JP2010015864A

JP2010015864A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP2010015864A
Application number: JP2008175548A
Authority: JP
Inventors: Masaki Sato; 正樹佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-07-04
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2010-01-21
Also published as: US20100003550A1

Abstract

【課題】燃料電池セルの乾きに対応した燃料供給制御を行うことにより、燃料電池セルの乾きを防止し、停止時間が長く経過したあとでも燃料電池の立ち上がりを早くすることができる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池セルの発電停止中（燃料電池セルの吸排気口を閉じ、かつ供給燃料を零）の状態において、燃料電池セルのセル電圧Ｖをチェックしながら、セル電圧Ｖが閾値電圧ＶＴ近辺を維持するように、吸排気口を閉じたまま、ごく少量の燃料を供給し続けることにより、セルの乾きを防止する。（Ａ）では、燃料少量Ｆ１の供給オンオフの繰り返し、（Ｂ）では、燃料少量Ｆ２の連続供給、（Ｃ）では、セル電圧Ｖに関わらず当初から燃料少量Ｆ３の連続供給を行う。この閾値電圧ＶＴは、実験等で予め、発電停止中の変化するセル電圧Ｖをパラメータとして、発電開始時の燃料電池セルの発電出力の立上がり時間との関係で決められた値である。
【選択図】図４

Description

本発明は、携帯電話機等で使用される燃料電池の燃料制御に関するものである。

一般的に、燃料電池は、燃料電池セルと、水素やエタノールなどの燃料タンクと、燃料タンクから燃料電池セルへの燃料供給を調節するポンプと、燃料電池セルへの酸素(空気)吸気とセルからの水分排気とを兼ねる吸排気口及びこの開閉用の吸排気弁などを備える。そして、発電時には、燃料タンクから燃料電池セルへの燃料供給を行い、吸排気口を開けることで、水素と酸素を結合させて、電気と水を発生する。発電停止時には、燃料供給を停止し、吸排気口を閉じることで、水素と酸素の供給を停止している。

このような燃料電池を搭載した携帯電話機がある（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１の燃料電池自体には、吸排気口や吸排気弁の記載はない。この携帯電話機は折り畳み式の筐体であり、筐体の開閉状態により、携帯電話機が必要とする電力が異なることや使用者の携行状態が異なることに着目して、筐体が開かれた状態では燃料電池の発電を行って充電池に充電し、したがって発電に伴う水分が発生し、筐体が閉じられた状態では発電を停止し、したがって水分は発生しない。水分は、折り畳み式筐体の一方の表示筐体に設けられた排気穴から排気している。また、燃料電池への燃料の供給については、ガバナーで供給量を調節して発電量を制御している。また、充電池の充電量が特に少なくなっていれば燃料電池を常時運転させるモードの記載もある。
特開２００７−８８８０４号公報（段落番号２７、４３〜４８）

燃料電池では、発電を停止したあとも燃料電池セルには供給された燃料が残っており、吸排気口を閉じても空気の漏れなどにより発電は微小ながら徐々に進行し、時間が経つと燃料電池セル内に残された燃料も空になって燃料電池セルは乾いた状態になる。この乾いた状態から燃料電池を発電させる場合、燃料電池セルに燃料を供給してもセル全体に燃料が行き渡らないと、本来の発電能力が発揮されない。この時間には数分から数１０分程度かかり、燃料電池から十分な電力をすぐには得られないという問題があった。
特許文献１には、このような燃料電池セルの乾いた状態に関する問題点や対応の記載はなく、燃料電池セルが乾いてない良好な状態での制御と考えられる。

本発明は、燃料電池セルの乾きに対応した燃料供給制御を行うことにより、燃料電池セルの乾きを防止し、停止時間が長く経過したあとでも燃料電池の立ち上がりを早くすることができる燃料電池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、本発明の燃料電池装置は、燃料電池セルと、燃料電池セルに供給する燃料を蓄える燃料タンクと、燃料電池セルへの供給燃料の供給量を調節するポンプと、燃料電池セルの酸素吸気および水分排気用の吸排気口と、吸排気口の開閉を行う開閉弁と、前記吸排気口を閉じた状態で、前記燃料電池セルの出力電圧が所定の閾値電圧を維持するように前記燃料の供給量を可変制御する制御手段とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池セルの乾きに対応した燃料供給制御を行うことができ、燃料電池セルの乾きを防止し、停止時間が長く経過したあとでも燃料電池の立ち上がりを早くすることができる。

図１は、本発明の実施例に係る燃料電池装置１００のブロック図である。燃料電池装置１００は、燃料注入口１、燃料タンク２、ポンプ３（Variable Delivery Pump）、開閉弁４（Valve）、吸排気口５、燃料電池セル６、ＤＣ／ＤＣコンバータ７、二次電池８、燃料電池出力端９、制御部１０などから構成される。

燃料注入口１は、エタノールなどの水素成分を含む燃料を外部から燃料タンク２へ補充するための注入口である。燃料タンク２は、燃料を格納する。ポンプ３は、燃料電池セル６への燃料供給量を可変調節する。開閉弁４は、吸排気口５の開閉を行う。吸排気口５は、燃料電池セル６への酸素（空気）吸気および燃料電池セル６が発生する水分の排気用である。

燃料電池セル６は、発電時には、燃料と酸素の供給を受けることで発電し、電気と水を発生し、電気はセル出力６ａとして出力し、水は吸排気口５から排気する。セル出力６ａのセル電圧Ｖは、燃料供給量や負荷電流変動により電圧値が変動する。また、燃料電池セル６は、発電停止時には、燃料と酸素の供給が絶たれることで、発電が停止する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、昇圧型のコンバータであり、セル出力６ａを所定の定電圧に昇圧し、燃料電池出力端９に定電圧を出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、二次電池８に対して充電制御を行って充電する。

二次電池８は、補助用であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ７と並列に接続される。燃料電池セル６が停止して、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力が得られない場合でも、二次電池８から、携帯電話機等の外部負荷（図示しない）や制御部１０のＶＤＤ端子へ電源を供給する。なお、二次電池８は、燃料電池装置１００に内蔵しなくてもよく、その場合は、制御部１０のＶＤＤ端子への電源供給は、外部の接続機器などから供給を受けるようにしてもよい。

二次電池８として充電容量の小さな電池が使われる場合など、すぐに放電してなくなってしまい、燃料電池装置１００を使用するシステムにとって好ましくないので、燃料電池セル６の発電の立上がりを早くする必要がある。

制御部１０は、ポンプ３や開閉弁４を制御して、燃料電池セル６の発電を制御する。本発明に関する制御部１０の詳細制御については、後の図３、図４で説明する。

図２は、本発明の実施例に係る燃料電池セル６内部の乾きと立上がり時間の関係に関する実験を説明する図である。（Ａ）は発電停止期間が短い場合、（Ｂ）は発電停止期間が長い場合、（Ｃ）は制御部１０の本発明の制御の基となる閾値電圧ＶＴ（Volt Threshold）を表す。

（Ａ）は発電停止期間が短い場合である。タイミングＴ０以前の発電中の状態では、吸排気口が開けられ、燃料も供給され、燃料電池セル６に燃料が行き渡っている。
タイミングＴ０において、吸排気口を閉じ、かつ燃料供給量を零にして発電を停止する。発電停止中は、燃料電池セル６内には、行き渡った燃料がまだ残っており、また、燃料電池セル６内に残っている僅かな酸素（空気）や漏れ混む酸素（空気）により、燃料電池セル６の発電は、完全には停止せず徐々に進み、セル内の燃料残量も徐々に低下する。また、セル電圧Ｖも徐々に低下する。

セル電圧ＶがＶ１に低下したとき（タイミングＴ１）、発電を再開すると、この時点では、発電停止期間が短く、したがって、セルに燃料がまだ行き渡っており、燃料電池セル６の発電能力がすぐに発揮され、セル電圧Ｖは短い立上がり時間ＴＲ１（Time Rise）で略元の電圧値まで復帰する。

（Ｂ）は、発電停止期間が長い場合である。発電停止期間が長いとセルの乾きが発生し始め、乾きに伴ってセル電圧Ｖも急激に低下していく。今、セル電圧ＶがＶ３に低下した時点（タイミングＴ３）では、発電停止期間が長く、したがって、セルの乾きがすでに発生している。このセル電圧ＶがＶ３に低下した時点（タイミングＴ３）で、発電を再開すると、燃料を供給したにも関わらず、セルに燃料が行き渡るのに数分から数１０分程度の時間がかかり、その間、発電能力が発揮されず、セル電圧Ｖは長い立上がり時間ＴＲ３かかってやっと略元の電圧値まで復帰する。これだと、燃料電池装置１００を使用するシステムとして許されない。

（Ｃ）は、制御部１０の本発明の制御の基となる閾値電圧ＶＴ（Volt Threshold）を実験で求めた結果である。（Ａ）（Ｂ）で説明したように、セル電圧Ｖをパラメータとして、立上がり時間との関係を実験で求める。そして、立上がり時間として、この燃料電池装置１００を使用するシステムとして許される短い立上がり時間が得られる最も低いセル電圧Ｖを閾値電圧ＶＴとして決定する。

すなわち、閾値電圧ＶＴは、Ｖ１とＶ２の間にあり、セル電圧Ｖが閾値電圧ＶＴまで低下した時点（タイミングＴ２）で発電を再開すると、セル電圧Ｖは短い立上がり時間ＴＲ２で略元の電圧値まで復帰する。したがって、閾値電圧ＶＴまで低下したタイミングにおいては、まだ、セル内の燃料が立上がりに影響するほど乾いてないことを意味する。

この実験は、セル内の燃料残量や乾きを直接観測するものではなく、セル内の乾きに起因して、発電停止中のセル電圧Ｖと、発電開始時のセル電圧Ｖの立上がり時間との関係が変化することに着目したものである。

なお、発電開始時のセルの発電能力として、セル電圧Ｖの立上がり時間をチェックしたが、セルの出力電力（電圧×電流）をチェックしてもよい。すなわち、セル内の乾きに起因して、発電停止中のセル電圧Ｖと、発電開始時のセルの出力電力の立上がり時間との関係により、閾値電圧ＶＴを決定してもよい。

このように、予め実験等で決定した閾値電圧ＶＴを基準にして、制御部１０は制御を行う。その詳細を次に図３、図４により説明する。
図３は、本発明の実施例に係る燃料電池装置１００の制御部１０のフローチャート（例１）である。フローチャートは例１のみについて図示説明する。
図４は、本発明の実施例に係る燃料電池装置１００の制御部１０の制御を説明するタイムチャートであり、（Ａ）例１、（Ｂ）例２、（Ｃ）例３の３通りの処理例を示す。
本発明の（Ａ）例１、（Ｂ）例２、（Ｃ）例３での制御部１０の制御は、発電停止中の処理であり、停止中にセル内の燃料が立上がりに影響するほどの乾きが発生しないように、ごく少量の燃料を供給するように制御する。そのとき、発電が進まないように吸排気口を閉じて行うことが特徴である。

（Ａ）例１では、制御部１０は、発電停止中の処理に入ると（ステップＳ１）、発電停止処理、すなわち、開閉弁４を閉じて吸排気口５を閉じる（ステップＳ２）およびポンプ３を停止して燃料供給量を零にする（ステップＳ３）（タイミングＴ０）。

そして、セル電圧Ｖと予め決められた閾値電圧ＶＴとを比較し（ステップＳ４）、セル電圧Ｖが閾値電圧ＶＴ以下になると（タイミングＴ２）、ポンプ３を制御して極少量の燃料少量Ｆ１を燃料電池セル６に供給する（ステップＳ５）。すると、吸排気口５は閉じられているが、酸素（空）の漏れなどによる微小な発電によりセル電圧Ｖがゆるやかに上昇する。

制御部１０は、次に、セル電圧Ｖと「閾値電圧ＶＴ＋ヒステリシス分」とを比較し（ステップＳ６）、セル電圧Ｖが「閾値電圧ＶＴ＋ヒステリシス分」以上になると、ポンプ３を停止して供給燃料を零にする（ステップＳ７）。

以上のステップＳ４〜Ｓ７をループして繰り返すことにより、燃料少量Ｆ１の供給オンオフが繰り返され、セル電圧Ｖが閾値電圧ＶＴ近辺に維持される。また、このループ中に、微小な発電は発生するので、その水分を排気するために、定期的に、開閉弁４を開けて吸排気口５を一定時間開けて、また閉じる処理（ステップＳ８）（タイミングＴ４）を行う。

その後、発電処理が発生すると（フローチャートには図示しない）、発電を再開し（タイミングＴ５）、図２で説明したように、十分早い立上がり時間ＴＲ２を得ることができる。

なお、セル電圧Ｖが閾値電圧ＶＴ近辺になるようにヒステリシスで燃料少量Ｆ１の供給オンオフを繰り返したが、インバータ制御のようにきめ細かく燃料の供給量を制御してもよい。

この例１によれば、発電停止中において、発電が進まないように吸排気口を閉じたまま、セル電圧Ｖが閾値電圧ＶＴ近辺に維持されるようにごく少量の燃料を供給する。これにより、発電を再開したときに、十分早い立上がり時間ＴＲ２を得ることができる。

次に、図４の（Ｂ）例２について説明する。フローチャートは省略する。先の例１では、制御部１０は、セル電圧Ｖが閾値電圧ＶＴ以下になると（タイミングＴ２）、ヒステリシスで燃料少量Ｆ１の供給オンオフを繰り返した。この例２では、制御部１０は、セル電圧Ｖが閾値電圧ＶＴ以下を一旦検出すると（タイミングＴ２）、燃料少量Ｆ２を供給し続ける。

この燃料少量Ｆ２は、予め実験などで、セル電圧Ｖが閾値電圧ＶＴ近辺を維持できるようにポンプ３の調節量を決めた時の供給量である。

この例２でも、発電停止中において、発電が進まないように吸排気口を閉じたまま、セル電圧Ｖが閾値電圧ＶＴ近辺に維持されるようにごく少量の燃料を供給する。これにより、発電を再開したときに、十分早い立上がり時間ＴＲ２を得ることができる。

次に、図４の（Ｃ）例３について説明する。フローチャートは省略する。この例３では、制御部１０としては、閾値電圧ＶＴのチェックは行わない。制御部１０は、発電停止のタイミングＴ０において、燃料を零にするのではなく、燃料少量Ｆ３を供給し続ける。

この燃料少量Ｆ３は、予め実験などで、セル電圧Ｖが閾値電圧ＶＴ近辺を維持できるようにポンプ３の調節量を決めた時の供給量である。

本発明の実施例に係る燃料電池装置１００のブロック図。本発明の実施例に係る燃料電池セル６内部の乾きと立上がり時間の関係に関する実験を説明する図。本発明の実施例に係る燃料電池装置１００の制御部１０のフローチャート（例１）。本発明の実施例に係る燃料電池装置１００の制御部１０の制御を説明するタイムチャート（例１、例２、例３）。

符号の説明

１燃料注入口
２燃料タンク
３ポンプ（Variable Delivery Pump）
４開閉弁（Valve）
５吸排気口
６燃料電池セル
７ＤＣ／ＤＣコンバータ
８二次電池
９燃料電池出力端
１０制御部
１００燃料電池装置

Claims

燃料電池セルと、
燃料電池セルに供給する燃料を蓄える燃料タンクと、
燃料電池セルへの供給燃料の供給量を調節するポンプと、
燃料電池セルの酸素吸気および水分排気用の吸排気口と、
吸排気口の開閉を行う開閉弁と、
前記吸排気口を閉じた状態で、前記燃料電池セルの出力電圧が所定の閾値電圧を維持するように前記燃料の供給量を可変制御する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池装置。
燃料電池セルと、
燃料電池セルへの供給燃料の供給量を調節するポンプと、
燃料電池セルの酸素吸気および水分排気用の吸排気口の開閉を行う開閉弁と、
前記吸排気口を閉じた状態で、前記燃料電池セルの出力電圧が所定の閾値電圧を維持するように予め決められた所定量の燃料を供給制御する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池装置。
前記閾値電圧は、
前記燃料電池セルの発電停止中の変化する個々の出力電圧値と発電開始時の燃料電池セルの発電出力の立上がり時間との関係が予め求められ、所定の立上がり時間が得られる前記出力電圧値を予め閾値電圧として決定したものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
前記制御手段は、
前記制御を行いながら、更に、一時的に前記吸排気口を開ける処理を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。