JP2006040742A - 燃料電池残時間演算装置及び燃料電池残時間表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 異なる環境で使用する可能性の高い機器や、携帯機器などの移動可能性の高い機器において、精度よく燃料残時間を求めるための技術を提供する。
【解決手段】 燃料電池本体１と、燃料容器３と、燃料量Ｑの変化ΔＱを算出する流量計５と、燃料電池により駆動される機器の負荷２１に流れる電力を計測する電力計７と、初期燃料入力部１１と、残時間演算部１５と、残時間表示部１７と、を有している。燃料容器から流れ出す燃料量と出力電力とをリアルタイムに、或いは、ある時間毎にサンプリングし、以下に示す演算で残時間を求める。ある期間での燃料残量Ｑ(t)は、Ｑ(t)＝（Ｑo−∫₀ ^ｔΔＱ(t)・dt）、また燃料利用効率をα(t)は、α(t)∝ΔＰ(t)/ΔＱ(t)となり、残時間Ｔは、Ｔ∝Ｑ(t)*α(t)で表される。ここでＱoは初期燃料量。単位時間に使用された燃料の量ΔＱを流量計５により測定する。また、単位時間に出力した電力ΔＰを電力計７により求める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池残時間演算装置及び燃料電池残時間表示装置に関し、特に、燃料電池を駆動源とする燃料電池搭載型携帯機器における燃料電池残時間演算装置及び表示装置に関する。

燃料電池には各種方式があるが、液体燃料であるメタノールを燃料として使用し、該メタノールの供給を受けて電気化学反応により発電する直接メタノール型燃料電池が知られている。該電池はＤＭＦＣ方式（Direct Methanol Fuel Cell）燃料電池と呼ばれメタノールを利用し水素と酸素との化学反応に基づいてエネルギーを得るため、環境に優しいクリーンな電源として期待されている。

近年、携帯電話、モバイル用ＡＶ機器等の携帯型機器が飛躍的に増加してきており、今後もさらに需要の拡大が予測されている。これらの携帯型機器の電源としては、従来鉛電池、Ｌｉイオン電池、Ｎｉ／Ｃｄ電池、Ｎｉ／水素電池などのいわゆる充電型の二次電池が使用されてきた。これらの携帯型機器は 充電設備が無いところで使用される場合が多く、一旦、二次電池を使い切ってしまうと使用出来なくなってしまう課題を有している。

また、現在ではガソリンの化学反応を利用した自動車においても動力源として燃料電池を搭載した車両も実用化の段階に入りつつある。このような自動車に用いられる燃料電池の場合は、燃料タンクの残量を測定する際に、燃料パイプに設けられた流量計と、燃料タンク内に投入する燃料の初期値を入力する入力器と、入力器により入力された燃料の初期値から流量計により計測された燃料量を減算して燃料残量を演算する演算回路と、演算回路から出力された燃料残量を表示する表示器とを備える残量計測装置が記載されている（例えば特許文献１参照）。流量計３は、燃料パイプの途中に設けられた渦発生体と、渦発生体の上流側静圧と下流側静圧との圧力差ΔＰを計測する圧力センサ３２、３３とを有し、圧力差ΔＰに基づき燃料パイプ内を流れる燃料流量Ｑを演算する。上記特許文献１に記載の技術によれば、燃料に関して流体の流れに基づいて燃料量Ｑを求めることができる。

特開平１１-２３０８１３号公報

上記の技術は、流体の圧力差に基づいて得られた燃料流量Ｑを初期値から減算することにより、現在の燃料残量を求めるものである。この方法は、燃料である流体の流れが定常的に安定している状況となる固定機器の場合には、比較的精度良く燃料残量を求めることができる。しかしながら、上記の方法には以下のような問題がある。

まず第１に、モバイル機器などの携帯型機器に適用する場合では、機器の天地逆転状態での使用やその方向や傾きが大きく変わり、メタノール溶液を封入した容器の位置も大きく変わってしまうことになる。このような使用環境下で利用する場合には、流体力学に基づく上記理論自体における誤差が大きくなり、正確な燃料残量を求めることができなくなる。第２に、燃料残量の問題が顕在化するモバイル機器への応用を考慮すると、燃料の流量に基づく上記の方法自体が適用できなくなる。

本発明は、前記のような異なる環境で使用する可能性の高い機器や、携帯型機器などの移動可能性の高い機器において、精度よく燃料残量を求めるための技術を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、燃料を収容する燃料容器と、該燃料容器に収容された燃料により駆動対象に電力を供給する燃料電池本体と、を有する燃料電池の残時間演算回路であって、前記駆動対象に対してある期間内に出力した電力と、前記燃料容器から前記ある期間内に流出した燃料の量と、に基づいて燃料利用効率を求め、該燃料利用効率と前記流出した燃料の量から求めた現在の燃料残量とに基づいて該燃料残量により前記駆動対象を駆動できる駆動可能時間を演算する燃料電池の残時間演算装置が提供される。

上記燃料電池の残時間演算装置によれば、ある期間内において実際の負荷に供給される電力を測定し、それに基づいて求めたある期間内における燃料利用効率を求める。このある期間内における燃料利用効率が全ての期間内において略一定であるという仮定により燃料電池に関する使用可能な残期間を演算するため、状況に即した使用可能な残期間を精度良く求めることができる。

さらに、前記燃料電池の燃料利用効率に影響を与える使用環境の変化を検出する環境モニタを有することを特徴とする。前記環境モニタにより通常使用温度範囲から外れた環境変化が検出された場合に、新たな燃料利用効率を求めることを特徴とする。これにより、新たな環境変化に適応して精度良く燃料電池の残時間を求めることができる。

本発明によれば、実際の負荷に供給される電力を測定し、それに基づいて求めた燃料利用効率により燃料電池の残時間を演算するため、残時間を精度良く求めることができる。さらに、燃料電池の消費効率に影響を与える使用環境の変化を検出する環境モニタを有することにより、環境モニタにより通常使用温度範囲から外れるような環境変化が検出された場合に、新たな燃料利用効率を求めることができ、新たな環境変化に適応して精度良く燃料の残時間を求めることができる。

本明細書において、燃料電池の残時間とは、ある時点においてこれから使用可能と推定される時間を指す。尚、残時間の代わりに燃料がフルに充填されている時点からの割合を例えばパーセント表示させる方法でも良い。以下、本発明の第１の実施の形態による燃料電池残時間表示装置について、図面を参照しつつ説明を行う。図１は、本実施の形態による燃料電池残時間表示装置の構成例を示す機能ブロック図である。図１に示すように、本実施の形態による燃料電池残時間表示装置を備えた燃料電池Ａは、燃料電池本体１と、燃料容器３と、燃料の燃料量Ｑの変化ΔＱを算出する流量計５と、燃料電池により駆動される機器の負荷２１に流れる電力を計測する電力計（Ｐ）７と、初期燃料入力部（Ｑ）１１と、残時間演算部（ｔ）１５と、残時間表示部１７と、を有している。この燃料電池Ａにおいては、燃料容器から流れ出す燃料量と出力電力とをリアルタイムに、或いは、ある時間毎にサンプリングし、以下に示す演算を行うことにより残時間（ここでは、今後に使用することができる時間Ｔ）を求める。

ある時間での燃料残量(Ｑ(t))は、Ｑ(t)＝（Ｑo−∫₀ ^ｔΔＱ(t)・dt）、また燃料利用効率をα(t)とすると、α(t)∝ΔＰ(t)/ΔＱ(t)となり、残時間Ｔは、（１）式で表される。

Ｔ∝Ｑ(t)*α(t) （１）

ここで、燃料容器３には、決められた量Ｑoの燃料を入れる。燃料の流量計で、一定時間に使用された燃料の量ΔＱ(t)を流量計５により測定する。また、燃料電池よりこの一定時間に出力した電力を（ΔＰ(t)）を電力計７により求める。燃料の利用効率に相当する値であるΔＰ(t)／ΔＱ(t)は、ΔＰ(t)やΔＱ(t)は異なる処理を行うとそれぞれ異なる値を取るため、サンプリング毎に異なる値となる可能性があるが、同じ機器を使用している場合には、短時間で見れば燃料の利用効率に相当する値であるΔＰ(t)／ΔＱ(t)はほぼ一定の値をとると仮定して良い。これに初期時点からｔだけ経過した際の燃料の残量（Ｑ(t)）を乗算することで、燃料電池が動作可能な時間を演算により推測することができる。すなわち、ΔＰ(t)、ΔＱ(t)、Ｑ(t)をパラメータとして、式（１）より現状の動作モードにおける動作可能な残時間Ｔが演算できる。これを残時間表示部１７に表示する。或いは、初期燃料で動作可能な時間と残時間との割合を表示するようにしても良い。

尚、初期燃料量入力部１１における（Ｑo）の入力は、例えば燃料供給スタンドからの燃料量を磁気カードやＩＣカードに書き込み、この書き込みに基づく値をカードから読み取りすることにより演算部１５に出力するようにしても良いし、或いは、手入力を行っても良い。

以上、本実施の形態による燃料電池残時間表示装置によれば、初期燃料量からある時間経過した時点までの燃料消費量の電力への変換効率に基づいて、残りの燃料量に基づく動作可能時間を推定するため、より実際の使用状況に適した使用可能残時間の推定が可能となる。

次に、本発明の第１の実施の形態の変形例による燃料電池残時間表示装置について説明を行う。上記第１の実施の形態による燃料電池残時間表示装置においては、初期燃料導入時からある期間ｔだけ経過した時点までの燃料の電力への変換効率に基づいて、ｔ経過時からの燃料残時間に基づく動作可能時間を演算することを特徴としている。これに対して本変形例による燃料電池残時間表示装置においては、初期燃料導入量とは異なるある時点での現在燃料残量Ｑ1を求め、このＱ1の値に基づいて、以下の（２）式に基づいて動作可能時間Ｔを演算することができる。

燃料利用効率をα1(t)とすると、α1(t)∝ΔＰ1(t)/ΔＱ1(t)となり、残時間Ｔは以下の（２）式で表される。

Ｔ∝Ｑ1*α1(t) （２）

ここで、ΔＰ１(t)は、ある時間ｔ１における出力電力量であり、ΔＱ１(t)は、ｔ１における燃料消費量（燃料電池の容器から流出する燃料の量に相当する）であり、Ｑ１は、ｔ１の始期における燃料の残量である。（２）式によれば、初期導入燃料の量が不明であっても、例えば燃料残量計などに基づくＱ１を用いることで、任意のある時点における使用環境に応じた使用可能な残時間を精度良く求めることができるという利点がある。

次に、本発明の第１の実施の形態の第２変形例による燃料電池残時間表示装置について説明を行う。本変形例による燃料電池残時間表示装置は、式（２）における（ΔＰ１／ΔＱ１）のサンプリング（計算）を、複数の時間帯において行うことを特徴とする。前述のように、ΔＰ1(t)／ΔＱ1(t)は、機器が同じであればそれほど変化しないが、使用環境が異なると変化する可能性が高い。そこで、複数の時間帯における平均的な燃料消費に基づいてより精度の高い燃料残時間の推測を行うことができる。或いは、直近の燃料消費量に基づく利用効率をより重視する（大きな重み付けを行う）ことにより、動作可能な残時間の推測の精度を向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態による燃料電池残時間表示装置について図面を参照しつつ説明を行う。図２は、本実施の形態による燃料電池残時間表示装置の一構成を示す機能ブロック図である。図２に示す燃料電池残時間表示装置は、図１に示す装置に加えて、環境モニタ２３を有していることを特徴とする。環境モニタとは、燃料電池の消費効率に影響を与える環境を測定する手段を指す。例えば温度モニタを例にして説明を行う。温度モニタ２３は、機器における燃料電池周囲の温度を測定するモニタであり、演算部１５における演算の精度を向上させる機能を有する。本実施の形態においては、モニタとして温度モニタを例にして説明する。温度もモニタ２３による温度検出処理をリアルタイムで行っておく。そして、温度がある一定の範囲内にある場合、例えば、20℃から30℃の間の通常使用温度範囲内では、初期燃料Ｑから上記（１）式に基づいて得られた燃料利用効率（Δｉ／ΔＱ）／Δｔ）と現在の燃料量とに基づいて、残っている燃料により使用可能な時間を算出する。これに対して、温度モニタにより上記通常使用温度範囲よりも高い温度又は低い温度への変化が検出された場合には、その温度に応じて上述の方法と同様の方法による新たな燃料利用効率を求める。そして、この新たな燃料利用効率ΔＰ(t)’／ΔＱ(t)’と、その時点における燃料残量と、に基づいて、新たな環境（温度条件）における使用可能時間を求めることができる。

さらに、温度の変化を温度モニタが検出した場合には、新たに検出された温度における燃料利用効率を求め、次の温度変化を検出するまでは、新たに検出された温度における使用可能時間を求めることができる。このように、新たな温度変化を検出する度に、その温度条件における燃料利用効率を第１の実施の形態による方法と同様にして求めることにより、精度の良い使用可能期間を推測することができる。特に、モバイル機器に利用した場合に、環境が変化するケースが多いため、このような場合に特に利用すると便利である。

尚、本実施の形態においては、温度モニタを利用して環境の変化に応じて変化する使用可能期間を演算して精度の良い予測を行う技術を例にして説明したが、他に用いることができる環境モニタとしては、湿度モニタ、気圧モニタを独立して、或いは、組み合わせて用いても良い。尚、温度モニタなどの環境モニタによる測定値と燃料の消費効率との関係を理論的に求め、或いは経験的に求めた検量線を記憶させて利用しても良いし、現在の演算値との偏差を求め、利用可能時間の演算値を検量線又は理論値に近づく方向に補正しても良い。

次に、本発明の第３の実施の形態による電子機器であって、上記第１の実施の形態又は第２の実施の形態による燃料電池残時間表示装置を利用した電子機器について図面を参照しつつ説明を行う。図３は、本実施の形態による電子機器であって、上記各実施の形態による燃料電池残時間表示装置を利用した電子機器の構成例を示す概観図であり、図４は、電子機器の内部構成例を示す機能ブロック図である。図３に示すように、本実施の形態による電子機器は、例えば携帯が可能なモバイルパーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」と称する。）である。本実施の形態によるＰＣ５１は、機器本体８１と、この機器本体８１と対向する位置に配置され機器本体８１に対して開閉可能に構成された蓋部８３と、を有している。蓋部８３には、ＬＣＤ表示部８５が設けられている。本体部８１には、ＰＣ用電源ボタン５３と、キーボード８７と、蓋部８３の開閉検知スイッチ５８ｂと、燃料電池５２を収容するための収容部７５であって、燃料電池５２を挿入した際に、ＰＣと燃料電池５２とのインターフェイスを形成するインターフェイス部７２と、を有する収容部７５と、を有している。燃料電池５２には、燃料電池の周辺温度をモニタリングする温度センサ５４が設けられている。

図４は、図３に示すＰＣと燃料電池との構成例を示す図である。燃料電池は、図１又は図２に示す燃料電池残時間表示装置を有している。図４に示すように、本実施の形態による燃料電池搭載型ＰＣ５１は、機器本体部８１と、燃料電池５２と、機器の電源操作スイッチ５３とを含んで構成されている。燃料電池５２からＰＣ５１の電源回路１０７に出力される電力は、例えばＰＣ５１に設けられた電力計により検出することができる。ＰＣ５１内の電源操作スイッチは、電源回路１０７を介して、ＰＣの電源操作スイッチ５３をオンにすると、燃料電池５２からの電力が電源回路１０７を介して、ＰＣの各種回路１０６（ＰＣ各回路１０６ａと液晶回路１０６ｂとその他の回路１０６ｃとを含む）に供給される。燃料電池５２と電源回路１０７との間には、燃料電池から供給される電力を検出する電力計１０５が設けられている。電力計１０５により検出される電力に基づいて、上記第１の実施の形態又は第２の実施の形態による方法による残り使用可能時間を求める演算を行う演算部１１１と、この演算部１１１により求めた使用可能時間を上記ＬＣＤ表示部８５に表示させるための表示制御部１１３を有している。さらに、燃料電池５２に設けられた温度センサ５４に基づいて温度に基づく使用可能時間の演算に基づく補正を行う補正処理部１１３ａを有している。

上記ＰＣによれば、燃料電池の残時間を精度良く求めることができ、これに基づいて利用可能時間を表示させることができる。なお、構成については、流量計、燃料電池本体、センサ等を機器本体に格納し、燃料容器のみを、交換方式にすることも容易に推定できる。

以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態により制限されるものではないことは言うまでもない。上記各実施の形態では、携帯型電子機器について説明したが、据え置き型の液晶テレビなどの電子機器にも適用可能であることは言うまでもない。例えば、電力計と燃料使用量とに基づいて燃料の利用効率を求めたが、電流や電圧から求めても良い。

ＰＣ以外の、他の電子機器にも適用可能であることはいうまでもない。例えば、本発明は、携帯端末（ＰＤＡや携帯電話を含む）や、ポータブルＣＤ／ＭＤプレーヤ、モバイル液晶テレビなどにも応用可能である。

本発明の第１の実施の形態による燃料電池残時間表示装置の構成例を示す機能ブロック図である。 本発明の第２の実施の形態による燃料電池残時間表示装置について図面を参照しつつ説明を行う。 本発明の第３の実施の形態による電子機器であって、上記第１の実施の形態又は第２の実施の形態による燃料電池残時間表示装置を利用した電子機器について図面を参照しつつ説明を行う。 図３に示すＰＣと燃料電池との構成例を示す図である。

符号の説明

Ａ…燃料電池、１…燃料電池本体、３…燃料容器、５…流量計、
７…電力計、８…タイマ、１１…初期燃料入力部、１５…演算部、１７…残時間表示部、２１…負荷、２３…環境モニタ。

Claims (11)

1. 燃料を収容する燃料容器と該燃料容器に収容された燃料により駆動対象に電力を供給する燃料電池本体とを有する燃料電池の残時間演算回路であって、
   前記駆動対象に対してある期間内に出力した電力と、前記燃料容器から前記ある期間内に流出した燃料の量と、に基づいて燃料利用効率を求め、該燃料利用効率と前記流出した燃料の量から求めた現在の燃料残量とに基づいて該燃料残量により前記駆動対象を駆動できる駆動可能時間を演算する燃料電池の残時間演算装置。
2. 前記ある期間内における燃料利用効率と、前記ある期間経過後の燃料の残量と、を乗算することにより、前記駆動対象を動作可能な時間を演算することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の残時間演算装置。
3. 前記ある期間は、前記燃料タンクに燃料を導入した時点から開始する期間であることを特徴とする請求項１又は２に記載の残時間演算装置。
4. 前記ある期間は、前記燃料タンクに燃料を導入した時点からある時間だけ経過した時点から開始する期間であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池の残時間演算装置。
5. 前記演算を複数の時間帯において行うことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の燃料電池の残時間演算装置。
6. 前記演算において直近の時間帯における演算値に対してよりそれ以前の演算値よりも大きな重み付けを行うことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の残時間演算装置。
7. さらに、前記燃料電池の燃料利用効率に影響を与える環境変化を検出する環境モニタを有することを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の燃料電池の残時間演算装置。
8. 前記環境モニタにより通常の使用環境から外れた環境変化が検出された場合に、新たな燃料利用効率を求めることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の残時間演算装置。
9. 請求項１から８までのいずれか１項に記載の燃料電池の残時間演算装置に加えて、前記演算部により演算された前記駆動可能時間を表示する表示部を有することを特徴とする燃料電池の残時間表示装置。
10. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の燃料電池の残時間演算装置を備えた電子機器。
11. 燃料を収容する燃料容器と、
    該燃料容器に収容された燃料により駆動対象に電力を供給する燃料電池本体と、
    前記駆動対象に対してある期間内に出力した電力を測定する電力計と、
    前記燃料容器から前記ある期間内に流出した燃料の量を測定する流量計と、
    前記電力計により測定された電力の量と前記流量計により測定された燃料の消費量と、に基づいて燃料利用効率を求め、該燃料利用効率と前記流出した燃料の量から求めた現在の燃料残量とに基づいて前記燃料残量により前記駆動対象を駆動できる駆動可能時間を演算する演算部と、
    を有する燃料電池残時間演算機能付き燃料電池。

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