JP2008059813A - Fuel cell unit - Google Patents
Fuel cell unit Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008059813A JP2008059813A JP2006232790A JP2006232790A JP2008059813A JP 2008059813 A JP2008059813 A JP 2008059813A JP 2006232790 A JP2006232790 A JP 2006232790A JP 2006232790 A JP2006232790 A JP 2006232790A JP 2008059813 A JP2008059813 A JP 2008059813A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- cell unit
- stack
- unit
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、例えばダイレクトメタノール方式の燃料電池ユニットに関する。 The present invention relates to a direct methanol fuel cell unit, for example.
燃料電池の方式には種々のものがあるが、情報処理装置に適するものとして、ダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)が挙げられる。この種の燃料電池には、複数のセルがそれぞれセパレータを介して積層されたセルスタックが適用される。セルスタックにおいては、燃料供給のバランスなどが崩れると、特定のセルの電圧が他のセルの電圧に比べて低下する現象が起こることがある。この場合、発電を続行すると、セルが破壊される可能性がある。そのため、異常なセルを事前に検知してシステムに障害が生じないように工夫する必要がある。さらには、燃料電池の出力特性はセルの温度により大きく左右される事が知られており、このセルスタックの温度を効率良く検出する事が重要である。 There are various types of fuel cells, and a direct methanol fuel cell (DMFC) is suitable as an information processing apparatus. A cell stack in which a plurality of cells are stacked via separators is applied to this type of fuel cell. In the cell stack, when the balance of fuel supply is lost, the voltage of a specific cell may be lower than the voltages of other cells. In this case, if the power generation is continued, the cell may be destroyed. Therefore, it is necessary to devise an abnormal cell in advance so that the system does not fail. Furthermore, it is known that the output characteristics of the fuel cell are greatly influenced by the temperature of the cell, and it is important to detect the temperature of this cell stack efficiently.
セルスタックを構成する複数のセルの電圧をそれぞれ測定する技術としては、例えば特許文献1が挙げられる。この文献には、複数のセパレータの側面にそれぞれ弾性部材を用いて圧接するための複数個の電圧測定端子を有する測定基板をセルスタックに取り付け、各セルの電圧を測定することが開示されている。
しかしながら、上記文献の技術では、各セルの電圧を効率よく測定する事については開示されているが、セルスタックの温度検出について具体的な攻勢については開示されていない。 However, the technique of the above document discloses that the voltage of each cell is efficiently measured, but does not disclose a specific attack on the temperature detection of the cell stack.
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、セルスタックの温度を効率よく検出することができる燃料電池ユニットを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell unit capable of efficiently detecting the temperature of a cell stack.
本発明に係る燃料電池ユニットは、複数のセルがそれぞれセパレータを介して積層されたセルスタックと、セルスタックに取り付けられる基板と、を具備し、基板は、基板をセルスタックに取り付けた際、セルスタックにおける複数のセパレータにそれぞれ接触するように配列された複数の弾性体を有する端子と、セルスタックの温度により抵抗値が変化する抵抗部材と、基板をセルスタックに取り付けた際、複数の端子を通じて得られる各セルの電圧値および抵抗部材の抵抗値に基づきセルスタックの温度を測定する回路とを具備することを特徴とする。 A fuel cell unit according to the present invention includes a cell stack in which a plurality of cells are stacked via separators, and a substrate attached to the cell stack, and the substrate is a cell when the substrate is attached to the cell stack. A terminal having a plurality of elastic bodies arranged so as to be in contact with a plurality of separators in the stack; a resistance member whose resistance value varies depending on the temperature of the cell stack; and a plurality of terminals when the substrate is attached to the cell stack. And a circuit for measuring the temperature of the cell stack based on the obtained voltage value of each cell and the resistance value of the resistance member.
本発明によれば、セルスタックの温度を効率よく検出することができる。 According to the present invention, the temperature of the cell stack can be detected efficiently.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池ユニットを示す外観図である。図1に示すように、この燃料電池ユニット10は、情報処理装置、例えばノート型パーソナルコンピュータの後部を載置するための載置部11と、燃料電池ユニット本体12とから構成される。燃料電池ユニット本体12には、電気化学反応で発電を行うDMFCスタックや、DMFCスタックに対して燃料となるメタノールや空気を注入、循環させるための補機(ポンプやバルブ等)を内蔵している。
FIG. 1 is an external view showing a fuel cell unit according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
また、燃料電池ユニット本体12のユニットケース12a内部の例えば左端に、着脱可能な燃料カートリッジ(図示していない)が内蔵されており、この燃料カートリッジを交換できるように、カバー12bは取り外し可能となっている。
In addition, a removable fuel cartridge (not shown) is built in, for example, the left end of the
載置部11には情報処理装置が載置される。載置部11の上面には、情報処理装置と接続するための接続部としてドッキングコネクタ14が設けられている。一方、情報処理装置の例えば底面後部には、燃料電池ユニット10と接続するための接続部としてドッキングコネクタ21(図示していない)が設けられており、燃料電池ユニット10のドッキングコネクタ14と機械的、電気的に接続される。また、載置部11上に三箇所の位置決め突起15とフック16が設けられており、対応して設けられた情報処理装置の底面後部の三箇所の穴に、位置決め突起15とフック16が挿入される。
An information processing apparatus is placed on the
情報処理装置を燃料電池ユニット10から取り外す時は、図2に示した燃料電池ユニット10のイジェクトボタン17を押すことにより、ロック機構(図示していない)の解除が行われて、容易に取り外すことができる。
When removing the information processing apparatus from the
また、燃料電池ユニット本体12の例えば右側面には、発電設定スイッチ112と燃料電池運転スイッチ116が設けられる。
In addition, a power
発電設定スイッチ112は、燃料電池ユニット10での発電を許可或いは禁止するためにユーザが予め設定するためのスイッチであり、例えばスライド型スイッチで構成される。
The power
燃料電池運転スイッチ116は、例えば、燃料電池ユニット10で発電される電力で情報処理装置18が動作している時に、情報処理装置18の動作は継続しつつ燃料電池ユニット10での発電のみを停止させるような場合等に用いる。この場合、情報処理装置18は内蔵された二次電池の電力を用いて動作を継続することになる。燃料電池運転スイッチ116は、例えばプッシュスイッチ等で構成される。
For example, when the
図2は、情報処理装置18(例えば、ノート型パーソナルコンピュータ)を燃料電池ユニット10の載置部11の上に載置、接続した時の外観を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an external appearance when the information processing apparatus 18 (for example, a notebook personal computer) is placed on and connected to the
なお、図1、図2に示した燃料電池ユニット10の形状や大きさ、或いはドッキングコネクタ14の形状や位置等は、種々の形態が考えられる。
Various shapes are conceivable for the shape and size of the
図3は、燃料電池ユニット10の系統図を示したものであり、特にDMFCスタックとその周辺に設けられた補機について細部の系統を示している。
FIG. 3 shows a system diagram of the
燃料電池ユニット10は、発電部40と、燃料電池ユニット10の制御部である燃料電池制御部41とから構成される。燃料電池制御部41は発電部40の制御を行う他、情報処理装置18との通信を行う通信制御部としての機能を有する。
The
発電部40は、発電を行うための中心となるDMFCスタック42を有する他、燃料となるメタノールを収納する燃料カートリッジ43を有する。燃料カートリッジ43には高濃度のメタノールが封入されている。燃料カートリッジ43は、燃料を消費した時には容易に交換できるよう、着脱可能となっている。
The
また、一般に、ダイレクトメタノール型燃料電池においては、発電効率をあげるためにクロスオーバ現象を低減する必要がある。このために高濃度メタノールを希釈して低濃度化し、これを燃料極47に注入することが有効である。この実現のため、燃料電池ユニット10では、希釈循環システム62を採用しており、発電部40に希釈循環システム62の実現に必要な補機63を設ける。
In general, in a direct methanol fuel cell, it is necessary to reduce the crossover phenomenon in order to increase power generation efficiency. For this purpose, it is effective to dilute high-concentration methanol to lower the concentration and inject it into the
補機63には液体流路に設けられるものと気体流路に設けられるものがある。
There are
液体流路に設けられる補機63の接続関係は、燃料電池カートリッジ43の出力部から燃料供給ポンプ44が配管接続され、さらに燃料供給ポンプ44の出力部から混合タンク45に接続される。さらに、混合タンク45の出力部は送液ポンプ46に接続され、送液ポンプ46の出力部はDMFCスタック42の燃料極47に接続される。燃料極47の出力部は混合タンク45に配管接続される。また、水回収タンク55の出力部は水回収ポンプ56に配管接続され、水回収ポンプ56は混合タンク45へ接続される。
The
一方、気体流路においては、送気ポンプ50が送気バルブ51を介してDMFCスタック42の空気極52に接続される。空気極52の出力部は凝縮器53に接続される。また、混合タンク45からも、混合タンクバルブ48を介して凝縮器53に接続される。凝縮器53は排気バルブ57を介して排気口58に接続される。この凝縮器53には、水蒸気を効果的に凝縮するフィンが備えられている。また、冷却ファン54は凝縮器53の近傍に配設される。
On the other hand, in the gas flow path, the
次に、燃料電池ユニット10の発電部40の発電メカニズムについて、燃料と空気(酸素)の流れに沿って説明する。
Next, the power generation mechanism of the
まず、燃料カートリッジ43内の高濃度メタノールは、燃料供給ポンプ44によって、混合タンク45に流入する。混合タンク45の内部で高濃度メタノールは、回収された水や燃料極47からの低濃度メタノール(発電反応の残余分)等と混合されて希釈され、低濃度メタノールが生成される。低濃度メタノールの濃度は発電効率の高い濃度(例えば3〜6%)を保てるように制御される。この濃度制御は、例えば、濃度センサ60の検出結果を基に、燃料電池制御部41が燃料供給ポンプ44によって混合タンク45に供給される高濃度メタノールの量を制御することによって実現される。または、混合タンク45に環流する水の量を水回収ポンプ56等で制御することによって実現できる。
First, the high-concentration methanol in the
また、混合タンク45には、混合タンク45内のメタノール水溶液の液量を検出する液量センサ61や、温度を検出する温度センサ64が備えられており、これらの検出結果は燃料電池制御部41に送られて発電部40の制御などに使用される。
Further, the
混合タンク45で希釈されたメタノール水溶液は送液ポンプ46で加圧されて、DMFCスタック42の燃料極(負極)47に注入される。燃料極47では、メタノールの酸化反応が行われることで電子が発生する。酸化反応で生成される水素イオン(H+)はDMFCスタック42内の固体高分子電解質膜422を透過して空気極(正極)52に達する。
The methanol aqueous solution diluted in the
一方、燃料極47で行われる酸化反応によって生成される二酸化炭素は、反応に供されなかったメタノール水溶液とともに再び混合タンク45に環流する。二酸化炭素は混合タンク45内で気化し、混合タンクバルブ48を介して、凝縮器53へ向かい、最終的には排気バルブ57を介して、排気口58から外部へ排気される。
On the other hand, the carbon dioxide produced by the oxidation reaction performed at the
他方、空気(酸素)の流れは、吸気口49から取り込まれ、送気ポンプ50で加圧され、送気バルブ51を介し空気極(正極)52に注入される。空気極52では、酸素(O2)の還元反応が進行し、外部の負荷からの電子(e-)と、燃料極47からの水素イオン(H+)と、酸素(O2)から水(H2O)が水蒸気として生成される。この水蒸気は空気極52から排出され、凝縮器53に入る。凝縮器53では、冷却ファン54によって水蒸気が冷却されて水(液体)となり、水回収タンク55内に一時的に蓄積される。この回収された水は水回収ポンプ56によって混合タンク45へと環流し、高濃度メタノールを希釈するための希釈循環システム62が構成される。
On the other hand, the flow of air (oxygen) is taken from the
この希釈循環システム62による燃料電池ユニット10の発電メカニズムからわかるように、DMFCスタック42から電力が取り出す、即ち、発電を開始するために、各部のポンプ44,46,50,56やバルブ48、51、57或いは冷却ファン54等の補機63を駆動させる。これによってメタノール水溶液と空気(酸素)がDMFCスタック42内に注入されそこで電気化学反応が進行することによって電力が得られる。一方、発電を停止するには、これらの補機63の駆動を停止することによる。
As can be seen from the power generation mechanism of the
図4は、本発明に係る燃料電池ユニット10が接続される情報処理装置18のシステム構成を示したものである。
FIG. 4 shows a system configuration of the
情報処理装置18は、CPU65、主記憶66、ディスプレイコントローラ67、ディスプレイ68、HDD(Hard Disk Drive)69、キーボードコントローラ70、ポインタデバイス71、キーボード72、FDD73、これら構成品間において信号を伝送するバス74、バス74を介して伝送される信号を変換するためのノースブリッジ75、サウスブリッジ76と呼ばれるデバイス等から構成される。また、情報処理装置18の内部に電源部79を設け、ここに二次電池80として、例えばリチウムイオン電池を保有している。電源部79は、制御部77(以降、電源制御部77と記載する)によって制御される。
The
燃料電池ユニット10と情報処理装置18との電気的インタフェースとして制御系インタフェースと電源系インタフェースとを設ける。制御系インタフェースは情報処理装置18の電源制御部77と燃料電池ユニット10の制御部41との間にて通信を行うために設けられるインタフェースである。制御系インタフェースを介して情報処理装置18と燃料電池ユニット10との間で行われる通信は、例えばI2Cバス78といったシリアルバスを介して行われる。
As an electrical interface between the
電源系インタフェースは、燃料電池ユニット10と情報処理装置18との間における電力の授受のために設けられるインタフェースである。例えば、発電部40のDMFCスタック42で発電された電力が制御部41(以降、燃料電池制御部41と記載する)およびドッキングコネクタ14、21を介して情報処理装置18に供給される。また、電源系インタフェースには、情報処理装置18の電源部79から、燃料電池ユニット10内の補機63等への電力供給83もある。
The power supply system interface is an interface provided for power transfer between the
なお、情報処理装置18の電源部79に対してACアダプタ用コネクタ81を介してAC/DC変換された直流電源が供給され、これによって情報処理装置18の動作、二次電池(リチウムイオン電池)80の充電が可能である。
Note that a DC power source that is AC / DC converted is supplied to the
図5は、燃料電池ユニット10の燃料電池制御部41と、情報処理装置18の電源部79との、接続関係を示す構成例である。
FIG. 5 is a configuration example showing a connection relationship between the fuel
燃料電池ユニット10と情報処理装置18とはドッキングコネクタ14、21によって機械的かつ電気的に接続される。ドッキングコネクタ14、21には、燃料電池ユニット10のDMFCスタック42で発電された電力を情報処理装置18へ供給するための第一の電源端子(出力電源端子)91および、情報処理装置18から、燃料電池ユニット10のマイクロコンピュータ95にレギュレータ94を介して電源を供給し、かつ補機用電源回路97にスイッチ101を介して電源を供給するための第二の電源端子(補機用入力電源端子)92を有する。また、情報処理装置18からEEPROM99へ電源供給するための第三の電源端子92aを有している。
The
さらに、ドッキングコネクタ14、21は情報処理装置18の電源制御部77と燃料電池ユニット10のマイクロコンピュータ95との通信や、書き込み可能な不揮発性メモリ(EEPROM)99との通信、を行うための通信用入出力端子93を有している。
Further, the
次に、図5に示した接続図と、図6に示した燃料電池ユニット10の状態遷移図とを用いて、燃料電池ユニット10から情報処理装置18へ、燃料電池ユニット10に設けられるDMFCスタック42の電力が供給されるまでの基本的な処理の流れを説明する。
Next, using the connection diagram shown in FIG. 5 and the state transition diagram of the
なお、情報処理装置18の二次電池(リチウムイオン電池)80には所定の電力が充電されているものとする。また、図5の中のスイッチは全て開いているものとする。
It is assumed that the secondary battery (lithium ion battery) 80 of the
まず、情報処理装置18は、コネクタ接続検出部111から出力される信号に基いて、情報処理装置18と燃料電池ユニット10とが機械的および電気的に接続されたことを認識する。この認識は、コネクタ接続検出部111が例えばコネクタ接続検出部111へ入力される信号に基いて、ドッキングコネクタ14、21の接続によって燃料電池ユニット10の内部で接地されることを検出することによって行われる。
First, the
また、情報処理装置18の電源制御部77は、燃料電池ユニット10の発電設定スイッチ112の設定が発電許可設定であるか発電禁止設定であるかを認識する。例えば、発電設定スイッチ検出部113へ入力される信号に基いて、発電設定スイッチ検出部113が発電設定スイッチ112の設定状態に応じて接地状態であるか或いは解放状態であるか否かを検出する。発電設定スイッチ112が解放状態である場合は、電源制御部77は発電禁止設定として認識する。
Further, the
発電設定スイッチ112が発電禁止設定である状態は、図6の状態遷移図において「ストップステート(0)」ST10に相当する状態である。
The state in which the power
情報処理装置18と燃料電池ユニット10とがドッキングコネクタ14、21を介して機械的に接続されると、情報処理装置18側から第三の電源端子92aを介して燃料電池制御部41の記憶部である不揮発性メモリ(EEPROM)99に電源が供給される。このEEPROM99には、燃料電池ユニット10の識別情報等が予め記憶される。識別情報には、例えば燃料電池ユニットの部品コードや製造シリアル番号、或いは定格出力などの情報を予め含ませることができる。また、このEEPROM99は、例えば、I2Cバス93といったシリアルバスに接続されており、EEPROM99に記憶されているデータはこのEEPROM99に電源が供給されている状態において読み出し可能である。図5の構成では、電源制御部77が通信用入出力端子93を介してEEPROM99の情報を読み出すことが可能である。
When the
この状態においては、燃料電池ユニット10は発電を行っておらず、また燃料電池ユニット10の内部の状態は、EEPROM99の電源以外は電源が供給されていない状態である。
In this state, the
ここで、ユーザが発電設定スイッチ112の設定を発電許可設定に設定すると(図5では発電設定スイッチを接地状態側に設定する)、情報処理装置18に設けられる電源制御部77は、燃料電池ユニット10に設けられるEEPROM99に記憶された識別情報を読み出すことが可能となる。この状態が、図6の「ストップステート(1)」ST11の状態である。
Here, when the user sets the power
換言すると、ユーザが発電設定スイッチ112を発電許可設定に設定しない限り、即ち発電禁止設定の設定である限り、「ストップステート(0)」ST10の状態であり、燃料電池ユニット10における発電を禁止することが可能である。
In other words, unless the user sets the power
なお、発電設定スイッチは、例えばスライドスイッチ等のように開または閉の状態をいずれか一方の状態に保持できるものが好ましい。 The power generation setting switch is preferably a switch that can maintain the open or closed state in one of the states, such as a slide switch.
電源制御部77による識別情報の読み出しは、I2Cバス78といったシリアルバスを介して燃料電池ユニット10に設けられるEEPROM99に記憶されている燃料電池ユニット10の識別情報を読み出すことによって行われる。
Reading of the identification information by the power
電源制御部77が読み出された識別情報に基いて、情報処理装置18に接続されている燃料電池ユニット10が情報処理装置18に適合した燃料電池ユニットであると判断した場合、図6の状態は、「ストップステート(1)」ST11から「スタンバイステート」ST20に遷移する。
When the power
具体的には、情報処理装置18に設けられる電源制御部77は、情報処理装置18に設けられるスイッチ100を閉じることによって、二次電池80の電力を第1の電源端子92を介して燃料電池ユニット10へ供給し、レギュレータ94を介してマイクロコンピュータ95へ電源が供給される。
Specifically, the power
この「スタンバイステート」ST20の状態では、燃料電池ユニット10に設けられるスイッチ101は開いており、補機用電源回路97には電源は供給されていない。従って、この状態において補機63は動作していない。
In the “standby state” ST20, the
しかしながら、マイクロコンピュータ95は動作を開始しており、情報処理装置18に設けられる電源制御部77から、I2Cバス78を介して各種の制御用コマンドを受信することが可能な状態である。また、マイクロコンピュータ95は、燃料電池ユニット10の電源情報を、I2Cバスを介して情報処理装置18へ送信可能な状態である。
However, the
図7は、情報処理装置18に設けられる電源制御部77から、燃料電池制御部41に設けられるマイクロコンピュータ95に送られる制御用コマンドの一例を示した図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a control command sent from the power
図8は、燃料電池制御部41に設けられるマイクロコンピュータ95から情報処理装置18に設けられる電源制御部77に送られる電源情報の一例を示した図である。
FIG. 8 is a diagram showing an example of power supply information sent from the
情報処理装置18に設けられる電源制御部77は、図8の電源情報のうち「DMFC運転状態」(図8の番号1)を読み取ることによって、燃料電池ユニット10が「スタンバイステート」ST20であること認識する。
The power
この「スタンバイステート」ST20の状態で、電源制御部77が、図7に示した制御用コマンドのうち「DMFC運転ON要求」コマンド(発電開始コマンド)を燃料電池制御部41に送ると、これを受信した燃料電池制御部41は、燃料電池ユニット10の状態を「ウォームアップステート」ST30に移行させる。
When the power
具体的には、マイクロコンピュータ95からの制御によって燃料電池制御部41に設けられるスイッチ101を閉じて補機用電源回路97に情報処理装置18からの電源を供給する。併せて、マイクロコンピュータ95から送信される補機用制御信号によって、発電部40に設けられる補機63、即ち、図4に示した各ポンプ44、46、50、56、バルブ48、51、57及び冷却ファン54等を駆動させる。さらにマイクロコンピュータ95は、燃料電池制御部41に設けられたスイッチ102を閉じる。
Specifically, the
この結果、発電部40に設けられるDMFCスタック42に対してメタノール水溶液や空気が注入され、発電が開始される。また、DMFCスタック42による発電電力は、情報処理装置18に供給が開始される。ただし、発電出力は、瞬時に定格値に達するわけではないため、定格値に達するまでの状態を「ウォームアップステート」ST30と呼んでいる。
As a result, a methanol aqueous solution or air is injected into the
燃料電池制御部41に設けられるマイクロコンピュータ95は、DMFCスタック42に取り付けられる後述する測定基板210によりDMFCスタック42の出力電圧およびDMFCスタック42の温度をモニタすることにより、DMFCスタック42の出力が定格値に達したと判断すると、燃料電池ユニット10に設けられるスイッチ101を開き、補機63への電力供給源を情報処理装置18からDMFCスタック42に切り替える。この状態が「オンステート」ST40である。
The
以上が「ストップステート」ST10から「オンステート」ST40への処理の流れの概要である。 The above is the outline of the processing flow from the “stop state” ST10 to the “on state” ST40.
以下、上述したDMFCスタック42(図5参照)における各セルの電圧を効果的に測定して適切な処理を行う手法について説明する。 Hereinafter, a method for effectively measuring the voltage of each cell in the DMFC stack 42 (see FIG. 5) and performing appropriate processing will be described.
DMFCスタック42内の各セルの出力は、燃料供給のバランスがとれている場合には、各セルの出力も均等となっている。しかし、燃料供給のバランスが何らかの要因により崩れてしまうと、各セルの出力のバランスも崩れてしまうことがある。そのほか、温度分布などの要因により各セルの出力のバランスが崩れることもある。
When the fuel supply is balanced, the output of each cell in the
図9は、燃料供給が減少した場合のセルの電流−電圧特性を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing the current-voltage characteristics of the cell when the fuel supply is reduced.
燃料供給の減少が起こった場合と起こらない場合とを比較すると、燃料供給の減少が起こった場合の方が、出力電流値が減少することがわかる。すなわち、出力電力が低下することとなる。セルを直列接続するスタック構造の場合、スタックを構成する各セルの電流値は同じとなる。しかし、出力バランスが崩れた場合には出力電圧値が各セルで異なることになる。このとき、出力の落ちたセルの効率は低下し、発熱も大きくなる。他のセルの負荷は場合によっては軽くなるが、スタック全体での効率は低下し、発熱が大きくなってしまう。更に、出力の低い状態で発電を続けた場合、転極によりセルが破壊される場合がある。故障したセルは発電不能となり、高抵抗状態となる。そのため、スタックの出力が上がらず、最悪の場合にはスタックが使用不能となってしまうことも考えられる。 Comparing the case where the fuel supply is reduced and the case where the fuel supply is not generated, it can be seen that the output current value is reduced when the fuel supply is reduced. That is, the output power is reduced. In the case of a stack structure in which cells are connected in series, the current value of each cell constituting the stack is the same. However, when the output balance is lost, the output voltage value is different for each cell. At this time, the efficiency of the cell whose output has dropped decreases and the heat generation also increases. Although the load on other cells is lightened in some cases, the efficiency of the entire stack is reduced and heat generation is increased. Furthermore, when power generation is continued in a low output state, the cell may be destroyed due to inversion. The failed cell cannot generate electricity and enters a high resistance state. For this reason, the output of the stack does not increase, and in the worst case, the stack may become unusable.
本実施形態では、以下に説明する手法により、このような不具合を未然に防止することができる。 In the present embodiment, such a problem can be prevented beforehand by the method described below.
DMFCスタック42内の複数のセルは直列に接続されている。燃料供給のバランスが一定に保たれている場合には、図10のように各セルの電圧は同じになり、効率良く電力を供給することができる。一方、燃料供給のバランスが大きく崩れると、図11のように特定のセルの電圧が低くなる可能性があり、この場合に発電を継続すると電力供給の効率が悪化するとともに発熱量も増加し、やがてセルの破壊に至ることがある。
A plurality of cells in the
このようなことを未然に防止するためには、低電圧のセルの発生を検知し、検知した内容に基づいて適切な制御を行うことが好ましい。 In order to prevent this from happening, it is preferable to detect the occurrence of a low-voltage cell and perform appropriate control based on the detected content.
図12は、測定基板が取り付けられたDMCFスタック42を上から見た図である。図13は、測定基板が取り付けられたDMCFスタック42を横から見た図である。図14は、コンタクト202が実装される測定基板210の裏面を示す斜視図である。また、図15は、図14に示したコンタクト202を横から見た側面図である。
FIG. 12 is a top view of the
DMFCスタック42は、セルに相当する発電部としてのMEA(Membrane Electrode Assembly)201及び燃料流路となるセパレータ202の積層構造となっている。この積層構造の両端には、エンドプレート203が接合されている。
The
DMFCスタック42の上部には、測定基板(基板ユニット)210が取り付けられている。この測定基板210は、取り付けねじ211により開口部210Aを通じてエンドプレート203に固定される。
A measurement substrate (substrate unit) 210 is attached to the upper part of the
測定基板210の下側の面(DMFCスタック42と対向する面)には、複数のセパレータ202にそれぞれ対向するように配列された複数のコンタクト214が実装されている。複数のコンタクト214は、複数のセパレータ202とそれぞれ電気的に接続するための端子であり、対向するセパレータ202にそれぞれ圧接されている。
A plurality of
同様に、測定基板210の下側の面(DMFCスタック42と対向する面)には、サーミスタ300が実装される。サーミスタ300はDMFCスタック42の温度により抵抗値が変化する抵抗部材である。
Similarly, the
測定基板210の上側の面には、LSIなどから成る回路212及びコネクタ213が実装されている。回路212は、複数のコンタクト214を通じて得られる各セルの電圧値を測定し、また、サーミスタ300の抵抗値に基づいてDMFCスタック42の温度を測定し、図5に示される燃料電池制御部10側のマイクロコンピュータ95へ通知すべきデータ(測定温度値、出力電圧値)の生成処理などを行う。コネクタ213は、測定基板210とマイクロコンピュータ95との間で信号の送受を行うための信号線を接続したりするものである。
A
複数のコンタクト202は、図14及び図15に示されるように、例えばシールドフィンガータイプのコンタクトのコンタクトである。シールドフィンガータイプのコンタクト214は、セパレータ202に圧接される弾性体部分214Aと基板に接地される固定部分とから構成されている。弾性体部分214Aは、セパレータ202に圧接される部分である。また、個々のコネクタ214は、基板上の配線215を通じて前述の回路212に電気的に接続されている。同様にサーミスタ300は配線301を介して回路212に電気的に接続されている。
As shown in FIGS. 14 and 15, the plurality of
図13に示すように、サーミスタ300は複数のセパレータ202のうち中央に位置するセパレータ202にグリース又は伝熱シート等の伝熱部材を介して熱的に接続されている。DMFCスタック42を構成している複数のセルの温度は略同じ温度であるため、中央に位置しているセパレータ202以外のセパレータ202に電気的に接続しても勿論良い。また、伝熱部材301が無くてもサーミスタ300が間隙を介してセパレータ202の温度を測定しても良いが、好ましくは伝熱部材301を介してDMFCスタック42の温度検出をした方がなるべく正確な温度を検出することが出来る。
As shown in FIG. 13, the
また、測定基板210に実装された回路212などに障害が生じた場合には、測定基板210を交換するだけで済むという利点がある。基板の交換は、取り付けねじ211をはずすだけで簡単に行うことができる。
Further, when a failure occurs in the
また、測定基板210上の回路212は、コンタクト214が実装される面とは異なる面に実装されているので、配線を少なくすることができ、回路構成を簡潔にすることができ、製造上の困難性を低減している。また、検査やメンテナンスなどを行いやすい。
In addition, since the
また、DMFCスタック42上のわずかなスペースを測定基板210の配置に有効に利用しているので、極めてコンパクトな構成を実現しているといえる。
Further, since a small space on the
次に、図16のフローチャートを参照して、電圧監視の動作を説明する。 Next, the voltage monitoring operation will be described with reference to the flowchart of FIG.
まず、DMFCスタック42による発電動作が無負荷の状態で開始される(ステップS1)。これにより、燃料電池ユニット10の状態は、例えば図6にて説明した「ストップステート(0)」ST10から、「ストップステート(1)」ST11、「スタンバイステート」ST20、「ウォームアップステート」ST30、「オンステート」ST40へと順次遷移する。
First, the power generation operation by the
マイクロコンピュータ95(図5参照)は、DMFCスタック42の電圧値を得て、その電圧値が規定値以上であるか否かを判定する(ステップS2)。ここで、DMFCスタック42の電圧値が規定値未満の場合、異常とみなし、DMFCスタック42による発電動作を停止する(ステップS3)。このとき、燃料電池ユニット10の状態は、例えば「ストップステート(0)」ST10へ遷移する。一方、DMFCスタック42の電圧値が規定値以上の場合、正常とみなし、マイクロコンピュータ95は、測定基板210を用いた各セルの電圧監視を開始する(ステップS4)。
The microcomputer 95 (see FIG. 5) obtains the voltage value of the
マイクロコンピュータ95は、測定基板210上の回路212を通じて、OCV監視を実行し、無負荷時の状態における各セルが規定値以上であるか否かを判定する(ステップS5)。ここで、電圧値が規定値未満のセルがある場合には、異常とみなし、DMFCスタック42による発電動作を停止する(ステップS3)。このとき、燃料電池ユニット10の状態は、例えば「ストップステート(0)」ST10へ遷移する。一方、DMFCスタック42の電圧値が規定値以上の場合、正常とみなし、マイクロコンピュータ95は、負荷が電気的に接続された状態での各セルの電圧監視を開始する(ステップS6)。
The
ここで、全てのセルが規定値以上であれば、発電を継続する(ステップS8)。一方、電圧値が規定値未満のセルがある場合には、負荷を電気的に切断する(ステップS9)。 Here, if all the cells are equal to or greater than the specified value, power generation is continued (step S8). On the other hand, when there is a cell whose voltage value is less than the specified value, the load is electrically disconnected (step S9).
負荷を切断した後、マイクロコンピュータ95は、電圧監視において電圧値が規定値未満となった回数(以下、NG回数と呼ぶ)が何回目であるかを判定する(ステップS10)。NG回数が規定回数未満である場合には、該当するセルを正常に復帰させるため、例えば、無負荷状態で定常よりも流量を上げてリフレッシュを行う等といったリフレッシュ処理を行う(ステップS11)。このとき、燃料電池ユニット10の状態は、例えば「リフレッシュステート」ST60へ遷移する。リフレッシュ処理を終了した後はステップS5へ進む。このとき、燃料電池ユニット10の状態は、例えば「オンステート」ST40へ遷移する。一方、NG回数が規定回数以上である場合には、異常とみなし、DMFCスタック42による発電動作を停止する(ステップS3)。このとき、燃料電池ユニット10の状態は、例えば「ストップステート(0)」ST10へ遷移する。
After disconnecting the load, the
次に、図17のフローチャートを参照して、温度監視の動作を説明する。具体的にはDMFCスタック42の温度をモニタすることにより、DMFCスタックの出力が定格値に達したと判断し、「ウォームアップステート」から「オンステート」へ移行する動作を説明する。
Next, the temperature monitoring operation will be described with reference to the flowchart of FIG. Specifically, the operation of determining that the output of the DMFC stack has reached the rated value by monitoring the temperature of the
まず、DMFCスタック42による発電動作が無負荷の状態で開始される。これにより、燃料電池ユニット10の状態は、例えば図6にて説明した「ストップステート(0)」ST10から、「ストップステート(1)」ST11、「スタンバイステート」ST20、「ウォームアップステート」ST30と順次遷移する。(ステップS21)
First, the power generation operation by the
マイクロコンピュータ95は、DMFCスタック42の温度を得て、その温度が規定値以上であるか否かを判定する。(ステップS22)
The
ここで、DMFCスタック42の温度が規定値未満の場合、DMFCスタック42の出力が定格値に達していないと判断する。また、発電開始からの経過時間が規定値以上であるか否か判断し、規定値未満の場合はDMFCスタック42の温度の監視を継続し(ステップS23)、規定値以上の場合は異常とみなしDMFCスタックの発電を停止する。(ステップS24)
Here, when the temperature of the
一方、DMFCスタック42の温度が規定値以上の場合、DMFCスタック42の出力が定格値に達したと判断し、燃料電池ユニット10に設けられるスイッチを開き、補機63への電力供給源を情報処理装置18からDMFCスタック42に切り替え、「オンステート」へ移行する。(ステップS25)
On the other hand, when the temperature of the
このような動作によれば、セルに異常が生じた場合にその旨を測定基板210を通じて確実に検出することができ、マイクロコンピュータ95は適切な処理(発電の停止や復帰処理)を施すので、セルが破壊する等といった不具合を未然に防止することができる。
According to such an operation, when an abnormality occurs in the cell, the fact can be reliably detected through the
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。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
10…燃料電池ユニット、11…載置部、12…燃料電池ユニット本体、14…ドッキングコネクタ、40…発電部、41…燃料電池制御部、42…DMFCスタック、43…燃料カートリッジ、44…燃料供給ポンプ、45…混合タンク、46…送液ポンプ、47…燃料極(負極)、48…混合タンクバルブ、50…送気ポンプ、51…送気ポンプ、52…空気極(正極)、53…凝縮器、54…冷却ファン、55…水回収タンク、56…水回収ポンプ、57…排気バルブ、58…排気口、60…濃度センサ、61…液量センサ、62…希釈循環システム、63…補機、64…温度センサ、201…MEA、202…セパレータ、203…エンドプレート、210…電圧監視基盤、211…取り付けねじ、212…回路、213…コネクタ、214,216…コンタクト、300…サーミスタ。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記セルスタックに取り付けられる基板と、を具備し、
前記基板は、
前記基板を前記セルスタックに取り付けた際、前記セルスタックにおける前記複数のセパレータにそれぞれ接触するように配列された複数の弾性体を有する端子と、
前記セルスタックの温度により抵抗値が変化する抵抗部材と、
前記基板を前記セルスタックに取り付けた際、前記複数の端子を通じて得られる各セルの電圧値および前記抵抗部材の抵抗値に基づき前記セルスタックの温度を測定する回路とを具備することを特徴とする燃料電池ユニット。 A cell stack in which a plurality of cells are stacked via separators, and
A substrate attached to the cell stack,
The substrate is
A terminal having a plurality of elastic bodies arranged so as to come into contact with the plurality of separators in the cell stack when the substrate is attached to the cell stack;
A resistance member whose resistance value varies depending on the temperature of the cell stack;
A circuit for measuring a temperature of the cell stack based on a voltage value of each cell obtained through the plurality of terminals and a resistance value of the resistance member when the substrate is attached to the cell stack. Fuel cell unit.
前記回路は、前記基板の前記第1の面とは異なる第2の面に設けられることを特徴とする請求項1記載の燃料電池ユニット。 The terminal and the resistance member are provided on a first surface of the substrate,
The fuel cell unit according to claim 1, wherein the circuit is provided on a second surface different from the first surface of the substrate.
The fuel cell unit according to claim 3 or 4, wherein the resistance member is thermally connected to the cell via a heat transfer member.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006232790A JP2008059813A (en) | 2006-08-29 | 2006-08-29 | Fuel cell unit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006232790A JP2008059813A (en) | 2006-08-29 | 2006-08-29 | Fuel cell unit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008059813A true JP2008059813A (en) | 2008-03-13 |
Family
ID=39242315
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006232790A Pending JP2008059813A (en) | 2006-08-29 | 2006-08-29 | Fuel cell unit |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2008059813A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011021101A1 (en) * | 2009-08-20 | 2011-02-24 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and operating method for fuel cell system |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63309472A (en) * | 1987-06-12 | 1988-12-16 | Kaken:Kk | Thermal head energization control device for hand copy |
JP2000057392A (en) * | 1998-08-17 | 2000-02-25 | Fuji Electric Co Ltd | Arm turn type gate device |
JP2004192974A (en) * | 2002-12-12 | 2004-07-08 | Sony Corp | Fuel cell system and fuel cell operation method |
WO2005045972A1 (en) * | 2003-11-06 | 2005-05-19 | Nec Corporation | Fuel cell and method for operating fuel cell |
JP2006107789A (en) * | 2004-09-30 | 2006-04-20 | Toshiba Corp | Fuel cell unit, board unit, and control method of operation |
-
2006
- 2006-08-29 JP JP2006232790A patent/JP2008059813A/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS63309472A (en) * | 1987-06-12 | 1988-12-16 | Kaken:Kk | Thermal head energization control device for hand copy |
JP2000057392A (en) * | 1998-08-17 | 2000-02-25 | Fuji Electric Co Ltd | Arm turn type gate device |
JP2004192974A (en) * | 2002-12-12 | 2004-07-08 | Sony Corp | Fuel cell system and fuel cell operation method |
WO2005045972A1 (en) * | 2003-11-06 | 2005-05-19 | Nec Corporation | Fuel cell and method for operating fuel cell |
JP2006107789A (en) * | 2004-09-30 | 2006-04-20 | Toshiba Corp | Fuel cell unit, board unit, and control method of operation |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011021101A1 (en) * | 2009-08-20 | 2011-02-24 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and operating method for fuel cell system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20060083966A1 (en) | Fuel cell unit and method for controlling liquid volume | |
JP2008034254A (en) | Fuel cell system and its operation control method | |
US7618727B2 (en) | Fuel cell unit, control method for fuel cell unit, and information processing apparatus | |
JP2009110806A (en) | Fuel cell system, and starting control method of fuel cell system | |
JP2006294470A (en) | Fuel cell unit and control method | |
US20070048566A1 (en) | Fuel cell unit, control method for fuel cell unit, and information processing apparatus | |
JP2006107789A (en) | Fuel cell unit, board unit, and control method of operation | |
JPWO2007052500A1 (en) | Fuel cell dry state detection method, electronic device system and power control method thereof | |
KR100645690B1 (en) | Method for shutting down a fuel cell system and fuel cell apparatus using the same | |
JP4837015B2 (en) | Information processing apparatus system and charging control method | |
US7879473B2 (en) | Fuel cell unit, control method thereof, information processing apparatus, and power supply control method thereof | |
JP2007066747A (en) | Fuel cell unit and measurement value correction method | |
US20080102333A1 (en) | Fuel cell unit | |
JP2006294471A (en) | Fuel cell unit and method for calculating remaining amount of fuel | |
JP2007273388A (en) | Fuel cell system and operation control method therefor | |
JP2007123157A (en) | Fuel cell unit and operation control method | |
JP2008059813A (en) | Fuel cell unit | |
KR100711894B1 (en) | Fuel Cell and Fuel Cell Battery Carging Contrl Method | |
JP2006147179A (en) | Fuel cell unit | |
JP4971588B2 (en) | Fuel cell system and starting method thereof | |
JP2017157295A (en) | Fuel battery system | |
KR20200056188A (en) | Fuel cell system and method for controlling thereof | |
KR20070076098A (en) | Fuel cell system with load switch for delaying connection time | |
US20220416279A1 (en) | Fuel cell system | |
WO2007116693A1 (en) | Electronic device and fuel battery system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20081104 |
|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20081104 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20111116 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20111122 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20111226 |
|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20111226 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20120710 |