JP2003234116A - 燃料電池の制御方法および制御装置 - Google Patents

燃料電池の制御方法および制御装置

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JP2003234116A
JP2003234116A JP2002030575A JP2002030575A JP2003234116A JP 2003234116 A JP2003234116 A JP 2003234116A JP 2002030575 A JP2002030575 A JP 2002030575A JP 2002030575 A JP2002030575 A JP 2002030575A JP 2003234116 A JP2003234116 A JP 2003234116A
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cell
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JP2002030575A
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Toru Nakakubo
亨 中窪
Takeshi Eguchi
健 江口
Mitsusuke Watabe
充祐 渡部
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【課題】 効率よく安定した電力を供給できる小型燃料
電池の制御方法を提供する。 【解決手段】 小型電気機器61からの必要な要求電力
量の発電命令があると、燃料電池セルの発電を開始し、
発電量を検出する発電量検出工程62により発電量を検
出し、必要な電力量と発電量とを比較する電力比較工程
63により電力量を比較し、発電量が必要な電力量を下
回った場合(P1 <P0 )に、蓄電部52から電力量
(P0 −P1 )の放電を行ない、一方発電量が必要な電
力量を上回った場合(P1>P0 )には、蓄電部52に
電力量(P1 −P0 )の充電を行ない、電力供給工程6
5により必要な要求電力量P0 を小型電気機器に供給す
る。小型電気機器に必要な電力量の供給が終わると、発
電は停止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質型の
燃料電池の制御方法および制御装置に関するものであ
る。本発明は、燃料電池のサイズによって、実施が妨げ
られるものではないが、特にデジタルカメラ、デジタル
ビデオカメラ、小型プロジェクタ、小型プリンタ、ノー
ト型パソコンなどの持ち運び可能な小型電気機器に搭載
可能な発電量が数ミリワットから数百ワットまでの燃料
電池の制御方法に有効である。
【0002】
【従来の技術】従来、小型の電気機器を持ち運んで使用
するためには、種々の一次電池、二次電池が使用されて
きた。しかし、最近の小型電気機器の高性能化に伴い、
消費電力が大きくなり、一次電池では、小型軽量で、十
分なエネルギーを供給できなくなっている。一方、二次
電池においては、繰り返し充電して使用できるという利
点はあるものの、一回の充電で使用できるエネルギーは
一次電池よりも更に少ない。そして、二次電池の充電の
為には、別の電源が必要である上、充電には通常数十分
から数時間かかり、いつでもどこでもすぐに使用できる
様にするということは困難である。今後、電気機器のま
すますの小型、軽量化が進み、ワイヤレスのネットワー
ク環境が整うことにより、機器を持ち運んで使用する傾
向が高まる中で、従来の一次電池、二次電池では機器の
駆動に十分なエネルギーを供給することは困難である。
【0003】このような問題の解決策として、小型の燃
料電池が注目されている。燃料電池は従来、大型の発電
機、自動車用の駆動源として開発が進められてきた。こ
れは燃料電池が、従来の発電システムに比べて、発電効
率が高く、しかも廃棄物がクリーンであることが主な理
由である。一方、燃料電池が小型電気機器の駆動源とし
て有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエ
ネルギー量が従来の電池に比べて、数倍から十倍近くで
あることが挙げられる。さらに、燃料のみを交換すれば
連続して使用が可能であるため、他の二次電池の様に充
電に時間がかかることもない。
【0004】燃料電池には、様々な方式のものが発明さ
れているが、小型電気機器、とりわけ持ち運びして使用
する機器に対しては、固体高分子型燃料電池が適してい
る。これは、常温に近い温度で使用でき、また、電解質
が液体ではなく固体であるので、安全に持ち運べるとい
う利点を有しているためである。
【0005】燃料電池は、燃料と酸化剤を電池セルに供
給することで発電する単純な原理であるが、最適な発電
を行うためには、様々な制御が行われている。
【0006】小型電気機器用の燃料電池の燃料として
は、従来メタノールが使用されてきた。これは、メタノ
ールが保存しやすく、また入手しやすい燃料であること
が主な理由であった。しかし、メタノールを使用したダ
イレクトメタノール型の燃料電池は、出力が小さいとい
う原理的な欠点があった。さらに、ダイレクトメタノー
ル型の燃料電池には、燃料のメタノールが高分子電解質
膜を透過して酸化剤極側で酸素と直接反応してしまうク
ロスオーバー現象や、反応で生成する一酸化炭素が電極
触媒を被毒してしまうという問題があり、出力はさらに
小さなものしか得られていなかった。
【0007】大きな出力を得るための燃料電池には、水
素を燃料に使用するのが最適である。しかし、水素は常
温で気体であり、小型の燃料タンクの中に高密度に水素
を貯蔵することは非常に困難であった。第一の方法は水
素を圧縮して高圧ガスとして保存する方法であるが、ガ
スの圧力を200気圧まで高めても体積水素密度は18
mg/cm3 程度である。その上、高圧のガスタンクを
安全に扱うためには、タンクの肉厚を大きくする必要が
あり、小型化には向かない。
【0008】第二の方法は水素を低温にして、液体とし
て貯蔵する方法である。この方法では、高密度な保存が
可能であるが、水素を液化するためには、大きなエネル
ギーが必要であること、また、液体水素が自然気化し
て、漏れだしてしまうことが問題である。
【0009】第三の方法は水素吸蔵合金を使用して水素
を貯蔵する方法である。この方法では、体積ベースでの
吸蔵量は大きいが、水素吸蔵合金の比重が大きいため、
重量ベースでは、2wt%程度の水素しか吸蔵できず、
燃料タンクが重たくなってしまうという欠点がある。
【0010】第四の方法では、メタノールやガソリンな
どを燃料タンクに積み、改質して水素に変換し使用する
という方法があるが、改質反応は100℃以上の高温で
あること、改質器が必要となることから、小型電気機器
用には向かない。
【0011】そこで、燃料を高密度に貯蔵するために、
炭素系材料を使用する方法が注目されている。炭素系材
料にはカーボンナノチューブ、グラファイトナノファイ
バー、カーボンナノホーンなどがある。これらの炭素系
材料では、重量当たり約10wt%の水素を吸蔵可能で
ある。これにより、例えばデジタルカメラ用の電源とし
て使用する場合、従来のリチウムイオン電池を用いた場
合に比べ、3〜5倍程度の撮影が可能である。
【0012】燃料である水素の吸蔵に炭素系材料を使用
した場合、十分な吸蔵量を得るためには、燃料タンク内
の圧力を数MPaにする必要がある。一方、酸化剤極側
の酸化剤としては外気を利用するため、その圧力は約
0.1Pa(1気圧)程度である。燃料電池セルにおい
て、酸化剤極側酸化剤と燃料極側燃料の圧力に差がある
と、燃料電池セルに応力が発生し、破損しやすくなる。
従って、水素は燃料電池セルに供給される際には、約
0.1Pa(1気圧)程度まで減圧されている必要があ
る。
【0013】固体高分子型燃料電池の特性として、発電
に適した温度は室温から80℃程度で、中でも60℃か
ら80℃までが最も効率が良い。すなわち、燃料電池は
燃料電池セルの温度によって出力が変化する。また、燃
料電池は起動してから、安定した電力を供給できるまで
に時間がかかる。従来の燃料電池においては、燃料電池
の起動・停止を頻繁に行う必要がなく、定常状態で運転
していたため、起動時や、温度のばらつきによる効率の
変化はそれほど問題ではなかった。しかし、燃料電池を
小型電気機器に搭載して用いる場合、常に電力を供給し
続ける必要がないため、機器の状況に応じて燃料電池の
起動・停止を頻繁に繰り返す必要がある。
【0014】二次電池またはキャパシタを併用したハイ
ブリッド発電方法としては、大型の潜水艦向けのシステ
ムではあるが、特開平10−144327においては、
過負荷の場合の電力を補うために燃料電池と二次電池と
を併設して用いる方法が採られている。また、太陽電池
発電においては、発電において得られた電力を蓄電して
おき、太陽が出ていないときにも、電力を供給する方法
が採られている。
【0015】また、燃料電池セルの温度が0℃を下回る
場合、高分子電解質膜に含まれる水分が凍結してしま
い、発電効率が著しく低下してしまうという問題があっ
た。この問題に対して、特願平6−93558において
は、燃料を加温してから発電を行うという方法が提案さ
れている。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の燃料電池の構成では、小型の電気機器に搭載するた
めの構成や、小型化するために必要な構成が考慮されて
いなかった。
【0017】特に、頻繁に燃料電池の起動・停止を繰り
返しながらの効率の良い運転方法は考案されていなかっ
た。中でも、立ち上がり時や発電途中における出力の変
化に対し、燃料電池を搭載している小型電気機器に安定
した電力を供給することが困難であった。
【0018】また、キャパシタや二次電池を併用して用
いるハイブリッド発電においては、キャパシタや二次電
池の蓄電量がなくならないように充電をしていくことが
必要であるが、燃料電池を搭載している小型電気機器へ
の電力供給とを組み合わせた効率の良い充電方法につい
ては、考慮されていなかった。特に太陽電池発電システ
ムでは、太陽電池の発電は太陽光により発電が行われる
ため、発電量を制限する必要がなかったが、燃料電池に
おいては、不要な発電は燃料の浪費につながるという問
題がある。
【0019】さらに、燃料電池セルの温度が0℃を下回
る場合、高分子電解質膜に含まれる水分が凍結してしま
い、発電効率が著しく低下してしまうという問題を有し
ていた。従来の燃料を加温してから発電を行うという方
式では、燃料電池セルがなかなか暖まらず、加温の効率
が悪いという欠点を有していた。
【0020】本発明は、この様な従来技術の問題点を解
決するためになされたものであり、小型電気機器の駆動
に十分な電力を供給するために燃料電池の駆動に必要な
様々な制御を行い、それによりシステムを簡素化し、従
来の様な不要な制御・駆動装置を廃し、効率よく安定し
た電力を供給できる小型の燃料電池の制御方法および制
御装置を提供することを目的とするものである。
【0021】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明の第一の発
明は、持ち運び可能な小型電気機器に搭載して用いら
れ、1つ以上の燃料電池セルからなるセル部と、燃料を
貯蔵するための燃料タンク部と、前記燃料タンク部から
セル部に燃料を供給する燃料供給部と、発電した電力を
キャパシタまたは2次電池からなる蓄電部にとりまとめ
て一時的に蓄え安定した電力を供給する配線部とを具備
する燃料電池の制御方法であって、前記小型電気機器か
らの必要な電力量の発電命令をだす発電命令工程と、該
発電命令を受けて発電を開始した燃料電池セルの発電量
を検出する発電量検出工程と、該発電量と必要な電力量
とを比較する電力比較工程と、前記発電量が前記必要な
電力量を下回った場合に、蓄電部から不足する電力量の
放電を行う放電工程と、前記発電量が前記必要な電力量
を上回った場合に蓄電部へ余剰の電力量の充電を行う充
電工程と、前記発電量と蓄電部からの放電量とを調整し
て必要な電力量を安定して小型電気機器に供給する電力
供給工程とを具備することを特徴とする燃料電池の制御
方法である。
【0022】本発明の燃料電池の制御方法には、さらに
前記蓄電部に充電して蓄電量を一定に保つ蓄電部充電工
程を有しているのが好ましい。該蓄電部充電工程は、蓄
電部の蓄電量を一定時間毎に検出する蓄電量検出工程
と、該蓄電量が一定基準量を上回るか下回るかを判定す
る蓄電量判定工程と、該蓄電量判定工程で蓄電量が一定
基準以下であった場合に充電命令を発し、蓄電量が一定
基準以上であった場合に充電停止命令を発する充電制御
工程と、該充電命令が発せられた場合に発電を開始し充
電を行う充電工程とを有することを特徴とする。
【0023】また、本発明の燃料電池の制御方法には、
さらに前記燃料供給部からセル部に燃料の圧力を調整し
て供給する燃料圧力調整工程を有しているのが好まし
い。該燃料圧力調整工程は、発電命令が入っている間に
一定時間毎にセル部に供給される燃料の圧力を検出する
燃料圧力検出工程と、該燃料の圧力が基準燃料圧力を上
回るか下回るかを判定する燃料圧力判定工程と、前記燃
料の圧力が所定の基準ガス圧を下回る場合には、燃料供
給部に設けられている小型バルブへバルブを開く命令を
下し、前記燃料の圧力が所定の基準ガス圧を上回る場合
には、小型バルブへバルブを閉じる命令を下す小型バル
ブ制御工程とを有することを特徴とする。
【0024】また、本発明の燃料電池の制御方法には、
さらに前記セル部の温度を調整するセル部温度調整工程
を有しているのが好ましい。該セル部温度調整工程は、
発電命令があったときにセル部の温度を検出する温度検
出工程と、検出温度が基準温度を上回るか下回るかを判
定する温度判定工程と、該検出温度が基準温度を下回る
場合に、蓄電部に蓄えられた電力を利用してヒーターを
駆動させるヒーター起動工程と、ヒーター駆動中に一定
時間毎に前記温度検出工程および温度判定工程を繰り返
し、上記検出温度が基準温度を上回った場合にヒーター
を停止させるヒーター停止工程と、上記検出温度が基準
温度を上回った場合に発電を開始する発電開始工程とを
有することを特徴とする。
【0025】さらに、前記燃料電池が固体高分子型小型
燃料電池であるのが好ましい。
【0026】また、本発明の第二の発明は、持ち運び可
能な小型電気機器に搭載して用いられ、1つ以上の燃料
電池セルからなるセル部と、燃料を貯蔵するための燃料
タンク部と、前記燃料タンク部からセル部に燃料を供給
する燃料供給部と、発電した電力をキャパシタまたは2
次電池からなる蓄電部にとりまとめて一時的に蓄え安定
した電力を供給する配線部とを具備する燃料電池の制御
装置であって、前記小型電気機器からの必要な電力量の
発電命令をだす発電命令手段と、該発電命令を受けて発
電を開始した燃料電池セルの発電量を検出する発電量検
出手段と、該発電量と必要な電力量とを比較する電力比
較手段と、前記発電量が前記必要な電力量を下回った場
合に、蓄電部から不足する電力量の放電を行う放電手段
と、前記発電量が前記必要な電力量を上回った場合に蓄
電部へ余剰の電力量の充電を行う充電手段と、前記発電
量と蓄電部からの放電量とを調整して必要な電力量を安
定して小型電気機器に供給する電力供給手段とを具備す
ることを特徴とする燃料電池の制御装置である。
【0027】本発明の燃料電池の制御装置には、さらに
前記蓄電部に充電して蓄電量を一定に保つ蓄電部充電手
段を有しているのが好ましい。該蓄電部充電手段は、蓄
電部の蓄電量を一定時間毎に検出する蓄電量検出手段
と、該蓄電量が一定基準量を上回るか下回るかを判定す
る蓄電量判定手段と、該判定された蓄電量が一定基準以
下であった場合に充電命令を発し、蓄電量が一定基準以
上であった場合に充電停止命令を発する充電制御手段
と、該充電命令が発せられた場合に発電を開始し充電を
行う充電手段とを有することを特徴とする。
【0028】また、本発明の燃料電池の制御装置には、
さらに前記燃料供給部からセル部に燃料の圧力を調整し
て供給する燃料圧力調整手段を有しているのが好まし
い。該燃料圧力調整手段は、発電命令が入っている間に
一定時間毎にセル部に供給される燃料の圧力を検出する
燃料圧力検出手段と、該燃料の圧力が基準燃料圧力を上
回るか下回るかを判定する燃料圧力判定手段と、前記燃
料の圧力が所定の基準ガス圧を下回る場合には、燃料供
給部に設けられている小型バルブへバルブを開く命令を
下し、前記燃料の圧力が所定の基準ガス圧を上回る場合
には、小型バルブへバルブを閉じる命令を下す小型バル
ブ制御手段とを有することを特徴とする。
【0029】また、本発明の燃料電池の制御装置には、
さらに前記セル部の温度を調整するセル部温度調整手段
を有しているのが好ましい。該セル部温度調整手段は、
発電命令があったときにセル部の温度を検出する温度検
出手段と、検出温度が基準温度を上回るか下回るかを判
定する温度判定手段と、該検出温度が基準温度を下回る
場合に、蓄電部に蓄えられた電力を利用してヒーターを
駆動させるヒーター起動手段と、ヒーター駆動中に一定
時間毎に前記温度の検出および温度の判定を繰り返し、
上記検出温度が基準温度を上回った場合にヒーターを停
止させるヒーター停止手段と、上記検出温度が基準温度
を上回った場合に発電を開始する発電開始手段とを有す
ることを特徴とする。
【0030】さらに、前記燃料電池が固体高分子型小型
燃料電池であるのが好ましい。
【0031】また、本発明の第三の発明は、上記の制御
装置を具備することを特徴とする燃料電池である。
【0032】
【発明の実施の形態】本発明の燃料電池の制御方法は、
持ち運び可能な小型電気機器に搭載して用いられる燃料
電池であって、1つ以上の燃料電池セルからなるセル部
と、燃料を貯蔵するための燃料タンク部と、前記燃料タ
ンク部からセル部に燃料を供給する燃料供給部と、発電
した電力をキャパシタまたは2次電池からなる蓄電部に
とりまとめて一時的に蓄え安定した電力を供給する配線
部とを具備する燃料電池の制御方法であって、前記小型
電気機器からの必要な電力量の発電命令をだす発電命令
工程と、該発電命令を受けて発電を開始した燃料電池セ
ルの発電量を検出する発電量検出工程と、該発電量と必
要な電力量とを比較する電力比較工程と、前記発電量が
前記必要な電力量を下回った場合に、蓄電部から不足す
る電力量の放電を行う放電工程と、前記発電量が前記必
要な電力量を上回った場合に蓄電部へ余剰の電力量の充
電を行う充電工程と、前記発電量と蓄電部からの放電量
とを調整して必要な電力量を安定して小型電気機器に供
給する電力供給工程とを具備することを特徴とする。
【0033】また、本発明の燃料電池の制御装置は、持
ち運び可能な小型電気機器に搭載して用いられる燃料電
池であって、1つ以上の燃料電池セルからなるセル部
と、燃料を貯蔵するための燃料タンク部と、前記燃料タ
ンク部からセル部に燃料を供給する燃料供給部と、発電
した電力をキャパシタまたは2次電池からなる蓄電部に
とりまとめて一時的に蓄え安定した電力を供給する配線
部とを具備する燃料電池の制御装置であって、前記小型
電気機器からの必要な電力量の発電命令をだす発電命令
手段と、該発電命令を受けて発電を開始した燃料電池セ
ルの発電量を検出する発電量検出手段と、該発電量と必
要な電力量とを比較する電力比較手段と、前記発電量が
前記必要な電力量を下回った場合に、蓄電部から不足す
る電力量の放電を行う放電手段と、前記発電量が前記必
要な電力量を上回った場合に蓄電部へ余剰の電力量の充
電を行う充電手段と、前記発電量と蓄電部からの放電量
とを調整して必要な電力量を安定して小型電気機器に供
給する電力供給手段とを具備することを特徴とする。
【0034】本発明においては、燃料電池内の配線部に
キャパシタまたは二次電池からなる蓄電部を有し、燃料
電池からの発電と燃料電池内の蓄電部からの放電を足し
合わせることで、燃料電池を搭載している小型電気機器
に対して、常に安定した電力を供給することができる。
【0035】また、前記蓄電部には、燃料電池からの発
電により、蓄電部の蓄電量が減少した場合、燃料電池の
電力を用いて小型電気機器に対して電力を供給している
時に又は小型電気機器に対して電力を供給していない時
に充電して、常に蓄電量が一定基準量を保っている様に
することができる。
【0036】また、燃料電池の発電開始命令及び発電停
止命令は、搭載されている小型電気機器からの命令と、
蓄電部からの命令によって行われ、燃料電池がなるべく
定常的に運転され、また、余剰な発電電力は蓄電部に蓄
えるようにする。また、不必要な発電は行わず、燃料の
浪費を防ぐ。
【0037】また、起動時の燃料電池セルの温度が低い
場合には、蓄電部に蓄えられた電力を用いて燃料電池セ
ルを暖め、発電可能な温度に加温して発電を行う。ま
た、蓄電部の電力を利用して、マイクロバルブ駆動等の
燃料電池の駆動に必要な電力を供給する。
【0038】燃料供給に関しては、燃料極側の燃料流路
に小型のレギュレータ、バルブ、圧力センサを備えるこ
とで、燃料タンクからの水素を適切に減圧して、燃料電
池セルに供給し、燃料極に接する燃料の圧力を適切に保
つことができる。
【0039】
【実施例】以下、本発明を小型燃料電池の具体例により
更に詳細に説明するが、本発明は小型の燃料電池に限定
されるものではない。
【0040】実施例1 以下に図面に基づき本発明を具体的に説明する。図1は
本発明の制御方法に用いられる燃料電池の一例を表す斜
視図である。図2は図1の燃料電池の平面図である。図
3は図1の燃料電池の正面図である。図4は図1の燃料
電池の左側面図である。図5は本発明の燃料電池の制御
方法のシステムを示す概要図である。
【0041】図1に示す本発明に用いられる燃料電池の
外寸法の一例を示すと、たて(a)30mm×よこ
(b)50mm×高さ(c)10mmであり、通常コン
パクトデジタルカメラで使用されているリチウムイオン
電池の大きさとほぼ同じである。
【0042】図10は本発明に用いられる燃料電池を搭
載するデジタルカメラを示す概要図である。図10に示
すように、本発明の小型電気機器の1つであるデジタル
カメラ91は、小型で一体化されているため、小型の燃
料電池92は携帯機器のデジタルカメラに組み込みやす
い形状となっている。また、燃料電池の薄型直方体形状
は、厚みのある直方体や円筒形の形状に比べ、小型電気
機器に組み込みやすい。
【0043】図1において、本発明に用いられる燃料電
池は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、小型プ
ロジェクタ、小型プリンタ、ノート型パソコンなどの持
ち運び可能な小型電気機器に搭載して用いられる燃料電
池であって、薄型で実質的に直方体形状の筐体2内に、
4つの燃料電池セル14からなるセル部1と、該セル部
1に供給する燃料を貯蔵する燃料タンク部3と、該燃料
タンク部3の燃料をセル部1に供給するための燃料供給
部4と、該セル部1に酸化剤ガスを供給のための通気孔
7と、セル部1により発電した電力をとりまとめ、一時
的に蓄え常に安定した電力を外部へ供給する配線部5を
具備し、前記燃料タンク部3、燃料供給部4およびセル
部1がこの順序で筐体2の対向する2つの短側面83
a,83b間に一方向に配置されてなるものである。
【0044】本発明における燃料電池は、酸化剤ガスと
して反応に用いる酸素を外気から取り入れるため、筐体
2の上面82,下面81及び長側面84a,84bに外
気を取り入れるための通気孔7を有する。また、この通
気孔7は生成した水を水蒸気として逃がしたり、反応に
より発生した熱を外に逃がす作用もしている。また、筐
体2の一方の短側面83bには配線部5が設けられ、該
配線部5には、電気の一部を蓄える蓄電部52(図5参
照)、および電気を取り出すための電極53が設けられ
ている。
【0045】一方、筐体2の内部は、燃料極13と高分
子電解質膜12と酸化剤極11と触媒からなる燃料電池
セル14(図5参照)の1つ以上からなるセル部1と、
燃料を貯蔵する燃料タンク部3、燃料タンクからの燃料
を減圧し、各セルの燃料極まで導く燃料供給部4、各燃
料電池セル14で発電した電気をとりまとめ、また発電
した電気の一部を蓄える蓄電部52を有する配線部5に
よって構成されている。
【0046】本発明における燃料電池は燃料として水素
を使用する。燃料タンクの内部にはカーボンナノチュー
ブやグラファイトナノファイバー、カーボンナノホーン
など水素を吸蔵することが可能な、炭素系材料が充填さ
れている。これらの炭素系材料は4MPaの圧力におい
て、水素を10wt%程度吸蔵可能である。燃料電池セ
ルや燃料流路の体積を考慮して、燃料タンクの外寸法は
2.5cm×3cm×1cmとする。外壁にはチタンを
使用し、タンクの肉厚は1mmとする。この時、燃料タ
ンクの重量は10g程度となり、また、燃料タンク体積
は5.2cm3となる。燃料タンクに蓄えられているエ
ネルギーは、約7.0[W・hr]であり、従来のリチ
ウムイオン電池の約2.5倍にとなる。
【0047】また、本発明における燃料電池セルは、起
電力0.8V、電流密度300mA/cm2 であり、単
位セルの大きさは1.2cm×2cmである。この燃料
電池セルを8枚直列につなぐことで、電池全体の出力は
6.4 V、720mAで4.6Wである。
【0048】次に、本発明の燃料電池の制御方法の動作
を説明する。予め蓄電部52は蓄電されているものとす
る。図5は、図1に示す本発明における燃料電池の制御
方法のシステムを示す概要図である。同図において、燃
料タンク部3に収容されている燃料は、燃料タンク部3
から燃料供給部4を通ってセル部1の燃料電池セル14
の燃料極13に供給される。酸化剤ガスには空気が用い
られ、外気は通気孔7を通って燃料電池セル14の酸化
剤極11に供給される。セル部1は1つ以上の燃料電池
セル14からなり、燃料電池セル14は燃料極13と高
分子電解質膜12と酸化剤極11と触媒から構成され
る。燃料タンク部3からの燃料と、外気からの酸化剤ガ
スの供給により各燃料電池セル14で発電した電力は、
配線部5で一時的に蓄えられ、電極53から常に安定し
た発電電力を外部へ供給するように構成されている。配
線部5には、直列配線51、電気の一部を蓄える蓄電部
52、および電気を取り出すための電極53が設けられ
ている。本発明の燃料電池を搭載している小型電気機器
へは、燃料電池セル14からの発電と蓄電部52からの
電力と合わせて常に安定した電力が供給される。また、
過剰な発電分に関しては、蓄電部52に蓄電される。燃
料供給部4には、小型バルブ41および小型圧力センサ
42が設けられている。
【0049】図6は本発明の燃料電池の制御方法の一例
を示す工程図である。なお、図中、「H」は制御方法に
おける工程を表わす。
【0050】図6に示す本発明の燃料電池の制御方法
は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ、プリンタ
等の持ち運び可能な小型電気機器に搭載して用いられる
燃料電池の制御方法であって、燃料電池の配線部に蓄電
部としてキャパシタまたは二次電池を有し、小型電気機
器61からの必要な要求電力量P0[W]の発電命令が
あると、発電命令工程60からの発電命令により、燃料
電池セルの発電を開始する。燃料電池セルからの発電量
を検出する発電量検出工程62により発電量P1[W]
を検出し、小型電気機器61に必要な電力量P0と上記
発電量とを比較する電力比較工程63により電力量P1
とP0を比較する。上記発電量が上記必要な電力量を下
回った場合(P1<P0)に、蓄電部52に不足する電力
の放電を行わせる放電命令を出す放電工程64により電
力量(P0−P1)の放電を行ない、上記発電量P1と上
記放電量(P0−P1)とを足し合わせて常に必要な電力
を安定して供給する電力供給工程65により必要な要求
電力量P0を小型電気機器に供給する。一方、電力比較
工程63により電力量P1とP0を比較し、上記発電量が
上記必要な電力量を上回った場合(P1>P0)には、蓄
電部52に充電する充電工程66により電力量(P1
0)の充電を行ない、電力供給工程65により必要な
要求電力量P0を小型電気機器に供給する。小型電気機
器に必要な電力量の供給が終わると、燃料電池の発電は
停止する。
【0051】図6に示す本発明の燃料電池の制御方法に
は、さらに蓄電部に充電して蓄電量を一定に保つ蓄電部
充電工程67、燃料供給部からセル部に燃料の圧力を調
整して供給する燃料圧力調整工程68およびセル部の温
度を調整するセル部温度調整工程69を有する。
【0052】次に、それらの各工程について説明する。
図7は本発明の燃料電池の制御方法における蓄電部充電
工程を示す工程図である。蓄電部に充電して蓄電量を一
定に保つ蓄電部充電工程67は、蓄電部の蓄電量が一定
蓄電量以下の場合に発電を開始し、蓄電量が一定蓄電量
以上の場合に発電を停止する工程からなる。蓄電部52
の蓄電量を一定時間毎に検出する蓄電量検出工程70
と、上記蓄電量検出工程70で、蓄電量が一定蓄電量
(E0)を上回るか下回るかを判定する充電量判定工程
71と、上記充電量判定工程71で蓄電量が一定基準以
下(P2<E0)である場合に充電量P2の充電命令を発
し、上記充電量判定工程71で蓄電量が一定基準以上
(P2>E0)であった場合に充電停止命令を発する充電
制御工程72と、上記充電命令が発せられた場合に発電
を開始し、充電量P2の充電を行う充電工程73とを有
する。充電により充電量P2が一定蓄電量E0 を上回っ
ると(P2>E0)、充電停止命令を発し、発電を停止す
る。一定蓄電量(E0)は0.01W・hr程度が好ま
しい。
【0053】図8は本発明の燃料電池の制御方法におけ
る燃料圧力調整工程を示す工程図である。燃料供給部か
らセル部に燃料の圧力を調整して供給する燃料圧力調整
工程68は、発電命令が入っている間に一定時間毎にセ
ル部に供給される燃料の圧力を検出する燃料圧力検出工
程74と、該燃料の圧力が基準燃料圧力を上回るか下回
るかを判定する燃料圧力判定工程75と、該燃料圧力検
出工程74で検出した燃料の圧力が所定の基準ガス圧を
下回る場合には、燃料供給部に設けられている小型バル
ブ41へバルブを開く命令を下し、上記燃料圧力検出工
程74で検出した燃料の圧力が所定の基準ガス圧を上回
る場合には、小型バルブ41へバルブを閉じる命令を下
す小型バルブ制御工程76とを有し、これらの工程を繰
り返して燃料電池本体を安定して運転させることを特徴
とする。高分子電解質膜の強度が0.3〜0.5MPa
であるので、外気との差圧が安全な範囲であるために、
基準ガス圧は約0.1〜0.2MPa(1〜2気圧)が
好ましい。
【0054】図9は本発明の燃料電池の制御方法におけ
るセル部温度調整工程を示す工程図である。セル部の温
度を調整するセル部温度調整工程69は、発電命令があ
ったときにセル部の温度を検出する温度検出工程77
と、検出温度が基準温度を上回るか下回るかを判定する
温度判定工程78と、該検出温度が基準温度を下回る場
合に、蓄電部に蓄えられた電力を利用してヒーターを駆
動させるヒーター起動工程79と、ヒーター駆動中に一
定時間毎に前記温度検出工程77および温度判定工程7
8を繰り返し、上記検出温度が基準温度を上回った場合
にヒーターを停止させるヒーター停止工程90と、上記
検出温度が基準温度を上回った場合に発電を開始する発
電開始工程93とを有することを特徴とする。基準温度
は10〜20℃が好ましい。
【0055】次に、本発明の燃料電池の制御装置につい
て説明する。図11は本発明の燃料電池の制御装置の一
例を示す概略図である。なお、図中、「S」は制御装置
における手段を表わす。
【0056】図11に示す本発明の燃料電池の制御装置
は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ、プリンタ
等の持ち運び可能な小型電気機器に搭載して用いられる
燃料電池の制御装置であって、燃料電池の配線部に蓄電
部としてキャパシタまたは二次電池を有し、小型電気機
器61からの必要な要求電力量P0 [W]の発電命令が
あると、発電命令手段160からの発電命令により、燃
料電池セルの発電を開始する。燃料電池セルからの発電
量を検出する発電量検出手段162により発電量P1
[W]を検出し、小型電気機器61に必要な電力量P0
と上記発電量とを比較する電力比較手段163により電
力量P1 とP0 を比較する。上記発電量が上記必要な電
力量を下回った場合(P1 <P0 )に、蓄電部52に不
足する電力の放電を行わせる放電命令を出す放電手段1
64により電力量(P0 −P1 )の放電を行ない、上記
発電量P1 と上記放電量(P0 −P1 )とを足し合わせ
て常に必要な電力を安定して供給する電力供給手段16
5により必要な要求電力量P 0 を小型電気機器に供給す
る。一方、電力比較手段163により電力量P1 とP 0
を比較し、上記発電量が上記必要な電力量を上回った場
合(P1>P0 )には、蓄電部52に充電する充電手段
166により電力量(P1 −P0 )の充電を行ない、電
力供給手段165により必要な要求電力量P0 を小型電
気機器に供給する。小型電気機器に必要な電力量の供給
が終わると、燃料電池の発電は停止する。
【0057】図11に示す本発明の燃料電池の制御装置
には、さらに蓄電部に充電して蓄電量を一定に保つ蓄電
部充電手段167、燃料供給部からセル部に燃料の圧力
を調整して供給する燃料圧力調整手段168、およびセ
ル部の温度を調整するセル部温度調整手段169を有す
る。
【0058】次に、それらの各手段による制御工程につ
いて説明する。図12は本発明の燃料電池の制御装置に
おける蓄電部充電手段を示す概略図である。蓄電部に充
電して蓄電量を一定に保つ蓄電部充電手段167は、蓄
電部の蓄電量が一定蓄電量以下の場合に発電を開始し、
蓄電量が一定蓄電量以上の場合に発電を停止する手段か
らなる。蓄電部52の蓄電量を一定時間毎に検出する蓄
電量検出手段170と、上記蓄電量検出手段170で検
出された蓄電量が一定蓄電量(E0 )を上回るか下回る
かを判定する充電量判定手段171と、上記充電量判定
手段171で判定された蓄電量が一定基準以下(P2
0 )である場合に充電量P2 の充電命令を発し、上記
充電量判定手段171で判定された蓄電量が一定基準以
上(P2>E0 )であった場合に充電停止命令を発する
充電制御手段172と、上記充電命令が発せられた場合
に発電を開始し、充電量P2 の充電を行う充電手段17
3とを有する。
【0059】図13は本発明の燃料電池の制御装置にお
ける燃料圧力調整手段を示す概略図である。燃料供給部
からセル部に燃料の圧力を調整して供給する燃料圧力調
整手段168は、発電命令が入っている間に一定時間毎
にセル部に供給される燃料の圧力を検出する燃料圧力検
出手段174と、該燃料の圧力が基準燃料圧力を上回る
か下回るかを判定する燃料圧力判定手段175と、該燃
料圧力検出手段174で検出した燃料の圧力が所定の基
準ガス圧を下回る場合には、燃料供給部に設けられてい
る小型バルブ41へバルブを開く命令を下し、上記燃料
圧力検出手段174で検出した燃料の圧力が所定の基準
ガス圧を上回る場合には、小型バルブ41へバルブを閉
じる命令を下す小型バルブ制御手段176とを有し、こ
れらの手段を繰り返して燃料電池本体を安定して運転さ
せることを特徴とする。
【0060】図14は本発明の燃料電池の制御装置にお
けるセル部温度調整手段を示す概略図である。セル部の
温度を調整するセル部温度調整手段169は、発電命令
があったときにセル部の温度を検出する温度検出手段1
77と、検出温度が基準温度を上回るか下回るかを判定
する温度判定手段178と、該検出温度が基準温度を下
回る場合に、蓄電部に蓄えられた電力を利用してヒータ
ーを駆動させるヒーター起動手段179と、ヒーター駆
動中に一定時間毎に前記温度検出手段177による温度
の検出および温度判定手段178による温度の判定を繰
り返し、上記検出温度が基準温度を上回った場合にヒー
ターを停止させるヒーター停止手段190と、上記検出
温度が基準温度を上回った場合に発電を開始する発電開
始手段193とを有することを特徴とする。
【0061】上記の図6〜図9および図11〜14に示
す様に、本発明の燃料電池の制御方法および制御装置に
おいては、燃料電池を搭載した小型電気機器のスイッチ
がONになるか、蓄電部の蓄電量が一定量以下になった
場合、燃料電池に発電命令が入る。また、発電は小型電
気機器のスイッチが切られ、また蓄電部52の蓄電量が
一杯になった時点で終了する。
【0062】発電が開始されると、小型圧力センサ42
の値が設定値(大気圧程度)より小さい場合、小型バル
ブ41が開かれ、燃料タンク部3から燃料が供給され
る。小型圧力センサ42の値が設定値よりも大きくなる
と、小型バルブ41を閉じる。燃料は燃料流路を通っ
て、セル部1の燃料極13に供給される。また、酸化剤
極11には、通気孔7を通って空気が供給される。発電
に伴って、水素が消費されると、水素は小型圧力センサ
42の値が設定値よりも小さくなることで、小型バルブ
41が開き、新たに燃料タンク部3から供給される。酸
素に関しては、通気孔を介して常に供給される。各セル
から発電された電力は直列配線51で一つにまとめられ
る。
【0063】また、発電開始時に高分子電解質膜の温度
が低い場合(0℃以下)、蓄電部52の電力を用いて高
分子電解質膜12を加熱する。燃料電池セルが発電に適
した温度まで達したら、加熱を中止し、発電を開始す
る。燃料電池の発電が始まると、セル部1は発熱し、温
度が上昇する。高分子電解質膜12の温度の上昇に従っ
て、燃料電池の発電効率は向上する。
【0064】本発明は、持ち運んで使用できる小型電気
機器に搭載可能で、かつ小型化で、大容量、高出力の燃
料電池の制御方法として好適である。また、本発明の燃
料電池の制御方法および制御装置を使用することによ
り、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、小型プロ
ジェクタ、小型プリンタ、ノート型パソコンなどの持ち
運び可能な小型電気機器に安定した電力を供給すること
ができる。
【0065】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明の制御方法お
よび制御装置によれば、頻繁に運転、停止を繰り返す固
体高分子型燃料電池において、安定した電力を効率よく
提供することができる。
【0066】また、本発明の燃料電池は、頻繁に運転、
停止を繰り返えしても、上記の制御装置により、安定し
た電力を効率よく提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の制御方法に用いられる燃料電池の一例
を表す斜視図である。
【図2】図1の燃料電池の平面図である。
【図3】図1の燃料電池の正面図である。
【図4】図1の燃料電池の左側面図である。
【図5】本発明の燃料電池の制御方法のシステムを示す
概要図である。
【図6】本発明の燃料電池の制御方法の一例を示す工程
図である。
【図7】本発明の燃料電池の制御方法における蓄電部充
電工程を示す工程図である。
【図8】本発明の燃料電池の制御方法における燃料圧力
調整工程を示す工程図である。
【図9】本発明の燃料電池の制御方法におけるセル部温
度調整工程を示す工程図である。
【図10】本発明に用いられる燃料電池を搭載するデジ
タルカメラを示す概要図である。
【図11】本発明の燃料電池の制御装置の一例を示す概
略図である。
【図12】本発明の燃料電池の制御装置における蓄電部
充電手段を示す概略図である。
【図13】本発明の燃料電池の制御装置における燃料圧
力調整手段を示す概略図である。
【図14】本発明の燃料電池の制御装置におけるセル部
温度調整手段を示す概略図である。
【符号の説明】
1 セル部 2 筐体 3 燃料タンク部 4 燃料供給部 5 配線部 7 通気孔 11 酸化剤極 12 高分子電解質膜 13 燃料極 14 燃料電池セル 31 燃料タンク 32 燃料注入口 33 注入弁 34 燃料放出口 35 放出弁 36 炭素系材料 41 小型バルブ 42 小型圧力センサ 43 燃料流路 44 酸化剤流路 51 直列配線 52 蓄電部 53 電極 60 発電命令工程 61 小型電気機器 62 発電量検出工程 63 電力比較工程 64 放電工程 65 電力供給工程 66 充電工程 67 蓄電部充電工程 68 燃料圧力調整工程 69 セル部温度調整工程 70 蓄電量検出工程 71 充電量判定工程 72 充電制御工程 73 充電工程 74 燃料圧力検出工程 75 燃料圧力判定工程 76 小型バルブ制御工程 77 温度検出工程 78 温度判定工程 79 ヒーター起動工程 81 下面 82 上面 83a,83b 短側面 84a,84b 長側面 90 ヒーター停止工程 91 デジタルカメラ 92 燃料電池 93 発電開始工程 160 発電命令手段 162 発電量検出手段 163 電力比較手段 164 放電手段 165 電力供給手段 166 充電手段 167 蓄電部充電手段 168 燃料圧力調整手段 169 セル部温度調整手段 170 蓄電量検出手段 171 充電量判定手段 172 充電制御手段 173 充電手段 174 燃料圧力検出手段 175 燃料圧力判定手段 176 小型バルブ制御手段 177 温度検出手段 178 温度判定手段 179 ヒーター起動手段 190 ヒーター停止手段 193 発電開始手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/10 H01M 8/10 10/44 10/44 A Q 10/48 10/48 P (72)発明者 渡部 充祐 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キヤ ノン株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 5H027 AA06 BA13 CC11 DD00 DD03 KK05 KK11 KK46 KK52 MM09 MM21 5H030 AA09 AS11 BB10 DD06 DD20 FF41

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 持ち運び可能な小型電気機器に搭載して
    用いられ、1つ以上の燃料電池セルからなるセル部と、
    燃料を貯蔵するための燃料タンク部と、前記燃料タンク
    部からセル部に燃料を供給する燃料供給部と、発電した
    電力をキャパシタまたは2次電池からなる蓄電部にとり
    まとめて一時的に蓄え安定した電力を供給する配線部と
    を具備する燃料電池の制御方法であって、前記小型電気
    機器からの必要な電力量の発電命令をだす発電命令工程
    と、該発電命令を受けて発電を開始した燃料電池セルの
    発電量を検出する発電量検出工程と、該発電量と必要な
    電力量とを比較する電力比較工程と、前記発電量が前記
    必要な電力量を下回った場合に、蓄電部から不足する電
    力量の放電を行う放電工程と、前記発電量が前記必要な
    電力量を上回った場合に蓄電部へ余剰の電力量の充電を
    行う充電工程と、前記発電量と蓄電部からの放電量とを
    調整して必要な電力量を安定して小型電気機器に供給す
    る電力供給工程とを具備することを特徴とする燃料電池
    の制御方法。
  2. 【請求項2】 さらに前記蓄電部に充電して蓄電量を一
    定に保つ蓄電部充電工程を有し、該蓄電部充電工程は、
    蓄電部の蓄電量を一定時間毎に検出する蓄電量検出工程
    と、該蓄電量が一定基準量を上回るか下回るかを判定す
    る蓄電量判定工程と、該蓄電量判定工程で蓄電量が一定
    基準以下であった場合に充電命令を発し、蓄電量が一定
    基準以上であった場合に充電停止命令を発する充電制御
    工程と、該充電命令が発せられた場合に発電を開始し充
    電を行う充電工程とを有することを特徴とする請求項1
    に記載の燃料電池の制御方法。
  3. 【請求項3】 さらに前記燃料供給部からセル部に燃料
    の圧力を調整して供給する燃料圧力調整工程を有し、該
    燃料圧力調整工程は、発電命令が入っている間に一定時
    間毎にセル部に供給される燃料の圧力を検出する燃料圧
    力検出工程と、該燃料の圧力が基準燃料圧力を上回るか
    下回るかを判定する燃料圧力判定工程と、前記燃料の圧
    力が所定の基準ガス圧を下回る場合には、燃料供給部に
    設けられている小型バルブへバルブを開く命令を下し、
    前記燃料の圧力が所定の基準ガス圧を上回る場合には、
    小型バルブへバルブを閉じる命令を下す小型バルブ制御
    工程とを有することを特徴とする請求項1に記載の燃料
    電池の制御方法。
  4. 【請求項4】 さらに前記セル部の温度を調整するセル
    部温度調整工程を有し、該セル部温度調整工程は、発電
    命令があったときにセル部の温度を検出する温度検出工
    程と、検出温度が基準温度を上回るか下回るかを判定す
    る温度判定工程と、該検出温度が基準温度を下回る場合
    に、蓄電部に蓄えられた電力を利用してヒーターを駆動
    させるヒーター起動工程と、ヒーター駆動中に一定時間
    毎に前記温度検出工程および温度判定工程を繰り返し、
    上記検出温度が基準温度を上回った場合にヒーターを停
    止させるヒーター停止工程と、上記検出温度が基準温度
    を上回った場合に発電を開始する発電開始工程とを有す
    ることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の制御方
    法。
  5. 【請求項5】 前記燃料電池が固体高分子型小型燃料電
    池である請求項1乃至5のいずれかの項に記載の燃料電
    池の制御方法。
  6. 【請求項6】 持ち運び可能な小型電気機器に搭載して
    用いられ、1つ以上の燃料電池セルからなるセル部と、
    燃料を貯蔵するための燃料タンク部と、前記燃料タンク
    部からセル部に燃料を供給する燃料供給部と、発電した
    電力をキャパシタまたは2次電池からなる蓄電部にとり
    まとめて一時的に蓄え安定した電力を供給する配線部と
    を具備する燃料電池の制御装置であって、前記小型電気
    機器からの必要な電力量の発電命令をだす発電命令手段
    と、該発電命令を受けて発電を開始した燃料電池セルの
    発電量を検出する発電量検出手段と、該発電量と必要な
    電力量とを比較する電力比較手段と、前記発電量が前記
    必要な電力量を下回った場合に、蓄電部から不足する電
    力量の放電を行う放電手段と、前記発電量が前記必要な
    電力量を上回った場合に蓄電部へ余剰の電力量の充電を
    行う充電手段と、前記発電量と蓄電部からの放電量とを
    調整して必要な電力量を安定して小型電気機器に供給す
    る電力供給手段とを具備することを特徴とする燃料電池
    の制御装置。
  7. 【請求項7】 さらに前記蓄電部に充電して蓄電量を一
    定に保つ蓄電部充電手段を有し、該蓄電部充電手段は、
    蓄電部の蓄電量を一定時間毎に検出する蓄電量検出手段
    と、該蓄電量が一定基準量を上回るか下回るかを判定す
    る蓄電量判定手段と、該判定された蓄電量が一定基準以
    下であった場合に充電命令を発し、蓄電量が一定基準以
    上であった場合に充電停止命令を発する充電制御手段
    と、該充電命令が発せられた場合に発電を開始し充電を
    行う充電手段とを有することを特徴とする請求項6に記
    載の燃料電池の制御装置。
  8. 【請求項8】 さらに前記燃料供給部からセル部に燃料
    の圧力を調整して供給する燃料圧力調整手段を有し、該
    燃料圧力調整手段は、発電命令が入っている間に一定時
    間毎にセル部に供給される燃料の圧力を検出する燃料圧
    力検出手段と、該燃料の圧力が基準燃料圧力を上回るか
    下回るかを判定する燃料圧力判定手段と、前記燃料の圧
    力が所定の基準ガス圧を下回る場合には、燃料供給部に
    設けられている小型バルブへバルブを開く命令を下し、
    前記燃料の圧力が所定の基準ガス圧を上回る場合には、
    小型バルブへバルブを閉じる命令を下す小型バルブ制御
    手段とを有することを特徴とする請求項6に記載の燃料
    電池の制御装置。
  9. 【請求項9】 さらに前記セル部の温度を調整するセル
    部温度調整手段を有し、該セル部温度調整手段は、発電
    命令があったときにセル部の温度を検出する温度検出手
    段と、検出温度が基準温度を上回るか下回るかを判定す
    る温度判定手段と、該検出温度が基準温度を下回る場合
    に、蓄電部に蓄えられた電力を利用してヒーターを駆動
    させるヒーター起動手段と、ヒーター駆動中に一定時間
    毎に前記温度の検出および温度の判定を繰り返し、上記
    検出温度が基準温度を上回った場合にヒーターを停止さ
    せるヒーター停止手段と、上記検出温度が基準温度を上
    回った場合に発電を開始する発電開始手段とを有するこ
    とを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の制御装置。
  10. 【請求項10】 前記燃料電池が固体高分子型小型燃料
    電池である請求項6乃至9のいずれかの項に記載の燃料
    電池の制御装置。
  11. 【請求項11】 請求項6乃至10のいずれかに記載の
    制御装置を具備することを特徴とする燃料電池。
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