JP2005197124A - 燃料電池電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 長期間、水素燃料タンクを装着したまま未使用状態で放置した後でも、燃料タンク内の水素ガスの流出がほとんどない、燃料電池を内蔵した燃料電池電源装置を提供する。
【解決手段】 取り外し可能な水素燃料タンク１からの燃料を用いて発電反応を行う反応部６を有する燃料電池と、該燃料電池で得られた電力を導入し外部の電気装置へ供給する電源供給部８を備えた燃料電池電源装置であって、前記燃料タンク１と反応部６を連結する燃料流路３に設けられたバルブ４と、該バルブ４の開閉を制御する制御部９とを備え、前記制御部９は電源供給部８が外部の電気装置へ電力を供給するとバルブ４を開き反応部６で発電反応が行われ、電源供給部８が外部の電気装置へ電力の供給を停止するとバルブ４を閉じて反応部６の発電反応が停止する燃料電池電源装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池電源装置に関し、特に燃料電池を用いて、外部の電気装置に電力を供給する電源装置で、特に燃料として水素を用いる燃料電池電源装置に関するものである。

燃料電池は水素などの燃料と酸素とを化学反応させて化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するため、高い発電効率を得ることができ、また、機械的な駆動部が少ないため騒音が非常に小さく、小型化も可能であるという特徴がある。

１００Ｗクラス以下の燃料電池としては、水素ガスを燃料とする固体高分子膜型の燃料電池が考案されている。例えば、小型の燃料電池として、水素を燃料とした固体高分子型の燃料電池で、ノートパソコンなどの機器の電源として、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池の代わりに搭載できる、燃料電池の発明が、特許文献１に開示されている。

しかし、燃料電池をＰＤＡやノートパソコンなどの機器の電源として、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池の代わりに機器に組み込んで使おうとすると以下のような問題がある。
（１）機器の電力使用量が急激に変化した場合、燃料電池は、発電原理上、リチウムイオン電池やニッケル水素電池のように供給電力を急激に変化させるのが困難である。
（２）燃料電池は、発電のための化学反応で、熱を発生する。また、燃料である水素と、酸素が反応することにより、水が生成される。従って、機器に組み込んだとき、従来二次電池にはなかった、発熱および排水対策を施す必要がある。

以上の理由により、燃料電池を有効に使おうとすると、機器本体もそれにあわせて、改造する必要がある。
また、燃料電池の水素ガスの流出を防止することに関する発明がなされている。

特許文献２では、水素吸蔵合金を用いて水素を貯蔵した水素カートリッジを、発電反応部がある燃料電池本体から取り外したとき、本体に残っている水素ガスが取り外し口から漏れるのを防止する技術が開示されている。しかし、この発明では、水素カートリッジを取り付けたままの状態で、長期間放置した場合に、水素カートリッジからの水素漏れ防止については、なんら考えられていない。

特許文献３では、携帯用ＯＡ機器などの電源に利用できる、小型軽量化した燃料電池用水素供給システムの発明が開示されている。しかし、この発明でも、燃料電池本体が長期間未使用状態のときに、水素を貯蔵した水素吸蔵合金容器から水素ガスが流出するのを防止するための考慮はない。
特開平９−２１３３５９号公報（第６頁、図１） 特開２００２−１５８０２２号公報（第９頁、図１） 特開平１０−６４５６７号公報（第９頁、図１、図４）

燃料電池は、燃料を補給しつづけるだけで、発電しつづけ、騒音も少なく、通常のオフィースの机の上で動作させることも可能なので、この特徴を活かして、ＰＤＡやノートパソコンに直接組み込むのでなく、従来の二次電池の充電用の電源装置として利用する方法が考えられる。

このような燃料電池電源装置では、一般ユーザが簡単に使えるようにするための次のような仕様が要求される。
（１）充電用アダプターなど、外部の電気装置の電源の供給を、燃料電池電源装置から受けようとする場合、燃料電池電源装置に設けられた電源提供部に外部の電気装置の電源プラグを差し込むだけで、自動的に燃料電池の発電動作が開始され燃料電池電源装置から電源が供給されるようにし、わざわざ燃料電池電源装置に対して発電動作を開始させるためにスイッチを押すなどの、余分な操作を不要にする。
（２）燃料電池電源装置の燃料の提供形式としては、水素吸蔵合金などを用いて小型タンクに水素を貯蔵したカセット方式で提供するのが便利であるが、水素ガスは非常に小さな気体で燃料電池の発電反応部であるセルスタックや、燃料タンクと燃料電池の発電反応部を結ぶ水素ガス流路などの燃料電池装置内のわずかな隙間から漏れる可能性がある。特に、セルスタックでは、通常、水素ガスは、薄い膜を介して外気と接する構造になっており、製造上の理由等により、水素ガスが外部に漏れる可能性がある。漏れる量は極微量で安全性には問題ない場合でも、燃料電池電源装置が長期間（例えば、１ヶ月）未使用状態がつづくと、流出量は無視できず、必要なとき燃料である水素が不足する可能性がある。このため、水素ガスの流出を防止するために、特に工夫する必要がある。

また、燃料電池の水素ガスの流出を防止することに関する発明は、上記の特許文献２および特許文献３に開示されているが、いずれの発明でも、小型の燃料電池において、水素タンクを装着した状態で燃料電池が未使用のまま放置されたとき、水素燃料タンクの水素ガスが、セルスタックなど燃料電池装置内から流出するのを防止するための方法については考慮されていない。

したがって、いずれの方法でも、長期間、水素を収容した燃料タンクを装着したまま未使用状態で放置した後でも、燃料タンク内の水素ガスの流出がほとんどない、燃料電池を内蔵した、燃料電池電源装置を作ることは、不可能であった。

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、長期間、水素を収容した燃料タンクを装着したまま未使用状態で放置した後でも、燃料タンク内の水素ガスの流出がほとんどない、燃料電池を内蔵した燃料電池電源装置を提供するものである。

すなわち、本発明は、取り外し可能な燃料タンクからの燃料を用いて発電反応を行う反応部を有する燃料電池と、該燃料電池で得られた電力を導入し外部の電気装置へ供給する電源供給部を備えた燃料電池電源装置であって、前記燃料タンクと反応部を連結する燃料流路に設けられたバルブと、該バルブの開閉を制御する制御部とを備え、前記制御部は電源供給部が外部の電気装置へ電力を供給するとバルブを開き反応部で発電反応が行われ、電源供給部が外部の電気装置へ電力の供給を停止するとバルブを閉じて反応部の発電反応が停止することを特徴とする燃料電池電源装置である。

前記電源供給部から外部の電気装置への電力の供給（ＯＮ）および停止（ＯＦＦ）を電流の流れで判別する電流検出部が制御部と接続して設けられ、該電流検出部は電流が流れたとき前記制御部にＯＮの信号をおくり、電流が流れないとき前記制御部にＯＦＦの信号を送ることが好ましい。

さらに前記電源供給部に外部の電気装置が接続され時、燃料電池の反応部の反応が開始するまでの間の必要な電力の供給と、前記制御部およびバルブの開閉を動作させるのに必要な電力の供給を行う二次電池を有することが好ましい。

さらに前記電源供給部に外部の電気装置が接続され時、燃料電池の反応部の反応が開始するまでの間の必要な電力の供給を行う第一の二次電池と、前記制御部およびバルブの開閉を動作させるのに必要な電力の供給を行う第二の二次電池を有することが好ましい。

さらに前記二次電池の充電量を判別し制御部に指示する二次電池制御部を備え、該二次電池の充電量が所定の値以下になった場合には、二次電池制御部の指示により制御部はバルブを開き反応部で発電反応を行い得られた電力で二次電池を充電し、該二次電池の充電量が所定の値以上になった場合には、制御部はバルブを閉じて反応部での発電反応を停止することが好ましい。

本発明によれば、長期間、水素を収容した燃料タンクを装着したまま未使用状態で放置した後でも、燃料タンク内の水素ガスの流出がほとんどない、燃料電池を内蔵した燃料電池電源装置を提供することができる。

本発明の燃料電池電源装置は、充電と放電が可能な二次電池と、外部の電気装置へ電源を供給するための電源供給部と、電源供給部から電源が供給されているかを判別する電流検出部と、前記二次電池および電源供給部に電源を供給する燃料電池を備えた燃料電池電源装置であって、前記燃料電池は、取り外し可能な燃料タンクに入った水素を燃料として利用し、前記燃料タンクから発電反応を行う反応部をつなぐ、燃料供給のための燃料流路の間にバルブを設け、前記バルブの開閉を制御できる制御部を備え、前記二次電池は、制御部に電源供給し、前記制御部は、前記電流検出部の検出結果に従って、バルブの開閉を行うことを特徴とする。

また、本発明は、上記の燃料電池電源装置であって、前記二次電池の充電量を判別する二次電池制御部を備え、二次電池制御部の電源は前記二次電池から供給され、前記二次電池制御部の指示により、制御部は前記二次電池の充電量が所定の値以下になった場合、前記バルブを開き、前記二次電池の充電量が第二の所定の値以上になった場合、前記バルブを閉じることを特徴とする。

また、本発明は、上記の燃料電池電源装置であって、前記電流検出部は、電流が流れたとき電源ＯＮの信号を前記制御部におくり、所定の時間電源が流れなかったとき電源ＯＦＦの信号を前期制御部に送ることを特徴とする。

図１は、本発明の実施例１による燃料電池電源装置の構成を模式的に示した模式図である。図中１は、水素燃料タンクで内部に水素吸蔵合金が充填されており、水素を保持している。水素燃料タンク１は、タンク取付手段２で着脱可能な構造になっている。３は水素燃料タンク１から燃料電池の発電反応を行う反応部６に水素ガスを供給するための燃料流路（以降、流路と記す）であり、流路の途中に、水素ガスの供給を遮断するためのバルブ、例えば電磁バルブ４と水素ガス圧を制御するためのレギュレータ５が設けられている。電磁バルブ４は、流路のできるだけタンク取付手段２に近い位置に取り付けられている。電磁バルブ４の開閉は後述の制御部９からの信号で行うことができる。

６は、燃料電池の発電反応をおこなう反応部、７は後述の電源供給部８から電源供給が行われているかを検出するための電流検出部であり、電源供給部に外部の電気装置が接続され、電源供給部からの電源供給が行われた場合、電源供給ＯＮの信号を制御部９に送り、所定の時間（たとえば５分間）電源供給部からの電源供給が中断した場合、電源供給ＯＦＦの信号を制御部９に送る。８は電源供給部で、複数の電源供給用の端子があり、それぞれの端子は電源供給部に設けられているＤＣ−ＤＣコンバータで所定の電圧（例えば、３．３、６、１２Ｖ）で電源が供給されるように作られている。

９は、電磁バルブの開閉処理、二次電池の充電処理等の制御を行う制御部で電流検出部７、後述する二次電池制御部１２、電磁バルブ４と、それぞれ信号線１４、１５、１６で接続している。１０は時間を計測できるタイマーで、タイマー１０の働きと、制御部９の処理については、後述の図３、図４で詳述する。

１１は二次電池で、反応部で発電していない時、制御部９、二次電池制御部１２、電磁バルブ４などに電源を供給する。さらに、二次電池１１は、電源供給部に外部の装置が接続されたら即座に電源を供給し、反応部６から電源供給ができるまでの間、外部の電気装置に対して電源を供給する。１２は二次電池制御部で、信号線１７で二次電池と接続しており、制御部９からの信号に基づき、二次電池の充電等の制御や、二次電池の電気残量の検出を行う。

図１において、燃料電池は、水素燃料タンク１、反応部６およびこれらを接続する、流路３を含む部分を表す。
図２は、実施例１における、燃料電池電源装置の動作を説明するための説明図である。図中、１８が燃料電池電源装置全体である。２０は、電源端子の差込口であり、燃料電池電源装置の電源供給部８に接続している。外部の電気装置の電源端子をこの差込口に差し込むと、外部の電気装置は、燃料電池電源装置から電源の供給を受けることができる。差込口から供給される電源の電圧は、すべて同一の電圧（たとえば、１２Ｖ）でもよいし、また、それぞれの差込口に応じて、３．３、６、１２Ｖのように数段階の電圧でもよい。

２１は、燃料電池電源装置内の換気のためにあけた開口部である。２２、２３、２４は、図１で説明した、各ブロックが、概略、装置内のどの部分に位置するかを説明するためのもので、２２の個所には、水素燃料タンク１、タンク取り付け手段２、電磁バルブ４、レギュレータ５が配置されており、２３の個所には、反応部６が配置されており、２４の個所には、電源供給部８、二次電池１１、二次電池制御部１２が配置されている。制御部９やその他については、装置内のスペースを考慮して、好適な個所に配置されている。２５〜２７は、燃料電池電源装置に接続した外部の電気装置で、この図では、外部の電気装置の一例として、リチウムイオン二次電池パック２６を充電アダプタ２５を利用して充電している例を示す。２７は、充電アダプタに接続されている電源ケーブルである。外部の電気装置としては、これ以外でも、ノートパソコンや、ＰＤＡ等、どのような装置を接続してもかまわない。

次に、図２をもとに、燃料電池電源装置の使用方法を説明する。まず、燃料電池電源装置にはあらかじめ、水素を充填した水素燃料タンクを取り付けておく。その後、充電アダプタの電源ケーブルを充電発電装置の電源差込口２０に差し込む。燃料電池電源装置は、後述の図３、図４で説明するように、電源差込口に電源ケーブルを差し込むだけで、燃料電池発電開始のスイッチ操作や、発電開始までの時間遅れを待つことなく、自動的に、ただちに電源供給が開始され、充電アダプタによりリチウムイオン二次電池パックの充電をおこなうことができる。

燃料電池電源装置の発電容量は、水素燃料タンクのサイズにより様々な構成が可能である。一例として、燃料電池電源装置の大きさをＡ４サイズより一回り小型の３００ｍｍ×２１０ｍｍ×２０ｍｍとし、燃料タンクの容積を、燃料電池電源装置の５０％占めるとすると、装置に装着時の隙間を考慮して、燃料タンクの容積は、約５００ｍｌとなり、これに水素を充填し、燃料電池で発電した場合のエネルギーは、６３０Ｗｈｒ程度となる。リチウムイオン二次電池パックは、携帯情報機器では、数十Ｗｈｒ程度のものがよく使われている。２０Ｗｈｒのリチウムイオン二次電池パックを、この燃料電池電源装置で充電しようとした場合、充電時のエネルギー変換効率を６５％とすると、約２０個分の二次電池パックを充電することができる。

次に、本実施例における、燃料電池電源装置動作時の処理について説明する。図３は、電源供給処理での電磁バルブの開閉処理を説明するためのフローチャートである。燃料電池電源装置には、あらかじめ水素燃料タンク１が取り付けられているものとする。また、水素燃料タンクを取り付けた際、周知の技術をもちいて、タンク取付時に流路３などに混入した空気を排出し、燃料電池発電を行うための準備処理を行った後、電磁バルブ４を閉じ、タイマー１０をリセットする。

この状態で、外部の電気装置の電源ケーブルを電源供給部８に接続する。このとき、電磁バルブ４は閉じられており、反応部に燃料供給はされていないので、反応部からの電源供給はなされないが、その代わりに二次電池１１から電源供給が開始され、電流検出部７が電流を検出し、制御部９へ電流検出ＯＮの信号を送る（Ｓ１０１のＯＮの場合）。次に制御部９は電磁バルブ４のバルブを開く処理を行う（Ｓ１０２）。電磁バルブが開かれると、水素燃料タンク内の水素圧と、反応部の圧力（１気圧）の圧力差を利用して、水素ガスは、レギュレータ５で所定の圧力に減圧されたのち、自動的に反応部へ供給される。さらに、制御部９は、発電待機時の処理を管理するためのタイマー１０を停止させ、反応部で発電反応を行うために必要な処理（例えば、装置内の換気を行うためのファンの駆動等）を開始する。これらの燃料電池発電準備が完了したら（Ｓ１０３）、反応部での発電が開始され、二次電池から電源供給部８に電源供給されていたのを反応部から電源供給されるように切り替える（Ｓ１０４）。なお、制御部９や、装置内の換気のためのファンの駆動に必要な電源も、反応部が発電しているときは、反応部から供給されるように切り替えられる。

次に、燃料電池電源装置の電源供給部から外部の電気装置の電源ケーブルを取り外した時の燃料電池電源装置の処理を説明する。電源ケーブルを取り外すと、電源供給部８から電流が流れなくなるが、電流検出部７は、周知の技術を用いて電流の流れをチェックし、一定時間（例えば、５分）、連続して電流がながれなくなった場合は、電流ＯＦＦの信号を制御部９に送る（Ｓ１０１、ＯＦＦの場合）。次に制御部９は、電磁バルブ４を閉じ、水素燃料の供給を停止し（Ｓ１０５）、さらに装置内の換気ファンの停止など、燃料電池発電のために行っていた装置内の処理を停止し、燃料電池発電を停止させる（Ｓ１０６）。次に、発電待機の処理を管理するためのタイマー１０の動作をスタートさせ、電源供給部への電源供給を二次電池１１から行うように変更する（Ｓ１０７）。燃料電池の発電反応を停止した時は、電磁バルブ４を閉じることにより、水素燃料タンクからの水素ガスは、電磁バルブで遮断され、水素燃料タンクを燃料電池電源装置に装着したまま長期間放置しても、装置内からの水素の流出を防ぐことができる。

次に、燃料電池電源置内に水素燃料タンクを装着した状態で、外部の電気装置の電源ケーブルが接続されていないときの処理について説明する。
図３のフローチャートで説明したように、燃料電池電源装置は、待機状態になると、タイマー１０の動作をスタートさせる。このタイマーにより、所定の時間毎（例えば、１時間毎）に、二次電池１１の残存電気容量をチェックし、もし、所定の容量以下になった場合は、燃料電池発電を自動的に起動し、二次電池を充電状態に保つ。このときの処理の詳細を、図４に従って説明する。タイマーで所定の時間がきたら、図４の処理が起動され、最初に、二次電池制御部１２で二次電池の充電状態をチェックする（Ｓ２０１）。十分充電されている場合（Ｓ２０１のＮＯの場合）は、何もしないで処理を終了する。充電量が所定の値以下になった場合（Ｓ２０１のＹＥＳの場合）は、電磁バルブ４を開き（Ｓ２０２）、引き続き、燃料電池発電反応の準備を行い（Ｓ２０３）、燃料電池発電反応を開始し（Ｓ２０４）、二次電池の充電を行う（Ｓ２０５）。充電が終了したら（Ｓ２０６のＹＥＳの場合）、電磁バルブ４を閉じ（Ｓ２０７）、燃料電池発電を停止させた後（Ｓ２０８）、再び、電源供給部からの電源供給を二次電池から行うようにする（Ｓ２０９）。

図４の処理により、燃料電池電源装置は、長期間使わない状態でも、二次電池は常に充電状態にたもたれるので、自然放電による充電不足や、待機時に必要になるその他の処理（待機状態を示すためのＬＥＤ等による状態表示や、水素漏れ検知処理）等に、二次電池を使用した場合でも、充電不足を心配しないですむ。

実施例１では、二次電池１１で、電源供給部に外部の電気装置が接続され時、反応部の反応が開始するまでの間、一時的に必要になる電源供給と、制御部や電磁バルブの開閉等を動作させるのに必要な電源供給を、一つの二次電池でおこなっているが、これら二つの電源供給は、異なる特性を有する。すなわち、反応部の反応が開始するまでの間、一時的に必要になる電源供給は、一時的に大きな電流を流せる必要があり、それに対して、制御部や電磁バルブの開閉等を動作させるのに必要な電源供給は、微量の電流を定常的に流す必要がある。これらの２つの電源供給用の二次電池をそれぞれの特性に最適な、別の二次電池で構成しても、本発明を実施することは可能である。

実施例２として、図５に、これらの電源供給を異なる二次電池で実施した場合の燃料電池電源装置のブロック図を示す。図５で、２８は、反応部の反応が開始するまでの間、一時的に必要になる電源を供給するための第二の二次電池であり、２９は二次電池制御部１２と第二の二次電池を接続する信号線である。１１は制御部や電磁バルブ等を動作させるのに必要な電源を供給するための第一の二次電池である。その他の構成は、図１と同じである。第二の二次電池２８としては、例えば、大電流を取り出すのに好適なニッケル水素二次電池等をもちい、第一の二次電池１１には、リチウムイオン電池等を用い、更に、各二次電池の電気容量をそれぞれの用途に最適な容量を選択することにより、低コストで効率の良い、二次電池の構成をつくることができる。

実施例２においても、電源供給処理での電磁バルブ開閉処理は、図３と同様に実施でき、また待機時の二次電池１１の充電を行うための処理は図４と同様に行える。なお、第二の二次電池２８の充電については、反応部が発電反応している最中に、フロート充電など、周知の技術を用いて充電する。

本発明は、長期間、水素を収容した燃料タンクを装着したまま未使用状態で放置した後でも、燃料タンク内の水素ガスの流出がほとんどない、燃料電池を内蔵した、外部の電気装置に電力を供給する燃料電池電源装置であり、例えばリチウムイオン二次電池の充電装置、ノートパソコンやＰＤＡ等の電源装置として利用することができる。

本発明の実施例１による燃料電池電源装置の構成を模式的に示した模式図である。 本発明の実施例１における燃料電池電源装置の動作を説明するための説明図である。 電源供給処理での電磁バルブの開閉処理を説明するためのフローチャート図である。 電源供給処理の待機時のバルブ開閉処理を説明するためのフローチャート図である。 本発明の実施例２による燃料電池電源装置の構成を模式的に示した模式図である。

符号の説明

１ 水素燃料タンク
２ タンク取付手段
３ 流路
４ 電磁バルブ
５ レギュレータ
６ 反応部
７ 電流検出部
８ 電源供給部
９ 制御部
１０ タイマー
１１ 二次電池
１２ 二次電池制御部
１３ 電源供給線
１４、１５、１６、１７ 信号線
１８ 燃料電池電源装置
２０ 差込口
２１ 開口部
２２、２３、２４ 装置内の部分の配置
２５ 充電アダプタ
２６ リチウムイオン二次電池パック
２７ 電源ケーブル
２８ 二次電池
２９ 信号線

Claims (5)

1. 取り外し可能な燃料タンクからの燃料を用いて発電反応を行う反応部を有する燃料電池と、該燃料電池で得られた電力を導入し外部の電気装置へ供給する電源供給部を備えた燃料電池電源装置であって、前記燃料タンクと反応部を連結する燃料流路に設けられたバルブと、該バルブの開閉を制御する制御部とを備え、前記制御部は電源供給部が外部の電気装置へ電力を供給するとバルブを開き反応部で発電反応が行われ、電源供給部が外部の電気装置へ電力の供給を停止するとバルブを閉じて反応部の発電反応が停止することを特徴とする燃料電池電源装置。
2. 前記電源供給部から外部の電気装置への電力の供給（ＯＮ）および停止（ＯＦＦ）を電流の流れで判別する電流検出部が制御部と接続して設けられ、該電流検出部は電流が流れたとき前記制御部にＯＮの信号をおくり、電流が流れないとき前記制御部にＯＦＦの信号を送ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池電源装置。
3. さらに前記電源供給部に外部の電気装置が接続され時、燃料電池の反応部の反応が開始するまでの間の必要な電力の供給と、前記制御部およびバルブの開閉を動作させるのに必要な電力の供給を行う二次電池を有することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池電源装置。
4. さらに前記電源供給部に外部の電気装置が接続され時、燃料電池の反応部の反応が開始するまでの間の必要な電力の供給を行う第一の二次電池と、前記制御部およびバルブの開閉を動作させるのに必要な電力の供給を行う第二の二次電池を有することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池電源装置。
5. さらに前記二次電池の充電量を判別し制御部に指示する二次電池制御部を備え、該二次電池の充電量が所定の値以下になった場合には、二次電池制御部の指示により制御部はバルブを開き反応部で発電反応を行い得られた電力で二次電池を充電し、該二次電池の充電量が所定の値以上になった場合には、制御部はバルブを閉じて反応部での発電反応を停止することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の燃料電池電源装置。

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