JP4407880B2 - Fuel cell device - Google Patents

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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従来の二次電池或いは一次電池に代わる電源装置として可搬型または携帯型の電子機器へ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装置を小型の電子機器の電源として用いるべく、その主体部である直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）に、燃料としてのメタノール水溶液を充填した燃料カートリッジや、メタノール水溶液をＤＭＦＣに供給する送液ポンプ等を一体に組み込み、１つの電源ユニットとしてパック化することが考えられる。
【０００４】
この場合、燃料カートリッジに充填可能なメタノール水溶液（燃料）の量に限りがあることから、燃料カートリッジをパック化された燃料電池装置に対して着脱自在に設けておくことが望ましい。しかしながら燃料カートリッジを着脱自在に設けた場合、燃料電池装置においては、燃料カートリッジが装着されていないにも拘わらず送液ポンプ等を駆動してしまうことが懸念される。
【０００５】
またこの種の燃料電池装置が小型の電子機器に装着して使用されるにも拘わらず、電子機器に装着しないまま作動させると、折角発電した電力が無駄になると言う不具合がある。また電子機器等から何らかの原因で外れたとき、すみやかにその発電を停止する等の安全対策を講じることも必要である。
【０００６】
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、燃料電池装置へ装着される燃料カートリッジの装着状態および燃料電池装置が発電した電力の供給がなされる電子装置の装着状態を認識することができ、その認識状態の応じて適切な発電動作をすることが可能な小型の電子機器用電源として好適な燃料電池装置を提供することにある。
【０００７】
【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、メタノール燃料を収納した燃料カートリッジが着脱自在に装着され、前記燃料カートリッジにおけるメタノール燃料の吐出部に連結されるメタノール燃料の受入部と、前記燃料カートリッジに設けられた接続端子に接触して前記燃料カートリッジに組み込まれた識別回路に電気的に接続される端子部とを備えるカートリッジ装着部と、このカートリッジ装着部に装着された燃料カートリッジに収納されているメタノール燃料を前記直接型メタノール燃料電池部に供給する供給手段と、前記吐出部と前記受入部との機械的な結合、および前記接続端子と前記端子部との電気的な接続を検出して前記カートリッジ装着部への前記燃料カートリッジの装着を認識する認識手段とを具備したことを特徴としている。
【０００９】
また本発明に係る燃料電池装置が、所定の電子機器に装着されて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供給するものである場合、前記動作制御部においては、該燃料電池装置の前記電子機器への装着を認識する機能を備えることが望ましい。この場合、前記所定の電子機器が前記直接型メタノール燃料電池部の負荷として接続されたか否かを認識するようにすれば良い。そして前記動作制御部においては、前記認識手段により前記電子機器への装着が検出されないとき、前記直接型メタノール燃料電池部の発電動作を低電力モードに切り換えて当該燃料電池装置の内部消費電力を低減することが好ましい。
【００１０】
【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。
【００１１】
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。このパック化された燃料電池装置１０は、例えば小型の電子機器２００に組み込まれて、その機器の電源ユニットとしての役割を担う。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
更に本発明に係る燃料電池装置１０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。
【００１７】
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および電子機器２００の装着状態を認識する装着認識部９０とを備えている。
【００１８】
ちなみに燃料カートリッジ３０に充填されたメタノールと、酸化剤としての空気（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。そして、これらのポンプ４１,４２は、前述した各種検出部７０から得られた情報に基づき、ＤＭＦＣ制御部（発電制御部）２０によって駆動制御される。
【００１９】
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、図１に示すようにこの燃料電池装置１０の燃料が充填されている燃料カートリッジ３０の装着状態と、この燃料カートリッジ３０の詳細情報、およびこの燃料電池装置１０が発電した電力を供給する電子機器２００の装着状態の認識を行う装着認識部９０を備えた点にある。
【００２０】
この装着認識部９０の機能について図４の燃料カートリッジ３０と燃料電池装置１０との嵌合を示す図を用いて詳細に説明する。
この燃料カートリッジ３０は、燃料となるメタノール水溶液を収納するメタノール水溶液容器（ボンベ）３２およびこの燃料カートリッジ３０の詳細情報を格納するメモリ部３３とを備えている。ちなみにメタノール水溶液容器３２は、その一端部に、例えば外部から押し込まれることによって開弁されるノズル状の吐出部３２ａを備えたものである。また燃料カートリッジ３０には、上記吐出部３２ａに並べて前記メモリ部３３の外部接続端子３４が設けられている。
【００２１】
一方、燃料電池装置１０の本体側には、燃料カートリッジ３０の上述したノズル状の吐出部３２ａに嵌合することで該吐出部３２ａに連結され、燃料カートリッジ３０からのメタノール水溶液を受入れる受入部４１ａが設けられている。更に前記燃料カートリッジ３０の前述した外部接続端子３４に連結される端子部２１が設けられている。この端子部２１は、外部接続端子３４を介して前記燃料カートリッジ３０が備えるメモリ部３３に保持されたデータを前記ＤＭＦＣ制御部２０との間で送受する役割を担う。
【００２２】
このような受入部４１ａと端子部２１とを備えた燃料電池装置１０のカートリッジ収納部に前記燃料カートリッジ３０が着脱自在に装着される。そして燃料カートリッジ３０に設けられた吐出部３２ａと燃料電池装置１０の受入部４１ａとが嵌合することにより、燃料の受け渡しが行われ、またメモリ部３３とＤＭＦＣ制御部２０との間での各種データの受け渡しが行われる。
【００２３】
尚、この実施形態においては、前述したメタノール水溶液の受け渡しを行う吐出部３２ａおよび受入部４１ａとが確実に嵌合した後、燃料カートリッジ３０に設けられた外部接続端子３４と燃料電池装置１０に設けられた端子部２１とが電気的に接触するように構成されている。そして燃料カートリッジ３０が燃料電池装置１０に確実に装着されたことを、以下に説明するように前記ＤＭＦＣ制御部２０にて電気的に認識するものとなっている。
【００２４】
即ち、燃料カートリッジ３０においては、前記外部接続端子３４を構成する３つの接続端子３４ａ,３４ｂ,３４ｃの内、２つの接続端子３４ｂ、３４ｃがその内部で接続されメモリ部３３の接地ＧＮＤに接続されている。一方、燃料電池装置１０側の端子部２１を構成する３つの端子２１ａ,２１ｂ,２１ｃの内、端子２１ｂはプルアップ抵抗Ｒを介して電源ＶDDに接続されている。このため、外部接続端子３４と端子部２１とが電気的に接続されたとき、接続端子３４ｂを介して端子２１ｂの信号レベルが接地レベルになる。この端子２１ｂの接地により装着認識部９０の割り込み入力端子ＩＮＴの信号レベルが、ハイレベルからローレベルへと変化する。この変化情報を装着認識部９０がＤＭＦＣ制御部２０へ通知することで、ＤＭＦＣ制御部２０においては燃料カートリッジ３０が燃料電池装置１０へ装着されたことを認識するものとなっている。
【００２５】
尚、図４には図示していないが、電子機器２００と燃料電池装置１０との間にも、上述した外部接続端子３４およびこの外部接続端子３４と対をなす端子部２１と同様な電気的接続端子が設けられており、燃料電池装置１０の電子機器２００への装着が検出されるようになっている。即ち、燃料電池装置１０を電子機器２００に装着した状態が、前記ＤＭＦＣ制御部２０にて認識されるようになっている。
【００２６】
このような燃料電池装置１０への燃料カートリッジ３０の装着認識結果、および燃料電池装置１０の電子機器２００への装着認識結果は、基本的には燃料電池装置１０を作動させるか否かの制御に用いられる。例えば燃料カートリッジ３０が装着されていない場合には、燃料電池装置１０の発電動作が停止される。この場合、燃料カートリッジ３０が装着されるまで、二次電池部６０を用いて燃料電池装置１０から供給すべき電力を補うようにしても良い。また燃料電池装置１０の装着認識部９０が電子機器２００に装着されていない場合には、例えば燃料電池装置１０の発電動作を抑える低電力モード（スタンバイモード）で運転する。そして装着認識部９０が電子機器２００の装着を認識した場合、上述した低電力モードから通常モードに切換える。このようにして燃料電池装置１０の発電動作を制御すれば、燃料電池装置１０内部での無駄な消費電力を抑えることができ、効率的な運用が可能となる。
【００２７】
ところで、前述した燃料カートリッジ３０に備えたメモリ部３３は、例えばＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリから構成される。そしてこのメモリ部３３には例えば図５のメモリテーブルに示すように、この燃料カートリッジ３０の固有の情報を予め固定値として保持するＲＯＭ領域と、燃料カートリッジ３０の使用に応じて変化する値を保持するＲＡＭ領域とが設けられている。
【００２８】
詳しくは、このＲＯＭ領域に保持するデータは、図５（ａ）のメモリテーブルに示すようにメーカ名、カートリッジ名、製造年月日、カートリッジ最大容量、燃料濃度、燃料の種類、最大挿抜可能回数、最大送液可能量、使用最低温度、使用最高温度および予備データとから構成される。
【００２９】
一方、ＲＡＭ領域に保持するデータは、図５（ｂ）のメモリテーブルに示すように、燃料の残り容量、挿抜回数、使用経過時間、異常フラグおよび予備データとから構成される。
【００３０】
このメモリ部３３に格納されるそれぞれの情報は、詳しくは、メーカ名の領域にはこの燃料カートリッジの製造者名が保持され、カートリッジ名の領域には製造型番や製品型番およびロット番号などが保持される。また、製造年月日の領域は、この燃料カートリッジが製造された日を保持するもので、この情報に基づきＤＭＦＣ制御部２０が、所定の期間を過ぎた燃料カートリッジ３０の使用を禁止するなどして事故を未然に防止する等に用いることができる。
【００３１】
また、カートリッジの最大容量を格納するデータ領域は、この燃料カートリッジに充填可能な最大容積を保持するものである。そして、後述するＲＡＭ領域の残容量のデータを用いることでＤＭＦＣ制御部２０が燃料の残量率などを算出することができる。
【００３２】
燃料濃度は、メタノール水溶液容器３２に充填された燃料の濃度を保持するものであり、燃料の種類は、このカートリッジの容器３２に充填されている燃料がメタノールかそれ以外の種類の燃料かどうかの情報を保持するものである。これらの燃料情報により、ＤＭＦＣ制御部２０が燃料電池装置１０の発電に係る燃料として適切なものであるかどうかを判定することができる。
【００３３】
そして、最大挿抜可能回数は、メタノール水溶液容器３２の吐出部３２ａと燃料電池装置１０の受入部４１ａとの挿抜可能な最大回数を保持するものであり、この最大回数と後述するＲＡＭ領域に保持される挿抜回数のデータとをＤＭＦＣ制御部２０が比較することで、その使用限度を超えた燃料カートリッジの使用を制限する等に利用することができる。
【００３４】
また、最大送液可能量は、メタノール水溶液容器３２の構造により規定される送液可能な最大流量を保持するものであり、この情報に基づきＤＭＦＣ制御部２０が適切な送液ポンプ４１の流量となるよう制御する。
【００３５】
また、使用最低温度は、メタノール水溶液容器３２に充填された燃料が凍結して送液できない不具合を防止するための使用可能な最低温度を保持するものであり、使用最高温度は、メタノール水溶液容器３２に充填された燃料が発火または発煙などの事故を防止するため、使用可能な最高温度を保持するものである。そして、ＤＭＦＣ制御部２０は、これらの温度条件を満たさない状態になったと判断したときは警報を出したり、燃料電池装置１０の発電を停止させる等の制御動作を行う。
【００３６】
尚、予約領域は、燃料電池の海賊品（サードパーティ）や特定のＩＤ、またはその他の情報などを保持し、燃料電池装置１０の燃料カートリッジとして適合しないカートリッジの使用を排除するために用いることができる。
【００３７】
一方、ＲＡＭ領域に保持するデータに関し、残容量は、メタノール水溶液容器に充填されている燃料の残量を保持するもので、前述したように燃料の残量率等をＤＭＦＣ制御部２０が算出するデータとして用いられるものである。
【００３８】
また、挿抜回数は、この燃料カートリッジ３０が燃料電池装置１０と何回挿抜されたかを保持するもので、前述したようにＲＯＭ領域に定義された最大挿抜可能回数を超えた挿抜回数となったとき、ＤＭＦＣ制御部２０が、この燃料カートリッジ３０を使用不能とするものである。
【００３９】
そして、使用経過時間は、燃料カートリッジ３０が燃料電池装置１０に装着された通算時間を保持するものでメンテナンス等のデータとして活用され、また、異常フラグは、例えば燃料電池の使用可能範囲を逸脱して使用された等の各種異常状態の履歴を保持する領域として用いられる。
【００４０】
尚、ＲＡＭ領域の予約領域は任意のデータを保持することができ、例えば前述したＲＯＭ領域と同様、海賊品（サードパーティ）や特定のＩＤ、またはその他の情報などを保持しておくことができる。
【００４１】
これらの各種情報は、燃料カートリッジ３０の接続端子３４ａおよび燃料電池装置１０の端子部２１ａを介してデータ信号としてＤＭＦＣ制御部２０が読みとることが可能である。そして、このメモリ部３３とＤＭＦＣ制御部２０とのデータインタフェースは、例えばＩ2Ｃバスなどを用いた構成をとるとよい。
【００４２】
尚、燃料カートリッジ３０に内蔵されたメモリ部３３の各種データは、上述した各種検出部７０の情報と共にＤＭＦＣ制御部（発電制御部）２０から通信手段８０に与えられており、この燃料電池装置１０を用いる可搬型または携帯型の電子機器２００に対して所定の周期毎に通知するよう構成するとよい。
【００４３】
更に上述した情報に加えて燃料電池装置１０の各種ポンプの運転制御状態および二次電池の充放電状態などの情報を含めて電子機器２００に通知するようにしても良い。このようにして通知される情報に従えば、電子機器２００において燃料電池装置１０の運転状態を的確に把握することが可能となる。このため、電子機器２００においては、燃料カートリッジの状態を的確に把握できる等、燃料電池装置１０の機能が低下する前に適当な対策を講じることができる。更には上記情報を、例えば燃料電池装置１０のメンテナンスに活用することができ、効果的な燃料電池装置１０の運用が可能となる。
【００４４】
尚、通信手段８０としては、特に図示しないが、例えば電子機器２００との間で端子結合して情報通信するものであれば良く、或いは電波や電磁結合、または光結合などによって情報通信するものであっても良い。
【００４５】
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、燃料受け渡しのために燃料カートリッジ３０に設けられたメタノール水溶液の吐出部３２ａと燃料電池装置１０に設けられた受入部４１ａとが確実に結合した後に、燃料カートリッジ３０に設けられた外部接続端子３４と、燃料電池装置１０に設けられた端子部２１とが電気的接触するので、燃料カートリッジ３０が燃料電池装置１０に確実に装着したことを認識することができる。更には外部接続端子３４および端子部２１を介して、メモリ部３３に格納された燃料カートリッジ３０の各種情報をＤＭＦＣ制御部２０が読み取ることができるので、この情報に基づいて燃料電池装置１０の発電の制御の最適化や発電可能時間を容易に算出することが可能となり、更には燃料電池装置１０のメンテナンス等に活用することが可能となる。
【００４６】
また本発明のこの実施形態によれば、燃料電池装置１０を装着する電子機器２００の装着状態も認識することができるので、その装着認識状態に応じて燃料電池装置１０の運転モードを切換える等の効率的運用ができる。またここでは送液ポンプ４１を用いてＤＭＦＣ起電装置１００に対してメタノール水溶液を供給したが、送液ポンプ４１や送気ポンプ４２を用いることのない、いわゆるブリージングタイプの燃料電池装置に対しても同様に適用可能である。
【００４７】
尚、上述した実施形態においてはＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性メモリを識別回路に用いた例を示したが、端子の接触によりカートリッジの装着が識別できるように構成した導体回路または組合わせゲート回路等でも勿論適用可能である。
その他、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。
【００４８】
【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、燃料カートリッジの装着状態およびこの燃料電池装置を用いる電子機器への該燃料電池装置の装着状態を認識する手段を備えているので、燃料電池装置の効果的な運用を行うことができる。特に、電子機器に組み込まれたマイクロプロセッサ等を活用することで、燃料電池装置の発電可能時間を算出したり、燃料カートリッジの動作履歴等を容易に収集することが可能とな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。
【図４】本発明の一実施形態に係る直接型メタノール燃料電池と燃料カートリッジとの嵌合状態を示す図。
【図５】本発明の一実施形態に係る直接型メタノール燃料電池に用いられる燃料カートリッジに内蔵されたメモリの内部テーブルを示す図。
【符号の説明】
１０ 燃料電池装置
２０ ＤＭＦＣ制御部（発電制御部）
３０ 燃料カートリッジ
３２ メタノール水溶液容器
３３ メモリ
４１ 送液ポンプ
４２ 送気ポンプ
６０ 補助電源部（二次電池）
８０ 通信手段
９０ 装着認識部
１００ ＤＭＦＣ起電装置
２００ 電子機器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell device that is mainly composed of a direct methanol fuel cell and is suitable for incorporation as a power source for a small electronic device.
[0002]
[Related background]
A direct methanol fuel cell generates electricity by chemically reacting an aqueous methanol solution and air at about room temperature via an electrolyte membrane, eliminating the need for a reformer as found in phosphoric acid electrolyte fuel cells. And its structure is relatively simple. In particular, direct methanol fuel cells are expected to be applied to portable or portable electronic devices as power supply devices that replace conventional secondary batteries or primary batteries because of their small fuel volume and easy miniaturization. .
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to use this type of fuel cell device as a power source for small electronic devices, a direct type methanol fuel cell (DMFC) that is a main part of the fuel cell device is filled with a methanol aqueous solution as a fuel, or a methanol aqueous solution is used as a DMFC. It is conceivable to integrate a liquid feed pump to be supplied and pack it as one power supply unit.
[0004]
In this case, since the amount of aqueous methanol solution (fuel) that can be filled in the fuel cartridge is limited, it is desirable that the fuel cartridge be provided detachably with respect to the packed fuel cell device. However, when the fuel cartridge is detachably provided, there is a concern that in the fuel cell device, the liquid feed pump or the like is driven even though the fuel cartridge is not attached.
[0005]
In addition, although this type of fuel cell device is used by being mounted on a small electronic device, there is a problem that the electric power generated by the corner power generation is wasted if it is operated without being mounted on the electronic device. It is also necessary to take safety measures such as immediately stopping the power generation when it is disconnected from the electronic device for some reason.
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and its object is to attach a fuel cartridge attached to the fuel cell device and an electronic device attached to supply electric power generated by the fuel cell device. It is an object of the present invention to provide a fuel cell device suitable as a power source for a small electronic device capable of recognizing the above and capable of performing an appropriate power generation operation according to the recognition state.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, a fuel cell device according to the present invention includes a direct type methanol fuel cell unit that generates electric power by chemically reacting methanol fuel and air via an electrolyte membrane, and a fuel containing the methanol fuel. An identification circuit in which the cartridge is detachably mounted and is in contact with a methanol fuel receiving portion connected to a methanol fuel discharge portion in the fuel cartridge and a connection terminal provided in the fuel cartridge and is incorporated in the fuel cartridge A cartridge mounting portion including a terminal portion electrically connected to the supply portion, and a supply means for supplying methanol fuel stored in a fuel cartridge mounted on the cartridge mounting portion to the direct methanol fuel cell portion, Mechanical coupling between the discharge part and the receiving part, and electricity between the connection terminal and the terminal part Is characterized in by detecting Do connection that provided with the recognition means for recognizing mounting of the fuel cartridge to the cartridge mounting portion.
[0009]
When the fuel cell device according to the present invention supplies power generated by the direct methanol fuel cell unit mounted on a predetermined electronic device as a power source, the operation control unit includes the fuel cell device. It is desirable to have a function of recognizing that the electronic device is mounted on the electronic device. In this case, it is only necessary to recognize whether or not the predetermined electronic device is connected as a load of the direct methanol fuel cell unit. The operation control unit switches the power generation operation of the direct methanol fuel cell unit to the low power mode and reduces the internal power consumption of the fuel cell device when the recognition unit does not detect the attachment to the electronic device. It is preferable to do .
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0011]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell device according to the present invention. The fuel cell device 10 mainly includes a DMFC electromotive device 100 that generates an electromotive force through a chemical reaction between a methanol aqueous solution of fuel and air (O 2 ) through an electrolyte membrane. A liquid feed pump 41 for supplying an aqueous methanol solution and an air feed pump 42 for supplying air (O 2 ) as an oxidant are integrally incorporated. The fuel cell device 10 includes a DMFC control unit (power generation control unit) 20 that controls the operation of the pumps 41 and 42 to control the power generation operation of the DMFC electromotive device 100, and a secondary power source as an auxiliary power source. The battery unit 60 is integrated and packed as one power supply unit. The packed fuel cell device 10 is incorporated into, for example, a small electronic device 200 and serves as a power supply unit for the device.
[0012]
Incidentally, the methanol aqueous solution of the fuel is filled in a fuel cartridge 30 that is detachably attached to the fuel cell device 10, and by mounting the fuel cartridge 30 on the fuel cell device 10, the liquid feed pump 41 is controlled. Then, an aqueous methanol solution is supplied to the DMFC photovoltaic device 100. Air (O 2 ) as an oxidant is supplied to the DMFC electromotive device 100 by taking in outside air by the air pump 42.
[0013]
Here, the DMFC electromotive device 100 will be briefly described. The DMFC electromotive device 100 is a flow in which an aqueous methanol solution is passed through an electrolyte membrane 110 as schematically shown in FIG. A structure is provided in which an anode channel body 121 having a channel 120 and a cathode channel body 131 having a channel 130 through which air flows are provided. In particular, an anode catalyst layer 122 and a cathode catalyst layer 132 are provided on both surfaces of the electrolyte membrane 110, respectively, and an anode current collector 123 and a cathode current collector 133 are provided on the outer sides thereof.
[0014]
In the DMFC electromotive device 100 having such a structure, basically, the aqueous methanol solution fed into the anode channel body 121 soaks into the anode catalyst layer 122 through the anode current collector 123. Further, the air (O 2 as an oxidant) sent into the cathode flow path body 131 soaks into the cathode catalyst layer 132 through the cathode current collector 133. Then, the methanol aqueous solution undergoes a chemical reaction under the catalytic action of the anode catalyst layer 122, and protons (protons) generated thereby pass through the electrolyte membrane 110. Then, the oxygen impregnated in the cathode catalyst layer 113 reacts with the protons to generate power. The electromotive force accompanying such a chemical reaction is taken out through the anode current collector 123 and the cathode current collector 133, respectively.
[0015]
The DMFC control unit (power generation control unit) 20 basically operates with the DMFC electromotive device 100 as a power source. However, the electromotive force of the DMFC electromotive device 100 is zero before the electromotive reaction, and the output voltage of the DMFC electromotive device 100 is unstable at the initial power generation. Moreover, when the load suddenly changes, there is a time lag until the fuel cell output follows the load, and the voltage becomes unstable. When the operation of the DMFC electromotive device 100 is unstable, the secondary battery unit 60 described above supplies power to the DMFC control unit (power generation control unit) 20 or the like instead of the DMFC electromotive device 100. It is used as an auxiliary power source. Further, when the direct methanol fuel cell device is applied as the power source of the small portable terminal, the secondary battery unit 60 also serves to stabilize the output voltage of the fuel cell device 10 by compensating for the voltage instability phenomenon described above. ing.
[0016]
Further, the fuel cell device 10 according to the present invention will be described in more detail with reference to the control circuit block diagram shown in FIG.
The power generation control unit 20 includes a DMFC voltage detection unit 70a that monitors a voltage output from the DMFC electromotive device 100, a secondary battery voltage detection unit 70b that monitors a terminal voltage of the secondary battery unit 60, and the fuel cell device 10. Output voltage detector 70c that monitors the voltage supplied to the load, and a current detector 71 that detects the load current.
[0017]
In addition, the power generation control unit 20 includes a temperature detection unit 72 that detects the temperature of the DMFC electromotive device 100 and a mounting recognition unit 90 that recognizes the mounting state of the fuel cartridge 30 and the electronic device 200.
[0018]
Incidentally, methanol filled in the fuel cartridge 30 and air (O 2 ) as an oxidant are sent to the DMFC electromotive device 100 by a liquid feed pump 41 and an air feed pump 42, respectively. The pumps 41 and 42 are driven and controlled by the DMFC control unit (power generation control unit) 20 based on the information obtained from the various detection units 70 described above.
[0019]
Now, in the fuel cell device 10 basically configured as described above, the present invention is characterized in that the fuel cartridge 30 in which the fuel of the fuel cell device 10 is filled as shown in FIG. And a mounting recognition unit 90 for recognizing the detailed information of the fuel cartridge 30 and the mounting state of the electronic device 200 that supplies the electric power generated by the fuel cell device 10.
[0020]
The function of the mounting recognition unit 90 will be described in detail with reference to the drawing showing the fitting of the fuel cartridge 30 and the fuel cell device 10 in FIG.
The fuel cartridge 30 includes a methanol aqueous solution container (cylinder) 32 that stores a methanol aqueous solution serving as fuel, and a memory unit 33 that stores detailed information of the fuel cartridge 30. Incidentally, the methanol aqueous solution container 32 is provided with a nozzle-like discharge part 32a opened at one end thereof, for example, by being pushed in from the outside. Further, the fuel cartridge 30 is provided with an external connection terminal 34 of the memory unit 33 side by side with the discharge unit 32a.
[0021]
On the other hand, the main body side of the fuel cell device 10 is connected to the above-described nozzle-like discharge portion 32a of the fuel cartridge 30 so as to be connected to the discharge portion 32a and receive a methanol aqueous solution from the fuel cartridge 30. Is provided. Further, a terminal portion 21 connected to the aforementioned external connection terminal 34 of the fuel cartridge 30 is provided. The terminal unit 21 plays a role of transmitting / receiving data held in the memory unit 33 included in the fuel cartridge 30 via the external connection terminal 34 to / from the DMFC control unit 20.
[0022]
The fuel cartridge 30 is detachably mounted in the cartridge housing portion of the fuel cell device 10 having the receiving portion 41a and the terminal portion 21. The discharge part 32a provided in the fuel cartridge 30 and the receiving part 41a of the fuel cell device 10 are fitted to each other, so that the fuel is delivered, and various kinds of communication between the memory part 33 and the DMFC control part 20 are performed. Data is exchanged.
[0023]
In this embodiment, after the discharge portion 32a and the receiving portion 41a for delivering the aqueous methanol solution are securely fitted, the external connection terminal 34 provided on the fuel cartridge 30 and the fuel cell device 10 are provided. The terminal portion 21 thus formed is configured to be in electrical contact. As described below, the DMFC controller 20 electrically recognizes that the fuel cartridge 30 is securely attached to the fuel cell device 10.
[0024]
That is, in the fuel cartridge 30, the two connection terminals 34 b and 34 c among the three connection terminals 34 a, 34 b and 34 c constituting the external connection terminal 34 are connected inside and connected to the ground GND of the memory unit 33. ing. On the other hand, of the three terminals 21a, 21b, and 21c constituting the terminal portion 21 on the fuel cell device 10 side, the terminal 21b is connected to the power source V DD via the pull-up resistor R. For this reason, when the external connection terminal 34 and the terminal portion 21 are electrically connected, the signal level of the terminal 21b becomes the ground level via the connection terminal 34b. The signal level of the interrupt input terminal INT of the attachment recognition unit 90 changes from the high level to the low level by the grounding of the terminal 21b. The change recognition unit 90 notifies the DMFC control unit 20 of this change information, so that the DMFC control unit 20 recognizes that the fuel cartridge 30 is attached to the fuel cell device 10.
[0025]
Although not shown in FIG. 4, an electrical connection between the electronic device 200 and the fuel cell device 10 is similar to that of the external connection terminal 34 and the terminal portion 21 paired with the external connection terminal 34 described above. A connection terminal is provided so that mounting of the fuel cell device 10 on the electronic device 200 is detected. That is, the DMFC control unit 20 recognizes the state in which the fuel cell device 10 is mounted on the electronic device 200.
[0026]
The result of recognition of the attachment of the fuel cartridge 30 to the fuel cell device 10 and the result of recognition of the attachment of the fuel cell device 10 to the electronic device 200 are basically used to control whether or not to operate the fuel cell device 10. Used. For example, when the fuel cartridge 30 is not attached, the power generation operation of the fuel cell device 10 is stopped. In this case, the power to be supplied from the fuel cell device 10 may be supplemented using the secondary battery unit 60 until the fuel cartridge 30 is mounted. When the attachment recognition unit 90 of the fuel cell device 10 is not attached to the electronic device 200, for example, the fuel cell device 10 is operated in a low power mode (standby mode) that suppresses the power generation operation of the fuel cell device 10. When the attachment recognition unit 90 recognizes the attachment of the electronic device 200, the low power mode described above is switched to the normal mode. By controlling the power generation operation of the fuel cell device 10 in this way, it is possible to suppress wasteful power consumption inside the fuel cell device 10 and enable efficient operation.
[0027]
By the way, the memory unit 33 provided in the fuel cartridge 30 described above is composed of a nonvolatile memory such as an EEPROM. For example, as shown in the memory table of FIG. 5, the memory unit 33 holds a ROM area that holds information specific to the fuel cartridge 30 as a fixed value in advance, and a value that changes according to the use of the fuel cartridge 30. RAM area to be used.
[0028]
Specifically, the data stored in the ROM area includes the manufacturer name, cartridge name, date of manufacture, maximum cartridge capacity, fuel concentration, fuel type, maximum number of insertions / removals as shown in the memory table of FIG. It consists of the maximum amount of liquid that can be delivered, the lowest temperature used, the highest temperature used, and preliminary data.
[0029]
On the other hand, as shown in the memory table of FIG. 5B, the data stored in the RAM area is composed of the remaining fuel capacity, the number of insertions / removals, the elapsed usage time, the abnormality flag, and preliminary data.
[0030]
Specifically, each information stored in the memory unit 33 holds the manufacturer name of the fuel cartridge in the manufacturer name area, and the manufacturing model number, product model number, lot number, and the like in the cartridge name area. Is done. The date of manufacture field holds the date when this fuel cartridge was manufactured. Based on this information, the DMFC control unit 20 prohibits the use of the fuel cartridge 30 after a predetermined period. It can be used to prevent accidents.
[0031]
The data area for storing the maximum capacity of the cartridge holds the maximum volume that can be filled in the fuel cartridge. The DMFC control unit 20 can calculate the remaining fuel ratio and the like by using data on the remaining capacity of the RAM area described later.
[0032]
The fuel concentration holds the concentration of the fuel filled in the methanol aqueous solution container 32. The type of fuel indicates whether the fuel filled in the container 32 of the cartridge is methanol or other types of fuel. It holds information. Based on these pieces of fuel information, it is possible to determine whether the DMFC control unit 20 is appropriate as the fuel related to the power generation of the fuel cell device 10.
[0033]
The maximum possible number of insertions / removals holds the maximum number of insertions / removals between the discharge part 32a of the methanol aqueous solution container 32 and the receiving part 41a of the fuel cell device 10, and is held in the RAM area described later. The DMFC control unit 20 compares the data of the number of insertions and removals to be used to limit the use of the fuel cartridge that exceeds the use limit.
[0034]
Further, the maximum liquid feedable amount is the maximum flowable liquid flow rate defined by the structure of the methanol aqueous solution container 32. Based on this information, the DMFC control unit 20 determines the appropriate flow rate of the liquid feed pump 41. Control to be.
[0035]
The minimum use temperature is the one that holds the minimum usable temperature for preventing a problem that the fuel filled in the methanol aqueous solution container 32 is frozen and cannot be fed. The maximum use temperature is the methanol aqueous solution container 32. In order to prevent accidents such as ignition or smoke, the fuel filled in the tank maintains the maximum usable temperature. When the DMFC control unit 20 determines that the temperature condition is not satisfied, the DMFC control unit 20 performs a control operation such as issuing an alarm or stopping the power generation of the fuel cell device 10.
[0036]
The reserved area holds pirated products (third parties) of fuel cells, specific IDs, or other information, and is used to exclude the use of cartridges that are not suitable as fuel cartridges of the fuel cell device 10. it can.
[0037]
On the other hand, regarding the data stored in the RAM area, the remaining capacity is the amount of fuel remaining in the methanol aqueous solution container, and the DMFC control unit 20 calculates the remaining amount of fuel as described above. It is used as data.
[0038]
The number of insertions / removals holds the number of times the fuel cartridge 30 has been inserted / removed from / to the fuel cell device 10, and when the number of insertions / removals exceeds the maximum number of insertions / removals defined in the ROM area as described above. The DMFC control unit 20 makes the fuel cartridge 30 unusable.
[0039]
The elapsed use time is used as data for maintenance, etc., that holds the total time that the fuel cartridge 30 is mounted on the fuel cell device 10, and the abnormal flag deviates from the usable range of the fuel cell, for example. It is used as an area for holding a history of various abnormal states such as used.
[0040]
The reserved area in the RAM area can hold arbitrary data. For example, as with the ROM area described above, a pirated product (third party), a specific ID, or other information can be held. .
[0041]
These various types of information can be read by the DMFC control unit 20 as data signals via the connection terminal 34 a of the fuel cartridge 30 and the terminal unit 21 a of the fuel cell device 10. The data interface between the memory unit 33 and the DMFC control unit 20 may be configured using, for example, an I 2 C bus.
[0042]
Various data in the memory unit 33 built in the fuel cartridge 30 are given to the communication means 80 from the DMFC control unit (power generation control unit) 20 together with the information of the various detection units 70 described above. It may be configured to notify the portable or portable electronic device 200 using the device at predetermined intervals.
[0043]
Further, in addition to the information described above, the electronic device 200 may be notified including information such as operation control states of various pumps of the fuel cell device 10 and charge / discharge states of the secondary battery. According to the information notified in this way, the electronic device 200 can accurately grasp the operating state of the fuel cell device 10. For this reason, in the electronic device 200, appropriate measures can be taken before the function of the fuel cell device 10 is deteriorated, such as being able to accurately grasp the state of the fuel cartridge. Furthermore, the above information can be utilized for maintenance of the fuel cell device 10, for example, and the fuel cell device 10 can be effectively operated.
[0044]
Note that the communication unit 80 is not particularly illustrated, but may be any unit that communicates information with the electronic device 200 by terminal coupling, or information communication by radio wave, electromagnetic coupling, optical coupling, or the like. There may be.
[0045]
Thus, according to the fuel cell device 10 configured as described above, the discharge portion 32a of the aqueous methanol solution provided in the fuel cartridge 30 and the receiving portion 41a provided in the fuel cell device 10 are securely coupled for fuel delivery. After that, the external connection terminal 34 provided on the fuel cartridge 30 and the terminal portion 21 provided on the fuel cell device 10 are in electrical contact, so that the fuel cartridge 30 is securely attached to the fuel cell device 10. Can be recognized. Furthermore, since the DMFC control unit 20 can read various information of the fuel cartridge 30 stored in the memory unit 33 via the external connection terminal 34 and the terminal unit 21, the power generation of the fuel cell device 10 is based on this information. It is possible to easily calculate the control time and the power generation possible time, and further, it can be utilized for maintenance of the fuel cell device 10 and the like.
[0046]
Further, according to this embodiment of the present invention, since the mounting state of the electronic device 200 to which the fuel cell device 10 is mounted can also be recognized, the operation mode of the fuel cell device 10 is switched according to the mounting recognition state. Efficient operation is possible. Further, here, the methanol aqueous solution is supplied to the DMFC electromotive device 100 using the liquid feed pump 41, but for a so-called breathing type fuel cell device that does not use the liquid feed pump 41 or the air feed pump 42. Is equally applicable.
[0047]
In the above-described embodiment, an example in which a non-volatile memory such as an EEPROM is used for the identification circuit is shown. However, a conductor circuit or a combination gate circuit configured so that the mounting of the cartridge can be identified by contact of the terminals is of course. Applicable.
In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell device of the present invention, the fuel cell device includes means for recognizing the mounting state of the fuel cartridge and the mounting state of the fuel cell device to an electronic device using the fuel cell device. The battery device can be effectively operated. In particular, by utilizing a microprocessor or the like incorporated in an electronic device, it is possible to calculate the power generation possible time of the fuel cell device and to easily collect the operation history of the fuel cartridge, etc. The effect becomes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a schematic configuration of a direct methanol fuel cell.
FIG. 3 is a block diagram showing a control configuration of a direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view showing a fitting state of a direct methanol fuel cell and a fuel cartridge according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an internal table of a memory built in a fuel cartridge used in a direct methanol fuel cell according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Fuel Cell Device 20 DMFC Control Unit (Power Generation Control Unit)
30 Fuel cartridge 32 Methanol aqueous solution container 33 Memory 41 Liquid feed pump 42 Air feed pump 60 Auxiliary power supply (secondary battery)
80 Communication means 90 Wear recognition unit 100 DMFC electromotive device 200 Electronic device

Claims (6)

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、
メタノール燃料を収納した燃料カートリッジが着脱自在に装着され、前記燃料カートリッジにおけるメタノール燃料の吐出部に連結されるメタノール燃料の受入部と、前記燃料カートリッジに設けられた接続端子に接触して前記燃料カートリッジに組み込まれた識別回路に電気的に接続される端子部とを備えるカートリッジ装着部と、
このカートリッジ装着部に装着された燃料カートリッジに収納されているメタノール燃料を前記直接型メタノール燃料電池部に供給する供給手段と、
前記吐出部と前記受入部との機械的な結合、および前記接続端子と前記端子部との電気的な接続を検出して前記カートリッジ装着部への前記燃料カートリッジの装着を認識する認識手段と
を具備したことを特徴とする燃料電池装置。A direct methanol fuel cell unit that generates electric power by chemically reacting methanol fuel and air through an electrolyte membrane;
A fuel cartridge containing methanol fuel is detachably mounted and contacts a methanol fuel receiving portion connected to a methanol fuel discharge portion of the fuel cartridge, and a connection terminal provided on the fuel cartridge, and the fuel cartridge A cartridge mounting portion including a terminal portion electrically connected to an identification circuit incorporated in
Supply means for supplying methanol fuel stored in a fuel cartridge mounted in the cartridge mounting section to the direct methanol fuel cell section;
Recognizing means for recognizing attachment of the fuel cartridge to the cartridge attachment portion by detecting mechanical coupling between the discharge portion and the reception portion and electrical connection between the connection terminal and the terminal portion; A fuel cell device comprising the fuel cell device. 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、前記直接型メタノール燃料電池部の発電動作を制御する動作制御部とを具備して一体化され、所定の電子機器に装着されて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供給する燃料電池装置であって、
前記動作制御部は、該燃料電池装置の前記電子機器への装着を認識する認識手段を備えたことを特徴とする燃料電池装置。Integrated with a direct methanol fuel cell unit that generates electricity by chemically reacting methanol fuel and air through an electrolyte membrane, and an operation control unit that controls the power generation operation of the direct methanol fuel cell unit A fuel cell device that supplies power generated by the direct methanol fuel cell unit as a power source that is attached to a predetermined electronic device,
The fuel control apparatus according to claim 1, wherein the operation control unit includes recognition means for recognizing attachment of the fuel cell apparatus to the electronic device. 請求項２に記載の燃料電池装置において、
前記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を備えることを特徴とする燃料電池装置。The fuel cell device according to claim 2, wherein
A fuel cell device comprising a liquid feed pump for supplying methanol fuel to the direct methanol fuel cell unit. 請求項２に記載の燃料電池装置において、
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を備えることを特徴とする燃料電池装置。The fuel cell device according to claim 2, wherein
A fuel cell apparatus comprising an air supply pump for supplying air to the direct methanol fuel cell unit. 前記認識手段は、前記所定の電子機器が前記直接型メタノール燃料電池部の負荷として接続されたか否かを認識するものである請求項２に記載の燃料電池装置。  The fuel cell apparatus according to claim 2, wherein the recognition means recognizes whether or not the predetermined electronic device is connected as a load of the direct methanol fuel cell unit. 前記動作制御部は、前記認識手段により前記電子機器への装着が検出されないとき、前記直接型メタノール燃料電池部の発電動作を低電力モードに切り換えて当該燃料電池装置の内部消費電力を低減するものである請求項２に記載の燃料電池装置。The operation control unit switches the power generation operation of the direct methanol fuel cell unit to a low power mode when the attachment to the electronic device is not detected by the recognition means, and reduces the internal power consumption of the fuel cell device The fuel cell device according to claim 2, wherein
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