JP2010009966A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックに空気を供給する供給系統に目詰まりを引き起こす要因を可能な限り取り除くことにより、動作不良の発生を抑制するとともに、小型化および低コスト化の容易な電源装置を提供する。
【解決手段】燃料電池セルを複数個積層してなる燃料電池スタック２と、燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給するための空気ポンプ４とを備える。また、ポンプの吐出圧力を検出する圧力検出器１１と、燃料電池スタックの負荷電流を検出する電流検出器１２と、ポンプの回転速度を検出する回転速度検出手段とを備える。記憶部１３には、酸化剤ガスの燃料電池スタックへの目標供給流量に関する情報と、ポンプの回転速度と、ポンプの吐出圧力と、目標供給流量との関係に関する情報とが記憶される。記憶部に記憶された情報と、圧力検出器、電流検出器および回転速度検出手段の検出結果に基づいて、制御部１０によりポンプの回転速度が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置に関し、さらに詳しくは、燃料電池を使用した電源装置に関する。

現状、ノートパソコンなどの携帯用電子・電気機器においては、リチウムイオン電池等の二次電池を使用した電源装置が広く利用されている。しかしながら、例えばリチウムイオン電池であれば、一般的には、連続４時間程度しかノートパソコン等に電力を供給することはできない。また、電池から必要な電荷が失われれば、その都度商用電源等を利用して充電を行う必要がある。

二次電池にはこのような欠点が存在することから、近年、長時間連続してノートパソコン等に電力を供給することができ、かつ簡単な燃料（例えばメタノール）の補充操作だけで引き続き電源として利用することが可能な燃料電池が注目を集めている。

燃料電池は、水素やメタノール等の燃料と酸化剤ガスである空気とを燃料電池スタックに供給して発電を行うものである。ここで、燃料電池スタックに燃料および空気を供給する代表的な供給方法として循環式が挙げられる。
図６に、循環式燃料電池を用いた電源装置の一例を示す。図６の電源装置は、燃料電池スタック５１と、それに燃料および酸化剤ガスである空気を供給するための燃料ポンプ５２および空気ポンプ５３とから構成された燃料電池７０を備えている。燃料ポンプ５２の吸入側は希釈タンク５４と接続されており、その希釈タンク５４には、メタノールポンプ５５およびリターンポンプ５６が接続されている。メタノールポンプ５５は、メタノールタンク５７に貯蔵された純度１００％のメタノールを希釈タンク５４に送る。一方、リターンポンプ５６は、気液分離膜５８により分離された液体を希釈タンク５４に送る。

気液分離膜５８は、燃料電池スタック５１の排出物である、空気、水、未反応燃料（メタノール）、および二酸化炭素等の混合物から液体（メタノールおよび水）を分離する。
ここで、燃料ポンプ５２、空気ポンプ５３、メタノールポンプ５５およびリターンポンプ５６は制御部５９により制御されている。制御部５９が、メタノールタンク４からのメタノールの送り量と気液分離膜５８からのガスの送り量とを調節することによって、メタノールタンク４からの純度１００％のメタノールが希釈タンク５４内で数重量％のメタノールに希釈される。

また、燃料電池スタック５１においては、燃料極（アノード）にメタノールが供給され、空気極（カソード）に空気が供給される。燃料極では、反応物質であるメタノールおよび水、触媒（電極表面）、並びに電解質の３つが接触する三相界面と呼ばれる領域において、メタノールと水とが、下記式１１に示すように反応して、二酸化炭素、水素イオン並びに電子が生成される。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- （１１）

これらの生成物の内、水素イオン（Ｈ⁺）は燃料極と空気極との間に介在される高分子膜（電解質膜）を通り、電子（ｅ^-）は外部負荷を通って、それぞれ空気極（カソード）に到達する。空気極では、空気中の酸素が三相界面において水素イオン（Ｈ⁺）と下記式２に示す反応により、触媒（電極表面）から電子を奪って水になる。
（３／２）Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- → ３Ｈ₂Ｏ （１２）
この水の発生量は負荷変動が起こった場合に変化し、空気極の空気流路内の圧力変動を引き起こす。また、空気極の空気流路に水がたまった場合も同様である。

ここで、燃料電池スタックの空気極には、発電電力に応じた最適な量の空気を供給する必要がある。空気の供給量が少なすぎると、電解質膜の表面に水がたまり、発電力が著しく低下する。反対に空気の供給量が多すぎると、電解質膜の表面が乾燥してしまい、この場合にも発電力が低下するからである。また、空気の供給量が適切でない場合には、水再利用のバランス、つまり水収支バランスが悪化し、長時間の発電ができなくなってしまう。

このため、空気極に供給される空気の流量を測定して、その供給量を制御することが行われている。ここで、供給空気流量を制御するための具体的な方法は、例えば特許文献１においては、供給される空気の圧力と流量とを検出し、その検出値にしたがって空気供給管に設けられた制御弁の開度を調節している。
また、特許文献２においては、空気の圧力を検出し、それにより空気調整弁の開度を調整している。
また、特許文献３においては、空気の流量を計測し、それによりバルブの開度を調節している。
特開平５−３０４２号公報 特開２００６−２１０００４号公報 特開２００６−１９６２０３号公報

上述したとおり、従来、燃料電池を使用した電源装置においては、燃料電池スタックに供給される空気の流量や圧力を検出し、その検出結果に基づいて制御弁や空気調整弁を制御して、燃料電池スタックに供給される空気流量を制御している。しかしながら、特許文献１および３のように、燃料電池スタックに供給される空気の流量を検出する構成においては、燃料電池スタックとシリーズに接続される流量検出器にごみ詰り等が発生すると、燃料電池スタックに供給される空気が不足し、発電量の低下を招くおそれがある。

また、特許文献１〜３のように、制御弁等を用いて空気の供給量を調節する構成は、制御弁を設けるために製造コストが増大するとともに、その設置スペースを確保する必要があることから装置の小型化の障害となるといった問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックに空気を供給する供給系統に目詰まりを引き起こす要因を可能な限り取り除くことにより、動作不良の発生を抑制するとともに、小型化および低コスト化の容易な、燃料電池を使用した電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電源装置は、
燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池セルを複数個積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給するための非容積式ポンプと、
前記ポンプの吐出圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池スタックの負荷電流を検出する電流検出手段と、
前記ポンプの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記負荷電流の各値に対応して予め設定される前記酸化剤ガスの前記燃料電池スタックへの目標供給流量に関する情報を記憶する目標供給流量情報記憶手段と、
前記ポンプの回転速度と、前記ポンプの吐出圧力と、前記目標供給流量との関係に関する情報を記憶する速度・圧力・流量関係情報記憶手段と、
前記目標供給流量情報記憶手段および前記速度・圧力・流量関係情報記憶手段に記憶された情報、並びに前記圧力検出手段、前記電流検出手段および回転速度検出手段の検出結果に基づいて、前記燃料電池スタックに供給される前記前記酸化剤ガスの供給流量が前記目標供給流量と一致するように、前記ポンプの回転速度を制御する制御手段と、
を備える。

ここで、前記速度・圧力・流量関係情報記憶手段に記憶される情報は、下記式１により示される、前記ポンプの吐出圧力および前記ポンプの回転速度を主たる変数とし、前記目標供給流量を媒介変数とする関数であるのが好ましい。
Ｐ＝ａｒ²＋ｂｒ−ｃ （１）
ただし、Ｐ：前記ポンプの吐出圧力、ｒ：前記ポンプの回転速度、ａ、ｂ、ｃ：前記ポンプの特性により決まる定数。

本発明によれば、電流検出器により検出される負荷電流に応じて目標供給流量が設定されるので、負荷電流が変動してもそれに応じた最適な流量の酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給することができる。また、燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給流量を検出する流量検出器、並びに上記供給流量を調節するための制御弁を設けることなく、圧力検出器のみを使用して燃料電池スタックに常に最適な流量の酸化剤ガスを供給することが可能となる。したがって、燃料電池を使用した電源装置を低コストすることができるとともに、電源装置を小型化することが容易となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る電源装置の概略構成を示すブロック図である。
図１の電源装置１は、燃料電池２０を電力の供給源として使用する電源装置である。ここで、燃料電池２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる図示しない燃料電池セルを複数個積層してなる燃料電池スタック２と、それに燃料および酸化剤ガスである空気を供給するための燃料ポンプ３および空気ポンプ４とを含む。燃料ポンプ３の吸入側は希釈タンク５と接続されており、その希釈タンク５には、メタノールポンプ６およびリターンポンプ７が接続されている。メタノールポンプ６は、メタノールタンク８に貯蔵された純度１００％のメタノールを希釈タンク５に送る。一方、リターンポンプ７は、気液分離膜９により分離された液体を希釈タンク５に送る。そして、これらのポンプのうち、空気ポンプ４は、羽根状の回転子を使用した非容積ポンプから構成され、燃料ポンプ３、リターンポンプ７、およびメタノールポンプ８は、容積ポンプから構成される。

気液分離膜９は、燃料電池スタック２の排出物である、空気、水、未反応燃料（メタノール）、および二酸化炭素等の混合物から液体（メタノールおよび水）を分離する。
ここで、燃料ポンプ３、空気ポンプ４、メタノールポンプ６およびリターンポンプ７は例えば１チップマイコンからなる制御部１０により制御される。制御部１０が、メタノールタンク８からのメタノールの送り量と気液分離膜９からのガスの送り量とを調節することによって、メタノールタンク８からの純度１００％のメタノールが希釈タンク５内で数重量％のメタノールに希釈される。

また、燃料ポンプ３は、制御部１０からの指令に基づいて希釈タンク５において希釈されたメタノールを燃料電池スタック２に送る。同様に、空気ポンプ４は制御部１０からの指令に基づいて空気を燃料電池スタック２に送る。
ここで、燃料電池２０の空気ポンプ４から燃料電池スタック２に空気を供給する空気供給管には空気ポンプ４の吐出圧力を検出する圧力検出器１１が設けられており、その検出値は制御部１０に入力される。また、燃料電池スタック２から外部負荷に電力を供給する接続ラインには燃料電池スタック２の負荷電流を検出する電流検出器１２が設けられており、その検出値は制御部１０に入力される。

さらに、空気ポンプ４を駆動する図示しない空気ポンプ駆動モータには当該モータの回転速度に応じた信号を出力するエンコーダが付属されており、そのエンコーダの出力信号が制御部１０に入力される。制御部１０は、上記エンコーダの出力信号に基づいて空気ポンプ４の回転速度を算出する。すなわち、本実施の形態においては、上記エンコーダが、空気ポンプ４の回転速度を検出する検出器として機能している。

そして、制御部１０は、負荷変動等に起因して燃料電池スタック２の発電量が低下しないように、圧力検出器１１、電流検出器１２および上記エンコーダの各検出値、並びに例えば１チップマイコンのフラッシュメモリからなる記憶部１３に予め記憶された情報に基づき空気ポンプ４の回転速度を調節して、燃料電池スタック２への空気供給量が適正なものとなるように制御を行う。
ここで、記憶部１３は、空気ポンプ４の回転速度と、空気ポンプ４の吐出圧力と、空気ポンプ４による燃料電池スタック２への空気（酸化剤ガス）の目標供給流量との関係に関する情報である、回転速度−吐出圧力−目標供給流量特性に関する情報を記憶している。また、記憶部１３は、燃料電池スタック２の負荷電流−目標供給流量特性に関する情報を記憶している。

より具体的には、制御部１０は、記憶部１３に予め記憶された燃料電池スタック２の負荷電流−目標供給流量特性に関する情報（後の図４参照）を参照して、電流検出器１２により検出された燃料電池スタック２の負荷電流に基づき目標供給流量Ｑを設定する。そして、制御部１０は、記憶部１３に予め記憶された空気ポンプ４の回転速度−吐出圧力−目標供給流量特性に関する情報を参照して、空気ポンプ４の実際の空気供給流量が目標供給流量Ｑと等しくなるように、空気ポンプ４の回転速度を制御する。

図２に、記憶部に予め記憶される空気ポンプ４の回転速度−吐出圧力−目標供給流量特性に関する情報の一例を示す。図２は、燃料電池スタック２の負荷電流に応じて設定される目標供給流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、・・・、Ｑｎをパラメータ（媒介変数）とした、空気ポンプ４の回転速度と吐出圧力の関係を表すグラフ（回転速度−吐出圧力特性曲線）である。図示例では、目標供給流量の間には、Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３＜・・・＜Ｑｎという関係がある。このとき、目標供給流量Ｑが最適な供給流量とできるだけ一致するように、ｎは可能な限り大きな数であることが好ましい。

記憶部１３には、目標供給流量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、・・・、Ｑｎのそれぞれに対応する回転速度−吐出圧力特性曲線を表す数式が予め記憶される。下記式１にｋ番目（ｋ：ｋ＝１、２、・・・、ｎ）の目標供給流量Ｑｋに対応した回転速度−吐出圧力特性曲線を表す数式を示す。
Ｐ(ｋ)＝ａ(ｋ)ｒ²＋ｂ(ｋ)ｒ−ＰＡ(ｋ) （１）
ただし、Ｐ(ｋ)：空気ポンプ４の吐出圧力、ｒ：空気ポンプ４の回転速度、ＰＡ(ｋ)：空気ポンプ４の回転速度が値「０」の場合の仮想的な空気ポンプ４の吐出圧力、ａ(ｋ)、ｂ(ｋ)：空気ポンプ４の特性により決まる定数、である。なお、ＰＡ(ｋ)の値も空気ポンプ４の特性により決定される。

制御部１０は、圧力検出器１１により検出される空気ポンプ４の吐出圧力の検出値（圧力検出値）と、空気ポンプ４の現時点における回転速度（ｒ）に基づいて上記式１により計算される圧力（計算圧力）（Ｐ(ｋ)）とを比較し、圧力検出値と計算圧力（Ｐ(ｋ)）とが等しくなるよう空気ポンプ４の回転速度を増加または減少させる。これにより、空気ポンプ４の空気供給流量が目標供給流量Ｑと等しくなる。

図３に、制御部１０が実行する上述した処理（空気ポンプ回転速度制御処理）のフローチャートを示す。
図３においては、先ず、圧力検出器１１により空気ポンプ４の吐出圧力（圧力検出値）が検出される（ステップＳ１）。次に、圧力検出値が、その時点の空気ポンプ４の回転速度に基づき目標供給流量Ｑｋに応じて上記式１により計算される計算圧力（Ｐ(ｋ)）よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ２）。ここで、圧力検出値が計算圧力（Ｐ(ｋ)）よりも小さければ、ステップＳ３に進み、圧力検出値が計算圧力（Ｐ(ｋ)）以上であれば、ステップＳ４に進む。

ステップＳ３においては、計算圧力（Ｐ(ｋ)）を圧力検出値まで低下させるために、所定量だけ回転速度を減少させるように制御部１０から上記空気ポンプ駆動モータに指令が発せられ、処理は次のステップＳ４に進む。
ステップＳ４においては、圧力検出値が、その時点の空気ポンプ４の回転速度に基づき目標供給流量Ｑｋに応じて上記式１により計算される計算圧力Ｐ(ｋ)よりも大きいか否かが判定される。ここで、圧力検出値が計算圧力Ｐ(ｋ)よりも大きければ、ステップＳ５に進み、圧力検出値が計算圧力Ｐ(ｋ)以下であれば、ステップＳ６に進む。

ステップＳ５においては、計算圧力（Ｐ(ｋ)）を圧力検出値まで上昇させるために、所定量だけ回転速度を増加させるように制御部１０から上記空気ポンプ駆動モータに指令が発せられ、処理は次のステップＳ６に進む。
ステップＳ６においては、圧力検出値が、その時点の空気ポンプ４の回転速度に基づき目標供給流量Ｑｋに応じて計算される計算圧力Ｐ(ｋ)と等しいか否かが判定される。ここで、圧力検出値が計算圧力Ｐ(ｋ)と等しければ、燃料電池スタック２に供給される空気の実際の供給流量が目標供給流量と一致したものとして、ステップＳ７に進み、圧力検出値が計算圧力Ｐ(ｋ)と等しくなければ、ステップＳ１に戻る。
ステップＳ７においては、空気ポンプ４の回転速度を維持するように指令が発せられ、処理はステップＳ１に戻る。

このように、本実施の形態の電源装置においては、空気ポンプ４による燃料電池スタック２への実際の空気供給流量が、目標供給流量と等しくなるよう圧力検出器１１の検出値に基づき空気ポンプ４の回転速度が増減される。したがって、空気ポンプ４による燃料電池スタック２への空気供給流量を検出する流量検出器、並びに空気供給流量を調節するための空気制御弁や空気調整弁等が不要となるので、電源装置の製造コストを低減することができるとともに、装置の小型が容易となる。また、燃料電池スタック２とシリーズに接続する必要のある流量検出器を採用する必要がないことから、流量検出器の目詰まりに起因する電源装置の動作不良の発生を防止することが可能となる。

次に、目標供給流量の設定を説明する。図４は、負荷電流の各値に対応して予め設定される空気の燃料電池スタック２への目標供給流量に関する情報である、負荷電流−目標供給流量特性を示すグラフ図である。目標供給流量Ｑは、最適な空気供給流量が燃料電池スタック２の負荷電流に比例するので、それを目安に設定される。例えば、燃料電池スタック２の定格出力電流値をＩとし、そのときの最適な空気供給流量をＱ３とすると、図４に
示すように、負荷電流が０．５×Ｉ（定格出力電流値Ｉの２分の１）以下であれば、目標
供給流量はＱ３の２分の１であるＱ１に設定される。また、負荷電流が０．５×Ｉよりも
大きく０．７５×Ｉ（定格出力電流値Ｉの４分の３）以下であれば、目標供給流量は、Ｑ
３の４分の３であるＱ２に設定される。このように、目標供給流量を、負荷電流の増加に対応して段階的に増加するように設定するものとすることによって、記憶部１３に記憶させるデータ量を減少させることができる。

しかしながら、目標供給流量を、最適な空気供給流量とできるだけ一致させるという観点からは、設定される目標供給流量の数（ｎ）は出来るだけ多い方が好ましい。
ここで、負荷電流が０．５×Ｉ以下の場合に目標供給流量Ｑ１を一定値としているのは
、負荷電流が比較的小さいときに供給空気量を減少させてしまうと、出力電圧が低下したり、不安定となったりするからである。

より詳しくは、燃料電池スタック２に供給される空気は、カソード側（空気極側）において生成される水を吹き飛ばすようにして除去する吹き飛ばし効果を発揮する。したがって、空気の供給流量が小さすぎると、その吹き飛ばし効果が低下し、空気極において発生した水により空気流路が狭くなってしまい、発電電圧が著しく低下したり、不安定となったりするからである。このため、上記吹き飛ばし効果を維持し得るように、負荷電流が所定値以下のときには目標供給流量を一定とするのが好ましい。ここで、目標供給流量を一定とすべき負荷電流の境界値は、上述した０．５×Ｉに限らず、厳密には実際の装置の電
流−電圧特性を測定して決定されるものである。しかしながら、一般的には、燃料電池スタック２の図示しない膜電極接合体の触媒層、ガス拡散層およびマイクロポーラス層の細孔分布および電解質膜の水透過性を考慮して、上記境界値を設定するのが好ましい。

以下、図５のフローチャートにより、図４に示す情報を使用して制御部１０が目標供給流量を設定する目標流量値設定処理を説明する。
図５に示すように、先ず、電流検出器１２により燃料電池スタック２の負荷電流を検出する（ステップＳ１１）。次に、検出された負荷電流（電流検出値）が０．５×Ｉ以下で
あるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ここで、電流検出値が０．５×Ｉ以下であれ
ば、ステップＳ１３に進み、目標供給流量をＱ１に設定した後、上記ステップＳ１１に戻る。また、電流検出値が０．５×Ｉよりも大きければ、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４においては、電流検出値が０．５×Ｉよりも大きく且つ０．７５×Ｉ以
下の範囲にあるか否かを判定する。ここで、電流検出値が上記範囲にあれば、ステップＳ１５に進み、目標供給流量をＱ２に設定した後、上記ステップＳ１１に戻る。また、電流検出値が上記範囲になければ、ステップＳ１６に進む。
ステップＳ１６においては、電流検出値が０．７５×Ｉよりも大きく且つＩ以下の範囲
にあるか否かを判定する。ここで、電流検出値が上記範囲にあれば、ステップＳ１７に進み、目標供給流量をＱ３に設定した後、上記ステップＳ１１に戻る。また、ここで電流検出値が上記範囲にない場合にも、ステップＳ１１に戻る。

本発明の電源装置は、製造コストとスペースファクターや流量検出器流路内のごみ詰りを解消できる面で優れており、ノートパソコン、小型充電器などの小型機器に用いる燃料電池システムとして有用である。

本発明の一実施の形態にかかる電源装置の概略構成を示すブロック図である。 同電源装置の記憶部に記憶される回転速度−吐出圧力−空気流量特性に関する情報を示すグラフ図である。 同電源装置の制御部が実行する空気ポンプ回転速度制御処理の流れを示すフローチャートである。 同電源装置の記憶部に記憶される負荷電流と目標供給流量との関係を示すグラフ図である。 同電源装置の制御部が実行する目標流量値設定処理の流れを示すフローチャートである。 従来の電源装置の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 電源装置
２ 燃料電池スタック
４ 空気ポンプ
１０ 制御部
１１ 圧力検出器
１２ 電流検出器
１３ 記憶部
２０ 燃料電池

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとから電力を発生させる燃料電池セルを複数個積層してなる燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給するための非容積式ポンプと、
   前記ポンプの吐出圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記燃料電池スタックの負荷電流を検出する電流検出手段と、
   前記ポンプの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記負荷電流の各値に対応して予め設定される前記酸化剤ガスの前記燃料電池スタックへの目標供給流量に関する情報を記憶する目標供給流量情報記憶手段と、
   前記ポンプの回転速度と、前記ポンプの吐出圧力と、前記目標供給流量との関係に関する情報を記憶する速度・圧力・流量関係情報記憶手段と、
   前記目標供給流量情報記憶手段および前記速度・圧力・流量関係情報記憶手段に記憶された情報、並びに前記圧力検出手段、前記電流検出手段および回転速度検出手段の検出結果に基づいて、前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスの供給流量が前記目標供給流量と一致するように、前記ポンプの回転速度を制御する制御手段と、
   を備える電源装置。
2. 前記速度・圧力・流量関係情報記憶手段に記憶される情報が、下記式１により示される、前記ポンプの吐出圧力および前記ポンプの回転速度を主たる変数とし、前記目標供給流量を媒介変数とする関数である請求項１記載の電源装置。
   Ｐ＝ａｒ²＋ｂｒ−ｃ （１）
   ただし、Ｐ：前記ポンプの吐出圧力、ｒ：前記ポンプの回転速度、ａ、ｂ、ｃ：前記ポンプの特性により決まる定数
3. 前記目標供給流量情報記憶手段に記憶される情報が、前記負荷電流の増加に応じて前記目標供給流量が段階的に増加する関数である請求項１または２記載の電源装置。

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