JP2006345594A - 燃料電池付きアクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料の消費を最小限に抑え、燃料の補給回数を少なくする。燃料タンクの小型化を図り、全体としてのコンパクト化を実現する。
【解決手段】コントロールバルブに、固体高分子形の燃料電池と、この燃料電池が発電する電力の供給を受けて充電される大容量2重電気層キャパシタ(スーパーキャパシタ)とを設け、スーパーキャパシタに充電された電力によってコントロールバルブ(コントロールバルブ内のモータ)を駆動する。スーパーキャパシタの充電々圧Vcap を監視し、充電々圧Vcap がVful よりも低くなった場合、スーパーキャパシタが満充電(Vful+)となるまで、燃料電池を発電させる。但し、コントロールバルブの駆動中は、燃料電池の発電を停止する。
【選択図】 図11
【解決手段】コントロールバルブに、固体高分子形の燃料電池と、この燃料電池が発電する電力の供給を受けて充電される大容量2重電気層キャパシタ(スーパーキャパシタ)とを設け、スーパーキャパシタに充電された電力によってコントロールバルブ(コントロールバルブ内のモータ)を駆動する。スーパーキャパシタの充電々圧Vcap を監視し、充電々圧Vcap がVful よりも低くなった場合、スーパーキャパシタが満充電(Vful+)となるまで、燃料電池を発電させる。但し、コントロールバルブの駆動中は、燃料電池の発電を停止する。
【選択図】 図11
Description
この発明は、電源として燃料電池を備えた燃料電池付きアクチュエータに関するものである。
従来より、例えば空調用の配管には、配管内を流れる温水や冷水の流量を制御するコントロールバルブを設けている。このコントロールバルブは、電源線、制御信号線などの配線工事を必要とする。このため、このコントロールバルブを既設建物の配管に設置する場合はもちろんのこと、新設建物の配管に設置する場合においても、配線工事を伴うことになる。この配線工事は、天井裏等の作業が困難な場所であることが多く、かなりの手間と時間を必要とする。また、線材などの材料費も掛かる。
なお、コントロールバルブに無線で制御指令を与えるタイプもあるが(特許文献1)、電源は電灯電源などから取るしかなく、制御信号線の配線工事は省略することができても、電源線の配線工事を省略することはできない。
また、電源を1次電池や2次電池とすることも考えられるが、コントロールバルブを駆動するためには大型の電池を必要とし、広いスペースを必要とするため、コントロールバルブに電池を別途配線により接続しなければならない(特許文献2)。
また、装置と一体化しての1次電池や2次電池の使用は、測定器のような電力消費量が非常に少ない機器に限られていた(特許文献1)。
また、電源を1次電池や2次電池とすることも考えられるが、コントロールバルブを駆動するためには大型の電池を必要とし、広いスペースを必要とするため、コントロールバルブに電池を別途配線により接続しなければならない(特許文献2)。
また、装置と一体化しての1次電池や2次電池の使用は、測定器のような電力消費量が非常に少ない機器に限られていた(特許文献1)。
これに対して、最近、電池として高分子電解質膜を用いた固体高分子形の燃料電池が脚光を浴び始めている。固体高分子形の燃料電池は、作動温度が常温〜90℃と低く、起動に必要な時間が短く、頻繁に運転/停止が行われる用途に適している。
例えば、DMFC(Direct Methanol Fuel Cell )と呼ばれる燃料電池は、高分子電解質膜を2つの電極で挟み込んだ構造とされている。このDMFCでは、アノード側でメタノール(CH3 OH)と水(H2 O)から水素イオンが作られ、この水素イオンが電解質膜を通過し、カソード側で酸素と反応し、この時、両電極間に接続された負荷に電流が流れる。すなわち、DMFCは、メタノールや水を燃料とし、酸素と反応して、発電を行う。
本出願人は、この固体高分子形の燃料電池をコントロールバルブに装着することによって、コントロールバルブから電源線をなくすことを考えている。具体的には、コントロールバルブに、固体高分子形の燃料電池と、この燃料電池が発電する電力の供給を受けて充電される大容量2重電気層キャパシタ(スーパーキャパシタ)とを設け、スーパーキャパシタに充電された電力によってコントロールバルブを駆動することを考えている。
以下、この燃料電池を装着したコントロールバルブを燃料電池付きコントロールバルブと呼ぶ。また、正確に言うと、コントロールバルブ内のモータをアクチュエータとして駆動するが、コントロールバルブを総称してアクチュエータと呼ぶ。この燃料電池付きコントロールバルブによれば、電源線が不要であり、無線で制御指令を与えるようにすることによって、電源線と制御信号線の両方を省略した配線工事を全く必要としないコントロールバルブを提供することが可能となる。
また、本出願人は、燃料電池付きコントロールバルブのスーパーキャパシタへの充電方式として、スーパーキャパシタの充電量を監視し、この充電量が予め定められた閾値よりも低くなった場合、スーパーキャパシタが満充電となるまで、燃料電池の発電を行わせることを考えている。このような充電方式を採用すると、スーパーキャパシタの充電量が自然放電などによって閾値よりも低くなった場合にだけ、燃料電池の発電が行われるので、燃料の消費を低減することができる。
この充電方式では、コントロールバルブが駆動されると、スーパーキャパシタの充電量が低下して行き、その充電量が閾値を下回ると、燃料電池の発電が開始される。このため、コントロールバルブの駆動中は、スーパーキャパシタの充電量の低下に対し、この充電量を高めようとして、燃料電池からの充電が続けられるものとなる。これにより、放電しながらの充電となり、燃料の消費が増え、燃料の補給回数が増大する。燃料の補給回数を少なくするためには、燃料タンクを大きくしなければならず、全体としてのコンパクト化が阻害される。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料の消費を最小限に抑え、燃料の補給回数を少なくするとともに、燃料タンクの小型化を図り、全体としてのコンパクト化を実現することが可能な燃料電池付きアクチュエータを提供することにある。
このような目的を達成するために本発明は、燃料電池と、この燃料電池が発電する電力の供給を受けて充電されるキャパシタと、このキャパシタに充電された電力の供給を受けて駆動されるアクチュエータとを備えた燃料電池付きアクチュエータにおいて、アクチュエータの駆動中の燃料電池の発電を禁止する手段を設けたものである。
この発明によれば、アクチュエータが駆動されている間(駆動開始から駆動停止までの期間)は、キャパシタの充電量が低下しても、燃料電池の発電は行われない。すなわち、アクチュエータの駆動中はキャパシタの充電量が低下して行くが、このキャパシタの充電量を高めようとする燃料電池からの充電は行われない。充電が行われるのは、アクチュエータの駆動が完了してからであり、これにより効率よくキャパシタを充電し、燃料電池の発電効率を上げ、燃料消費を抑えることが可能となる。
この発明によれば、アクチュエータが駆動されている間(駆動開始から駆動停止までの期間)は、キャパシタの充電量が低下しても、燃料電池の発電は行われない。すなわち、アクチュエータの駆動中はキャパシタの充電量が低下して行くが、このキャパシタの充電量を高めようとする燃料電池からの充電は行われない。充電が行われるのは、アクチュエータの駆動が完了してからであり、これにより効率よくキャパシタを充電し、燃料電池の発電効率を上げ、燃料消費を抑えることが可能となる。
なお、本発明において、キャパシタの充電中にアクチュエータに対する駆動指令を受けた場合、すぐにその駆動指令に従うのではなく、キャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達した後に、その駆動指令に従わせるようにするとよい。このようにすると、キャパシタの充電量が規定の充電量(Vful+)に達した後に、それまで待たされていた充電中の駆動指令に従うアクチュエータの駆動が開始される。これにより、キャパシタの充電量が不足した状態で、アクチュエータの駆動が開始されてしまう虞れがなくなる。
また、本発明において、第1の駆動指令に従うアクチュエータの駆動中に第2の駆動指令を受信した場合、第1の駆動指令に従うアクチュエータの駆動が完了した後に燃料電池の発電を開始させ、この燃料電池からの電力の供給を受けて充電されるキャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達した後に、第2の駆動指令に従うアクチュエータの駆動を開始させるようにしてもよい。
この場合、第1の駆動指令(現在コマンド)に従うアクチュエータの駆動中に第2の駆動指令(新コマンド)を受けても、すぐにはその駆動指令に従わず、現在コマンドに従うアクチュエータの駆動が続けられる。すなわち、現在コマンドが優先され、新コマンドがが待たされる。そして、現在コマンドに従うアクチュエータの駆動が完了すると、燃料電池の発電が開始され、キャパシタへの充電が行われる。そして、このキャパシタの充電量が規定の充電量(Vful+)に達した後に、それまで待たされていた新コマンドに従うアクチュエータの駆動が開始される。これにより、現在コマンドに従うアクチュエータの駆動が完了した後、キャパシタの充電量が不足した状態で、新コマンドに従うアクチュエータの駆動が開始されてしまう虞れがなくなる。
また、本発明において、第1の駆動指令に従うアクチュエータの駆動中に第2の駆動指令を受信した場合、アクチュエータの駆動を停止させるとともに燃料電池の発電を開始させ、この燃料電池からの電力の供給を受けて充電されるキャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達した後に、第2の駆動指令に従うアクチュエータの駆動を開始させるようにしてもよい。
この場合、第1の駆動指令(現在コマンド)に従うアクチュエータの駆動中に第2の駆動指令(新コマンド)を受けると、新コマンドが優先され、現在コマンドに従うアクチュエータの駆動が直ちに停止される。但し、すぐには新コマンドに従わず、アクチュエータの駆動停止後、燃料電池の発電が開始され、キャパシタへの充電が行われ、このキャパシタの充電量が規定の充電量(Vful+)に達した後に、それまで待たされていた新コマンドに従うアクチュエータの駆動が開始される。これにより、現在コマンドに従うアクチュエータの駆動を停止させた後、キャパシタの充電量が不足した状態で、新コマンドに従うアクチュエータの駆動が開始されてしまう虞れがなくなる。
なお、本発明において、アクチュエータとしては、配管やダクト内を流れる流体の流量を制御するコントロールバルブ(コントロールバルブ内のモータ)が代表例として挙げられるが、他のタイプのアクチュエータであってもよい。すなわち、本発明において、アクチュエータはコントロールバルブに限られるものではなく、種々のタイプのアクチュエータについて同様の手法を適用することが可能である。
また、本発明では、通常の場合の制御方法として、キャパシタの充電量を監視し、この充電量が予め定められた閾値(Vful )よりも低くなった場合、キャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量(Vful+)に達するまで、燃料電池の発電を行わせるように制御することが望まれるが、必ずしもこのような制御を行わなくてもよく、燃料電池を常に発電状態としておくようにしてもよい。
本発明によれば、アクチュエータの駆動中の燃料電池の発電を禁止するようにしたので、効率よくキャパシタを充電し、燃料電池の発電効率を上げ、燃料の消費を最小限に抑えることが可能となる。これより、燃料の補給回数を少なくすることができ、燃料タンクの小型化を図り、全体としてのコンパクト化を実現することが可能となる。
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図1はこの発明の一実施の形態を示す燃料電池付きコントロールバルブのブロック構成図である。この燃料電池付きコントロールバルブ100において、101はコントロールバルブ、102は電源供給部であり、コントロールバルブ101と電源供給部102とは一体化されている。
コントロールバルブ101は、モータ1と、バルブ駆動部2と、制御部3と、無線信号受信部4とを備えている。無線信号受信部4は、上位装置からの無線信号を受信し、受信した無線信号を制御部3へ送る。制御部3は、無線信号受信部4を介して送られてくる無線信号に含まれる指令に基づき、モータ1の起動・停止を制御する。モータ1は、バルブ駆動部2を介して、バルブ2−1の開閉角度位置を変える。
電源供給部102は、燃料電池5と、スーパーキャパシタ(大容量2重電気層キャパシタ)6とを備えている。燃料電池5は、燃料電池本体5−1と、燃料タンク5−2とを備え、燃料タンク5−2は交換可能とされている。本実施の形態において、燃料電池5としては、DMFCを用いている。したがって、燃料タンク5−2には、メタノール(CH3 OH)と水(H2 O)が燃料として蓄えられている。なお、燃料電池5として、DMFC以外のタイプのものを用いてもよいことは言うまでもない。
図2に燃料電池本体5−1の要部(セル構造)を示す。燃料電池本体5−1は、燃料極(アノード)5Aと、空気極(カソード)5Bと、燃料極5Aと空気極5Bとの間に挟まれた高分子電解質膜5Cとを有している。この燃料電池本体5−1において、発電する場合、燃料タンク5−2に蓄えられているメタノールと水を燃料極5Aへ送り、空気ないしは酸素を空気極5Bへ送る。なお、図示してはいないが、燃料電池本体5−1には燃料極5Aへ燃料(メタノールと水)を送るためのポンプや空気極5Bへ空気ないしは酸素を送るためのファンなどが設けられている。
これにより、燃料極5A側(アノード側)でメタノール(CH3 OH)と水(H2 O)から水素イオンが作られ(CH3 OH+H2 O→CO2 +6H+ +6e- )、この水素イオンが高分子電解質膜5Cを通過し、空気極5B側(カソード側)で酸素と反応し(3/2O2 +6H+ +6e- →3H2 O)、この時、両電極5A,5B間に接続された負荷Lに電流が流れる。
本実施の形態において、負荷Lは、スーパーキャパシタ6とされている。すなわち、本実施の形態において、スーパーキャパシタ6は、燃料電池5が発電する電力の供給を受けて充電されるように、燃料電池本体5−1の燃料極5Aと空気極5Bとの間に負荷Lとして接続されている。また、スーパーキャパシタ6には、このスーパーキャパシタ6からの電力の供給を受けて駆動されるように、モータ1が接続されている。
制御部3は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、本実施の形態特有の機能として燃料消費を最小限に抑えるための燃料消費削減機能と、モータ駆動中に新しい駆動指令を受けた場合の駆動指令遅延機能と、充電中に駆動指令を受けた場合の駆動指令遅延機能とを有している。これらの機能については、後述する。
図3に燃料電池5とスーパーキャパシタ6とモータ1との電気的な接続関係を示す。この回路図からも分かるように、燃料電池5に対して、スーパーキャパシタ6とモータ1とを並列に接続している。なお、この回路図では、説明を分かり易くするために、燃料電池5の起動・停止がスイッチSW1により、モータ1の起動・停止がスイッチSW2により行われるものとしている。この回路図において、スイッチSW1,SW2は、制御部3からの指示を受けてオン/オフされる。
燃料電池5の起動・停止は、実際には、図4に示すように、燃料極5Aへの燃料(メタノールと水)の供給通路に設けられたマイクロバルブVB1,VB2、空気極5Bへの空気ないしは酸素の供給通路に設けられたマイクロバルブVB3,VB4をオン・オフすることによって行われる。この構成において、制御部3は、マイクロバルブVB1〜VB4の全てを同時にオン(開)とすることによって燃料電池5の発電を開始させ、マイクロバルブVB1〜VB4の全てを同時にオフ(閉)とすることによって燃料電池5の発電を停止させる。
図5にこの燃料電池付きコントロールバルブ100を配管200に取り付けた状態を示す。配管200には空調用の温水や冷水が流れる。この配管200の途中に燃料電池付きコントロールバルブ100が取り付けられている。
この燃料電池付きコントロールバルブ100において、制御部3や無線信号受信部4、燃料電池本体5−1、スーパーキャパシタ6などはコントロールボックス7の内部に収容されており、このコントロールボックス7に対してカートリッジ式の燃料タンク5−2が着脱可能に取り付けられている。また、コントロールボックス7にはアンテナ8が設けられており、このアンテナ8を介して上位装置からの無線信号がコントロールボックス7内の無線信号受信部4へ送られるようになっている。
この燃料電池付きコントロールバルブ100は、配管200の設置状況に応じ、天井裏、空調機械室内、空調装置内等に置かれるが、電源として燃料電池5を用いているので電源線を必要とせず、また上位装置からの指令も無線で送られてくるので制御信号線を必要ともしない。したがって、既設建物の配管に設置する場合はもちろんのこと、新設建物の配管に設置する場合においても、配線工事を必要とせず、工事費を大幅に削減することができる。また、線材などの材料費も削減され、現場設置の自由度も高まる。
〔燃料消費削減機能〕
この燃料電池付きコントロールバルブ100において、スーパーキャパシタ6への充電は、制御部3が有する燃料消費削減機能に従って、次のようにして行われる。
この燃料電池付きコントロールバルブ100において、スーパーキャパシタ6への充電は、制御部3が有する燃料消費削減機能に従って、次のようにして行われる。
〔前提条件1〕
なお、以下の説明では、制御部3がコントロールバルブ101(コントロールバルブ101内のモータ1)に対する駆動指令としてバルブ100%開コマンドを受信した場合、このバルブ100%開コマンドに従って全閉状態にあるバルブ2−1を全開状態とするまでの時間、すなわちバルブ2−1を全閉から全開とするまでのモータ1の駆動時間は、60秒とする(図6(a)参照)。また、バルブ2−1を全閉から全開とするまでのモータ1の駆動により、すなわちモータ1の60秒間の駆動により、満充電状態(充電々圧Vcap =Vful+)にあるスーパーキャパシタ6の充電量が零(Vcap =0)まで低下するものとする(図6(b)参照)。
なお、以下の説明では、制御部3がコントロールバルブ101(コントロールバルブ101内のモータ1)に対する駆動指令としてバルブ100%開コマンドを受信した場合、このバルブ100%開コマンドに従って全閉状態にあるバルブ2−1を全開状態とするまでの時間、すなわちバルブ2−1を全閉から全開とするまでのモータ1の駆動時間は、60秒とする(図6(a)参照)。また、バルブ2−1を全閉から全開とするまでのモータ1の駆動により、すなわちモータ1の60秒間の駆動により、満充電状態(充電々圧Vcap =Vful+)にあるスーパーキャパシタ6の充電量が零(Vcap =0)まで低下するものとする(図6(b)参照)。
〔前提条件2〕
また、以下の説明では、充電量零(Vcap =0)の状態にあるスーパーキャパシタ6が燃料電池5からの電力の供給を受けて満充電状態(Vcap =Vful+)となるまでの時間は、60秒とする(図7(a),(b)参照)。すなわち、燃料電池5を60秒間発電すると、充電量零(Vcap =0)の状態にあるスーパーキャパシタ6が満充電状態(Vcap =Vful+)になるものとする。
また、以下の説明では、充電量零(Vcap =0)の状態にあるスーパーキャパシタ6が燃料電池5からの電力の供給を受けて満充電状態(Vcap =Vful+)となるまでの時間は、60秒とする(図7(a),(b)参照)。すなわち、燃料電池5を60秒間発電すると、充電量零(Vcap =0)の状態にあるスーパーキャパシタ6が満充電状態(Vcap =Vful+)になるものとする。
〔場合1:モータ1が停止している場合〕
制御部3は、スーパーキャパシタ6の充電量としてその充電々圧Vcap を監視し、この充電々圧Vcap が予め定められた閾値(Vful :Vful <Vful+)よりも低くなった場合(図8に示すt1点)、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful+に達するまで(図8に示すt2点)、燃料電池5の発電を行わせる。図3に示した回路で言えば、図8に示す期間t1〜t2のX秒間、スイッチSW1をオンとする。
制御部3は、スーパーキャパシタ6の充電量としてその充電々圧Vcap を監視し、この充電々圧Vcap が予め定められた閾値(Vful :Vful <Vful+)よりも低くなった場合(図8に示すt1点)、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful+に達するまで(図8に示すt2点)、燃料電池5の発電を行わせる。図3に示した回路で言えば、図8に示す期間t1〜t2のX秒間、スイッチSW1をオンとする。
これにより、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap が自然放電などによってVful よりも低くなった場合にのみ、充電々圧Vcap がVful+に達するまで、燃料電池5の発電が行われ、燃料の消費が低減される。
〔場合2:モータ1が駆動中である場合〕
制御部3は、上位装置からの無線信号に含まれる指令に基づき、モータ1の起動・停止を制御する。例えば、今、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful であり、バルブ2−1が全閉状態にあるものとする。このような状態で、上位装置からの駆動指令としてバルブ100%開コマンドが受信され、制御部3へ与えられたとする。
制御部3は、上位装置からの無線信号に含まれる指令に基づき、モータ1の起動・停止を制御する。例えば、今、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful であり、バルブ2−1が全閉状態にあるものとする。このような状態で、上位装置からの駆動指令としてバルブ100%開コマンドが受信され、制御部3へ与えられたとする。
この場合、制御部3は、モータ1へ起動指令を送り、バルブ2−1を開く方向へモータ1を60秒間駆動する(図9に示すt1〜t2点)。図3に示した回路で言えば、図9に示す期間t1〜t2の60秒間、スイッチSW2をオンとする。これにより、バルブ2−1が開かれて行き、全開状態となる。一方、モータ1はスーパーキャパシタ6からの電力の供給を受けて駆動されるので、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap は低下して行く。
ここで、上述した「場合1」の制御に従えば、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful よりも低下すると、燃料電池5の発電が開始されるものとなる。しかし、この「場合1」の制御は、あくまでもモータ1が停止している場合に行われるものであって、モータ1の駆動中は適用されない。
モータ1の駆動中は、「場合1」の制御ではなく、「場合2」の制御が適用される。「場合2」の制御において、制御部3は、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful を下回っても、燃料電池5の発電は行わない。すなわち、制御部3は、モータ1が駆動されている間(図9に示す期間t1〜t2の間)、燃料電池5の発電を禁止する。
そして、制御部3は、モータ1の駆動を完了した後(図9に示すt2点)、「場合1」の制御に戻り、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful+に達するまで(図9に示すt3点)、燃料電池5の発電を行わせる。図3に示した回路で言えば、図9に示す期間t2〜t3の60秒間、スイッチSW1をオンとする。
このように、本実施の形態では、モータ1の駆動中はスーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap が低下して行くが、その間の燃料電池5の発電が禁止されるため、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap を高めようとする燃料電池5からの充電は行われない。すなわち、放電しながらの充電は行われない。充電が行われるのは、モータ1の駆動が完了してからであり、これにより効率よくスーパーキャパシタ6を充電し、燃料電池5の発電効率を上げ、燃料消費を最小限に抑えることが可能となる。
なお、この実施の形態において、制御部3は、上位装置から駆動指令としてバルブ100%開コマンドを受信した場合、このバルブ100%開コマンドに従ってモータ1を起動してから60秒間をモータ1の駆動中と判断し、モータ1の駆動中の燃料電池5の発電を禁止するが、モータ1を起動してからの時間ではなく、モータ1の運転を実際にチェックし、モータ1が実際に運転されている間、燃料電池5の発電を禁止するようにしてもよい。
図10にモータ1の運転を実際にチェックするようにした場合のフローチャートを示す。なお、このフローチャートにおいて、モータ1の運転状態は、例えばバルブ2−1に対して設けられたポテンショメータ(図示せず)などからの信号に基づいて検出するものとする。以下、このフローチャートに従い、制御部3が行うモータ1が停止している場合の処理動作(処理動作1)と、モータ1が駆動中である場合の処理動作(処理動作2)について説明する。
〔処理動作1:モータ1が停止している場合〕
制御部3は、モータ1の運転状態をチェックし(ステップ301)、モータ1が停止中であれば(ステップ302のNO)、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap をチェックする(ステップ303)。
制御部3は、モータ1の運転状態をチェックし(ステップ301)、モータ1が停止中であれば(ステップ302のNO)、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap をチェックする(ステップ303)。
ここで、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful を下回っていれば(ステップ304のYES)、燃料電池5の発電状態をチェックし(ステップ305)、燃料電池5の発電が停止していれば(ステップ306のNO)、燃料電池5の発電を開始させる(ステップ307)。
これにより、スーパーキャパシタ6の充電が開始され、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap が上昇して行く。スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap が上昇しても、Vful 以上となるまでは、ステップ306のYESに応じてステップ308へ進み、燃料電池5の発電を続ける。
スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap が上昇し、Vful 以上となると(ステップ304のNO)、Vful+以上となったか否かをチェックする(ステップ309)。充電々圧Vcap がVful+以上となるまでは、ステップ309のNOに応じてステップ310,311へ進み、燃料電池5が発電中であることを確認して、燃料電池5の発電を続ける(ステップ308)。
充電々圧Vcap がVful+以上となると(ステップ309のYES)、燃料電池5の発電を停止する(ステップ312)。これにより、スーパーキャパシタ6への充電が停止され、スーパーキャパシタ6が満充電状態(Vcap =Vful+)となる。
満充電状態とされた後、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap が自然放電などで低下し、Vful+を下回ると(ステップ309のNO)、燃料電池5の発電状態をチェックする(ステップ310)。この場合、燃料電池5の発電は停止されているので、ステップ311のYESに応じてステップ313へ進み、燃料電池5の発電停止を続ける。
スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がさらに低下し、Vful を下回ると(ステップ304のYES)、再びステップ305,306の処理へと進む。この場合、燃料電池5の発電は停止しているので、ステップ306のNOに応じてステップ307へ進み、燃料電池5の発電を開始させる。
このようにして、制御部3は、モータ1が停止している場合、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap が自然放電などによってVful よりも低くなった場合にのみ、充電々圧Vcap がVful+に達するまで、燃料電池5の発電を行わせる。
〔処理動作2:モータ1が運転中(駆動中)である場合〕
制御部3は、モータ1の運転状態をチェックし(ステップ301)、モータ1が運転中であれば(ステップ302のYES)、燃料電池5の発電状態をチェックする(ステップ314)。ここで、燃料電池5が発電中であれば(ステップ315のYES)、燃料電池5の発電を直ちに停止する(ステップ316)。燃料電池5が発電中でなければ(ステップ315のNO)、発電停止を続ける(ステップ313)。
制御部3は、モータ1の運転状態をチェックし(ステップ301)、モータ1が運転中であれば(ステップ302のYES)、燃料電池5の発電状態をチェックする(ステップ314)。ここで、燃料電池5が発電中であれば(ステップ315のYES)、燃料電池5の発電を直ちに停止する(ステップ316)。燃料電池5が発電中でなければ(ステップ315のNO)、発電停止を続ける(ステップ313)。
このようにして、制御部3は、モータ1が運転中である場合、燃料電池5の発電を禁止し、モータ1の運転中のスーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap の低下に対し、この充電々圧Vcap を高めようとする燃料電池5からの充電を行わせないようにする。
〔モータ駆動中の駆動指令遅延機能〕
制御部3は、上述した燃料消費削減機能に加え、モータ駆動中に新しい駆動指令を受けた場合の駆動指令遅延機能を有している。このモータ駆動中の駆動指令遅延機能には、現在コマンド優先型と、新コマンド優先型の2つのタイプが考えられる。何れのタイプを用いるかは自由であるが、本実施の形態では新コマンド優先型を採用している。
制御部3は、上述した燃料消費削減機能に加え、モータ駆動中に新しい駆動指令を受けた場合の駆動指令遅延機能を有している。このモータ駆動中の駆動指令遅延機能には、現在コマンド優先型と、新コマンド優先型の2つのタイプが考えられる。何れのタイプを用いるかは自由であるが、本実施の形態では新コマンド優先型を採用している。
〔現在コマンド優先型〕
図9に示したタイムチャートにおいて、期間t1〜t2のモータ駆動中に、すなわち現在コマンド(第1の駆動指令)に従うモータ駆動中に、上位装置から制御部3へモータ1への新コマンド(第2の駆動指令)が与えられることがある。
図9に示したタイムチャートにおいて、期間t1〜t2のモータ駆動中に、すなわち現在コマンド(第1の駆動指令)に従うモータ駆動中に、上位装置から制御部3へモータ1への新コマンド(第2の駆動指令)が与えられることがある。
この場合、制御部3は、モータ駆動中の駆動指令遅延機能(現在コマンド優先型)により、現在コマンドに従うモータ1の駆動が完了した後に燃料電池5の発電を開始させ、この燃料電池5からの電力の供給を受けて充電されるスーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful+に達した後に、新コマンドに従うモータ1の駆動を開始させる。
すなわち、現在コマンド優先型では、現在コマンドに従うモータ1の駆動中に新コマンドを受けても、すぐにはそのコマンドに従わず、現在コマンドに従うモータ1の駆動が続けられる。そして、現在コマンドに従うモータ1の駆動が完了すると、燃料電池5の発電が開始され、スーパーキャパシタ6への充電が行われる。そして、このスーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful+に達した後に、それまで待たされていた新コマンドに従うモータ1の駆動が開始される。これにより、現在コマンドに従うモータ1の駆動が完了した後、スーパーキャパシタ6の充電量が不足した状態で、新コマンドに従うモータ1の駆動が開始されてしまう虞れがなくなる。
〔新コマンド優先型〕
図9に示したタイムチャートにおいて、期間t1〜t2のモータ駆動中に、上位装置から新コマンドが与えられると、制御部3は、モータ駆動中の駆動指令遅延機能(新コマンド優先型)により、モータ1の駆動を停止し、燃料電池5の発電を開始させる。そして、この燃料電池5からの電力の供給を受けて充電されるスーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful+に達した後に、新コマンドに従うモータ1の駆動を開始させる。
図9に示したタイムチャートにおいて、期間t1〜t2のモータ駆動中に、上位装置から新コマンドが与えられると、制御部3は、モータ駆動中の駆動指令遅延機能(新コマンド優先型)により、モータ1の駆動を停止し、燃料電池5の発電を開始させる。そして、この燃料電池5からの電力の供給を受けて充電されるスーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful+に達した後に、新コマンドに従うモータ1の駆動を開始させる。
すなわち、新コマンド優先型では、現在コマンドに従うモータ1の駆動中に新コマンドを受けると、この新コマンドが優先され、現在コマンドに従うモータ1の駆動が直ちに停止される。但し、すぐには新コマンドには従わず、燃料電池5の発電が開始され、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful+に達した後に、それまで待たされていた新コマンドに従うモータ1の駆動が開始される。これにより、現在コマンドに従うモータ1の駆動を停止した後、スーパーキャパシタ6の充電量が不足した状態で、新コマンドに従うモータ1の駆動が開始されてしまう虞れがなくなる。
なお、この新コマンド優先型において、モータ駆動中に新コマンドを受けた場合、スーパーキャパシタ6の現在の充電々圧Vcap をチェックするようにし、この充電々圧Vcap に基づいて新コマンドを遅延させるか否かを判断するようにしてもよい。
この場合、新コマンドに従うモータ1の駆動に必要な電力量を求め、この必要電力量が現在のスーパーキャパシタ6の充電量よりも多ければ、スーパーキャパシタ6の充電量で賄うことが可能であると判断し、直ちに新コマンドに従うモータ1の駆動を開始させるようにする。
これに対し、スーパーキャパシタ6の充電量が必要電力量よりも少なければ、スーパーキャパシタ6の充電量では賄うことができないと判断し、燃料電池5の発電を開始させてスーパーキャパシタ6への充電を行い、このスーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful+に達した後に、新コマンドに従うモータ1の駆動を開始させるようにする。
この場合、新コマンドに従うモータ1の駆動に必要な電力量を求め、この必要電力量が現在のスーパーキャパシタ6の充電量よりも多ければ、スーパーキャパシタ6の充電量で賄うことが可能であると判断し、直ちに新コマンドに従うモータ1の駆動を開始させるようにする。
これに対し、スーパーキャパシタ6の充電量が必要電力量よりも少なければ、スーパーキャパシタ6の充電量では賄うことができないと判断し、燃料電池5の発電を開始させてスーパーキャパシタ6への充電を行い、このスーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful+に達した後に、新コマンドに従うモータ1の駆動を開始させるようにする。
モータ駆動中に新しい駆動指令を受けた場合の対応方法としては、上述した「現在コマンド優先型」、「新コマンド優先型」以外にも色々な方法が考えられる。例えば、新コマンドを無視し、現在コマンドに従うモータ1の駆動を続けたり、現在コマンドと新コマンドの両方を無視し、モータ1を停止させるなどの方法が考えられる。
〔充電中の駆動指令遅延機能〕
図9に示したタイムチャートにおいて、期間t2〜t3の充電中に、上位装置から制御部3へモータ1への駆動指令が与えられることがある。この駆動指令の受信時、図11に示すように、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful 以下のV1であった場合、スーパーキャパシタ6の充電量が不足し、バルブ2−1が目標開度位置に達する前にモータ1が停まってしまう虞れがある。
図9に示したタイムチャートにおいて、期間t2〜t3の充電中に、上位装置から制御部3へモータ1への駆動指令が与えられることがある。この駆動指令の受信時、図11に示すように、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful 以下のV1であった場合、スーパーキャパシタ6の充電量が不足し、バルブ2−1が目標開度位置に達する前にモータ1が停まってしまう虞れがある。
例えば、充電中にバルブ20%開コマンドを受信した場合、図11に太枠で囲んだ三角形ABCの面積に相当する電力が必要であるのに対し、この三角形ABC中の網線で示した部分の面積に相当する電力が不足していると、バルブ2−1が目標開度位置である20%開度となる前にモータ1が自然に停止してしまう。
このような虞れがないように、制御部3は、「充電中の駆動指令遅延機能」により、充電中にモータ1に対する駆動指令を受けた場合、すぐにはその駆動指令には従わず、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful+に達した後に、その駆動指令に従うという処理動作を行う。これにより、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap がVful+に達した後に、それまで待たされていた充電中の駆動指令に従うモータ1の駆動が開始され、スーパーキャパシタ6の充電量が不足した状態で、モータ1が駆動されてしまう虞れがなくなる。
なお、上述した実施の形態では、配管内を流れる冷水や温水の流量を制御するコントロールバルブを例にとって説明したが、ダクト内を流れる冷風や温風の流量を制御するコントロールバルブであってもよく、またこのようなコントロールバルブへの適用に限られるものでもない。すなわち、本発明において、アクチュエータはコントロールバルブ(コントロールバルブ内のモータ)に限られるものではなく、種々のタイプのアクチュエータについてコントロールバルブと同様にして適用することが可能である。
また、上述した実施の形態では、通常(モータ1の停止中)は、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap を監視し、この充電々圧Vcap がVful よりも低くなった場合にVful+に達するまで、燃料電池5の発電を行わせるようにしたが、燃料電池5を常に発電状態としておき、モータ1の駆動中のみ燃料電池5の発電を停止するようにしてもよい。モータ1の停止中は、スーパーキャパシタ6の充電々圧Vcap の大きな変動はなく、燃料電池5を常に発電状態としておいても燃料消費は少ない。
また、上述した実施の形態では、前提条件として図6を用いて説明した前提条件1と図7を用いて説明した前提条件2を掲げたが、この前提条件1,2はあくまでも説明を分かり易くするためのものであって、本発明はこれらの前提条件に縛られるものではない。
また、上述した実施の形態では、燃料電池付きコントロールバルブ100に上位装置より無線で制御指令を与えるようにしたが、制御信号線を介して与えるようにしてもよい。
また、上述した実施の形態では、燃料電池付きコントロールバルブ100に上位装置より無線で制御指令を与えるようにしたが、制御信号線を介して与えるようにしてもよい。
1…モータ、2…バルブ駆動部、2−1…バルブ、3…制御部、4…無線信号受信部、5…燃料電池、5−1…燃料電池本体、5−2…燃料タンク、5A…燃料極、5B…空気極、5C…高分子電解質膜、6…スーパーキャパシタ、L…負荷、SW1,SW2…スイッチ、VB1〜VB4…マイクロバルブ、100…燃料電池付きコントロールバルブ、101…コントロールバルブ、102…電源供給部。
Claims (6)
- 燃料電池と、この燃料電池が発電する電力の供給を受けて充電されるキャパシタと、このキャパシタに充電された電力の供給を受けて駆動されるアクチュエータとを備えた燃料電池付きアクチュエータにおいて、
前記アクチュエータの駆動中の前記燃料電池の発電を禁止する手段
を備えたことを特徴とする燃料電池付きアクチュエータ。 - 請求項1に記載された燃料電池付きアクチュエータにおいて、
前記キャパシタの充電中に前記アクチュエータに対する駆動指令を受けた場合、前記キャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達した後に、前記駆動指令に従う前記アクチュエータの駆動を開始させる手段
を備えたことを特徴とする燃料電池付きアクチュエータ。 - 請求項1に記載された燃料電池付きアクチュエータにおいて、
第1の駆動指令に従う前記アクチュエータの駆動中に第2の駆動指令を受信した場合、前記第1の駆動指令に従う前記アクチュエータの駆動が完了した後に前記燃料電池の発電を開始させ、この燃料電池からの電力の供給を受けて充電される前記キャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達した後に、前記第2の駆動指令に従う前記アクチュエータの駆動を開始させる手段
を備えたことを特徴とする燃料電池付きアクチュエータ。 - 請求項1に記載された燃料電池付きアクチュエータにおいて、
第1の駆動指令に従う前記アクチュエータの駆動中に第2の駆動指令を受信した場合、前記アクチュエータの駆動を停止させるとともに前記燃料電池の発電を開始させ、この燃料電池からの電力の供給を受けて充電される前記キャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達した後に、前記第2の駆動指令に従う前記アクチュエータの駆動を開始させる手段
を備えたことを特徴とする燃料電池付きアクチュエータ。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載された燃料電池付きアクチュエータにおいて、
前記アクチュエータは、流体の流量を制御するコントールバルブであることを特徴とする燃料電池付きアクチュエータ。 - 請求項1〜5の何れか1項に記載された燃料電池付きアクチュエータにおいて、
前記キャパシタの充電量を監視し、この充電量が予め定められた閾値よりも低くなった場合、前記キャパシタの充電量が予め定められた規定の充電量に達するまで、前記燃料電池の発電を行わせる手段を
備えたことを特徴とする燃料電池付きアクチュエータ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005166589A JP2006345594A (ja) | 2005-06-07 | 2005-06-07 | 燃料電池付きアクチュエータ |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2005166589A JP2006345594A (ja) | 2005-06-07 | 2005-06-07 | 燃料電池付きアクチュエータ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2006345594A true JP2006345594A (ja) | 2006-12-21 |
Family
ID=37642110
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2005166589A Pending JP2006345594A (ja) | 2005-06-07 | 2005-06-07 | 燃料電池付きアクチュエータ |
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JP (1) | JP2006345594A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100873633B1 (ko) | 2006-09-13 | 2008-12-12 | 삼성에스디아이 주식회사 | 액츄에이터 제어수단을 구비하는 연료전지 및 그 운전방법 |
WO2011024416A1 (ja) * | 2009-08-24 | 2011-03-03 | パナソニック株式会社 | 端末装置及び供給電流制御方法 |
-
2005
- 2005-06-07 JP JP2005166589A patent/JP2006345594A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR100873633B1 (ko) | 2006-09-13 | 2008-12-12 | 삼성에스디아이 주식회사 | 액츄에이터 제어수단을 구비하는 연료전지 및 그 운전방법 |
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