JP2007103167A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 空気取り入れ口の閉塞による出力低下を防止することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池ユニット２の空気取り入れ口に近接して近接スイッチ１２を配置し、この近接スイッチ１２により空気取り入れ口に接近する障害物を検出すると警告駆動部１３により表示器１６を点灯して、空気取り入れ口の閉塞による出力低下を警告する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、携帯電子機器等の電源として用いられる燃料電池システムに関するものである。

携帯オーディオ機器やＰＤＳ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）などの携帯電子機器の小型化は目覚しいものがあり、これら携帯電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するのみで、発電することができ、燃料のみを交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型化が実現できれば、携帯電子機器の電源として極めて有効である。

そこで、最近、燃料電池として、直接メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ；Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌと称する。）が注目されている。ＤＭＦＣは、アノード極とカソード極との間に電解質膜を配置したもので、これらのアノード極とカソード極は、ともに集電体及び触媒層からなっている。アノード極には、燃料としてメタノール水溶液が供給され、触媒反応によりプロトン（陽子）が発生される。一方、カソード極（空気極）には空気取り入れ口より空気が供給される。カソード極では、上記電解質膜を通り抜けたプロトンが、供給される空気に含まれる酸素と触媒上で反応することにより発電が行なわれる。このようにＤＭＦＣは、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取出せ、改質も不要なことから小型化が可能であり、燃料の取り扱いも水素ガスに比べて容易なことから携帯電子機器の電源として有望視されている。

ところで、オーディオ機器などの携帯電子機器は、ポケットやかばんなどに入れたまま使用されるなど様々な取り扱いがなされる。このため、このような携帯電子機器の電源としてＤＭＦＣを使用すると、携帯電子機器の取り扱い方によってＤＭＦＣの空気取り入れ口が障害物により不用意に塞がれることがある。この空気取り入れ口の閉塞は、短い時間であれば何ら問題とならないが、この状態が長く続くと、空気極への空気の供給量が不足するようになり、ＤＭＦＣでの発電能力が低下し、出力電圧の低下によって携帯電子機器の動作が不安定になるという問題を生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、空気取り入れ口の閉塞による出力低下を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、空気取り入れ口を有し、該空気取り入れ口より供給される空気を用いて発電を行なう燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットの前記空気取り入れ口に近接して設けられ、前記空気取り入れ口に接近する障害物を検出する障害物検出手段と、前記障害物検出手段による障害物の検出により警告を発する警告発生手段とを具備したことを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、警告発生手段は、前記障害物検出手段による障害物の検出から所定時間経過後に警告を発することを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記警告発生手段は、前記燃料電池ユニットからの出力が供給される負荷側に設けられることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記警告発生手段は、前記燃料電池ユニット側に設けられることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記障害物検出手段は、前記空気取り入れ口に接近する障害物を検出する近接スイッチからなることを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記燃料電池ユニットの出力側に二次電池が接続されることを特徴としている。

本発明によれば、空気取り入れ口の不用意な閉塞による出力低下を防止することができる燃料電池システムを提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示している。

図において、１は燃料電池システムを収容する筐体で、この筐体１内部には、ＤＭＦＣユニット２、制御ユニット３、燃料タンク４が設けられている。

ＤＭＦＣユニット２は、アノード極とカソード極との間に電解質膜を配置したもので、これらのアノード極とカソード極は、ともに集電体及び触媒層からなっている。アノード極には、燃料としてメタノール水溶液が供給され、触媒反応によりプロトン（陽子）が発生される。一方、カソード極（空気極）には空気取り入れ口より空気が供給される。カソード極では、上記電解質膜を通り抜けたプロトンが、供給される空気に含まれる酸素と触媒上で反応することにより発電が行なわれる。ここでのＤＭＦＣユニット２は、燃料も空気も対流や濃度勾配などを利用して供給するパッジブ型のものが用いられている。

燃料タンク４には、燃料としてメタノール水溶液が充填されている。このメタノール水溶液は、図示しない供給路を通ってＤＭＦＣユニット２のアノード極に供給される。また、燃料タンク４には、注入口５が設けられている。この注入口５には、燃料カートリッジ６が着説可能に装着され、この燃料カートリッジ６から燃料タンク４への燃料の補給が行なわれる。

制御ユニット３は、図２に示すように負荷である携帯電子機器８に対する電源電圧の供給を制御するもので、次のように構成されている。
この場合、制御ユニット３は、昇圧手段としてのＤＣ−ＤＣコンバータ９、ＤＣ−ＤＣ制御部１０、主制御部１１を備えている。
ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、ＤＣ−ＤＣ制御部１０からの制御信号により携帯電子機器８に供給する出力電圧を制御する。この場合、ＤＣ−ＤＣ制御部１０は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ９の出力電圧と予め設定されたしきい電圧とを比較し、その差信号によりＤＣ−ＤＣコンバータ９の出力電圧を制御する。

主制御部１１には、障害物検出手段としての近接スイッチ１２、警告駆動部１３、電磁バルブ１４、負荷切離し用スイッチ１５が接続されている。近接スイッチ１２は、例えば赤外光ＬＥＤとフォトダイオードを組み合わせたもので、赤外光ＬＥＤから発せられ、障害物で反射される光をフォトダイオードで受光することで障害物の接近を検出する反射光検出式のものが用いられる。このような近接スイッチ１２は、ＤＭＦＣユニット２の不図示の空気取り入れ口に近接して、ここでは、図３に示すように燃料電池システム１が装着される携帯電子機器８の上記ＤＭＦＣユニット２の空気取り入れ口に対応して形成される空気取り入れ口８ａに近接して配置され、この空気取り入れ口８ａに接近する不図示の障害物を検出するようにしている。

主制御部１１は、近接スイッチ１２の検出出力が与えられる。この場合、主制御部１１は、タイマ１１ａが設けられており、近接スイッチ１２による障害物の検出状態がタイマ１１ａに設定された所定時間以上継続すると、携帯電子機器８の空気取り入れ口８ａ、つまりＤＭＦＣユニット２の空気取り入れ口からの空気の取り入れが困難と判断して警告信号を出力するようにしている。

警告駆動部１３は、携帯電子機器８側に配置されるもので、警告駆動部１３とともに警告発生手段を構成する表示器１６が接続され、主制御部１１から警告信号を受け取ると表示器１６を点灯し、空気取り入れ口２ａからの空気の取り入れが困難となる閉塞状態にあることを警告するようにしている。この場合、警告発生手段は、表示器１６に限らず、ブザーなど音を発するものを用いることも可能である。

電磁バルブ１４は、燃料タンク４からＤＭＦＣユニット２のアノード極への燃料の供給路に配置されるもので、主制御部１１の制御信号により動作され、ＤＭＦＣユニット２への燃料の供給を強制的に停止する。負荷切離し用スイッチ１５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９と携帯電子機器８の間の電路に配置されるもので、主制御部１１の制御信号により動作され、ＤＣ−ＤＣコンバータ９より携帯電子機器８への給電を強制的に停止する。

この場合、主制御部１１より電磁バルブ１４及び負荷切離し用スイッチ１５に与えられる制御信号は、例えば警告駆動部１３への警告信号の出力から、さらに所定時間が経過してもＤＭＦＣユニット２の空気取り入れ口からの空気の取り入れ困難な状況が改善されない場合に新たに出力されるものである。この主制御部１１からの新たな制御信号は、電磁バルブ１４及び負荷切離し用スイッチ１５のいずれか一方に与えるようにしてもよい。

次に、このように構成した実施の形態の作用を説明する。

いま、ＤＭＦＣユニット２を電源として使用する場合、携帯電子機器８の不図示の電源端子に、ＤＭＦＣユニット２の図１に示す出力回路７を接続する。これにより、ＤＭＦＣユニット２から出力される電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ９で昇圧され、出力回路７を介して携帯電子機器８に供給される。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、ＤＣ−ＤＣ制御部１０により、ＤＣ−ＤＣコンバータ９の出力電圧と、予め設定されたしきい電圧との比較に基づく差信号により安定した出力電圧に制御されている。

この状態から、図３に示す携帯電子機器８に形成される空気取り入れ口８ａ、つまりＤＭＦＣユニット２の不図示の空気取り入れ口に不図示の障害物が不用意に接近すると、この障害物の接近は、近接スイッチ１２により検出される。この場合、近接スイッチ１２は、赤外光ＬＥＤとフォトダイオードを組み合わせたもので、赤外光ＬＥＤから発せられる光が接近する障害物で反射し、この反射光をフォトダイオードで受光することで障害物の接近を検出する。

近接スイッチ１２の検出出力は、主制御部１１に与えられる。主制御部１１は、近接スイッチ１２からの検出出力がタイマ１１ａに設定された所定時間以上継続すると、障害物によりＤＭＦＣユニット２の空気取り入れ口からの空気の取り入れが困難と判断して警告信号を出力する。この警告信号は、携帯電子機器８側の警告駆動部１３に送られ、表示器１６が点灯される。この表示器１６の点灯により、空気取り入れ口からの空気の取り入れが困難な状況にあることが警告される。

また、主制御部１１からの警告信号の出力から、さらに所定時間が経過してもＤＭＦＣユニット２の空気取り入れ口からの空気の取り入れ困難な状況が改善されないような場合は、主制御部１１よりさらに制御信号が出力される。この制御信号は、電磁バルブ１４及び負荷切離し用スイッチ１５に与えられ、ＤＭＦＣユニット２への燃料供給の強制的な停止やＤＣ−ＤＣコンバータ９より携帯電子機器８への給電の強制的な停止が実行される。

したがって、このようにすれば、携帯電子機器８に形成される空気取り入れ口８ａ、つまりＤＭＦＣユニット２の不図示の空気取り入れ口に近接スイッチ１２を配置し、この近接スイッチ１２により、障害物の接近によってＤＭＦＣユニット２の空気取り入れ口からの空気の取り入れが困難になるような状況を検出し、この状況を表示器１６を点灯して使用者に警告できるようにしたので、ＤＭＦＣユニット２の空気取り入れ口ａの不用意な閉塞によるＤＭＦＣユニット２の出力低下を未然に防止することができ、携帯電子機器に対し常に安定した出力を供給することができる。

また、近接スイッチ１２による検出がタイマ１１ａに設定された所定時間継続したことを条件に警告を発するようにしているので、障害物が短い時間だけＤＭＦＣユニット２の空気取り入れ口に接近したような状況を確実に区別することができ、より精度の高い警告を発生することができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。

図４は、本発明の第２の実施の形態の概略構成を示すもので、図２と同一部分には、同符号を付して説明を省略する。

この場合、ＤＭＦＣユニット２の出力側のＤＣ−ＤＣコンバータ９には、二次電池としてのリチウムイオン充電池（以下、ＬＩＢと称する。）２１が接続されている。ＬＩＢ２１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９により昇圧される電力により充電されるもので、負荷である携帯電子機器８の状態に応じてＤＭＦＣユニット２からの電力の不足分を補給するようにしている。

その他は、図２と同様である。

このようにすると、ＤＭＦＣユニット２の空気取り入れ口２ａが障害物により閉塞され、ＤＭＦＣユニット２の出力が低下すると、ＤＭＦＣユニット２に代わってＬＩＢ２１からの出力が携帯電子機器８に供給されるようになるが、この場合も、近接スイッチ１２により携帯電子機器８の空気取り入れ口８ａ、つまりＤＭＦＣユニット２の不図示の空気取り入れ口への障害物の接近が検出されると、速やかに警告手段よりＤＭＦＣユニット２の空気取り入れ口からの空気の取り入れが困難である旨の警告が発せられ障害物の除去が促されるようになるので、不必要にＬＩＢ２１が消耗するのを最小限に止めることができ、この状況下でＬＩＢ２１の消耗により携帯電子機器の動作が不安定に陥るようなことを回避することができる。

なお、上述の実施の形態では、携帯電子機器８の多数の空気取り入れ口８ａが形成される面上に１個の近接スイッチ１２を配置した例を述べたが、多数の空気取り入れ口８ａが形成される面全体に均一に複数の近接スイッチを配置するようにしてもよい。このようにすると、複数の空気取り入れ口８ａの一部に障害物が接近して１個の近接スイッチのみが動作したような場合は、ＤＭＦＣユニット２の出力低下を生じない程度と判断して、この状況を無視し、複数の空気取り入れ口８ａが障害物により同時に閉塞されるような状況で、複数の近接スイッチが同時に動作したような場合は、速やかに警告を発するようにしてもよい。こうすれば、さらに進んだ状況判断のもとで精度の高い警告を発することができる。

また、上述した反射光検出式の近接スイッチは、一例であって透過光検出式のものや機械式のものなど種々の方式の近接スイッチを用いることもできる。

さらに、警告手段としては、表示器１６に代えて、バイブレータなどの振動を発するもの用いることもできる。このようなバイブレータを用いれば、携帯電子機器８をポケットなどに入れて使用しているような場合も、バイブレータの振動により確実に使用者に対して警告を伝えることができる。また、このような警告手段は、携帯電子機器８に限らず、ＤＭＦＣユニット２側の制御ユニット３に設けるようにしても同様な効果を得ることができる。

その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。

さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図。 第１の実施の形態の燃料電池システムの回路構成を示すブロック図。 第１の実施の形態の近接スイッチの配置を説明するための図。 本発明の第２の実施の形態にかかる燃料電池システムの回路構成を示すブロック図。

符号の説明

１…筐体、２…ＤＭＦＣユニット
３…制御ユニット
４…燃料タンク、５…注入口
６…燃料カートリッジ、７…出力回路
８…携帯電子機器、８ａ…空気取り入れ口、９…ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０…ＤＣ−ＤＣ制御部、１１…主制御部
１１ａ…タイマ、１２…近接スイッチ
１３…警告駆動部、１４…電磁バルブ
１５…負荷切離し用スイッチ、１６…表示器、２１…ＬＩＢ

Claims (6)

1. 空気取り入れ口を有し、該空気取り入れ口より供給される空気を用いて発電を行なう燃料電池ユニットと、
   前記燃料電池ユニットの前記空気取り入れ口に近接して設けられ、前記空気取り入れ口に接近する障害物を検出する障害物検出手段と、
   前記障害物検出手段による障害物の検出により警告を発する警告発生手段と
   を具備したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 警告発生手段は、前記障害物検出手段による障害物の検出から所定時間経過後に警告を発することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記警告発生手段は、前記燃料電池ユニットからの出力が供給される負荷側に設けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記警告発生手段は、前記燃料電池ユニット側に設けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記障害物検出手段は、前記空気取り入れ口に接近する障害物を検出する近接スイッチからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池ユニットの出力側に二次電池が接続され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システム。

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