とは供給ラインＬ５で接続されている。
【００７９】
図１１に示されるシステムは、図１のシステムとは異なり、混合タンク５が設けられず、未反応の混合溶液は、発電部７から供給ラインＬ７にラインＬ５を介して直接的に戻されている。従って、アノード循環ライン（Ｌ７、Ｌ４、Ｌ５）を循環するアノード極燃料溶液の体積が常に一定に維持されるように、スタック構造１０で減少した体積分だけ、燃料タンク２から燃料が供給される。このシステムの運転中には、供給ラインＬ１から供給ラインＬ８を介して供給ラインＬ７に燃料が流れるよう、開閉バルブ４０は開いた状態に維持されて燃料が供給ラインＬ７に供給される。また、図１１に示されるシステムでは、保管時等は安全のため、開閉バルブ４０は閉じられ、燃料タンク２から供給ラインＬ７への供給が遮断されて燃料の流失が防止される。
【００８０】
図１１に示されるシステムでは、スタック構造１０で反応およびクロスオーバーにより減少した燃料の体積分だけ燃料タンク２から燃料が供給されるため、発電部７に供給される燃料濃度を制御するためには、スタック構造１０で消費される燃料及び水の量を変化させることで燃料濃度を制御している。スタック構造１０で消費される燃料及び水の量を変化させる方法として、温度制御部３０がスタック構造１０の温度を変化させ、水のクロスオーバー量及びメタノールクロスオーバー量を変化させて燃料及び水の量を変化させている。
【００８１】
発電部７では、反応および透過（クロスオーバー）によってメタノール水溶液が消費され、その分だけアノード循環ライン内を循環するメタノール水溶液の体積が減少する。燃料タンク２は開閉バルブ４０に対して所定の圧力を有する構造を有するため、このように発電部７におけるメタノール水溶液の消費によりアノード循環ライン中のメタノール水溶液の体積が減少した場合、燃料タンク２内の燃料は当該体積減少分だけラインＬ８、Ｌ７を介して発電部７のアノード流路板２２の側に送り込まれる。
【００８２】
図１１に示されるシステムでは、アノード循環ラインを循環するメタノール水溶液体積は常に一定に保たれる。しかし、発電部７での燃料の消費と、高濃度燃料タンク２からの燃料供給のバランスが崩れた場合、発電部７に供給されるメタノール水溶液の濃度が変動し、濃度が所定の範囲から外れた場合には発電効率が低下してしまう。ここで、燃料濃度が図３、図７又は図８を参照して説明した負荷変動に伴う方法で推定され、図１２に示すフローチャートに従って、推定される燃料濃度が所定の範囲内に収まるように発電部７の温度が制御される。図１２に示すフローチャートは、図５に示すフローチャートにおいて、ステップＳ０６における濃度―流量制御データベースが濃度と発電部７の温度との相関を表すテーブルで構成される濃度―温度制御データベースに置き換えられ、また、ステップＳ０７における燃料供給制御指令が発電部温度変更指令に置き換えられている。従って、図１２に示す運転動作では、検知処理部９ａでの処理が開始されるステップＳ０１から燃料濃度の推定のステップＳ０５までは、図５と同一の処理が実行され、ステップＳ０６において、濃度―温度制御データベースが参照されて濃度と温度の関係に応じて、検知処理部９ａは、ステップＳ０７に示すように温度制御部３０に定められた温度変更制御命令を送信する。命令を受けた温度制御部３０は、ステップＳ０８に示すように発電部７の温度が所定の温度になるように温度制御部３０を制御する。その結果、発電部７に供給される燃料濃度が推定され、その濃度を所定の範囲内に収めるための温度制御が可能となる。
【００８３】
図１３には、図１２に示された燃料電池システムにおける濃度制御方法が示されている。図１３のステップＳ３０に示すように電圧変動時の出力差ΔV、つまりはメタノールクロスオーバー電流の大きさから燃料濃度が推定されると、ステップＳ３２において、この推定濃度値が所定の範囲内にあるかが判断される。ここで、ステップＳ３２において推定濃度が所定の範囲内にあると判断される場合、ステップＳ３４に示すように発電部７の温度がそのままに維持されるように温度制御部３０が制御される。ステップＳ３２において、推定濃度が所定の範囲内になく、ステップＳ３６に示すように濃度が低下していると判断される場合には、ステップＳ３８に示すように発電部７の温度を増加させるように温度制御部３０が制御される。発電部７の温度を増加させるには、例えば、ファンが制御されて発電部７の冷却能力が低下される。ステップＳ３６において、濃度が低下していないと判断される場合には、ステップＳ４０に示すように発電部７の温度を低下させるように温度制御部３０が制御される。発電部７の温度を低下させるには、例えば、ファンの能力が増加されて発電部７の冷却能力が増加される。
【００８４】
尚、発電部７の温度を増加させる為に、発電部７にヒータ（図示せず）が設けられ、このヒータが附勢されて発熱部７が加熱されても良い。発電部７の温度が増加されると、温度上昇前に比べて発電部７でのメタノールおよび水のクロスオーバー量が多くなり、そのクロスオーバーで減少した体積分だけ高濃度燃料タンク２からの燃料供給量が増加する。よって発電部に供給される燃料濃度を高めることができる。
【００８５】
［実施例］
以下、この発明の実施例について説明する。但し、ここで、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではないことを明記して置く。
【００８６】
まず、特開２００６−２５９５０３に開示されるような公知の製造方法を基に、膜電極接合体を製作した。そして、膜電極接合体を組み込んだスタック構造１０を用意し、燃料循環ポンプを用い、アノード流路板を介してアノード極に所定の濃度に制御したメタノール水溶液を燃料流量０．５ｃｃ／ｍｉｎで供給した。カソード流路板には、特開２００７−９５５８１号公報に開示されるような公知の方法で、大気中の空気をブリージングにより取り入れた。スタック構造１０の温度は所定の温度で安定するように冷却ファンでスタック構造１０の温度を制御し、負荷１．０Ａを定格負値として定電流運転で発電を行った。スタック構造１０温度は、スタック構造１０の中央部に熱電対を挿入して測定した。
【００８７】
このセットアップを用い、発電部７に供給される燃料濃度と負荷変動応答結果の関係を調べた。
【００８８】
負荷変動応答は、Ｉ２＝１．０Ａを定格負荷とし、Ｉ１＝０．１Ａに４０秒間下げて運転した後、４０秒経過後にステップ状（応答時間０．０５ｓ）に再びＩ２＝１．０Ａに定格負荷へと負荷を増加させた。この０．１Ａから１．０Ａに負荷が増加する段階における出力電圧の値を１０Ｈｚの時系列でモニターし、電圧差ΔＶを計測した。
【００８９】
図３を参照して説明したように最小電圧値Ｖ1と一定時間経過後の定常電圧値Ｖ2との電圧差ΔＶを計測し、その電圧差ΔＶと供給燃料濃度の関係を計測した場合を実施例１とした。
【００９０】
燃料濃度２．０Ｍ（Ｍはｍｏｌ／Ｌを意味する)で運転した場合、Ｉ１＝０．１ＡからＩ２＝１．０Ａにステップ状に負荷変動を与える処理を行った結果、ステップ変動から３．５秒後のＴ１＝３．５（ｓ）で第１の最小電圧値Ｖ1をとり、２０秒後のＴ３＝２０（ｓ）で第１の最大電圧値Ｖ３をとる結果を得た。これにより、Ｔ２の設定をＴ１、Ｔ３以降の時間である６０（ｓ）に設定した。
【００９１】
また、図７を参照して説明した時点Ｔ＝Ｔ１における第１の最小電圧値Ｖ1と時点Ｔ＝Ｔ３における第１の最大電圧値Ｖ３から電圧差ΔＶ＝Ｖ３−Ｖ1を計測し、その電圧差ΔＶと供給燃料濃度の関係を計測した場合を実施例２とした。さらに、図８を参照して説明した第１の最小電圧値と供給燃料濃度の関係を計測した場合を実施例３とした。
【００９２】
図１３（ａ）及び（ｂ）に上記実施例にて測定した結果を示す。いずれの実施例においても、発電部７に供給する燃料濃度と電圧差ΔＶの間に相関関係を得ることができ、負荷変動時の出力応答から発電部７に供給する燃料濃度を検知することの有効性が確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、図１に示した発電部内のスタック構造を概略的に示す断面図及び各セルの構造を概略的に示す断面図である。
【図３】図１に示される負荷調整部を操作して発電スタック構造から取り出される負荷電流をステップ状に切替えた場合のスタック電圧応答特性を示すグラフである。
【図４】クロスオーバー過電圧に起因するメタノールクロスオーバー電流と電圧差ΔＶの関係を測定した結果を示すグラフである。
【図５】図１に示した制御部における燃料供給制御の処理を示すフローチャートである。
【図６】図１に示した制御部における負荷変動応答制御ループを示すフローチャートである。
【図７】図１に示したシステムにおいて、最小電圧値と最大電圧値を利用して電圧差ΔＶの求める方法について説明する為のグラフである。
【図８】図１に示したシステムにおいて、最小電圧値の絶対値に基づいて燃料供給量を制御する方法について示すグラフである。
【図９】この発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。
【図１０】図１及び図９に示したシステムにおける開回路電圧制御ループでの運転動作を説明するフローチャートである。
【図１１】この発明の第５の実施の形態に係る燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。
【図１２】図１１に示した制御部における燃料供給制御の処理を示すフローチャートである。
【図１３】図１１に示された燃料電池システムにおいて燃料濃度を制御する処理を示すフローチャートである。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は、図３に示される最小電圧値Ｖ1と一定時間経過後の定常電圧値Ｖ2との電圧差ΔＶと供給燃料濃度との関係を示す実施例１及び図７に示される最小電圧値Ｖ1と最大電圧値Ｖ3との電圧差ΔＶと供給燃料濃度との関係を示す実施例２に係るグラフであり、また、図８に示される第１の最小電圧値と供給燃料濃度との関係を示す実施例３に係るグラフである。
【符号の説明】
【００９４】
２．．．燃料タンク、３．．．補器類、４．．．燃料供給部、５．．．混合タンク、６．．．燃料循環部、７．．．発電部、８．．．負荷調整部、９．．．制御部、９ａ．．．検知処理部、９ｂ．．．データベース、Ｌ１〜Ｌ７．．．供給ライン、１０．．．スタック構造、１２．．．アノード集電板、１４．．．カソード集電板、１６．．．単位セル、１８．．．締め付け板、１９．．．固定具、２０．．．電解質膜／電極複合体、２２．．．アノード流路板、２４．．．カソード流路板、２６．．．ガスケット、３０．．．温度制御部、４０．．．開閉バルブ
【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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