JP2008234966A - 燃料電池装置、燃料の残量取得方法および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料の残量をより高精度に知得することが可能な燃料電池装置を提供する。
【解決手段】制御部２９が、燃料容器３１内に内蔵する液体燃料の残量Ａを逐次算出する。また、その算出値を、燃料タンク３内に設けた記憶素子３２に逐次書き込む。燃料電池装置２の経時的変化等も考慮しつつ、液体燃料の残量が算出される。また、算出した液体燃料の残量Ａおよび発電可能電力量Ｐtotalを、例えば表示部やスピーカなどによってユーザに告知する。それらの残量情報をユーザが確実に把握することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素と酸素との反応により発電を行う燃料電池装置、燃料の残量取得方法および電子機器に関する。

近年、石油等の化石燃料に代わりうる代替クリーンエネルギー源の必要性が高まっており、例えば水素（ガス）燃料が注目されている。水素は、単位質量当たりに含まれる化学エネルギー量が大きく、また使用に際して有害物質あるいは地球温暖化ガスなどを放出しない等の理由から、クリーンでかつ無尽蔵な理想エネルギー源であると言える。

このような水素を利用したエネルギー変換方式として、燃料電池が挙げられる。燃料電池は、水素と酸素とを化学反応させ、水を生成すると共に電流を取り出すものであり、燃料である水素の供給方式や反応機構によって直接水素固体高分子型、直接メタノール型、燃料改質型、リン酸型、溶融固体高分子型、固体酸化物型などに分類される。

そのうち、近年では、メタノールを直接酸化する直接メタノール型燃料電池に関する研究開発が精力的に検討されるようになっている。燃料の取扱い性と高エネルギー密度化との両立が比較的容易だからである。

このような直接メタノール型燃料電池では、電池本体と着脱自在なカートリッジ型の燃料タンクによって、メタノールからなる液体燃料が発電部の燃料極（アノード極、正極）へ供給されるようになっている。したがって、このカートリッジ型の燃料タンクに残存するメタノールまたはメタノール水溶液の量（メタノールまたはメタノール水溶液の残量）を知得することは、その燃料タンクによって発電可能な電力量や燃料タンクの交換時期等を把握するうえで重要である。

そこで例えば特許文献１では、燃料タンクに不揮発性のメモリを設けると共に、そのメモリにメタノールまたはメタノール水溶液の残量等の情報を記憶させるようにした燃料電池装置が提案されている。

特開２００４−７１２６２号公報

しかしながら、上記特許文献１にはメタノールまたはメタノール水溶液の残量等の情報の具体的な取得方法については何ら開示されておらず、実現性に乏しいものである。また、燃料電池装置の経時的変化等について考慮されていないため、残量等の情報を高精度に知得するのが困難であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、液体燃料の残量をより高精度に知得することが可能な燃料電池装置、燃料の残量取得方法および電子機器を提供することにある。

本発明の燃料電池装置は、発電部および制御手段を有する電池本体と、この電池本体に対して着脱自在であり、発電部へ供給するための液体燃料を内蔵すると共にこの液体燃料の残量情報を記憶する記憶部を有する燃料タンクとを備え、上記制御手段が、液体燃料の残量を逐次算出すると共に算出値を残量情報として記憶部へ逐次書き込むようにしたものである。

本発明の燃料の残量取得方法は、発電部を含む電池本体と、この電池本体に対して着脱自在であり、発電部へ供給するための液体燃料を内蔵すると共に記憶部を有する燃料タンクとを備えた燃料電池装置に対する制御方法であって、上記液体燃料の残量を逐次算出し、算出値を液体燃料の残量情報として記憶部に逐次書き込むようにしたものである。

本発明の電子機器は、燃料電池装置と、この燃料電池装置を電源とする電子機器本体と を備え、上記燃料電池装置が、発電部および制御手段を有する電池本体と、この電池本体に対して着脱自在であり、発電部へ供給するための液体燃料を内蔵すると共にこの液体燃料の残量情報を記憶する記憶部を有する燃料タンクとを有し、上記制御手段が、液体燃料の残量を逐次算出すると共に算出値を残量情報として記憶部へ逐次書き込むようにしたものである。

本発明の燃料電池装置、燃料の残量取得方法および電子機器では、液体燃料の残量が逐次算出され、その算出値が、液体燃料の残量情報として記憶部に逐次書き込まれる。

本発明の燃料電池装置、燃料の残量取得方法または電子機器によれば、液体燃料の残量を逐次算出すると共に、その算出値を液体燃料の残量情報として記憶部に逐次書き込むようにしたので、燃料電池装置の経時的変化等も考慮することができ、液体燃料の残量をより高精度に知得することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池装置（燃料電池装置１）を含む電子機器の全体構成を表すものである。この電子機器は、例えば携帯電話、電子写真機、電子手帳およびＰＤＡ（Personal Digital Assistants）等の携帯型のものであり、燃料電池装置１を電源として動作するようになっている。なお、本発明の一実施の形態に係る燃料の残量取得方法は、本実施の形態に係る燃料電池装置および電子機器によって具現化されるので、以下、併せて説明する。

この電子機器は、燃料電池装置１と電子機器本体４とから構成され、燃料電池装置１は、電池本体２と、この電池本体１へ供給する燃料を内蔵する燃料タンク３とから構成されている。

燃料タンク３は、液体燃料（例えば、メタノールまたはメタノール水溶液）を内蔵する燃料容器３１と、書き換え可能な記憶素子（例えば、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）など）からなる記憶素子３２とを有するカートリッジ型のものである。また、この燃料タンク３は電池本体２と着脱自在となっており、電池本体２に装着された場合、燃料容器３１は後述する燃料供給ポンプ２２を介して発電部２１と接続され、記憶素子３２は後述する制御部２９と接続されるようになっている。また、記憶素子３２には、詳細は後述するが、液体燃料の燃料量（残量）Ａおよび液体燃料における燃料（例えば、メタノールまたはメタノール水溶液）の濃度αが逐次記憶されるようになっている。

電池本体２は、発電部２１と、燃料供給ポンプ２２と、空気供給ポンプ２３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４と、二次電池２５と、電圧検出部２６，２７と、電流検出部２８と、制御部２９と、切替部ＳＷ１，ＳＷ２とから構成されている。

発電部２１は、水素と酸素との反応により発電を行う直接メタノール型のものであり、電解質膜２１Ｄを介して対向配置されたアノード電極（燃料電極、負極）２１Ａと、カソード電極（酸素電極、正極）２１Ｋとを有している。なお、電解質膜２１Ｄは、例えばプロトン伝導体により構成されている。

燃料供給ポンプ２２は、燃料容器３１内の液体燃料を吸引すると共に１回の動作当り所定の供給量によって、発電部２１内のアノード極２１Ａへ供給するものである。また、空気供給ポンプ２３は、空気（酸素）を発電部２１内のカソード極２Ｋへ供給するものである。なお、燃料供給ポンプ２２の動作は、制御部２９によって制御されるようになっている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、発電部２１での発電に基づく直流電圧Ｖ１を電圧変換して直流電圧Ｖ２を生成する電圧変換部である。

二次電池２５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力される直流電圧Ｖ２に基づいて蓄電を行うものであり、例えばリチウムイオン二次電池などにより構成されている。

切替部ＳＷ１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力される直流電圧Ｖ２を二次電池２５へ供給するのか、電子機器本体４へ供給するのかを切り替えるものであり、制御部２９によって動作制御がなされるようになっている。

電圧検出部２６，２７は、それぞれ上記直流電圧Ｖ１，Ｖ２を検出してその検出値を制御部２９へ出力するものである。また、電流検出部２８は、電子機器４とアノード極２１Ａとの間に配置され、この部分を流れる電流Ｉ２（発電部２１からの放電電流）を検出してその検出値を制御部２９へ出力するものである。なお、この電流検出部２８は、例えば抵抗器を含んで構成される。

制御部２９は、上記のように切替部ＳＷ１，ＳＷ２の切替動作および燃料供給ポンプ２２の供給動作をそれぞれ制御すると共に、電圧検出部２６および電流検出部２８によって検出された検出電圧Ｖ１および検出電流Ｉ２をそれぞれ取得するものである。また、この制御部２９は、詳細は後述するが、燃料供給ポンプ２２による単位動作当りの液体燃料供給量Ｌ、燃料供給ポンプ２２の所定期間内の動作回数Ｎおよび液体燃料の単位量当りの発電量ＰΔを記憶するようになっており、取得した検出電圧Ｖ１および検出電流Ｉ２燃料供給ポンプ２２による単位動作当りの液体燃料供給量Ｌおよび燃料供給ポンプ２２の所定期間内の動作回数Ｎ、ならびに記憶素子３２から読み出した情報（もとの液体燃料の残量Ａ０）に基づいて、燃料容器３１内に残存する液体燃料の量（新たな液体燃料の残量Ａ）を所定の演算式を用いて逐次算出すると共に、算出値を記憶素子３２に逐次書き込むようになっている。

次に、本実施の形態の燃料電池装置１の動作について説明する。

まず、この燃料電池装置１の基本動作について説明する。

この燃料電池装置１では、電池本体２に燃料タンク３が装着されている場合において、燃料供給ポンプ２２によって燃料容器３１内の液体燃料が発電部２１のアノード極２１Ａへ供給され、空気ポンプ２３によって空気（酸素）がカソード極２１Ｋへ供給される。すると、アノード極２１Ａにおいて、反応により水素イオンと電子とが生成される。水素イオンは電解質膜２１Ｄを通ってカソード電極２１Ｋに移動し、電子および酸素と反応して水が生成されると共に、二酸化炭素が副生成される。このようにしてアノード極２１Ａにおいて生成された電子が電子機器本体４を介してカソード極２１Ｋへ達することにより、図１に示した向きの放電電流Ｉ１（＝検出電流Ｉ２）がカソード極２１Ｋ側からアノード極２１Ａ側へ流れる。

この放電電流Ｉ１に基づく直流電圧Ｖ１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４によって電圧変換され、直流電圧Ｖ２となる。直流電圧Ｖ２は、切替部ＳＷ１の切替動作により、二次電池２５または電子機器本体４へ供給される。そして二次電池２５へ直流電圧Ｖ２が供給された場合、この電圧に基づいて二次電池２５に蓄電がなされる一方、電子機器本体４へ直流電圧Ｖ２が供給された場合、電子機器本体４が駆動され、所定の動作がなされる。なお、燃料タンク３が電池本体２からはずされた場合、発電部２１での発電動作が停止するようになっている。

次に、本発明の特徴的部分である、液体燃料の残量に関する情報の取得動作および記憶動作について詳細に説明する。

まず、本実施の形態の燃料電池装置１では、電圧検出部２６，２７および電流検出部２８によって、直流電圧Ｖ１，Ｖ２および放電電流Ｉ２が随時検出され、それぞれの検出値が制御部２９へ出力される。

制御部２９では、取得した検出電圧Ｖ１および検出電流Ｉ２、制御部２９に記憶されている燃料供給ポンプ２２による単位動作当りの液体燃料供給量Ｌおよび燃料供給ポンプ２２の所定期間内の動作回数Ｎに基づいて、以下の（１）式により、液体燃料の単位量当りの発電量ＰΔが逐次算出される。この液体燃料の単位量当りの発電量ＰΔは、発電部２１における燃料の利用効率を表す指標であり、経時的に変化するものであるからである。なお、式中のＰｔは、所定期間Δｔにおける発電量を表している。
ＰΔ＝（Ｐｔ／（Ｌ×Ｎ））＝（（Ｉ２×Ｖ１×Δｔ）／（Ｌ×Ｎ）） …（１）

ここで、制御部２９では、上記（１）式により算出されたＰΔと、自身に記憶されているＰΔとの間に所定値以上の差異があった場合、算出されたＰΔが、新たな液体燃料の単位量当りの発電量ＰΔとして記憶される。また、所定値以上の差異があった旨が、例えば電子機器本体４に設けられた図示しない表示部（例えば、ＬＣＤ（Liquid crystal Display）など）や図示しないスピーカなどを用いて音によって、ユーザに告知される。

次に、制御部２９では、上記（１）式により算出された所定期間Δｔにおける発電量Ｐｔおよび液体燃料の単位量当りの発電量ＰΔ、または制御部２９に記憶されている燃料供給ポンプ２２による単位動作当りの液体燃料供給量Ｌおよび燃料供給ポンプ２２の所定期間内の動作回数Ｎに基づいて、以下の（２）式または（３）式により、燃料容器３１内に残存する液体燃料の量（新たな液体燃料の残量Ａ）が算出される。なお、式中のＡ０を、もとの液体燃料の残量を表している。
Ａ＝Ａ０−（Ｐｔ／ＰΔ）＝Ａ０−（（Ｉ２×Ｖ１×Δｔ）／ＰΔ） …（２）
Ａ＝Ａ０−（Ｌ×Ｎ） …（３）

ここで、上記（２）式または（３）式により算出された新たな液体燃料の残量Ａは、制御部２９によって、燃料タンク３内の記憶素子３２に逐次書き込まれ、値が更新される。したがって、現在装着されている燃料タンクが一旦はずされて再装着された場合であっても、記憶素子３２に記憶されている残量Ａを制御部２９が読み取ることにより、その燃料タンクにおける液体燃料の残量が確実に知得され、例えば電子機器本体４に設けられた図示しない表示部や図示しないスピーカなどを用いて音によって、ユーザに告知され、把握される。

次に、制御部２９では、上記（１）式により算出された液体燃料の単位量当りの発電量ＰΔ、上記（２）式または（３）式により算出された新たな液体燃料の残量Ａ、および記憶素子３２から読み取られた液体燃料における燃料の濃度αに基づいて、以下の（４）式により、現在装着されている燃料ポンプによって発電可能な電力量（発電可能電力量Ｐtotal）が算出される。
Ｐtotal＝ＰΔ×（Ａ×α） …（４）

ここで、上記（４）式により算出された発電可能電力量Ｐtotalは、制御部２９によって、例えば電子機器本体４に設けられた図示しない表示部や図示しないスピーカなどによって、ユーザに告知され、把握される。

このようにして、制御部２９によって、液体燃料の残量に関する情報（液体燃料の単位量当りの発電量ＰΔ、新たな液体燃料の残量Ａおよび発電可能電力量Ｐtotal）が逐次算出されて取得されると共に、制御部２９または記憶素子３２に記憶され、ユーザに告知される。

以上のように、本実施の形態では、燃料容器３１内に内蔵する液体燃料の残量Ａを逐次算出すると共に、その算出値を燃料タンク３内に設けた記憶素子３２に逐次書き込むようにしたので、燃料電池装置２の経時的変化等も考慮することができ、液体燃料の残量をより高精度に知得することが可能となる。

また、算出した液体燃料の残量Ａおよび発電可能電力量Ｐtotalを、例えば表示部やスピーカなどによってユーザに告知するようにしたので、それらの残量情報をユーザが確実に把握することが可能となる。

また、制御部２９によって算出されたＰΔと、制御部２９に記憶されているＰΔとの間に所定値以上の差異があった場合にも、所定値以上の差異があった旨を、例えば表示部やスピーカなどによってユーザに告知するようにしたので、燃料電池装置２の経時的変化等によって液体燃料の単位量当りの発電量ＰΔが変化したことを、ユーザが確実に把握することが可能となる。

さらに、燃料タンク３内の記憶素子３２に記憶される残量情報としては、液体燃料の残量Ａおよび液体燃料における燃料の濃度αだけであるので、多種類の情報が記憶されている場合と比べ、記憶素子３２および燃料タンク３自体を小型化することができ、低コスト化を図ることも可能となる。特に、この記憶素子３２をＥＥＰＲＯＭにより構成した場合には、チップ面積が大型化する傾向にあるので、その効果が大きい。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、（１）式により算出されたＰΔと制御部２９に記憶されているＰΔとの間に所定値以上の差異があったときに、算出されたＰΔを新たな液体燃料の単位量当りの発電量ＰΔとして制御部２９に記憶する場合について説明したが、この算出されたＰΔを記憶素子３２にも記憶するようにしてもよい。このように構成した場合、例えば現在装着されている燃料タンクが一旦はずされて再装着されたような場合であっても、記憶素子３２に記憶されているＰΔを制御部２９が読み取って上記（４）式を用いることにより、その燃料タンクの発電可能電力量Ｐtotalを確実に知得し、ユーザに告知することも可能となる。

また、上記実施の形態では、燃料電池装置１の構成を具体的にあげて説明したが、装置構成はこれには限られず、他の構成としてもよい。

本発明の一実施の形態に係る電子機器の全体構成を表すブロック図である。

符号の説明

１…燃料電池装置、２…電池本体、２１…発電部、２１Ａ…アノード極（負極、燃料極）、２１Ｋ…カソード極（正極、空気極）、２２…燃料供給ポンプ、２３…空気供給ポンプ、２４…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２５…二次電池、２６，２７…電圧検出部、２８…電流検出部、２９…制御部、３…燃料タンク、３１…燃料容器、３２…記憶素子、４…電子機器本体、ＳＷ１，ＳＷ２…切替部、Ｖ１，Ｖ２…検出電圧、Ｉ１…発電電流、Ｉ２…検出電流。

Claims (7)

1. 発電部および制御手段を有する電池本体と、
   前記電池本体に対して着脱自在であり、前記発電部へ供給するための液体燃料を内蔵すると共にこの液体燃料の残量情報を記憶する記憶部を有する燃料タンクと
   を備え、
   前記制御手段は、前記液体燃料の残量を逐次算出すると共に算出値を前記残量情報として前記記憶部へ逐次書き込む
   ことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記電池本体は、前記液体燃料を前記発電部へ供給するポンプ部を有し、
   前記制御手段は、前記ポンプ部による単位動作当りの液体燃料供給量とこのポンプ部の動作回数とに基づいて、前記液体燃料の残量を逐次算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記制御手段は、前記発電部による所定期間内の発電電力量と前記液体燃料の単位量当りの発電量とに基づいて、前記液体燃料の残量を逐次算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
4. 前記制御手段は、前記記憶部に記憶されている残量情報を読み出す機能を有し、
   前記制御手段により読み出された残量情報を告知する告知手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
5. 前記告知手段は、前記記憶部に記憶されている残量情報と前記制御手段による残量の算出値とに差異が生じた場合、差異が生じた旨を告知する
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 発電部を含む電池本体と、この電池本体に対して着脱自在であり、前記発電部へ供給するための液体燃料を内蔵すると共に記憶部を有する燃料タンクとを備えた燃料電池装置に適用される液体燃料の残量を取得する方法であって、
   前記液体燃料の残量を逐次算出し、
   算出値を前記液体燃料の残量情報として、前記記憶部に逐次書き込む
   ことを特徴とする燃料の残量取得方法。
7. 燃料電池装置と、
   前記燃料電池装置を電源とする電子機器本体と
   を備え、
   前記燃料電池装置は、
   発電部および制御手段を有する電池本体と、
   前記電池本体に対して着脱自在であり、前記発電部へ供給するための液体燃料を内蔵すると共にこの液体燃料の残量情報を記憶する記憶部を有する燃料タンクと
   を有し、
   前記制御手段は、前記液体燃料の残量を逐次算出すると共に算出値を前記残量情報として前記記憶部へ逐次書き込む
   ことを特徴とする電子機器。

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