KR20040090390A - 연료 전지 장치 및 연료 전지의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 산소 전극과, 연료 전극과, 상기 산소 전극과 상기 연료 전극에 협지되는 고체 고분자형 전해질막으로 이루어지는 발전체를 가지는, 연료 전지 및 이와 같은 연료 전지의 제어 방법에 관한 것이다.
상기 연료 전지에 있어서는, 운전 중에 부하 전류를 저하시켰을 경우나 공기의 공급량을 증대시켰을 경우나 장시간 방치했을 경우에, 상기 전해질막이 건조하여, 이온 교환 특성이 저하하기 때문에, 상기 연료 전지의 출력 그 자체가 크게 저하해 버린다는 문제가 있었다.
본 발명에서는, 상기 연료 전지에 가해지는 부하를 그 연료 전지의 출력 상태에 따라 가변시키는 부하 제어부나 공기 공급 제어부를 상기 연료 전지에 설치하여, 출력 특성이 저하 또는 내부 저항값이 증가했을 때에, 부하 전류를 증가시키도록, 혹은, 공기 공급을 억제하도록 제어함으로써, 상기 문제의 해결을 도모하였다.

Description

연료 전지 장치 및 연료 전지의 제어 방법{FUEL BATTERY DEVICE AND METHOD FOR CONTROLLING FUEL BATTERY}
연료 전지는 수소 가스나 메탄올 등의 연료 유체를 공급함으로써 발전체(發電體)에 전력을 발생시키는 장치이며, 고체 고분자형인 경우, 일반적으로는 프로톤 전도체막을 산소측 전극과 연료측 전극으로 협지한 구조를 가지고 있다. 산소측 전극에는, 산소를 공급하기 위해 공기가 공급되고, 다른 쪽인 연료측 전극에는, 연료 유체(流體)가 공급된다. 연료 전지가 발전하는 경우에는, 이온 교환막인 전해질막 중을 프로톤이 이동하고, 산소측 전극의 산소와 반응하여 전류가 발생됨과 동시에 산소측 전극에서는 물이 생성된다. 연료 전지의 발전체 부분은 전해질막ㆍ전극 복합체 또는 MEA(Membrane and Electrode Assembly)라 불리워지고 있으며, 이 전해질막ㆍ전극 복합체를 단체(單體)로 혹은 평면적으로 나열함으로써 평면 구조의 연료 전지가 구성되고, 혹은 적층시킴으로써 적층 구조{스택(stack) 구조}의 연료 전지가 구성된다.
이와 같은 연료 전지는, 최근에는 수송용 차량 등의 분야에서 전기 자동차나 하이브리드(hybrid)식 차량으로서의 응용이 크게 기대되고 있는 외에, 주택용 전원 시스템 등에 대해서도 실용화가 기대되고 있으며, 나아가서는 연료 전지의 경량성이나 소형성을 살린 휴대 기기나 소형 전원 등에 대해서도 연구나 개발이 진행되고 있다.
연료 전지의 하나의 형식으로서, 전해질막 등에 대한 습도를 유지하기 위한 가습(加濕) 장치를 가지지 않는 타입의 연료 전지{이하, “자기(自己) 가습형 연료 전지”라 부른다.}가 있다. 이와 같은 자기 가습형 연료 전지는, 산소측 전극에서 생성되는 수분이 전해질막을 습윤시켜, 이온 교환을 촉진하도록 구성되어 있다. 연료 전지에서, 그 수분의 증발 제어는 연료 전지의 발전 성능 그 자체를 제어하게 되고, 출력 전압은 발열에 직접 영향을 주며, 출력 전류는 생성수(生成水)에 직접 영향을 준다. 따라서, 자기 가습형 연료 전지는, 출력 전류에 직접 영향을 받는 생성수를 균형있게 전해질막을 습윤시키도록 이용하면서, 과잉의 생성수가 발생하여 산소의 공급로가 닫히지 않도록 운전할 필요가 있다.
그런데, 특히, 상술한 바와 같은 자기 가습형 연료 전지에서는, 운전 중에 부하 전류를 저하시킨 경우나 공기의 공급량을 증대시킨 경우에는, 전해질막의 수분이 저하하여 건조화된다. 이 건조화된 연료 전지에서는 전해질막에서의 이온 교환 특성이 저하해 버려, 해당 연료 전지의 출력 그 자체가 크게 저하해 버린다. 또한, 운전 중의 부하 전류가 저하해 버리는 경우에 한하지 않고, 예를 들면 연료 전지를 장시간 방치한 경우에도, 방치 후의 재시동 시에는 전해질막은 건조화된 상태에 있으며, 그 재시동 후에서는 재차 전해질막을 습윤시키는 것이 용이하지 않으며, 필요한 정격 출력이 얻어지도록 원래의 성능까지 회복하기까지는 수일(數日)이라는 장시간이 필요하였다. 특히, 이와 같은 전해질막의 건조화의 문제는, 공기의 압송(壓送)을 행하지 않는 대기(大氣) 개방형의 연료 전지에서 현저하고, 운전 후에 방치하는 것만으로 건조화의 문제가 발생하며, 출력 특성이 단시간에 저하한다는 문제가 있다.
본 발명은 전해질을 연료 전극과 산소 전극으로 협지(挾持; 사이에 끼움)하여 수소 등의 연료를 공급함과 동시에 공기를 공급하여 필요한 기전력을 발생시키는 연료 전지 장치 및 이와 같은 연료 전지의 제어 방법에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명의 하나의 실시의 형태의 연료 전지 장치를 도시하는 블록도.
도 2는, 상기 하나의 실시 형태의 연료 전지 장치의 출력 전압을 나타내는 타임차트(time chart).
도 3은, 본 발명의 실시의 형태의 연료 전지 장치를 도시하는 모식적 사시도.
도 4는, 본 발명의 실시의 형태의 연료 전지 카드를 노트형 PC(personal computer)에 삽입하는 곳을 도시하는 사시도.
도 5는, 도 4의 연료 전지 카드를 도시하는 외관 사시도.
도 6은, 본 발명의 실시의 형태의 연료 전지 장치의 연료 전지 본체 요부(要部)를 도시하는 모식도.
도 7은, 본 발명의 제 2의 실시의 형태의 연료 전지 장치를 도시하는 블록도.
도 8은, 도 7의 연료 전지 장치의 동작을 설명하기 위한 타임차트.
도 9는, 도 7의 연료 전지 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도(flowchart).
도 10은, 본 발명의 제 3의 실시의 형태의 연료 전지 장치를 도시하는 블록도.
도 11은, 본 발명의 제 4의 실시의 형태의 연료 전지 장치를 도시하는 블록도.
도 12는, 상기 제 4의 실시 형태의 연료 전지 장치의 출력 전압을 나타내는 타임차트.
도 13은, 본 발명의 제 5의 실시의 형태의 연료 전지 장치를 도시하는 블록도.
도 14는, 도 13의 연료 전지 장치의 동작을 설명하기 위한 타임차트.
도 15는, 도 13의 연료 전지 장치의 동작을 설명하기 위한 흐름도.
도 16은, 본 발명의 제 6의 실시의 형태의 연료 전지 장치를 도시하는 블록도.
도 17은, 본 발명의 제 7의 실시의 형태의 연료 전지 장치를 도시하는 블록도.
도 18은, 본 발명의 제 8의 실시의 형태의 연료 전지 장치를 도시하는 블록도.
거기서, 본 발명은, 상술한 기술적인 과제에 비추어, 운전 시나 기동 시의 출력 저하의 문제를 미연에 방지할 수 있는 연료 전지 장치 및 연료 전지의 제어 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 연료 전지 장치는, 산소 전극과, 연료 전극과, 상기 산소 전극과 상기 연료 전극에 협지되는 전해질로 이루어지는 발전체를 가지는 연료 전지에 있어서, 연료 전지의 출력 전압이 제 1의 소정 값 이하로 되었을 때에, 상기 산소 전극과 상기 연료 전극을 전기적으로 접속하여 전류를 흘려보내는 바이패스(bypass) 회로를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 바이패스 회로를 설치하고 있다는 것에서, 예를 들면, 출력 특성이 산소 전극의 건조화에 기인하여 저하한 경우, 바이패스 회로를 작동시켜 연료 전지에 가해지는 부하 전류를 그 출력 상태에 따라 가변(可變)되게 제어하여, 생성수의 발생을 의도적으로 많이 시킬 수가 있다. 여기서 생성된 물은 산소 전극의 건조화를 억제함과 동시에 적정한 습윤 상태를 형성할 수 있다. 본 발명의 하나의 실시 형태에서는, 제 1의 소정 값은, 발전체 1개 당, 예를 들면 0.01V 이상, O.8V 이하의 범위로 되고, 예를 들면 통상의 기전력의 1%∼95%로 설정된다. 또한, 통상의 기전력에서부터 저하한 비율로, 제 1의 소정 값을 설정해도 좋다.
또한, 본 발명의 연료 전지 장치는, 전해질을 연료 전극과 산소 전극으로 협지하여 연료를 상기 연료 전극에 공급함과 동시에 공기를 상기 산소 전극에 공급함으로써 기전력을 발생시키는 연료 전지와, 상기 연료 전지에 접속되어 상기 연료 전지에 가해지는 부하를 그 연료 전지의 출력 또는 내부 저항의 상태에 따라 가변되게 하는 부하 제어부를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 연료 전지는, 상기 연료 전극에 연료가 공급되고 있을 때에, 상기 산소 전극에 공기가 공급됨으로써 전해질에는 프로톤의 전도가 발생한다. 이 발생하는 프로톤 전도의 양은 해당 연료 전지에 접속되는 부하 전류에 따라 변동하며, 이 부하 전류의 값이 작을 경우, 출력 전압이 높아져서 발열은 작아지지만, 역으로 부하 전류가 클 경우, 프로톤 전도의 양이 많아져서 생성수의 발생량이 증가한다. 이것은 산소 전극에서의 반응이 활발화되기 때문이다. 예를 들면, 출력 특성이 산소 전극의 건조화에 기인하여 저하한 경우, 부하 제어부를 작동시켜 연료 전지에 가해지는 부하 전류를 그 출력 상태에 따라 가변되게 제어하여, 생성수의 발생을 의도적으로 많이 시킬 수가 있다. 여기서 생성된 물은 산소 전극의 건조화를 억제함과 동시에 적정한 습윤 상태를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지의 제어 방법은, 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성을 감시하는 수순(手順)과, 상기 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성이 변화한 경우에 그 연료 전지를 흐르는 전류를 상시(常時)에 비해 크게 제어하는 수순을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연료 전지의 제어 방법에 의하면, 먼저, 연료 전지의 출력 특성 또한 내부 저항 특성이 감시되고, 그 결과, 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성이 변화했는지 여부가 판단된다. 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성이 변화한 경우, 예를 들면, 산소 전극의 건조화에 기인하여 출력 특성이 저하한 경우에는, 연료 전지를 흐르는 전류를 상시에 비해 증가시키도록 제어함으로써, 산소 전극에서의 반응이 활발화되어 생성수의 발생량이 증대한다. 따라서, 산소 전극의 건조화를 억제함과 동시에 적정한 습윤 상태를 형성할 수 있게 된다.
본 발명의 연료 전지 장치는, 전해질을 연료 전극과 산소 전극으로 협지한 연료를 상기 연료 전극에 공급함과 동시에 공기를 상기 산소 전극에 공급함으로써 기전력을 발생시키는 연료 전지와, 상기 연료 전지의 산소 전극에 공급되는 공기의 공급량을 그 연료 전지의 출력 또는 내부 저항 상태에 따라 가변되게 하는 공기 공급 제어부를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 연료 전지는, 상기 연료 전극에 연료가 공급되고 있을 때에, 상기 산소 전극에 공기가 공급됨으로써 전해질에는 프로톤의 전도가 발생한다. 그 발생하는 프로톤 전도의 양은 해당 연료 전지에 접속되는 부하 전류에 따라 변동하며, 부하 전류가 클 경우, 프로톤 전도의 양이 많아져서 생성수의 발생량이 증가하게 된다. 연료 전지의 산소 전극에 공급되는 공기의 공급량은, 예를 들면 운전 시에 있어서 이상적으로는 생성수의 발생량과 공기의 공급량에 의존하는 수분의 증발량이 정상적으로 평형화되어 운전되게 되지만, 공기 공급 제어부에 의해 공기의 공급량을 변화시켜, 예를 들면, 연료 전지 표면의 수분의 증발량을 억제하도록 제어함으로써, 산소 전극의 건조화를 억제함과 동시에 적정한 습윤 상태를 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 연료 전지의 제어 방법은, 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성을 감시하는 수순과, 상기 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성이 변화한 경우에 이 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 상시에 비해 작아지도록 제어하는 수순을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성이 변화한 경우에 그 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 상시에 비해 작아지도록 제어함으로써, 연료 전지의 산소 전극의 건조화를 억제함과 동시에 적정한 습윤 상태를 제공할 수 있게 되지만, 그 필요성을 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성으로부터 직접 감시함으로써 발전에 지장이 생긴 경우에서도 신속한 대응이 가능하다. 또, 본 명세서에서는, 기전력의 측정은 출력 전류와 연료 전지의 내부 저항, 또는 그와 비슷한 파라미터를 측정함으로써 계산하는 것도 포함된다.
[제 1의 실시의 형태]
본 발명의 연료 전지 장치의 매우 바람직한 실시의 형태를 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 실시의 형태의 연료 전지 장치를 도시하는 블록도이다. 본 실시의 형태의 연료 전지 장치(10)는, 기전력을 발생시키는 연료 전지 본체(11)와, 부하의 제어를 행하기 위한 제어 유닛(13)과, 연료 전지 본체(11)에 접속하여 그 연료 전지 본체(11)에 가해지는 부하의 값을 가변되게 하는 부하 제어부(14)를 가지며, 그 부하 제어부(14)를 거쳐 부하 장치(15)에 상시는 기전력이 공급되고, 연료 전지 본체(11)에는 연료 유체를 공급하기 위한 수소 공급 장치(12)가 접속된다.
연료 전지 본체(11)는, 하나의 예로서 후술하는 바와 같은 대략 평판 형상의 전해질막을 연료측 전극(연료 전극)과 산소측 전극(산소 전극)으로 협지하는 구조를 가지고 있으며, 연료측 전극에는 수소 저장 기능을 가지는 수소 공급 장치(12)로부터 수소 가스 혹은 메탄올 등의 연료 유체가 공급된다. 산소측 전극은 공기 중의 산소를 취입(取入; 취해 들임)하기 위한 전극이며, 상기 연료측 전극에 전해질막을 협지하여 대치(對峙)한다. 산소측 전극은 대기 개방형이어도 좋고, 컴프레서 (compressor), 펌프, 혹은 팬(fan) 등에 의해 공기가 송출되는 구조여도 좋다. 이 연료 전지 본체(11)는 대략 평판 형상의 전해질막을 연료측 전극과 산소측 전극으로 협지하는 구조를 또한 복수 매 겹친 스택 적층형(積層型)이어도 좋고, 한 장만을 혹은 두 장을 겹쳐 평판 형상을 유지한 것이어도 좋다.
수소 공급 장치(12)는, 연료 전지 본체(11)에 수소 가스 혹은 메탄올 등의 연료 유체를 공급하기 위한 장치이며, 하나의 예로서는 수소 고압 탱크나, 수소 흡장(吸藏) 합금을 내장한 카트리지 등을 사용할 수가 있다. 이 수소 공급 장치(l2)는, 후술하는 바와 같이, 연료 전지 본체(11)에 대해서 착탈(着脫) 자재(自在)하게 하는 것도 가능하고, 이음매 부분에서 연료 상태에 대한 정보의 송수신을 행하는 구조도 가능하다.
제어 유닛(13)은 해당 연료 전지 장치(10)를 제어하기 위한 컨트롤러이며, 연료 전지 본체(11)의 연료 전지의 출력 또는 내부 저항 상태를 모니터하여, 그 출력 또는 내부 저항 상태에 따른 제어를 행하기 위한 신호를 부하 제어부(14)로 출력한다. 제어 유닛(13)은 필요한 전자 회로, CPU(Central Processing Unit) 등에 의해 구성되지만, 반드시 연료 전지 본체(11)와 일체(一體)일 필요는 없고, 별개로 장착한 것이나, 해당 연료 전지 본체(11)를 탑재하는 전자 기기의 정보처리 유닛의 일부를 활용하는 것이어도 좋다. 본 실시의 형태에서는, 제어 유닛(13)은 연료 전지의 출력 전압 또는 내부 저항값을 모니터하지만, 이에 한하지 않고 출력 전류를 모니터하거나, 동시에 온도나 습도, 기압 등의 조건을 모니터하도록 해도 좋다.
부하 제어부(14)는, 연료 전지 본체(11)에 가해지는 부하를 그 연료 전지 본체(11)의 출력 또는 내부 저항 상태에 따라 가변시키는 바이패스 회로이며, 연료 전지 본체(11)를 과(過) 전류 상태로 하기 위해, 연료 전지 본체(11)의 출력 단자 사이의 스위치 소자를 배치하고, 그 스위치 소자를 ON 상태로 하여 단락(短絡)시키도록 할 수도 있으며, 또한, 연료 전지 본체(11)를 과 전류 상태로 하기 위해, 연료 전지 본체(11)의 출력 단자 사이를 저(低) 저항 소자로 접속하도록 구성해도 좋다. 또한, 부하 제어부(14)로서는, 후술하는 바와 같이 DC-DC 컨버터 등의 1차측 전류를 과 전류 상태로 하는 구조도 가능하다. 연료 전지 본체(11)를 과 전류 상태로 할 때에는, 해당 연료 전지 본체(11)의 출력 전압이 급속히 저하하는 사실로부터, 저하한 만큼의 보상 수단으로서 플로팅(floating) 배터리나 커패시터 등을 후단(後段)의 부하 장치(l5)에 공급하도록 구성해도 좋다.
부하 장치(15)는 해당 연료 전지 장치(10)에서 발생한 기전력이 공급되는 장치이며, 예를 들면, 해당 연료 전지 장치(10)가 탑재되는 장치가 퍼스널 컴퓨터인 경우에는, 그 퍼스널 컴퓨터의 전원으로서 해당 연료 전지 장치(10)가 사용되기 때문에, 부하 장치(15)는 내부 회로 및 주변 장치 등이다. 또한, 연료 전지 장치 (10)가 자동차 등의 수송용 기계에 탑재되는 경우에는, 부하 장치는 추진력을 가져오는 모터 등의 장치에 해당한다. 또한, 연료 전지 장치(10)가 가정용 소형 전원으로서 사용되는 경우에는, 전구나 가정용 전기 장치 등이 부하 장치에 해당한다.
이어서 도 2를 참조하여 부하 제어부(14)의 동작의 하나의 예에 대해 설명한다. 도 2의 세로축은 공급 공기량 및 부하 전류 일정 시에 있어서의 연료 전지 본체의 출력 전압(Vout)이며, 횡축은 시간(t)이다. 도 1의 연료 전지 장치(10)에서는 당초 전압(Vout)이 비교적 크게 유지되고 있지만, 가동 상태가 계속해 가는 동안에 사용 환경에 의해 연료 전지 본체(11) 표면의 전극의 건조화가 진전되는 경우가 있다. 그 결과, 연료 전지 본체(11)의 출력 전압(Vout)은 서서히 내려가기 시작하여, 어느 시점(to)에서 임계값(threshold value) 전압(Vth)을 밑돌게 된다. 이 임계값 전압(Vth)은, 연료 전지 본체(11)의 연료 전지의 출력이 저하한 것을 나타내는 기준 레벨이며, 제어 유닛(13) 측에서 연료 전지 본체(11)의 출력 전압(Vout)이 임계값 전압(Vth)을 밑도는 것이 판별되면, 연료 전지 본체(11)의 연료 전지의 출력이 저하한 사실을 제어 유닛(13)이 검지하게 되어, 기능 회복을 위한 동작을 행한다. 구체적으로는, 제어 유닛(13)으로부터 부하 제어부(14)로 신호를 보내며, 예를 들면 부하 제어부(14)를 저 저항화 상태로 한다.
부하 제어부(14)를 저 저항화 상태로 천이(遷移)시킴으로써 연료 전지 본체 (11)에는 과전류가 흐르게 되어, 단시간 동안에 건조화된 연료 전지 본체(11)의 표면을 습윤 상태로 되돌리는 것이 가능하다. 이 과전류를 흘려보내고 있는 상태에서는, 연료 전지 측으로부터 봐서 출력단의 부하 전력이 작아지기 때문에 출력 전압은 작아지지만, 역으로 전류가 많이 흐른다는 점에서, 이온 교환에 의한 산소 원자의 취입은 활성화되어 수분은 많이 발생한다. 그 때문에 연료 전지 본체(11)의 표면을 극히 단시간에 습윤 상태로 되돌릴 수가 있다. 이와 같이 부하 제어부(14)를 저 저항화 상태로 하고 있는 동안에는, 후단의 부하 장치(l5)에 대한 급전(給電)도 그대로는 문제가 되지만, 부하 제어부(14)에 구비된 플로팅 배터리나 커패시터 등의 전력 보상 수단을 일시적으로 사용함으로써, 부하 장치(15)로의 급전도 중단되는 일이 없다.
부하 제어부(14)를 저 저항화 상태로 함으로써, 연료 전지 본체(11)의 출력 전압(Vout)은 급속하게 계속 내려가게 되지만, 도 2에서의 시점(t1)에서 출력 전압 (Vout)은 전압(Vs)을 밑돌며, 여기까지의 출력 전압(Vout)의 저하가 제어 유닛(13) 측에 검지된다. 그 결과, 제어 유닛(13)은 연료 전지의 기능 회복을 위한 동작을 종료하기 위한 신호를 부하 제어부(14)에 보낸다. 이 신호에 따라 부하 제어부(14)는 그 회로 형태를 저 저항화 상태로부터 통상의 상태로 천이시킨다.
연료 전지 본체(11)의 건조 상태를 검출하는 파라미터로서는, 상기 공급 공기량 및 부하 전류 일정 시에 있어서의 연료 전지 본체의 출력 전압(Vout) 대신에 예를 들면 커런트 인터럽트법(current interrupt method)을 이용하여 내부 저항값 (r)을 사용할 수가 있다. 이 경우, 내부 저항값(r)이 어떤 값을 넘은 경우에 상기와 같은 제어에 의해 연료 전지 본체(11)에는 과전류가 흐르게 되어, 단시간 동안에 건조화된 연료 전지 본체(11)의 표면을 습윤 상태로 되돌리는 것이 가능하다. 이 경우, 제어 유닛(13)이 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성을 감시하는 출력 특성 또는 내부 저항 특성 감시 수단에 해당한다.
이와 같이 본 실시의 형태의 연료 전지 장치(10)에서는, 연료 전지 본체(11)로부터의 출력 전압(Vout)이 임계값 전압(Vth) 이하로 저하했을 때{내부 저항값을 사용한 경우에는 내부 저항값(rth) 이상으로 증가했을 때}에, 연료 전지 본체(11)를 과전류 상태로 하는 제어가 행해지고, 이 제어에 의해 강제적이고 일시적인 전극의 보습 상태의 회복이 행해진다. 이 때문에 장시간 등의 운전 시나 기동 시 등에 있어서, 연료 전지 본체(11)의 표면의 수분이 불량이고, 정격의 출력 전압을 얻을 수 없게 된 경우에도, 비교적 단시간에 연료 전지의 출력 특성을 회복시킬 수가 있다. 또한, 본 실시의 형태의 연료 전지 장치(10)에서는, 연료 전지 본체(11)를 과전류 상태로 하도록 제어하고 있는 동안에는, 부하 제어부(14)에 구비된 플로팅 배터리나 커패시터 등의 전력 보상 수단을 일시적으로 사용함으로써, 부하 장치 (15)로의 급전도 중단되는 일이 없다.
도 3은, 한 쪽 측면에 팬을 사용한 공기 유동 수단을 형성한 연료 전지 장치의 예를 도시한다. 대략 직사각형(矩形) 형상의 카드형 케이스 몸체(21)가 설치되어 있고, 이 케이스 몸체(21)의 내부에, 발전체부(23)가 배설되어 있다. 여기서, 카드형 연료 전지의 케이스 몸체(21)는, 하나의 예로서, PC 카드로서 표준화 된 사이즈로 하는 것이 가능하고, 구체적으로는, JEIDA/PCMCIA에 의해 표준화된 사이즈를 적용할 수가 있다. 이 표준화된 사이즈는, 세로(장변)가 85.6㎜±0.2㎜, 가로(단변)가 54.0㎜±0.l㎜로 정해져 있다. 또한, 카드의 두께에 대해서는, 타입 (type)I과 타입Ⅱ의 각각에 대해 규격화되어 있으며, 즉 타입Ⅰ에 대해서는, 커넥터부의 두께가 3.3±0.1㎜이고, 기저부의 두께가 3.3±0.2㎜이다. 또한, 타입Ⅱ에 대해서는, 커넥터부의 두께가 3.3±0.l㎜이고, 기저부의 두께가 5.0㎜이하이며 또한 그 두께의 표준 치수±0.2㎜이다. 카드형 케이스 몸체(21)도 상측 케이스 몸체와 하측 케이스 몸체를 겹치도록 구성하는 것이 가능하다.
이 카드형 케이스 몸체(21)에는, 그 카드형 케이스 몸체(21)의 길이 방향에 수직인 면에서 대략 동일한 사이즈로 되어 연속적으로 배설 가능한 수소 저장 카트리지(22)가 결합되어 있다. 이 수소 저장 카트리지(22)의 내부에는, 수소 흡장 합금 등의 수소 저장부가 배치되어 있으며, 연료 전지의 케이스 몸체(21)에 대해서 착탈 자재하게 된다. 수소 저장 카트리지(22)는, 장착 시에는 연료 취출구(取出口와) 결합부가 결합함으로써 연료 유체가 유동 가능해지고, 수소 저장 카트리지(22)가 떼어졌을 때에는, 해당 수소 저장 카트리지(22)로부터의 연료 유출을 멈출 수 있는 기구를 가지고 있다.
카드형 케이스 몸체(21)의 내측에는, 4개의 발전체를 조합한 발전부(23)와, 수소 저장 카트리지(22)로부터의 연료 유체를 그 카드형 케이스 몸체(21) 내에 도입하기 위한 결합부(24)와, 이 결합부(24)가 삽입되어 결합하는 발전측 결합부(25)와, 이 발전측 결합부(25)에 파이프(26)를 개재하여 접속하는 유량 조정부(27)와, 이 유량 조정부(27)와 발전부(23)를 접속하는 파이프(28)와, 배선 기판(31) 위에 전자 부품(30)을 탑재시켜 이들 전자 부품 등에 의해 출력 제어 등을 행하는 제어 회로부(29)를 가지고 있다. 그리고, 해당 카드형 케이스 몸체(21)의 내부에는, 공기 유동 수단으로서의 한 쌍의 팬(32, 33)이 케이스 몸체의 측면을 따라 연장되도록 더 배치되어 있다. 팬(32, 33)은 각각 대응하는 모터(34, 35)에 의해 회전하도록 구동된다. 팬(32)과 팬(33)은 평행하게 배치되고, 특히 본 실시의 형태에서는, 팬(32)과 팬(33)은 상하 방향으로 나란히 배설되어, 각각 상측에 위치하는 발전체와 하측에 위치하는 발전체에 공기를 보낸다.
팬(32, 33)은, 원통 형상의 회전축 주위에 날개부가 설치된 구조를 가지며, 각 날개부는 회전축 방향으로 직선 형상으로 연장되고, 회전축의 지름 방향에서는 방사(放射) 형상으로 형성된다. 따라서, 팬(32, 33)은 모터(34, 35)의 구동에 의해 회전축을 중심으로 회전하고, 케이스 몸체 내의 스페이스에 회전축과 수직인 방향으로 공기를 도시하지 않는 홈을 따라 보낸다. 이 팬(32, 33)은 후술하는 바와 같이 산소측 전극에 생성되는 물의 증발용으로서 이용됨과 동시에, 공기를 보냄으로써 방열을 도모하는 것도 가능하다. 팬(32, 33)은 모터(34, 35)에 대해 커넥터(36, 37)를 개재하여 접속하지만, 커넥터(36,37)를 설치하지 않고서 직접 모터(34,35)와 팬(32,33)이 접속되도록 해도 좋다.
발전부(23)는, 4개의 발전체를 조합한 구조체이며, 하나의 발전체는, 프로톤 전도체 등의 전해질막을 연료측 전극과 산소측 전극으로 협지한 구조를 가지고 있으며, 산소측 전극이나 연료측 전극은, 금속판이나, 다공질성의 금속 재료, 혹은 탄소 재료 등의 도전성 재료로 이루어지고, 이들 산소측 전극이나 연료측 전극에는 집전체가 접속된다. 집전체는, 전극에서 발생하는 기전력을 취출하기 위한 전극재이며, 금속 재료나 탄소 재료, 도전성을 가지는 부직포 등을 사용하여 구성된다. 4개의 발전체는, 2개 겹쳐진 것이 케이스 몸체 내에 2개 나열되어 배설된다. 발전체를 2개 겹칠 경우에는, 연료측 전극끼리가 면끼리 서로 마주 보도록 겹칠 수가 있으며, 이 경우에는 연료 유체를 겹쳐져 합쳐진 연료측 전극끼리의 사이의 스페이스에 보냄으로써 전극의 활성화가 가능해지고, 산소의 공급이 필요한 면은 겹쳐져 합쳐진 발전체의 표면과 이면이 산소측 전극면이 된다.
발전측 결합부(25)는, 수소 저장 카트리지(22)의 결합부(24)와 결합하여 수소 저장 카트리지(22)로부터의 기밀(氣密)을 유지하면서 연료 유체를 연료 전지 내로 도입하기 위한 기구부이다. 구체적으로는, 발전측 결합부(25)에 결합부(24)의 선단(先端)이 삽입되고, 또한 밀어넣었을 때에 잠그는(lock) 기구를 가지며, 이와 같은 장착 동작 동안에 가스 누출이 방지되도록 배려되어 있다. 연료 유체가 수소 가스가 아니고, 다이렉트 메탄올 방식과 같은 액체인 경우에는, 수소 저장 카트리지(22) 대신에 착탈 자재인 연료 유체 저장 탱크를 사용할 수가 있다.
이와 같은 발전측 결합부(25)에 기계적인 유량 조정 기구를 설치하는 것도 가능하지만, 본 실시 형태의 연료 전지에서는, 발전측 결합부(25)와 발전부(23) 사이에 유량 조정부(27)가 배설되어 있다. 이 유량 조정부(27)는 전자적 혹은 기계적으로 연료 유체의 유량을 일정하게 하기 위한 장치이며, 밸브(valve)체 등을 설치하여 압력을 제어할 수가 있다.
제어 회로부(29)는 발전부(23)로부터 출력되는 기전력을 제어하는 회로이며, 도 3의 예에서는, 도 1의 구성의 제어 유닛(13) 및 부하 제어부(14)가 형성된다. 이 제어 회로부(29)에서는, 더욱이 연료 공급측인 수소 저장 카트리지(22)와의 결합 상태를 감시하거나, 출력 공급처의 부하 상태를 검출하면서 출력의 조정, 예를 들면, 기전력을 이용하는 기기의 모드(액티브 모드, 대기 모드나 슬립 모드 등)에 따른 출력 전압의 조정 등을 행하는 것도 가능하다.
또한, 제어 회로부(29)에는, 상술한 팬(32,33)을 구동하는 모터(34, 35)를 제어하는 회로부를 설치하는 것도 가능하다. 이 제어 회로부(29)에 사용되는 전원으로서는, 해당 발전부(23)에서 발생한 전력의 일부를 사용해도 좋다. 이 제어 회로부(29)로부터는 한 쌍의 출력 단자(38, 39)가 돌출하며, 이 출력 단자(38, 39)의 선단은 카드형 케이스 몸체(21)로부터 외부로 돌출한다.
이와 같은 구조를 가지는 본 실시의 형태의 연료 전지 장치는, 카드 형상 케이스 몸체(21)의 한 측면에, 산소를 연료 전지에 공급하고 또한 산소측 전극 표면의 생성수의 증발을 촉진시키기 위한 팬(32, 33)이 배설되어 있다. 이들 팬(32, 33)을 회전시켜 공기를 도시하지 않는 홈을 따라 안내함으로써, 산소측 전극의 표면에 생성되는 물의 효과적인 제거가 가능하게 되어, 출력 전압의 저하를 방지하는 것이 가능하다.
또한, 본 실시의 형태의 연료 전지 장치에서는, 도 1의 구성의 제어 유닛 (13) 및 부하 제어부(14)가 형성되는 제어 회로부(29)도 동일한 카드 형상 케이스 몸체(21)의 내부에 탑재되어 있기 때문에, 출력 전압의 적정화나, 조건, 환경에 따른 제어를 용이하게 실행할 수가 있다. 더욱이, 본 실시의 형태의 연료 전지 장치는, 단순한 발전 디바이스는 아니며 정보 처리 기능도 구비한 전지로서 유용하다. 또한, 결합부에서는 가스 누출 등의 유체 누출이 미연에 방지되는 구조로 되어, 디바이스로서의 안전성도 충분하게 된다.
이어서, 도 4 및 도 5를 참조하면서, 대기 개방형의 연료 전지 장치의 예에 대해 설명한다. 본 발명의 연료 전지 장치는, 그 하나의 예로서 평판형인 카드 형상의 형태를 취하는 연료 전지 카드(40)로 할 수가 있으며, 이 연료 전지 카드(40)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 장치 본체인 노트형 PC(41)의 카드용 슬롯(42)으로 삽입하여 장착할 수가 있다. 여기서 슬롯(42)은, 해당 연료 전지 카드(40) 전용의 장치 본체의 하우징에 설치된 구멍으로 할 수도 있지만, JEIDA/PCMCIA에 의해 표준화된 사이즈의 슬롯으로 하는 것도 가능하다. 구체적으로는, JEIDA /PCMCIA에 의해 표준화된 사이즈는, 세로(장변)가 85.6㎜±0.2㎜, 가로(단변)가 54.0㎜±O.l㎜로 정해져 있다. 카드의 두께에 대해서는, 타입I과 타입Ⅱ의 각각에 대해서 규격화되어 있고, 즉 타입Ⅰ에 대해서는, 커넥터부의 두께가 3.3±0.l㎜이고, 기저부의 두께가 3.3±0.2㎜이다. 또한, 타입Ⅱ에 대해서는, 커넥터부의 두께가 3.3 ±0.l㎜이고, 기저부의 두께가 5.0㎜이하이며 또한 그 두께의 표준 치수±0.2㎜이다. 해당 연료 전지 카드(40)에는 연료의 공급부로서 수소 흡장부(44)도 착탈 자재하게 되어 있다.
또, 도 4에서는, 슬롯(42)은, 장치 본체인 노트형 PC(41)의 키보드측 본체의 측부에 설치되어 있지만, 이 슬롯(42)이 설치되는 부분을 도 4에서 파선으로 나타내는 셀렉터블 베이(selectable bay)(43)의 일부로 할 수도 있다. 셀렉터블 베이 (43)는, 노트형 PC(41)에 대해서 착탈 자재인 복수의 기능 부재이며, PC의 확장 기능을 바꾸는 경우에, 셀렉터블 베이(43)에 편입되는 부재를 교환하는 것이다. 또, 연료 전지 카드(40)를 사용하는 경우에는, 전용 어댑터를 외부 장착으로 이용하는 것도 가능하고, 또한, 복수의 연료 전지 카드(40)를 동시에 노트형 PC(41) 등의 정보처리 장치에 편입시켜도 좋다.
도 5는 연료 전지 카드(40)를 조립한 상태의 사시도이며, 휴대성을 배려하여 모퉁이부가 둥글게 형성되는 연료 전지 카드(40)는 평판 형상의 상측 케이스 몸체(46)가 하측 케이스 몸체(45)에 맞춰지는 구조로 되고, 도 5에서는 도시하지 않는 나사 등에 의해 상측 케이스 몸체(46)가 하측 케이스 몸체(45)에 고착되어 있다. 상측 케이스 몸체(46)에는 산소를 케이스 몸체 내에 도입하기 위한 기체 유입구로서 직사각형 형상의 개구부(47)가 복수 형성되어 있다.
본 예에서는, 개구부(47)의 각각은 대략 직사각형 형상의 관통 구멍이며, 5행 3열의 15개 조(組)가 2조 가로 배열로 형성되어 있고, 상측 케이스 몸체(46)에는 전부 합쳐서 30개의 개구부(47)가 임하게 된다. 이 개구부(47)에 의해 산소측 전극이 후술하는 바와 같이 대기 개방되어, 유효한 산소의 취입이 특별한 흡기 장치를 필요로 하지 않고서 실현되며, 동시에 배출되는 여분의 수분의 제거도 실현된다.
개구부(47)의 형상은, 본 실시 형태에서는, 각 집전체의 패턴을 격자 형상으로 한다는 점에서, 이 격자 형상 패턴과 동일 형상으로 되지만, 다른 형상으로 하는 것도 가능하며, 개개의 개구부의 형상을 원형, 타원형, 스트라이프 형상, 다각형 형상 등의 각종 형상으로 하는 것도 가능하다. 또한, 개구부(47)는, 본 예에서는 판 형상의 상측 케이스 몸체(46)를 절결(切缺; 잘려 빠짐)되어 형성되어 있지만, 산소측 전극의 대기 개방 상태를 손상하지 않는 범위에서 먼지나 티끌 등의 침입이나 부착을 방지하기 위해 이 개구부(47)에 망(網)이나 부직포 등을 설치하도록 하는 일도 가능하다. 하측 케이스 몸체(45)에는, 상측 케이스 몸체(46)의 개구부 (47)에 대응하여 개구부가 형성되어 있지만, 형상이나 망이나 부직포를 설치할 수가 있다는 점에 대해서는 마찬가지이다.
상술한 수소를 공급할 수 있는 수소 흡장부(44)는, 하측 케이스 몸체(45)의 연결측 측면에 형성된 한 쌍의 감합공(嵌合孔; 끼우는 구멍)(50)에 해당 수소 흡장부(44)의 연결측 측면에 형성된 한 쌍의 핀(48)이 감합하여, 연료 전지 카드(40)에 연결된다. 이 때, 수소 흡장부(44)의 수소 공급구인 돌기부(49)가, 하측 케이스 몸체(45)의 연결측 측면에 형성된 직사각형의 감합공(51)에 삽입되어, 케이스 몸체 내에서 감합공(51)의 위치까지 연재(延在)된 도시하지 않는 연료 배관부의 단부에 결합된다. 수소 흡장부(44)는 연료 전지 카드(40)에 대해서 착탈 자재이며, 예를 들면, 수소 흡장부(44) 내에 저장되어 있던 수소의 나머지가 적게 되었을 경우에는, 해당 수소 흡장부(44)를 연료 전지 카드(40)로부터 떼어내고, 수소를 충분히 저장하여 이루어지는 다른 수소 흡장부(44)로 교환하거나, 떼어낸 수소 흡장부(44)에 수소를 주입하거나 하여, 다시 사용하도록 하는 것도 가능하다. 또, 본 예에서는 감합공(51)에 수소 흡장부(44)의 핀(48)이 감합함으로써 수소 흡장부(44)가 연료 전지 카드(40)에 장착되지만, 다른 연결 요소를 이용하는 것도 가능하며, 예를 들면 키(key) 홈에 삽입하는 구조나, 바이어스(付勢)된 용수철에 저항하여 슬라이드하는 계지(係止; 멈춤) 부재나 자석 등을 이용하는 구조 등을 이용해도 좋다.
도 6은 연료 전지 본체부의 하나의 예를 도시하는 모식도이다. 도 6에서는 2매의 전해질막ㆍ전극 복합체 즉 MEA(Membrane and Electrode Assembly)(67, 68)가 겹치도록 도시되어 있으며, 이온 교환막인 프로톤 전도체막(61, 62)을 협지하도록 연료측 전극(63, 64)과 산소측 전극(65, 66)이 형성되어 있다. 연료측 전극(63, 64)과 산소측 전극(65, 66)에는, 백금 등의 촉매 재료가 형성되고, 또한 도시하지않은 집전체도 전하의 취출용으로 형성된다. 한 쌍의 연료측 전극(63, 64)은, 연료인 수소 등의 도입용으로 필요한 스페이스를 비워 두고 대향한다.
연료측 전극(63, 64)에는 외부로부터 수소 가스 등의 연료 유체가 공급되며, 이 연료 유체가 전극 내의 세공(細孔)을 통해 반응 영역에 도달하고, 전극 내에 존재하는 촉매에 흡착되어 활발한 수소 원자로 된다. 이 수소 원자는 수소 이온으로 되어, 상대 극인 산소측 전극으로 이동함과 동시에, 이온화 시에 발생하는 전자를 연료측 전극(63, 64)으로 보내고, 이들 전자가 기전력이 되어 외부에 접속된 회로를 통해 산소측 전극(65, 66)에 도달한다.
산소측 전극(65, 66)이나 연료측 전극(63, 64)은, 금속판이나, 다공질성의 금속 재료, 혹은 탄소 재료 등의 도전성 재료로 이루어지고, 이들 산소측 전극(65, 66)이나 연료측 전극(63, 64)에는 집전체가 접속된다. 집전체는, 전극에서 발생하는 기전력을 취출하기 위한 전극재이며, 금속 재료나 탄소 재료, 도전성을 가지는 부직포 등을 이용하여 구성된다. 본 실시의 형태에서는, 2개의 MEA(67, 68)가 연료측 전극(63, 64)을 내측으로 하도록 겹쳐지고, 그 결과로서 겹쳐진 2개의 MEA(67, 68)의 표면 측과 이면 측에 산소측 전극(65, 66)이 위치하게 된다. 하나의 예로서 MEA(67, 68)은, 각각 카드 형상의 케이스 몸체를 사용하는 경우에는, 장변 방향을 따라 길이 방향이 되는 대략 직사각형 평판 모양으로 형성할 수가 있지만, 다른 형상이어도 좋다. 또한, MEA(67, 68)는, 2개를 적층하는 구조로 한정되지 않고, 4개, 개나 8개, 혹은 그 이상의 개수의 MEA를 조합해도 좋다. 또한, 각각의 MEA의 형상이 동일하면, 제조상 동일한 MEA를 실장(實裝)하면 좋지만, 이것에 한정되지 않고다른 형상의 MEA를 조합해도 좋다. 예를 들면, 큰 사이즈의 MEA와 작은 사이즈의 MEA를 동일면 내에 배설하도록 구성해도 좋고, 혹은 두꺼운 두께의 MEA와 얇은 두께의 MEA를 동일면 내에 배설하도록 구성해도 좋다. 또한, 용량이나 효율 등의 점에서 성능이 다른 MEA의 종류가 다른 것을 조합하여 케이스 몸체 내에 실장해도 좋다. 더욱이, 본 실시의 형태에서, MEA(67, 68)는 필요한 강성(剛性)으로써 개체 내에 배설되지만, 각 MEA는 가요성(可撓性; 휘어질 수 있는 성질)을 가지고 있어도 좋고, 그 경우에는 케이스 몸체도 가요성을 가지는 재료로 구성할 수가 있다. 또한, MEA 자체가 필요한 카트리지 타입으로 치환 가능하게 할 수 있도록 하는 구조여도 좋다. 또한, MEA의 위치를 이동시켜, 예를 들면 케이스 몸체 내에서 MEA를 슬라이드시켜 위치를 어긋나게 하여, MEA간의 접속 형태를 바꾸도록 해도 좋다.
[제 2의 실시의 형태]
이어서, 본 발명의 연료 전지 장치의 보다 상세한 실시의 형태에 대해, 도 7 내지 도 10을 참조하면서 설명한다. 먼저, 본 실시의 형태의 연료 전지 장치는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 복수의 MEA와 같은 발전체를 적층한 구조의 연료 전지 본체(71)를 가지며, 더욱이 부하의 제어를 행하기 위한 제어 유닛(73)과 연료 전지 본체(71)에 접속하여 그 연료 전지 본체(71)에 가해지는 부하의 값을 가변되게 하는 부하 제어부로서, 스위칭 소자(78) 및 저항 소자(77)로 이루어지는 저 저항화 회로부와, 다이오드(79) 및 플로팅 배터리(80)로 이루어지는 전원 보상 회로부를 가지고 있다. 이 부하 제어부를 개재하여 연료 전지 본체(71)에는 해당 연료 전지 본체(71)에서 발생한 기전력이 공급되는 부하 장치(75)가 접속되며, 더욱이 연료 전지 본체(71)에는 연료 유체를 공급하기 위한 수소 공급 장치(72)가 접속되어 있다. 또한, 연료 전지 본체(71)에는, 공기를 공급함과 동시에 여분의 수분을 증발시키기 위한 공기 공급 컴프레서(76)가 접속된다.
연료 전지 본체(71)는, 상술한 바와 같이, 전해질막을 연료측 전극과 산소측 전극으로 협지한 MEA를 적층하고 있고, 연료측 전극에 수소를 공급하며, 산소측 전극에 공기를 공급함으로써 기전력을 한 쌍으로 출력 단자 간에 발생시킨다. 연료 전지 본체(71)에는, 수소 공급 장치(72)로부터 수소 등의 연료 유체가 가스 공급로 (81)를 거쳐 공급되어, 연료 전지 본체(71)의 연료측 전극에 그 연료 유체가 보내진다.
공기 공급 컴프레서(76)는, 팬, 펌프 등의 기압에 변화를 생기게 하는 장치이며, 연료 전지 본체(71)의 산소측 전극의 표면에 공기 중에 포함되는 산소를 공급함과 동시에, 그 산소측 전극의 표면에 발생하는 수분을, 공기를 보냄으로써 증발시켜 가기 위한 장치이다. 이 공기 공급 컴프레서(76)는, 연료 전지 본체(71)와 일체적으로 형성되어 있어도 좋고, 별개의 부재로서 착탈되는 장치여도 좋다. 공기 공급 컴프레서(76)는, 공기 도입관(82)을 개재하여 연료 전지 본체(71)에 접속하고, 이 공기 도입관(82)의 유출구 부근에는 연료 전지 본체(71)의 산소측 전극이 배설된다. 산소측 전극이 만일 물로 덮여 버린 경우에는, 그 이상의 산소의 취입이 불가능하게 되어, 발전 특성이 저하하게 되지만, 공기 공급 컴프레서(76)를 설치함으로써 불필요한 수분이 증발되어 제거된다. 그 때문에 수분이 산소측 전극에서 과잉이 되어 출력 저하를 초래하는 문제는 미연에 방지된다. 또한, 연료 전지 본체(71)에서는 기동 시나 장시간의 운전 시에 역으로 연료 전지 본체(71)가 건조화되어 버리고, 그 결과, 전해질막에서의 이온 교환의 효율이 저하할 우려가 있지만, 본 실시의 형태의 연료 전지 장치에서는, 일시적으로 연료 전지 본체(71)에 과전류를 흘려보낼 수가 있기 때문에, 연료 전지 본체(71)의 건조 상태를 해결하는 것도 가능하다. 연료 전지 본체(71)에 공급된 공기는 공기 배기관(83)을 거쳐 연료 전지 본체(71)의 외부로 배출된다.
부하 장치(75)는 해당 연료 전지 장치에서 발생한 기전력이 공급되는 장치이며, 예를 들면, 해당 연료 전지 장치가 탑재되는 장치가 PC일 경우에는, 그 PC의 전원으로서 해당 연료 전지 장치가 사용되기 때문에, 부하 장치(75)는 내부 회로 및 주변장치 등이다. 또한, 연료 전지 장치가 자동차 등의 수송용 기계에 탑재되는 경우에는, 부하 장치는 추진력을 가져오는 모터 등의 장치에 해당한다. 또한, 연료 전지 장치가 가정용 소형 전원으로서 사용되는 경우에는, 전구나 가정용 전기 장치 등이 부하 장치(75)에 해당한다.
도 7에서, 제어 유닛(73)은, 연료 전지 본체(71)의 출력 또는 내부 저항 상태를 모니터하면서, 이어서 설명하는 부하 제어부의 저 저항화 회로부와 전원 보상 회로부를 제어하기 위한 장치이다. 연료 전지 본체(71)의 출력 또는 내부 저항의 상태는, 연료 전지 즉 MEA의 출력 단자로부터의 신호화된 정보에 의해 감시된다. 도 7의 장치에서는, 연료 전지 본체(71)의 출력 또는 내부 저항의 상태를 모니터 하는 방법을 이용하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 각 전극이나 전해질막의 습윤도를 직접 모니터하는 것도 가능하며, 온도나 기압 센서 등을 이용하거나 혹은 출력 센서와 병용하거나 하는 것도 가능하다.
본 실시의 형태에서는, 제어 유닛(73)은, 공기 공급 컴프레서(76)의 운전 상황을 모니터하거나, 혹은 공기 공급 컴프레서(76)의 작동을 제어할 수 있다. 공기 공급 컴프레서(76)의 작동을 제어하는 경우에는, 연료 전지 본체(71)에 과전류를 흘려보내 수분을 생성시켜 발전 기능을 회복시키고 있는 기간에는, 공기 공급 컴프레서(76)의 작동을 정지시킴으로써 수분의 증발을 멈출 수가 있다. 또한, 공기 공급 컴프레서(76)의 작동을 정지시킴으로써, 전해질막에 생성수를 신속하게 침투시킬 수가 있어, 발전 성능을 신속히 회복시킬 수가 있다. 또한, 제어 유닛(73)은, 부하 장치(75)의 전력 소비 상태나 필요도에 대한 정보도 수취하고, 그들 정보에 의거하여 낭비가 적은 고효율인 발전을 실현시킬 수가 있다.
본 실시의 형태의 연료 전지 장치는, 연료 전지 본체(71)에 가해지는 부하 전류의 값을 가변되게 하는 부하 제어부로서, 스위칭 소자(78) 및 저항 소자(77)로 이루어지는 저 저항화 회로부와, 다이오드(79) 및 플로팅 배터리(80)로 이루어지는 전원 보상 회로부를 가지고 있다. 저 저항화 회로부를 구성하는 스위칭 소자(78)와 저항 소자(77)는, 상술한 제어 유닛(73)으로부터의 신호에 따라 작동하는 회로이며, 예를 들면 스위칭 소자(78)로서는 본 실시 형태에서의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 반도체 소자나, 또는 릴레이 등을 사용해도 좋다. 저항 소자(77)는, 부하 장치(75)와 비교하여 극히 작은 저항값을 가지고, 전류가 흐른 경우에 양단에서 발생하는 전위차는 작은 값으로 된다. 연료 전지 본체(71)의 출력 단자의 플러스 단자와 마이너스 단자 사이에 스위칭 소자(78)와 저항 소자(77)가직렬로 접속되고, 스위칭 소자(78)의 게이트 전극이 온(ON) 측으로 제어되면, 스위칭 소자(78)가 도통 상태로 되어, 연료 전지 본체(71)의 출력 단자에 가해지는 부하 전류가 증가한다.
부하 제어부의 전원 보상 회로부는, 다이오드(79) 및 플로팅 배터리(80)로 이루어지며, 다이오드(79)는 연료 전지 본체(71)의 출력이 저하한 경우에서의 정류기로서 기능한다. 플로팅 배터리(80)는, 연료 전지 본체(71)의 출력 단자의 플러스 단자와 마이너스 단자 사이가 스위칭 소자(78)와 저항 소자(77)로 이루어지는 저 저항화 회로부의 작동에 따라 저 저항화했을 때에, 연료 전지 본체(71) 대신에 부하 장치(75)에 대한 전원으로서 기능하는 소자이다. 플로팅 배터리(80)의 플러스 단자가 다이오드(79)를 개재하여 연료 전지 본체(71)의 출력 단자의 플러스 단자에 접속됨과 동시에 부하 장치(75)의 플러스 단자 측에 접속되고, 플로팅 배터리(80)의 마이너스 단자가 연료 전지 본체(71)의 출력 단자의 마이너스 단자에 접속됨과 동시에 부하 장치(75)의 마이너스 단자 측에 접속된다. 이 플로팅 배터리(80)는, 스위칭 소자(78)가 온 상태인 경우, 그 기전력으로 부하 장치(75)를 구동한다. 또, 플로팅 배터리(80) 대신에 커패시터 등을 사용해도 좋다.
도 8은 도 7의 연료 전지 장치의 동작을 설명하기 위한 타임차트의 하나의 예이며, 연료 전지의 공급 공기량 및 부하 전류 일정시의 출력 전압을 건조 상태의 파라미터로서 검출에 사용한 예이다. 가로축은 시간(t)이고, 세로축은 부하 전류 일정시의 셀 전류(icell) 및 셀 전압(Vcell)을 나타내고 있다. 셀 전압(Vcell)이 연료전지 본체(71)의 출력 전압(Vout)에 대응한다. 이 연료 전지 장치는, 그 연료 전지 본체(71)의 출력 전압 저하가 현저하게 되었을 경우에, 제어 유닛(73)이 그 출력 전압 저하를 검지하여, 어떤 값(예를 들면 도 2의 Vth) 이하라고 판단되는 경우에서는, 제어 유닛(73)으로부터의 신호에 의해 스위칭 소자(78)가 도통 상태로 제어되며, 그 결과, 스위칭 소자(78)와 저항 소자(77)로 이루어지는 저 저항화 회로부가 통상 부하 상태 혹은 비도통 상태로부터 저 저항 상태로 천이한다. 그러면, 연료 전지 본체(71)는 그 출력 단자 간이 저 저항화 혹은 단락했는지의 상태로 변화하고, 연료 전지 본체(71)에는 큰 셀 전류(icell) 즉 과전류가 흐르게 된다. 이 연료 전지 본체(71)를 흐르는 과전류에 의해, 산소측 전극에서는 활발하게 산소 원자가 수소 원자와 결합하여 생성수가 일시적으로 다량으로 발생하고, 출력 저하가 건조화에 의한 경우에는 전해질막을 신속히 습윤 상태로 되돌림으로써 출력을 순간적으로 회복시키는 것이 가능하다.
연료 전지 본체(71)에 과전류가 흐를 때에는, 출력 단자의 전위차 즉 셀 전압(Vcell)도 급격히 작아지는 것으로부터, 도 8에 도시하는 바와 같이 비교적 짧은 시간에 필요한 전압{예를 들면 도 2의 전압(Vs)}을 밑돌고, 제어 유닛(73)은 그 출력 전압이 필요한 전압보다 저하한 것을 검지하여, 스위칭 소자(78)를 오프(OFF) 상태로 천이시킨다. 그러면, 부하 제어부의 회로 상태는 통상 상태로 되돌아오고, 스위칭 소자(78)와 저항 소자(77)를 개재한 전류 경로는 차단된다. 그 결과, 셀 전압(Vcell) 즉 출력 전압(Vout)도 반전하여 급격히 높아진다. 연료 전지 본체(71)의출력 전압(Vout)이 다시 높아짐으로써, 플로팅 배터리(80)의 전압을 넘게 되며, 연료 전지 본체(71)로부터 다시 부하 장치(75)에 대해 전력의 공급이 행해진다. 이 단계에서는, 연료 전지 본체(71)에 과전류가 흘렀을 때에 생성수가 다량으로 발생하여, 전해질막이 신속히 습윤 상태로 되는 것에서부터, 출력을 순간적으로 회복시킬 수가 있다.
도 8에서는, 더욱이 연료 전지 장치를 운전했을 경우에 대해서도 도시하고 있고, 재차 운전을 계속함으로써 동일한 출력 전압의 저하가 발생하면, 동일한 기능 회복을 위한 연료 전지 본체(71)에 과전류의 인가를 도모할 수가 있고, 마찬가지로 출력 전압을 향상시킬 수가 있다. 또한, 연료 전지 본체(11)에서의 부하가 자기 가습 상태를 유지할 수 있는 정도라면, 출력 전압은 소정의 값으로 평형화되어, 그 값으로 출력 전압을 유지하여 장시간 발전이 가능하다.
또, 도 8의 예는 공기 공급 컴프레서(76)로부터의 공기 공급을 일정한 양으로 한 경우를 도시한 것이다. 상술한 바와 같은 출력 기능 회복을 위해 연료 전지 본체(71)에 과부하 전류를 인가하는 제어와 협조하여 공기 공급 컴프레서(76)로부터의 공기 공급을 제어하는 것도 가능하고, 예를 들면, 연료 전지 본체(71)에 과전류를 흘려보내 수분을 생성시켜 발전 기능을 회복시키고 있는 기간에는, 공기 공급 컴프레서(76)의 작동을 일단 정지시키는 제어를 행할 수가 있다. 이와 같은 공기 공급 컴프레서(76)의 일단 정지에 의해, 수분의 증발을 멈출 수가 있으며, 또한, 전해질막에 생성수를 신속하게 침투시킬 수가 있다. 이들 수분의 증발 억제나 생성수의 전해질막으로의 침투에 의해 발전 성능을 신속히 회복시킬 수가 있다.
이어서, 도 7에 도시한 본 실시의 형태의 연료 전지 장치를 작동시키는 각 수순의 하나의 예에 대해 도 9를 참조하면서 설명한다. 본 실시의 형태의 연료 전지 장치는, 출력 특성 또는 내부 저항의 특성이 허용 범위 외로 되었을 때에 그것을 회복시키도록 동작한다. 본 예에서는, 연료 전지 장치의 운전을 개시한 직후의 기동 시와 개시 후 얼마간 경과한 시점의 운전 중에서는, 각각 허용 범위가 다르기 때문에, 다른 수순으로 처리를 진행하도록 구성되어 있다. 그 수순은 제어 유닛의 판단을 수순화한 것이며, 예를 들면 도 7의 제어 유닛(73)에서의 CPU의 제어 수순이 도 9의 흐름도에 해당한다.
제어 수순으로서, 먼저, 수순 S11에서 현 단계가 연료 전지 장치의 운전을 개시한 직후의 기동 시와 개시 후 얼마간 경과한 시점의 운전 중의 어느 것인가가 판단된다. 이것은 제어 유닛(73) 내부의 클럭이나 타이머 등에 의해 모니터하는 것이 가능하지만, 다른 데이터, 예를 들면 부하 장치 측으로부터의 데이터를 이용해도 좋다.
이 수순 S11의 판단 결과가 기동 시라고 판단되는 경우, 수순 S12로 진행되어 전압, 전류, 온도의 각 데이터가 연료 전지 본체(71)로부터 제어 유닛(73)으로 취입된다. 이어서, 이들 파라미터에 의해 데이터 취입에서의 연료 전지 본체(71)의 전압-전류 특성 또는 내부 저항 특성이 검지 혹은 산출되고, 그 전압-전류 초기 특성 또는 내부 저항의 특성이 허용 범위 내에 있는지 여부가 수순 S13에서 판단된다. 만약, 데이터 취입 시에서의 연료 전지 본체(71)의 전압-전류 초기 특성 또는 내부 저항 특성이 허용 범위 내에 있을 경우(YES), 수순 S14로 진행되고, 현재의운전 상황은 양호한 것으로 해서, 현재의 부하 제어를 그대로 지속시켜, 처리를 종료한다.
데이터 취입 시에서의 연료 전지 본체(71)의 전압-전류 초기 특성 또는 내부 저항 특성이 허용 범위 외라고 판단되는 경우(NO)에는, 수순 S15로 진행되고, 공기 공급 컴프레서(76)로부터의 공기 공급은 통상의 부하에 알맞은 공급량을 유지해 두어, 과부하 전류를 연료 전지 본체(71)에 흘려보내기 위해, 스위칭 소자(78) 등의 파워 소자를 오프에서부터 온으로 제어하여, 저 저항인 저항 소자(77)로 전류를 흘려보낸다. 이로 인해 연료 전지 본체(71)의 산소측 전극에서는, 다량의 산소가 수분으로 되어 소비되어 가며, 그 생성수에 의해 전해질막의 습윤 상태가 얻어지게 된다. 따라서, 출력 저하가 건조화에 의한 경우에서는 전해질막을 신속하게 습윤 상태로 되돌리기 때문에 출력을 순간적으로 회복시키는 것이 가능하다. 또한, 이 기간에서는, 연료 전지 본체(71)로부터 전력 공급을 할 수 없게 되지만, 플로팅 배터리(80)의 전력을 부하 장치(75)가 임시적으로 사용할 수가 있어, 전력 제어에 수반되는 순단(瞬斷; 순간적인 정전) 등의 문제도 유효하게 회피할 수 있게 된다.
과부하 전류를 연료 전지 본체(71)에 흘려보내기 위해, 스위칭 소자(78) 등의 파워 소자를 온으로 제어한 후에는, 수순 S16으로 진행되고, 출력 전압(Vout)이 전압(Vs)보다 저하했는지 여부{내부 저항값(r)이 rs보다 저하했는지 여부}가 판단된다. 아직, 출력 전압(Vout)이 전압(Vs)보다 저하하지 않은{내부 저항값(r)이 rs보다 저하하지 않았다)라고 판단되는 경우(NO)에는, 수순 S18로 진행되며, 연료 전지 본체(71)를 흐르고 있는 과부하 전류가 그대로 유지되어, 다시 조건 판단을 행하는 수순 S16으로 되돌아온다.
수순 S16으로 진행되고, 출력 전압(Vout)이 전압(Vs)보다 저하하였다{내부 저항값(r)이 rs보다 저하하였다}라고 판단되는 경우(YES)에는, 이미 연료 전지 본체(71)에서 발생한 생성수에 의해 기능 회복이 행해진 것으로서, 해당 연료 전지 본체(71)를 흐르는 과부하 전류를 차단한다. 그 때문에 파워 소자 등의 스위칭 소자(78)를 온 상태로부터 오프 상태로 제어한다. 이와 같이 스위칭 소자(78)를 오프 상태로 제어함으로써, 저항 소자(77)를 흐르는 전류는 차단되며(수순 S17), 동시에 연료 전지 본체(71)를 흐르는 과부하 전류도 차단된다. 그 결과, 연료 전지 본체 (71)에 걸린 부하는 통상의 부하가 되고, 출력 전압(Vout)은 예를 들면 도 2나 도 8에 나타내는 바와 같이 원래대로 되돌아가게 된다.
이어서, 운전 개시부터 소요 시간 경과한 시점에 있는 운전 중의 경우에는, 수순 S11에서 운전 중이라고 판단되어, 수순 S19로 진행되어 전압, 전류, 온도의 각 데이터가 연료 전지 본체(71)로부터 제어 유닛(73)으로 취입된다. 이어서, 이들 파라미터에 의해 데이터 취입에 있어서의 연료 전지 본체(71)의 전압-전류 특성 또는 내부 저항 특성이 검지 혹은 산출되고, 그 운전 중의 전압-전류 저하 특성 또는 내부 저항의 증가 특성이 허용 범위 내에 있는지 여부가 수순 S20에서 판단된다. 만약 데이터 취입 시에서의 연료 전지 본체(71)의 전압-전류 저하 특성 또는 내부 저항의 증가 특성이 허용 범위 내에 있는 경우(YES), 수순 S21로 진행되고, 현재의 운전 상황은 양호한 것으로 하고, 현재의 부하 제어를 그대로 지속시켜, 처리를 종료한다.
데이터 취입 시에 있어서의 연료 전지 본체(71)의 전압-전류 저하 특성 또는 내부 저항의 증가 특성이 허용 범위 외라고 판단되는 경우(N0)에는, 수순 S15로 진행되고, 공기 공급 컴프레서(76)로부터의 공기 공급은 통상의 부하에 알맞은 공급량을 유지해 두어, 과부하 전류를 연료 전지 본체(71)에 흘려보내기 위해, 스위칭 소자(78) 등의 파워 소자를 오프에서부터 온으로 제어하여, 저 저항인 저항 소자 (77)로 전류를 흘려보낸다. 이로 인해 연료 전지 본체(71)의 산소측 전극에서는, 다량의 산소가 수분으로 되어 소비되어 가서, 그 생성수에 의해 전해질막의 습윤 상태가 얻어지게 된다. 따라서, 출력 저하가 건조화에 의한 경우에는 전해질막을 신속하게 습윤 상태로 되돌리기 위해 출력을 순간적으로 회복시키는 것이 가능하다. 또한, 이 기간에서는, 연료 전지 본체(71)로부터의 전력 공급을 할 수 없게 되지만, 플로팅 배터리(80)의 전력을 부하 장치(75)가 임시적으로 사용할 수가 있어서, 전력 제어에 수반하는 순단 등의 문제도 유효하게 회피할 수 있게 된다.
또한, 기동 시와 마찬가지로, 과부하 전류를 연료 전지 본체(71)에 흘려보내기 위해, 스위칭 소자(78) 등의 파워 소자를 온으로 제어한 후에는, 수순 S16으로 진행되어, 출력 전압(Vout)이 전압(Vs)보다 저하했는지 여부{내부 저항값(r)이 rs보다 저하했는지 여부}가 판단된다. 아직, 출력 전압(Vout)이 전압(Vs)보다 저하하지 않았다{내부 저항값(r)이 rs보다 저하하지 않았다}라고 판단되는 경우(NO)에는, 수순 S18로 진행되고, 연료 전지 본체(71)를 흐르고 있는 과부하 전류가 그대로 유지되어, 다시 조건 판단을 행하는 수순 S16으로 되돌아온다.
수순 S16으로 진행되어, 출력 전압(Vout)이 전압(Vs)보다 저하하였다{내부저항값(r)이 rs보다 저하하였다}라고 판단되는 경우(YES)에는, 이미 연료 전지 본체(71)에서 발생한 생성수에 의해 기능 회복을 행해진 것으로서, 해당 연료 전지 본체(71)를 흐르는 과부하 전류를 차단한다. 이 때문에 파워 소자 등의 스위칭 소자(78)를 온 상태로부터 오프 상태로 제어한다. 이와 같이 스위칭 소자(78)를 오프 상태로 제어함으로써, 저항 소자(77)를 흐르는 전류는 차단되고(수순 S17), 동시에 연료 전지 본체(71)를 흐르는 과부하 전류도 차단된다. 그 결과, 연료 전지 본체 (71)에 걸린 부하는 통상의 부하가 되고, 출력 전압(Vout)은 예를 들면 도 2나 도 8에 나타내는 바와 같이 원래대로 되돌아가게 된다.
이상의 수순과 같이, 본 실시의 형태의 연료 전지 장치는, 연료 전지 본체로부터의 출력 특성인 전압-전류 특성 또는 내부 저항 특성이 허용 범위 내인가 여부가 판단되며, 허용 범위를 벗어났을 때에 스위칭 소자를 온 상태로 제어하여 연료 전지 본체에 과부하 전류가 흐른다. 또한, 과부하 전류가 흘러간 후에는, 마찬가지로 출력 전압 또는 내부 저항값을 참조하여 어떤 레벨을 밑돌았을 때에 스위칭 소자를 오프 상태로 제어하여 연료 전지 본체로의 과부하 전류가 정지된다. 따라서, 연료 전지 본체의 출력 특성의 회복을 비교적 단시간에 행할 수가 있으며, 그 제어는 출력 특성 또는 내부 저항의 증가 특성을 모니터하면서 진행되기 때문에, 불필요하게 회복 작업을 행하는 것도 아니다. 특히, 연료 전지 본체로부터의 출력 특성인 전압-전류 특성 또는 내부 저항의 증가 특성이 허용 범위 내인지 여부는, 기동 시와 운전 중에서 다른 제어로 되며, 각각 전해질막 상태가 미묘하게 달라도, 각각 적확한 제어를 행할 수가 있다.
[제 3의 실시의 형태]
이어서, 도 10을 참조하면서, 제 3의 실시의 형태에 관련되는 연료 전지 장치에 대해 설명한다. 도 10의 장치는, 예를 들면 복수의 MEA와 같은 발전체를 적층한 구조의 연료 전지 본체(91)를 가지고, 또한 부하의 제어를 행하기 위한 제어 유닛(93)과, 연료 전지 본체(91)에 접속하여 그 연료 전지 본체(91)에 가해지는 부하의 값을 가변되게 하는 부하 제어부로서, DC-DC 변환기(97)와 다이오드(99) 및 플로팅 배터리(98)로 이루어지는 전원 보상 회로부를 가지고 있다. 전원 보상 회로부는 출력 전압이 임계값 전압 이하로 되었을 때에 양 전극 사이에서 전기적인 접속을 행하는 바이패스 회로로서 기능한다. 이 부하 제어부를 개재하여 연료 전지 본체(91)에는 해당 연료 전지 본체(91)에서 발생한 기전력이 공급되는 부하 장치(95)가 접속되고, 더욱이 연료 전지 본체(91)에는 연료 유체를 연료 도입관(101)을 거쳐 공급하기 위한 수소 공급 장치(92)가 접속되어 있다. 또한, 연료 전지 본체(91)에는, 공기를 공급함과 동시에 여분의 수분을 증발시키기 위한 공기 공급 컴프레서 (96)가 접속된다. 공기 공급 컴프레서(96)로부터의 공기는 공기 도입관(102)을 개재하여 연료 전지 본체(91)에 도달되고 공기 배기관(103)을 거쳐 여분의 수분 등과 함께 배기된다.
이러한 도 10의 장치에서, 연료 전지 본체(91), 수소 공급 장치(92), 제어 유닛(93), 부하 장치(95), 및 공기 공급 컴프레서(96)는, 도 7에 도시하는 각각 대응하는 장치와 마찬가지의 구성을 가지고 있으며, 여기에서는 간단하게 하기 위해 중복되는 설명을 생략한다. 도 10의 장치는, 도 7의 장치에 저 저항화 회로 대신에DC-DC 변환기(97)를 배치한 구성으로 되어 있고, 이러한 DC-DC 변환기(97)는 제어 유닛(93)으로부터의 제어 신호에 따라 1차 측의 입력 전류를 증가시킬 수가 있다. 즉, DC-DC 변환기(97)는, 연료 전지 본체로부터의 출력 특성인 전압-전류 특성 또는 내부 저항의 증가 특성이 허용 범위를 벗어났을 때에, 1차 측의 입력 전류를 크게 증가시키고, 그것으로 인해 연료 전지 본체에 과전류를 흘려보내는 기능을 가지고 있다. 이 과전류에 의해 연료 전지 본체(91)의 산소측 전극에서는, 다량의 산소가 소비되어 수분으로 되어 가고, 그 생성수에 의해 전해질막의 습윤 상태가 얻어지게 된다. 따라서, 출력 저하가 건조화에 의한 경우에서는 전해질막을 신속하게 습윤 상태로 되돌리기 위해서 출력을 순간적으로 회복시키는 것이 가능하다. 또한, 이 기간에서는, 연료 전지 본체(91)로부터의 전력 공급을 할 수 없게 되지만, 플로팅 배터리(98)의 전력을 부하 장치(95)가 임시적으로 사용할 수가 있고, 전력 제어에 수반하는 순단 등의 문제도 유효하게 회피할 수 있게 된다.
또, 상술한 실시의 형태에서는, 연료 전지 본체에 과전류를 흘려보내기 위해서 한 쌍의 출력 단자 사이를 상기 회로로 단락시키거나 혹은 저 저항화시키도록 구성하고 있지만, 반드시 출력 단자의 저항값을 조작하는 방법에 한정되지 않고, MEA 자체나 집전체 등에 연료측 전극과 산소측 전극 사이를 단락 또는 저 저항화하는 수단을 형성해도 좋으며, 또한, 그 단락 또는 저 저항화하는 수단은 단수(單數)에 한하지 않고 복수 설치하도록 해도 좋다. 또한, 전해질막에서 균일한 기능 회복 처리를 도모하기 위해, 연료 전지 본체에 과전류를 흘려보내기 위한 전용의 배선을 행하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시의 형태에서는, 연료 전지 본체의 출력 전압 또는 내부 저항 등을 모니터하면서, 소정의 출력 특성 회복 동작을 행하는 예에 대해 설명하였지만, 이에 한하지 않고, 타이머 등에 의해 자동적으로 소정의 출력 특성 회복 동작을 행하는 것도 가능하며, 특히 기동 시 등에서는 타이머를 사용해도 양호한 결과를 얻을 수가 있게 된다. 또한, 연료 전지 본체가 복수의 발전체로 이루어지는 경우에서는, 발전체 전부에 한 번에 과전류 처리를 행하도록 하는 것도 가능하지만, 과전류를 인가시키는 발전체를 시간적으로 어긋나도록 하여 차례대로 처리하도록 하는 것도 가능하다.
또한, 제어 유닛(93)을 후술하는 바와 같이 부하의 제어와 공기 공급의 양쪽 모두에 이용하는 것도 가능하다.
[제 4의 실시의 형태]
본 발명의 연료 전지 장치의 매우 바람직한 실시의 형태를 도면을 참조하면서 설명한다. 도 11은 본 실시의 형태의 연료 전지 장치를 도시하는 블록도이다. 본 실시의 형태의 연료 전지 장치(110)는, 기전력을 발생시키는 연료 전지 본체 (111)와, 부하의 제어를 행하기 위한 제어 유닛(113)과, 연료 전지 본체(111)에 공기를 보내기 위한 공기 공급 제어부(116)를 가지며, 연료 전지 본체(111)의 출력 단자로부터는 부하 장치(115)에 대해 상시는 기전력이 공급되고, 연료 전지 본체 (111)에는 연료 유체를 공급하기 위한 수소 공급 장치(112)가 접속된다.
연료 전지 본체(111)는, 하나의 예로서 후술하는 바와 같은 대략 평판 형상의 전해질막을 연료측 전극과 산소측 전극으로 협지하는 구조를 가지고 있으며, 연료측 전극에는 수소 저장 기능을 가지는 수소 공급 장치(112)로부터 수소 가스 혹은 메탄올 등의 연료 유체가 공급된다. 산소측 전극은 공기 중의 산소를 취입하기 위한 전극이며, 상기 연료측 전극에 전해질막을 협지하여 대치한다. 산소측 전극은 대기 개방형이어도 좋고, 컴프레서, 펌프, 혹은 팬 등에 의해 공기가 보내지는 구조여도 좋다. 이 연료 전지 본체(111)는 대략 평판 형상의 전해질막을 연료측 전극과 산소측 전극으로 협지하는 구조를 복수 매 더 겹친 스택(적층)형이어도 좋고, 하나 혹은 2개를 겹쳐서 평판 형상을 유지한 것이어도 좋다.
수소 공급 장치(112)는, 연료 전지 본체(111)에 수소 가스 혹은 메탄올 등의 알콜 등의 연료 유체를 공급하기 위한 장치이며, 하나의 예로서는 수소 고압 탱크나, 수소 흡장 합금을 내장한 카트리지 등을 이용할 수가 있다. 이 수소 공급 장치 (112)는, 후술하는 바와 같이, 연료 전지 본체(111)에 대해 착탈 자재하게 하는 것도 가능하며, 이음매 부분에서 연료 상태에 대한 정보의 송수신을 행하는 구조도 가능하다.
제어 유닛(113)은 해당 연료 전지 장치(110)를 제어하기 위한 컨트롤러이며, 연료 전지 본체(111)의 연료 전지의 출력 또는 내부 저항 상태를 모니터하여, 그 출력 또는 내부 저항 상태에 따른 제어를 행하기 위한 신호를 공기 공급 제어부 (116)로 출력한다. 제어 유닛(113)은 필요한 전자 회로, CPU(Central Processing Unit) 등에 의해 구성되지만, 반드시 연료 전지 본체(111)와 일체일 필요는 없고, 별개로 장착한 것이나, 해당 연료 전지 본체(111)를 탑재하는 전자 기기의 정보 처리 유닛의 일부를 활용하는 것이어도 좋다. 본 실시의 형태에서는, 제어 유닛(113)은 연료 전지의 출력 전압 또는 내부 저항값을 모니터하지만, 이에 한하지 않고 출력 전류를 모니터하거나, 동시에 온도나 습도, 기압 등의 조건을 동시에 모니터하도록 해도 좋다.
공기 공급 제어부(116)는, 연료 전지 본체(111)에 공급되는 공기를 이 연료 전지 본체(111)의 출력 또는 내부 저항 상태에 따라 가변되게 하는 제어부이다. 컴프레서, 팬, 펌프 등의 기압에 변화를 생기게 하는 장치이며, 연료 전지 본체(111)의 산소측 전극의 표면에 공기 중에 포함되는 산소를 공급함과 동시에, 그 산소 측 전극의 표면에 발생하는 수분을 공기로 보냄으로써 증발시켜 가는 장치이다. 이 공기 공급 제어부(116)는, 연료 전지 본체(111)와 일체적으로 형성되어 있어도 좋고, 별개의 부재로서 착탈되도록 하는 장치여도 좋다.
부하 장치(115)는 해당 연료 전지 장치(110)에서 발생한 기전력이 공급되는 장치이며, 예를 들면, 해당 연료 전지 장치(110)가 탑재되는 장치가 PC인 경우에는, 그 PC의 전원으로서 해당 연료 전지 장치(110)가 사용되기 때문에, 부하 장치 (115)는 내부 회로 및 주변 장치 등이다. 또한, 연료 전지 장치(110)가 자동차 등의 수송용 기계에 탑재되는 경우에는, 부하 장치는 추진력을 가져오는 모터 등의 장치에 해당한다. 또한, 연료 전지 장치(110)가 가정용 소형 전원으로서 사용되는 경우에는, 전구나 가정용 전기 장치 등이 부하 장치에 해당한다.
또, 연료 전지 본체(111)를 과전류 상태로 하기 위해, 연료 전지 본체(111)의 출력 단자 사이의 스위칭 소자를 배치하고, 그 스위치 소자를 ON 상태로 하여 단락시키도록 할 수도 있으며, 또한, 연료 전지 본체(111)를 과전류 상태로 하기위해서, 연료 전지 본체(111)의 출력 단자 사이를 저 저항 소자로 접속하도록 구성해도 좋다.
이어서 도 12를 참조하여 공기 공급 제어부(l16)의 동작의 하나의 예에 대해 설명한다. 도 12의 세로축은 부하 전류 일정 시에서의 연료 전지 본체의 출력 전압 (Vout)이며, 횡축은 시간(t)이다. 도 11의 연료 전지 장치(110)에서는 당초 전압 (Vout)이 비교적 크게 유지되어 있지만, 가동 상태가 계속되어 가는 동안에 사용 환경에 의해 연료 전지 본체(111) 표면의 전극의 건조화가 진전되는 일이 있다. 그 결과, 연료 전지 본체(111)의 출력 전압(Vout)은 서서히 내려가기 시작하여, 어느 시점(t0)에서 임계값 전압(Vth)을 밑돌게 된다. 이 임계값 전압(Vth)은, 연료 전지 본체(l11)의 연료 전지의 출력이 저하한 것을 나타내는 기준 레벨이며, 제어 유닛 (113) 측에서 연료 전지 본체(111)의 출력 전압(Vout)이 임계값 전압(Vth)을 밑도는 것이 판별되면, 연료 전지 본체(111)의 연료 전지의 출력이 저하한 것을 제어 유닛(113)이 검지되게 되어, 기능 회복을 위한 동작을 행한다. 구체적으로는, 제어 유닛(113)으로부터 공기 공급 제어부(l16)에 신호를 보내고, 예를 들면 공기 공급 제어부(116)로부터 보내지는 공기를 일시적으로 정지시킨다.
공기 공급 제어부(l16)를 송풍 정지 상태에 천이시킴으로써 연료 전지 본체 (111)의 표면에서는 수분의 증발이 억제되게 되어, 건조화된 연료 전지 본체(111)의 표면을 단시간 동안에 습윤 상태로 되돌리는 것이 가능하다. 이 공기 공급 제어부(116)를 송풍 정지 상태에 있는 경우, 연료 전지에는 부하 전류가 흐르고 있으며, 이온 교환에 의한 산소 원자의 취입으로 인해 수분이 발생한다. 그 때문에 연료 전지 본체(111)의 표면을 극히 단시간에 습윤 상태로 되돌릴 수가 있다. 이와 같이 공기 공급 제어부(116)를 송풍 정지 상태로 하고 있는 동안에는, 후단의 부하 장치(115)에 대한 급전도 그대로는 문제가 되지만, 후술하는 바와 같은 플로팅 배터리나 커패시터 등의 전력 보상 수단을 일시적으로 사용함으로써, 부하 장치(115)로의 급전도 끊어지는 일이 없다.
공기 공급 제어부(116)를 송풍 정지 상태로 함으로써, 연료 전지 본체(111)의 출력 전압(Vout)은 급속하게 계속 내려가게 되지만, 도 12에서의 시점(t1)에서 출력 전압(Vout)은 전압(Vs)을 밑돌며, 여기까지의 출력 전압(Vout)의 저하가 제어 유닛(113) 측에 검지된다. 그 결과, 제어 유닛(113)은 연료 전지의 기능 회복을 위한 동작을 종료하기 위한 신호를 공기 공급 제어부(l16)로 보낸다. 이 신호에 따라 공기 공급 제어부(l16)는 그 장치의 모드를 송풍 정지 상태로부터 통상의 송풍 운전 상태로 천이시킨다.
또, 연료 전지 본체(111)의 건조 상태를 검출하는 파라미터로서는, 상기의 부하 전류 일정 시에 있어서의 연료 전지 본체의 출력 전압(Vout) 대신에 예를 들면 커런트 인터럽트법을 이용하여 내부 저항값(r)을 사용할 수가 있다. 이 경우, 내부 저항값(r)이 어떤 값을 넘었을 경우에 상기와 같은 제어에 의해 연료 전지 본체(111)는 송풍 정지 상태에 있기 때문에, 단시간 동안에 건조화된 연료 전지 본체 (111)의 표면을 습윤 상태로 되돌리는 것이 가능하다.
이와 같이 본 실시의 형태의 연료 전지 장치(110)에서는, 연료 전지 본체 (111)로부터의 출력 전압(Vout)이 임계값 전압(Vth) 이하로 저하했을 때{내부 저항값을 사용한 경우에는 내부 저항값(rth) 이상으로 증가했을 때}에, 공기 공급 제어부(116)를 송풍 정지 상태로 하여 연료 전지 본체(111)를 과전류 상태로 하는 제어가 행해지고, 그 제어에 의해 강제적이고 일시적인 전극의 보습 상태의 회복이 행해진다. 그 때문에 장시간 등의 운전 시나 기동 시 등에 있어서, 연료 전지 본체 (111) 표면의 수분이 불량이고, 정격의 출력 전압을 얻을 수 없게 된 경우에서도, 비교적 단시간에 연료 전지의 출력 특성을 회복시킬 수가 있다. 또한, 본 실시의 형태의 연료 전지 장치(110)에서는, 공기 공급 제어부(116)를 송풍 정지 상태로 하고 있는 동안은, 출력 전압도 저하한다는 점에서, 후술하는 바와 같은 플로팅 배터리나 커패시터 등의 전력 보상 수단을 일시적으로 사용할 수가 있다.
[제 5의 실시의 형태]
이어서, 본 발명의 연료 전지 장치의 보다 상세한 실시의 형태에 대해, 도 13 내지 도 15를 참조하면서 설명한다. 먼저, 본 실시의 형태의 연료 전지 장치는, 도 13에 도시하는 바와 같이, 예를 들면 복수의 MEA와 같은 발전체를 적층한 구조의 연료 전지 본체(171)를 가지고, 더욱이 부하의 제어를 행하기 위한 제어 유닛 (173)과, 연료 전지 본체(171)에 접속하여 그 연료 전지 본체(171)에 가해지는 부하의 값을 가변되게 하는 부하 제어부로서 스위칭 소자(178) 및 저항 소자(177)로 이루어지는 저 저항화 회로부와, 다이오드(179) 및 플로팅 배터리(180)로 이루어지는 전원 보상 회로부를 가지고 있다. 이 부하 제어부를 개재하여 연료 전지 본체(171)에는 해당 연료 전지 본체(171)에서 발생한 기전력이 공급되는 부하 장치 (175)가 접속되며, 더욱이 연료 전지 본체(171)에는 연료 유체를 공급하기 위한 수소 공급 장치(l72)가 접속되어 있다. 또한, 연료 전지 본체(171)에는, 공기를 공급함과 동시에 여분의 수분을 증발시키기 위한 공기 공급 제어부로서 공기 공급 컴프레서(176)가 접속된다. 이 공기 공급 컴프레서(176)는 도 11의 공기 공급 제어부 (l16)로서 기능한다.
연료 전지 본체(171)는, 상술한 바와 같이, 전해질막을 연료측 전극과 산소측 전극으로 협지한 MEA를 적층하고 있으며, 연료측 전극에 수소를 공급하고, 산소측 전극에 공기를 공급함으로써 기전력을 한 쌍으로 출력 단자 사이에 발생시킨다. 연료 전지 본체(171)에는, 수소 공급 장치(172)로부터 수소 등의 연료 유체가 가스 공급로(181)를 거쳐 공급되어, 연료 전지 본체(171)의 연료측 전극에 이 연료 유체가 보내진다.
공기 공급 컴프레서(176)는, 공기 공급 제어부로서 기능하는 장치로서, 예를 들면 팬, 펌프 등의 기압에 변화를 생기게 하는 기구로 이루어지며, 연료 전지 본체(171)의 산소측 전극의 표면에 공기 중에 포함되는 산소를 공급함과 동시에, 그 산소측 전극의 표면에 발생하는 수분을 공기를 보냄으로써 증발시키기 위한 장치이다. 이 공기 공급 컴프레서(176)는, 연료 전지 본체(171)와 일체적으로 형성되어 있어도 좋고, 별개의 부재로서 착탈되는 장치여도 좋다. 공기 공급 컴프레서(176)는, 공기 도입관(182)을 개재하여 연료 전지 본체(171)에 접속하고, 이 공기 도입관(l82)의 유출구 부근에는 연료 전지 본체(171)의 산소측 전극이 배설된다. 산소측 전극이 만일 물로 덮여 버린 경우에는, 그 이상의 산소의 취입이 불가능이 되어, 발전 특성이 저하하게 되지만, 공기 공급 컴프레서(176)를 설치함으로써 불필요한 수분이 증발되어 제거된다. 그 때문에 수분이 산소측 전극에서 과잉이 되어 출력 저하를 초래하는 것과 같은 문제는 미연에 방지된다. 또한, 연료 전지 본체 (171)에서는 기동 시나 장시간의 운전 시에 역으로 연료 전지 본체(171)가 건조화되어 버리며, 그 결과, 전해질막에서의 이온 교환의 효율이 저하할 우려가 있지만, 본 실시의 형태의 연료 전지 장치에서는, 일시적으로 연료 전지 본체(171)를 송풍 정지 상태로 할 수가 있기 때문에, 연료 전지 본체(171)의 건조 상태를 해결하는 것도 가능하다. 연료 전지 본체(171)에 공급된 공기는 공기 배기관(183)을 거쳐 연료 전지 본체(171)의 외부로 배출된다.
부하 장치(175)는 해당 연료 전지 장치에서 발생한 기전력이 공급되는 장치이며, 예를 들면, 해당 연료 전지 장치가 탑재되는 장치가 PC인 경우에는, 그 PC의 전원으로서 해당 연료 전지 장치가 사용되기 때문에, 부하 장치(175)는 내부 회로 및 주변장치 등이다. 또한, 연료 전지 장치가 자동차 등의 수송용 기계에 탑재될 경우에는, 부하 장치는 추진력을 가져오는 모터 등의 장치에 해당한다. 또한, 연료 전지 장치가 가정용 소형 전원으로서 사용되는 경우에는, 전구나 가정용 전기 장치 등이 부하 장치(175)에 해당한다.
도 13에서, 제어 유닛(173)은, 연료 전지 본체(171)의 출력 또는 내부 저항 상태를 모니터하면서, 이어서 설명하는 공기 공급 컴프레서(176) 및 부하 제어부의 저 저항화 회로부와 전원 보상 회로부를 제어하기 위한 장치이다. 연료 전지 본체(171)의 출력 또는 내부 저항의 상태는, 연료 전지 즉 MEA의 출력 단자로부터의 신호화된 정보에 의해 감시된다. 도 13의 장치에서는, 연료 전지 본체(171)의 출력 또는 내부 저항의 상태를 모니터하는 방법을 이용하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 각 전극이나 전해질막의 습윤도를 직접 모니터하도록 하는 것도 가능하고, 온도나 기압 센서 등을 사용하거나 혹은 출력 센서와 병용하거나 하는 것도 가능하다. 또, 제어 유닛(173)은, 공기 공급 컴프레서(176)의 운전 상황을 직접 모니터 하는 것도 가능하다.
발전 기능을 회복시키기 위해서 공기 공급 컴프레서(176)의 작동을 제어하는 경우에서는, 연료 전지 본체(171)에 전류를 흘려보내 물을 생성시킨다. 즉, 공기 공급 컴프레서(176)의 작동을 정지시킴으로써 수분의 증발을 막을 수가 있으며, 동시에, 전해질막에 생성수를 신속하게 침투시킬 수가 있다. 이 공기 공급 컴프레서 (176)의 송풍 정지는, 비교적으로 짧은 기간으로 좋고, 발전 성능을 신속히 회복시킬 수가 있다. 또한, 제어 유닛(173)은, 부하 장치(175)의 전력 소비 상태나 필요도에 대한 정보도 수취하고, 그들 정보에 의거하여 낭비가 적은 고효율의 발전을 실현시킬 수가 있다.
이와 같은 공기 공급 컴프레서(176)의 송풍 동작의 제어에 더하여, 본 실시의 형태의 연료 전지 장치는, 연료 전지 본체(171)에 가해지는 부하 전류의 값을 가변되게 하는 부하 제어부로서, 스위칭 소자(178) 및 저항 소자(177)로 이루어지는 저 저항화 회로부와, 다이오드(179) 및 플로팅 배터리(180)로 이루어지는 전원 보상 회로부를 가지고 있다. 저 저항화 회로부를 구성하는 스위칭 소자(178)와 저항 소자(177)는, 상술한 제어 유닛(173)으로부터의 신호에 따라 작동하는 회로이고, 예를 들면 스위칭 소자(178)로서는 본 실시의 형태에서의 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 반도체 소자나, 또는 릴레이 등을 사용해도 좋다. 저항 소자(177)는, 부하 장치(175)와 비교하여 극히 작은 저항값을 가지며, 전류가 흘렀을 경우에 양단에서 발생하는 전위차는 작은 값으로 된다. 연료 전지 본체(171)의 출력 단자의 플러스 단자와 마이너스 단자 사이에 스위칭 소자(178)와 저항 소자 (177)가 직렬로 접속되고, 스위칭 소자(178)의 게이트 전극이 온 측으로 제어되면, 스위칭 소자(178)가 도통 상태로 되어, 연료 전지 본체(171)의 출력 단자에 가해지는 부하 전류가 증가한다.
부하 제어부의 전원 보상 회로부는, 다이오드(179) 및 플로팅 배터리(180)로 이루어지며, 다이오드(179)는 연료 전지 본체(171)의 출력이 저하한 경우에 있어서의 정류기로서 기능한다. 플로팅 배터리(180)는, 연료 전지 본체(l71)의 출력 단자의 플러스 단자와 마이너스 단자 사이가 스위칭 소자(178)와 저항 소자(177)로 이루어지는 저 저항화 회로부의 작동에 따라 저 저항화했을 때에, 연료 전지 본체 (171) 대신에 부하 장치(175)에 대한 전원으로서 기능하는 소자이다. 플로팅 배터리(180)의 플러스 단자가 다이오드(179)를 개재하여 연료 전지 본체(171)의 출력 단자의 플러스 단자에 접속됨과 동시에 부하 장치(175)의 플러스 단자 측에 접속되고, 플로팅 배터리(180)의 마이너스 단자가 연료 전지 본체(171)의 출력 단자의 마이너스 단자에 접속됨과 동시에 부하 장치(175)의 마이너스 단자 측에 접속된다. 이 플로팅 배터리(180)는, 스위칭 소자(178)가 온 상태인 경우, 그 기전력으로 부하 장치(175)를 구동한다. 또, 플로팅 배터리(180) 대신에 커패시터 등을 사용해도 좋다.
도 14는 도 13의 연료 전지 장치의 동작을 설명하기 위한 타임차트의 하나의 예이며, 연료 전지의 부하 전류 일정시의 출력 전압을 건조 상태의 파라미터로서 검출에 사용한 예이다. 가로축은 시간(t)이고, 세로축은 부하 전류 일정시의 셀 전압(Vcell)을 나타내고 있다. 셀 전압(Vcell)이 연료 전지 본체(171)의 출력 전압 (Vout)에 대응한다. 이 연료 전지 장치는, 그 연료 전지 본체(171)의 출력 전압 저하가 현저하게 되었을 경우에, 제어 유닛(173)이 그 출력 전압 저하를 검지하여, 어떤 값(예를 들면 도 12의 Vth) 이하라고 판단될 경우에는, 제어 유닛(173)으로부터의 신호에 의해 공기 공급 컴프레서(176)가 송풍 정지 상태로 제어된다.
발전 성능을 회복시킬 때에는, 먼저, 공기 공급 컴프레서(176)로부터의 공기 공급을 제어한다. 예를 들면, 연료 전지 본체(171)의 출력 전압이 저하한 상태에서는, 공기 공급 컴프레서(176)의 작동을 일단 정지시켜서 공기의 공급을 정지시키는 제어를 행할 수가 있다. 이와 같은 공기 공급 컴프레서(176)의 일단 정지에 의해, 수분의 증발을 막을 수가 있음과 동시에, 전해질막에 생성수를 신속하게 침투시킬 수가 있으며, 이들 수분의 증발 억제나 생성수의 전해질막으로의 침투에 의해 발전 성능을 신속히 회복시킬 수가 있다.
또한, 저 저항화 회로부의 저 저항화로의 천이에 의해, 연료 전지 본체(171)는 그 출력 단자 사이가 저 저항화 혹은 단락되었는가의 상태로 변화하며, 연료 전지 본체(171)에는 큰 과전류가 흐르게 된다. 이 연료 전지 본체(171)를 흐르는 과전류에 의해, 산소측 전극에서는 활발하게 산소 원자가 수소 원자와 결합하여 생성수가 일시적으로 다량으로 발생하고, 출력 저하가 건조화에 의한 경우에는 전해질막을 신속하게 습윤 상태로 되돌리기 위해서 출력을 순간적으로 회복시키는 것이 가능하다.
연료 전지 본체(171)로의 공기 공급을 정지했을 때에는, 출력 단자의 전위차 즉 셀 전압(Vcell)도 급격하게 작아진다는 점에서, 도 14에 도시하는 바와 같이 비교적 짧은 시간에 필요한 전압{예를 들면 도 12의 전압(Vs)}을 밑돌고, 제어 유닛 (173)은 그 출력 전압이 필요한 전압보다도 저하한 것을 검지하여, 통상의 공기 공급 제어로 천이시킨다. 그러면, 공기 공급 제어부는 통상 상태로 되돌아와, 산소측 전극에 공기를 공급한다. 그 결과, 셀 전압(Vcell) 즉 출력 전압(Vout)도 반전하여 급격히 높아진다. 연료 전지 본체(171)의 출력 전압(Vout)이 다시 높아짐으로써, 플로팅 배터리(180)의 전압(Vb)을 넘게 되어, 연료 전지 본체(171)로부터 다시 부하 장치(175)에 대해서 전력의 공급이 행해진다. 이 단계에서는, 연료 전지 본체 (171)로의 공기 공급을 정지했을 때에 생성수가 다량으로 발생하여, 전해질막이 신속하게 습윤 상태가 된다는 점에서, 출력을 순간적으로 회복시킬 수가 있다.
도 14에서는, 더욱이 연료 전지 장치를 운전했을 경우에 대해서도 도시하고 있으며, 재차, 운전을 계속함으로써 동일한 출력 전압의 저하가 발생하면, 동일한 기능 회복을 위한 연료 전지 본체(171)로의 공기 공급을 정지할 수가 있으며, 마찬가지로 출력 전압을 향상시킬 수가 있다. 또한, 연료 전지 본체(171)에서의 공기 공급이 자기 가습 상태를 유지할 수 있는 정도라면, 출력 전압은 소정의 값으로 평형화하게 되어, 그 값으로 출력 전압을 유지하여 장시간 발전이 가능하다.
이어서, 도 13에 나타낸 본 실시의 형태의 연료 전지 장치를 작동시키는 각 수순의 하나의 예에 대해 도 15를 참조하면서 설명한다. 본 실시의 형태의 연료 전지 장치는, 출력 특성 또는 내부 저항 특성이 허용 범위 외가 되었을 때에 그것을 회복시키도록 동작한다. 본 예에서는, 연료 전지 장치의 운전을 개시한 직후의 기동 시와 개시 후 얼마간 경과한 시점의 운전 중에서는, 각각 허용 범위가 다르기 때문에, 다른 수순으로 처리를 진행시키도록 구성되어 있다. 이 수순은 제어 유닛의 판단을 수순화한 것이며, 예를 들면 도 13의 제어 유닛(173)에서의 CPU의 제어 수순이 도 15의 흐름도에 해당한다.
제어 수순으로서, 먼저, 수순 S31에서 현 단계가 연료 전지 장치의 운전을 개시한 직후의 기동 시와 개시 후 얼마간 경과한 시점의 운전 중의 어느 것인가가 판단된다. 이것은 제어 유닛(173)의 내부의 클록이나 타이머 등에 의해 모니터하는 것이 가능하지만, 다른 데이터, 예를 들면 부하 장치 측에서의 데이터를 사용해도 좋다.
이 수순 S31의 판단 결과가 기동 시라고 판단될 경우, 수순 S32로 진행되어 전압, 전류, 온도의 각 데이터가 연료 전지 본체(171)로부터 제어 유닛(173)으로 수취된다. 이어서, 이들 파라미터에 의해 데이터 취입에 있어서의 연료 전지 본체 (171)의 전압-전류 특성 또는 내부 저항 특성이 검지 혹은 산출되어 그 전압-전류초기 특성 또는 내부 저항 특성이 허용 범위 내에 있는지 여부가 수순 S33에서 판단된다. 만약, 데이터 취입에 있어서의 연료 전지 본체(171)의 전압-전류 초기 특성 또는 내부 저항 특성이 허용 범위 내에 있을 경우(YES), 수순 S34로 진행되고, 현재의 운전 상황은 양호한 것으로 하여, 현재의 부하 제어를 그대로 지속시켜, 처리를 종료한다.
데이터 취입에 있어서의 연료 전지 본체(171)의 전압-전류 초기 특성 또는 내부 저항 특성이 허용 범위 외라고 판단되는 경우(NO)에는, 수순 S35로 진행되어, 공기 공급 컴프레서(176)로부터의 공기 공급을 정지한다. 이러한 공기 공급 컴프레서(176)로부터의 공기 공급의 정지에 의해, 연료 전지 본체(171)의 산소측 전극에서 발생하는 수분의 증발이 억제된다. 이어서, 수순 S36으로 진행되어, 출력 전압 (Vout)이 전압(Vb)보다 저하했는지 여부가 판단된다. 여기서 전압(Vb)은, 상술한 플로팅 배터리(180)의 공칭(公稱) 전압(Vb)이지만, 그 제어나 미(微) 조정분을 고려하여, 다소 높은 편의 전압을 설정하거나, 낮은 편의 전압을 설정할 수도 있다. 출력 전압(Vout)이 전압(Vb)보다 저하해 있지 않은 경우(NO)에는, 공기 공급 컴프레서(176)로부터의 공기 공급의 정지를 계속시키면서(수순 S41), 수순 S36으로 되돌아오고, 다시 출력 전압(Vout)이 전압(Vb)보다 저하했는지 여부가 판단된다.
수순 S36에서 출력 전압(Vout)이 전압(Vb)보다 저하했는지 여부가 판단되고, 출력 전압(Vout)이 전압(Vb)보다 저하했을 경우(YES)에는, 부하 저항에 상기 부하를 가하는 제어가 행해지며(수순 S37), 스위칭 소자(178) 등의 파워 소자를 오프로부터 온으로 제어하여, 저 저항인 저항 소자(177)로 전류를 흘려보낸다. 이로 인해, 연료 전지 본체(171)의 산소측 전극에서는, 다량의 산소가 소비되어 수분으로 되어 가고, 그 생성수에 의해 전해질막의 습윤 상태가 얻어지게 된다. 따라서, 출력 저하가 건조화에 의한 경우에는 전해질막을 신속하게 습윤 상태로 되돌리기 위해 출력을 순간적으로 회복시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 그 기간에서는, 연료 전지 본체(171)로부터의 전력 공급을 할 수 없게 되기 때문에, 플로팅 배터리(180)의 전력을 부하 장치(175)가 임시적으로 사용할 수가 있어, 전력 제어에 수반하는 순단 등의 문제도 유효하게 회피할 수 있게 된다.
과부하 전류를 연료 전지 본체(171)로 흐르게 하기 위해서, 스위칭 소자 (178) 등의 파워 소자를 온에 제어한 후에는, 수순 S38로 진행되어, 출력 전압 (Vout)이 전압(Vs)보다 저하했는지 여부{내부 저항값(r)이 rs보다 저하했는지 여부}가 판단된다. 아직, 출력 전압(Vout)이 전압(Vs)보다 저하{내부 저항값(r)이 rs보다 저하)해 있지 않다고 판단될 경우(NO)에는, 수순 S41로 진행되고, 공기 공급 컴프레서(176)로부터의 공기 공급의 정지를 계속시키면서, 연료 전지 본체(171)를 흐르고 있는 과부하 전류가 그대로 유지되어, 다시 조건 판단을 행하는 수순 S36으로 되돌아온다.
수순 S38에서 출력 전압(Vout)이 전압(Vs)보다 저하하였다{내부 저항값(r)이 rs보다 저하하였다}라고 판단될 경우 (YES)에는, 이미 연료 전지 본체(171)에서 발생한 생성수에 의해 기능 회복을 한 것으로 하여, 수순 S39에서 해당 연료 전지 본체(171)를 흐르는 과부하 전류를 차단한다. 그 때문에 파워 소자 등의 스위칭 소자 (178)를 온 상태로부터 오프 상태로 제어한다. 이와 같이 스위칭 소자(178)를 오프상태에 제어함으로써, 저항 소자(177)를 흐르는 전류는 차단되며, 동시에 연료 전지 본체(171)를 흐르는 과부하 전류도 차단된다. 그 결과, 연료 전지 본체(171)에 가해지는 부하는 통상의 부하로 된다. 또한, 출력 전압(Vout)이 전압(Vs)보다 저하하였다{내부 저항값(r)이 rs보다 저하하였다}라고 판단될 경우(YES)에는, 공기 공급 컴프레서(176)로부터의 공기 공급도 재개되어(수순 S40), 처리를 종료한다. 도 15는 공기의 공급 제어와 부하 전류 제어를 조합했을 경우의 수순의 하나의 예를 소개하였지만, 공기 공급 제어만의 경우에서도 본 실시예가 된다. 즉, 수순 S36, S37, S39, 및 S41을 생략한 수순에서도 가능하다.
이어서, 운전 개시로부터 소요 시간 경과한 지점인 운전 중의 경우에는, 수순 S31에서 운전 중이라고 판단되게 되고, 수순 S42로 진행되어 전압, 전류, 온도의 각 데이터가 연료 전지 본체(171)로부터 제어 유닛(173)으로 수취된다. 이어서, 이러한 파라미터에 의해 데이터 취입에 있어서의 연료 전지 본체(171)의 전압- 전류 특성 또는 내부 저항 특성이 검지 혹은 산출되어 그 운전 중의 전압-전류 저하 특성 또는 내부 저항 특성이 허용 범위 내에 있는지 여부가 수순 S43에서 판단된다. 만약, 데이터 취입에 있어서의 연료 전지 본체(171)의 전압-전류 저하 특성 또는 내부 저항 특성이 허용 범위 내에 있는 경우(YES), 수순 S44로 진행되어, 현재의 운전 상황은 양호한 것으로 하여, 현재의 부하 제어를 그대로 지속시켜, 처리를 종료한다.
데이터 취입 시에 있어서의 연료 전지 본체(171)의 전압-전류 저하 특성 또는 내부 저항 특성이 허용 범위 외라고 판단될 경우(N0)에는, 수순 S35로 진행되어, 공기 공급 컴프레서(176)로부터의 공기 공급을 정지한다. 이와 같은 공기 공급 컴프레서(176)로부터의 공기 공급의 정지에 의해, 연료 전지 본체(171)의 산소측 전극에서 발생하는 수분의 증발이 억제된다. 이어서, 과부하 전류를 연료 전지 본체(171)에 흘려보내기 위해, 수순 S36으로 진행되어, 출력 전압(Vout)이 전압(Vb)보다 저하했는지 여부가 판단된다. 여기서 전압(Vb)은, 상술한 플로팅 배터리(180)의 공칭 전압(Vb)이지만, 그 제어나 미 조정분을 고려하여, 다소 높은 편의 전압을 설정하거나, 낮은 편의 전압을 설정할 수도 있다. 출력 전압(Vout)이 전압(Vb)보다 저하해 있지 않은 경우(NO)에는, 공기 공급 컴프레서(176)로부터의 공기 공급의 정지를 계속시키면서 수순 S41, 수순 S36으로 되돌아와서, 다시 출력 전압(Vout)이 전압(Vb)보다 저하했는지 여부가 판단된다.
수순 S36에서 출력 전압(Vout)이 전압(Vb)보다 저하했는지 여부가 판단되고, 출력 전압(Vout)이 전압(Vb)보다 저하했을 경우(YES)에는, 부하 저항에 전기 부하를 가하는 제어가 행해지고(수순 S37), 스위칭 소자(178) 등의 파워 소자를 오프로부터 온으로 제어하여, 저 저항인 저항 소자(177)로 전류를 흘려보낸다. 이로 인해 연료 전지 본체(171)의 산소측 전극에서는, 다량의 산소가 소비되어 수분으로 되어 가고, 그 생성수에 의해 전해질막의 습윤 상태가 얻어지게 된다. 따라서, 출력 저하가 건조화에 의한 경우에는 전해질막을 신속하게 습윤 상태로 되돌리기 때문에 출력을 순간적으로 회복시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 이 기간에서는, 연료 전지 본체(171)로부터의 전력 공급을 할 수 없게 되기 때문에, 플로팅 배터리(180)의 전력을 부하 장치(175)가 임시적으로 사용할 수가 있어, 전력 제어에 수반하는 순단 등의 문제도 유효하게 회피할 수 있게 된다.
과부하 전류를 연료 전지 본체(171)에 흘려보내기 위해, 스위칭 소자(178) 등의 파워 소자를 온으로 제어한 후에는, 수순 S38로 진행되어, 출력 전압(Vout)이 전압(Vs)보다 저하했는지 여부{내부 저항값(r)이 rs보다 저하했는지 여부}가 판단된다. 아직, 출력 전압(Vout)이 전압(Vs)보다 저하{내부 저항값(r)이 rs보다 저하}해 있지 않다고 판단될 경우(NO)에는, 수순 S41로 진행되어, 공기 공급 컴프레서 (176)로부터의 공기 공급의 정지를 계속시키면서, 연료 전지 본체(171)를 흐르고 있는 과부하 전류가 그대로 유지되어, 다시 조건 판단을 행하는 수순 S36으로 되돌아온다.
이 운전 중에서도, 기동 시와 마찬가지로, 수순 S38에서 출력 전압(Vout)이 전압(Vs)보다 저하하였다{내부 저항값(r)이 rs보다 저하하였다}라고 판단될 경우 (YES)에는, 이미 연료 전지 본체(171)에서 발생한 생성수에 의해 기능 회복이 행해진 것으로 하여, 수순 S39에서 해당 연료 전지 본체(171)를 흐르는 과부하 전류를 차단한다. 이 때문에 파워 소자 등의 스위칭 소자(178)를 온 상태로부터 오프 상태로 제어한다. 이와 같이 스위칭 소자(178)를 오프 상태로 제어함으로써, 저항 소자 (177)를 흐르는 전류는 차단되며, 동시에 연료 전지 본체(171)를 흐르는 과부하 전류도 차단된다. 그 결과, 연료 전지 본체(171)에 가해지는 부하는 통상의 부하로 된다. 또한, 출력 전압(Vout)이 전압(Vs)보다 저하하였다{내부 저항값(r)이 rs보다 저하하였다}라고 판단될 경우(YES)에는, 공기 공급 컴프레서(176)로부터의 공기 공급도 재개되어(수순 S40), 처리를 종료한다.
이상의 수순과 같이, 본 실시의 형태의 연료 전지 장치는, 연료 전지 본체로부터의 출력 특성인 전압-전류 특성 또는 내부 저항 특성이 허용 범위 내인지 여부가 판단되고, 허용 범위를 벗어났을 때에 공기 공급 컴프레서(176)로부터의 공기 공급이 정지되며, 더욱이 스위칭 소자를 온 상태로 제어하여 연료 전지 본체에 과부하 전류가 흐르게 된다. 또한, 과부하 전류가 흐르게 된 후에는, 마찬가지로 출력 전압 또는 내부 저항값을 참조하여 어떤 레벨을 밑돌았을 때에 스위칭 소자를 오프 상태로 제어하여 연료 전지 본체로의 과부하 전류가 정지된다.
따라서, 연료 전지 본체의 출력 특성의 회복을 비교적 단시간에 행할 수가 있고, 그 제어는 출력 특성을 모니터하면서 진행되기 때문에, 불필요하게 회복 작업을 행하는 것도 아니다. 특히, 연료 전지 본체로부터의 출력 특성인 전압-전류 특성 또는 내부 저항 특성이 허용 범위 내인지 여부는, 기동 시와 운전 중에서 다른 제어로 되며, 각각 전해질막의 상태가 미묘하게 다르다고 하더라도, 각각 적확한 제어를 행할 수가 있다.
또, 본 실시의 형태에서는, 출력 회복을 위한 기간에, 공기 공급 컴프레서 (176)로부터의 공기 공급은 정지되는 것으로 설명하였지만, 정지가 아니라 출력 회복을 위해 공기의 송풍량을 저하시켜, 회복 후에 원래대로 되돌리는 제어를 행하도록 해도 좋다. 또한, 도 15의 수순에서는, 공기 공급 컴프레서(176)로부터의 공기 공급을 제어한 후에, 연료 전지 본체를 흐르는 전류량을 조정하도록 구성하였지만, 연료 전지 본체를 흐르는 전류량을 조정한 후에, 공기 공급 컴프레서(176)로부터의 공기 공급을 제어해도 좋고, 공기 공급 컴프레서(176)로부터의 공기 공급을 제어하는 것만으로 구성해도 좋다.
[제 6의 실시의 형태]
이어서, 도 16을 참조하면서, 제 4의 실시의 형태에 관련되는 연료 전지 장치에 대해 설명한다. 도 16의 장치는, 예를 들면 복수의 MEA와 같은 발전체를 적층한 구조의 연료 전지 본체(211)를 가지고, 더욱이 공기 공급과 부하의 제어를 행하기 위한 제어 유닛(213)과, 연료 전지 본체(211)에 접속하여 그 연료 전지 본체 (211)에 가해지는 부하의 값을 가변되게 하는 부하 제어부로서 스위칭 소자(218) 및 저항 소자(217)로 이루어지는 저 저항화 회로부와, 다이오드(219) 및 플로팅 배터리(220)로 이루어지는 전원 보상 회로부를 가지고 있다.
이 부하 제어부를 개재하여 연료 전지 본체(211)에는 해당 연료 전지 본체 (211)에서 발생한 기전력이 공급되는 부하 장치(215)가 접속되며, 더욱이 연료 전지 본체(211)에는 연료 유체를 연료 도입관(223)을 거쳐 공급하기 위한 수소 공급 장치(212)가 접속되어 있다. 또한, 연료 전지 본체(211)에는, 산소를 공급함과 동시에 여분의 수분을 증발시키기 위한 공기 공급 컴프레서(216)가 접속된다. 공기 공급 컴프레서(216)로부터의 공기는 공기 도입관(224)을 거쳐 연료 전지 본체(211)에 도달되고 공기 배기관(222)을 거쳐 여분의 수분 등과 함께 배기된다.
공기 배기관(222)은, 연료 전지 본체(211)의 산소측 전극을 통과하여, 산소측 전극에서 발생한 여분의 수분을 증발시켜 배출하기 위한 유체로이다. 이 공기 배기관(222)에는, 특히 본 실시의 형태에 있어서, 해당 공기 배기관(222)에서의 공기의 유통을 차단할 수 있는 차단 밸브(221)가 설치되어 있다. 이 차단 밸브(221)는, 제어 유닛(213)으로부터의 신호에 따라 차단 상태와 유통 상태를 나타내며, 예를 들면, 연료 전지 본체(211)의 출력 특성이 저하했을 경우에는, 공기의 유통을 차단하기 위하여 차단 밸브(221)를 차단 상태로 천이시킨다. 차단 밸브(221)를 차단 상태로 천이시킴으로써, 연료 전지 본체(211)의 산소측 전극에서의 수분의 제거는 억제되게 되어, 생성수에 의해 전해질막의 습윤 상태가 신속하게 얻어지게 된다. 따라서, 출력 저하가 건조화에 의한 경우에는 출력을 순간적으로 회복시키는 것이 가능하다. 또, 이러한 도 16의 장치에서, 연료 전지 본체(211), 수소 공급 장치(212), 부하 장치(215), 및 공기 공급 컴프레서(216)는, 도 13에 도시하는 각각 대응하는 장치와 마찬가지의 구성을 가지고 있으며, 여기서는 간단하게 하기 위해 중복되는 설명을 생략한다.
도 16의 장치에서는, 제어 유닛(213)에 의해 공기 공급 컴프레서(216)의 공기 공급의 제어에 더하여, 공기 배기관(222)에 형성된 차단 밸브(221)에 의해서도 산소측 전극 표면의 공기의 유통을 제어할 수가 있으며, 공기 공급 컴프레서(216)의 정지 등이 바람직하지 않은 장치에서는, 차단 밸브(221)에 의해 확실한 제어를 도모할 수가 있다.
본 실시의 형태의 연료 전지 장치에서는, 출력 저하가 건조화에 의한 경우에는 전해질막을 신속하게 습윤 상태로 되돌리기 위해서 출력을 순간적으로 회복시키는 것이 가능하다. 또한, 이 기간에서는, 연료 전지 본체(211)로부터의 전력 공급을 할 수 없게 되지만, 플로팅 배터리(220)의 전력을 부하 장치(215)가 임시적으로 사용할 수가 있어, 전력 제어에 수반하는 순단 등의 문제도 유효하게 회피할 수 있게 된다.
[제 7의 실시의 형태]
이어서, 도 17을 참조하면서, 제 7의 실시의 형태에 관련되는 연료 전지 장치에 대해 설명한다. 도 17의 장치는, 예를 들면 복수의 MEA와 같은 발전체를 적층한 구조의 연료 전지 본체(231)를 가지며, 더욱이 공기 공급과 부하의 제어를 행하기 위한 제어 유닛(233)과, 연료 전지 본체(231)에 접속하여 이 연료 전지 본체 (231)에 가해지는 부하의 값을 가변되게 하는 부하 제어부로서 스위칭 소자(238) 및 저항 소자(237)로 이루어지는 저 저항화 회로부와, 다이오드(239) 및 플로팅 배터리(240)로 이루어지는 전원 보상 회로부를 가지고 있다.
이 부하 제어부를 개재하여 연료 전지 본체(231)에는 해당 연료 전지 본체 (231)에서 발생한 기전력이 공급되는 부하 장치(235)가 접속되며, 더욱이 연료 전지 본체(231)에는 연료 유체를 연료 도입관을 거쳐 공급하기 위한 수소 공급 장치 (232)가 접속되어 있다. 또한, 연료 전지 본체(231)에는, 산소를 공급함과 동시에 여분의 수분을 증발시키기 위한 공기 공급 컴프레서(236)가 접속된다. 공기 공급 컴프레서(236)로부터의 공기는 공기 도입관(242)을 거쳐 연료 전지 본체(231)에 도달되고 공기 배기관(241)을 거쳐 여분의 수분 등과 함께 배기된다.
공기 도입관(242)은, 연료 전지 본체(231)의 산소측 전극에 공기를 보내 주기 위한 유체로이다. 이 공기 도입관(242)에는, 특히 본 실시의 형태에 있어서, 해당 공기 배기관(241)에서의 공기의 유통을 차단할 수 있는 차단 밸브(243)가 설치되어 있다. 이 차단 밸브(243)는, 제어 유닛(233)으로부터의 신호에 따라 차단 상태와 유통 상태를 나타내며, 예를 들면, 연료 전지 본체(231)의 출력 특성이 저하했을 경우에는, 공기의 유통을 차단하기 위한 차단 밸브(243)를 차단 상태로 천이시킨다. 차단 밸브(243)를 차단 상태로 천이시킴으로써, 연료 전지 본체(231)의 산소측 전극에서의 수분의 제거는 억제되게 되어, 생성수에 의해 전해질막의 습윤 상태가 신속하게 얻어지게 된다. 따라서, 출력 저하가 건조화에 의한 경우에는 출력을 순간적으로 회복시키는 것이 가능하다. 또, 이 도 17의 장치에서, 연료 전지 본체(231), 수소 공급 장치(232), 부하 장치(235), 및 공기 공급 컴프레서(236)는, 도 13에 도시하는 각각 대응하는 장치와 마찬가지의 구성을 가지고 있으며, 여기서는 간단하게 하기 위해 중복되는 설명을 생략한다.
도 17의 장치에서는, 제어 유닛(233)에 의해 공기 공급 컴프레서(236)의 공기 공급의 제어에 더하여, 공기 도입관(242)에 형성된 차단 밸브(243)에 의해서도 산소측 전극 표면의 공기의 유통을 제어할 수가 있으며, 공기 공급 컴프레서(236)의 정지 등이 바람직하지 않은 장치에서는, 차단 밸브(243)에 의해 확실한 제어를 도모할 수가 있다.
본 실시의 형태의 연료 전지 장치에서는, 출력 저하가 건조화에 의한 경우에는 전해질막을 신속하게 습윤 상태로 되돌리기 위해 출력을 순간적으로 회복시키는 것이 가능하다. 또한, 이 기간에서는, 연료 전지 본체(231)로부터의 전력 공급을 할 수 없게 되지만, 플로팅 배터리(240)의 전력을 부하 장치(235)가 임시적으로 사용할 수가 있어, 전력 제어에 수반하는 순단 등의 문제도 유효하게 회피할 수 있게 된다.
[제 8의 실시의 형태]
이어서, 도 18을 참조하면서, 제 8의 실시의 형태에 관련되는 연료 전지 장치에 대해 설명한다. 도 18의 장치는, 예를 들면 복수의 MEA와 같은 발전체를 적층한 구조의 연료 전지 본체(251)를 가지며, 더욱이 공기 공급과 부하의 제어를 행하기 위한 제어 유닛(253)과, 연료 전지 본체(251)에 접속하여 그 연료 전지 본체 (251)에 가해지는 부하의 값을 가변되게 하는 부하 제어부로서 스위칭 소자(258) 및 저항 소자(257)로 이루어지는 저 저항화 회로부와, 다이오드(259) 및 플로팅 배터리(260)로 이루어지는 전원 보상 회로부를 가지고 있다.
이 부하 제어부를 개재하여 연료 전지 본체(251)에는 해당 연료 전지 본체 (251)에서 발생한 기전력이 공급되는 부하 장치(255)가 접속되며, 더욱이 연료 전지 본체(251)에는 연료 유체를 연료 도입관을 거쳐 공급하기 위한 수소 공급 장치 (252)가 접속되어 있다. 또한, 연료 전지 본체(251)는, 상술한 도 3이나 도 5와 같이 케이스 몸체의 내부에 수납되도록 구성되어 있으며, 그 케이스 몸체의 외부로부터 개구부(262)를 거쳐 공기를 취입하여 발전을 행하도록 구성되어 있다.
본 실시의 형태에서는, 개구부(262)에 근접하여 셔터(264)가 설치되어 있고, 제어 유닛(253)으로부터의 신호에 따라 이 셔터(264)가 개폐하여, 연료 전지 본체 (251)의 산소측 전극에 공기가 공급되는지 여부가 제어된다. 예를 들면 이 셔터 (264)가 닫혀져 있을 경우에는, 이 셔터(264)에 연속되는 공기 도입관(263)에 공기의 유입이 없어지고, 연료 전지 본체(251)의 산소측 전극에서의 수분의 제거는 억제되게 되어, 생성수에 의해 전해질막의 습윤 상태가 신속하게 얻어지게 된다. 따라서, 출력 저하가 건조화에 의한 경우에서는 출력을 순간적으로 회복시키는 것이 가능하다. 또, 도 18의 장치에서, 연료 전지 본체(251), 수소 공급 장치(252), 및 부하 장치(255)는, 도 13에 도시하는 각각 대응하는 장치와 마찬가지의 구성을 가지고 있으며, 여기서는 간단하게 하기 위해 중복되는 설명을 생략한다.
도 18의 장치에서는, 제어 유닛(253)에 의해 공기 공급 컴프레서(236)의 공기 공급의 제어에 더하여, 개구부(262)에 근접하여 배설되는 셔터(264)에 의해서도 산소측 전극 표면의 공기의 유통을 제어할 수가 있고, 공기 공급 컴프레서(236)의 정지 등이 바람직하지 않은 장치에서는, 셔터(264)에 의해 확실한 제어를 도모할 수가 있다.
본 실시의 형태의 연료 전지 장치에서는, 출력 저하가 건조화에 의한 경우에서는 전해질막을 신속하게 습윤 상태로 되돌리기 위해 출력을 순간적으로 회복시키는 것이 가능하다. 또한, 이 기간에서는, 연료 전지 본체(251)로부터의 전력 공급을 할 수 없게 되지만, 플로팅 배터리(260)의 전력을 부하 장치(255)가 임시적으로 사용할 수가 있어, 전력 제어에 수반하는 순단 등의 문제도 유효하게 회피할 수 있게 된다.
또, 상술한 실시의 형태에서는, 연료 전지 본체에 과전류를 흘려보내기 위해서 한 쌍의 출력 단자 사이를 전기 회로로 단락시키거나 혹은 저 저항화시키도록 구성하고 있지만, 반드시 출력 단자의 저항값을 조작하는 방법에 한정되지 않고, MEA 자체나 집전체 등에 연료측 전극과 산소측 전극 사이를 단락 또는 저 저항화하는 수단을 형성해도 좋고, 또한, 그 단락 또는 저 저항화하는 수단은 단수에 한하지 않고 복수 설치하도록 해도 좋다. 또한, 전해질막에서 균일한 기능 회복 처리를 도모하기 위해, 연료 전지 본체에 과전류를 흘려보내기 위한 전용의 배선을 행하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시의 형태에서는, 연료 전지 본체의 출력 전압 등을 모니터하면서, 소정의 출력 특성 회복 동작을 행하는 예에 대해 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 타이머 등에 의해 자동적으로 소정의 출력 특성 회복 동작을 행하는 것도 가능하며, 특히 기동시 등에서는 타이머를 이용해도 양호한 결과가 얻어지게 된다. 또한, 연료 전지 본체가 복수의 발전체로 이루어지는 경우에서는, 발전체 전부에 한 번에 과전류 처리를 행하도록 하는 것도 가능하지만, 과전류를 인가시키는 발전체를 시간적으로 어긋나도록 하여 차례대로 처리하도록 하는 것도 가능하다.
또, 본 발명에서는, 연료 전지, 연료 전지 카드를 탑재하는 기기로서 노트형 PC에 대해 설명하였지만, 다른 사용예로서, 본 발명은, 프린터나 팩시밀리, PC용 주변기기, 전화기, 텔레비전 수상기, 화상 표시 장치, 통신기기, 휴대단말, 카메라, 오디오 비디오 기기, 선풍기, 라디오, 시계, 냉장고, 헤어드라이어, 다리미, 폿트(pot), 청소기, 전기밥솥, 전자조리기, 조명기구, 게임기나 무선 조종 카 등의 완구, 전동 공구, 의료기기, 측정기기, 차량 탑재용 기기, 사무기기, 건강 미용 기구, 전자 제어형 로봇, 의류형 전자기기, 각종 전동기기, 차량, 선박, 항공기 등의 수송용 기계, 가정용 혹은 사업용 발전 장치, 그 외의 용도에 사용할 수 있는 것이다. 특히 본 발명은, 비교적 간단한 기구라도 좋다는 점에서, 소형 휴대 기기용의연료 전지에도 매우 바람직하게 사용된다. 소형 휴대 기기에는, 랩탑 컴퓨터, PDA, 휴대전화, CD, MD 등의 휴대용 음향 기기, 휴대용 DVDㆍ디지탈카메라ㆍ디지털 비디오 카메라 등의 휴대용 영상 기기 등이 있다.
또한, 본 발명에서는, 연료로서 주로 수소 가스를 사용하는 예에 대해 설명하였지만, 이른바 다이렉트 메탄올 방식에 대응하여 메탄올(액체) 등의 알코올을 연료로 하는 구성으로 해도 좋다.
본 발명의 연료 전지 장치 및 연료 전지의 제어 방법에 의하면, 연료 전지에 가해지는 부하를 이 연료 전지의 출력 상태 또는 내부 저항 상태에 따라 변화시키고, 그 출력 전압을 낮게 제어했을 경우에는, 출력 전류가 커져서 산소측 전극에 서의 반응이 활발화되어 생성수의 발생량이 증대한다. 그 생성된 물은 산소 전극의 건조화를 억제함과 동시에 전해질의 적정한 습윤 상태를 형성할 수 있게 되어, 출력 특성을 순간적으로 회복시킬 수가 있다.
또한, 본 발명의 연료 전지 장치 및 연료 전지의 제어 방법에 의하면, 공기 공급 제어부에 의한 공기 공급량을 그 연료 전지의 출력 또는 내부 저항 상태에 따라 변화시키고, 연료 전지 표면의 수분의 증발량을 억제하도록 제어함으로써, 산소측 전극의 건조화를 억제함과 동시에 적정한 습윤 상태를 제공할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 연료 전지 장치 및 연료 전지의 제어 방법에 의하면, 출력 특성을 비교적 짧은 시간에 회복시킬 수가 있다.

Claims (52)

  1. 산소 전극과, 연료 전극과, 상기 산소 전극과 상기 연료 전극에 협지(挾持)되는 전해질로 이루어지는 발전체(發電體)를 가지는 연료 전지에 있어서, 연료 전지의 출력 전압이 제 1의 소정 값 이하로 되었을 때에, 상기 산소 전극과 상기 연료 전극을 전기적으로 접속하여 전류를 흘려보내는 바이패스(bypass) 회로를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1의 소정 값은, 발전체 1개 당, 0.01V 이상, 0.8V 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1의 소정 값은, 평상시의 기전력보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1의 소정 값은, 통상의 기전력의 1%∼95%로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 바이패스 회로의 접속 후, 더욱이, 상기 출력 전압이 제 2의 소정 값 이상으로 되었을 때, 상기 바이패스 회로가 전기적으로 절단되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 바이패스 회로가 전기적으로 접속되어 있는 동안, 전력 소비 기기에 전력을 공급하기 위한, 1차 전지, 2차 전지, 콘덴서, 다른 연료 전지를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  7. 산소 전극과, 연료 전극과, 상기 산소 전극과 상기 연료 전극에 협지되는 전해질로 이루어지는 발전체를 가지는 연료 전지에 있어서,
    상기 산소 전극과 상기 연료 전극을 전기적으로 접속하여, 연료 전지의 출력 전압이 제 1의 소정 값 이하로 되었을 때에 저항을 작게 하는 가변 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 출력 전압이 제 2의 소정 값 이상으로 되었을 때, 상기 가변 저항의 저항을 더 크게 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 가변 저항의 저항이 작아지고 있는 동안, 전력 소비 기기에 전력을 공급하기 위한, 1차 전지, 2차 전지, 콘덴서, 다른 연료 전지를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  10. 연료 전지의 기전력을 측정하는 공정과, 상기 기전력이 제 1의 소정 값 이하로 되었을 때, 상기 연료 전지에 가해지는 부하를 통상보다 크게 하는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 기전력이 제 2의 소정 값 이상으로 되었을 때, 상기 연료 전지에 가해지는 부하를 통상으로 되돌리는 공정을 더 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
  12. 연료 전지의 기전력을 측정하는 공정과, 상기 기전력이 제 1의 소정 값 이하로 되었을 때, 상기 연료 전지에 공급하는 공기 또는 산소를 감소 또는 차단시키는 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 기전력이 제 2의 소정 값 이상으로 되었을 때, 상기 연료 전지에 가해지는 부하를 통상으로 되돌리는 공정을 더 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
  14. 전해질을 연료 전극과 산소 전극으로 협지하여 연료를 상기 연료측 전극에 공급함과 동시에 공기 또는 산소를 상기 산소 전극에 공급함으로써 기전력을 발생시키는 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 접속되고 상기 연료 전지에 가해지는 부하를 그 연료 전지의 출력 또는 내부 저항의 상태에 따라 가변되게 하는 부하 제어부를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 연료 전지는 자기(自己) 가습형(加濕型) 연료 전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 연료 전지는 대기(大氣) 개방형의 연료 전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  17. 제 14항에 있어서, 상기 부하 제어부는 상기 연료 전극과 상기 산소 전극 사이에 접속되고, 상기 양(兩) 전극 사이의 부하 저항값을 변화시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  18. 제 14항에 있어서, 상기 부하 제어부는 상기 연료 전지에 과(過)전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  19. 제 14항에 있어서, 상기 부하 제어부는 상기 연료 전극과 상기 산소 전극 사이에 접속되는 스위치를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  20. 제 14항에 있어서, 상기 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성 정보에 의거하여,
    상기 부하 제어부는 그 출력 특성 또는 내부 저항 특성이 소정 범위로부터벗어났을 경우에 부하 저항값을 변화시키도록 동작하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 부하 제어부의 상기 부하 저항값은, 상기 출력 특성 또는 내부 저항 특성이 소정 범위로부터 벗어난 경우에 낮게 제어되고, 이어서 출력 특성 또는 내부 저항 특성이 소정의 임계값(threshold value)보다도 내려갔을 때에, 상시(常時)의 저항값으로 되돌려지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  22. 제 14항에 있어서, 상기 부하 제어부의 작동에 의해 상기 연료 전지의 상기 전해질의 수분이 증가하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  23. 제 14항에 있어서, 상기 부하 제어부는, 상기 연료 전지에 과전류를 인가하는 기간에, 전력 소비 기기에 대해, 대신 전력을 공급하는 전력 대체 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  24. 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성을 감시하는 수순(手順)과,
    상기 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성이 변화한 경우에, 그 특성의 변화에 따라 그 연료 전지를 흐르는 전류량 또는 이동하는 이온량을 제어하는 수순을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
  25. 연료 전지의 출력 특성을 감시하는 수순과,
    상기 연료 전지의 출력 특성이 저하한 경우에, 그 연료 전지를 흐르는 전류량 또는 이동하는 이온량을 상시에 비해 증가시키는 제어를 하는 수순을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
  26. 연료 전지의 내부 저항 특성을 감시하는 수순과,
    상기 연료 전지의 내부 저항값이 증가한 경우에, 그 연료 전지를 흐르는 전류량 또는 이동하는 이온량을 상시에 비해 증가시키는 제어를 하는 수순을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
  27. 제 24항에 있어서, 상기 연료 전지를 흐르는 전류를 상시에 비해 증가시키도록 제어한 후, 상시의 상기 전류로 되돌리는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
  28. 제 24항에 있어서, 상기 연료 전지의 출력 또는 내부 저항 특성의 감시는, 기동 시와 운전 중에서 다른 감시 상태로 되는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
  29. 제 24항에 있어서, 상기 연료 전지를 흐르는 전류를 상시에 비해 증가시키도록 제어했을 때, 상기 연료 전지의 상기 전해질의 수분이 증가하는 것을 특징으로하는 연료 전지의 제어 방법.
  30. 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성을 감시하는 출력 특성 또는 내부 저항 특성 감시 수단과,
    상기 연료 전지를 흐르는 전류량 또는 이동하는 이온량을 제어하는 연료 전지 전류 제어 수단을 가지며,
    상기 연료 전지 전류 제어 수단은, 상기 출력 특성 또는 내부 저항 특성 감시 수단에 의해 감시되는 출력 특성 또는 내부 저항 특성의 변화에 따라, 상기 연료 전지를 흐르는 전류량 또는 이동하는 이온량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  31. 연료 전지의 출력 특성을 감시하는 출력 특성 감시 수단과,
    상기 연료 전지를 흐르는 전류량 또는 이동하는 이온량을 제어하는 연료 전지 전류 제어 수단을 가지며,
    상기 연료 전지 전류 제어 수단은, 상기 특성 감시 수단에 의해 감시되는 출력 특성이 소정의 값보다 저하했을 경우에, 상기 연료 전지를 흐르는 전류량 또는 이동하는 이온량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  32. 연료 전지의 내부 저항 특성을 감시하는 내부 저항 특성 감시 수단과,
    상기 연료 전지를 흐르는 전류량 또는 이동하는 이온량을 제어하는 연료 전지 전류 제어 수단을 가지며,
    상기 연료 전지 전류 제어 수단은, 상기 내부 저항 특성 감시 수단에 의해 감시되는 내부 저항 특성이 소정의 값보다 증가했을 경우에, 상기 연료 전지를 흐르는 전류량 또는 이동하는 이온량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  33. 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성의 변화를 감시하는 출력 특성 또는 내부 저항 특성 변화 감시 수단과,
    상기 연료 전지를 흐르는 전류량 또는 이동하는 이온량을 제어하는 연료 전지 전류 제어 수단을 가지며,
    상기 연료 전지 전류 제어 수단은, 상기 출력 특성 또는 내부 저항 특성 변화 감시 수단에 의해 감시되는 출력 특성 또는 내부 저항 특성의 변화에 따라, 상기 연료 전지를 흐르는 전류량 또는 이동하는 이온량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  34. 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성의 변화를 감시하는 출력 특성 또는 내부 저항 특성 변화 감시 수단과,
    상기 연료 전지를 흐르는 전류량 또는 이동하는 이온량을 제어하는 연료 전지 전류 제어 수단을 가지며,
    상기 연료 전지 전류 제어 수단은, 상기 출력 특성 또는 내부 저항 특성 변화 감시 수단에 의해 감시되는 출력 특성 또는 내부 저항 특성의 변화가 소정 값을 넘었을 경우에, 상기 연료 전지를 흐르는 전류량 또는 이동하는 이온량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  35. 전해질을 연료 전극과 산소 전극으로 협지하여 연료를 상기 연료 전극에 공급함과 동시에 공기 또는 산소를 상기 산소 전극에 공급함으로써 기전력을 발생시키는 연료 전지와,
    상기 연료 전지의 산소 전극에 공급되는 공기의 공급량을 그 연료 전지의 출력 또는 내부 저항 상태에 따라 가변시키는 공기 공급 제어부를 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  36. 제 35항에 있어서, 상기 연료 전지는 자기 가습형 연료 전지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  37. 제 35항에 있어서, 상기 공기 공급 제어부는 상기 연료 전지에 대해 강제적으로 공기를 보내는 강제 송풍 기구부를 가지고, 그 강제 송풍 기구부를 운전 및 정지시킴으로써 상기 산소 전극에 공급되는 공기의 공급량을 가변시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  38. 제 35항에 있어서, 상기 공기 공급 제어부는 공기가 통과하는 개구부를 가지며, 그 개구부의 면적을 변화시킴으로써 공기의 공급량을 가변시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  39. 제 35항에 있어서, 상기 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성 정보에 의거하여 상기 공기 공급 제어부는 그 출력 특성 또는 내부 저항 특성이 소정 범위로부터 벗어난 경우에 공기의 공급량을 변화시키도록 동작하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  40. 제 39항에 있어서, 상기 공기 공급 제어부에 의한 공기의 공급량은 상기 출력 특성 또는 내부 저항 특성이 소정 범위로부터 벗어난 경우에 낮아지도록 제어되고, 이어서 출력 특성 또는 내부 저항 특성이 소정의 임계값보다도 내려갔을 때에, 상시의 공기의 공급량으로 되돌려지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  41. 제 39항에 있어서, 상기 공기 공급 제어부가 공기의 공급량을 변화시키도록 동작할 때에, 상기 연료 전지의 상기 전해질의 수분이 증가하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  42. 제 35항에 있어서, 상기 공기 공급 제어부는, 공기의 상기 공급량을 낮게 억제한 기간에, 전력 소비 기기에 대해서 대신 전력을 공급하는 전력 대체 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  43. 연료 전지의 출력 특성을 감시하는 수순과,
    상기 연료 전지의 출력 특성이 저하한 경우에 그 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 상시에 비해 작아지도록 제어하는 수순을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
  44. 연료 전지의 내부 저항 특성을 감시하는 수순과,
    상기 연료 전지의 내부 저항 특성이 증가한 경우에 그 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 상시에 비해 작아지도록 제어하는 수순을 가지는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
  45. 제 43항 또는 제 44항에 있어서, 상기 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 상시에 비해 작아지도록 제어한 후, 상시의 공기의 공급량으로 되돌리는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
  46. 제 43항 또는 제 44항에 있어서, 상기 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성의 감시는, 기동시와 운전 중에서 다른 감시 상태로 되는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
  47. 제 43항 또는 제 44항에 있어서, 상기 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 상시에 비해 작아지도록 제어했을 때, 상기 연료 전지의 상기 전해질의 수분이 증가하는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 제어 방법.
  48. 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성을 감시하는 출력 특성 또는 내부 저항 특성 감시 수단과,
    상기 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 상시에 비해 작아지도록 제어하는 공기 공급량 제어 수단을 가지며,
    상기 공기 공급량 제어 수단은, 상기 출력 특성 또는 내부 저항 특성 감시 수단에 의해 감시되는 출력 특성 또는 내부 저항 특성의 변화에 따라, 상기 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  49. 연료 전지의 출력 특성을 감시하는 출력 특성 감시 수단과,
    상기 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 상시에 비해 작아지도록 제어하는 공기 공급량 제어 수단을 가지며,
    상기 공기 공급량 제어 수단은, 상기 특성 감시 수단에 의해 감시되는 출력 특성이 소정의 값보다 저하한 경우에, 상기 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  50. 연료 전지의 내부 저항 특성을 감시하는 내부 저항 특성 감시 수단과,
    상기 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 상시에 비해 작아지도록 제어하는 공기 공급량 제어 수단을 가지며,
    상기 공기 공급량 제어 수단은, 상기 내부 저항 특성 감시 수단에 의해 감시되는 내부 저항 특성이 소정의 값보다 증가한 경우에, 상기 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  51. 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성의 변화를 감시하는 출력 특성 또는 내부 저항 특성 변화 감시 수단과,
    상기 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 상시에 비해 작아지도록 제어하는 공기 공급량 제어 수단을 가지며,
    상기 공기 공급량 제어 수단은, 상기 출력 특성 또는 내부 저항 특성 변화 감시 수단에 의해 감시되는 출력 특성 또는 내부 저항 특성의 변화에 따라, 상기 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
  52. 연료 전지의 출력 특성 또는 내부 저항 특성의 변화를 감시하는 출력 특성 또는 내부 저항 특성 변화 감시 수단과,
    상기 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 상시에 비해 작아지도록 제어하는 공기 공급량 제어 수단을 가지며,
    상기 공기 공급량 제어 수단은, 상기 출력 특성 또는 내부 저항 특성 변화 감시 수단에 의해 감시되는 출력 특성 또는 내부 저항 특성의 변화가 소정 값을 넘은 경우에, 상기 연료 전지에 공급되는 공기의 공급량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지 장치.
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