JP2006228711A - 燃料電池システムの運転方法及び燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 燃料電池と、燃料電池に燃料を供給する燃料供給器と、エネルギーの充放電が可能な蓄電器と、燃料電池及び蓄電器の出力と前記燃料供給器を制御する制御回路からなり、外部負荷へ電力を供給する燃料電池電源システムにおいて、燃料供給器を停止した後に、燃料電池内に残存する燃料を取り除き、燃料電池システムの安全性の向上と燃料電池の劣化を低減した燃料電池電源システムの運転方法及び燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】 外部負荷及び燃料電池システム内部への電力供給の初期は前記蓄電器から電力を供給し、外部負荷が停止後に燃料電池システム内部に残存する燃料を用いて燃料電池を発電させ燃料電池から取り出される出力を用いて蓄電器を充電する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電源として燃料電池を用いた燃料電池システムとその運転方法に関する。
近年、携帯電話に代表される携帯機器の消費電力は、機器の高機能化に伴い増加の一途をたどっており、電源の容量の向上が大きな課題となっている。最近、高エネルギー密度である小型エネルギー源として、燃料電池が注目されている。この燃料電池は、電解質を二種類の電極が挟持している。燃料極で水素、或いはメタノールなどの燃料を酸化し、酸素極で大気中の酸素を還元することにより、電気を発生させる。燃料電池の中でも固体高分子型燃料電池は、室温付近での発電が可能であることと、出力密度が高く小型化が可能であることから、携帯機器用の電源として応用が期待されている。
しかし、固体高分子型燃料電池の発電を停止した後、燃料電池内部の残存燃料を燃料電池から取り除くことなく放置しておくと様々な問題が生じる。
例えば燃料としてメタノールを用いる場合は、電解質膜の膨潤による膜の劣化、メタノール燃料のクロスオーバーによる燃料の消費等の問題、燃料として水素を用いる場合は、水素漏れや、水素漏れに伴う爆発の危険性等の問題がある。
この問題に対して、燃料電池内に残存する燃料を燃料電池で発電しヒーターや抵抗器などの負荷で消費することにより、燃料電池内部の燃料を除去する方法等が知られている（例えば特許文献１参照。）。
しかしながら、この方法では、燃料の有効利用率が低減し燃料電池システムのエネルギー密度が低下するという課題がある。
特開２００３−０８６２１５号公報（第２頁、第１図）
本発明は、
燃料供給器に接続された燃料電池と、蓄電器と、前記燃料電池及び前記蓄電器に接続されたコントロールユニットとを備えた燃料電池システムの運転方法において、
燃料電池システムの起動時に、蓄電器からコントロールユニット及びコントロールユニットに接続された外部負荷に電力を供給開始する行程と、
蓄電器の放電量を検出する工程と、
蓄電器の放電量が、所定の放電量に達した場合、燃料電池に燃料供給器から燃料の供給を開始する工程と、燃料電池からコントロールユニットへ電力の供給を開始し、蓄電器からコントロールユニットへの電力の供給を中断する行程とを有している。
これにより、たとえば燃料電池として複数のセルが直列接続されたＤＭＦＣを用いた燃料電池システムの起動時において、燃料電池システムが外部負荷や燃料電池システム内部に電力を供給する際、燃料電池に燃料であるメタノールを供給する前に、蓄電器から外部負荷へ電力を供給し、蓄電器から出力されている電気量を検出し、その検出値が所定の放電容量以上であれば供給を開始し、燃料電池の発電が開始される。
ここで、所定の放電量の値を、燃料供給器から燃料電池への燃料供給を停止した後に燃料電池システム内部に残留する燃料を燃料電池で消費して燃料電池から得られる電気量をＣ１としたとき、システムの起動時に、蓄電器から出力された電気量がＣ１以上に達したときに燃料電池へ燃料の供給を開始する事によって、蓄電器に少なくともＣ１以上の空き容量が確保される。
また、燃料電池からコントロールユニットへ電力の供給が可能となると、外部負荷への電力供給はコントロールユニットによって蓄電器から燃料電池の出力へ切り換えられる。
燃料電池システムの運転方法において、燃料電池に燃料の供給を開始する工程後、燃料電池からコントロールユニットを介して外部負荷に電力を供給する工程と、
負荷からの電力要求が燃料電池の最大出力以上の場合、蓄電器からコントロールユニットを介して外部負荷に電力の供給を再開し、蓄電器の放電量を検出する工程と、
負荷からの電力要求が前記燃料電池の最大出力未満かつ蓄電器の放電量が所定の値以上の場合、燃料電池からコントロールユニットを介して外部負荷への電力供給及び蓄電器に所定の値と放電量の差分の電気量を充電する工程を有している。
これにより、負荷からの電力要求が燃料電池の最大出力以上の場合は、燃料電池の出力と蓄電器からの出力を同時に外部負荷へ供給する。また、負荷からの電力要求が前記燃料電池の最大出力未満かつ蓄電器の放電量が所定の値以上の場合は、所定の値と放電量の差分の電気量を充電するので、燃料電池への燃料供給が行われている場合には蓄電器に、例えばＣ１の空き容量を残して充電が行われるので燃料供給器から燃料電池へ燃料が送られている状態で蓄電器が満充電になることはなく、燃料供給器から燃料電池へ燃料供給が遮断されたときに蓄電器には充電可能な空き容量が確保される。
燃料電池システムの運転方法において、外部負荷が停止した場合、燃料電池への燃料供給を停止する工程と、燃料電池の内部に残留している燃料によって発電を継続する工程と、 残留している燃料によって発電した電力を、コントロールユニットを介して蓄電器に供給する工程を有している。
これにより、燃料電池へ燃料が供給されない状態で燃料電池の発電を継続し、蓄電器を充電することにより、燃料電池システム内部に残留する燃料を消費し、燃料電池の内部の燃料が減少すると同時に蓄電器はほぼ満充電状態となる。
燃料電池システムの運転方法において、外部負荷が停止し、かつ蓄電器の放電量が所定の値以上の場合、燃料電池によって、所定の値と放電量の差分の電気量を発電し、コントロールユニットを介して蓄電器に電力を供給する工程と、燃料電池への燃料供給を停止する工程と、燃料電池の内部に残留している燃料によって発電を継続する工程と、残留している燃料によって発電した電力をコントロールユニットを介して前記蓄電器に供給する工程を有している。
これにより、外部負荷の停止後に例えば蓄電器の放電量がＣ１以上のときは、蓄電器の充電の空き容量がＣ１に達するまで、燃料電池に燃料を供給し充電を行う。蓄電池の空き容量がＣ１に達すると燃料電池への燃料供給を停止させるが、その後も燃料電池へ燃料が供給されない状態で燃料電池システム内部に残存する燃料を使用し、燃料電池の発電を継続し蓄電池を充電することにより、燃料電池システム内部に残留する燃料を消費し、燃料電池の内部の燃料が減少すると同時に蓄電器はほぼ満充電状態となる。
燃料電池システムの運転方法であって、外部負荷の停止後、燃料供給器から燃料電池への燃料供給を停止した後に燃料電池システム内部に残留する燃料を用いて燃料電池の発電を継続する工程において、発電を継続するのは燃料電池を構成する単セルのみであることを特徴としている。これにより、燃料電池への燃料供給が停止し、燃料電池システム内部に残留する燃料が少量の場合、複数のセルが直列接続や並列接続されていると、セルの内部インピーダンス等のばらつきにより、転極するセルが生じるが、燃料電池を構成する単セルのみから出力を得ることによって、燃料電池を構成するすべてのセルが転極せずに発電を継続することが可能となる。
燃料電池と、燃料或いは反応助触媒を保持する燃料容器と前記燃料容器に接続され前記燃料電池への燃料の供給を行うバルブとを備えた燃料供給器と、電気の畜放電が可能な少なくとも１つ以上の蓄電器と、前記燃料電池に接続され前記燃料電池の出力を調整するＤＣ−ＤＣコンバータと前記蓄電器に接続され前記蓄電器の充放電量を検出する電力検出回路と前記ＤＣ−ＤＣコンバータと前記電力検出回路に接続され前記ＤＣ−ＤＣコンバータと前記電力検出回路と外部負荷との電気経路の形成と前記バルブの開閉を行う制御回路とを備えたコントロールユニットとを有している。
これにより、
尚、燃料供給器から燃料電池へ送られる燃料は、メタノールに限らず、アルコールの類や、水素化ホウ素ナトリウム水溶液や安定化された水素化ホウ素ナトリウム等を含む水溶液やケミカルハイドライド等の他に、ガス状のアルコール類や水素等からなる群の少なくとも１種類以上である。
また、蓄電器としては、二次電池、キャパシタ、コンデンサ等からなる群の少なくとも一つを任意に選択することが出来る。二次電池としては、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、金属リチウム二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル鉄二次電池、ニッケル亜鉛二次電池、酸化銀亜鉛二次電池、亜鉛ハロゲン二次電池、鉛蓄電池、レドックスフロー電池、ナトリウム硫黄電池等からなる群の少なくとも一つを任意に選択することが出来る。
制御回路が、電力検出回路が検出する蓄電器の充放電量の検出値を基に、バルブの開閉を切り換えることを特徴としている。
これにより、蓄電手段が過充電されないように、燃料供給が制御される。
制御回路は、燃料供給器から燃料電池へ燃料が供給されているとき、蓄電器に所定の値以上の空き容量を確保して充電を行うことを特徴としている。
これにより、燃料保持手段から燃料電池への燃料供給が遮断された後、蓄電手段への充電が継続されても、蓄電手段への過充電が回避される。
燃料供給器は、燃料或いは反応助触媒を保持する燃料容器と、前記燃料容器に接続され前記燃料電池への燃料の供給と遮断を行うポンプとからなることを特徴としている。
燃料保持手段から燃料電池への燃料供給量を増大させることが可能となる。
燃料供給器は、燃料源を保持する燃料容器と、前記燃料電池に接続され燃料源から前記燃料電池の燃料を生成する改質器と、前記燃料容器と前記改質器に接続され前記燃料容器から前記改質器への燃料源の供給と遮断を行うバルブとからなることを特徴としている。
これにより、燃料源としてメタノール等のアルコールや水素化ホウ素ナトリウム等の無機ケミカルハイドライドやシクロヘキサン等の有機ケミカルハイドライドなどの水素を含む化学物質を改質し、燃料電池の燃料とするタイプの燃料電池システムにおいても同様の運転が可能となる。
前記燃料供給器は、燃料源を保持する燃料容器と、前記燃料電池に接続され燃料源を基に前記燃料電池の燃料を生成する改質器と、前記燃料容器と前記改質器に接続され前記燃料容器から前記改質器への燃料源の供給と遮断を行うポンプとからなることを特徴としている。これにより、燃料源の供給量を増大することが可能となる。
本発明によれば、燃料電池システム内部に燃料が残存する状態で、蓄電器が満充電状態であることがない為、外部負荷停止後に燃料電池内に残存する燃料を確実に取り除くことが可能となる。よって、燃料の漏れによる爆発の危険性や人体への悪影響を回避することが可能であり燃料電池システムの安全性が向上する。また、燃料電池内部から燃料を取り除くことにより膜・触媒の劣化を回避することが可能となり、燃料電池システムの長寿命化につながる。
更に、外部負荷停止後に燃料電池内に残存する燃料を燃料電池の発電に使用し燃料電池から得られる電力を蓄電器の充電に用いることから、燃料源或いは燃料の高効率利用が可能となり燃料電池システムのエネルギー密度が向上する。
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
本発明にかかる燃料電池システムの実施の形態１を、図１を参照して以下に説明する。本形態は、特に燃料電池システムの構成を説明する。
燃料電池システムを、図１に示した通り、燃料として水素を用いる燃料電池１と、燃料源から燃料の生成と燃料の供給を行う燃料供給器２と、蓄電器３として単セルのリチウムイオン二次電池３（以下ＬＩＢ３と記す）と、燃料電池１とＬＩＢ３と外部負荷５との電気経路の形成と燃料供給の制御を行うコントロールユニット４より構成し、外部負荷５に電力を供給する構成とした。
燃料電池１の燃料である水素を、水素化ホウ素ナトリウムに水素化ホウ素ナトリウム水溶液に対する水素発生触媒を接触させることにより生成させた。水素発生触媒にはリンゴ酸を用いた。
燃料供給器２は、図２に示すように、燃料源である固体の水素化ホウ素ナトリウムを配置した改質器２２と、リンゴ酸を保持させた燃料容器２０と、燃料容器２０からリンゴ酸の供給を切り換えるバルブ２１より構成した。
コントロールユニット４は、図４に示すように、燃料電池１出力をＬＩＢ３の充電電圧である４．２Ｖに昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ４１と、ＬＩＢ３の充放電量を検出する電力検出回路４２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１と電力検出回路４２と外部負荷との電気経路の形成と、バルブ２１の開閉制御を行う制御回路４０から構成した。
制御回路４０には、電力検出回路４２がＬＩＢ３の充放電量を検出した値が入力され、その検出値を基にＤＣ−ＤＣコンバータ４１と電力検出回路４２と外部負荷５の電気経路の切換とバルブ２１の開閉制御を行う。外部負荷５には、電子負荷装置を用いた。図５に実施の形態１に係わる燃料電池システムの構成の一例を示す。
燃料電池１は２つの燃料電池単セルを直列接続した。燃料電池１の開回路電圧は１．８９Ｖ、最大出力は３．２４Ｗ（０．９Ｖ・３．６Ａ）であった。また、燃料供給器２から燃料電池１への燃料供給が遮断された後に燃料電池システム内部に残留水素を燃料電池１で発電しＤＣ−ＤＣコンバータ４１から得られる電力量Ｃ１は０．９Ｗ・ｍｉｎであった。
ＬＩＢ３の定格は、定格容量７００ｍＡｈ、充電電圧４．２Ｖである。ＬＩＢ３への充電電流は制御回路により最大３５０ｍＡに制限した。
ＤＣ−ＤＣコンバータ４１は昇圧型のスイッチングレギュレータを用いた。ＤＣ−ＤＣコンバータ４１の出力電圧値の実測値は４．２１Ｖであった。ＤＣ−ＤＣコンバータ４１の最大出力は２．６５Ｗであった、このときの変換効率は８２％であった。
電力検出回路４２は、図示はしないが、ＬＩＢ３の充放電電流を検出する電流検出抵抗と電流検出抵抗の両端で生じる電位差を増幅するアンプと、アンプの出力を制御回路４０へ出力する信号出力端子４２０から構成した。信号端子４２０からの出力信号は制御回路４０の信号入力端子４０１へ入力される。
制御回路４０は、図示しないが信号入力端子４０１に入力された電力検出回路４２のアンプの出力を加減算する演算回路と、演算回路の演算結果とあらかじめ設定されたしきい値とを比較し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１と電力検出回路４２と外部負荷５の電気経路の切換とバルブ２１の開閉制御の為の信号を生成する比較演算回路から構成し、あらかじめ設定されたしきい値は、電力量Ｃ１である０．９Ｗ・ｍｉｎを基に設定を行った。燃料電池システムの動作工程は、市販のＰＣを用いプログラムを作成し、マイクロコンピュータにダウンロードし、制御回路４０に搭載した。
本発明にかかる燃料電池システムの実施の形態２を、図６を参照して以下に説明する。
実施の形態１において構成した燃料電池システムを用い、実際に外部負荷に電力の供給を行った。図６に外部負荷５の負荷プロファイルとそのときのＤＣ−ＤＣコンバータ４１の出力プロファイルを示す。
燃料電池システムの起動時には、制御回路４０において、外部負荷５と電力検出回路４２が接続されている。外部負荷５が投入されるとＬＩＢ３から速やかに外部負荷５へ電力が供給される。ここで投入した負荷は１Ｗに設定した。電力検出回路４２がＬＩＢ３から出力される電力量を検出し、制御回路４０が検出された信号を基にＬＩＢ３が外部負荷に０．９Ｗ・ｍｉｎ以上（Ｃ１）の出力を行ったと判断すると、検出手段４０はバルブ２１を開状態とし、燃料電池１へ燃料が供給される。ここでは、負荷投入後から約０．９分後に制御回路４０はバルブ２１を開いた。
燃料電池１に燃料が供給されている状態で、外部負荷５の定常状態の負荷がＤＣ−ＤＣコンバータの最大出力以下の場合は、ＬＩＢ３から外部負荷へ電力を供給することはない。そこで、外部負荷５の負荷設定値をＤＣ−ＤＣコンバータの最大出力以上の３．０５Ｗを２分間投入した。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータからは最大出力の２．６５Ｗが出力され、不足する０．４Ｗ分はＬＩＢ３から出力された。このＬＩＢ３から出力される電力量は、電力検出回路４２によって検出されており、その検出値は、制御回路４０によって演算され記憶される。
その後、外部負荷５の負荷を１Ｗに減少させると、１Ｗの負荷はＤＣ−ＤＣコンバータの最大出力の２．６５Ｗ以下であり、ＤＣ−ＤＣコンバータにはＬＩＢ３を充電する出力が取り出せる。このとき、外部負荷が３．０５ＷのときにＬＩＢ３から出力された電力量（図６のＣ２）を外部負荷５が１Ｗのときに制御回路４０はＤＣ−ＤＣコンバータ４１の最大出力から外部負荷５への出力分を引いた電力分を用いＬＩＢ３に充電を行った。制御回路４０がＬＩＢ３にＣ２の電力量を充電したことを判断すると制御回路４０はＬＩＢ３の充電を停止し、ＬＩＢ３にはＣ１の充電容量の空きを確保した状態となる。その後、外部負荷５が停止し、燃料電池システムに負荷が無くなると、制御回路４０はバルブ２１を閉状態とし、燃料電池１への燃料供給を停止する。燃料電池システム内部にはＣ１の電力料を取り出せるだけの水素が残留している。燃料電池１への燃料供給が停止した後には、燃料電池システム内部に残留する水素を燃料電池１において発電を行いＣ１の電力量を発生し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１、制御回路４０、電力検出回路４２を介しＬＩＢ３を充電する。燃料電池システム内部に残留する水素を使い切り、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１から電力が取り出せなくなると、制御回路４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１と電力検出回路４２の電気経路を遮断し、電力検出回路４２と外部負荷５が接続された状態で燃料電池システムの運転を終了する。
本発明にかかる燃料電池システムの実施の形態３を、図７を参照して以下に説明する。
実施の形態１において構成した燃料電池システムを用い、実際に外部負荷に電力の供給を行った。図７に外部負荷５の負荷プロファイルとそのときのＤＣ−ＤＣコンバータ４１の出力プロファイルを示す。
燃料電池システムの起動時には、制御回路４０において、外部負荷５と電力検出回路４２が接続されている。外部負荷５が投入されるとＬＩＢ３から速やかに外部負荷５へ電力が供給される。ここで投入した負荷は１Ｗに設定した。電力検出回路４２がＬＩＢ３から出力される電力量を検出し、制御回路４０が検出された信号を基にＬＩＢ３が外部負荷に０．９Ｗ・ｍｉｎ以上（Ｃ１）の出力を行ったと判断すると、検出手段４０はバルブ２１を開状態とし、燃料電池１へ燃料が供給される。ここでは、負荷投入後から約０．９分後に制御回路４０はバルブ２１を開いた。
燃料電池１に燃料が供給されている状態で、外部負荷５の定常状態の負荷がＤＣ−ＤＣコンバータの最大出力以下の場合は、ＬＩＢ３から外部負荷へ電力を供給することはない。そこで、外部負荷５の負荷設定値をＤＣ−ＤＣコンバータの最大出力以上の３．０５Ｗを２分間投入した。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータからは最大出力の２．６５Ｗが出力され、不足する０．４Ｗ分はＬＩＢ３から出力された。このＬＩＢ３から出力される電力量は、電力検出回路４２によって検出されており、その検出値は、制御回路４０によって演算され記憶される。
その後、外部負荷５の負荷を１Ｗに減少させると、１Ｗの負荷はＤＣ−ＤＣコンバータ４１の最大出力の２．６５Ｗ以下であり、ＤＣ−ＤＣコンバータにはＬＩＢ３を充電する出力が取り出せる。このとき、外部負荷が３．０５ＷのときにＬＩＢ３から出力された電力量（図６のＣ２）を外部負荷５が１Ｗのときに制御回路４０はＤＣ−ＤＣコンバータ４１の最大出力から外部負荷５への出力分を引いた電力分を用いＬＩＢ３に充電を行った。ＬＩＢ３への充電量がＣ２に満たないうちに外部負荷５の１Ｗの負荷を停止すると、制御回路４０は燃料電池１への燃料供給を停止することなく、燃料電池１の発電の継続とＬＩＢ３への充電の継続を行った。ＬＩＢ３への充電量がＣ２に達したことを制御回路４０が判断すると、制御回路４０はバルブ２１を閉状態とし、燃料電池１への燃料供給を停止する。燃料電池システム内部にはＣ１の電力料を取り出せるだけの水素が残留している。燃料電池１への燃料供給が停止した後には、燃料電池システム内部に残留する水素を燃料電池１において発電を行いＣ１の電力量を発生し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１、制御回路４０、電力検出回路４２を介しＬＩＢ３を充電する。燃料電池システム内部に残留する水素を使い切り、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１から電力が取り出せなくなると、制御回路４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１と電力検出回路４２の電気経路を遮断し、電力検出回路４２と外部負荷５が接続された状態で燃料電池システムの運転を終了する。
本発明にかかる燃料電池システムの実施の形態４を以下に説明する。
実施の形態１に示した燃料電池システムを用い、燃料電池システム内部の残留燃料を消費し前記燃料電池から得られる電力Ｃ１を同様に０．９Ｗ・ｍｉｎとして、Ｃ１基に制御回路４０の電気経路の切換とバルブ２１の制御を行った。
以下実際に燃料電池システムの出力端を外部負荷５に接続し、燃料電池システムの運転方法を、図８を参照して以下に説明する。
図８のＦ１に示すように、外部負荷５から燃料電池システムに電力要求があると、燃料電池システムは、Ｆ２に示すようにコントロールユニット４により蓄電器３であるＬＩＢ３から電力を供給する。このとき電力検出回路４１はＬＩＢ３への電流を検出することによってＬＩＢ３からの出力電力量を監視する（Ｆ３）。
燃料電池システム内部の残留燃料を消費し前記燃料電池から得られる電力量Ｃ１以上の出力がされるまで、ここではＬＩＢ３が０．９Ｗ・ｍｉｎ以上に出力するまでＬＩＢ３が外部負荷５に電力を供給する（Ｆ４）。
電力検出回路４１からの信号を基に制御回路４０がＬＩＢ３がＣ１以上の出力を行ったと判断すると、外部負荷５への電力供給をＤＣ−ＤＣコンバータ４１を通した燃料電池１の出力に切り換える（Ｆ５）。ここで、外部負荷５の電力要求がＤＣ−ＤＣコンバータを通して得られる燃料電池１からの最大出力を超える場合は（Ｆ６）、すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１の出力が２．６５Ｗ以上の場合、制御回路４０によってＤＣ−ＤＣコンバータ４１の出力端とＬＩＢ３の出力端を並列接続し外部負荷に電力供給を行う（Ｆ７）。その後、外部負荷５の負荷電力がＤＣ−ＤＣコンバータ４１の最大出力以下となると（Ｆ８）、フローチャートＦ５の処理に戻る。
外部負荷５に電力を供給中にＬＩＢ３電圧がＣ１以上の電力を出力した場合は（Ｆ９）、制御回路４０はＬＩＢ３の充電を電気経路の形成を行う（Ｆ１０）。
外部負荷５の電力要求がＤＣ−ＤＣコンバータ４１の最大出力を超える場合は充電を停止し（Ｆ１２）、フローチャートＦ７の処理に移行する。
外部負荷５の電力要求がＤＣ−ＤＣコンバータ４１の最大出力を超えず、ＬＩＢ３の充電の空き容量がＣ１に達した場合（Ｆ１３）は、充電を停止する（Ｆ１４）。外部負荷５が停止するまでフローチャートＦ６からの処理を行う。
外部負荷５が停止した場合は（Ｆ１５）、燃料電池１の発電を停止させずにＬＩＢ３の充電を行う（Ｆ１６）。電力検出回路４１はＬＩＢ３への充電量を監視する（Ｆ１７）。ＬＩＢ３の充電は、ＬＩＢ３の充電の空き容量がＣ１に達するまでは燃料供給器を停止させずにＬＩＢ３の充電を行う。ＬＩＢ３の充電の空き容量がＣ１に達すると（Ｆ１８）、制御回路４０は燃料供給器２のバルブ２１を閉じるように信号を燃料供給器２へ発信し（Ｆ１９）、燃料源の供給が停止する（Ｆ２０）。
燃料電池１は燃料電池システム内部に残留する燃料である水素を消費し発電を行い、ＬＩＢ３の充電を行う。燃料電池１は燃料電池システム内部に残留する燃料である水素を消費し燃料電池１から出力が得られなくなった場合（Ｆ２１）、ＬＩＢ３の充電を停止する（Ｆ２２）。ＬＩＢ３への充電の終了後、制御回路４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１と電力検出回路４２の電気経路を遮断し、電力検出回路４２を介して蓄電器３と外部負荷５が接続された状態（Ｆ２３）で燃料電池システムの運転を終了する（Ｆ２４）。よって、燃料電池システム内部には残存する燃料である水素を確実に消費することが可能となった。
本発明にかかる燃料電池システムの実施の形態５を、図９を参照して以下に説明する。実施の形態１に示した構成において、燃料としてメタノール２０％ｗｔ水溶液を用い燃料電池１はダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）として発電を行った。燃料電池１は燃料電池単セルを６つ用意し直列接続とした。燃料供給器２の構成は図３に示すように、燃料供給器２を燃料容器２０とポンプ２３から構成し、燃料電池システム全体の構成は図９に示すとおりである。
燃料供給器２により燃料電池１へ燃料が供給されている状態から、ポンプ２３の動作を停止し、燃料電池システム内部に残留する燃料を消費してＤＣ−ＤＣコンバータ４１を通して燃料電池１から得られる電力容量Ｃ１は、約０．３Ｗ・ｍｉｎであった。
制御回路４０は、実施の形態１と同様に、図示しないが信号入力端子４０１に入力された電力検出回路４２のアンプの出力を加減算する演算回路と、演算回路の演算結果とあらかじめ設定されたしきい値とを比較し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１と電力検出回路４２と外部負荷５の電気経路の切換とバルブ２３の開閉制御の為の信号を生成する比較演算回路から構成し、あらかじめ設定されたしきい値は、電力量Ｃ１である０．３Ｗ・ｍｉｎを基に設定を行った。燃料電池システムの動作工程は、市販のＰＣを用いプログラムを作成し、マイクロコンピュータにダウンロードし、制御回路４０に搭載した。
本発明にかかる燃料電池システムの実施の形態６を、図１０を参照して以下に説明する。
実施の形態１で示した構成を基に、燃料電池システムに蓄電器３の他に第二の蓄電器３０を追加した。
第二の蓄電器３０は、燃料供給器２から燃料電池１への燃料供給が遮断された後に燃料電池システム内部に残留水素を燃料電池１で発電しＤＣ−ＤＣコンバータ４１から得られる電力量Ｃ１を充電し、次回燃料電池システムの起動時に放電を行う。
第二の蓄電器３０には、少なくともＣ１（０．９Ｗ・ｍｉｎ）以上の充電容量が確保できる充電池を用意しなければならない。充電電圧が４．２Ｖのリチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）では、容量が２１４ｍＡｈ以上のＬＩＢが必要となり、ここでは３００ｍＡｈのＬＩＢを用意した。蓄電器３には実施の形態１と同様に、充電電圧４．２Ｖ、定格容量７００ｍＡｈのＬＩＢ３を用いた。
電力検出回路４０１は、第二の蓄電器３０の電圧値を検出し、その検出値を制御回路４１０へ出力する。制御回路４１０は、電力検出回路４０１からの入力信号を基に電気経路の切換とバルブ２１の開閉制御を行う。
燃料電池システムの起動時は、制御回路４１０によって外部負荷５と電力検出回路４０１を介して第二の蓄電器３０が接続されている。外部負荷５から電力要求があると、蓄電器３０から速やかに外部負荷５へ電力が供給される。電力検出回路４０１から制御回路４１０への入力信号が蓄電器３０の放電下限電圧値以下となると制御回路４１０は、外部負荷５と電力検出回路４０１との接続を解除し、バルブ２１を開き燃料電池１への燃料供給を開始する。同時に、制御回路４１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１と蓄電器３を並列に外部負荷５に接続する。
バルブ２１が開状態であり、燃料電池１への燃料供給が行われている状態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１の最大出力以下の範囲において、蓄電器３は満充電となるように充電が行われる。
外部負荷５が停止後に蓄電器３が満充電ではない場合は、蓄電器３が満充電となるまで燃料電池１への燃料供給が継続される。
外部負荷５が停止であり、蓄電器３が満充電状態であると、制御回路４１０は蓄電器３の接続は解除し、バルブ２１を閉じ、燃料電池１への燃料供給を停止し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１と電力検出回路４０１を接続する。燃料電池システム内部に残留する水素を燃料電池１において発電を行いＣ１の電力量を発生し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１、制御回路４１０、電力検出回路４０１を介し第二の蓄電器３０を充電する。燃料電池システム内部に残留する水素を使い切り、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１から電力が取り出せなくなると、制御回路４１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１と電力検出回路４０１の電気経路を遮断し、電力検出回路４２と外部負荷５が接続された状態で燃料電池システムの運転を終了する。
本形態は、特に燃料電池への燃料供給を停止した後に負荷に対する燃料不足によって燃料電池の過負荷状態での発電による転極等を防止するものであり、燃料電池１として単セルのみを用いた。すなわち、第７の実施の形態とは、燃料電池１の構成が第一の実施の形態と異なるだけで他は同様の構成となっている。そこで、図と重複する説明は省略する。
燃料電池１の最大出力は１．６２Ｗであり、ＤＣ−ＤＣコンバータ４１の最大出力は１．１６Ｗであった。また、燃料供給器２から燃料電池１への燃料供給が遮断された後に燃料電池システム内部に残留水素を燃料電池１で発電しＤＣ−ＤＣコンバータ４１から得られる電力量Ｃ１は０．４５Ｗ・ｍｉｎであった。図８に示したフローチャートに基づくプログラムを格納したマイクロコンピュータを制御回路に搭載した。
外部負荷５の負荷を１．５Ｗに設定し、燃料電池システムから電力を取り出した。燃料電池システムから電力を取り出し始めてから約０．３秒後に燃料供給器２から燃料電池１へ燃料が供給された。燃料電池システムから電力を取り出し始めてから２分後に外部負荷５を停止させると、燃料電池１への燃料供給は継続されＬＩＢ３に約０．６８Ｗ・ｍｉｎの電力量が充電されると、コントロールユニットはバルブ２１を閉じる。その後も燃料電池１は発電を継続し、ＬＩＢ３に約０．４５Ｗ・ｍｉｎの電力量を充電して燃料電池システムの運転を終了する。この間、燃料電池１は燃料不足等によって転極状態は観測されず、燃料電池１の劣化モードを回避する事ができた。
なお、燃料電池が複数のセルから構成される場合、燃料電池への燃料供給を停止した後に負荷に対する燃料不足によって燃料電池の過負荷状態での発電による転極等を防止する為に、燃料電池への燃料供給が遮断されると同時に複数のセルから構成される燃料電池の１つのセルから出力を取り出し蓄電器に電力を供給する構成とすればよい。
また、蓄電器や第二の蓄電器には、蓄電器としては、二次電池、キャパシタ、コンデンサに限らず、電気エネルギーを蓄積可能であれば良く、電気エネルギーを機械エネルギーに変換しゼンマイ等にエネルギーの蓄積を行っても良い。
また、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない限り、変更が可能である。更に、前記実施形態にはそれぞれの段階の発明が含まれている。開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせによる構成が発明として抽出され得る。
本発明の燃料電池システムは、安全性が高く、燃料の利用率が高い為エネルギー密度が高く、安定した電力の供給が可能である為、電子機器類の電源として応用が可能である。
本発明の実施の形態１及び実施の形態７に係わる燃料電池システムの構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態１及び実施の形態７に係わる燃料供給器２の構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態５に係わる燃料供給器２の構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態１及び実施の形態７に係わるコントロールユニット４の構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態１及び実施の形態７に係わる燃料電池システムの構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態２に係わる外部負荷５の負荷プロファイルとそのときのＤＣ−ＤＣコンバータ４１の出力プロファイル一例を示すグラフである。 本発明の実施の形態３に係わる外部負荷５の負荷プロファイルとそのときのＤＣ−ＤＣコンバータ４１の出力プロファイル一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態４に係わる燃料電池システムの運転方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態５に係わる燃料電池システムの構成の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態６に係わる燃料電池システムの構成の一例を示す概略図である。
符号の説明
１ 燃料電池
２ 燃料供給器
３ 蓄電器
４ コントロールユニット
５ 外部負荷
２０ 燃料容器
２１ バルブ
２２ 改質器
２３ ポンプ
３０ 第二の蓄電器
４０ 制御回路
４１ ＤＣ−ＤＣコンバータ
４２ 電力検出回路
４０１ 電力検出回路
４１０ 制御回路

Claims (11)

  1. 燃料供給器に接続された燃料電池と、蓄電器と、前記燃料電池及び前記蓄電器に接続されたコントロールユニットとを備えた燃料電池システムの運転方法であって、
    前記燃料電池システムの起動時に、前記蓄電器から前記コントロールユニット及び前記コントロールユニットに接続された外部負荷に電力を供給開始する行程と、
    前記蓄電器の放電量を検出する工程と、
    前記蓄電器の放電量が、所定の放電量に達した場合、前記燃料電池に前記燃料供給器から燃料の供給を開始する工程と、前記燃料電池から前記コントロールユニットへ電力の供給を開始し、前記蓄電器から前記コントロールユニットへの電力の供給を中断する行程と、
    を有する燃料電池システムの運転方法。
  2. 前記燃料電池に燃料の供給を開始する工程後、前記燃料電池から前記コントロールユニットを介して前記外部負荷に電力を供給する工程と、
    前記負荷からの電力要求が前記燃料電池の最大出力以上の場合、前記蓄電器から前記コントロールユニットを介して前記外部負荷に電力の供給を再開し、前記蓄電器の放電量を検出する工程と、
    前記負荷からの電力要求が前記燃料電池の最大出力未満かつ前記蓄電器の放電量が所定の値以上の場合、前記燃料電池から前記コントロールユニットを介して前記外部負荷への電力供給及び前記蓄電器に前記所定の値と前記放電量の差分の電気量を充電する工程と、
    を有する請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
  3. 前記外部負荷が停止した場合、燃料電池への燃料供給を停止する工程と、
    前記燃料電池の内部に残留している燃料によって発電を継続する工程と、
    前記残留している燃料によって発電した電力を、前記コントロールユニットを介して前記蓄電器に供給する工程と、
    を有する請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。
  4. 前記外部負荷が停止し、かつ前記蓄電器の放電量が所定の値以上の場合、
    前記燃料電池によって、前記所定の値と前記放電量の差分の電気量を発電し、前記コントロールユニットを介して前記蓄電器に電力を供給する工程と、
    前記燃料電池への燃料供給を停止する工程と、
    前記燃料電池の内部に残留している燃料によって発電を継続する工程と、
    前記残留している燃料によって発電した電力を前記コントロールユニットを介して前記蓄電器に供給する工程と、
    を有する請求項２に記載の燃料電池システムの運転方法。
  5. 前記燃料電池の内部に残留している燃料によって発電を継続する工程において、発電を継続するのは前記燃料電池を構成する単セルのみで発電を行う請求項３または４に記載の燃料電池システムの運転方法。
  6. 燃料電池と、
    燃料或いは反応助触媒を保持する燃料容器と前記燃料容器に接続され前記燃料電池への燃料の供給を行うバルブとを備えた燃料供給器と、
    電気の畜放電を行う蓄電器と、
    前記燃料電池に接続され前記燃料電池の出力を調整するＤＣ−ＤＣコンバータと前記蓄電器に接続され前記蓄電器の充放電量を検出する電力検出回路と前記ＤＣ−ＤＣコンバータと前記電力検出回路に接続され前記ＤＣ−ＤＣコンバータと前記電力検出回路と外部負荷との電気経路の形成と前記バルブの開閉を行う制御回路とを備えたコントロールユニットと、
    を有する燃料電池システム。
  7. 前記制御回路が、前記電力検出回路が検出する前記蓄電器の充放電量の検出値を基に、前記バルブの開閉を切り換える制御回路である請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記制御回路は、前記燃料供給器から前記燃料電池へ燃料が供給されているとき、前記蓄電器に所定の値以上の空き容量を確保して充電を行う制御回路である請求項６または７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料供給器は、燃料或いは反応助触媒を保持する燃料容器と、前記燃料容器に接続され前記燃料電池への燃料の供給と遮断を行うポンプとからなる燃料供給器である請求項６から８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  10. 燃料供給器は、燃料源或いは反応助触媒を保持する燃料容器と、前記燃料電池に接続され燃料源から前記燃料電池の燃料を生成する改質器と、前記燃料容器と前記改質器に接続され前記燃料容器から前記改質器への燃料源の供給と遮断を行うバルブとからなる燃料供給器である請求項６から８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  11. 前記燃料供給器は、燃料源を保持する燃料容器と、前記燃料電池に接続され燃料源を基に前記燃料電池の燃料を生成する改質器と、前記燃料容器と前記改質器に接続され前記燃料容器から前記改質器への燃料源の供給と遮断を行うポンプとからなる燃料供給器である請求項６から８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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