JP2004071260A - Fuel cell device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a direct methanol fuel cell device capable of optimizing feeding amounts of a methanol aqueous solution and air (oxygen) and capable of performing a charge/discharge control of a secondary cell for aiding a power-generating operation in response to the power-generation action. <P>SOLUTION: The fuel cell comprises a direct methanol fuel cell part for generating electric power by chemical reaction of the methanol aqueous solution and air through an electrolyte film, a liquid feed pump for feeding the aqueous solution into the fuel cell part, an air feed pump for feeding air into the fuel cell part and a power-generating control part for variably controlling a feeding capacity of each pump in response to an electromotive state of the fuel cell part, and furthermore, comprises a secondary cell part for aiding the power-generating operation of the fuel cell part and a charge/discharge control means for controlling charge and/or discharge of the secondary cell part in response to the power-generating operation of the fuel cell part. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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可搬型または携帯型の電子機器における電源設備として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、この種の燃料電池の発電効率は、燃料電池部の温度によって変化することが否めない。即ち、メタノール水溶液と空気との化学反応の速度はその環境温度に左右され、温度が低い場合には発電効率が低下する。この為、一般的には温度変化幅を見込んで燃料電池部の発電能力（定格出力）を設定するようにしている。具体的には、燃料電池装置の温度が低い場合においても、一定値以上の電力を発電し得るように、その発電仕様が設定されている。
【０００４】
しかしながら、可搬型または携帯型の電子機器の電源として組み込まれる小型の燃料電池装置にあっては、環境温度の上昇に伴って発電効率が高まった場合、電子機器（負荷）が必要とする電力以上の電力を発電することになり、その余剰電力が無駄となると言う問題がある。しかも発電に伴って生成される水分（水蒸気）の量も増えることになる。
【０００５】
特にマイクロコンピュータなどを搭載する電子機器が要求する負荷電力は、時々刻々と変化し、瞬間的に大きな値となることがある。このような瞬時最大電力をとるような負荷を駆動するためには、燃料電池装置の出力電力を常時、この瞬時最大電力に合わせて発電する必要がある。このため負荷の瞬時最大電力以外の状態では、燃料のメタノールと酸化剤の酸素が燃料電池装置に余剰に供給されることになるので、発電に伴って生成される水分（水蒸気）の量が増えることになる。
【０００６】
また燃料電池の起電力は、その起電反応前には零であり、更に燃料電池の発電初期時はその出力電圧が不安定である。このような不具合を解消するべく、例えば燃料電池装置に二次電池を組み込み、燃料電池の発電量の不足を補うことも検討されている。このような二次電池を備えれば、上述した余剰電力にて二次電池を充電することができるので、電力の無駄を防ぐことができる。しかし前述した水分（水蒸気）の過剰な生成に対処することはできない。
【０００７】
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、直接型メタノール燃料電池部における発電量の最適化を図り、ひいてはメタノール水溶液および空気（酸素）の供給量の最適化を図ることができる燃料電池装置を提供することにある。
【０００８】
【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水溶液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、この直接型メタノール燃料電池部にメタノール水溶液を供給する送液ポンプ、および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とを具備したもので、特に前記直接型メタノール燃料電池部の起電状況に応じて前記各ポンプの供給能力を可変制御する発電制御部を設けたことを特徴としている。
【０００９】
即ち、本発明に係る燃料電池装置は、発電出力の状況に応じて前記送液ポンプおよび送気ポンプの能力を可変制御する発電制御部を設けることで、直接型メタノール燃料電池部に対する流量の最適化を図ると共に、その発電量を安定化することを特徴としている。
【００１０】
好ましくは、前記発電制御部は、前記直接型メタノール燃料電池部の温度を検出する温度検出手段と、検出した前記直接型メタノール燃料電池部の温度に応じて前記各ポンプの供給能力を制御するポンプ制御手段とを備え、直接型メタノール燃料電池部の温度によって変化する発電能力（化学反応速度）に応じて当該直接型メタノール燃料電池部に供給するメタノール水溶液および空気の供給量を調整することを特徴としている。
【００１１】
即ち、前記ポンプ制御手段は、前記温度検出手段が検出した前記直接型メタノール燃料電池部の温度が予め定めた温度より低いと前記発電制御部が判定したときは前記各ポンプの供給能力を向上させ、該直接型メタノール燃料電池部の温度が予め定めた温度より高いと前記発電制御部が判定したときは前記各ポンプの供給能力を低下させるよう制御することが望ましい。
【００１２】
また本発明の別の好ましい態様によれば、前記発電制御部は、前記直接型メタノール燃料電池部の発生電圧を検出する出力電圧検出手段と、検出した前記直接型メタノール燃料電池部の発生電圧に応じて前記各ポンプの供給能力を制御するポンプ制御手段とを備えるようにしても良い。
【００１３】
即ち、前記ポンプ制御手段は、前記出力電圧手段が検出した前記直接型メタノール燃料電池部の出力電圧が予め定めた電圧より低いと前記発電制御部が判定したときは前記各ポンプの供給能力を向上させ、前記直接型メタノール燃料電池部の出力電圧が予め定めた電圧より高いと前記発電制御部が判定したときは前記各ポンプの供給能力を低下させるよう制御することが望ましい。
【００１４】
より好ましくは、前記直接型メタノール燃料電池部の発電動作を補助する二次電池部と、前記直接型メタノール燃料電池部の発電動作に応じて上記二次電池部の充電および／または放電を制御する充放電制御手段とを備えることを特徴としている。
特に前記充放電制御手段は、前記各ポンプの制御に関連して前記二次電池部の充電および／または放電を制御する機能を備えることを特徴としている。
【００１５】
また、前記直接型メタノール燃料電池部と前記電子機器との間に介挿された第１の逆流防止ダイオードと、前記二次電池燃料電池部と前記電子機器との間に介挿された第２の逆流防止ダイオードとを具備し、前記第１および第２の逆流防止ダイオードを介してそれぞれ出力された電力を合成して前記電子機器に供給する出力回路を備えることを特徴としている。
【００１６】
即ち、この出力回路は、前記ダイオードによるＯＲ回路を構成するもので、前記直接型メタノール燃料電池部の定常動作時には、この直接型メタノール燃料電池部から負荷に電力を供給し、負荷電力の増加により供給電力が不足したときには、前記二次電池部からその電力不足分を補って負荷に供給することが可能となる。
【００１７】
好ましくは、前記直接型メタノール燃料電池部は、定常発電時その出力電圧が前記二次電池部の出力電圧よりも高くなるようにすることが望ましい。
尚、より好ましくは負荷に対して瞬断等を起こさず連続供給可能とするため前記二次電池部は、その出力インピーダンスが前記メタノール燃料電池の出力インピーダンスよりも小さいことが望ましい。
【００１８】
【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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
本発明に係る燃料電池装置について図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。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の燃料残量を検出する残量検出部３１を備えている。そして、詳細は後述するが発電制御部２０は、これらの検出部から得られた情報により最適なポンプ流量になるよう制御するものとなっている。
【００２５】
燃料カートリッジ３０に充填されたメタノールと、酸化剤の空気（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。これらのポンプ４１，４２は、後述するようにＤＭＦＣ制御部（発電制御部）２０の制御により送液ポンプ駆動部４３および送気ポンプ駆動部４４を介して駆動制御される。
【００２６】
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、ＤＭＦＣ起電装置１００の出力電圧および温度をモニタし、これらの情報に基づいて、送液ポンプ４１と送気ポンプ４２の供給能力（流量）を可変制御する点にある。
【００２７】
即ち、上述したＤＭＦＣ起電装置１００における発電作用は、該ＤＭＦＣ起電装置１００の温度や、このＤＭＦＣ起電装置１００に供給されるメタノール水溶液および空気（Ｏ２）の量によって変化する。そして、ＤＭＦＣ制御部（発電制御部）２０は、このような発電作用を安定化させるべく、前記各種モニタ情報に基づいて送液ポンプ４１と送気ポンプ４２の各ポンプ流量をそれぞれ制御している。
【００２８】
具体的には、ＤＭＦＣ起電装置１００が定格出力で運転中に、負荷電流が減少した場合、燃料電池装置の出力電圧が上昇する。この負荷電流の減少は電流検出部７１により検出され、出力電圧の上昇はＤＭＦＣ電圧検出部７０ａと、出力電圧検出部７０ｃとにより検出される。この検出された情報から発電制御部２０は、送液ポンプ駆動部４３と送気ポンプ駆動部４４に対して、それぞれの流量を減少させる指令を出力する。そして、流量減少の指示を受けた送液ポンプ駆動部４３は、ＤＭＦＣ起電装置に対するメタノール水溶液の供給を減少させる。同時に送気ポンプ駆動部４４は、ＤＭＦＣ起電装置に対する空気（酸素）の供給量を減らすように作動する。
【００２９】
逆に負荷電流が増加すると負荷供給電圧は低下する。この負荷電流の増加は電流検出部７１により検出され、供給電圧の低下はＤＭＦＣ電圧検出部７０ａと、出力電圧検出部７０ｃとにより検出される。すると発電制御部２０の指令により送液ポンプ駆動部４３は、メタノール水溶液の供給を増加させ、送気ポンプ駆動部４４は、空気（酸素）の供給量を増やすように作動する。
【００３０】
またＤＭＦＣ制御部（発電制御部）２０は、温度検出部７２を介してＤＭＦＣ起電装置１００の温度を検出しており、この温度に応じて送液ポンプ４１および送気ポンプ４２の各ポンプ流量をそれぞれ制御している。具体的にはＤＭＦＣ起電装置１００の温度が低く、その発電能力が低い場合には、送液ポンプ４１および送気ポンプ４２の各ポンプ流量を増やすことでＤＭＦＣ起電装置１００に供給するメタノール水溶液と空気の量を増やし、発電能力の低下を補っている。逆にＤＭＦＣ起電装置１００の温度が高く、その発電能力が十分に高くなった場合には、送液ポンプ４１および送気ポンプ４２の各ポンプ流量を絞り込むことでＤＭＦＣ起電装置１００に供給するメタノール水溶液と空気の量を減らし、過剰な発電を防いで、その発電量を一定化している。
【００３１】
尚、ＤＭＦＣ起電装置１００の発電に伴う化学反応によってカソード触媒層１３２が発熱する。この化学反応に伴う温度上昇を温度検出部７２により検出し、予め定めた一定の温度に維持するように発電制御部２０が送気ポンプ４２の流量を制御することも可能である。
【００３２】
次にＤＭＦＣ起電装置１００の起動時の制御手段について説明する。まず、ＤＭＦＣ起電装置の起動時は、ＤＭＦＣ起電装置１００の出力電圧は零である。このためＤＭＦＣ電圧検出部７０ａの検出電圧は０となる。このとき発電制御部２０は、予め定めた一定値以上の電圧が二次電池部６０に確保されているかどうかを二次電池電圧検出部７０ｂから得られる電圧情報に基づき判定する。この二次電池部６０の電圧が確保されている発電制御部２０が判定したとき、発電制御部２０は送液ポンプ４１および送気ポンプ４２を駆動制御してＤＭＦＣ起電装置１００に燃料（メタノール水溶液）と酸化剤（空気）を供給する。このとき、二次電池部６０の電圧はダイオードＤ１を介して送液ポンプ駆動部４３および送気ポンプ駆動部４４へ供給される。
【００３３】
そして、ＤＭＦＣ起電装置１００の出力電圧が上昇し、ＤＭＦＣ電圧検出部７０ａで検出された電圧が、二次電池電圧検出部７０ｂで検出された電圧より高いと発電制御部２０が判定したとき、発電制御部２０は二次電池部６０を充電するべく二次電池制御部６１を駆動する。
【００３４】
このとき、ＤＭＦＣ起電装置１００の出力電圧は、ダイオードＤ２を介して送液ポンプ駆動部４３および送気ポンプ駆動部４４に与えられる。このダイオード２を介して送液ポンプ駆動部４３および送気ポンプ駆動部４４に与えられる電圧は、前述したようにＤＭＦＣ起電装置１００の電圧が上昇するため、ダイオードＤ１を介して二次電池部６０から与えられる電圧より高くなる。このため、送液ポンプ駆動部４３および送気ポンプ駆動部４４は、ＤＭＦＣ起電装置１００の出力電力によって駆動制御される。
【００３５】
尚、二次電池部６０は、ダイオードＤ３を介して負荷駆動用出力として取り出すことも可能である。このため、負荷電流の追従性が悪いＤＭＦＣ起電装置１００の出力増加のタイムラグを補償することができる。
【００３６】
そして、負荷電力がＤＭＦＣ起電装置１００の最大出力電力を下回ったとき、ダイオードＤ４を介してＤＭＦＣ起電装置１００からの電力供給に切り替わる。
これらの電流経路の切替はダイオードにより瞬時に行われるので、負荷をシャットダウンすることなく負荷変動に即応することが可能となる。
【００３７】
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、ＤＭＦＣ起電装置１００の発生電圧を検出する電圧検出部７０と温度検出部７２を設けて起電状況を検出し、この検出された情報に応じて、送液ポンプ４１と送気ポンプ４２の供給能力を可変制御しているので、効率的にＤＭＦＣ起電装置１００の運転を実施することが可能となる。
【００３８】
また、ＤＭＦＣ起電装置１００の出力電圧および二次電池部６０の出力電圧を検出しているので、二次電池部６０の適切な充電制御を行うことができると共に、燃料電池装置始動時は、二次電池部６０に充電された電力により送液ポンプ４１および送気ポンプ４２を駆動制御することができる。
【００３９】
更に本発明のこの実施形態によれば、二次電池が燃料電池の発電開始の為に使用されるのみならず、二次電池制御部を介してＤＭＦＣ起電装置によって充電されるので、二次電池の使用時間を長くすることが可能である。更にここでは燃料電池装置１０に対して燃料カートリッジ３０を着脱自在に設けた構造のものについて例示したが、所定量のメタノール水溶液を貯留可能な燃料タンク（図示せず）を一体に備え、この燃料タンクに対して外部からメタノール水溶液を供給可能な構成の燃料電池装置に対しても同様に適用することができる。
【００４０】
尚、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。
【００４１】
【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、直接型メタノール燃料電池部の起電状況に応じてポンプの供給能力を可変制御しているので、効率的な燃料電池装置を実現することが可能となる。
【００４２】
更には、直接型メタノール燃料電池部の発電動作を補助する二次電池部を備えると共に、この二次電池により燃料電池の始動制御およびポンプ類に電源を供給することが可能となる。また、燃料電池起動後は、燃料電池が発生する電力により二次電池を充電することができるので、二次電池の使用時間を長くすることができ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。
【符号の説明】
１０　燃料電池装置
２０　制御部
３０　燃料カートリッジ
４１　送液ポンプ
４２　送気ポンプ
６０　二次電池部
１００　起電装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell device mainly composed of a direct methanol fuel cell and suitable for being incorporated as a power source for small electronic devices.
[0002]
[Related background art]
A direct methanol fuel cell generates electric power by chemically reacting an aqueous methanol solution with air at around room temperature through an electrolyte membrane, eliminating the need for a reformer as found in phosphoric acid electrolyte fuel cells. Yes, its structure is relatively simple. In particular, direct methanol fuel cells are expected to be applied as power supply equipment in portable or portable electronic devices because of their small fuel volume and easy downsizing.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the power generation efficiency of this type of fuel cell cannot be denied depending on the temperature of the fuel cell unit. That is, the speed of the chemical reaction between the aqueous methanol solution and air depends on the environmental temperature, and when the temperature is low, the power generation efficiency is reduced. For this reason, in general, the power generation capacity (rated output) of the fuel cell unit is set in consideration of the temperature change width. Specifically, the power generation specification is set so that even when the temperature of the fuel cell device is low, power of a certain value or more can be generated.
[0004]
However, in a small fuel cell device incorporated as a power source for a portable or portable electronic device, if the power generation efficiency increases with an increase in environmental temperature, the power required by the electronic device (load) exceeds the required power. Therefore, there is a problem that the surplus power is wasted. In addition, the amount of water (steam) generated with power generation also increases.
[0005]
In particular, the load power required by an electronic device equipped with a microcomputer or the like varies from moment to moment, and may become a large value instantaneously. In order to drive a load that takes such instantaneous maximum power, it is necessary to constantly generate output power of the fuel cell device in accordance with the instantaneous maximum power. For this reason, in a state other than the instantaneous maximum power of the load, the methanol of the fuel and the oxygen of the oxidizing agent are supplied in excess to the fuel cell device, so that the amount of water (steam) generated by the power generation increases. Will be.
[0006]
The electromotive force of the fuel cell is zero before the electromotive reaction, and the output voltage of the fuel cell is unstable at the beginning of power generation. In order to solve such a problem, it has been studied to incorporate a secondary battery into a fuel cell device, for example, to compensate for the shortage of power generation of the fuel cell. If such a secondary battery is provided, the secondary battery can be charged with the above-described surplus power, so that waste of power can be prevented. However, it is impossible to cope with the excessive generation of water (steam) described above.
[0007]
The present invention has been made in view of such circumstances, and has as its object to optimize the amount of power generation in a direct methanol fuel cell unit, and thus to optimize the supply amounts of a methanol aqueous solution and air (oxygen). An object of the present invention is to provide a fuel cell device that can achieve the above.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fuel cell device according to the present invention includes a direct methanol fuel cell unit that generates electric power by chemically reacting a methanol aqueous solution and air through an electrolyte membrane, and a direct methanol fuel cell unit. A liquid feed pump for supplying an aqueous methanol solution to the unit, and an air supply pump for supplying air to the direct methanol fuel cell unit, and in particular, according to the power generation situation of the direct methanol fuel cell unit. A power generation control unit for variably controlling the supply capacity of each pump is provided.
[0009]
That is, the fuel cell device according to the present invention is provided with a power generation control unit that variably controls the capacity of the liquid supply pump and the air supply pump according to the state of power generation output, so that the flow rate of the direct methanol fuel cell unit is optimized. And stabilize the amount of power generation.
[0010]
Preferably, the power generation control unit includes a temperature detection unit that detects a temperature of the direct methanol fuel cell unit, and a pump that controls a supply capacity of each of the pumps according to the detected temperature of the direct methanol fuel cell unit. Control means for adjusting the supply amounts of the aqueous methanol solution and the air to be supplied to the direct methanol fuel cell unit in accordance with the power generation capacity (chemical reaction rate) that varies depending on the temperature of the direct methanol fuel cell unit. And
[0011]
That is, when the power generation control unit determines that the temperature of the direct methanol fuel cell unit detected by the temperature detection unit is lower than a predetermined temperature, the pump control unit improves the supply capacity of each pump. When the power generation control unit determines that the temperature of the direct methanol fuel cell unit is higher than a predetermined temperature, it is desirable to perform control to reduce the supply capacity of each of the pumps.
[0012]
According to another preferred aspect of the present invention, the power generation control unit includes an output voltage detection unit configured to detect a generated voltage of the direct methanol fuel cell unit, and an output voltage detection unit configured to detect the generated voltage of the direct methanol fuel cell unit. Pump control means for controlling the supply capacity of each of the pumps accordingly.
[0013]
That is, when the power generation control unit determines that the output voltage of the direct methanol fuel cell unit detected by the output voltage unit is lower than a predetermined voltage, the pump control unit improves the supply capacity of each pump. Preferably, when the power generation control unit determines that the output voltage of the direct methanol fuel cell unit is higher than a predetermined voltage, control is performed to reduce the supply capacity of each pump.
[0014]
More preferably, the secondary battery unit assists the power generation operation of the direct methanol fuel cell unit, and controls charging and / or discharging of the secondary battery unit according to the power generation operation of the direct methanol fuel cell unit. And a charge / discharge control unit.
In particular, the charge / discharge control means has a function of controlling charge and / or discharge of the secondary battery unit in relation to control of the pumps.
[0015]
Also, a first backflow prevention diode inserted between the direct methanol fuel cell unit and the electronic device, and a second backflow prevention diode inserted between the secondary battery fuel cell unit and the electronic device. And an output circuit for synthesizing the power output via the first and second backflow prevention diodes and supplying the combined power to the electronic device.
[0016]
That is, this output circuit constitutes an OR circuit by the diode, and supplies power to the load from the direct methanol fuel cell during normal operation of the direct methanol fuel cell. When the power supply is insufficient, the secondary battery unit can compensate for the power shortage and supply the power to the load.
[0017]
Preferably, the output voltage of the direct methanol fuel cell unit during steady-state power generation is higher than the output voltage of the secondary battery unit.
It is more preferable that the output impedance of the secondary battery unit is smaller than the output impedance of the methanol fuel cell in order to enable continuous supply to the load without causing an instantaneous interruption or the like.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
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 by chemically reacting a fuel aqueous methanol solution with air (O 2 ) through an electrolyte membrane. And an air supply pump 42 for supplying air (O 2 ) as an oxidizing agent. 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 supply as an auxiliary power supply. The battery unit 60 is integrated and integrated into a single power supply unit.
[0020]
Incidentally, the methanol aqueous solution of the fuel is filled in a fuel cartridge 30 detachably provided to the fuel cell device 10. By mounting the fuel cartridge 30 in the fuel cell device 10, the liquid sending pump 41 is turned on. An aqueous methanol solution is supplied to the DMFC electromotive device 100 through the above. Air (O 2 ) as an oxidant is supplied to the DMFC electromotive device 100 by taking in outside air by the air supply pump 42.
[0021]
Here, the DMFC electromotive device 100 will be briefly described. This DMFC electromotive device 100 has a flow path in which a methanol aqueous solution flows 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 formed therein 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 sides of the electrolyte membrane 110, respectively, and further outside the anode current collector 123 and the cathode current collector 133 are provided.
[0022]
In the DMFC electromotive device 100 having such a structure, basically, the aqueous methanol solution fed into the anode channel body 121 permeates the anode catalyst layer 122 via the anode current collector 123. Further, the air (O 2 as an oxidant) sent into the cathode channel body 131 permeates the cathode catalyst layer 132 via the cathode current collector 133. Then, the methanol aqueous solution undergoes a chemical reaction under the catalysis of the anode catalyst layer 122, and protons generated thereby permeate the electrolyte membrane 110. Then, oxygen generated in the cathode catalyst layer 113 reacts with the protons to generate power. The electromotive force resulting from such a chemical reaction is extracted via the anode current collector 123 and the cathode current collector 133, respectively.
[0023]
The DMFC control unit (power generation control unit) 20 basically operates using the DMFC power generator 100 as a power supply. 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 beginning of power generation. In addition, 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 100 is unstable, the secondary battery unit 60 supplies power to the DMFC control unit (power generation control unit) 20 and the like in place of the DMFC 100. It is used as an auxiliary power supply. Further, when a direct methanol fuel cell device is applied as a power source for a small portable terminal, the secondary battery unit 60 also has a role of compensating for the above-described voltage instability phenomenon and stabilizing the output voltage of the fuel cell device 10. ing.
[0024]
The fuel cell device according to the present invention will be described in more detail with reference to a control circuit block diagram shown in FIG.
The power generation control unit 20 includes a DMFC voltage detection unit 70a that monitors the voltage output from the DMFC electromotive device 100, a secondary battery voltage detection unit 70b that monitors the terminal voltage of the secondary battery unit 60, and a fuel cell device 10 An output voltage detecting unit 70c for monitoring a voltage supplied to the load from the power supply and a current detecting unit 71 for detecting a load current. 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 remaining amount detection unit 31 that detects the remaining amount of fuel in the fuel cartridge 30. Then, as will be described in detail later, the power generation control unit 20 controls the pump flow rate to be optimal based on information obtained from these detection units.
[0025]
The methanol and the oxidant air (O 2 ) filled in the fuel cartridge 30 are sent to the DMFC electromotive device 100 by the liquid sending pump 41 and the air sending pump 42, respectively. The driving of these pumps 41 and 42 is controlled via a liquid feeding pump driving unit 43 and an air feeding pump driving unit 44 under the control of a DMFC control unit (power generation control unit) 20 as described later.
[0026]
In the fuel cell device 10 basically configured as described above, the present invention is characterized in that the output voltage and temperature of the DMFC electromotive device 100 are monitored, and a liquid transfer pump is The point is to variably control the supply capacity (flow rate) of the air supply pump 41 and the air supply pump 42.
[0027]
That is, the power generation action of the DMFC 100 described above changes depending on the temperature of the DMFC 100 and the amounts of the aqueous methanol solution and the air (O 2 ) supplied to the DMFC 100. Then, the DMFC control unit (power generation control unit) 20 controls each pump flow rate of the liquid supply pump 41 and the air supply pump 42 based on the various monitor information in order to stabilize such a power generation operation. .
[0028]
Specifically, when the load current decreases while the DMFC 100 is operating at the rated output, the output voltage of the fuel cell device increases. The decrease in the load current is detected by the current detection unit 71, and the increase in the output voltage is detected by the DMFC voltage detection unit 70a and the output voltage detection unit 70c. Based on the detected information, the power generation control unit 20 outputs a command to reduce the respective flow rates to the liquid sending pump driving unit 43 and the air sending pump driving unit 44. Then, the liquid sending pump driving unit 43 that has received the instruction to decrease the flow rate reduces the supply of the aqueous methanol solution to the DMFC electromotive device. At the same time, the air supply pump driver 44 operates to reduce the supply of air (oxygen) to the DMFC.
[0029]
Conversely, when the load current increases, the load supply voltage decreases. The increase in the load current is detected by the current detection unit 71, and the decrease in the supply voltage is detected by the DMFC voltage detection unit 70a and the output voltage detection unit 70c. Then, in response to a command from the power generation control unit 20, the liquid pump driving unit 43 increases the supply of the aqueous methanol solution, and the air pump driving unit 44 operates to increase the supply amount of air (oxygen).
[0030]
Also, the DMFC control unit (power generation control unit) 20 detects the temperature of the DMFC electromotive device 100 via the temperature detection unit 72, and according to this temperature, the pump flow rate of the liquid sending pump 41 and the air sending pump 42 Are controlled respectively. Specifically, when the temperature of the DMFC generator 100 is low and its power generation capability is low, the methanol aqueous solution supplied to the DMFC generator 100 is increased by increasing the pump flow rates of the liquid sending pump 41 and the air sending pump 42. And the amount of air has been increased to compensate for the decline in power generation capacity. Conversely, when the temperature of the DMFC 100 is high and the power generation capacity is sufficiently high, the pump flow rates of the liquid sending pump 41 and the air sending pump 42 are reduced to supply the DMFC to the DMFC 100. The amount of methanol aqueous solution and air is reduced to prevent excessive power generation and to keep the power generation constant.
[0031]
The cathode catalyst layer 132 generates heat due to a chemical reaction accompanying the power generation of the DMFC electromotive device 100. The temperature rise accompanying the chemical reaction is detected by the temperature detection unit 72, and the power generation control unit 20 can control the flow rate of the air supply pump 42 so as to maintain a predetermined constant temperature.
[0032]
Next, control means at the time of starting the DMFC power generation device 100 will be described. First, when the DMFC is started, the output voltage of the DMFC 100 is zero. Therefore, the detection voltage of the DMFC voltage detection unit 70a becomes 0. At this time, the power generation control unit 20 determines whether or not a voltage equal to or higher than a predetermined fixed value is secured in the secondary battery unit 60 based on the voltage information obtained from the secondary battery voltage detection unit 70b. When the power generation control unit 20 in which the voltage of the secondary battery unit 60 is ensured determines, the power generation control unit 20 controls the driving of the liquid sending pump 41 and the air sending pump 42 and sends the fuel (methanol) to the DMFC electromotive device 100. Aqueous solution) and oxidant (air). At this time, the voltage of the secondary battery unit 60 is supplied to the liquid pump driving unit 43 and the air pump driving unit 44 via the diode D1.
[0033]
When the output voltage of the DMFC electromotive device 100 increases and the power generation control unit 20 determines that the voltage detected by the DMFC voltage detection unit 70a is higher than the voltage detected by the secondary battery voltage detection unit 70b, The power generation control unit 20 drives the secondary battery control unit 61 to charge the secondary battery unit 60.
[0034]
At this time, the output voltage of the DMFC electromotive device 100 is supplied to the liquid sending pump driving unit 43 and the air sending pump driving unit 44 via the diode D2. Since the voltage of the DMFC electromotive device 100 increases as described above, the voltage supplied to the liquid sending pump driving unit 43 and the air pump driving unit 44 via the diode 2 increases the voltage of the secondary battery unit via the diode D1. It is higher than the voltage given from 60. For this reason, the driving of the liquid feeding pump driving unit 43 and the air feeding pump driving unit 44 is controlled by the output power of the DMFC electromotive device 100.
[0035]
Note that the secondary battery unit 60 can be taken out as a load driving output via the diode D3. For this reason, it is possible to compensate for a time lag of an increase in the output of the DMFC electromotive device 100 having poor followability of the load current.
[0036]
When the load power falls below the maximum output power of the DMFC 100, the power supply is switched to the power supply from the DMFC 100 via the diode D4.
Since the switching of these current paths is performed instantaneously by the diode, it is possible to immediately respond to a load change without shutting down the load.
[0037]
Thus, according to the fuel cell device 10 configured as described above, the voltage detection unit 70 and the temperature detection unit 72 for detecting the voltage generated by the DMFC electromotive device 100 are provided to detect the state of electromotive force, and the detected information Therefore, the supply capacity of the liquid sending pump 41 and the air sending pump 42 is variably controlled, so that the operation of the DMFC electromotive device 100 can be efficiently performed.
[0038]
Further, since the output voltage of the DMFC electromotive device 100 and the output voltage of the secondary battery unit 60 are detected, appropriate charge control of the secondary battery unit 60 can be performed, and at the time of starting the fuel cell device, The liquid supply pump 41 and the air supply pump 42 can be driven and controlled by the electric power charged in the secondary battery unit 60.
[0039]
Further, according to this embodiment of the present invention, since the secondary battery is not only used for starting the power generation of the fuel cell but also charged by the DMFC power generation device via the secondary battery control unit, It is possible to extend the use time of the battery. Further, here, the fuel cell device 10 has a structure in which the fuel cartridge 30 is detachably provided. However, a fuel tank (not shown) capable of storing a predetermined amount of an aqueous methanol solution is integrally provided. The present invention can be similarly applied to a fuel cell device configured to supply an aqueous methanol solution to the tank from outside.
[0040]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented with various modifications without departing from the gist of the present invention.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell device of the present invention, since the supply capacity of the pump is variably controlled in accordance with the power generation state of the direct methanol fuel cell unit, an efficient fuel cell device is realized. It becomes possible.
[0042]
Further, a secondary battery unit for assisting the power generation operation of the direct methanol fuel cell unit is provided, and the secondary battery can control the start of the fuel cell and supply power to pumps. Further, after the fuel cell is started, the secondary battery can be charged with the electric power generated by the fuel cell, so that a great effect in practical use such as a longer use time of the secondary battery can be obtained.
[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 one embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 fuel cell device 20 control unit 30 fuel cartridge 41 liquid supply pump 42 air supply pump 60 secondary battery unit 100 power generation device

Claims (10)

電解質膜を介してメタノール水溶液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、
この直接型メタノール燃料電池部にメタノール水溶液を供給する送液ポンプ、および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と、
前記直接型メタノール燃料電池部の起電状況に応じて前記各ポンプの供給能力を可変制御する発電制御部と
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 an aqueous methanol solution and air through an electrolyte membrane,
A liquid pump for supplying an aqueous methanol solution to the direct methanol fuel cell unit, and an air pump for supplying air to the direct methanol fuel cell unit;
A fuel cell device comprising: a power generation control unit that variably controls the supply capacity of each of the pumps according to the power generation state of the direct methanol fuel cell unit. 前記発電制御部は、前記直接型メタノール燃料電池部の温度を検出する温度検出手段と、検出した前記直接型メタノール燃料電池部の温度に応じて前記各ポンプの供給能力を制御するポンプ制御手段とを備えてなる請求項１に記載の燃料電池装置。The power generation control unit includes a temperature detection unit that detects a temperature of the direct methanol fuel cell unit, and a pump control unit that controls a supply capacity of each pump according to the detected temperature of the direct methanol fuel cell unit. The fuel cell device according to claim 1, comprising: 前記ポンプ制御手段は、前記温度検出手段が検出した前記直接型メタノール燃料電池部の温度が予め定めた温度より低いと前記発電制御部が判定したときは前記各ポンプの供給能力を向上させ、該直接型メタノール燃料電池部の温度が予め定めた温度より高いと前記発電制御部が判定したときは前記各ポンプの供給能力を低下させるものである請求項２に記載の燃料電池装置。The pump control means increases the supply capacity of each pump when the power generation control unit determines that the temperature of the direct methanol fuel cell unit detected by the temperature detection means is lower than a predetermined temperature. The fuel cell device according to claim 2, wherein the supply capacity of each of the pumps is reduced when the power generation control unit determines that the temperature of the direct methanol fuel cell unit is higher than a predetermined temperature. 前記発電制御部は、前記直接型メタノール燃料電池部の発生電圧を検出する出力電圧検出手段と、検出した前記直接型メタノール燃料電池部の発生電圧に応じて前記各ポンプの供給能力を制御するポンプ制御手段とを備えてなる請求項１に記載の燃料電池装置。The power generation control unit includes an output voltage detection unit that detects a voltage generated by the direct methanol fuel cell unit, and a pump that controls a supply capacity of each of the pumps according to the detected voltage generated by the direct methanol fuel cell unit. The fuel cell device according to claim 1, further comprising control means. 前記ポンプ制御手段は、前記出力電圧手段が検出した前記直接型メタノール燃料電池部の出力電圧が予め定めた電圧より低いと前記発電制御部が判定したときは前記各ポンプの供給能力を向上させ、前記直接型メタノール燃料電池部の出力電圧が予め定めた電圧より高いと前記発電制御部が判定したときは前記各ポンプの供給能力を低下させるものである請求項４に記載の燃料電池装置。The pump control means, when the power generation control unit determines that the output voltage of the direct methanol fuel cell unit detected by the output voltage means is lower than a predetermined voltage, improves the supply capacity of each pump, 5. The fuel cell device according to claim 4, wherein when the power generation control unit determines that the output voltage of the direct methanol fuel cell unit is higher than a predetermined voltage, the supply capacity of each of the pumps is reduced. 請求項１に記載の燃料電池装置において、
更に前記直接型メタノール燃料電池部の発電動作を補助する二次電池部と、
前記直接型メタノール燃料電池部の発電動作に応じて上記二次電池部の充電および／または放電を制御する充放電制御手段と
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 1,
Further, a secondary battery unit that assists the power generation operation of the direct methanol fuel cell unit,
A fuel cell device comprising: charge / discharge control means for controlling charging and / or discharging of the secondary battery unit according to the power generation operation of the direct methanol fuel cell unit. 前記充放電制御手段は、前記各ポンプの制御に関連して前記二次電池部の充電および／または放電を制御する機能を備える請求項１または６に記載の燃料電池装置。The fuel cell device according to claim 1, wherein the charge / discharge control unit has a function of controlling charging and / or discharging of the secondary battery unit in association with control of each of the pumps. 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作動する電子機器に装着して使用される燃料電池装置であって、
前記直接型メタノール燃料電池部と前記電子機器との間に介挿された第１の逆流防止ダイオードと、
前記二次電池燃料電池部と前記電子機器との間に介挿された第２の逆流防止ダイオードと
を具備し、
前記第１および第２の逆流防止ダイオードを介してそれぞれ出力された電力を合成して前記電子機器に供給する出力回路を備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池装置。A fuel cell device used by being mounted on an electronic device that operates using power generated by the direct methanol fuel cell unit as a power supply,
A first backflow prevention diode interposed between the direct methanol fuel cell unit and the electronic device;
A second backflow prevention diode interposed between the secondary battery fuel cell unit and the electronic device;
The fuel cell device according to claim 6, further comprising: an output circuit that combines the powers output through the first and second backflow prevention diodes and supplies the combined power to the electronic device. 前記直接型メタノール燃料電池部は、定常発電時その出力電圧が前記二次電池部の出力電圧よりも高いものである請求項６または８に記載の燃料電池装置。9. The fuel cell device according to claim 6, wherein the direct-type methanol fuel cell unit has an output voltage that is higher than an output voltage of the secondary battery unit during steady-state power generation. 10. 前記二次電池部は、その出力インピーダンスが前記メタノール燃料電池の出力インピーダンスよりも小さいことを特徴とする請求項６または８に記載の燃料電池装置。9. The fuel cell device according to claim 6, wherein the output impedance of the secondary battery unit is smaller than the output impedance of the methanol fuel cell.
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