燃料電池システム、および燃料電池の出力制御方法
【課題】充放電可能な二次電池と燃料電池の劣化を抑制し、かつ高効率なシステムを実現するための出力制御方法を有する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】充放電可能な二次電池１２５と二次電池１２５を充電する燃料電池１０２とを備える燃料電池システムにおいて、二次電池１２５の残容量を監視し、残容量に応じて燃料電池１０２を起動または停止する機能と、燃料電池１０２の電圧を監視する機能と、燃料電池１０２の電圧が予め定めた管理電圧範囲を下回った場合は、燃料電池１０２の出力を減らす機能と、燃料電池１０２の電圧が管理電圧範囲を上回った場合は、燃料電池１０２の出力を増やす機能とを有する制御手段１２７を備える。
【解決手段】充放電可能な二次電池１２５と二次電池１２５を充電する燃料電池１０２とを備える燃料電池システムにおいて、二次電池１２５の残容量を監視し、残容量に応じて燃料電池１０２を起動または停止する機能と、燃料電池１０２の電圧を監視する機能と、燃料電池１０２の電圧が予め定めた管理電圧範囲を下回った場合は、燃料電池１０２の出力を減らす機能と、燃料電池１０２の電圧が管理電圧範囲を上回った場合は、燃料電池１０２の出力を増やす機能とを有する制御手段１２７を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体有機化合物を燃料とする燃料電池システムに関し、より詳細には、燃料電池の出力を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体有機化合物を燃料とする燃料電池には、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルなどの液体有機化合物を燃料とする固体高分子形燃料電池がある。これらの固体高分子形燃料電池は、騒音が小さい、運転温度が低い（約７０〜８０℃）、燃料の補給が容易であるなどの特長を有する。そのため、可搬式電源、電気自動車の電源、または電動バイクやアシスト式自転車、さらには医療介護用の車椅子やシニアカーなどの軽車両用電源として、幅広い用途が期待されている。
【０００３】
これらの燃料電池の中で、メタノールを燃料とする直接メタノール型燃料電池（以下、「ＤＭＦＣ」と称する。）は、改質器を省略できる点、燃料を室温で補給できる点、出力に対する燃料コストがガソリン等よりも安い点、および５０〜７０℃の比較的低温で発電できるので起動時間が短い点などの利点を有している。特に、燃料をポンプ等により強制的に流通させる“アクティブ式”ＤＭＦＣは、数十Ｗから数百Ｗの高い出力が得られ、電子機器や照明器具などの比較的低電力機器の給電に適している。また、セルサイズの大型化や積層セル数の増加により１ｋＷ以上のＤＭＦＣを用いれば、移動体にも適用可能である。
【０００４】
従来の技術によると、燃料電池を電源装置として構成する場合、特許文献１または２に記載されているように、燃料電池と充放電が可能な二次電池とを併用することがある。
【０００５】
特許文献１には、二次電池の容量に対して所定範囲を設け、二次電池の容量が所定範囲以上の場合は燃料電池の出力を停止することで、二次電池の過充電を防止する例が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、二次電池の充電残容量に応じて、効率が高くなるような条件で燃料電池の出力を決定することで、システム総合効率の良い燃料電池システムを提供する例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３４１７１号公報
【特許文献２】特開平７−２４０２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明により解決する課題は、二次電池の充放電による劣化と燃料電池の急激な負荷変動による劣化を同時に抑制することである。
【０００９】
従来技術では、二次電池の充電残容量に対応して燃料電池の出力を決める運転方法が開示されている。この技術では、二次電池の劣化を抑制することは可能であるものの、急激な負荷変動による燃料電池の劣化を増長する懸念がある。例えば、二次電池の充電容量のある特定値付近で外部の要求出力が変動する場合には、二次電池の充電容量が短時間にこの特定値を上回ったり下回ったりし、燃料電池の出力が短時間で切り替わることが想定される。燃料電池の発電も電気化学的な反応に基づくため、短時間での負荷変動が繰り返されることにより、燃料電池の劣化が進行する可能性が考えられる。
【００１０】
したがって、充放電可能な二次電池と燃料電池が電気的に接続された燃料電池システムにおいて、二次電池だけでなく燃料電池の劣化の進行も抑制できる出力制御方法の確立が必要となる。
【００１１】
本発明の目的は、充放電可能な二次電池と燃料電池の劣化を抑制し、かつ高効率なシステムを実現するための出力制御方法を有する燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による燃料電池システムは、次のような特徴を有する。充放電可能な二次電池と前記二次電池を充電する燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、前記二次電池の残容量を監視し、前記残容量に応じて前記燃料電池を起動または停止する機能と、前記燃料電池の電圧を監視する機能と、前記燃料電池の電圧が予め定めた管理電圧範囲を下回った場合は、前記燃料電池の出力を減らす機能と、前記燃料電池の電圧が前記管理電圧範囲を上回った場合は、前記燃料電池の出力を増やす機能とを有する制御手段を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、二次電池および燃料電池の劣化の進行を抑えることが可能な燃料電池システムと燃料電池の出力制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態による燃料電池システムの外観図である。
【図３】本発明の実施形態における、燃料電池の出力制御方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態における、燃料電池の出力の変化の一例を示す図である。
【図５】従来技術による、燃料電池の出力の変化の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
発明者は、外部からの要求出力が急激に変動する場合でも、二次電池および燃料電池の劣化の進行を抑えることができる燃料電池システムと燃料電池の出力制御方法について鋭意検討し、新規な燃料電池システムと燃料電池の出力制御方法を確立した。
【００１６】
以下に、本発明による燃料電池システムの実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。本実施形態では、燃料電池の一例として、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に挙げて説明する。もちろん、本発明はＤＭＦＣ以外の燃料電池にも適用できる。
【００１７】
図１は、燃料電池システムの構成を示す図である。本燃料電池システムは、持ち運びが可能な可搬向け電源を想定した一例である。本燃料電池システムは、二次電池１２５を含む電源部と、燃料電池１０２を含む燃料電池部１０１とを備える。燃料電池１０２は、燃料電池部１０１のほぼ中央に位置する。
【００１８】
上述したように、本実施形態では、燃料電池１０２はＤＭＦＣである。燃料電池１０２の発電に使われる燃料は、メタノールタンク１０３に充填されているメタノールである。メタノールタンク１０３に貯蔵されているメタノールは、１００％のメタノールでも良いが、一般的には、水で希釈されて燃料電池１０２の発電に使われる燃料よりも高濃度のメタノール水溶液が用いられる。その濃度は、概ね４０％以上である。
【００１９】
メタノールタンク１０３の中から必要量のメタノールが、バルブやポンプからなるメタノール供給手段１０４によって燃料タンク１０８に導入される。メタノール供給手段１０４は、メタノール濃度に応じて動作する。
【００２０】
メタノール濃度を検知する方法には、任意の方法を用いることができる。例えば、光学式、超音波式、弾性表面波式その他の濃度検出素子を用いる方法や、燃料電池１０２の温度、電圧、または電流等を計測し、その計測値から濃度を予測する方法などから、所望のものを選択することができる。本実施形態では、燃料タンク１０８に設けた濃度検出素子１１２を用いた場合を例として説明する。
【００２１】
メタノール供給手段１０４の動作方法としては、濃度検出素子１１２で検出したメタノール濃度が予め定めた所定濃度以下になったときに動作させる方法や、濃度検出素子１１２で検出したメタノール濃度と予め定めた所定濃度との差分に応じて供給量を決定する方法がある。これらの制御には、マイコン等で構成された燃料電池自動運転制御機構１２０が用いられる。燃料電池自動運転制御機構１２０は、燃料制御ライン１２２を介してメタノール供給手段１０４と接続される。
【００２２】
燃料タンク１０８には、メタノールタンク１０３からメタノール供給手段１０４によりメタノールが供給され、冷却水タンク１０６から水供給手段１０７により水が供給される。水供給手段１０７は、水制御ライン１２３を介して接続された燃料電池自動運転制御機構１２０により、水の供給量が制御される。燃料タンク１０８は、所定の濃度範囲に制御されたメタノール水溶液を一時的に貯蔵する機能のほか、メタノールタンク１０３や冷却水タンク１０６からメタノールや水が補充されたときにメタノール濃度を均一にする機能も有する。
【００２３】
また、燃料タンク１０８には、燃料タンク１０８内の燃料の液位を検知することができる液面検知手段１１３が設けられている。液面検知手段１１３により、燃料タンク１０８内の燃料の液位が所定の位置以上または所定の位置未満であるかを判別することができる。液面検知手段１１３が燃料の液位を検知すると、燃料タンク１０８は、例えば、燃料の液位が所定の位置以上であれば「ＨＩＧＨ」、所定の位置未満であれば「ＬＯＷ」というような信号を、濃度信号ライン１２１を介して燃料電池自動運転制御機構１２０へ出力する。このようにして、液面の位置を判別することができる。
【００２４】
燃料タンク１０８に収容されているメタノール水溶液の一部は、燃料循環ポンプ１０９によって燃料循環ライン１０５を経由し、燃料電池１０２に供給される。供給された燃料の内、未反応のメタノール水溶液は、燃料循環ライン１０５を経由して再び燃料タンク１０８に戻される。
【００２５】
燃料電池１０２のアノード上でのメタノール酸化反応によって発生した二酸化炭素は、燃料電池１０２では、溶存あるいは微小な気泡として存在する。この二酸化炭素は、燃料循環ライン１０５を経由して燃料タンク１０８に移り、燃料タンク１０８の気相に大半が放出される。燃料タンク１０８は、気相の圧力が増加すると、上方に設置された気液分離膜１１０を通して、二酸化炭素を燃料電池部１０１の外部に放出する。気液分離膜１１０には、触媒処理反応器を設け、微量の有機物を除去する機構を付与しても良い。
【００２６】
空気は、ファンやその他の空気供給手段１１１から燃料電池１０２に供給され、カソード上で水を生成する。
【００２７】
発電後の排気ガスは、燃料電池部１０１の外部に放出される。排気ガスの出口に気液分離膜と冷却器を設置して、排気ガスから水を回収し、冷却水タンク１０６に戻す方法も採ることができる。
【００２８】
濃度検出素子１１２の設置場所は、メタノール水溶液が循環するライン上であれば特に制限はないが、本実施形態では燃料タンク１０８内に設置する。メタノール濃度をより迅速に計測するためには、燃料タンク１０８または燃料タンク１０８に近い場所に濃度検出素子１１２を設置することが望ましい。燃料タンク１０８または燃料タンク１０８に近い場所に濃度検出素子１１２を設けることで、計測の時間遅れを回避し、濃度制御を迅速に行うことができる。このような構成によって、メタノール濃度を調整した燃料を、燃料タンク１０８から燃料電池１０２に供給することができる。
【００２９】
燃料電池部１０１は、二次電池充電／給電回路１２６を介して二次電池１２５と電気的に接続され、発電で得た電力で二次電池１２５を充電する。燃料電池電力制御回路１２７は、二次電池残容量検出ライン１２８を介して二次電池１２５の充電容量（残容量）を監視し、さらには燃料電池電圧検出ライン１２９を介して燃料電池１０２の電圧を、燃料電池電流検出ライン１３０および電流センサ１２４を介して燃料電池１０２の電流を、それぞれ監視する。燃料電池電力制御回路１２７は、二次電池１２５の充電容量、および燃料電池１０２の電圧と電流についての情報に基づき、燃料電池電力制御ライン１３１を介して二次電池充電／給電回路１２６へ指令を与えることで、燃料電池１０２の起動、発電停止、および出力の制御を行うことができる。
【００３０】
図２は、燃料電池システムの外観図である。図２では、二次電池１２５、燃料電池部１０１に含まれる燃料電池１０２、燃料タンク１０８、および燃料電池自動運転制御機構１２０を示している。
【００３１】
図３は、本発明の実施形態による燃料電池システムにおいて、燃料電池の出力制御方法を示すフローチャートである。本実施形態による燃料電池システムにおける燃料電池の出力制御方法の一例について、図３を用いて説明する。
【００３２】
以下の説明では、燃料電池の出力とは燃料電池が供給する電力のことであるが、燃料電池が供給する電流を出力としてもよい。
【００３３】
本実施形態では、燃料電池の出力状態のパラメータ（以下、「出力パラメータ」と称する）をＣで表し、出力パラメータがＣのときの燃料電池の出力をＰ（Ｃ）で表す。燃料電池が起動しているが出力していない状態、すなわち二次電池を充電していないようなアイドリング状態をＰ（０）で表し、このときの出力状態をＣ＝０で表す。すなわち、Ｐ（０）＝０である。
【００３４】
本実施形態では、燃料電池の発電時の出力を、出力の大きさに応じてＰ（１）、Ｐ（２）、およびＰ（３）の３段階に分割し、それぞれの出力状態をＣ＝１、２、および３で表す。燃料電池が定格出力で発電している状態をＣ＝３と設定した。すなわち、Ｐ（３）は定格出力である。
【００３５】
各々の出力の大きさは、
Ｐ（０）＜Ｐ（１）＜Ｐ（２）＜Ｐ（３）
という関係とした。燃料電池の出力状態間での出力の差、すなわち、Ｐ（３）−Ｐ（２）、Ｐ（２）−Ｐ（１）、およびＰ（１）−Ｐ（０）の値は、等しくても等しくなくてもよい。
【００３６】
燃料電池の発電時の出力を３段階に分割することで、出力の大きさが短時間のうちに激しく変わることを防ぐことができる。したがって、負荷変動が短時間で繰り返すことを防止でき、燃料電池の劣化の進行を抑制することができる。
【００３７】
本実施形態では、燃料電池の発電時の出力を３段階（すなわち出力Ｐ（１）〜Ｐ（３））に分割した。発電時の出力の分割数は、２以上であればよく、特に制限はない。燃料電池の出力状態を変えたときに出力の変化量（すなわち、出力状態間での出力の差）が小さくなるように分割数を定めて、出力状態を分割すればよい。好ましい分割数は、燃料電池の定格出力にもよるが、燃料電池システムの構成や出力の制御の煩雑さを考慮すると、２〜５である。
【００３８】
さらに、本実施形態では、燃料電池の電圧に管理電圧範囲を設定する。管理電圧範囲は、燃料電池の電圧の所定値ＬとＨ（ただしＬ＜Ｈ）により定められ、Ｌ以上Ｈ以下の電圧の範囲である。所定値ＬとＨは、電極の劣化が進行しない電圧の範囲、過渡状態での電圧降下幅、安全率、および燃料電池のスタックのセル数などに応じて、適切に定めることができる。本実施形態による燃料電池システムでは、燃料電池の電圧Ｖが管理電圧範囲内の値になるように、すなわちＬ≦Ｖ≦Ｈとなるように、燃料電池の出力を制御する。
【００３９】
具体的には、燃料電池の電圧Ｖが管理電圧範囲を下回った場合（Ｖ＜Ｌ）は、燃料電池の出力を減らして電圧Ｖが所定値Ｌ以上（Ｖ≧Ｌ）となるようにし、電圧Ｖが管理電圧範囲を上回った場合（Ｖ＞Ｈ）は、出力を増やして電圧Ｖが所定値Ｈ以下（Ｖ≦Ｈ）となるようにする。燃料電池の発電時の出力を増減するときは、出力の大きさを１段階ずつ変える。本実施形態では、出力を増やすときはＰ（１）からＰ（２）へ、Ｐ（２）からＰ（３）へと１段階ずつ変え、出力を減らすときはＰ（３）からＰ（２）へ、Ｐ（２）からＰ（１）へと１段階ずつ変える。
【００４０】
このようにして、発電時の出力を２段階以上に分割し、適切な管理電圧範囲を設定して電圧Ｖが管理電圧範囲内の値（Ｌ≦Ｖ≦Ｈ）となるように、燃料電池の出力を制御する。この結果、燃料電池の電圧Ｖは、二次電池の残容量が急激に所定値Ａを上回ったり下回ったりする変化を起こした場合でも、急激な変化が緩和されるとともに、電極の劣化を起こさないように管理電圧範囲内に留まるように制御される。このため、二次電池だけでなく燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００４１】
また、二次電池の残容量について、所定値Ａを設定する。所定値Ａは、二次電池の満充電容量や燃料電池の定格出力などに応じて定める任意の値とすることができる。本燃料電池システムでは、二次電池の残容量を監視し、二次電池の残容量が所定値Ａ未満になると、燃料電池により二次電池を充電する。
【００４２】
出力パラメータＣ、燃料電池の出力Ｐ（Ｃ）、燃料電池の管理電圧範囲（電圧の所定値ＬとＨ）、および二次電池の残容量の所定値Ａは、予め定めて燃料電池電力制御回路１２７に設定する。燃料電池電力制御回路１２７は、これらの値に基づいて燃料電池の出力を制御する。
【００４３】
以下、図３を用いて、燃料電池の出力制御方法の一例を説明する。燃料電池の出力制御は、燃料電池電力制御回路１２７が実行する。
【００４４】
燃料電池システムの起動後、燃料電池電力制御回路１２７には、二次電池残容量検出ライン１２８を介して、二次電池１２５の残容量信号が入力される（Ｓ１）。
【００４５】
燃料電池電力制御回路１２７は、入力した残容量信号を基に、二次電池１２５の残容量が所定値Ａ以上か否かを判断する（Ｓ２）。
【００４６】
二次電池１２５の残容量が所定値Ａ以上の場合、燃料電池電力制御回路１２７は、燃料電池電圧検出ライン１２９および燃料電池電流検出ライン１３０を介して、燃料電池１０２が発電して出力しているかを判断する（Ｓ３）。
【００４７】
燃料電池１０２が出力している場合は、燃料電池１０２の発電を停止させる（Ｓ４）。
【００４８】
Ｓ２において、二次電池１２５の残容量が所定値Ａ未満の場合には、燃料電池電力制御回路１２７は、燃料電池電圧検出ライン１２９および燃料電池電流検出ライン１３０を介して、燃料電池１０２が発電して出力しているかを判断する（Ｓ５）。
【００４９】
燃料電池１０２が出力していない場合は、燃料電池を起動させ（Ｓ６）、出力パラメータをＣ＝０とする（Ｓ７）。出力パラメータＣの値は、燃料電池電力制御回路１２７に記憶される。
【００５０】
Ｓ５で燃料電池１０２の出力の有無を確認後、またはＳ７で出力パラメータをＣ＝０とした後、燃料電池電力制御回路１２７には、燃料電池１０２の電圧信号が燃料電池電圧検出ライン１２９を介して入力される（Ｓ８）。燃料電池電力制御回路１２７は、入力した電圧信号を基に、燃料電池１０２の電圧Ｖを検知する。
【００５１】
この後、出力パラメータＣの値および燃料電池１０２の電圧Ｖに応じて、燃料電池１０２の発電出力Ｐ（Ｃ）を決定する。Ｓ５で燃料電池１０２が発電して出力している場合には、出力パラメータＣの値は、後述するように１〜３のいずれかに設定されて燃料電池電力制御回路１２７に記憶されている。以下、Ｓ８で燃料電池１０２の電圧信号を入力した後の制御方法について、出力パラメータＣの値毎に説明する。出力パラメータＣの値は、Ｓ９、Ｓ１５、Ｓ２０で判断する。
【００５２】
出力パラメータＣ＝３、すなわち燃料電池１０２が定格出力で発電している場合（Ｓ９）は、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ以上か否かを判断する（Ｓ１０）。
【００５３】
燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ以上の場合は、燃料電池１０２の出力をＰ（３）、すなわち定格出力としたままで発電を継続する（Ｓ１１）。そして、出力パラメータＣをＣ＝３とし（Ｓ１２）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００５４】
Ｓ１０で燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ未満の場合（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を下回った場合）は、燃料電池１０２の出力をＰ（２）に変更して発電する（Ｓ１３）。そして、出力パラメータＣをＣ＝２とし（Ｓ１４）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００５５】
出力パラメータがＣ＝２の場合（Ｓ１５）は、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈより大きいか否かを判断する（Ｓ１６）。
【００５６】
燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈより大きい場合（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を上回った場合）は、燃料電池１０２の出力をＰ（３）に変更して発電する（Ｓ１１）。そして、出力パラメータＣをＣ＝３とし（Ｓ１２）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００５７】
Ｓ１６で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定Ｈ以下の場合、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ以上か否かを判断する（Ｓ１７）。
【００５８】
燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ以上の場合は、燃料電池１０２の出力をＰ（２）としたままで発電を継続する（Ｓ１３）。そして、出力パラメータＣをＣ＝２とし（Ｓ１４）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００５９】
Ｓ１７で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ未満の場合（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を下回った場合）は、燃料電池１０２の出力をＰ（１）に変更して発電する（Ｓ１８）。そして、出力パラメータＣをＣ＝１とし（Ｓ１９）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００６０】
出力パラメータがＣ＝１の場合（Ｓ２０）は、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈより大きいか否かを判断する（Ｓ２１）。
【００６１】
燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈより大きい場合（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を上回った場合）は、燃料電池１０２の出力をＰ（２）に変更して発電する（Ｓ１３）。そして、出力パラメータＣをＣ＝２とし（Ｓ１４）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００６２】
Ｓ２１で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈ以下の場合は、燃料電池１０２の出力をＰ（１）としたままで発電を継続する（Ｓ１８）。そして、出力パラメータＣをＣ＝１とし（Ｓ１９）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００６３】
出力パラメータがＣ＝０の場合、すなわちＳ２０でＣ＝１でない場合は、燃料電池１０２の出力をＰ（１）に変更して発電する（Ｓ１８）。そして、出力パラメータＣをＣ＝１とし（Ｓ１９）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００６４】
以上説明したＳ９〜Ｓ２１の処理後、すなわち燃料電池１０２の出力Ｐ（Ｃ）および出力パラメータＣの値を決定した後、再びＳ１の処理を行う。
【００６５】
以上のようにして燃料電池の出力を制御すると、燃料電池は、出力と電圧の急激な変化が緩和され、劣化を抑制できる。さらに、燃料電池の出力状態に応じて、効率が高くなるように燃料電池の出力を決定することができる。
【００６６】
（実施例）
図４は、本発明の実施形態による燃料電池システムにおける、燃料電池の出力の変化の一例を示す図である。図４には、二次電池の残容量が所定値Ａの近傍の値を変化した場合に、図３に示した出力制御方法に従って本燃料電池システムが動作したときの燃料電池の出力の変化を例示している。
【００６７】
メタノールタンク１０３に濃度が９０％のメタノール水溶液を投入し、本燃料電池システムを起動したところ、燃料電池１０２の出力の時間変化は、図４のような挙動を示した。図４において、Ｐ（０）＝０Ｗ、Ｐ（１）＝２５Ｗ、Ｐ（２）＝６５Ｗ、Ｐ（３）＝１００Ｗである。
【００６８】
二次電池１２５の残容量が所定値Ａ未満となると、燃料電池１０２に燃料（メタノール）および空気が供給されて発電を開始し、時間ｔ１にて出力２５Ｗ（Ｐ（１））で発電した。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ２、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ１８、およびＳ１９の処理が実行された。時間ｔ１からｔ２では、燃料電池１０２の電圧Ｖは、管理電圧範囲内の値（すなわちＬ≦Ｖ≦Ｈ）となっている。
【００６９】
時間ｔ２で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈより大きくなると（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を上回ると）、燃料電池１０２の出力は６５Ｗ（Ｐ（２））となる。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ２１、Ｓ１３、およびＳ１４の処理が実行された。時間ｔ２からｔ３では、燃料電池１０２の電圧Ｖは、管理電圧範囲内の値（すなわちＬ≦Ｖ≦Ｈ）となっている。
【００７０】
時間ｔ３で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈより大きくなると（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を上回ると）、燃料電池１０２は、定格出力の１００Ｗ（Ｐ（３））で発電した。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ１６、Ｓ１１、およびＳ１２の処理が実行された。時間ｔ３からｔ４では、燃料電池１０２の電圧Ｖは、管理電圧範囲内の値（すなわちＬ≦Ｖ≦Ｈ）となっている。
【００７１】
時間ｔ４で、二次電池１２５の残容量が所定値Ａに達すると、燃料電池１０２は発電を停止した（出力はＰ（０）＝０Ｗ）。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４の処理が実行された。
【００７２】
再び二次電池１２５の残容量が所定値Ａ未満になると、燃料電池１０２は発電を開始し、時間ｔ５〜ｔ８で、時間ｔ１〜ｔ４と同じ動作を繰り返した。
【００７３】
その後、二次電池１２５の残容量が所定値Ａ未満になると、燃料電池１０２は発電を開始し、出力は時間ｔ９〜ｔ１５にて変化した。時間ｔ９〜ｔ１１での出力の変化は、時間ｔ１〜ｔ３での出力の変化と同じなので、説明を省略する。
【００７４】
時間ｔ１２で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ未満になると（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を下回ると）、燃料電池１０２の出力は６５Ｗ（Ｐ（２））となる。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ１０、Ｓ１３、およびＳ１４の処理が実行された。時間ｔ１２からｔ１３では、燃料電池１０２の電圧Ｖは、管理電圧範囲内の値（すなわちＬ≦Ｖ≦Ｈ）となっている。
【００７５】
時間ｔ１３で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ未満になると（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を下回ると）、燃料電池１０２の出力は２５Ｗ（Ｐ（１））となる。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８およびＳ１９の処理が実行された。時間ｔ１３からｔ１４では、燃料電池１０２の電圧Ｖは、管理電圧範囲内の値（すなわちＬ≦Ｖ≦Ｈ）となっている。
【００７６】
時間ｔ１４で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈより大きくなると（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を上回ると）、燃料電池１０２の出力は６５Ｗ（Ｐ（２））となる。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ２１、Ｓ１３、およびＳ１４の処理が実行された。時間ｔ１４からｔ１５では、燃料電池１０２の電圧Ｖは、管理電圧範囲内の値（すなわちＬ≦Ｖ≦Ｈ）となっている。
【００７７】
時間ｔ１５で、二次電池１２５の残容量が所定値Ａに達すると、燃料電池１０２は発電を停止した（出力はＰ（０）＝０Ｗ）。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４の処理が実行された。
【００７８】
（比較例）
図５は、従来の燃料電池システムにおける、燃料電池の出力の変化の一例を示す図である。図５には、二次電池の残容量が所定値Ａの近傍の値を変化した場合に、従来技術と同様な出力制御方法に従って燃料電池システムが動作したときの燃料電池の出力の変化を例示している。
【００７９】
二次電池の残容量が所定値Ａ未満になると、燃料電池は、時間ｔ１’にて定格出力（１００Ｗ）で発電を開始した。
【００８０】
時間ｔ２’で、二次電池の残容量が所定値Ａに達すると、燃料電池は発電を停止した（出力は０Ｗ）。
【００８１】
再び二次電池の残容量が所定値Ａ未満になると、燃料電池は定格出力で（１００Ｗ）発電を開始し、時間ｔ３’〜ｔ４’およびｔ５’〜ｔ６’で、時間ｔ１’〜ｔ２’と同じ動作を繰り返した。
【００８２】
燃料電池の起動と発電停止は、外部からの要求電力にもよるが、数分単位でなされる場合がある。比較例のように短い時間間隔で起動と発電停止を繰り返すと、急激な電位変化により燃料電池は徐々に性能が劣化する。本発明は、このような急激な電位変化を緩和するように出力を制御することで、燃料電池の性能劣化を抑制することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１０１…燃料電池部、１０２…燃料電池、１０３…メタノールタンク、１０４…メタノール供給手段、１０５…燃料循環ライン、１０６…冷却水タンク、１０７…水供給手段、１０８…燃料タンク、１０９…燃料循環ポンプ、１１０…気液分離膜、１１１…空気供給手段、１１２…濃度検出素子、１１３…液面検知手段、１２０…燃料電池自動運転制御機構、１２１…濃度信号ライン、１２２…燃料制御ライン、１２３…水制御ライン、１２４…電流センサ、１２５…二次電池、１２６…二次電池充電／給電回路、１２７…燃料電池電力制御回路、１２８…二次電池残容量検出ライン、１２９…燃料電池電圧検出ライン、１３０…燃料電池電流検出ライン、１３１…燃料電池電力制御ライン。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体有機化合物を燃料とする燃料電池システムに関し、より詳細には、燃料電池の出力を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体有機化合物を燃料とする燃料電池には、メタノール、エタノール、ジメチルエーテルなどの液体有機化合物を燃料とする固体高分子形燃料電池がある。これらの固体高分子形燃料電池は、騒音が小さい、運転温度が低い（約７０〜８０℃）、燃料の補給が容易であるなどの特長を有する。そのため、可搬式電源、電気自動車の電源、または電動バイクやアシスト式自転車、さらには医療介護用の車椅子やシニアカーなどの軽車両用電源として、幅広い用途が期待されている。
【０００３】
これらの燃料電池の中で、メタノールを燃料とする直接メタノール型燃料電池（以下、「ＤＭＦＣ」と称する。）は、改質器を省略できる点、燃料を室温で補給できる点、出力に対する燃料コストがガソリン等よりも安い点、および５０〜７０℃の比較的低温で発電できるので起動時間が短い点などの利点を有している。特に、燃料をポンプ等により強制的に流通させる“アクティブ式”ＤＭＦＣは、数十Ｗから数百Ｗの高い出力が得られ、電子機器や照明器具などの比較的低電力機器の給電に適している。また、セルサイズの大型化や積層セル数の増加により１ｋＷ以上のＤＭＦＣを用いれば、移動体にも適用可能である。
【０００４】
従来の技術によると、燃料電池を電源装置として構成する場合、特許文献１または２に記載されているように、燃料電池と充放電が可能な二次電池とを併用することがある。
【０００５】
特許文献１には、二次電池の容量に対して所定範囲を設け、二次電池の容量が所定範囲以上の場合は燃料電池の出力を停止することで、二次電池の過充電を防止する例が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、二次電池の充電残容量に応じて、効率が高くなるような条件で燃料電池の出力を決定することで、システム総合効率の良い燃料電池システムを提供する例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３４１７１号公報
【特許文献２】特開平７−２４０２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明により解決する課題は、二次電池の充放電による劣化と燃料電池の急激な負荷変動による劣化を同時に抑制することである。
【０００９】
従来技術では、二次電池の充電残容量に対応して燃料電池の出力を決める運転方法が開示されている。この技術では、二次電池の劣化を抑制することは可能であるものの、急激な負荷変動による燃料電池の劣化を増長する懸念がある。例えば、二次電池の充電容量のある特定値付近で外部の要求出力が変動する場合には、二次電池の充電容量が短時間にこの特定値を上回ったり下回ったりし、燃料電池の出力が短時間で切り替わることが想定される。燃料電池の発電も電気化学的な反応に基づくため、短時間での負荷変動が繰り返されることにより、燃料電池の劣化が進行する可能性が考えられる。
【００１０】
したがって、充放電可能な二次電池と燃料電池が電気的に接続された燃料電池システムにおいて、二次電池だけでなく燃料電池の劣化の進行も抑制できる出力制御方法の確立が必要となる。
【００１１】
本発明の目的は、充放電可能な二次電池と燃料電池の劣化を抑制し、かつ高効率なシステムを実現するための出力制御方法を有する燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による燃料電池システムは、次のような特徴を有する。充放電可能な二次電池と前記二次電池を充電する燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、前記二次電池の残容量を監視し、前記残容量に応じて前記燃料電池を起動または停止する機能と、前記燃料電池の電圧を監視する機能と、前記燃料電池の電圧が予め定めた管理電圧範囲を下回った場合は、前記燃料電池の出力を減らす機能と、前記燃料電池の電圧が前記管理電圧範囲を上回った場合は、前記燃料電池の出力を増やす機能とを有する制御手段を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、二次電池および燃料電池の劣化の進行を抑えることが可能な燃料電池システムと燃料電池の出力制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態による燃料電池システムの外観図である。
【図３】本発明の実施形態における、燃料電池の出力制御方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態における、燃料電池の出力の変化の一例を示す図である。
【図５】従来技術による、燃料電池の出力の変化の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
発明者は、外部からの要求出力が急激に変動する場合でも、二次電池および燃料電池の劣化の進行を抑えることができる燃料電池システムと燃料電池の出力制御方法について鋭意検討し、新規な燃料電池システムと燃料電池の出力制御方法を確立した。
【００１６】
以下に、本発明による燃料電池システムの実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。本実施形態では、燃料電池の一例として、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に挙げて説明する。もちろん、本発明はＤＭＦＣ以外の燃料電池にも適用できる。
【００１７】
図１は、燃料電池システムの構成を示す図である。本燃料電池システムは、持ち運びが可能な可搬向け電源を想定した一例である。本燃料電池システムは、二次電池１２５を含む電源部と、燃料電池１０２を含む燃料電池部１０１とを備える。燃料電池１０２は、燃料電池部１０１のほぼ中央に位置する。
【００１８】
上述したように、本実施形態では、燃料電池１０２はＤＭＦＣである。燃料電池１０２の発電に使われる燃料は、メタノールタンク１０３に充填されているメタノールである。メタノールタンク１０３に貯蔵されているメタノールは、１００％のメタノールでも良いが、一般的には、水で希釈されて燃料電池１０２の発電に使われる燃料よりも高濃度のメタノール水溶液が用いられる。その濃度は、概ね４０％以上である。
【００１９】
メタノールタンク１０３の中から必要量のメタノールが、バルブやポンプからなるメタノール供給手段１０４によって燃料タンク１０８に導入される。メタノール供給手段１０４は、メタノール濃度に応じて動作する。
【００２０】
メタノール濃度を検知する方法には、任意の方法を用いることができる。例えば、光学式、超音波式、弾性表面波式その他の濃度検出素子を用いる方法や、燃料電池１０２の温度、電圧、または電流等を計測し、その計測値から濃度を予測する方法などから、所望のものを選択することができる。本実施形態では、燃料タンク１０８に設けた濃度検出素子１１２を用いた場合を例として説明する。
【００２１】
メタノール供給手段１０４の動作方法としては、濃度検出素子１１２で検出したメタノール濃度が予め定めた所定濃度以下になったときに動作させる方法や、濃度検出素子１１２で検出したメタノール濃度と予め定めた所定濃度との差分に応じて供給量を決定する方法がある。これらの制御には、マイコン等で構成された燃料電池自動運転制御機構１２０が用いられる。燃料電池自動運転制御機構１２０は、燃料制御ライン１２２を介してメタノール供給手段１０４と接続される。
【００２２】
燃料タンク１０８には、メタノールタンク１０３からメタノール供給手段１０４によりメタノールが供給され、冷却水タンク１０６から水供給手段１０７により水が供給される。水供給手段１０７は、水制御ライン１２３を介して接続された燃料電池自動運転制御機構１２０により、水の供給量が制御される。燃料タンク１０８は、所定の濃度範囲に制御されたメタノール水溶液を一時的に貯蔵する機能のほか、メタノールタンク１０３や冷却水タンク１０６からメタノールや水が補充されたときにメタノール濃度を均一にする機能も有する。
【００２３】
また、燃料タンク１０８には、燃料タンク１０８内の燃料の液位を検知することができる液面検知手段１１３が設けられている。液面検知手段１１３により、燃料タンク１０８内の燃料の液位が所定の位置以上または所定の位置未満であるかを判別することができる。液面検知手段１１３が燃料の液位を検知すると、燃料タンク１０８は、例えば、燃料の液位が所定の位置以上であれば「ＨＩＧＨ」、所定の位置未満であれば「ＬＯＷ」というような信号を、濃度信号ライン１２１を介して燃料電池自動運転制御機構１２０へ出力する。このようにして、液面の位置を判別することができる。
【００２４】
燃料タンク１０８に収容されているメタノール水溶液の一部は、燃料循環ポンプ１０９によって燃料循環ライン１０５を経由し、燃料電池１０２に供給される。供給された燃料の内、未反応のメタノール水溶液は、燃料循環ライン１０５を経由して再び燃料タンク１０８に戻される。
【００２５】
燃料電池１０２のアノード上でのメタノール酸化反応によって発生した二酸化炭素は、燃料電池１０２では、溶存あるいは微小な気泡として存在する。この二酸化炭素は、燃料循環ライン１０５を経由して燃料タンク１０８に移り、燃料タンク１０８の気相に大半が放出される。燃料タンク１０８は、気相の圧力が増加すると、上方に設置された気液分離膜１１０を通して、二酸化炭素を燃料電池部１０１の外部に放出する。気液分離膜１１０には、触媒処理反応器を設け、微量の有機物を除去する機構を付与しても良い。
【００２６】
空気は、ファンやその他の空気供給手段１１１から燃料電池１０２に供給され、カソード上で水を生成する。
【００２７】
発電後の排気ガスは、燃料電池部１０１の外部に放出される。排気ガスの出口に気液分離膜と冷却器を設置して、排気ガスから水を回収し、冷却水タンク１０６に戻す方法も採ることができる。
【００２８】
濃度検出素子１１２の設置場所は、メタノール水溶液が循環するライン上であれば特に制限はないが、本実施形態では燃料タンク１０８内に設置する。メタノール濃度をより迅速に計測するためには、燃料タンク１０８または燃料タンク１０８に近い場所に濃度検出素子１１２を設置することが望ましい。燃料タンク１０８または燃料タンク１０８に近い場所に濃度検出素子１１２を設けることで、計測の時間遅れを回避し、濃度制御を迅速に行うことができる。このような構成によって、メタノール濃度を調整した燃料を、燃料タンク１０８から燃料電池１０２に供給することができる。
【００２９】
燃料電池部１０１は、二次電池充電／給電回路１２６を介して二次電池１２５と電気的に接続され、発電で得た電力で二次電池１２５を充電する。燃料電池電力制御回路１２７は、二次電池残容量検出ライン１２８を介して二次電池１２５の充電容量（残容量）を監視し、さらには燃料電池電圧検出ライン１２９を介して燃料電池１０２の電圧を、燃料電池電流検出ライン１３０および電流センサ１２４を介して燃料電池１０２の電流を、それぞれ監視する。燃料電池電力制御回路１２７は、二次電池１２５の充電容量、および燃料電池１０２の電圧と電流についての情報に基づき、燃料電池電力制御ライン１３１を介して二次電池充電／給電回路１２６へ指令を与えることで、燃料電池１０２の起動、発電停止、および出力の制御を行うことができる。
【００３０】
図２は、燃料電池システムの外観図である。図２では、二次電池１２５、燃料電池部１０１に含まれる燃料電池１０２、燃料タンク１０８、および燃料電池自動運転制御機構１２０を示している。
【００３１】
図３は、本発明の実施形態による燃料電池システムにおいて、燃料電池の出力制御方法を示すフローチャートである。本実施形態による燃料電池システムにおける燃料電池の出力制御方法の一例について、図３を用いて説明する。
【００３２】
以下の説明では、燃料電池の出力とは燃料電池が供給する電力のことであるが、燃料電池が供給する電流を出力としてもよい。
【００３３】
本実施形態では、燃料電池の出力状態のパラメータ（以下、「出力パラメータ」と称する）をＣで表し、出力パラメータがＣのときの燃料電池の出力をＰ（Ｃ）で表す。燃料電池が起動しているが出力していない状態、すなわち二次電池を充電していないようなアイドリング状態をＰ（０）で表し、このときの出力状態をＣ＝０で表す。すなわち、Ｐ（０）＝０である。
【００３４】
本実施形態では、燃料電池の発電時の出力を、出力の大きさに応じてＰ（１）、Ｐ（２）、およびＰ（３）の３段階に分割し、それぞれの出力状態をＣ＝１、２、および３で表す。燃料電池が定格出力で発電している状態をＣ＝３と設定した。すなわち、Ｐ（３）は定格出力である。
【００３５】
各々の出力の大きさは、
Ｐ（０）＜Ｐ（１）＜Ｐ（２）＜Ｐ（３）
という関係とした。燃料電池の出力状態間での出力の差、すなわち、Ｐ（３）−Ｐ（２）、Ｐ（２）−Ｐ（１）、およびＰ（１）−Ｐ（０）の値は、等しくても等しくなくてもよい。
【００３６】
燃料電池の発電時の出力を３段階に分割することで、出力の大きさが短時間のうちに激しく変わることを防ぐことができる。したがって、負荷変動が短時間で繰り返すことを防止でき、燃料電池の劣化の進行を抑制することができる。
【００３７】
本実施形態では、燃料電池の発電時の出力を３段階（すなわち出力Ｐ（１）〜Ｐ（３））に分割した。発電時の出力の分割数は、２以上であればよく、特に制限はない。燃料電池の出力状態を変えたときに出力の変化量（すなわち、出力状態間での出力の差）が小さくなるように分割数を定めて、出力状態を分割すればよい。好ましい分割数は、燃料電池の定格出力にもよるが、燃料電池システムの構成や出力の制御の煩雑さを考慮すると、２〜５である。
【００３８】
さらに、本実施形態では、燃料電池の電圧に管理電圧範囲を設定する。管理電圧範囲は、燃料電池の電圧の所定値ＬとＨ（ただしＬ＜Ｈ）により定められ、Ｌ以上Ｈ以下の電圧の範囲である。所定値ＬとＨは、電極の劣化が進行しない電圧の範囲、過渡状態での電圧降下幅、安全率、および燃料電池のスタックのセル数などに応じて、適切に定めることができる。本実施形態による燃料電池システムでは、燃料電池の電圧Ｖが管理電圧範囲内の値になるように、すなわちＬ≦Ｖ≦Ｈとなるように、燃料電池の出力を制御する。
【００３９】
具体的には、燃料電池の電圧Ｖが管理電圧範囲を下回った場合（Ｖ＜Ｌ）は、燃料電池の出力を減らして電圧Ｖが所定値Ｌ以上（Ｖ≧Ｌ）となるようにし、電圧Ｖが管理電圧範囲を上回った場合（Ｖ＞Ｈ）は、出力を増やして電圧Ｖが所定値Ｈ以下（Ｖ≦Ｈ）となるようにする。燃料電池の発電時の出力を増減するときは、出力の大きさを１段階ずつ変える。本実施形態では、出力を増やすときはＰ（１）からＰ（２）へ、Ｐ（２）からＰ（３）へと１段階ずつ変え、出力を減らすときはＰ（３）からＰ（２）へ、Ｐ（２）からＰ（１）へと１段階ずつ変える。
【００４０】
このようにして、発電時の出力を２段階以上に分割し、適切な管理電圧範囲を設定して電圧Ｖが管理電圧範囲内の値（Ｌ≦Ｖ≦Ｈ）となるように、燃料電池の出力を制御する。この結果、燃料電池の電圧Ｖは、二次電池の残容量が急激に所定値Ａを上回ったり下回ったりする変化を起こした場合でも、急激な変化が緩和されるとともに、電極の劣化を起こさないように管理電圧範囲内に留まるように制御される。このため、二次電池だけでなく燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００４１】
また、二次電池の残容量について、所定値Ａを設定する。所定値Ａは、二次電池の満充電容量や燃料電池の定格出力などに応じて定める任意の値とすることができる。本燃料電池システムでは、二次電池の残容量を監視し、二次電池の残容量が所定値Ａ未満になると、燃料電池により二次電池を充電する。
【００４２】
出力パラメータＣ、燃料電池の出力Ｐ（Ｃ）、燃料電池の管理電圧範囲（電圧の所定値ＬとＨ）、および二次電池の残容量の所定値Ａは、予め定めて燃料電池電力制御回路１２７に設定する。燃料電池電力制御回路１２７は、これらの値に基づいて燃料電池の出力を制御する。
【００４３】
以下、図３を用いて、燃料電池の出力制御方法の一例を説明する。燃料電池の出力制御は、燃料電池電力制御回路１２７が実行する。
【００４４】
燃料電池システムの起動後、燃料電池電力制御回路１２７には、二次電池残容量検出ライン１２８を介して、二次電池１２５の残容量信号が入力される（Ｓ１）。
【００４５】
燃料電池電力制御回路１２７は、入力した残容量信号を基に、二次電池１２５の残容量が所定値Ａ以上か否かを判断する（Ｓ２）。
【００４６】
二次電池１２５の残容量が所定値Ａ以上の場合、燃料電池電力制御回路１２７は、燃料電池電圧検出ライン１２９および燃料電池電流検出ライン１３０を介して、燃料電池１０２が発電して出力しているかを判断する（Ｓ３）。
【００４７】
燃料電池１０２が出力している場合は、燃料電池１０２の発電を停止させる（Ｓ４）。
【００４８】
Ｓ２において、二次電池１２５の残容量が所定値Ａ未満の場合には、燃料電池電力制御回路１２７は、燃料電池電圧検出ライン１２９および燃料電池電流検出ライン１３０を介して、燃料電池１０２が発電して出力しているかを判断する（Ｓ５）。
【００４９】
燃料電池１０２が出力していない場合は、燃料電池を起動させ（Ｓ６）、出力パラメータをＣ＝０とする（Ｓ７）。出力パラメータＣの値は、燃料電池電力制御回路１２７に記憶される。
【００５０】
Ｓ５で燃料電池１０２の出力の有無を確認後、またはＳ７で出力パラメータをＣ＝０とした後、燃料電池電力制御回路１２７には、燃料電池１０２の電圧信号が燃料電池電圧検出ライン１２９を介して入力される（Ｓ８）。燃料電池電力制御回路１２７は、入力した電圧信号を基に、燃料電池１０２の電圧Ｖを検知する。
【００５１】
この後、出力パラメータＣの値および燃料電池１０２の電圧Ｖに応じて、燃料電池１０２の発電出力Ｐ（Ｃ）を決定する。Ｓ５で燃料電池１０２が発電して出力している場合には、出力パラメータＣの値は、後述するように１〜３のいずれかに設定されて燃料電池電力制御回路１２７に記憶されている。以下、Ｓ８で燃料電池１０２の電圧信号を入力した後の制御方法について、出力パラメータＣの値毎に説明する。出力パラメータＣの値は、Ｓ９、Ｓ１５、Ｓ２０で判断する。
【００５２】
出力パラメータＣ＝３、すなわち燃料電池１０２が定格出力で発電している場合（Ｓ９）は、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ以上か否かを判断する（Ｓ１０）。
【００５３】
燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ以上の場合は、燃料電池１０２の出力をＰ（３）、すなわち定格出力としたままで発電を継続する（Ｓ１１）。そして、出力パラメータＣをＣ＝３とし（Ｓ１２）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００５４】
Ｓ１０で燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ未満の場合（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を下回った場合）は、燃料電池１０２の出力をＰ（２）に変更して発電する（Ｓ１３）。そして、出力パラメータＣをＣ＝２とし（Ｓ１４）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００５５】
出力パラメータがＣ＝２の場合（Ｓ１５）は、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈより大きいか否かを判断する（Ｓ１６）。
【００５６】
燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈより大きい場合（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を上回った場合）は、燃料電池１０２の出力をＰ（３）に変更して発電する（Ｓ１１）。そして、出力パラメータＣをＣ＝３とし（Ｓ１２）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００５７】
Ｓ１６で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定Ｈ以下の場合、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ以上か否かを判断する（Ｓ１７）。
【００５８】
燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ以上の場合は、燃料電池１０２の出力をＰ（２）としたままで発電を継続する（Ｓ１３）。そして、出力パラメータＣをＣ＝２とし（Ｓ１４）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００５９】
Ｓ１７で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ未満の場合（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を下回った場合）は、燃料電池１０２の出力をＰ（１）に変更して発電する（Ｓ１８）。そして、出力パラメータＣをＣ＝１とし（Ｓ１９）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００６０】
出力パラメータがＣ＝１の場合（Ｓ２０）は、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈより大きいか否かを判断する（Ｓ２１）。
【００６１】
燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈより大きい場合（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を上回った場合）は、燃料電池１０２の出力をＰ（２）に変更して発電する（Ｓ１３）。そして、出力パラメータＣをＣ＝２とし（Ｓ１４）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００６２】
Ｓ２１で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈ以下の場合は、燃料電池１０２の出力をＰ（１）としたままで発電を継続する（Ｓ１８）。そして、出力パラメータＣをＣ＝１とし（Ｓ１９）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００６３】
出力パラメータがＣ＝０の場合、すなわちＳ２０でＣ＝１でない場合は、燃料電池１０２の出力をＰ（１）に変更して発電する（Ｓ１８）。そして、出力パラメータＣをＣ＝１とし（Ｓ１９）、燃料電池電力制御回路１２７がこれを記憶する。
【００６４】
以上説明したＳ９〜Ｓ２１の処理後、すなわち燃料電池１０２の出力Ｐ（Ｃ）および出力パラメータＣの値を決定した後、再びＳ１の処理を行う。
【００６５】
以上のようにして燃料電池の出力を制御すると、燃料電池は、出力と電圧の急激な変化が緩和され、劣化を抑制できる。さらに、燃料電池の出力状態に応じて、効率が高くなるように燃料電池の出力を決定することができる。
【００６６】
（実施例）
図４は、本発明の実施形態による燃料電池システムにおける、燃料電池の出力の変化の一例を示す図である。図４には、二次電池の残容量が所定値Ａの近傍の値を変化した場合に、図３に示した出力制御方法に従って本燃料電池システムが動作したときの燃料電池の出力の変化を例示している。
【００６７】
メタノールタンク１０３に濃度が９０％のメタノール水溶液を投入し、本燃料電池システムを起動したところ、燃料電池１０２の出力の時間変化は、図４のような挙動を示した。図４において、Ｐ（０）＝０Ｗ、Ｐ（１）＝２５Ｗ、Ｐ（２）＝６５Ｗ、Ｐ（３）＝１００Ｗである。
【００６８】
二次電池１２５の残容量が所定値Ａ未満となると、燃料電池１０２に燃料（メタノール）および空気が供給されて発電を開始し、時間ｔ１にて出力２５Ｗ（Ｐ（１））で発電した。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ２、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ１８、およびＳ１９の処理が実行された。時間ｔ１からｔ２では、燃料電池１０２の電圧Ｖは、管理電圧範囲内の値（すなわちＬ≦Ｖ≦Ｈ）となっている。
【００６９】
時間ｔ２で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈより大きくなると（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を上回ると）、燃料電池１０２の出力は６５Ｗ（Ｐ（２））となる。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ２１、Ｓ１３、およびＳ１４の処理が実行された。時間ｔ２からｔ３では、燃料電池１０２の電圧Ｖは、管理電圧範囲内の値（すなわちＬ≦Ｖ≦Ｈ）となっている。
【００７０】
時間ｔ３で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈより大きくなると（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を上回ると）、燃料電池１０２は、定格出力の１００Ｗ（Ｐ（３））で発電した。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ１６、Ｓ１１、およびＳ１２の処理が実行された。時間ｔ３からｔ４では、燃料電池１０２の電圧Ｖは、管理電圧範囲内の値（すなわちＬ≦Ｖ≦Ｈ）となっている。
【００７１】
時間ｔ４で、二次電池１２５の残容量が所定値Ａに達すると、燃料電池１０２は発電を停止した（出力はＰ（０）＝０Ｗ）。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４の処理が実行された。
【００７２】
再び二次電池１２５の残容量が所定値Ａ未満になると、燃料電池１０２は発電を開始し、時間ｔ５〜ｔ８で、時間ｔ１〜ｔ４と同じ動作を繰り返した。
【００７３】
その後、二次電池１２５の残容量が所定値Ａ未満になると、燃料電池１０２は発電を開始し、出力は時間ｔ９〜ｔ１５にて変化した。時間ｔ９〜ｔ１１での出力の変化は、時間ｔ１〜ｔ３での出力の変化と同じなので、説明を省略する。
【００７４】
時間ｔ１２で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ未満になると（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を下回ると）、燃料電池１０２の出力は６５Ｗ（Ｐ（２））となる。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ１０、Ｓ１３、およびＳ１４の処理が実行された。時間ｔ１２からｔ１３では、燃料電池１０２の電圧Ｖは、管理電圧範囲内の値（すなわちＬ≦Ｖ≦Ｈ）となっている。
【００７５】
時間ｔ１３で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｌ未満になると（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を下回ると）、燃料電池１０２の出力は２５Ｗ（Ｐ（１））となる。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８およびＳ１９の処理が実行された。時間ｔ１３からｔ１４では、燃料電池１０２の電圧Ｖは、管理電圧範囲内の値（すなわちＬ≦Ｖ≦Ｈ）となっている。
【００７６】
時間ｔ１４で、燃料電池１０２の電圧Ｖが所定値Ｈより大きくなると（すなわち電圧Ｖが管理電圧範囲を上回ると）、燃料電池１０２の出力は６５Ｗ（Ｐ（２））となる。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ２１、Ｓ１３、およびＳ１４の処理が実行された。時間ｔ１４からｔ１５では、燃料電池１０２の電圧Ｖは、管理電圧範囲内の値（すなわちＬ≦Ｖ≦Ｈ）となっている。
【００７７】
時間ｔ１５で、二次電池１２５の残容量が所定値Ａに達すると、燃料電池１０２は発電を停止した（出力はＰ（０）＝０Ｗ）。このとき、図３のフローチャートでは、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４の処理が実行された。
【００７８】
（比較例）
図５は、従来の燃料電池システムにおける、燃料電池の出力の変化の一例を示す図である。図５には、二次電池の残容量が所定値Ａの近傍の値を変化した場合に、従来技術と同様な出力制御方法に従って燃料電池システムが動作したときの燃料電池の出力の変化を例示している。
【００７９】
二次電池の残容量が所定値Ａ未満になると、燃料電池は、時間ｔ１’にて定格出力（１００Ｗ）で発電を開始した。
【００８０】
時間ｔ２’で、二次電池の残容量が所定値Ａに達すると、燃料電池は発電を停止した（出力は０Ｗ）。
【００８１】
再び二次電池の残容量が所定値Ａ未満になると、燃料電池は定格出力で（１００Ｗ）発電を開始し、時間ｔ３’〜ｔ４’およびｔ５’〜ｔ６’で、時間ｔ１’〜ｔ２’と同じ動作を繰り返した。
【００８２】
燃料電池の起動と発電停止は、外部からの要求電力にもよるが、数分単位でなされる場合がある。比較例のように短い時間間隔で起動と発電停止を繰り返すと、急激な電位変化により燃料電池は徐々に性能が劣化する。本発明は、このような急激な電位変化を緩和するように出力を制御することで、燃料電池の性能劣化を抑制することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１０１…燃料電池部、１０２…燃料電池、１０３…メタノールタンク、１０４…メタノール供給手段、１０５…燃料循環ライン、１０６…冷却水タンク、１０７…水供給手段、１０８…燃料タンク、１０９…燃料循環ポンプ、１１０…気液分離膜、１１１…空気供給手段、１１２…濃度検出素子、１１３…液面検知手段、１２０…燃料電池自動運転制御機構、１２１…濃度信号ライン、１２２…燃料制御ライン、１２３…水制御ライン、１２４…電流センサ、１２５…二次電池、１２６…二次電池充電／給電回路、１２７…燃料電池電力制御回路、１２８…二次電池残容量検出ライン、１２９…燃料電池電圧検出ライン、１３０…燃料電池電流検出ライン、１３１…燃料電池電力制御ライン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能な二次電池と前記二次電池を充電する燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
前記二次電池の残容量を監視し、前記残容量に応じて前記燃料電池を起動または停止する機能と、
前記燃料電池の電圧を監視する機能と、
前記燃料電池の電圧が予め定めた管理電圧範囲を下回った場合は、前記燃料電池の出力を減らす機能と、
前記燃料電池の電圧が前記管理電圧範囲を上回った場合は、前記燃料電池の出力を増やす機能と、
を有する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
充放電可能な二次電池と前記二次電池を充電する燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の発電時の出力が、出力の大きさに応じて２段階以上に分割されて設定され、
前記二次電池の残容量を監視し、前記残容量に応じて前記燃料電池を起動または停止する機能と、
前記燃料電池の電圧を監視する機能と、
前記燃料電池の発電時の出力が最小の段階以外の場合であり、前記燃料電池の電圧が予め定めた管理電圧範囲を下回った場合は、前記燃料電池の出力を１段階小さくする機能と、
前記燃料電池の発電時の出力が最大の段階以外の場合であり、前記燃料電池の電圧が前記管理電圧範囲を上回った場合は、前記燃料電池の出力を１段階大きくする機能と、
を有する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池は、メタノールを主成分とした水溶液を燃料として用いる請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
充放電可能な二次電池と前記二次電池を充電する燃料電池とを備える燃料電池システムで用いる燃料電池の出力制御方法において、
前記二次電池の残容量を監視し、
前記残容量に応じて前記燃料電池を起動または停止し、
前記燃料電池の電圧を監視し、
前記燃料電池の電圧が予め定めた管理電圧範囲を下回った場合は、前記燃料電池の出力を減らし、
前記燃料電池の電圧が前記管理電圧範囲を上回った場合は、前記燃料電池の出力を増やす、
ことを特徴とする燃料電池の出力制御方法。
【請求項５】
充放電可能な二次電池と前記二次電池を充電する燃料電池とを備える燃料電池システムで用いる燃料電池の出力制御方法において、
前記燃料電池の発電時の出力を、出力の大きさに応じて２段階以上に分割し、
前記二次電池の残容量を監視し、
前記残容量に応じて前記燃料電池を起動または停止し、
前記燃料電池の電圧を監視し、
前記燃料電池の発電時の出力が最小の段階以外の場合であり、前記燃料電池の電圧が予め定めた管理電圧範囲を下回った場合は、前記燃料電池の出力を１段階小さくし、
前記燃料電池の発電時の出力が最大の段階以外の場合であり、前記燃料電池の電圧が前記管理電圧範囲を上回った場合は、前記燃料電池の出力を１段階大きくする、
ことを特徴とする燃料電池の出力制御方法。
【請求項６】
前記燃料電池の燃料として、メタノールを主成分とした水溶液を用いる請求項４または５記載の燃料電池の出力制御方法。
【請求項１】
充放電可能な二次電池と前記二次電池を充電する燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
前記二次電池の残容量を監視し、前記残容量に応じて前記燃料電池を起動または停止する機能と、
前記燃料電池の電圧を監視する機能と、
前記燃料電池の電圧が予め定めた管理電圧範囲を下回った場合は、前記燃料電池の出力を減らす機能と、
前記燃料電池の電圧が前記管理電圧範囲を上回った場合は、前記燃料電池の出力を増やす機能と、
を有する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
充放電可能な二次電池と前記二次電池を充電する燃料電池とを備える燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の発電時の出力が、出力の大きさに応じて２段階以上に分割されて設定され、
前記二次電池の残容量を監視し、前記残容量に応じて前記燃料電池を起動または停止する機能と、
前記燃料電池の電圧を監視する機能と、
前記燃料電池の発電時の出力が最小の段階以外の場合であり、前記燃料電池の電圧が予め定めた管理電圧範囲を下回った場合は、前記燃料電池の出力を１段階小さくする機能と、
前記燃料電池の発電時の出力が最大の段階以外の場合であり、前記燃料電池の電圧が前記管理電圧範囲を上回った場合は、前記燃料電池の出力を１段階大きくする機能と、
を有する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池は、メタノールを主成分とした水溶液を燃料として用いる請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
充放電可能な二次電池と前記二次電池を充電する燃料電池とを備える燃料電池システムで用いる燃料電池の出力制御方法において、
前記二次電池の残容量を監視し、
前記残容量に応じて前記燃料電池を起動または停止し、
前記燃料電池の電圧を監視し、
前記燃料電池の電圧が予め定めた管理電圧範囲を下回った場合は、前記燃料電池の出力を減らし、
前記燃料電池の電圧が前記管理電圧範囲を上回った場合は、前記燃料電池の出力を増やす、
ことを特徴とする燃料電池の出力制御方法。
【請求項５】
充放電可能な二次電池と前記二次電池を充電する燃料電池とを備える燃料電池システムで用いる燃料電池の出力制御方法において、
前記燃料電池の発電時の出力を、出力の大きさに応じて２段階以上に分割し、
前記二次電池の残容量を監視し、
前記残容量に応じて前記燃料電池を起動または停止し、
前記燃料電池の電圧を監視し、
前記燃料電池の発電時の出力が最小の段階以外の場合であり、前記燃料電池の電圧が予め定めた管理電圧範囲を下回った場合は、前記燃料電池の出力を１段階小さくし、
前記燃料電池の発電時の出力が最大の段階以外の場合であり、前記燃料電池の電圧が前記管理電圧範囲を上回った場合は、前記燃料電池の出力を１段階大きくする、
ことを特徴とする燃料電池の出力制御方法。
【請求項６】
前記燃料電池の燃料として、メタノールを主成分とした水溶液を用いる請求項４または５記載の燃料電池の出力制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−４１７８３（Ｐ２０１３−４１７８３Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７９３７３（Ｐ２０１１−１７９３７３）
【出願日】平成２３年８月１９日（２０１１．８．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１９日（２０１１．８．１９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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