JP2005243568A - 燃料電池ユニット、情報処理装置、燃料電池ユニットの制御方法および情報処理装置の電力供給方法 - Google Patents

燃料電池ユニット、情報処理装置、燃料電池ユニットの制御方法および情報処理装置の電力供給方法 Download PDF

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Abstract

【課題】発電能力の低下を回復することを可能とする、燃料電池ユニット、その制御方法、情報処理装置および情報処理装置の電力供給方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る燃料電池ユニット、その制御方法、情報処理装置および情報処理装置の電力供給方法は、前回の発電から今回の発電までの経過時間が所定時間以上か否かを判断し（Ｓ１４）、所定時間以上の場合は燃料電池の固体高分子電解質膜を含水させるセットアップ処理を行うこと（Ｓ１８）を特徴とするものである。
【選択図】 図８

Description

本発明は、燃料電池ユニット、情報処理装置、燃料電池ユニットの制御方法および情報処理装置の電力供給方法に係り、特に、セットアップ処理を行う燃料電池ユニット、その燃料電池ユニットに接続される情報処理装置、燃料電池ユニットの制御方法および情報処理装置の電力供給方法に関する。
現在、情報処理装置への電源供給源の一つである二次電池として例えばリチウムイオン電池が使用されている。二次電池の有する特徴の一つは、使い捨てタイプである一次電池と比較して、例えば商用電源を用いて充電することで繰り返し使用可能な点にある。
しかしながら、リチウムイオン電池は二次電池であるが故に、例えば商用電源を用いて充電する必要がある。
また、近年における情報処理装置の機能性能の向上は著しく、これに伴って該情報処理装置の消費電力は増加の傾向にある。そこで、情報処理装置に電力を供給するリチウムイオン電池が提供するエネルギの密度、即ち単位体積或いは単位質量あたりの出力エネルギ量を向上させたいものの、顕著な向上を望むのは難しい状況にある。
一方、燃料電池のエネルギ密度は、理論的にはリチウムイオン電池の１０倍とも言われている（例えば、非特許文献１参照）。これは、燃料電池がリチウムイオン電池に対して、体積或いは質量が同じとすると、より長時間（例えば１０倍）の電力供給が可能となる潜在的能力を有していることを意味する。また、両者の電力供給時間を等しいとするならば、燃料電池の方がリチウムイオン電池に対して小型・軽量化が可能となる潜在的能力を有している事を意味する。
また、燃料電池は、燃料、例えばメタノール等を小型の容器に封入してユニット化し、小型の容器ごと交換して使用すれば、外部からの充電を必要としない。従って、例えばＡＣ電源設備の無い場所において、リチウムイオン電池を使用して電力を確保する場合と比較して燃料電池を使用して電力を確保する場合の方が、より長時間にわたって情報処理装置を使用可能である。
さらに、リチウムイオン電池を使用した情報処理装置（例えばノート型パーソナルコンピュータ）を長時間使用する場合、リチウムイオン電池の供給する電力を用いて長時間使用することは困難であるため、ＡＣ電源による電力供給が可能な環境で情報処理装置を使用しなければならないという制約が課せられる。しかしながら、燃料電池の供給する電力で情報処理装置を使用するとリチウムイオン電池を用いる場合と比較して長時間に渡る情報処理装置の使用が可能になるとともに、上述の制約から解放されることが期待できる。
以上のような観点から、情報処理装置への電力供給を目的とした燃料電池の研究・開発が進められており、これまでにも、例えば特許文献１，２，３に開示されている。
燃料電池の方式には種々のものがあるが（例えば非特許文献２参照）、情報処理装置に適するものとして、小型・軽量化、さらに燃料の取り扱いやすさといった観点を考慮すると、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）方式が挙げられる。この方式の燃料電池は、燃料としてメタノールを用いるものであり、メタノールを水素に変換することなく直接、燃料極に注入する方式である。
ダイレクトメタノール型燃料電池においては、燃料極に注入するメタノールの濃度が重要であり、この濃度が高いと発電効率が悪くなり十分な性能が得られない。これは燃料となるメタノールの一部が燃料極（負極）と空気極（正極）とに挟まれる電解質膜（固体高分子電解質膜）を透過してしまう現象（これをクロスオーバ現象と呼んでいる。）に起因するものである。クロスオーバ現象はメタノールの濃度が高濃度の場合に顕著になり、低濃度のメタノールを燃料極に注入した場合は低減される。
一方、低濃度のメタノールを燃料として使用した場合、高性能を確保し易いものの、高濃度メタノールに比べると燃料の容積が大きくなるため（例えば１０倍）、燃料の容器（燃料カートリッジ）が大型となってしまう。
そこで、燃料カートリッジ内には高濃度のメタノールを収納することによって小型化をはかりつつ、一方で、発電時に発生する水を小型のポンプやバルブ等で循環させて高濃度メタノールを燃料極に注入する前に希釈することによってメタノールの濃度を下げ、その結果クロスオーバ現象を低減させることができる。この方式によって発電効率を向上させることが可能となる。なお、以降、循環させるためのポンプやバルブ等を補機と呼び、また、このように循環させる方式を希釈循環システムと呼ぶ。
このように、燃料電池ユニット全体としては小型軽量化を図りつつ、希釈されたメタノールによって、発電効率の高い燃料電池ユニットが実現できる（非特許文献１）。
特開２００３−１４２１３７号公報 特開２００３−８６１９２号公報 特開２００２−１６９６２９号公報 「燃料電池２００４」、日経ＢＰ社、２００３年１０月、ｐ．４９−５０，ｐ．６４ 池田宏之助編著、「燃料電池のすべて」、日本実業出版社、２００１年８月
本発明が解決しようとする課題の説明にあたって、まず、燃料電池の動作原理について簡単に説明する。動作原理そのものは既に公知文献（例えば、非特許文献１等）に詳しく述べられているのでここでは概略を説明する。
図１は、燃料電池を構成するダイレクトメタノール型燃料電池セル（ＤＭＦＣセル）５の動作原理を説明したものである。ＤＭＦＣセル５は、中央に電解質膜１を配置し、この両側から、燃料極（負極）２と空気極（正極）３で挟み込んで構成される。
ＤＭＦＣセル５の燃料極２にメタノール水溶液を注入すると、燃料極２でメタノールの酸化反応が生じ、この結果、電子（ｅ−）と水素イオン（Ｈ＋）と二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される。このうち、水素イオン（Ｈ＋）は電解質膜１を透過し、空気極３に達する。また二酸化炭素（ＣＯ２）は燃料極２の他端から排出される。
一方、電子（ｅ−）は燃料極２から負荷４を介して空気極３に環流される。この電子の流れによって、外部に電力を供給することが可能になる。空気極３では、外部から注入される空気中の酸素（Ｏ２）が、電解質膜１を透過してきた水素イオン（Ｈ＋）と負荷４を介して環流してきた電子（ｅ−）とによって還元され、その結果、水Ｈ２０（水蒸気）を生成する。
図１は、燃料電池の構成の一単位を示したものであり、実際にはこのＤＭＦＣセル５を積み重ねて、所定の電圧や電流を得ることになる。ＤＭＦＣセル５を積み重ねたものを、ＤＭＦＣスタックと呼んでいる。
ところで、ダイレクトメタノール型燃料電池では、一般に電解質膜１として、固体高分子電解質膜が用いられている。固体高分子電解質膜は、長期間の放置等によって乾燥すると電解質としての機能を果たさなくなるという問題があることは、例えば特許文献２にみられるように当業者に公知である。即ち、固体高分子電解質膜は、水分を含んだ状態では水素イオン（Ｈ＋）に対して導電性を示すが、乾燥すると水素イオン（Ｈ＋）に対して絶縁体になり、電解質としての機能を果たさなくなるというものである。
このため、燃料電池ユニットを出荷後初めて使用する際や、発電を停止後に長期間放置したような場合には固体高分子電解質膜が乾燥することに起因して発電能力が低下することがある。
かかる発電能力の低下を解消するために、セットアップ処理と呼ばれる特別な処理が試みられている。セットアップ処理とは、燃料電池ユニットを初めて使用する場合や、長期間、例えば一年間放置したような場合に、補機のうちの送液ポンプを一定時間動作させることによって乾燥した燃料極に水分を注入し、固体高分子電解質膜を十分含水させる含水処理をいう。
セットアップ処理は、固体高分子電解質膜を含水させることを目的とするものであり、発電を目的とするものではない。また、必ずしも毎回の燃料電池ユニットの使用ごとに必要となる処理ではない。従って、通常の運転シーケンスとは異なった、セットアップ処理特有のシーケンスを設けることによって、固体高分子電解質膜を効率よく、かつ、必要とされる時のみに含水させる処理を行うことができる。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、初回使用時や長期間放置時等に、乾燥した固体高分子電解質膜を含水するための処理（セットアップ処理）を行い、発電能力の低下を回復することが可能となる燃料電池ユニット、情報処理装置、燃料電池ユニットの制御方法および情報処理装置の電力供給方法を提供するものである。
本発明に係る燃料電池ユニットは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、外部機器との接続に用いられる接続部と、前記接続部を介して前記外部機器に供給される電力を、電解質膜を備えた燃料電池を用いて発電する発電部と、前記発電部に設けられ、前記燃料電池に少なくとも燃料と空気を注入する補機と、前記補機の駆動前に、前回の使用時からの経過時間が所定時間を経過しているか否かを判断し、所定時間を経過していると判断した場合は、前記補機の少なくとも一部を用いて前記電解質膜に含水させる含水処理を行う制御部と、を備えることを特徴とするものである。
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る情報処理装置は、請求項５に記載したように、燃料電池および補機を用いて発電する発電部と制御部とを備えた燃料電池ユニットに接続部を介して接続される情報処理装置において、前記燃料電池ユニットに前記接続部を介して電力を供給する電源部と、前記電源部から前記燃料電池ユニットへの電力の供給を制御するとともに、前記接続部を介して前記制御部との通信を制御する電源制御部とを具備し、前記電源制御部は、前記燃料電池の有する電解質膜に含水する含水処理を開始させるコマンドを前記制御部へ送信することを特徴とするものである。
さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係る燃料電池ユニットの制御方法は、請求項８に記載したように、外部機器に接続され、燃料電池および補機を用いて発電する発電部と制御部とを備えた燃料電池ユニットの制御方法において、前記制御部は前記補機の駆動前に、前回の使用時からの経過時間が所定時間を経過しているか否かを判断し、前記制御部は所定時間を経過していると判断した場合、前記補機の少なくとも一部を用いて前記電解質膜に含水させる含水処理を行うことを特徴とするものである。
さらにまた、上述した課題を解決するために、本発明に係る情報処理装置の電力供給方法は、請求項９に記載したように、電解質膜を備えた燃料電池および補機を用いて発電する発電部と制御部とを備えた燃料電池ユニットに接続部を介して接続され、電源制御部を有する情報処理装置の電力供給方法において、前記電源制御部は前記接続部を介して前記燃料電池ユニットに現在時刻を示す情報を送信し、前記燃料電池ユニットが前記電解質膜への含水処理の期間中である場合、前記電源制御部は前記接続部を介して前記燃料電池ユニットの少なくとも前記補機に電力を供給することを特徴とするものである。
本発明に係る燃料電池ユニット、情報処理装置、燃料電池ユニットの制御方法および情報処理装置の電力供給方法によれば、セットアップ処理を行うことにより発電能力の低下を回復することが可能となる。
本発明に係る燃料電池ユニット、その制御方法、情報処理装置および情報処理装置の電力供給方法の第一の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
図２は本発明の燃料電池ユニットの一実施形態を示す外観図である。図２に示すように、この燃料電池ユニット１０は、情報処理装置、例えばノート型パーソナルコンピュータの後部を載置するための載置部１１と、燃料電池ユニット本体１２とから構成される。燃料電池ユニット本体１２には、電気化学反応で発電を行うＤＭＦＣスタックや、ＤＭＦＣスタックに対して燃料となるメタノールや空気を注入、循環させるための補機（ポンプやバルブ等）を内蔵している。
また、燃料電池ユニット本体１２のユニットケース１２ｂ内部の例えば右端に、着脱可能な燃料カートリッジ（図示していない）が内蔵されており、この燃料カートリッジを交換できるように、カバー１２ａは取り外し可能となっている。
載置部１１には情報処理装置が載置される。載置部１１の上面には、情報処理装置と接続するための接続部としてドッキングコネクタ１４が設けられている。一方、情報処理装置の例えば底面後部には、燃料電池ユニットと接続するための接続部としてドッキングコネクタ２１（図示していない）が設けられており、燃料電池ユニット１０のドッキングコネクタ１４と機械的、電気的に接続される。また、載置部１１上に三箇所の位置決め突起１５とフック１６が設けられており、対応して設けられた情報処理装置の底面後部の三箇所の穴に、位置決め突起１５とフック１６が挿入される。
情報処理装置を燃料電池ユニット１０から取り外す時は、図２に示した燃料電池ユニット１０のイジェクトボタン１７を押すことにより、ロック機構（図示していない）の解除が行われて、容易に取り外すことができる。
図３は、情報処理装置１８（例えば、ノート型パーソナルコンピュータ）を燃料電池ユニット１０の載置部１１の上に載置、接続した時の外観を示す図である。
なお、図２、図３に示した燃料電池ユニット１０の形状や大きさ、或いはドッキングコネクタ１４の形状や位置等は、種々の形態が考えられる。
次に、本発明に係る燃料電池ユニット１０の構成について説明する。特に、ＤＭＦＣスタックとその周辺に設けられた補機について、図４に示した系統図を用いて詳説する。
燃料電池ユニット１０は、発電部４０と、燃料電池ユニット１０の制御部である燃料電池制御部４１とから構成される。燃料電池制御部４１は発電部４０の制御を行う他、情報処理装置１８との通信を行う通信制御部としての機能を有する。
発電部４０は、発電を行うための中心となるＤＭＦＣスタック４２を有する他、燃料となるメタノールを収納する燃料カートリッジ４３を有する。燃料カートリッジ４３には高濃度のメタノールが封入されている。燃料カートリッジ４３は、燃料を消費した時には容易に交換できるよう、着脱可能となっている。
また、一般に、ダイレクトメタノール型燃料電池においては、発電効率をあげるにクロスオーバ現象を低減する必要がある。このために高濃度メタノールを希釈して低濃度化し、これを燃料極４７に注入することが有効である。この実現のため、燃料電池ユニット１０では、希釈循環システム６２を採用しており、発電部４０に希釈循環システム６２の実現に必要な補機６３を設ける。具体的には、補機６３として、燃料供給ポンプ４４，混合タンク４５，送液ポンプ４６，混合タンクバルブ４８，送気ポンプ５０，送気バルブ５１，凝縮器５３，冷却ファン５４，水回収タンク５５，水回収ポンプ５６，排気バルブ５７等を配管接続して構成される。
次に、燃料電池ユニット１０の発電部４０の発電メカニズムについて、燃料と空気（酸素）の流れに沿って説明する。
まず、燃料カートリッジ４３内の高濃度メタノールは、燃料供給ポンプ４４によって、混合タンク４５に流入する。混合タンク４５の内部で高濃度メタノールは、回収された水や燃料極４７からの低濃度メタノール（発電反応の残余分）等と混合されて希釈され、低濃度メタノールが生成される。低濃度メタノールの濃度は発電効率の高い濃度（例えば３〜６％）を保てるように制御される。この制御は、例えば、濃度センサ６０の情報を基に燃料供給ポンプ４４によって混合タンク４５に供給される高濃度メタノールの量を制御する。または、混合タンク４５に環流する水の量を水回収ポンプ５６等で制御することによって実現できる。
混合タンク４５で希釈されたメタノール水溶液は送液ポンプ４６で加圧されて、ＤＭＦＣスタック４２の燃料極（負極）４７に注入される。燃料極４７では、メタノールの酸化反応が行われることで電子が発生する。酸化反応で生成される水素イオン（Ｈ＋）はＤＭＦＣスタック４２内の固体高分子電解質膜４２２を透過して空気極（正極）５２に達する。
一方、燃料極４７で行われる酸化反応によって生成される二酸化炭素は、反応に供されなかったメタノール水溶液とともに再び混合タンク４５に環流する。二酸化炭素は混合タンク４５内で気化し、混合タンクバルブ４８を介して、凝縮器５３へ向かい、最終的には排気バルブ５７を介して、排気口５８から外部へ排気される。
他方、空気（酸素）の流れは、吸気口４９から取り込まれ、送気ポンプ５０で加圧され、送気バルブ５１を介し空気極（正極）５２に注入される。空気極５２では、酸素（Ｏ２）の還元反応が進行し、外部の負荷からの電子（ｅ―）と、燃料極４７からの水素イオン（Ｈ＋）と、酸素（Ｏ２）から水（Ｈ２Ｏ）が水蒸気として生成される。この水蒸気は空気極５２から排出され、凝縮器５３に入る。凝縮器５３では、冷却ファン５４によって水蒸気が冷却されて水（液体）となり、水回収タンク５５内に一時的に蓄積される。この回収された水は水回収ポンプ５６によって混合タンク４５へと環流し、高濃度メタノールを希釈するための希釈循環システム６２が構成される。
この希釈循環システム６２による燃料電池ユニット１０の発電メカニズムからわかるように、ＤＭＦＣスタック４２から電力が取り出す、即ち、発電を開始するために、各部のポンプ４４，４６，５０，５６やバルブ４８、５１、５７或いは冷却ファン５４等の補機６３を駆動させる。これによってメタノール水溶液と空気（酸素）がＤＭＦＣスタック４２内に注入されそこで電気化学反応が進行することによって電力が得られる。一方、発電を停止するには、これらの補機６３の駆動を停止することによる。
ところで、燃料電池ユニット１０の、ポンプ４４，４６，５０，５６やバルブ４８，５１，５７は発電部４０内の複数の箇所に配置されて希釈循環システム６２を構成するものである。したがって、これらの補機６３の駆動を相互に整合をとって適切に制御することは、発電の開始、停止時だけでなく、発電中における例えば情報処理装置１８の負荷変動や異常状態発生時において特に重要となる。これらの補機６３の制御は燃料電池ユニット１０の燃料電池制御部４１で行われる。
また、発電能力を回復するためのセットアップ処理もこれらの補機６３を燃料電池制御部４１が制御することによって実施される。
そこで、燃料電池制御部４１の詳細動作について、図５ないし図１０を参照して説明する。
図５は、燃料電池ユニット１０側に設けられる燃料電池制御部４１と通信可能な情報処理装置の一例として、例えば情報処理装置１８の系統を示したものである。情報処理装置１８は、ＣＰＵ６５、主記憶６６、ディスプレイコントローラ６７、ディスプレイ６８、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｃ Ｄｒｉｖｅ）６９、キーボードコントローラ７０、ポインタデバイス７１、キーボード７２、ＦＤＤ（Ｆｌｏｐｐｙ（登録商標） Ｄｉｓｃ Ｄｒｉｖｅ）７３、これら構成品間において信号を伝送するバス７４、バス７４を介して伝送される信号を変換するためのノースブリッジ７５、サウスブリッジ７６と呼ばれるデバイス等から構成される。また、情報処理装置１８の内部に電源部７９を設け、ここに二次電池８０として、例えばリチウムイオン電池を保有している。電源部７９は、電源制御部７７によって制御される。
燃料電池ユニット１０と情報処理装置１８との電気的インタフェースとして制御系インタフェースと電源系インタフェースとを設ける。制御系インタフェースは情報処理装置１８の電源制御部７７と燃料電池ユニット１０の制御部４１との間にて通信を行うために設けられるインタフェースである。制御系インタフェースを介して情報処理装置１８と燃料電池ユニット１０との間で行われる通信は、例えばＩ２Ｃバス７８といったシリアルバスを介して行われる。
電源系インタフェースは、燃料電池ユニット１０と情報処理装置１８との間における電力の授受のために設けられるインタフェースである。例えば、発電部４０のＤＭＦＣスタック４２で発電された電力が燃料電池制御部４１およびドッキングコネクタ１４、２１を介して情報処理装置１８に供給される。また、電源系インタフェースには、情報処理装置１８の電源部７９から、燃料電池ユニット１０内の補機６３等への電力供給８３もある。
なお、情報処理装置１８の電源部７９に対してＡＣアダプタ用コネクタ８１を介してＡＣ／ＤＣ変換された直流電源が供給され、これによって情報処理装置１８の動作、二次電池（リチウムイオン電池）８０の充電が可能である。
図６は、燃料電池ユニット１０の燃料電池制御部４１と、情報処理装置１８の電源部７９との、電気的機能関係を示す構成例である。
燃料電池ユニット１０と情報処理装置１８とはドッキングコネクタ１４、２１によって機械的かつ電気的に接続される。ドッキングコネクタ１４、２１には、燃料電池ユニット１０のＤＭＦＣスタック４２で発電された電力を情報処理装置１８へ供給するための第一の電源端子（出力電源端子）９１および、情報処理装置１８から、燃料電池ユニット１０のマイクロコンピュータ９５にレギュレータ９４を介して電源を供給し、かつ補機用電源回路９７にスイッチ１０１を介して電源を供給するための第二の電源端子（補機用入力電源端子）９２を有する。また、情報処理装置１８からＥＥＰＲＯＭ９９へ電源供給するための第三の電源端子９２ａを有している。
さらに、ドッキングコネクタ１４、２１は情報処理装置１８の電源制御部７７と燃料電池ユニット１０のマイクロコンピュータ９５との通信や、好ましくは書き込み可能な不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）９９との通信、を行うための通信用入出力端子９３を有している。
次に、図６と、図７に示した燃料電池ユニット１０の状態遷移図とを用いて、燃料電池ユニット１０から情報処理装置１８へ、燃料電池ユニット１０のＤＭＦＣスタック４２の電力が供給されるまでの基本的な処理の流れを説明する。その後にセットアップ処理について説明する。
なお、情報処理装置１８の二次電池（リチウムイオン電池）８０には所定の電力が充電されているものとする。また、図６の中のスイッチは全て開いているものとする。
まず、情報処理装置１８の電源制御部７７は、コネクタ接続検出部１１１からの信号をもとに、情報処理装置１８と燃料電池ユニット１０とがドッキングコネクタ１４、２１を介して機械的に接続されたことを認識する。
情報処理装置１８と燃料電池ユニット１０とがドッキングコネクタ１４、２１を介して機械的に接続されると、情報処理装置１８側から第三の電源端子９２ａを介して燃料電池制御部４１の記憶部である不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）９９に電源が供給される。このＥＥＰＲＯＭ９９には、燃料電池ユニット１０の識別情報等が予め記憶される。識別情報には、例えば燃料電池ユニットの部品コードや製造シリアル番号、或いは定格出力などの情報を予め含ませることができる。また、このＥＥＰＲＯＭ９９は、例えば、Ｉ２Ｃバス９３といったシリアルバスに接続されており、ＥＥＰＲＯＭ９９に記憶されているデータは該ＥＥＰＲＯＭ９９に電源が供給されている状態において読み出し可能である。図６の構成では、電源制御部７７が通信用入出力端子９３を介してＥＥＰＲＯＭ９９の情報を読み出すことが可能である。
この状態は、燃料電池ユニット１０は未だ発電を行っておらず、また燃料電池ユニット１０の内部には、ＥＥＰＲＯＭ９９の電源以外は、一切電源が供給されていない状態である。この状態は、図７の状態遷移図では「ストップステート」ＳＴ１０に該当する。
この「ストップステート」ＳＴ１０の状態で、燃料電池ユニット１０に設けられたメインスイッチ１１２が閉じられると、図７の「スタンバイステート」ＳＴ２０に移行する。メインスイッチ１１２は例えば燃料電池ユニット１０の外部に設けられていて、ユーザがスイッチの開閉を行うことができるように構成されており、例えばスライド式のスイッチである。
メインスイッチ１１２が閉じられると、情報処理装置１８のメインスイッチ開閉検出部１１３からの信号を基に情報処理装置１８の電源制御部７７は、メインスイッチ１１２が閉じられたことを認識する。次に、電源制御部７７はＩ２Ｃバス９３を介して燃料電池ユニット１０のＥＥＰＲＯＭ９９に記憶されている燃料電池ユニット１０の識別情報を読み出す。読み出した識別情報から、接続されている燃料電池ユニット１０が情報処理装置１８に適合した燃料電池ユニットであると電源制御部７７が判断した場合、電源制御部７７は、スイッチ１００を閉じる。
スイッチ１００が閉じられると、情報処理装置１８の二次電池８０の電力が第二の電源端子９２を介して、燃料電池制御部４１のマイクロコンピュータ９５に供給される。この状態を「スタンバイステート」ＳＴ２０と呼ぶ。この段階では補機用電源回路９７には未だ電源は供給されておらず、従って補機６３はまだ動作していない。
しかし、マイクロコンピュータ９５は動作しており、情報処理装置１８の電源制御部７７から、Ｉ２Ｃバス７８を介して各種の制御用コマンドを受信することが可能な状態である。また、逆に、燃料電池ユニット１０の電源情報を、同じくＩ２Ｃバスを介して情報処理装置１８へ送信することも可能な状態である。
図９は、情報処理装置１８の電源制御部７７から、燃料電池制御部４１のマイクロコンピュータ９５に送られる制御用コマンドの一例を示したものである。
図１０は、燃料電池制御部４１のマイクロコンピュータ９５から電子１８の電源制御部７７に送られる燃料電池ユニット１０の主な電源情報の一例を示したものである。
情報処理装置１８の電源制御部７７は、図１０の電源情報のうち「ＤＭＦＣ運転状態」を読み取ることによって、燃料電池ユニット１０が「スタンバイステート」ＳＴ２０であること認識できる。
この「スタンバイステート」ＳＴ２０の状態で、電源制御部７７が、図１０に示した制御用コマンドのうち「ＤＭＦＣ運転ＯＮ要求」コマンドを燃料電池制御部４１に送ると、これを受信した燃料電池制御部４１は、燃料電池ユニット１０の状態を「ウォームアップステート」ＳＴ３０に移行させる。
具体的には、マイクロコンピュータ９５からの制御で燃料電池制御部４１のスイッチ１０１を閉じて補機用電源回路９７に情報処理装置１８からの電源を供給する。併せて、マイクロコンピュータ９５からの補機用制御信号によって、発電部４０にある補機６３、即ち、図４に示した各ポンプ４４、４６、５０、５６、バルブ４８、５１、５７及び冷却ファン５４等を駆動させる。さらにマイクロコンピュータ９５は、燃料電池制御部４１のスイッチ１０２を閉じる。
この結果、発電部４０のＤＭＦＣスタック４２に対してメタノール水溶液や空気が注入され、発電が開始される。また、ＤＭＦＣスタック４２による発電電力は、情報処理装置１８に供給が開始される。ただし、発電出力は、瞬時に定格値に達するわけではないため、定格値に達するまでの状態を「ウォームアップステート」ＳＴ３０と呼んでいる。
燃料電池制御部４１のマイクロコンピュータ９５は、例えばＤＭＦＣスタック４２の出力電圧およびＤＭＦＣスタック４２の温度をモニタすることにより、ＤＭＦＣスタック４２の出力が定格値に達したと判断すると、スイッチ１０１を開き、補機６３への電力供給源を情報処理装置１８からＤＭＦＣスタック４２に切り替える。この状態が「オンステート」ＳＴ４０である。
以上が「ストップステート」ＳＴ１０から「オンステート」ＳＴ４０への基本的な処理の流れの概要である。
次に、セットアップ処理およびセットアップ・ステートＳＴ７０の説明をする。
セットアップ処理とは、初回使用時や長期間放置時等に、乾燥した固体高分子電解質膜を含水するための処理のことであり、発電能力の低下を回復させる事を目的とする処理である。セットアップ処理の具体的な方法には種々の態様が考えられるが、まず典型的な実施態様について、図６の系統図、図７の状態遷移図及び図８のフローチャートを用いて説明する。
図７の状態遷移図及び図８のフローチャートに示したように、セットアップ・ステートＳＴ７０は、スタンバイステートＳＴ２０から移行する。
スタンバイステートＳＴ２０の状態では、燃料電池制御部４１のマイクロコンピュータ９５には、情報処理装置１８から第二の電源端子（補機用入力電源端子）９２を介して電源が供給されており、マイクロコンピュータ９５が動作可能となっている状態である。
また、燃料電池制御部４１のＥＥＰＲＯＭ９９にも、第三の電源端子９２ａを介して情報処理装置１８から電源が供給されており動作可能となっている。従って、ＥＥＰＲＯＭ９９に書き込まれた情報をマイクロコンピュータ９５は読み出すことが可能である。
ただし、未だ燃料電池制御部４１のスイッチ１０１は開いており、補機６３には電源は供給されていない。従って、補機６３は駆動しておらず、当然ＤＭＦＣスタック４２も発電を行っていない状態である。
図８に示したフローチャートの最初のステップＳ１０で、マイクロコンピュータ９５は、情報処理装置１８の電源制御部７７から通信用入出力端子９３を介して送られてくるＩ２Ｃバス７８の制御用コマンドデータをモニタする。主な制御用コマンドは例えば図９に示した内容のものである。
制御用コマンドに「ＤＭＦＣ運転ＯＮ要求」（図９の番号１に示したコマンド）が含まれているものが受信されたと判断されると（Ｓ１０のyes）、マイクロコンピュータ９５は、ＥＥＰＲＯＭ９９に記憶されている前回使用年月日（Ｔ１）の値を読み取る（Ｓ１１）。さらにマイクロコンピュータ９５は、情報処理装置１８の電源制御部７７にある現在時刻を示す情報を発生する手段、例えばＲＴＣ（リアルタイムクロック）１１５から現在の年月日（Ｔ２）を、Ｉ２Ｃバスを介して受信し、読み取る。
一般に情報処理装置、特にノート型パーソナルコンピュータ等はＲＴＣ（リアルタイムクロック）を元々内蔵しており、種々の時間に関する処理をサポートしている。従って、このＲＴＣ（リアルタイムクロック）の情報を燃料電池制御部４１で利用すれば燃料電池制御部４１の構成の簡素化が図れる。このため。本実施形態では、情報処理装置１８のＲＴＣ（リアルタイムクロック）１１５のデータを受信し、燃料電池制御部４１のマイクロコンピュータ９５で読み取る構成としている。
なお、図６に示した実施形態では、ＲＴＣ（リアルタイムクロック）１１５は情報処理装置１８の電源制御部７７内に設けているが、他の実施形態、例えばＲＴＣ（リアルタイムクロック）１１５を情報処理装置１８のキーボードコントローラ７０等の内部に設けた構成としても差し支えない。
燃料電池制御部４１のマイクロコンピュータ９５は、前回の使用年月日（Ｔ１）と現在の年月日（Ｔ２）との差ΔＴを算出する（ＳＴ１３）。ΔＴは、燃料電池ユニット１０の前回の使用から今回の使用までの経過時間を示すものである。
次に、ΔＴが所定時間例えば一年以上か否か、或いは初回の使用か否かを判断する。初回の使用か否かは、例えばＥＥＰＲＯＭ９９に記憶される前回使用年月日（Ｔ１）の値を燃料電池ユニット１０の出荷時にゼロに設定しておく、等の方法により判断可能である。二回目以降には、Ｔ１にゼロ以外の値、即ち実際の使用年月日が記憶されるからである。
ΔＴが所定時間、例えば一年以上を経過している、或いは初回の使用であると判断された場合は、セットアップ処理が必要であるという情報を情報処理装置１８の電源制御部７７へ伝える。具体的には、燃料電池ユニット１０の電源情報として、例えば「セットアップ処理必要」という情報をセットし（図１０の番号７参照）、この情報を情報処理装置１８の電源制御部７７が受信し読み取ることで電源制御部７７に伝えることができる（Ｓ１５）。
この後、電源制御部７７は、燃料電池制御部４１に対して、制御用コマンドの一つとして「セットアップ処理要求」コマンド（図９の番号６参照）を送信する（ＳＴ１６）。
このコマンドを受けた燃料電池制御部４１は、燃料電池ユニット１０の状態をセットアップ・ステートＳＴ７０に移行させる。具体的には、燃料電池ユニット１０の補機６３のうち、特に送液ポンプ４６を一定の時間作動させることにより、ＤＭＦＣスタック４２の固体高分子電解質膜４２２を含水させる。
この結果、乾燥していた固体高分子電解質膜４２２は水分を吸収し、ＤＭＦＣスタック４２は低下していた発電能力を回復する。
送液ポンプ４６の一定の時間の作動が終了した後は、燃料電池制御部４１は情報処理装置１８の電源制御部７７に対してセットアップ処理が終了したことを伝える。この方法は、例えば電源情報の「セットアップ処理終了」（図１０の番号８）をセットすることで可能である。
電源情報の「セットアップ処理終了」を読み取った電源制御部７７は、セットアップ処理の終了を許可するコマンドとして、「セットアップ処理終了要求」コマンドを燃料電池制御部４１に送り返す（ＳＴ２０）。
燃料電池制御部４１は、ＥＥＰＲＯＭ９９に記憶されている前回の使用年月日（Ｔ１）を電源制御部７７のＲＴＣ（リアルタイムクロック）１１５の現在の年月日（Ｔ２）に書き換えた後、スタンバイステートＳＴ３０に戻る。
以上が、セットアップ処理の基本的な処理の流れである。
なお、図６に示した第一の実施形態では、セットアップ処理期間の補機６３、特に送液ポンプ４６の電力は、第二の電源端子（補機用入力電源端子）を介して情報処理装置１８の二次電池８０から供給を受ける構成としている。この理由は、燃料電池ユニット１０に接続される情報処理装置は一般的に二次電池を内蔵しているものが多く、この電力をセットアップ処理において利用することとすれば、燃料電池ユニット１０自体には二次電池が不要となるため、燃料電池ユニット１０の構成が簡素になりコストの低減も図れるからである。
一方、燃料電池ユニット１０自体に二次電池を内蔵した第二の実施形態も可能である。この形態では、接続される情報処理装置が二次電池を内蔵しないものであってもセットアップ処理を行うことができる。
また、第一の実施形態では、経過時間ΔＴ（前回の使用年月日と現在の年月日の差）の判定のための構成に、燃料電池制御部４１のＥＥＰＲＯＭ９９と電源制御部７７のＲＴＣ（リアルタイムクロック）１１５を用いて構成しているが、これ以外の構成であっても経過時間ΔＴの判定が可能な構成であれば本発明に係る燃料電池ユニットを実施できる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
燃料電池（ＤＭＦＣ）の動作原理説明図。 本発明に係る燃料電池ユニットの一実施形態を示す外観図。 上記燃料電池ユニットに本発明に係る情報処理装置に一実施形態を接続した状態の外観図。 上記燃料電池ユニットの発電部を主とした系統図。 上記燃料電池ユニットに上記情報処理装置を接続した状態の系統図。 上記燃料電池ユニットと上記情報処理装置の第一の実施形態を説明する系統図。 セットアップ処理を持つ燃料電池ユニットの状態遷移図。 セットアップ処理のフローチャート。 本発明に係る燃料電池ユニットに対する主な制御用コマンドを示す図。 本発明に係る燃料電池ユニットの主な電源情報を示す図。
符号の説明
１０ 燃料電池ユニット
１４ ドッキングコネクタ（燃料電池ユニット側）
１８ 情報処理装置
２１ ドッキングコネクタ（情報処理装置側）
４０ 発電部
４１ 燃料電池制御部
４２ ＤＭＦＣスタック
４２２ 固体高分子電解質膜
４６ 送液ポンプ
５０ 送気ポンプ
５１ 送気バルブ
５７ 排気バルブ
６３ 補機
７７ 電源制御部
７９ 電源部
８０ 二次電池
９５ マイクロコンピュータ
９７ 補機用電源回路
９９ 不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）

Claims (9)

  1. 外部機器との接続に用いられる接続部と、
    前記接続部を介して前記外部機器に供給される電力を、電解質膜を備えた燃料電池を用いて発電する発電部と、
    前記発電部に設けられ、前記燃料電池に少なくとも燃料と空気を注入する補機と、
    前記補機の駆動前に、前回の使用時からの経過時間が所定時間を経過しているか否かを判断し、所定時間を経過していると判断した場合は、前記補機の少なくとも一部を用いて前記電解質膜に含水させる含水処理を行う制御部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池ユニット。
  2. 前記制御部は、
    記憶部と、
    前記接続部を介して前記外部機器と通信する通信制御部とを備え、
    前記記憶部に記憶された前回の使用時を示す時刻情報と、前記通信制御部が前記接続部を介して前記外部機器から受信した現在の時刻を示す情報とから、前記経過時間を求めることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
  3. 前記制御部は、前記外部機器から前記接続部を介して供給される電力を用いて前記セットアップ処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
  4. 前記制御部は、前記燃料電池ユニットの初回使用時に前記含水処理をおこなうことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
  5. 燃料電池および補機を用いて発電する発電部と制御部とを備えた燃料電池ユニットに接続部を介して接続される情報処理装置において、
    前記燃料電池ユニットに前記接続部を介して電力を供給する電源部と、
    前記電源部から前記燃料電池ユニットへの電力の供給を制御するとともに、前記接続部を介して前記制御部との通信を制御する電源制御部とを具備し、
    前記電源制御部は、前記燃料電池の有する電解質膜に含水する含水処理を開始させるコマンドを前記制御部へ送信することを特徴とする情報処理装置。
  6. 前記電源制御部は、現在時刻を示す情報を発生する手段を備え、
    前記接続部を介して前記制御部へ現在時刻を示す情報を送信することを特徴とする請求項５に記載の情報処理装置。
  7. 前記含水処理の期間中、前記電源制御部は前記接続部を介して前記電源部から前記燃料電池ユニットの少なくとも前記補機へ電力を供給することを特徴とする請求項５に記載の情報処理装置。
  8. 外部機器に接続され、燃料電池および補機を用いて発電する発電部と制御部とを備えた燃料電池ユニットの制御方法において、
    前記制御部は前記補機の駆動前に、前回の使用時からの経過時間が所定時間を経過しているか否かを判断し、
    前記制御部は所定時間を経過していると判断した場合、前記補機の少なくとも一部を用いて前記電解質膜に含水させる含水処理を行うことを特徴とする燃料電池ユニットの制御方法。
  9. 電解質膜を備えた燃料電池および補機を用いて発電する発電部と制御部とを備えた燃料電池ユニットに接続部を介して接続され、電源制御部を有する情報処理装置の電力供給方法において、
    前記電源制御部は前記接続部を介して前記燃料電池ユニットに現在時刻を示す情報を送信し、
    前記燃料電池ユニットが前記電解質膜への含水処理の期間中である場合、前記電源制御部は前記接続部を介して前記燃料電池ユニットの少なくとも前記補機に電力を供給することを特徴とする情報処理装置の電力供給方法。
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