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

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

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。

特開２００６−５９７９号公報 特開２００６−２３６６１０号公報

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。

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。

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。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。 同燃料電池システムに使用される燃料電池のセルを概略的に示す断面図である。 同燃料電池システムによる充電処理の概要を示すグラフである。 同燃料電池システムに使用される燃料電池の出力特性を示すグラフである。 同燃料電池システムにおける充電処理の手順を示すフローチャートである。

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。

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

Claims (11)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。

Images