JP2006310209A

JP2006310209A - 燃料電池システム及び電子機器並びに燃料電池システムの起動方法

Info

Publication number: JP2006310209A
Application number: JP2005133871A
Authority: JP
Inventors: Noriyasu Takeuchi; 則康竹内
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2005-05-02
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】本発明は、長期に渡って未使用な状態に置かれても起動することが可能である、燃料電池システム及び該システムの起動方法並びに電子機器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、外部からの外部エネルギーを受容する外部エネルギー受容部と、燃料電池又は外部エネルギー受容部から供給される電力を一時蓄電し、蓄電した電力を外部負荷装置に供給する蓄電部とを含んでシステム構築されている。そして、本発明の燃料電池システムの特徴は、燃料電池を外部エネルギー受容部から得られた外部エネルギーにより起動することである。よって、燃料電池内の蓄電部からの電力の供給を受けられない場合にも燃料電池システムを起動させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システム及び電子機器並びに燃料電池システムの起動方法に関し、詳細には燃料電池システムにおける燃料電池を起動するための電力が所定値以下になった際でも起動可能となる起動技術に関する。

近年、環境問題並びにエネルギー問題の観点から燃料電池自動車、定置用燃料電池、及び携帯用燃料電池への適用を目指した燃料電池技術の開発が活発化している。燃料電池の種類としては、水素と空気もしくは酸素を燃料とする固体高分子型燃料電池あるいはリン酸電解質型燃料電池が主流である。一方、メタノールと空気もしくは酸素を燃料とする直接メタノール型燃料電池（以下ＤＭＦＣ（Direct Methanol Fuel Cell）と略す）もあり、比較的安価で取り扱いも容易であることから、携帯機器などの小型機器の電源への利用が図られている。

このＤＭＦＣでは、２つの方式、アクティブ型とパッシブ型があり、アクティブ型は燃料となるメタノールや空気（酸素）をポンプやファンを使用して燃料電池に供給・循環させる方式で、構成が比較的複雑だが大きな電力が得やすいという特長がある。これに対し、パッシブ型は燃料も空気も対流や濃度勾配等を利用して供給するため構成が単純で小型化に適しているが、得られる電力が小さく、希釈した燃料を用いるため燃料カートリッジが大きくなる課題がある。特に、アクティブ型の燃料電池においては起動時にポンプやファンなどの補器を駆動させる必要があり、このために電力を貯えておく蓄電部を備えている。蓄電部には、ニッケル水素やリチウムイオンなどの二次電池あるいはキャパシタなどが使用され、燃料電池の発電により充電しておき、停止後、再起動する場合にこの蓄電部に貯えられている電力によってポンプやファンなどの補器を駆動させて発電を開始させる必要がある。

しかし、二次電池やキャパシタは長期に渡って放置されると自己放電して充電量が減少する。よって、これらの蓄電部に十分に充電されていない状態では、燃料電池の稼動が停止されてしまうことも考えられる。また、このような場合、燃料電池を起動させることもできなくなってしまう。例えば非常時用の電源として燃料電池を使用する場合など、長期に渡って放置され使用される場合が考えられるが、起動できない状態では役に立たない。そこで、特許文献１では、蓄電部の充電量を監視し、起動に不足する状態になった場合に燃料電池の発電を自動で開始して、充電することで、常に起動できる状態を維持している。
特開２００４−２５３１８９号公報特開２００３−２９８７３１号公報

しかしながら、特許文献１のような起動は使用者の意思とは無関係に行われるので取扱いの安全上の課題が残り、更には未使用な状態でも起動状態を維持させるために燃料を消費することになって長期に渡り使用しない場合には燃料効率が著しく低下することになる。

本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、長期に渡って未使用な状態に置かれても起動することが可能である、燃料電池システム及び該システムの起動方法並びに電子機器を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、外部からの外部エネルギーを受容する外部エネルギー受容部と、燃料電池又は外部エネルギー受容部から供給される電力を一時蓄電し、蓄電した電力を外部負荷装置に供給する蓄電部とを含んでシステム構築されている。そして、本発明の燃料電池システムの特徴は、燃料電池を外部エネルギー受容部から得られた外部エネルギーにより起動することである。よって、燃料電池内の蓄電部からの電力の供給を受けられない場合にも燃料電池システムを起動させることができる。

また、外部エネルギー受容部が外部から受容する外部エネルギーは運動エネルギーであり、外部エネルギー受容部は運動エネルギーによって発電する発電装置を有する。よって、燃料電池内の蓄電部からの電力の供給を受けられない場合にも発電装置からの電力により燃料電池システムを起動させることができる。

更に、発電装置により発電した電力により燃料電池の起動を行う補器を駆動して燃料電池を起動することにより、燃料電池内の蓄電部からの電力の供給を受けられない場合にも燃料電池システムを起動させることができる。

また、発電装置により発電した電力により補器を駆動する際に、蓄電部から補器への電力供給経路を遮断するスイッチを設けたことにより、外部エネルギーを受けてシステムを起動する際に必要最小限の外部エネルギーで起動することが可能であるため効率的であるとともに、使用者への負担を軽減することができる。

更に、蓄電部における充電量を検知する充電量検知手段を設け、充電量検知手段の検知結果に基づいて外部エネルギーによる補器の駆動から内部の発電による駆動へ切替えるスイッチを設けたことにより、外部エネルギーを受けてシステムを起動する際に必要最小限の外部エネルギーで起動することが可能であるため効率的であるとともに、使用者への負担を軽減することができる。

また、発電装置により発電した電力により蓄電部の充電を行うことにより、燃料電池内の蓄電部からの電力の供給を受けられない場合にも燃料電池システムを起動させることができる。

更に、発電装置により発電した電力により蓄電部の充電を行い、充電量検知手段による検知結果が燃料電池の駆動を行うのに十分な状態になった場合当該状態を使用者に知らせる手段を有する。よって、外部エネルギーを受けてシステムを起動する際に必要最小限の外部エネルギーで起動することが可能であるため効率的であるとともに、使用者への負担を軽減することができる。

また、外部エネルギー受容部が外部から受容する外部エネルギーは電気エネルギーであり、外部エネルギー受容部は電気エネルギーによって得られた電力により補器を駆動して燃料電池を起動する。よって、燃料電池内の蓄電部からの電力の供給を受けられない場合にも燃料電池システムを起動させることができる。

更に、外部からの電気エネルギーによって得られた電力により補器を駆動する際に、蓄電部から補器への電力供給経路を遮断するスイッチを設けたことにより、外部エネルギーを受けてシステムを起動する際に必要最小限の外部エネルギーで起動することが可能であるため効率的であるとともに、使用者への負担を軽減することができる。

また、外部エネルギー受容部が外部から受容する外部エネルギーは運動エネルギーであり、外部エネルギー受容部は運動エネルギーによる動力を補器に伝達する駆動伝達手段を有する。よって、燃料電池内の蓄電部からの電力の供給を受けられない場合にも燃料電池システムを起動させることができる。

更に、駆動伝達手段は運動エネルギーによる動力を補器にのみ伝達し、補器あるいは補器を駆動するための駆動源から外部へは運動エネルギーによる動力の伝達を抑止することにより、外部エネルギーを受けてシステムを起動する際に必要最小限の外部エネルギーで起動することが可能であるため効率的であるとともに、使用者への負担を軽減することができる。

また、燃料電池の発電状態を検知する検知手段と、補器の駆動が可能な状態になった状態を検知した結果を使用者に通知する通知手段と、手動による駆動から燃料電池の発電した電力による駆動へ切替えるスイッチとを有する。よって、外部エネルギーを受けてシステムを起動する際に必要最小限の外部エネルギーで起動することが可能であるため効率的であるとともに、使用者への負担を軽減することができる。

更に、別の発明としての電子機器は、上記記載の燃料電池システムを有することに特徴がある。よって、燃料電池内の蓄電部からの電力の供給を受けられない場合にも燃料電池システムを起動でき、電子機器を駆動させることができる。

また、別の発明としての燃料電池システムの起動方法によれば、燃料電池と、外部からの外部エネルギーを受容する外部エネルギー受容部と、燃料電池又は外部エネルギー受容部から供給される電力を一時蓄電し、蓄電した電力を外部負荷装置に供給する蓄電部とを含んで構築し、更には燃料電池を外部エネルギー受容部から得られた外部エネルギーにより起動することに特徴がある。よって、燃料電池内の蓄電部からの電力の供給を受けられない場合にも燃料電池システムを起動させることができる。

本発明の燃料電池システムによれば、外部からのエネルギーを受容するための外部エネルギー受容部を備え、外部からの外部エネルギーにより燃料電池システムの起動を行えるようになっている。このため、燃料電池内の蓄電部からの電力の供給を受けられない場合にも燃料電池システムを起動させることができる。

図１は本発明の第１の実施の形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。同図に示す本実施の形態例の燃料電池システム１００は、外部エネルギー受容部１０、燃料電池２０及び蓄電部３０を有している。そして、外部エネルギー受容部１０は外部からの外部エネルギーを受容し、この外部エネルギーにより燃料電池システム１００の起動を行えるようにするためのものである。よって、燃料電池２０が蓄電部３０からの電力の供給を受けられない場合にも外部エネルギーにより燃料電池システム１００を起動させることができる。なお、燃料電池システム１００は一度起動できれば、自機で発電した電力により自立運転ができるので、外部からの外部エネルギーのエネルギー量は起動のための量で十分であればよく、かつ燃料電池システム１００が外部負荷装置２００に対して供給するエネルギー量に比較して非常に小さな量でよい。

ここで、図１の燃料電池システム１００では、外部から受けた外部エネルギーを燃料電池２０の補器に供給してこれを駆動して発電を開始させる場合と、蓄電部３０に対して供給して充電して実際の起動は蓄電部３０に貯えられた電力により行う場合とが考えられる。前者の場合はすぐに起動させることができるという利点があるが、外部エネルギーにより補器を駆動させるための構成が必要になる。一方、後者の場合は充電が終了してからしか起動できないので起動性の面では時間を要するが、既に燃料電池システム１００が備えている構成で起動させることができる。また、前者の場合は、例えば蓄電部３０を構成として持っていない場合にも適応できる。通常、燃料電池システム１００は起動のために蓄電部３０を備えているが、この外部エネルギーによる起動システムはこの代用ともなりえる。燃料電池システム１００に接続される外部負荷装置２００は電気機器であり、負荷変動がある場合、燃料電池システム１００はこの負荷変動への追従性に問題があるので、図１に示すように、二次電池などで構成される蓄電部３０へ電力を充電し、ここから外部負荷装置２００へ電力の供給を行うことで外部負荷装置への追従性を確保することが行われている。このような燃料電池システム１００においてはこの蓄電部３０が起動時にも利用できるが、例えば他の機器への充電を行うような電源システムに燃料電池２０を使用する場合には負荷変動は考慮しなくてもよく、そのために蓄電部３０を持つ必要はない。この場合、起動用の目的だけで蓄電部３０が必要になるが、本実施の形態例の燃料電池システム１００ではこの起動用の蓄電部３０を構成として具備しなくても起動させることができる。

図２は図１の燃料電池の構成を示すブロック図である。同図に示す燃料電池２０ではメタノールを液体燃料としたＤＭＦＣが用いられているがこれに限るものではなく、直接水素を用いるものであっても構わない。液体燃料としての高濃度のメタノールが収容された高濃度燃料タンク２１が配設されている。この高濃度燃料タンク２１には濃度調整部２２が接続され、この濃度調整部２２には高濃度燃料タンク２１のメタノールが送液ポンプ２３によって供給されるようになっている。濃度調整部２２に供給されたメタノールは、断熱部材２４−４で覆われた燃料電池スタック２４から還流する溶媒としての水によって所定の濃度に希釈される。また、濃度調整部２２には送液ポンプ２５が接続されている。この送液ポンプ２５は濃度調整部２２で希釈されたメタノールを、給液管を通じて燃料電池スタック２４のアノード２４−１側に供給する。なお、初期状態においては、濃度調整部２２には予め希釈されたメタノールが収容されていている。また、燃料電池スタック２４のカソード２４−２側には空気ポンプ２６により、送気管を介して空気が供給される。燃料電池スタック２４に供給されたメタノールと空気とはアノード２４−１とカソード２４−２との間に設けられた電解質膜２４−３で反応し、アノード２４−１とカソード２４−２との間に電力が生じる。この際、アノード２４−１側には二酸化炭素、カソード２４−２側には水が生成される。アノード２４−１側に生じた二酸化炭素は燃料電池スタック２４から排液管を通じて濃度調整部２２に導入され、カソード２４−２側に生じた水は水蒸気として排気管を通じて凝縮器２７に導入される。ここで冷却されて液体となった水は、貯水部２８に貯められる。貯水部２８に蓄えられた水は必要に応じて送液ポンプ２９によって濃度調整部２２に供給され、所定濃度に希釈される。また、濃度調整部２２と貯水部２８は、これとは別に配管されており、アノード２４−１で生成された二酸化炭素が排気される。この貯水部２８からは、余剰の水に加えて、このアノード２４−１で発生した二酸化炭素ならびにカソード２４−２に供給されその一部の酸素が使用された空気が機外に排気される。

このような構成を有する燃料電池２０を起動させるためには、図２の燃料電池スタック２４のカソード２４−２側に空気を供給するために空気ポンプ２６を駆動し、燃料電池スタック２４のアノード２４−１側に燃料を供給するために送液ポンプ２５を駆動することが必要になる。図１に示すように蓄電部３０は、これらの補器と接続されていて、蓄電部３０に十分な電力が保持されている場合にはその電力によって起動される。しかし、不十分な場合にも、図１のように外部からのエネルギーの供給を受けて、これらの機器を駆動して、燃料電池２０を起動させることができる。

図３は本発明の第２の実施の形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。本実施の形態例の燃料電池システム１００における外部エネルギー受容部１０は発電装置１１を含んで構成されている。この発電装置１１は外部の運動エネルギー供給装置３００から運動エネルギーを、駆動伝達手段４０を介して受けて発電する発電装置である。よって、発電装置１１は外部の運動エネルギー供給装置３００から運動エネルギーを、駆動伝達手段４０を介して供給されることで発電を行い、ここで得られた電力により燃料電池２０を起動させることができる。

図４は図３の発電装置及び駆動伝達手段の一例を示す概略図である。同図に示す駆動伝達手段４０は、回転可能なレバー４１と、レバー４１の一端に設けられたハンドル４２と、レバー４１の他端に固定された回転軸を有する回転ギア大４３と、回転ギア大４３のギアにかみ合い、かつ発電装置１１の回転子１１−１の軸と連結する回転軸を有する回転ギア小４４とを有している。ハンドル４２が運動エネルギーによって回転することで運動エネルギーを回転力として受容する。即ち、レバー４１の回転は回転ギア大４３と回転ギア小４４によって回転速度が増速され、この増速された回転力は発電部１１の回転子１１−１に伝えられ、その周囲に配置された固定子１１−２の中を回転することで起電力が発生する。この電力を補器の駆動や図１の蓄電部３０の充電に使用することで図１の燃料電池２０の起動が行われる。なお、レバー等は本体に対して取り外し可能にし、使用時にのみ取付けるようにすると通常の使用状態でのシステムの大きさを小さくすることができるので便利である。また、図４の駆動伝達手段４０の構成はこれに限るものではなく、例えば図５のようにレバーを回転させる代わりに紐４５を回転ギア大４３の回転軸に巻いておいてこれを引っ張ることで回転力を得る構成でもよく、更には図６のようにレバーを手動により押すと圧縮ばね４６が圧縮され戻されることによる往復運動をラックとピニオンにより回転運動に変え回転力を得ること構成でもよく、つまり外部から運動を得て発電する構成であれば何であっても構わない。

ここで、従来より携帯電話において同様のシステムを用いて発電させる機構を備えた提案がなされており、例えば特許文献２などがある。この機構では発電した電力を充電してその電力により通話などの機能を果すようになっている。よって、運動エネルギーによって得られたエネルギーを直接利用するので、運動によって得られたエネルギー以上の動作を行うことはできない。これに対して、本実施の形態例の燃料電池システムでは、燃料電池の起動にのみ利用するので、最終的に取り出せるエネルギー量は、起動時に運動エネルギーとして与えられたエネルギー量に依存しない。この与えたエネルギー以上のエネルギーが取り出せるという点で携帯電話での手動充電と本発明の装置は大きく異なり、携帯電話などの消費電力の少ない機器に限らず駆動することができ利用範囲が大きく広がる。また、起動時のみにエネルギーを供給すればよいので、短時間の操作で十分であり、手動でエネルギーを与える際に使用者の負担が少なく、実用的である。

図７は第２の実施の形態例の燃料電池システムにおける発電装置の構成を示すブロック図である。同図に示すように、発電装置１１から得られた起電力により、燃料電池のエアポンプやエアブロアなどの補器（図示せず）や蓄電部３０を駆動する。同図に示す発電装置１１は、図４に示すような回転子１１−１や固定子１１−２などで構成する発電部１２と、発電部１２から得られた電圧を補器の駆動や蓄電部３０の充電に必要な電圧に昇圧させる昇圧回路１３と、直流に変換する整流回路１４と、電圧を一定にする定電圧回路１５を有しており、これにより安定した駆動、充電が可能になる。なお、図８に図７の昇圧回路及び整流回路並びに定電圧回路の一例を示し、本実施の形態例における発電装置１１はこれらの回路を含んでいる。

図９は本発明の第３の実施の形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。同図において、図３と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態例の燃料電池システム１００における燃料電池２０に発電部２１及び補器２２を、更には蓄電部３０に二次電池３１及び充電量検知手段３２をそれぞれ設けている。また、燃料電池システム１００は、補器２２と、外部エネルギー受容部１０の発電装置１１又は蓄電部３０のいずれかとの接続を切り換えるスイッチ５０を設けている。このような構成を有する本実施の形態例の燃料電池システム１００によれば、外部の運動エネルギーにより発電された電力を燃料電池２０の補器２２に供給して補器２２を駆動し、燃料電池２０を起動している。このように直接補器を駆動することで、すぐに起動させることができる。通常時、燃料電池は蓄電部に貯えられた電力により駆動される構成になっている。しかし、外部からのエネルギーによって得られた電力によって燃料電池を起動する際には、この電力供給経路が接続されていると、電力が蓄電部への充電にも使用されてしまい、必要な補器を駆動するのに必要な以上の電力を外部からのエネルギーで供給することになり効率が悪い。そこで、本実施の形態例の燃料電池システムでは、スイッチ５０を切り換えて、蓄電部３０から補器２２への電力の供給経路を遮断している。

これにより、外部からの外部エネルギーにより得られた電力を起動に必要な補器２２の駆動のみに使用できるので、外部から供給するエネルギー量を必要最小限にすることができる。更に、燃料電池２０の起動により、燃料電池２０の発電部２１での発電が開始されると蓄電部３０に対して充電が行われる。この充電量が起動すなわち補器２２の駆動に十分な量になった時点で、スイッチ５０を蓄電部３０側に切り換えて、補器２２に対する電力の供給経路を外部から内部の蓄電部３０からに切替える。このために、蓄電部３０には蓄電のための二次電池３１及び充電量検知手段３２、さらに過充電・過放電が起こらないような保護回路（図示せず）などが含まれている。

図１０は第３の実施の形態例の燃料電池システムにおける燃料電池の起動時動作を示すフローチャートである。同図において、起動時図９の二次電池３１の充電量検知手段３２により二次電池３１の充電量を検知し、その充電量が起動可能な所定量以上であるか否かの判断を行う（ステップＳ１０１〜Ｓ１０３）。この結果、充電量が所定量未満である場合、つまり起動が不可能である場合には、図９のスイッチ５０を外部エネルギー受容部１０の発電装置１１側に切り換えて、二次電池３１からの図９の補器２２への電力供給経路を遮断する（ステップＳ１０３；ＮＯ、ステップＳ１０４）。なお、停止時にはこの遮断状態になるようにして置けばここで切替える必要はない。使用者は、起動可能の表示が出ないので、外部からエネルギーを供給することで起動する。この結果、充電量が所定量以上になると（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）、起動可能すなわち自立運転が可能であることを表示し（ステップＳ１０５）、図９のスイッチ５０を二次電池３１側に切り換えて、二次電池３１からの補器２２への電力供給を開始すると同時に外部エネルギー受容部１０の発電装置１１からの補器２２への電力供給経路を遮断する（ステップＳ１０６，Ｓ１０７）。このようにすることで、必要以上に外部からのエネルギー供給を継続しなくてもよく、効率的であるとともに、使用者への負担を軽減することができる。

図１１は本発明の第４の実施の形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。同図において、図９と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態例の燃料電池システム１００は、二次電池３１と、外部エネルギー受容部１０の発電装置１１又は補器２２のいずれかとの接続を切り換えるスイッチ６０を設けている。このような構成を有する本実施の形態例の燃料電池システム１００によれば、外部の運動エネルギーにより発電された電力を蓄電部３０の二次電池３１に供給して、起動に十分な充電が行われてから蓄電部３０の二次電池３１から補器２２へ電力を供給することで起動を行う。このようにして、蓄電部３０を介して補器２２を駆動することで、通常の状態での起動と同様の起動が行えるので、安定した起動が可能である。通常時、燃料電池２０は蓄電部３０に貯えられた電力により駆動される構成になっている。しかし、外部からの外部エネルギーによって得られた電力によって蓄電部３０に充電を行っている際には、この電力供給経路が接続されていると、蓄電部３０の充電量が不十分な状態でも補器２２側へ電力が漏洩し、必要な充電量を得るのに必要な以上の電力を外部からの外部エネルギーで供給することになり効率が悪い。そこで、本実施の形態例の燃料電池システムでは、スイッチ６０を切り換えて、蓄電部３０から補器２２への電力の供給経路を遮断している。

これにより、外部からの外部エネルギーにより得られた電力を蓄電部３０の充電のみに使用できるので、外部から供給するエネルギー量を必要最小限にすることができる。更に、蓄電部３０の充電量を検知し、これが起動に必要な量を超えたところで、スイッチ６０を補器２２側へ切り換えて、補器２２への電力供給経路を接続し、起動を行う。この際、使用者に充電量が十分であることを知らせることで使用者は無駄に外部から外部エネルギーを供給しないで済むので、効率的であるとともに、使用者への負担を軽減することができる。

図１２は第４の実施の形態例の燃料電池システムにおける燃料電池の起動時動作を示すフローチャートである。同図において、起動時図１１の二次電池３１の充電量検知手段３２により二次電池３１の充電量を検知し、その充電量が起動可能な所定量以上であるか否かの判断を行う（ステップＳ２０１〜Ｓ２０３）。この結果、充電量が所定量未満である場合、つまり起動が不可能である場合には、図１１のスイッチ６０を外部エネルギー受容部１０の発電装置１１側に切り換えて、二次電池３１からの図１１の補器２２への電力供給経路を遮断する（ステップＳ２０３；ＮＯ、ステップＳ２０４）。なお、停止時にはこの遮断状態になるようにして置けばここで切替える必要はない。使用者は、起動可能の表示が出ないので、外部から外部エネルギーを供給して二次電池３１への充電を開始する。この結果、充電量が所定量以上になると（ステップＳ２０３；ＹＥＳ）、起動可能であることを表示し（ステップＳ２０５）、図１１のスイッチ５０を補器２２側に切り換えて、二次電池３１からの補器２２への電力供給を開始すると同時に外部エネルギー受容部１０の発電装置１１からの二次電池３１への電力供給経路を遮断する（ステップＳ２０６，Ｓ２０７）。このようにすることで、蓄電部３１からの電力の漏洩を防止する。使用者は、起動可能の表示により、外部からの外部エネルギー供給を停止し、外部からの供給動作を必要以上に継続しなくてもよく、効率的であるとともに、使用者への負担を軽減することができる。

図１３は本発明の第５の実施の形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。同図において、図９と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態例の燃料電池システム１００における外部エネルギー受容部１０に昇圧回路１６を設けている。そして、外部の電気エネルギー供給装置４００から電気エネルギーを受けて、これによりシステムを起動するための機構を備えている。つまり、本実施の形態例の燃料電池システム１００は、外部の電気エネルギー供給装置４００からの電気エネルギーにより燃料電池システムの補器等を駆動し、燃料電池の起動を行うものである。これにより内部の蓄電部３０に起動に必要な電力が残っていない場合でもシステムを起動することができる。一度、起動すれば、自機で発電した電力により補器等の駆動を行えるので、電力の供給は起動時の短時間のみで構わない。この起動時には、蓄電部３０から補器２２への電力供給路は遮断しておくことが望ましい。遮断されていないと、外部から与えられた電力の一部が二次電池３１などで構成される蓄電部３０への充電にも使用され必要以上に外部からの電力を供給しなければならなくなる。外部からの電力供給の形態として、商用電源が考えられるが、この場合外部の電力受容部には電圧を補器に合わせて変換するための電圧変換回路や直流への変換回路を備えている必要がある。しかしながら、商用電源の供給を受けられる状況では敢えて燃料電池システムの稼動が必要ではないことも考えられ、さらに商用電源の供給が受けられない状況でのシステムの起動への必要性の方が高いと思われるので、本実施の形態例では、１次電池からの電力供給が可能になっている。この際、補器の駆動電圧に合わせた昇圧回路１６を外部エネルギー受容部１０に内蔵しているので、短時間であれば補器２２の駆動が可能である。この際の起動時からのフローは図１０と同じである。すなわち、起動時、二次電池３１の充電量検知手段３２により、起動が可能な状態であるかの判断を行う。この結果、不可能である場合には、二次電池３１からの補器２２への電力供給経路を遮断する。使用者は、起動可能の表示が出ないので、外部から電気エネルギーを供給、例えば乾電池をセットすることで起動する。この結果、蓄電量が所定量以上になると、起動可能すなわち自立運転が可能であることを表示し、二次電池３１からの補器２２への電力供給を開始すると同時に外部の電気エネルギー供給装置４００からの補器２２への電力供給経路を遮断する。このようにすることで、必要以上に外部からの電気エネルギー供給を継続しなくてもよく、効率的である。

ところで、特許文献１では、二次電池に対して商用電源からの充電を行うための機構が示されている。このように外部電源からの供給を受けて、内部の二次電池の充電を行い、その電力により、燃料電池システムを起動させることは、１回充電させ、その後起動させるので、起動性の面で問題があり、本実施の形態例のように、直接補器を駆動するほうが早くシステムを起動させることができる。

図１４は本発明の第６の実施の形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。同図において、図３及び図９と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態例の燃料電池システム１００における外部エネルギー受容部１０に駆動伝達手段４０を設けている。そして、この駆動伝達手段４０は外部の運動エネルギー供給装置３００から運動エネルギーを受けて、これを補器２２に伝達する伝達手段であり、これによってシステムを起動することができる。

ここで、補器２２の具体的な構成例について当該構成例を示す図１５によって説明する。図１５において、外部の運動エネルギーの受容部として回転可能なレバー４１があり、レバー４１の一端についたハンドル４２により、これを回転することで運動エネルギーを回転力として受容する。このレバー４１の回転はギア列によって回転速度が増速される。この回転力は燃料を供給するためのポンプ、例えばダイヤフラム式ポンプである補器２２へ伝達され、ポンプ内のカム２２−１を回転させる。これによって膜２２−２が振動してポンプ内部の容積が変化し、弁２２−３を備えた吸引口及び吐出口を通じて液送が可能になる。更に、駆動伝達手段４０のレバー４１の回転力はエアポンプ（図示せず）にも伝達され、同様に送風を行うことができるようになっている。この他にも燃料調整のためのポンプ等も補器２２として存在している。これらも駆動させることも可能であるが、ある程度希釈された燃料が装置内に存在していれば、その燃料をアノード極へ送るための液送ポンプならびに、カソード極へ酸素を供給するためのエアポンプを回転させて希釈燃料および空気を送ることで起動することができる。

なお、燃料電池が発電を開始するとその電力による補器の駆動が可能になり、この発電電力により補器を駆動させることが望ましい。そのため、その駆動を切替えた際に、外部から駆動するための駆動伝達手段４０を通して外部へ伝達されると、例えば図１５のレバー４１などが回転することになり、危険であるとともに、余分な負荷となるので無駄な電力を消費することになる恐れがある。そこで、内部の補器あるいはこれを駆動するための駆動源であるモータなどから、外部のレバー等の運動エネルギー受容部に対して駆動が伝達しないようになっている。このため、内部の発電による駆動に切替えた場合にでも、受容部が回転するなどの不具合を防止できる。図１６はその具体例であり、手動で回転させるレバーによりポンプに伝達される回転力の回転方向にのみロックするワンウェイクラッチ７０が伝達経路に内蔵されている。これにより、外部からの回転力は伝えられるが、内部からの回転は外部には伝わらなくなる。この他、電磁クラッチによってＯＮ／ＯＦＦすることも可能であるが、通電しない状態でＯＮの状態にした場合、システムが自立運転を行っている間には通電してＯＦＦの状態を保つ必要があり、余分な電力を使用することになるので好ましくない。更に、レバー等は本体に対して取り外し可能にし、使用時にのみ取付けるようにすると通常の使用状態でのシステムの大きさを小さくすることができるので便利である。

本発明の燃料電池システムでは、外部の駆動から内部で発電した電力による駆動への切替えを自動で行っている。この動作について起動時から動作フローである図１７に従って説明すると、起動時図１４の二次電池３１の充電量検知手段３２により二次電池３１の充電量を検知し、その充電量が起動可能な所定量以上であるか否かの判断を行う（ステップＳ３０１〜Ｓ３０３）。この結果、充電量が所定量未満である場合、つまり起動が不可能である場合には、図１４のスイッチ６０を開放して、二次電池３１からの補器２２への電力供給経路を遮断する（ステップＳ３０３；ＮＯ、ステップＳ３０４）。なお、停止時にはこの遮断状態になるようにして置けばここで切替える必要はない。使用者は、起動可能の表示が出ないので、外部からエネルギーを供給することで起動する。具体的には図１６のレバー４１を回転させて補器２２を駆動させる。この結果、燃料電池２０での発電が開始され、その電力は蓄電部３０へ貯められる。この結果、充電量が所定量以上になると（ステップＳ３０３；ＹＥＳ）、起動可能すなわち自立運転が可能であることを表示し（ステップＳ３０５）、図１４のスイッチ６０を閉じて、二次電池３１からの補器２２への電力供給を開始する。この際、外部からに動力伝達経路の遮断を電磁クラッチ等の電力によってＯＮ／ＯＦＦを行う場合には同時にこの動力伝達経路を遮断する（ステップＳ３０６，Ｓ３０７）。このようにすることで、必要以上に外部からのエネルギー供給を継続しなくてもよく、効率的であるとともに、使用者への負担を軽減することができる。

なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図１の燃料電池の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施の形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図３の発電装置及び駆動伝達手段の一例を示す概略図である。駆動伝達手段の他の例を示す概略図である。駆動伝達手段の他の例を示す概略図である。第２の実施の形態例の燃料電池システムにおける発電装置の構成を示すブロック図である。図７の昇圧回路及び整流回路並びに定電圧回路の一例を示す回路図である。本発明の第３の実施の形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。第３の実施の形態例の燃料電池システムにおける燃料電池の起動時動作を示すフローチャートである。本発明の第４の実施の形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。第４の実施の形態例の燃料電池システムにおける燃料電池の起動時動作を示すフローチャートである。本発明の第５の実施の形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の第６の実施の形態例に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。補器の具体的な構成例を示す概略図である。駆動源の駆動伝達防止手段の一例を示す概略図である。駆動源の駆動伝達防止手段を用いた際の燃料電池の起動時動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０；外部エネルギー受容部、１１；発電装置、
１２，２１；発電部、１３，１６；昇圧回路、１４；整流回路、
１５；定電圧回路、２０；燃料電池、２２；補器、
３０；蓄電部、３１；二次電池、３２；充電量検知手段、
４０；駆動伝達手段、４１；レバー、４２；ハンドル、
４３；回転ギア大、４４；回転ギア小、５０，６０；スイッチ、
７０；ワンウェイクラッチ、８０；モータ、
１００；燃料電池システム、２００；外部負荷装置、
３００；運動エネルギー供給装置、４００；電気エネルギー供給装置。

Claims

燃料電池と、外部からの外部エネルギーを受容する外部エネルギー受容部と、前記燃料電池又は前記外部エネルギー受容部から供給される電力を一時蓄電し、蓄電した電力を外部負荷装置に供給する蓄電部とを具備し、前記燃料電池を該外部エネルギー受容部から得られた外部エネルギーにより起動することを特徴とする燃料電池システム。
前記外部エネルギー受容部が外部から受容する前記外部エネルギーは運動エネルギーであり、前記外部エネルギー受容部は前記運動エネルギーによって発電する発電装置を有する請求項１記載の燃料電池システム。
前記発電装置により発電した電力により前記燃料電池の起動を行う補器を駆動して前記燃料電池を起動する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
前記発電装置により発電した電力により前記補器を駆動する際に、前記蓄電部から前記補器への電力供給経路を遮断するスイッチを設けた請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記蓄電部における充電量を検知する充電量検知手段を設け、該充電量検知手段の検知結果に基づいて前記外部エネルギーによる前記補器の駆動から内部の発電による駆動へ切替えるスイッチを設けた請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記発電装置により発電した電力により前記蓄電部の充電を行う請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
前記発電装置により発電した電力により前記蓄電部の充電を行い、前記充電量検知手段による検知結果が前記燃料電池の駆動を行うのに十分な状態になった場合当該状態を使用者に知らせる手段を有する請求項６記載の燃料電池システム。
前記外部エネルギー受容部が外部から受容する前記外部エネルギーは電気エネルギーであり、前記外部エネルギー受容部は前記電気エネルギーによって得られた電力により前記補器を駆動して前記燃料電池を起動する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
外部からの前記電気エネルギーによって得られた電力により前記補器を駆動する際に、前記蓄電部から前記補器への電力供給経路を遮断するスイッチを設けた請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記外部エネルギー受容部が外部から受容する前記外部エネルギーは運動エネルギーであり、前記外部エネルギー受容部は前記運動エネルギーによる動力を前記補器に伝達する駆動伝達手段を有する請求項１記載の燃料電池システム。
前記駆動伝達手段は、前記運動エネルギーによる動力を前記補器にのみ伝達し、前記補器あるいは前記補器を駆動するための駆動源から外部へは前記運動エネルギーによる動力の伝達を抑止する請求項１０記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の発電状態を検知する検知手段と、前記補器の駆動が可能な状態になった状態を検知した結果を使用者に通知する通知手段と、手動による駆動から前記燃料電池の発電した電力による駆動へ切替えるスイッチとを有する請求項１０又は１１に記載の燃料電池システム。
請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池システムを有することを特徴とする電子機器。
燃料電池と、外部からの外部エネルギーを受容する外部エネルギー受容部と、前記燃料電池又は前記外部エネルギー受容部から供給される電力を一時蓄電し、蓄電した電力を外部負荷装置に供給する蓄電部とを含んで構築する燃料電池システムの起動方法において、
前記燃料電池を前記外部エネルギー受容部から得られた外部エネルギーにより起動することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
前記外部エネルギー受容部が外部から受容する前記外部エネルギーは運動エネルギーであり、前記外部エネルギー受容部は前記運動エネルギーによって発電する請求項１記載の燃料電池システムの起動方法。
前記発電装置により発電した電力により前記燃料電池の起動を行う補器を駆動して前記燃料電池を起動する請求項１４又は１５に記載の燃料電池システムの起動方法。
前記発電装置により発電した電力により前記補器を駆動する際に、前記蓄電部から前記補器への電力供給経路を遮断する請求項１４〜１６のいずれかに記載の燃料電池システムの起動方法。
前記蓄電部における充電量を検知した検知結果に基づいて前記外部エネルギーによる前記補器の駆動から内部の発電による駆動へ切替える請求項１４〜１６のいずれかに記載の燃料電池システムの起動方法。
前記発電装置により発電した電力により前記蓄電部の充電を行う請求項１４又は１５に記載の燃料電池システムの起動方法。
前記発電装置により発電した電力により前記蓄電部の充電を行い、充電量の検知結果が前記燃料電池の駆動を行うのに十分な状態になった場合当該状態を使用者に知らせる請求項１９記載の燃料電池システムの起動方法。
前記外部エネルギー受容部が外部から受容する前記外部エネルギーは電気エネルギーであり、前記外部エネルギー受容部は前記電気エネルギーによって得られた電力により前記補器を駆動して前記燃料電池を起動する請求項１４又は１５に記載の燃料電池システムの起動方法。
外部からの前記電気エネルギーによって得られた電力により前記補器を駆動する際に、前記蓄電部から前記補器への電力供給経路を遮断する請求項１４〜１６のいずれかに記載の燃料電池システムの起動方法。
前記外部エネルギー受容部が外部から受容する前記外部エネルギーは運動エネルギーであり、前記外部エネルギー受容部は前記運動エネルギーによる動力を前記補器に伝達する請求項１記載の燃料電池システムの起動方法。
前記運動エネルギーによる動力を前記補器にのみ伝達し、前記補器あるいは前記補器を駆動するための駆動源から外部へは前記運動エネルギーによる動力の伝達を抑止する請求項２３記載の燃料電池システムの起動方法。
前記燃料電池の発電状態を検知し、前記補器の駆動が可能な状態になった状態を検知した結果を使用者に通知し、手動による駆動から前記燃料電池の発電した電力による駆動へ切替える請求項２３又は２４に記載の燃料電池システムの起動方法。