JP2008117540A - 燃料電池ユニット - Google Patents
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Abstract
【課題】不適正な燃料の使用を防止し、信頼性の向上した燃料電池ユニットを提供することにある。
【解決手段】燃料電池ユニットは、発電動作を行う起電部を有したユニット本体12と、ユニット本体に脱着可能に装着され、燃料を収容した燃料カートリッジ43と、燃料カートリッジから起電部に燃料を供給する燃料供給路30と、燃料供給路における燃料の物性を検出する燃料検出部34とを備えている。制御部41は、燃料検出部で検出された燃料の物性が所定の物性と異なる場合に、少なくとも燃料カートリッジの交換を警告、あるいは、ユニット本体の動作を停止のいずれかを行う。
【選択図】 図3
【解決手段】燃料電池ユニットは、発電動作を行う起電部を有したユニット本体12と、ユニット本体に脱着可能に装着され、燃料を収容した燃料カートリッジ43と、燃料カートリッジから起電部に燃料を供給する燃料供給路30と、燃料供給路における燃料の物性を検出する燃料検出部34とを備えている。制御部41は、燃料検出部で検出された燃料の物性が所定の物性と異なる場合に、少なくとも燃料カートリッジの交換を警告、あるいは、ユニット本体の動作を停止のいずれかを行う。
【選択図】 図3
Description
本発明は、電子機器等の電源として使用される燃料電池ユニットに関する。
現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ(以下、ノートPCと称する)、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。
燃料電池ユニットは、一次電池や2次電池と異なり、燃料を充填することで連続的な発電時間を延ばすことができる。そこで、この種の燃料電池ユニットは、起電部を有する燃料電池本体と、燃料電池本体に交換可能に取付けられる燃料カートリッジとを有している。燃料カートリッジの内部には、液体燃料として、例えばアルコール等が充填されている。そして、燃料が無くなった場合には、燃料カートリッジを交換することにより、連続して発電を行うことが可能となる。
このような燃料電池ユニットにおいては、燃料カートリッジの交換時期を認識するため、燃料カートリッジ内の燃料残量を検出することが望ましい。燃料残量を検出することにより、燃料を使い切った後に燃料カートリッジを交換することができるとともに、燃料のない状態での発電動作を防止することが可能となる。
例えば、特許文献1には、燃料電池および燃料検知センサユニットを備えたカメラが開示されている。燃料検知センサユニットは、燃料貯留部の下部左右に配置された投光素子および受光素子を有し、液体燃料に光が吸収されて受光素子に光が届くか否かによって燃料の残量を検知するように構成されている。
特開2005−172638号公報
上記のように、燃料電池に用いられるアルコール等の液体燃料は、燃料電池の発電形式などによって使用する種類、濃度、純度等に違いがある。そのため、燃料電池ユニットに適した液体燃料を使用しないと、燃料電池ユニットは正常な発電が出来ないばかりか、発電能力の劣化や故障の原因となる。また、安価な燃料を不正充填した燃料カートリッジの模造品が用いられる可能性もあり、このような燃料カートリッジの使用を未然に防止できることが望ましい。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、不適正な燃料の使用を防止し、信頼性の向上した燃料電池ユニットを提供することにある。
上記課題を達成するため、この発明の態様に係る燃料電池ユニットは、発電動作を行う起電部を有したユニット本体と、前記ユニット本体に脱着可能に装着され、燃料を収容した燃料カートリッジと、前記燃料カートリッジから前記起電部に燃料を供給する燃料供給路と、前記燃料供給路における燃料の物性を検出する燃料検出部と、前記燃料検出部で検出された燃料の物性が所定の物性と異なる場合に、少なくとも前記燃料カートリッジの交換を警告、あるいは、前記ユニット本体の動作を停止のいずれかを行う制御部と、を備えている。
以上構成によれば、不適正な燃料の使用を防止し、信頼性の向上した燃料電池ユニットを提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池システムについて詳細に説明する。
本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池ユニットおよびこの燃料電池ユニットから電力供給を受ける情報処理装置、例えば、ノート型のパーソナルコンピュータを備えている。
本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池ユニットおよびこの燃料電池ユニットから電力供給を受ける情報処理装置、例えば、ノート型のパーソナルコンピュータを備えている。
図1は、燃料電池ユニット10を示す外観図であり、図2は、燃料電池ユニットおよびこの燃料電池ユニットに接続された情報処理装置18を示す外観図である。図1に示すように、燃料電池ユニット10は、情報処理装置の後部を載置するための載置部11と、ユニット本体12とを備えている。燃料電池ユニット本体12は、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池(以下、DMFCと称する)として構成され、後述するように、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、循環させるための種々の補機を内蔵している。
ユニット本体12はユニットケース12aを備え、このユニットケース内部の例えば左端に、着脱可能な燃料カートリッジが内蔵されている。燃料カートリッジを交換できるように、ユニットケース12aの一部は、取り外し可能なカバー12bを構成している。
ユニットケース12aの例えば上面一端部には、発電設定スイッチ112および燃料電池運転スイッチ116が設けられる。ユニットケース12aの上面中央部には、燃料電池ユニット10の動作状態および燃料カートリッジの交換(エラー)を示す表示手段として、例えば、LED等で形成された複数のインジケータ8が設けられている。表示手段として、ディスプレイをユニットケース12a上に設けても良い。
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。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。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。
載置部11は、平坦な矩形状に形成され、ユニットケース12aから水平に延出しているとともに、情報処理装置18の後部を載置可能に形成されている。載置部11の上面には、情報処理装置18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。図1および図2に示すように、情報処理装置18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後述のドッキングコネクタ21が設けられている。情報処理装置18の後部を載置部16の上に載せた際、ドッキングコネクタ14、21が互いに機械的、電気的に接続される。
載置部11の3箇所には、ロック機構を構成する位置決め突起15およびフック16が設けられている。これらの位置きめ突起15およびフック16は、情報処理装置18の底面後部に設けられた図示しない係合孔と係合し、載置部11に対して情報処理装置を位置決め、保持する。載置部16には、情報処理装置18を燃料電池ユニット10から取り外す際、ロック機構のロックを解除するイジェクトボタン17が設けられている。
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。
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。
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。
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とを備えている。燃料電池制御部41は発電部40の動作を制御する他、情報処理装置18との通信を行う通信制御部として機能する。
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とを備えている。燃料電池制御部41は発電部40の動作を制御する他、情報処理装置18との通信を行う通信制御部として機能する。
発電部40は、起電部として機能するDMFCスタック42、および、燃料カートリッジ43を備えている。燃料カートリッジ43には、液体燃料として、例えば、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、ユニット本体12に対して着脱可能となっている。
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DMFCスタック42の燃料極47に注入することが有効である。これを実現するため、燃料電池ユニット10は、希釈循環システム62を採用し、希釈循環システム62の実現に必要な補機63が設けられている。
希釈循環システム62は、燃料、その他の流体を流す液体流路と、空気、その他の気体を流す気体流路と、を備えている。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とが含まれている。
液体流路は、燃料カートリッジ43からDMFCスタック42に延びた燃料供給路30を備えている。この燃料供給路30に設けられた補機63は、燃料電池カートリッジ43の出力部に接続された燃料供給ポンプ44、燃料供給ポンプ44の出力部に接続された混合タンク45、混合タンク45の出力部に接続された送液ポンプ46を備え、送液ポンプ46の出力部はDMFCスタック42のアノード(燃料極)47に接続されている。アノード47の出力部は、アノード冷却器32を介して混合タンク45に接続されている。また、燃料カートリッジ42と燃料供給ポンプ44との間で、燃料供給路30には、この燃料供給路を開閉する燃料供給バルブ33が設けられている。更に、燃料供給路30において、電磁弁と燃料カートリッジ42との間には、燃料カートリッジ42から供給された燃料の物性を検出する検出器34が設けられている。本実施形態において、検出器34は、燃料の物性として、燃料の電気伝導度を検出する伝導度センサを用いている。検出器34は、燃料カートリッジ42の供給口近傍に設けられていることが望ましいが、燃料カートリッジと混合タンクとの間に設けられていればよい。
補機63は、後述するカソード冷却器53に隣接して設けられた水回収タンク55を有し、水回収タンク55の出力部は液体流路を通して水回収ポンプ56に接続されている。水回収ポンプ56の出力部は液体流路を通して混合タンク45に接続されている。燃料電池カートリッジ43、燃料供給ポンプ44、混合タンク45、送液ポンプ46は、DMFCスタック42に燃料を供給する燃料供給部を構成している。
一方、気体流路に設けられる補機63は、送気バルブ51を介してDMFCスタック42のカソード(空気極)52に接続された送気ポンプ50、およびカソード52の出力部に接続されたカソード冷却器53を有している。混合タンク45は、タンクバルブ48を介してカソード冷却器に配管接続されている。カソード冷却器53は排気バルブ57を介して排気口58に接続されている。カソード冷却器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。カソード冷却器53に対向して冷却ファン54が配設されている。
図4および図5に示すように、セル積層体として機能するDMFCスタック42は、複数、例えば、4つの単セル140と、5枚の矩形板状のセパレータ142とを交互に積層して構成された積層体、および積層体を支持した枠体145を有している。各単セル140は、それぞれ触媒層とカーボンペーパで構成されたほぼ矩形板状のカソード52およびアノード47、これらカソード、アノード間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜144とを一体化した膜・電極接合体(MEA)を備えている。高分子電解質膜144は、カソード43およびアノード50よりも大きな面積に形成されている。
3つのセパレータ142は、隣合う2つの単セル140間に積層され、他の2つのセパレータは、積層方向両端にそれぞれ積層されている。セパレータ142および枠体145には、各単セル140のアノード47に燃料を供給する燃料流路146、および各単セルのカソード52に空気を供給する空気流路147が形成されている。
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。
図3に示すように、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に供給される。混合タンク45の内部で高濃度メタノールは、回収された水やアノード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。
図3に示すように、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に供給される。混合タンク45の内部で高濃度メタノールは、回収された水やアノード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。
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、温度を検出する温度センサ64が設けられ、これらセンサ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。
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の燃料流路146へ送られ、この燃料流路から各単セル140のアノード47に注入される。図5に示すように、アノード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144を透過してカソード52に達する。
アノード47での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アノード冷却器32によって冷却されて後、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、気体流路を通ってカソード冷却器53へ送られ、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。
他方、図3に示すように、空気(酸素)は、空気供給部を構成する送気ポンプ50により、吸気口49から取り込まれ、加圧された後、送気バルブ51を介しDMFCスタック42の空気流路147へ送られ、この空気流路から各単セル140のカソード(空気極)52に供給される。カソード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、アノード47からの水素イオン(H+)と酸素(O2)とから水(H2O)が水蒸気として生成される。この水蒸気はカソード52から排出され、カソード冷却器53に入る。カソード冷却器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。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。
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。DMFCスタック42で発生した電力は、燃料電池制御部41、ドッキングコネクタ14を介して情報処理装置18へ供給される。一方、発電を停止するには、これらの補機63の駆動を停止するか、あるいは、DMFCスタック42からの電力の取り出しを停止することによる。
図6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。
情報処理装置18は、CPU65、主メモリ66、ディスプレイコントローラ67、表示部として機能するディスプレイ68、HDD(ハードディスクドライブ)69、キーボードコントローラ70、ポインタデバイス71、入力部を構成するキーボード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、電源制御部77によって制御される。
情報処理装置18は、CPU65、主メモリ66、ディスプレイコントローラ67、表示部として機能するディスプレイ68、HDD(ハードディスクドライブ)69、キーボードコントローラ70、ポインタデバイス71、入力部を構成するキーボード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、電源制御部77によって制御される。
CPU65は、情報処理装置18全体の動作制御を司り、主メモリ66に格納されたオペレーティングシステム(OS)、電源管理ユーティリティを含むユーティリティソフトウェア、アプリケーションソフトウェアなどの各種プログラムを実行する。
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が設けられている。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の燃料電池制御部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。
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燃料電池制御部41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。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も含まれる。
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80の充電が可能である。
図7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図である。
燃料電池ユニット10の電池制御部41は、マイクロコンピュータ95、種々のデータを格納した不揮発性メモリ(EEPROM)99、補機用電源回路、情報処理装置用電源回路120等を備えている。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。
燃料電池ユニット10の電池制御部41は、マイクロコンピュータ95、種々のデータを格納した不揮発性メモリ(EEPROM)99、補機用電源回路、情報処理装置用電源回路120等を備えている。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。
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EEPROM99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。マイクロコンピュータ95は、DMFCスタック42の出力電力を検出する検出部としても機能し、検出した出力電力、ここでは、出力電流値をEEPROM99に格納する。
次に、図7を参照して、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。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7の中のスイッチは全て開いているものとする。
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。
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。
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EEPROM99に電源が供給される。EEPROM99には、燃料電池ユニット10のステータス情報等が予め記憶される。ステータス情報には、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、検出されたDMFCスタック42の出力電流値、各種センサで検出された液晶、温度、濃度などの検出データ、適正の燃料の電気伝導度等の情報を含ませることができる。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。電源制御部77は通信用入出力端子93を介してEEPROM99のステータス情報を読み出し、内蔵したレジスト等に格納することが可能である。
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。
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、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。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。
電源制御部77は、燃料電池ユニット10のEEPROM99から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、情報処理装置18に設けられるスイッチ100を閉じる。これにより、二次電池80の電力が第1の電源端子92を介して燃料電池ユニット10へ供給され、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。この状態では、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。
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の電源制御部77から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。マイクロコンピュータ95は、燃料電池ユニット10の電源情報を情報処理装置18へ送信可能な状態である。
この状態で、電源制御部77から発電開始コマンドが燃料電池制御部41に送られると、これを受信した燃料電池制御部41は、マイクロコンピュータ95からの制御によってスイッチ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、燃料電池制御部41は、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、各ポンプ44、46、50、56、バルブ33、48、51、57及び冷却ファン54等を駆動する。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。
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。DMFCスタック42による発電電力は、燃料電池制御部41の情報処理装置用電源回路120を介して情報処理装置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ウォームアップ状態となる。
燃料電池制御部41のマイクロコンピュータ95は、例えば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のスイッチ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。
一方、燃料電池制御部41は、発電設定スイッチ112がオンされた後、燃料カートリッジ43から供給される燃料が適正な燃料であるか否かを判断する。すなわち、図8に示すように、燃料電池制御部41は、発電設定スイッチ112がオンされているか否かを判断する(ST1)。発電設定スイッチ112がオンされている場合、燃料電池制御部41は、燃料カートリッジ43から供給された燃料の電気伝導度を物性検知器34により検出し(ST2)、検出された電気伝導度と、EEPROM99に格納されている適正な電気伝導度の範囲とを比較する(ST3)。
図9は、一例として、水道水、市販蒸留水、純水、純水+メタノールの各々の抵抗値および電気伝導度(抵抗値の逆数)を示している。この図から分かるように、水道水、市販蒸留水、および純水では、電気伝導度が互いに相違している。例えば、適正な燃料を純水+メタノールとした場合、その電気伝導度は、1〜0.0556μS/cmであるが、純水に換えて、水道水、市販蒸留水が混合されている場合、燃料の電気伝導度が適正値の範囲からずれることになる。
検出された電気伝導度が適正な電気伝導度の範囲に一致している場合、燃料電池制御部41は、発電部40の発電動作を開始する(ST4)。
検出された電気伝導度が適正な電気伝導度の範囲から外れている場合、燃料電池制御部41は、燃料カートリッジ43から供給される燃料が不適正な燃料であると判断し、補機63を停止状態に維持する(ST5)。すなわち、燃料電池制御部41は、発電部40に設けられる各ポンプ44、46、50、56、冷却ファン54等を停止状態とし、バルブ33、48、51、57を閉状態に維持する。また、燃料電池制御部41は、ユニット本体12に設けられた所望のLED8を点灯、あるいは、点滅し、使用者に燃料の不適正を表示し、あるいは、燃料カートリッジ43の交換を警告する(ST6)。この際、LED8の点灯と同時に、あるいは、LEDの点灯に代えて、ユニット本体12に設けたディスプレイあるいは情報処理装置18のディスプレイ68に「燃料カートリッジを交換してください」等のメッセージを表示する構成としてもよい。
検出された電気伝導度が適正な電気伝導度の範囲から外れている場合、燃料電池制御部41は、燃料カートリッジ43から供給される燃料が不適正な燃料であると判断し、補機63を停止状態に維持する(ST5)。すなわち、燃料電池制御部41は、発電部40に設けられる各ポンプ44、46、50、56、冷却ファン54等を停止状態とし、バルブ33、48、51、57を閉状態に維持する。また、燃料電池制御部41は、ユニット本体12に設けられた所望のLED8を点灯、あるいは、点滅し、使用者に燃料の不適正を表示し、あるいは、燃料カートリッジ43の交換を警告する(ST6)。この際、LED8の点灯と同時に、あるいは、LEDの点灯に代えて、ユニット本体12に設けたディスプレイあるいは情報処理装置18のディスプレイ68に「燃料カートリッジを交換してください」等のメッセージを表示する構成としてもよい。
その後、燃料電池制御部41は、燃料カートリッジ43が交換され、適正な燃料が供給されると、上述した発電部40の通常の発電動作を開始する。
以上のように構成された燃料電池ユニットを備えた燃料電池システムによれば、燃料カートリッジから供給される燃料の物性を検出し、適正な燃料であるか否かを判断することにより、不適正な燃料を燃料電池ユニットに供給することが防止することが可能となる。従って、種類、濃度、純度等の不適切な燃料に起因する発電能力の劣化、各種構成要素の故障、損傷を防止することができる。また、安価な燃料を不正充填した燃料カートリッジの模造品等の使用を未然に防止できることが可能となる。
以上のことから、不適正な燃料の使用を防止し、信頼性の向上した燃料電池ユニットを提供することができる。
以上のことから、不適正な燃料の使用を防止し、信頼性の向上した燃料電池ユニットを提供することができる。
次に、この発明の第2の実施形態に係る燃料電池ユニットについて説明する。
第2の実施形態によれば、図3に示した、燃料の物性を検知する検知器34として、燃料の水素イオン濃度(pH)を検出する水素イオン濃度センサを用いる。
第2の実施形態によれば、図3に示した、燃料の物性を検知する検知器34として、燃料の水素イオン濃度(pH)を検出する水素イオン濃度センサを用いる。
燃料として用いられるメタノール等のアルコールおよび水は、一般的に中性であり、水素イオン濃度の数値は7程度となる。純水に限らず、蒸留水や水道水の水素イオン濃度も7程度となる。そのため、適正な燃料を純水+メタノールとした場合、純水に代えて蒸留水あるいは水道水をメタノールに混合した不適正燃料の水素イオン濃度、および適正な燃料の水素イオン濃度は、いずれも7程度となり、違いを判別することが困難となる。
そこで、本実施形態によれば、適正燃料として、純水+メタノールに、pHの高い塩基性物質、あるいは、pHの低い酸性物質を添加することにより、pHが中性の7から大きくずれた燃料を用い、この燃料が充填された燃料カートリッジ43を適正な燃料カートリッジとしている。ここでは、純水+メタノールに塩基性物質を添加し、pHが例えば10の燃料を適正燃料として用いる。
このような燃料を適正燃料として用い、燃料カートリッジ43から供給された燃料の水素イオン濃度を水素イオン濃度センサによって検知することにより、検出された燃料が適正な燃料であるか否かを容易に判別することが可能となる。
第2実施形態によれば、燃料電池制御部41は、発電設定スイッチ112がオンされた後、燃料カートリッジ43から供給される燃料が適正な燃料であるか否かを判断する。すなわち、図10に示すように、燃料電池制御部41は、発電設定スイッチ112がオンされているか否かを判断する(ST1)。発電設定スイッチ112がオンされている場合、燃料電池制御部41は、燃料カートリッジ43から供給された燃料の水素イオン濃度を物性検知器34により検出し(ST2)、検出された水素イオン濃度と、EEPROM99に格納されている適正な水素イオン濃度の範囲、例えば、pH9〜11とを比較する(ST3)。
検出された電気伝導度が適正な水素イオン濃度の範囲に一致している場合、燃料電池制御部41は、発電部40の発電動作を開始する(ST4)。
検出された水素イオン濃度が適正な水素イオン濃度の範囲から外れている場合、燃料電池制御部41は、燃料カートリッジ43から供給される燃料が不適正な燃料であると判断し、補機63を停止状態に維持する(ST5)。すなわち、燃料電池制御部41は、発電部40に設けられる各ポンプ44、46、50、56、冷却ファン54等を停止状態とし、バルブ33、48、51、57を閉状態に維持する。また、燃料電池制御部41は、ユニット本体12に設けられた所望のLED8を点灯、あるいは、点滅し、使用者に燃料の不適正を表示し、あるいは、燃料カートリッジ43の交換を警告する(ST6)。この際、LED8の点灯と同時に、あるいは、LEDの点灯に代えて、ユニット本体12に設けたディスプレイあるいは情報処理装置18のディスプレイ68に「燃料カートリッジを交換してください」等のメッセージを表示する構成としてもよい。
検出された水素イオン濃度が適正な水素イオン濃度の範囲から外れている場合、燃料電池制御部41は、燃料カートリッジ43から供給される燃料が不適正な燃料であると判断し、補機63を停止状態に維持する(ST5)。すなわち、燃料電池制御部41は、発電部40に設けられる各ポンプ44、46、50、56、冷却ファン54等を停止状態とし、バルブ33、48、51、57を閉状態に維持する。また、燃料電池制御部41は、ユニット本体12に設けられた所望のLED8を点灯、あるいは、点滅し、使用者に燃料の不適正を表示し、あるいは、燃料カートリッジ43の交換を警告する(ST6)。この際、LED8の点灯と同時に、あるいは、LEDの点灯に代えて、ユニット本体12に設けたディスプレイあるいは情報処理装置18のディスプレイ68に「燃料カートリッジを交換してください」等のメッセージを表示する構成としてもよい。
その後、燃料電池制御部41は、燃料カートリッジ43が交換され、適正な燃料が供給されると、発電部40の通常の発電動作を開始する。
なお、第2の実施形態において、燃料電池ユニットの他の構成は、前述した第1の実施形態と同一であり、その詳細な説明は省略する。そして、第2の実施形態においても、前述した第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
次に、この発明の第3の実施形態に係る燃料電池ユニットについて説明する。
第2の実施形態によれば、図3に示した、燃料の物性を検知する検知器34として、燃料の濃度を検出する濃度センサを用いる。
第2の実施形態によれば、図3に示した、燃料の物性を検知する検知器34として、燃料の濃度を検出する濃度センサを用いる。
適正な燃料として所定濃度の純水+メタノールを用いる場合、一般に、メタノールの密度は0.79、純水の密度は1であることから、これらの混合状態に応じて燃料の濃度、特に、メタノール濃度が変動する。
そこで、本実施形態によれば、適正燃料として、純水とメタノールとが所定の混合比で混合され所定のメタノール濃度を有した燃料を用い、この燃料が充填された燃料カートリッジ43を適正な燃料カートリッジとしている。
そこで、本実施形態によれば、適正燃料として、純水とメタノールとが所定の混合比で混合され所定のメタノール濃度を有した燃料を用い、この燃料が充填された燃料カートリッジ43を適正な燃料カートリッジとしている。
このような燃料を適正燃料として用い、燃料カートリッジ43から供給された燃料のメタノール濃度を濃度センサによって検知することにより、検出された燃料が適正な燃料であるかを判別することが可能となる。
第3実施形態によれば、燃料電池制御部41は、発電設定スイッチ112がオンされた後、燃料カートリッジ43から供給される燃料が適正な燃料であるか否かを判断する。すなわち、図11に示すように、燃料電池制御部41は、発電設定スイッチ112がオンされているか否かを判断する(ST1)。発電設定スイッチ112がオンされている場合、燃料電池制御部41は、燃料カートリッジ43から供給された燃料のメタノール濃度を物性検知器34により検出し(ST2)、検出されたメタノール濃度と、EEPROM99に格納されている適正なメタノール濃度の範囲とを比較する(ST3)。
検出されたメタノール濃度が適正な濃度範囲に入っている場合、燃料電池制御部41は、発電部40の発電動作を開始する(ST4)。
検出されたメタノール濃度が適正な濃度範囲から外れている場合、燃料電池制御部41は、燃料カートリッジ43から供給される燃料が不適正な燃料であると判断し、補機63を停止状態に維持する(ST5)。すなわち、燃料電池制御部41は、発電部40に設けられる各ポンプ44、46、50、56、冷却ファン54等を停止状態とし、バルブ33、48、51、57を閉状態に維持する。また、燃料電池制御部41は、ユニット本体12に設けられた所望のLED8を点灯、あるいは、点滅し、使用者に燃料の不適正を表示し、あるいは、燃料カートリッジ43の交換を警告する(ST6)。この際、LED8の点灯と同時に、あるいは、LEDの点灯に代えて、ユニット本体12に設けたディスプレイあるいは情報処理装置18のディスプレイ68に「燃料カートリッジを交換してください」等のメッセージを表示する構成としてもよい。
検出されたメタノール濃度が適正な濃度範囲から外れている場合、燃料電池制御部41は、燃料カートリッジ43から供給される燃料が不適正な燃料であると判断し、補機63を停止状態に維持する(ST5)。すなわち、燃料電池制御部41は、発電部40に設けられる各ポンプ44、46、50、56、冷却ファン54等を停止状態とし、バルブ33、48、51、57を閉状態に維持する。また、燃料電池制御部41は、ユニット本体12に設けられた所望のLED8を点灯、あるいは、点滅し、使用者に燃料の不適正を表示し、あるいは、燃料カートリッジ43の交換を警告する(ST6)。この際、LED8の点灯と同時に、あるいは、LEDの点灯に代えて、ユニット本体12に設けたディスプレイあるいは情報処理装置18のディスプレイ68に「燃料カートリッジを交換してください」等のメッセージを表示する構成としてもよい。
その後、燃料電池制御部41は、燃料カートリッジ43が交換され、適正な燃料が供給されると、発電部40の通常の発電動作を開始する。
なお、第3の実施形態において、燃料電池ユニットの他の構成は、前述した第1の実施形態と同一であり、その詳細な説明は省略する。そして、第3の実施形態においても、前述した第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、この発明は上記実施の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可能である。また、上記実施の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。
例えば、検出する燃料の物性は、上述した実施形態に限らず、適宜選択可能である。また、前述した実施形態では、燃料カートリッジから高濃度のメタノールを供給し、混合タンクで水と混合して希釈する構成としたが、これに限らず、予め所望の濃度に希釈された低濃度の燃料を燃料カートリッジに収納し、この燃料カートリッジから直接、DMFCスタックに燃料を供給する構成としてもよい。
前述した実施形態では、不適正な燃料を判別した場合、発電動作の停止および警告の両方を行う構成としたが、少なくともいずれか一方を実行する構成としてもよい。
燃料電池ユニットは、情報処理装置の外部に接続する構成としたが、情報処理装置に内蔵された構成としてもよい。DMFCスタックにおいて、単セルの積層数は、前述した実施形態に限らず、必要に応じて増減可能である。この発明に係る燃料電池システムは、上述したパーソナルコンピュータに限らず、モバイル機器、携帯端末等の他の電子機器にも適用可能である。燃料電池の形式としは、DMFCに限らず、PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)等の他の形式としてもよい。
燃料電池ユニットは、情報処理装置の外部に接続する構成としたが、情報処理装置に内蔵された構成としてもよい。DMFCスタックにおいて、単セルの積層数は、前述した実施形態に限らず、必要に応じて増減可能である。この発明に係る燃料電池システムは、上述したパーソナルコンピュータに限らず、モバイル機器、携帯端末等の他の電子機器にも適用可能である。燃料電池の形式としは、DMFCに限らず、PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)等の他の形式としてもよい。
10…燃料電池ユニット、11…載置部、12…ユニット本体、
14…ドッキングコネクタ、18…情報処理装置、30…燃料供給路、
34…物性検知器34、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…アノード(燃料極)、
50…送気ポンプ、52…カソード(空気極)、62…希釈循環システム、
63…補機、65…CPU、77…電源制御部、95…マイクロコンピュータ、
99…EEPROM、140…単セル
14…ドッキングコネクタ、18…情報処理装置、30…燃料供給路、
34…物性検知器34、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…アノード(燃料極)、
50…送気ポンプ、52…カソード(空気極)、62…希釈循環システム、
63…補機、65…CPU、77…電源制御部、95…マイクロコンピュータ、
99…EEPROM、140…単セル
Claims (9)
- 発電動作を行う起電部を有したユニット本体と、
前記ユニット本体に脱着可能に装着され、燃料を収容した燃料カートリッジと、
前記燃料カートリッジから前記起電部に燃料を供給する燃料供給路と、
前記燃料供給路における燃料の物性を検出する燃料検出部と、
前記燃料検出部で検出された燃料の物性が所定の物性と異なる場合に、少なくとも前記燃料カートリッジの交換を警告、あるいは、前記ユニット本体の動作を停止のいずれかを行う制御部と、
を備えた燃料電池ユニット。 - 前記燃料検出部は、燃料の電気伝導度を検出する検出器を有し、前記制御部は、前記検出器により検出された燃料の電気伝導度と所定の電気伝導度とを比較する請求項1に記載の燃料電池ユニット。
- 前記燃料検出部は、燃料の水素イオン濃度を検出する検出器を有し、前記制御部は、前記検出器により検出された燃料の水素イオン濃度と所定の水素イオン濃度とを比較する請求項1に記載の燃料電池ユニット。
- 前記燃料として、アルコールと、水と、塩基性物質あるいは酸性物質の添加物との混合溶液を用いる請求項3に記載の燃料電池ユニット。
- 前記燃料として、アルコールと水の混合溶液を用い、前記燃料検出部は、前記燃料のアルコール濃度を検出する検出器を備えている請求項1に記載の燃料電池ユニット。
- 前記ユニット本体は、ポンプ、およびバルブを含み前記燃料カートリッジから前記起電部に燃料を供給する供給機構を備え、
前記制御部は、前記燃料検出部で検出された燃料の物性が所定の物性と異なる場合に、前記ポンプを停止し、前記バルブを閉じする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の燃料電池ユニット。 - 前記ユニット本体は、燃料カートリッジの交換を表示する表示部を備えている請求項1ないし6のいずれか1項に記載の燃料電池ユニット。
- 前記ユニット本体は、前記燃料と水とを混合する混合タンクを備え、前記燃料検出部は、前記燃料カートリッジと前記混合タンクとの間に設けられている請求項1に記載の燃料電池ユニット。
- 前記起電部は、対向配置されたアノードおよびカソードをそれぞれ有し、互いに積層された複数の単セルと、前記アノードに燃料を供給する燃料流路と、前記カソードに空気を供給する空気流路と、を備え、化学反応により発電するセル積層体を具備している請求項1に記載の燃料電池ユニット。
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