JP2007220453A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のアノード、カソードからの排出溶液を回収するタンクの液量を検出し燃料電池の運転に使用するパラメータを得る場合に、液量検知用の回路が簡単でかつ電極が直接溶液に触れないことにより、簡単な検出回路で、精度良く燃料電池本体に影響を与えない液量検知機能を持つ燃料電池システムを提供する。
【解決手段】電気的パルス信号発生手段１１と、二つの抵抗器１３、１４と、排他的論理和ゲート１５と、パルス時間測定手段１２と、静電容量成分を持つ絶縁体によってタンク内の溶液と遮断されるように配置された電極１０によって構成した液量検知機能を有する燃料電池システム。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特にその廃液の回収したタンク等の溶液の液量を計測する手段に関するものである。

近年、ノート型パソコンや携帯電話、ＰＤＡといった携帯機器の高機能化に伴い、消費電力は増加する傾向にある。現在使用されている携帯機器用の電源であるリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池は、この消費電力の増加に追従してエネルギー密度を向上させることができず、近々電源の容量不足という問題が生じることが懸念されている。

この問題を解決する電源として、固体高分子型燃料電池（以下ＰＥＦＣと記す）が注目されており、中でも常温で液体の燃料を、水素に改質することなく、電極において直接酸化して電気エネルギーを取り出すことができる直接燃料酸化型燃料電池は、改質器が不要で電源の小型化が容易である点から、最も期待されている。

直接燃料酸化型燃料電池の燃料としては、低分子量のアルコールやエーテル類が検討されているが、中でも高エネルギー効率及び高出力が得られるメタノールが最も有望視されており、ダイレクトメタノール型燃料電池（以下ＤＭＦＣと記す）と呼ばれている。

陽極（以下アノード極）へメタノールと水を直接注入するとＰｔ−Ｒｕ触媒によりＣ−Ｈ結合の分解がＰｔによって促されＨ−ＯＨ結合の分解がＲｕによって促される。陰極（以下カソード極）へは酸化剤である酸素を空気として送り込むとアノード極、カソード極においてそれぞれ反応式（１）、反応式（２）の反応が発生する。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-・・・（１）
３／２Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
これがＤＭＦＣの動作原理である。
この式からわかるように燃料としてはメタノールと水、酸素が必要であり酸素は空気中から接収できる。

水は、反応によって生成される水、つまり、反応式（２）における３Ｈ₂Ｏの１／３を回収し燃料の入力側に戻すことにすれば外部から供給する燃料はメタノールだけでよいことになる。

実際は燃料電池の排気を冷却して水蒸気を回収し１／３以上の水を得てからあまった水はスタックの発熱を利用して再度蒸発させるなどの方法で水の管理を行っている。このために回収した水の量を正確に計測しながらあふれることも無く足らなくなることもないようにあらかじめ燃料電池の運転を制御することができれば効率的である。水を制御する運転方法としては燃料供給量の制御、空気量の制御、発電電圧の管理など様々な方法が考えられるが先ずは水の量を正確に検出する技術が必要となる。

従来から溶液の分量を電気的に計測する手段として容量式、光式、磁気式、抵抗式、あるいはサーミスタを発熱させてその抵抗値を計測するものなど様々な方法がある。

例えば、図７に示すような携帯機器の燃料カートリッジの残量を検出方法が提案されている。（特許文献１参照）
図７において、燃料カートリッジ２の内側には２本の導体１０が電極として設置されている。この構成において、燃料カートリッジの中の液体はこの電極に接触するため液量に
応じて抵抗値が変わる。この抵抗値を抵抗測定回路１２１で測定し発電制御回路６の中の残量検出部１２２が燃料の残量として計算する。

更に、別の従来例としては、低温液化ガスタンクの液面計として、金属製のガスタンクの内部にステンレスの電極を配置し、この電極とガスタンクの金属部との容量を計測する方法が、提案されており、電極のほかに、必要な構成として発振回路、増幅回路、変換回路などが記載されている。（特許文献２参照）
特開２００４−９３４０９号公報 特開昭６２−１９１７２２号公報

これらの従来の技術を、燃料電池用の液量検知に適用した場合、下記に述べるようにいくつかの問題点が発生した。

まず、電極と液が直接、接触しているために、電極から金属イオンが溶解し、燃料電池本体の発電セルへのダメージがあるという課題があった。

さらに、いずれの方法も計測のためのアナログ回路が必要であり小型化が必要な携帯用の燃料電池には不向きであるという課題があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単な検出回路で、燃料電池本体に影響を与えない液量検知機能を持つ燃料電池システムを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１記載の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池のアノードまたはカソードの少なくとも一方の排出口から排出される溶液を一時的に貯蔵するタンクと、燃料電池の運転を制御するコントローラとを少なくとも有する燃料電池システムにおいて、前記コントローラは、液量検出回路とプローブとしての複数の電極とにより液量を検知する液量検知機能を持ち、前記タンクには、前記複数の電極として、第１の電極および第２の電極の少なくとも二つの電極が配置されており、前記液量検知回路は、電気的パルス信号発生手段と、第１の抵抗器および第２の抵抗器と、排他的論理和ゲートと、パルス時間測定手段とを少なくとも有し、前記排他的論理和ゲートの出力は前記パルス時間測定手段に接続され、前記第１の電極および第２の電極は静電容量成分を持つ絶縁体によってタンク内の溶液と遮断されるように配置され、前記第１の抵抗器の一端は前記電気的パルス信号発生手段の出力に接続され、もう一方の端は前記排他的論理和ゲートの入力に接続され、前記第２の抵抗器の一端は前記電気的パルス信号発生手段の出力に接続され、もう一方の端は前記排他的論理和ゲートの前記第１の抵抗器とは接続されていない方の入力に接続され前記第１の電極はグランドまたは定電位電源に接続されると共に、前記第２の電極は前記第２の抵抗器の一端と排他的論理和ゲートの入力との接続線に接続されることを特徴とするものである。

本構成においては、液量をプローブの静電容量として捕らえ、それを、パルス波形の変形に変換し、さらに、パルス時間測定手段により、パルス波形の変形であるパルスの幅を測定して、液量を検知する。この測定方法は、従来公知の方法が限定無く使え、例えば、パルスをコンデンサで平均化した後、増幅してＡＤコンバータでアナログ電圧として測定する方法などが、好適に使うことができる。

また、本発明の請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記電気的パルス信号発生手段および前記パルス時間測定手段は、前記コント
ローラに内蔵されるマイクロコンピュータの機能の一部であって、前記電気的パルス信号発生手段は、前記マイクロコンピュータが、液量を測定するタイミングに合わせて端子のひとつを一定時間ＨｉｇｈまたはＬｏｗにすることによって電気的パルスを発生させ、前記パルス時間測定手段は、前記マイクロコンピュータが、排他的論理和ゲートの出力が接続された端子に入力されたパルスがＨｉｇｈからＬｏｗもしくはＬｏｗからＨｉｇｈになる時間を、前記マイクロコンピュータ自らのクロックでカウントするカウンタによって前記カウント数を計測し、前記マイクロコンピュータは、前記カウント数の大小によってタンク内の液量を検出するものである。

本構成においては、排他的論理和ゲートの出力パルスを、マイクロコンピュータの入力ポートに直接取り込んでマイコンのクロックを使って時間測定を行っている。このため、アナログ的な物理量を計測する手段としてアナログ部品を一切使用せずデジタル部品だけでアナログ量を検出できる。

また、本発明の請求項３記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記タンクは、絶縁体材料によって構成されており、前記第１の電極および第２の電極の一方は、前記タンクの外周もしくは外周の一部に密着しており、もう片方は、前記タンクの内部に配置され、さらに絶縁体材料によって被覆されているものである。

また、本発明の請求項４記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記複数の電極以外に、さらに、プローブとしての複数の電極を、燃料カートリッジの装着部、または燃料タンクから燃料電池セルまでの配管部、アノードあるいはカソードの排気から液体を分離しアノードの入力に戻す経路のいずれかに配置したものである。

本発明の構成によれば、溶液が純水であっても酸であってもメタノールなどの有機物であっても検出可能、電極の金属が溶液に溶出しない、検出のためのアナログ回路が不要といった効果が得られる。

更に請求項２の構成によれば、燃料電池の制御用マイコンの機能を使用するため回路がほとんど不要であり簡単な構成で精度の高い測定が可能である。

請求項３の構成によれば一方の電極によってもう一方の電極がシールドされるために電気的ノイズの影響を受けにくい効果がある。

請求項４の構成によれば燃料電池システム内で回収用のタンク以外にもあらゆる場所で液体の有無の判定や液体の量の検出が可能である。

以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池システムである。

図１において１は燃料電池であって燃料カートリッジ２の燃料が燃料ポンプ３により燃料電池１のアノード側に供給され アノードの廃液はアノード排気口９を通ってコンデンサ（水凝縮器）２４を介してタンク８にたまり、循環ポンプ４により燃料カートリッジ２からの燃料と混合される。

カソード側には空気ポンプ５から空気が送り込まれカソードの反応によってできた水もカソード排気口７から水凝縮器（コンデンサ）２４を介してタンク８にためられる。

アノードとカソードの排気の気体部分はコンデンサ２４の排気口から排気されてタンク８には液体のみが回収される。

タンク８には電極１０が実装されており、制御回路６に内蔵された液量検出回路２３で液体の量に換算される。

制御回路６は、この液量を参照しながら各ポンプの動作や発電の電力量をコントロールすることができる。

図２（ａ）は、さらに液量検出回路２３を詳しく説明している。図においてパルス信号発生手段１１から電気パルスが発生し、第１の抵抗器１３および第２の抵抗器１４に入力され、されに、抵抗器１３および抵抗器１４のもう一端は排他的論理和ゲート１５に入力している。また、電極１０片方がグランドにもう一方が抵抗器１４と排他的論理和ゲート１５の間に接続されている。つまり、電極１０が、可変コンデンサとして作用し、プローブとしての役割をはたしている。

最後に、排他的論理和ゲート１５の出力が、パルス時間測定手段１２に接続されている。

図２（ｂ）にこの回路の動作を説明するためのタイミングチャートを示す。

抵抗器１３の出力（ｘ）にはパルス信号発生手段１１から入力したパルス信号とほぼ同じタイミングの信号が出力されるが抵抗器１４の出力（ｙ）には電極１０の静電容量によって波形が変形していることが示されている。

（ｘ）の波形がわずかに変形しているのは排他的論理和ゲート１５の入力容量と抵抗器１３の時定数によるものである。当然、抵抗器１４にもこの変形が起こっている。この変形と電極１０の静電容量による変形とのの誤差分を打ち消すためには、抵抗器１３と抵抗器１４は、極力同じ値にするのが、好ましい。

排他的論理和ゲート１５の出力には、マイクロコンピュータ１７が出力するパルス１つが入力され、それに対して立ち上がりと立下りの両方のタイミングで容量に比例した幅のパルスが２つ出力される。これらのパルスの幅をそれぞれ計測し、平均化することによって電極１０の容量を推定することができ、すなわち液量を計測することができる。

〔第２の実施の形態〕
図３は第２の実施の形態係る燃料電池システムの液量検知機能である。

図３においては、パルス信号発生手段は燃料電池を制御するマイクロコンピュータ１７がその機能を果たしており、出力端子１９から測定タイミングに応じてパルスを出力している。

排他的論理和ゲート１５の出力はマイクロコンピュータ１７の入力端子２０につながりマイクロコンピュータ１７の内部にあるカウンタ２１がクロック発信器１８のパルスをカウントすることで入力端子２０のパルス幅を計測することができる。

更に、排他的論理和ゲートもマイコンの中に取り込むことも可能である。その場合にはマイクロコンピュータと電極との距離が短く配線が長くならない。あるいはバッファーで増幅して低インピーダンスの信号としてからマイクロコンピュータまで配線するいずれかの方法が必要である。

〔第３の実施の形態〕
図４（ｃ）は第３の実施の形態に係る液量検知機能の電極構造を示す図である。

図４（ａ）は２つの電極１０がタンクの外側に対抗して設置されており、４（ｂ）ではタンクの一面に２つの電極が並んで配置される。

これに対し図４（ｃ）の構成では一方の電極がタンクの外側を包むように配置されており、もうひとつの電極は容器の中に絶縁されて配置されている。

この（ｃ）の構成では、図２でも示したように電極１０のひとつは接地される。外側をくるんだほうの電極が接地されていても、容器の中に絶縁されているほうの電極が接地されていても、回路機能上問題がないが、外側をくるんだほうの電極が接地されているほうが、電磁的なシールド効果があり、外乱のノイズによって検出量が変動し、誤差が出ることを防止できるため好ましい。

ここで、燃料電池のタンクには純水や燃料のメタノール以外にセル内での化学反応によって生じた酸が含まれる。この場合、溶液は電解質となり液体自体の静電容量を測定することは、きわめてむずかしい。

しかしながら、図５で説明するように電極と溶液との間に存在する絶縁体材料の静電容量を用いて液量を測定することが可能である。

絶縁体材料とはＡＢＳやＰＰ，ＰＡなどのプラスチック材料が利用できる。

図５（ａ）では電極間容量ＣＴは
ＣＴ＝（Ｃ１ａ＋Ｃ２ａ＋Ｃ３ａ＋Ｃ４ａ）／／（Ｃ１ｂ＋Ｃ２ｂ＋Ｃ３ｂ＋Ｃ４ｂ）／／Ｃｗａｔｅｒ
で求めることができる。

ここでＣｗａｔｅｒは溶液の静電容量を示す。
（／／はコンデンサ容量の直列接続の計算を意味する。）
ＣｗａｔｅｒがＣ１ａ〜Ｃ４ｂに比べて充分に大きいので
ＣＴ＝（Ｃ１ａ＋Ｃ２ａ＋Ｃ３ａ＋Ｃ４ａ）／／（Ｃ１ｂ＋Ｃ２ｂ＋Ｃ３ｂ＋Ｃ４ｂ）
で近似できる。

また、溶液が酸を含み導電性がある場合にも
ＣＴ＝（Ｃ１ａ＋Ｃ２ａ＋Ｃ３ａ＋Ｃ４ａ）／／（Ｃ１ｂ＋Ｃ２ｂ＋Ｃ３ｂ＋Ｃ４ｂ）
となり溶液の成分に大きな影響を受けることなくＣＴで液体の量を推定できる。

また、図５（ｂ）はタンクを上から見た図でありこの電極配置でも同じようにＣＴ＝Ｃ８ａ／／Ｃ８ｂで求めることができる。

この構成ではＣ８ｃが影響しないように電極間の距離を十分にとるかタンク容器の厚みを電極の幅よりも十分に薄くしておく必要がある。

以上のべたように電極と静電容量の関係によりタンクの液量と電極間の容量の関係は図６に示すように直線的な関係を得ることができる。

タンクの形状によっては直線にならない場合もあるがタンク形状に合わせて電極の幅を調整して直線性を確保することも可能である。

〔第４の実施の形態〕
図１において、本発明の液量検知機能は、燃料電池システムのタンク以外の場所にも使用可能である。例えば、
（１）燃料カートリッジ２の残量検出に用いる。
（２）燃料カートリッジ２から燃料ポンプ３までの配管の中が空気か液体かを判別する。（３）タンク８から循環ポンプ４までの配管の中が空気か液体かを判別する。

上記の（２）や（３）の場合は液体が有るか無いかを判断するのが目的であるためアナログ的な量ではなくて１もしくは０のデータ判定を行うのが好ましい。

本発明の燃料電池システムは携帯電話、ＰＤＡ等の携帯用電子機器の電源装置もしくは充電装置として有用である。

第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構造模式図 （ａ）第１の実施の形態に係る液量検出回路の構造模式図、（ｂ）液量検出回路の動作を説明するためのタイミングチャート 第２の実施の形態に係る液量検知機能の構造模式図 （ａ）電極構造の一例を示す図、（ｂ）電極構造のその他の例を示す図、（ｃ）第３の実施の形態にかかる電極構造の一例を示す図 静電容量の計算方法を説明するための模式図 タンクの液量と電極間の容量の関係をしめす図 従来例の燃料電池システムの構造模式図

符号の説明

１ 燃料電池
２ 燃料カートリッジ
３ 燃料ポンプ
４ 循環ポンプ
５ 空気ポンプ
６ 制御回路
７ カソード排気口
８ タンク
９ アノード排気口
１０ 電極
１１ パルス信号発生手段
１２ パルス時間測定手段
１３、１４ 抵抗器
１５ 排他的論理和ゲート
１７ マイクロコンピュータ
１８ クロック発信器
１９ 出力端子
２０ 入力端子
２１ カウンタ
２３ 液量検出回路
２４ コンデンサ

Claims (4)

1. 燃料電池と、前記燃料電池のアノードまたはカソードの少なくとも一方の排出口から排出される溶液を一時的に貯蔵するタンクと、燃料電池の運転を制御するコントローラとを少なくとも有する燃料電池システムにおいて、
   前記コントローラは、液量検出回路とプローブとしての複数の電極とにより液量を検知する液量検知機能を持ち、
   前記タンクには、前記複数の電極として、第１の電極および第２の電極の少なくとも二つの電極が配置されており、
   前記液量検知回路は、電気的パルス信号発生手段と、第１の抵抗器および第２の抵抗器と、排他的論理和ゲートと、パルス時間測定手段とを少なくとも有し、
   前記排他的論理和ゲートの出力は前記パルス時間測定手段に接続され、
   前記第１の電極および第２の電極は静電容量成分を持つ絶縁体によってタンク内の溶液と遮断されるように配置され、前記第１の抵抗器の一端は前記電気的パルス信号発生手段の出力に接続され、もう一方の端は前記排他的論理和ゲートの入力に接続され、前記第２の抵抗器の一端は前記電気的パルス信号発生手段の出力に接続され、もう一方の端は前記排他的論理和ゲートの前記第１の抵抗器とは接続されていない方の入力に接続され
   前記第１の電極はグランドまたは定電位電源に接続されると共に、前記第２の電極は前記第２の抵抗器の一端と排他的論理和ゲートの入力との接続線に接続されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記電気的パルス信号発生手段および前記パルス時間測定手段は、前記コントローラに内蔵されるマイクロコンピュータの機能の一部であって、前記電気的パルス信号発生手段は、前記マイクロコンピュータが、液量を測定するタイミングに合わせて端子のひとつを一定時間ＨｉｇｈまたはＬｏｗにすることによって電気的パルスを発生させ、
   前記パルス時間測定手段は、前記マイクロコンピュータが、排他的論理和ゲートの出力が接続された端子に入力されたパルスがＨｉｇｈからＬｏｗもしくはＬｏｗからＨｉｇｈになる時間を、前記マイクロコンピュータ自らのクロックでカウントするカウンタによって前記カウント数を計測し、
   前記マイクロコンピュータは、前記カウント数の大小によってタンク内の液量を検出する請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記タンクは、絶縁体材料によって構成されており、前記第１の電極および第２の電極の一方は、前記タンクの外周もしくは外周の一部に密着しており、もう片方は、前記タンクの内部に配置され、さらに絶縁体材料によって被覆されている請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記複数の電極以外に、さらに、プローブとしての複数の電極を、燃料カートリッジの装着部、または燃料タンクから燃料電池セルまでの配管部、アノードあるいはカソードの排気から液体を分離しアノードの入力に戻す経路のいずれかに配置した請求項１記載の燃料電池システム。