JP2008192430A - 燃料電池ユニット、電子機器及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】運搬や輸送時に姿勢が変わっても液体収納容器内の液体量を長時間、安定して一定に保つ事ができる燃料電池ユニットを提供する。
【解決手段】燃料を蓄えた燃料タンクから気体と液体が混在する循環タンクへと燃料が供給され、循環タンクから蓄電器に並列に接続された燃料電池セルスタックへと燃料が供給され、循環タンクから水を蓄えて水タンクへと炭酸ガスが供給され、水タンクから大気へ炭酸ガスが放出され、燃料電池セルスタックから循環タンクへと燃料が循環され、水タンクから循環タンクへと水が供給されて発電する燃料電池ユニットであって、燃料電池ユニット姿勢が変化した場合にも、発電が継続するように液体と気体が混在する循環タンクおよび水タンクの液体吸い出し口が、重力方向に、循環タンクおよび水タンクの気体吸い出し口が、反重力方向に自動的に移動するよう制御される構成となっている。
【選択図】図1
【解決手段】燃料を蓄えた燃料タンクから気体と液体が混在する循環タンクへと燃料が供給され、循環タンクから蓄電器に並列に接続された燃料電池セルスタックへと燃料が供給され、循環タンクから水を蓄えて水タンクへと炭酸ガスが供給され、水タンクから大気へ炭酸ガスが放出され、燃料電池セルスタックから循環タンクへと燃料が循環され、水タンクから循環タンクへと水が供給されて発電する燃料電池ユニットであって、燃料電池ユニット姿勢が変化した場合にも、発電が継続するように液体と気体が混在する循環タンクおよび水タンクの液体吸い出し口が、重力方向に、循環タンクおよび水タンクの気体吸い出し口が、反重力方向に自動的に移動するよう制御される構成となっている。
【選択図】図1
Description
この発明は、複写機やプリンタ等の電源部の燃料電池システムに関し、特に、姿勢が変化しても発電が確実に継続することができる燃料電池ユニットに関する。
一般に、複写機やプリンタ等の電源部には、電池の一種類として燃料電池を使用した燃料電池ユニットが設けられている。以下、強制循環型直接メタノール燃料電池(DMFC)を例に説明するが、これに限定するものではなく、エタノールやプロパノール等の液体を燃料とした強制循環型電池燃料電池であっても同じ制御で運転することが可能である。
図19は、燃料電池ユニット3の一般的な構成例を示す図である。燃料電池ユニット3は、燃料電池セルスタック5、燃料電池制御部52、蓄電器およびその他の補機で構成される。その他の補機には、燃料タンク17、燃料ポンプP1、循環タンク19、燃料供給路27、循環ポンプP2、ブロワーP3、ラジエター31、冷却風37、ファン35、水タンク20および水ポンプP4、循環タンクに設置された液検知センサ40、水タンクに設置された液検知センサ41等が含まれる。
尚、循環タンクに設置された液検知センサ40と水タンクに設置された液検知センサ41のそれぞれは後で説明するように1個のセンサではなく、複数のセンサから構成されるセンサ郡として機能する。
図19は、燃料電池ユニット3の一般的な構成例を示す図である。燃料電池ユニット3は、燃料電池セルスタック5、燃料電池制御部52、蓄電器およびその他の補機で構成される。その他の補機には、燃料タンク17、燃料ポンプP1、循環タンク19、燃料供給路27、循環ポンプP2、ブロワーP3、ラジエター31、冷却風37、ファン35、水タンク20および水ポンプP4、循環タンクに設置された液検知センサ40、水タンクに設置された液検知センサ41等が含まれる。
尚、循環タンクに設置された液検知センサ40と水タンクに設置された液検知センサ41のそれぞれは後で説明するように1個のセンサではなく、複数のセンサから構成されるセンサ郡として機能する。
また、燃料電池制御部52は、燃料電池ユニット3の全体制御を行う。また燃料電池セルスタック5は、メタノールを電気化学的酸化する触媒(メタノール酸化電極触媒)を有するアノード(燃料極)8と酸素を選択的に電気化学的還元する触媒(酸素還元電極触媒)を有するカソード(空気極)10との間に電解質膜12を有する。アノード(燃料極)8とカソード(空気極)10の間にはアノード(燃料極)8側の片面に燃料を流す為の溝を設け、反対側、つまりカソード(空気極)10側の片面に空気を流す為の溝を設けた導電性のセパレーター14を有する。これらの溝によってアノード(燃料極)8に燃料を、カソード(空気極)10に空気を供給することで発電が行われる。
また、燃料電池セルスタック5は単セルとしても良いが、通常は必要な電圧を確保するため、単セルを直列接続したセルスタックが用いられる。
また、燃料電池セルスタック5は単セルとしても良いが、通常は必要な電圧を確保するため、単セルを直列接続したセルスタックが用いられる。
燃料の濃度が高すぎると、アノードで反応しなかった燃料が高分子電解質膜を通り過ぎてカソード10で反応する「クロスオーバー現象」が発生する問題があった。このためアノード(燃料極)8へは数%程度に希釈されたメタノールを供給する必要がある。
また発電を持続するためには、数%に希釈されたメタノールを発電している間中、燃料電池セルに供給し続ける必要がある。しかし、燃料タンク内の燃料を最初から数%程度に希釈されたメタノールを使用すると、燃料タンクが非常に大きくなってしまうので、燃料タンクには高濃度(例えば100%)の燃料を入れておき、燃料タンク17とは別に循環タンク119を設け、そこで、濃度が数%になるように薄めてから燃料電池セルに供給することにすれば燃料タンクを小さくしても長時間の運転を行うことができる。
そこで燃料タンク17に高濃度メタノールを貯蔵し、燃料ポンプP1を介して循環タンク119に接続し、燃料ポンプP1を動作させて燃料タンク17内の高濃度メタノールを、循環タンク119に輸送する。循環タンク119には、燃料ポンプP1によって燃料タンク17から供給された高濃度メタノールが、燃料電池セルスタック5から回収された水で希釈され、数%のメタノール水溶液となる。循環タンク119と燃料電池セルスタック5とをつなぐ燃料供給路27には循環ポンプP2が配置されており、このポンプは、循環タンク119内の希釈されたメタノールを燃料電池セルスタック5のアノード側に供給する。従って、循環タンクの希釈されたメタノール吸い出し口は循環タンク119の下部に設けられている。
また発電を持続するためには、数%に希釈されたメタノールを発電している間中、燃料電池セルに供給し続ける必要がある。しかし、燃料タンク内の燃料を最初から数%程度に希釈されたメタノールを使用すると、燃料タンクが非常に大きくなってしまうので、燃料タンクには高濃度(例えば100%)の燃料を入れておき、燃料タンク17とは別に循環タンク119を設け、そこで、濃度が数%になるように薄めてから燃料電池セルに供給することにすれば燃料タンクを小さくしても長時間の運転を行うことができる。
そこで燃料タンク17に高濃度メタノールを貯蔵し、燃料ポンプP1を介して循環タンク119に接続し、燃料ポンプP1を動作させて燃料タンク17内の高濃度メタノールを、循環タンク119に輸送する。循環タンク119には、燃料ポンプP1によって燃料タンク17から供給された高濃度メタノールが、燃料電池セルスタック5から回収された水で希釈され、数%のメタノール水溶液となる。循環タンク119と燃料電池セルスタック5とをつなぐ燃料供給路27には循環ポンプP2が配置されており、このポンプは、循環タンク119内の希釈されたメタノールを燃料電池セルスタック5のアノード側に供給する。従って、循環タンクの希釈されたメタノール吸い出し口は循環タンク119の下部に設けられている。
またブロワーP3によって、燃料電池セルスタック5のカソード側に空気が供給される。希釈されたメタノールと空気の供給された燃料電池セルスタック5では、アノード7とカソード9との間に電力が生じるとともに、アノード側には炭酸ガスが発生し、カソード側には水が発生する。アノード側で発生した炭酸ガスは、希釈されたメタノールと一緒に循環タンク119に戻され、希釈されたメタノールと炭酸ガスは気液分離されて希釈されたメタノールだけ回収され、炭酸ガスは水タンク20を経由して大気に開放される。従って、循環タンク119の炭酸ガスの吐き出し口は循環タンク119上部に設けられている。
また燃料電池内部温度が高く空気の流れが速い為、カソード側で発生した水は、小さな水滴となって空気と混在しているが、ラジエター31を通過する際に冷却され、水と空気に分離されて水タンク120に戻される。尚、ラジエター31はファン35で作られた冷却風37で冷却される。
水タンク120で回収された水は、燃料タンク17から循環タンク119へ供給された高濃度メタノールを希釈するために用いられる。その他不要な水は水蒸気として、炭酸ガスとともに循環タンク119から排出される。
また燃料電池内部温度が高く空気の流れが速い為、カソード側で発生した水は、小さな水滴となって空気と混在しているが、ラジエター31を通過する際に冷却され、水と空気に分離されて水タンク120に戻される。尚、ラジエター31はファン35で作られた冷却風37で冷却される。
水タンク120で回収された水は、燃料タンク17から循環タンク119へ供給された高濃度メタノールを希釈するために用いられる。その他不要な水は水蒸気として、炭酸ガスとともに循環タンク119から排出される。
また、回収される水の量が多いと溢れてしまうので水タンク120には液検知センサ41を設け、センサが水を検出するとラジエター31を冷却するファン35を停止して水の回収量を少なくし(蒸散量が増える)、溢れるのを防止し、水位が下がって、液検知センサ41が水を検出出来なくなると、今度はファン35を回転してラジエター31の冷却能力を向上させて、水の回収量を多くする事で水タンク120内の水量をほぼ一定に制御する。
水タンク120も循環タンクと同じ理由で、液体の吸い出し口は水タンク120の下部に、気体の吐き出し口は水タンク120上部に設けられている。
また、循環タンク119にも液検知センサ40を設けて、希釈されたメタノール量を監視し、循環タンク119内の希釈されたメタノール量が少なくなると、水ポンプP4を動作して、水を水タンク120から循環タンク119に供給する。
また発電することでメタノールが消費され、希釈されたメタノールの濃度が徐々に薄くなるので、循環タンク119内、あるいは希釈されたメタノールの循環経路の途中にメタノール濃度センサを設けメタノール濃度を定期的に(例えば1分毎に)測定し、目標濃度より濃度が低い時は燃料ポンプP1を駆動して高濃度メタノール水溶液を補給する事で、希釈されたメタノールの濃度を一定に保ち、発電可能な電力を平均的な一定な値に制御する。
水タンク120も循環タンクと同じ理由で、液体の吸い出し口は水タンク120の下部に、気体の吐き出し口は水タンク120上部に設けられている。
また、循環タンク119にも液検知センサ40を設けて、希釈されたメタノール量を監視し、循環タンク119内の希釈されたメタノール量が少なくなると、水ポンプP4を動作して、水を水タンク120から循環タンク119に供給する。
また発電することでメタノールが消費され、希釈されたメタノールの濃度が徐々に薄くなるので、循環タンク119内、あるいは希釈されたメタノールの循環経路の途中にメタノール濃度センサを設けメタノール濃度を定期的に(例えば1分毎に)測定し、目標濃度より濃度が低い時は燃料ポンプP1を駆動して高濃度メタノール水溶液を補給する事で、希釈されたメタノールの濃度を一定に保ち、発電可能な電力を平均的な一定な値に制御する。
また、液体を燃料とする燃料電池の出力電力は応答性が非常に悪い。負荷となる電子機器が必要とする電力は一定ではなく、例えばモーターが回りだす瞬間に急に大きな電力を必要としても燃料電池の出力電力は追従出来ない。
また、燃料電池は化学反応で発電する為、運転中の燃料電池の温度が高い時は出力電力が大きく、温度が低い時は出力電力が小さくなる。
蓄電器は負荷が変動し大きな電流が流れる時や燃料電池の出力電力が小さい時は、蓄えておいた電力を供給し負荷の入力電圧低下を防止する。
なお、先行技術として特許文献1には、タンク部材110内に延在し液体燃料185の供給を行う燃料供給管120に柔軟性を持たせ、かつ燃料供給管における液体燃料の吸引口121の近傍に重り部材122を設け、吸引口は常に液体燃料部分へ移動可能とし、常に液体燃料に浸され、よって、燃料電池を携帯用の電子機器に設けた場合であっても安定した燃料供給が可能となる技術が開示されている。
また特許文献2として、燃料電池11の燃料貯蔵部21の燃料が所定値まで少なくなると、第1電圧変換部14又は第2電圧変換部15のいずれか一方の動作を停止させ、機能回路3における必要最低限の機能だけを作動させて電力消費量を低減させる技術が開示されている。
特開2005−332592公報
特開2004−227805公報
また、燃料電池は化学反応で発電する為、運転中の燃料電池の温度が高い時は出力電力が大きく、温度が低い時は出力電力が小さくなる。
蓄電器は負荷が変動し大きな電流が流れる時や燃料電池の出力電力が小さい時は、蓄えておいた電力を供給し負荷の入力電圧低下を防止する。
なお、先行技術として特許文献1には、タンク部材110内に延在し液体燃料185の供給を行う燃料供給管120に柔軟性を持たせ、かつ燃料供給管における液体燃料の吸引口121の近傍に重り部材122を設け、吸引口は常に液体燃料部分へ移動可能とし、常に液体燃料に浸され、よって、燃料電池を携帯用の電子機器に設けた場合であっても安定した燃料供給が可能となる技術が開示されている。
また特許文献2として、燃料電池11の燃料貯蔵部21の燃料が所定値まで少なくなると、第1電圧変換部14又は第2電圧変換部15のいずれか一方の動作を停止させ、機能回路3における必要最低限の機能だけを作動させて電力消費量を低減させる技術が開示されている。
しかしながら、上記従来の従来の燃料電池ユニットには以下のような問題点があった。すなわち、燃料電池は例えば鞄などに入れて持ち運び中もノートパソコンへ充電出来るように、姿勢が変化しても発電可能な方が望ましい。
しかしながら、以上説明したように、循環タンク119や水タンク120の液体の吸い出し口はタンクの下部に、気体の吐き出し口はタンク上部に固定して設けられているので、例えば、持ち運び中に引っくり返すと、図20に示すように、液体が重力で下方向に移動する為、燃料タンクのメタノール吸い出し口は空中に露出し、燃料タンクからは高濃度メタノールではなく空気しか吸い出せなくなってしまう。
そして、循環タンクも希釈されたメタノールを燃料電池セルに、供給出来なくなり空気しか送れなくなってしまう、また、炭酸ガス吐き出し口は数%のメタノール水溶液中に没してしまうので、気体ではなく希釈されたメタノール水溶液を水タンク20内へ吐き出す事になる。
しかしながら、以上説明したように、循環タンク119や水タンク120の液体の吸い出し口はタンクの下部に、気体の吐き出し口はタンク上部に固定して設けられているので、例えば、持ち運び中に引っくり返すと、図20に示すように、液体が重力で下方向に移動する為、燃料タンクのメタノール吸い出し口は空中に露出し、燃料タンクからは高濃度メタノールではなく空気しか吸い出せなくなってしまう。
そして、循環タンクも希釈されたメタノールを燃料電池セルに、供給出来なくなり空気しか送れなくなってしまう、また、炭酸ガス吐き出し口は数%のメタノール水溶液中に没してしまうので、気体ではなく希釈されたメタノール水溶液を水タンク20内へ吐き出す事になる。
また、水タンクも本来、空気と炭酸ガスを排出するパイプから、気体ではなく水を空になるまで排出する事になるので、当然、発電を続ける事は出来なくなるだけでなく、燃料電池セルに深刻なダメージを与えてしまう。
また、図19では液検知センサ40及液検知センサ41付近だった水面も、図20の様に完全に水中に没してしまい、水量の制御が不可能になってしまう。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、複数個の液検知センサを設け、複数個の液検知センサが液を検出するように液体の供給を制御することで運搬や輸送時に姿勢が変わっても液体収納容器内の液体量を長時間、安定して一定に保つことができる燃料電池ユニットを提供する。
また、図19では液検知センサ40及液検知センサ41付近だった水面も、図20の様に完全に水中に没してしまい、水量の制御が不可能になってしまう。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、複数個の液検知センサを設け、複数個の液検知センサが液を検出するように液体の供給を制御することで運搬や輸送時に姿勢が変わっても液体収納容器内の液体量を長時間、安定して一定に保つことができる燃料電池ユニットを提供する。
上述の目的を達成するために、請求項1記載の発明は、姿勢が変化してもタンク内の液体量を安定に保持して発電を行なう燃料電池ユニットであって、液体と気体が混在するタンクから液体を取り出す液体抽出手段と、該液体抽出手段により抽出した液体を搬送する液体搬送手段と、前記タンク内の液体が設定値に達している時には前記タンクの姿勢が変化しても常に液有りと検出し、液体量が設定値に満たない時は前記タンクの姿勢が変化しても常に液無と検出する液検知センサと、前記液検知センサの検出結果に基づいて前記液体抽出手段及び液体搬送手段を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記タンクの姿勢が変化しても前記液体と気体が混在するタンクの液体量が一定になるように前記液体抽出手段及び液体搬送手段を制御することを特徴とする。
また、請求項2は、前記液検知センサは複数の水位センサから構成され、該各水位センサが夫々非直線状に配置されていることを特徴とする。
また、請求項3は、前記制御部は、1以上の前記水位センサが空中に露出した時、液量不足と判断し、該空中に露出した水位センサが液体を検出する迄、液体を補給することを特徴とする。
また、請求項2は、前記液検知センサは複数の水位センサから構成され、該各水位センサが夫々非直線状に配置されていることを特徴とする。
また、請求項3は、前記制御部は、1以上の前記水位センサが空中に露出した時、液量不足と判断し、該空中に露出した水位センサが液体を検出する迄、液体を補給することを特徴とする。
また、請求項4は、加速度センサを備え、前記制御部は該加速度センサが検知した加速度値についての信号に基づいて、前記水位センサを選択することを特徴とする。
また、請求項5は、加速度センサを備え、前記制御部は該加速度センサが検知した加速度方向を検出し、該加速度方向に最も近い前記水位センサの信号を有効とすることを特徴とする。
また、請求項6は、前記水位センサを直線状に配置せず、少なくとも3個以上設けたことを特徴とする。
また、請求項7は、記タンクのほぼ中央に前記水位センサを設けたことを特徴とする。
また、請求項8は、前記タンクの形状が直方体の場合、前記複数の水位センサの中で、重力方向に対し最も遠い位置の水位センサが前記タンクの姿勢が変化しても常に水面付近に有るよう、前記タンク中央からの距離を変えて前記各水位センサを配置したことを特徴とする。
また、請求項9は、前記制御部は、気体と液体の電気抵抗値の差によって当該液検知センサが気体中に有るか液体中に有るかを判断することを特徴とする。
また、請求項5は、加速度センサを備え、前記制御部は該加速度センサが検知した加速度方向を検出し、該加速度方向に最も近い前記水位センサの信号を有効とすることを特徴とする。
また、請求項6は、前記水位センサを直線状に配置せず、少なくとも3個以上設けたことを特徴とする。
また、請求項7は、記タンクのほぼ中央に前記水位センサを設けたことを特徴とする。
また、請求項8は、前記タンクの形状が直方体の場合、前記複数の水位センサの中で、重力方向に対し最も遠い位置の水位センサが前記タンクの姿勢が変化しても常に水面付近に有るよう、前記タンク中央からの距離を変えて前記各水位センサを配置したことを特徴とする。
また、請求項9は、前記制御部は、気体と液体の電気抵抗値の差によって当該液検知センサが気体中に有るか液体中に有るかを判断することを特徴とする。
また、請求項10は、燃料を蓄えた燃料タンクから気体と液体が混在する循環タンクへと燃料が供給され、前記循環タンクから蓄電器に並列に接続された燃料電池セルスタックへと燃料が供給され、前記循環タンクから水を蓄えて気体と液体が混在する水タンクへと炭酸ガスが供給され、前記水タンクから大気へ炭酸ガスが放出され、前記燃料電池セルスタックから前記循環タンクへと燃料が循環され、前記水タンクから前記循環タンクへと水が供給されて発電する燃料電池ユニットであって、前記燃料電池ユニット姿勢が変化した場合にも、前記発電が継続するように液体と気体が混在する前記循環タンクおよび前記水タンクの液体吸い出し口が、重力方向に、前記循環タンクおよび前記水タンクの気体吸い出し口が、反重力方向に自動的に移動するよう制御されると共に、前記循環タンクおよび前記水タンクの液体量を一定に自動制御する液検知センサを備えたことを特徴とする。
また、請求項11は、姿勢が変化しても発電を継続するよう液体と気体が混在するタンクからの液体吸い出し口は錘により重力方向に、気体吸い出し口は浮遊体により反重力方向に自動的に移動する際に、前記錘と浮遊体が接触しないように隔壁を設け、該隔壁は液体を自由に通過させる構造であり、該隔壁により仕切られた部屋毎に前記液検知センサが取り付けられていることを特徴とする。
また、請求項11は、姿勢が変化しても発電を継続するよう液体と気体が混在するタンクからの液体吸い出し口は錘により重力方向に、気体吸い出し口は浮遊体により反重力方向に自動的に移動する際に、前記錘と浮遊体が接触しないように隔壁を設け、該隔壁は液体を自由に通過させる構造であり、該隔壁により仕切られた部屋毎に前記液検知センサが取り付けられていることを特徴とする。
また、請求項12は、前記各壁により仕切られた部屋毎に取り付けられた前記液検知センサの信号線は該隔壁に沿って配線されていること特徴とする。
また、請求項13は、前記隔壁を多重構造とし、該隔壁内部に前記液検知センサの信号線が配線されていることを特徴とする。
また、請求項14は、前記液検知センサは液体を自由に通過させるケースで覆われていることを特徴とする。
また、請求項15は、前記液検知センサの信号線を前記循環タンクおよび前記水タンクの壁面から取り出す場所は、前記液体吸出し口を有する重りを取り付けたチューブ又は、前記気体吸出し口を有する浮を取り付けたチューブを取り出す場所と異なる場所とすることを特徴とする。
また、請求項16は、前記燃料はメタノールの水溶液であり、前記循環タンクに補給する液体燃料は前記メタノールの水溶液に比べて高濃度のアルコールの水溶液、或いはアルコールであることを特徴とする。
また、請求項17は、特許請求項1乃至16の何れか一項に記載の燃料電池ユニットを有することを特徴とする。
また、請求項18は、特許請求項1乃至16の何れか一項に記載の燃料電池ユニットを有することを特徴とする。
また、請求項13は、前記隔壁を多重構造とし、該隔壁内部に前記液検知センサの信号線が配線されていることを特徴とする。
また、請求項14は、前記液検知センサは液体を自由に通過させるケースで覆われていることを特徴とする。
また、請求項15は、前記液検知センサの信号線を前記循環タンクおよび前記水タンクの壁面から取り出す場所は、前記液体吸出し口を有する重りを取り付けたチューブ又は、前記気体吸出し口を有する浮を取り付けたチューブを取り出す場所と異なる場所とすることを特徴とする。
また、請求項16は、前記燃料はメタノールの水溶液であり、前記循環タンクに補給する液体燃料は前記メタノールの水溶液に比べて高濃度のアルコールの水溶液、或いはアルコールであることを特徴とする。
また、請求項17は、特許請求項1乃至16の何れか一項に記載の燃料電池ユニットを有することを特徴とする。
また、請求項18は、特許請求項1乃至16の何れか一項に記載の燃料電池ユニットを有することを特徴とする。
本発明によれば、姿勢が変化しても発電が確実に継続するよう液体と気体が混在するタンクからの液体吸い出し口は、チューブの先端付近に錘を付ける事で、重力方向に移動しチューブ先端が常に液体中に有るようにし、液体と気体が混在するタンクの気体吐出口は、チューブの先端付近に浮遊体を付ける事で、反重力方向に自動的に移動し、チューブ先端が常に液体から飛び出した状態にしているので、姿勢が変化しても液体と気体が混在するタンクからポンプは常に液体を吸い出して燃料電池セルへ供給し、姿勢が変化しても気体を排出する事ができる。
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図1は、本発明による燃料電池ユニットの一実施形態の概略構成図である。
図1に示すように、この燃料電池ユニット3は、燃料電池セルスタック5、燃料電池制御部52、およびその他の補機で構成され、その他の補機には、燃料タンク17、燃料ポンプP1、循環タンク19、燃料供給路27、循環ポンプP2、ブロワーP3、ラジエター31、冷却風37、ファン35、水タンク20および水ポンプP4、循環タンクに設置された液検知センサ40、水タンクに設置された液検知センサ41等が含まれる。
尚、循環タンクに設置された液検知センサ40と水タンクに設置された液検知センサ41のそれぞれは後で説明するように1個のセンサではなく、複数のセンサから構成されるセンサ郡として機能する。
図1は、本発明による燃料電池ユニットの一実施形態の概略構成図である。
図1に示すように、この燃料電池ユニット3は、燃料電池セルスタック5、燃料電池制御部52、およびその他の補機で構成され、その他の補機には、燃料タンク17、燃料ポンプP1、循環タンク19、燃料供給路27、循環ポンプP2、ブロワーP3、ラジエター31、冷却風37、ファン35、水タンク20および水ポンプP4、循環タンクに設置された液検知センサ40、水タンクに設置された液検知センサ41等が含まれる。
尚、循環タンクに設置された液検知センサ40と水タンクに設置された液検知センサ41のそれぞれは後で説明するように1個のセンサではなく、複数のセンサから構成されるセンサ郡として機能する。
燃料電池制御部52は、燃料電池ユニット3の全体制御を行うために、燃料ポンプP1、循環ポンプP2、ブロワーP3、ファン35、および水ポンプP4に制御信号を送るようになっている。
そして、燃料ポンプP1および逆止弁7を介して燃料供給路4により燃料タンク17から循環タンク19へと燃料が供給されるようになっており、燃料ポンプP2を介して燃料供給路27により循環タンク19から燃料電池セルスタック5へと燃料が供給されるようになっており、燃料供給路11により燃料電池セルスタック5から循環タンク19へと燃料が循環されるようになっている。また、水ポンプP4および逆止弁15を介して水供給路13により水タンク20から循環タンク19へと水が供給されるようになっている。また、循環タンク19から水タンク20へと炭酸ガスが供給され、水タンク20から大気へ炭酸ガスが放出される。
そして、燃料ポンプP1および逆止弁7を介して燃料供給路4により燃料タンク17から循環タンク19へと燃料が供給されるようになっており、燃料ポンプP2を介して燃料供給路27により循環タンク19から燃料電池セルスタック5へと燃料が供給されるようになっており、燃料供給路11により燃料電池セルスタック5から循環タンク19へと燃料が循環されるようになっている。また、水ポンプP4および逆止弁15を介して水供給路13により水タンク20から循環タンク19へと水が供給されるようになっている。また、循環タンク19から水タンク20へと炭酸ガスが供給され、水タンク20から大気へ炭酸ガスが放出される。
また、燃料電池セルスタック5は、メタノールを電気化学的酸化する触媒(メタノール酸化電極触媒)を有するアノード(燃料極)8と、酸素を選択的に電気化学的還元する触媒(酸素還元電極触媒)を有するカソード(空気極)10との間に電解質膜12とを有する構成となっている。そして、アノード(燃料極)8とカソード(空気極)10の間には、アノード(燃料極)8側の片面に燃料を流す為の溝を設け、反対側、つまりカソード(空気極)10側の片面に空気を流す為の溝を設けた導電性のセパレーター14を有するようになっている。これらの溝によってアノード(燃料極)8に燃料を、カソード(空気極)10に空気を供給することで発電が行われる。
なお、燃料電池セルスタック5は単セルとしても良いが、通常は必要な電圧を確保するため、単セルを直列接続したセルスタックが用いられる。
そして、燃料の濃度が高すぎると、アノード8で反応しなかった燃料が高分子電解質膜を通り過ぎてカソード10で反応する「クロスオーバー現象」が発生する問題があった。このためアノード(燃料極)8へは数%程度に希釈されたメタノールを供給する必要がある。
なお、燃料電池セルスタック5は単セルとしても良いが、通常は必要な電圧を確保するため、単セルを直列接続したセルスタックが用いられる。
そして、燃料の濃度が高すぎると、アノード8で反応しなかった燃料が高分子電解質膜を通り過ぎてカソード10で反応する「クロスオーバー現象」が発生する問題があった。このためアノード(燃料極)8へは数%程度に希釈されたメタノールを供給する必要がある。
また、発電を持続するためには、数%に希釈されたメタノールを発電している間中、燃料電池セルに供給し続ける必要がある。しかし、燃料タンク内の燃料を最初から数%程度に希釈されたメタノールを使用すると、燃料タンクが非常に大きくなってしまうので、燃料タンクには高濃度(例えば100%)の燃料を入れておき、燃料タンクとは別に容器を設け、そこで、濃度が数%になるように薄めてから燃料電池セルに供給することにすれば燃料タンクを小さくしても長時間の運転を行うことができる。
また、イオン伝導性の固体高分子電解質膜を負極と正極の二つの電極に挟持したセル又はセルスタックの、負極に循環タンクから供給する液体燃料はメタノールの水溶液であり、循環タンクに補給する液体燃料はそれに比べて高濃度のメタノールの水溶液、或いはメタノールとなっている。
そして、本発明に実施形態では、姿勢が変化しても発電を継続するよう液体と気体が混在するタンクからの液体吸い出し口は重力方向に、気体吸い出し口は反重力方向に自動的に移動するよう制御するようにしている。これにより、燃料電池システムの姿勢が変化しても、発電を継続可能とし、例えばノートパソコン等の電子機器を、鞄などに入れて持ち運び中も発電を継続し、負荷となる電子機器に必要な電力を供給できる燃料電池システムを実現できるようになる。
また、イオン伝導性の固体高分子電解質膜を負極と正極の二つの電極に挟持したセル又はセルスタックの、負極に循環タンクから供給する液体燃料はメタノールの水溶液であり、循環タンクに補給する液体燃料はそれに比べて高濃度のメタノールの水溶液、或いはメタノールとなっている。
そして、本発明に実施形態では、姿勢が変化しても発電を継続するよう液体と気体が混在するタンクからの液体吸い出し口は重力方向に、気体吸い出し口は反重力方向に自動的に移動するよう制御するようにしている。これにより、燃料電池システムの姿勢が変化しても、発電を継続可能とし、例えばノートパソコン等の電子機器を、鞄などに入れて持ち運び中も発電を継続し、負荷となる電子機器に必要な電力を供給できる燃料電池システムを実現できるようになる。
そして、姿勢が変化しても発電を継続するよう液体と気体が混在するタンクからの液体吸い出し口は重力方向に、気体吸い出し口は反重力方向に自動的に移動するよう制御するためには、負極と正極の二つの電極に挟持されたイオン伝導性の固体高分子電解質膜を有し、負極に循環タンクから液体燃料を循環供給し、正極に酸化剤ガスが供給される単セルまたはこの単セルを二つ以上積層されたセルッスタックからなる燃料電池セルッスタックと燃料電池セルッスタックに並列に接続され負荷に電力を供給する蓄電器を備えた、燃料電池システムにおいて、姿勢が変化しても、液体の吸い出し口は常に液中に没していなければならない、また気体吐出口は常に気体中になければならない。
そのため、この実施形態では、気体と液体が共存するタンクである循環タンク19や水タンク20等の姿勢が変化しても発電を継続するように、循環タンク19の液体吸い出し口は、そのフレキシブルなチューブ22の先端付近に重り24を付け、循環タンク19の気体吐出口は、そのチューブ26の先端付近に浮き28を付けるようにしている。
また、水タンク20の液体吸い出し口は、そのフレキシブルなチューブ32の先端付近に重り34を付け、水タンク20の気体吐出口は、そのチューブ36の先端付近に浮き38を付けるようにしている。
そのため、この実施形態では、気体と液体が共存するタンクである循環タンク19や水タンク20等の姿勢が変化しても発電を継続するように、循環タンク19の液体吸い出し口は、そのフレキシブルなチューブ22の先端付近に重り24を付け、循環タンク19の気体吐出口は、そのチューブ26の先端付近に浮き28を付けるようにしている。
また、水タンク20の液体吸い出し口は、そのフレキシブルなチューブ32の先端付近に重り34を付け、水タンク20の気体吐出口は、そのチューブ36の先端付近に浮き38を付けるようにしている。
このようにすることで、図2に示すように、この燃料電池ユニット3を引っくり返した場合でも、循環タンク19の液体吸い出し口は、そのフレキシブルなチューブ22の先端付近の重り24が重力方向に移動するので、常に液体中にあるようになり、循環タンク19の気体吐出口は、そのチューブ26の先端付近の浮き28が反重力方向に自動的に移動するので、常に液体から飛び出した状態になる。
同様に、図2に示すように、この燃料電池ユニット3を引っくり返した場合でも、水タンク20の液体吸い出し口は、そのフレキシブルなチューブ32の先端付近の重り34が重力方向に移動するので、常に液体中にあるようになり、水タンク20の気体吐出口は、そのチューブ36の先端付近の浮き38が反重力方向に自動的に移動するので、常に液体から飛び出した状態になる。
こうすることで、姿勢が変化しても循環ポンプP2は常に循環タンク19から低濃度燃料を吸い出して燃料電池セルスタック5のアノード8へ供給する事が出来、また、炭酸ガスも液体と分離して水タンク20に送る事が出来る。
なお、ここでは、チューブ22、32が重り24、34の中心部を貫通するようになっている。
同様に、図2に示すように、この燃料電池ユニット3を引っくり返した場合でも、水タンク20の液体吸い出し口は、そのフレキシブルなチューブ32の先端付近の重り34が重力方向に移動するので、常に液体中にあるようになり、水タンク20の気体吐出口は、そのチューブ36の先端付近の浮き38が反重力方向に自動的に移動するので、常に液体から飛び出した状態になる。
こうすることで、姿勢が変化しても循環ポンプP2は常に循環タンク19から低濃度燃料を吸い出して燃料電池セルスタック5のアノード8へ供給する事が出来、また、炭酸ガスも液体と分離して水タンク20に送る事が出来る。
なお、ここでは、チューブ22、32が重り24、34の中心部を貫通するようになっている。
また、燃料電池セルスタック5から循環タンク19に戻ってくる低濃度燃料の入り口に多孔質の部材が設けられている。それにより、低濃度燃料が、その小さな穴を経由して循環タンクに導かれ、ひっくり返った姿勢の時に、チューブから直接、気体を液体中に放出すると大きな泡になりブクブクと大きな音が発生するが、多孔質の部材を経由して液体中に放出することで、細かな多数の泡にする事で大きな音が出ない様になる。
もちろん、上記説明したように、チューブの先端付近に浮きを付けるやりかたでも大きな音は発生しなくなるので、その場合は多孔質の部材を付ける必要は無いが、多孔質の部材を付けた方が自由に動くチューブがいらないので装置が簡単になる。
また、燃料ポンプにより送り込まれる高濃度燃料や水ポンプにより送り込まれる水の入り口は、姿勢により気体中だったり液体中だったりするがどちらでも問題ないので特に対策は取らない。また、燃料ポンプP1や水ポンプP4の下流の逆止弁7、15は、循環タンク19より燃料タンク17や水タンク20が低い位置でもポンプが停止中に逆流するのを防止するためのものである。
なお、循環タンク19から燃料ポンプP1により吸い出されたメタノール水溶液は、燃料電池セルスタック5に送られ、発電する事でメタ−ノールを消費するので、循環タンク19に戻ってくるメタノール水溶液濃度は低下している。そのため、発電を続ければ循環タンク19内のメタノール水溶液濃度はどんどん低下してしまうので、図示しない濃度センサでメタノール水溶液濃度を監視し、濃度が低ければ燃料ポンプP1を駆動し、燃料タンク17から高濃度メタノールを補給し一定の濃度になるように制御する。
もちろん、上記説明したように、チューブの先端付近に浮きを付けるやりかたでも大きな音は発生しなくなるので、その場合は多孔質の部材を付ける必要は無いが、多孔質の部材を付けた方が自由に動くチューブがいらないので装置が簡単になる。
また、燃料ポンプにより送り込まれる高濃度燃料や水ポンプにより送り込まれる水の入り口は、姿勢により気体中だったり液体中だったりするがどちらでも問題ないので特に対策は取らない。また、燃料ポンプP1や水ポンプP4の下流の逆止弁7、15は、循環タンク19より燃料タンク17や水タンク20が低い位置でもポンプが停止中に逆流するのを防止するためのものである。
なお、循環タンク19から燃料ポンプP1により吸い出されたメタノール水溶液は、燃料電池セルスタック5に送られ、発電する事でメタ−ノールを消費するので、循環タンク19に戻ってくるメタノール水溶液濃度は低下している。そのため、発電を続ければ循環タンク19内のメタノール水溶液濃度はどんどん低下してしまうので、図示しない濃度センサでメタノール水溶液濃度を監視し、濃度が低ければ燃料ポンプP1を駆動し、燃料タンク17から高濃度メタノールを補給し一定の濃度になるように制御する。
また、この燃料電池ユニット3の姿勢が変わっても高濃度メタノールを供給する為に、高濃度メタノールを貯蔵している燃料タンク17は剛体ではなく柔らかい袋で出来ていて、中には気体は全く無く高濃度メタノールだけが入っているようになっている。例えば、点滴の薬品の入った袋と同じ袋が使用可能である。
また、燃料ポンプP1を動作させると、燃料タンク17の内部は負圧になり気圧で燃料タンク17が押しつぶされるので、ひっくり返された状態でも燃料タンク17から循環タンク19へ高濃度メタノール供給する事が出来る。この時、正常な姿勢では循環タンク19の気体部分に高濃度メタノールが送られたが、ひっくり返った状態では希釈されたメタノール中に送り込まれる事になるが問題は無い。
また、ブロワーP3によって、燃料電池セルスタック5のカソード側に空気が供給される。希釈されたメタノールと空気の供給された燃料電池セルスタック5では、アノード8とカソード10との間に電力が生じるとともに、アノード側には炭酸ガスが発生し、カソード側には水が発生する。アノード側で発生した炭酸ガスは、循環タンク19で回収される。また、燃料電池内部温度が高く空気の流れが速い為、カソード側で発生した水は、小さな水滴となって空気と混在しているが、ラジエター31を通過する際に冷却され、水と空気に分離されて水タンク20に戻される。尚、ラジエター31はファン35で作られた冷却風37で冷却される。
また、燃料ポンプP1を動作させると、燃料タンク17の内部は負圧になり気圧で燃料タンク17が押しつぶされるので、ひっくり返された状態でも燃料タンク17から循環タンク19へ高濃度メタノール供給する事が出来る。この時、正常な姿勢では循環タンク19の気体部分に高濃度メタノールが送られたが、ひっくり返った状態では希釈されたメタノール中に送り込まれる事になるが問題は無い。
また、ブロワーP3によって、燃料電池セルスタック5のカソード側に空気が供給される。希釈されたメタノールと空気の供給された燃料電池セルスタック5では、アノード8とカソード10との間に電力が生じるとともに、アノード側には炭酸ガスが発生し、カソード側には水が発生する。アノード側で発生した炭酸ガスは、循環タンク19で回収される。また、燃料電池内部温度が高く空気の流れが速い為、カソード側で発生した水は、小さな水滴となって空気と混在しているが、ラジエター31を通過する際に冷却され、水と空気に分離されて水タンク20に戻される。尚、ラジエター31はファン35で作られた冷却風37で冷却される。
また、水タンク20で回収された水は、燃料タンク17から循環タンク19へ供給された高濃度メタノールを希釈するために用いられる。その他不要な水は水蒸気として、炭酸ガスとともに循環タンク19から排出される。
また、発電に伴いメタノールだけでなく水も消費するので循環タンク19には図示しない液面センサで希釈されたメタノール量を監視し、循環タンク19内の希釈されたメタノール量が少なくなると、水ポンプP4が動作して、水を水タンク20から循環タンク19に供給する。水タンク20の液体や気体の入り口及び出口の姿勢に対する動きは循環タンク19で説明したのと同じなので説明を省略する。
循環タンク19内では、燃料電池セルスタック5から回収された水で希釈され、数%のメタノール水溶液となる。循環タンク19と燃料電池セルスタック5とをつなぐ燃料供給路27には循環ポンプP2が配置されており、このポンプは、循環タンク19内の希釈されたメタノールを燃料電池セルスタック5のアノード側に供給する。
また、発電に伴いメタノールだけでなく水も消費するので循環タンク19には図示しない液面センサで希釈されたメタノール量を監視し、循環タンク19内の希釈されたメタノール量が少なくなると、水ポンプP4が動作して、水を水タンク20から循環タンク19に供給する。水タンク20の液体や気体の入り口及び出口の姿勢に対する動きは循環タンク19で説明したのと同じなので説明を省略する。
循環タンク19内では、燃料電池セルスタック5から回収された水で希釈され、数%のメタノール水溶液となる。循環タンク19と燃料電池セルスタック5とをつなぐ燃料供給路27には循環ポンプP2が配置されており、このポンプは、循環タンク19内の希釈されたメタノールを燃料電池セルスタック5のアノード側に供給する。
本実施形態によれば、重りがタンクの底に沈む事でチューブの開口部が、液体を底の付近から吸い出す事が出来るので液体の残量を少なく出来る。
また、本実施形態によれば、重りがタンクの底に沈んだ状態の時チューブの開口部は成るべく下の方が液体の残量を少なく出来るので、チューブが重りの中心部を貫通するようになっている。チューブが重りの中心部でなく端部を貫通した構造やチューブに重りを貼り付けたような構造だと、重りがタンクの底に沈んだ状態によってはチューブの開口部が重りの上の方になり液体の残量が多くなるので、重りのほぼ中央を貫通したチューブとする事で液体の残量を更に少なく出来る。
図3は燃料電池の電気的なブロック図である。この燃料電池ユニット100は、燃料電池3と、二次電池53と、逆流防止用ダイオードD1〜D3と、DC−DCコンバータ51と、レギュレータ54と、制御基板52と、を備えて構成され、制御基板52には循環タンクからの水位センサ40、水タンクからの水位センサ41が入力され、充電のON/OFF制御信号、燃料ポンプP1、水ポンプP4、循環ポンプP2、ブロワーP3、ラジエータファン35の信号が出力される。そしてDC−DCコンバータ51の出力はプリンタ60等の負荷へ電源供給される。
また、本実施形態によれば、重りがタンクの底に沈んだ状態の時チューブの開口部は成るべく下の方が液体の残量を少なく出来るので、チューブが重りの中心部を貫通するようになっている。チューブが重りの中心部でなく端部を貫通した構造やチューブに重りを貼り付けたような構造だと、重りがタンクの底に沈んだ状態によってはチューブの開口部が重りの上の方になり液体の残量が多くなるので、重りのほぼ中央を貫通したチューブとする事で液体の残量を更に少なく出来る。
図3は燃料電池の電気的なブロック図である。この燃料電池ユニット100は、燃料電池3と、二次電池53と、逆流防止用ダイオードD1〜D3と、DC−DCコンバータ51と、レギュレータ54と、制御基板52と、を備えて構成され、制御基板52には循環タンクからの水位センサ40、水タンクからの水位センサ41が入力され、充電のON/OFF制御信号、燃料ポンプP1、水ポンプP4、循環ポンプP2、ブロワーP3、ラジエータファン35の信号が出力される。そしてDC−DCコンバータ51の出力はプリンタ60等の負荷へ電源供給される。
図4は姿勢を変化させたときの水位センサ4個と水位の関係を表す図である。図の様に複数の水位センサa〜dを設ける、この水位センサa〜dは2枚の電極間の抵抗値の差が空中と液体中で異なるのを利用したものや、浮の位置で水面の位置を検出するものや、発光素子と受光素子の組み合わせで液体と気体の境界面の全反射を利用したもの等各種方法があるが、一例として2枚の電極を使用するもので説明する。図4の様に複数の水位センサa〜dを用い、全ての水位センサa〜dが図4の様に水を検出している状態を水量が確保されていると判断する。一つでも空中に露出すると水不足と判断する(基準の位置)。
図4は基本状態の時、水面60が水位センサ付近となる水位量のタンクを右回転で22.5°ずつ傾けた場合の4個の水位センサa〜dと水の関係の変化を表している。図4では112.5°傾けた場合までしか図示していないが、360°回転しても同様に4個の水位センサa〜dと水面との関係は、ほぼ一番上の水位センサa(一番上の水位センサの下部が点線位置)が水面の位置となる。
つまり、360°のどの姿勢の時でも水位センサの一つでも空中に露出したら、水不足と判断して補給を行えば、常に一定量の水量を確保する事が出来る。図4では水位センサ4個だが、多くなれば、なるほど姿勢が変化して水量の変動を少なく制御できる。図4の水位センサ配置では左右方向に回転させても水量の変動を検出できるが、前後方向に回転させると水量の変動を検出できないので、更に前後方向に同様に2個増設することで、前後左右全ての姿勢変化に対応出来るようになる。
図4は基本状態の時、水面60が水位センサ付近となる水位量のタンクを右回転で22.5°ずつ傾けた場合の4個の水位センサa〜dと水の関係の変化を表している。図4では112.5°傾けた場合までしか図示していないが、360°回転しても同様に4個の水位センサa〜dと水面との関係は、ほぼ一番上の水位センサa(一番上の水位センサの下部が点線位置)が水面の位置となる。
つまり、360°のどの姿勢の時でも水位センサの一つでも空中に露出したら、水不足と判断して補給を行えば、常に一定量の水量を確保する事が出来る。図4では水位センサ4個だが、多くなれば、なるほど姿勢が変化して水量の変動を少なく制御できる。図4の水位センサ配置では左右方向に回転させても水量の変動を検出できるが、前後方向に回転させると水量の変動を検出できないので、更に前後方向に同様に2個増設することで、前後左右全ての姿勢変化に対応出来るようになる。
図5は姿勢を変化させたときの水位センサ3個と水位の関係を表す図である。また、姿勢変化が左右方向の回転に限定でき、ある程度の水位変動が有っても良い場合には図5のように、水位センサ3個でも水量制御は可能である。
図6は姿勢を変化させたときの水位センサ4個と水位の関係を表す図である。姿勢検知センサ、例えば図示しない加速度センサを設け、加速度方向(G方向)を判断して図6の様に加速度方向から1番遠い水位センサの信号だけを有効とし他の水位センサからの信号を無視する事でも、姿勢が変化しても液体と気体が混在するタンクの液体量を一定に自動制御することが出来る。例えば、基準、22.5度回転、45度回転のときは水位センサaを有効とし、67.5度回転、90度回転、112.5度回転のときは水位センサdを有効とする。つまり、最上位の水位センサを選択し、そのセンサが液体中に有れば、液量が十分と判断し、補給を行わず、空中にあれば液量が不足していると判断して補給を行えば水量を一定に制御する事が出来る。
尚、加速度センサは、物体の加速度を計測するセンサであり、一般的に重りをバネで支持したり、糸や紐で吊るしたりした構造をしている。
図6は姿勢を変化させたときの水位センサ4個と水位の関係を表す図である。姿勢検知センサ、例えば図示しない加速度センサを設け、加速度方向(G方向)を判断して図6の様に加速度方向から1番遠い水位センサの信号だけを有効とし他の水位センサからの信号を無視する事でも、姿勢が変化しても液体と気体が混在するタンクの液体量を一定に自動制御することが出来る。例えば、基準、22.5度回転、45度回転のときは水位センサaを有効とし、67.5度回転、90度回転、112.5度回転のときは水位センサdを有効とする。つまり、最上位の水位センサを選択し、そのセンサが液体中に有れば、液量が十分と判断し、補給を行わず、空中にあれば液量が不足していると判断して補給を行えば水量を一定に制御する事が出来る。
尚、加速度センサは、物体の加速度を計測するセンサであり、一般的に重りをバネで支持したり、糸や紐で吊るしたりした構造をしている。
質量mの物体に加速度aが加わったとき、物体に働く力は
F=ma
と表せる。
今、物体をバネ定数kのバネにより支持したとするとフックの法則を用いれば、
ma=kx
となり、物体はxだけ変位する。さらに加速度aは
α=kx/m
となり、バネ定数、質量が既知であれば物体の変位xを検出することにより、加速度を計測できる。
また、変位の計測には静電容量の変化やひずみゲージやピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化、周波数の変化、あるいは光ファイバの干渉の変化などを使う。根本的な性能は、重りの質量とバネ定数で決定するため、検出方法の向上や安定性・耐環境性などが主な研究・開発目的となっている。
小型の加速度センサはMEMS技術によって作製される。 MEMSの加速度センサの場合、質量が小さいため感度は低下するが劇的な小型化が可能になるため、自動車のエアバッグやカーナビゲーションの傾斜計、ゲームのコントローラなどに使われている。
F=ma
と表せる。
今、物体をバネ定数kのバネにより支持したとするとフックの法則を用いれば、
ma=kx
となり、物体はxだけ変位する。さらに加速度aは
α=kx/m
となり、バネ定数、質量が既知であれば物体の変位xを検出することにより、加速度を計測できる。
また、変位の計測には静電容量の変化やひずみゲージやピエゾ抵抗効果による電気抵抗の変化、周波数の変化、あるいは光ファイバの干渉の変化などを使う。根本的な性能は、重りの質量とバネ定数で決定するため、検出方法の向上や安定性・耐環境性などが主な研究・開発目的となっている。
小型の加速度センサはMEMS技術によって作製される。 MEMSの加速度センサの場合、質量が小さいため感度は低下するが劇的な小型化が可能になるため、自動車のエアバッグやカーナビゲーションの傾斜計、ゲームのコントローラなどに使われている。
図7は各種タンク形状と水位センサの関係を表す図である。
姿勢を変化させても、水深の変化が少ない立体例えば、図7(a)の様に球や立方体や(b)のようなサッカーボールのような各種タンク形状の、ほぼ中央に水位センサ61を設ける事で1つの水位センサでも左右に回転させても水位センサが空中に露出したら、水不足と判断して補給を行えば、常に一定量の水量を確保する事が出来る。
図8は姿勢を変化させたときの水位センサ1個と水位の関係を表す図である。図8では基本から22.5°ずつ112.5°迄、右回させた図しか書いてないが、同様に360°迄回転させても水位センサが空中に露出したら、水不足と判断して補給を行えば、常に一定量の水量を確保する事が出来る。また、前後方向に回転させた場合でも水位センサが空中に露出したら、水不足と判断して補給を行えば、常に一定量の水量を確保する事が出来る。但し、タンクの体積の半分の水量しか確保出来ないので水位センサの数が少ない反面、タンクを小さく出来ない欠点がある。
図9は直方体のタンクとセンサ間距離を変えた水位センサの関係を示す図である。液体と気体が混在する、球や立方体とはかけ離れたタンク、例えば直方体等のタンクの場合に、複数の水位センサからなる水位センサ郡の重力に対し中の最上位の水位センサがシステムの姿勢が変化しても常に水面付近に成るよう、図9の様にタンク中央Gからの距離を変えてセンサを配置すればタンク形状設計の自由度を増す事が出来る。
姿勢を変化させても、水深の変化が少ない立体例えば、図7(a)の様に球や立方体や(b)のようなサッカーボールのような各種タンク形状の、ほぼ中央に水位センサ61を設ける事で1つの水位センサでも左右に回転させても水位センサが空中に露出したら、水不足と判断して補給を行えば、常に一定量の水量を確保する事が出来る。
図8は姿勢を変化させたときの水位センサ1個と水位の関係を表す図である。図8では基本から22.5°ずつ112.5°迄、右回させた図しか書いてないが、同様に360°迄回転させても水位センサが空中に露出したら、水不足と判断して補給を行えば、常に一定量の水量を確保する事が出来る。また、前後方向に回転させた場合でも水位センサが空中に露出したら、水不足と判断して補給を行えば、常に一定量の水量を確保する事が出来る。但し、タンクの体積の半分の水量しか確保出来ないので水位センサの数が少ない反面、タンクを小さく出来ない欠点がある。
図9は直方体のタンクとセンサ間距離を変えた水位センサの関係を示す図である。液体と気体が混在する、球や立方体とはかけ離れたタンク、例えば直方体等のタンクの場合に、複数の水位センサからなる水位センサ郡の重力に対し中の最上位の水位センサがシステムの姿勢が変化しても常に水面付近に成るよう、図9の様にタンク中央Gからの距離を変えてセンサを配置すればタンク形状設計の自由度を増す事が出来る。
図10は水位センサの回路図である。燃料電池で使用されるアルコールや水は2つの電極間距離を5mm程度だと数MΩの抵抗値があるので、電極a−b間に10V程度の電圧を印加し流れる電流を測定する事で電極が液中に有るか、空中にあるか判断できるので、例えば図10のような回路で水位センサを実現できる。
水位センサ電極a−bが空中にあるときはOP−AMP63の入力端子+は5.6MΩでGNDに接続してあるので0Vである。一方、OP−AMP63の入力端子−は10Vを2本の10KΩで分圧しているので5Vになっているので、OP−AMPの出力端子はL(ロー)となる。この信号はマイコン64の入力端子に送られるので、マイコン64は水位センサ迄、水面が届いていないと判断し、例えば図2の循環タンクの場合は水ポンプP4を駆動して、水の補給を行う。
水を補給する事で水位センサ電極に水が達すると、水位センサ電極間a−bの水の抵抗値は2MΩ位なので、10Vから水位センサ電極間の水を通じて電流が流れて、OP−AMP63の入力端子+は7.4V位になる。一方、OP−AMP63の入力端子−は入力端子+の状態の影響を受けないので5VのままなのでOP−AMP63の出力端子はH(ハイ)となる。この信号はマイコン64の入力端子に送られるので、マイコン64は水位センサ迄、水が来ていると判断し、ポンプP4の駆動を止め、水の補給を停止する。
水位センサ電極a−bが空中にあるときはOP−AMP63の入力端子+は5.6MΩでGNDに接続してあるので0Vである。一方、OP−AMP63の入力端子−は10Vを2本の10KΩで分圧しているので5Vになっているので、OP−AMPの出力端子はL(ロー)となる。この信号はマイコン64の入力端子に送られるので、マイコン64は水位センサ迄、水面が届いていないと判断し、例えば図2の循環タンクの場合は水ポンプP4を駆動して、水の補給を行う。
水を補給する事で水位センサ電極に水が達すると、水位センサ電極間a−bの水の抵抗値は2MΩ位なので、10Vから水位センサ電極間の水を通じて電流が流れて、OP−AMP63の入力端子+は7.4V位になる。一方、OP−AMP63の入力端子−は入力端子+の状態の影響を受けないので5VのままなのでOP−AMP63の出力端子はH(ハイ)となる。この信号はマイコン64の入力端子に送られるので、マイコン64は水位センサ迄、水が来ていると判断し、ポンプP4の駆動を止め、水の補給を停止する。
以上説明した水位センサにより、液体と気体が混在するタンクの液体量を姿勢が変化しても常に一定に制御することが出来るので、図1の水位センサを今まで説明したように複数に変更する事で、この複数の水位センサと液体吸出し口を有する重りを取り付けたチューブと、気体吸出し口を有する浮を取り付けたチューブにして、液体吸出し口は常に液体中に気体吸出し口は常に空気中に有る機構と組み合わせる事で、姿勢が変化しても、水位を検出する事で水量を常に一定に制御出来るので、姿勢が変化しても発電を継続可能な燃料電池システムが実現できる。
図11は水位センサ4個と隔壁を入れたタンクの姿勢を90度変化させたときの図である。水位センサは、液体吸出し口を有する重り34を取り付けたチューブ32と、気体吸出し口を有する浮38を取り付けたチューブ36を内蔵する事で姿勢が変化しても発電を継続可能であるが、この2本のチューブ同士、或いはチューブが水位センサa〜dに絡まることが起きる。
そこで、図11のようにチューブ同士の間に隔壁65を設ける事でチューブ同士の絡まりを防止する。更に、隔壁65に水位センサを固定する事で水位センサをタンク中央に保持するための部材を省く事が出来る。尚、この隔壁65は水は自由に通過できるがチューブの先端部が突き刺さる事がない大きさの穴やスリットが多数設けてある。
図12は配線を這わせた隔壁を入れたタンクの図である。水位センサがセンサとして機能する為に必要な、給電用、或いは、信号取り出し用の電気的配線66は図12の様に隔壁65に密着させて配線する事で、チューブ32、36と配線66の絡まりを防ぐ事が出来る。
そこで、図11のようにチューブ同士の間に隔壁65を設ける事でチューブ同士の絡まりを防止する。更に、隔壁65に水位センサを固定する事で水位センサをタンク中央に保持するための部材を省く事が出来る。尚、この隔壁65は水は自由に通過できるがチューブの先端部が突き刺さる事がない大きさの穴やスリットが多数設けてある。
図12は配線を這わせた隔壁を入れたタンクの図である。水位センサがセンサとして機能する為に必要な、給電用、或いは、信号取り出し用の電気的配線66は図12の様に隔壁65に密着させて配線する事で、チューブ32、36と配線66の絡まりを防ぐ事が出来る。
図13は配線を内蔵した隔壁を入れたタンクの図である。水位センサがセンサとして機能する為に必要な、給電用、或いは、信号取り出し用の電気的配線66は図13の様に隔壁内部67を通して配線する事で、チューブ32、36と配線66の絡まりを防ぐ事が出来る。
図14は絡まり防止ケース付き水位センサの図である。水位センサは図14の様に液体は自由に通過できるがチューブ32、36を捕獲しない大きさの穴又はスリット等を設けたケース68やネット等で覆う事で水位センサへのチューブの絡まりを防止する事が出来る。
図15はチューブとセンサ固定部を違う壁面に取り付けた図である。1本の稼動チューブの場合は隔壁は必要無いが、図15の様に稼動するチューブの固定部取り付け壁面70と異なる壁面71に水位センサの固定部Aを取り付ける事で水位センサにチューブが絡まるのを防ぐ事が出来る。
図14は絡まり防止ケース付き水位センサの図である。水位センサは図14の様に液体は自由に通過できるがチューブ32、36を捕獲しない大きさの穴又はスリット等を設けたケース68やネット等で覆う事で水位センサへのチューブの絡まりを防止する事が出来る。
図15はチューブとセンサ固定部を違う壁面に取り付けた図である。1本の稼動チューブの場合は隔壁は必要無いが、図15の様に稼動するチューブの固定部取り付け壁面70と異なる壁面71に水位センサの固定部Aを取り付ける事で水位センサにチューブが絡まるのを防ぐ事が出来る。
図16は燃料電池システムとプリンタの電気的ブロック図である。本実施形態の記録装置が実行する基本的な記録制御について、図16を用いて説明する。
まず、データ受信部104によってホストコンピュータより入力された画像データは、DMA/RAMコントローラ105を介してRAM103に一時格納され、ROM102に格納された制御プログラムを実行してCPU101は受信コマンド、画像データ、文字コードの解析を行う。その後、入力された画像データは、CPU101により記録データに変換され、順次、RAM103に格納される。受信コマンドには記録制御情報が含まれ、この記録制御情報に応じた記録パス数により記録が行われる。
1ライン分の記録データの展開が終了するか、もしくはホストコンピュータから記録命令(受信コマンドの1つ)が入力された時点で、キャリッジモータドライバ110によりキャリッジモータ208が駆動される。そして、タイミング制御部112から出力される記録タイミングパルスに同期してRAM103に格納されている記録データが、DMA/RAMコントローラ105及びヘッドコントローラ108を介してヘッドドライバ107に転送される。そして、ヘッドコントローラ108からヒートパルス信号がヘッドドライバ107に送られて記録ヘッドIJHからインク滴を吐出する。
1ライン分の記録が終了するとラインフィードモータ201が駆動されて改行が行われ、1連の手順が終了する。このような手順を記録用紙209の1ページに渡って繰り返して行うことにより、1ページ分の記録動作が完了する。
まず、データ受信部104によってホストコンピュータより入力された画像データは、DMA/RAMコントローラ105を介してRAM103に一時格納され、ROM102に格納された制御プログラムを実行してCPU101は受信コマンド、画像データ、文字コードの解析を行う。その後、入力された画像データは、CPU101により記録データに変換され、順次、RAM103に格納される。受信コマンドには記録制御情報が含まれ、この記録制御情報に応じた記録パス数により記録が行われる。
1ライン分の記録データの展開が終了するか、もしくはホストコンピュータから記録命令(受信コマンドの1つ)が入力された時点で、キャリッジモータドライバ110によりキャリッジモータ208が駆動される。そして、タイミング制御部112から出力される記録タイミングパルスに同期してRAM103に格納されている記録データが、DMA/RAMコントローラ105及びヘッドコントローラ108を介してヘッドドライバ107に転送される。そして、ヘッドコントローラ108からヒートパルス信号がヘッドドライバ107に送られて記録ヘッドIJHからインク滴を吐出する。
1ライン分の記録が終了するとラインフィードモータ201が駆動されて改行が行われ、1連の手順が終了する。このような手順を記録用紙209の1ページに渡って繰り返して行うことにより、1ページ分の記録動作が完了する。
また、燃料電池ユニット3が組み込まれるインクジェットプリンタの概略は図17、図18に示す。
図18は本実施形態の記録装置の構成を示す概観斜視図である。図17はその内部構造図である。
図17において、記録ヘッドカートリッジ205は、記録ヘッドIJHとインク供給源たるインクタンクとを一体としたものであり、この記録ヘッドカートリッジ205は、押さえ部材202によりキャリッジ206の上に固定されており、これらはシャフト211にそって長手方向に往復運動可能となっている。
記録ヘッドIJHより吐出されたインク滴は、記録ヘッドIJHと微小間隔をおいて、プラテン210に記録面を規制された記録用紙209に到達し、画像を形成する。記録ヘッドIJHにはケーブル207及びこれに結合する端子を介して適宜のデータ供給源より画像データに応じた記録タイミングパルスが供給される。
記録ヘッドカートリッジ205は、用いるインク色等に応じて、1ないし複数個(図示例では2個)を設けることができる。208はキャリッジ206をシャフト211に沿って走査させるためのキャリッジモータ、203はモーター208の駆動力をキャリッジ206に伝達するためのワイヤである。また、201はプラテンローラ210に結合して記録用紙209を搬送させるためのラインフィードモータ、204はキャリッジ206の位置を検出するHP(ポジション)センサである。
図18は本実施形態の記録装置の構成を示す概観斜視図である。図17はその内部構造図である。
図17において、記録ヘッドカートリッジ205は、記録ヘッドIJHとインク供給源たるインクタンクとを一体としたものであり、この記録ヘッドカートリッジ205は、押さえ部材202によりキャリッジ206の上に固定されており、これらはシャフト211にそって長手方向に往復運動可能となっている。
記録ヘッドIJHより吐出されたインク滴は、記録ヘッドIJHと微小間隔をおいて、プラテン210に記録面を規制された記録用紙209に到達し、画像を形成する。記録ヘッドIJHにはケーブル207及びこれに結合する端子を介して適宜のデータ供給源より画像データに応じた記録タイミングパルスが供給される。
記録ヘッドカートリッジ205は、用いるインク色等に応じて、1ないし複数個(図示例では2個)を設けることができる。208はキャリッジ206をシャフト211に沿って走査させるためのキャリッジモータ、203はモーター208の駆動力をキャリッジ206に伝達するためのワイヤである。また、201はプラテンローラ210に結合して記録用紙209を搬送させるためのラインフィードモータ、204はキャリッジ206の位置を検出するHP(ポジション)センサである。
P1…燃料ポンプ、P2…循環ポンプ、P2…燃料ポンプ、P3…ブロワー、P4…水ポンプ、3…燃料電池ユニット、4…燃料供給路、5…燃料電池セルスタック、7…逆止弁、8…アノード、10…カソード、11…燃料電池、12…電解質膜、13…水供給路、14…セパレーター、14…第1電圧変換部、15…第2電圧変換部、15…逆止弁、17…燃料タンク、19…循環タンク、20…水タンク、21…燃料貯蔵部、22、32、26、36…チューブ、27…燃料供給路、28…浮、31…ラジエター、35…ファン、37…冷却風、40、41…液検知センサ、52…燃料電池制御部、100…電源部、101…CPU、102…ROM、103…RAM、104…データ受信部、105…コントローラ、107…ヘッドドライバ、108…ヘッドコントローラ、110…キャリッジモータドライバ、110…タンク部材、112…タイミング制御部、113…ラインフィードモータドライバ、114…インク流量検出部、120…燃料供給管、121…吸引口、122…部材、185…液体燃料、201…ラインフィードモータ、202…部材、205…記録ヘッドカートリッジ、206…キャリッジ、207…ケーブル、208…キャリッジモータ、208…モーター、209…記録用紙、210…プラテン、210…プラテンローラ、211…シャフト
Claims (18)
- 姿勢が変化してもタンク内の液体量を安定に保持して発電を行なう燃料電池ユニットであって、
液体と気体が混在するタンクから液体を取り出す液体抽出手段と、該液体抽出手段により抽出した液体を搬送する液体搬送手段と、前記タンク内の液体が設定値に達している時には前記タンクの姿勢が変化しても常に液有りと検出し、液体量が設定値に満たない時は前記タンクの姿勢が変化しても常に液無と検出する液検知センサと、前記液検知センサの検出結果に基づいて前記液体抽出手段及び液体搬送手段を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記タンクの姿勢が変化しても前記液体と気体が混在するタンク内の液体量が一定になるように前記液体抽出手段及び液体搬送手段を制御することを特徴とする燃料電池ユニット。 - 前記液検知センサは複数の水位センサから構成され、該各水位センサが夫々非直線状に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池ユニット。
- 前記制御部は、1以上の前記水位センサが空中に露出した時、液量不足と判断し、該空中に露出した水位センサが液体を検出する迄、液体を補給することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池ユニット。
- 加速度センサを備え、前記制御部は該加速度センサが検知した加速度値についての信号に基づいて、前記水位センサを選択することを特徴とする請求項1、2又は3に記載の燃料電池ユニット。
- 加速度センサを備え、前記制御部は該加速度センサが検知した加速度方向を検出し、該加速度方向に最も近い前記水位センサの信号を有効とすることを特徴とする請求項1、2又は3に記載の燃料電池ユニット。
- 前記水位センサを直線状に配置せず、少なくとも3個以上設けたことを特徴とする請求項1、2又は3に記載の燃料電池ユニット。
- 前記タンクのほぼ中央に前記水位センサを設けたことを特徴とする請求項1、2又は3に記載の燃料電池ユニット。
- 前記タンクの形状が直方体の場合、前記複数の水位センサの中で、重力方向に対し最も遠い位置の水位センサが前記タンクの姿勢が変化しても常に水面付近に有るよう、前記タンク中央からの距離を変えて前記各水位センサを配置したことを特徴とする請求項1、2又は3に記載の燃料電池ユニット。
- 前記制御部は、気体と液体の電気抵抗値の差によって前記液検知センサが気体中に有るか液体中に有るかを判断することを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載の燃料電池ユニット。
- 燃料を蓄えた燃料タンクから気体と液体が混在する循環タンクへと燃料が供給され、前記循環タンクから蓄電器に並列に接続された燃料電池セルスタックへと燃料が供給され、前記循環タンクから水を蓄えて気体と液体が混在する水タンクへと炭酸ガスが供給され、前記水タンクから大気へ炭酸ガスが放出され、前記燃料電池セルスタックから前記循環タンクへと燃料が循環され、前記水タンクから前記循環タンクへと水が供給されて発電する燃料電池ユニットであって、
前記燃料電池ユニット姿勢が変化した場合にも、前記発電が継続するように液体と気体が混在する前記循環タンクおよび前記水タンクの液体吸い出し口が、重力方向に、前記循環タンクおよび前記水タンクの気体吸い出し口が、反重力方向に自動的に移動するよう制御されると共に、前記循環タンクおよび前記水タンクの液体量を一定に自動制御する液検知センサを備えたことを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載の燃料電池ユニット。 - 姿勢が変化しても発電を継続するよう液体と気体が混在するタンクからの液体吸い出し口は錘により重力方向に、気体吸い出し口は浮遊体により反重力方向に自動的に移動する際に、前記錘と浮遊体が接触しないように隔壁を設け、該隔壁は液体を自由に通過させる構造であり、該隔壁により仕切られた部屋毎に前記液検知センサが取り付けられていることを特徴とする請求項10に記載の燃料電池ユニット。
- 前記隔壁により仕切られた部屋毎に取り付けられた前記液検知センサの信号線は該隔壁に沿って配線されていること特徴とする請求項11に記載の燃料電池ユニット。
- 前記隔壁を多重構造とし、該隔壁内部に前記液検知センサの信号線が配線されていることを特徴とする請求項10に記載の燃料電池ユニット。
- 前記液検知センサは液体を自由に通過させるケースで覆われていることを特徴とする請求項10に記載の燃料電池ユニット。
- 前記液検知センサの信号線を前記循環タンクおよび前記水タンクの壁面から取り出す場所は、前記液体吸出し口を有する錘を取り付けたチューブ、又は、前記気体吸出し口を有する浮遊体を取り付けたチューブを取り出す場所と異なる場所とすることを特徴とする請求項10に記載の燃料電池ユニット。
- 前記燃料はメタノールの水溶液であり、前記循環タンクに補給する液体燃料は前記メタノールの水溶液に比べて高濃度のアルコールの水溶液、或いはアルコールであることを特徴とする請求項1乃至15の何れか一項に記載の燃料電池ユニット。
- 特許請求項1乃至16の何れか一項に記載の燃料電池ユニットを有することを特徴とする電子機器。
- 特許請求項1乃至16の何れか一項に記載の燃料電池ユニットを有することを特徴とする画像形成装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007024665A JP2008192430A (ja) | 2007-02-02 | 2007-02-02 | 燃料電池ユニット、電子機器及び画像形成装置 |
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012128024A1 (ja) * | 2011-03-23 | 2012-09-27 | パナソニックEsパワーツール株式会社 | 発電装置 |
GB2531510A (en) * | 2014-10-15 | 2016-04-27 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell and battery |
Citations (2)
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---|---|---|---|---|
JP2005293894A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Nec Corp | 燃料電池用燃料容器、それを用いた携帯電気機器用燃料電池、および携帯電気機器 |
JP2006286321A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Ricoh Co Ltd | 燃料電池システムならびにそのような燃料電池システムを備える電子機器および画像形成装置 |
-
2007
- 2007-02-02 JP JP2007024665A patent/JP2008192430A/ja active Pending
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