JP2006107789A - 燃料電池ユニット、基板ユニット、および動作制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各セルの電圧を効果的に測定して適切な処理を行うことができるようにする。
【解決手段】ＤＭＦＣスタックにおいては、セルに相当する複数のＭＥＡがそれぞれセパレータ２０２を介して積層されている。このＤＭＦＣスタックには、電圧監視基盤２１０が取り付けられる。コンタクト２１４は、基板２１０の下側の面に設けられ、複数のセパレータ２０２にそれぞれ対向するように配列された複数の弾性体を有する。回路２１２は、基板２１０の上側の面に設けられ、コンタクト２１４を通じて得られる各セルの電圧値を測定する。
【選択図】 図１３

Description

本発明は、例えばダイレクトメタノール方式の燃料電池ユニット、基板ユニット、および動作制御方法に関する。

燃料電池の方式には種々のものがあるが、情報処理装置に適するものとして、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ： Direct Methanol Fuel Cell）が挙げられる。この種の燃料電池には、複数のセルがそれぞれセパレータを介して積層されたセルスタックが適用される。セルスタックにおいては、燃料供給のバランスなどが崩れると、特定のセルの電圧が他のセルの電圧に比べて低下する現象が起こることがある。この場合、発電を続行すると、セルが破壊される可能性がある。そのため、異常なセルを事前に検知してシステムに障害が生じないように工夫する必要がある。

セルスタックを構成する複数のセルの電圧をそれぞれ測定する技術としては、例えば特許文献１が挙げられる。この文献には、複数のセパレータの側面にそれぞれ弾性部材を用いて圧接するための複数個の電圧測定端子を有する固定プレートをセルスタックに取り付け、各電圧測定端子をリード線でコネクタに接続し、このコネクタを電圧測定装置に接続することにより、各セルの電圧を測定することが開示されている。
特開２００３−１５１６１３号公報

しかしながら、上記文献の技術では、各セルの電圧を測定するためにはリード線などが必要となるため、構成が煩雑となる。また、構成が複雑であるため、故障率の増加やコストアップにつながるという問題がある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、各セルの電圧を効果的に測定して適切な処理を行うことができる燃料電池ユニット、基板ユニット、および動作制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池ユニットは、複数のセルがそれぞれセパレータを介して積層されたセルスタックと、前記セルスタックに取り付けられる基板とを具備し、前記基板は、前記基板を前記セルスタックに取り付けた際、前記セルスタックにおける前記複数のセパレータにそれぞれ接触するように配列された複数の弾性体を有する端子と、前記基板を前記セルスタックに取り付けた際、前記複数の端子を通じて得られる各セルの電圧値を測定する回路とを具備することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池ユニットは、複数のセルがそれぞれセパレータを介して積層されたセルスタックと、負荷が電気的に接続された状態で前記セルスタックにおける前記複数のセルの電圧値をそれぞれ測定し、所定値を下回る電圧値のセルがある場合に前記負荷を電気的に切断する制御手段とを具備することを特徴とする。

また、本発明に係る基板ユニットは、複数のセルがそれぞれセパレータを介して積層されたセルスタックに装着するための基板ユニットであって、前記セルスタックに取り付けられる基板と、前記基板は、前記基板を前記セルスタックに取り付けた際、前記セルスタックにおける前記複数のセパレータにそれぞれ接触するように配列された複数の弾性体を有する端子と、前記基板を前記セルスタックに取り付けた際、前記複数の端子を通じて得られる各セルの電圧値を測定する回路とを具備することを特徴とする。

また、本発明に係る動作制御方法は、複数のセルがそれぞれセパレータを介して積層されたセルスタックを備えた燃料電池ユニットに適用される動作制御方法であって、負荷が電気的に接続された状態で前記セルスタックにおける前記複数のセルの電圧値をそれぞれ測定し、所定値を下回る電圧値のセルがある場合に前記負荷を電気的に切断することを特徴とする。

本発明によれば、各セルの電圧を効果的に測定して適切な処理を行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池ユニットを示す外観図である。図１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１２ａ内部の例えば左端に、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１２ｂ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１０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。

また、燃料電池ユニット本体１２の例えば右側面には、発電設定スイッチ１１２と燃料電池運転スイッチ１１６が設けられる。

発電設定スイッチ１１２は、燃料電池ユニット１０での発電を許可或いは禁止するためにユーザが予め設定するためのスイッチであり、例えばスライド型スイッチで構成される。

燃料電池運転スイッチ１１６は、例えば、燃料電池ユニット１０で発電される電力で情報処理装置１８が動作している時に、情報処理装置１８の動作は継続しつつ燃料電池ユニット１０での発電のみを停止させるような場合等に用いる。この場合、情報処理装置１８は内蔵された二次電池の電力を用いて動作を継続することになる。燃料電池運転スイッチ１１６は、例えばプッシュスイッチ等で構成される。

図２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１、図２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。

図３は、燃料電池ユニット１０の系統図を示したものであり、特にＤＭＦＣスタックとその周辺に設けられた補機について細部の系統を示している。

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、発電効率をあげるため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。

補機６３には液体流路に設けられるものと気体流路に設けられるものがある。

液体流路に設けられる補機６３の接続関係は、燃料電池カートリッジ４３の出力部から燃料供給ポンプ４４が配管接続され、さらに燃料供給ポンプ４４の出力部から混合タンク４５に接続される。さらに、混合タンク４５の出力部は送液ポンプ４６に接続され、送液ポンプ４６の出力部はＤＭＦＣスタック４２の燃料極４７に接続される。燃料極４７の出力部は混合タンク４５に配管接続される。また、水回収タンク５５の出力部は水回収ポンプ５６に配管接続され、水回収ポンプ５６は混合タンク４５へ接続される。

一方、気体流路においては、送気ポンプ５０が送気バルブ５１を介してＤＭＦＣスタック４２の空気極５２に接続される。空気極５２の出力部は凝縮器５３に接続される。また、混合タンク４５からも、混合タンクバルブ４８を介して凝縮器５３に接続される。凝縮器５３は排気バルブ５７を介して排気口５８に接続される。この凝縮器５３には、水蒸気を効果的に凝縮するフィンが備えられている。また、冷却ファン５４は凝縮器５３の近傍に配設される。

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。この濃度制御は、例えば、濃度センサ６０の検出結果を基に、燃料電池制御部４１が燃料供給ポンプ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ことによって実現される。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。

また、混合タンク４５には、混合タンク４５内のメタノール水溶液の液量を検出する液量センサ６１や、温度を検出する温度センサ６４が備えられており、これらの検出結果は燃料電池制御部４１に送られて発電部４０の制御などに使用される。

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。

図４は、本発明に係る燃料電池ユニット１０が接続される情報処理装置１８のシステム構成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 Disk 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、ＦＤＤ７３、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、制御部７７（以降、電源制御部７７と記載する）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制御部４１（以降、燃料電池制御部４１と記載する）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５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、接続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、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５に示した接続図と、図６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に設けられる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。

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５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は、コネクタ接続検出部１１１から出力される信号に基いて、情報処理装置１８と燃料電池ユニット１０とが機械的および電気的に接続されたことを認識する。この認識は、コネクタ接続検出部１１１が例えばコネクタ接続検出部１１１へ入力される信号に基いて、ドッキングコネクタ１４、２１の接続によって燃料電池ユニット１０の内部で接地されることを検出することによって行われる。

また、情報処理装置１８の電源制御部７７は、燃料電池ユニット１０の発電設定スイッチ１１２の設定が発電許可設定であるか発電禁止設定であるかを認識する。例えば、発電設定スイッチ検出部１１３へ入力される信号に基いて、発電設定スイッチ検出部１１３が発電設定スイッチ１１２の設定状態に応じて接地状態であるか或いは解放状態であるか否かを検出する。発電設定スイッチ１１２が解放状態である場合は、電源制御部７７は発電禁止設定として認識する。

発電設定スイッチ１１２が発電禁止設定である状態は、図６の状態遷移図において「ストップステート（０）」ＳＴ１０に相当する状態である。

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この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５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。

この状態においては、燃料電池ユニット１０は発電を行っておらず、また燃料電池ユニット１０の内部の状態は、ＥＥＰＲＯＭ９９の電源以外は電源が供給されていない状態である。

ここで、ユーザが発電設定スイッチ１１２の設定を発電許可設定に設定すると（図５では発電設定スイッチを接地状態側に設定する）、情報処理装置１８に設けられる電源制御部７７は、燃料電池ユニット１０に設けられるＥＥＰＲＯＭ９９に記憶された識別情報を読み出すことが可能となる。この状態が、図６の「ストップステート（１）」ＳＴ１１の状態である。

換言すると、ユーザが発電設定スイッチ１１２を発電許可設定に設定しない限り、即ち発電禁止設定の設定である限り、「ストップステート（０）」ＳＴ１０の状態であり、燃料電池ユニット１０における発電を禁止することが可能である。

なお、発電設定スイッチは、例えばスライドスイッチ等のように開または閉の状態をいずれか一方の状態に保持できるものが好ましい。

電源制御部７７による識別情報の読み出しは、Ｉ2Ｃバス７８といったシリアルバスを介して燃料電池ユニット１０に設けられる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ことによって行われる。

電源制御部７７が読み出された識別情報に基いて、情報処理装置１８に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判断した場合、図６の状態は、「ストップステート（１）」ＳＴ１１から「スタンバイステート」ＳＴ２０に遷移する。

具体的には、情報処理装置１８に設けられる電源制御部７７は、情報処理装置１８に設けられるスイッチ１００を閉じることによって、二次電池８０の電力を第１の電源端子９２を介して燃料電池ユニット１０へ供給し、レギュレータ９４を介してマイクロコンピュータ９５へ電源が供給される。

この「スタンバイステート」ＳＴ２０の状態では、燃料電池ユニット１０に設けられるスイッチ１０１は開いており、補機用電源回路９７には電源は供給されていない。従って、この状態において補機６３は動作していない。

しかしながら、マイクロコンピュータ９５は動作を開始しており、情報処理装置１８に設けられる電源制御部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、マイクロコンピュータ９５は、燃料電池ユニット１０の電源情報を、Ｉ2Ｃバスを介して情報処理装置１８へ送信可能な状態である。

図７は、情報処理装置１８に設けられる電源制御部７７から、燃料電池制御部４１に設けられる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図である。

図８は、燃料電池制御部４１に設けられるマイクロコンピュータ９５から情報処理装置１８に設けられる電源制御部７７に送られる電源情報の一例を示した図である。

情報処理装置１８に設けられる電源制御部７７は、図８の電源情報のうち「ＤＭＦＣ運転状態」（図８の番号１）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であること認識する。

この「スタンバイステート」ＳＴ２０の状態で、電源制御部７７が、図７に示した制御用コマンドのうち「ＤＭＦＣ運転ＯＮ要求」コマンド（発電開始コマンド）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からの制御によって燃料電池制御部４１に設けられるスイッチ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から送信される補機用制御信号によって、発電部４０に設けられる補機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に設けられたスイッチ１０２を閉じる。

この結果、発電部４０に設けられる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に設けられる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、燃料電池ユニット１０に設けられるスイッチ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への処理の流れの概要である。

以下、上述したＤＭＦＣスタック４２（図５参照）における各セルの電圧を効果的に測定して適切な処理を行う手法について説明する。
ＤＭＦＣスタック４２内の各セルの出力は、燃料供給のバランスがとれている場合には、各セルの出力も均等となっている。しかし、燃料供給のバランスが何らかの要因により崩れてしまうと、各セルの出力のバランスも崩れてしまうことがある。そのほか、温度分布などの要因により各セルの出力のバランスが崩れることもある。

図９は、燃料供給が減少した場合のセルの電流−電圧特性を示す図である。
燃料供給の減少が起こった場合と起こらない場合とを比較すると、燃料供給の減少が起こった場合の方が、出力電流値が減少することがわかる。すなわち、出力電力が低下することとなる。セルを直列接続するスタック構造の場合、スタックを構成する各セルの電流値は同じとなる。しかし、出力バランスが崩れた場合には出力電圧値が各セルで異なることになる。このとき、出力の落ちたセルの効率は低下し、発熱も大きくなる。他のセルの負荷は場合によっては軽くなるが、スタック全体での効率は低下し、発熱が大きくなってしまう。更に、出力の低い状態で発電を続けた場合、転極によりセルが破壊される場合がある。故障したセルは発電不能となり、高抵抗状態となる。そのため、スタックの出力が上がらず、最悪の場合にはスタックが使用不能となってしまうことも考えられる。

本実施形態では、以下に説明する手法により、このような不具合を未然に防止することができる。

ＤＭＦＣスタック４２内の複数のセルは直列に接続されている。燃料供給のバランスが一定に保たれている場合には、図１０のように各セルの電圧は同じになり、効率良く電力を供給することができる。一方、燃料供給のバランスが大きく崩れると、図１１のように特定のセルの電圧が低くなる可能性があり、この場合に発電を継続すると電力供給の効率が悪化するとともに発熱量も増加し、やがてセルの破壊に至ることがある。

このようなことを未然に防止するためには、低電圧のセルの発生を検知し、検知した内容に基づいて適切な制御を行うことが好ましい。

図１２は、電圧監視基板が取り付けられたＤＭＣＦスタック４２を上から見た図である。また、図１３は、電圧監視基板が取り付けられたＤＭＣＦスタック４２を横から見た図である。

ＤＭＦＣスタック４２は、セルに相当する発電部としてのＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）２０１及び燃料流路となるセパレータ２０２の積層構造となっている。この積層構造の両端には、エンドプレート２０３が接合されている。

ＤＭＦＣスタック４２の上部には、電圧監視基板（基板ユニット）２１０が取り付けられている。この電圧監視基板２１０は、取り付けねじ２１１により開口部２１０Ａを通じてエンドプレート２０３に固定される。

電圧監視基板２１０の下側の面には、複数のセパレータ２０２にそれぞれ対向するように配列された複数のコンタクト２１４が実装されている。複数のコンタクト２１４は、複数のセパレータ２０２とそれぞれ電気的に接続するための端子であり、対向するセパレータ２０２にそれぞれ圧接されている。

また、電圧監視基板２１０の上側の面には、ＬＳＩなどから成る回路２１２及びコネクタ２１３が実装されている。回路２１２は、複数のコンタクト２１４を通じて得られる各セルの電圧値を測定し、図５に示される燃料電池制御部１０側のマイクロコンピュータ９５へ通知すべきデータの生成処理などを行う。コネクタ２１３は、電圧監視基板２１０とマイクロコンピュータ９５との間で信号の送受を行うための信号線を接続したりするものである。

図１４は、コンタクト２０２が実装される電圧監視基板２１０の裏面を示す斜視図である。また、図１５は、図１４に示したコンタクト２０２を横から見た側面図である。

複数のコンタクト２０２は、図１４及び図１５に示されるように、例えばシールドフィンガータイプのコンタクトのコンタクトである。シールドフィンガータイプのコンタクト２１４は、セパレータ２０２に圧接される弾性体部分２１４Ａと基板に接地される固定部分とから構成されている。弾性体部分２１４Ａは、セパレータ２０２に圧接される部分である。また、個々のコネクタ２１４は、基板上の配線２１５を通じて前述の回路２１２に電気的に接続されている。

また、上記コンタクト２１４を実装する代わりに、図１６に示すようなスプリングプローブタイプのコンタクト２１６を実装するようにしてもよい。このコンタクト２１６は、セパレータ２０２に圧接される移動体部分２１６Ａと基板に接地される固定部分２１６Ｂとから構成されている。

このようにコネクタ２１６を用いることにより、図１７に示されるようにセパレータ２０２のばらつきがある場合にも、電気的な接続を確実に行うことができる。また、各端子にリード線を接続する必要がないため、燃料電池ユニット内における複数のリード線による煩雑さを省くことができる。

また、電圧監視基板２１０に実装された回路２１２などに障害が生じた場合には、電圧監視基板２１０を交換するだけで済むという利点がある。基板の交換は、取り付けねじ２１１をはずすだけで簡単に行うことができる。
また、電圧監視基板２１０上の回路２１２は、コンタクト２１４が実装される面とは異なる面に実装されているので、配線を少なくすることができ、回路構成を簡潔にすることができ、製造上の困難性を低減している。また、検査やメンテナンスなどを行いやすい。

また、ＤＭＦＣスタック４２上のわずかなスペースを電圧監視基板２１０の配置に有効に利用しているので、極めてコンパクトな構成を実現しているといえる。

次に、図１８のフローチャートを参照して、電圧監視の動作を説明する。
まず、ＤＭＦＣスタック４２による発電動作が無負荷の状態で開始される（ステップＳ１）。これにより、燃料電池ユニット１０の状態は、例えば図６にて説明した「ストップステート（０）」ＳＴ１０から、「ストップステート（１）」ＳＴ１１、「スタンバイステート」ＳＴ２０、「ウォームアップステート」ＳＴ３０、「オンステート」ＳＴ４０へと順次遷移する。

マイクロコンピュータ９５（図５参照）は、ＤＭＦＣスタック４２の電圧値を得て、その電圧値が規定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ここで、ＤＭＦＣスタック４２の電圧値が規定値未満の場合、異常とみなし、ＤＭＦＣスタック４２による発電動作を停止する（ステップＳ３）。このとき、燃料電池ユニット１０の状態は、例えば「ストップステート（０）」ＳＴ１０へ遷移する。一方、ＤＭＦＣスタック４２の電圧値が規定値以上の場合、正常とみなし、マイクロコンピュータ９５は、電圧監視基板２１０を用いた各セルの電圧監視を開始する（ステップＳ４）。

マイクロコンピュータ９５は、電圧監視基板２１０上の回路２１２を通じて、ＯＣＶ監視を実行し、無負荷時の状態における各セルが規定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。ここで、電圧値が規定値未満のセルがある場合には、異常とみなし、ＤＭＦＣスタック４２による発電動作を停止する（ステップＳ３）。このとき、燃料電池ユニット１０の状態は、例えば「ストップステート（０）」ＳＴ１０へ遷移する。一方、ＤＭＦＣスタック４２の電圧値が規定値以上の場合、正常とみなし、マイクロコンピュータ９５は、負荷が電気的に接続された状態での各セルの電圧監視を開始する（ステップＳ６）。

ここで、全てのセルが規定値以上であれば、発電を継続する（ステップＳ８）。一方、電圧値が規定値未満のセルがある場合には、負荷を電気的に切断する（ステップＳ９）。

負荷を切断した後、マイクロコンピュータ９５は、電圧監視において電圧値が規定値未満となった回数（以下、ＮＧ回数と呼ぶ）が何回目であるかを判定する（ステップＳ１０）。ＮＧ回数が規定回数未満である場合には、該当するセルを正常に復帰させるため、例えば、無負荷状態で定常よりも流量を上げてリフレッシュを行う等といったリフレッシュ処理を行う（ステップＳ１１）。このとき、燃料電池ユニット１０の状態は、例えば「リフレッシュステート」ＳＴ６０へ遷移する。リフレッシュ処理を終了した後はステップＳ５へ進む。このとき、燃料電池ユニット１０の状態は、例えば「オンステート」ＳＴ４０へ遷移する。一方、ＮＧ回数が規定回数以上である場合には、異常とみなし、ＤＭＦＣスタック４２による発電動作を停止する（ステップＳ３）。このとき、燃料電池ユニット１０の状態は、例えば「ストップステート（０）」ＳＴ１０へ遷移する。

このような動作によれば、セルに異常が生じた場合にその旨を電圧監視基板２１０を通じて確実に検出することができ、マイクロコンピュータ９５は適切な処理（発電の停止や復帰処理）を施すので、セルが破壊する等といった不具合を未然に防止することができる。

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よい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池ユニットを示す外観図。 上記燃料電池ユニットに情報処理装置を接続した状態を示す外観図。 上記燃料電池ユニットの発電部の構成を主に示す系統図。 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を示す系統図。 上記燃料電池ユニット及び上記情報処理装置の構成を示す系統図。 上記燃料電池ユニット及び上記情報処理装置の状態遷移図。 上記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。 上記燃料電池ユニットの主な電源情報を示す図。 燃料供給が減少した場合のセルの電流−電圧特性を示す図。 燃料電池のセルの直列構造と電圧バランスにおける各セルのバランスが完全な場合を説明するための図。 燃料電池のセルの直列構造と電圧バランスにおける特定のセルのバランスが極端に悪い場合を説明するための図。 電圧監視基板が取り付けられたＤＭＣＦスタックを上から見た図。 電圧監視基板が取り付けられたＤＭＣＦスタックを横から見た図。 コンタクトが実装される電圧監視基板の裏面を示す斜視図。 電圧監視基板の裏面に実装されるコンタクトの一例を示す側面図。 電圧監視基板の裏面に実装されるコンタクトの別の例を示す側面図。 図１３のＤＭＦＣスタックにおいてセパレータの長さにばらつきがある場合の例を示す側面図。 電圧監視の動作を示すフローチャート。

符号の説明

１０…燃料電池ユニット、１１…載置部、１２…燃料電池ユニット本体、１４…ドッキングコネクタ、４０…発電部、４１…燃料電池制御部、４２…ＤＭＦＣスタック、４３…燃料カートリッジ、４４…燃料供給ポンプ、４５…混合タンク、４６…送液ポンプ、４７…燃料極（負極）、４８…混合タンクバルブ、５０…送気ポンプ、５１…送気ポンプ、５２…空気極（正極）、５３…凝縮器、５４…冷却ファン、５５…水回収タンク、５６…水回収ポンプ、５７…排気バルブ、５８…排気口、６０…濃度センサ、６１…液量センサ、６２…希釈循環システム、６３…補機、６４…温度センサ、２０１…ＭＥＡ、２０２…セパレータ、２０３…エンドプレート、２１０…電圧監視基盤、２１１…取り付けねじ、２１２…回路、２１３…コネクタ、２１４，２１６…コンタクト。

Claims (15)

1. 複数のセルがそれぞれセパレータを介して積層されたセルスタックと、
   前記セルスタックに取り付けられる基板とを具備し、
   前記基板は、
   前記基板を前記セルスタックに取り付けた際、前記セルスタックにおける前記複数のセパレータにそれぞれ接触するように配列された複数の弾性体を有する端子と、
   前記基板を前記セルスタックに取り付けた際、前記複数の端子を通じて得られる各セルの電圧値を測定する回路とを具備することを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 前記端子は、前記基板の第１の面に設けられ、
   前記回路は、前記基板の前記第１の面とは異なる第２の面に設けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池ユニット。
3. 前記回路によって測定された前記複数のセルの電圧値の中で所定値を下回る電圧値のセルがある場合に負荷を電気的に切断する制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の燃料電池ユニット。
4. 前記制御手段は、
   前記回路によって測定された前記複数のセルの電圧値の中で所定値を下回る電圧値のセルがあった場合の回数をカウントする手段と、
   前記カウント手段によってカウントされた回数が所定値未満の場合、リフレッシュ処理を開始する手段とをさらに具備することを特徴とする請求項３記載の燃料電池ユニット。
5. 前記制御部は、前記カウント手段によってカウントされた回数が所定値以上の場合、ストップ処理を開始する手段をさらに具備することを特徴とする請求項３記載の燃料電池ユニット。
6. 複数のセルがそれぞれセパレータを介して積層されたセルスタックと、
   負荷が電気的に接続された状態で前記セルスタックにおける前記複数のセルの電圧値をそれぞれ測定し、所定値を下回る電圧値のセルがある場合に前記負荷を電気的に切断する制御手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池ユニット。
7. 前記制御手段は、発電開始の際に負荷が電気的に切断された状態で前記セルスタックの電圧値を測定し、その電圧値が所定値以上である場合に前記複数のセルの電圧値をそれぞれ測定する処理を行うことを特徴とする請求項４記載の燃料電池ユニット。
8. 前記制御手段は、
   前記測定された前記複数のセルの電圧値の中で所定値を下回る電圧値のセルがあった場合の回数をカウントする手段と、
   前記カウント手段によってカウントされた回数が所定値未満の場合、リフレッシュ処理を開始する手段とをさらに具備することを特徴とする請求項６又は７記載の燃料電池ユニット。
9. 前記制御部は、前記カウント手段によってカウントされた回数が所定値以上の場合、ストップ処理を開始する手段をさらに具備することを特徴とする請求項６記載の燃料電池ユニット。
10. 複数のセルがそれぞれセパレータを介して積層されたセルスタックに装着するための基板ユニットであって、
    前記セルスタックに取り付けられる基板と、
    前記基板は、
    前記基板を前記セルスタックに取り付けた際、前記セルスタックにおける前記複数のセパレータにそれぞれ接触するように配列された複数の弾性体を有する端子と、
    前記基板を前記セルスタックに取り付けた際、前記複数の端子を通じて得られる各セルの電圧値を測定する回路とを具備することを特徴とする基板ユニット。
11. 前記端子は、前記基板の第１の面に設けられ、
    前記回路は、前記基板の前記第１の面とは異なる第２の面に設けられることを特徴とする請求項１０記載の基板ユニット。
12. 複数のセルがそれぞれセパレータを介して積層されたセルスタックを備えた燃料電池ユニットに適用される動作制御方法であって、
    負荷が電気的に接続された状態で前記セルスタックにおける前記複数のセルの電圧値をそれぞれ測定し、
    所定値を下回る電圧値のセルがある場合に前記負荷を電気的に切断することを特徴とする動作制御方法。
13. 発電開始の際に負荷が電気的に切断された状態で前記セルスタックの電圧値を測定し、
    その電圧値が所定値以上である場合に前記複数のセルの電圧値をそれぞれ測定する処理を行うことを特徴とする請求項１２記載の動作制御方法。
14. 前記制御手段は、
    前記回路によって測定された前記複数のセルの電圧値の中で所定値を下回る電圧値のセルがあった場合の回数をカウントする手段と、
    前記カウント手段によってカウントされた回数が所定値未満の場合、リフレッシュ処理を開始する手段とをさらに具備することを特徴とする請求項１２又は１３記載の動作制御方法。
15. 前記制御部は、前記カウント手段によってカウントされた回数が所定値以上の場合、ストップ処理を開始する手段をさらに具備することを特徴とする請求項１４記載の動作制御方法。

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