JP2006147179A - 燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の濃度検出を支障なく行うことができるようにする。
【解決手段】混合タンク４５とＤＭＦＣスタック４２との間で燃料水溶液を還流させる第１の流路のほか、混合タンク４５より送出される燃料水溶液を上記第１の流路上の分岐を経由して混合タンク４５へと還流させる第２の流路が設けられる。濃度センサ６０は、この第２の流路を流れる燃料水溶液の燃料濃度を検出する。燃料電池制御部４１は、濃度センサ６０の検出結果から得られる燃料濃度が所定の状態を示す場合に、補機の動作量を変化させることによって上記第２の流路中の燃料水溶液の流れを変化させる。この制御により、濃度センサ６０が設けられた流路部分に気泡またはごみが停滞しているような場合にはそれらを取り除くことができる。また、濃度センサ６０は第１の流路に設けられていないので、熱による悪影響を受けずに済む。
【選択図】 図３

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おいては、希釈循環システムを採用しており、システム内で循環するのは低濃度のメタノール水溶液である。発電によるメタノールの消費に対しては高濃度のメタノールを補充し、水の消費に対しては化学反応により生成される水を回収することで補充を行っている。このため、補充される高濃度のメタノールと水とを混合してメタノール水溶液を生成するための混合タンクが備えられている。

発電を支障なく継続させるためには、ＤＭＦＣセルへ供給されるメタノール水溶液中のメタノール濃度が所定の範囲内に収まるように維持する必要がある。そのメタノール濃度の検出には濃度センサが使用される。濃度センサは、一般に、メタノール水溶液が混合タンクからＤＭＦＣセルへと供給される燃料供給流路に設置される。濃度センサの種類としては、液体の中を通過するパルスの音速や屈折率を利用するものがよく採用される。

発電中においては、燃料供給流路の中のメタノール水溶液は、その温度は６０度程度もしくはそれ以上となるため、気泡を含む場合がある。また、何らかの原因で燃料供給流路にごみが混入されることも考えられる。そのような場合、濃度センサが設置されている場所において気泡等が停滞することがある。この状態が続くと、正確な濃度検出が行えなくなり、発電に支障をきたすことになる。

気泡を取り除く手法としては、例えば特許文献１の技術が挙げられる。この文献には、メタノール濃度の計算結果があらかじめ設定した基準範囲の中に入っていなければ、濃度センサに泡が付着している可能性があるため、燃料供給流路に設けられるポンプの動作量を変更することが開示されている。
特開２００４−９５３７６号公報（図５、段落００４５など）

ところで、ＤＭＦＣは、メタノール水溶液の温度が６０度程度の状態で効率よく発電するものとなっている。これに対し、６０度程度の燃料が流れる燃料供給流路に設置される濃度センサは、一般に、４０度以下の温度で正しく動作する。このため、６０度程度の熱を直接受ける濃度センサは、正しい濃度検出を行えなくなり、制御に支障をきたす可能性がある。特に、液体の中を通過するパルスの音速や屈折率を利用する濃度センサの場合には、そのような問題が起こりやすい。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、燃料の濃度検出を支障なく行うことができる燃料電池ユニット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、燃料電池と、前記燃料電池より送出される水蒸気を凝縮することで得られる水と燃料とを混合して前記燃料電池へ供給するための燃料水溶液を生成する混合タンクと、前記混合タンクと前記燃料電池との間で燃料水溶液を還流させる第１の流路と、前記第１の流路に設けられ、当該第１の流路中の燃料水溶液の流れを制御する補機と、前記混合タンクより送出される燃料水溶液を前記第１の流路上の分岐を経由して前記混合タンクへと還流させる第２の流路と、前記第２の流路に設けられ、当該第２の流路中の燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサと、前記濃度センサの検出結果から得られる燃料濃度が所定の状態を示す場合に、前記補機の動作量を変化させることによって前記第２の流路中の燃料水溶液の流れを変化させるコントローラ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、燃料電池と、前記燃料電池より送出される水蒸気を凝縮することで得られる水と燃料とを混合して前記燃料電池へ供給するための燃料水溶液を生成する混合タンクと、前記混合タンクから送出される燃料水溶液の濃度を検出する濃度センサと、前記混合タンクと前記濃度センサとの間で燃料水溶液を還流させる流路と、前記流路に設けられ、当該流路中の燃料水溶液の流れを制御する補機と、前記濃度センサの検出結果から得られる燃料濃度が所定の状態を示す場合に、前記補機の動作量を変化させることによって前記流路中の燃料水溶液の流れを変化させるコントローラと、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、燃料電池と、燃料と前記燃料電池より送出される水蒸気を凝縮することで得られる水とを混合して前記燃料電池へ供給するための燃料水溶液を生成する混合タンクと、前記混合タンクと前記燃料電池との間で燃料水溶液を還流させる第１の流路と、前記混合タンクより送出される燃料水溶液を前記第１の流路上の分岐を経由して前記混合タンクへと還流させる第２の流路と、前記第２の流路に設けられ、当該第２の流路中の燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサとを具備し、前記濃度センサは、前記流路のうち、燃料水溶液が重力に逆らう方向に流れている流路部分に取り付けられていることを特徴とする。

本発明によれば、燃料の濃度検出を支障なく行うことができる。

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。

液体流路においては、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の出力部は送液バルブ３１を介してＤＭＦＣスタック４２の燃料極４７に接続される。さらに燃料極４７の出力部は混合タンク４５に配管接続される。このように送液ポンプ４６の動力により液体が混合タンク４５へ還流する液体流路を「第１の液体流路」と称するものとする。なお、送液ポンプ４６は、燃料極４７の入力側に設ける代わりに、燃料極４７の出力側に設けるようにしてもよい。また、送液バルブ３１は、必ずしも必要とされるものではない。

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の出力部は混合タンク４５に接続される。

上記第１の液体流路における送液ポンプ４６と燃料極４７との間には分岐が設けられ、この分岐を経由してメタノール水溶液を混合タンク４５へと還流させる別の流路（パイプ等）が設けられる。この流路を、「第２の液体流路」と称するものとする。第２の液体流路は、メタノール水溶液中のメタノール濃度の検出を行うために設けられた専用の流路である。第２の液体流路には、送液ポンプ３２が設けられ、この送液ポンプ３２の出力部は濃度センサ６０を介して混合タンク４５に接続される。なお、送液ポンプ３２は、必ずしも必要とされるものではない。

また、濃度センサ６０は、第１の液体流路から第２の液体流路に流入するメタノール水溶液（温度が６０度もしくはそれ以上となっている）が冷めてその温度が例えば４０度以下となる流路部分に取り付けられる。これにより、濃度センサ６０が熱による悪影響を受けないようにすることができる。

また、濃度センサ６０が濃度検出を行うのに必要なメタノール水溶液の量は、少量（発電部４０内で使用されるメタノール水溶液全体と比較すれば無視できる程度）で済む。すなわち、第２の液体流路の内径は第１の液体流路の内径よりもかなり小さくなっており、第２の液体流路に流入するメタノール水溶液の量はかなり少量である。これにより、ＤＭＦＣスタック４２への燃料供給に悪影響を及ぼさずに済むようになっている。

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づいて、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、図３および図９〜図１２を参照しつつ、前述の濃度センサ６０に関して説明する。
図９は、濃度センサ６０の構成例を説明するための図である。
濃度センサ６０は、前述した第２の液体流路（送液ポンプ４６から送り出されるメタノール水溶液が第１の液体流路から分岐して混合タンク４５へ還流する液体流路）に設置される。この場合、濃度センサ６０は、当該第２の流路のうち、メタノール水溶液が重力に逆らう方向、すなわちメタノール水溶液が下から上へ流れる方向（例えば鉛直方向）に流れている流路部分に取り付けられている。こうした流路部分においては、メタノール水溶液よりも比重が小さい気泡等は、上方へ抜けやすく、流路の途中で停滞する確率は低い。また、気泡等が停滞した場合であっても、後述する制御によってメタノール水溶液の流れを変化させることにより、停滞していた気泡等が上方へ抜けやすい。

また、濃度センサ６０は、前述したように、第１の液体流路から第２の液体流路に流入するメタノール水溶液（温度が６０度もしくはそれ以上となっている）が冷めてその温度が例えば４０度以下となる流路部分に取り付けられる。これにより、濃度センサ６０が熱による悪影響を受けないようになっている。

濃度センサ６０は、例えば音速センサと呼ばれるものが適用される。なお、音速センサに限らず、最終的にメタノール濃度を計測できるものであれば、他の種類のセンサを適用してもよい。音速センサを適用する場合には、濃度センサ６０は、例えば、送信端６０Ａ、受信端６０Ｂ、センサＩＣ６０Ｃ、及び温度センサ（サーミスタ）６０Ｄを有する。なお、送信端６０Ａと受信端６０Ｂとの間に上記流路部分が位置するようにする。

送信端６０Ａは、受信端６０Ｂへ向けて所定のパルスを定期的に発信するものである。受信端６０Ｂは、受信端６０Ｂから発信されるパルスを受信するものである。センサＩＣ６０Ｃは、送信端６０Ａからパルスが発信されるタイミングと受信端でパルスが受信されるタイミングとの差に基づき、パルスが上記流路部分におけるメタノール水溶液中を通過したときの音速を検出するものである。メタノール濃度が高いときは音速が低くなり、メタノール濃度が低いときには音速が高くなる傾向がある。センサＩＣ６０Ｃにおける検出結果は、燃料電池制御部４１に通知される。また、温度センサ６０Ｄは、上記流路部分において流れるメタノール水溶液の温度を検出するものである。メタノール水溶液中のメタノールの濃度は、メタノール水溶液の温度に応じて変化することが知られている。このため、温度センサ６０Ｄにより検出される温度も、メタノール濃度の計測に使用される。温度センサ６０Ｄにおける計測結果は、燃料電池制御部４１に通知される。

燃料電池制御部４１は、センサＩＣ６０Ｃおよび温度センサ６０Ｄでの計測結果に基づき、メタノール水溶液におけるメタノール濃度を求める。具体的には、燃料電池制御部４１は、メタノール濃度と音速との相関関係に基づき、計測された音速からメタノール濃度を求める。さらに、このメタノール濃度の値を、温度センサ６０Ｄにより計測された温度に応じて補正する。なお、こうした最終的なメタノール濃度の算出を、センサＩＣ６０Ｃの内部で行うように構成してもよい。

燃料電池制御部４１は、このようにして得られたメタノール濃度が、一定時間継続して所定の濃度範囲を逸脱している状態（もしくは不変となる状態）にあるか否かに応じて、「異常」又は「正常」の判定を行う。例えば、図１０に示されるように、メタノール濃度が一定時間継続して例えば０．３〜１．５[mol/l]を逸脱している状態（もしくはメタノール濃度の値が一定時間継続して不変となる状態）になっていれば、濃度センサ６０が設けられた流路部分に気泡またはごみが停滞している等の異常な状態が発生している可能性があるものと判断する。一方、このような状態にならず、メタノール濃度が０．３〜１．５[mol/l]の範囲内に収まっていれば正常であると判断する。

また、燃料電池制御部４１は、上記「異常」が発生したと判断した場合には、補機を制御することによって、第２の液体流路中のメタノール水溶液の流れを変化させる。これにより、濃度センサ６０が取り付けられている流路部分におけるメタノール水溶液の流れにも変化が生じ、停滞している気泡等が揺さぶられ、当該流路部分から気泡等が除去されることが期待される。

図１１は、異常な状態が発生したと判断されたときに気泡等を除去するのに有効となる補機の種類とその処理動作とを分類して示す図である。
第１の液体流路に設けられる送液ポンプ４６は、ＤＭＦＣスタック４２の燃料極４７へメタノール水溶液を供給するために必要な補機であるため、標準仕様として設けられている。この送液ポンプ４６の回転数を変化させるか、もしくはその回転数を周期的に増減させる（即ち、脈動させる）ことにより、濃度センサ６０が取り付けられている流路部分におけるメタノール水溶液の流れが変化するので、その流路部分を停滞している気泡等を除去するのに有効となる。

第１の液体流路に設けられる送液バルブ３１は、オプションとして設けられるものである、必ずしも必要とされるものではないが、この送液バルブ３１が設けられた場合には、その絞り量を変化させるか、もしくはその絞り量を周期的に増減させる（即ち、脈動させる）ことにより、濃度センサ６０が取り付けられている流路部分におけるメタノール水溶液の流れが変化するので、その流路部分を停滞している気泡等を除去するのに有効となる。

第２の液体流路に設けられる送液ポンプ３２は、オプションとして設けられるものであり、必ずしも必要とされるものではないが、この送液ポンプ３２が設けられた場合には、その回転数を変化させるか、もしくはその回転数を周期的に増減させる（即ち、脈動させる）ことにより、濃度センサ６０が取り付けられている流路部分におけるメタノール水溶液の流れが変化するので、その流路部分を停滞している気泡等を除去するのに有効となる。

なお、送液ポンプ４６の回転数、送液バルブ３１の絞り量、送液ポンプ３２の回転数のいずれか１つを変化（又は脈動）させることで、気泡等を除去することも可能であるが、送液ポンプ４６の回転数の変化（又は脈動）と送液バルブ３１の絞り量の変化（又は脈動）とを連動させるか、もしくは、送液ポンプ４６の回転数の変化（又は脈動）と送液ポンプ３２の回転数の変化（又は脈動）とを連動させることも可能である。この場合、濃度センサ６０が取り付けられている流路部分におけるメタノール水溶液の流れを確実に変化させることができ、その流路部分を停滞している気泡等を効果的に除去することができる。

次に、図１２を参照して、燃料電池制御部４１によるメタノール水溶液中のメタノール濃度の監視動作について説明する。
いま、燃料電池ユニット１０内においては、ＤＭＦＣスタック４２が通常の発電動作をしている「オンステート」ＳＴ４０（図６参照）の状態にある。

燃料電池制御部４１は、濃度センサ６０の検出結果を読み取ってメタノール水溶液中のメタノール濃度を得る（ステップＳ１）。そして、燃料電池制御部４１は、得られたメタノール濃度が所定の濃度範囲から逸脱しているか否かを判定する（ステップＳ２）。

ここで、得られたメタノール濃度が所定の濃度範囲に収まっていれば、ステップＳ１へ戻り、同じ処理を繰り返す。一方、得られたメタノール濃度が所定の濃度範囲から逸脱する異常値を示していれば、一定時間が経過するのを待つ（ステップＳ３）。

一定時間が経過したら、燃料電池制御部４１は、メタノール濃度が異常値のままであるか否かを判定する（ステップＳ４）。メタノール濃度が所定の濃度範囲に収まっている場合には、ステップＳ１からの処理を繰り返す。一方、メタノール濃度が異常値のままであれば、濃度センサ６０が設けられた流路部分に気泡またはごみが停滞している等の異常な状態が発生している可能性があるものとみなし、正常な状態に回復させるための回復処理が必要であると判断する。

また、得られたメタノール濃度が所定の濃度範囲に収まっていても、一定時間継続してメタノール濃度が不変となっている場合には、異常な状態が発生したものとみなし、正常な状態に回復させるための回復処理が必要であると判断するものとする。

燃料電池制御部４１は、回復処理が必要であると判断した場合、回復処理を実行する（ステップＳ５）。この回復処理においては、燃料電池制御部４１は、送液ポンプ４６の回転数、送液バルブ３１の絞り量、送液ポンプ３２の回転数のいずれか１つ、もしくはこれらの組合せを変化（又は脈動）させることによって、濃度センサ６０が取り付けられている流路部分におけるメタノール水溶液の流れを変化させる。

上記回復処理を行った後、メタノール濃度が所定の濃度範囲に収まる正常な状態に戻ったか否かを判定する（ステップＳ６）。正常な状態に戻っていれば、上記ステップＳ１からの処理を繰り返す。一方、正常な状態に戻っていなければ、発電部（発電システム）４０の動作を停止させる（ステップＳ７）。

このように本実施形態によれば、濃度センサ６０の検出結果から得られる燃料濃度が異常な状態を示す場合に、送液ポンプ４６の回転数、送液バルブ３１の絞り量、送液ポンプ３２の回転数のいずれか１つ、もしくはこれらの組合せを変化（又は脈動）させることにより、濃度センサ６０が取り付けられている流路部分におけるメタノール水溶液の流れを確実に変化させることができ、その流路部分を停滞している気泡等を効果的に除去することができる。また、回復処理を行っても異常な状態が続く場合には、発電部４０を停止させるので、危険を回避することができる。

また、濃度センサ６０は、メタノール水溶液が重力に逆らう方向に流れている流路部分に取り付けられるため、流路の途中で停滞する確率は低い。気泡等が停滞した場合であっても、補機を制御して水溶液の流れを変化させたときに気泡等が上方へ抜けやすいという利点がある。

また、濃度センサ６０は、第１の液体流路から第２の液体流路に流入するメタノール水溶液（温度が６０度もしくはそれ以上となっている）が冷めてその温度が例えば４０度以下となる流路部分に取り付けられるため、濃度センサ６０が熱による悪影響を受けないようにすることができる。

また、濃度センサ６０が濃度検出を行うのに必要なメタノール水溶液の量は発電部４０内で使用されるメタノール水溶液全体と比較すれば無視できる程度であり、第２の液体流路に流入するメタノール水溶液の量はかなり少量であるため、ＤＭＦＣスタック４２への燃料供給に悪影響を及ぼさずに済む。

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。 図３中に示される濃度センサの構成例を説明するための図。 メタノール水溶液中のメタノール濃度に応じて正常又は異常が判断されることを説明するための図。 異常な状態が発生したと判断されたときに気泡等を除去するのに有効となる補機の種類とその処理動作とを分類して示す図。 燃料電池制御部によるメタノール水溶液中のメタノール濃度の監視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、６０Ａ…送信端、６０Ｂ…受信端、６０Ｃ…センサＩＣ、６０Ｄ…温度センサ、６１…液量センサ、６２…希釈循環システム、６３…補機、６４…温度センサ。

Claims (12)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池より送出される水蒸気を凝縮することで得られる水と燃料とを混合して前記燃料電池へ供給するための燃料水溶液を生成する混合タンクと、
   前記混合タンクと前記燃料電池との間で燃料水溶液を還流させる第１の流路と、
   前記第１の流路に設けられ、当該第１の流路中の燃料水溶液の流れを制御する補機と、
   前記混合タンクより送出される燃料水溶液を前記第１の流路上の分岐を経由して前記混合タンクへと還流させる第２の流路と、
   前記第２の流路に設けられ、当該第２の流路中の燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサと、
   前記濃度センサの検出結果から得られる燃料濃度が所定の状態を示す場合に、前記補機の動作量を変化させることによって前記第２の流路中の燃料水溶液の流れを変化させるコントローラと
   を具備することを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 前記補機はポンプを含み、
   前記コントローラは前記ポンプの回転数を変化させることによって前記第２の流路中の燃料水溶液の流れを変化させ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. 前記補機はポンプを含み、
   前記コントローラは前記ポンプの回転数を脈動させることによって前記第２の流路中の燃料水溶液の流れを変化させ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. 前記補機はバルブを含み、
   前記コントローラは前記バルブの絞り量を変化させることによって前記第２の流路中の燃料水溶液の流れを変化させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池ユニット。
5. 前記補機はバルブを含み、
   前記コントローラは前記バルブの絞り量を脈動させることによって前記第２の流路中の燃料水溶液の流れを変化させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池ユニット。
6. 燃料電池と、
   前記燃料電池より送出される水蒸気を凝縮することで得られる水と燃料とを混合して前記燃料電池へ供給するための燃料水溶液を生成する混合タンクと、
   前記混合タンクから送出される燃料水溶液の濃度を検出する濃度センサと、
   前記混合タンクと前記濃度センサとの間で燃料水溶液を還流させる流路と、
   前記流路に設けられ、当該流路中の燃料水溶液の流れを制御する補機と、
   前記濃度センサの検出結果から得られる燃料濃度が所定の状態を示す場合に、前記補機の動作量を変化させることによって前記流路中の燃料水溶液の流れを変化させるコントローラと、
   を具備することを特徴とする燃料電池ユニット。
7. 前記補機はポンプを含み、
   前記コントローラは前記ポンプの回転数を変化させることによって前記流路中の燃料水溶液の流れを変化させることを特徴とする請求項６記載の燃料電池ユニット。
8. 前記補機はポンプを含み、
   前記コントローラは前記ポンプの回転数を脈動させることによって前記流路中の燃料水溶液の流れを変化させることを特徴とする請求項６記載の燃料電池ユニット。
9. 前記所定の状態は、前記濃度センサの検出結果から得られる燃料濃度が一定時間継続して所定の濃度範囲を逸脱している状態または不変となる状態であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料電池ユニット。
10. 前記濃度センサは、前記第２の流路のうち、燃料水溶液が重力に逆らう方向に流れている流路部分に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池ユニット。
11. 前記濃度センサは、前記流路のうち、燃料水溶液が重力に逆らう方向に流れている流路部分に取り付けられていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の燃料電池ユニット。
12. 燃料電池と、
    燃料と前記燃料電池より送出される水蒸気を凝縮することで得られる水とを混合して前記燃料電池へ供給するための燃料水溶液を生成する混合タンクと、
    前記混合タンクと前記燃料電池との間で燃料水溶液を還流させる第１の流路と、
    前記混合タンクより送出される燃料水溶液を前記第１の流路上の分岐を経由して前記混合タンクへと還流させる第２の流路と、
    前記第２の流路に設けられ、当該第２の流路中の燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサと
    を具備し、
    前記濃度センサは、前記流路のうち、燃料水溶液が重力に逆らう方向に流れている流路部分に取り付けられていることを特徴とする燃料電池ユニット。

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