JP2007087701A - 電子機器および燃料電池の起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低温環境下でも燃料電池を良好に起動でき、かつ起動後の燃料電池の過剰な昇温を防ぐことができる電子機器等を提供する。
【解決手段】 作動時に発熱する発熱部である制御部１０３を有し、燃料電池２０２から電力供給を受ける電子機器１００は、制御部１０３と燃料電池２０２とを熱結合させ、制御部１０３で発生した熱を燃料電池２０２に伝導させるヒートパイプ１１０，２１０と、制御部１０３と燃料電池２０２とのヒートパイプ１１０，２１０を介した熱結合状態とその遮断状態とを切り替える切替部３００とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池から電力供給を受ける電子機器および燃料電池の起動方法に関するものである。

近年、携帯型のパーソナルコンピュータやＰＤＡ(Personal Digital Assistant)等の電子機器の電源として、燃料電池が用いられるようになってきている。燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質とから構成され、燃料極に燃料が供給され、酸化剤極に酸化剤が供給されることにより、電気化学反応が生じて発電する。燃料としては一般的には水素が用いられるが、近年では、安価で取り扱いの容易なメタノールを原料として、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型の燃料電池や、メタノールを燃料として直接利用するダイレクトメタノール式燃料電池（ＤＭＦＣ[Direct Methanol Fuel Cell]）も広く知られてきている。

燃料電池は上記のような電気化学反応によって発電するため、約１５℃よりも低い低温環境下では電気化学反応の活性が低くなり、燃料電池の起動時に十分な出力が得られないという問題が生じる。これを解決する一例として、例えば従来のダイレクトメタノール式燃料電池では、メタノール濃度が比較的濃い燃料と、メタノール濃度が比較的薄い燃料との２種類の燃料を備え、低温環境下での起動時には電気化学反応を活性化させるためにメタノール濃度が比較的濃い燃料で発電して十分な出力を得る一方で、その後、電気化学反応に伴う発熱によって燃料電池が適温（約３０〜４０℃）まで昇温した後はメタノール濃度が比較的薄い燃料に切り換えて発電を続けることが行われていた。

このように、低温環境下での起動時に十分な出力が得られないという問題に加え、低温環境下での起動を繰り返し行った場合にはメタノール濃度が比較的濃い燃料だけが早く消費されてしまい、メタノール濃度が比較的薄い燃料を余らせてしまうという問題がある。後者の場合には残った燃料が無駄になるため、燃料を効率良く消費することの妨げとなる。また、燃料電池には燃料極に供給する２種類の燃料を切り換える手段を備える必要があるため、燃料電池の複雑化、大型化、高コスト化を招いてしまう。

特許文献１には、ダイレクトメタノール式燃料電池は燃料を加熱して燃料極に供給すると発電効率が高まることに着目し、パーソナルコンピュータのＣＰＵ等の電子機器の発熱部から発生する熱で燃料を加熱する発明が開示されている。
特開２００３−３０８８６１号公報

特許文献１に開示された構成では、燃料が電子機器の発熱部を常に通過して燃料電池本体に供給されるようになっている。そのため、低温環境下での起動時には、燃料が加熱されることにより電気化学反応が活性化して良好に発電することができる。しかしその一方で、燃料がある温度（３０〜４０℃程度）を越えると燃料電池の燃料消費率が極端に低下するため、起動後も継続して燃料を加熱し続けることは好ましくない。

そこで本発明は、低温環境下でも燃料電池を良好に起動でき、かつ起動後の燃料電池の過剰な昇温を防ぐことができる電子機器および燃料電池の起動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の電子機器は、作動時に発熱する発熱部を有し、燃料電池から電力供給を受ける電子機器であって、前記発熱部と前記燃料電池とを熱結合させる熱結合手段と、前記発熱部と前記燃料電池との前記熱結合手段を介した熱結合状態とその遮断状態とを切り替える切替手段と、を有することを特徴とする。

上記本発明によれば、切替手段を熱結合状態に切り替えることで、電子機器の動作中に発熱部から発生した熱を、熱結合手段を介して燃料電池へ伝導させることが可能になる。燃料電池は、その熱によって加熱されて電気化学反応が活性化するため、特に低温環境下では、加熱しないときに比べて燃料電池の起動時間が短縮され、所定の出力電力を安定して得られる定常発電状態に迅速に移行することができる。さらに、燃料電池が定常発電状態に移行した後は切替手段を遮断状態に切り替えることで、燃料電池への熱供給が遮断され、燃料電池の過剰な温度上昇を防止して燃料電池を効率よく発電させることができる。

さらに、前記切替手段は、前記燃料電池が起動されてから電力を安定して供給するまでの起動状態中にのみ前記熱結合状態となる構成としてもよく、あるいは、前記切替手段は、前記燃料電池が所定の温度以下のときにのみ前記熱結合状態となる構成としてもよい。

さらには、前記発熱部は前記電子機器の制御部であってもよい。

また、本発明の燃料電池の起動方法は、作動時に発熱する発熱部を有する電子機器に電力を供給する燃料電池の起動方法であって、前記燃料電池が起動されてから電力を安定して供給するまでの起動時に前記発熱部と前記燃料電池とを熱結合させることを特徴とする。

さらに、前記燃料電池が電力を安定して供給する定常発電状態に移行した後は前記熱結合を遮断することが好ましい。

また、本発明の他の燃料電池の起動方法は、作動時に発熱する発熱部を有する電子機器に電力を供給する燃料電池の起動方法であって、前記燃料電池が所定の温度以下のときに前記発熱部と前記燃料電池とを熱結合させることを特徴とする。

さらに、前記燃料電池が前記所定の温度を越えているときには前記熱結合を遮断することが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、低温環境下でも燃料電池を良好に起動でき、かつ起動後の燃料電池の過剰な昇温を防ぐことができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る電子機器と燃料電池システムの要部構成を示すブロック図である。本実施形態は、電子機器１００と電子機器１００に電力を供給する燃料電池システム２００とを有している。電子機器１００は、記憶部１０１、入力部１０２、制御部１０３および表示部１０４を有し、燃料電池システム２００は駆動制御部２０１および燃料電池２０２を有している。

電子機器１００としては携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータやＰＤＡ、または携帯電話機などが挙げられる。記憶部１０１は電子機器１００を動作させるためのプログラムの記憶や、アプリケーションを実行するための一時記憶を行なうものでＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク、フロッピーディスクなどから構成される。入力部１０２はデータ入力を行なうためのもので、マウスやキーボード、タッチペンなどから構成される。制御部１０３は電子機器１００の全般的な制御を司るものであり、駆動制御部２０１から送信される動作モードの通知を受けるようになっている。表示部１０４は液晶表示デバイスやＬＥＤなどから構成されるもので、本実施形態においては液晶表示デバイスが使用されている。

駆動制御部２０１は、燃料電池２０２内で燃料を循環させるためのファンおよびモータ（不図示）と、制御部１０３からの電源のオン、オフ信号を受けてファンやモータの動作を制御する制御装置（不図示）とを有している。本実施形態における燃料電池（ＦＣ）２０２は、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池である。

本実施形態では、主として燃料電池２０２によって電子機器１００への電力供給が行なわれる。電子機器１００に対してはこの他に、アルカリ電池等の一次電池あるいはニッケル水素バッテリ（Ｎｉ−ＭＨ）やリチウムイオンバッテリ（Ｌｉ−ｉｏｎ）等の二次電池からなる電池パックや、ＡＣアダプタによる電力供給を行なうこともできるが、図１ではそれらの図示は省略されている。電池パックやＡＣアダプタは、例えば、燃料電池２０２の起動時や終了時、あるいは燃料電池２０２による電力供給だけでは不足が生じるときなどに、電子機器１００への電力供給をアシストするために用いられる。

電子機器１００は当初は電池パックやＡＣアダプタを電源として起動され、その後、燃料電池２０２を起動した後には電源を燃料電池２０２に切り換えることができるようになっている。また、燃料電池システム２００の駆動制御部２０１による燃料電池２０２の制御モードには、４つのモードがある。それらの４つの制御モードは、燃料電池２０２を起動させる起動モード、出力電力が安定した状態の定常発電モード、燃料電池２０２による発電を終了させてクールダウンを行う終了モード、および燃料電池２０２を停止させている停止モードである。駆動制御部２０１は、これらの４つの制御モードのうちのどのモードにあるかを示す制御モード信号を、制御モードが切り替わるごとに電子機器１００の制御部１０３に送信する。

さらに、本実施形態では、電子機器１００の制御部１０３から延びたヒートパイプ１１０と、燃料電池２０２から延びたヒートパイプ２１０とが、切替部３００を介して接続状態と遮断状態とを切り替えることができるように構成されている。電子機器１００の制御部１０３には例えばＣＰＵ、チップセットあるいはグラフチップ等が含まれ、これらは電子機器１００の動作中に発熱するため本発明における発熱部としても機能する。本実施形態の構成によれば、制御部１０３が発熱して発生した熱を、これらの熱結合手段としてのヒートパイプ１１０，２１０を介して燃料電池２０２に伝導させることができる。

次に、制御部１０３が発熱して発生した熱を燃料電池２０２に伝導させるための具体的な構成例について説明する。

（構成例１）
図２は図１に示した構成における熱伝導構成の一例を示す概略図であり、図２（ａ）は熱結合状態を示し、図２（ｂ）は遮断状態を示している。

図２に示す構成例では、切替部３００は、電子機器１００のマザーボード上に搭載されたＣＰＵ等からなる制御部１０３から延びたヒートパイプ１１０の一端と、燃料電池２０２から延びたヒートパイプ２１０の端部との熱結合状態と遮断状態とを切り替えるように配置されている。本構成例における切替部３００は、軸３１０ａを中心として回動可能な接触部３１０と、接触部３１０を熱結合状態となる位置に付勢するばね３１１と、接触部３１０を遮断状態となる位置に移動させるフック３１２とで構成されている。フック３１２は、不図示のモータによって駆動されて、軸３１２ａを中心として図２（ａ）に示す位置と図２（ｂ）に示す位置との間を回動する。

なお、制御部１０３から延びたヒートパイプ１１０の他端にはファン等の冷却装置が連結されており、制御部１０３が所定の温度を超えたときにこの冷却装置を作動させることにより、制御部１０３を冷却することが可能である。

次に、図２に示す構成例における切替部３００の動作について、図１および図２を参照して説明する。

電子機器１００が起動され、制御部１０３から燃料電池システム２００の駆動制御部２０１に対して、燃料電池２０２を起動すべき旨の制御信号が送られると、駆動制御部２０１は、起動モードに入り燃料電池２０２の起動を開始させるとともに、起動モードであることを示す制御モード信号を制御部１０３に送信する。

起動モードであることを示す制御モード信号を受けた制御部１０３は、モータ（不図示）によりフック３１２を回転駆動させると、ばね３１１の付勢力によって接触部３１０が図２（ａ）に示す熱結合位置に移動させられ、ヒートパイプ１１０，２１０を熱結合状態にする。すると、電子機器１００の動作中に制御部１０３から発生した熱が、ヒートパイプ１１０から切替部３００とヒートパイプ２１０を経て燃料電池２０２へ伝導される。燃料電池２０２は、その熱によって加熱されて電気化学反応が活性化するため、特に低温環境下では、加熱しないときに比べて燃料電池２０２の起動時間が短縮され、所定の出力電力を安定して得られる定常発電状態に迅速に移行することができる。

燃料電池２０２が定常発電状態に移行すると、駆動制御部２０１は定常発電モードであることを示す制御モード信号を制御部１０３に送信する。定常発電モードであることを示す制御モード信号を受けた制御部１０３は、モータ（不図示）によりフック３１２を回転駆動させて接触部３１０を図２（ｂ）に示す遮断位置に移動させ、ヒートパイプ１１０，２１０を遮断状態にする。

上述したように、ある温度（３０〜４０℃程度）を越えると燃料電池２０２の燃料消費率が極端に低下するため、定常発電状態に移行した後も継続して燃料電池２０２を加熱し続けることは好ましくない。さらに、燃料電池２０２は発電中に電気化学反応によって自らも発熱するため、定常発電状態に移行した後はもはや外部から熱供給を受ける必要がなくなる。そこで本実施形態のように、燃料電池２０２が定常発電状態に移行した後は燃料電池２０２への熱供給を遮断することで、燃料電池２０２の過剰な温度上昇を防止して燃料電池２０２を効率よく発電させることが可能になる。

なお、燃料電池システム２００は発電中に発熱した燃料電池２０２を冷却するファン等の冷却装置（不図示）を備えていてもよい。この場合、駆動制御部２０１は燃料電池２０２が所定の温度を越えたときにその冷却装置を作動させる。

制御部１０３が切替部３００を熱結合状態（図２（ａ））にするのは「起動モード」のときだけであり、その他のモード（定常発電モード、終了モードおよび停止モード）のときには切替部３００は遮断状態（図２（ｂ））に保たれる。

（構成例２）
図３は図１に示した構成における熱伝導構成の他の例を示す概略図であり、図３（ａ）は熱結合状態を示し、図３（ｂ）は遮断状態を示している。

図３に示す構成例では、図１に示したヒートパイプ１１０が省略され、制御部１０３と切替部３００とが接した構成になっている。そのため本構成例では、切替部３００は、電子機器１００のマザーボード上に搭載されたＣＰＵ等からなる制御部１０３と、燃料電池２０２から延びたヒートパイプの端部との熱結合状態と遮断状態とを切り換えるように配置されている。

本構成例における切替部３００は、燃料電池２０２から延びたヒートパイプの端部に連結された接触部３２０と、接触部３２０の近傍に設置されヒートパイプが挿通されるストッパ３２４と、接触部３２０とストッパ３２４との間に備えられたばね３２３とを有している。さらに、接触部３２０の、ヒートパイプの端部が連結されている面には永久磁石３２１が設けられ、その永久磁石３２１に対向する位置には電磁石３２２が配置されている。

電磁石３２２に通電されていないときには永久磁石３２１は電磁石３２２に引き寄せられておらず、図３（ａ）に示すように、ばね３２３の付勢力によって接触部３２０が制御部１０３に接触させられる。一方、電磁石３２２に通電されているときには永久磁石３２１は電磁石３２２に引き寄せられ、図３（ｂ）に示すように、ばね３２３の付勢力に抗して接触部３２０が制御部１０３から引き離される。

なお、制御部１０３の他方から延びたヒートパイプの端部にはファン等の冷却装置が連結されており、制御部１０３が所定の温度を超えたときにこの冷却装置を作動させることにより、制御部１０３を冷却することが可能である。

また、燃料電池システム２００は発電中に発熱した燃料電池２０２を冷却するファン等の冷却装置（不図示）を備えていてもよい。この場合、駆動制御部２０１は燃料電池２０２が所定の温度を越えたときにその冷却装置を作動させる。

次に、図３に示す構成例における切替部３００の動作について、図１および図３を参照して説明する。

電子機器１００が起動され、制御部１０３から燃料電池システム２００の駆動制御部２０１に対して、燃料電池２０２を起動すべき旨の制御信号が送られると、駆動制御部２０１は、起動モードに入り燃料電池２０２の起動を開始させるとともに、起動モードであることを示す制御モード信号を制御部１０３に送信する。

起動モードであることを示す制御モード信号を受けた制御部１０３は、電磁石３２２への通電を停止させる。これにより、図３（ａ）に示すように、接触部３２０がばね３２３の付勢力によって付勢され、制御部１０３に接触した状態に保たれる。すると、電子機器１００の動作中に制御部１０３から発生した熱が、接続切替部３００からヒートパイプを経て燃料電池２０２へ伝導される。燃料電池２０２は、その熱によって加熱されて電気化学反応が活性化するため、特に低温環境下では、加熱しないときに比べて燃料電池２０２の起動時間が短縮され、所定の出力電力を安定して得られる定常発電状態に迅速に移行することができる。

燃料電池２０２が定常発電状態に移行すると、駆動制御部２０１は定常発電モードであることを示す制御モード信号を制御部１０３に送信する。定常発電モードであることを示す制御モード信号を受けた制御部１０３は、電磁石３２２を通電状態にする。これにより、図３（ｂ）に示すように、接触部３２０に設けられた永久磁石３２１がばね３２３の付勢力に抗して電磁石３２２に引き寄せられ、接触部３２０が制御部１０３から引き離された状態に保たれる。

本実施形態においても、燃料電池２０２が定常発電状態に移行した後は燃料電池２０２への熱供給を遮断することで、燃料電池２０２の過剰な温度上昇を防止して燃料電池２０２を効率よく発電させることが可能になる。

なお、本実施形態でも制御部１０３が切替部３００を熱結合状態（図３（ａ））にするのは「起動モード」のときだけであり、その他のモード（定常発電モード、終了モードおよび停止モード）のときには切替部３００は遮断状態（図３（ｂ））に保たれる。また、上記では切替部３００が熱結合状態のときに電磁石３２２への通電が停止され、遮断状態のときに電磁石３２２に通電される構成を例に挙げて説明したが、これとは逆に、切替部３００が熱結合状態のときに電磁石３２２に通電され、遮断状態のときに電磁石３２２への通電が停止される構成としてもよい。

（構成例３）
図４は図１に示した構成における熱伝導構成のさらに他の例を示す概略図であり、図４（ａ）は熱結合状態を示し、図４（ｂ）は遮断状態を示している。

図４に示す構成例では、切替部３００を成すバイメタル３３０が、電子機器１００のマザーボード上に搭載されたＣＰＵ等からなる制御部１０３から延びたヒートパイプ１１０の一端と、燃料電池２０２から延びたヒートパイプ２１０の端部との熱結合状態と遮断状態とを切り換えるように配置されている。本例のバイメタル３３０はヒートパイプ２１０の先端に取り付けられており、ある温度（３０〜４０℃）よりも低い温度では図４（ａ）に示すようにヒートパイプ１１０に接触し、ある温度（３０〜４０℃の間の所定の温度）よりも高い温度では図４（ｂ）に示すようにヒートパイプ１１０から離れるように変形する。

なお、制御部１０３から延びたヒートパイプ１１０の他端にはファン等の冷却装置が連結されており、制御部１０３が所定の温度を超えたときにこの冷却装置を作動させることにより、制御部１０３を冷却することが可能である。

また、燃料電池システム２００は発電中に発熱した燃料電池２０２を冷却するファン等の冷却装置（不図示）を備えていてもよい。この場合、駆動制御部２０１は燃料電池２０２が所定の温度を越えたときにその冷却装置を作動させる。

次に、図４に示す構成例における切替部３００（バイメタル３３０）の動作について、図１および図４を参照して説明する。

電子機器１００が起動され、電子機器１００の動作中に制御部１０３から熱が発生すると、その熱がヒートパイプ１１０からバイメタル３３０とヒートパイプ２１０を経て燃料電池２０２へ伝導される。燃料電池２０２は、その熱によって加熱されて電気化学反応が活性化するため、特に低温環境下では、加熱しないときに比べて燃料電池２０２の起動時間が短縮され、所定の出力電力を安定して得られる定常発電状態に迅速に移行することができる。

その後、電子機器１００が継続して動作すると制御部１０３がより高温になる。そして、制御部１０３からヒートパイプ１１０を経てバイメタル３３０に伝導される温度が上記の所定の温度を越えると、バイメタル３３０は次第に反り返るように変形して図４（ｂ）に示すようにヒートパイプ１１０から離れ、ヒートパイプ１１０，２１０を遮断状態にする。このようにして、燃料電池２０２が定常発電状態に移行した後は燃料電池２０２への熱供給を遮断することで、燃料電池２０２の過剰な温度上昇を防止して燃料電池２０２を効率よく発電させることが可能になる。

上述したように、本構成例は、制御部１０３によって切替部３００を作動させるのではない点において上記の他の構成例と相違している。本例では切替部３００の一例としてバイメタル３３０を用いた構成を示したが、この他にも、形状記憶合金や形状記憶樹脂等の温度に応じて形状が変化する素材を用いて構成することも可能である。

本発明の一実施形態に係る電子機器と燃料電池システムの要部構成を示すブロック図である。 図１に示した構成における熱伝導構成の一例を示す概略図である。 図１に示した構成における熱伝導構成の他の例を示す概略図である。 図１に示した構成における熱伝導構成のさらに他の例を示す概略図である。

符号の説明

１００ 電子機器
１０１ 記憶部
１０２ 入力部
１０３ 制御部
１０４ 表示部
１１０，２１０ ヒートパイプ
２００ 燃料電池システム
２０１ 駆動制御部
２０２ 燃料電池
３００ 切替部
３１０，３２０ 接触部
３１０ａ，３１２ａ 軸
３１１，３２３ ばね
３１２ フック
３２１ 永久磁石
３２２ 電磁石
３２４ ストッパ
３３０ バイメタル

Claims (8)

1. 作動時に発熱する発熱部を有し、燃料電池から電力供給を受ける電子機器であって、
   前記発熱部と前記燃料電池とを熱結合させる熱結合手段と、
   前記発熱部と前記燃料電池との前記熱結合手段を介した熱結合状態とその遮断状態とを切り替える切替手段と、
   を有することを特徴とする電子機器。
2. 前記切替手段は、前記燃料電池が起動されてから電力を安定して供給するまでの起動状態中にのみ前記熱結合状態となる、請求項１に記載の電子機器。
3. 前記切替手段は、前記燃料電池が所定の温度以下のときにのみ前記熱結合状態となる、請求項１に記載の電子機器。
4. 前記発熱部は前記電子機器の制御部である、請求項１から３のいずれか１項に記載の電子機器。
5. 作動時に発熱する発熱部を有する電子機器に電力を供給する燃料電池の起動方法であって、
   前記燃料電池が起動されてから電力を安定して供給するまでの起動状態中に前記発熱部と前記燃料電池とを熱結合させることを特徴とする燃料電池の起動方法。
6. 前記燃料電池が電力を安定して供給する定常発電状態に移行した後は前記熱結合を遮断する、請求項５に記載の燃料電池の起動方法。
7. 作動時に発熱する発熱部を有する電子機器に電力を供給する燃料電池の起動方法であって、
   前記燃料電池が所定の温度以下のときに前記発熱部と前記燃料電池とを熱結合させることを特徴とする燃料電池の起動方法。
8. 前記燃料電池が前記所定の温度を越えているときには前記熱結合を遮断する、請求項７に記載の燃料電池の起動方法。
   
   
   

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