JP2010033899A - 燃料電池システム及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池本体の延べ運転時間に対して常に最高出力を発生することができる燃料電池システム及び電子機器を提供する。
【解決手段】燃料供給により電力を発電する燃料電池本体１の延べ運転時間を運転時間判定部７０１で判定し、この判定された延べ運転時間に基づいて、これら延べ運転時間に対応する最高出力を燃料電池本体１より取出し可能とする出力電圧の最適値を出力電圧設定部７０２で設定し、この設定された出力電圧の最適値に基づいて燃料電池本体１の出力を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びこの燃料電池システムを電源として用いた電子機器に関する。

携帯電話機や携帯情報端末などの電子機器の小型化は目覚しいものがあり、これら電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は、燃料と空気を供給するのみで、発電することができ、燃料のみを交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型化が実現できれば、小型の電子機器の電源として極めて有効である。

そこで、最近、燃料電池として、直接メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ；Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌと称する。）が注目されている。かかるＤＭＦＣは、液体燃料の供給方式によって分類され、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式のものと、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のものがあり、これらのうち、パッシブ方式のものはＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。

従来、このようなパッシブ方式のＤＭＦＣとして、特許文献１に開示されるように、例えば燃料極、電解質膜および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のものが考えられている。

また、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構成のものも特許文献２〜４に開示されている。これら特許文献２〜４は、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可能としたもので、特に、特許文献３では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給している。また、ポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることも記載されている。さらに特許文献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ことが記載されている。
国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット 特表２００５−５１８６４６号公報 特開２００６−０８５９５２号公報 米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報

ところで、一般的にＤＭＦＣの出力である電流Ｉと電圧Ｖは、図４に示すような関係があることが知られており、通常は、これら電流Ｉと電圧Ｖのうち、どちらかを一定にしてＤＭＦＣの出力を制御するようにしている。

ところが、このような電流と電圧の関係は、時間の経過に伴う燃料電池セルの劣化などが原因で図５に示すように変化する。つまり、図５（ａ）は、延べ運転時間が０〜５００時間程度の初期状態、図示（ｂ）は、延べ運転時間が２０００時間経過した状態、図示（ｃ）は、延べ運転時間が４０００時間経過した状態のそれぞれの電流Ｉと電圧Ｖの関係を示しており、それぞれ時間経過とともにＤＭＦＣより取出し可能な出力が低下していく。このため、例えば、図５に示すように出力電圧Ｖｏを常に一定に制御しようとすると、延べ運転時間とともに取出し可能な出力の低下により出力電流もＩｏ１、Ｉｏ２、Ｉｏ３（Ｉｏ１＞Ｉｏ２＞Ｉｏ３）と低下し、このため出力電圧Ｖｏに対する出力（電流Ｉと電圧Ｖの積）Ｐの関係は、延べ運転時間とともに図６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように変化する。このことは、図６（ａ）に示すように初期状態で最高出力ＰM１を取出せるように出力電圧Ｖｏ（＝Ｖｏ１）に設定しても、同図（ｂ）（ｃ）に示すように各延べ運転時間の後は初期状態での最高出力ＰM１が取出せないばかりか、同図（ｂ）（ｃ）に示す各延べ運転時間での最高出力ＰM２、ＰM３も取出せないことになる。つまり、初期状態で最高出力ＰM１が得られるように出力電圧Ｖｏを最適値に設定しても、これ以後も出力電圧Ｖｏを一定に制御するような方法では、各延べ運転時間の状態で最高出力ＰM２、ＰM３が取出しできなくなり、負荷要求に対してＤＭＦＣの出力を有効に利用できないという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池本体の延べ運転時間に対しても常に最高出力を発生することができる燃料電池システム及び電子機器を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、燃料供給により電力を発電する燃料電池本体と、前記燃料電池本体の延べ運転時間を判定する運転時間判定手段と、前記運転時間判定手段で判定された延べ運転時間に基づいて、これら延べ運転時間に対応する最高出力を前記燃料電池本体より取出し可能とする制御要素の最適値を設定する制御要素設定手段と、制御要素設定手段で設定された制御要素の最適値に基づいて前記燃料電池本体の出力を制御する制御手段と、を具備したことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、制御要素設定手段は、前記延べ運転時間に対応する最高出力を取出し可能な制御要素として前記燃料電池本体の出力電圧の最適値を設定する出力電圧設定手段を有し、前記制御手段は、前記出力電圧設定手段で設定された出力電圧の最適値に基づいて前記燃料電池本体の出力を制御することを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、制御要素設定手段は、前記延べ運転時間に対応する最高出力を取出し可能な制御要素として前記燃料電池本体の出力電流の最適値を設定する出力電流設定手段を有し、前記制御手段は、前記出力電流設定手段で設定された出力電流の最適値に基づいて前記燃料電池本体の出力を制御することを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、制御要素設定手段は、前記延べ運転時間に対応する最高出力を取出し可能な制御要素として前記燃料電池本体の制御温度の最適値を設定する制御温度設定手段を有し、前記制御手段は、前記制御温度設定手段で設定された制御温度の最適値に基づいて前記燃料電池本体の出力を制御することを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一記載の発明において、運転時間判定手段は、前記燃料電池本体の出力電圧と出力電流の積より求められる平均出力と、予め延べ運転時間に対応して設定された平均出力との比較結果より延べ運転時間を判定することを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか一記載の発明において、運転時間判定手段は、前記燃料電池本体の延べ運転時間を計測するタイマーを有することを特徴としている。

請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか一記載の燃料電池システムを電源として使用した電子機器である。

本発明によれば、燃料電池本体の延べ運転時間に対しても常に最高出力を発生することができる燃料電池システム及び電子機器を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示している。

図１において、１は燃料電池本体（ＤＭＦＣ）で、この燃料電池本体１は、起電部を構成する燃料電池発電部（セル）１０１、液体燃料を収容する燃料収容部１０２、燃料収容部１０２と燃料電池発電部（セル）１０１を接続する流路１０３及び燃料収容部１０２から燃料電池発電部（セル）１０１に液体燃料を移送するための燃料供給制御手段としてのポンプ１０４を有している。

図２は、このような燃料電池本体１をさらに詳細に説明するための断面図である。

この場合、燃料電池発電部１０１は、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／酸化剤極）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）伝導性の電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を有している。

ここで、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には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にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ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。

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。

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。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばＡｕ、Ｎｉのような導電性金属材料からなる多孔質層（例えば、メッシュ）、多孔質膜、箔体あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。電解質膜１７と後述する燃料分配機構１０５およびカバープレート１８との間には、それぞれゴム製のＯリング１９が介在されており、これらによって燃料電池発電部１０１からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

カバープレート１８は酸化剤である空気を取入れるための不図示の開口を有している。カバープレート１８とカソード１６との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、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。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。

燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３側には、燃料分配機構１０５が配置されている。燃料分配機構１０５には配管のような液体燃料の流路１０３を介して燃料収容部１０２が接続されている。

燃料収容部１０２には、燃料電池発電部１０１に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、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１０２には燃料電池発電部１０１に応じた液体燃料が収容される。

燃料分配機構１０５には燃料収容部１０２から流路１０３を介して燃料が導入される。流路１０３は燃料分配機構１０５や燃料収容部１０２と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ燃料の流路であってもよい。燃料分配機構１０５は流路１０３を介して燃料収容部１０２と接続されていればよい。

ここで、燃料分配機構１０５は図３に示すように、燃料が流路１０３を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口２１と、燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口２２とを有する燃料分配板２３を備えている。燃料分配板２３の内部には図２に示すように、燃料注入口２１から導かれた燃料の通路となる空隙部２４が設けられている。複数の燃料排出口２２は燃料通路として機能する空隙部２４にそれぞれ直接接続されている。

燃料注入口２１から燃料分配機構１０５に導入された燃料は空隙部２４に入り、この燃料通路として機能する空隙部２４を介して複数の燃料排出口２２にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口２２には、例えば燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３には燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構１０５とアノード１３との間に気液分離膜等として設置してもよい。燃料の気化成分は複数の燃料排出口２２からアノード１３の複数個所に向けて排出される。

燃料排出口２２は燃料電池発電部１０１の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板２３のアノード１３と接する面に複数設けられている。燃料排出口２２の個数は２個以上であればよいが、燃料電池発電部１０１の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ²の燃料排出口２２が存在するように形成することが好ましい。

燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２の間を接続する流路１０３には、燃料移送制御手段としてのポンプ１０４が挿入されている。このポンプ１０４は燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部１０２から燃料分配機構１０５に燃料を移送する燃料供給ポンプである。このようなポンプ１０４で必要時に燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めるものである。この場合、ポンプ１０４としては、少量の燃料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、ロータリーベーンポンプ、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。ロータリー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。

また、ポンプ１０４には、後述する燃料供給制御回路５が接続され、ポンプ１０４の駆動が制御される。この点については後述する。

このような構成において、燃料収容部１０２に収容された燃料は、ポンプ１０４により流路１０３を移送され、燃料分配機構１０５に供給される。そして、燃料分配機構１０５から放出された燃料は、燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３に供給される。燃料電池発電部１０１内において、燃料はアノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。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で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。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、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …(1)
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、いわゆる出力として負荷側に供給された後、カソード（空気極）１６に導かれる。また、(1)式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で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成される。

６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …(2)
図１に戻って、このように構成された燃料電池本体１には、出力検出部６及び出力調整手段としてＤＣ−ＤＣコンバータ（電圧調整回路）２が接続されている。出力検出部６は、燃料電池発電部（セル）１０１の出力として、例えば出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを検出し、これら出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏに対応する検出信号を制御部７に出力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、不図示のスイッチング要素とエネルギー蓄積要素を有し、これらスイッチング要素とエネルギー蓄積要素により燃料電池本体１で発電された電気エネルギーを蓄積／放出させ、燃料電池本体１からの比較的低い出力電圧を十分の電圧まで昇圧して生成される出力を発生する。このＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力は、補助電源４に供給される。

なお、ここでは標準的な昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ２を示したが、昇圧動作が可能なものならば、他の回路方式のものでも実施可能である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力端には、補助電源４が接続され、所謂ハイブリッド型燃料電池を構成している。この補助電源４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力により充電可能としたもので、電子機器本体３の瞬間的な負荷変動に対して電流を供給し、また、燃料枯渇状態になって前記燃料電池本体１が発電不能に陥った場合に電子機器本体３の駆動電源として用いられる。この補助電源４には、充放電可能な二次電池(例えばリチウムイオン充電池（ＬＩＢ）)や電気二重層コンデンサ）が用いられる。

補助電源４には、燃料供給制御回路５が接続されている。燃料供給制御回路５は、補助電源４を電源としてポンプ１０４の動作を制御するもので、制御部７の指示に基づいてポンプ１０４をオン／オフ制御する。

燃料供給制御回路５には、制御部７が接続されている。制御部７は、システム全体を制御するもので、運転時間判定部７０１、制御要素設定手段としての出力電圧設定部７０２、ポンプ制御信号発生部７０３を有している。運転時間判定部７０１は、燃料電池本体１の延べ運転時間を判定するもので、ここでは出力検出部６より検出される燃料電池発電部（セル）１０１の出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏより平均出力ＰAを求めるとともに、この平均出力ＰAに基づいて燃料電池本体１の延べ運転時間を判定する。この場合の延べ運転時間の判定は、例えば、燃料電池本体１の初期状態と所定の延べ運転時間でのそれぞれの燃料電池本体１の平均出力を予め設定しておき、この設定された平均出力と上述の平均出力ＰAとの比較結果より延べ運転時間を判定する。ここでは、初期状態の他に、延べ運転時間が２０００時間経過した状態と延べ運転時間が４０００時間経過した状態をそれぞれ判定する。出力電圧設定部７０２は、図６に示すように運転時間判定部７０１で判定された結果に基づいて、対応する最高出力ＰM１、ＰM２、ＰM３を取出し可能な制御要素として出力電圧Ｖｏの最適値Ｖｏ１、Ｖｏ２、Ｖｏ３を設定する。ポンプ制御信号発生部７０３は、出力電圧設定部７０２で設定された各最適値に応じてポンプ１０４のオン／オフ信号を出力する。

次に、このように構成された実施の形態の作用を説明する。

いま、補助電源４の出力が、燃料供給制御回路５に電源として供給されると、燃料供給制御回路５は、ポンプ制御信号発生部７０３のオン／オフ信号に基づいてポンプ１０４の制御信号を出力する。これにより、燃料収容部１０２に収容される液体燃料がポンプ１０４により流路１０３を介して燃料電池発電部１０１に供給され、燃料電池発電部１０１より発電出力が発生する。

燃料電池発電部１０１の発電出力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２により昇圧され、電子機器本体３に供給される。同時に、補助電源４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力により充電される。これにより、電子機器本体３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２から供給される電力を電源として動作される。

この状態で、出力検出部６により燃料電池発電部（セル）１０１の出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを検出し、これら出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏに対応する検出信号を制御部７に出力する。制御部７は、運転時間判定部７０１により、出力検出部６より検出される検出信号に基づいて燃料電池発電部（セル）１０１より出力される平均出力ＰAを求めとともに、この平均出力ＰAと予め設定された平均出力との比較結果より燃料電池本体１の延べ運転時間を判定する。いま、判定された延べ運転時間が初期状態の範囲であれば、出力電圧設定部７０２は、このときの判定に基づいて初期状態に対応する最高出力ＰM１を取出し可能な出力電圧Ｖｏの最適値Ｖｏ１を設定する。これにより、ポンプ制御信号発生部７０３は、出力電圧設定部７０２で設定された出力電圧Ｖｏの最適値Ｖｏ１に応じてポンプ１０４のオン／オフ信号を出力し、燃料電池発電部１０１は、図６（ａ）に示すように出力電圧Ｖｏが常に最適値Ｖｏ１になるように制御されるので、最高出力ＰM１を取出すことが可能となり、負荷要求に対して出力を有効に利用することができる。

その後、経過時間判定部７０１での平均出力ＰAに基づいた延べ運転時間の判定で、初期状態から２０００時間経過した状態が判定されると、出力電圧設定部７０２は、このときの判定結果に基づいて延べ運転時間２０００時間に対応する最高出力ＰM２を取出し可能な出力電圧Ｖｏの最適値Ｖｏ２を設定する。これにより、ポンプ制御信号発生部７０３は、出力電圧設定部７０２で設定された出力電圧Ｖｏの最適値Ｖｏ２に応じてポンプ１０４のオン／オフ信号を出力し、燃料電池発電部１０１は、図６（ｂ）に示すように出力電圧Ｖｏが常に最適値Ｖｏ２になるように制御されるので、最高出力ＰM２を取出すことが可能となり、この状態でも、負荷要求に対して出力を有効に利用することができる。

さらに、経過時間判定部７０１での平均出力ＰAに基づいた延べ運転時間の判定で、初期状態から４０００時間経過した状態が判定されると、出力電圧設定部７０２は、このときの判定結果に基づいて延べ運転時間が４０００時間に対応する最高出力ＰM３を取出し可能な出力電圧Ｖｏの最適値Ｖｏ３を設定する。これにより、ポンプ制御信号発生部７０３は、出力電圧設定部７０２で設定された出力電圧Ｖｏの最適値Ｖｏ３に応じてポンプ１０４のオン／オフ信号を出力し、燃料電池発電部１０１は、図６（ｃ）に示すように出力電圧Ｖｏが常に最適値Ｖｏ３になるように制御されるので、最高出力ＰM３を取出すことが可能となり、この状態でも、負荷要求に対して出力を有効に利用することができる。

したがって、このようにすれば、燃料電池本体１の平均出力ＰAに応じて運転時間判定部７０１でにより延べ運転時間を判定し、この判定された延べ運転時間に基づいて、出力電圧設定部７０２により延べ運転時間に対応する最高出力を燃料電池本体１より取出し可能な出力電圧Ｖｏの最適値を設定し、この設定された出力電圧Ｖｏの最適値に基づいて燃料電池本体１の出力を制御するようにした。これにより、燃料電池本体１の長期使用により出力低下が生じても、燃料電池本体１の運転条件として、その時点に最適な運転条件を採用することができるので、燃料電池本体１より常に最高出力を取出すことが可能となり、負荷要求に対して燃料電池本体１の出力を有効に利用することができる。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、初期状態から所定の延べ運転時間を経過した燃料電池発電部１０１より最高出力を取出し可能にするための出力電圧Ｖｏの最適値を設定し、この最適値に基づいて出力を制御するようにしたが、この第２の実施の形態では、初期状態から所定の延べ運転時間を経過した燃料電池発電部１０１より最高出力を取出し可能にするための出力電流Ｉｏの最適値を設定し、この最適値に基づいて出力を制御するようにしている。

この場合、図１において、制御部７は、制御要素設定手段として出力電圧設定部７０２に代えて出力電流設定部７０４を設ける。この出力電流設定部７０４は、図７に示すように経過時間判定部７０１で判定された延べ運転時間に基づいて、対応する最高出力ＰM１、ＰM２、ＰM３を取出し可能な出力電流Ｉｏの最適値Ｉｏ１、Ｉｏ２、Ｉｏ３を設定する。ポンプ制御信号発生部７０３は、出力電圧設定部７０２で設定された出力電圧Ｉｏの最適値に応じてポンプ１０４のオン／オフ信号を出力する。

このような構成によれば、経過時間判定部７０１での平均出力ＰAに基づいた延べ運転時間の判定で、初期状態が判定されると、出力電流設定部７０４は、このときの判定結果に基づいて初期状態に対応する最高出力ＰM１を取出し可能な出力電流Ｉｏの最適値Ｉｏ１を設定する。これにより、ポンプ制御信号発生部７０３は、出力電圧設定部７０２で設定された出力電流Ｉｏの最適値Ｉｏ１に応じてポンプ１０４のオン／オフ信号を出力し、燃料電池発電部１０１は、図７（ａ）に示すように出力電流Ｉｏが常に最適値Ｉｏ１になるように制御されるので、最高出力ＰM１を取出すことができる。

その後、経過時間判定部７０１において、初期状態から２０００時間経過した状態が判定されると、出力電流設定部７０４は、このときの判定結果に基づいて延べ運転時間２０００時間に対応する最高出力ＰM２を取出し可能な出力電流Ｉｏの最適値Ｉｏ２を設定する。これにより、ポンプ制御信号発生部７０３は、出力電流設定部７０４で設定された出力電流Ｉｏの最適値Ｉｏ２に応じてポンプ１０４のオン／オフ信号を出力し、燃料電池発電部１０１は、図７（ｂ）に示すように出力電流Ｉｏが常に最適値Ｉｏ２になるように制御されるので、最高出力ＰM２を取出すことができる。

さらに、経過時間判定部７０での平均出力ＰAに基づいた延べ運転時間の判定で、初期状態から４０００時間経過した状態が判定されると、出力電流設定部７０４は、このときの判定結果に基づいて延べ運転時間４０００時間に対応する最高出力ＰM３を取出し可能な出力電流Ｉｏの最適値Ｉｏ３を設定する。これにより、ポンプ制御信号発生部７０３は、出力電流設定部７０４で設定された出力電流Ｉｏの最適値Ｉｏ３に応じてポンプ１０４のオン／オフ信号を出力し、燃料電池発電部１０１は、図７（ｃ）に示すように出力電流Ｉｏが常に最適値Ｉｏ３になるように制御されるので、最高出力ＰM２を取出すことができる。

したがって、このようにしても、負荷要求に対して出力を有効に利用することができ、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

（第３の実施の形態）
第１の実施の形態では、初期状態から所定の延べ運転時間を経過した燃料電池発電部１０１より最高出力を取出し可能にするための出力電圧Ｖｏの最適値を設定し、この最適値に基づいて出力を制御するようにしたが、この第３の実施の形態では、初期状態から所定の延べ運転時間を経過した燃料電池発電部１０１より最高出力を取出し可能にするための制御温度Ｔｏの最適値を設定し、この最適値にに基づいて出力を制御するようにしている。

この場合、図１において、燃料電池本体１の燃料電池発電部（セル）１０１に温度検出手段としての温度センサ１０６を設ける。この温度センサ１０６は、燃料電池発電部（セル）１０１の発熱部の温度を検出するもので、例えば、サーミスタや熱電対からなり、図２に示す燃料電池発電部（セル）１０１のカソード(空気極)１６に配置されている。温度センサ１０６は、発熱温度に対応する検出信号を制御部７に出力する。また、制御部７は、制御要素設定手段として出力電圧設定部７０２に代えて制御温度設定部７０５を設ける。この制御温度設定部７０５は、図８に示すように経過時間判定部７０１で判定された延べ運転時間に基づいて、対応する最高出力ＰM１、ＰM２、ＰM３を取出し可能な制御温度Ｔｏの最適値Ｔｏ１、Ｔｏ２、Ｔｏ３を設定する。ポンプ制御信号発生部７０３は、制御温度設定部７０５で設定された制御温度Ｔｏの最適値に応じてポンプ１０４のオン／オフ信号を出力する。

このような構成によれば、経過時間判定部７０１での平均出力ＰAに基づいた延べ運転時間の判定で、初期状態が判定されると、制御温度設定部７０５は、このときの判定結果に基づいて初期状態に対応する最高出力ＰM１を取出し可能な制御温度Ｔｏの最適値Ｔｏ１を設定する。これにより、ポンプ制御信号発生部７０３は、制御温度設定部７０５で設定された制御温度Ｔｏの最適値Ｔｏ１に応じてポンプ１０４のオン／オフ信号を出力し、燃料電池発電部１０１は、図８（ａ）に示すように温度センサ１０６で検出される制御温度Ｔｏが常に最適値になるように制御されるので、最高出力ＰM１を取出すことができる。

その後、経過時間判定部７０１において、初期状態から２０００時間経過した状態が判定されると、制御温度設定部７０５は、このときの判定結果に基づいて延べ運転時間２０００時間に対応する最高出力ＰM２を取出し可能な制御温度Ｔｏの最適値Ｔｏ２を設定する。これにより、ポンプ制御信号発生部７０３は、制御温度設定部７０５で設定された制御温度Ｔｏの最適値Ｔｏ２に応じてポンプ１０４のオン／オフ信号を出力し、燃料電池発電部１０１は、図８（ｂ）に示すように温度センサ１０６で検出される制御温度Ｔｏが常に最適値Ｔｏ２になるように制御されるので、最高出力ＰM２を取出すことができる。

さらに、経過時間判定部７０１での平均出力ＰAに基づいた延べ運転時間の判定で、初期状態から４０００時間経過した状態が判定されると、制御温度設定部７０５は、このときの判定結果に基づいて延べ運転時間４０００時間に対応する最高出力ＰM３を取出し可能な制御温度Ｔｏの最適値Ｔｏ３を設定する。これにより、ポンプ制御信号発生部７０３は、制御温度設定部７０５で設定された制御温度Ｔｏの最適値Ｔｏ３に応じてポンプ１０４のオン／オフ信号を出力し、燃料電池発電部１０１は、図８（ｃ）に示すように制御温度Ｔｏが常に最適値Ｔｏ３になるように制御されるので、最高出力ＰM３を取出すことができる。

したがって、このようにしても、負荷要求に対して出力を有効に利用することができ、第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。

（第４の実施の形態）
第１〜第３の実施の形態では、制御部７の経過時間判定部７０１により出力検出部６より検出される燃料電池発電部（セル）１０１の出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏにより平均出力ＰAを求め、この平均出力ＰAに基づいて初期状態からの延べ運転時間を判定するようにしたが、この第４の実施の形態では、燃料電池本体１の実際の延べ運転時間を直接計測し、この計測結果に基づいて経過時間を得るようにしている。

この場合、図１において、制御部７は、出力電圧設定部７０２に代えてタイマー７０６を設ける。このタイマー７０６は、燃料電池本体１の実際の延べ運転時間を直接計測するもので、この計測に基づいた運転時間を出力する。

このようなタイマー７０６で計測された延べ運転時間を適用しても、第１〜第３の実施の形態で述べたと同様な効果を期待することができる。

その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、上述した実施の形態では、延べ運転時間として、初期状態のほかに、例えば２０００時間と４０００時間の場合を述べたが、これら延べ運転時間は一例であり、種々の延べ運転時間を設定することができる。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

さらに燃料電池発電部へ供給される液体燃料の気化成分においても、全て液体燃料の気化成分を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。

本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示す図。 第１の実施の形態の燃料電池本体を詳細に説明するための断面図。 第１の実施の形態の燃料電池本体に用いられる燃料分配機構の斜視図。 第１の実施の形態の燃料電池本体の出力である電流と電圧の関係を示す図。 第１の実施の形態の燃料電池本体の延べ運転時間ごとの電流と電圧の関係を示す図。 第１の実施の形態の燃料電池本体の延べ運転時間ごとの出力電圧と出力の関係を示す図。 本発明の第２の実施の形態の燃料電池本体の延べ運転時間ごとの出力電流と出力の関係を示す図。 本発明の第３の実施の形態の燃料電池本体の延べ運転時間ごとの制御温度と出力の関係を示す図。

符号の説明

１…燃料電池本体、１０１…燃料電池発電部
１０２…燃料収容部、１０３…流路
１０４…ポンプ、１０５…燃料分配機構
１０６…温度センサ、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３…電子機器本体
４…補助電源、５…燃料供給制御回路
６…出力検出部、７…制御部、
７０１…運転時間判定部、７０２…出力電圧設定部、
７０３…ポンプ制御信号発生部、７０４…出力電流設定部
７０５…制御温度設定部、７０６…タイマー
１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層
１３…アノード、１４…カソード触媒層
１５…カソードガス拡散層、１６…カソード
１７…電解質膜、１８…カバープレート
１９…Ｏリング、２１…燃料注入口
２２…燃料排出口、２３…燃料分配板
２４…空隙部

Claims (7)

1. 燃料供給により電力を発電する燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体の延べ運転時間を判定する運転時間判定手段と、
   前記運転時間判定手段で判定された延べ運転時間に基づいて、これら延べ運転時間に対応する最高出力を前記燃料電池本体より取出し可能とする制御要素の最適値を設定する制御要素設定手段と、
   制御要素設定手段で設定された制御要素の最適値に基づいて前記燃料電池本体の出力を制御する制御手段と、
   を具備したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 制御要素設定手段は、前記延べ運転時間に対応する最高出力を取出し可能な制御要素として前記燃料電池本体の出力電圧の最適値を設定する出力電圧設定手段を有し、
   前記制御手段は、前記出力電圧設定手段で設定された出力電圧の最適値に基づいて前記燃料電池本体の出力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。
3. 制御要素設定手段は、前記延べ運転時間に対応する最高出力を取出し可能な制御要素として前記燃料電池本体の出力電流の最適値を設定する出力電流設定手段を有し、
   前記制御手段は、前記出力電流設定手段で設定された出力電流の最適値に基づいて前記燃料電池本体の出力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。
4. 制御要素設定手段は、前記延べ運転時間に対応する最高出力を取出し可能な制御要素として前記燃料電池本体の制御温度の最適値を設定する制御温度設定手段を有し、
   前記制御手段は、前記制御温度設定手段で設定された制御温度の最適値に基づいて前記燃料電池本体の出力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。
5. 運転時間判定手段は、前記燃料電池本体の出力電圧と出力電流の積より求められる平均出力と、予め延べ運転時間に対応して設定された平均出力との比較結果より延べ運転時間を判定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一記載の燃料電池システム。
6. 運転時間判定手段は、前記燃料電池本体の延べ運転時間を計測するタイマーを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一記載の燃料電池システム。
7. 請求項１乃至６のいずれか一記載の燃料電池システムを電源として使用した電子機器。

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