JP2005032585A - Power supply system using fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電源システムに関し、特にメタノール等の有機燃料を直接アノードに供給することで発電する燃料電池を備えた電源システムに関する。 The present invention relates to a power supply system, and more particularly to a power supply system including a fuel cell that generates electric power by supplying an organic fuel such as methanol directly to an anode.
次世代のクリーンかつ高効率なエネルギー源として、燃料電池が注目されている。なかでも、高分子電解質膜の両側にアノードおよびカソードをそれぞれ接合した固体高分子電解質型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)は電気自動車用電源や家庭用分散型電源として適した特徴を有しており、急速に開発が進んでいる。近年、この固体高分子型燃料電池(PEFC)の技術をベースとし、メタノールやジメチルエーテルを改質せずに直接アノードに供給して発電する直接型メタノール燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)の開発が活発化している。この直接型メタノール燃料電池(DMFC)はメタノールなどの有機燃料を水素リッチなガスに改質するための改質器や水素容器が不用であるためコンパクトであり、また起動が早く、負荷変動応答性も優れており、移動型電源として注目されている。例えば、非特許文献1には、DMFCを用いたノートパソコン用電源システムの試作機が開示されている。 Fuel cells are attracting attention as a next-generation clean and highly efficient energy source. In particular, polymer electrolyte fuel cells (PEFC) with anodes and cathodes joined to both sides of polymer electrolyte membranes have characteristics that are suitable for power sources for electric vehicles and distributed power sources for homes. Development is progressing rapidly. In recent years, based on this polymer electrolyte fuel cell (PEFC) technology, a direct methanol fuel cell (DMFC) that generates electricity by supplying methanol and dimethyl ether directly to the anode without modification is developed. Has become active. This direct methanol fuel cell (DMFC) is compact because it does not require a reformer or hydrogen container for reforming organic fuel such as methanol into a hydrogen-rich gas, and it is quick to start and responds to load fluctuations. Is also attracting attention as a mobile power source. For example, Non-Patent Document 1 discloses a prototype of a power system for a notebook personal computer using DMFC.
一方、DMFCでは、固体高分子電解質膜は一般的にパーフルオロスルホン酸系高分子(デュポン社製、商品名Nafion(登録商標)等)が使用されている。このパーフルオロスルホン酸系高分子の水和膜は高いプロトン伝導性を有するが、そのプロトン伝導性は水和したプロトンの伝導によるものであり、水との親和性の高いメタノールのクロスオーバー(アノード側からカソード側への燃料用メタノールの透過)が発生しやすい。またクロスオーバーはメタノール濃度が高くなるにつれて尚更発生しやすくなる。また、DMFCにおいては、そもそのアノードでは以下の反応機構によりメタノールと水が反応する。
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e−
従って、アノードへ供給するメタノール水溶液は、理論値である水対メタノール比、1対1よりも薄い水溶液で供給する必要がある。例えば、特許文献1によればメタノール水溶液の濃度は5mol/L(以下M)までが望ましい。
On the other hand, in the DMFC, a perfluorosulfonic acid polymer (manufactured by DuPont, trade name Nafion (registered trademark), etc.) is generally used as the solid polymer electrolyte membrane. This hydrated membrane of perfluorosulfonic acid polymer has high proton conductivity, but the proton conductivity is due to the conduction of hydrated protons, and methanol crossover with high affinity to water (anode Permeation of methanol for fuel from the side to the cathode side is likely to occur. Moreover, crossover is more likely to occur as the methanol concentration increases. In DMFC, methanol and water react at the anode by the following reaction mechanism.
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e −
Therefore, the methanol aqueous solution supplied to the anode needs to be supplied as an aqueous solution having a water-to-methanol ratio, which is a theoretical value, thinner than 1: 1. For example, according to Patent Document 1, the concentration of the methanol aqueous solution is desirably up to 5 mol / L (hereinafter referred to as M).
そのため、DMFCで用いられるメタノールは、燃料電池に希釈メタノール水溶液として供給され、それをそのままアノードへ供給されるか、または、燃料電池に100%溶液、もしくは、高濃度水溶液として供給され、これを燃料電池内部にて水で希釈してからアノードへ供給される(特許文献1参照。)。 Therefore, methanol used in DMFC is supplied to the fuel cell as a diluted methanol aqueous solution and supplied to the anode as it is, or is supplied to the fuel cell as a 100% solution or a high concentration aqueous solution, which is used as the fuel. After being diluted with water inside the battery, it is supplied to the anode (see Patent Document 1).
ここで、メタノールを希釈することにより燃料の凍結の可能性が増大する。なぜなら、メタノールの融点は約-97.8℃と低く、通常の環境下における使用では凍結の可能性は無いが、希釈水溶液、例えば5Mの水溶液では凝固点は約-10℃となるからである(例えば、特許文献2参照。)。このため、寒冷地域では燃料の凍結の可能性が高い。また、燃料希釈用に水を用いる場合、凍結の可能性は更に増大する。 Here, the possibility of fuel freezing increases by diluting methanol. This is because the melting point of methanol is as low as about −97.8 ° C., and there is no possibility of freezing when used in a normal environment, but in a dilute aqueous solution such as a 5M aqueous solution, the freezing point is about −10 ° C. (for example, (See Patent Document 2). For this reason, the possibility of fuel freezing is high in cold regions. Also, when water is used for fuel dilution, the possibility of freezing further increases.
ところで、DMFCを用いた電源システムの稼動時には、DMFCは発電時に発熱し、また電源システムが接続された、例えばノートパソコン等の接続機器も稼動時には発熱する。これらの発熱により、または、発熱を利用することにより、電源システムの稼動時には電源システムを加熱することができるため、凍結の可能性は低い。しかし、電源システムの停止時には外部環境の温度に応じた温度となるため、停止時に燃料が凍結してしまい、そのまま起動不可能になることがある。 By the way, when a power system using a DMFC is operated, the DMFC generates heat during power generation, and a connected device such as a notebook computer connected to the power system generates heat during operation. Due to these heat generations or by using the heat generation, the power supply system can be heated when the power supply system is in operation, so the possibility of freezing is low. However, since the temperature depends on the temperature of the external environment when the power supply system is stopped, the fuel may freeze when the power supply system is stopped, and it may be impossible to start the system as it is.
従来、燃料電池を用いた電源システムで凍結を防止する方法として、例えば特許文献2、3等が開示されている。特許文献2では電源システムに冷却水系統を有し、この冷却水の温度を監視し、冷却水を加熱することで凍結を防止している。特許文献3では電源システムに断熱構造を有する水の予備タンクを有し、この予備タンクの水を加熱することで電源システムの起動を可能とし凍結を防止している。
特許文献2、および、特許文献3で用いられている冷却水系や予備タンクはDMFCを用いた電源システムには不要である。また、これらの技術では電源システム内に、本来、電源システムとしては不要な、液体のための配管が必要である。そのため、これら技術を導入した電源システムはその構成が複雑である。
The cooling water system and the reserve tank used in
また、上記の参考特許文献の開示する電源システムは、電源システムの燃料にメタノールを用いている点で本発明に係る電源システムと共通する。しかし、上記の参考特許文献の開示するシステムはメタノールを改質し、水素ガスを燃料電池に供給する電源システムである。このタイプの電源システムは、動作原理、および、システム構成に関し、DMFCを用いた電源システムのそれらと全く異なる。上記参考文献の開示するシステムは凍結防止用熱源としてガス改質機構において発生する熱を利用することができるが、DMFCを用いた電源システムは、本来的にガス改質機構を必要としない。従い、これら参考特許文献に記載された技術を、DMFCを電源とするシステムに適用することは困難である。また、DMFCは燃料、および、酸化剤を電極に供給することにより、即時的に発電を開始可能であるという有利点を有する。この点に着目することで、よりシステム構成が簡単化され、かつ、凍結防止効果に優れた電源システムを開発することが可能である。 The power supply system disclosed in the above-mentioned reference patent document is common to the power supply system according to the present invention in that methanol is used as the fuel for the power supply system. However, the system disclosed in the above-mentioned reference patent document is a power supply system that reforms methanol and supplies hydrogen gas to the fuel cell. This type of power supply system is completely different from those of a power supply system using DMFC in terms of operating principle and system configuration. Although the system disclosed in the above reference can use heat generated in the gas reforming mechanism as a heat source for preventing freezing, the power system using DMFC does not essentially require a gas reforming mechanism. Therefore, it is difficult to apply the techniques described in these reference patent documents to a system using a DMFC as a power source. In addition, DMFC has an advantage that power generation can be started immediately by supplying fuel and an oxidant to the electrode. By paying attention to this point, it is possible to develop a power supply system with a simplified system configuration and excellent anti-freezing effect.
上記の問題を解決すべく本発明は、例えばDMFC等といった、メタノール等の液体有機燃料をアノードに直接供給しながら発電するタイプの燃料電池を用いた電源システムにおいて、電源システム内の凍結を防止する電源システムを提供することを目的とする。 In order to solve the above problems, the present invention prevents freezing in a power supply system in a power supply system using a fuel cell such as DMFC that generates power while directly supplying a liquid organic fuel such as methanol to an anode. An object is to provide a power supply system.
本発明に係る電源システムは、電解質膜の両側にアノードおよびカソードをそれぞれ接合し、前記アノードおよび前記カソードにそれぞれ液体有機燃料および気体酸化剤を供給することで継続的に発電可能な燃料電池を電力源とする電源システムである。本電源システムは前記燃料電池、および、加熱手段を有する。前記電源システムの停止状態において、前記加熱手段は、少なくとも前記燃料電池の一部、または、前記電源システム全体を加熱可能である。本システムは前記加熱手段により、前記電源システムの停止時において電源システムの凍結を防止可能である。 The power supply system according to the present invention uses an anode and a cathode joined to both sides of an electrolyte membrane, respectively, and supplies a liquid organic fuel and a gaseous oxidant to the anode and the cathode, respectively. It is a power supply system as a source. The power supply system includes the fuel cell and heating means. When the power supply system is stopped, the heating means can heat at least a part of the fuel cell or the entire power supply system. This system can prevent the power supply system from freezing when the power supply system is stopped by the heating means.
本発明に係る電源システムにより、電源システムの凍結の畏れのある場合、加熱手段により加熱され、凍結を防止することができる。 With the power supply system according to the present invention, when the power supply system is frozen, it can be heated by the heating means to prevent freezing.
以下添付の図面を参照して、本発明に係る燃料電池を用いた電源システムの実施の形態を詳細に説明する。 Embodiments of a power supply system using a fuel cell according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
第1の実施形態
<構成>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電源システムの構成を示すブロック図である。第1実施形態に係る電源システム100aは燃料電池1、加熱装置2、温度センサ4、加熱制御装置5、および、外部負荷と接続するための外部出力端子6を備える。燃料電池1の出力は加熱制御装置5を介し、加熱装置2および外部出力端子6と接続される。加熱制御装置5は温度センサ4と接続されている。
First Embodiment <Configuration>
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the power supply system according to the first embodiment of the present invention. The power supply system 100a according to the first embodiment includes a fuel cell 1, a
燃料電池1は燃料電池セル10、燃料電池セル10に供給される燃料を貯蔵する燃料タンク11、燃料供給経路12、および、酸化剤供給経路13を有する。燃料電池セル10は電解質膜101、ならびに、その両側にアノード102およびカソード103を有する。電解質膜101、アノード102、および、カソード103はそれぞれ接合されて一体化されている。そのような燃料電池1として、例えばメタノール直接型燃料電池(DMFC)が好ましい。なお、図1においては簡単のため、燃料電池セル10を単セルからなる燃料電池セルとして図示しているが、燃料電池セル10はこの単セルを複数積層したスタック構造を有してもよい。
The fuel cell 1 includes a
電解質膜101には、例えばデュポン社製、Nafion(登録商標)や旭硝子社製、Flemion(登録商標)といったパーフルオロカーボンスルホン酸系高分子膜等が好適な一例としてあげられる。
As the
アノード102およびカソード103は共に貴金属触媒を担持した、例えば多孔性炭素材料や発泡金属からなる電極である。アノード102には液体有機燃料を直接供給し、カソード103には酸化剤を供給する。
The
燃料タンク11はアノード102に供給される液体有機燃料を貯蔵するためのタンクである。アノード102に供給される液体有機燃料としては、例えばメタノール、エタノール、ジメチルエーテル等がある。
The
燃料タンク11は数M程度にまで希釈された液体有機燃料希釈水溶液を貯蔵してよく、また、純燃料または高濃度燃料を貯蔵するタンク、および、それらを希釈するための希釈水を貯蔵するタンクをそれぞれ有してもよい。後者の場合、燃料タンク11は純燃料または高濃度燃料を希釈するための手段(図示せず)を要する。
The
燃料供給経路12は液体有機燃料を燃料タンク11からアノード102に供給する。燃料供給経路12は燃料循環型でも燃料非循環型でもよい。燃料循環型の場合、アノード102に供給された液体有機燃料はアノード102内を通り、アノード102における反応のためにその濃度を幾分か変化させながら、燃料タンク11に戻る。燃料非循環型の場合、燃料供給経路12のアノード102側端部は毛管現象等を利用した構造を有しており、それによってアノード102へ液体有機燃料を供給する。
The
酸化剤供給経路13がカソード103へ酸化剤を供給する。酸化剤供給経路13は送気型でも開放型でもよい。送気型の場合、酸化剤供給経路13が、例えば空気または純酸素といった酸化剤をカソード103に供給し、供給された酸化剤はカソード103における反応のために消費されながら、カソード103を通過する。開放型の場合、燃料電池セル10はカソード103が直接大気に面するような構成が可能であり、酸化剤供給経路13の構成物は実質的に不要である。
The
加熱装置2は、燃料電池セル10、燃料タンク11、燃料供給経路12、酸化剤供給経路13のうちの少なくとも1つを、または、電源システム100a全体を加熱するための手段である。加熱対象は周囲環境の温度低下により凍結の恐れが高い部分が好ましい。一般的に、凍結の恐れが高い部分は、システムの構造、および、使用状況等により変化する。
The
加熱装置2は通電により発熱する手段が好ましく、それは例えば電気抵抗を用いたヒータ等である。加熱装置2が電気抵抗を用いたヒータの場合、電気抵抗を複数個用意し、その使用数を適宜変更する手段を備えることで消費電力を最適化することも可能である。
The
温度センサ4は燃料電池の少なくとも一部の温度を検出する。例えば、燃料電池セル10、燃料タンク11、燃料供給経路12、または、酸化剤供給経路13を測定対象とする。但し、電源システム100aを測定対象とすることも可能である。さらには、参照温度として電源システム100aの外部の温度を測定対象としてもよい。各測定点において、各温度センサ4は温度測定値を加熱制御装置5へ送信する。測定値送信間隔は特に限定されない。実質的に連続的に送信することも、間欠的に送信することも可能である。
The
加熱制御装置5は温度センサ4からの信号を受け、その信号に基づいて加熱装置2を作動または停止させることが可能な加熱制御装置である。例えば、加熱装置2が電気抵抗を用いたヒータの場合、加熱制御装置5はヒータへの通電を制御可能なスイッチ等が可能である。また、電源システム100aが加熱装置2を1個備えている場合、加熱制御装置は1つでよいが、加熱装置2を2以上備えている場合、加熱制御装置5の数は1以上となる。また、加熱制御装置5の数が加熱装置2の数よりも多くとも問題はない。
The
外部出力端子6は燃料電池1の出力を外部負荷に供給するための接続部である。
The
<動作>
以上のように構成される電源システム100aの動作を説明する。本実施形態において、用いる燃料電池1は、その発電状態において、かなりの熱を発する。従って電源システム100aが現在、発電状態であるか、または、停止状態であるかの判断は、温度センサ4による継続的な温度監視により可能である。なお、発熱の少ない燃料電池を電源として用いる場合、外部出力への電力供給の有無を監視し、燃料電池が発電状態にあるのか、または、停止状態なのかを監視する手段を備えてもよい。
<Operation>
The operation of the power supply system 100a configured as described above will be described. In the present embodiment, the fuel cell 1 to be used emits considerable heat in the power generation state. Therefore, it is possible to determine whether the power supply system 100a is currently in a power generation state or in a stopped state by continuous temperature monitoring by the
電源システム100aの停止状態において、温度センサ4は測定対象の温度を監視し、測定値を加熱制御装置5に送信する。加熱制御装置5は温度センサ4から送信される温度データと、加熱制御装置5に予め設定されている第1基準温度とを比較し、第1基準温度以下であれば加熱装置2を作動させる。ここで第1基準温度は特に限定されないが、凍結防止の観点より、4℃程度が望ましい。
In the stop state of the power supply system 100a, the
なお、温度センサ4を複数個備える場合、各温度センサ4が異なる温度測定値を出力することが考えられる。そのため、加熱制御装置5は予め設定されている、第1平均基準温度と前記温度測定値の平均値とを比較し、平均値が第1平均基準温度を下回っていれば加熱装置2を作動させる。もしくは、温度測定値のうちの最低温度と、加熱制御装置5に予め設定されている第1最低基準温度とを比較し、最低温度が第1最低基準温度を下回っていれば加熱装置2を作動させる。この場合、第1平均基準温度、および、第1最低基準温度は例えば、それぞれ4℃、および、0℃と設定される。
When a plurality of
燃料電池1が稼動すると、燃料電池1から加熱装置2に電力が供給され、加熱対象が加熱される。これにより、燃料電池1等の温度が上昇し凍結を防止することができる。また、例えば燃料供給経路が燃料非循環型の燃料電池の場合、電気抵抗が接続され通電することで燃料電池が自動的に発電を開始する。燃料電池が発電を開始することで熱が発生する。この熱も凍結の防止に寄与する。
When the fuel cell 1 is operated, electric power is supplied from the fuel cell 1 to the
そして、温度センサ4からの温度の測定値が、予め設定されている第2基準温度またはそれ以上(好ましくは第1基準温度+3℃以上)になった場合、加熱制御装置5は加熱装置2を停止させる。例えば、加熱装置2が前述の電気抵抗を用いたヒータの場合、加熱制御装置5はヒータへの燃料電池1からの電力供給を遮断する。
When the temperature measurement value from the
なお、複数の温度センサ4を備える場合、各温度センサ4の出力にばらつきが見られることが考えられる。その場合、各センサ4の温度測定値の平均値が、加熱制御装置5に予め設定された第2平均基準温度を上回るか、または、前記温度測定値の最高温度が第2最高基準温度を上回った場合に、加熱制御装置5は加熱装置2を停止させる。
In addition, when providing the
<効果>
本発明に係る第1実施形態により、以上説明したように燃料電池1等が自動的に加熱され、燃料電池1等を常時凍結温度以上に維持することができる。したがって、電源システム100a内の凍結を防止することができ、確実に電源システムを起動することができる。また、凍結の恐れのない温度まで燃料電池1等の温度が上昇すれば、加熱手段が自動的に停止するので、電源システムを必要以上に加熱することを防止し、電力の過度な消費を防止することができる。
<Effect>
According to the first embodiment of the present invention, as described above, the fuel cell 1 and the like are automatically heated, and the fuel cell 1 and the like can be constantly maintained at a freezing temperature or higher. Therefore, freezing in the power supply system 100a can be prevented, and the power supply system can be reliably started. In addition, if the temperature of the fuel cell 1 or the like rises to a temperature at which there is no risk of freezing, the heating means automatically stops, preventing the power system from being heated more than necessary and preventing excessive power consumption. can do.
第2の実施形態
<構成>
本実施形態における電源システムは、図2に示すように、第1の実施形態の構成に、さらに停止状態切替え手段である停止状態切替えスイッチ7を加えた構成を有する。停止状態切替えスイッチ7は、人為的に電源システム100bの停止状態を切り替え可能とするスイッチである。本実施形態には、電源システムの停止時において、加熱装置2が温度センサ4の測定値に関わりなく作動しない通常停止状態、および、加熱装置2が温度センサ4の測定値に応じて自動的に作動する稼動停止状態の2種類の停止状態を有する。
Second Embodiment <Configuration>
As shown in FIG. 2, the power supply system according to the present embodiment has a configuration in which a stop state changeover switch 7 serving as a stop state switching unit is added to the configuration of the first embodiment. The stop state changeover switch 7 is a switch that can artificially switch the stop state of the
<作用>
本実施形態に係る電源システム100bは、操作者の判断により、凍結の恐れがない場合には停止状態切替えスイッチ7を通常停止状態にすることで、加熱手段を人為的に温度に関係なく停止させる。他方、凍結の恐れがあると操作者が判断すれば、停止状態切替えスイッチ7を稼動停止状態とすることで、本実施形態の動作は第1実施形態の動作と同一のものとなる。
<Action>
The
<効果>
本実施形態により、凍結の恐れがないと操作者が判断した場合、電源システムを通常停止状態とすることで、加熱装置2の作動に係る燃料電池1の燃料の不必要な消費を防止できる。
<Effect>
According to the present embodiment, when the operator determines that there is no fear of freezing, unnecessary power consumption of the fuel cell 1 related to the operation of the
第3の実施形態
<構成>
図3は本発明に係る第3の実施形態における電源システムの構成を示すブロック図である。本実施形態における電源システム100cは燃料電池1、加熱装置2、バッテリ3、温度センサ4、加熱制御装置5、および、外部負荷と接続するための外部出力端子6を有する。燃料電池1の出力は、バッテリ3、および、外部出力端子6と接続され、バッテリ3から加熱制御装置5を介して加熱装置2と接続されている。さらに加熱制御装置5は温度センサ4と、温度センサ4からの信号が受信可能に接続されている。
Third Embodiment <Configuration>
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a power supply system according to the third embodiment of the present invention. The
燃料電池1、加熱装置2、温度センサ4、および、加熱制御装置5の構成は、第1、および、第2の実施形態と同一である。
The configurations of the fuel cell 1, the
バッテリ3は充放電可能な電池であれば特に限定はされないが、エネルギー密度の大きな電池、例えばLiイオン電池やNi−H電池、Liポリマー電池等が好適である。また、バッテリー3は電源システム100c内に複数個有してもよい。バッテリ3は燃料電池1から充電されるが、外部に太陽電池のような、再生式エネルギー源を備え、そのエネルギー源から充電されてもよい。また、バッテリ3は、交換も容易な構成である。
The
外部出力端子6は燃料電池1の出力を外部負荷に供給するための接続部であり、外部出力端子6とバッテリ3は接続されていてもよい。
The
<動作>
電源システム100cの停止時において、温度センサ4は、第1、および、第2の実施形態と同様にして、測定対象の温度を監視し、測定値を加熱制御装置5に送信する。加熱制御装置5は、第1、および、第2実施形態と同様に、温度センサ4から送信される温度データと、加熱制御装置5に予め設定されている第1基準温度とを比較し、前記温度データが第1基準温度を下回れば加熱装置2を作動させる。
<Operation>
When the
ここで第1基準温度は特に限定されないが、凍結防止の観点より、4℃程度が望ましい。なお、温度センサ4を複数個有する場合は、第1、および、第2の実施形態と同様に、センサ4の各測定値の平均値、および、それらの最低値を基に、加熱制御装置5が加熱装置2の稼動、および、停止を制御する。
Here, the first reference temperature is not particularly limited, but is preferably about 4 ° C. from the viewpoint of preventing freezing. In the case where a plurality of
加熱装置2にはバッテリ3から電力が供給され、加熱対象が加熱される。これにより、燃料電池1等の温度が上昇し凍結を防止することができる。
Electric power is supplied from the
そして、温度センサ4からの温度の測定値が、予め設定されている第2基準温度またはそれ以上(好ましくは第1基準温度+3℃以上)になった場合、加熱制御装置5は加熱装置2を停止させる。すなわち加熱制御装置5が、バッテリ3から加熱装置2への電力供給を遮断する。
When the temperature measurement value from the
<効果>
本実施形態における電源システム100cは、自動的に加熱され、その停止状態においても、常に凍結温度以上に維持することができる。第1、および、第2の実施形態における電源システム100a、および、100bでは、燃料は循環型、酸化剤は開放型の構成を有することが想定されるが、そのようなシステムでは燃料電池のスタック化が困難であるため、出力を向上させることが容易ではない。だが、バッテリー3を備えることで、ポンプ等の補機の使用が可能となり、燃料電池をスタック構造とし、高出力を得ることが容易となっている。
<Effect>
The
第4の実施形態
<構成>
図4は本発明に係る第4の実施形態における電源システム100dの構成を示すブロック図である。第4の実施形態における電源システム100dは、図3に示す第3の実施形態に係る電源システム100cに、さらに容量監視装置8、および、始動制御装置9を備える。容量監視装置8は一方でバッテリ3に接続され、バッテリ3の残存容量を監視し、また、他方で始動制御装置9に接続され、バッテリ3の残存容量に関する信号を送信する。始動制御装置9は、容量監視装置8からの信号を受けて、燃料電池1を始動、または、停止させるよう制御を行う。
Fourth Embodiment <Configuration>
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a
本実施形態は、第3の実施形態と同様、バッテリ3に蓄えられている電力を用いて電源システム100dを凍結から保護する。当然のことながら、バッテリ3に蓄えられる電力量は有限であり、その電力は有限時間内に消費される。そこで、容量監視装置8を設け、これによりバッテリ3の残存容量を監視する。容量監視装置8の数は任意である。例えば、バッテリ3を1つ有する電源システムの場合、容量監視装置8は1つで十分であるが、バッテリ3を2つ有する場合、1つの容量監視装置8で2つのバッテリ3の合計残存容量を監視してもよく、または、2つの容量監視装置8でそれぞれのバッテリ3の残存容量を監視してもよい。また、容量監視装置8はバッテリ3の数より多くともよい。容量監視装置8はこれらバッテリ3の残存容量の測定値を始動制御装置9へ送信する。始動制御装置9は容量監視装置8からの信号を受け、燃料電池1を制御、換言すれば、始動、または、停止させる。
In the present embodiment, as in the third embodiment, the
<動作>
電源システム100dの停止時において、温度センサ4は、第1、ないし、第3の実施形態と同様にして、測定対象の温度を監視し、測定値を加熱制御装置5に送信する。加熱制御装置5は、第1、ないし、第3実施形態と同様に、温度センサ4から送信される温度データと、加熱制御装置5に予め設定されている第1基準温度とを比較し、第1基準温度以下であれば加熱装置2を作動させる。加熱装置2には、バッテリ3から電力が供給され、加熱対象を加熱する。これにより、燃料電池1等の温度が上昇し凍結を防止することができる。
<Operation>
When the
このような加熱装置2の作動により、バッテリ3の電力が消費される。始動制御装置9は容量監視装置8からのバッテリ3の残存容量の測定値が予め設定されている第1残存容量(例えば最大容量の20%)を下回った場合に、燃料電池1を始動させる。なお、複数のバッテリ3を備え、複数の容量監視装置8が残存容量の監視をしている場合、複数のバッテリ3の残存容量の平均値が第1残存容量を下回るか、または、残存容量のうちの少なくとも1つが、予め設定されている第1最低残存容量を下回る場合に、始動制御装置9が燃料電池1を始動させる。ただし、複数のバッテリを備え、バッテリを順に1つずつ使用する場合は、最後のバッテリの残存容量を監視すればよく、全バッテリに監視装置を備えていても最後のバッテリの残存容量を監視し、その残存容量が第1最終残存容量、例えば50%を下回った場合に、始動制御装置9が燃料電池1を始動させる。第1最終残存容量は複数のバッテリの全容量と、最後に消費されるバッテリの容量との比に応じて変化する。
Due to the operation of the
燃料電池1による発電電力はバッテリ3の充電に用いられる。充電作業中において、加熱装置2への電力供給を停止する必要はないが、バッテリ3からの供給を停止させる場合には、加熱装置2への電力供給源を変更し、電力供給を燃料電池1から行ってもよい。
The power generated by the fuel cell 1 is used for charging the
そして容量監視装置8からの測定値が、予め設定されている第2残存容量(例えば最大容量の85%)を上回った場合、始動制御装置9は燃料電池1を停止させ、バッテリ3への充電は終了する。なお、複数のバッテリ、および、容量監視装置を備えている場合、上述した充電開始の判断と同様に、各バッテリの残存容量の平均値、および/または、特定の1個のバッテリの残存容量を用いて充電終了の判断を行う。
When the measured value from the
<効果>
本発明の第4の実施形態により、以上説明したように第3実施形態と同様の効果が得られ、さらには外部電源を必要とせずにバッテリ3の充電が可能である。よってバッテリ3の容量が小さい場合でも、自動的に燃料電池1から充電されることで、加熱装置2の維持時間はバッテリ3の容量に依存しない。したがって、本発明の電源システム単体で長時間にわたり、加熱装置2を稼動させることができ、電源システム100の凍結を防止することができる。また、充電が自動的に停止することで燃料電池1を必要以上稼動することは無く、燃料の消費を最小限にまで抑制することができる。
<Effect>
According to the fourth embodiment of the present invention, the same effects as those of the third embodiment can be obtained as described above, and the
第5の実施形態
<構成>
第5の実施形態に係る電源システムは、第3、または、第4の実施形態の構成にさらに停止状態切替えスイッチ7を加えた構成を有する。本実施形態には、電源システムの停止時において、加熱装置2が温度センサ4の測定値に関わりなく作動しない通常停止状態、および、加熱装置2が温度センサ4の測定値に応じて自動的に作動する稼動停止状態の2種類の停止状態が備えられている。前記停止状態切替えスイッチ7は、人為的に電源システムの前記2つの停止状態を切り替え可能とするスイッチである。
Fifth Embodiment <Configuration>
The power supply system according to the fifth embodiment has a configuration in which a stop state changeover switch 7 is further added to the configuration of the third or fourth embodiment. In the present embodiment, when the power supply system is stopped, the
<作用>
本実施形態に係る電源システムは、操作者の判断により、凍結の恐れがない場合には停止状態切替えスイッチ7を通常停止状態にすることで、加熱手段を人為的に停止する。凍結の恐れがあると操作者が判断すれば、停止状態切替えスイッチ7を稼動停止状態とすることで、本実施形態に係る電源システムの動作は第3、または、第4実施形態と同一のものとなる。
<Action>
The power supply system according to the present embodiment artificially stops the heating means by setting the stop state changeover switch 7 to the normal stop state when there is no fear of freezing according to the operator's judgment. If the operator determines that there is a risk of freezing, the operation of the power supply system according to this embodiment is the same as that of the third or fourth embodiment by setting the stop state changeover switch 7 to the operation stop state. It becomes.
<効果>
本実施形態に係る電源システムは、操作者が、凍結の恐れがないと判断した場合には停止状態切替えスイッチ7を用いて停止状態を通常停止状態にすることで、加熱や充電等の動作を人為的に停止することができる。これにより加熱装置2等の作動に係るバッテリ3の電力の不必要な消費を防止できる。また、第4の実施形態と組み合わせた場合にはバッテリの電力の不必要な消費、ならびに燃料の不必要な消費を防止できる。
<Effect>
When the operator determines that there is no risk of freezing, the power supply system according to the present embodiment performs operations such as heating and charging by setting the stop state to the normal stop state using the stop state changeover switch 7. Can be artificially stopped. Thereby, the unnecessary consumption of the electric power of the
なお、本発明は電解質膜を挟んでアノードとカソードを有するセルを備え、前記アノードに液体有機燃料を直接供給するとともに、前記カソードに酸化剤を気体で供給することによって発電する燃料電池、および、加熱手段を有する電源システムに関する発明である。それ以外は上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の加熱装置やバッテリ、温度センサや、加熱制御装置等の具体的な構成は、前述したものに限定されることは無く、加熱手段が作動できれば、自由に選択できる。 The present invention includes a cell having an anode and a cathode with an electrolyte membrane interposed therebetween, and a fuel cell that directly supplies liquid organic fuel to the anode and generates electricity by supplying an oxidant in the form of a gas to the cathode, and It is an invention relating to a power supply system having a heating means. Other than that, it is not limited to the above-mentioned embodiment. Specific configurations of the heating device, battery, temperature sensor, heating control device, and the like of the present invention are not limited to those described above, and can be freely selected as long as the heating means can be operated.
以下に本発明における実施例を示す。以下の全ての実施例において、燃料電池には3%メタノール水溶液を燃料とするDMFCを用い、加熱装置には電気抵抗を用いている。バッテリーを有する実施例においては、Liイオン電池をバッテリーとして使用している。なお、全ての実施例、および、比較例において同一の構成要素はその同一の機能を有するものである。 Examples of the present invention are shown below. In all the following examples, DMFC using 3% aqueous methanol as fuel is used for the fuel cell, and electric resistance is used for the heating device. In an embodiment having a battery, a Li-ion battery is used as the battery. In all of the examples and comparative examples, the same components have the same functions.
実施例1は第1の実施形態の構成を有する、すなわち、燃料電池、加熱手段、温度センサ、加熱制御装置、および、外部出力端子を有する電源システムである。 Example 1 is a power supply system having the configuration of the first embodiment, that is, a fuel cell, a heating unit, a temperature sensor, a heating control device, and an external output terminal.
実施例2は第4の実施形態の構成を有する、すなわち、第3の実施形態の構成要素に加え、容量監視装置、および、始動制御装置を有する電源システムである。 Example 2 is a power supply system having the configuration of the fourth embodiment, that is, a power supply system having a capacity monitoring device and a start control device in addition to the components of the third embodiment.
また、比較例は燃料電池、および、外部出力端子のみを有する電源システムである。 The comparative example is a power supply system having only a fuel cell and an external output terminal.
全ての実施例において、第1基準温度を4℃、第2基準温度を7℃と設定し、また、実施例2における第1残存容量を最大容量の20%、第2残存容量を最大容量の85%とした。 In all the examples, the first reference temperature is set to 4 ° C., the second reference temperature is set to 7 ° C., the first remaining capacity in Example 2 is set to 20% of the maximum capacity, and the second remaining capacity is set to the maximum capacity. 85%.
電源システムの評価
第1の評価例
実施例1、および、比較例の電源システムを停止状態で−10℃の環境に放置し、1時間後および6時間後に電源システムが起動するかを確認した。結果を表1に示す。
Evaluation of Power Supply System First Evaluation Example The power supply systems of Example 1 and the comparative example were left in an environment of −10 ° C. in a stopped state, and it was confirmed whether the power supply system started after 1 hour and 6 hours. The results are shown in Table 1.
第2の評価例
実施例2、比較例の電源システムを停止状態で−10℃の環境に放置し、1時間後および6時間後に電源システムが起動するかを確認した。結果を表2に示す。
Second Evaluation Example The power supply systems of Example 2 and Comparative Example were stopped and left in an environment of −10 ° C., and it was confirmed whether the power supply system started up after 1 hour and 6 hours. The results are shown in Table 2.
本発明に係る燃料電池を用いた電源システムは、凍結防止効果を有し、移動型電源システム等として有用である。 The power supply system using the fuel cell according to the present invention has an anti-freezing effect and is useful as a mobile power supply system or the like.
1 ・・ 燃料電池 2 ・・ 加熱手段
3 ・・ バッテリー 4 ・・ 温度センサ
5 ・・ 加熱制御装置 6 ・・ 外部出力端子
7 ・・ 停止状態切替えスイッチ 8 ・・ 容量監視装置
9 ・・ 始動制御装置 10 ・・ 燃料電池セル
11 ・・ 燃料タンク 12 ・・ 燃料供給経路
13 ・・ 酸化剤供給経路
100a、100b、100c、100d ・・・・ 電源システム
101 ・・ 電解質膜 102 ・・ アノード
103 ・・ カソード
1 ..
Claims (9)
前記電源システムの停止状態において、少なくとも前記燃料電池の一部、または、前記電源システム全体を加熱する加熱手段を有することを特徴とする電源システム。 A power supply system using a fuel cell as a power source that can continuously generate power by joining an anode and a cathode to both sides of an electrolyte membrane and supplying a liquid organic fuel and a gaseous oxidant to the anode and the cathode, respectively. ,
A power supply system comprising heating means for heating at least a part of the fuel cell or the entire power supply system when the power supply system is stopped.
前記加熱手段を制御する加熱制御装置とを備え、
前記加熱制御装置が前記温度センサからの信号を受け、前記信号が第1基準温度を下回る値を示す場合に前記加熱手段を作動させることを特徴とする、請求項1ないし4に記載の電源システム。 A temperature sensor that measures at least one of the temperature of the fuel cell, the temperature of the entire power supply system, and the temperature outside the power supply system;
A heating control device for controlling the heating means,
5. The power supply system according to claim 1, wherein the heating control device receives a signal from the temperature sensor and activates the heating unit when the signal indicates a value lower than a first reference temperature. 6. .
前記容量監視装置と接続された始動制御装置とを有し、
前記始動制御装置が前記容量監視装置からの信号を受け、受信した前記信号の示す前記バッテリーの残存容量が第1残存容量を下回っている場合、前記燃料電池を始動させ、前記始動制御装置からの指示で発電状態になった前記燃料電池により、前記バッテリーを充電することを特徴とする請求項2ないし6のいずれか1つに記載の電源システム。 A capacity monitoring device for monitoring the remaining capacity of the battery; and
A start control device connected to the capacity monitoring device;
When the start control device receives a signal from the capacity monitoring device and the remaining capacity of the battery indicated by the received signal is lower than the first remaining capacity, the fuel cell is started, and the start control device The power supply system according to any one of claims 2 to 6, wherein the battery is charged by the fuel cell that is in a power generation state according to an instruction.
Furthermore, in the stop state of the power supply system, there is provided stop state switching means for switching the stop state to either a normal stop state where the heating means does not operate or an operation stop state where the heating means can operate. The power supply system according to claim 1, wherein:
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