特開 2023-157506 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023157506

(43)【公開日】2023-10-26

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20231019BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20231019BHJP

   H01M 8/1009 20160101ALI20231019BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20231019BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20231019BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20231019BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04858

H01M8/04701

H01M8/1009

H01M8/00 A

H01M8/04746

H01M8/0432

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022067452

(22)【出願日】2022-04-15

(71)【出願人】

【識別番号】504160781

【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学

(71)【出願人】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】辻口 拓也

(72)【発明者】

【氏名】武田 恭英

(72)【発明者】

【氏名】武井 智行

(72)【発明者】

【氏名】仲曽根 歩

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB08

5H127AC05

5H127BA03

5H127BA48

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB18

5H127BB37

5H127DA20

5H127DB47

5H127DC06

5H127DC09

5H127DC26

5H127DC74

5H127DC85

5H127DC90

5H127DC96

(57)【要約】

【課題】リフレッシュ制御が終了した後の燃料電池の出力を速やかに高めることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１は、液体燃料と酸化剤とを反応させることによって発電可能に構成された燃料電池２を有している。また、燃料電池システム１は、燃料電池２への液体燃料の供給と供給停止とを切り替え可能に構成された制御装置３と、燃料電池２、燃料電池２への液体燃料の供給経路及び燃料電池２への酸化剤の供給経路のうち少なくとも一部を加熱することができる位置に配置された発熱体４と、を有している。制御装置３は、燃料電池２への液体燃料の供給を停止している間、燃料電池２と発熱体４とを電気的に接続するように構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体燃料と酸化剤とを反応させることによって発電可能に構成された燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池への前記液体燃料の供給と供給停止とを切り替え可能に構成された制御装置と、
前記燃料電池、前記燃料電池への前記液体燃料の供給経路及び前記燃料電池への前記酸化剤の供給経路のうち少なくとも一部を加熱することができる位置に配置された発熱体と、を有し、
前記制御装置は、前記燃料電池への前記液体燃料の供給を停止している間、前記燃料電池と前記発熱体とを接続するように構成されている、燃料電池システム。

【請求項2】

前記発熱体は、前記液体燃料及び前記酸化剤のうち少なくとも一方を加熱することができる位置に設けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記燃料電池システムは、前記燃料電池に前記液体燃料を供給する燃料供給配管及び前記燃料電池に前記酸化剤を供給する酸化剤供給配管を有しており、前記発熱体は、前記燃料供給配管及び前記酸化剤供給配管のうち少なくとも一方に取り付けられている、請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記発熱体は前記燃料供給配管及び前記酸化剤供給配管のうち少なくとも一方に巻き付けられている、請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記燃料電池システムは、前記燃料電池に供給される前記液体燃料を保持する燃料タンクを有しており、前記発熱体は前記燃料タンクに取り付けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記発熱体は、前記燃料電池に取り付けられている、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

前記燃料電池は、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に介在するセパレータとを備えた単セルと、前記単セルを保持するホルダとを有しており、前記ホルダは前記発熱体から構成されている、請求項６に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記燃料電池システムは、前記制御装置に接続され、前記燃料電池の温度を取得可能に構成された温度センサと、前記燃料電池から出力される電力の少なくとも一部を充電可能に構成された蓄電装置と、を有し、前記制御装置は、前記温度センサにより取得された前記燃料電池の温度が予め設定された温度目標値を超え、かつ、前記燃料電池への前記液体燃料の供給が停止されている間、前記燃料電池から出力される電力を前記蓄電装置に充電させるように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項9】

前記発熱体は、当該発熱体が取り付けられた部分を４０℃以上７０℃以下の温度に加熱することができるように構成されている、請求項１～８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、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

固体高分子型燃料電池等の燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面上に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面上に設けられたカソードと、を含む膜電極接合体（いわゆるＭＥＡ）を有している。燃料電池は、ＭＥＡのアノードに燃料を供給するとともに、カソードに酸化剤を供給することにより、各電極において電極反応を生じさせることができる。そして、これらの電極反応の結果、アノードとカソードとの間に起電力を生じさせ、発電を行うことができる。

【0003】

近年、アノードに供給される燃料として、メタノールやギ酸等の液体燃料を直接用いる燃料電池が開発されている。液体燃料は水素ガス等の気体に比べて、取り扱いが容易であり、単位体積当たりエネルギー密度を高くすることができるため、極めて有用である。

【0004】

燃料電池の出力を高めるためには、アノード及びカソードの温度を電極反応が効率よく起こる範囲に保つことが望ましい。例えば、特許文献１には、タンクから供給される液体燃料を加熱する昇温部と、前記昇温部で加熱された前記液体燃料が供給される燃料極電極、空気が供給される空気極電極、並びに、前記燃料極電極及び前記空気極電極に狭持される電解質膜を有するセル部と、を備え、前記昇温部は、前記セル部の前記燃料極電極側に設置され且つ前記セル部からの排熱により前記液体燃料を加熱するようにした燃料電池が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００５－６３８４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

液体燃料が用いられる燃料電池においては、発電を継続して行うと、徐々に燃料電池の出力が低下する現象が生じる場合がある。このような出力の低下を回復させるため、液体燃料が用いられる燃料電池では、発電を所定の時間継続して行った後にリフレッシュ制御と呼ばれる動作が行われる。リフレッシュ制御では、燃料電池の正極と負極とを短絡させて燃料電池を放電させるとともに、ＭＥＡへの液体燃料の供給が一時的に停止される。

【0007】

しかし、リフレッシュ制御によりＭＥＡへの液体燃料の供給が停止された場合であっても、燃料電池内には未反応の液体燃料が残存している。従って、リフレッシュ制御が開始された後、燃料電池内に残存した液体燃料が供給され続ける酸化剤と反応して消費されるまでの間は電極反応が継続する。ここで、液体燃料が用いられる燃料電池においては、アノードにおける電極反応は吸熱反応となり、カソードにおける電極反応は発熱反応となる。そして、これらの反応熱を合計すると、全体としてわずかに吸熱反応となる。それ故、リフレッシュ制御を行うと、燃料電池内に残存した液体燃料と、燃料電池に供給され続ける酸化剤との電極反応によってＭＥＡの温度が低下し、リフレッシュ制御が終了した後、再度発電を開始する際に電極反応の反応効率が低下するおそれがある。その結果、リフレッシュ制御後の燃料電池の出力の低下を招くおそれがある。

【0008】

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、リフレッシュ制御が終了した後の燃料電池の出力を速やかに高めることができる燃料電池システムを提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様は、液体燃料と酸化剤とを反応させることによって発電可能に構成された燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池への前記液体燃料の供給と供給停止とを切り替え可能に構成された制御装置と、
前記燃料電池、前記燃料電池への前記液体燃料の供給経路及び前記燃料電池への前記酸化剤の供給経路のうち少なくとも一部を加熱することができる位置に配置された発熱体と、を有し、
前記制御装置は、前記燃料電池への前記液体燃料の供給を停止している間、前記燃料電池と前記発熱体とを電気的に接続するように構成されている、燃料電池システムにある。

【発明の効果】

【0010】

前記燃料電池システムは、リフレッシュ制御が行われ、燃料電池への前記液体燃料の供給が一時的に停止されている間、前記制御装置によって前記燃料電池が前記発熱体と電気的に接続されるように構成されている。前述したように、リフレッシュ制御により燃料電池への前記液体燃料の供給が停止された場合であっても、燃料電池内に残存する液体燃料及び酸化剤により、ある程度の時間は電極反応が継続する。

【0011】

前記燃料電池システムは、このリフレッシュ制御中に生じる電力を発熱体に供給して熱を発生させることができる。そして、発熱体によって燃料電池システムにおける前述した部分の少なくとも一部を加熱することにより、リフレッシュ制御中の燃料電池の温度の低下を抑制し、または発電を再開した際に速やかに燃料電池の温度を上昇させることができる。その結果、リフレッシュ制御が終了し、燃料電池に再び液体燃料及び酸化剤を供給した際に、電極反応の反応効率を速やかに向上させることができる。

【0012】

以上のごとく、上記態様によれば、リフレッシュ制御が終了した後の燃料電池の出力を速やかに高めることができる燃料電池システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、実施形態１における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。

【図2】図２は、実施形態１における燃料電池システムのブロック図である。

【図3】図３は、実施形態１における燃料電池システムのタイムチャートを示す説明図である。

【図4】図４は、実施形態２における燃料電池システムのブロック図である。

【図5】図５は、実施形態２における燃料電池システムの動作のフローチャートを示す説明図である。

【図6】図６は、実施形態３における燃料電池システムのブロック図である。

【図7】図７は、実施形態３における燃料電池システムの動作のフローチャートを示す説明図である。

【図8】図８は、実施形態４における燃料電池システムの動作のフローチャートを示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

（実施形態１）
前記燃料電池システムに係る実施形態について、図１～図３を参照して説明する。図１及び図２に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、液体燃料と酸化剤とを反応させることによって発電可能に構成された燃料電池２を有している。また、燃料電池システム１は、燃料電池２への液体燃料の供給と供給停止とを切り替え可能に構成された制御装置３と、燃料電池２、燃料電池２への液体燃料の供給経路及び燃料電池２への酸化剤の供給経路のうち少なくとも一部を加熱することができる位置に配置された発熱体４と、を有している。制御装置３は、燃料電池２への液体燃料の供給を停止している間、燃料電池２と発熱体４とを電気的に接続するように構成されている。以下、燃料電池システム１の具体的な構成の例を説明する。

【0015】

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に供給される液体燃料を保持する燃料タンク５と、燃料タンク５から燃料電池２に液体燃料を送出する燃料ポンプ５２と、燃料電池２に酸化剤を供給するブロア６と、を有している。燃料タンク５と燃料ポンプ５２との間及び燃料ポンプ５２と燃料電池２との間は燃料供給配管５１、５３により接続されている。ブロア６と燃料電池２との間は酸化剤供給配管６１により接続されている。

【0016】

燃料電池システム１は、燃料電池２のアノードにおいて電極反応に用いられた液体燃料を回収する燃料回収タンク５５を有していてもよい。本形態の燃料電池システム１において、燃料電池２と燃料回収タンク５５との間は、燃料回収配管５４により接続されている。

【0017】

また、燃料電池システム１は、燃料電池２のカソードにおいて電極反応により生じた生成水を回収するドレインタンク６３を有していてもよい。本形態の燃料電池システム１において、燃料電池２とドレインタンク６３との間は、水回収配管６２により接続されている。

【0018】

燃料電池２は、電解質膜と、電解質膜の一方の面上に設けられたアノードと、電解質膜の他方の面上に設けられたカソードと、を備えたＭＥＡ２１を有している。燃料電池２は、ＭＥＡ２１のアノードに液体燃料を供給するとともに、カソードに酸化剤を供給することにより発電することができるように構成されている。燃料電池２に供給される燃料としては、例えば、ギ酸やメタノールなどの液体燃料を使用することができる。また、酸化剤としては、例えば、大気や酸素ガス等の酸化性ガスを使用することができる。

【0019】

燃料電池２に供給される液体燃料は、ギ酸であることが好ましい。すなわち、燃料電池２は直接ギ酸形燃料電池であることが好ましい。ギ酸を液体燃料として用いる場合には、電極反応全体として失われる熱量が大きくなり、リフレッシュ制御中にＭＥＡ２１の温度がより低下しやすい。このような状況においても、前述したように、リフレッシュ制御中に生じる電力によって燃料電池システム１の一部を加熱することにより、リフレッシュ制御が終了した後に、より確実に燃料電池２の出力を向上させることができる。

【0020】

本形態の燃料電池２は、図１に示すように、ＭＥＡ２１と、ＭＥＡ２１におけるアノード上に設けられたアノード側セパレータ２２と、ＭＥＡ２１におけるカソード上に設けられたカソード側セパレータ２３とを含む複数の単セル２４を有している。単セル２４におけるＭＥＡ２１とアノード側セパレータ２２との間には、図には示さない燃料流路が設けられている。燃料流路は、燃料タンク５から供給された液体燃料をアノードに接触させることができるように構成されている。また、単セル２４におけるＭＥＡ２１とカソード側セパレータ２３との間には、図には示さない酸化剤流路が設けられている。酸化剤流路は、ブロア６から供給された酸化剤をカソードに接触させることができるように構成されている。

【0021】

燃料電池２が複数の単セル２４を有する場合、これらの単セル２４は、互いに積層されることによりセルスタック２５を構成していてもよい。本形態の燃料電池システム１において、セルスタック２５を構成する単セル２４は、各単セル２４のアノード側セパレータ２２と、当該単セル２４に隣接する単セル２４のカソード側セパレータ２３とが互いに当接するように配置されている。これにより、複数の単セル２４がアノード側セパレータ２２及びカソード側セパレータ２３を介して電気的に直列に接続されている。

【0022】

セルスタック２５における積層方向の両端には、単セル２４を保持するための一対のホルダ２５１（２５１ｐ、２５１ｎ）が配置されていてもよい。本形態の燃料電池２においては、一対のホルダ２５１のうちカソード側セパレータ２３と当接しているホルダ２５１ｐに締結部材２５２が挿入されている。締結部材２５２はセルスタック２５を単セル２４の積層方向に貫通しており、カソード側セパレータ２３に当接しているホルダ２５１ｐと、アノード側セパレータ２２に当接しているホルダ２５１ｎとが締結部材２５２によって締結されている。これにより、セルスタック２５を構成する単セル２４が一対のホルダ２５１の間に保持されている。

【0023】

また、一対のホルダ２５１のうちアノード側セパレータ２２と接触しているホルダ２５１ｎには負極端子２５３ｎが設けられており、カソード側セパレータ２３と接触しているホルダ２５１ｐには正極端子２５３ｐが設けられている。正極端子２５３ｐ及び負極端子２５３ｎは、燃料電池２において生じた電力を外部負荷７（図２参照）や発熱体４に供給するために用いられる。

【0024】

図１及び図２に示すように、燃料電池システム１の燃料ポンプ５２及びブロア６は、制御装置３に電気的に接続されている。制御装置３は、燃料ポンプ５２及びブロア６の動作を制御することにより、燃料電池２への液体燃料及び酸化剤の供給と供給停止とを切り替えることができるように構成されている。

【0025】

燃料電池システム１における発熱体４は、燃料電池２、燃料電池２への液体燃料の供給経路及び燃料電池２への酸化剤の供給経路のうち少なくとも一部を加熱することができる位置に配置されている。例えば、本形態における発熱体４はコイル状のヒータであり、図１に示すように、燃料電池２への液体燃料の供給経路のうち燃料ポンプ５２と燃料電池２との間を接続する燃料供給配管５３に巻き付けられている。また、発熱体４は、燃料電池２の正極端子２５３ｐ及び負極端子２５３ｎに電気的に接続されている。発熱体４と正極端子２５３ｐとの間には、後述する回路切替器３２が設けられている。

【0026】

発熱体４の具体的な態様は本形態の態様に限定されることはなく、配置される位置に応じて種々の態様をとり得る。

【0027】

例えば、発熱体４は、液体燃料及び酸化剤のうち少なくとも一方を加熱することができるように設けられていてもよい。この場合、例えば、発熱体４を、燃料供給配管５１、５３及び酸化剤供給配管６１のうち少なくとも１つの部材に取り付けることができる。燃料供給配管５１、５３及び酸化剤供給配管６１に取り付けられる発熱体４は、例えば、シート状、フィルム状、コイル状等の種々の態様をとり得る。また、これらの配管の一部または全部を発熱体４から構成することもできる。さらに、これらの配管を接続するためのコネクタを発熱体４としてもよい。

【0028】

また、発熱体４を燃料タンク５に取り付けることもできる。この場合、発熱体４は、燃料タンク５の外部に設けられていてもよく、内部に設けられていてもよい。燃料タンク５に取り付けられる発熱体４は、例えば、シート状、フィルム状、コイル状等の種々の態様をとり得る。また、燃料タンク５の一部または全部を発熱体４から構成することもできる。

【0029】

このように、発熱体４を液体燃料及び酸化剤のうち少なくとも一方を加熱できる位置に設けることにより、リフレッシュ制御中に液体燃料や酸化剤の温度を上昇させることができる。そして、リフレッシュ制御が終了した際に、発熱体４によって加熱された液体燃料及び／または酸化剤を燃料電池２に供給することができる。その結果、リフレッシュ制御が終了した後、発電を再開する際にＭＥＡ２１の温度を速やかに上昇させ、ひいては燃料電池２の出力をより容易に上昇させることができる。

【0030】

液体燃料及び／または酸化剤の温度をより容易に上昇させるとともに、より確実に加温された状態の液体燃料及び／または酸化剤を燃料電池２に供給する観点からは、発熱体４は、燃料供給配管５１、５３及び酸化剤供給配管６１のうち少なくとも一方に取り付けられていることが好ましく、燃料供給配管５１、５３及び酸化剤供給配管６１のうち少なくとも一方に巻き付けられていることがより好ましい。また、燃料電池２の温度をより容易に上昇させる観点からは、発熱体４は、熱容量の大きい液体燃料を加熱できるように設けられていることが好ましく、燃料供給配管５１、５３または燃料タンク５に取り付けられていることがより好ましい。

【0031】

また、発熱体４は、燃料電池２に取り付けられていてもよい。燃料電池２に取り付けられる発熱体４は、例えば、シート状、フィルム状等の種々の態様をとり得る。また、燃料電池２のホルダ２５１等の、燃料電池２の構成部品の一部または全部を発熱体４から構成することもできる。

【0032】

このように、発熱体４を燃料電池２に取り付けることにより、リフレッシュ制御中の電極反応による燃料電池２の温度の低下を抑制することができる。その結果、リフレッシュ制御が終了した後、発電を再開する際の燃料電池２の出力の低下をより容易に回避することができる。かかる作用効果をより確実に得る観点からは、燃料電池２のホルダ２５１が発熱体４から構成されていることが好ましい。

【0033】

発熱体４は、当該発熱体４が取り付けられた部分を４０℃以上７０℃以下の温度に加熱することができるように構成されていることが好ましい。発熱体４が取り付けられた部分の温度を前記特定の範囲とすることにより、リフレッシュ制御が終了した後、燃料電池２に液体燃料が供給された際にＭＥＡ２１における電極反応の反応効率を速やかに上昇させることができる。その結果、リフレッシュ制御後の燃料電池２の出力をより迅速に向上させることができる。

【0034】

本形態の燃料電池システム１の動作は、制御装置３によって制御される。図１及び図２に示すように、制御装置３は、燃料ポンプ５２及びブロア６に電気的に接続され、これらの動作を制御可能に構成された発電制御部３１と、燃料電池２の正極端子２５３ｐに電気的に接続された回路切替器３２とを有している。発電制御部３１は、燃料ポンプ５２を動作させ、燃料電池２において液体燃料及び酸化剤を供給する発電モードと、燃料ポンプ５２を停止させ、燃料電池２への液体燃料の供給を停止するリフレッシュ制御モードとを切り替えることができるように構成されている。また、発電制御部３１は、燃料電池システム１を運転している間、ブロア６を動作させて燃料電池２に酸化剤を供給することができるように構成されている。発電制御部３１の動作は、例えば、発電制御部３１に設けられた電子回路や発電制御部３１を動作させるためのプログラム等によって実現することができる。

【0035】

発電制御部３１における発電モードとリフレッシュ制御モードとの切り替えは、予め設定された条件に基づいて行われる。例えば、本形態の発電制御部３１は、発電モードの継続時間が予め設定された値に到達した場合に、発電モードからリフレッシュ制御モードへの切り替えを行うように構成されている。また、発電制御部３１は、リフレッシュ制御モードの継続時間が予め設定された値に到達した場合に、リフレッシュ制御モードから発電モードへの切り替えを行うように構成されている。

【0036】

図２に示すように、回路切替器３２は第１接点３２１と第２接点３２２との２つの接点を有している。回路切替器３２の第１接点３２１には外部負荷７が電気的に接続される。また、第２接点３２２には発熱体４が電気的に接続されている。

【0037】

回路切替器３２は、正極端子２５３ｐと第１接点３２１とが電気的に接続された状態と、正極端子２５３ｐと第２接点３２２とが電気的に接続された状態とを切り替えることができるように構成されている。本形態の回路切替器３２は、より具体的には、発電制御部３１が燃料ポンプ５２を動作させている間、つまり、発電モードが実行されている間は正極端子２５３ｐと第１接点３２１とを電気的に接続し、発電制御部３１が燃料ポンプ５２の動作を停止している間、つまり、リフレッシュ制御モードが実行されている間は正極端子２５３ｐと第２接点３２２とを電気的に接続するように構成されている。

【0038】

従って、本形態の燃料電池システム１においては、燃料ポンプ５２及びブロア６が動作し、燃料電池２に液体燃料と酸化剤とが供給されている間は燃料電池２から生じる電力が外部負荷７に供給される。また、リフレッシュ制御が行われ、燃料電池２への液体燃料の供給が停止している間は燃料電池２から生じた電力が発熱体４に供給される。

【0039】

次に、本形態の燃料電池システム１の動作を、図３を参照しつつ説明する。本形態の燃料電池システム１は、制御装置３の発電制御部３１により、燃料電池２への液体燃料及び酸化剤の供給を所定の時間継続する発電モードと、燃料電池２への液体燃料の供給を所定の時間停止するリフレッシュ制御モードとを繰り返し実施するように構成されている。発電モード及びリフレッシュ制御モードの継続時間は特に限定されるものではないが、例えば、発電モードの継続時間は５～２０分の範囲から適宜設定することができる。また、リフレッシュ制御モードの継続時間は３０～１２０秒の範囲から適宜設定することができる。

【0040】

図３に示すように、発電モードでは、燃料電池２に液体燃料及び酸化剤の両方が供給される。これにより、ＭＥＡ２１において電極反応が起き、燃料電池２から電力が生じる。また、発電モードにおいては、回路切替器３２が燃料電池２と外部負荷７とを電気的に接続するため、燃料電池２で生じた電力を外部負荷７に供給し、外部負荷７を動作させることができる。しかし、発電モードにおいて電極反応を長時間継続させると、次第に電極反応の反応効率が低下し、図３に示すように燃料電池２の電圧及び電流が徐々に低下することがある。

【0041】

発電制御部３１は、燃料電池２への液体燃料供給の継続時間が所定の時間に達したときに、発電モードを停止するとともにリフレッシュ制御モードを開始する。リフレッシュ制御モードが開始されると燃料ポンプ５２の動作が停止するため、燃料電池２への液体燃料供給が停止される。また、液体燃料の供給停止とともに、回路切替器３２が正極端子２５３ｐと発熱体４とを電気的に接続する。

【0042】

前述したように、燃料電池２への液体燃料供給が停止した場合であっても、燃料電池２内には未反応の液体燃料が残存している。また、リフレッシュ制御モードにおいてもブロア６は動作しているため、酸化剤は燃料電池２に供給される。そのため、図３に示すように、燃料電池２内に残存した液体燃料が酸化剤と反応して消費されるまでの間はＭＥＡ２１において電極反応が起こり、燃料電池２から電力が発生する。この電力を発熱体４に供給することにより、発熱体４から熱を発生させることができる。本形態の燃料電池システム１においては、図１に示すように、発熱体４が燃料供給配管５３に取り付けられているため、リフレッシュ制御の実施により燃料供給配管５３内の液体燃料の温度を上昇させることができる。

【0043】

図３に示すように、燃料電池２への液体燃料の供給停止時間が所定の時間に達すると、発電制御部３１は、リフレッシュ制御モードを停止し、再び発電モードを開始する。発電モードが開始されると、燃料ポンプ５２が動作し、燃料電池２への液体燃料供給が再開される。この際、前述したように、燃料供給配管５３内の燃料の温度が高くなっているため、温度の高い液体燃料と接触したＭＥＡ２１の温度が速やかに上昇する。その結果、ＭＥＡ２１における電極反応の反応効率が高まり、燃料電池２の出力を速やかに向上させることができる。また、発電モードにおいては、液体燃料の供給再開とともに、回路切替器３２が正極端子２５３ｐと外部負荷７とを電気的に接続する。これにより、燃料電池２から生じた電力が外部負荷７に供給される。

【0044】

以上のように、本形態の燃料電池システム１によれば、リフレッシュ制御が終了した後の燃料電池２の出力を速やかに高めることができる。

【0045】

（実施形態２）
本実施形態では、リフレッシュ制御中に燃料電池２から生じる電力を回収する蓄電装置４２を備えた燃料電池システム１０２の例を説明する。なお、本形態以降において用いた符号のうち、既出の形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

【0046】

本形態の燃料電池システム１０２は、図４に示すように、燃料電池２と、燃料タンク５と、燃料ポンプ５２と、ブロア６と、を有している。燃料タンク５と燃料ポンプ５２との間及び燃料ポンプ５２と燃料電池２との間は燃料供給配管５１、５３により接続されている。ブロア６と燃料電池２との間は酸化剤供給配管６１により接続されている。また、図には示さないが、燃料電池システム１０２は、燃料回収配管を介して燃料電池２に接続された燃料回収タンクと、水回収配管を介して燃料電池２に接続されたドレインタンクとを有している。

【0047】

また、燃料ポンプ５２と燃料電池２との間の燃料供給配管５３には発熱体４が取り付けられている。なお、図４においては、便宜上、発熱体４を燃料供給配管５３とは異なる位置に示したが、図４における発熱体４の位置は、燃料電池システム１０２における発熱体４の実際の位置とは無関係である。

【0048】

図４に示すように、燃料ポンプ５２及びブロア６は制御装置３の発電制御部３１に電気的に接続されている。燃料ポンプ５２及びブロア６の動作は発電制御部３１によって制御される。また、燃料電池２の正極端子２５３ｐは制御装置３の回路切替器３２に電気的に接続されている。回路切替器３２の第１接点３２１は外部負荷７に電気的に接続される。また、回路切替器３２の第２接点３２２には発熱体４が電気的に接続されている。

【0049】

本形態の燃料電池システム１０２は、図４に示すように、制御装置３に接続され、燃料電池２の温度を取得可能に構成された温度センサ２６と、燃料電池２から出力される電力の少なくとも一部を充電可能に構成された蓄電装置４２と、を有している。また、制御装置３は、温度センサ２６により取得された燃料電池２の温度が予め設定された温度目標値を超え、かつ、燃料電池２への液体燃料の供給が停止されている間、燃料電池２から出力される電力を蓄電装置４２に充電させるように構成されている。

【0050】

蓄電装置４２は、電力を貯蔵することができる装置であれば特に限定されることはない。蓄電装置４２としては、例えばキャパシタや二次電池などを使用することができる。蓄電装置４２によるリフレッシュ制御中の電力の回収方法は、種々の態様をとり得る。例えば、本形態の燃料電池システム１０２は、リフレッシュ制御中に発熱体４から生じた熱を再び電力として回収し、蓄電装置４２に充電することができるように構成されている。

【0051】

より具体的には、図４に示すように、本形態の燃料電池システム１０２における発熱体４の近傍には熱電変換素子４１が設けられている。熱電変換素子４１は、発熱体４から生じた熱を電力に変換し、電力として回収することができるように構成されている。

【0052】

また、本形態の制御装置３は充電切替スイッチ３３を有しており、熱電変換素子４１は、充電切替スイッチ３３を介して蓄電装置４２に電気的に接続されている。充電切替スイッチ３３は、蓄電装置４２を熱電変換素子４１と電気的に接続するオン状態と、蓄電装置４２を熱電変換素子４１から電気的に遮断するオフ状態とを切り替えることができるように構成されている。従って、充電切替スイッチ３３をオン状態とすることにより、熱電変換素子４１において回収された電力を蓄電装置４２に充電することができる。

【0053】

蓄電装置４２に充電された電力の用途は特に限定されることはない。例えば、蓄電装置４２は、発電モードにおいて燃料電池２から生じた電力に蓄電装置４２に充電された電力を重畳させて外部負荷７に供給することができるように構成されていてもよい。この場合、例えば図４に示すように、蓄電装置４２と外部負荷７との間に、蓄電装置４２を外部負荷７と電気的に接続するオン状態と、蓄電装置４２を外部負荷７から電気的に遮断するオフ状態とを切り替えることができるように構成された放電切替スイッチ３４を設け、蓄電装置４２と外部負荷７とを放電切替スイッチ３４を介して電気的に接続すればよい。なお、図には示さないが、必要に応じて、蓄電装置４２から外部負荷７までの間に昇圧回路などを設けることもできる。蓄電装置４２をこのように電気的に接続し、放電切替スイッチ３４をオン状態とすることにより、蓄電装置４２において回収された電力を外部負荷７に供給することができる。

【0054】

本形態の燃料電池システム１０２の動作を、図５を参照しつつ説明する。本形態の燃料電池システム１０２の運転が開始される（ステップＳ１）と、発電制御部３１は、ブロア６を動作させるとともに発電モードを開始し、燃料電池２への液体燃料の供給を所定の時間継続する（ステップＳ２）。発電モードにおいては、燃料電池２に供給された液体燃料及び酸化剤によって燃料電池２から電力が発生する。発電モードにおいて燃料電池２から生じた電力は、回路切替器３２の第１接点３２１を介して外部負荷７に供給される。

【0055】

発電モードの継続時間が所定の時間に達すると、発電制御部は、温度センサ２６から燃料電池２の温度Ｔを取得する（ステップＳ３）。次いで、発電制御部３１は、発電モードを終了するとともにリフレッシュ制御モードを開始する（ステップＳ４）。リフレッシュ制御モードが開始されると燃料ポンプ５２の動作が停止される。これにより、燃料電池２への液体燃料供給が停止する。また、発電制御部３１は、液体燃料の供給停止とともに、回路切替器３２において正極端子２５３ｐと第２接点３２２とを電気的に接続する。これにより、燃料電池２と発熱体４とが電気的に接続され、燃料電池２内に残存した液体燃料と、ブロア６から継続して供給される酸化剤との反応によって生じた電力が発熱体４に供給される。その結果、発熱体４から熱が生じる。

【0056】

本形態の発電制御部３１は、リフレッシュ制御モードが開始された際に、ステップＳ３において取得した燃料電池２の温度Ｔと予め設定された温度目標値Ｔｔｈとを比較する（ステップＳ５）。そして、燃料電池２の温度Ｔが温度目標値Ｔｔｈ未満の場合（ステップＳ５、「Ｙｅｓ」）には、発電制御部３１は燃料電池２の温度を上昇させる必要があると判断し、充電切替スイッチ３３をオフ状態とする。これにより、燃料電池２内に残留した液体燃料とブロア６から継続して供給される酸化剤との反応によって発熱体４に電力が供給され、燃料供給配管５１、５３内の液体燃料が加熱される（ステップＳ５１）。

【0057】

一方、燃料電池２の温度Ｔが温度目標値Ｔｔｈ以上の場合（ステップＳ５、「Ｎｏ」）には、燃料電池２の温度が十分に高いため燃料電池２の温度を上昇させる必要はないと判断し、充電切替スイッチ３３をオン状態とする。この場合、燃料電池２から生じた電力は、発熱体４において一旦熱となった後に熱電変換素子４１によって電力に変換される。そして、熱電変換素子４１により変換された電力は蓄電装置４２に充電される（ステップＳ５２）。充電切替スイッチ３３は、予め設定された条件が満たされるまでオン状態を継続し、条件が満たされた後にオフ状態となる。例えば、本形態の発電制御部３１は、リフレッシュ制御モードが継続している間は充電切替スイッチ３３をオン状態とし、リフレッシュ制御モードが終了した際にオフ状態とするように構成されている。

【0058】

燃料電池２への液体燃料の供給停止時間が所定の時間に達すると、発電制御部３１は、再び発電モードを開始する（ステップＳ６）。発電モードが開始されると、燃料ポンプ５２が動作し、燃料電池２への液体燃料供給が再開される。また、回路切替器３２が正極端子２５３ｐと第１接点３２１とを電気的に接続する。これにより、燃料電池２から生じた電力が外部負荷７に供給される。

【0059】

発電制御部３１は、発電モードが再開した後に、蓄電装置４２が充電済みか否かを判断する（ステップＳ７）。蓄電装置４２が充電済みであった場合（ステップＳ７、「Ｙｅｓ」）、発電制御部３１は放電切替スイッチ３４をオン状態とする。これにより、蓄電装置４２を放電させる（ステップＳ７１）。蓄電装置４２から放電させた電力は、燃料電池２から発生した電力に重畳して外部負荷７に供給される。蓄電装置４２からの放電が完了した後、発電制御部３１は放電切替スイッチ３４をオフ状態とする。一方、蓄電装置４２が充電されていない場合（ステップＳ７、「Ｎｏ」）、発電制御部３１は放電切替スイッチ３４をオフ状態のまま維持する。

【0060】

その後、発電制御部３１は、運転を停止するか否かを判断する（ステップＳ８）。燃料電池システム１０２の運転が継続される場合（ステップＳ８、「Ｎｏ」）、発電制御部３１は、前述した発電モードとリフレッシュ制御モードとを繰り返し実施する。一方、燃料電池システム１０２の運転が停止される場合（ステップＳ８、「Ｙｅｓ」）、発電制御部３１は、燃料ポンプ５２及びブロア６を停止して燃料電池システム１０２の運転を停止する（ステップＳ１００）。

【0061】

本形態の燃料電池システム１０２は、燃料電池２の温度に基づいて、リフレッシュ制御中に生じる電力を発熱体４または蓄電装置４２のいずれかに供給することができるように構成されている。これにより、燃料電池２の温度の過度の上昇を回避するとともに、リフレッシュ制御中に生じる電力をより有効に利用することができる。

【0062】

（実施形態３）
本実施形態では、リフレッシュ制御中に燃料電池２から生じる電力を直接回収することができるように構成された燃料電池システム１０３の例を説明する。

【0063】

本形態の燃料電池システム１０３は、図６に示すように、燃料電池２と、燃料タンク５と、燃料ポンプ５２と、ブロア６と、を有している。燃料タンク５と燃料ポンプ５２との間及び燃料ポンプ５２と燃料電池２との間は燃料供給配管５１、５３により接続されている。ブロア６と燃料電池２との間は酸化剤供給配管６１により接続されている。また、図には示さないが、燃料電池システム１０３は、燃料回収配管を介して燃料電池２に接続された燃料回収タンク５５と、水回収配管を介して燃料電池２に接続されたドレインタンクとを有している。

【0064】

また、燃料ポンプ５２と燃料電池２との間の燃料供給配管５３には発熱体４が取り付けられている。なお、図６においては、便宜上、発熱体４を燃料供給配管５３とは異なる位置に示したが、図６における発熱体４の位置は、燃料電池システム１０３における発熱体４の実際の位置とは無関係である。

【0065】

図６に示すように、燃料ポンプ５２及びブロア６は制御装置３の発電制御部３１に電気的に接続されている。燃料ポンプ５２及びブロア６の動作は発電制御部３１によって制御される。また、燃料電池２の正極端子２５３ｐは制御装置３の回路切替器３２に電気的に接続されている。回路切替器３２の第１接点３２１は外部負荷７に電気的に接続される。また、回路切替器３２の第２接点３２２には、発熱体４と蓄電装置４２とが互いに並列に接続されている。

【0066】

本形態の燃料電池システム１０３における制御装置３は、第２接点３２２と発熱体４との間に設けられた加熱切替スイッチ３５を有している。加熱切替スイッチ３５は、発熱体４を第２接点３２２及び蓄電装置４２と電気的に接続するオン状態と、発熱体４を第２接点３２２及び蓄電装置４２から電気的に遮断するオフ状態とを切り替えることができるように構成されている。加熱切替スイッチ３５をオン状態とすることにより、燃料電池２または蓄電装置４２から発熱体４に電力を供給し、発熱体４から熱を発生させることができる。

【0067】

また、第２接点３２２と蓄電装置４２との間には、制御装置３に設けられた充電切替スイッチ３３が介在している。充電切替スイッチ３３は、蓄電装置４２を第２接点３２２及び発熱体４と電気的に接続するオン状態と、蓄電装置４２を第２接点３２２及び発熱体４から電気的に遮断するオフ状態とを切り替えることができるように構成されている。充電切替スイッチ３３をオン状態とすることにより、リフレッシュ制御中に燃料電池２から生じた電力を蓄電装置４２に充電することができる。

【0068】

また、蓄電装置４２は、放電切替スイッチ３４を介して外部負荷７に電気的に接続される。

【0069】

本形態の燃料電池システム１０３の動作を、図７を参照しつつ説明する。本形態の燃料電池システム１０３は、運転が開始（ステップＳ１）されてから燃料電池２の温度Ｔと予め設定された温度目標値Ｔｔｈとを比較するステップ（ステップＳ５）を行うまでの間は、実施形態２の燃料電池システム１０２と同様に動作する。

【0070】

発電制御部３１において燃料電池２の温度Ｔと温度目標値Ｔｔｈとが比較され（ステップＳ５）、燃料電池２の温度Ｔが温度目標値Ｔｔｈ未満である場合（ステップＳ５、「Ｙｅｓ」）、発電制御部３１は燃料電池２の温度を上昇させる必要があると判断する。この場合、発電制御部３１は、加熱切替スイッチ３５をオン状態にするとともに、充電切替スイッチ３３をオフ状態とする。これにより、燃料電池２内に残留した液体燃料とブロア６から継続して供給される酸化剤との反応によって発熱体４に電力が供給され、燃料供給配管５３内の液体燃料の温度が上昇する（ステップＳ５１３）。加熱切替スイッチ３５は、予め設定された条件が満たされるまでオン状態を継続し、条件が満たされた後にオフ状態となる。例えば、本形態の発電制御部３１は、リフレッシュ制御モードが継続している間は加熱切替スイッチ３５をオン状態とし、リフレッシュ制御モードが終了した際にオフ状態とするように構成されている。

【0071】

一方、燃料電池２の温度Ｔが温度目標値Ｔｔｈ以上の場合（ステップＳ５、「Ｎｏ」）には、発電制御部３１は燃料電池２の温度が十分に高いため燃料電池２の温度を上昇させる必要はないと判断する。この場合、発電制御部３１は、加熱切替スイッチ３５をオフ状態にするとともに充電切替スイッチ３３をオン状態とする。これにより、燃料電池２から生じた電力が蓄電装置４２に直接供給され、蓄電装置４２が充電される（ステップＳ５２３）。充電切替スイッチ３３は、予め設定された条件が満たされるまでオン状態を継続し、条件が満たされた後にオフ状態となる。例えば、本形態の発電制御部３１は、リフレッシュ制御モードが継続している間は充電切替スイッチ３３をオン状態とし、リフレッシュ制御モードが終了した際にオフ状態とするように構成されている。

【0072】

本形態の燃料電池システム１０３は、リフレッシュ制御モードが終了し、再度発電モードを開始（ステップＳ６）した後、運転を停止するか否かの判断（ステップＳ８）を行うまでの間は、実施形態２の燃料電池システム１０２と同様に動作する。運転を停止するか否かを判断するステップ（ステップＳ８）において、燃料電池システム１０３の運転が継続される場合（ステップＳ８、「Ｎｏ」）、発電制御部３１は、前述した発電モードとリフレッシュ制御モードとを繰り返し実施する。一方、燃料電池システム１０３の運転が停止される場合（ステップＳ８、「Ｙｅｓ」）、発電制御部３１は、燃料ポンプ５２及びブロア６を停止して燃料電池システム１０３の運転を停止する（ステップＳ１００）。

【0073】

本形態の燃料電池システム１０３は、リフレッシュ制御中に生じる電力を蓄電装置４２に直接充電することができるように構成されている。そのため、リフレッシュ制御中に生じる電力の損失をより低減することができる。

【0074】

（実施形態４）
本実施形態では、リフレッシュ制御中に燃料電池２から生じる電力の分配方法の他の態様を説明する。本実施形態の燃料電池システムは、図６に示す実施形態３の燃料電池システム１０３と同様の構成を有している。

【0075】

本形態の燃料電池システムの動作を、図８を参照しつつ説明する。本形態の燃料電池システムの運転が開始される（ステップＳ１）と、発電制御部３１は、ブロア６を動作させて燃料電池２に酸化剤を供給するとともに、発電モードを開始し、燃料電池２への液体燃料の供給を所定の時間継続する（ステップＳ２）。発電モードの継続時間が所定の時間に達すると、発電制御部３１は温度センサ２６から燃料電池２の温度Ｔを取得する（ステップＳ３）。次いで、発電制御部３１は、発電モードを終了するとともにリフレッシュ制御モードを開始する（ステップＳ４）。リフレッシュ制御モードが開始されると燃料ポンプ５２の動作が停止される。これにより、燃料電池２への液体燃料供給が停止する。

【0076】

本形態の燃料電池システムにおける発電制御部３１は、リフレッシュ制御モードが開始された際に、加熱切替スイッチ３５をオフ状態にするとともに充電切替スイッチ３３をオン状態とする。これにより、燃料電池２内に残留した液体燃料とブロア６から継続して供給される酸化剤との反応によって生じた電力が、まず蓄電装置４２に充電される（ステップＳ５０４）。

【0077】

リフレッシュ制御モードが開始してから所定の時間が経過した後、発電制御部３１は、ステップＳ３において取得した燃料電池２の温度Ｔと予め設定された温度目標値Ｔｔｈとを比較する（ステップＳ６０４）。例えば、発電制御部３１は、リフレッシュ制御モードが開始した時点から、リフレッシュ制御モードの継続時間の１／２の時間が経過した時点で燃料電池２の温度Ｔと予め設定された温度目標値Ｔｔｈとを比較するように構成されていてもよい。

【0078】

燃料電池２の温度Ｔが温度目標値Ｔｔｈ未満の場合（ステップＳ６０４、「Ｙｅｓ」）、発電制御部３１は燃料電池２の温度を上昇させる必要があると判断し、加熱切替スイッチ３５及び充電切替スイッチ３３をオン状態にする。これにより、蓄電装置４２に充電された電力が発熱体４に供給され、燃料供給配管５３内の液体燃料の温度が上昇する（ステップＳ６１４）。

【0079】

一方、燃料電池２の温度Ｔが温度目標値Ｔｔｈ以上の場合（ステップＳ６０４、「Ｎｏ」）には、発電制御部３１は燃料電池２の温度が十分に高いため燃料電池２の温度を上昇させる必要はないと判断し、加熱切替スイッチ３５及び充電切替スイッチ３３をオフ状態にする。これにより、蓄電装置４２に充電された電力が維持される。

【0080】

燃料電池２への液体燃料の供給停止時間が所定の時間に達すると、発電制御部３１は、再び発電モードを開始する（ステップＳ７０４）。発電モードが開始されると、発電制御部３１は、加熱切替スイッチ３５及び充電切替スイッチ３３をオフ状態とする。

【0081】

また、発電モードが開始された後、発電制御部３１は、蓄電装置４２が充電済みか否かを判断する（ステップＳ８０４）。蓄電装置４２が充電済みであった場合（ステップＳ８０４、「Ｙｅｓ」）、発電制御部３１は放電切替スイッチ３４をオン状態とする。これにより、燃料電池２から発生した電力に、蓄電装置４２に回収された電力を重畳させて外部負荷７に供給することができる（ステップＳ８１４）。蓄電装置４２からの放電が完了した後、発電制御部３１は放電切替スイッチ３４をオフ状態とする。一方、蓄電装置４２が充電されていない場合（ステップＳ８０４、「Ｎｏ」）、発電制御部３１は放電切替スイッチ３４をオフ状態のまま維持する。

【0082】

その後、発電制御部３１は、運転を停止するか否かを判断する（ステップＳ９０４）。燃料電池システムの運転が継続される場合（ステップＳ９０４、「Ｎｏ」）、発電制御部３１は、前述した発電モードとリフレッシュ制御モードとを繰り返し実施する。一方、燃料電池システムの運転が停止される場合（ステップＳ９０４、「Ｙｅｓ」）、発電制御部３１は、燃料ポンプ５２及びブロア６を停止して燃料電池システムの運転を停止する（ステップＳ１００）。

【0083】

本形態の燃料電池システムは、リフレッシュ制御中に生じる電力をまず蓄電装置４２に充電した後、必要に応じて燃料電池２等の加熱に用いることができるように構成されている。そのため、リフレッシュ制御が終了した後、発電を再開する際の燃料電池２の温度をより容易に所望の範囲内とすることができる。

【0084】

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

【符号の説明】

【0085】

１、１０２、１０３ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 制御装置
４ 発熱体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】