(57)【要約】【課題】膜電極接合体を構成するカソード触媒層やカソードガス拡散層の中に保持される水量を適切な範囲に維持することができ、長期間に亘って安定した出力を維持することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池システム１は、カソード導電層１９に加熱手段５０を有した燃料電池２を備えている。また、燃料電池２からの電力を出力する出力配線１００、１０１に、燃料電池２に流れる電流を遮断する電流遮断手段１０２を備え、出力配線１００、１０１間には、燃料電池セル１０で発生する電圧を検知する電圧検知手段１０３を備える。また、加熱手段５０、電流遮断手段１０２、電圧検知手段１０３と電気的に接続された制御手段１１０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、
前記空気極を加熱可能に設けられた加熱手段と、
前記加熱手段を制御する制御手段と
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】
前記空気極の温度を検知する温度検知手段をさらに具備し、
前記制御手段が、前記温度検知手段で検知された情報に基づいて前記加熱手段を制御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】
前記加熱手段が、前記膜電極接合体に流れる電流を遮断する電流遮断機構を備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記膜電極接合体に流れる電流を遮断または所定値以下の電流値に制御する電流制御手段と、
前記膜電極接合体で発生する電圧を検知する電圧検知手段と
をさらに具備し、
前記制御手段が、前記電流制御手段を制御し、前記膜電極接合体に流れる電流を遮断または所定値以下の電流値にし、前記電圧検知手段で検知された電圧値に基づいて、前記加熱手段を制御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５】
前記加熱手段が、外部からのエネルギによって発熱する発熱体であることを特徴とする請求項１、２および４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加熱手段を作動させる際、前記制御手段によって前記加熱手段を断続的に作動させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給手段を有する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体に流れる電流を遮断または所定値以下の電流値に制御する電流制御手段と、
前記膜電極接合体で発生する電圧を検知する電圧検知手段と、
前記電流制御手段を制御し、前記膜電極接合体に流れる電流を遮断または所定値以下の電流値にし、前記電圧検知手段で検知された電圧値に基づいて、前記燃料供給手段を制御して前記燃料極への燃料供給量を調整する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料供給手段がポンプであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料供給手段が燃料制御弁であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料がメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項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、液体燃料を用いた燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は、燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなる。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ）は、小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式や、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。
【０００４】
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えばアノード（燃料極）、電解質膜およびカソード（空気極）を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。燃料収容部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力の制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型ＤＭＦＣでは必ずしも十分な出力制御性は得られていない。
【０００５】
一方、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することが検討されている（例えば、特許文献２−４参照。）。燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。特許文献３には、燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給する燃料電池が記載され、特許文献４には、電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給する燃料電池が記載されている。
【０００６】
また、従来、燃料電池にヒータ等の加熱部を設けて、燃料電池の出力を調整することが行われている。例えば、燃料電池に燃料電池を加熱する加熱部を設け、例えば、電源が供給可能な電力である供給可能電力よりも要求電力が大きいときには、加熱部の加熱に使用される電力を制限する技術等が開示されている（例えば、特許文献５参照。）。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献３】特開２００６−０８５９５２号公報
【特許文献４】米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報
【特許文献５】特開２００６−１１４３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池を作動させて発電する際、発電反応の結果としてカソード触媒層で水が発生する。従来の燃料電池では、その水がカソード触媒層やカソードガス拡散層の中に必要以上に保持されることによって、カソード触媒層で反応に必要な酸素が十分に供給されないことがあった。また、水がカソード触媒層やカソードガス拡散層の中に必要以上に保持されることによって、膜電極接合体を構成する部材の少なくとも一部の劣化を早め、燃料電池の出力が低下する恐れがあった。また、ヒータ等の加熱部が設けられた従来の燃料電池では、これらのカソードにおける問題を解決できる構成ではなかった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、膜電極接合体を構成するカソード触媒層やカソードガス拡散層の中に保持される水量を適切な範囲に維持することができ、長期間に亘って安定した出力を維持することが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】
【０００９】
本発明の一態様によれば、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、前記空気極を加熱可能に設けられた加熱手段と、前記加熱手段を制御する制御手段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。
【００１０】
また、本発明の一態様によれば、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給手段を有する燃料供給機構と、前記膜電極接合体に流れる電流を遮断または所定値以下の電流値に制御する電流制御手段と、前記膜電極接合体で発生する電圧を検知する電圧検知手段と、前記電流制御手段を制御し、前記膜電極接合体に流れる電流を遮断または所定値以下の電流値にし、前記電圧検知手段で検知された電圧値に基づいて、前記燃料供給手段を制御して前記燃料極への燃料供給量を調整する制御手段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】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムによれば、膜電極接合体を構成するカソード触媒層やカソードガス拡散層の中に保持される水量を適切な範囲に維持することができ、長期間に亘って安定した出力を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池システム１の構成を示す断面図である。図２は、本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池においてポンプ８０を備えた場合の燃料電池システム１の構成を示す断面図である。
【００１４】
図１に示すように、燃料電池システム１は、起電部を構成する燃料電池セル１０と、この燃料電池セル１０のアノード（燃料極）側およびカソード（空気極）側にそれぞれ設けられたアノード導電層１８、カソード導電層１９と、このアノード導電層１８に対向させて設けられた複数の開口部３１を有する燃料分配層３０と、この燃料分配層３０の燃料電池セル１０側とは異なる側に配置され、燃料分配層３０に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構４０と、カソード導電層１９に積層された加熱手段５０と、この加熱手段５０に積層された保湿層６０と、この保湿層６０に積層された、複数の空気導入口６１を有する表面カバー６２とを有する燃料電池２を備える。また、カソード（空気極）１６のカソードガス拡散層１５の所定位置に、カソードガス拡散層１５の温度を計測する温度検知手段７０が設けられている。
【００１５】
また、燃料電池システム１は、アノード導電層１８、カソード導電層１９のそれぞれに接続された、燃料電池２からの電力を出力する出力配線１００、１０１を備える。また、出力配線１００には、燃料電池２に流れる電流を遮断する電流遮断手段１０２が設けられている。また、燃料電池２は、これらの出力配線１００、１０１を介して図示しない外部負荷に接続されている。さらに、燃料電池システム１は、出力配線１００、１０１間に設けられた、燃料電池セル１０で発生する電圧を検知する電圧検知手段１０３を備える。さらに、燃料電池システム１は、加熱手段５０、温度検知手段７０、電流遮断手段１０２、電圧検知手段１０３と電気的に接続された制御手段１１０を備える。なお、図中では、制御手段１１０と各手段とを電気的に接続する配線は省略している。
【００１６】
燃料電池セル１０は、いわゆる膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）であり、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性を有する電解質膜１７とから構成される。
【００１７】
アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１として、例えば、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４として、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｃｏ等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００１８】
電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。
【００１９】
アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。また、アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンシルク等の多孔性炭素質材、チタン、チタン合金、ステンレス、金などの金属材料からなる多孔質体またはメッシュなどで構成される。
【００２０】
アノードガス拡散層１２の表面に積層されたアノード導電層１８、およびカソードガス拡散層１５の表面に積層されたカソード導電層１９は、例えば、Ａｕのような導電金属材料からなるメッシュ、多孔質膜等で構成される。これらの中でも、アノード導電層１８やカソード導電層１９は、燃料電池セル１０に対応して開口された複数の開口部を有する薄膜で構成されることが好ましく、この開口部を介して、燃料電池セル１０に対向して設けられている燃料分配層３０の開口部３１からの燃料を燃料電池セル１０に導く。なお、アノード導電層１８およびカソード導電層１９は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。また、電解質膜１７とアノード導電層１８およびカソード導電層１９との間には、それぞれゴム製のＯリング２０が介在されており、これらによって燃料電池セル１０からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。なお、ここでは、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を備えた燃料電池２を示しているが、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を設けずに、上記したようにアノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５を拡散層として機能させるとともに、導電層として機能させてもよい。
【００２１】
加熱手段５０は、カソード導電層１９を介しての空気や燃料などの通過を可能とした状態で、カソード導電層１９の表面に接するように積層される。なお、加熱手段５０の設置位置は、この位置に限られるものではなく、例えば、カソードガス拡散層１５を直接的に加熱するように、例えばカソードガス拡散層１５内に埋設させても、カソードガス拡散層１５の表面に接するように設けられてもよい。すなわち、加熱手段５０は、カソード１６、特にカソードガス拡散層１５を、直接的または間接的に加熱可能に配設されていればよい。また、加熱手段５０は、制御手段１１０による制御によって、作動または停止、温度調整等がなされる。加熱手段５０は、電気ヒータ等で構成され、具体的には、例えば、ニクロム線、ラバーヒータ、セラミックヒータなどのように、電流が流れることによって発熱する素子で構成されることが好ましい。
【００２２】
温度検知手段７０は、例えば、カソードガス拡散層１５の表面や内部の所定位置に設けられ、カソードガス拡散層１５の温度を検知するものである。この温度検知手段７０は、例えば、最も温度が高くなる可能性のある、カソードガス拡散層１５の中心（例えば、カソードガス拡散層の外形が長方形であれば、その対角線の交点）またはその近傍のカソードガス拡散層１５の表面や内部に設置されることが好ましい。また、カソードガス拡散層１５の中心またはその近傍に対向するカソード導電層１９の表面や内部に温度検知手段７０を設置してもよい。なお、燃料電池２の外形や構成などによって、上記したカソードガス拡散層１５の中心以外に、温度が最も高くなる可能性のある位置が存在する場合には、その位置またはその近傍のカソードガス拡散層１５、またはカソードガス拡散層１５の中心またはその近傍に対向するカソード導電層１９の表面や内部に温度検知手段７０を設けるのが好ましい。なお、温度検知手段７０をカソードガス拡散層１５またはカソード導電層１９の内部に設ける場合には、例えば、貫通しない程度の孔や凹部を形成して、孔や凹部に温度検知手段７０を設置することが好ましい。
【００２３】
温度検知手段７０として、例えば、熱電対、抵抗式温度計、サーミスタ、ペルチエ素子、その他、温度によって電気的な信号を出力する素子等を用いることができる。また、温度検知手段７０からの出力は、制御手段１１０に入力される。
【００２４】
保湿層６０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸して、水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。この保湿層６０は、例えば、ポリエチレン多孔質膜等からなる平板で構成される。なお、保湿層６０を設けずに燃料電池２を構成してもよい。
【００２５】
表面カバー６２は、空気の取入れ量を調整するものであり、その調整は、空気導入口６１の個数や大きさ等を変更することで行われる。表面カバー６２は、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属で構成することができるが、これに限定されるものではない。
【００２６】
燃料供給機構４０は、燃料収容部４１と、燃料供給部４２と、流路４３とを主に備える。
【００２７】
燃料収容部４１には、燃料電池セル１０に対応した液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料Ｆは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Ｆは、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部４１には、燃料電池セル１０に応じた液体燃料が収容される。
【００２８】
燃料供給部４２は、配管等で構成される液体燃料Ｆの流路４３を介して燃料収容部４１と接続されている。燃料供給部４２には、燃料収容部４１から流路４３を介して液体燃料Ｆが導入され、導入された液体燃料Ｆおよび／またはこの液体燃料Ｆが気化した気化成分は、燃料分配層３０およびアノード導電層１８を介して燃料電池セル１０に供給される。流路４３は、燃料供給部４２や燃料収容部４１と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部４２や燃料収容部４１とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Ｆの流路であってもよい。すなわち、燃料供給部４２は、流路等を介して燃料収容部４１と連通されていればよい。
【００２９】
燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆは、重力を利用して流路４３を介して燃料供給部４２まで落下させて送液することができる。また、流路４３に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４２まで送液してもよい。さらに、図２に示すように、流路４３の一部に、燃料供給手段として機能するポンプ８０を介在させて、燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４２まで強制的に送液してもよい。
【００３０】
このポンプ８０は、燃料収容部４１から燃料供給部４２に液体燃料Ｆを単に送液する供給ポンプとして機能するものであり、燃料電池セル１０に供給された過剰な液体燃料Ｆを循環する循環ポンプとしての機能を備えるものではない。このポンプ８０を備えた燃料電池２は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは構成が異なり、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも構成が異なる、いわゆるセミパッシブ型と呼ばれる方式に該当する。なお、燃料供給手段として機能するポンプ８０の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料Ｆを制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。上記したようにポンプ８０を設ける場合、ポンプ８０は、制御手段１１０と電気的に接続され、制御手段１１０によって、燃料供給部４２に供給される液体燃料Fの供給量が制御される。
【００３１】
また、燃料供給部４２から燃料電池セル１０への燃料供給が行われる構成であればポンプ８０に代えて、燃料供給手段として燃料制御弁を配置する構成とすることも可能である。この燃料制御弁は、流路４３による液体燃料Fの供給を制御するために設けられるものである。また、燃料制御弁は、ポンプ８０と同様に、制御手段１１０と電気的に接続され、制御手段１１０によって燃料制御弁の開度等が調整され、燃料供給部４２に供給される液体燃料Fの供給量が制御される。
【００３２】
燃料分配層３０は、例えば、複数の開口部３１が形成された平板で構成され、アノードガス拡散層１２と燃料供給部４２との間に挟持される。この燃料分配層３０は、液体燃料Ｆの気化成分や液体燃料Ｆを透過させない材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリイミド系樹脂等で構成される。また、燃料分配層３０は、例えば、液体燃料Ｆの気化成分と液体燃料Ｆとを分離し、その気化成分を燃料電池セル１０側へ透過させる気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）など）微多孔膜などが用いられる。
【００３３】
電圧検知手段１０３は、燃料電池セル１０で発生する電圧を検知するもので、出力配線１００、１０１間に設けられている。電圧検知手段１０３として、例えば、電子回路を使用したデジタル電圧計などを用いることができる。また、電圧検知手段１０３からの出力は、制御手段１１０に入力される。
【００３４】
制御手段１１０は、例えば、演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）やランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、内蔵するタイマー、その他必要に応じて情報を保持し続ける半導体メモリ等の記憶手段から主に構成され、ＣＰＵでは、そのＲＯＭやＲＡＭ等の記憶手段に格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。また、制御手段１１０は、加熱手段５０、温度検知手段７０、電流遮断手段１０２、電圧検知手段１０３の各手段との信号の出入力等を制御する。
【００３５】
ここで、ＲＯＭやＲＡＭ等の記憶手段に格納されたプログラムには、後述する、カソード１６中に保持されている水量の適否を判定するプログラム等が含まれており、例えば、制御手段１１０は、そのプログラムに従ってカソード１６中に保持されている水量の適否の判定を実行する。
【００３６】
ここで、燃料電池システム１は、上記した構成に限られるものではなく、例えば、燃料電池２が複数の燃料電池セル１０を備え、それらの燃料電池セル１０が直列、並列あるいはそれらを組み合わせた構成で電気的に接続されている場合においても適用することができる。
【００３７】
図３Ａおよび図３Ｂには、複数の燃料電池セル１０が直列に接続された場合における燃料電池システム１の一例を模式的に示す図である。
【００３８】
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、複数の燃料電池セル１０のうち、少なくとも１つの燃料電池セル１０に対して、電流を遮断可能に電流遮断手段１０２を設けてもよい。この場合、図３Ａに示すように、通常は、複数の燃料電池セル１０が直列に接続され、各燃料電池セル１０の出力は外部負荷に供給される。そして、カソード１６中に保持されている水量の適否を判定する際に、図３Ｂに示すように、制御手段１１０が電流遮断手段１０２を制御して、１つの燃料電池セル１０に対して電流を遮断し、この燃料電池セル１０で発生する電圧を電圧検知手段１０３で検知する。制御手段１１０は、この燃料電池セル１０の電圧に基づいて、カソード１６中に保持されている水量の適否を判定し、各燃料電池セル１０の加熱手段５０を制御する。そして、上記判定後、制御手段１１０は、電流遮断手段１０２を制御して、図３Ａに示す、複数の燃料電池セル１０が直列に接続され配線状態に戻す。
【００３９】
このように、複数の燃料電池セル１０のうち、１つの燃料電池セル１０を用いて、カソード１６中に保持されている水量の適否を判定することで、他の燃料電池セル１０の出力は、外部負荷に供給される。これによって、カソード１６中に保持されている水量の適否を判定する際に、燃料電池システム１としての出力の減少を最小限に抑えることができる。
【００４０】
次に、上記した燃料電池２における作用について説明する。
【００４１】
燃料収容部４１から流路４３を介して燃料供給部４２に供給された液体燃料Ｆは、液体燃料のまま、もしくは液体燃料と液体燃料が気化した気化燃料が混在する状態で、燃料分配層３０およびアノード導電層１８を介して燃料電池セル１０のアノードガス拡散層１２に供給される。アノードガス拡散層１２に供給された燃料は、アノードガス拡散層１２で拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ+＋６ｅ-  …式（１）
【００４２】
なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、メタノールは、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水と上記した式（１）の内部改質反応によって改質されるか、または水を必要としない他の反応機構により改質される。
【００４３】
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード１６に導かれる。また、式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と次の式（２）に示す反応を生じ、この発電反応に伴って水が生成する。
（３／２）Ｏ２＋６ｅ-＋６Ｈ+  →  ３Ｈ２Ｏ  …式（２）
【００４４】
上記した内部改質反応が円滑に行なわれ、高出力で安定した出力を燃料電池２において得ることができる。
【００４５】
また、本発明に係る燃料電池システム１では、燃料電池２の面積１ｃｍ２当りに流れる電流を２０ｍＡ以下（遮断状態、すなわち電流値が０を含む）に設定した状態で、カソード１６を構成するカソード触媒層やカソードガス拡散層の中に保持されている水量の適否を判定する。そして、カソード１６に保持されている水量が多く、燃料電池２の出力を妨げると判定した場合には、カソード１６、特にカソードガス拡散層１５を加熱して、カソード１６に保持されている水を蒸発させることで、カソード１６中に保持される水の量を適切な範囲に維持している。
【００４６】
ここでは、燃料電池セル（膜電極接合体）の面積１ｃｍ２当りに流れる電流を２０ｍＡ以下に設定した状態で、カソード１６中に保持されている水量の適否を判定することが好適である理由について説明する。
【００４７】
カソード１６中に水が必要以上に保持されたことを判定する方法として、発明者らは、研究の結果、燃料電池セル１０に流れる電流を遮断、もしくは通常発電時よりも小さな電流値（面積１ｃｍ２当りに流れる電流を２０ｍＡ以下）に制御した場合に、燃料電池セル１０に発生する電圧を測定することにより、カソード１６中に保持されている水量の適否を簡便かつ確実に判定できることを見出した。
【００４８】
図４は、燃料電池セル（膜電極接合体）の面積１ｃｍ２当りに流れる電流と、その際に燃料電池セルで発生する電圧との関係を示した図である。図４には、（Ａ）カソード中に保持される水の量が最適な場合、（Ｂ）カソード中に保持される水の量は最適であるが、他の原因によって通常の発電時の電圧値において電流値が減少した場合、（Ｃ）カソード中に保持される水の量が過剰で不適な場合について、上記した電流と電圧の関係を示している。
【００４９】
図４に示すように、（Ｃ）の場合、すなわちカソード中に保持される水の量が過剰で不適な場合における電流に対する電圧の変化曲線は、（Ａ）の場合、すなわちカソード中に保持される水の量が最適な場合における電流に対する電圧の変化曲線を、電圧が減少する方向に平行移動した状態に近い形状を示している。また、（Ｃ）の場合には、（Ａ）の場合よりも、通常発電時の電圧値（通常発電時には電圧が一定になるように制御されている場合）における電流値は減少する。しかしながら、（Ｃ）の場合には、（Ｂ）の場合、すなわちカソード中に保持される水の量は最適であるが、他の原因によって通常の発電時の電圧値において電流値が減少した場合と、通常発電時の電圧値における電流値が同程度となるため、この通常の発電時の電圧値における電流値から、（Ｂ）の場合であるか、（Ｃ）の場合であるかを判定することはできない。
【００５０】
これに対して、電流を遮断あるいは２０ｍＡ以下の条件では、（Ｂ）の場合における電圧値と、（Ｃ）の場合における電圧値との差が大きくなる。そこで、この電流を遮断あるいは２０ｍＡ以下としたときの、（Ｃ）の場合における電圧値を境界値とし、この境界値よりも電圧値が小さくなる場合には、カソード中に保持される水の量が過剰で不適であると判定することができる。
【００５１】
なお、カソード中に保持されている水量の適否を判定することがさらに好ましい燃料電池セル（膜電極接合体）の面積１ｃｍ２当りに流れる電流は、（Ｂ）の場合における電圧値と（Ｃ）の場合における電圧値との差がさらに大きくなる１０ｍＡ以下である。
【００５２】
また、電流を遮断あるいは２０ｍＡ以下の条件に設定した直後は、燃料電池セルで発生する電圧は上昇し、その後徐々に減少して所定値となる。したがって、電流の制御後すぐに所定の電圧値とはならないので、電圧値の評価は、電流の制御後所定の時間をおいてすることが好ましい。一方、電流を遮断あるいは２０ｍＡ以下の条件に制御している間は、燃料電池の出力の値が「０」もしくは通常発電時よりも小さな値となるため、燃料電池を他の機器の電源として用いる場合には、電流を制御する時間は短いほど好ましい。そこで、電圧値がほぼ安定し、かつ電源としての機能の低下を最小限とすることを考慮して、電圧値の評価は、電流の制御後、１秒以上１０分以下の範囲で行うことが好ましい。さらに好ましいのは、１分以上５分以下である。
【００５３】
次に、燃料電池システム１の動作について、図５を参照して説明する。
【００５４】
図５は、燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。
まず、制御手段１１０は、例えば、燃料電池システム１の作動に基づいて、内蔵するタイマーの現時刻ｔ１を「０」とし、その後の経過時間をカウントする（ステップＳ２１０）。
【００５５】
続いて、制御手段１１０は、タイマーにおける現時刻ｔ１と、例えばＲＯＭやＲＡＭ等の記憶手段に格納され、予め設定された時間ｔ２とを比較する（ステップＳ２１１）。ここで、予め設定された時間ｔ２は、運転開始から、カソード１６中に保持されている水量の適否の判定を開始するまでの時間であり、適宜に設定可能である。
【００５６】
ステップＳ２１１の判定で、現時刻ｔ１が予め設定された時間ｔ２よりも小さい、すなわち予め設定された時間ｔ２に達していないと判定した場合（ステップＳ２１１の「ｔ１＜ｔ２」）には、制御手段１１０は、再度、ステップＳ２１１からの処理を実行する。
【００５７】
ステップＳ２１１の判定で、現時刻ｔ１が予め設定された時間ｔ２以上、すなわち予め設定された時間ｔ２に達したと判定した場合（ステップＳ２１１の「ｔ１≧ｔ２」）には、制御手段１１０は、電流遮断手段１０２等を所定時間制御し、燃料電池２に流れる電流を２０ｍＡ以下（遮断状態、すなわち電流値が０を含む）、さらに好ましくは、燃料電池２に流れる電流を１０ｍＡ以下（遮断状態、すなわち電流値が０を含む）に設定する（ステップＳ２１２）。
【００５８】
ここで、燃料電池２に流れる電流を遮断する場合には、電流遮断手段１０２を制御して、遮断状態とすることで実現できる。また、燃料電池２に流れる電流を０より大きく２０ｍＡ以下に設定する場合には、燃料電池セルと外部負荷との間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータを電流一定で制御し、その制御される電流の値を上記の設定値にすることで実現できる。この際、燃料電池２に流れる電流を制御する所定時間は、１秒以上１０分以下、さらに好ましくは１分以上５分以下である。
【００５９】
続いて、制御手段１１０は、電圧検知手段１０３からの出力に基づいて、燃料電池２で発生している電圧Ｖ１を特定し、例えばＲＯＭやＲＡＭ等の記憶手段に格納され、予め設定された電圧Ｖ２と比較する（ステップＳ２１３）。ここで、予め設定された電圧Ｖ２は、前述した、燃料電池２に流れる電流を２０ｍＡ以下（遮断状態、すなわち電流値が０を含む）に設定した状態で、カソード１６中に保持される水の量が過剰で不適な場合における電圧値（図４の（Ｃ）の場合）である。すなわち、電圧Ｖ２は、燃料電池２に流れる２０ｍＡ以下の電流値に対応して予め設定された値である。また、電圧Ｖ１は、上記した電流を制御する所定時間の範囲内で計測された値である。
【００６０】
ステップＳ２１３の判定で、特定した電圧Ｖ１が、予め設定された電圧Ｖ２以上であると判定した場合（ステップＳ２１３の「Ｖ１≧Ｖ２」）には、リターンしスタートからの処理を実行する。
【００６１】
一方、ステップＳ２１３の判定で、特定した電圧Ｖ１が、予め設定された電圧Ｖ２よりも小さいと判定した場合（ステップＳ２１３の「Ｖ１＜Ｖ２」）には、続いて、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの出力に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度Ｔ１を特定し、特定した温度Ｔ１が、例えばＲＯＭやＲＡＭ等の記憶手段に格納され、予め設定された温度Ｔ２と比較する（ステップＳ２１４）。
【００６２】
ステップＳ２１４の判定で、特定した温度Ｔ１が、予め設定された温度Ｔ２よりも高いと判定した場合（ステップＳ２１４の「Ｔ１＞Ｔ２」）には、再度、ステップＳ２１０からの処理を実行する。
【００６３】
一方、ステップＳ２１４の判定で、特定した温度Ｔ１が、予め設定された温度Ｔ２以下であると判定した場合（ステップＳ２１４の「Ｔ１≦Ｔ２」）には、制御手段１１０は、加熱手段５０を作動させる（ステップＳ２１５）。これによって、加熱手段５０で発生した熱は、カソード導電層１９を介してカソードガス拡散層１５に伝導し、カソードガス拡散層１５を加熱する。
【００６４】
続いて、制御手段１１０は、内蔵するタイマーの現時刻ｔ１を「０」とし、加熱手段５０を作動後の経過時間をカウントする（ステップＳ２１６）。
【００６５】
続いて、制御手段１１０は、タイマーにおける現時刻ｔ１と、例えばＲＯＭやＲＡＭ等の記憶手段に格納され、予め設定された時間ｔ３とを比較する（ステップＳ２１７）。ここで、予め設定された時間ｔ３は、加熱手段５０を作動させてから、カソード１６中に保持されている水量の適否の判定を開始するまでの時間であり、適宜に設定可能である。
【００６６】
ステップＳ２１７の判定で、現時刻ｔ１が予め設定された時間ｔ３よりも小さい、すなわち予め設定された時間ｔ３に達していないと判定した場合（ステップＳ２１７の「ｔ１＜ｔ３」）には、制御手段１１０は、再度、ステップＳ２１７からの処理を実行する。
【００６７】
ステップＳ２１７の判定で、現時刻ｔ１が予め設定された時間ｔ３以上、すなわち予め設定された時間ｔ３に達したと判定した場合（ステップＳ２１７の「ｔ１≧ｔ３」）には、制御手段１１０は、電流遮断手段１０２等を所定時間制御し、燃料電池２に流れる電流を２０ｍＡ以下（遮断状態、すなわち電流値が０を含む）、さらに好ましくは、燃料電池２に流れる電流を１０ｍＡ以下（遮断状態、すなわち電流値が０を含む）に設定する（ステップＳ２１８）。
【００６８】
ここで、燃料電池２に流れる電流を遮断する場合には、電流遮断手段１０２を制御して、遮断状態とすることで実現できる。また、燃料電池２に流れる電流を０より大きく２０ｍＡ以下に設定する場合には、燃料電池セルと外部負荷との間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータを電流一定で制御し、その制御される電流の値を上記の設定値にすることで実現できる。この際、燃料電池２に流れる電流を制御する所定時間は、１秒以上１０分以下、さらに好ましくは１分以上５分以下である。
【００６９】
続いて、制御手段１１０は、電圧検知手段１０３からの出力に基づいて、燃料電池２で発生している電圧Ｖ１を特定し、例えばＲＯＭやＲＡＭ等の記憶手段に格納され、予め設定された電圧Ｖ２と比較する（ステップＳ２１９）。ここで、予め設定された電圧Ｖ２は、前述した、燃料電池２に流れる電流を２０ｍＡ以下（遮断状態、すなわち電流値が０を含む）に設定した状態で、カソード１６中に保持される水の量が過剰で不適な場合における電圧値（図４の（Ｃ）の場合）である。すなわち、電圧Ｖ２は、燃料電池２に流れる２０ｍＡ以下の電流値に対応して予め設定された値である。また、電圧Ｖ１は、上記した電流を制御する所定時間の範囲内で計測された値である。
【００７０】
ステップＳ２１９の判定で、特定した電圧Ｖ１が、予め設定された電圧Ｖ２よりも小さいと判定した場合（ステップＳ２１９の「Ｖ１＜Ｖ２」）には、再度、ステップＳ２１６からの処理を実行する。
【００７１】
一方、ステップＳ２１９の判定で、特定した電圧Ｖ１が、予め設定された電圧Ｖ２以上であると判定した場合（ステップＳ２１９の「Ｖ１≧Ｖ２」）には、制御手段１１０は、加熱手段５０を停止させる（ステップＳ２２０）。そして、リターンしスタートからの処理を実行する。
【００７２】
ここで、前述したように、カソードガス拡散層１５の加熱は、加熱手段５０を用いる代わりに、燃料供給手段として機能するポンプ８０や燃料制御弁を用いてもよい。この場合には、上記ステップＳ２１５において、制御手段１１０は、ポンプ８０や燃料制御弁を制御して、燃料電池セル１０に供給する燃料の供給量を増加させる。また、上記ステップＳ２２０において、制御手段１１０は、ポンプ８０や燃料制御弁を制御して、燃料電池セル１０に供給する燃料の供給量を通常の量に戻す。
【００７３】
このように、ポンプ８０や燃料制御弁によって燃料電池セル１０に供給する燃料の供給量を増加させると、電解質膜１７を通過してカソード側に透過する燃料の量が増加する。すなわち燃料のクロスオーバが促進される。カソード側に透過した燃料は、カソード側の酸素と発熱反応を生じる。この反応によって発生した熱を利用して、カソードガス拡散層１５を加熱する。ここで、カソード側に透過させる燃料の量は、例えば、カソード側で発熱反応をして発生する熱量が、加熱手段５０で発生する熱量に等しくなる程度とすることが好ましい。具体的には、例えば、カソードガス拡散層１５の温度が、上記した予め設定された温度Ｔ２になるまで、燃料の供給量を増加させることが好ましい。
【００７４】
また、燃料電池システム１において、温度検知手段７０を設けないか、または作動させずに、燃料電池システムを作動させてもよい。この場合には、上記したステップＳ２１４の処理が実行されずに、ステップＳ２１３の処理後、ステップＳ２１５の処理が実行され、加熱手段５０が作動される。
【００７５】
上記した本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池セル１０に流れる電流を遮断もしくは通常発電時の電流よりも小さな電流に制御し、電圧検知手段１０３で検知した電圧値が、予め設定された値を下回った場合に、カソード１６中に保持されている水量が過剰と判定して、カソード１６の少なくとも一部、特にカソードガス拡散層１５を加熱することができる。これによって、カソード１６中の水が蒸発し、カソード１６中に保持される水量を減少させることができ、カソード１６中に過剰の水が保持されることによる燃料電池２の出力の低下を抑制することができる。
【００７６】
（他の実施の形態）
第１の実施の形態の燃料電池システム１では、温度検知手段７０、電流遮断手段１０２、電圧検知手段１０３などを備え、燃料電池セル１０に流れる電流を遮断もしくは通常発電時の電流よりも小さな電流に制御し、電圧検知手段１０３で検知した電圧値が、予め設定された値を下回った場合に、カソードガス拡散層１５を加熱するシステムについて説明したが、カソードガス拡散層１５を加熱するシステムは、この構成に限られるものではない。
【００７７】
図６は、本発明に係る他の実施の形態の燃料電池システム１の構成を示す断面図である。図７は、加熱手段５０および制御手段１１０を備える燃料電池システム１の制御の一例を示す図である。例えば、図６に示すように、燃料電池システム１において、温度検知手段７０、電流遮断手段１０２および電圧検知手段１０３を備えず、加熱手段５０および制御手段１１０を備える構成としてもよい。この構成では、図７に示すように、所定時間毎に加熱手段５０を所定時間作動させ、カソードガス拡散層１５を加熱する。また、加熱する時間間隔は、図７に示すように、燃料電池セル１０のカソードガス拡散層１５の表面の温度が急激に低下する時間に対応させて設定されることが好ましい。なお、この燃料電池セル１０の温度が急激に低下する時間は、予め試験などで得られた結果等に基づいて把握することができる。例えば、加熱手段５０を５０分間オフ（非加熱状態）とし、その後１０分間オン（加熱状態）する。ここで、制御手段１１０は、所定時間毎に加熱手段５０を所定時間作動させる制御ができるものであればよく、例えばタイマーなどで構成されてもよい。また、加熱手段５０を作動させたときにおけるカソードガス拡散層１５の温度の上限値は、燃料電池セル１０を構成する各部材の熱による劣化や変形などを最小限にし、かつ、本発明に係る燃料電池を搭載した携帯機器の利用者が、携帯機器の表面に触れたときに火傷（低温火傷を含む）などを生じる危険性を最小限にするという安全性の観点から、６０〜８０℃とすることが好ましい。なお、図６では、ポンプを備えていない燃料電池システム１の構成を示しているが、図２に示す燃料電池システム１と同様にポンプ８０を備えてもよい。
【００７８】
また、加熱手段５０は、前述した、電気ヒータ等で構成することや、加熱手段５０を用いる代わりに、燃料供給手段として機能するポンプ８０や燃料制御弁を用いることに限られない。例えば、図１で設けられた場合と同様に電流遮断手段１０２を設け、この電流遮断手段１０２を加熱手段として機能させてもよい。すなわち、燃料電池２に流れる電流を遮断することでカソードガス拡散層１５を加熱する構成としてもよい。具体的には、燃料電池２に流れる電流を遮断すると、燃料は、アノード触媒層１１で反応せずにカソード触媒層側に透過する。そして、カソード触媒層側に透過した燃料は、カソード触媒層側で酸化反応を生じて熱を発生する。カソードガス拡散層１５は、その熱によって加熱される。図８は、電流遮断手段１０２を加熱手段として機能させた場合における燃料電池システム１の制御の一例を示す図である。図８に示すように、所定時間毎に電流遮断手段１０２により所定時間燃料電池セル１０に流れる電流を遮断し、カソードガス拡散層１５を加熱する。また、加熱する時間間隔は、図８に示すように、燃料電池セル１０のカソードガス拡散層１５の表面の温度が所定温度（例えば、３０〜５０℃）に低下する時間に対応させて設定されることが好ましい。なお、この燃料電池セル１０の温度が所定温度に低下する時間は、予め試験などで得られた結果等に基づいて把握することができる。例えば、５０分間電流を流し（非加熱状態）、その後１０分間電流を遮断（加熱状態）する。また、この場合、電流を遮断し続けていれば温度が上がり続けるというものではなく、遮断している時間が長くなると燃料電池セル１０の温度が低下する。また、電流を遮断した場合、燃料電池セル１０は発電してない状態となるため、電流を遮断する時間は最小限に抑えることが好ましい。
【００７９】
また、さらに他の実施の形態として、図６に示した他の実施の形態の燃料電池システム１において、図１に示す燃料電池システム１と同様に、カソードガス拡散層１５の表面や内部の所定位置に温度検知手段７０を備えてもよい。図９は、図６に示した他の実施の形態の燃料電池システム１において、さらに温度検知手段７０を備えた燃料電池システム１の制御の一例を示す図である。この構成では、図９に示すように、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が予め設定された温度よりも低いと判定した場合には、加熱手段５０を作動させ、カソードガス拡散層１５を加熱する。そして、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が予め設定された温度を超えたと判定した場合には、加熱手段５０を停止させる。例えば、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が、予め設定された温度である５０℃よりも低いと判定した場合には、加熱手段５０を作動させ、５０℃を超えたと判定した場合には、加熱手段５０を停止させる。なお、この場合においても、前述したように、例えば、図１で設けられた場合と同様に電流遮断手段１０２を設け、この電流遮断手段１０２を加熱手段として機能させカソードガス拡散層１５を加熱してもよい。
【００８０】
また、図１０は、図９に示した燃料電池システム１の制御と異なる制御の一例を示す図である。図１０に示すように、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が予め設定された下限値よりも低いと判定した場合には、加熱手段５０を作動させ、温度検知手段７０からの情報に基づいて、予め設定された上限値までカソードガス拡散層１５を加熱する。そして、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が予め設定された上限値を超えたと判定した場合には、加熱手段５０を停止させる。例えば、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が、予め設定された下限値である５０℃よりも低いと判定した場合には、加熱手段５０を作動させ、予め設定された上限値である６０℃よりも高いと判定した場合には、加熱手段５０を停止させる。また、加熱手段５０を作動させたときにおける予め設定されるカソードガス拡散層１５の温度の上限値は、燃料電池セル１０を構成する各部材の熱による劣化や変形などを最小限にし、かつ、本発明に係る燃料電池を搭載した携帯機器の利用者が、携帯機器の表面に触れたときに火傷（低温火傷を含む）などを生じる危険性を最小限にするという安全性の観点から、６０〜８０℃とすることが好ましい。なお、この場合においても、前述したように、例えば、図１で設けられた場合と同様に電流遮断手段１０２を設け、この電流遮断手段１０２を加熱手段として機能させカソードガス拡散層１５を加熱してもよい。
【００８１】
また、加熱工程において、上記した一例では連続的に加熱手段５０を作動させた一例を示したが、これに限られるものではない。図１１は、加熱工程において、加熱手段５０を断続的に作動させた場合における燃料電池システム１の制御の一例を示した図である。図１１に示すように、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が予め設定された温度よりも低いと判定した場合には、加熱手段５０を断続的に作動させ、カソードガス拡散層１５を加熱する。そして、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が予め設定された温度を超えたと判定した場合には、加熱手段５０を停止させる。例えば、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が、予め設定された温度である５０℃よりも低いと判定した場合には、加熱手段５０を１分間隔でオン・オフさせ、５０℃を超えたと判定した場合には、加熱手段５０を停止させる。なお、オン・オフの間隔等は使用条件に合わせて適宜設定可能である。
【００８２】
また、この場合においても、前述したように、例えば、図１で設けられた場合と同様に電流遮断手段１０２を設け、この電流遮断手段１０２を加熱手段として機能させカソードガス拡散層１５を加熱してもよい。図１２は、電流遮断手段１０２を加熱手段として機能させたときに、加熱手段５０を断続的に作動させた場合における燃料電池システム１の制御の一例を示した図である。図１２に示すように、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が予め設定された温度よりも低いと判定した場合には、電流遮断手段１０２を断続的に作動させ、燃料電池セル１０に流れる電流を断続的にオン（非加熱状態）・オフ（加熱状態）することで、カソードガス拡散層１５を加熱する。そして、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が予め設定された温度を超えたと判定した場合には、電流遮断手段１０２を制御し、燃料電池セル１０に連続的に電流が流れるようにする。例えば、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が、予め設定された温度である５０℃よりも低いと判定した場合には、電流遮断手段１０２を１分間隔で制御し、燃料電池セル１０に流れる電流を１分間隔でオン・オフさせ、５０℃を超えたと判定した場合には、燃料電池２に連続的に電流が流れるようにする。
【００８３】
また、加熱を始める基準となる予め設定された温度は、一定温度であることに限らず、一定時間毎に異なる温度となるように設定してもよい。図１３は、加熱を始める基準となる予め設定された温度が、一定時間毎に異なる温度となるように設定した場合における燃料電池システム１の制御の一例を示した図である。なお、加熱を始める基準となる予め設定された温度は、加熱を停止する基準の温度ともなり得る。ここでは、加熱を始める基準となる予め設定された温度として、第１の設定温度および第２の設定温度の異なる２つの値を設定した場合を例示して説明する。なお、この予め設定される温度は、異なる３つ以上の値を設定してもよい。
【００８４】
図１３に示すように、制御手段１１０は、予め設定された温度として第１の設定温度を設定値とする所定時間の間は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が第１の設定温度よりも低いと判定した場合には、加熱手段５０を断続的に作動させ、カソードガス拡散層１５を加熱する。そして、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が第１の設定温度を超えたと判定した場合には、加熱手段５０を停止させる。一方、制御手段１１０は、予め設定された温度として第２の設定温度を設定値とする所定時間の間は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が第２の設定温度よりも低いと判定した場合には、加熱手段５０を断続的に作動させ、カソードガス拡散層１５を加熱する。そして、制御手段１１０は、温度検知手段７０からの情報に基づいて、カソードガス拡散層１５の温度が第２の設定温度を超えたと判定した場合には、加熱手段５０を停止させる。例えば、１０時間は、第１の設定温度である５０℃を設定値とし、その後１時間は、第２の設定温度である６０℃を設定値とする。なお、第１および第２の設定温度を設定値とする所定時間や加熱手段５０のオン・オフの間隔等は、使用条件に合わせて適宜設定可能である。また、この場合においても、前述したように、例えば、図１で設けられた場合と同様に電流遮断手段１０２を設け、この電流遮断手段１０２を加熱手段として機能させカソードガス拡散層１５を加熱してもよい。
【００８５】
上記した本発明に係る他の実施の形態の燃料電池システム１においても、第１の実施の形態の燃料電池システム１における作用効果と同様の作用効果が得られ、さらに、使用条件に合わせた最適な燃料電池システムの制御が可能となる。
【００８６】
次に、本発明に係る燃料電池システムが優れた出力特性を有することを実施例１〜実施例５、比較例１に基づいて説明する。
【００８７】
（実施例１）
実施例１で使用した燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システム１と同一の構成を備えるものであるので、図１を参照して説明する。
【００８８】
まず、燃料電池セル１０の作製方法について説明する。
【００８９】
アノード用触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層１２としての多孔質カーボンペーパ（４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）に塗布することにより、厚さが１００μｍのアノード触媒層１１を得た。
【００９０】
カソード用触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層１５としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが１００μｍのカソード触媒層１４を得た。なお、アノードガス拡散層１２と、カソードガス拡散層１５とは、同形同大であり、これらのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層１１およびカソード触媒層１４も同形同大である。
【００９１】
上記したように作製したアノード触媒層１１とカソード触媒層１４との間に、電解質膜１７として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（商品名：nafion膜、デュポン社製）を配置し、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向するように位置を合わせた状態でホットプレスを施すことにより、燃料電池セル１０を得た。
【００９２】
続いて、この燃料電池セル１０を、複数の開孔を有する金箔で挟み、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を形成した。なお、電解質膜１７とアノード導電層１８との間、電解質膜１７とカソード導電層１９との間には、それぞれゴム製のＯリング２０を挟持してシールを施した。
【００９３】
また、保湿層６０として、厚さが５００μｍで、透気度が２秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ  Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）で、透湿度が４０００ｇ／（ｍ２・２４ｈ）（ＪＩＳ  Ｌ−１０９９  Ａ−１に規定の測定方法による）のポリエチレン製多孔質フィルムを用いた。
【００９４】
この保湿層６０の上に、空気取り入れのための空気導入口６１（直径３．６ｍｍの円形、口数３５個）が形成された厚さが１ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置して表面カバー６２とした。
【００９５】
カソード導電層１９の表面に接するように、加熱手段５０として電気ヒータを設置し、カソードガス拡散層１５の表面に温度検知手段７０として熱電対を設置した。また、アノード導電層１８、カソード導電層１９に、それぞれ燃料電池２からの電力を出力する出力配線１００、１０１を接続した。そして、これらの出力配線１００、１０１を介して燃料電池２を図示しない外部負荷に接続した。また、出力配線１００に、燃料電池２に流れる電流を遮断する電流遮断手段１０２を設けた。さらに、燃料電池セル１０で発生する電圧を検知する電圧検知手段１０３として電子回路を使用したデジタル電圧計を出力配線１００、１０１間に設けた。そして、加熱手段５０、温度検知手段７０、電流遮断手段１０２、電圧検知手段１０３を制御手段１１０と電気的に接続し、制御手段１１０によって制御可能とした。
【００９６】
前述した燃料電池システムの動作（図５参照）に基づいて、燃料電池システムを作動させた。ここで、予め設定された時間ｔ２を６０分、ステップＳ２１２およびステップＳ２１８で電流を遮断する時間を１分とした。また、ステップＳ２１３およびステップＳ２１９で検知された電圧Ｖ１と比較される予め設定された電圧Ｖ２を０．６Ｖとした。また、ステップＳ２１４で検知された温度Ｔ１と比較される予め設定された温度Ｔ２を４５℃とした。また、ステップＳ２１４の判定で、特定した温度Ｔ１が、予め設定された温度Ｔ２以下であると判定した場合における、加熱手段５０で発生させる熱量を、燃料電池２の発電を開始したときに発生する電力の１０％に相当する値とした。すなわち、例えば、燃料電池２において発電開始時に発生する電力が１Ｗである場合には、加熱手段５０で発生する熱量が０．１Ｗとなるように、加熱手段５０の抵抗値や流れる電流値を設定した。
【００９７】
また、燃料電池２に供給される燃料の供給量を、燃料電池２に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量（電流１Ａにつき、１分間当りのメタノールの供給量３．３ｍｇ）の１．４倍とし、常に一定となるように設定した。
【００９８】
そして、温度が２５℃、相対湿度が５０％の環境の下、上記した燃料電池２に、純度９９.９重量％の純メタノールを、上記の供給量となるように供給した。外部負荷としての定電圧電源を接続して、燃料電池２の出力電圧が０．３Ｖで一定になるように、燃料電池２に流れる電流を制御した。
【００９９】
上記した条件の下、１０００時間発電を行った後の燃料電池２の出力密度Ｐ１および発電を開始したときの燃料電池２の出力密度Ｐ０を計測した。そして、出力密度Ｐ１の、出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出した。ここで、燃料電池２の出力密度（ｍＷ／ｃｍ２）とは、燃料電池２に流れる電流密度（発電部の面積１ｃｍ２当りの電流値（ｍＡ／ｃｍ２））に燃料電池２の出力電圧を乗じたものである。また、発電部の面積とは、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向している部分の面積である。本実施例では、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４の面積が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積に等しい。上記算出した出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、０．８１（８１％）であった。
【０１００】
（実施例２）
実施例２では、実施例１で使用した燃料電池２の加熱手段５０の代わりに、燃料電池２に供給する燃料の供給量を制御する燃料制御弁を設けた。そして、この燃料制御弁を電気的に制御手段１１０と接続し、制御手段１１０によって制御可能とした。また、本実施例では、温度検知手段７０を備えず、すなわち上記したステップＳ２１４の処理が実行されずに、ステップＳ２１３の処理後、ステップＳ２１５の処理が実行され、加熱手段５０を作動した。
【０１０１】
燃料電池２に供給される燃料の供給量は、燃料制御弁の開度によって制御され、電圧検知手段１０３で検知された電圧Ｖ２が、予め設定された電圧Ｖ１よりも大きいときは、燃料の供給量を、燃料電池２に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の１．４倍とした。そして、この供給量を通常の燃料供給量とした。
【０１０２】
電圧検知手段１０３で検知された電圧Ｖ２が、予め設定された電圧Ｖ１以下のときは、燃料制御弁を制御して、燃料供給量を通常の燃料供給量の１．２倍、すなわち、燃料電池２に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の１．６８倍とした。
【０１０３】
それ以外の構成や設定値については、実施例１で使用された燃料電池システムと同様である。また、１０００時間発電を行った後の燃料電池２の出力密度Ｐ１および発電を開始したときの燃料電池２の出力密度Ｐ０の計測方法および計測条件は、実施例１における計測方法および計測条件と同じである。
【０１０４】
計測結果に基づいて算出された、出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、０．７７（７７％）であった。
【０１０５】
（実施例３）
実施例３では、実施例２で使用した燃料電池２に、温度検知手段７０を備えた燃料電池を使用した。すなわち、本実施例では、上記したステップＳ２１４の処理を実行した。そして、ステップＳ２１４で検知された温度Ｔ１と比較される予め設定された温度Ｔ２を４５℃とした。
【０１０６】
ステップＳ２１４の判定で、特定した温度Ｔ１が、予め設定された温度Ｔ２よりも高いと判定した場合における燃料の供給量を、実施例２の通常の燃料供給量、すなわち燃料電池２に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の１．４倍とした。一方、ステップＳ２１４の判定で、特定した温度Ｔ１が、予め設定された温度Ｔ２以下であると判定した場合における燃料の供給量を、燃料制御弁を制御して、実施例２の通常の燃料供給量の１．５倍、すなわち燃料電池２に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の２．１倍とした。
【０１０７】
それ以外の構成や設定値については、実施例２で使用された燃料電池システムと同様である。また、１０００時間発電を行った後の燃料電池２の出力密度Ｐ１および発電を開始したときの燃料電池２の出力密度Ｐ０の計測方法および計測条件は、実施例１における計測方法および計測条件と同じである。
【０１０８】
計測結果に基づいて算出された、出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、０．８３（８３％）であった。
【０１０９】
（実施例４）
実施例４では、実施例１で使用した燃料電池２の加熱手段５０の代わりに、図２に示すように、燃料電池２に供給する燃料の供給量を制御するポンプ８０を設けた。そして、このポンプ８０を電気的に制御手段１１０と接続し、制御手段１１０によって制御可能とした。また、本実施例では、温度検知手段７０を備えず、すなわち上記したステップＳ２１４の処理が実行されずに、ステップＳ２１３の処理後、ステップＳ２１５の処理が実行され、ポンプ８０を作動した。
【０１１０】
燃料電池２に供給される燃料の供給量は、ポンプ８０によって制御、具体的にはポンプ８０の回転速度によって制御され、電圧検知手段１０３で検知された電圧Ｖ２が、予め設定された電圧Ｖ１よりも大きいときは、燃料の供給量を、燃料電池２に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の１．４倍とした。そして、この供給量を通常の燃料供給量とした。
【０１１１】
電圧検知手段１０３で検知された電圧Ｖ２が、予め設定された電圧Ｖ１以下のときは、ポンプ８０を制御して、燃料供給量を通常の燃料供給量の１．２倍、すなわち、燃料電池２に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の１．６８倍とした。
【０１１２】
それ以外の構成や設定値については、実施例１で使用された燃料電池システムと同様である。また、１０００時間発電を行った後の燃料電池２の出力密度Ｐ１および発電を開始したときの燃料電池２の出力密度Ｐ０の計測方法および計測条件は、実施例１における計測方法および計測条件と同じである。
【０１１３】
計測結果に基づいて算出された、出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、０．７８（７８％）であった。
【０１１４】
（実施例５）
実施例５では、実施例４で使用した燃料電池２に、温度検知手段７０を備えた燃料電池を使用した。すなわち、本実施例では、上記したステップＳ２１４の処理を実行した。そして、ステップＳ２１４で検知された温度Ｔ１と比較される予め設定された温度Ｔ２を４５℃とした。
【０１１５】
ステップＳ２１４の判定で、特定した温度Ｔ１が、予め設定された温度Ｔ２よりも高いと判定した場合における燃料の供給量を、実施例４の通常の燃料供給量、すなわち燃料電池２に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の１．４倍とした。一方、ステップＳ２１４の判定で、特定した温度Ｔ１が、予め設定された温度Ｔ２以下であると判定した場合における燃料の供給量を、ポンプ８０を制御して、実施例４の通常の燃料供給量の１．５倍、すなわち燃料電池２に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の２．１倍とした。
【０１１６】
それ以外の構成や設定値については、実施例４で使用された燃料電池システムと同様である。また、１０００時間発電を行った後の燃料電池２の出力密度Ｐ１および発電を開始したときの燃料電池２の出力密度Ｐ０の計測方法および計測条件は、実施例１における計測方法および計測条件と同じである。
【０１１７】
計測結果に基づいて算出された、出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、０．８２（８２％）であった。
【０１１８】
（比較例１）
比較例１では、実施例１で使用した燃料電池２を使用し、この燃料電池２を単に出力配線を介して外部負荷に接続した。すなわち、比較例１では、加熱手段５０、温度検知手段７０、電流遮断手段１０２、電圧検知手段１０３、制御手段１１０を備えた実施例１〜５と同様のシステムは備えず、単に燃料電池２からの出力を外部負荷に供給した。また、本比較例で使用された燃料電池に供給する燃料の供給量を、燃料電池に電流が流れるための電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量の１．４倍とした。そして、この供給量を常時維持した。
【０１１９】
また、１０００時間発電を行った後の燃料電池の出力密度Ｐ１および発電を開始したときの燃料電池の出力密度Ｐ０の計測方法および計測条件は、実施例１における計測方法および計測条件と同じである。
【０１２０】
計測結果に基づいて算出された、出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、０．６（６０％）であった。
【０１２１】
（実施例１〜実施例５、比較例１のまとめ）
表１に、実施例１〜実施例５、比較例１における、出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を示す。
【０１２２】
【表１】
2009021209.tif 000003
【０１２３】
表１に示すように、出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、実施例１〜実施例５の方が、比較例１よりも高い値を示すことがわかった。すなわち、燃料電池２に流れる電流を遮断もしくは通常発電時の電流よりも小さな電流に制御し、電圧検知手段１０３で検知した電圧値が、予め設定された値を下回った場合に、カソード１６中に保持されている水量が過剰と判定して、カソード１６の少なくとも一部、特にカソードガス拡散層１５を加熱することで、優れた出力特性が得られることが明らかとなった。
【０１２４】
また、実施例１〜実施例５において、温度検知手段７０を備え、上記したステップＳ２１４の処理を実行した方が、温度検知手段７０を備えず、ステップＳ２１３の処理後、ステップＳ２１５の処理を実行したものより、出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）が高いことがわかった。これは、温度検知手段７０を備え、上記したステップＳ２１４の処理を実行することで、燃料電池２の温度の必要以上の上昇を抑制し、温度上昇による燃料電池２の出力の低下を抑制できたためと考えられる。
【０１２５】
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、燃料電池セルに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、すべてが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除する等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明に係る一実施形態の燃料電池システムの構成を示す断面図。
【図２】本発明に係る一実施形態の燃料電池においてポンプを備えた場合の燃料電池システムの構成を示す断面図。
【図３Ａ】複数の燃料電池セルが直列に接続された場合における燃料電池システムの一例を模式的に示す図。
【図３Ｂ】複数の燃料電池セルが直列に接続された場合における燃料電池システムの一例を模式的に示す図。
【図４】燃料電池セル（膜電極接合体）の面積１ｃｍ２当りに流れる電流と、その際に燃料電池セルで発生する電圧との関係を示した図。
【図５】燃料電池システムの動作を示すフローチャート。
【図６】本発明に係る他の実施の形態の燃料電池システムの構成を示す断面図。
【図７】加熱手段および制御手段を備える燃料電池システムの制御の一例を示す図。
【図８】電流遮断手段を加熱手段として機能させた場合における燃料電池システムの制御の一例を示す図。
【図９】図６に示した他の実施の形態の燃料電池システムにおいて、さらに温度検知手段を備えた燃料電池システムの制御の一例を示す図。
【図１０】図９に示した燃料電池システムの制御と異なる制御の一例を示す図。
【図１１】加熱工程において、加熱手段を断続的に作動させた場合における燃料電池システムの制御の一例を示した図。
【図１２】電流遮断手段を加熱手段として機能させたときに、加熱手段を断続的に作動させた場合における燃料電池システムの制御の一例を示した図。
【図１３】加熱を始める基準となる予め設定された温度が、一定時間毎に異なる温度となるように設定した場合における燃料電池システムの制御の一例を示した図。
【符号の説明】
【０１２７】
１…燃料電池システム、１０…燃料電池セル、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…アノード（燃料極）、１４…カソード触媒層、１５…カソードガス拡散層、１６…カソード（空気極）、１７…電解質膜、１８…アノード導電層、１９…カソード導電層、２０…Ｏリング、３０…燃料分配層、３１…開口部、４０…燃料供給機構、４１…燃料収容部、４２…燃料供給部、４３…流路、５０…加熱手段、６０…保湿層、６１…空気導入口、６２…表面カバー、７０…温度検知手段、１００，１０１…出力配線、１０２…電流遮断手段、１０３…電圧検知手段、１１０…制御手段。
【図１】
2009021209.tif 000004
【図２】
2009021209.tif 000005
【図３Ａ】
2009021209.tif 000006
【図３Ｂ】
2009021209.tif 000007
【図４】
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【図５】
2009021209.tif 000009
【図６】
2009021209.tif 000010
【図７】
2009021209.tif 000011
【図８】
2009021209.tif 000012
【図９】
2009021209.tif 000013
【図１０】
2009021209.tif 000014
【図１１】
2009021209.tif 000015
【図１２】
2009021209.tif 000016
【図１３】
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