JP2008103089A - 燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置、燃料電池装置、燃料電池装置を搭載した電力利用機器 - Google Patents

Abstract

【課題】特別なセンサ、回路等を用いることなく正確に燃料容器の燃料の残量を算出することができ、小型化、ローコスト化が図れる燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置等を提供する。
【解決手段】燃料容器１０８の燃料残量を算出する燃料残量算出装置であって、
電力利用機器の動作情報の入力に対応する予め用意された燃料消費量データを出力する機器動作対燃料消費量の変換テーブル１０１と、
前記機器動作対燃料消費量の変換テーブルからの前記燃料消費量データを用いて燃料消費量を算出する燃料消費量算出手段１０４、１０５と、
前記燃料消費量算出手段による燃料消費量と前記燃料容器における元の燃料残量とから、前記電力利用機器による電力使用後における前記燃料容器の燃料残量を算出する燃料残量算出手段と、を有する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置、該燃料残量算出装置を備えた燃料電池装置、該燃料電池装置を搭載した電力利用機器に関するものである。

燃料電池は、燃料気体である水素及び酸素（空気）を供給することで、発電体において起電力を発生させ、体積あたり・重量あたりのエネルギー容量を、従来の電池に比べて飛躍的に高めることができ、幅広い用途が期待されている。
特に、近年において地球環境に対して低公害で電力を発生させること、発電効率が良いこと、等から実用化が急がれている。

一般的に、電池を利用した電力利用機器では、電池残量を正確に把握し、使用者に知らせる機能が必須である。
そのため、電池残量を正確に把握する方法として公知の技術として、電圧値をチェックすることにより行なうものが知られている。
具体的には、電池電圧を監視し、予め設定した閾値以上であれば、ＯＫの表示をし、あるいは電圧値に応じた残量表示をする方式等が用いられる。
例えば、アルカリ電池やリチウム二次電池、ニッケル水素二次電池では、電力消費量により、電池電圧が一定の割合で低下する性質を持つことが利用される。

しかし、燃料電池においては、電力消費時間と燃料電池出力電圧は、燃料が減っていくにも関らず、出力される電圧はほぼ一定の値を保持する。
燃料が無くなると同時に、出力電圧が電力利用機器が使用不能となるレベルまで低下するという特徴を持つ。
また、この出力電圧は、供給燃料圧にほとんど依存しないという特徴を有している。
つまり、電子機器等の電力利用機器に搭載される燃料電池においては、燃料の残量が減少しても出力電圧がほぼ一定に保たれるため、電池電圧を監視して残量を検出することが困難である。
すなわち、燃料電池の放電特性は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池といった電池の放電特性と大きく異なり、燃料の残量が減少しても出力電圧がほぼ一定に保たれるため、電池の電圧監視による残量検知システムを用いることはできない。

このようなことから、燃料電池の残量検知システムとして、従来において、電圧監視以外の様々な残量検知方法が提案されてきた。
例えば、特許文献１では、燃料の流量を計測する流量計を備え、燃料の初期容量と前記流量計により計測された使用量とから、残量を演算するようにした流体漸量計測装置が提案されている。
また、特許文献２では、つぎのような燃料の残量を求めるようにした燃料電池の残量容量検出装置が提案されている。
すなわち、この装置は、流量計を用いて燃料電池に供給される燃料の供給量を検出して、供給量に相当する電池容量を残容量に加算し、電流検出部によって検出された放電電流から演算される放電容量を減算して残容量を算出するように構成されている。
また、特許文献３では、燃料電池で生成される生成物を蓄積するタンクと、タンクに蓄積されたる生成物の量により、燃料電池の燃料の残量を算出する手法が提案されている。
また、特許文献４では、電流容量によって燃料の残量を求めるようにした燃料電池の残量検知方法が提案されている。
特開平１１−２３０８１３号公報 特開２００３−３４６８５６号公報 特開２００３−３４６８５７号公報 特開２００４−１７１９４５号公報

しかしながら、上記従来例における燃料電池の残量検知システムにおいては、小型化、ローコスト化を図る上で、いずれも課題を有するものであった。
例えば、上記従来例における特許文献１のものでは、残量検知に高価な流量計が必要となる。
また、上記従来例における特許文献２のものにおいても、燃料の供給量を検出するための流量計や、放電電流供給量を検出するための電流検出手段が必要となる。
また、上記従来例における特許文献３のものにおいては、燃料電池で生成される生成物を蓄積するタンクや、生成物の蓄積量を検出するための検出手段等が必要となる。
そのため、これらのものにおいては、流量計や検出手段等により機器構成が複雑となり、小型化やローコスト化を図る上で課題を有するものであった。
また、特許文献４のように、電流容量で燃料の残量を求めるものにおいては、使用電流の値によって燃料使用効率が異なるため、異なる電流値で積算し同じ総電流容量を使用したとしても、使用される燃料の値は変わってしまうという課題を有している。
また、電流センサ精度、分解能、サンプリング周期、ＡＤ変換精度等の変動要素を有しており、正確に燃料タンクの燃料の残量を算出できない場合が生じる。

また、実際に、燃料電池から供給される電力を利用する電子機器等においては、これら機器の取り出し電流の電流使用パターンは、機器の動作により電流の大小、時間が複雑に組み合わさった形である。
そのため、一律の係数等では燃料消費量は正確には算出することは困難である。
これらについて、更に図を用いて詳細に説明する。
図４は、一例として、セルを複数個積層した固体高分子型の燃料電池の電圧―電流特性を示す図である。
図中、４０１は特性曲線上の電流小の動作点、４０２は電流中の動作点、４０３は電流大の動作点を表している。電流値を多くするにつれて動作点４０１よりは４０２、４０２よりは４０３の内部抵抗が増加し、電力利用効率が落ちてきている様子が見られる。

また、実際にセルを複数個積層した固体高分子型の燃料電池において取り出し電流と燃料消費量を測定した結果が図５である。
図中５０１は特性曲線上の電流小の動作点、５０２は電流中の動作点、５０３は電流大の動作点を表している。
電流値を多くするにつれて動作点５０１よりは５０２、５０２よりは５０３の傾きがあがっていく様子が見られる。
取り出し電流に対し燃料消費量は取り出し電流を多くすればするほど、単位電流に対する燃料消費量が増加し、燃料の消費効率が悪いことが見られる。
すなわち、同じ総電流容量を取り出す時、取り出し電流が小さい場合は燃料消費量が効率よく、取り出し電流が大きいときは燃料消費量が効率悪くなる。
取り出し電流が小さい場合には単位電流あたりの燃料消費が小さく、取り出し電流が大きい場合には単位電流あたりの燃料消費が大きくなる。
同じ総電流容量で考えた場合、取り出し電流が小さい場合には燃料残量が大きく、取り出し電流が大きい場合には燃料残量が小さくなるという結果になる。
実際には、電力利用機器の取り出し電流の電流使用パターンは、機器の動作により電流の大小、時間が複雑に組み合わさった形であり、一律の係数等によって燃料消費量を正確に算出することは困難である。

本発明は、上記課題に鑑み、特別なセンサ、回路等を用いることなく正確に燃料タンクの燃料の残量を算出することができ、
小型化、ローコスト化が図れる燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置、燃料電池装置、燃料電池装置を搭載した電力利用機器の提供を目的とする。

本発明は、以下のように構成した燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置、燃料電池装置、該燃料電池装置を搭載した電力利用機器を提供するものである。
本発明の燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置は、燃料容器からの燃料によって燃料電池で発電された電力を電力利用機器に供給するに当たり、前記燃料容器の燃料残量を算出する燃料残量算出装置であって、
前記電力利用機器の動作に対応する予め用意された燃料消費量データを備え、前記電力利用機器の動作情報の入力に対し前記燃料消費量データを出力する機器動作対燃料消費量の変換テーブルと、
前記機器動作対燃料消費量の変換テーブルから出力される前記燃料消費量データを用いて燃料消費量を算出する燃料消費量算出手段と、
前記燃料消費量算出手段によって算出された燃料消費量と前記燃料容器における元の燃料残量とから、前記電力利用機器による電力使用後における前記燃料容器の燃料残量を算出する燃料残量算出手段と、
を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置は、前記燃料容器が、燃料残量算出手段によって算出された燃料残量を記憶する燃料残量記憶手段を備えていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置は、前記燃料消費量算出手段によって算出された燃料消費量、または前記燃料残量算出手段によって算出された燃料残量、を表示する手段を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置は、前記燃料消費量算出手段が、前記機器動作対燃料消費量変換テーブルの前記燃料消費量データを用いた燃料消費量算出手段による燃料消費量の算出を、
電流値の変化パターンが決まっている単発動作、または一定電流で時間が一定でない動作継続時間、の少なくともいずれか一つに基づいて行う手段であることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池装置は、燃料容器からの燃料によって燃料電池で発電された電力を電力利用機器に供給する燃料電池装置において、上記したいずれかに記載の燃料容器の燃料残量算出装置を有することを特徴とする。
また、本発明の電力利用機器は、燃料容器からの燃料によって燃料電池で発電された電力を利用する電力利用機器において、上記燃料電池装置を搭載したことを特徴とする。

本発明によれば、特別なセンサ、回路等を用いることなく正確に燃料容器の燃料の残量を算出することができ、
小型化、ローコスト化が図れる燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置、燃料電池装置、燃料電池装置を搭載した電力利用機器を実現することができる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例により説明する。

［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置について説明する。
図１に、本実施例における燃料容器の燃料残量算出装置の構成を説明するためのブロック図を示す。
図１において、１０１は、機器動作対燃料消費量の変換をする機器動作対燃料消費量変換テーブルブロックである。
機器動作対燃料消費量変換テーブルブロック１０１では、電力利用機器の動作に対応する予め準備された燃料消費量データを備え、動作モード情報の入力に対し、燃料消費量データを出力する。
なお、ここでの電力利用機器には、燃料容器からの燃料によって燃料電池で発電された電力を利用する電子機器等の電力利用機器が含まれる。
１０２は、燃料消費量、残量、警告等を記憶し機器操作を行なう者に対し表示等を行なう表示ブロックである。１０３は、機器操作を行なった内容を機器制御ブロック１０４に伝達する機器操作インターフェースブロックである。
１０５は、得られた燃料消費量を蓄積カウントする燃料使用量カウンタブロックである。
１０６は燃料電池１０７の電池出力を機器回路へ伝達する機器電源回路である。
１０８は燃料電池へ燃料を供給する燃料容器である。燃料容器１０８は、機器制御ブロック１０４へ使用以前に使用前燃料残量データを送る。
１０９は、燃料電池１０７から機器電源回路１０６への電力伝達経路である。
１１０は燃料容器１１０から燃料電池１０７へ燃料を供給する燃料流路である。

機器制御ブロック１０４は、機器操作者からの操作を受け付けた機器操作インターフェースブロック１０３からの操作情報により、機器動作を決定し、各部へ動作命令を出す。
その動作に入ると同時に機器動作対燃料消費量変換テーブルブロック１０１へ動作モード情報を送る。機器動作対燃料消費量変換テーブルブロック１０１では、その動作モードでの燃料消費量を情報として機器制御ブロック１０４へデータを送る。
このようにして得られた一動作時の燃料消費量を燃料使用量カウンタブロック１０５で蓄積カウントする。

これにより燃料の総消費量を演算し、燃料容器取り付け時に得られた燃料容器残量値から総消費量を差し引くことにより燃料残量値を求め、表示ブロック１０２で燃料消費量なり燃料残量を表示する。
機器動作対燃料消費量変換テーブルブロック１０１は、動作時の電流値を設計的に把握し、使用する燃料電池特性から作成、あるいは製造工程での動作時の燃料消費量実測等で予め作成する。
動作モードの入力に対し、電流値によって変わる燃料消費効率を加味した燃料消費量を出力する動作を行なうものである。
本実施例の構成によれば、燃料使用量を正確、且つ特別なセンサ、回路を必要とせずに算出でき、燃料容器の燃料残量を算出することができる。

［実施例２］
つぎに、実施例２における燃料容器と燃料容器記憶ブロックとで燃料容器ユニットとした構成例について説明する。
図２に、実施例２の構成例を説明するためのブロック図を示す。
図２のブロック図は、実施例１の手段で算出された燃料使用量と燃料容器の元の燃料残量から使用後の燃料容器の燃料残量を算出し、燃料容器にその情報を記憶させることを特徴とする電力利用機器の概要を表す図である。
図２には図１の実施例１と同じ構成に同一の符号が付されているので、共通する部分の説明は省略する。
２０１は燃料容器と一体化されたデータ書換え可能な燃料容器記憶ブロックである。
燃料容器１０８と燃料容器記憶ブロック２０１で燃料容器ユニット２０２として着脱可能な構成となっている。
燃料容器記憶ブロック２０１には、燃料残量が記憶されている。その他、燃料充填回数や満タン容量等の情報が記憶されていても構わない。

本実施例において、燃料容器ユニット２０２を外す場合に機器制御ブロック１０４から最終残量を燃料容器ユニット２０２の燃料容器記憶ブロック２０１へ残量データとして書き込む。
つぎに、燃料容器ユニット２０２を装着した場合に、燃料ユニット２０２の燃料容器記憶ブロック２０１から残量データの読み込みを行い、燃料残量の算出の初期容量値とする。
残量データを燃料容器ユニットに書き込むタイミングは、外す直前に値が反映されればどういうタイミングでも構わない。
本実施例の構成によれば、燃料ユニットを使用途中で取り外しても、つぎに使用する際の燃料残量を正確に算出することが可能となる。

［実施例３］
実施例３においては、本発明における機器動作対燃料消費量変換テーブルの燃料消費量データを用いた燃料消費量算出手段による燃料消費量の算出を、単発動作と動作継続時間との、少なくともいずれか一つに基づいて行なう場合について説明する。
図３は燃料電池を使用した電力利用機器の電流使用状況を表した図である。
操作及び時間により電流量が様々に変化している。
３０１は電源を入れるポイント、３０２は電源を切るポイントである。ポイント３０１の電源を入れてから、操作者による操作を行ないポイント３０２の電源を切るまでの使用電流値の変化パターンをあらわしている。

電力利用機器の動作モードの一つは、電流値の変化パターンが決まっている単発モードであり、その動作モードの燃料消費量が決められているモードである。
他の一つは、一定電流で時間が一定でない動作継続時間によるモードであり、単位時間あたりの燃料消費量を決めるモードである。
動作モードに応じ、機器動作対燃料消費量の変換テーブルは、単発モードに対してはその動作全体の燃料消費量を、動作継続時間によるモードに対しては単位時間あたりの燃料消費量データを出力する。
単発モードにおいてその動作全体の燃料消費量を出力してきた際は、そのまま燃料消費量としてカウントする。
動作継続時間によるモードにおいて単位時間あたりの燃料消費量データを出力してきた際は、その動作モードの継続時間との積を燃料消費量としてカウントする。

つぎに、このような２つのモードを持った電力利用機器で、具体的にどのように燃料消費量算出を行なっていくかについて説明する。
モードＡ期間３０３は、この電力利用機器の電源立ち上がり初期動作期間で操作者が電源スイッチを入れることにより、電力利用機器側が決まった電流使用パターンで期間ＴＡ（Ｓ）動作するものである。
このような作動を例えば単発動作モードＭＡとし、機器動作対燃料消費量の変換テーブルから燃料消費量はＮＡ（ｃｃ）とカウントする。
この動作が終了後、電力利用機器は、操作者のキー待ち状態となる。
この時、モードＢ期間３０４とすると、燃料消費量は、この動作モード時の使用電流値と燃料消費量の関係から得られている機器動作対燃料消費量の変換テーブルから、単位時間あたりの燃料消費量ＳＢ（ｃｃ）を求める。
Ｂ期間に消費する燃料消費量ＮＢ（ｃｃ）をＢ期間の時間ＴＢ（Ｓ）から、
ＮＢ（ｃｃ）＝ＳＢ（ｃｃ／Ｓ）×ＴＢ（Ｓ）
として算出する。

以下同様に電源を入れてからタイミングＴＣのモードの単発動作時の燃料消費量ＮＣ（ｃｃ）、タイミングＴＤの時は、タイミングＴＢの時と同じモードで単位時間あたりの燃料消費量ＳＢ（ｃｃ／Ｓ）とする。
タイミングＴＥのモードの単位時間あたりの電流値ＩＥ（Ａ）に対する燃料消費量をＳＥ（ｃｃ／Ｓ）とする。タイミングＴＦ時はタイミングＴＢ時と同じモードで単位時間あたりの燃料消費量ＳＢ（ｃｃ／Ｓ）とする。
タイミングＴＧ時はタイミングＴＥと同じく単位時間あたりの燃料消費量ＳＥ（ｃｃ／Ｓ）とする。
タイミングＴＨ時のモードの単発動作時の燃料消費量ＮＨ（ｃｃ）、タイミングＴＩ時のモードの単位時間あたりの電流値ＩＩ（Ａ）に対する燃料消費量をＳＩ（ｃｃ／Ｓ）、タイミングＴＪ時の単発動作時の燃料消費量をＮＪ（ｃｃ）とする。
これらの値をそれぞれの動作モードから、機器動作対燃料消費量の変換テーブルにより求めカウントする。
電源を切るまでの総燃料消費量ＮＴＯＴＡＬ（ｃｃ）とすると、
ＮＴＯＴＡＬ（ｃｃ）＝ＮＡ＋ＳＢ×ＴＢ＋ＮＣ＋ＳＢ×ＴＤ＋ＳＥ×ＴＥ＋ＳＢ×ＴＦ＋ＳＥ×ＴＧ＋ＮＨ＋ＳＩ×ＴＩ＋ＮＪ
として算出する。

以上のような燃料算出手段によれば、時間の定まらない動作や、過渡的な瞬時の動作に対しても燃料消費量を正確に算出し、燃料残量を求めることが可能となる。

本発明の実施例１の燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置の構成を説明するブロック図。 本発明の実施例２の燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置の構成を説明するブロック図。 燃料電池を使用した電力利用機器の電流使用状況を表した図。 燃料電池の出力電流―電圧特性例を表した図。 燃料電池の出力電流―燃料消費量特性例を表した図。

符号の説明

１０１：機器動作対燃料消費量変換テーブルブロック
１０２：燃料消費量、残量、警告等の表示ブロック
１０３：機器操作インターフェースブロック
１０４：機器制御ブロック
１０５：燃料使用量カウンタブロック
１０６：機器電源回路
１０７：燃料電池
１０８：燃料容器
１０９：電力伝達経路
１１０：燃料流路
２０１：燃料容器記憶ブロック
２０２：燃料容器ユニット
３０１：電力利用機器電源入りのポイント
３０２：電力利用機器電源切りのポイント
３０３：モードＡの期間を表す
３０４：モードＢの期間を表す
４０１：燃料電池の電流−電圧特性の電流小のポイント
４０２：燃料電池の電流−電圧特性の電流中のポイント
４０３：燃料電池の電流−電圧特性の電流大のポイント
５０１：燃料電池の電流−燃料消費量特性の電流小のポイント
５０２：燃料電池の電流−燃料消費量特性の電流中のポイント
５０３：燃料電池の電流−燃料消費量特性の電流大のポイント

Claims (6)

1. 燃料容器からの燃料によって燃料電池で発電された電力を電力利用機器に供給するに当たり、前記燃料容器の燃料残量を算出する燃料残量算出装置であって、
   前記電力利用機器の動作に対応する予め用意された燃料消費量データを備え、前記電力利用機器の動作情報の入力に対し前記燃料消費量データを出力する機器動作対燃料消費量の変換テーブルと、
   前記機器動作対燃料消費量の変換テーブルから出力される前記燃料消費量データを用いて燃料消費量を算出する燃料消費量算出手段と、
   前記燃料消費量算出手段によって算出された燃料消費量と前記燃料容器における元の燃料残量とから、前記電力利用機器による電力使用後における前記燃料容器の燃料残量を算出する燃料残量算出手段と、
   を有することを特徴とする燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置。
2. 前記燃料容器は、燃料残量算出手段によって算出された燃料残量を記憶する燃料残量記憶手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置。
3. 前記燃料消費量算出手段によって算出された燃料消費量、または前記燃料残量算出手段によって算出された燃料残量、を表示する手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置。
4. 前記燃料消費量算出手段は、前記機器動作対燃料消費量変換テーブルの前記燃料消費量データを用いた燃料消費量算出手段による燃料消費量の算出を、
   電流値の変化パターンが決まっている単発動作、または一定電流で時間が一定でない動作継続時間、の少なくともいずれか一つに基づいて行う手段であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池装置における燃料容器の燃料残量算出装置。
5. 燃料容器からの燃料によって燃料電池で発電された電力を電力利用機器に供給する燃料電池装置において、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料容器の燃料残量算出装置を有することを特徴とする燃料電池装置。
6. 燃料容器からの燃料によって燃料電池で発電された電力を利用する電力利用機器において、
   請求項５に記載の燃料電池装置を搭載したことを特徴とする電力利用機器。

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