JP5441310B2 - 電源システム - Google Patents
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Description
このとき生じた水素イオンは、アノードとカソードの間に挟持されたプロトン伝導性高分子電解質膜を通ってカソード側へ移動し、カソード側の触媒層で酸素と下記(2)式のように反応して水を生成する。
カソード:6H++(3/2)O2+6e- → 3H2O・・・・・(2)
DMFC全体で起こる反応は、(1)式と(2)式を合わせた、下記の反応式(3)で示される。
DMFC全体:CH3OH+(3/2)O2 → CO2+2H2O・・・・・(3)
前記電気エネルギー貯蔵手段の端子電圧を測定する測定手段と、この端子電圧に基づ いて前記直流電圧変換器の目標出力電圧を設定する制御手段を有し、
前記目標出力電圧は前記端子電圧より高く設定されるが、
前記燃料電池は所定の発電条件内で運転され、
前記直流電圧変換器を介して出力される前記燃料電池の発電電力が、前記負荷の消費 電力よりも大きい場合には、前記直流電圧変換器から前記電気エネルギー貯蔵手段への 充電が自動的に行われ、前記直流電圧変換器の出力電圧は前記電気エネルギー貯蔵手段 の充電電圧に保持され、
前記直流電圧変換器を介して出力される前記燃料電池の発電電力が、前記負荷の消費 電力よりも小さい場合には、前記直流電圧変換器から前記負荷への放電が自動的に行わ れ、前記直流電圧変換器の出力電圧は前記電気エネルギー貯蔵手段の放電電圧に保持さ れる、
ことを特徴とする、電源システムに係るものである。
前記電気エネルギー貯蔵手段への充電のみが行われる充電モードと、
前記電気エネルギー貯蔵手段への充電と前記負荷への電力供給とが行われる充電駆動 モードと、
前記負荷への電力供給のみが行われる駆動モードと
が実行され、更に、
前記直流電圧変換器を介して出力される前記燃料電池の発電電力と、前記電気エネルギー貯蔵手段の放電出力とによって、
前記負荷への電力供給が行われる放電モードと
が実行されるのがよい。前記充電モードは、前記負荷である電子機器などを使用していない空き時間帯などの間に前記電気エネルギー貯蔵手段を充電しておくためのモードである。この充電専用のモードを有することによって、より出力の小さい燃料電池を前記燃料電池として用いて、本発明の電源システムを構成できる。
(DC/DCコンバータ2の出力電流)
=(負荷4を駆動する駆動電流)+(リチウムイオン二次電池3を充電する充電電流)
の関係がある。
(負荷4を駆動する駆動電流)
=(DC/DCコンバータ2の出力電流)+(リチウムイオン二次電池3からの放電電流)
の関係がある。放電モードでは、燃料電池1の発電電力の不足分はリチウムイオン二次電池3の放電によって補われるので、出力密度の大きい電源システムを実現することができる。
(DC/DCコンバータ2の出力電流)=(負荷4を駆動する駆動電流)
の関係がある。
アノード:CH3OH+H2O → CO2+6H++6e-・・・・・(1)
このとき生じた水素イオンは、アノード32とカソード33を隔てるプロトン伝導性高分子電解質膜31を通ってカソード側へ移動し、酸素電極(カソード)13側の還元触媒層で酸素と下記(2)式のように反応して水を生成する。
カソード:6H++(3/2)O2+6e- → 3H2O・・・・・(2)
燃料電池1全体で起こる反応は、(1)式と(2)式を合わせた、下記の反応式(3)で表される。
DMFC全体:CH3OH+(3/2)O2 → CO2+2H2O・・・・・(3)
燃料電池1を構成する単電池として、図3に示したDMFCを作製した。
上記の燃料電池6個を直列に接続して燃料電池スタック1を形成した。燃料電池スタック1の最適発電電圧は1.8V程度である。リチウムイオン二次電池3には、250mAh級のものを用いた。リチウムイオン二次電池3の放電電圧は3.0〜4.2V程度である。実験には、予め4.2Vまで満充電した状態から50mAで定電流放電し、放電電圧が3.5Vに達した時点で放電を終了した状態の電池を用いた。燃料電池1の出力端子をDC/DCコンバータ2の入力端子に接続し、DC/DCコンバータ2の出力端子には、リチウムイオン二次電池3と電子負荷装置4とを並列に接続して、電源システム10の主要部を形成した。
実施例1
DC/DCコンバータ2の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2の入力電圧、即ち燃料電池1の発電電圧が1.80±0.15Vを維持できるようにマイクロコンピュータ5で制御しながら、電源システム10を動作させた。
DC/DCコンバータ2の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2への入力電流、即ち燃料電池1の発電電流が195±15mAを維持できるようにマイクロコンピュータ5で制御しながら、電源システム10を動作させた。この結果、80質量%の濃度のメタノール水溶液1mLを用いて、443mWhの電気エネルギーを発生し、これを電子負荷4に供給することができた。
DC/DCコンバータ2の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2への入力電力、即ち燃料電池1の発電電力が350±35mWを維持できるようにマイクロコンピュータ5で制御しながら、電源システム10を動作させた。この結果、80質量%の濃度のメタノール水溶液1mLを用いて、487mWhの電気エネルギーを発生し、これを電子負荷4に供給することができた。
DC/DCコンバータ2の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2の出力電流が90±5mAを維持できるようにマイクロコンピュータ5で制御しながら、電源システム10を動作させた。この結果、80質量%の濃度のメタノール水溶液1mLを用いて、452mWhの電気エネルギーを発生し、これを電子負荷4に供給することができた。
DC/DCコンバータ2の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2の出力電力が330±10mWを維持できるようにマイクロコンピュータ5で制御しながら、電源システム10を動作させた。この結果、80質量%の濃度のメタノール水溶液1mLを用いて、496mWhの電気エネルギーを発生し、これを電子負荷4に供給することができた。
実施例1〜5で用いた燃料電池1を直接電子負荷装置4に接続し、実施例1と同様の電子負荷4による試験を行うことを試みたが、高消費電力時に必要な1Wの出力を燃料電池1から取り出すことができなかったため、試験を継続できなかった。
DC/DCコンバータ2の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2の入力電圧、即ち燃料電池1の発電電圧が1.20±0.15Vを維持できるようにマイクロコンピュータ5で制御しながら、電源システム10を動作させた。この結果、80質量%の濃度のメタノール水溶液1mLを用いて、184mWhの電気エネルギーしか電子負荷4に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池1で行われていなかったことと、DC/DCコンバータ2の入力電圧が低く、DC/DCコンバータ2でのエネルギー損失が大きくなったことであると考えられる。
DC/DCコンバータ2の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2の入力電圧、即ち燃料電池1の発電電圧が2.20±0.15Vを維持できるようにマイクロコンピュータ5で制御しながら、電源システム10を動作させた。この結果、80質量%の濃度のメタノール水溶液1mLを用いて、207mWhの電気エネルギーしか電子負荷4に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池1で行われていなかったことであると考えられる。
DC/DCコンバータ2の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2への入力電流、即ち燃料電池1の発電電流が90±20mAを維持できるようにマイクロコンピュータ5で制御しながら、電源システム10を動作させた。この結果、80質量%の濃度のメタノール水溶液1mLを用いて、260mWhの電気エネルギーしか電子負荷4に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池1で行われていなかったことであると考えられる。
DC/DCコンバータ2の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2への入力電流、即ち燃料電池1の発電電流が250±20mAを維持できるようにマイクロコンピュータ5で制御しながら、電源システム10を動作させた。この結果、80質量%の濃度のメタノール水溶液1mLを用いて、216mWhの電気エネルギーしか電子負荷4に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池1で行われていなかったことと、DC/DCコンバータ2の入力電圧が低くなってしまい、DC/DCコンバータ2でのエネルギー損失が大きくなったことであると考えられる。
DC/DCコンバータ2の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2への入力電力、即ち燃料電池1の発電電力が220±20mWを維持できるようにマイクロコンピュータ5で制御しながら、電源システム10を動作させた。この結果、80質量%の濃度のメタノール水溶液1mLを用いて、222mWhの電気エネルギーしか電子負荷4に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池1で行われていなかったことであると考えられる。
DC/DCコンバータ2の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2への入力電力、即ち燃料電池1の出力電力が400±15mWを維持できるようにマイクロコンピュータ5で制御しながら、電源システム10を動作させた。この結果、80質量%の濃度のメタノール水溶液1mLを用いて、193mWhの電気エネルギーしか電子負荷4に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池1で行われていなかったことであると考えられる。
DC/DCコンバータ2の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2の出力電流が40±10mAを維持できるようにマイクロコンピュータ5で制御しながら、電源システム10を動作させた。この結果、80質量%の濃度のメタノール水溶液1mLを用いて、236mWhの電気エネルギーしか電子負荷4に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池1で行われていなかったことであると考えられる。
DC/DCコンバータ2の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2の出力電流が120±10mAを維持できるようにマイクロコンピュータ5で制御しながら、電源システム10を動作させた。この結果、80質量%の濃度のメタノール水溶液1mLを用いて、163mWhの電気エネルギーしか電子負荷4に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池1で行われていなかったことと、DC/DCコンバータ2の入力電圧が低くなってしまい、DC/DCコンバータ2でのエネルギー損失が大きくなったことであると考えられる。
DC/DCコンバータ2の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2の出力電力が200±10mWを維持できるようにマイクロコンピュータ5で制御しながら、電源システム10を動作させた。この結果、80質量%の濃度のメタノール水溶液1mLを用いて、216mWhの電気エネルギーしか電子負荷4に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池1で行われていなかったことであると考えられる。
実施例1の燃料電池1とリチウムイオン二次電池3からなる電気エネルギー供給システムで、DC/DCコンバータ2の出力端子の電圧の設定値とリチウムイオン二次電池3の端子電圧との差を変化させ、DC/DCコンバータ2の出力電力が370±10mWを維持できるように制御しながら動作させ、実施例1と同様の電子負荷装置4による試験を行ったところ、80重量%の濃度のメタノール水溶液1mLで182mWhしか電子負荷4に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池1で行われていなかったことと、DC/DCコンバータ2の入力電圧が低くなってしまい、DC/DCコンバータ2でのエネルギー損失が大きくなったことであると考えられる。
5…制御コンピュータ、6…電圧測定装置、7…スイッチ、10…電源システム、
11、13、14…電流測定手段、12…電圧測定装置、
31…プロトン伝導性高分子膜、32…燃料電極(アノード)、
32a…導電性多孔質支持体、32b…酸化触媒層、33…酸素電極(カソ−ド)、
33a…導電性多孔質支持体、33b…還元触媒層、34…膜−電極接合体(MEA)、
35…燃料供給部、36…酸素供給部、37…セル上半部、38…セル下半部、
39…燃料供給管、40…酸素(空気)供給管、41…端子
Claims (11)
- 燃料電池が直流電圧変換器の入力端子に接続され、この直流電圧変換器の出力端子に負荷と電気エネルギー貯蔵手段とが並列に接続され、この並列回路において前記負荷と前記直流電圧変換器及び前記電気エネルギー貯蔵手段との間に前記並列回路に対して前記負荷をオン・オフするためのスイッチが設けられており、
前記電気エネルギー貯蔵手段の端子電圧を測定する測定手段と、この端子電圧に基づ いて前記直流電圧変換器の目標出力電圧を設定する制御手段とを有し、
前記目標出力電圧は前記端子電圧より高く設定されるが、
前記燃料電池は所定の発電条件内で運転され、
前記スイッチのオフ状態で、前記燃料電池の発電電力によって前記直流電圧変換器か ら前記電気エネルギー貯蔵手段への充電が行われ、
前記直流電圧変換器を介して出力される前記燃料電池の発電電力が前記負荷の消費電 力よりも大きい場合には、前記スイッチのオン状態で、前記負荷へ供給される前記燃料 電池の発電電力の過剰分が前記直流電圧変換器から前記電気エネルギー貯蔵手段への充 電に自動的に用いられ、これによって前記直流電圧変換器の出力電圧が前記電気エネル ギー貯蔵手段の充電電圧に保持され、
前記直流電圧変換器を介して出力される前記燃料電池の発電電力が前記負荷の消費電 力よりも小さい場合には、前記スイッチのオン状態で、前記負荷へ供給される前記燃料 電池の発電電力の不足分が前記電気エネルギー貯蔵手段からの前記負荷への放電によっ て自動的に補償され、これによって前記直流電圧変換器の出力電圧が前記電気エネルギ ー貯蔵手段の放電電圧に保持され、
前記燃料電池の発電電力が前記負荷の消費電力と等しい場合には、前記スイッチのオ ン状態で、前記電気エネルギー貯蔵手段の充放電は行わずに、前記直流電圧変換器を介 して出力される前記燃料電池の発電電力が前記負荷の消費電力として用いられ、これに よって前記直流電圧変換器の出力電圧が前記電気エネルギー貯蔵手段の充電電圧と放電 電圧との中間レベルに保持される、
電源システム。 - 前記直流電圧変換器の前記目標出力電圧が、前記電気エネルギー貯蔵手段の前記端子電圧よりわずかに高く設定される、請求項1に記載した電源システム。
- 前記目標出力電圧が調整され、前記目標出力電圧と前記端子電圧との差によって、前記燃料電池による発電が制御される、請求項2に記載した電源システム。
- 前記目標出力電圧と前記端子電圧との前記差を変更することによって、前記燃料電池の発電電圧が所定の範囲内にあるように制御される、請求項3に記載した電源システム。
- 前記目標出力電圧と前記端子電圧との前記差を変更することによって、前記燃料電池の発電電流が所定の範囲内にあるように制御される、請求項3に記載した電源システム。
- 前記目標出力電圧と前記端子電圧との前記差を変更することによって、前記燃料電池の発電電力が所定の範囲内にあるように制御される、請求項3に記載した電源システム。
- 前記目標出力電圧と前記端子電圧との前記差を変更することによって、前記直流電圧変換器の出力電流が所定の範囲内にあるように制御される、請求項3に記載した電源システム。
- 前記目標出力電圧と前記端子電圧との前記差を変更することによって、前記直流電圧変換器の出力電力が所定の範囲内にあるように制御される、請求項3に記載した電源システム。
- 前記制御手段がマイクロコンピュータからなる、請求項1に記載した電源システム。
- 前記燃料電池がダイレクトメタノール燃料電池である、請求項1に記載した電源システム。
- 前記電気エネルギー貯蔵手段がリチウムイオン二次電池である、請求項1に記載した電源システム。
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