(57)【要約】【課題】燃料電池スタックにおける各燃料電池間の出力電圧のバラツキを低減しつつ、燃料ストイキオを一定に制御しながら発電できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】複数のセル２にそれぞれ燃料を供給する燃料供給装置４と、燃料電池スタック３の出力電圧が設定電圧Ｖｓになるように、燃料電池スタック３から流出する電流Ｉｏｕｔ１を調節する電圧コンバータ８と、セル電圧検出部６によって検出される各セル２の出力電圧における相互間の差が減少するように、燃料供給装置４による各セル２への燃料供給量をそれぞれ調節する燃料供給制御部１０１と、燃料電池スタック３の燃料ストイキオを検出する燃料ストイキオ検出部１０２と、燃料ストイキオ検出部１０２によって検出される燃料ストイキオが、目標燃料ストイキオになるように、設定電圧Ｖｓを調節する燃料ストイキオ制御部１０３とを備えた。【選択図】図１
2009021218.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池が直列に接続された燃料電池スタックと、
前記各燃料電池にそれぞれ燃料を供給する燃料供給部と、
前記燃料電池スタックの出力電圧が、所定の設定電圧になるように、前記燃料電池スタックから流出する電流を調節する電流調節部と、
前記各燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部によって検出される前記各燃料電池の出力電圧における相互間の差が減少するように、前記燃料供給部による前記各燃料電池への燃料供給量をそれぞれ調節する燃料供給制御部と、
前記燃料電池スタックの燃料ストイキオを検出する燃料ストイキオ検出部と、
前記燃料ストイキオ検出部によって検出される燃料ストイキオが、予め設定された目標燃料ストイキオになるように、前記設定電圧を調節する燃料ストイキオ制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料供給制御部は、
前記燃料電池スタックの発電電力が所定の目標電力に満たない場合、前記燃料供給部により前記燃料電池スタックへ供給される燃料の総量である総燃量供給量を増大させると共に前記燃料電池スタックの発電電力が前記目標電力より大きい場合、前記燃料供給部により前記燃料電池スタックへ供給される総燃量供給量を減少させ、かつ前記電圧検出部によって検出される前記各燃料電池の出力電圧における相互間の差が減少するように、前記燃料供給部による前記各燃料電池への燃料供給量をそれぞれ調節すること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの発電電力を蓄えると共に負荷に電力を供給する蓄電素子と、
前記蓄電素子の残存容量を検出する残存容量検出部と、
前記残存容量検出部によって検出された前記蓄電素子の残存容量が予め設定された基準容量に満たない場合、前記目標電力を増大させ、前記残存容量検出部によって検出された前記蓄電素子の残存容量が前記基準容量を超える場合、前記目標電力を減少させる目標電力設定部とをさらに備えること
を特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記目標電力設定部は、
前記残存容量検出部によって検出された前記蓄電素子の残存容量が前記基準容量に満たない場合、前記目標電力を前記負荷の消費電力より増大させ、前記残存容量検出部によって検出された前記蓄電素子の残存容量が前記基準容量を超える場合、前記目標電力を前記負荷の消費電力より減少させること
を特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料供給制御部は、
下記の式（１）に基づいて前記総燃量供給量を更新しつつ、前記電圧検出部によって検出される前記各燃料電池の出力電圧における相互間の差が減少するように、前記燃料供給部による前記各燃料電池への燃料供給量をそれぞれ調節すること
を特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
Ｒａ＝Ｒｂ＋α×（Ｐｔ−Ｐｓ）  ・・・（１）
但し、
Ｒａ：新たに設定する総燃量供給量
Ｒｂ：現状の総燃量供給量
α  ：前記燃料電池スタックにおける単位量の燃料によって発電される電力を示す定数
Ｐｔ：前記目標電力
Ｐｓ：前記燃料電池スタックの発電電力
【請求項６】
前記燃料供給制御部は、
前記燃料電池スタックの発電電力として、予め設定された第１設定時間内における平均値を用いること
を特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料ストイキオ制御部は、前記燃料ストイキオ検出部によって検出された燃料ストイキオが前記目標燃料ストイキオより大きい場合、前記設定電圧を低下させ、前記燃料ストイキオ検出部によって検出された燃料ストイキオが前記目標燃料ストイキオより小さい場合、前記設定電圧を増大させること
を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池スタックから流出する電流を検出する電流検出部をさらに備え、
前記燃料ストイキオ検出部は、
前記燃料電池スタックの燃料ストイキオＳを、前記電流検出部によって検出された電流Ｉ（Ａ）と下記の式（２）とに基づいて算出すること
を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
燃料ストイキオＳ＝｛ｎ×Ｍ×Ｒ×Ｆ／（６０×１０３）｝／Ｉ  ・・・（２）
但し、
ｎ：燃料酸化反応に関与する電子数
Ｍ：燃料の濃度（ｍｏｌ／Ｌ）
Ｒ：各燃料電池のセルに供給する燃料流量の平均値（ｃｃ／ｍｉｎ）
Ｆ：ファラディ定数（＝９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）
【請求項９】
前記燃料ストイキオ検出部は、
前記電流量Ｉとして、前記電流検出部により検出された電流量の予め設定された第２設定時間内における平均値を用いること
を特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記目標燃料ストイキオが、1/η＋Ｅとして設定され、前記Ｅが０．０１〜０．２の範囲であり、
但し、
Ｅ：前記各燃料電池の電極からの排出燃料量に応じた電流に対する化学量論数
η：前記燃料電池スタックで消費される燃料量に対する、発電に寄与する燃料の比率である燃料利用率
であること
を特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記目標燃料ストイキオが、１．０１〜１．６の範囲であること
を特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器などの電源として好適な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器等の電源として、長時間連続して電力を供給することができる燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、一般に電解質層を間に挟んで両側に燃料極と空気極とを配置して構成される。そして、燃料電池システムでは、燃料極に水素が送給され、空気極に酸素が送給されることによって電気化学的反応が起こり直流電流を発生する。この電流を発生させる最小単位である燃料電池の起電圧は小さいので、燃料電池を電源とする機器が要求する電圧を得るためには複数の燃料電池を直列接続する必要がある。複数の燃料電池を積層、すなわち直列接続して燃料電池スタックを構成することにより、燃料電池スタックの出力電圧を増大させつつ大きな電力を発電することができる。
【０００３】
また、燃料電池システムから取り出すことができる電流を増大させるためには、電極の反応面積を拡大すればよい。しかしながら、電極の反応面積を拡大すれば燃料電池システムが大型化してしまうので、小型化が要求される携帯型の電子機器などに用いられる燃料電池システムでは、電極の反応面積を拡大することができない。そのため、限られた反応面積の範囲内で反応を活発且つ多量に起こさせるために、負荷機器が必要とする目標発電電力に応じて各燃料電池に燃料を円滑に送給するなどの運転制御が求められている。
【０００４】
そこで、このような運転制御を行う技術として、燃料電池システムの発電電力を二次電池に蓄積しながら負荷に電力を供給し、燃料電池からのフィードバックを用いて、燃料電池からＤＣ／ＤＣコンバータへ入力される入力電圧や入力電流を調節する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
ところで、上述のように、複数の燃料電池を直列接続した場合、各燃料電池への燃料供給量が同一になっていると、各燃料電池の特性バラツキにより、各燃料電池の出力電圧にバラツキが生じるおそれがある。そして、燃料電池が直列接続された燃料電池スタックでは、直列接続の燃料電池は全て出力電流が同じになる。そうすると、燃料ストイキオ（＝供給燃料流量／発電に寄与する燃料流量）が低く、出力電圧の低い燃料電池では、電流が大きすぎると、他のセルより電圧の低いセルの端子電圧が、燃料電池スタック全体の出力電圧と逆極性、すなわちマイナスになってしまう。これが、燃料電池の転極である。このような転極が生じると、燃料電池の特性劣化を招くという不都合がある。
【０００６】
そこで、複数の燃料電池を直列に接続した場合、燃料、または空気の供給量を燃料電池毎に個別に制御することで、各燃料電池の出力電圧バラツキを低減する方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
また、燃料ストイキオ（＝供給燃料流量／発電に寄与する燃料流量）を一定に保つと、発電電流に対する、燃料供給量の余裕度（マージン）が一定になる。そうすると、燃料ストイキオを適切な値で一定にコントロールすることで、出力電力を安定化することができる。また、燃料電池の発電部の性能として、出力電力と並んで重要な性能指標として発電効率が挙げられる。発電効率は、電圧効率と燃料利用率の積で表される。電圧効率は、（燃料電池の発電電圧／理論電圧）で表され、ダイレクトメタノール形燃料電池の場合は、理論電圧が１．２１Ｖとなる。一方、燃料利用率は、（発電に寄与した燃料量／消費された燃料量）で表される。
【０００８】
そして、ダイレクトメタノール形燃料電池を始めとした水溶性燃料およびその水溶液を電極へ供給するタイプの燃料電池の場合は、燃料（例えばメタノール）がアノード極とカソード極を隔離するべき電解質膜を透過し、発電エネルギーを発生することなく消費される、いわいるメタノールクロスオーバーの問題がある。そのため、一般的な燃料利用率は７０〜８０％の範囲に留まっている。出力電力および発電効率を最大にするために、最適な燃料ストイキオを選択して、燃料電池を運転する必要がある。
【０００９】
従って、燃料供給と発電の安定性の観点から、燃料ストイキオが一定になるように制御しながら燃料電池システムを運転し、発電することが望ましい。そのため、一定濃度の燃料を一定量、各燃料電池セルに供給し、定電流発電する方法が一般的である。例えば、特許文献１には、燃料電池を定電流または、定電圧で発電させて、発電の動作点を制御し、その発電電力を二次電池に充電する方法が述べられている。
【特許文献１】特表２００６−５０１７９８号公報
【特許文献２】特開２００６−７３３７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載の技術を用いて、複数の燃料電池を直列に接続した燃料電池スタックを定電流で発電させた場合、各燃料電池の発電電流は同じであるが、燃料電池の特性のバラツキにより、各燃料電池の出力電圧にバラツキが生じる。特に、燃料の利用効率を高めるために燃料ストイキオを小さくするほど、各燃料電池間の出力電圧にバラツキが生じやすくなることが知られている。また、ある燃料電池のカソード極でフラッディング（水つまり）などが生じた場合、燃料電池の出力電圧が突然低下して転極を招き、その燃料電池を劣化させる可能性が高い。
【００１１】
一方、特許文献２に記載の技術のように、各セルに供給する燃料の流量を各燃料電池の出力電圧に応じて変化させることで各燃料電池間の出力電圧のバラツキを低減しようとすると、燃料の供給量を一定に保つことができず、燃料供給量の変動に伴い燃料ストイキオが変動してしまうので、燃料ストイキオを一定に制御することは困難である。
【００１２】
このように、特許文献１、及び特許文献２に記載の技術では、複数の燃料電池が直列接続された燃料電池スタックにおける各燃料電池間の出力電圧のバラツキ低減と、燃料ストイキオを一定に保って発電を行うこととを両立させることが困難であるという不都合があった。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、複数の燃料電池が直列接続された燃料電池スタックにおいて、各燃料電池間の出力電圧のバラツキを低減しつつ、燃料ストイキオを一定に制御しながら発電できる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】
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムは、複数の燃料電池が直列に接続された燃料電池スタックと、前記各燃料電池にそれぞれ燃料を供給する燃料供給部と、前記燃料電池スタックの出力電圧が、所定の設定電圧になるように、前記燃料電池スタックから流出する電流を調節する電流調節部と、前記各燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出される前記各燃料電池の出力電圧における相互間の差が減少するように、前記燃料供給部による前記各燃料電池への燃料供給量をそれぞれ調節する燃料供給制御部と、前記燃料電池スタックの燃料ストイキオを検出する燃料ストイキオ検出部と、前記燃料ストイキオ検出部によって検出される燃料ストイキオが、予め設定された目標燃料ストイキオになるように、前記設定電圧を調節する燃料ストイキオ制御部とを備える。
【００１５】
この構成によれば、燃料供給制御部によって、電圧検出部で検出される各燃料電池の出力電圧における相互間の差が減少するように、燃料供給部による各燃料電池への燃料供給量がそれぞれ調節されるので、各燃料電池間の出力電圧のバラツキが低減される。また、燃料ストイキオ制御部によって、燃料ストイキオ検出部で検出される燃料ストイキオが、予め設定された目標燃料ストイキオになるように設定電圧が調節される。そして、電流調節部によって、燃料電池スタックの出力電圧が燃料ストイキオ制御部により設定された設定電圧になるように、燃料電池スタックから流出する電流が調節される。燃料電池スタックの燃料ストイキオは、出力電圧に応じて変化するので、燃料電池スタックの出力電圧が前記設定電圧になることにより、燃料電池スタックの燃料ストイキオが一定の目標燃料ストイキオになる結果、燃料ストイキオが一定に制御される。この場合、背景技術に係る技術のように、燃料電池を定電流または定電圧で発電させることで燃料ストイキオを一定に維持するものとは異なり、設定電圧を変化させ、すなわち燃料電池スタックの出力電流と出力電圧とを変化させることによって、燃料ストイキオを目標燃料ストイキオに一致させて一定に制御するので、燃料電池スタックにおける各燃料電池間の出力電圧のバラツキ低減と、燃料ストイキオを一定に保って発電を行うこととを両立させることが容易となる。
【００１６】
また、前記燃料供給制御部は、前記燃料電池スタックの発電電力が所定の目標電力に満たない場合、前記燃料供給部により前記燃料電池スタックへ供給される燃料の総量である総燃量供給量を増大させると共に前記燃料電池スタックの発電電力が前記目標電力より大きい場合、前記燃料供給部により前記燃料電池スタックへ供給される総燃量供給量を減少させ、かつ前記電圧検出部によって検出される前記各燃料電池の出力電圧における相互間の差が減少するように、前記燃料供給部による前記各燃料電池への燃料供給量をそれぞれ調節することが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、燃料供給制御部によって、燃料電池スタックの発電電力が所定の目標電力に満たない場合、燃料供給制御部によって、燃料供給部から燃料電池スタックへ供給される総燃量供給量が増大されることにより発電電力が増大されて目標電力に近づけられる。また、燃料電池スタックの発電電力が目標電力より大きい場合、燃料供給制御部によって、燃料供給部から燃料電池スタックへ供給される総燃量供給量が減少されることにより発電電力が減少されて目標電力に近づけられる。その結果、燃料電池スタックから目標電力が得られるように、総燃量供給量が調節される。そして、燃料供給制御部によって、目標電力が得られるようにされた総燃量供給量の燃料が各燃料電池に分配されて、各燃料電池の出力電圧における相互間の差が減少するように燃料供給部による各燃料電池への燃料供給量がそれぞれ調節される。これにより、燃料電池スタックにより目標電力が得られるように発電を行わせつつ、燃料電池スタックにおける各燃料電池間の出力電圧のバラツキを低減することができる。
【００１８】
また、前記燃料電池スタックの発電電力を蓄えると共に負荷に電力を供給する蓄電素子と、前記蓄電素子の残存容量を検出する残存容量検出部と、前記残存容量検出部によって検出された前記蓄電素子の残存容量が予め設定された基準容量に満たない場合、前記目標電力を増大させ、前記残存容量検出部によって検出された前記蓄電素子の残存容量が前記基準容量を超える場合、前記目標電力を減少させる目標電力設定部とをさらに備えることが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、残存容量検出部によって検出された蓄電素子の残存容量が基準容量に満たない場合、目標電力設定部によって目標電力が増大される。そうすると、燃料供給制御部によって、燃料総供給量が増大されて発電電力が増大され、蓄電素子の残存容量が基準容量に近づけられる。また、残存容量検出部によって検出された蓄電素子の残存容量が基準容量を超える場合、目標電力設定部によって目標電力が減少される。そうすると、燃料供給制御部によって、燃料総供給量が減少されて発電電力が減少され、蓄電素子の残存容量が基準容量に近づけられる。これにより、蓄電素子の残存容量が基準容量に近づけられて保たれる。そうすると、基準容量を、蓄電素子が電力の充放電可能なレベルに設定することで、負荷の消費電力が燃料電池スタックの発電電力を超えるときは、不足する電力を蓄電素子から供給し、負荷の消費電力が燃料電池スタックの発電電力に満たないときは、余剰電力を蓄電素子が蓄電することで、負荷の消費電力の変動を吸収することができる。
【００２０】
また、前記目標電力設定部は、前記残存容量検出部によって検出された前記蓄電素子の残存容量が前記基準容量に満たない場合、前記目標電力を前記負荷の消費電力より増大させ、前記残存容量検出部によって検出された前記蓄電素子の残存容量が前記基準容量を超える場合、前記目標電力を前記負荷の消費電力より減少させることが好ましい。
【００２１】
この場合、残存容量検出部によって検出された蓄電素子の残存容量が基準容量に満たない場合、目標電力設定部によって目標電力が負荷の消費電力より増大される。そうすると、燃料電池スタックの発電電力が負荷の消費電力を上回って余剰電力が生じるから、余剰電力で蓄電素子が充電される確実性が増大され、より確実に蓄電素子の残存容量が基準容量に近づけられる。また、残存容量検出部によって検出された蓄電素子の残存容量が基準容量を超える場合、目標電力設定部によって目標電力が負荷の消費電力より減少される。そうすると、燃料電池スタックの発電電力が負荷の消費電力を下回って電力が不足するから、蓄電素子が放電される確実性が増大され、より確実に蓄電素子の残存容量が基準容量に近づけられる。
【００２２】
また、前記燃料供給制御部は、下記の式（１）に基づいて前記総燃量供給量を更新しつつ、前記電圧検出部によって検出される前記各燃料電池の出力電圧における相互間の差が減少するように、前記燃料供給部による前記各燃料電池への燃料供給量をそれぞれ調節することが好ましい。
【００２３】
Ｒａ＝Ｒｂ＋α×（Ｐｔ−Ｐｓ）  ・・・（１）
但し、
Ｒａ：新たに設定する総燃量供給量
Ｒｂ：現状の総燃量供給量
α  ：前記燃料電池スタックにおける単位量の燃料によって発電される電力を示す定数
Ｐｔ：前記目標電力
Ｐｓ：前記燃料電池スタックの発電電力
この構成によれば、式（１）に基づいて、燃料電池スタックの発電電力が目標電力に満たない場合、新たな総燃量供給量が増大される。また、燃料電池スタックの発電電力が目標電力より大きい場合、新たな総燃量供給量を減少されることにより発電電力が減少される。
【００２４】
また、前記燃料供給制御部は、前記燃料電池スタックの発電電力として、予め設定された第１設定時間内における平均値を用いることが好ましい。
【００２５】
この構成によれば、発電電力の一時的な変化により、過度に総燃量供給量を変化させてしまうおそれが低減される。
【００２６】
また、前記燃料ストイキオ制御部は、前記燃料ストイキオ検出部によって検出された燃料ストイキオが前記目標燃料ストイキオより大きい場合、前記設定電圧を低下させ、前記燃料ストイキオ検出部によって検出された燃料ストイキオが前記目標燃料ストイキオより小さい場合、前記設定電圧を増大させることが好ましい。
【００２７】
この構成によれば、燃料ストイキオ検出部によって検出された燃料ストイキオが目標燃料ストイキオより大きい場合、燃料ストイキオ制御部によって設定電圧が低下される結果、電流調節部によって燃料電池スタックから流出する電流が調節されることで燃料電池スタックの出力電圧が低下される。そうすると、燃料電池スタックの燃料ストイキオが減少して目標燃料ストイキオに近づけられる。また、燃料ストイキオ検出部によって検出された燃料ストイキオが目標燃料ストイキオより小さい場合、燃料ストイキオ制御部によって設定電圧が増大される結果、電流調節部によって燃料電池スタックから流出する電流が調節されることで燃料電池スタックの出力電圧が増大される。そうすると、燃料電池スタックの燃料ストイキオが増大して目標燃料ストイキオに近づけられる。
【００２８】
また、前記燃料電池スタックから流出する電流を検出する電流検出部をさらに備え、前記燃料ストイキオ検出部は、前記燃料電池スタックの燃料ストイキオＳを、前記電流検出部によって検出された電流Ｉ（Ａ）と下記の式（２）とに基づいて算出することが好ましい。
【００２９】
燃料ストイキオＳ＝｛ｎ×Ｍ×Ｒ×Ｆ／（６０×１０３）｝／Ｉ  ・・・（２）
但し、
ｎ：燃料酸化反応に関与する電子数
Ｍ：燃料の濃度（ｍｏｌ／Ｌ）
Ｒ：各燃料電池のセルに供給する燃料流量の平均値（ｃｃ／ｍｉｎ）
Ｆ：ファラディ定数（＝９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）
この構成によれば、燃料ストイキオ検出部は、燃料電池スタックの燃料ストイキオＳを、電流検出部によって検出された電流Ｉ（Ａ）と式（２）とに基づいて算出することができるので、燃料電池スタックへの燃料供給量を発電に寄与する燃料流量で除した値である燃料ストイキオを、実際に発電に寄与する燃料流量を測定して算出する場合に比べて、燃料ストイキオの算出が容易である。
【００３０】
また、前記燃料ストイキオ検出部は、前記電流量Ｉとして、前記電流検出部により検出された電流量の予め設定された第２設定時間内における平均値を用いることが好ましい。
【００３１】
この構成によれば、燃料電池スタックから流出する電流の一時的な変化により、過度に燃料ストイキオを変化させてしまうおそれが低減される。
【００３２】
また、前記目標燃料ストイキオが、1/η＋Ｅとして設定され、前記Ｅが０．０１〜０．２の範囲であり、但し、
Ｅ：前記各燃料電池の電極からの排出燃料量に応じた電流に対する化学量論数
η：前記燃料電池スタックで消費される燃料量に対する、発電に寄与する燃料の比率である燃料利用率
であることが好ましい。
【００３３】
本発明者らは、この構成によれば、良好な発電効率が得られることを見出した。
【００３４】
また、前記目標燃料ストイキオが、１．０１〜１．６の範囲であることが好ましい。
【００３５】
この構成によれば、上記Ｅを０．０１〜０．２の範囲にして、発電効率を向上させることが容易である。
【発明の効果】
【００３６】
このような構成の燃料電池システムは、燃料供給制御部によって、電圧検出部で検出される各燃料電池の出力電圧における相互間の差が減少するように、燃料供給部による各燃料電池への燃料供給量がそれぞれ調節されるので、各燃料電池間の出力電圧のバラツキが低減される。また、燃料ストイキオ制御部によって、燃料ストイキオ検出部で検出される燃料ストイキオが、予め設定された目標燃料ストイキオになるように設定電圧が調節される。そして、電流調節部によって、燃料電池スタックの出力電圧が燃料ストイキオ制御部により設定された設定電圧になるように、燃料電池スタックから流出する電流が調節される。燃料電池スタックの燃料ストイキオは、出力電圧に応じて変化するので、燃料電池スタックの出力電圧が前記設定電圧になることにより、燃料電池スタックの燃料ストイキオが一定の目標燃料ストイキオになる結果、燃料ストイキオが一定に制御される。この場合、背景技術に係る技術のように、燃料電池を定電流または定電圧で発電させることで燃料ストイキオを一定に維持するものとは異なり、設定電圧を変化させ、すなわち燃料電池スタックの出力電流と出力電圧とを変化させることによって、燃料ストイキオを目標燃料ストイキオに一致させて一定に制御するので、燃料電池スタックにおける各燃料電池間の出力電圧のバラツキ低減と、燃料ストイキオを一定に保って発電を行うこととを両立させることが容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
【００３８】
図１に示す燃料電池システム１は、ｎ個のセル（燃料電池）２−１，２−２，２−３，・・・，２−ｎが直列接続された燃料電池スタック３、燃料供給装置４（燃料供給部）、空気供給装置５、セル電圧検出部６（電圧検出部）、電流センサ７（電流検出部）、電圧コンバータ８（電流調節部）、二次電池９（蓄電素子）、及びＥＣＵ（Electric Control Unit）１０を備えて構成されている。以下、セル２−１，２−２，２−３，・・・，２−ｎについては、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００３９】
セル２としては、例えばアクティブ型ＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）や、パッシブ型ＤＭＦＣ、ＤＤＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  ＤＭＥ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）、ＲＭＦＣ（Ｒｅｆｏｒｍｅｄ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）等、種々の燃料電池を用いることができる。そして、燃料電池スタック３は、ｎ個のセル２が直列接続されて、構成されている。セル２の燃料としては、例えば水素やメタノール等が使用される。
【００４０】
セル２は、負荷電流が増大すると、出力電圧が低下する一方、負荷電流が減少すると、出力電圧が増大する。また、セル２は、燃料の供給量が一定のとき、発電時の出力電圧によって、燃料ストイキオ（＝供給燃料流量／発電に寄与する燃料流量）が変化する性質を有している。具体的には、所定の電圧範囲において、セル２の出力電圧が低いほど燃料ストイキオが増大し、セル２の出力電圧が高いほど燃料ストイキオが減少する性質を有している。従って、燃料電池スタック３は、出力電流Ｉｏｕｔ１が増大すると、出力電圧Ｖｏｕｔ１が低下する一方、出力電流Ｉｏｕｔ１が減少すると、出力電圧Ｖｏｕｔ１が増大する。また、燃料電池スタック３は、所定の電圧範囲において、出力電圧Ｖｏｕｔ１が低下すると燃料ストイキオが増大し、出力電圧Ｖｏｕｔ１が増大すると燃料ストイキオが減少する。
【００４１】
燃料供給装置４は、例えば燃料ポンプを用いて構成されている。そして、燃料供給装置４は、図略の燃料タンクに収容された燃料、例えばメタノールを、ＥＣＵ１０からの制御信号に応じて、セル２−１〜２−ｎのアノードにそれぞれ供給する。空気供給装置５は、例えば空気ポンプを用いて構成されている。そして、空気供給装置５は、ＥＣＵ１０からの制御信号に応じて、セル２−１〜２−ｎのカソードにそれぞれ空気を供給する。
【００４２】
セル電圧検出部６は、例えばアナログデジタルコンバータ等を用いて構成されている。そして、セル電圧検出部６は、セル２−１〜２−ｎの出力電圧をそれぞれ検出し、各電圧をデジタル値に変換してＥＣＵ１０へ出力する。電流センサ７は、例えばシャント抵抗やホール素子、及びアナログデジタルコンバータ等を用いて構成されている。そして、燃料電池スタック３、すなわちセル２−１〜２−ｎの直列回路から出力された電流を検出し、その電流値をデジタル値に変換してＥＣＵ１０へ出力する。
【００４３】
電圧コンバータ８は、例えばスイッチング電源回路を用いて構成されたＤＣ−ＤＣコンバータ回路である。そして、電圧コンバータ８は、例えばスイッチング回路のオン、オフデューティやオン、オフ周波数を変化させることにより、燃料電池スタック３から電圧コンバータ８に引き抜く（流入する）電流、すなわち出力電流Ｉｏｕｔ１を調節することで、燃料電池スタック３の出力電圧Ｖｏｕｔ１を、ＥＣＵ１０からの制御信号に応じた設定電圧Ｖｓになるように制御する。
【００４４】
なお、電圧コンバータ８は、ＥＣＵ１０から設定電圧Ｖｓを取得して、出力電圧Ｖｏｕｔ１が設定電圧Ｖｓになるように、出力電流Ｉｏｕｔ１を調節する例に限られない。例えば、ＥＣＵ１０が、セル電圧検出部６により取得された出力電圧Ｖｏｕｔ１を監視し、出力電圧Ｖｏｕｔ１が設定電圧Ｖｓより大きければ電圧コンバータ８により引き抜かれる電流を増大させて出力電圧Ｖｏｕｔ１を低下させ、出力電圧Ｖｏｕｔ１が設定電圧Ｖｓより小さければ電圧コンバータ８により引き抜かれる電流を減少させて出力電圧Ｖｏｕｔ１を増大させることで、燃料電池スタック３の出力電圧Ｖｏｕｔ１を設定電圧Ｖｓに調節するようにしてもよい。
【００４５】
また、電圧コンバータ８は、燃料電池スタック３の発電電力（＝Ｖｏｕｔ１×Ｉｏｕｔ１）を、二次電池９へ供給する。出力電圧Ｖｏｕｔ２は、例えば二次電池９の端子電圧によって定まる。（電圧コンバータ８自体は出力電圧を決めず、二次電池９によってＶｏｕｔ２が定まる。）そして、出力電圧Ｖｏｕｔ２によって、二次電池９の出力電圧が、外部に接続された負荷２０１へ供給されるようになっている。すなわち、負荷２０１は、二次電池９と並列接続され、二次電池９と負荷２０１との並列回路に、電圧コンバータ８の出力電圧Ｖｏｕｔ２が供給されるようになっている。これにより、燃料電池スタック３により発電された電力が、電圧コンバータ８によって二次電池９と負荷２０１とへ供給される。
【００４６】
二次電池９としては、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等、種々の二次電池を用いることができる。なお、二次電池９の代わりに、例えば電気二重層コンデンサ等の大容量キャパシタを、蓄電素子として用いてもよい。
【００４７】
ＥＣＵ１０は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、これらの周辺回路等とを備えて構成されている。そして、ＥＣＵ１０は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、目標電力設定部１００、燃料供給制御部１０１、燃料ストイキオ検出部１０２、燃料ストイキオ制御部１０３、及び残存容量検出部１０４として機能する。
【００４８】
目標電力設定部１００は、残存容量検出部１０４によって検出された二次電池９の残存容量が予め設定された基準容量に満たない場合、燃料電池スタック３に発電させる電力の目標値である目標電力Ｐｔを負荷２０１の消費電力より増大させ、残存容量検出部１０４によって検出された二次電池９の残存容量が当該基準容量を上回る場合、目標電力Ｐｔを負荷２０１の消費電力より減少させる。
【００４９】
燃料供給制御部１０１は、セル電圧検出部６によって検出されたセル２−１〜２−ｎの各出力電圧における相互間の差、すなわちセル２−１〜２−ｎの各出力電圧のバラツキが減少するように、燃料供給装置４によるセル２−１〜２−ｎへの燃料供給量をそれぞれ調節する。また、燃料供給制御部１０１は、セル２−１〜２−ｎへの燃料供給量に応じた量の空気を、空気供給装置５によって、セル２−１〜２−ｎへ供給させる。
【００５０】
そして、燃料供給制御部１０１は、例えば出力電圧Ｖｏｕｔ１と出力電流Ｉｏｕｔ１とを乗算することにより、燃料電池スタック３の発電電力Ｐｓを算出する。燃料供給制御部１０１は、例えばセル電圧検出部６によって検出されたセル２−１〜２−ｎの各出力電圧を合計することにより、出力電圧Ｖｏｕｔ１を算出してもよく、セル電圧検出部６が、出力電圧Ｖｏｕｔ１を検出するようにしてもよい。
【００５１】
さらに、燃料供給制御部１０１は、燃料電池スタック３の発電電力Ｐｓが、予め設定された目標電力Ｐｔに満たない場合、燃料供給装置４により燃料電池スタック３へ供給される燃料の総量である総燃料流量Ｒ（総燃量供給量）を増大させ、燃料電池スタック３の発電電力Ｐｓが目標電力Ｐｔより大きい場合、燃料供給装置４により総燃料流量Ｒを減少させる。この場合、燃料供給制御部１０１は、例えばセル２−１〜２−ｎへの燃料供給量を、燃料供給装置４によって均等に増減させることにより、総燃料流量Ｒを増減させるようになっている。
【００５２】
燃料ストイキオ検出部１０２は、燃料電池スタック３の燃料ストイキオを算出する。具体的には、燃料ストイキオ検出部１０２は、予め設定された第２設定時間、例えば１分間、電流センサ７によって検出された出力電流Ｉｏｕｔ１を平均することで、電流値Ｉを算出する。そして、燃料ストイキオ検出部１０２は、このようにして得られた電流値Ｉ（Ａ）に基づき、下記の式（２）を用いて燃料電池スタック３の燃料ストイキオＳを算出する。
【００５３】
燃料ストイキオＳ＝｛ｎ×Ｍ×Ｒ×Ｆ／（６０×１０３）｝／Ｉ  ・・・（２）
但し、
ｎ：燃料酸化反応に関与する電子数
Ｍ：燃料の濃度（ｍｏｌ／Ｌ）
Ｒ：セル２にそれぞれ供給される燃料の平均値（ｃｃ／ｍｉｎ）
Ｆ：ファラディ定数（＝９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）
ここで、｛ｎ×Ｍ×Ｒ×Ｆ／（６０×１０３）｝は、燃料電池スタック３へ供給された燃料量を、それが仮に全て発電に寄与した場合に発生する電流に換算した場合の電流換算値Ｉｔを示しており、燃料ストイキオＳは、燃料供給量の電流換算値Ｉｔを電流値Ｉで除算することにより得られる。そして、以下の式（３）の関係が成立する。
【００５４】
燃料供給量の電流換算値Ｉｔ＝ｎ×Ｍ×Ｒ×Ｆ／（６０×１０３）  （Ａ）・・・（３）
たとえば、燃料がメタノールである場合を考えると、セル２のアノードでの反応式は、下記の式（４）で表される。
【００５５】
アノードでの反応式
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋６Ｈ＋  ＋６ｅ−  ・・・（４）
従って、1分子のメタノールから６個の電子が放出されることから、電子数ｎ＝６となる。
【００５６】
燃料ストイキオ制御部１０３は、燃料ストイキオ検出部１０２により算出される燃料ストイキオＳが、予め設定された目標燃料ストイキオＳｔになるように、電圧コンバータ８の設定電圧Ｖｓを調節する。目標燃料ストイキオＳｔは、燃料流量によらず、発電電力が最も大きくなる、１．４付近に設定されている。このような目標燃料ストイキオＳｔは、例えば実験的に求められる。
【００５７】
本発明者らは、目標燃料ストイキオＳｔの最適値を検討した。上述の特許文献２（特開２００６−７３３７９号公報）の図３に示されているように、単調増加領域内では、燃料供給量が増加すると、燃料電池の発電電力が増加する。これは、発電電流一定のまま燃料流量を増加させると、電極反応の濃度過電圧が漸次低下して発電電圧が増加するためである。
【００５８】
ここで、「燃料ストイキオ＝供給燃料流量／発電に寄与する燃料流量」であるから、燃料流量を増加させることは、燃料ストイキオを増大させることを意味する。従って、燃料ストイキオを増加させると、発電電圧が増大し、出力電力が増加することがわかる。
【００５９】
また、もうひとつの発電性能要素である発電効率を向上させることは、燃料の実質エネルギー密度を向上させるために重要である。そこで、本発明者らは、燃料ストイキオと発電効率の関係について調査した。発電効率は、電圧効率と燃料利用率の積であり、上述のように電圧効率は、燃料ストイキオの増加に伴い増加する。電圧効率は、ダイレクトメタノール形燃料電池の理論電圧１．２１Ｖと発電電圧との比で表される。従って、上述の特許文献２（特開２００６−７３３７９号公報）の図３に示される単調増加領域内であれば、燃料ストイキオの増加に伴い発電効率は増加する。
【００６０】
一方、燃料ストイキオを増加させるに従い、メタノールクロスオーバー量は単調に増加する。ここで、燃料利用率は、「発電に寄与した燃料量／消費した燃料量」であるから、燃料ストイキオを増加させるに従い、燃料利用率は単調減少する。そこで、本発明者らは、電圧効率と燃料利用率との積である発電効率を、燃料ストイキオの関数としてみたとき、燃料ストイキオ値が１．４であるときに、発電効率が最大値を示すことを見出した。
【００６１】
このとき、燃料利用率は７６％であった。燃料電池スタック３の出力電流をＩ、メタノールクロスオーバーとしてロスした燃料量が、もし仮に発電に用いられたとすれば得られたはずの電流値である電流換算値をＩxとすると、燃料利用率η＝Ｉ／（Ｉ＋Ｉｘ）で表される。このことから、燃料ストイキオ値が１．４の場合の燃料利用率ηの内訳を考えると、Ｉの値を１．０とするとＩxは０．２５となり、供給した燃料量１．４のうち、１．４−１．０−０．２５＝０．１５が発電にもクロスオーバーにも関与せずに、電極から排出されることになる。
【００６２】
本発明者らは鋭意調査の結果、この発電にもクロスオーバーにも関与せずに電極から排出される燃料の排出量が適切な範囲であることが、高出力と高効率を両立させるための条件であることを見出した。この発電にもクロスオーバーにも関与せずに電極から排出される燃料量がもし仮に反応したとした場合に得られるはずの電流を示す電流換算値をＩＥ、発電電流ＩとＩＥとの比すなわち（ＩＥ／Ｉ）をＥとすると、電極に供給される燃料量がもし仮に反応したとした場合に得られるはずの電流を示す電流換算値ＩＦは、以下の式（５）で表される。ここで、Ｅは、各燃料電池の電極からの排出燃料量に応じた電流に対する化学量論数を表し、発電電流Ｉに対する、各電極から反応せずに排出される燃料の電流換算値ＩＥの比率を示している。
【００６３】
ＩＦ＝Ｉ＋Ｉｘ＋ＩＥ  ・・・（５）
そうすると、燃料ストイキオＳは、以下の式（６）で表される。
【００６４】
Ｓ＝ＩＦ／Ｉ＝（Ｉ＋Ｉｘ＋ＩＥ）／Ｉ＝（１／η）＋Ｅ  ・・・（６）
そして、本発明者らは、発電効率を最大化させるための目標燃料ストイキオＳｔは、式（６）におけるＥが、０．０１〜０．２の範囲にあることを見出した。
【００６５】
図７にＥと発電効率の関係を示す。図７において、横軸は、上記式（６）における「Ｅ」を示し、縦軸は、ある所定の発電効率を基準にした比率によって発電効率を表す発電効率比を示している。また、グラフＧ１は、燃料電池の電極の単位面積あたりに流れる電流密度が５０ｍＡ／ｃｍ２の場合を示し、グラフＧ２は、電流密度が１００ｍＡ／ｃｍ２の場合を示し、グラフＧ３は、電流密度が１５０ｍＡ／ｃｍ２の場合を示している。
【００６６】
グラフＧ１〜Ｇ３から、５０〜１５０ｍＡ／ｃｍ２のどの電流密度においても、Ｅが０．０１〜０．２の範囲にあるとき、発電効率比が１．２を超え、高い発電効率が得られることがわかる。
【００６７】
また、現存する燃料電池スタックの燃料利用率ηが少なくとも０．６であると考え、将来的に技術開発が進展しメタノールクロスオーバー量が極小化されれば、燃料利用率ηは限りなく１に近づくことを考慮すると、ηの取りうる範囲は０．６〜１．０の範囲にある。そのとき、式（６）から、目標燃料ストイキオＳｔは、１．０１〜１．６の範囲にあることが適切であるといえる。
【００６８】
残存容量検出部１０４は、二次電池９の残存容量を検出する。具体的には、例えば二次電池９としてリチウムイオン二次電池やキャパシタのように、残存容量の変化に対する出力電圧の変化が大きな蓄電素子を用いた場合には、残存容量検出部１０４は、二次電池９の出力電圧に基づいて、残存容量を検出するようにしてもよい。あるいは二次電池９の充放電電流を検出する電流センサを用いて、残存容量検出部１０４は、二次電池９の充放電電流を積算することで、二次電池９の残存容量を算出するようにしてもよい。
【００６９】
次に、上述のように構成された燃料電池システム１の動作について説明する。図２、図３、図４は、燃料電池システム１の動作の一例を示すフローチャートである。まず、残存容量検出部１０４によって、二次電池９の残存容量が検出される（ステップＳ１）。そして、目標電力設定部１００によって、残存容量検出部１０４により検出された二次電池９の残存容量と、予め設定された基準容量とが比較される（ステップＳ２）。基準容量は、例えば二次電池９の満充電容量に対する８０％程度の容量が設定されている。
【００７０】
ここで、負荷２０１の消費電力が、電圧コンバータ８から供給される電力すなわち燃料電池スタック３の発電電力より大きいときは、二次電池９が放電することにより、不足した電力が二次電池９から負荷２０１へ供給される。また、負荷２０１の消費電力が、電圧コンバータ８から供給される電力すなわち燃料電池スタック３の発電電力より小さいときは、その余剰電力によって二次電池９が充電される。このようにして、二次電池９は、負荷２０１の消費電力の変動を吸収するようになっている。
【００７１】
しかしながら、二次電池９の残存容量が少ないと、負荷２０１の消費電力が増大した場合に不足した電力を充分供給できないおそれがある。また、二次電池９の残存容量が多く、例えば満充電に近いと、負荷２０１の消費電力が減少して余剰電力が生じた場合に、その余剰電力で二次電池９が充電されると二次電池９が過充電されて劣化するおそれがある。そこで、二次電池９が、不足した電力の供給と、余剰電力の充電とが可能となる残存容量が、基準容量として予め設定されている。
【００７２】
そして、二次電池９の残存容量が基準容量に満たない場合（ステップＳ２で残存容量＜基準容量）、目標電力設定部１００によって、負荷消費電力に電力値Ｐｄが加算されて、目標電力Ｐｔが設定される（ステップＳ３）。また、二次電池９の残存容量が基準容量を超える場合（ステップＳ２で残存容量＞基準容量）、目標電力設定部１００によって、負荷消費電力から電力値Ｐｄが減算されて、目標電力Ｐｔが設定される（ステップＳ４）。そして、二次電池９の残存容量が基準容量と等しければ（ステップＳ２で残存容量＝基準容量）、目標電力設定部１００によって、負荷消費電力が目標電力Ｐｔとして設定される（ステップＳ５）。電力値Ｐｄは、二次電池９を充放電させるために適当な値が適宜設定されている。
【００７３】
負荷消費電力は、予め判っている負荷２０１の消費電力を用いるようにしてもよく、負荷２０１に供給される電圧、電流を測定し、その測定値から算出するようにしてもよい。
【００７４】
後述するように、燃料電池スタック３の発電電力は、目標電力Ｐｔになるように制御される。従って、ステップＳ１〜Ｓ５の処理によれば、二次電池９の残存容量が基準容量に満たなければ目標電力Ｐｔが増大され、燃料電池スタック３の発電量が負荷消費電力より増大されてその余剰電力で二次電池９が充電される。また、二次電池９の残存容量が基準容量を超えていれば目標電力Ｐｔが減少され、燃料電池スタック３の発電量が負荷消費電力より減少されて、不足した電力が二次電池９から放電される。その結果、二次電池９の残存容量が、負荷２０１の消費電力の変動を吸収するために適した基準容量にされる。
【００７５】
次に、ステップＳ６において、燃料供給制御部１０１によって、燃料供給装置４から燃料電池スタック３へ供給させる総燃料流量（総燃料供給量）Ｒと、燃料電池スタック３の出力電圧Ｖｏｕｔ１の目標値となる設定電圧Ｖｓとが設定される。設定電圧Ｖｓとしては、例えば初期値として予め設定された電圧が用いられる。
【００７６】
図５は、セル２一つあたりの燃料供給量Ｒｉと、セル２の最大出力電力との関係の一例を示すグラフである。図５に示すように、燃料供給量Ｒｉが、Ｒｉ＿ｍｉｎ〜Ｒｉ＿ｍａｘの区間は、燃料供給量Ｒｉと最大出力電力とが略比例する単調増加領域となっている。そこで、セル２への燃料供給量を、この単調増加領域で制御することにより、セル２の発電電力を調節することができる。また、図５に示すように、セル２の発電量は、温度が高いほど増大し、温度が低いほど減少する。
【００７７】
図６は、ｎ＝６、すなわち燃料電池スタック３が６個のセル２から構成されている場合における、単調増加領域での総燃料流量と出力電力の関係を示すグラフである。例えば、ＥＣＵ１０のＲＯＭに、図６に示すグラフがデータテーブルとして記憶されている。そして、ステップＳ６において、燃料供給制御部１０１は、例えば図６のグラフを示すデータテーブルを参照することで、目標電力設定部１００により設定された目標電力Ｐｔに対応する総燃料流量Ｒを取得する。
【００７８】
次に、燃料供給制御部１０１によって、セル電圧検出部６により検出されたセル２−１〜２−ｎの出力電圧がそれぞれ確認される。そして、燃料供給制御部１０１によって、セル２−１〜２−ｎの出力電圧相互間の差を低減するように、総燃料流量Ｒがセル２−１〜２−ｎへ分配されて、セル２−１〜２−ｎに供給するべき燃料供給量Ｒｉが、それぞれ燃料供給装置４に設定される（ステップＳ７）。
【００７９】
具体的には、燃料供給装置４によって、燃料供給制御部１０１により設定された燃料供給量Ｒｉに基づき、セル２−１〜２−ｎへの燃料供給が行われ、セル２−１〜２−ｎで発電された電圧が、セル電圧検出部６により検出される。そして、燃料供給制御部１０１によって、セル電圧検出部６により検出された電圧に基づいて、セル２−１〜２−ｎのうち、出力電圧が低いセルへの燃料供給量Ｒｉは増大され、出力電圧が高いセルへの燃料供給量Ｒｉは減少され、かつセル２−１〜２−ｎへの燃料供給量Ｒｉの合計が総燃料流量Ｒとなるように、燃料供給装置４によるセル２−１〜２−ｎへ燃料供給量Ｒｉが設定される。
【００８０】
これにより、セル２−１〜２−ｎ相互間の出力電圧のバラツキが低減され、セル２−１〜２−ｎの出力電圧が均等化される。
【００８１】
次に、燃料ストイキオ制御部１０３によって、変数ＣＯＵＮＴに「０」が代入されて初期化される（ステップＳ８）。次に、燃料ストイキオ制御部１０３によって、燃料電池スタック３の出力電圧Ｖｏｕｔ１を設定電圧Ｖｓにすべき旨の要求が行われる。そうすると、電圧コンバータ８によって、燃料電池スタック３の出力電圧Ｖｏｕｔ１が設定電圧Ｖｓとなるように、燃料電池スタック３から引き抜かれる電流（電圧コンバータ８へ流入する電流）、すなわち出力電流Ｉｏｕｔ１が調節される。そうすると、燃料電池スタック３の出力電圧Ｖｏｕｔ１が、設定電圧Ｖｓで一定に保たれる（ステップＳ９）。
【００８２】
具体的には、電圧コンバータ８は、例えば図略の電圧検出回路によって出力電圧Ｖｏｕｔ１を取得し、出力電圧Ｖｏｕｔ１が設定電圧Ｖｓより大きければ燃料電池スタック３から引き抜く電流を増大させて出力電圧Ｖｏｕｔ１を低下させ、出力電圧Ｖｏｕｔ１が設定電圧Ｖｓより小さければ燃料電池スタック３から引き抜く電流を減少させて出力電圧Ｖｏｕｔ１を増大させることで、燃料電池スタック３の出力電圧Ｖｏｕｔ１を設定電圧Ｖｓに調節する。
【００８３】
そして、電圧コンバータ８によって、燃料電池スタック３の電圧が出力電圧Ｖｏｕｔ２に昇圧されて、二次電池９及び負荷２０１へ供給される。
【００８４】
次に、燃料ストイキオ検出部１０２によって、電流センサ７によって検出された燃料電池スタック３の出力電流Ｉｏｕｔ１が、予め設定された第２設定時間、例えば１分間平均されて電流値Ｉが算出される（ステップＳ１０）。そして、燃料ストイキオ検出部１０２によって、燃料供給制御部１０１により設定された総燃料流量Ｒと、電流値Ｉとから、上述の式（２）に基づいて、燃料ストイキオＳが算出される（ステップＳ１１）。
【００８５】
この場合、電流値Ｉは、第２設定時間の平均値であるから、式（２）に基づいて算出される燃料ストイキオＳもまた、第２設定時間の平均値となる。また、第２設定時間は、例えばセル２が発電を開始してから動作が安定するまでの時間、セル２への燃料供給量Ｒｉが変化してからセル２の動作が安定するまでの時間、あるいは設定電圧Ｖｓが変化する等して電圧コンバータ８に流入する出力電流Ｉｏｕｔ１であるセル２の出力電流が変化してからセル２の動作が安定するまでの時間等、セル２の動作条件が変動してから動作が安定するまでの時間以上の時間が設定されている。これにより、セル２の動作条件が変動してから動作が安定するまでの過渡状態が燃料ストイキオＳに反映されるおそれが低減される。その結果、このような過渡的な燃料ストイキオＳが、燃料ストイキオ制御部１０３による燃料ストイキオＳの制御にフィードバックされて燃料ストイキオＳが振動してしまうおそれが低減される。
【００８６】
なお、必ずしも出力電流Ｉｏｕｔ１の平均値を電流値Ｉとして用いる例に限らない。出力電流Ｉｏｕｔ１をそのまま電流値Ｉとして用いてもよい。
【００８７】
次に、燃料ストイキオ制御部１０３によって、燃料ストイキオＳと目標燃料ストイキオＳｔとが比較される（ステップＳ１２）。そして、燃料ストイキオＳが目標燃料ストイキオＳｔより大きい場合（ステップＳ１２で「Ｓ＞Ｓｔ」）、燃料ストイキオ制御部１０３によって、電圧コンバータ８の設定電圧Ｖｓが低下され（ステップＳ１３）、ステップＳ１５へ移行する。そうすると、電圧コンバータ８によって、吸い込み電流、すなわち燃料電池スタック３の出力電流Ｉｏｕｔ１が増加されて、出力電圧Ｖｏｕｔ１が設定電圧Ｖｓになるように低下される。燃料電池スタック３は、出力電圧Ｖｏｕｔ１が低下すると、燃料ストイキオＳが減少する。その結果、燃料ストイキオＳが、目標燃料ストイキオＳｔに近づけられる。
【００８８】
また、燃料ストイキオＳが目標燃料ストイキオＳｔより小さい場合（ステップＳ１２で「Ｓ＜Ｓｔ」）、燃料ストイキオ制御部１０３によって、電圧コンバータ８の設定電圧Ｖｓが増大され（ステップＳ１４）、ステップＳ１５へ移行する。そうすると、電圧コンバータ８によって、吸い込み電流、すなわち燃料電池スタック３の出力電流Ｉｏｕｔ１が低下されて、出力電圧Ｖｏｕｔ１が設定電圧Ｖｓになるように増大される。燃料電池スタック３は、出力電圧Ｖｏｕｔ１が増大すると、燃料ストイキオＳが増大する。その結果、燃料ストイキオＳが、目標燃料ストイキオＳｔに近づけられる。
【００８９】
そして、燃料ストイキオＳが目標燃料ストイキオＳｔと等しい場合（ステップＳ１２で「Ｓ＝Ｓｔ」）、燃料ストイキオ制御部１０３は電圧コンバータ８の設定電圧Ｖｓを変化させることなくステップＳ１５へ移行する。
【００９０】
ステップＳ１５において、燃料ストイキオ制御部１０３によって、変数ＣＯＵＮＴに「１」加算される。そして、燃料ストイキオ制御部１０３によって、予め設定された設定回数Ｎと、変数ＣＯＵＮＴとが比較され（ステップＳ１６）、変数ＣＯＵＮＴが設定回数Ｎに満たなければ（ステップＳ１６でＮＯ）、再びステップＳ９〜Ｓ１６が繰り返される。これにより、ステップＳ９〜Ｓ１６がＮ回繰り返されて、燃料ストイキオＳが目標燃料ストイキオＳｔと等しくなるように、収束される。設定回数Ｎは、電圧コンバータ８、燃料電池スタック３、燃料ストイキオ検出部１０２、及び燃料ストイキオ制御部１０３からなる制御ループの応答特性に応じて、燃料ストイキオＳを目標燃料ストイキオＳｔに収束させるために適した回数が、適宜設定される。
【００９１】
そして、変数ＣＯＵＮＴが設定回数Ｎに達すると、（ステップＳ１６でＹＥＳ）、ステップＳ１７へ移行する。
【００９２】
ステップＳ１７において、燃料供給制御部１０１によって、セル電圧検出部６により検出された出力電圧Ｖｏｕｔ１と電流センサ７により検出された出力電流Ｉｏｕｔ１とが乗算されて、燃料電池スタック３の発電電力Ｐｓ（瞬時値）が算出される。この場合、燃料供給制御部１０１は、このようにして得られた発電電力Ｐｓ（瞬時値）を、予め設定された第１設定時間の間、平均して発電電力Ｐｓ（平均値）として用いることが望ましい。第１設定時間としては、例えば上述の第２設定時間と同様の時間が設定される。これにより、セル２の動作条件が変動してから動作が安定するまでの過渡状態が、発電電力Ｐｓ（平均値）に反映されるおそれが低減される。その結果、このような過渡的な発電電力Ｐｓ（平均値）が、燃料供給制御部１０１による総燃料流量Ｒの制御にフィードバックされて総燃料流量Ｒが振動してしまうおそれが低減される。
【００９３】
次に、燃料供給制御部１０１によって、目標電力Ｐｔと発電電力Ｐｓ（平均値）とが比較される（ステップＳ１８）。そして、発電電力Ｐｓ（平均値）が目標電力Ｐｔに満たない場合（ステップＳ１８でＰｓ＜Ｐｔ）、燃料供給制御部１０１によって、総燃料流量Ｒが増大される（ステップＳ１９）。そして、燃料供給制御部１０１によって、ステップＳ７と同様に当該増大された総燃料流量Ｒが、セル２−１〜２−ｎの出力電圧相互間の差を低減するようにセル２−１〜２−ｎへ分配され、セル２−１〜２−ｎに供給するべき燃料供給量Ｒｉがそれぞれ燃料供給装置４に設定されて、再びステップＳ１〜Ｓ２０の処理が繰り返される。
【００９４】
一方、発電電力Ｐｓ（平均値）が目標電力Ｐｔを超える場合（ステップＳ１８でＰｓ＞Ｐｔ）、燃料供給制御部１０１によって、総燃料流量Ｒが減少される（ステップＳ２０）。そして、燃料供給制御部１０１によって、ステップＳ７と同様に当該減少された総燃料流量Ｒが、セル２−１〜２−ｎの出力電圧相互間の差を低減するようにセル２−１〜２−ｎへ分配され、セル２−１〜２−ｎに供給するべき燃料供給量Ｒｉがそれぞれ燃料供給装置４に設定されて、再びステップＳ１〜Ｓ２０の処理が繰り返される。
【００９５】
以上、ステップＳ７でセル２−１〜２−ｎの出力電圧のバラツキを低減しつつ、ステップＳ９〜Ｓ１６の処理により、燃料ストイキオＳを、目標燃料ストイキオＳｔに一致させて一定に制御しながら発電を行うことができる。さらに、ステップＳ１７〜Ｓ２０の処理により、燃料電池スタック３の発電電力Ｐｓが、ステップＳ１〜Ｓ４において設定された目標電力Ｐｔにされるので、燃料電池スタック３によって、負荷２０１で消費される電力を供給しつつ、二次電池９の充電レベルを上述の基準容量にさせることが可能となる。
【００９６】
この場合、背景技術に係る特許文献１に記載の技術のように、燃料電池を定電流または定電圧で発電させることで燃料ストイキオを一定に維持するものとは異なり、図１に示す燃料電池システム１では、図３のステップＳ９〜Ｓ１６で示すように、積極的に設定電圧Ｖｓを変化させ、すなわち電圧コンバータ８によって出力電流Ｉｏｕｔ１と出力電圧Ｖｏｕｔ１とを変化させることによって、燃料ストイキオＳを目標燃料ストイキオＳｔに一致させて一定に制御するので、燃料電池スタックにおける各燃料電池間の出力電圧のバラツキ低減と、燃料ストイキオを一定に保って発電を行うこととを両立させることが容易となる。
【００９７】
なお、ステップＳ７において、セル２−１〜２−ｎの各出力電圧のバラツキを、充分に低減することができない場合には、目標燃料ストイキオＳｔを増大させるようにしてもよい。目標燃料ストイキオＳｔを増大させることにより、セル２−１〜２−ｎの各出力電圧のバラツキを低減することが容易となる。
【００９８】
また、燃料供給制御部１０１は、ステップＳ１８〜Ｓ２０のように、条件分岐によって総燃料流量Ｒの増減を制御する例に限らない。例えば下記の式（１）に基づいて総燃料流量Ｒを設定するようにしてもよい。
【００９９】
Ｒａ＝Ｒｂ＋α×（Ｐｔ−Ｐｓ）  ・・・（１）
但し、
Ｒａ：新たに設定する総燃量供給量Ｒ
Ｒｂ：現状の総燃量供給量Ｒ
α  ：前記燃料電池スタックにおける単位量の燃料によって発電される電力を示す定数
Ｐｔ：前記目標電力
Ｐｓ：前記燃料電池スタックの発電電力Ｐｓ（平均値）
である。
【０１００】
ここで、定数αは、図６に示すグラフの傾きの逆数に相当している。式（１）に基づいて総燃料流量Ｒを設定すると、発電電力Ｐｓ（平均値）が目標電力Ｐｔに満たない場合（Ｐｓ＜Ｐｔ）、（Ｐｔ−Ｐｓ）は正の値となるので、燃料供給制御部１０１によって新たに設定される総燃量供給量Ｒ（Ｒａ）は、現状の総燃量供給量Ｒ（Ｒｂ）より増大する。一方、発電電力Ｐｓ（平均値）が目標電力Ｐｔを超える場合（Ｐｓ＞Ｐｔ）、（Ｐｔ−Ｐｓ）は負の値となるので、燃料供給制御部１０１によって新たに設定される総燃量供給量Ｒ（Ｒａ）は、現状の総燃量供給量Ｒ（Ｒｂ）より減少する。従って、ステップＳ１８〜Ｓ２０と同様の結果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、携帯型パーソナルコンピュータやデジタルカメラ、携帯電話機等の電子機器、電気自動車やハイブリッドカー等の車両、等の電池駆動機器、及びこのような電池駆動機器の電源として用いられる燃料電池システムとして好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図３】図１に示す燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】図１に示す燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】図１に示すセル一つあたりの燃料供給量と、セルの最大出力電力との関係の一例を示すグラフである。
【図６】図５に示すセル６個から構成された燃料電池スタックの単調増加領域での総燃料流量と出力電力の関係を示すグラフである。
【図７】燃料電池の電極からの排出燃料量に応じた電流に対する化学量論数Ｅと発電効率の関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０３】
１  燃料電池システム
２  セル
３  燃料電池スタック
４  燃料供給装置
５  空気供給装置
６  セル電圧検出部
７  電流センサ
８  電圧コンバータ
９  二次電池
１０  ＥＣＵ
１００  目標電力設定部
１０１  燃料供給制御部
１０２  燃料ストイキオ検出部
１０３  燃料ストイキオ制御部
１０４  残存容量検出部
２０１  負荷
Ｉ  電流値
Ｉｏｕｔ１  出力電流
Ｐｓ  発電電力
Ｐｔ  目標電力
Ｒ  総燃料流量
Ｒｉ  燃料供給量
Ｓ  燃料ストイキオ
Ｓｔ  目標燃料ストイキオ
Ｖｏｕｔ１  出力電圧
Ｖｓ  設定電圧
【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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