JP2003115313A

JP2003115313A - 燃料電池発電制御システム、燃料電池発電制御方法、燃料電池装置及び電子装置

Info

Publication number: JP2003115313A
Application number: JP2001305751A
Authority: JP
Inventors: Kuninori Hirata; 邦典平田; Toshiyuki Matsuno; 敏之松野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2003-04-18

Abstract

(57)【要約】【課題】発電セルで発電する電力の供給を安定させ、
且つ発電力を利用する機器が多様化した場合でも柔軟に
対応できる燃料電池発電制御システムを提供する。【解決手段】燃料電池用の燃料流体（水素）を貯蔵で
きる水素貯蔵部１３から燃料流体を発電セル１１に供給
して電力を発生させ、その発電セル１１からの電力を受
けて作動する電力利用機器１２を有する燃料電池発電制
御システムにおいて、制御部１４を設け、発電セル１１
に供給される燃料流体量や発電セル１１から出力される
電力量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水素やメタノールな
どの燃料流体を供給することで発電セルに電力を発生さ
せる燃料電池発電制御システム、燃料電池発電制御方
法、燃料電池装置及び電子装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、燃料気体を供給することで
発電体に電力を発生させる装置であり、そのような燃料
電池の一例として、プロトン伝導体膜を気体電極で挟ん
だ構造を有し、所望の起電力を得る構造となっている。
このような燃料電池は、自動車などの車両に搭載して電
気自動車やハイブリット式車両としての応用が大きく期
待されている他、その軽量化や小型化が容易となる構造
から、現状の乾電池や充電式電池の如き用途に限らず、
例えば携帯可能な機器への応用が研究や開発の段階にあ
る。

【０００３】ここで、プロトン伝導体膜を用いた燃料電
池について、簡単に図８を参照しながら説明する。プロ
トン伝導体膜２０１は水素側電極２０２と酸素側電極２
０３に挟持され、解離したプロトン（Ｈ^＋）は図面矢印
方向に沿って水素側電極２０２から酸素側電極２０３に
向かってプロトン伝導体膜２０１の膜中を移動する。水
素側電極２０２とプロトン伝導体膜２０１の間には、触
媒層２０２ａが形成され、酸素側電極２０３とプロトン
伝導体膜２０１の間には、触媒層２０３ａが形成され
る。使用時には、水素側電極２０２では導入口２１２か
ら水素ガス（Ｈ_２）が燃料気体として供給され、排出口
２１３から水素が排出される。燃料気体である水素ガス
（Ｈ_２）が気体流路２１５を通過する間にプロトンを発
生し、このプロトンは酸素側電極２０３に移動する。こ
の移動したプロトンは、導入口２１６から気体流路２１
６に供給されて排気口２１８に向かう酸素（空気）と反
応して、これにより所望の起電力が取り出される。

【０００４】このような構成の燃料電池では、水素を燃
料とする場合、負極である水素側電極では触媒と高分子
電解質の接触界面において、Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻の如
き反応が生ずる。酸素を酸化剤とした場合、正極である
酸素側電極では同様に１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝Ｈ
_２Ｏの如き反応が起こり水が生成される。プロトン伝導
体膜２０１でプロトンが解離しつつ、水素側電極２０２
から供給されるプロトンが酸素側電極２０３に移動する
ので、プロトンの伝導率が高くなるという特徴がある。
また、水を供給する加湿装置などが不要であるので、燃
料電池システムの簡略化や軽量化を図ることができる。

【０００５】プロトン伝導体膜を用いた燃料電池では、
プロトン伝導体膜２０１とこれを挟む水素側電極２０２
と酸素側電極２０３が発電体となり、その各電極側には
起電力を取り出すための集電体もそれぞれ形成される。
燃料電池の出力（電流値）を高めるためには、プロトン
伝導体膜２０１とこれを挟む水素側電極２０２と酸素側
電極２０３からなる発電体の寸法を大きくすることが有
効である。例えば、プロトン伝導体膜２０１の面積を２
倍とした場合では、その出力となる電流値も２倍とな
る。

【０００６】ところで、ノート型パソコンや携帯端末な
どのポータブル電子機器においては、カード形状のメモ
リカードなどのPCカードを側部に形成されたスロットか
ら挿入できるように構成されており、このPCカードの挿
入によってノート型パソコンなどの機能を容易に拡張
し、しかもその携帯性を維持することができる。また、
着脱自在なパッケージ内に一体化された燃料電池による
電源装置を構成したものが知られており、例えば特開平
９−２１３３５９号公報に記載される機器搭載用燃料電
池装置は固体高分子膜を用いた構成であり、パソコンな
どの電池電源を必要とする機器の電池装置収納部に収納
される。このような構造とすることで、複数の燃料電池
をパッケージ内で積層させることができ、仮にプロトン
伝導体膜の面積が小さい場合であっても、大きな起電力
を得ることができることになる。

【０００７】また、このような携帯用途の燃料電池にお
いては、発電セルの配置として酸素側を大気開口するこ
とが有効であり、２枚の発電セルの水素側電極を貼り合
わせ、酸素側電極を筐体の表面及び裏面に臨ませる構成
（例えば、特願２００１−２０６１２２号に添付された
明細書及び図面）が案出されている。このように平板形
状の発電セルを２枚重ねる燃料電池では、さらに発電力
を上げる場合には、平板形状の発電セルの組を多数並べ
る必要がある一方で、大気開口部分を塞ぐことができな
いことから、平面状に並べることで電力を稼ぐことが行
われている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような燃料電池に
おいては、燃料として利用される水素が十分に供給され
て所望の起電力を生じさせる。従って、電力を利用する
機器に安定した電力を供給するためには、水素を安定し
て供給する必要があり、そのためには水素が気体で供給
される場合に、水素ガスの流量を制御することが望まし
い。

【０００９】ところが、従前の携帯用途の燃料電池シス
テムにおいては、その携帯性に主眼が置かれていること
から、燃料電池には燃料気体が供給されているものの、
燃料気体の流量の制御が行われていない。このため当初
は燃料気体の吸蔵部から十分に燃料気体が発電セルに対
して導入されるが、徐々に水素分圧が低下して十分な起
電力が得られなくなる。このような水素の圧力の低下が
発生した場合では、電力を利用する機器の動作が不安定
になり、作業の中断や停止などの不都合が生ずることに
なる。

【００１０】また、機器によっては必要とする電圧が異
なっており、或る機器によっては低電圧で良い場合もあ
り、他の電子機器ではより高い電圧が必要となる場合が
ある。各機器ごとに適切な電力を供給することが理想的
であるが、低コスト化を実現させるためには、燃料電池
を製品として多数製造することも重要であり、燃料電池
の筐体のサイズを規格化することも必要となる。しかし
ながら、上述のように、平板型の発電セルを内蔵させて
規格化した場合では、自ずと内部配線などが決められて
しまうことから、燃料電池装置は一定の出力電圧しか得
られずに多くの機器に対応することができなくなる。さ
らに、同じ電子機器でも通常の場合は所定の電力が必要
であるが、スリープモード等の場合ではそれほどの電力
が必要ではなくなるというように電力の消費状態を遷移
させる機器がある。このような機器に対しては、燃料電
池装置の出力電圧等を制御することが理想的であるが、
携帯性を重視した構造ではそのような制御ができないの
が現状である。

【００１１】そこで、本発明は上述の技術的な課題に鑑
み、安定した電力の供給を実現できる燃料電池発電制御
システム、燃料電池発電制御方法、燃料電池装置及び電
子装置の提供を目的とする。また、本発明は、発電力を
利用する機器が多様化した場合でも柔軟に対応できる燃
料電池発電制御システム、燃料電池発電制御方法、燃料
電池装置及び電子装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池発電制
御システムは、上述の技術的な課題を解決するため、燃
料電池用の燃料流体を貯蔵できる燃料貯蔵部と、前記燃
料貯蔵部からの燃料流体を用いて電力を発生させる発電
セルと、前記発電セルからの電力を受けて作動する電力
消費部と、前記発電セルに供給される燃料流体量及び前
記発電セルから出力される電力量の一方若しくは両方を
制御する制御部とを有することを特徴とする。

【００１３】燃料貯蔵部からの燃料流体は発電セルに供
給され、その発電セルで電力の取り出しが行われ、更に
発電セルで取り出された電力は電力消費部に送られて該
電力消費部で消費される。制御部は発電セルから出力さ
れる電力量と発電セルに供給される燃料流体量の一方若
しくは両方を制御することができ、電力量を制御する場
合では機器に必要な電力に応じて出力がなされることに
なる。燃料流体量を制御する場合では、発電量そのもの
を制御することになり、安定した発電も可能となる。

【００１４】また、本発明の燃料電池発電制御方法は、
燃料貯蔵部からの燃料電池用の燃料流体を発電セルに供
給して電力を発生させる工程と、前記発生した電力に応
じて前記燃料貯蔵部からの前記燃料流体の量を制御する
工程とを有することを特徴とする。

【００１５】本発明の燃料電池発電制御方法によれば、
燃料貯蔵部からの燃料流体は発電セルに供給され、その
発電セルで電力の取り出しが行われる。その電力は諸事
情によって変動することもあり得るが、仮に変動した場
合であっても電力に応じて燃料流体の量を制御すること
で、電力の発生を安定させることが可能であり、さらに
は所望の電力も発生させることができる。

【００１６】また、本発明の燃料電池発電制御方法は、
燃料貯蔵部からの燃料電池用の燃料流体を発電セルに供
給して電力を発生させる工程と、前記発生した電力を電
力消費部に送る工程と、前記電力消費部に送られる電力
の電力量を該電力消費部で必要とする電力量に応じて制
御する工程とを有することを特徴とする。

【００１７】本発明の他の燃料電池発電制御方法におい
ては、燃料流体の量を制御する代わりに、発電された電
力量を次段の電力消費部で必要とする電力量に応じて制
御する。この方式では、直接的に電力量が制御されるた
め、安定した電力供給や所望の電圧への制御などが実現
可能である。

【００１８】本発明の燃料電池装置は、燃料流体を用い
て電力を発生させる発電セルと、前記発電セルと一体化
され前記発電セルの発電状態をモニターする制御部を有
することを特徴とする。

【００１９】本発明の燃料電池装置によれば、発電セル
に燃料流体が供給されて電力が発生する。この発生する
電力は供給される燃料流体の圧力や温度などの種々の条
件によって変動することがあり、発電セルの発電状態を
モニターする制御部を設けることで、発電状態の変動を
把握することができ、その制御部からの制御によって発
電を安定化させることも可能となる。また、制御部を発
電セルと一体化することで、特に携帯用機器に適用する
場合にコンパクト化できるという利点がある。

【００２０】また、本発明の電子機器は、発電セルから
の電力を受けて作動する電子機器であって、発電セルか
らの出力を制御する制御部に当該電子機器の機器情報を
送信することを特徴とする。

【００２１】本発明の電子機器は、前述の如き本発明の
燃料電池発電制御システムに用いて好適な電子機器であ
り、該燃料電池発電制御システムに対して当該電子機器
の機器情報を送信する機能を有する。このため制御部は
どのような電子機器が接続されているかを把握すること
ができ、発電による起電力の的確な制御を行うことがで
きる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池発電制御
システムの一実施形態を図面を参照しながら説明する。

【００２３】図１は本実施形態の燃料電池発電制御シス
テムを示す。その主たる構成は、発電セル１１及び制御
部１４を内蔵する発電ユニット１０と、その発電ユニッ
ト１０からの電力を利用して作動する電力利用機器１２
と、発電ユニット１０に水素を供給する水素貯蔵部１３
とを有している。

【００２４】水素貯蔵部１３は例えば水素吸蔵合金など
を収容した貯蔵器であり、その形状は気体の圧力等を維
持して使用に耐えるものであればその形状を問わない。
また、当該水素貯蔵部１３の収容容器は、例えばステン
レス鋼などによって形成されるが、他の金属、ガラス、
合成樹脂、複合材料などによって形成することも可能で
ある。本実施形態の水素貯蔵部１３は、一例として、図
３に示すように、後述する発電ユニット１０の筐体と略
同じ厚みの板状に形成され、発電ユニット１０に対して
着脱自在とされる。燃料流体として水素ガスの他にメタ
ノールを利用することも可能であり、この場合水素貯蔵
部１３は液体のメタノールを貯蔵する。水素貯蔵部１３
には一時的に水素が外部より蓄積され、発電ユニット１
０に接続された場合に当該水素貯蔵部１３から水素が所
要の圧力で流出する。この水素貯蔵部１３からの燃料流
体は結合部材３０を介して、発電ユニット１０に結合し
て燃料流体である水素ガスを供給する。

【００２５】また、水素貯蔵部１３には、結合部材に内
蔵される形で若しくは別部材で、発電ユニット１０に信
号を送るためのセンサー信号部が配設される。このセン
サー信号部は、例えば水素貯蔵部１３の内部の圧力、温
度、湿度、水素貯蔵に水素を貯蔵した日時、貯蔵合金の
タイプ、その他の情報を信号の形式で発電ユニット１０
に送信する。この送信はコネクターを介した電気信号に
よって行うことも可能であるが、結合部材での光通信や
流体流路を活用した音波などによって通信することも可
能である。

【００２６】発電ユニット１０は主たる構成として、燃
料流体の供給に応じて起電力を発揮する発電セル１１
と、流入する燃料流体の量を制御する流量制御部１５
と、出力される電圧を制御するための電圧制御部１６
と、これら流量制御部１５における流量と電圧制御部１
６における電圧量を制御するための制御部１４とを有し
ている。

【００２７】本実施形態では発電ユニット１０は略平板
状の筐体に収めされた燃料電池装置である。その発電ユ
ニット１０の内部に収納される発電セル１１の構成は、
図３に示すように、上から順に当該発電ユニット１０の
上側筐体２４、上側の酸素側集電体２６、中央よりも上
側に配される一対の発電体２１、２１、中央に配される
燃料気体としての水素を供給する水素供給部２３、中央
よりも下側に配される一対の発電体２２、２２、下側の
酸素側集電体２７、更に上側筐体２４と対になって当該
発電ユニット１０の筐体を構成する下側筐体２５とを主
たる構成要素とする。なお、発電ユニット１０を本実施
形態では、カード状若しくは平板状として説明している
が、他の形状であっても良く、円筒状、矩形状、箱状、
球状、多角柱状、多角錐状、円錐状、若しくはこれらの
変形形状など種々の形状とすることができる。また、以
下に発電体や集電体の構造を説明しているが、これは一
例に過ぎず他の構造とすることも可能である。

【００２８】上側筐体２４及び下側筐体２５は、例えば
ステンレスなどの金属材料から構成されるが、鉄、アル
ミニウム、或いはチタン、マグネシウムなどの金属材料
や、エポキシ、ＡＢＳ、ポリスチレン、ＰＥＴ、ポリカ
ーボネートの如き耐熱性や耐薬品性に優れた樹脂材料な
どを使用することができ、或いは耐腐食性が十分な繊維
強化樹脂のような複合材料を用いても良い。筐体は側面
が立ち上がる構造の下側筐体２５に、略平板状の上側筐
体２４が配された構造を有し、上側筐体２４の表面側及
び下側筐体２５の裏面側には４つの発電セルの酸素側電
極に酸素を供給するように開口した複数の開口部３１、
３２がマトリクス状に配列されて設けられている。複数
の開口部３１、３２が設けられた領域に対応して発電セ
ル１１が配設される。この開口部３１、３２によって酸
素側電極が後述するように大気開放されることになり、
有効な酸素の取り込みが特別な吸気装置を要せずして実
現され、同時に排出される余分な水分の除去も実現され
る。

【００２９】開口部３１、３２の形状は、本実施形態で
は、各集電体のパターンを格子状とすることから、この
格子状パターンと同形状とされるが、他の形状にするこ
とも可能であり、個々の開口部の形状を円形、楕円形、
ストライプ形状、多角形形状などの各種の形にすること
も可能である。また、開口部３１、３２は、本例では板
状の筐体を切り欠いて形成されているが、酸素側電極の
大気開放状態を損なわない範囲でゴミやチリなどの侵入
や付着を防止するために該開口部３１、３２に網や不織
布などを設けるようにすることも可能である。

【００３０】発電セル１１は、筐体５の厚み方向に２
段、水平方向に２つ並べて配列されており、１つの発電
セル１１は略正方形の平板形状を有する。この発電セル
１１は多層構造を有しており、発電セル１１は発電体２
１、２２を集電体２６、２７で上下方向で挟んだ構造を
有しており、一対の発電体２１、２２に挟まれている水
素供給部２３は水素側電極の集電体としても機能する。

【００３１】先ず、図４を参照しながら発電体２１、２
２の構造について説明する。発電体２１、２２は共通の
構造を有しており、異なる点については、筐体内で上側
に配される方が発電体２１であり、筐体内で下側に配さ
れる方が発電体２２であり、さらに発電体２１、２２に
対して水素側集電体２３が筐体の中心側を向き、発電体
２１、２２に対して酸素側集電体２６、２７が筐体の外
側となるように実装される点であり、換言すれば、発電
体２１、２２は同じ構造ながら取り付けの表裏の向きが
異なっている。

【００３２】固体高分子膜であるプロトン伝導体膜４２
が正方形に近い略矩形状の形状で設けられており、発電
中は当該プロトン伝導体膜４２の膜中を解離したプロト
ンが移動する。このプロトン伝導体膜４２を挟んで一方
に酸素側電極４１が密着して形成され、他方に水素側電
極４３が密着して形成される。酸素側電極４１はプロト
ン伝導体膜４２と実質的に同サイズの正方形に近い略矩
形状の形状であるが、水素側電極４３はこれら酸素側電
極４１及びプロトン伝導体膜４２よりは小さなサイズの
正方形に近い略矩形状の形状とされる。このため水素側
電極４３をプロトン伝導体膜４２上に貼り合わせた状態
では、プロトン伝導体膜４２の周囲が約２ｍｍ程度の幅
で露出した状態になる。

【００３３】図４に示すように、この水素側電極４３を
プロトン伝導体膜４２上に貼り合わせた状態で露出する
プロトン伝導体膜４２の周囲に、特にガスケット材であ
るシール材４４が密着するように取り付けられる。この
シール材４４は例えばシリコンゴムなどの弾力性と気密
性を供えた材料が用いられ、このシール材４４の内側に
形成された大きな孔４５がプロトン伝導体膜４２よりは
小さなサイズの水素側電極４３に外側から嵌合する。酸
素側電極４１の側は、基本的に大きな開口部により大気
開放されているので、ガスのシールが不要化可能である
ことから、このようなガスケット材が不要となり、これ
によって部品点数の削減や組み立て工数の低減を実現さ
せることができる。

【００３４】ガスケット材として形成されるシール材４
４は、水素側電極４３と実質的に同じ厚みで形成される
か、若しくは水素側電極４３よりも厚みが厚くされる。
例えば、水素側電極４３の厚みが０．２ｍｍである場合
に、シール材４４の厚みを０．３ｍｍとすることもで
き、シール材４４は弾性材料であるために、集電体が押
し付けられた場合には０．１ｍｍ程度の厚み方向の収縮
が生じて均一な集電体とシール材４４及びその内側の水
素側電極４３の接触が実現され、この均一な接触から電
気的な特性も向上する。また、酸素側電極４１の側には
シール材が存在しないため、プロトン伝導体膜４２の端
部は、従来の構造のように両面にシール材を形成するも
のに比べた場合では、シール材のばらつきの影響を受け
ずにその剛性度が確実に高くなり、気密特性を大幅に改
善することができる。

【００３５】次に、水素供給部２３の構造について説明
すると、この水素供給部２３は発電ユニット１０の垂直
方向における中心に位置する部材であり、燃料気体であ
る水素を発電体２１、２２の間のスペースに送り込むと
共に集電体によって電力取り出しを行う機能を有してい
る。この水素供給部２３は、一対の水素側集電体と、そ
の間に挟持されて発電体に連通する気体流路を形成する
一対の絶縁膜を有している。

【００３６】水素供給部２３の水素側集電体はその上下
に配される発電体２１、２２の表面に位置する水素側電
極４３に面接触する部材であり、該発電体２１、２２と
の接触面に形成される開口部２９が水素ガス等を透過さ
せる。この水素側集電体は例えば金メッキされた金属板
などから構成され、発電体２１、２２の水素側電極４３
の表面に当接する。この発電体２１、２２との接触面に
位置する開口部２９によって水素ガスあるいはメタノー
ルなどの燃料流体を面状の発電体２１、２２の広い範囲
にわたって送ることができる。

【００３７】このような水素側集電体は面同士が対向す
るように配置され、その間のスペーサとして図示しない
絶縁膜が水素側集電体の間に挟持されるように設けられ
ている。一対の絶縁膜は、例えばポリカーボネートなど
の樹脂フィルムを外枠だけ残して型抜き加工したもので
構成される。絶縁膜によって略矩形状の膜厚に応じたス
ペースからなる燃料流路を構成し、このスペースは垂直
方向では水素側集電体の外枠２８の間に挟まれたものと
なる。なお、絶縁膜の水素導入管５１側には、該水素導
入管５１の中空部に突設片を介して連通する図示しない
水素導入口が形成される。突設片３５の端部にも絶縁膜
は延長されており、絶縁膜で形成された燃料流路を水素
等が通過する。

【００３８】図２に示すように、水素導入管５１は発電
ユニット１０の長手方向に沿って延長される断面矩形状
の配管部材であり、水素吸蔵部１３が接続する側の端部
には該水素吸蔵部１３の結合部材３０が嵌合される水素
流入口５２が形成されている。水素導入管５１は水素等
を通過させるために中空とされている。この水素導入管
５１内の一部に水素貯蔵合金などを配しても良い。水素
導入管５１と水素側集電体の接続点は水素導入管５１の
側面に形成された横長な挿入口に突設片３５の各先端部
が挿入されることで形成される。

【００３９】このような水素供給部２３は発電体２１、
２２で挟み込まれることから、共通の１つの部材を使用
することができるが、酸素側の集電体は上側集電体２６
と下側集電体２７に別れている。上側集電体２６と下側
集電体２７は、例えば金メッキされた金属板から構成さ
れ、発電体２１、２２の酸素側電極に当接すると共に当
該酸素側の集電体２６、２７にそれぞれ形成された開口
部３３、３４を介して酸素を供給する。

【００４０】ここで、各開口部３３、３４は当該集電体
の気体透過部として機能し、開口部３３、３４自体は大
きく開口しており、発電体２１、２２の酸素側電極を大
気開放状態にさせることができ、空気中の酸素分圧を下
げることなく発電体２１、２２に酸素を供給できる。ま
た、同時に発電体２１、２２からは起電力の生成時に水
分が生ずるが、開口部３３、３４自体は大きく開口して
おり、大気開放状態となることから、電極表面に生成さ
れた水分も良好に除去することが可能である。なお、酸
素側の上側集電体２６、下側集電体３７としては、カー
ボン材料などの導電性プラスチックなどを用いても良
く、支持体に金属膜など形成した構造などでも良い。

【００４１】このような発電セルの構造に加えて本実施
形態に係る発電ユニットには、図２に示すようにマイク
ロプロセシングユニットからなる制御部１４が配設され
ている。制御部１４は当該燃料電池発電制御システムの
全体の制御を行う回路部であり、その機能としては流入
する燃料流体の量を制御する流量制御部１５と出力され
る電圧を制御するための電圧制御部１６に対するそれぞ
れの制御と、当該発電ユニット１０で発電した電力の供
給先である電力利用機器１２に対する電力供給の残り時
間の通知、さらには電力利用機器１２からの機器情報の
取得、前述の水素貯蔵部１３からの水素圧情報の取得な
どを行う。また、制御部１４は当該発電ユニット１０内
でも情報信号の送受信を行っており、例えば当該発電ユ
ニット１０内に設けられたセンサー部１７で例えば水素
側の集電体間のスペースにおける圧力、水素分圧、温
度、湿度、その他の情報等を収集し、これらの情報が発
電セルの発電状態を示す情報としてマイクロプロセシン
グユニットからなる制御部１４に送られる。センサー部
１７は例えば信号線１８を介して水素側の集電体間のス
ペースにガスセンサーや熱電対などを臨ませて構成され
る。

【００４２】制御部１４は信号線５４によって流量制御
部１５に接続される。流量制御部１５は制御部１４から
の信号に応じて流入する燃料流体の量を制御する装置で
あり、例えばアクチュエーターが接続され該アクチュエ
ーターによって開閉操作される開閉バルブなどによって
構成される。すなわち、電力を発電セルに安定して生じ
させる場合においては、内部の水素分圧が下がってきた
時に水素の供給量を増加させるように制御することで、
発電量の落ち込みを未然に防止できる。

【００４３】また、制御部１４は信号線５６を介して出
力される電圧を制御するための電圧制御部１６に接続さ
れる。電圧制御部１６は制御部１４からの信号に応じて
出力する電圧を制御する装置であり、例えば内部的な切
替スイッチが配設され、その切替スイッチの切替操作に
よって出力電圧を制御できる。また、電圧制御部１６は
内部的な切替スイッチではなく抵抗器等を配設する構造
であっても良い。電圧制御部１６は、特に電力利用機器
１２からの機器情報を参照して出力電圧を制御すること
ができ、例えば、電力利用機器１２の定格電圧が当該発
電セル１１の発電電圧よりも低い場合には、出力電圧を
下げる様に制御することができ、或いは電力利用機器１
２が通常の動作モードからスリープモードに入った場合
では、電流値や電圧値を下げたりするような制御を行っ
ても良い。このような電力利用機器１２からの機器情報
は制御部１４で常にモニターされるようにすることがで
き、本実施形態においては、電力利用機器１２における
状態遷移などに迅速に対応可能となる。

【００４４】制御部１４は当該発電ユニット１０内の各
制御部１５、１６に信号を送るだけではなく、発電した
電力の供給先である電力利用機器１２に対する電力供給
の残り時間の通知も行う。例えば、電力利用機器１２に
おける電力利用がある程度の長時間のものであり、途中
で電力不足のために中断すると、初めからやり直す必要
がある場合では、このような残り時間の通知によって無
駄な動作が未然に防止され、確実な動作が確保されるこ
とになる。

【００４５】制御部１４はさらには電力利用機器１２か
らの機器情報の取得、前述の水素貯蔵部１３からの水素
圧情報の取得も行う。例えば、電力利用機器１２からの
機器情報は前述のように電圧制御部１６による出力の制
御に用いられ、最適な制御をマイクロプロセシングユニ
ットで計算して電圧制御部１６に信号を送るようにする
ことも可能である。水素貯蔵部１３からの水素圧情報
は、前述のように、例えば水素貯蔵部１３の内部の圧力
を主たる情報とするものであるが、温度、湿度、水素貯
蔵に水素を貯蔵した日時、貯蔵合金のタイプ、その他の
情報など含ませることができ、信号の形式で水素貯蔵部
１３から発電ユニット１０の制御部１４に送信される。
制御部１４と電力利用機器１２の間や制御部１４と水素
貯蔵部１３の間の送信はコネクターを介した電気信号に
よって行うことも可能であるが、結合部材での光通信や
流体流路を活用した音波などによって通信することも可
能である。

【００４６】発電ユニット１０からの電力を利用して作
動する電力利用機器１２は、本実施形態では、種々の機
器を適用させることができるが、一例として、図５に示
すようなノート型パソコン９１を電力利用機器１２とし
て使用することができる。発電ユニット１０は、図５に
示すように、電力利用機器１２の一例であるノート型パ
ソコン９１のカード用スロット９２から挿入して装着す
ることができる。発電ユニット１０のノート型パソコン
９１への挿入側と反対側には燃料流体の供給源である水
素貯蔵部１３が着脱自在に取り付けられている。

【００４７】ここでスロット９２は、当該発電ユニット
１０専用の装置本体のハウジングに設けられた穴とする
こともできるが、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準
化されたサイズのスロットとすることも可能である。具
体的には、ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化され
たサイズは、縦（長辺）が８５．６ｍｍ±０．２ｍｍ、
横（短辺）が５４．０ｍｍ±０．１ｍｍと定められてい
る。カードの厚みについては、タイプIとタイプＩＩの
それぞれについて規格化されており、すなわちタイプＩ
については、コネクタ部の厚みが３．３±０．１ｍｍで
あり、基底部の厚さが３．３±０．２ｍｍである。ま
た、タイプＩＩについては、コネクタ部の厚さが３．３
±０．１ｍｍであり、基底部の厚さが５．０ｍｍ以下で
且つその厚みの標準寸法±０．２ｍｍである。

【００４８】なお、本実施形態では、スロット９２は、
装置本体であるノート型パソコン９１のキーボード側本
体の側部に設けられているが、このスロット９２が設け
られる部分を図１５で破線で示すセレクタブルベイ９３
の一部とすることもできる。

【００４９】なお、本実施形態においては、発電ユニッ
ト１０を搭載する機器としてノート型パソコンを例示し
たが、他の使用例として、ポータブルなプリンターやフ
ァクシミリ、パソコン用周辺機器、電話機、テレビジョ
ン受像機、通信機器、携帯端末、カメラ、オーディオビ
デオ機器、扇風機、冷蔵庫、アイロン、ポット、掃除
機、炊飯器、電磁調理器、照明器具、ゲーム機やラジコ
ンカーなどの玩具、電動工具、医療機器、測定機器、車
両搭載用機器、事務機器、健康美容器具、電子制御型ロ
ボット、衣類型電子機器、レジャー用品、スポーツ用
品、その他の用途に発電ユニット１０を搭載できる。

【００５０】次に、図６を参照しながら、本実施形態の
燃料電池発電制御システムにおける制御のフローについ
て説明する。先ず、発電による電力供給を開始する場
合、発電ユニット１０に対して水素貯蔵部１３が接続さ
れ、さらに発電ユニット１０に電力利用機器１２を接続
させる。この時点で水素貯蔵部１３から水素ガスの供給
が開始され、発電セル１１では発電が開始する。また、
制御部１４も起動して、電力利用機器１２からの機器情
報の取得、前述の水素貯蔵部１３からの水素圧情報の取
得、当該発電ユニット１０内の情報信号の送受信を行
う。

【００５１】作動開始後、手順Ｓ１１では機器同士が接
続されて、システムが構築されているか否かが判断され
る。もし、システムが構築されていない場合は、ここで
時間待ちとなる。システムが構築されているか否かは、
物理的に機器が接続されているか否かで判断され、これ
は制御部１４が水素貯蔵部１３からの水素圧情報が得ら
れているかどうかや、電力利用機器１２からの機器情報
が得られているかどうかで判断される。これらの情報が
信号形式で得られていない場合には、機器が接続されて
いないものとして待機モードに入る。

【００５２】手順Ｓ１１でＹＥＳの場合、即ち、発電ユ
ニット１０に電力利用機器１２が接続され且つ発電ユニ
ット１０に水素貯蔵部１３が接続されている場合には、
手順Ｓ１２で当該燃料電池発電制御システム内の回路を
起動（ＷａｋｅＵｐ）させる。この回路起動の後、制
御部１４は水素貯蔵部１３からの水素圧情報などによ
り、該水素貯蔵部１３における水素の残量を計算する
（手順Ｓ１３）。

【００５３】手順Ｓ１４では、水素貯蔵部１３での水素
ガスが最低限の出力電圧を出すほど残っているか否かが
判断され、もし水素ガスの残量が最低限の出力電圧も出
せない場合では、回路起動を不能とする処理を行って、
当該システムの処理を停止させる。手順Ｓ１４で、水素
貯蔵部１３での水素ガスが最低限の出力電圧を出すほど
には残っている場合、手順Ｓ１５に進む。手順Ｓ１５で
は、水素ガスを供給した上での出力電圧をモニターして
おり、この電圧検出処理は、例えばセンサー部１７から
の発電セルの発電状態情報を参照しながら制御部１４で
温度補正などを加えた演算処理などによって検出される
ものである。

【００５４】制御部１４で算出された出力電圧は、同じ
く制御部１４に取得された電力利用機器１２からの機器
情報と照会される（手順１６）。この時、例えば、出力
電圧が電力利用機器１２が必要とする電圧に満たない場
合や、電力利用機器１２が必要とする時間ほどその出力
電圧を維持できない場合には、手順Ｓ１６で残量が不十
分として機器起動の不能処理を行い物理的には電力利用
機器１２と発電ユニット１０が接続されていても、その
接続を介しての電力の送電は止められることになる。こ
のため電力利用機器１２における電力利用がある程度の
長時間のものであり、途中で電力不足のために中断する
と、初めからやり直す必要がある場合であっても、無駄
な動作が未然に防止され、確実な動作が保証されること
になる。

【００５５】手順Ｓ１６で残量が十分と判断された場合
に、手順Ｓ１７に進み発電セル１１からの電力が出力さ
れる。この段階が発電の運転状態となり、発電ユニット
１０から電力利用機器１２に電力が供給される。この運
転状態において、電力利用機器１２が通常の動作モード
からスリープモードに入った場合では、電圧制御部１６
による出力の制御が行われ、電流値や電圧値を下げたり
するような制御を行って、消費する水素ガス量を抑える
こともできる。このような電力利用機器１２からの機器
情報は制御部１４で常にモニターされることから、本実
施形態の燃料電池発電制御システムでは、電力利用機器
１２における状態遷移には迅速に対応できることにな
る。

【００５６】手順Ｓ１８では、水素の残量がモニターさ
れ、残量がある場合（ＹＥＳ）の場合には、水素の供給
が続けられると共に電力も電力利用機器１２に持続して
供給される。手順Ｓ１８で水素の残量が不十分と判断さ
れる場合（ＮＯ）では、機器起動の不能処理を行い物理
的には電力利用機器１２と発電ユニット１０が接続され
ていても、その接続を介しての電力の送電は止められる
ことになる。

【００５７】以上のように、本実施形態の燃料電池発電
制御システムでは、制御部１４が、発電セル１１、水素
貯蔵部１３、電力利用機器１２のそれぞれから必要な水
素圧や機器情報などを送受信するような構成となってお
り、電力利用機器１２に適合した電力を常に供給した
り、電力利用機器１２や水素貯蔵部１３の変化にも対応
して安定した電力を供給することができ、無駄を抑えて
消費する水素ガス量を最小限にすることも可能である。

【００５８】図７は他の実施形態の燃料電池発電制御シ
ステムを示すブロック図である。本実施形態の燃料電池
発電制御システムの主たる構成は、発電セル１１１と、
制御部１１４を内蔵する制御ユニット１１０と、その制
御ユニット１１０からの電力を利用して作動する電力利
用機器１１２と、制御ユニット１１０に水素を供給する
水素貯蔵部１１３とを有している。この燃料電池発電制
御システムは、前述の図１に示す燃料電池発電制御シス
テムと略同様な構成要素を有しているが、発電ユニット
の代わりに制御ユニット１１０が発電セル１１１とは独
立した装置として構成されている。以下、双方の燃料電
池発電制御システムの間の相違点について説明すると、
例えば水素吸蔵合金などを収容して燃料としての水素を
蓄積する水素貯蔵部１１３は、制御ユニット１１０に対
して着脱自在とされる。発電セル１１１は制御ユニット
１１０とは別部材となっていて、制御ユニット１１０に
対して着脱自在とされる。このため発電セル１１１は制
御部１１４や電圧制御部１１６、流量制御部１１５の仕
様に制限されずに、発電セル１１１自体を独立され、例
えば高電圧用途には発電セル１１１を構成する発電体の
枚数を増やしたり或いはサイズを大きくしたり、さらに
は使用条件に応じた構成をとることができる。制御ユニ
ット１１０からの電力を利用して作動する電力利用機器
１１２も制御ユニット１１０に対して着脱自在とされる
こと以外は、前述の燃料電池発電制御システムにおける
電力利用機器１２と同様である。

【００５９】本実施形態の燃料電池発電制御システムに
おいても、制御部１１４が、発電セル１１１、水素貯蔵
部１１３、電力利用機器１１２のそれぞれから必要な水
素圧や機器情報などを送受信するような構成となってお
り、電力利用機器１１２に適合した電力を常に供給した
り、電力利用機器１１２や水素貯蔵部１１３の変化にも
対応して安定した電力を供給することができ、無駄を抑
えて消費する水素ガス量を最小限にすることも可能であ
る。

【００６０】また、本発明では、燃料として主に水素ガ
スを使用する例について説明したが、いわゆるダイレク
トメタノール方式に対応してメタノール（液体）を燃料
とする構成としても良い。

【００６１】

【発明の効果】本発明の燃料電池発電制御システム、燃
料電池発電制御方法、燃料電池装置及び電子装置によれ
ば、発電ユニットや制御ユニットに設けられる制御部
が、発電セル、水素貯蔵部、電力利用機器のそれぞれか
ら必要な水素情報や機器情報などを送受信する。このた
め残量や発電量などをモニターしながら常に安定させて
作動させることができ、電力の供給も安定させることが
できる。

【００６２】また、本発明の燃料電池発電制御システム
においては、電力消費部若しくは電力利用機器などの電
子装置からの機器情報が制御部に伝達されるため、発電
力を利用する機器が多様化した場合でも柔軟に対応で
き、機器の状態が遷移する場合にも柔軟に対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池発電制御システムの一実施形
態のブロック図である。

【図２】前記実施形態における発電ユニットの一部を示
す斜視図である。

【図３】図１に示す燃料電池発電制御システムの発電ユ
ニットにおける発電セルと筐体の分解斜視図である。

【図４】図１に示す燃料電池発電制御システムの発電ユ
ニットにおける発電体の分解斜視図である。

【図５】本発明の燃料電池発電制御システムの発電ユニ
ットの一例を電力利用機器としてのノート型パソコンに
挿入する状態を示す斜視図である。

【図６】本発明の燃料電池発電制御システムの制御フロ
ーを示すフローチャートである。

【図７】本発明の燃料電池発電制御システムの他の一実
施形態のブロック図である。

【図８】一般的なプロトン伝導体膜を用いた燃料電池の
一例を示す模式図である。

【符号の説明】

１０発電ユニット１１発電セル１２電力利用機器１３水素貯蔵部１４制御部１５流量制御部１６電圧制御部１７センサー部１１０制御ユニット１１１発電セル１１２電力利用機器１１３水素貯蔵部１１４制御部１１５流量制御部１１６電圧制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H026 AA06 HH03 HH06 5H027 AA06 BA14 DD00 KK25 KK52 MM09 MM26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池用の燃料流体を貯蔵できる燃料
貯蔵部と、前記燃料貯蔵部からの燃料流体を用いて電力を発生させ
る発電セルと、前記発電セルからの電力を受けて作動する電力消費部
と、前記発電セルに供給される燃料流体量及び前記発電セル
から出力される電力量の一方若しくは両方を制御する制
御部とを有することを特徴とする燃料電池発電制御シス
テム。
【請求項２】前記制御部は前記電力消費部に残量デー
タを送信することを特徴とする請求項１記載の燃料電池
発電制御システム。
【請求項３】前記制御部は前記電力消費部から当該電
力消費部の機器情報を受信することを特徴とする請求項
１記載の燃料電池発電制御システム。
【請求項４】前記制御部は前記発電セルの発電状態を
モニターすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池
発電制御システム。
【請求項５】前記制御部は前記燃料貯蔵部の燃料貯蔵
状態をモニターすることを特徴とする請求項１記載の燃
料電池発電制御システム。
【請求項６】前記燃料貯蔵部、前記発電セル、前記電
力消費部はそれぞれ独立して構成されることを特徴とす
る請求項１記載の燃料電池発電制御システム。
【請求項７】前記制御部は前記発電セルと一体若しく
は別体に設けられることを特徴とする請求項６記載の燃
料電池発電制御システム。
【請求項８】燃料貯蔵部からの燃料電池用の燃料流体
を発電セルに供給して電力を発生させる工程と、前記発生した電力に応じて前記燃料貯蔵部からの前記燃
料流体の量を制御する工程とを有することを特徴とする
燃料電池発電制御方法。
【請求項９】前記発電セルの発電状態をモニターする
工程を更に有することを特徴とする請求項８記載の燃料
電池発電制御方法。
【請求項１０】前記発電セルからの出力を制御する工
程を更に有することを特徴とする請求項８記載の燃料電
池発電制御方法。
【請求項１１】燃料貯蔵部からの燃料電池用の燃料流
体を発電セルに供給して電力を発生させる工程と、前記発生した電力を電力消費部に送る工程と、前記電力消費部に送られる電力の電力量を該電力消費部
で必要とする電力量に応じて制御する工程とを有するこ
とを特徴とする燃料電池発電制御方法。
【請求項１２】前記電力消費部は必要とする電力量に
関する情報を前記制御部に送ることを特徴とする請求項
１１記載の燃料電池発電制御方法。
【請求項１３】前記制御部は前記発電セルと一体に設
けられることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池発
電制御方法。
【請求項１４】燃料流体を用いて電力を発生させる発
電セルと、前記発電セルと一体化され前記発電セルの発電状態をモ
ニターする制御部を有することを特徴とする燃料電池装
置。
【請求項１５】前記制御部からの信号により前記燃料
気体の流量を制御する流量制御手段を有することを特徴
とする請求項１４記載の燃料電池装置。
【請求項１６】前記制御部からの信号により前記発電
セルから出力を制御する出力制御手段を有することを特
徴とする請求項１４記載の燃料電池装置。
【請求項１７】発電セルからの電力を受けて作動する
電子機器であって、発電セルからの出力を制御する制御
部に当該電子機器の機器情報を送信することを特徴とす
る電子機器。
【請求項１８】前記電子機器の機器情報は当該機器の
定格情報を含むことを特徴とする請求項１６記載の電子
機器。