JP2008103227A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、ＭＥＡの性能低下の大きな原因の一つである過酸化水素の蓄積を防止し、ＭＥＡの寿命延長を図ることにより、従来よりも長期間にわたり安定して発電する燃料電池を搭載した電源装置を提案することである。
【解決手段】
機器に電力を供給する電源装置であって、燃料電池と燃料電池に印加する電気的な負荷を制御する制御装置とを有し、電気的な負荷として、所定の負荷と前記所定の負荷よりもカソード電位が低くなる低負荷とを繰り返し燃料電池に印加する電源装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池を用いた電源装置に関するものである。

燃料電池は少なくとも固体又は液体の電解質及び所望の電気化学反応を誘起する二個の電極，アノード及びカソードから構成され、その燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに高効率で変換する発電機である。燃料には化石燃料或いは水などから化学変換された水素、通常の環境で液体或いは溶液であるメタノール，アルカリハイドライドやヒドラジン又は加圧液化ガスであるジメチルエーテルが用いられ、酸化剤ガスには空気又は酸素ガスが用いられる。燃料はアノードにおいて電気化学的に酸化され、カソードでは酸素が還元されて、両電極間には電気的なポテンシャルの差が生じる。このときに外部回路として負荷が両極間にかけられると電解質中にイオンの移動が生起し外部負荷には電気エネルギーが取り出される。このために各種の燃料電池は、火力機器代替えの大型発電システム，小型分散型コージェネレーションシステムやエンジン発電機代替えの電気自動車電源としての期待は高く、実用化開発が活発に展開されている。

しかし、現在の技術では、燃料電池の発電部である膜・電極接合体（ＭＥＡ）の寿命が短く、燃料電池実用化の大きな課題となっている。一般的なＭＥＡは、中心にナフィオンに代表されるパーフルオロスルホン酸系電解質膜、その両端に白金−ルテニウム担持カーボンからなるアノード電極および白金担持カーボンからなるカソード電極で構成される。ＭＥＡの性能低下の大きな原因の一つに、カソード極での過酸化物の生成があげられる。過酸化物は、カソード極での酸素還元の際の副生成物として生成するが、これが電解質膜を酸化分解することで、ＭＥＡの性能が早期に低下してしまう。

そこで、過酸化物を分解する触媒層を電解質膜，アノード極，カソード極のいずれかに配置する方法が提案されている（特許文献１）。

特表２００５−５３８５０８号

本発明の目的は、ＭＥＡの性能低下の大きな原因の一つである過酸化水素の蓄積を防止し、ＭＥＡの寿命延長を図ることにより、従来よりも長期間にわたり安定して発電する燃料電池を搭載した電源装置を提案することである。

機器に電力を供給する電源装置であって、燃料電池と燃料電池に印加する電気的な負荷を制御する制御装置とを有し、電気的な負荷として、所定の負荷と所定の負荷よりもカソード電位が高くなる低負荷とを繰り返し燃料電池に印加する電源装置である。

従来よりも長期間にわたり安定して発電する燃料電池を搭載した電源装置を提供できる。

燃料電池と補助電源の少なくとも２種類の電源を備え、機器に電力を供給する電源装置の制御方法において、燃料電池にパルス波，三角波，正弦波など周期的に変動する負荷を印加することによって、電池反応によって副生成物として生成する過酸化物の蓄積を防止し、ＭＥＡの寿命を延長させることを特徴とする電源装置の運転方法である。

以下、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。説明においてはアノード極にメタノール水溶液を供給し、カソード極に酸素（空気）を供給することにより発電する直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）を例にあげて説明するが、メタノール以外のアルコール系燃料を使用した燃料電池についても同様の効果が得られる。また、アノード極に水素を供給するＰＥＦＣにおいても本発明の効果は同様に得られる。

燃料電池を一定負荷で連続運転すると、カソード極で生成する水の蓄積により、反応に必要な酸素の供給が妨げられ、カソード極の電位が低下する。カソード電位が低下すると過酸化物の生成が促進されることにより、電解質膜が分解し、電解質膜がプロトン伝導膜として機能しなくなることにより、性能低下さらには発電不能な状態に陥ってしまう。

以下の実施例によれば、ＭＥＡの長寿命化が可能となり、電子機器を従来よりも長時間にわたり連続使用可能となる。

本実施例の電源装置の運転方法について以下で述べる。

燃料電池では発電の際、カソード極で以下のような反応式により過酸化水素が発生する。

Ｏ₂ ＋ ２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ₂ （式１）
図１にカソード極の電位と過酸化水素の平衡濃度の関係を示す。図より、カソード極の電位の低下と共に、過酸化水素の平衡濃度が急激に増加することがわかる。燃料電池を一定負荷で発電した場合、その負荷に対応してカソード極の電位が低下し、過酸化水素が発生する。その際、負荷が大きいほど、カソード極の電位は低くなることから、カソード極で生成する過酸化水素の量は多くなり、寿命が短くなる。一方で、燃料電池に対する負荷を低減する、あるいは発電を停止すると、カソード電位は上昇し、過酸化水素の平衡濃度は低下することから、カソード極で発生・蓄積した過酸化水素が分解し、ＭＥＡの寿命延長が図れるのではないかと考え、負荷を変動させた発電を試みた。その結果、負荷を変動させた発電を実施することにより、ＭＥＡの寿命が延長されることが確認できた。

以下、ＭＥＡの性能低下を防止するための運転方法の詳細を述べる。なお、本発明は以下に示す実施例に限定されない。

図２に本実施例にかかる燃料電池に与えた負荷の波形を示す。比較例である負荷モード（１）は、通常の定負荷発電モードであり、５０ｍＡ／cm² の一定電流密度で発電を実施した。負荷モード（２）は本発明の運転方法であり、６０ｍＡ／cm² の負荷と休止を周期的に繰り返している。なお、負荷モード（２）は負荷モード（１）と総クーロン量が同じになるように、周期の間隔を設定してある。こうすることにより、負荷モード（１）を燃料電池が電力を供給する機器の要求電力であるとした場合に、燃料電池がトータルでその要求電力を供給することができる。電源装置としては、本実施例の燃料電池と共に充放電可能な補助電源、例えばリチウム２次電池を用いることにより、燃料電池が要求電力を超える発電をする場合には、リチウム２次電池に充電し、不足する場合には、リチウム二次電池を放電することにより不足分を補うことができる。

本実施例によれば、電解質膜の分解の原因になる過酸化物の蓄積を防止し、ＭＥＡの寿命延長を実現でき、電源装置としても長寿命化を実現できる。

図３に本実施例にかかる燃料電池に与えた負荷モード（３）の波形を示す。ピーク負荷電流密度が８０ｍＡ／cm² 、下限負荷電流密度が２０ｍＡ／cm² 、１サイクル３０分の三角波とした。これも比較例である負荷モード（１）と総クーロン量が同じになるようにピーク電流値を設定した。

図４に本実施例にかかる燃料電池に与えた負荷モード（４）の波形を示す。ピーク負荷電流密度が８０ｍＡ／cm² 、１サイクル１０分の正弦波とした。これも比較例である負荷モード（１）と総クーロン量が同じになるようにピーク電流値を設定した。

比較例である負荷モード（１）、実施例である負荷モード（２）〜（４）を実際に燃料電池に印加し、ＭＥＡの寿命を評価した。発電試験に使用したＭＥＡは、電解質膜にナフィオン１１７を、カソード極に田中貴金属製ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅとナフィオン溶液を混合したものを、アノード極に田中貴金属製のＴＥＣ６１Ｅ５４とナフィオン溶液を混合したものを使用した。作製したＭＥＡは燃料電池評価用のセルに組込み発電試験を実施した。発電試験には、燃料として５ｗｔ％のメタノール水溶液を使用し、空気の供給は補機を使用しない自然呼気条件とした。発電試験は３０℃に制御した環境中で実施し、図２〜図４に示した波形で燃料電池に負荷を与え、発電量の経時変化を測定した。その結果、負荷
（１）に対して負荷（２）〜（４）の方が時間の経過に伴うセル電圧の低下が小さく、周期的に負荷を変化させることにより、ＭＥＡの劣化が抑制されることが確認された。

なお、ここで示した波形は本発明の一例であり、負荷の周期や形状などは限定されない。

以下の実施例では、本発明の燃料電池の運転方法を適用した電源装置の一例について説明する。図６は本発明を実現するための電源装置の構成や電力線，信号線の接続の概略を示すブロック図である。

本実施例では、燃料電池の最大電圧が電気２重層コンデンサの耐圧を越えないように、各セル数を設定した構成となっている。

本実施例の構成は、燃料電池１と電気２重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）２の二つの電源を備えることをひとつの特徴としている。もちろんＥＤＬＣの替わりに必要な出力が供給可能なリチウムイオン二次電池に代表される二次電池を使用しても構わない。なお、構成の簡略化のためには、燃料電池１は他の燃料電池と比較して構成が単純なＤＭＦＣであることが望ましい。また、図６においては、電気２重層コンデンサ２を２直列にして使用しているが、出力のために必要とされる燃料電池の直列セル数から算出される最大電圧（開回路状態の電圧）が電気２重層コンデンサ２の耐圧を越えないセル数である必要がある。

以上のふたつの電源を使った回路部分には、前記ふたつの電源電圧を一定の出力電圧
（Ｖout ，ＧＮＤ間電圧）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ５、負荷への供給と遮断を制御する負荷遮断スイッチ４、前記負荷遮断スイッチのＯＮ，ＯＦＦおよび燃料電池の出力を図２〜図４に示したような波形に制御するための出力電流制御手段を備えている。出力電流制御手段にはワンチップマイコンや専用ＩＣを用いる。

次に、本実施例にかかる電源装置を電子機器の電源として適用した例を図７，図８に示す。

図７は対象電子機器がノートＰＣである場合の例である。電源装置６は対象機器であるノートＰＣ用のＡＣアダプタと互換である。負荷への接続端子となる図６におけるＶ+ とＶ- はノートＰＣのＡＣアダプタ端子に接続可能な構成となっており、Ｖ+ とＶ- の間にはＡＣアダプタと互換の電圧（１６Ｖ，１９Ｖ，２０Ｖなど）がＤＣ／ＤＣコンバータ５より出力される。

図８は電源装置６の対象電子機器が携帯電話である例である。負荷への接続端子となる図６におけるＶ+ とＶ- の間には、携帯電話用のＡＣアダプタと互換の電圧（５.５Ｖ など）がＤＣ／ＤＣコンバータ５より出力される。

図９は本実施例にかかる電源装置の構成や電力線，信号線の接続の概略を示すブロック図である。

本実施例の構成は、燃料電池１とリチウムイオン二次電池１０の二つの電源を備えることをひとつの特徴としている。もちろんリチウムイオン二次電池の替わりに必要な出力が供給可能な他の二次電池やＥＤＬＣを使用しても構わない。また、図９においては、リチウムイオン二次電池１０を２並列にして使用しているが、実際には対象機器が必要とする出力にあわせて搭載すればよい。

以上のふたつの電源を使った回路部分には、これらの電源電圧を一定の出力電圧(Ｖout，ＧＮＤ間電圧) に変換するとともに、回路に搭載したシャント抵抗１１からの燃料電池の出力電流信号をフィードバックし、図２〜図４に示したような波形に制御するための出力電流制御手段を備えている出力電流制御手段機能付ＤＣ／ＤＣコンバータ１２，負荷への供給と遮断を制御する負荷遮断スイッチ４，前記負荷遮断スイッチのＯＮ，ＯＦＦを制御する判別制御手段１３を備えている。このような構成にする。

カソード電極電位と過酸化水素の平衡濃度の関係を示した図である。 比較例である定電流負荷と、一実施例であるパルス波形の負荷モードを示した図である。 一実施例であるノコギリ波形の負荷モードを示した図である。 一実施例である正弦波形の負荷モードを示した図である。 実施例及び比較例の負荷モードを用いて、燃料電池の寿命試験を実施した際の結果を示した図である。 実施例４に示した本発明の燃料電池の運転方法が可能な電源装置のブロック図の一例である。 本発明の燃料電池の運転方法が可能な電源装置をノートＰＣ用充電器に適用した一例の概観である。 本発明の燃料電池の運転方法が可能な電源装置を携帯電話用充電器に適用した一例の概観である。 実施例５に示した本発明の燃料電池の運転方法が可能な電源装置のブロック図の一例である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 電気２重層コンデンサ
３ 出力電流制御手段
４ 負荷遮断スイッチ
５ ＤＣ／ＤＣコンバータ
６ 電源装置
７ ＡＣアダプタ
８ ノートＰＣ
９ 携帯電話
１０ リチウムイオン二次電池
１１ シャント抵抗
１２ 出力電流制御手段機能付ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３ 判別制御手段

Claims (11)

1. 機器に電力を供給する電源装置であって、燃料電池と前記燃料電池に印加する電気的な負荷を制御する制御装置とを有し、前記電気的な負荷として、所定の負荷と前記所定の負荷よりもカソード電位が高くなる低負荷とを繰り返し前記燃料電池に印加する電源装置。
2. 前記低負荷を印加するときに前記燃料電池の発電を休止する時間を設ける請求項１記載の電源装置。
3. 前記所定の負荷は機器が必要とする平均電力よりも高く、前記低負荷は機器が必要とする平均電力よりも低い請求項１記載の電源装置。
4. 前記所定の負荷と前記低負荷との繰り返しを周期的に行う請求項１記載の電源装置。
5. 前記電気的な負荷は、正弦波，三角波，パルス波の少なくとも一つを用いて印加する請求項１記載の電源装置。
6. 機器に電力を供給する電源装置であって、燃料電池と前記燃料電池に印加する電気的な負荷を制御する制御装置と充放電可能な補助電源とを有し、前記電気的な負荷として、所定の負荷と前記所定の負荷よりもカソード電位が高くなる低負荷とを繰り返し前記燃料電池に印加し、前記燃料電池が、前記機器が必要とする電力を超える電力を発電する場合に、余剰電力を前記補助電源に充電する電源装置。
7. 機器に電力を供給する電源装置であって、燃料電池と前記燃料電池に印加する電気的な負荷を制御する制御装置と充放電可能な補助電源とを有し、前記電気的な負荷として、所定の負荷と前記所定の負荷よりもカソード電位が高くなる低負荷とを繰り返し前記燃料電池に印加し、前記燃料電池が、前記機器が必要とする電力を下回る電力を発電する場合に、不足電力を前記補助電源から放電する電源装置。
8. 前記燃料電池の燃料が水素またはアルコール系液体燃料の少なくともひとつであり、酸化剤が酸素を含む気体である請求項１記載の燃料電池システム。
9. 前記補助電源が非水系２次電池である請求項６記載の電源装置。
10. 前記機器と前記電源装置とを有する請求項１記載の電子機器
11. 前記補助電源が電気２重層キャパシタである請求項６記載の電源装置。
    

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