JP2014073003A - 燃料電池と鉛蓄電池を含む燃料電池システム、およびその充電方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池システムを高コスト化することなく、充電時間を短縮すること、燃料電池システムに使用される鉛蓄電池を長寿命化すること、および、燃料電池の発電効率を向上させること、の少なくとも1つを可能とする。
【解決手段】本充電方法は、燃料電池に、第1所定流量AQの酸化剤を供給する工程、第2所定流量FQの燃料を供給する工程、鉛蓄電池を、充電電流Ibを一定にして充電する工程、電池電圧Ebの増大に伴って、燃料電池の出力電流Ifを増大させるとともに、出力電圧Efを減少させるように、出力電流Ifが上限電流値UIまで上昇すると、出力電流Ifを上限電流値UI以下とするように、電池電圧Ebの増大に応じて、充電電流Ibを逓減する工程、並びに、電池電圧Ebが第1基準電圧ER1に達する毎に、充電電流Ibを、第1電流Ib(1)から第n電流Ib(n)まで、(n−1)回、段階的に低減する工程を含む。
【選択図】図1
【解決手段】本充電方法は、燃料電池に、第1所定流量AQの酸化剤を供給する工程、第2所定流量FQの燃料を供給する工程、鉛蓄電池を、充電電流Ibを一定にして充電する工程、電池電圧Ebの増大に伴って、燃料電池の出力電流Ifを増大させるとともに、出力電圧Efを減少させるように、出力電流Ifが上限電流値UIまで上昇すると、出力電流Ifを上限電流値UI以下とするように、電池電圧Ebの増大に応じて、充電電流Ibを逓減する工程、並びに、電池電圧Ebが第1基準電圧ER1に達する毎に、充電電流Ibを、第1電流Ib(1)から第n電流Ib(n)まで、(n−1)回、段階的に低減する工程を含む。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池により発電された電力を鉛蓄電池に充電して、外部に供給するための燃料電池システムの充電制御に関する。
携帯電話、ノートPC、デジタルカメラ等のモバイル機器の高性能化に伴い、その電源として、高分子電解質膜を用いた高分子電解質型燃料電池が期待されている。高分子電解質型燃料電池(以下、単に「燃料電池」とする)の中でも、燃料としてメタノールなどの液体燃料を直接アノードへ供給する直接酸化型燃料電池は、小型軽量化に適しており、モバイル機器用電源やポータブル発電機として開発が進められている。
さらに、燃料電池は、発電効率が高く、一般的な発電機に比べて騒音や振動も少ないために、静音性が求められる民生用の中型の電源装置のエネルギ源としても期待されている。例えば、アウトドア・アクティビティに使用される電源装置に燃料電池を使用することが検討されている。燃料電池は、発電効率が高いことから、携行すべき燃料量を最小限度に抑えることができるとともに、発電時の騒音が小さいことから、住宅地に近い環境において、夜間等の使用も可能となる。
そして、燃料電池により発電された電力を有効利用するために、燃料電池を含む電源装置には、二次電池を含ませるのが好ましい。燃料電池は、起動されてから運転状態が安定するまでの間は発電効率が低下することがあり、発電中も、負荷の変動に即応して発電量を調整するのが困難なことがあるからである。
そして、例えばアウトドア・アクティビティに使用される中型の電源装置の場合には、燃料電池システムに含ませる二次電池として、鉛蓄電池の利用が好ましい。そのような電源装置は、小型化の要求が、携帯電話等の携帯電子機器の電源装置に対するほどには大きくないために、高容量かつ高エネルギ密度のリチウムイオン二次電池等を使用する必要性は小さく、鉛蓄電池を使用することで低コスト化が図れる。
鉛蓄電池は、メモリー効果がない一方で、 深い放電を行うと劣化が早く、そのような使い方をすれば、数回程度の使用で使用不能に陥るおそれもある。このため、鉛蓄電池は、過放電を避けるために、使用後すぐに充電を行い、いつも充電容量を満たしておく運用が望ましい。
以上の点に関し、燃料電池により鉛蓄電池を充電する従来のシステムにおいては、特許文献1および2に示すように、鉛蓄電池を定電流・定電圧充電により充電することが提案されている。
しかしながら、燃料電池をエネルギ源として鉛蓄電池を蓄電する場合には、通常の定電流・定電圧充電により充電するだけでは、鉛蓄電池を満充電状態まで充電することが困難なことがある。定電流充電では、充電の進行に伴って電池電圧(充電電圧)が上昇する。このため、充電の進行に伴って、定電流充電では、燃料電池の負荷は次第に大きくなる。このとき、燃料電池の負荷が定格出力を超えると、発電効率は大きく低下する。これを避けるためには、定格出力のより大きな燃料電池を使用する必要性が生じ、その結果、電源装置が高コスト化する。
上記の不都合を避けるためには、定電流・定電圧充電で、より早い時期に定電流充電を終了して、定電圧充電に切り替える必要性が生じる。しかしながら、満充電状態まで充電するのに必要とされる電気量に占める定電圧充電の割合が大きくなれば、それだけ、充電時間は長くなる。以上のような理由で、電源装置を低コスト化しようとすると、燃料電池により鉛蓄電池を満充電状態まで充電するためには長時間を要することとなり、実際には、鉛蓄電池を満充電状態まで充電することができず、その結果、鉛蓄電池のサイクル寿命を十分に向上させることは困難となる。
本発明の一局面は、燃料電池及び鉛蓄電池を含む燃料電池システムで、前記鉛蓄電池を前記燃料電池の発電電力により充電する充電方法であって、
前記燃料電池に第1所定流量AQの酸化剤を供給する工程、
前記燃料電池に第2所定流量FQの燃料を供給する工程、
前記鉛蓄電池を、前記燃料電池の発電電力により充電電流Ibを一定にして充電する工程、
前記鉛蓄電池の電池電圧Ebの増大に伴って、前記燃料電池の出力電流Ifを増加させるとともに、前記燃料電池の出力電圧Efを減少させる工程、
前記出力電流Ifが上限電流値UIまで上昇するか、または、前記出力電圧Efが下限電圧値DEまで低下すると、前記出力電流Ifを前記上限電流値UI以下とするか、または、前記出力電圧Efを前記下限電圧値DE以上とするように、前記電池電圧Ebの増大に応じて、前記充電電流Ibを逓減する工程、並びに、
前記電池電圧Ebが第1基準電圧ER1に達する毎に、前記鉛蓄電池の充電電流Ibを、第1電流Ib(1)から第n電流Ib(n)まで、(n−1)回、段階的に低減する工程、ただし、nは2以上の整数であり、かつIb(1)>Ib(2)>…、である、燃料電池システムの充電方法に関する。
前記燃料電池に第1所定流量AQの酸化剤を供給する工程、
前記燃料電池に第2所定流量FQの燃料を供給する工程、
前記鉛蓄電池を、前記燃料電池の発電電力により充電電流Ibを一定にして充電する工程、
前記鉛蓄電池の電池電圧Ebの増大に伴って、前記燃料電池の出力電流Ifを増加させるとともに、前記燃料電池の出力電圧Efを減少させる工程、
前記出力電流Ifが上限電流値UIまで上昇するか、または、前記出力電圧Efが下限電圧値DEまで低下すると、前記出力電流Ifを前記上限電流値UI以下とするか、または、前記出力電圧Efを前記下限電圧値DE以上とするように、前記電池電圧Ebの増大に応じて、前記充電電流Ibを逓減する工程、並びに、
前記電池電圧Ebが第1基準電圧ER1に達する毎に、前記鉛蓄電池の充電電流Ibを、第1電流Ib(1)から第n電流Ib(n)まで、(n−1)回、段階的に低減する工程、ただし、nは2以上の整数であり、かつIb(1)>Ib(2)>…、である、燃料電池システムの充電方法に関する。
本発明の他の局面は、燃料電池と、
前記燃料電池の出力電流Ifを検出する第1電流センサと、
前記燃料電池の出力電圧Efを検出する第1電圧センサと、
前記燃料電池の出力電力により充電される鉛蓄電池と
前記燃料電池の出力端子と接続され、前記鉛蓄電池を充電する充電電流Ibを設定するように、前記出力電圧Efを変圧して前記燃料電池の発電電力を前記鉛蓄電池に出力するDC/DCコンバータと、
前記充電電流Ibを検出する第2電流センサと、
前記鉛蓄電池の電池電圧Ebを検出する第2電圧センサと、
前記電池電圧Ebに応じて、前記鉛蓄電池の充電電流Ibを調節するように、前記DC/DCコンバータの変圧比PSを設定する充電制御部とを備え、
前記充電制御部は、前記電池電圧Ebが第1基準電圧を下回っている間、前記充電電流Ibを一定に保つように前記変圧比PSを設定するとともに、前記出力電流Ifが上限電流値UIまで上昇するか、または前記出力電圧Efが下限電圧値DEまで低下すると、前記出力電流Ifを前記上限電流値UI以下とするか、または前記出力電圧Efを前記下限電圧値DE以上とするように、前記変圧比PSを設定し、
さらに、前記充電制御部は、前記電池電圧Ebが第1基準電圧に達すると、前記充電電流Ibを段階的に小さくするように、前記変圧比PSを設定する、燃料電池システムに関する。
前記燃料電池の出力電流Ifを検出する第1電流センサと、
前記燃料電池の出力電圧Efを検出する第1電圧センサと、
前記燃料電池の出力電力により充電される鉛蓄電池と
前記燃料電池の出力端子と接続され、前記鉛蓄電池を充電する充電電流Ibを設定するように、前記出力電圧Efを変圧して前記燃料電池の発電電力を前記鉛蓄電池に出力するDC/DCコンバータと、
前記充電電流Ibを検出する第2電流センサと、
前記鉛蓄電池の電池電圧Ebを検出する第2電圧センサと、
前記電池電圧Ebに応じて、前記鉛蓄電池の充電電流Ibを調節するように、前記DC/DCコンバータの変圧比PSを設定する充電制御部とを備え、
前記充電制御部は、前記電池電圧Ebが第1基準電圧を下回っている間、前記充電電流Ibを一定に保つように前記変圧比PSを設定するとともに、前記出力電流Ifが上限電流値UIまで上昇するか、または前記出力電圧Efが下限電圧値DEまで低下すると、前記出力電流Ifを前記上限電流値UI以下とするか、または前記出力電圧Efを前記下限電圧値DE以上とするように、前記変圧比PSを設定し、
さらに、前記充電制御部は、前記電池電圧Ebが第1基準電圧に達すると、前記充電電流Ibを段階的に小さくするように、前記変圧比PSを設定する、燃料電池システムに関する。
本発明によれば、燃料電池システムを高コスト化することなく、充電時間を短縮すること、燃料電池システムに使用される鉛蓄電池を長寿命化すること、および、燃料電池の発電効率を向上させること、の少なくとも1つが可能となる。
本発明は、燃料電池及び鉛蓄電池を含む燃料電池システムで、鉛蓄電池を燃料電池の発電電力により充電する充電方法に関する。本方法は、燃料電池に第1所定流量AQの酸化剤を供給する工程、燃料電池に第2所定流量FQの燃料を供給する工程、鉛蓄電池を、燃料電池の発電電力により充電電流Ibを一定にして充電する工程、燃料電池の最大出力電力を得るように、鉛蓄電池の電池電圧Ebの増大に伴って、燃料電池の出力電流Ifを増大させるとともに、燃料電池の出力電圧Efを減少させる工程、出力電流Ifが上限電流値UIまで上昇するか、または、出力電圧Efが下限電圧値DEまで低下すると、出力電流Ifを上限電流値UI以下とするか、または、出力電圧Efを下限電圧値DE以上とするように、電池電圧Ebの増大に応じて、充電電流Ibを逓減する工程を含む。ここで、第1所定流量AQおよび第2所定流量FQは、例えば燃料電池の定格出力と対応する値よりも所定量だけ多めに設定することができる。
上記の構成により、燃料電池が、実際の消費燃料量に対して、常に最大またはその近傍の出力電力が得られるポイントで発電するとともに、燃料電池が、例えば、定格出力を大きく超えて発電することが防止されるので、発電効率を向上させることが可能となる。図4に示されているように、燃料電池は、最大の出力電力Pを得ることができる、つまり最大の発電効率を得ることができる出力電流Ifおよび出力電圧Efが決まっているからである。なお、図4に示す出力特性曲線E−Iおよび出力電力Pのグラフは、燃料電池が定格出力で発電しているときの状態を示す。
さらに、本発明は、鉛蓄電池の電池電圧Ebが第1基準電圧Er1に達する毎に、鉛蓄電池の充電電流Ibを、第1電流Ib(1)から第n電流Ib(n)まで、(n−1)回、段階的に低減する工程を含む。ただし、nは2以上の整数であり、Ib(1)>Ib(2)>…、である。ここで、「鉛蓄電池の電池電圧Ebが第1基準電圧Er1に達する毎」というのは、充電電流Ibを低い電流に切り替えると、切り替えたときに電池電圧(充電電圧)Ebはいったん低下するために、その低下した電圧から電池電圧Ebが再び第1基準電圧Er1まで上昇する毎、という意味である。
上記のように充電電流Ibを段階的に低減することで、鉛蓄電池が満充電状態になる直前、あるいは鉛蓄電池が満充電状態になるポイントまで、定電流充電を実行することができる。その結果、定電圧充電により充電すべき電気量を最小限度に抑えることができる。したがって、充電時間を短縮することができる。
本発明の好ましい形態においては、充電電流Ibを、第1電流Ib(1)から第n電流Ib(n)まで段階的に低減するのに伴って、第1所定流量AQおよび、第2所定流量FQまたは燃料電池に供給される燃料の濃度が段階的に低減される。充電電流Ibが段階的に低減されると、それに応じて、燃料電池の負荷も段階的に減少し、実際に消費される燃料量および酸化剤量も減少する。したがって、燃料供給量および酸化剤供給量を低減することが可能となり、燃料供給量および酸化剤供給量を実際に低減することで、燃料ポンプおよび酸化剤ポンプ(空気ポンプ)等の補機類の消費電力を低減することができる。その結果、システム全体の効率を向上させることができる。
本発明のさらに好ましい形態においては、充電電流Ibが第n電流Ib(n)まで低減されたときに、電池電圧Ebが第2基準電圧ERmaxに達するまで、第n電流Ib(n)で鉛蓄電池が充電される。ただし、ERmax>ER1である。これにより、鉛蓄電池を満充電状態、あるいはそれに近い状態まで、例えば定電圧充電により充電する場合と比較すると、大きい電流で充電することが可能となり、短時間で充電することが可能となる。また、常に満充電状態、ないしはそれに近い状態を維持できるので、鉛蓄電池を長寿命化することができる。ここで、鉛蓄電池(例えば 公称電圧12V)では、第1基準電圧ER1は14.4±0.1Vの電圧に設定され、第2基準電圧ERmaxは、14.5V〜18.0V(ただし、ERmax>ER1)に設定される。なお、電池電圧Ebが第2基準電圧ERmaxに達しなくとも、第n電流(n)で所定時間(例えば、0.25〜5.0時間、好ましくは、1.5〜2.5時間)充電すると、充電を終了することができる。
また、鉛蓄電池は、図示しない電槽の内部に1または複数のセル室を有している。セル室には電極群および電解液がそれぞれ収容されており、鉛蓄電池が複数のセル室を有する場合には、各電極群は、直列および/または並列に接続されている。そして、公称電圧NVが2V、4V、6V等であれば、例えば、第1基準電圧ER1はNV×1.2±0.1Vの電圧値に設定することができ、第2基準電圧Ermaxは、第1基準電圧ER1よりも大きく、かつNV×1.5(V)以下の電圧値に設定することができる。
また、本発明は、燃料電池と、燃料電池の出力電流Ifを検出する第1電流センサと、燃料電池の出力電圧Efを検出する第1電圧センサと、燃料電池の出力電力により充電される鉛蓄電池と、燃料電池の出力端子と接続され、鉛蓄電池を充電する充電電流Ibを設定するように、前記出力電圧Efを変圧して前記燃料電池の発電電力を前記鉛蓄電池に出力するDC/DCコンバータと、充電電流Ibを検出する第2電流センサと、鉛蓄電池の電池電圧Ebを検出する第2電圧センサと、電池電圧Ebに基づいて、鉛蓄電池の充電電流Ibを調節するように、DC/DCコンバータの変圧比PSを設定する充電制御部とを備える燃料電池システムに関する。
ここで、充電制御部は、電池電圧Ebが第1基準電圧を下回っている間、充電電流Ibを一定に保つように変圧比PSを設定するとともに、燃料電池の最大出力電力を得るように、出力電流Ifが上限電流値UIまで上昇するか、または出力電圧Efが下限電圧値DEまで低下すると、出力電流Ifを上限電流値UI以下とするか、または出力電圧Efを下限電圧値DE以上とするように、変圧比PSを設定する。さらに、充電制御部は、電池電圧Ebが第1基準電圧に達すると、充電電流Ibを段階的に小さくするように、変圧比PSを設定する。
ここで、上限電流値UIは、燃料電池の最大出力が得られる最適出力電流MFIを基準に設定される。また、下限電圧値DEは、燃料電池の最大出力が得られる最適出力電圧MFEを基準に設定される。このとき、図4に示すように、燃料電池の出力電力Pを最大とするポイントPmax(MFI,MFE)の周囲は、グラフが十分になだらかであることから、上限電流値UIは、最適出力電流MFIとの差が0〜3000mAである範囲の電流値に設定することができる。同様に、下限電圧DEは、最適出力電圧MFEとの差が0〜0.1V/セルである範囲の電圧値に設定することができる。なお、「セル」とは、燃料電池が1つのMEAを具備する複数のセルを積層した燃料電池スタックを含む場合のセルをいう。
燃料電池には、メタノールを燃料とする燃料電池、例えば直接メタノール型燃料電池を使用することができる。このとき、酸化剤には、空気を使用することができる。
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施形態1)
図1に示すように、本実施形態に係る直接酸化型燃料電池システム20は、カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池(燃料電池スタック)22と、カソードに空気を供給する空気ポンプ24と、アノードに燃料水溶液を供給する燃料ポンプ26と、アノードから排出されたアノード流体およびカソードから排出されたカソード流体を回収する回収部28と、燃料電池22が発電した電力を蓄電する鉛蓄電池30と、制御部44とを備える。制御部44は、充電制御部を含む。鉛蓄電池30には、制御弁式鉛蓄電池やいわゆるディープサイクルバッテリーを使用することができる。
(実施形態1)
図1に示すように、本実施形態に係る直接酸化型燃料電池システム20は、カソードとアノードを備える直接酸化型燃料電池(燃料電池スタック)22と、カソードに空気を供給する空気ポンプ24と、アノードに燃料水溶液を供給する燃料ポンプ26と、アノードから排出されたアノード流体およびカソードから排出されたカソード流体を回収する回収部28と、燃料電池22が発電した電力を蓄電する鉛蓄電池30と、制御部44とを備える。制御部44は、充電制御部を含む。鉛蓄電池30には、制御弁式鉛蓄電池やいわゆるディープサイクルバッテリーを使用することができる。
制御部44には、マイクロコンピュータなどの情報処理装置を利用することができる。情報処理装置は、演算部、記憶部、各種インターフェースなどで構成されており、演算部は、記憶部に記憶されているプログラムに沿って燃料電池の発電に必要な演算を行い、燃料電池システムの各構成要素の出力を制御するのに必要な命令を出力する。また、制御部44の記憶部(フラッシュメモリなどの補助記憶装置)には、後述の第1電流If(1)〜第n電流If(n)、第1電圧Ef(1)〜第n電圧Ef(n)、並びに、第1酸化剤供給量AQ(1)〜第n酸化剤供給量AQ(n)、第1燃料供給量FQ(1)〜第n燃料供給量FQ(n)、上限電流値UI、および下限電圧値DEを記憶させておくことができる。制御部44の演算部は、本実施形態の充電処理を実行するときに、必要に応じて、上記のデータを記憶部から読み出すことができる。
図2に燃料電池(燃料電池スタック)22を構成するセルの構造を示す。セル1は、アノード2、カソード3、およびアノード2とカソード3との間に介在する電解質膜4を含む膜電極接合体(MEA)5を有する。MEA5の一方の側面には、アノード2を封止するようにガスケット14が配置され、他方の側面には、カソード3を封止するようにガスケット15が配置されている。
MEA5は、アノード側セパレータ10およびカソード側セパレータ11に挟持されている。アノード側セパレータ10は、アノード2に接し、カソード側セパレータ11は、カソード3に接している。アノード側セパレータ10は、アノード2に燃料を供給する燃料流路12を有する。燃料流路12は、燃料が流入するアノード入口と、反応で生成したCO2や未使用の燃料などを排出するアノード排出口を有する。カソード側セパレータ11は、カソード3に酸化剤を供給する酸化剤流路13を有する。酸化剤流路13は、酸化剤が流入するカソード入口と、反応で生成した水や未使用の酸化剤などを排出するカソード排出口を有する。
図2のようなセルを複数設け、各セルを電気的に直列に積層することで、スタックが構成される。この場合、通常はアノード側セパレータ10とカソード側セパレータ11は一体のものとして形成される。すなわち、一枚のセパレータの一方の面がアノード側セパレータ、他方の面がカソード側セパレータとなる。各セルのアノード入口は、マニホールドを用いるなどして通常1つに集約される。アノード排出口、カソード入口およびカソード排出口も同様に、それぞれ集約される。
燃料電池の停止中にアノード2へ酸素が侵入することがないように、燃料電池システムにおけるアノード側空間、すなわち燃料ポンプ26からアノードを経由して回収部内の液体に至るまでの空間は、密閉空間となっている。MEA5のアノード2は、アノード入口とアノード排出口以外が外部と連通しないように、ガスケット14で封止されている。アノード側セパレータ10およびカソード側セパレータ11とそれぞれ接触するように導電体板16および17を配置することで、電気的に直列に接続するように、セル1を積層することができる。導電体板16および17とそれぞれ接触するように端板18を配置することで、積層された複数のセル1を締結することができる。
さらに、図1において、燃料電池のカソード3へは、空気ポンプ24により空気が供給され、燃料電池のアノード2へは、燃料(メタノール)が燃料ポンプ26により供給される。アノード側から排出される液体は、回収部28に回収される。回収部28の液体は、燃料と混合して、燃料水溶液としてアノード2に供給される。また、カソード3からのカソード流体の少なくとも一部が回収部28に流入するようになっている。燃料タンク32からの高濃度メタノールは、回収部28からの液体(薄いメタノール水溶液)と混合されて、燃料ポンプ26により、燃料電池22の各セルのアノード2に送られる。
そして、図1の燃料電池システム20は、さらに、燃料電池22の出力電圧Efを検出する第1電圧センサ(FVS)34と、燃料電池22の出力電流Ifを検出する第1電流センサ(FIS)36と、燃料電池が発電した電力を、出力電圧Efを変圧比PSで変圧して鉛蓄電池30に出力するDC/DCコンバータ38と、鉛蓄電池30の電池電圧Eb(充電電圧、DC/DCコンバータの出力電圧)を検出する第2電圧センサ(BVS)40と、鉛蓄電池30の充電電流Ib(DC/DCコンバータの出力電流)を検出する第2電流センサ(BIS)42とを備える。第1電圧センサ34、第1電流センサ36、第2電圧センサ40、および第2電流センサ42の検出信号は制御部44に入力される。制御部44は、入力された各検出信号に基づいて、空気ポンプ24、燃料ポンプ26、およびDC/DCコンバータ38の変圧比PSを制御する。
次に、本実施形態の充電方法を説明する。本方法においては、燃料電池に第1所定流量AQの酸化剤を供給する工程、燃料電池に第2所定流量FQの燃料を供給する工程、鉛蓄電池を、燃料電池の発電電力により充電電流Ibを一定にして充電する工程、燃料電池の最大出力電力を得るように、鉛蓄電池の電池電圧Ebの増大に伴って、燃料電池の出力電流Ifを増加させるとともに、燃料電池の出力電圧Efを減少させる工程、出力電流Ifが上限電流値UIまで上昇するか、または、前記出力電圧Efが下限電圧値DEまで低下すると、出力電流Ifを上限電流値UI以下とするか、または、前記出力電圧Efを前記下限電圧値DE以上とするように、電池電圧Ebの増大に応じて、充電電流Ibを逓減する工程、電池電圧Ebが第1基準電圧ER1に達する毎に、鉛蓄電池の充電電流Ibを、第1電流Ib(1)から第n電流Ib(n)まで、(n−1)回、段階的に低減する工程、ただし、nは2以上の整数であり、かつIb(1)>Ib(2)>…、である、並びに、充電電流Ibが第n電流Ib(n)まで低減されたときに、電池電圧Ebが第2基準電圧ERmax、ただし、ERmax>ER1である、に達するまで、第n電流Ib(n)で鉛蓄電池を充電する工程が実行される。なお、電池電圧Ebが第2基準電圧ERmaxに達しなくとも、第n電流(n)で所定時間(例えば、0.25〜5.0時間、好ましくは、1.5〜2.5時間)充電すると、充電を終了することができる。
以下、鉛蓄電池30の公称電圧が12Vであり、図3に示すように、充電電流Ibを最高で3段階だけ切り替える(n=4)場合を例に、図4および図5を参照しながら、本実施形態の充電方法を説明する。
まず、充電を開始する前の電池電圧EObを検出する(ST1)。このときの電池電圧EObに応じて、充電の開始または停止を決定する。検出された電圧が所定値(例えば12.3V)以下であれば、第1電流Ib(1)(図3の例では、8A)で充電を開始する(ST2)。このとき、燃料電池は、定格出力と対応する流量よりも、それぞれ、所定量だけ多めの酸化剤供給量AQ(1)、および燃料供給量FQ(1)で発電を開始しておく。なお電池電圧EObが上記所定値を超える場合は、鉛蓄電池30が満充電状態であるものとして充電は行わず、処理を終了する。
次に、充電中の電池電圧Ebを監視するために、電池電圧Ebを検出する(ST3)。ST3の手順は微小な所定時間Δt毎に実行される。次に、変数kが値「n」(ここでは、n=4であり、最初はk=1である)であるかを判定する(ST4)。そうであれば(ST4でYes)、鉛蓄電池30を最も小さい第n電流Ib(n)(ここでは、第4電流Ib(4))で定電流充電しており、この場合には、ST9以降の手順に進む。ST9以降の手順は後で説明する。
変数kが値「n」でなければ(ST4でNo)、変数kは、1、2、…、(n−1)(ここでは、(n−1)=3)のいずれかであり、ST5に進んで、電池電圧Ebが第1基準電圧ER1よりも小さいかを判定する。ここで、電池電圧Ebが第1基準電圧ER1に達していれば(ST5でNo)、変数kを値「1」だけ増加させ(ST6)、ST3に戻る。ST3では、前回の電圧検出から所定時間Δtが経過したときに電池電圧Ebを検出する(以下、同様である)。ST6の手順により、充電電流Ibは、Ib(k)からIb(k+1)に低減される。最初は、k=1であるので、充電電流Ibは第1電流Ib(1)から第2電流Ib(2)に切り替わる。このように、ST5でNoと判定される度に、充電電流Ibは、合計(n−1)回、第1電流Ib(1)から第n電流Ib(n)まで段階的に低減される。このとき、酸化剤供給量AQ(k)、および燃料供給量FQ(k)も、充電電流Ibの切り替えに伴って、酸化剤供給量AQ(k+1)、および燃料供給量FQ(k+1)に切り替えることができる。ただし、AQ(k+1)<AQ(k)であり、FQ(k+1)<FQ(k)である。例えば、Ib(k)/Ib(k+1)=α×(FQ(k)/FQ(k+1))=β×(AQ(k)/AQ(k+1))であれば、α=0.9〜2.0、β=0.9〜2.0とすることができる。上記のように、充電電流Ibの切り替えに対応して、酸化剤供給量AQ(k)を、第1酸化剤供給量AQ(1)から第n酸化剤供給量AQ(n)まで、(n−1)回、切り替えることができる。同様にして、燃料供給量FQ(1)を、第1燃料供給量FQ(1)から第n燃料供給量FQ(n)まで、(n−1)回、切り替えることができる。
一方、ST5で、電池電圧Ebが第1基準電圧ER1よりも小さければ(ST5でYes)、ST2で設定された充電電流Ib(k)で充電を継続し、さらに、燃料電池22の出力電流Ifが上限電流値UIよりも大きいかを判定する(ST7)。上限電流値UIは、燃料電池22が定格出力で発電しているときに最大の発電効率を得ることができる値(MFI)を基準に設定することができる。例えば、MFIとの差が0〜3000mAである値に設定することができる。
ここで、出力電流Ifが上限電流値UI以下であれば(ST7でNo)、さらに燃料電池22の出力電圧Efが下限電圧値DEよりも小さいかを判定する(ST8)。下限電圧値DEは、燃料電池22が定格出力で発電しているときに最大の発電効率を得ることができる値(MFE)を基準に設定することができる。例えば、MFEとの差が0〜0.1V/セルである値に設定することができる。
ここで、出力電圧Efが下限電圧値DE以上であれば(ST8でNo)、一定の充電電流Ib(k)による充電を継続するために、最大、ないしは最大近傍の発電効率を得るように、微小な所定量だけ出力電流Ifを増加させ、ST3に戻る。このとき、出力電圧Efは微小な所定量だけ減少される。なお、ST7およびST8の判定手順については、実際にはk=1のときだけしか問題とはならない(図3参照)ので、ST7の前に、k=1かどうかを判定する手順を実行し、k=1のときだけ、このST7およびST8の判定手順を実行してもよい。
上記のST4で変数kが値「n(=4)」であれば(ST4でYes)、電池電圧Ebが第2基準電圧ERmax(例えば18.0V)よりも小さいかを判定する(ST9)。ここで、電池電圧Ebが第2基準電圧ERmaxに達していれば(ST9でNo)、直ちに充電を終了する。電池電圧Ebが第2基準電圧ERmaxに達していなければ(ST9でYes)、変数kが値「n(=4)」となってから所定時間TI(例えば2.5時間)が経過したかを判定する(ST10)。ここで、所定時間TIが経過していれば(ST10でYes)、充電を終了する。所定時間TIが経過していなけれ(ST10でNo)、ST3に戻り、ST9でNoとなるか、ST10でYesとなるまで、第n電流Ib(n)(n=4)で充電を継続する。
上記のST7で出力電流Ifが上限電流UIよりも大きいか(ST7でYes)、または、ST8で出力電圧Efが下限電圧DEよりも小さい(ST8でYes)場合には、最大、ないしは最大近傍の発電効率を維持するために、電池電圧Ebの増加に応じて充電電流Ibを逓減するように、所定量の微小電流値ΔIbだけ充電電流Ibを小さくし、ST3に戻る。
以上のように、出力電流Ifおよび出力電圧Efを調整することで、燃料電池が、常に最大の発電効率を発揮するポイントで発電することができるとともに、燃料電池が、例えば、定格出力を超えて発電することが防止されるので、発電効率を向上させることが可能となる。
そして、充電電流Ibを段階的に低減することで、鉛蓄電池が満充電状態になる直前、あるいは鉛蓄電池が満充電状態になるポイントまで、定電流充電を実行することができる。したがって、充電時間を短縮することができる。
さらに、充電電流Ibを、第1電流Ib(1)から第n電流Ib(n)まで段階的に低減するのに伴って、酸化剤供給量AQ(k)および燃料供給量FQ(k)を、AQ(1)およびFQ(1)からAQ(n)およびFQ(n)まで段階的に低減することで、不要な燃料等の循環を防止することができる。これにより、燃料ポンプおよび酸化剤ポンプ(空気ポンプ)等の補機類の消費電力を低減することができる。その結果、システム全体の効率を向上させることができる。
次に、直接酸化型燃料電池システムの各構成要素について、図2を参照しながら説明する。ただし、各構成要素は、下記に限定されるものではない。
カソード3は、電解質膜4に接するカソード触媒層8およびカソード側セパレータ11に接するカソード拡散層9を含む。カソード拡散層9は、例えば、カソード触媒層8に接する導電性撥水層と、カソード側セパレータ11に接する基材層とを含む。
カソード触媒層8は、カソード触媒と高分子電解質を含む。カソード触媒としては、触媒活性の高いPtなどの貴金属が好ましい。カソード触媒は、そのまま用いてもよいし、担体に担持した形態で用いてもよい。担体としては、電子伝導性および耐酸性の高さから、カーボンブラックなどの炭素材料を用いることが好ましい。高分子電解質としては、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルホン酸系高分子材料、炭化水素系高分子材料などを用いることが好ましい。パーフルオロスルホン酸系高分子材料としては、例えば、Nafion(登録商標)などを用いることができる。
アノード2は、電解質膜4に接するアノード触媒層6およびアノード側セパレータ10に接するアノード拡散層7を含む。アノード拡散層7は、例えば、アノード触媒層6に接する導電性撥水層と、アノード側セパレータ10に接する基材層とを含む。
アノード触媒層6は、アノード触媒と高分子電解質を含む。アノード触媒としては、一酸化炭素による触媒の被毒を低減する観点から、PtとRuとの合金触媒が好ましい。アノード触媒は、そのまま用いてもよいし、担体に担持した形態で用いてもよい。担体としては、カソード触媒を担持する担体と同様の炭素材料を用いることができる。アノード触媒層6に含まれる高分子電解質としては、カソード触媒層8に用いられる材料と同様の材料を用いることができる。
アノード拡散層7およびカソード拡散層9に含まれる導電性撥水層は、導電剤と撥水剤を含む。導電性撥水層に含まれる導電剤としては、カーボンブラックなど、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。導電性撥水層に含まれる撥水剤は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)など、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。
基材層としては、導電性の多孔質材料が用いられる。導電性の多孔質材料としては、カーボンペーパーなど、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることができる。これらの多孔質材料は、燃料の拡散性および生成水の排出性などを向上させるために、撥水剤を含んでいてもよい。撥水剤は、導電性撥水層に含まれる撥水剤と同様の材料を用いることができる。
電解質膜4としては、例えば、従来から用いられているプロトン伝導性高分子膜を特に限定なく使用できる。具体的には、パーフルオロスルホン酸系高分子膜、炭化水素系高分子膜などを好ましく使用できる。パーフルオロスルホン酸系高分子膜としては、例えば、Nafion(登録商標)などが挙げられる。
図2に示される直接酸化型燃料電池は、例えば、以下の方法で作製することができる。電解質膜4の一方の面にアノード2を、他方の面にカソード3を、ホットプレス法などを用いて接合して、MEA5を作製する。次いで、MEA5を、アノード側セパレータ10およびカソード側セパレータ11で挟み込む。このとき、MEA5のアノード2をガスケット14で封止し、カソード3をガスケット15で封止するように配置する。その後、アノード側セパレータ10およびカソード側セパレータ11の外側に、それぞれ、集電板16および17、端板18および19を積層し、これらを締結する。さらに、端板18および19の外側に、温度調整用のヒーターを積層してもよい。
本発明によれば、鉛蓄電池を含む燃料電池システムの寿命特性や効率を向上させることができる。よって、長期にわたって優れた発電特性を維持でき、安定した性能を維持できる燃料電池システムを提供することができる。本発明の直接酸化型燃料電池システムは、アウトドア・アクティビティに使用されるような中型の電源として非常に有用である。
20…燃料電池システム、
22…二次電池、
22…燃料電池、
24…空気ポンプ、
26…燃料ポンプ、
30…鉛蓄電池、
32…燃料タンク、
34…第1電圧センサ、
36…第1電流センサ、
38…DCコンバータ、
40…第2電圧センサ、
42…第2電流センサ、
44…制御部
22…二次電池、
22…燃料電池、
24…空気ポンプ、
26…燃料ポンプ、
30…鉛蓄電池、
32…燃料タンク、
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36…第1電流センサ、
38…DCコンバータ、
40…第2電圧センサ、
42…第2電流センサ、
44…制御部
Claims (11)
- 燃料電池及び鉛蓄電池を含む燃料電池システムで、前記鉛蓄電池を前記燃料電池の発電電力により充電する充電方法であって、
前記燃料電池に第1所定流量AQの酸化剤を供給する工程、
前記燃料電池に第2所定流量FQの燃料を供給する工程、
前記鉛蓄電池を、前記燃料電池の発電電力により充電電流Ibを一定にして充電する工程、
前記鉛蓄電池の電池電圧Ebの増大に伴って、前記燃料電池の出力電流Ifを増加させるとともに、前記燃料電池の出力電圧Efを減少させる工程、
前記出力電流Ifが上限電流値UIまで上昇するか、または、前記出力電圧Efが下限電圧値DEまで低下すると、前記出力電流Ifを前記上限電流値UI以下とするか、または、前記出力電圧Efを前記下限電圧値DE以上とするように、前記電池電圧Ebの増大に応じて、前記充電電流Ibを逓減する工程、並びに、
前記電池電圧Ebが第1基準電圧ER1に達する毎に、前記鉛蓄電池の充電電流Ibを、第1電流Ib(1)から第n電流Ib(n)まで、(n−1)回、段階的に低減する工程、ただし、nは2以上の整数であり、かつIb(1)>Ib(2)>…、である、燃料電池システムの充電方法。 - 前記充電電流Ibを、前記第1電流Ib(1)から前記第n電流Ib(n)まで段階的に低減するのに伴って、前記第1所定流量AQおよび、前記第2所定流量FQまたは前記燃料電池に供給される燃料の濃度を段階的に低減する、請求項1記載の燃料電池システムの充電方法。
- 前記充電電流Ibが前記第n電流Ib(n)まで低減されたときに、前記電池電圧Ebが第2基準電圧ERmax、ただし、ERmax>ER1である、に達するまで、前記第n電流Ib(n)で前記鉛蓄電池を充電する、請求項1または2記載の燃料電池システムの充電方法。
- 燃料電池と、
前記燃料電池の出力電流Ifを検出する第1電流センサと、
前記燃料電池の出力電圧Efを検出する第1電圧センサと、
前記燃料電池の出力電力により充電される鉛蓄電池と
前記燃料電池の出力端子と接続され、前記鉛蓄電池を充電する充電電流Ibを設定するように、前記出力電圧Efを変圧して前記燃料電池の発電電力を前記鉛蓄電池に出力するDC/DCコンバータと、
前記充電電流Ibを検出する第2電流センサと、
前記鉛蓄電池の電池電圧Ebを検出する第2電圧センサと、
前記電池電圧Ebに応じて、前記鉛蓄電池の充電電流Ibを調節するように、前記DC/DCコンバータの変圧比PSを設定する充電制御部とを備え、
前記充電制御部は、前記電池電圧Ebが第1基準電圧を下回っている間、前記充電電流Ibを一定に保つように前記変圧比PSを設定するとともに、前記出力電流Ifが上限電流値UIまで上昇するか、または前記出力電圧Efが下限電圧値DEまで低下すると、前記出力電流Ifを前記上限電流値UI以下とするか、または前記出力電圧Efを前記下限電圧値DE以上とするように、前記変圧比PSを設定し、
さらに、前記充電制御部は、前記電池電圧Ebが第1基準電圧に達すると、前記充電電流Ibを段階的に小さくするように、前記変圧比PSを設定する、燃料電池システム。 - 前記上限電流値UIが、前記燃料電池の最大出力が得られる最適出力電流MFIを基準に設定される、請求項4記載の燃料電池システム。
- 前記最適出力電流MFIと、前記上限電流値UIとの差が、0〜3000mAである、請求項5記載の燃料電池システム。
- 前記下限電圧値DEが、前記燃料電池の最大出力が得られる最適出力電圧MFEを基準に設定される、請求項4〜6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記最適出力電圧MFEと、前記下限電圧DEとの差が、0〜0.1V/セルである、請求項7記載の燃料電池システム。
- さらに、
前記燃料電池に燃料を送る燃料ポンプと、
前記燃料電池に酸化剤を送る酸化剤ポンプとを備え、
前記充電制御部は、前記充電電流Ibを段階的に小さくするときに、それに応じて、前記燃料ポンプおよび前記酸化剤ポンプの少なくとも一方の吐出量を段階的に小さくする、請求項4〜8のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料がメタノールを含む、請求項4〜9のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記酸化剤が空気を含む、請求項4〜10のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012217690A JP2014073003A (ja) | 2012-09-28 | 2012-09-28 | 燃料電池と鉛蓄電池を含む燃料電池システム、およびその充電方法 |
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ID=50747736
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JP2012217690A Pending JP2014073003A (ja) | 2012-09-28 | 2012-09-28 | 燃料電池と鉛蓄電池を含む燃料電池システム、およびその充電方法 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018137877A (ja) * | 2017-02-21 | 2018-08-30 | 株式会社Subaru | 電池システムの制御装置及び電池システム |
JP2023509173A (ja) * | 2019-12-31 | 2023-03-07 | 永安行科技股▲フン▼有限公司 | 水素燃料電池スタックの給電方法及びシステム、水素燃料駆動原付車両とその伝動方法及びシステム |
-
2012
- 2012-09-28 JP JP2012217690A patent/JP2014073003A/ja active Pending
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