JP2005346984A - 電子機器システム、燃料電池ユニットおよび給電制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】併用される2次電池と協調させながら燃料電池の運転効率を向上させることを可能とした電子機器システムを提供する。
【解決手段】燃料電池ユニット2のマイコン21は、補機222を駆動制御することで、DMFC22の出力電力をHighモードとLowモードの2段階に制御する。マイコン21は、DC/DCコンバータ23の出力電圧が所定値を越えると、このDC/DCコンバータ23と電子機器1側でダイオードOR回路12を介して並列接続される2次電池11が満充電に近い状態にあると判断し、HighモードからLowモードに出力電力を低下させるべく補機222を駆動制御する。一方、この切り換え後、所定時間が経過すると、マイコン21は、2次電池11の残容量が規定値まで減少したと判断し、LowモードからHighモードに出力電力を復帰させるべく補機222を駆動制御する。
【選択図】 図2
【解決手段】燃料電池ユニット2のマイコン21は、補機222を駆動制御することで、DMFC22の出力電力をHighモードとLowモードの2段階に制御する。マイコン21は、DC/DCコンバータ23の出力電圧が所定値を越えると、このDC/DCコンバータ23と電子機器1側でダイオードOR回路12を介して並列接続される2次電池11が満充電に近い状態にあると判断し、HighモードからLowモードに出力電力を低下させるべく補機222を駆動制御する。一方、この切り換え後、所定時間が経過すると、マイコン21は、2次電池11の残容量が規定値まで減少したと判断し、LowモードからHighモードに出力電力を復帰させるべく補機222を駆動制御する。
【選択図】 図2
Description
この発明は、例えばダイレクト・メタノール方式の燃料電池を効率的に作動させるための給電制御技術に関する。
近年、例えばノートブックタイプのパーソナルコンピュータ等、バッテリ駆動可能な電子機器が広く普及している。また、最近では、環境問題に配慮して、有害な廃棄物を発生させない燃料電池を適用可能な電子機器も開発され始めている。
ダイレクト・メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:以下、DMFCと称することがある)は、燃料として与えられるメタノールと酸素とを反応させ、その化学反応によって電気エネルギーを得るものであり、多孔性金属または炭素からなる2つの電極が電解質をはさんだ構造をもつ。そして、このような構造をもつ燃料電池の運転効率を高めるために、様々な提案がなされている(例えば特許文献1等参照)。
この特許文献1に記載の手法は、蓄電池を燃料電池と併用し、負荷変動に追随させることなく定格出力で間欠的に燃料電池を運転させるようにしたものであり、蓄電池で負荷に対する電力供給を全時間的に保証しつつ、燃料電池の運転効率の向上を図ろうというものである。
特開平5−182675号公報
ところで、このDMFCには、大きく分けて、気化型および補機型の2つのタイプが存在する。補機型のDMFCは、ノートブックタイプのパーソナルコンピュータ等に適用される。補機型のDMFCは、送液ポンプや送風ポンプ等の補機を備えるタイプのDMFCであり、この補機を駆動制御することにより、その発電量を制御することができる。
従って、特許文献1に記載されている、補機の停止を伴う間欠運転(定格出力での運転→停止→定格出力での運転→…)は、補機型のDMFCにおいては効率の面からは実際には好ましくなく、また、この特許文献1に記載された手法では、併用する蓄電池の残容量との関係が全く考慮されていない。
さらに、DMFCは、セルスタックの温度が高くないと発電効率が悪い。DMFCの運転をオンオフ制御すると、DMFCの場合はスタートアップに時間がかかるので、運転効率が悪い。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、併用される2次電池と協調させながら燃料電池の運転効率を向上させることを可能とした電子機器システム、燃料電池ユニットおよび給電制御方法を提供することを目的とする。
前述した目的を達成するため、本発明の電子機器システムは、補機型の燃料電池と、前記燃料電池が発生させた電力を変換させるDC/DCコンバータと、2次電池と、前記DC/DCコンバータから出力される電力に余剰電力が発生した場合に、その余剰電力で前記2次電池を充電するための充電回路と、前記DC/DCコンバータから出力される電力を越える電力が要求された場合に、前記2次電池を放電させるためのダイオードOR回路と、前記2次電池の残容量が第1の残容量を越えた場合に、前記燃料電池の発電量を第1の発電量から前記第1の発電量よりも小さい第2の発電量に低下させ、前記第1の残容量よりも小さい第2の残容量を下回った場合に、前記第2の発電量から前記第1の発電量に復帰させるように前記燃料電池の補機を駆動制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
また、本発明は、2次電池を備えた本体装置に装着される燃料電池ユニットにおいて、補機型の燃料電池と、前記2次電池の残容量が第1の残容量を越えたと判定するための第1の条件が成立した場合に、前記燃料電池の発電量を第1の発電量から前記第1の発電量よりも小さい第2の発電量に低下させ、前記第1の残容量よりも小さい第2の残容量を下回ったと判定するための第2の条件が成立した場合に、前記第2の発電量から前記第1の発電量に復帰させるように前記燃料電池の補機を駆動制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
また、本発明は、補機型の燃料電池と、前記燃料電池が発生させた電力を変換させるDC/DCコンバータと、2次電池と、前記DC/DCコンバータから出力される電力に余剰分が発生した場合に、その余剰電力で前記2次電池を充電するための充電回路と、前記DC/DCコンバータから出力される電力を越える電力が要求された場合に、その不足分を補完すべく前記2次電池を放電させるためのダイオードOR回路とを備えた電子機器システムの給電制御方法であって、前記2次電池の残容量が第1の残容量を越えた場合に、前記燃料電池の発電量を、要求される電力の平均以上の第1の発電量から前記平均以下の第2の発電量に低下させ、前記第1の残容量よりも小さい第2の残容量を下回った場合に、前記第2の発電量から前記第1の発電量に復帰させるように前記燃料電池の補機を駆動制御することを特徴とする。
また、本発明は、補機型の燃料電池を備え、2次電池を備えた本体装置に装着される燃料電池ユニットの給電制御方法であって、前記2次電池の残容量が第1の残容量を越えたと判定するための第1の条件が成立した場合に、前記燃料電池の発電量を、前記本体装置から要求される電力の平均以上の第1の発電量から前記平均以下の第2の発電量に低下させ、前記第1の残容量よりも小さい第2の残容量を下回ったと判定するための第2の条件が成立した場合に、前記第2の発電量から前記第1の発電量に復帰させるように前記燃料電池の補機を駆動制御することを特徴とする。
本発明によれば、併用される2次電池と協調させながら燃料電池の運転効率を向上させることを可能とした電子機器システム、燃料電池ユニットおよび給電制御方法を提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る電子機器システムの外観を示す図である。
この電子機器システムは、電子機器1と、この電子機器1に着脱自在な燃料電池ユニット2とで構成される。電子機器1は、いわゆるノートブックタイプのパーソナルコンピュータであり、燃料電池ユニット2から供給される電力で動作することができる。この燃料電池ユニットは、メタノールと空気(酸素)とを反応させることにより発電するダイレクト・メタノール型であり、燃料であるメタノールが格納されたカートリッジ式の燃料タンク221を着脱できるようになっている。
図2は、この電子機器システムの給電制御に関わる構成を示す図である。
燃料電池ユニット2には、制御用のマイコン21が設けられており、このマイコン21の制御下で、DMFC22による発電が行われる。DMFC22は、燃料タンク221に格納されたメタノールと空気とをセルスタックと称される反応部で化学反応させて発電を行うものであり、このメタノールと空気とを反応部に送り込むための補機222が設けられている。マイコン21は、この補機222を駆動制御することにより、DMFC22の発電量を制御する。
DMFC22の出力電力は、DC/DCコンバータ23に供給され、このDC/DCコンバータ23でマイコン21が指示する電圧まで変換される。DC/DCコンバータ23の出力電力は、その供給先である電子機器1において、リチウムイオン電池等の2次電池11とダイオードOR回路12により並列接続されている。そこで、マイコン21は、本体部13による負荷電力が現在のDMFC22の発電量よりも小さい場合には、DC/DCコンバータ23の出力電圧を2次電池11よりも高くすることにより、DMFC22のみから給電が行われるようにし、現在の発電量を越える場合には、DC/DCコンバータ23の出力電圧を2次電池11と平衡させることにより、DMFC22に加えて2次電池11からも給電が行われるように、DC/DCコンバータ23を駆動制御する。
また、電子機器1には、2次電池11を充電するための充電回路14が設けられ、充電回路1は、本体部13による負荷電力が燃料電池ユニット2側から供給される電力を下回っている場合に、その余剰電力で2次電池11を充電するいわゆるフローティング充電を2次電池11に対して実行している。
つまり、この電子機器システムでは、DMFC22の出力に余剰が発生した場合、その余剰分で2次電池11が充電され、一方、DMFC22の出力では不足が発生する場合には、その不足分を補完すべく2次電池11が放電される。そして、この点を踏まえて、マイコン21は、補機222を駆動制御することにより、DMFC22の発電量を次のように制御する。
まず、第1に、マイコン21は、DMFC22を、LowモードおよびHighモードの2段階で制御する。そして、このLowモードにおける発電量とHighモードにおける発電量は、それぞれ図3に示すように定められる。
すなわち、Lowモードにおける発電量は、各システムのモデル毎に統計的に算出される本体部13による負荷電力の平均以下となる値が設定され(図3(A))、Highモードにおける発電量は、この平均以上となる値が設定される(図3(B))。その結果、Lowモード時では、2次電池11は放電される傾向となり、Highモード時には、充電される傾向となる。
また、第2に、マイコン21は、このDMFC22についてのモード切り換えを、2次電池11の残容量に対応させて実行する。マイコン21は、2次電池11の残容量が満充電状態に近いn1%を越えると、DMFC22をHighモードからLowモードに切り換えて発電量を低下させる。その後、2次電池11のみの給電でシステムを規定時間以上稼働させることが保証できるn2%まで残容量が減少すると、マイコン21は、DMFC22をLowモードからHighモードに復帰させる。
電子機器1に設けられる2次電池11の残容量がn1%を越えたかどうかを、燃料電池2のマイコン21は、次の原理で判定する。図4は、2次電池11の残容量と各残容量での充電電圧値との関係を示す図である。前述したように、充電回路14は、DC/DCコンバータ23の出力電力を使って、この2次電池11に対してフローティング充電を実行している。そこで、マイコン21は、DC/DCコンバータ23の出力電圧がm[V]を越えた場合、2次電池11の残容量がn1%を越えたものと判定する。一方、DMFC22をHighモードからLowモードに切り換えた後、2次電池11の残容量がn2%まで減少したかどうかを、マイコン21は、その切り換え時からの経過時間を監視することにより判定する。つまり、各システムのモデル毎に統計的に算出される、Lowモード時に2次電池11の残容量がn1%からn2%まで減少すると推定可能な所定時間が経過した場合、マイコン22は、2次電池11の残容量がn2%まで減少したものと判定する。
すなわち、マイコン22は、DC/DCコンバータ23の出力電圧がm[V]を越えたという第1の条件が成立した場合に、2次電池11の残容量がn1%を越えたと判断してDMFC22をHighモードからLowモードに切り換え、その後、その時点から所定時間が経過したという第2の条件が成立した場合に、2次電池11の残容量がn2%まで減少したと判断してDMFC22をLowモードからHighモードに復帰させる。
次に、図5乃至図8を参照して、DMFC22を前述のように設定されるHighモードおよびLowモードの2段階で制御する理由について説明する。
図5は、従来の制御におけるDMFC22の燃料効率を示す概念図である。図5の横軸は、出力電力であり、縦軸は、そのときに消費した燃料エネルギーの内訳を、「電力として利用」できた部分と、燃料電池装置の内部で発生した「熱損失」とに分けて示したものである。この例では、例えば燃料溶液の流速などのパラメータは一定に制御しており、出力電力に応じて最適化したものではない。図6には、この「熱損失」の内訳が、「電圧による損失」と、「クロスオーバ(C.O)に起因する損失」とに分けて示されている。ここでいうクロスオーバとは、燃料のメタノールが、燃料電池セル内部の固体高分子膜を透過して反対側(酸化極)へ移動することを示す。クロスオーバが生じると、酸化極側の触媒を不活性化する(触媒が被毒する)という問題があることが知られており、かつ、このクロスオーバした燃料は、酸化極側で酸化され、すべて熱に変換されて発電に全く寄与しないので、燃料効率を下げる要因となる。ここでは、このクロスオーバに起因して無効に酸化極で消費された燃料量と燃料極へ供給した燃料量との比率を、クロスオーバ率と称することにする。
図6では、横軸は図5と同じであるが、比較しやすくする為、縦軸を効率(図5のグラフをトータル電力で正規化したことに相当する)で示した。なお、電圧損失とは、電池セル内部で陽極・陰極間電圧を理論値よりも減らす原因になっている逆電圧に起因する電力損失であり、燃料電池の内部抵抗で消費される電力に相当する。この図6から明白なように、効率を下げている要因としては、クロスオーバによる損失が格段に大きい。また、この損失は、電池を定格出力でフル運転している場合に最も少なく、定格に比べて出力電力が小さくなるのに応じて大きく増える。そこで、本実施形態の電子機器システムでは、DMFC22の制御を図7に示すように実行する。
まず、DMFC22の定格電力であるB[W]で動作させることを基本とする(Highモード)。この基本方針だけで設計した場合、運転するにつれて、電子機器1の2次電池11は満充電に近くなる。そこで、この定格電力よりもずっと出力の小さい第2の動作点(図7の出力可変ポイント)でもDMFC22を運転できるように設計する(Lowモード)。ここでは、この点を例えば定格出力の1/2であるA[W]とする。そして、電子機器1の2次電池11が充電完了に近くなったら(n1%以上)、DMFC22をこの第2動作点で所定時間稼動させ、電子機器1の2次電池11が充電完了状態から十分大きく離れたら(n2%以下)、DMFC22を再び基本通りの運転に戻す。
この定格出力時(B[W])と第2の動作点(A[W])とのそれぞれにおいて、DMFC22の各種パラメータを最適値に設計すれば、図7の「出力可変ポイント」における効率は、図5の当該動作点における効率よりも大幅に向上する。その主な要因は、燃料濃度の減少、燃料流量の減少、空気流量の減少であり、これにより、クロスオーバ率が低下すると共に補機で消費する電力が減少し、大幅な効率改善を図ることが可能となる。
また、このように動作点を予め最適化した2点に固定して運転することにより、燃料効率を向上させることもできる。図8は、燃料濃度と燃料効率の関係を示す図である。例えば定常運転中は燃料濃度を一定に保つような単純な制御を行う場合でも、各動作点に応じて目標濃度を変えることができるので、燃料効率を向上させることが可能となる。
図9は、この電子機器システムの給電制御手順を示すフローチャートである。
燃料電池ユニット2のマイコン21は、まず、DMFC22をHighモードに設定すべく補機222を駆動制御する(ステップA1)。次に、マイコン21は、電子機器1の2次電池11の残容量がn1%を越えているか、つまりDC/DCコンバータ23の出力電圧がm[V]を越えているかを調べ(ステップA2)、越えていれば(ステップA2のYES)、DMFC22をLowモードに切り換えるべく補機222を駆動制御する(ステップA3)。
このLowモードへの切り換え後、マイコン21は、電子機器1の2次電池11の残容量がn2%を下回ったか、つまり切り換え後から所定時間を経過したかを調べ(ステップA4)、経過していれば(ステップA4のYES)、ステップA1に戻って、DMFC22をHighモードに復帰させるべく補機222を駆動制御する。
ところで、以上では、動作点を2つ設ける例を説明したが、2次電池11と協調させながらDMFC22の運転効率を向上させる本手法は、これに限られず、3以上の動作点を設けて多段階制御することも当然に可能である。例えば図10に示すように、2次電池11の残容量の基準値として、x1%、x2%、x3%の3値を採用し、これに基づき、例えば図11に示すように、DMFC22をMaxモード、Midモード、Minモードの3段階に制御するようにしても良い。また、2次電池11の残容量判断手法は、DC/DCコンバータ23の出力電圧の監視やモード切換後の経過時間の監視の他、例えば電子機器1側からの通知による等、いずれの手法も適用可能である。図12は、図10および図11で示した前提に基づくDMFC22の制御手順例を示すフローチャートである。
マイコン21は、DMFC22をMaxモードに設定すべく補機222を駆動制御すると(ステップB1)、2次電池11の残容量がx2%を越えているかを調べる(ステップB2)。もし、越えていれば(ステップB2のYES)、マイコン21は、DMFC22をMidモードに切り換えるべく補機222を駆動制御する(ステップB3)。
Midモードへの切り換え後、マイコン21は、2次電池11の残容量がx3を越えているか、またはx1%を下回っているかを調べる(ステップB4,ステップB5)。そして、x3を越えていれば(ステップB4のYES)、マイコン21は、DMFC22をさらにMinモードに切り換えるべく補機222を駆動制御する(ステップB6)。このMinモードへの切り換え後、マイコン21は、電子機器1の2次電池11の残容量がx2%を下回ったかを調べ(ステップB7)、下回れば(ステップB7のYES)、ステップB3に戻って、DMFC22をまずはMidモードまで復帰させるべく補機222を駆動制御する。
また、マイコン21は、Midモードへの切り換え後、2次電池11の残容量がx1%を下回ったら(ステップB5のYES)、ステップB1に戻って、DMFC22をMaxモードまで復帰させるべく補機222を駆動制御する。
このように、本実施形態の電子機器システムにおいては、電子機器1の2次電池11と協調させながら燃料電池ユニット2のDMFC22の運転効率を向上させることが可能となる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
1…電子機器、2…燃料電池ユニット、11…2次電池、12…ダイオードOR回路、13…本体部(負荷)、14…充電回路、21…マイコン、22…DMFC、23…DC/DCコンバータ、221…燃料タンク。
Claims (12)
- 補機型の燃料電池と、
前記燃料電池が発生させた電力を変換させるDC/DCコンバータと、
2次電池と、
前記DC/DCコンバータから出力される電力に余剰電力が発生した場合に、その余剰電力で前記2次電池を充電するための充電回路と、
前記DC/DCコンバータから出力される電力を越える電力が要求された場合に、前記2次電池を放電させるためのダイオードOR回路と、
前記2次電池の残容量が第1の残容量を越えた場合に、前記燃料電池の発電量を第1の発電量から前記第1の発電量よりも小さい第2の発電量に低下させ、前記第1の残容量よりも小さい第2の残容量を下回った場合に、前記第2の発電量から前記第1の発電量に復帰させるように前記燃料電池の補機を駆動制御する制御手段と
を具備することを特徴とする電子機器システム。 - 前記第1の発電量は、要求される電力の平均以上であり、前記第2の発電量は、要求される電力の平均以下であることを特徴とする請求項1記載の電子機器システム。
- 前記制御手段は、前記第1の残容量をもつ前記2次電池に対して前記充電回路が充電を行う場合の前記DC/DCコンバータの出力電圧値を保持し、この値を前記DC/DCコンバータの出力電圧値が越えた場合に、前記2次電池の残容量が前記第1の残容量を越えたと判定することを特徴とする請求項1記載の電子機器システム。
- 前記制御手段は、前記燃料電池の発電量を前記第1の発電量から前記第2の発電量に低下させてから所定の時間が経過した場合に、前記2次電池の残容量が前記第2の残容量を下回ったと判定することを特徴とする請求項1記載の電子機器システム。
- 前記制御手段は、前記燃料電池の発電量を前記第1の発電量から前記第2の発電量に低下させた後、前記2次電池の残容量が前記第1の残容量よりも大きい第3の残容量を越えた場合に、前記燃料電池の発電量を前記第2の発電量から前記第2の発電量よりも小さい第3の発電量にさらに低下させ、前記第1の残容量を下回った場合に、前記第3の発電量から前記第2の発電量に復帰させるように前記燃料電池の補機を駆動制御することを特徴とする請求項1記載の電子機器システム。
- 2次電池を備えた本体装置に装着される燃料電池ユニットにおいて、
補機型の燃料電池と、
前記2次電池の残容量が第1の残容量を越えたと判定するための第1の条件が成立した場合に、前記燃料電池の発電量を第1の発電量から前記第1の発電量よりも小さい第2の発電量に低下させ、前記第1の残容量よりも小さい第2の残容量を下回ったと判定するための第2の条件が成立した場合に、前記第2の発電量から前記第1の発電量に復帰させるように前記燃料電池の補機を駆動制御する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池ユニット。 - 前記第1の発電量は、要求される電力の平均以上であり、前記第2の発電量は、要求される電力の平均以下であることを特徴とする請求項6記載の燃料電池ユニット。
- 前記燃料電池が発生させた電力を変換させるDC/DCコンバータを具備し、前記第1の条件は、前記第1の残容量をもつ前記2次電池に対して前記充電回路が充電を行う場合の前記DC/DCコンバータの出力電圧値を、前記DC/DCコンバータの出力電圧値が越えたことであることを特徴とする請求項6記載の燃料電池ユニット。
- 前記第2の条件は、前記燃料電池の発電量を前記第1の発電量から前記第2の発電量に低下させてから所定の時間が経過したことであることを特徴とする請求項6記載の燃料電池ユニット。
- 前記制御手段は、前記燃料電池の発電量を前記第1の発電量から前記第2の発電量に低下させた後、前記2次電池の残容量が前記第1の残容量よりも大きい第3の残容量を越えたと判定するための第3の条件が成立した場合に、前記燃料電池の発電量を前記第2の発電量から前記第2の発電量よりも小さい第3の発電量にさらに低下させ、前記2次電池の残容量が前記第1の残容量を下回ったと判定するための第4の条件が成立した場合に、前記第3の発電量から前記第2の発電量に復帰させるように前記燃料電池の補機を駆動制御することを特徴とする請求項6記載の電子機器システム。
- 補機型の燃料電池と、前記燃料電池が発生させた電力を変換させるDC/DCコンバータと、2次電池と、前記DC/DCコンバータから出力される電力に余剰分が発生した場合に、その余剰電力で前記2次電池を充電するための充電回路と、前記DC/DCコンバータから出力される電力を越える電力が要求された場合に、その不足分を補完すべく前記2次電池を放電させるためのダイオードOR回路とを備えた電子機器システムの給電制御方法であって、
前記2次電池の残容量が第1の残容量を越えた場合に、前記燃料電池の発電量を、要求される電力の平均以上の第1の発電量から前記平均以下の第2の発電量に低下させ、
前記第1の残容量よりも小さい第2の残容量を下回った場合に、前記第2の発電量から前記第1の発電量に復帰させるように前記燃料電池の補機を駆動制御する
ことを特徴とする電子機器システムの給電制御方法。 - 補機型の燃料電池を備え、2次電池を備えた本体装置に装着される燃料電池ユニットの給電制御方法であって、
前記2次電池の残容量が第1の残容量を越えたと判定するための第1の条件が成立した場合に、前記燃料電池の発電量を、前記本体装置から要求される電力の平均以上の第1の発電量から前記平均以下の第2の発電量に低下させ、
前記第1の残容量よりも小さい第2の残容量を下回ったと判定するための第2の条件が成立した場合に、前記第2の発電量から前記第1の発電量に復帰させるように前記燃料電池の補機を駆動制御する
ことを特徴とする燃料電池ユニットの給電制御方法。
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