JP2005032603A - 燃料電池システム及び電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 突然のバッテリー切れを解消し、作業者に安心感を与える。また、燃料電池の発電時間を長時間化し、無駄な燃料の消費を抑える。
【解決手段】 燃料電池と、当該燃料電池に燃料を供給する燃料供給タンクを備えた燃料電池システム及び電気機器である。燃料供給タンク内の燃料の一部が供給されるバッファタンクを有し、燃料供給タンク内の燃料の一部がこのバッファタンクに移行する。そして、燃料供給タンク内の燃料が空になった時点で、バッファタンクから燃料電池に燃料が供給されるように切り替わる。また、燃料電池システム及び電気機器は、使用状況に応じて運転モード切り替えが行われ、運転モードに対応して燃料電池への燃料供給量が変更される。運転モードとしては、例えば、省エネモード、及び高出力モードである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料供給タンクから燃料が供給される燃料電池システムに関するものであり、さらには、この燃料電池システムを組み込んだ電気機器に関する。

燃料電池は、例えば水素ガスやメタノール等の燃料流体と、酸化用流体（空気に含まれる酸素）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電装置である。例えば、固体高分子型の燃料電池の場合、各発電体部分は、固体高分子からなる電解質膜を酸素側電極と燃料側電極とで挟み込んだ構造を有しており、酸素側電極には酸素を供給するために空気が供給され、燃料側電極には燃料流体が供給され、上記電気化学的な反応により発電が行われる。

発電に際しては、固体高分子型の燃料電池では、イオン交換膜でありプロトン伝導体膜として機能する電解質膜中をイオン（プロトン）が移動し、酸素側電極の酸素と反応して電流が発生し、同時に酸素側電極では水が生成される。燃料電池の発電体部分は、電解質膜・電極複合体又はＭＥＡ（Membrane and Electrode Assembly）と呼ばれており、この電解質膜・電極複合体を燃料流体流路や空気流路が形成されたセパレータで挟み込んで発電セルとし、複数の発電セルを積層することで積層構造（スタック構造）の燃料電池が構成されている。

上述の燃料電池は、発電により生成される生成物が水であり、環境を汚染することがないクリーンな電源として近年注目されており、例えば、電気自動車や住宅用電源システム等、大型のシステムにおいて実用化が期待されている一方、固体高分子型の燃料電池が小型、軽量であるという特徴を生かして、例えばノート型パーソナルコンピュータ等の携帯型電気機器の電源としての応用も検討されている（例えば、特許文献１等を参照）。このような用途に用いられる燃料電池においては、所要の電力を安定して出力することができ、且つ携帯可能なサイズとされることが重要となり、各種技術開発が盛んに行われている。例えば、特許文献１記載の発明には、一つのパッケージ内に一体化した超小型の機器搭載用の固体高分子型燃料電池が開示されている。
特開平９−２１３３５９号公報

ところで、例えばノート型パーソナルコンピュータ等の携帯型の電気機器において、使用中のバッテリー切れは、データの消失等を招き、再入力に多大な労力を要する等、作業者にとって大きな負担になる。

一方、燃料電池は、前述の通り、水素と酸素を使用し、電気化学反応を起こさせて電気エネルギーを発生させるシステムであり、通常、燃料供給量（ダイレクトメタノール方式の燃料電池ではメタノール濃度）を一定とし、最高出力が得られるような最適条件下で運転を行い、必要な電力を取り出して電気機器を作動させている。この場合、電気機器の消費電力の変動があるにもかかわらず、燃料電池への燃料供給量は一定であることから、燃料が無駄に消費されていることになる。

本発明は、上述の諸問題を解決するために提案されたものであり、先ず第１に、突然のバッテリー切れを解消することが可能な燃料電池システム及び電気機器を提供することを目的とし、さらには、使用する作業者に安心感を与えることができる燃料電池システム及び電気機器を提供することを目的とする。第２に、燃料の消費を抑えることができ、燃料電池の発電時間を長時間化するとともに、無駄な燃料の消費を抑えることが可能な燃料電池システム及び電気機器を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、当該燃料電池に燃料を供給する燃料供給タンクを備えた燃料電池システムにおいて、上記燃料供給タンク内の燃料の一部が供給されるバッファタンクを有し、燃料供給タンク内の燃料が空になった時点で当該バッファタンクから燃料電池に燃料が供給されるように切り替わることを特徴とする。また、本発明の電気機器は、燃料電池と、当該燃料電池に燃料を供給する燃料供給タンクを備えた電気機器において、上記燃料供給タンク内の燃料の一部が供給されるバッファタンクを有し、燃料供給タンク内の燃料が空になった時点で当該バッファタンクから燃料電池に燃料が供給されるように切り替わることを特徴とする。

本発明の燃料電池システム及び電気機器においては、燃料供給タンクが空になっても、バッテリー切れ状態とはならず、バッファタンク内の燃料により燃料電池の運転が継続される。この段階で、例えば警報を発したり、残量表示を行うようにし、作業者にバッテリー残量を正確且つ的確に伝達すれば、不意のバッテリー切れが解消され、作業者は安心して作業を行うことができる。

さらに、本発明の燃料電池システム及び電気機器は、使用状況に応じて運転モード切り替えが行われ、運転モードに対応して燃料電池への燃料供給量が変更されることを特徴とする。運転モードとしては、例えば、省エネモード、及び高出力モードである。

以上の構成を有する燃料電池システム及び電気機器では、例えば電気機器の消費電力の使用状況に応じて作業者がモードを選択するか、あるいは自動モード選択により、燃料電池へ供給される燃料供給量が変更され、必要な電力に応じた量の燃料が供給される。したがって、燃料が無駄に消費されることがなく、発電時間が長時間化され、電気機器の動作時間が延長される。同時に、無駄なエネルギー消費が抑えられる。

本発明によれば、バッファタンクを設け、燃料供給タンク内の燃料が空になった時点でバッファタンクから燃料電池に燃料が供給されるようにしているので、使用中における突然のバッテリー切れを解消することができる。また、バッファタンクに切り替わった時点で例えば警報を発したり、残量表示を行うようにすれば、バッテリー残量を正確且つ的確に作業者に伝達することができ、作業者に安心感を与えることができる。

また、本発明によれば、運転モード切り替えにより消費電力に見合った燃料供給を行うことが可能であり、燃料の消費を抑えて燃料電池の発電時間を長時間化することが可能である。また、燃料の消費を抑えることは、無駄なエネルギー消費を抑えることになり、環境負荷等の点でも有益である。

以下、本発明を適用した燃料電池システム及び電気機器について、携帯型の電気機器であるノート型パーソナルコンピュータへの適用例に基づいて、図面を参照しながら詳細に説明する。

ノート型パーソナルコンピュータは、図１に示すように、上面に入力キーや入力パッドが設けられたコンピュータ本体部１と、画面表示のための液晶パネルが組み込まれ、コンピュータ本体部１に対して開閉自在とされるディスプレイ部２とから構成される。

コンピュータ本体部１には、ＣＰＵでの演算処理や液晶パネルでの画面表示等を行うための電力を供給する駆動電源システムが内蔵され、本例では、燃料電池を発電部とする駆動電源システムが組み込まれている。燃料電池を発電部とする駆動電源システムは、例えば図１に示す通り、発電部である燃料電池３、燃料電池３に供給する燃料を貯蔵する燃料供給タンク４、燃料電池の燃料循環制御等の補機類５、さらには補機類５等を制御し燃料電池３の運転状態を制御する制御回路基板６等から構成される。

ここで、燃料電池３は、通常はスタック構造を有し、例えば、固体高分子電解質膜と、この電解質膜を挟持するように電解質膜の両面に配設される二つの電極（燃料側電極と酸素側電極）と、セル間の隔壁となるセパレータとを積層することにより構成される。電解質膜には、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等の要求を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜としては、例えばスルホン酸系の固体高分子電解質膜等が用いられる。電極には、例えば発電反応を促進するための触媒が担持された電極が用いられる。

電解質膜は、電極により挟み込まれ、これら電解質膜と電極とからなる接合体を２枚のセパレータで挟み込むことにより発電セル（単位素子）が構成される。これら電極のうち燃料側電極には、燃料である水素やメタノールが供給され、供給された水素（メタノール）が水素イオンと電子とに解離され、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸素側電極にそれぞれ移動する。酸素側電極には、酸化剤である酸素（空気）が供給され、供給された空気中の酸素と上記水素イオン及び電子が反応して水が生成する。

この燃料電池３は、寿命等により特性が劣化した際に交換可能なようにコンピュータ本体部１に対して着脱可能としてもよいが、通常使用時には、コンピュータ本体部１に固定し、内蔵電源として用いる。

上記燃料供給タンク４は、前述の通り、燃料電池３に供給する燃料を貯蔵するものである。例えば、燃料として水素を用いる場合には、高圧水素ボンベや水素貯蔵合金を収納したカートリッジ等が用いられる。燃料としてメタノールを用いる場合には、メタノールを収容し得る容器を用いればよい。この燃料供給タンク４は、コンピュータ本体部１から取り外して燃料充填が行えるように着脱式とされている。

上記補機類５は、燃料供給タンク４から供給される燃料の圧力調整を行うレギュレータや、燃料電池３に空気を送り込むための空気供給手段、さらには燃料供給量を制御する制御弁等、各種アクチュエータを備えて構成され、これらアクチュエータが制御回路基板６からの信号によって制御される。制御回路基板６は、必要な制御回路が形成された回路基板であり、駆動電源システムである燃料電池システム全体の運転制御を行う。

本発明の燃料電池システムでは、図１に示すように、上記に加えて燃料を一時的に貯蔵しておくバッファタンク７が設けられている。以下、このバッファタンク７の機能について説明する。

バッファタンク７は、燃料供給タンク４から燃料電池３への燃料供給経路において、燃料供給タンク４装着位置近傍に設けられる。図２は、燃料電池３への燃料供給系の概略構成を示すものである。この燃料供給系は、燃料電池３と、燃料電池３に燃料を供給する燃料供給タンク４、燃料供給タンク４と燃料電池３を繋ぐ燃料供給配管１１をメインの燃料供給ラインとする。そして、燃料供給配管１１から分岐して分岐配管１２が設けられ、この分岐配管１２にバッファタンク７が取り付けられている。なお、燃料としてメタノールを用いるダイレクトメタノール方式の燃料電池システムでは、システム内にメタノールと水を混合する混合タンクを有するので、これをバッファタンクとして利用することも可能である。

上記燃料供給配管１１の分岐配管１２が分岐される位置の下流側には、燃料供給配管１１による燃料供給を制御する制御バルブ１３が設けられ、また、分岐配管１２には、バッファタンク７の開閉を行う制御バルブ１４が設けられている。コンピュータ本体部１には、燃料供給タンク４内の燃料の有無に関する情報等が入力され、これら情報に基づいて制御回路基板６を介して上記制御バルブ１３や制御バルブ１４を制御する。

コンピュータ本体部１には、燃料供給タンク４内の燃料が空になった時に警報を発するアラーム機構１５や、燃料供給タンク４やバッファタンク７内の燃料の残量表示を行う残量表示機構１６が設けられている。

ここで、アラーム機構１５は、確実に作業者に知らしめるようなものとし、例えば音、またはディスプレイ上のフラッシュング表示、さらにはこれらを併用したもの等が挙げられる。また、アラーム機構１５の具体的機構としては、例えば燃料として水素を用いる場合、燃料供給タンク４の内部圧力変化を感知し、燃料供給タンク４内の水素圧力が所定の設置値以下になった時点でアラームを発するようにすればよい。燃料としてメタノールを用いる場合には、変位センサ等により液面の低下を検知し、所定の液面レベル以下になった時点でアラームを発するようにすればよい。

残量表示機構１６は、燃料供給タンク４やバッファタンク７内の燃料容量（残量）から算出される発生可能電力量を基に、電気機器（ノート型パーソナルコンピュータ）の消費電力に応じてディスプレイ部２に残量を表示する。例えば燃料として水素を用いる場合、燃料供給タンク４の内部圧力変化に基づいて燃料残量を検出し、残量表示を行う。バッファタンク７に切り替わった後には、バッファタンク７内の燃料残量に基づいて残量表示が行われる。これら残量表示は、ディスプレイ部２に表示することにより行う。燃料としてメタノールを用いた場合には、燃料供給タンク４やバッファタンク７内のメタノール残量は、変位センサにより水位変化に基づいた残量を検出し、ディスプレイ部２に表示することにより行う。

上述の構成の燃料供給系では、燃料供給タンク４を電気機器（コンピュータ本体１）に差し込んで装着した時点で、先ず、バッファタンク７に燃料を充填する。すなわち、燃料供給タンク４が装着されると、制御バルブ１３が閉、制御バルブ１４が開となるように制御回路基板６からの信号により各制御バルブ１３，１４を操作し、燃料供給タンク４内の燃料の一部をバッファタンク７に移行する。

燃料供給タンク４内に燃料がある間は、制御バルブ１３を開き、制御バルブ１４を閉じて、燃料供給配管１１を通して燃料供給タンク４内の燃料が燃料電池３に供給される。燃料供給タンク４内の燃料が空になると、制御バルブ１４を開き、バッファタンク７に切り替える。すなわち、バッファタンク７内の燃料が分岐配管１２及び燃料供給配管１１を通して燃料電池３へ供給される。

したがって、燃料供給タンク４内の燃料が空になったからといって、直ちに燃料切れ（バッテリー切れ）になることがない。また、このバッファタンク７に切り替わった時点で上記アラーム機構１５からアラームを発するようにしているおり、さらには残量表示機構１６によりバッファタンク７内の燃料残量に基づく残量表示が行われるので、作業者は、バッテリー残量を正確且つ的確に把握することができ、作業者は安心して作業を行うことができる。

本実施形態のノート型パーソナルコンピュータは、上述のバッファタンク７やアラーム機構１５、残量表示機構１６を備える他、燃料電池３の運転モードが切り替え可能とされており、電気機器（ノート型パーソナルコンピュータ）の使用状況に応じて運転モード切り替えが行われ、運転モードに対応して燃料電池への燃料供給量が変更される。以下、この運転モード切り替えについて説明する。

通常、この種の燃料電池システムでは、最高出力を得るために燃料供給量（ダイレクトメタノール方式ではメタノール濃度）を一定の最適条件下で燃料電池３の運転を行い、必要な電力を取り出して電気機器を作動させている。この場合、電気機器の消費電力に変動があるにもかかわらず、燃料電池３における燃料供給量が一定であるため、特に消費電力が低い時には燃料が無駄に消費されることになる。そこで、本実施形態では、省エネモードと高出力モードの２種類の運転モードを電気機器の使用状況に応じて選定可能とし、燃料の無駄な消費を解消している。

具体的には、燃料電池３を搭載した電気機器（ノート型パーソナルコンピュータ）において、燃料電池３の出力と電気機器動作中の消費電力とを比較し、その使用率が所定の比率以下である場合に、「省エネモード」で動作可能であることを作業者にディスプレイに表示すること等により知らせる。ノート型パーソナルコンピュータには、モードセレクトスイッチ（図示は省略する。）が設けられており、作業者は、「省エネモード」で動作可能であることを認識した場合、このモードセレクトスイッチを操作し、運転モードを省エネモードに切り替えることが可能である。

作業者がモードセレクトスイッチを操作し省エネモードを選択すると、コンピュータ本体部１から制御信号が出力され、制御回路基板６において燃料である水素や酸素（空気）の供給量を減らすように、補機５や制御バルブ１３等を制御する。ダイレクトメタノール方式の燃料電池システムでは、メタノール水溶液におけるメタノール濃度を薄くするように、水とメタノールの混合比が補機５によってコントロールされる。高出力モードにおける動作は、この逆である。

以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明がこれら実施形態に限られるものではないことは言うまでもなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、各実施形態は、電気機器としてノート型パーソナルコンピュータに適用した例であるが、様々な電気機器に適用可能である。

本発明を適用したノート型パーソナルコンピュータの一例を示す概略斜視図である。 燃料供給系の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ コンピュータ本体部
２ ディスプレイ部
３ 燃料電池
４ 燃料供給カートリッジ
５ 補機類
６ 制御回路基板
７ バッファタンク
１３，１４ 制御バルブ
１５ アラーム機構
１６ 残量表示機構

Claims (13)

1. 燃料電池と、当該燃料電池に燃料を供給する燃料供給タンクを備えた燃料電池システムにおいて、
   上記燃料供給タンク内の燃料の一部が供給されるバッファタンクを有し、燃料供給タンク内の燃料が空になった時点で当該バッファタンクから燃料電池に燃料が供給されるように切り替わることを特徴とする燃料電池システム。
2. バッファタンクから燃料電池に燃料が供給されるように切り替わった際に、警報が発っせられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. バッファタンクの燃料容量から算出される発生可能電力量を基に残量表示が行われることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 燃料電池と、当該燃料電池に燃料を供給する燃料供給タンクを備えた燃料電池システムにおいて、
   使用状況に応じて運転モード切り替えが行われ、運転モードに対応して燃料電池への燃料供給量が変更されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 上記運転モードは、省エネモード及び高出力モードであることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 上記燃料供給タンク内の燃料の一部が供給されるバッファタンクを有し、燃料供給タンク内の燃料が空になった時点で当該バッファタンクから燃料電池に燃料が供給されるように切り替わることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池と、当該燃料電池に燃料を供給する燃料供給タンクを備えた電気機器において、
   上記燃料供給タンク内の燃料の一部が供給されるバッファタンクを有し、燃料供給タンク内の燃料が空になった時点で当該バッファタンクから燃料電池に燃料が供給されるように切り替わることを特徴とする電気機器。
8. バッファタンクから燃料電池に燃料が供給されるように切り替わった際に、警報が発っせられることを特徴とする請求項７記載の電気機器。
9. バッファタンクの燃料容量から算出される発生可能電力量及び消費電力を基に残量表示が行われることを特徴とする請求項７記載の電気機器。
10. ディスプレイを備え、当該ディスプレイにおいて上記残量表示が行われることを特徴とする請求項９記載の電気機器。
11. 燃料電池と、当該燃料電池に燃料を供給する燃料供給タンクを備えた電気機器において、
    使用状況に応じて運転モード切り替えが行われ、運転モードに対応して燃料電池への燃料供給量が変更されることを特徴とする電気機器。
12. 上記運転モードは、省エネモード及び高出力モードであることを特徴とする請求項１１記載の電気機器。
13. 上記燃料供給タンク内の燃料の一部が供給されるバッファタンクを有し、燃料供給タンク内の燃料が空になった時点で当該バッファタンクから燃料電池に燃料が供給されるように切り替わることを特徴とする請求項１１記載の電気機器。

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