JP2004071261A

JP2004071261A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP2004071261A
Application number: JP2002226694A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Sakai; 酒井　広隆; Nobuo Shibuya; 澁谷　信男; Hirohisa Miyamoto; 宮本　浩久; Morohiro Tomimatsu; 富松　師浩
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: JP4672232B2

Abstract

【課題】燃料電池装置を用いる電子機器側において、燃料電池装置の発電可能時間を含む動作状態をモニタすることができると共に、燃料電池装置の安定した発電動作を図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。
【解決手段】直接型メタノール燃料電池装置における燃料カートリッジに収納されたメタノール水溶液の残量および／または前記直接型メタノール燃料電池部の動作状態を、この燃料電池装置を使用する電子機器に通知する通信手段を備える。
【選択図】　　　図１

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変わる電源設備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】
しかし燃料電池装置は、その出力電圧が一定値に維持されるため、二次電池或いは一次電池のように、その出力電圧の低下から使用可能な電池容量（残量）を判断することが困難である。更にパック化された燃料電池装置の場合には、例えば燃料カートリッジの交換が容易となるような構成がとられる。この場合、燃料カートリッジの種類や充填されているメタノール水溶液（燃料）の残量によって直接型メタノール燃料電池における発電可能時間が変化し、例えば燃料切れが生じた場合には、小型の電子機器の駆動が突然中断されるという懸念もある。
【０００５】
またパック化された燃料電池装置に組み込まれた送液ポンプ等の補機類を駆動するためには、その電源が必要である。この電源として燃料電池装置が発生する電力を利用することが考えられる。しかし燃料電池自身、その起動時には出力電圧が零であり、従って燃料電池だけでは該燃料電池装置を起動することができないという問題がある。更には燃料電池装置の発電初期時はその出力電圧が不安定であり、また負荷急変時にあっては燃料電池出力が負荷に追従するまでのタイムラグにより電圧が不安定になるという問題がある。あるいは負荷が燃料電池装置の許容最大出力を超える電力を要求したとき、燃料電池装置の出力電圧が低下して動作が不安定になるという問題もあった。
【０００６】
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を行う必要がある。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。すなわち、燃料電池装置の燃料消費が増大し、小型携帯機器の電源として適さないという問題があった。
【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、燃料電池装置を用いる電子機器側において、この燃料電池装置の発電可能時間を含む動作状態を確実にモニタすることができ、また燃料電池装置にとっても安定に発電動作することのできる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。
【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供給するメタノール水溶液を収納した燃料カートリッジと、上記燃料カートリッジに収納されたメタノール水溶液を前記直接型メタノール燃料電池部に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、上記各ポンプの作動を制御して前記直接型メタノール燃料電池部による発電を制御する発電制御部とを具備し、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、
特に前記電子機器に対して、前記燃料カートリッジにおけるメタノール水溶液の残量および／または前記直接型メタノール燃料電池部の動作状態を通知する通信手段を備えたことを特徴としている。
【０００９】
また本発明は、前記直接型メタノール燃料電池部の発電動作の始動および発電初期時等の電圧変動を補償する補助電源、例えば二次電池装置を備えたものにも適用可能である。このため、燃料電池装置の定格出力を超える一時的な負荷電力の増加があっても、この二次電池装置が直接型メタノール燃料電池部の電力不足を補償するので負荷に対して瞬断や電圧低下等の悪影響を与えることがない。
【００１０】
尚、前記通信手段にあっては、更に二次電池装置の電池残量を該燃料電池装置を用いる電子機器に対して通知する機能を備えることが望ましい。即ち、燃料電池装置が備える各種機能の動作状態や、燃料カートリッジに充填されて供給されるメタノール水溶液（燃料）等を電子機器に通知することで、その発電可能時間等を管理することができるようにしたことを特徴としている。
【００１１】
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る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。
【００１２】
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。
【００１３】
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に比べて高くなるようにすることが望ましい。
より好ましくは負荷電力の急変に対して瞬断等を起こさず連続的に電力の供給を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に比べて低いことが望ましい。
【００１４】
更に前記燃料カートリッジにおけるメタノールの残量を表示する表示部を備えることで、メタノールの残量が少なくなったとき燃料補充または燃料カートリッジの交換を促すことが可能となる。
好ましくは、この表示部は、燃料カートリッジの残量が予め定めた一定量を下回ったとき表示することが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る燃料電池装置について説明する。
【００１６】
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（Ｏ_２）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（Ｏ_２）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、例えば二次電池からなる補助電源部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。
【００１７】
更には燃料電池装置１０は、ＤＭＦＣ起電装置１００の起動時にポンプ４１，４２を駆動する補助電源部６０を備える。この補助電源部６０は、例えば二次電池装置からなり、ＤＭＦＣ起電装置１００の起電反応前および負荷急変時、また燃料電池出力が負荷に追従するまでのタイムラグによる電圧が不安定なときに該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役割も担う。
【００１８】
ちなみに燃料として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に充填されている。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に対して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（Ｏ_２）は、前記送気ポンプ４２によりその周囲の外気を取り込むことで前記ＤＭＦＣ起電装置１００に供給される。
【００１９】
ここで前記ＤＭＦＣ起電装置１００について簡単に説明する。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。
【００２０】
このような構造のＤＭＦＣ起電装置１００においては、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Ｏ_２）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１３２に染み込んだ酸素と上記陽子とが反応することで電力が生起される（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。
【００２１】
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を電源として用いる、例えば可搬型または携帯型の電子機器２００に対して、燃料カートリッジ３０の残量やＤＭＦＣ起電装置１００の動作状態等の情報を通知する通信手段８０を備えた点にある。
【００２２】
このような通信手段８０を備えた燃料電池装置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、補助電源部（二次電池）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。そして発電制御部２０は、これらの各検出部からそれぞれ得られた情報に基づいて、最適なポンプ流量になるように制御するものとなっている。
【００２３】
即ち、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（Ｏ_２）は、前述したように送液ポンプ４１および送気ポンプ４２によりＤＭＦＣ起電装置１００にそれぞれ送られる。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の制御の下で最適なポンプ流量になるように駆動制御されている。
【００２４】
一方、燃料カートリッジ３０に充填されているメタノール水溶液の残量は残量検出部３１でモニタされている。このメタノール水溶液の残量は、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される。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後述するが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。
【００２５】
電子機器２００に対して通知する情報としては、例えば燃料カートリッジ３０に関して、そのメーカ名、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、使用最高温度等の情報からなる。更にこの燃料カートリッジ３０に充填されたメタノール水溶液の使用状況（消費状況）に応じて、燃料の残り容量やその挿抜回数、使用経過時間、異常フラグ等の情報を通知するようにしても良い。
【００２６】
このような情報を通知することで、例えばＤＭＦＣ制御部２０において、所定の期間を過ぎた燃料カートリッジ３０の使用を禁止する等の対策を講じることが可能となり、また燃料切れ間近の燃料カートリッジ３０の交換を促す等の対策を講じることが可能となる。更に燃料カートリッジ３０における残容量のデータを用いることでＤＭＦＣ制御部２０において、燃料の残量率などを算出することが可能となる。
【００２７】
そしてこのような燃料カートリッジ３０に関する情報に加えてＤＭＦＣ起電装置１００の動作状態や、更には補助電源部（二次電池）６０の動作状態を電子機器２００に通知すれば、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。
【００２８】
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、あるい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。
【００２９】
ところで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よう構成されている。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、燃料電池装置の出力電力が負荷に追従するまでのタイムラグがあり、その出力電圧が不安定となる。
【００３０】
このため、ＤＭＦＣ起電装置１００の出力側には、前述した補助電源部６０が設けられている。この補助電源部６０、前述したＤＭＦＣ起電装置１００の発電初期時またはそ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役割を担っている。また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、この補助電源部６０により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。
【００３１】
この補助電源部６０は、一次電池または二次電池を用いて構成される。特に、二次電池を用いた構成とすれば、ＤＭＦＣ起電装置１００の発電出力電圧が余剰となったとき、その余剰電力を用いて、この二次電池を充電することができると共に、ＤＭＦＣ起電装置１００の起動時の電源として二次電池を用いることができ、より効率的な運用を行うことが可能となる。更にこの二次電池をＤＭＦＣ起電装置１００の出力とダイオードを通して並列に接続することで、前述したＤＭＦＣ起電装置１００の発電初期時および負荷急変時の電圧不安定現象を補償することも可能となる。
【００３２】
尚、二次電池の充放電制御は、二次電池制御部６１により行われる。従ってこの二次電池制御部６１の動作状態についても、具体的には二次電池の従放電状態についても前述した通信手段８０を用いて電子機器２００に通知するように構成しておくことが望ましい。
【００３３】
また、燃料電池装置１０が組み込まれた例えば電子機器などから、この燃料電池装置１０を取り外した状態であっても燃料カートリッジ３０に充填されたメタノール水溶液の残量を示すことができる表示部（図示せず）を燃料電池装置１０に設けることが望ましい。この表示部は、例えば小型の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等による残量表示器や、燃料カートリッジ３０に充填されたメタノール水溶液の残量が予め定めた一定量以下になったとき、その点灯状態を変化させる発光ダイオード（ＬＥＤ）等による構成にすればよい。
【００３４】
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、燃料カートリッジ３０に充填されたメタノール水溶液の残量およびＤＭＦＣ起電装置１００の動作状態が、通信手段８０を用いて可搬型または携帯型の電子機器２００に通知されるので、電子機器２００側において燃料電池装置１０の状態を的確に把握することが可能となる。また通知された情報に基づいて燃料電池装置１０における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。
【００３５】
更に本発明のこの実施形態によれば、ＤＭＦＣ起電装置１００の発電動作を補助する補助電源部６０を備えているので、燃料電池の発電開始時や発電初期時および負荷電流急変時の電圧不安定現象を解消することができる。
【００３６】
また、燃料電池装置１０単体の状態であっても充填されたメタノール水溶液の残量を表示できる表示部が設けられているので、必要に応じて燃料の補充または燃料カートリッジ３０の交換などを確実に行うことができる。
【００３７】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば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。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。要は、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。
【００３８】
【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、燃料カートリッジに充填されたメタノール水溶液の残量および直接型メタノール電池の動作状態を、この燃料電池装置を用いる電子機器に対して通知する通信手段を備えているので、電子機器側において燃料電池装置の動作状態を簡易にして的確に把握することが可能となる。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、そ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。
【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
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
１００　ＤＭＦＣ起電装置
２００　電子機器

Claims

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供給するメタノール水溶液を収納した燃料カートリッジと、
上記燃料カートリッジに収納されたメタノール水溶液を前記直接型メタノール燃料電池部に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、
上記各ポンプの作動を制御して前記直接型メタノール燃料電池部による発電を制御する発電制御部とを具備し、
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、
前記電子機器に対して、少なくとも前記燃料カートリッジにおけるメタノール水溶液の残量および／または前記直接型メタノール燃料電池部の動作状態を通知する通信手段を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
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補助電源を備えることを特徴とする燃料電池装置。
前記補助電源は、二次電池装置を主体とし、更にこの二次電池装置の保護機能を備えたものからなる請求項２に記載の燃料電池装置。
請求項３に記載の燃料電池装置において、
前記二次電池装置の電池残量を前記電子機器に対して通知する機能を備えてなる燃料電池装置。
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る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３に記載の燃料電池装置。
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高いものである請求項５に記載の燃料電池装置。
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低いものである請求項６に記載の燃料電池装置。
請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池装置において、
更に前記燃料カートリッジにおけるメタノールの残量を表示する表示部を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
前記表示部は、燃料カートリッジの残量が予め定めた一定量を下回ったとき表示するものである請求項８に記載の燃料電池装置。