JP4407879B2

JP4407879B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP4407879B2
Application number: JP2002226693A
Authority: JP
Inventors: 広隆酒井; 信男澁谷; 浩久宮本; 師浩富松
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: JP2004071260A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接型メタノール燃料電池を主体として構成され、小型の電子機器の電源として組み込むに好適な燃料電池装置に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
直接型メタノール燃料電池は、電解質膜を介してメタノール水溶液と空気とを室温付近で化学反応させて電力を発生するもので、リン酸電解液型燃料電池に見られるような改質器が不要であり、その構造が比較的簡単である。特に直接型メタノール燃料電池は、その燃料容積が少なく小型化が容易であることから可搬型または携帯型の電子機器における電源設備としての応用が期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の燃料電池の発電効率は、燃料電池部の温度によって変化することが否めない。即ち、メタノール水溶液と空気との化学反応の速度はその環境温度に左右され、温度が低い場合には発電効率が低下する。この為、一般的には温度変化幅を見込んで燃料電池部の発電能力（定格出力）を設定するようにしている。具体的には、燃料電池装置の温度が低い場合においても、一定値以上の電力を発電し得るように、その発電仕様が設定されている。
【０００４】
しかしながら、可搬型または携帯型の電子機器の電源として組み込まれる小型の燃料電池装置にあっては、環境温度の上昇に伴って発電効率が高まった場合、電子機器（負荷）が必要とする電力以上の電力を発電することになり、その余剰電力が無駄となると言う問題がある。しかも発電に伴って生成される水分（水蒸気）の量も増えることになる。
【０００５】
特にマイクロコンピュータなどを搭載する電子機器が要求する負荷電力は、時々刻々と変化し、瞬間的に大きな値となることがある。このような瞬時最大電力をとるような負荷を駆動するためには、燃料電池装置の出力電力を常時、この瞬時最大電力に合わせて発電する必要がある。このため負荷の瞬時最大電力以外の状態では、燃料のメタノールと酸化剤の酸素が燃料電池装置に余剰に供給されることになるので、発電に伴って生成される水分（水蒸気）の量が増えることになる。
【０００６】
また燃料電池の起電力は、その起電反応前には零であり、更に燃料電池の発電初期時はその出力電圧が不安定である。このような不具合を解消するべく、例えば燃料電池装置に二次電池を組み込み、燃料電池の発電量の不足を補うことも検討されている。このような二次電池を備えれば、上述した余剰電力にて二次電池を充電することができるので、電力の無駄を防ぐことができる。しかし前述した水分（水蒸気）の過剰な生成に対処することはできない。
【０００７】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、直接型メタノール燃料電池部における発電量の最適化を図り、ひいてはメタノール燃料および空気（酸素）の供給量の最適化を図ることができる燃料電池装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、本発明に係る燃料電池装置は、電解質膜を介してメタノール燃料と空気とを化学反応させて電力を発生する直接型メタノール燃料電池部と、この直接型メタノール燃料電池部にメタノール水溶液を供給する送液ポンプ、および前記直接型メタノール燃料電池部に空気を供給する送気ポンプとを具備したもので、特に前記直接型メタノール燃料電池部の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段が検出した前記直接型メタノール燃料電池部の温度が予め定めた温度より低いときは前記各ポンプの供給能力を向上させ、該直接型メタノール燃料電池部の温度が予め定めた温度より高いときは前記各ポンプの供給能力を低下させるポンプ制御手段とを備えてなる発電制御部を設けたことを特徴としている。
【０００９】
即ち、本発明に係る燃料電池装置は、直接型メタノール燃料電池部の温度に応じて前記送液ポンプおよび送気ポンプの能力を可変制御する発電制御部を設けることで、直接型メタノール燃料電池部に対する流量の最適化を図ると共に、その発電量を安定化することを特徴としている。
【００１１】
即ち、前記ポンプ制御手段は、前記温度検出手段が検出した前記直接型メタノール燃料電池部の温度が予め定めた温度より低いと前記発電制御部が判定したときは前記各ポンプの供給能力を向上させ、該直接型メタノール燃料電池部の温度が予め定めた温度より高いと前記発電制御部が判定したときは前記各ポンプの供給能力を低下させるよう制御することが望ましい。
【００１２】
また本発明に係る別の燃料電池装置は、電解質膜を介してメタノール燃料と空気とを化学反応させて電力を発生する直接型メタノール燃料電池部と、この直接型メタノール燃料電池部にメタノール水溶液を供給する送液ポンプ、および前記直接型メタノール燃料電池部に空気を供給する送気ポンプとを具備したもので、
特に前記直接型メタノール燃料電池部の発生電圧を検出する出力電圧検出手段と、該出力電圧検出手段が検出した前記直接型メタノール燃料電池部の発生電圧が予め定めた電圧より低いときは前記各ポンプの供給能力を向上させ、該直接型メタノール燃料電池部の発生電圧が予め定めた電圧より高いときは前記各ポンプの供給能力を低下させるポンプ制御手段とを備えてなる発電制御部を設けたことを特徴としている。
【００１４】
より好ましくは、前記直接型メタノール燃料電池部の発電動作を補助する二次電池部と、負荷電力が前記直接型メタノール燃料電池部の出力電力を下回ったときは該出力電圧にて前記二次電池部を充電し、負荷電力が前記直接型メタノール燃料電池の出力電力を上回ったときは前記二次電池部を放電する充放電制御手段とを備えることを特徴としている。
【００１５】
また、前記直接型メタノール燃料電池部と前記電子機器との間に介挿された第１の逆流防止ダイオードと、前記二次電池部と前記電子機器との間に介挿された第２の逆流防止ダイオードとを具備し、前記第１および第２の逆流防止ダイオードを介してそれぞれ出力された電力を合成して前記電子機器に供給する出力回路を備えることを特徴としている。
【００１６】
即ち、この出力回路は、前記ダイオードによるＯＲ回路を構成するもので、前記直接型メタノール燃料電池部の定常動作時には、この直接型メタノール燃料電池部から負荷に電力を供給し、負荷電力の増加により供給電力が不足したときには、前記二次電池部からその電力不足分を補って負荷に供給することが可能となる。
【００１７】
好ましくは、前記直接型メタノール燃料電池部は、定常発電時その出力電圧が前記二次電池部の出力電圧よりも高くなるようにすることが望ましい。
尚、より好ましくは負荷に対して瞬断等を起こさず連続供給可能とするため前記二次電池部は、その出力インピーダンスが前記メタノール燃料電池の出力インピーダンスよりも小さいことが望ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池装置について説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る燃料電池装置の概略構成を示すブロック図である。この燃料電池装置１０は、電解質膜を介して燃料のメタノール水溶液と空気（Ｏ₂）とを化学反応させて起電力を発生するＤＭＦＣ起電装置１００を主体とし、このＤＭＦＣ起電装置１００に燃料であるメタノール水溶液を供給する送液ポンプ４１、および酸化剤としての空気（Ｏ₂）を供給する送気ポンプ４２を一体に組み込んで構成される。またこの燃料電池装置１０には、これらのポンプ４１,４２の作動を制御して前記ＤＭＦＣ起電装置１００の発電動作を制御するＤＭＦＣ制御部（発電制御部）２０や、補助電源としての二次電池部６０が一体に組み込まれて１つの電源ユニットとしてパック化される。
【００２０】
ちなみに燃料のメタノール水溶液は、燃料電池装置１０に対して着脱可能に設けられた燃料カートリッジ３０に充填されており、この燃料カートリッジ３０を燃料電池装置１０に装着することで、前記送液ポンプ４１を介して前記ＤＭＦＣ起電装置１００にメタノール水溶液が供給される。また、酸化剤としての空気（Ｏ₂）は、前記送気ポンプ４２により外気を取り込むことで前記ＤＭＦＣ起電装置１００に供給される。
【００２１】
ここで前記ＤＭＦＣ起電装置１００について簡単に説明すると、このＤＭＦＣ起電装置１００は、概略的には図２にその構成を示すように、電解質膜１１０を間にしてメタノール水溶液を通流する流路１２０を形成したアノード流路体１２１と、空気を通流する流路１３０を形成したカソード流路体１３１とを設けた構造をなす。特に前記電解質膜１１０の両面にはアノード触媒層１２２と、カソード触媒層１３２とがそれぞれ設けられており、更にその外側にはアノード集電体１２３とカソード集電体１３３とが設けられている。
【００２２】
このような構造のＤＭＦＣ起電装置１００において、基本的にはアノード流路体１２１内に送り込まれたメタノール水溶液は、アノード集電体１２３を介してアノード触媒層１２２に染み込む。またカソード流路体１３１内に送り込まれた空気（酸化剤としてのＯ₂）は、カソード集電体１３３を介してカソード触媒層１３２に染み込む。するとメタノール水溶液は、該アノード触媒層１２２の触媒作用を受けて化学反応し、これによって生成されたプロトン（陽子）が電解質膜１１０を透過する。そしてカソード触媒層１１３に染み込んだ酸素と上記陽子とが反応することで発電する。このような化学反応に伴う起電力が、前記アノード集電体１２３とカソード集電体１３３とを介してそれぞれ取り出されることになる。
【００２３】
尚、ＤＭＦＣ制御部（発電制御部）２０は、基本的にはＤＭＦＣ起電装置１００を電源として作動する。しかしＤＭＦＣ起電装置１００の起電反応前にはその起電力が零であり、またＤＭＦＣ起電装置１００の発電初期時はその出力電圧が不安定である。しかも負荷急変時、燃料電池出力が負荷に追従するまでのタイムラグがあり電圧が不安定となる。前述した二次電池部６０は、このようなＤＭＦＣ起電装置１００の動作が不安定なとき、該ＤＭＦＣ起電装置１００に代わってＤＭＦＣ制御部（発電制御部）２０等に対して電力を供給する補助電源として用いられるものである。更に二次電池部６０は、小型携帯端末の電源として直接型メタノール燃料電池装置を適用する場合、上述した電圧不安定現象を補償して、燃料電池装置１０の出力電圧を安定化する役割も担っている。
【００２４】
本発明に係る燃料電池装置について図３に示す制御回路ブロック図を参照しながら、より詳細に説明する。
発電制御部２０は、ＤＭＦＣ起電装置１００から出力される電圧をモニタするＤＭＦＣ電圧検出部７０ａと、二次電池部６０の端子電圧をモニタする二次電池電圧検出部７０ｂと、燃料電池装置１０から負荷に供給される電圧をモニタする出力電圧検出部７０ｃ、および負荷電流を検出する電流検出部７１とを備えている。また、発電制御部２０は、ＤＭＦＣ起電装置１００の温度を検出する温度検出部７２と燃料カートリッジ３０の燃料残量を検出する残量検出部３１を備えている。そして、詳細は後述するが発電制御部２０は、これらの検出部から得られた情報により最適なポンプ流量になるよう制御するものとなっている。
【００２５】
燃料カートリッジ３０に充填されたメタノールと、酸化剤の空気（Ｏ₂）は、それぞれ送液ポンプ４１および送気ポンプ４２によりＤＭＦＣ起電装置１００に送られる。これらのポンプ４１,４２は、後述するようにＤＭＦＣ制御部（発電制御部）２０の制御により送液ポンプ駆動部４３および送気ポンプ駆動部４４を介して駆動制御される。
【００２６】
さて基本的には上述した如く構成された燃料電池装置１０において、この発明が特徴とするところは、ＤＭＦＣ起電装置１００の出力電圧および温度をモニタし、これらの情報に基づいて、送液ポンプ４１と送気ポンプ４２の供給能力（流量）を可変制御する点にある。
【００２７】
即ち、上述したＤＭＦＣ起電装置１００における発電作用は、該ＤＭＦＣ起電装置１００の温度や、このＤＭＦＣ起電装置１００に供給されるメタノール水溶液および空気（Ｏ₂）の量によって変化する。そして、ＤＭＦＣ制御部（発電制御部）２０は、このような発電作用を安定化させるべく、前記各種モニタ情報に基づいて送液ポンプ４１と送気ポンプ４２の各ポンプ流量をそれぞれ制御している。
【００２８】
具体的には、ＤＭＦＣ起電装置１００が定格出力で運転中に、負荷電流が減少した場合、燃料電池装置の出力電圧が上昇する。この負荷電流の減少は電流検出部７１により検出され、出力電圧の上昇はＤＭＦＣ電圧検出部７０ａと、出力電圧検出部７０ｃとにより検出される。この検出された情報から発電制御部２０は、送液ポンプ駆動部４３と送気ポンプ駆動部４４に対して、それぞれの流量を減少させる指令を出力する。そして、流量減少の指示を受けた送液ポンプ駆動部４３は、ＤＭＦＣ起電装置に対するメタノール水溶液の供給を減少させる。同時に送気ポンプ駆動部４４は、ＤＭＦＣ起電装置に対する空気（酸素）の供給量を減らすように作動する。
【００２９】
逆に負荷電流が増加すると負荷供給電圧は低下する。この負荷電流の増加は電流検出部７１により検出され、供給電圧の低下はＤＭＦＣ電圧検出部７０ａと、出力電圧検出部７０ｃとにより検出される。すると発電制御部２０の指令により送液ポンプ駆動部４３は、メタノール水溶液の供給を増加させ、送気ポンプ駆動部４４は、空気（酸素）の供給量を増やすように作動する。
【００３０】
またＤＭＦＣ制御部（発電制御部）２０は、温度検出部７２を介してＤＭＦＣ起電装置１００の温度を検出しており、この温度に応じて送液ポンプ４１および送気ポンプ４２の各ポンプ流量をそれぞれ制御している。具体的にはＤＭＦＣ起電装置１００の温度が低く、その発電能力が低い場合には、送液ポンプ４１および送気ポンプ４２の各ポンプ流量を増やすことでＤＭＦＣ起電装置１００に供給するメタノール水溶液と空気の量を増やし、発電能力の低下を補っている。逆にＤＭＦＣ起電装置１００の温度が高く、その発電能力が十分に高くなった場合には、送液ポンプ４１および送気ポンプ４２の各ポンプ流量を絞り込むことでＤＭＦＣ起電装置１００に供給するメタノール水溶液と空気の量を減らし、過剰な発電を防いで、その発電量を一定化している。
【００３１】
尚、ＤＭＦＣ起電装置１００の発電に伴う化学反応によってカソード触媒層１３２が発熱する。この化学反応に伴う温度上昇を温度検出部７２により検出し、予め定めた一定の温度に維持するように発電制御部２０が送気ポンプ４２の流量を制御することも可能である。
【００３２】
次にＤＭＦＣ起電装置１００の起動時の制御手段について説明する。まず、ＤＭＦＣ起電装置の起動時は、ＤＭＦＣ起電装置１００の出力電圧は零である。このためＤＭＦＣ電圧検出部７０ａの検出電圧は０となる。このとき発電制御部２０は、予め定めた一定値以上の電圧が二次電池部６０に確保されているかどうかを二次電池電圧検出部７０ｂから得られる電圧情報に基づき判定する。この二次電池部６０の電圧が確保されている発電制御部２０が判定したとき、発電制御部２０は送液ポンプ４１および送気ポンプ４２を駆動制御してＤＭＦＣ起電装置１００に燃料（メタノール水溶液）と酸化剤（空気）を供給する。このとき、二次電池部６０の電圧はダイオードＤ１を介して送液ポンプ駆動部４３および送気ポンプ駆動部４４へ供給される。
【００３３】
そして、ＤＭＦＣ起電装置１００の出力電圧が上昇し、ＤＭＦＣ電圧検出部７０ａで検出された電圧が、二次電池電圧検出部７０ｂで検出された電圧より高いと発電制御部２０が判定したとき、発電制御部２０は二次電池部６０を充電するべく二次電池制御部６１を駆動する。
【００３４】
このとき、ＤＭＦＣ起電装置１００の出力電圧は、ダイオードＤ２を介して送液ポンプ駆動部４３および送気ポンプ駆動部４４に与えられる。このダイオード２を介して送液ポンプ駆動部４３および送気ポンプ駆動部４４に与えられる電圧は、前述したようにＤＭＦＣ起電装置１００の電圧が上昇するため、ダイオードＤ１を介して二次電池部６０から与えられる電圧より高くなる。このため、送液ポンプ駆動部４３および送気ポンプ駆動部４４は、ＤＭＦＣ起電装置１００の出力電力によって駆動制御される。
【００３５】
尚、二次電池部６０は、ダイオードＤ３を介して負荷駆動用出力として取り出すことも可能である。このため、負荷電流の追従性が悪いＤＭＦＣ起電装置１００の出力増加のタイムラグを補償することができる。
【００３６】
そして、負荷電力がＤＭＦＣ起電装置１００の最大出力電力を下回ったとき、ダイオードＤ４を介してＤＭＦＣ起電装置１００からの電力供給に切り替わる。
これらの電流経路の切替はダイオードにより瞬時に行われるので、負荷をシャットダウンすることなく負荷変動に即応することが可能となる。
【００３７】
かくして上述したように構成した燃料電池装置１０によれば、ＤＭＦＣ起電装置１００の発生電圧を検出する電圧検出部７０と温度検出部７２を設けて起電状況を検出し、この検出された情報に応じて、送液ポンプ４１と送気ポンプ４２の供給能力を可変制御しているので、効率的にＤＭＦＣ起電装置１００の運転を実施することが可能となる。
【００３８】
また、ＤＭＦＣ起電装置１００の出力電圧および二次電池部６０の出力電圧を検出しているので、二次電池部６０の適切な充電制御を行うことができると共に、燃料電池装置始動時は、二次電池部６０に充電された電力により送液ポンプ４１および送気ポンプ４２を駆動制御することができる。
【００３９】
更に本発明のこの実施形態によれば、二次電池が燃料電池の発電開始の為に使用されるのみならず、二次電池制御部を介してＤＭＦＣ起電装置によって充電されるので、二次電池の使用時間を長くすることが可能である。更にここでは燃料電池装置１０に対して燃料カートリッジ３０を着脱自在に設けた構造のものについて例示したが、所定量のメタノール水溶液を貯留可能な燃料タンク（図示せず）を一体に備え、この燃料タンクに対して外部からメタノール水溶液を供給可能な構成の燃料電池装置に対しても同様に適用することができる。
【００４０】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の燃料電池装置によれば、直接型メタノール燃料電池部の起電状況に応じてポンプの供給能力を可変制御しているので、効率的な燃料電池装置を実現することが可能となる。
【００４２】
更には、直接型メタノール燃料電池部の発電動作を補助する二次電池部を備えると共に、この二次電池により燃料電池の始動制御およびポンプ類に電源を供給することが可能となる。また、燃料電池起動後は、燃料電池が発生する電力により二次電池を充電することができるので、二次電池の使用時間を長くすることができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の概略構成を示すブロック図。
【図２】直接型メタノール燃料電池の概略構成を模式的に示す図。
【図３】本発明の一実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の制御構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１０燃料電池装置
２０制御部
３０燃料カートリッジ
４１送液ポンプ
４２送気ポンプ
６０二次電池部
１００起電装置

Claims

電解質膜を介してメタノール燃料と空気とを化学反応させて電力を発生する直接型メタノール燃料電池部と、
この直接型メタノール燃料電池部にメタノール燃料を供給する送液ポンプ、および前記直接型メタノール燃料電池部に空気を供給する送気ポンプと、
前記直接型メタノール燃料電池部の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段が検出した前記直接型メタノール燃料電池部の温度が予め定めた温度より低いときは前記各ポンプの供給能力を向上させ、該直接型メタノール燃料電池部の温度が予め定めた温度より高いときは前記各ポンプの供給能力を低下させるポンプ制御手段とを備えてなる発電制御部と
を具備したことを特徴とする燃料電池装置。
電解質膜を介してメタノール燃料と空気とを化学反応させて電力を発生する直接型メタノール燃料電池部と、
この直接型メタノール燃料電池部にメタノール燃料を供給する送液ポンプ、および前記直接型メタノール燃料電池部に空気を供給する送気ポンプと、
前記直接型メタノール燃料電池部の発生電圧を検出する出力電圧検出手段と、該出力電圧検出手段が検出した前記直接型メタノール燃料電池部の発生電圧が予め定めた電圧より低いときは前記各ポンプの供給能力を向上させ、前記直接型メタノール燃料電池部の出力電圧が予め定めた電圧より高いときは前記各ポンプの供給能力を低下させるポンプ制御手段とを備えてなる発電制御部と
を具備したことを特徴とする燃料電池装置。
請求項１または２に記載の燃料電池装置において、
更に前記直接型メタノール燃料電池部の出力電圧を補助する二次電池部と、
負荷電力が前記直接型メタノール燃料電池部の出力電力を下回ったときは該出力電圧にて前記二次電池部を充電し、負荷電力が前記直接型メタノール燃料電池の出力電力を上回ったときは前記二次電池部を放電する充放電制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池装置。
前記充放電制御手段は、負荷電力が前記直接型メタノール燃料電池部の出力電力を下回ったときは前記出力電力にて前記各ポンプを駆動すると共に前記二次電池部を充電し、負荷電力が前記直接型メタノール燃料電池の出力電力を上回ったときは前記二次電池部を放電させて前記各ポンプを駆動する請求項３に記載の燃料電池装置。
前記直接型メタノール燃料電池部が生起した電力を電源として作動する電子機器に装着して使用される燃料電池装置であって、
前記直接型メタノール燃料電池部と前記電子機器との間に介挿された第１の逆流防止ダイオードと、
前記二次電池部と前記電子機器との間に介挿された第２の逆流防止ダイオードとを具備し、
前記第１および第２の逆流防止ダイオードを介してそれぞれ出力された電力を合成して前記電子機器に供給する出力回路を備える請求項３に記載の燃料電池装置。
前記直接型メタノール燃料電池部は、定常発電時その出力電圧が前記二次電池部の出力電圧よりも高いものである請求項３に記載の燃料電池装置。
前記二次電池部は、その出力インピーダンスが前記メタノール燃料電池の出力インピーダンスよりも小さい請求項３に記載の燃料電池装置。