JP4250877B2

JP4250877B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP4250877B2
Application number: JP2001239976A
Authority: JP
Inventors: 和利野本
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2021-08-07
Also published as: EP1416560A1; EP1416560A4; US7172826B2; CA2425038A1; KR100951407B1; WO2003015203A1; KR20040015012A; CN100376054C; US20040081863A1; JP2003051328A; CN1543684A; US20070111047A1; US7655330B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素と燃料気体（例えば水素）の化学反応により起電力を得る燃料電池を電源とする電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料気体である水素及び酸素（空気）を供給することで発電体において起電力を発生させる装置であり、通常、電解質膜（プロトン伝導体膜）を気体電極で挟んだ構造を有し、所望の起電力を得る構造となっている。このような燃料電池は、電気自動車やハイブリット式車両への応用が大きく期待されており、自動車などの車両に搭載するという用途の他、軽量化や小型化が容易であるという利点を活かして、現状の乾電池や充電式電池とは異なる新たな用途への応用、例えば携帯可能な機器への応用が研究されつつある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に燃料電池では、燃料電池内部のカソード電極において、酸素と水素が化学反応し、その結果、水分が生成する。生成した水は、凝縮して液体となり、酸素ガス流路に溢れ出るため、酸素ガスの拡散を妨げることになる。その結果、効率的な反応ができなくなり、出力低下を招くという問題を抱えている。
【０００４】
水分の発生源は、上記水素と酸素の反応による生成水の他、加湿された水素側気体に含まれる水分がプロトンとともに電解質膜を通過してカソード側に浸出してきた水分、吸入した空気中に元々含まれる水分、最初から流路に結露している水分などが挙げられる。上記出力低下を防ぐには、空気流路の妨げとなるこれら水分を排除する必要があるが、これら全てを検知して最適な制御を行おうとすると膨大なシステムが必要になり、小型でローコストなシステムには適さない。
【０００５】
本発明は、かかる従来の実情に鑑みて提案されたものであり、複雑なシステムを必要とすることなく空気流路の妨げとなる水分の凝集を抑制することが可能な電源装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明の電源装置は、ポンプを備えた空気供給部、空気排出部、及び燃料気体供給部を有する燃料電池を電源として備えると共に、燃料電池の出力電流値（Ｉ）を検出する電流検出装置を備え、空気排出部に、排気温度を測定する温度センサと、排気の相対湿度（Ｒｈ）を測定する湿度センサとが設けられるとともに、温度センサにおいて測定される排気温度が５０℃〜８０℃のときのポンプに対する制御電圧を、相対湿度（Ｒｈ）および出力電流値（Ｉ）に基づいて調整し、排気湿度が一定の湿度以下になるよう制御する制御機構を有するものである。
【０００７】
燃料電池においては、様々な原因で水分が内部に発生し、その量も場合により一定していない。また、燃料電池の置かれる環境、運転状況などによって燃料電池内部の温度が変化し、それに応じて飽和水蒸気圧も著しく変化する。しかしながら、如何なる状況にあっても燃料電池内部の水蒸気が凝縮する状況はその温度での相対湿度を監視すれば把握することができる。ここで、燃料電池の排気温度と排気湿度は燃料電池内部の温度と湿度を反映している。したがって、燃料電池の排気温度と排気湿度を監視することにより、燃料電池内部の水分が凝集を開始するポイントを掴むことができ、監視結果に基づいて吸気量を調整して排気を一定の湿度以下に保つことにより水分の凝縮が抑制される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池の運転方法、及び電源装置の構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００９】
最初に、燃料電池の基本的な構成及び起電力が発生するメカニズムについて説明する。図１は、燃料電池の一構成例を示すものである。燃料電池は、図１に示すように、燃料気体である水素が接する燃料極１と、同じく空気（酸素）が接する空気極２とを電解質３を介して重ね合わせてなるものであり、その両側を集電体４で挟み込むことにより構成されている。集電体４は、集電性能が高く酸化水蒸気雰囲気下でも安定な緻密質のグラファイトなどからなり、燃料極１と対向する面には水素が供給される水平方向の溝４ａが、空気極２と対向する面には空気が供給される垂直方向の溝４ｂが形成されている。
【００１０】
上記燃料極１や空気極２は、図２に示すように、電解質３を挟んで形成されており、それぞれガス拡散電極１ａ，２ａと触媒層１ｂ，２ｂとからなる。ここで、ガス拡散電極１ａ，２ａは、多孔質材料などからなり、触媒層１ｂ，２ｂは、例えば白金などの電極触媒を担持させたカーボン粒子と電解質の混合物からなる。
【００１１】
燃料電池は、以上を基本単位（燃料電池セル）として、これを複数積層したスタック構造を有しており、これら複数の燃料電池セルが直列接続されることにより所定の電圧を得るような構成となっている。
【００１２】
上記構成の燃料電池においては、水素ガスを上記燃料極１と接するように集電体４に形成された溝４ａ内に流入させるとともに、空気（酸素）を上記空気極２と接するように溝４ｂ内に流入させると、燃料極１側では反応式
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
で示される反応が起こるとともに、空気極２側では反応式
１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ＋反応熱Ｑ
で示される反応が起こり、全体では
Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
で示される反応が起こることになる。すなわち、燃料極１にて水素が電子を放出してプロトン化し、電解質３を通って空気極２側に移動し、空気極２にて電子の供給を受けて酸素と反応する。かかる電気化学反応に基いて起電力が発生する。
【００１３】
図３は、上記のような構成を有する燃料電池の運転システムの一例を示すものである。ここで、燃料電池１０の空気極には、空気供給部であるエアポンプ１１によって空気が送り込まれる。燃料極には、燃料供給部である水素貯蔵タンク１２から燃料気体である水素が供給される。
【００１４】
上記燃料電池運転システムにおいては、制御機構であるＣＰＵ１３が設けられており、各種制御を行うような構成とされている。例えば、空気を供給するエアポンプ１１は、カソード極（燃料極）での反応に必要な酸素を供給するため空気を圧縮して空気流路１４に送り込むために設けられるものであるが、その制御電圧は上記ＣＰＵによって制御されている。具体的には、ＣＰＵ１３からＤＡコンバータ１５を介して制御電圧が出力される。この制御電圧がエアポンプ１１のドライブアンプ１６に加えられ、エアポンプ１１により送り込まれる空気の量が制御される。
【００１５】
一方、空気流路１４の末端に連なり反応済みの空気が排出される空気排出部には、排気湿度を監視するための湿度センサ１７が設置されており、この湿度センサ１７の出力電圧は、ＡＤコンバータ１８を介してＡＤ変換され、ＣＰＵ１３に入力される。また、上記燃料電池１０には、負荷１９に流れる出力電流を検知するための電流検知装置２０が設けられており、検知された電流値は、ＡＤコンバータ２１によりＡＤ変換されて、やはり上記ＣＰＵ１３に取り込まれる。
【００１６】
上記構成の燃料電池運転システムは、燃料電池内部において発生する生成水の状態を検出しコントロールする手段、装置を備えたローコストで小型、且つ簡易的なシステムであり、複雑なシステムが不要な新規なシステムである。先にも述べた通り、燃料電池では、燃料電池内部のカソード電極において、酸素と水素が化学反応し、その結果、水分が生成する。生成した水は、凝縮して液体となり、酸素ガス流路に溢れ出るため、酸素ガスの拡散を妨げることになる。これにより効率的な反応ができなくなり、出力低下を招く。上記システムは、これを避けるために水分を蒸散させ燃料電池の外部へ排出することを意図しており、以下、そのための手順について説明する。
【００１７】
先ず、燃料電池１０においては、出力電流に比例した酸素量が必要に成るため、最低限、この量を満足する空気流量が必要である。そこで、負荷１９に流れる出力電流値Ｉが電流検出装置２０により検知され、ＡＤコンバータ２１によってＡＤ変換されてＣＰＵ１３に取り込まれる。ＣＰＵ１３は、出力電流に応じて空気を流すための制御電圧Ｖ_０を発生する。
Ｖ_０＝Ｋ_１×Ｉ（ただし、Ｋ_１は所定の係数である。）
【００１８】
次に、エアポンプ１１の作り出す空気の流れによって同時に空気流路の妨げとなる水分を蒸散させ排出することを考える。ここで、水分の発生源は、水素＋酸素の反応による生成水、加湿された水素側気体に含まれる水分がプロトンとともに電解質膜を通過してカソード側に浸出してきた水分、吸入した空気中に元々含まれる水分、最初から流路に結露している水分などが考えられる。ただし、これら全てを検知して最適な制御を行おうとすると、膨大なシステムとなり小型のローコストなシステムには適さない。
【００１９】
これらを総合的に判断すると、排気の相対湿度を監視することにより、燃料電池内部の水分量を予測することができるものと考えられる。すなわち、気液相平衡状態において、燃料電池内部に空気を流入させると飽和水蒸気量までは水分の蒸散が行われるため、排気の相対湿度は上昇する。逆に内部の水分が少ない場合には、排出水蒸気量は吸入水蒸気量にほぼ等しい。上述のように、燃料電池においては、様々な原因で水分が内部に発生し、その量も場合により一定していない。また、燃料電池の置かれる環境、運転状況などによって燃料電池内部の温度が変化し、それに応じて飽和水蒸気圧も著しく変化する。しかしながら、このような状況にあっても燃料電池内部の水蒸気が凝縮する状況はその温度での相対湿度を監視すれば把握することができる。
【００２０】
また、燃料電池に近い排気出口での排気温度と排気湿度は、燃料電池内部での温度と湿度をよく反映しているため、これら排気温度、排気湿度を監視することにより、燃料電池内部の状態を把握することができる。例えば、排気の相対湿度が高くなり、１００％に近づいた場合、燃料電池の内部において、水分の凝集が開始される状態に近づいていると判断することができる。このように、燃料電池内部の水分が凝集を開始するポイントは、排気相対湿度Ｒｈを監視することで掴め、エアポンプ１１による吸気量を調節して、排気をある一定の湿度以下に保つことにより水分の凝集を抑制することができることになる。
【００２１】
実際には、吸気量に比例するエアポンプ１１の制御電圧Ｖを、湿度センサ１７で検知される排気相対湿度Ｒｈに対して、
Ｖ＝Ｋ_２×Ｒｈ＋Ｖ_０（Ｋ_２は所定の係数である。）
なる電圧をＣＰＵ１３で演算し、排気相対湿度が高くなったらエア流量を増加させる方向でドライブアンプ１６に制御電圧を与えることにより、排気湿度を一定に保つことができる。
【００２２】
ここで、例えば１０℃以下というような低温では、飽和水蒸気圧が低いため水分の蒸散が活発でないので、エア量を増加しても蒸散効果が少ないが、通常運転温度である５０℃〜８０℃程度の温度範囲では、この制御により効果的に水分による空気流路の閉塞を抑えることができ、ひいては出力の低下を避けながら安全運転を実現することが可能である。
【００２３】
以上、本発明を適用した燃料電池の運転方法、電源装置について説明してきたが、本発明が上記の例に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、水素供給側に加湿器を設け、水素を加湿制御するシステムにも適用可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば、複雑なシステムを必要とすることなく、最小限のセンサと簡単なシステムで空気流路の妨げとなる水分の凝集を抑制することができ、小型で低価格の燃料電池運転システムや電源装置を構築することが可能である。また、これにより、出力の低下のない安全運転が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池の基本的な構造例を示す分解斜視図である。
【図２】燃料電池の電極の構成例を示す概略断面図である。
【図３】本発明を適用した燃料電池運転システムの一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１０燃料電池、１１エアポンプ、１２水素貯蔵タンク、１３ＣＰＵ、１６ドライブアンプ、１７湿度センサ

Claims

ポンプを備えた空気供給部、空気排出部、及び燃料気体供給部を有する燃料電池を電源として備えると共に、前記燃料電池の出力電流値（Ｉ）を検出する電流検出装置を備え、
前記空気排出部に、排気温度を測定する温度センサと、排気の相対湿度（Ｒｈ）を測定する湿度センサとが設けられるとともに、
前記温度センサにおいて測定される排気温度が５０℃〜８０℃のときの前記ポンプに対する制御電圧を、相対湿度（Ｒｈ）および出力電流値（Ｉ）に基づいて調整し、排気湿度が一定の湿度以下になるよう制御する制御機構を有する電源装置。
前記制御機構から前記ポンプに対して下記の制御電圧Ｖを出力する請求項１記載の電源装置。
Ｖ＝Ｋ ₂ ×Ｒｈ＋Ｋ ₁ ×Ｉ（Ｋ ₂ ，Ｋ ₁ 所定の係数）
前記燃料気体供給部は、供給する燃料気体を加湿制御する加湿器を備えた請求項１記載の電源装置。
前記燃料気体供給部から供給される燃料気体が水素である請求項１記載の電源装置。