JP2008117540A - 燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】不適正な燃料の使用を防止し、信頼性の向上した燃料電池ユニットを提供することにある。
【解決手段】燃料電池ユニットは、発電動作を行う起電部を有したユニット本体１２と、ユニット本体に脱着可能に装着され、燃料を収容した燃料カートリッジ４３と、燃料カートリッジから起電部に燃料を供給する燃料供給路３０と、燃料供給路における燃料の物性を検出する燃料検出部３４とを備えている。制御部４１は、燃料検出部で検出された燃料の物性が所定の物性と異なる場合に、少なくとも燃料カートリッジの交換を警告、あるいは、ユニット本体の動作を停止のいずれかを行う。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電子機器等の電源として使用される燃料電池ユニットに関する。

現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ（以下、ノートＰＣと称する）、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。

燃料電池ユニットは、一次電池や２次電池と異なり、燃料を充填することで連続的な発電時間を延ばすことができる。そこで、この種の燃料電池ユニットは、起電部を有する燃料電池本体と、燃料電池本体に交換可能に取付けられる燃料カートリッジとを有している。燃料カートリッジの内部には、液体燃料として、例えばアルコール等が充填されている。そして、燃料が無くなった場合には、燃料カートリッジを交換することにより、連続して発電を行うことが可能となる。

このような燃料電池ユニットにおいては、燃料カートリッジの交換時期を認識するため、燃料カートリッジ内の燃料残量を検出することが望ましい。燃料残量を検出することにより、燃料を使い切った後に燃料カートリッジを交換することができるとともに、燃料のない状態での発電動作を防止することが可能となる。

例えば、特許文献１には、燃料電池および燃料検知センサユニットを備えたカメラが開示されている。燃料検知センサユニットは、燃料貯留部の下部左右に配置された投光素子および受光素子を有し、液体燃料に光が吸収されて受光素子に光が届くか否かによって燃料の残量を検知するように構成されている。
特開２００５−１７２６３８号公報

上記のように、燃料電池に用いられるアルコール等の液体燃料は、燃料電池の発電形式などによって使用する種類、濃度、純度等に違いがある。そのため、燃料電池ユニットに適した液体燃料を使用しないと、燃料電池ユニットは正常な発電が出来ないばかりか、発電能力の劣化や故障の原因となる。また、安価な燃料を不正充填した燃料カートリッジの模造品が用いられる可能性もあり、このような燃料カートリッジの使用を未然に防止できることが望ましい。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、不適正な燃料の使用を防止し、信頼性の向上した燃料電池ユニットを提供することにある。

上記課題を達成するため、この発明の態様に係る燃料電池ユニットは、発電動作を行う起電部を有したユニット本体と、前記ユニット本体に脱着可能に装着され、燃料を収容した燃料カートリッジと、前記燃料カートリッジから前記起電部に燃料を供給する燃料供給路と、前記燃料供給路における燃料の物性を検出する燃料検出部と、前記燃料検出部で検出された燃料の物性が所定の物性と異なる場合に、少なくとも前記燃料カートリッジの交換を警告、あるいは、前記ユニット本体の動作を停止のいずれかを行う制御部と、を備えている。

以上構成によれば、不適正な燃料の使用を防止し、信頼性の向上した燃料電池ユニットを提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムについて詳細に説明する。
本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池ユニットおよびこの燃料電池ユニットから電力供給を受ける情報処理装置、例えば、ノート型のパーソナルコンピュータを備えている。

図１は、燃料電池ユニット１０を示す外観図であり、図２は、燃料電池ユニットおよびこの燃料電池ユニットに接続された情報処理装置１８を示す外観図である。図１に示すように、燃料電池ユニット１０は、情報処理装置の後部を載置するための載置部１１と、ユニット本体１２とを備えている。燃料電池ユニット本体１２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（以下、ＤＭＦＣと称する）として構成され、後述するように、電気化学反応で発電を行うＤＭＦＣスタックや、ＤＭＦＣスタックに対して燃料となるメタノールや空気を注入、循環させるための種々の補機を内蔵している。

ユニット本体１２はユニットケース１２ａを備え、このユニットケース内部の例えば左端に、着脱可能な燃料カートリッジが内蔵されている。燃料カートリッジを交換できるように、ユニットケース１２ａの一部は、取り外し可能なカバー１２ｂを構成している。

ユニットケース１２ａの例えば上面一端部には、発電設定スイッチ１１２および燃料電池運転スイッチ１１６が設けられる。ユニットケース１２ａの上面中央部には、燃料電池ユニット１０の動作状態および燃料カートリッジの交換（エラー）を示す表示手段として、例えば、ＬＥＤ等で形成された複数のインジケータ８が設けられている。表示手段として、ディスプレイをユニットケース１２ａ上に設けても良い。

発電設定スイッチ１１２は、燃料電池ユニット１０での発電を許可或いは禁止するためにユーザが予め設定するためのスイッチであり、例えばスライド型スイッチで構成される。燃料電池運転スイッチ１１６は、例えば、燃料電池ユニット１０で発電される電力で情報処理装置１８が動作している時に、情報処理装置１８の動作は継続しつつ燃料電池ユニット１０での発電のみを停止させるような場合等に用いる。この場合、情報処理装置１８は内蔵された二次電池の電力を用いて動作を継続する。燃料電池運転スイッチ１１６は、例えばプッシュスイッチ等で構成される。

載置部１１は、平坦な矩形状に形成され、ユニットケース１２ａから水平に延出しているとともに、情報処理装置１８の後部を載置可能に形成されている。載置部１１の上面には、情報処理装置１８と接続するための接続部としてドッキングコネクタ１４が設けられている。図１および図２に示すように、情報処理装置１８の例えば底面後部には、燃料電池ユニット１０と接続するための接続部として後述のドッキングコネクタ２１が設けられている。情報処理装置１８の後部を載置部１６の上に載せた際、ドッキングコネクタ１４、２１が互いに機械的、電気的に接続される。

載置部１１の３箇所には、ロック機構を構成する位置決め突起１５およびフック１６が設けられている。これらの位置きめ突起１５およびフック１６は、情報処理装置１８の底面後部に設けられた図示しない係合孔と係合し、載置部１１に対して情報処理装置を位置決め、保持する。載置部１６には、情報処理装置１８を燃料電池ユニット１０から取り外す際、ロック機構のロックを解除するイジェクトボタン１７が設けられている。
なお、図１、図２に示した燃料電池ユニット１０の形状や大きさ、或いはドッキングコネクタ１４の形状や位置等は、種々の形態が考えられる。

図３は、燃料電池ユニット１０の系統図を示したものであり、特にＤＭＦＣスタックとその周辺に設けられた補機について細部の系統を示している。
燃料電池ユニット１０は、発電部４０と、燃料電池ユニット１０の制御部である燃料電池制御部４１とを備えている。燃料電池制御部４１は発電部４０の動作を制御する他、情報処理装置１８との通信を行う通信制御部として機能する。

発電部４０は、起電部として機能するＤＭＦＣスタック４２、および、燃料カートリッジ４３を備えている。燃料カートリッジ４３には、液体燃料として、例えば、高濃度のメタノールが封入されている。燃料カートリッジ４３は、燃料を消費した時には容易に交換できるよう、ユニット本体１２に対して着脱可能となっている。

ダイレクトメタノール型燃料電池においては、発電効率をあげるためにクロスオーバ現象を低減する必要がある。このために高濃度メタノールを希釈して低濃度化し、これをＤＭＦＣスタック４２の燃料極４７に注入することが有効である。これを実現するため、燃料電池ユニット１０は、希釈循環システム６２を採用し、希釈循環システム６２の実現に必要な補機６３が設けられている。

希釈循環システム６２は、燃料、その他の流体を流す液体流路と、空気、その他の気体を流す気体流路と、を備えている。補機６３には液体流路に設けられるものと気体流路に設けられるものとが含まれている。

液体流路は、燃料カートリッジ４３からＤＭＦＣスタック４２に延びた燃料供給路３０を備えている。この燃料供給路３０に設けられた補機６３は、燃料電池カートリッジ４３の出力部に接続された燃料供給ポンプ４４、燃料供給ポンプ４４の出力部に接続された混合タンク４５、混合タンク４５の出力部に接続された送液ポンプ４６を備え、送液ポンプ４６の出力部はＤＭＦＣスタック４２のアノード（燃料極）４７に接続されている。アノード４７の出力部は、アノード冷却器３２を介して混合タンク４５に接続されている。また、燃料カートリッジ４２と燃料供給ポンプ４４との間で、燃料供給路３０には、この燃料供給路を開閉する燃料供給バルブ３３が設けられている。更に、燃料供給路３０において、電磁弁と燃料カートリッジ４２との間には、燃料カートリッジ４２から供給された燃料の物性を検出する検出器３４が設けられている。本実施形態において、検出器３４は、燃料の物性として、燃料の電気伝導度を検出する伝導度センサを用いている。検出器３４は、燃料カートリッジ４２の供給口近傍に設けられていることが望ましいが、燃料カートリッジと混合タンクとの間に設けられていればよい。

補機６３は、後述するカソード冷却器５３に隣接して設けられた水回収タンク５５を有し、水回収タンク５５の出力部は液体流路を通して水回収ポンプ５６に接続されている。水回収ポンプ５６の出力部は液体流路を通して混合タンク４５に接続されている。燃料電池カートリッジ４３、燃料供給ポンプ４４、混合タンク４５、送液ポンプ４６は、ＤＭＦＣスタック４２に燃料を供給する燃料供給部を構成している。

一方、気体流路に設けられる補機６３は、送気バルブ５１を介してＤＭＦＣスタック４２のカソード（空気極）５２に接続された送気ポンプ５０、およびカソード５２の出力部に接続されたカソード冷却器５３を有している。混合タンク４５は、タンクバルブ４８を介してカソード冷却器に配管接続されている。カソード冷却器５３は排気バルブ５７を介して排気口５８に接続されている。カソード冷却器５３には、水蒸気を効果的に凝縮するフィンが備えられている。カソード冷却器５３に対向して冷却ファン５４が配設されている。

図４および図５に示すように、セル積層体として機能するＤＭＦＣスタック４２は、複数、例えば、４つの単セル１４０と、５枚の矩形板状のセパレータ１４２とを交互に積層して構成された積層体、および積層体を支持した枠体１４５を有している。各単セル１４０は、それぞれ触媒層とカーボンペーパで構成されたほぼ矩形板状のカソード５２およびアノード４７、これらカソード、アノード間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜１４４とを一体化した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。高分子電解質膜１４４は、カソード４３およびアノード５０よりも大きな面積に形成されている。

３つのセパレータ１４２は、隣合う２つの単セル１４０間に積層され、他の２つのセパレータは、積層方向両端にそれぞれ積層されている。セパレータ１４２および枠体１４５には、各単セル１４０のアノード４７に燃料を供給する燃料流路１４６、および各単セルのカソード５２に空気を供給する空気流路１４７が形成されている。

次に、燃料電池ユニット１０の発電部４０の発電メカニズムについて、燃料と空気（酸素）の流れに沿って説明する。
図３に示すように、まず、燃料カートリッジ４３内の高濃度メタノールは、燃料供給ポンプ４４によって、混合タンク４５に供給される。混合タンク４５の内部で高濃度メタノールは、回収された水やアノード４７からの低濃度メタノール（発電反応の残余分）等と混合されて希釈され、低濃度メタノールが生成される。低濃度メタノールの濃度は発電効率の高い濃度、例えば３〜６％、を保てるように制御される。この濃度制御は、例えば、濃度センサ６０の検出結果を基に、燃料電池制御部４１が燃料供給ポンプ４４によって混合タンク４５に供給される高濃度メタノールの量を制御することによって実現される。または、混合タンク４５に環流する水の量を水回収ポンプ５６等で制御することによって実現できる。

混合タンク４５には、混合タンク４５内のメタノール水溶液の液量を検出する液量センサ６１、温度を検出する温度センサ６４が設けられ、これらセンサの検出結果は燃料電池制御部４１に送られて発電部４０の制御などに使用される。

混合タンク４５で希釈されたメタノール水溶液は送液ポンプ４６で加圧されて、ＤＭＦＣスタック４２の燃料流路１４６へ送られ、この燃料流路から各単セル１４０のアノード４７に注入される。図５に示すように、アノード４７では、メタノールの酸化反応が行われることで電子が発生する。酸化反応で生成される水素イオン（Ｈ+）はＤＭＦＣスタック４２内の固体高分子電解質膜１４４を透過してカソード５２に達する。

アノード４７での酸化反応によって生成される二酸化炭素は、反応に供されなかったメタノール水溶液とともにアノード冷却器３２によって冷却されて後、再び混合タンク４５に環流する。二酸化炭素は混合タンク４５内で気化し、気体流路を通ってカソード冷却器５３へ送られ、最終的には排気バルブ５７を介して、排気口５８から外部へ排気される。

他方、図３に示すように、空気（酸素）は、空気供給部を構成する送気ポンプ５０により、吸気口４９から取り込まれ、加圧された後、送気バルブ５１を介しＤＭＦＣスタック４２の空気流路１４７へ送られ、この空気流路から各単セル１４０のカソード（空気極）５２に供給される。カソード５２では、酸素（Ｏ²）の還元反応が進行し、外部の負荷からの電子（ｅ^-）と、アノード４７からの水素イオン（Ｈ+）と酸素（Ｏ²）とから水（Ｈ²Ｏ）が水蒸気として生成される。この水蒸気はカソード５２から排出され、カソード冷却器５３に入る。カソード冷却器５３では、冷却ファン５４によって水蒸気が冷却されて水（液体）となり、水回収タンク５５内に一時的に蓄積される。回収された水は水回収ポンプ５６によって混合タンク４５へと環流し、高濃度メタノールを希釈するための希釈循環システム６２が構成される。

希釈循環システム６２による燃料電池ユニット１０の発電メカニズムからわかるように、ＤＭＦＣスタック４２から電力が取り出す、即ち、発電を開始するために、各部のポンプ４４，４６，５０，５６やバルブ４８、５１、５７或いは冷却ファン５４等の補機６３を駆動させる。これによってメタノール水溶液と空気（酸素）がＤＭＦＣスタック４２内に注入されそこで電気化学反応が進行することによって電力が得られる。ＤＭＦＣスタック４２で発生した電力は、燃料電池制御部４１、ドッキングコネクタ１４を介して情報処理装置１８へ供給される。一方、発電を停止するには、これらの補機６３の駆動を停止するか、あるいは、ＤＭＦＣスタック４２からの電力の取り出しを停止することによる。

図６は、本発明に係る燃料電池ユニット１０が接続される情報処理装置１８のシステム構成を示したものである。
情報処理装置１８は、ＣＰＵ６５、主メモリ６６、ディスプレイコントローラ６７、表示部として機能するディスプレイ６８、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）６９、キーボードコントローラ７０、ポインタデバイス７１、入力部を構成するキーボード７２、ＦＤＤ７３、これら構成品間において信号を伝送するバス７４、バス７４を介して伝送される信号を変換するためのノースブリッジ７５、サウスブリッジ７６と呼ばれるデバイス等から構成される。また、情報処理装置１８の内部に電源部７９を設け、ここに二次電池８０として、例えばリチウムイオン電池を保有している。電源部７９は、電源制御部７７によって制御される。

ＣＰＵ６５は、情報処理装置１８全体の動作制御を司り、主メモリ６６に格納されたオペレーティングシステム（ＯＳ）、電源管理ユーティリティを含むユーティリティソフトウェア、アプリケーションソフトウェアなどの各種プログラムを実行する。

燃料電池ユニット１０と情報処理装置１８との電気的インタフェースとして制御系インタフェースと電源系インタフェースとが設けられている。制御系インタフェースは情報処理装置１８の電源制御部７７と燃料電池ユニット１０の燃料電池制御部４１との間にて通信を行うために設けられるインタフェースである。制御系インタフェースを介して情報処理装置１８と燃料電池ユニット１０との間で行われる通信は、例えば、Ｉ２Ｃバス７８といったシリアルバスを介して行われる。

電源系インタフェースは、燃料電池ユニット１０と情報処理装置１８との間における電力の授受のために設けられるインタフェースである。例えば、発電部４０のＤＭＦＣスタック４２で発電された電力が燃料電池制御部４１およびドッキングコネクタ１４、２１を介して情報処理装置１８に供給される。電源系インタフェースには、情報処理装置１８の電源部７９から、燃料電池ユニット１０内の補機６３等への電力供給８３も含まれる。

なお、情報処理装置１８の電源部７９に対してＡＣアダプタ用コネクタ８１を介してＡＣ／ＤＣ変換された直流電源が供給され、これによって情報処理装置１８の動作、二次電池８０の充電が可能である。

図７は、燃料電池ユニット１０の燃料電池制御部４１と、情報処理装置１８の電源部７９との、接続関係を示す構成図である。
燃料電池ユニット１０の電池制御部４１は、マイクロコンピュータ９５、種々のデータを格納した不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）９９、補機用電源回路、情報処理装置用電源回路１２０等を備えている。燃料電池ユニット１０と情報処理装置１８とはドッキングコネクタ１４、２１によって機械的かつ電気的に接続される。ドッキングコネクタ１４、２１には、燃料電池ユニット１０のＤＭＦＣスタック４２で発電された電力を情報処理装置１８へ供給するための第一の電源端子（出力電源端子）９１および、情報処理装置１８から、燃料電池ユニット１０のマイクロコンピュータ９５にレギュレータ９４を介して電源を供給し、かつ補機用電源回路９７にスイッチ１０１を介して電源を供給するための第二の電源端子（補機用入力電源端子）９２を有する。また、情報処理装置１８からＥＥＰＲＯＭ９９へ電源供給するための第三の電源端子９２ａを有している。

ドッキングコネクタ１４、２１は情報処理装置１８の電源制御部７７と燃料電池ユニット１０のマイクロコンピュータ９５との通信や、書き込み可能なＥＥＰＲＯＭ９９との通信、を行うための通信用入出力端子９３を有している。マイクロコンピュータ９５は、ＤＭＦＣスタック４２の出力電力を検出する検出部としても機能し、検出した出力電力、ここでは、出力電流値をＥＥＰＲＯＭ９９に格納する。

次に、図７を参照して、燃料電池ユニット１０から情報処理装置１８へ、燃料電池ユニット１０に設けられるＤＭＦＣスタック４２の電力が供給されるまでの基本的な処理の流れを説明する。なお、情報処理装置１８の二次電池（リチウムイオン電池）８０には所定の電力が充電されているものとする。また、図７の中のスイッチは全て開いているものとする。

情報処理装置１８は、コネクタ接続検出部１１１から出力される信号に基いて、情報処理装置１８と燃料電池ユニット１０とが機械的および電気的に接続されたことを認識する。この認識は、コネクタ接続検出部１１１が例えばコネクタ接続検出部１１１へ入力される信号に基いて、ドッキングコネクタ１４、２１の接続によって燃料電池ユニット１０の内部で接地されることを検出することによって行われる。

情報処理装置１８の電源制御部７７は、燃料電池ユニット１０の発電設定スイッチ１１２の設定が発電許可設定であるか発電禁止設定であるかを認識する。例えば、発電設定スイッチ検出部１１３へ入力される信号に基いて、発電設定スイッチ検出部１１３が発電設定スイッチ１１２の設定状態に応じて接地状態であるか或いは解放状態であるか否かを検出する。発電設定スイッチ１１２が解放状態である場合は、電源制御部７７は発電禁止設定として認識する。

情報処理装置１８と燃料電池ユニット１０とがドッキングコネクタ１４、２１を介して機械的に接続されると、情報処理装置１８側から第三の電源端子９２ａを介して燃料電池制御部４１の記憶部であるＥＥＰＲＯＭ９９に電源が供給される。ＥＥＰＲＯＭ９９には、燃料電池ユニット１０のステータス情報等が予め記憶される。ステータス情報には、例えば燃料電池ユニットの部品コードや製造シリアル番号、或いは定格出力、検出されたＤＭＦＣスタック４２の出力電流値、各種センサで検出された液晶、温度、濃度などの検出データ、適正の燃料の電気伝導度等の情報を含ませることができる。ＥＥＰＲＯＭ９９は、例えば、Ｉ２Ｃバス９３といったシリアルバスに接続されており、ＥＥＰＲＯＭ９９に記憶されているデータはこのＥＥＰＲＯＭ９９に電源が供給されている状態において読み出し可能である。電源制御部７７は通信用入出力端子９３を介してＥＥＰＲＯＭ９９のステータス情報を読み出し、内蔵したレジスト等に格納することが可能である。

この状態においては、燃料電池ユニット１０は発電を行っておらず、また燃料電池ユニット１０の内部の状態は、ＥＥＰＲＯＭ９９の電源以外は電源が供給されていない状態である。

ここで、ユーザが発電設定スイッチ１１２の設定を発電許可設定に設定すると、情報処理装置１８に設けられる電源制御部７７は、燃料電池ユニット１０に設けられるＥＥＰＲＯＭ９９に記憶された識別情報を読み出すことが可能となる。発電設定スイッチは、例えばスライドスイッチ等のように開または閉の状態をいずれか一方の状態に保持できるものが好ましい。

電源制御部７７は、燃料電池ユニット１０のＥＥＰＲＯＭ９９から読み出された識別情報に基いて、情報処理装置１８に接続されている燃料電池ユニット１０が情報処理装置１８に適合した燃料電池ユニットであると判断した場合、情報処理装置１８に設けられるスイッチ１００を閉じる。これにより、二次電池８０の電力が第１の電源端子９２を介して燃料電池ユニット１０へ供給され、レギュレータ９４を介してマイクロコンピュータ９５へ電源が供給される。この状態では、燃料電池ユニット１０に設けられるスイッチ１０１は開いており、補機用電源回路９７には電源は供給されていない。従って、この状態において補機６３は動作していない。

しかしながら、マイクロコンピュータ９５は動作を開始しており、情報処理装置１８の電源制御部７７から各種の制御用コマンドを受信することが可能な状態である。マイクロコンピュータ９５は、燃料電池ユニット１０の電源情報を情報処理装置１８へ送信可能な状態である。

この状態で、電源制御部７７から発電開始コマンドが燃料電池制御部４１に送られると、これを受信した燃料電池制御部４１は、マイクロコンピュータ９５からの制御によってスイッチ１０１を閉じて補機用電源回路９７に情報処理装置１８からの電源を供給する。併せて、燃料電池制御部４１は、マイクロコンピュータ９５から送信される補機用制御信号によって、発電部４０に設けられる補機６３、即ち、各ポンプ４４、４６、５０、５６、バルブ３３、４８、５１、５７及び冷却ファン５４等を駆動する。さらにマイクロコンピュータ９５は、燃料電池制御部４１に設けられたスイッチ１０２を閉じる。

この結果、発電部４０に設けられるＤＭＦＣスタック４２に対してメタノール水溶液や空気が注入され、発電が開始される。ＤＭＦＣスタック４２による発電電力は、燃料電池制御部４１の情報処理装置用電源回路１２０を介して情報処理装置１８に供給が開始される。ただし、発電出力は、瞬時に定格値に達するわけではないため、定格値に達するまでウォームアップ状態となる。

燃料電池制御部４１のマイクロコンピュータ９５は、例えばＤＭＦＣスタック４２の出力電圧およびＤＭＦＣスタック４２の温度をモニタすることにより、ＤＭＦＣスタック４２の出力が定格値に達したと判断すると、燃料電池ユニット１０のスイッチ１０１を開き、補機６３への電力供給源を情報処理装置１８からＤＭＦＣスタック４２に切り替える。

一方、燃料電池制御部４１は、発電設定スイッチ１１２がオンされた後、燃料カートリッジ４３から供給される燃料が適正な燃料であるか否かを判断する。すなわち、図８に示すように、燃料電池制御部４１は、発電設定スイッチ１１２がオンされているか否かを判断する（ＳＴ１）。発電設定スイッチ１１２がオンされている場合、燃料電池制御部４１は、燃料カートリッジ４３から供給された燃料の電気伝導度を物性検知器３４により検出し（ＳＴ２）、検出された電気伝導度と、ＥＥＰＲＯＭ９９に格納されている適正な電気伝導度の範囲とを比較する（ＳＴ３）。

図９は、一例として、水道水、市販蒸留水、純水、純水＋メタノールの各々の抵抗値および電気伝導度（抵抗値の逆数）を示している。この図から分かるように、水道水、市販蒸留水、および純水では、電気伝導度が互いに相違している。例えば、適正な燃料を純水＋メタノールとした場合、その電気伝導度は、１〜０．０５５６μＳ／ｃｍであるが、純水に換えて、水道水、市販蒸留水が混合されている場合、燃料の電気伝導度が適正値の範囲からずれることになる。

検出された電気伝導度が適正な電気伝導度の範囲に一致している場合、燃料電池制御部４１は、発電部４０の発電動作を開始する（ＳＴ４）。
検出された電気伝導度が適正な電気伝導度の範囲から外れている場合、燃料電池制御部４１は、燃料カートリッジ４３から供給される燃料が不適正な燃料であると判断し、補機６３を停止状態に維持する（ＳＴ５）。すなわち、燃料電池制御部４１は、発電部４０に設けられる各ポンプ４４、４６、５０、５６、冷却ファン５４等を停止状態とし、バルブ３３、４８、５１、５７を閉状態に維持する。また、燃料電池制御部４１は、ユニット本体１２に設けられた所望のＬＥＤ８を点灯、あるいは、点滅し、使用者に燃料の不適正を表示し、あるいは、燃料カートリッジ４３の交換を警告する（ＳＴ６）。この際、ＬＥＤ８の点灯と同時に、あるいは、ＬＥＤの点灯に代えて、ユニット本体１２に設けたディスプレイあるいは情報処理装置１８のディスプレイ６８に「燃料カートリッジを交換してください」等のメッセージを表示する構成としてもよい。

その後、燃料電池制御部４１は、燃料カートリッジ４３が交換され、適正な燃料が供給されると、上述した発電部４０の通常の発電動作を開始する。

以上のように構成された燃料電池ユニットを備えた燃料電池システムによれば、燃料カートリッジから供給される燃料の物性を検出し、適正な燃料であるか否かを判断することにより、不適正な燃料を燃料電池ユニットに供給することが防止することが可能となる。従って、種類、濃度、純度等の不適切な燃料に起因する発電能力の劣化、各種構成要素の故障、損傷を防止することができる。また、安価な燃料を不正充填した燃料カートリッジの模造品等の使用を未然に防止できることが可能となる。
以上のことから、不適正な燃料の使用を防止し、信頼性の向上した燃料電池ユニットを提供することができる。

次に、この発明の第２の実施形態に係る燃料電池ユニットについて説明する。
第２の実施形態によれば、図３に示した、燃料の物性を検知する検知器３４として、燃料の水素イオン濃度（ｐＨ）を検出する水素イオン濃度センサを用いる。

燃料として用いられるメタノール等のアルコールおよび水は、一般的に中性であり、水素イオン濃度の数値は７程度となる。純水に限らず、蒸留水や水道水の水素イオン濃度も７程度となる。そのため、適正な燃料を純水＋メタノールとした場合、純水に代えて蒸留水あるいは水道水をメタノールに混合した不適正燃料の水素イオン濃度、および適正な燃料の水素イオン濃度は、いずれも７程度となり、違いを判別することが困難となる。

そこで、本実施形態によれば、適正燃料として、純水＋メタノールに、ｐＨの高い塩基性物質、あるいは、ｐＨの低い酸性物質を添加することにより、ｐＨが中性の７から大きくずれた燃料を用い、この燃料が充填された燃料カートリッジ４３を適正な燃料カートリッジとしている。ここでは、純水＋メタノールに塩基性物質を添加し、ｐＨが例えば１０の燃料を適正燃料として用いる。

このような燃料を適正燃料として用い、燃料カートリッジ４３から供給された燃料の水素イオン濃度を水素イオン濃度センサによって検知することにより、検出された燃料が適正な燃料であるか否かを容易に判別することが可能となる。

第２実施形態によれば、燃料電池制御部４１は、発電設定スイッチ１１２がオンされた後、燃料カートリッジ４３から供給される燃料が適正な燃料であるか否かを判断する。すなわち、図１０に示すように、燃料電池制御部４１は、発電設定スイッチ１１２がオンされているか否かを判断する（ＳＴ１）。発電設定スイッチ１１２がオンされている場合、燃料電池制御部４１は、燃料カートリッジ４３から供給された燃料の水素イオン濃度を物性検知器３４により検出し（ＳＴ２）、検出された水素イオン濃度と、ＥＥＰＲＯＭ９９に格納されている適正な水素イオン濃度の範囲、例えば、ｐＨ９〜１１とを比較する（ＳＴ３）。

検出された電気伝導度が適正な水素イオン濃度の範囲に一致している場合、燃料電池制御部４１は、発電部４０の発電動作を開始する（ＳＴ４）。
検出された水素イオン濃度が適正な水素イオン濃度の範囲から外れている場合、燃料電池制御部４１は、燃料カートリッジ４３から供給される燃料が不適正な燃料であると判断し、補機６３を停止状態に維持する（ＳＴ５）。すなわち、燃料電池制御部４１は、発電部４０に設けられる各ポンプ４４、４６、５０、５６、冷却ファン５４等を停止状態とし、バルブ３３、４８、５１、５７を閉状態に維持する。また、燃料電池制御部４１は、ユニット本体１２に設けられた所望のＬＥＤ８を点灯、あるいは、点滅し、使用者に燃料の不適正を表示し、あるいは、燃料カートリッジ４３の交換を警告する（ＳＴ６）。この際、ＬＥＤ８の点灯と同時に、あるいは、ＬＥＤの点灯に代えて、ユニット本体１２に設けたディスプレイあるいは情報処理装置１８のディスプレイ６８に「燃料カートリッジを交換してください」等のメッセージを表示する構成としてもよい。

その後、燃料電池制御部４１は、燃料カートリッジ４３が交換され、適正な燃料が供給されると、発電部４０の通常の発電動作を開始する。

なお、第２の実施形態において、燃料電池ユニットの他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、その詳細な説明は省略する。そして、第２の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

次に、この発明の第３の実施形態に係る燃料電池ユニットについて説明する。
第２の実施形態によれば、図３に示した、燃料の物性を検知する検知器３４として、燃料の濃度を検出する濃度センサを用いる。

適正な燃料として所定濃度の純水＋メタノールを用いる場合、一般に、メタノールの密度は０．７９、純水の密度は１であることから、これらの混合状態に応じて燃料の濃度、特に、メタノール濃度が変動する。
そこで、本実施形態によれば、適正燃料として、純水とメタノールとが所定の混合比で混合され所定のメタノール濃度を有した燃料を用い、この燃料が充填された燃料カートリッジ４３を適正な燃料カートリッジとしている。

このような燃料を適正燃料として用い、燃料カートリッジ４３から供給された燃料のメタノール濃度を濃度センサによって検知することにより、検出された燃料が適正な燃料であるかを判別することが可能となる。

第３実施形態によれば、燃料電池制御部４１は、発電設定スイッチ１１２がオンされた後、燃料カートリッジ４３から供給される燃料が適正な燃料であるか否かを判断する。すなわち、図１１に示すように、燃料電池制御部４１は、発電設定スイッチ１１２がオンされているか否かを判断する（ＳＴ１）。発電設定スイッチ１１２がオンされている場合、燃料電池制御部４１は、燃料カートリッジ４３から供給された燃料のメタノール濃度を物性検知器３４により検出し（ＳＴ２）、検出されたメタノール濃度と、ＥＥＰＲＯＭ９９に格納されている適正なメタノール濃度の範囲とを比較する（ＳＴ３）。

検出されたメタノール濃度が適正な濃度範囲に入っている場合、燃料電池制御部４１は、発電部４０の発電動作を開始する（ＳＴ４）。
検出されたメタノール濃度が適正な濃度範囲から外れている場合、燃料電池制御部４１は、燃料カートリッジ４３から供給される燃料が不適正な燃料であると判断し、補機６３を停止状態に維持する（ＳＴ５）。すなわち、燃料電池制御部４１は、発電部４０に設けられる各ポンプ４４、４６、５０、５６、冷却ファン５４等を停止状態とし、バルブ３３、４８、５１、５７を閉状態に維持する。また、燃料電池制御部４１は、ユニット本体１２に設けられた所望のＬＥＤ８を点灯、あるいは、点滅し、使用者に燃料の不適正を表示し、あるいは、燃料カートリッジ４３の交換を警告する（ＳＴ６）。この際、ＬＥＤ８の点灯と同時に、あるいは、ＬＥＤの点灯に代えて、ユニット本体１２に設けたディスプレイあるいは情報処理装置１８のディスプレイ６８に「燃料カートリッジを交換してください」等のメッセージを表示する構成としてもよい。

その後、燃料電池制御部４１は、燃料カートリッジ４３が交換され、適正な燃料が供給されると、発電部４０の通常の発電動作を開始する。

なお、第３の実施形態において、燃料電池ユニットの他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、その詳細な説明は省略する。そして、第３の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、検出する燃料の物性は、上述した実施形態に限らず、適宜選択可能である。また、前述した実施形態では、燃料カートリッジから高濃度のメタノールを供給し、混合タンクで水と混合して希釈する構成としたが、これに限らず、予め所望の濃度に希釈された低濃度の燃料を燃料カートリッジに収納し、この燃料カートリッジから直接、ＤＭＦＣスタックに燃料を供給する構成としてもよい。

前述した実施形態では、不適正な燃料を判別した場合、発電動作の停止および警告の両方を行う構成としたが、少なくともいずれか一方を実行する構成としてもよい。
燃料電池ユニットは、情報処理装置の外部に接続する構成としたが、情報処理装置に内蔵された構成としてもよい。ＤＭＦＣスタックにおいて、単セルの積層数は、前述した実施形態に限らず、必要に応じて増減可能である。この発明に係る燃料電池システムは、上述したパーソナルコンピュータに限らず、モバイル機器、携帯端末等の他の電子機器にも適用可能である。燃料電池の形式としは、ＤＭＦＣに限らず、ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）等の他の形式としてもよい。

この発明の実施形態に係る燃料電池ユニットを示す斜視図。 前記燃料電池ユニットおよび情報処理装置を備えた燃料電池システムを示す斜視図。 前記燃料電池ユニットの発電部の内部構成を主に示す系統図。 前記燃料電池ユニットのＤＭＦＣスタックを示す断面図。 前記ＤＭＦＣスタックの単セルを概略的に示す図。 前記燃料電池ユニットに情報処理装置を接続した状態を示す系統図。 前記燃料電池ユニット及び前記情報処理装置の構成を示す系統図。 前記燃料電池ユニットにおける適正燃料の判別動作を示すフローチャート。 各種の水およびメタノールの電気伝導度を示す図。 この発明の第２の実施形態に係る燃料電池ユニットにおける適正燃料の判別動作を示すフローチャート。 この発明の第３の実施形態に係る燃料電池ユニットにおける適正燃料の判別動作を示すフローチャート。

符号の説明

１０…燃料電池ユニット、１１…載置部、１２…ユニット本体、
１４…ドッキングコネクタ、１８…情報処理装置、３０…燃料供給路、
３４…物性検知器３４、４０…発電部、４１…燃料電池制御部、
４２…ＤＭＦＣスタック、４３…燃料カートリッジ、４４…燃料供給ポンプ、
４５…混合タンク、４６…送液ポンプ、４７…アノード（燃料極）、
５０…送気ポンプ、５２…カソード（空気極）、６２…希釈循環システム、
６３…補機、６５…ＣＰＵ、７７…電源制御部、９５…マイクロコンピュータ、
９９…ＥＥＰＲＯＭ、１４０…単セル

Claims (9)

1. 発電動作を行う起電部を有したユニット本体と、
   前記ユニット本体に脱着可能に装着され、燃料を収容した燃料カートリッジと、
   前記燃料カートリッジから前記起電部に燃料を供給する燃料供給路と、
   前記燃料供給路における燃料の物性を検出する燃料検出部と、
   前記燃料検出部で検出された燃料の物性が所定の物性と異なる場合に、少なくとも前記燃料カートリッジの交換を警告、あるいは、前記ユニット本体の動作を停止のいずれかを行う制御部と、
   を備えた燃料電池ユニット。
2. 前記燃料検出部は、燃料の電気伝導度を検出する検出器を有し、前記制御部は、前記検出器により検出された燃料の電気伝導度と所定の電気伝導度とを比較する請求項１に記載の燃料電池ユニット。
3. 前記燃料検出部は、燃料の水素イオン濃度を検出する検出器を有し、前記制御部は、前記検出器により検出された燃料の水素イオン濃度と所定の水素イオン濃度とを比較する請求項１に記載の燃料電池ユニット。
4. 前記燃料として、アルコールと、水と、塩基性物質あるいは酸性物質の添加物との混合溶液を用いる請求項３に記載の燃料電池ユニット。
5. 前記燃料として、アルコールと水の混合溶液を用い、前記燃料検出部は、前記燃料のアルコール濃度を検出する検出器を備えている請求項１に記載の燃料電池ユニット。
6. 前記ユニット本体は、ポンプ、およびバルブを含み前記燃料カートリッジから前記起電部に燃料を供給する供給機構を備え、
   前記制御部は、前記燃料検出部で検出された燃料の物性が所定の物性と異なる場合に、前記ポンプを停止し、前記バルブを閉じする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
7. 前記ユニット本体は、燃料カートリッジの交換を表示する表示部を備えている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
8. 前記ユニット本体は、前記燃料と水とを混合する混合タンクを備え、前記燃料検出部は、前記燃料カートリッジと前記混合タンクとの間に設けられている請求項１に記載の燃料電池ユニット。
9. 前記起電部は、対向配置されたアノードおよびカソードをそれぞれ有し、互いに積層された複数の単セルと、前記アノードに燃料を供給する燃料流路と、前記カソードに空気を供給する空気流路と、を備え、化学反応により発電するセル積層体を具備している請求項１に記載の燃料電池ユニット。

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