JP2007157618A - 液体燃料直接供給型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 液体燃料直接供給型燃料電池システムの騒音発生を防止し、その用途の拡大を図る。
【解決手段】 燃料電池スタック１と、前記燃料電池スタック１の補機３と制御回路６に駆動電力を供給して該スタック１を起動させるためのバックアップ用二次電池２とを備え、前記燃料電池スタック１の電力を負荷４に直接供給するとともに第１のＤＣ−ＤＣコンバータ７１を介して前記バックアップ用二次電池２に充電電力として供給し、かつ第２のＤＣ−ＤＣコンバータ７２を介して前記燃料電池スタック１の補機３に供給し、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータ７２の出力電圧を負荷電流検出装置９からの負荷電流対応信号によって制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は液体燃料直接供給型燃料電池システムに関するもので、さらに詳しく言えば、有機物を含む液体燃料と空気とを直接燃料電池スタックに供給して発電し、得られた電力を効率よく負荷に供給することができる液体燃料直接供給型燃料電池に関するものである。

近年、環境問題や資源問題への対策が重要になっており、その対策の一つとして燃料電池の開発が活発に行われている。特に、プロトン導電性固体高分子膜を電解質に用いた直接メタノール型燃料電池のような液体燃料直接供給型燃料電池は、燃料をガス化または改質せずに直接供給することによって発電できるという特徴を持っているため、構造がシンプルで、小型化、軽量化が容易であり、分散形電源、移動体用電源、小型携帯用電源として注目されている。

この直接メタノール型燃料電池は、プロトン導電性高分子固体高分子膜の電解質の両側に正極および負極を接合したセルがグラファイト製のセパレータで挟持されて、または該セルがグラファイト製のセパレータを介して多数積層されて燃料電池スタックを構成している。前記正極は多孔性のカーボンペーパーの表面に白金触媒を担持した炭素粉末が塗布されてなり、前記負極は同様のカーボンペーパーの表面に白金−ルテニウム触媒を担持した炭素粉末が塗布されてなる。

上記した直接メタノール型燃料電池は、負極に還元剤としてのメタノール水溶液を供給し、正極に空気中の酸素を供給すると、電解質を介した電池反応によって発電され、その発電効率やエネルギー密度に関する限りでは、ニッケル−水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池に代わり得るものである。しかしながら、上記した電池反応を行わせるには、負極にメタノール水溶液を供給するための液送ポンプ、正極に空気中の酸素を供給するためのブロワーやファンといった補機を必要とし、これらの補機を動作させるための電源も必要となる。
すなわち、上記した直接メタノール型燃料電池を搭載した自立形の液体燃料直接供給型燃料電池システムにおいては、鉛蓄電池などのバックアップ用二次電池が備えられており、起動時には、バックアップ用二次電池によって上記した補機を駆動させるとともに外部に接続された負荷にも前記バックアップ用二次電池から電力を供給するようにし、直接メタノール型燃料電池の起動後はその出力を負荷に供給するとともに、該出力によってバックアップ用二次電池を充電するようにしたものが知られている。
上述したシステムでは、直接メタノール型燃料電池の出力電圧が負荷変動によって変動した場合、特に、負荷が小さくなって該出力電圧が上昇した場合、バックアップ用二次電池が過充電になる危険性を有していた。

このような危険性を回避するものとして、図２に示したようなシステムが提案されている。すなわち、図２に示したように、燃料電池スタック１の出力はＤＣ−ＤＣコンバータ７とダイオード１０とを介してバックアップ用二次電池２に供給されるようにし、バックアップ用二次電池２の出力はスイッチ５を介して補機３および制御回路６に供給されるようにしている。前記制御回路６には、燃料電池スタック１の出力電圧、温度や燃料電池スタック１に供給されるメタノール水溶液の濃度の監視やバックアップ用二次電池２の過充電や過放電に対する保護機能などが備えられている。上記システムは、起動時に、スイッチ５をオンさせてバックアップ用二次電池２からブロワーあるいは液送ポンプのような補機３および制御回路６に給電するとともに負荷４にも給電し、起動後は、その出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ７によって安定化させてバックアップ用二次電池２を充電するとともに負荷４に対しても燃料電池スタック１から給電するようにしたものである。

また、これに関連するもとして、特許文献１、２に開示されたような提案もある。すなわち、特許文献１の［００１５］には、燃料電池本体２から充放電管理装置１６を介して負荷回路３１に給電すること、同［００１７］には、起動時に二次電池１５から給電すること、同［００１９］には、起動後は燃料電池本体２から充放電管理装置１６を介して二次電池１５を浮動充電すること、が開示されている。また、特許文献２の図１には、燃料電池本体４からスイッチ２０、ダイオード２１、スイッチ２６を介して負荷３０に給電するとともにスイッチ２０、ダイオード２２を介して２次電池１４を充電し、かつ２次電池１４からもダイオード２３、スイッチ２６を介して負荷３０に給電するようにしたシステムが開示されている。
特開平１０−１４４３２７号公報 ＷＯ２００５／００８８１７号公報

前述した図２の提案によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ７によって燃料電池スタック１の電圧変動を抑制することができ、それによってバックアップ用二次電池２の過充電を防止することはできる。しかしながら、図２に示したシステムでは、燃料電池スタック１の電圧変動に対して、バックアップ用二次電池２の充電電圧にも、補機３、負荷４および制御回路６の電圧にも同等に補償されるため、必ずしも最適であるとは言えず、負荷４に流れる電流も常にＤＣ−ＤＣコンバータ７を介して流れるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の変換効率による損失が生じるという問題があった。

また、前述した特許文献１の提案によれば、負荷回路３１に流れる電流が充放電管理装置１６を介して流れるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の変換効率による損失と同様に充放電管理装置１６による損失が生じるという問題があり、前述した特許文献２の提案によれば、負荷３０に対する給電は直接行っていて、前述したような損失の発生は防止できるが、燃料ポンプ１０や図示されていない空気ポンプあるいは排燃料回収ポンプの駆動電源の電圧は負荷変動があっても定格負荷時の電圧に制御されているため、軽負荷時には、負荷３０に供給される出力に対する燃料ポンプ１０などに供給される出力の比が大きくなって、システム全体の効率を低下させるという問題があった。

本発明は、上記した問題に鑑みてなされたもので、プロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極とを対設したセルまたは該セルを複数個積層したセルスタックからなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの補機と制御回路に駆動電力を供給して該スタックを起動させるためのバックアップ用二次電池とを備え、負荷に対する駆動電力を前記燃料電池スタックまたはバックアップ用二次電池の少なくとも一方から供給するようにした液体燃料直接供給型燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの電力を負荷に直接供給するとともに第１のＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記バックアップ用二次電池に充電電力として供給し、かつ第２のＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記燃料電池スタックの補機に供給するようにしたことを特徴（請求項１）とし、負荷に燃料電池スタックの電力を供給する経路に負荷電流検出装置を設け、この負荷電流検出装置から送出される負荷電流対応信号によって前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御することを特徴（請求項２）とする。

本発明によれば、ブロワーあるいは液送ポンプのような補機の駆動電力の電圧を、第２のＤＣ−ＤＣコンバータによって、負荷電流に応じて変化させているので、軽負荷時にシステム全体の効率が低下するという問題を解消することができ、補機による騒音も低減することができる。

以下、本発明を、その実施形態に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る液体燃料直接供給型燃料電池システムの例として示した直接メタノール型燃料電池システムの構成図であり、図２と同じ機能を備えたものには同じ符号を付している。本実施形態は、図１に示したように、燃料電池スタック１の出力はダイオード１１と負荷電流検出装置９とを介して直接負荷４に供給されるようにするとともに、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ７１、ダイオード１２を介して制御回路６に、スイッチ８を介してバックアップ用二次電池２に、および第２のＤＣ−ＤＣコンバータ７２を介して補機３に、それぞれ供給されるようにし、バックアップ用二次電池２の出力からはダイオード１３と負荷電流検出装置９とを介して負荷４に供給されるようにしたことを特徴とする。

上記した本実施形態の基本的な動作は図２のものと同じであるため説明は省略し、図２のものと相違する点のみを以下に説明する。すなわち、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ７１、ダイオード１２を介して供給される燃料電池スタック１の出力は第２のＤＣ−ＤＣコンバータ７２を介して補機３に供給されるが、この第２のＤＣ−ＤＣコンバータ７２の出力電圧を負荷電流検出装置９から送出される負荷電流対応信号によって制御するようにしたことを特徴とする。前記負荷電流対応信号は、たとえば、負荷電流が増加すると、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ７２の出力電圧を高くして補機３の能力を向上させ、負荷電流が減少すると、第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を低くして補機３の能力を低下させるようにする。すなわち、負荷電流が減少した場合に、補機３に印加される電圧を低下させることにより、補機３の消費電力を抑え、騒音を低減させるものである。

前記負荷電流検出装置９としては、シャント抵抗や電流トランス（ＣＴ）が使用でき、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ７１や第２のＤＣ−ＤＣコンバータ７２には非絶縁形あるいは絶縁形のチョッパ回路などが使用できる。

上記した実施の形態では、液体燃料にメタノール水溶液を用いた直接メタノール型燃料電池システムを例にして説明したが、メタノール水溶液以外の液体燃料、たとえばエチルアルコール、ブタノール、ジメチルエーテル等を用いた液体燃料直接供給形燃料電池にも適用することができる。

上記した如く、本発明は、ブロワーあるいは液送ポンプのような補機３に印加される電圧を負荷電流に応じて変化させているから、軽負荷時に、補機３の消費電力を抑えることができ、システム全体の効率の向上に寄与することができ、その産業上の利用可能性が大である。

本発明の実施形態に係る液体燃料直接供給形燃料電池の構成図である。 従来の液体燃料直接供給形燃料電池の構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ バックアップ用二次電池
３ 補機
４ 負荷
５、８ スイッチ
６ 制御回路
７、７１、７２ ＤＣ−ＤＣコンバータ
９ 負荷電流検出装置
１０〜１３ ダイオード

Claims (2)

1. プロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極とを対設したセルまたは該セルを複数個積層したセルスタックからなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの補機と制御回路に駆動電力を供給して該スタックを起動させるためのバックアップ用二次電池とを備え、負荷に対する駆動電力を前記燃料電池スタックまたはバックアップ用二次電池の少なくとも一方から供給するようにした液体燃料直接供給型燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの電力を負荷に直接供給するとともに第１のＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記バックアップ用二次電池に充電電力として供給し、かつ第２のＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記燃料電池スタックの補機に供給するようにしたことを特徴とする液体燃料直接供給型燃料電池システム。
2. 燃料電池スタックの電力を負荷に供給する経路に負荷電流検出装置を設け、この負荷電流検出装置から送出される負荷電流対応信号によって前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御することを特徴とする請求項１記載の液体燃料直接供給型燃料電池システム。

Images