JP2008243398A - Fuel cell system, electronic device, and image forming device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池システム、電子機器及び画像形成装置に関し、詳細には複写機やプリンタ等の電源部、特に燃料電池を使用した電源部の燃料電池出力電圧の低下を防止するための制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, an electronic apparatus, and an image forming apparatus, and more particularly to a control method for preventing a decrease in fuel cell output voltage of a power supply unit such as a copying machine or a printer, particularly a power supply unit using a fuel cell. .
近年、電子技術の進歩によって、携帯電話、ノートPC、ミニPC(=ポケットPC)、携帯オーディオ機器、PDAなどの携帯電子機器の普及が急激に進んでいる。これらの携帯電子機器は二次電池を電源として稼動するシステムが多数を占めており、これらのシステムはユーザの利便性の観点から高機能化が加速している。市場ではこれらのシステムが高機能化するにつれ、システムの消費電力は増大する傾向にある。更には、携帯電子機器においても長時間にわたる使用が要求されているため、電源である二次電池の大容量化も進んでいる。このような状況の中で注目されているのが燃料電池である。 In recent years, with the advancement of electronic technology, portable electronic devices such as mobile phones, notebook PCs, mini PCs (= pocket PCs), portable audio devices, and PDAs are rapidly spreading. These portable electronic devices occupy a large number of systems that operate using a secondary battery as a power source, and these systems are accelerating their functions from the viewpoint of user convenience. As these systems become more sophisticated in the market, the power consumption of the system tends to increase. Furthermore, since the portable electronic device is required to be used for a long time, the capacity of the secondary battery as a power source is increasing. In such a situation, the fuel cell is attracting attention.
この燃料電池は、液体を燃料とする燃料電池セルがアノードとカソードが高分子電解質をはさんだ構造を有しており、アノードに燃料を供給し、かつカソードに空気を供給することで発電するものである。この燃料電池において、燃料の濃度を高めすぎると、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。このため希釈されたメタノールの濃度は数%程度にする必要がある。数%の希釈されたメタノールを発電している間、燃料電池セルに供給し続ける必要がある。しかし、これでは燃料容器が非常に大きくなってしまう。そこで、特許文献1に記載されているように、燃料容器には高濃度(例えば100%)の燃料を入れておき、中間容器を設け、この中間容器で濃度が数%になるように薄めてから燃料電池セルに供給している。この中間容器からは数%に希釈された燃料が発電中はポンプで燃料電池セルに循環させる。更には、特許文献1のように、中間容器には図示しない燃料濃度センサで燃料濃度を監視し、図示しない制御部は予め設定しておいた値より、濃度が高い時はポンプで水を補給し、逆に濃度が低い時はポンプで燃料を補給して、常に濃度が一定になるように制御する。
しかし、燃料を補給し濃度が上昇しても、燃料濃度センサの応答遅れがあるため、燃料濃度のオーバーシュートやアンダーシュートが発生する。また、安価で小型のアルコールセンサが無いため、セルスタック温度と出力可能な電力との間に密接な関係にあることに着目し、温度が低い時はポンプで燃料を補給して、常に温度が一定になるように制御することでアルコールセンサを使わないでも出力可能な電力を平均的には一定に制御することができるが、燃料を補給してから温度が上昇するには時間遅れがあるため、やはり燃料濃度のオーバーシュートやアンダーシュートが発生する。このため、出力電力は燃料濃度のオーバーシュートやアンダーシュー時に変動する。また、化学反応で発電するため、運転中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り、また一般的に負荷となる電子機器が必要とする電力は一定ではなく、例えばモータが起動する時には大きな電力を必要とする。 However, even if the fuel concentration is increased by replenishing the fuel, there is a response delay of the fuel concentration sensor, so that overshoot or undershoot of the fuel concentration occurs. Also, since there is no cheap and small alcohol sensor, pay attention to the close relationship between the cell stack temperature and the power that can be output. By controlling it to be constant, the power that can be output without using an alcohol sensor can be controlled to be constant on average, but there is a time delay for the temperature to rise after refueling. After all, overshoot and undershoot of fuel concentration occur. For this reason, the output power fluctuates during overshoot or undershoot of the fuel concentration. In addition, because power is generated by a chemical reaction, the output power is large when the temperature during operation is high, the output power is small when the temperature is low, and the power required by the electronic equipment that is generally a load is not constant. For example, when the motor is started, a large amount of electric power is required.
本発明は、燃料電池セルスタックの発電電力が少ない時に負荷となる電子機器が必要とする電力が大きい時に燃料電池セルスタックの出力電圧が低下して燃料電池セルスタックが損傷を受けるという問題を解決し、かつ負荷となる電子機器には必要な電力を安定に供給できる、燃料電池システム、電子機器及び画像形成装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the problem that the output voltage of the fuel cell stack decreases and the fuel cell stack is damaged when the electric power required by the electronic device as a load is large when the generated power of the fuel cell stack is low In addition, an object of the present invention is to provide a fuel cell system, an electronic device, and an image forming apparatus that can stably supply necessary power to an electronic device as a load.
前記問題点を解決するために、本発明の燃料電池システムは、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低濃度の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又は当該単セルを二つ以上積層されたセルスタックを有する燃料電池ユニットと、該燃料電池セルスタックに並列に接続されて負荷装置に電力を供給する蓄電器と、燃料電池セルスタックの出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、その検出結果に基づいて出力電圧低下防止制御を行う制御部とを有している。そして、本発明の燃料電池システムにおいて、出力電圧検出手段によって検出された燃料電池セルスタックの出力電圧が予め定めた電圧より高い場合は、燃料電池セルスタックの出力電圧をそのまま負荷装置に供給し、低い場合は予め定めた電圧を維持するよう燃料電池セルスタックから取り出す電力を制御する。よって、燃料電池セルスタックの発電電力が少ない時に負荷となる電子機器が必要とする電力が大きい時に燃料電池セルスタックの出力電圧が低下して燃料電池セルスタックが損傷を受けるのを防止することができる。 In order to solve the above problems, the fuel cell system of the present invention has an ion conductive solid polymer electrolyte membrane sandwiched between two electrodes, a negative electrode and a positive electrode, and a low concentration liquid from a circulation tank is provided on the negative electrode. A fuel cell unit having a single cell in which fuel is circulated and an oxidant gas is supplied to the positive electrode or a cell stack in which two or more such single cells are stacked, and a load device connected in parallel to the fuel cell stack A storage battery for supplying power to the battery, output voltage detection means for detecting the output voltage of the fuel cell stack, and a control unit for performing output voltage drop prevention control based on the detection result. In the fuel cell system of the present invention, when the output voltage of the fuel cell stack detected by the output voltage detection means is higher than a predetermined voltage, the output voltage of the fuel cell stack is supplied to the load device as it is, When it is low, the electric power taken out from the fuel cell stack is controlled so as to maintain a predetermined voltage. Therefore, it is possible to prevent the fuel cell stack from being damaged due to a decrease in the output voltage of the fuel cell stack when the electric power required by the electronic device as a load is large when the generated power of the fuel cell stack is small. it can.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、図2を用いて説明する。燃料電池セルスタックに並列に接続されて燃料電池セルスタックの出力電圧を抵抗分圧する抵抗分圧手段と、抵抗分圧手段による抵抗分圧後の電圧に応じてセルスタックから取り出す電流を調整制御する回路からなる出力電圧低下防止制御手段を設けている。出力電圧低下防止制御は以下のように行われる。出力電圧検出手段によって検出された燃料電池セルスタックの出力電圧が予め定めた電圧より負荷の増大により低下しようとすると、出力電圧低下防止制御手段は燃料電池セルスタックから取り出す電力を制限する方向に動作することで出力電圧低下を妨げて、予め定めた電圧を維持する。よって、燃料電池セルスタックの発電電力が十分でない時に負荷となる電子機器が必要とする電力が大きくなっても燃料電池セルスタックの出力電圧が低下して燃料電池セルスタックが損傷を受けることを防止できる。 The fuel cell system of the present invention will be described with reference to FIG. A resistance voltage dividing means connected in parallel to the fuel cell stack to resistively divide the output voltage of the fuel cell stack, and a current extracted from the cell stack according to the voltage after resistance division by the resistance voltage dividing means is controlled. An output voltage drop prevention control means comprising a circuit is provided. The output voltage drop prevention control is performed as follows. When the output voltage of the fuel cell stack detected by the output voltage detection means is about to fall below a predetermined voltage due to an increase in load, the output voltage drop prevention control means operates in a direction to limit the power taken out from the fuel cell stack. This prevents the output voltage from being lowered and maintains a predetermined voltage. Therefore, the output voltage of the fuel cell stack is prevented from being lowered and damaging the fuel cell stack even if the power required by the electronic equipment as a load increases when the power generated by the fuel cell stack is insufficient it can.
更に、出力電圧低下防止制御手段はアナログ制御又はデジタル制御であることが好ましい。 Furthermore, the output voltage drop prevention control means is preferably analog control or digital control.
また、燃料電池セルスタックの出力電圧を維持するモードに応じて出力電圧低下防止制御手段をアナログ制御又はデジタル制御に切り替えることが好ましい。 Further, it is preferable to switch the output voltage drop prevention control means to analog control or digital control in accordance with the mode for maintaining the output voltage of the fuel cell stack.
更に、燃料電池セルスタックの温度を検出する温度センサを設け、温度センサによって検出した燃料電池セルスタックの温度が所定の温度より低い時は、出力電圧低下防止制御手段をアナログ制御とし、高い時はデジタル制御とする。よって、燃料電池セルスタックの温度が低くなったときの燃料電池セルスタックの出力電圧低下による燃料電池セルスタックの損傷を防止することができる。 Further, a temperature sensor for detecting the temperature of the fuel cell stack is provided, and when the temperature of the fuel cell stack detected by the temperature sensor is lower than a predetermined temperature, the output voltage drop prevention control means is analog control, and when it is higher Digital control. Accordingly, it is possible to prevent damage to the fuel cell stack due to a decrease in the output voltage of the fuel cell stack when the temperature of the fuel cell stack becomes low.
また、出力電圧低下防止制御手段を構成する制御素子の温度を検出する温度センサを設け、温度センサによって検出した制御素子の温度が所定の温度より低い時は、出力電圧低下防止制御手段をアナログ制御とし、高い時はデジタル制御とすることにより、制御素子の破壊を防止でき、電子機器には必要な電力を安定に供給できる。 Also, a temperature sensor that detects the temperature of the control element that constitutes the output voltage drop prevention control means is provided, and when the temperature of the control element detected by the temperature sensor is lower than a predetermined temperature, the output voltage drop prevention control means is controlled by analog control. When it is high, digital control can be used to prevent destruction of the control element, and the necessary power can be stably supplied to the electronic device.
更に、燃料電池セルスタックの出力電圧が予め定めた電圧より低い状態が一定時間以上継続した時は異常状態として燃料電池セルスタック及び蓄電器を負荷装置から切り離す接続手段を設け、異常状態のときは接続手段によって燃料電池セルスタック及び蓄電器を負荷装置から切り離すことにより、燃料電池セルスタック及び蓄電器の損傷を防止し、かつ無駄な燃料を消費しないようにできる。 Furthermore, when the state where the output voltage of the fuel cell stack is lower than a predetermined voltage continues for a certain time or longer, a connection means for disconnecting the fuel cell stack and the capacitor from the load device is provided as an abnormal state, and when the abnormal state is reached By detaching the fuel cell stack and the capacitor from the load device by means, it is possible to prevent the fuel cell stack and the capacitor from being damaged, and to avoid wasting unnecessary fuel.
また、別の発明としての電子機器は、上記燃料電池システムを有することに特徴がある。よって、安定電力供給によって安定した駆動の実現可能な電子機器を提供できる。 Another electronic device according to another invention is characterized by having the fuel cell system. Therefore, it is possible to provide an electronic device capable of realizing stable driving by supplying stable power.
更に、別の発明としての画像形成装置は、上記燃料電池システムを有することに特徴がある。よって、安定電力供給によって安定した画像形成動作を実現でき、信頼性の高い画像形成装置を提供できる。 Furthermore, an image forming apparatus as another invention is characterized by having the fuel cell system. Therefore, a stable image forming operation can be realized by supplying stable power, and a highly reliable image forming apparatus can be provided.
本発明の燃料電池システムによれば、出力電圧検出手段によって検出された燃料電池セルスタックの出力電圧が予め定めた電圧より高い場合は、燃料電池セルスタックの出力電圧を負荷装置に供給し、低い場合は予め定めた電圧を維持するように負荷装置への電力供給を制御する。よって、燃料電池セルスタックの発電電力が少ない時に負荷となる電子機器が必要とする電力が大きくなっても燃料電池セルスタックの出力電圧が低下して燃料電池セルスタックが損傷を受けるのを防止することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, when the output voltage of the fuel cell stack detected by the output voltage detection means is higher than a predetermined voltage, the output voltage of the fuel cell stack is supplied to the load device and is low. In this case, power supply to the load device is controlled so as to maintain a predetermined voltage. Therefore, the output voltage of the fuel cell stack is reduced to prevent the fuel cell stack from being damaged even if the electric power required by the electronic device as a load increases when the generated power of the fuel cell stack is low. be able to.
本発明の燃料電池システムでは、一例としてアクティブ方式の直接メタノール型燃料電池(DMFC)を使い説明するが、エタノールやプロパノール等の液体を燃料とした燃料電池であっても良い。また、アクティブ方式の直接メタノール型燃料電池(DMFC)に限定するものではなく、パッシブ方式の直接メタノール型燃料電池(DMFC)であっても良い。 In the fuel cell system of the present invention, an active direct methanol fuel cell (DMFC) will be described as an example. However, a fuel cell using a liquid such as ethanol or propanol as a fuel may be used. Further, the present invention is not limited to an active direct methanol fuel cell (DMFC), and may be a passive direct methanol fuel cell (DMFC).
図1は本発明の燃料電池システムにおける燃料電池ユニットの構成を示すブロック図である。同図に示す燃料電池ユニット100は、高濃度のメタノールが収容される燃料タンク101と、燃料ポンプ102と、循環タンク103と、燃料供給路104と、循環タンク103で希釈されたメタノールをセルスタック105のアノード106側に圧送する循環ポンプ107と、セルスタック105の電解質膜108及びカソード109と、ブロワ110と、排出路111と、凝縮器112と、凝縮器112に風を送り込むファン113と、水タンク114と、水ポンプ115と、セルスタック105の温度を検出する温度センサ116と、循環タンク103内の希薄されたメタノール量をモニタするための水位センサ117と、全体制御を行う制御部118とを含んで構成されている。なお、セルスタック105が単セルとしているが、単セルでは出力電圧が1vにも満たないので、実際は複数のセルを直列に接続したセルスタックとして使用している。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a fuel cell unit in the fuel cell system of the present invention. The
そして、セルスタック105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)106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)109との間に電解質膜108を挟み込んで構成され、更にはアノード106の外側には燃料を流すための溝を設けた導電性のセパレータとカソード109の外側には空気を流すための溝を設けた導電性のセパレータを有している。また、燃料タンク101にはメタノールが収容され、この燃料タンク101内のメタノールは燃料タンク101に接続した燃料ポンプ102によって循環タンク103に送出される。循環タンク103では、燃料タンク101から燃料ポンプ102によって送出されたメタノールとセルスタック105から回収された水とを混合する。そして、この循環タンク103内のメタノール水溶液をセルスタック105のアノード106に供給するために、循環タンク103とアノード106とを接続した燃料供給路104には循環ポンプ107が配置されている。
The
このような構成を有する燃料電池ユニット100において、燃料であるメタノールと空気とが送り込まれたセルスタック105では、アノード106とカソード109との間に電力が生じるとともに、アノード106側には二酸化炭素が発生し、カソード109側には水が発生する。アノード106側で発生した二酸化炭素とカソード109側で発生した水とは循環タンク103に戻される。また、循環タンク103に戻された、カソード109側で発生した水は、燃料電池内部温度が高いため、一部は水蒸気になっているが、凝集器112を通過する際、凝縮器112においてファン113で送風されて冷やされて大半が水と空気に分離されて水タンク114に戻される。一方、凝集器112で水にならなかった一部の水蒸気は、二酸化炭素とともに循環タンク103から排出され、水タンク114を経由して排水される。このように、循環ポンプ107によってセルスタック105のアノード106に対してメタノール水溶液が供給され、またブロワ110によってカソード109に対して空気が供給されることでセルスタック105において発電が行われる。
In the
また、循環タンク103には水位センサ117で希釈されたメタノール量を監視し、循環タンク103内の希釈されたメタノール量が少なくなると、水ポンプ115が動作して、水を水タンク114から循環タンク103に供給する。更に、燃料濃度センサ(図示せず)で燃料濃度を監視し、制御部118は予め設定しておいた値より、濃度が高い時は水ポンプ115で水を補給し、逆に濃度が低い時は燃料ポンプ102で燃料を補給して、常に濃度が一定になるように制御する。
Further, the amount of methanol diluted in the
更に、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103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(図示せず)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高濃度メタノール水溶液を補給することで、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。
Further, since methanol is consumed by power generation and the concentration of diluted methanol gradually decreases, a methanol concentration sensor (not shown) is provided in the
しかし、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できない。また、燃料電池は化学反応で発電するため、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。補給し濃度が上昇しても、各センサの応答遅れがあるため、燃料濃度のオーバーシュートやアンダーシュートが発生する。また、安価で小型のアルコールセンサが無いため、セルスタック温度と出力可能な電力との間に密接な関係にあることに着目し、温度が低い時は燃料ポンプで燃料を補給して、常に温度が一定になるように制御することでアルコールセンサを使わないでも出力可能な電力を平均的には一定に制御することができるが、燃料を補給してから温度が上昇するには時間遅れがあるため、やはり燃料濃度のオーバーシュートやアンダーシュートが発生する。このため出力電力は燃料濃度のオーバーシュートやアンダーシュー時に変動する。 However, the output power of a fuel cell using liquid as fuel is very poor in response. The electric power required by the electronic device as a load is not constant. For example, even if a large electric power is suddenly required at the moment when the motor starts rotating, the output electric power of the fuel cell cannot follow. Further, since the fuel cell generates power by a chemical reaction, the output power is large when the temperature of the operating fuel cell is high, and the output power is small when the temperature is low. Even if the concentration is increased by replenishment, there is a response delay of each sensor, so that overshoot or undershoot of the fuel concentration occurs. Also, since there is no cheap and small alcohol sensor, pay attention to the close relationship between the cell stack temperature and the power that can be output. By controlling so that is constant, the output power can be controlled to be constant on average without using an alcohol sensor, but there is a time delay for the temperature to rise after refueling. Therefore, fuel concentration overshoot and undershoot also occur. For this reason, the output power fluctuates during overshoot or undershoot of the fuel concentration.
本発明は、以上のように燃料電池セルスタックの発電電力が少ない時に負荷となる電子機器が必要とする電力が大きい時に燃料電池セルスタックの出力電圧が低下して燃料電池セルスタックが損傷を受けるのを防止し、かつ負荷となる電子機器には必要な電力を供給できる燃料電池システムを実現するものである。特に、燃料電池セルスタックは温度が低い時は極端に発電電力が小さいので、この時大きな電力を取り出すと燃料電池セルスタックの出力電圧はすぐ低下してしまう。燃料電池セルスタックを構成する各セルの電圧が成るべく高い状態で運転することが寿命上、望ましいが、それでは電力をあまり取り出せなくなるので両者のバランスを考慮した妥協の電圧となる。また、各セルの電圧にはバラツキがあるため、電力を取り出しすぎると電圧の低いセルはセルの電極に本来の極性とは反対の極性の電圧が印加することになり、破損あるいは著しく寿命を短くしてしまう。これらの課題を解決するための本発明について各実施の形態をもって以下に説明する。 In the present invention, as described above, the output voltage of the fuel cell stack is lowered and the fuel cell stack is damaged when the electric power required by the electronic device as the load is large when the generated power of the fuel cell stack is small. Therefore, a fuel cell system capable of supplying necessary electric power to an electronic device serving as a load is realized. In particular, when the temperature of the fuel cell stack is low, the generated power is extremely small. Therefore, if a large amount of electric power is taken out at this time, the output voltage of the fuel cell stack immediately decreases. It is desirable in terms of life to operate in a state where the voltage of each cell constituting the fuel cell stack is as high as possible. However, since power cannot be taken out so much, it is a compromise voltage considering the balance between the two. In addition, since the voltage of each cell varies, if the power is taken out too much, a cell with a low voltage will be applied with a voltage of the opposite polarity to the cell electrode, causing damage or significantly shortening the service life. Resulting in. The present invention for solving these problems will be described below with each embodiment.
図2は本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。同図に示す本実施の形態の燃料電池システム10は、燃料電池セルスタック11と、燃料電池セルスタック11に並列に接続されて負荷装置200に電力を供給する蓄電器12と、燃料電池セルスタック11の出力電圧を検出して当該出力電圧の低下を防止するための電圧低下防止制御回路13とを主に具備している。そして、燃料電池セルスタック11からの出力電流を以下のような制御を行う電圧低下防止制御回路13を経由して取り出すことで燃料電池セルスタック11の出力電圧が、予め定めた電圧以下に低下しないようにし、燃料電池セルスタックがダメージを受けないようにしている。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention. The
ここで、燃料電池セルスタック11からの出力電流を図1の制御部118を経由して取り出す際に通過する電力を制限する方法について以下に概説すると、この制御方法は大きく2つの方法に分けられる。つまり、それは、アナログ制御方法とデジタル制御方法である。アナログ制御方法は電気的には可変抵抗を経由して取り出すのと同じである。燃料電池セルスタック11の出力電圧が低くなれば抵抗値を大きくし、出力電圧が高くなれば抵抗値を小さくし燃料電池セルスタック11の出力電圧が一定の値より低下しないようにする。この時、抵抗では流れる電流の二乗と抵抗値を掛けた電力が熱として失われる。
Here, an outline of a method for limiting the electric power that passes when the output current from the fuel cell stack 11 is taken out via the
一方、デジタル制御方法は電気的には高速でON/OFFするスイッチを経由して取り出すのと同じである。つまり、燃料電池セルスタック11の出力電圧が低くなればON/OFFの時間の割合をOFFの時間が多くなるようにし、出力電圧が高くなればON/OFFの時間の割合をONの時間が多くなるようにし燃料電池セルスタック11の出力電圧が一定の値より低下しないようにする。この時、理論的にはON/OFF制御の所で電力損失は起きない。 On the other hand, the digital control method is electrically the same as taking out via a switch that is turned ON / OFF at high speed. That is, if the output voltage of the fuel cell stack 11 decreases, the ON / OFF time ratio increases so that the OFF time increases. If the output voltage increases, the ON / OFF time ratio increases. In this way, the output voltage of the fuel cell stack 11 is not lowered below a certain value. At this time, theoretically, no power loss occurs in the ON / OFF control.
次に、アナログ制御方法とデジタル制御方法の共通の動作について以下に説明する。具体的には、燃料電池セルスタック11の出力電圧を測定し、その電圧が予め決めておいた電圧より高い場合は燃料電池セルスタック11の出力電力をそのまま、図1の制御部118や図2の負荷装置200を駆動する電力として供給する。測定した燃料電池セルスタック11の出力電圧が、予め決めておいた電圧より低い場合は燃料電池セルスタック11の出力電圧が、予め決めておいた電圧になるまで、燃料電池セルスタック11の出力電力を図1の制御部118を経由する際に電力を制限して図1の制御部118や図2の負荷装置200を駆動する電力の一部として供給することで、燃料電池セルスタック11の出力電圧が、予め定めた電圧以下に低下しないようにする。図1の制御部118や図2の負荷装置200が必要とする電力の一部しか燃料電池セルスタック11からは供給されないが、蓄電器12、例えばニッケル水素電池やリチュームイオン電池やスーパーキャパシタから不足分の電力が供給されるので制御部118や負荷装置200の動作には何ら問題はない。
Next, operations common to the analog control method and the digital control method will be described below. Specifically, the output voltage of the fuel cell stack 11 is measured. If the voltage is higher than a predetermined voltage, the output power of the fuel cell stack 11 is used as it is, and the
なお、図2のダイオード14は燃料電池セルスタック11の発電電圧が蓄電器の電圧より低い時に、蓄電器12から燃料電池セルスタック11に逆に電流が流れ込んでしまうと燃料電池セルスタック11内での電気分解で水素と酸素を発生するだけでなく燃料電池セルスタック11の特性劣化や破壊が起きるので、それを防止しながら燃料電池セルスタック11から図1の制御部118や図2の負荷装置200に電力を供給し続ける。また、ダイオード15は燃料電池セルスタック11の発電電圧が蓄電器12の電圧より高いい時に、燃料電池セルスタック11から蓄電器12へ充電電流が無制限に流れ続けて蓄電器12が過充電になり蓄電器12が壊れることを防止しながら、燃料電池セルスタック11から図1の制御部118や図2の負荷装置200に電力を供給できない時に蓄電器12から図1の制御部118や図2の負荷装置200に電力を供給し続ける。
Note that the
次に、アナログ制御方法は、図2に示すように、燃料電池セルスタック11の出力電圧は、A点とグランド(GND)の間に挿入した2個の直列抵抗R1とR2で抵抗分圧され、増幅器16の+入力端子に入力する。蓄電器12、例えばニッケル水素電池やリチュームイオン電池はDC−DCコンバータ17の入力に並列に接続してある。DC−DCコンバータ17の出力は図1の制御部118や図2の負荷装置200を駆動する電力を供給する。他に、グランドの間に挿入した2本の直列抵抗R3とR4で分圧され増幅器16の−入力端子に入力する。
Next, in the analog control method, as shown in FIG. 2, the output voltage of the fuel cell stack 11 is divided by two series resistors R1 and R2 inserted between the point A and the ground (GND). , Input to the + input terminal of the amplifier 16. The
なお、具体的な数字を挙げて説明したほうがわかりやすいので、以下数字を使い説明するがこの数字に限定されるものではない。例えば蓄電器12の電圧を11V、ダイオード14,14の順方向電圧降下を0Vとし、DC−DCコンバータ17の出力電圧は5V、直列抵抗R3とR4はそれぞれ2KΩと3KΩにすると増幅器16の−入力端子には3Vが入力する。また、直列抵抗R1とR2はそれぞれ7KΩと3KΩにするとA点の電圧が10Vの時に増幅器16の+入力端子には−入力端子と同じ電圧、3Vが入力することになる。例えば、燃料電池セルスタック11から制御部や負荷装置等へ電力を供給しても、電力に余裕があってA点の電圧が12Vの時は増幅器16の+入力端子には3.6Vが入力する。増幅器16の−入力端子には燃料電池セルスタック11の発電状況にかかわらず、いつでも3Vが入力しているので、増幅器16の出力はHとなり、インバータ18の出力はLになりFET19を完全にONさせるのでDC−DCコンバータ17の入力に直結したのと電気的に同じになり制御部や負荷装置等で必要とする電力を燃料電池セルスタック11が全て供給することになる。この時A点の電圧が12Vで蓄電器12の電圧が11Vなので、図示しない充電回路が接続してある場合は蓄電器12に充電電流は流れ込むが、放電電流は流れない。
In addition, since it is easier to understand by giving a specific number, it will be described below using a number, but is not limited to this number. For example, if the voltage of the
上記のように、運転中、何らかの理由、例えば負荷の一時的なショートやモータ等の起動で大きな電流が瞬間的に流れた場合、あるいは動作温度低下や運転動作の制御ミスでA点の電圧が低下した場合の動作は次のようになる。例えば、A点の電圧が9Vに低下すると、増幅器16の+入力端子には2.7Vが入力する。そして、増幅器16の−入力端子には燃料電池セルスタック11の発電状況にかかわらず、いつでも3Vが入力しているので、増幅器16の出力はLとなり、インバータ18の出力はHになりFET19を完全にOFFさせるので燃料電池セルスタックの出力端子は電気的に他の回路と完全に切り離される。燃料電池セルスタックの出力端子が電気的に切り離されると燃料電池セルスタック11から電流が取り出されなくなるのでA点の電圧は9Vから上昇を始め、増幅器16の+入力端子と−入力端子の電圧が等しくなったところで上昇をやめる。増幅器16の+入力端子が3Vになるのは、抵抗R1とR2がそれぞれ7KΩと3KΩなのでA点の電圧が10Vになった時である。つまり、燃料電池セルスタック11の出力端子が開放状態で10V以上の発電能力さえあれば、負荷装置側がいかに過負荷状態になっても定常的にA点の電圧が10V未満に低下することは無い。この時A点の電圧が10Vで蓄電器12の電圧が11Vなので蓄電器12には図示しない充電回路が接続してあったとしても充電電流は流れないが制御部や負荷装置等で必要とする電力を蓄電器が全て供給することになる。
As described above, during operation, if a large current instantaneously flows due to a temporary short circuit of the load or start-up of the motor, etc., or the voltage at point A is decreased due to a decrease in operating temperature or a control error in driving operation. The operation when the voltage drops is as follows. For example, when the voltage at the point A drops to 9V, 2.7V is input to the + input terminal of the amplifier 16. Since 3V is always input to the negative input terminal of the amplifier 16 regardless of the power generation state of the fuel cell stack 11, the output of the amplifier 16 becomes L, the output of the inverter 18 becomes H, and the
上記制御においてFET19はあたかも、可変抵抗のように燃料電池セルスタック11の出力電圧が低くなれば等価抵抗値を大きくし、出力電圧が高くなれば等価抵抗値を小さくし燃料電池セルスタック11の出力電圧が10V未満に低下しないようにONからOFF、OFFからONとアナログ的に変化するので、その時その時にFET19を流れる電流の二乗とその時その時のFETの等価抵抗値を乗算した電力が熱として失われる。
In the above control, the
図3は本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。同図において、図2と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の燃料電池システム20は、上述したデジタル制御方法によるものである。同図に示すように、燃料電池セルスタック11の出力電圧はA点とグランドの間に挿入した2個の直列抵抗R1とR2で抵抗分圧され、マイコン21のA/D入力端子に入力する。蓄電器12、例えばニッケル水素電池やリチュームイオン電池はDC−DCコンバータ17の入力に並列に接続してある。DC−DCコンバータ17の出力は図1の制御部118や図3の負荷装置200を駆動する電力を供給する。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same components. The fuel cell system 20 of the present embodiment shown in the figure is based on the digital control method described above. As shown in the figure, the output voltage of the fuel cell stack 11 is divided by two series resistors R1 and R2 inserted between the point A and the ground, and is input to the A / D input terminal of the
具体的な数字を挙げて説明したほうが分かりやすいので、以下数字を使い説明するがこの数字に限定されるものではない。例えば蓄電器12の電圧を11V、ダイオード14,15の順方向電圧降下を0Vとし、DC−DCコンバータ17の出力電圧は5Vとする。直列抵抗R1とR2はそれぞれ7KΩと3KΩにするとA点の電圧が10Vの時にマイコン21のA/D入力端子には、3Vが入力することになる。マイコン21は例えば1msec毎にA/D入力端子の電圧をチェックし、その電圧が3.0V以下の時は出力端子をHに、A/D入力端子の電圧が3.1V以上の時は出力端子をLに、A/D入力端子の電圧が3.0Vを超え3.1V未満以上の時は出力端子の状態を維持するようなプログラムが予め組み込まれている。例えば、燃料電池セルスタックから制御部や負荷装置等へ電力を供給しても、電力に余裕があってA点の電圧が12Vの時はマイコン21のA/D入力端子には3.6Vが入力する。マイコン21は1msec毎にA/D入力端子の電圧をチェックし、入力電圧が3.1V以上なので出力端子をLにする。FET19のGがLになりFET19は完全にONするのでDC−DCコンバータ17の入力に直結したのと電気的に同じになり制御部や負荷装置等で必要とする電力を燃料電池セルスタック11が全て供給することになる。この時A点の電圧が12Vで蓄電器12の電圧が11Vなので、図示しない充電回路が接続してある場合は蓄電器12に充電電流は流れ込むが、放電電流は流れない。
Since it is easier to understand by giving specific numbers, explanations are given below using numbers, but are not limited to these numbers. For example, the voltage of the
上記のように運転中、何らかの理由、例えば負荷の一時的なショートやモータ等の起動で大きな電流が瞬間的に流れた場合、あるいは動作温度低下や運転動作の制御ミスでA点の電圧が低下した場合の動作は次のようになる。例えば、A点の電圧が9Vに低下すると、マイコン21のA/D入力端子には2.7Vが入力する。マイコン21は1msec毎にA/D入力端子の電圧をチェックし、入力電圧が3.0V以下なのでマイコン21の出力端子をHにする。FET19のGがHになりFET19は完全にOFFするので燃料電池セルスタック11の出力端子と制御部や負荷装置等が電気的に完全に切り離される。燃料電池セルスタックの出力端子が電気的に切り離されると燃料電池セルスタック11から電流が取り出されなくなるのでA点の電圧は9Vから上昇を始める。常時マイコン21は1msec毎にA/D入力端子の電圧をチェックし、チェックした時にA/D入力端子の電圧3.1V以下ならマイコン21の出力端子の状態は変化させない、つまりHのままなのでFETのGがHになりFETは完全にOFFしたままで、燃料電池セルスタックの出力端子と制御部や負荷装置等が電気的に完全に切り離された状態が維持される。1msec毎にA/D入力端子の電圧をチェックした時にA/D入力端子の電圧が3.1Vを超えるとマイコン21は出力端子をLにする。この時A点の電圧は10.33Vである。FET19のGがLになりFET19は完全にONするので燃料電池セルスタックの出力端子はDC−DCコンバータ17の入力に直結したのと電気的に同じになり、再び制御部や負荷装置等で必要とする電力を燃料電池セルスタック11が全て供給することになる。つまり、燃料電池セルスタック11の出力端子が開放状態で10V以上の発電能力さえあれば、負荷装置側がいかに過負荷状態になっても定常的にA点の電圧が10V未満に低下することは無い。
During operation as described above, if a large current flows instantaneously for some reason, such as a temporary short circuit of the load or startup of a motor, or the voltage at point A decreases due to a decrease in operating temperature or a control error in driving operation. The operation is as follows. For example, when the voltage at point A drops to 9 V, 2.7 V is input to the A / D input terminal of the
この時A点の電圧が10.33Vで蓄電器12の電圧が11Vなので蓄電器12には図示しない充電回路が接続してあったとしても充電電流は流れないが制御回路や負荷装置等で必要とする電力を蓄電器が全て供給することになる。A点の電圧が11Vを超えると蓄電器12の電圧が11Vなので蓄電器12には図示しない充電回路が接続してあれば、充電電流が流れ始め、制御部や負荷装置等で必要とする電力を蓄電器12が全て供給することになる。
At this time, since the voltage at point A is 10.33 V and the voltage of the
なお、このようなデジタル制御方法においてFET19は電気的には高速で動作するスイッチ同じである。燃料電池セルスタック11の出力電圧が低くなればON/OFFの時間の割合をOFFの時間が多くなるようにし、出力電圧が高くなればON/OFFの時間の割合をONの時間が多くなるようにし燃料電池セルスタック11の出力電圧が10V未満に低下しないように制御する。この時、ONの時は電流が流れるがFET19の等価抵抗は0Ωなので理論的には電力損失は無い、またOFFの時はFET19の等価抵抗は∞Ωだが電流は0Aなので理論的には電力損失は無い、つまりFETでは理論的には電力損失が発生しない。
In such a digital control method, the
図4は本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。同図において、図2及び図3と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。第1の実施の形態のようなアナログ制御方法、及び第2の実施の形態のようなデジタル制御方法による各動作を説明したように、予め定めた電圧まで低下した後は更に発電電力が低下したり、負荷が重くなっても、その電圧を維持するように方法が2つ有ることを説明したが、図4に示す本実施の形態の燃料電池システム30は、そのどちらかの制御方法を使うのではなく、アナログ制御方法はFETでの電力損失が発生し、デジタル制御方法はFETでの電力損失が発生しないと言う、それぞれの特徴を活かして、アナログ制御方法あるいはアナログ制御方法を場合に応じてマイコン21によってスイッチ31で切り替えるものである。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the third embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIGS. 2 and 3 denote the same components. As described in the operations of the analog control method as in the first embodiment and the digital control method as in the second embodiment, the generated power further decreases after the voltage drops to a predetermined voltage. Although there are two methods for maintaining the voltage even when the load becomes heavy, the
図5は本発明の第4の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。同図において、図4と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。図5に示す本実施の形態の燃料電池システム40は、予め定めた電圧まで低下した時に更に発電電力が低下したり、負荷が重くなっても、その電圧を維持するように制御する方法を、温度センサ41によって検出する燃料電池セルスタック11の温度よって選択する。燃料電池セルスタック11は化学反応で発電しているため、温度が低いと化学反応が穏やかになり電気的出力が低下してしまう。一例としては、60℃で30Wの出力電力が得られる燃料電池セルスタック11も、50℃で運転するとおよそ20W程度の出力電力しかえられなくなってしまう。一晩放置後に起動すると、起動直後の燃料電池セルスタック11の温度は室温より若干高い程度であり、出力電力をほとんど取り出すことができない。従って、起動後はできるだけ早く、燃料電池セルスタック11の温度を上げる必要がある。その方法として、燃料電池セルスタック11へ供給する燃料をヒータで温めたり、燃料電池セルスタック11へ供給する燃料濃度を濃くしてクロスオーバーを発生させること等が知られている。これらと併用、あるいは単独で燃料電池セルスタックから電力を取り出すことで燃料電池セルスタック内の化学反応が活発になるので温度上昇を加速することができる。 FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell system according to the fourth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 4 denote the same components. The fuel cell system 40 of the present embodiment shown in FIG. 5 is a method for controlling to maintain the voltage even when the generated power further decreases or the load becomes heavy when the voltage decreases to a predetermined voltage. Selection is made according to the temperature of the fuel cell stack 11 detected by the temperature sensor 41. Since the fuel cell stack 11 generates electric power through a chemical reaction, the chemical reaction becomes gentle and the electrical output decreases when the temperature is low. As an example, the fuel cell stack 11 that can obtain 30 W of output power at 60 ° C. can only obtain about 20 W of output power when operated at 50 ° C. When the fuel cell stack 11 is started after being left overnight, the temperature of the fuel cell stack 11 immediately after the start is slightly higher than room temperature, and the output power can hardly be taken out. Therefore, it is necessary to raise the temperature of the fuel cell stack 11 as soon as possible after startup. As such a method, it is known that the fuel supplied to the fuel cell stack 11 is heated by a heater or the concentration of the fuel supplied to the fuel cell stack 11 is increased to cause a crossover. The combined use of these components or the extraction of electric power from the fuel cell stack alone activates the chemical reaction in the fuel cell stack, so that the temperature rise can be accelerated.
しかし、温度が低い状態で電力を取り出すため電圧低下が起きやすく燃料電池セルスタックへ深刻なダメージを与える可能性が大きい。そこで、本実施の形態における燃料電池セルスタックの出力電圧が予め定めた電圧まで低下した後は更に発電電力が低下したり、負荷が重くなっても、その電圧を維持するようにアナログ制御方法、あるいはデジタル制御方法のどちらかの制御を行うことで、燃料電池セルスタックの出力電圧低下によるダメージを与える可能性は無くなる。 However, since electric power is taken out at a low temperature, a voltage drop is likely to occur and there is a high possibility of serious damage to the fuel cell stack. Therefore, after the output voltage of the fuel cell stack in the present embodiment has decreased to a predetermined voltage, the analog control method so as to maintain the voltage even if the generated power further decreases or the load becomes heavy, Alternatively, by performing either control of the digital control method, there is no possibility of damaging the output voltage drop of the fuel cell stack.
このように、アナログ制御方法あるいはデジタル制御方法のどちらでも、燃料電池セルスタックの出力電圧低下によるダメージを防止する効果は同じだが、上記説明したようにデジタル制御方法の場合はFETでの電力消費が無いため、燃料電池セルスタックから電力を取り出すことで燃料電池セルスタック内の化学反応を活発にして温度上昇を加速する効果はあまり期待できない。一方、アナログ制御方法の場合は燃料電池セルスタックの出力電圧低下によるダメージを与えない範囲に置ける最大電力をFETで消費できるので、燃料電池セルスタックから電力を取り出すことで燃料電池セルスタック内の化学反応を活発にして温度上昇を加速することができる。一方、燃料電池セルスタックの温度が運転中の温度、例えば60℃に達した後では温度上昇を加速する必要は無いので無駄な電力消費を避けるためにデジタル制御方法の方が望ましい。つまり、起動直後の温度が低い、例えば50℃未満の時はアナログ制御方法を行い、50℃以上ではデジタル制御方法に図5のように制御方法を切り替えるものである。 Thus, both the analog control method and the digital control method have the same effect of preventing damage caused by the output voltage drop of the fuel cell stack. However, as described above, the digital control method consumes less power in the FET. Therefore, the effect of accelerating the temperature rise by activating the chemical reaction in the fuel cell stack by taking out electric power from the fuel cell stack cannot be expected so much. On the other hand, in the case of the analog control method, since the maximum power that can be placed in a range that does not cause damage due to a decrease in the output voltage of the fuel cell stack can be consumed by the FET, the chemical in the fuel cell stack can be obtained by extracting power from the fuel cell stack. The reaction can be activated to accelerate the temperature rise. On the other hand, after the temperature of the fuel cell stack reaches an operating temperature, for example, 60 ° C., it is not necessary to accelerate the temperature rise. Therefore, the digital control method is preferable in order to avoid wasteful power consumption. That is, the analog control method is performed when the temperature immediately after startup is low, for example, less than 50 ° C., and the control method is switched to the digital control method as shown in FIG.
このように第4の実施の形態における温度センサ41による燃料電池セルスタック11の温度測定は燃料電池セルスタック11内の化学反応が活発かそうでないかを判断するために行う。つまり、燃料電池セルスタック11内の化学反応に関連して温度が変化する所であれば何処でも良い。燃料電池セルスタック11の表面温度、燃料電池セルスタック11のスタック間の温度、燃料電池セルスタック11の内部温度、燃料電池セルスタックを循環する燃料の温度等を測定することで、制御方法を切り替えても良い。 Thus, the temperature measurement of the fuel cell stack 11 by the temperature sensor 41 in the fourth embodiment is performed to determine whether the chemical reaction in the fuel cell stack 11 is active or not. That is, it may be anywhere as long as the temperature changes in relation to the chemical reaction in the fuel cell stack 11. The control method is switched by measuring the surface temperature of the fuel cell stack 11, the temperature between the fuel cell stacks 11, the internal temperature of the fuel cell stack 11, the temperature of the fuel circulating in the fuel cell stack, and the like. May be.
図6は本発明の第5の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。同図において、図4と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。図6に示す本実施の形態の燃料電池システム50は、予め定めた電圧まで低下した時に更に発電電力が低下したり、負荷が重くなっても、その電圧を維持するようにアナログ制御方法、あるいはデジタル制御方法のどちらかの制御を行う方法を、この制御回路を構成するFET19などの電力制御素子の温度を温度センサ51によって検出することによって選択するものである。上述したようにアナログ制御方法、あるいはデジタル制御方法のどちらかの制御を切り替える方法でアナログ制御方法を選択していた場合や、制御を切替えず、アナログ制御方法のみの場合にはアナログ制御方法は電力をFET19などの電力制御素子で消費させているので、FET19などの電力制御素子の温度は上昇する。何らかの理由、例えば負荷装置のショートや冷却能力の低下等で、この温度が高くなりすぎるとFET19などの電力制御素子は破壊されてしまう。FET19などの電力制御素子の温度を検出し、例えば100℃になったらアナログ制御方法からデジタル制御方法に切り替えることで理論的にはデジタル制御方法ではFET19などの電力制御素子での電力消費は無いので温度を下げることができる。例えば60℃まで低下したら、再度デジタル制御方法からアナログ制御方法に戻しても良い。つまり、FET19などの電力制御素子の温度が低い時はアナログ制御方法を行い、危険な温度領域に近づいた時にデジタル制御方法に図6のように制御方法を切り替えるものである。なお、温度測定部分は電力制御素子以外でも電力制御素子の温度と関係して温度変化する所、例えば電力制御素子を取り付けた、放熱板や筐体であっても良い。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell system according to the fifth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 4 denote the same components. The
ここで、蓄電器は二次電池またはスーパーキャパシタであり燃料電池セルスタックの出力電圧が予め定めた電圧まで低下した後は更に発電電力が低下したり、負荷が重くなっても、その電圧を維持するように制御する。図2のような回路構成の場合、予め定めた電圧が蓄電器の電圧より低く設計しておけば、燃料電池セルスタックの出力電圧が蓄電器の電圧を下回った瞬間に自動的に燃料電池セルスタックからの電力供給は零になり、回路や補機や負荷装置とが必要とする電力を蓄電器から全て供給するように動作する。 Here, the accumulator is a secondary battery or a supercapacitor, and after the output voltage of the fuel cell stack is lowered to a predetermined voltage, the voltage is maintained even if the generated power is further lowered or the load becomes heavy. To control. In the case of the circuit configuration as shown in FIG. 2, if the predetermined voltage is designed to be lower than the voltage of the battery, the fuel cell stack automatically gets out of the fuel cell stack at the moment when the output voltage of the fuel battery cell falls below the voltage of the battery. The power supply becomes zero and operates so as to supply all the power required by the circuit, auxiliary equipment, and load device from the capacitor.
以上説明したように、本発明の燃料電池システムは燃料電池セルスタックの出力電圧が設定電圧以下に低下しないように制御するので、負荷となる電子機器や画像形成装置の故障や線材のショート等で大きな電流が流れても、燃料電池セルスタックがダメージを受心配は無い。 As described above, the fuel cell system of the present invention controls the output voltage of the fuel cell stack so that it does not drop below the set voltage. Even if a large current flows, the fuel cell stack is not damaged.
しかし、異常状態が続けば発火や損傷部分の拡大が発生して危険である。そこで、このような危険を防ぐために、危険までは至らないにしても、電池セルスタックからの電力は有効に利用されないので燃料電池セルスタックの出力電圧が予め定めた電圧より低い状態が一定時間以上継続した時は異常状態として図7に示すような第6の実施の形態の燃料電池システム60のように電力制御素子をOFFにし燃料電池セルスタック11を切り離し、リレー61をOFFにして蓄電器を切り離し、更に図1のブロワ、循環ポンプ、燃料ポンプ、水ポンプの駆動を止めて燃料電池セルスタック11の発電を停止して、危険を防止するとともに無駄な燃料を消費しないようにする。 However, if the abnormal condition continues, ignition and expansion of the damaged part may occur, which is dangerous. Therefore, in order to prevent such a danger, even if the danger is not reached, the power from the battery cell stack is not used effectively, so the state where the output voltage of the fuel battery cell stack is lower than a predetermined voltage is longer than a certain time. When the operation continues, the power control element is turned off and the fuel cell stack 11 is disconnected as in the fuel cell system 60 of the sixth embodiment as shown in FIG. 7 as an abnormal state, and the relay 61 is turned off and the battery is disconnected. Further, the drive of the blower, circulation pump, fuel pump, and water pump in FIG. 1 is stopped to stop the power generation of the fuel cell stack 11, thereby preventing danger and not consuming unnecessary fuel.
次に、電子機器、特にモータの起動と停止を繰り返すものや、白熱電灯を点灯/消灯を繰り返すもの、例えばキャリッジを往復運動させたり、カセットから紙を取り出しているインクジェットプリンタや定着ヒータをON/OFF制御する静電潜像を利用して画像を形成するプリンタや複写機は消費電力が大きく変動する。消費電力が大きくなった時に燃料電池セルスタック出力電圧が低下しようとする時に燃料電池セルスタックの出力電圧が設定電圧以下に低下しないように制御して燃料電池セルスタックがダメージを受けるのを防止する。特に、燃料電池の起動直後は発電する電力が極端に少ないため、この時負荷の変動があると燃料電池セルスタックの出力電圧低下は大きくなる。しかし、燃料電池を起動したら直ぐに画像のプリントアウトを行いたいのが一般的なユーザの心理であるが、このような状況でも本発明の燃料電池セルスタックの出力電圧が設定電圧以下に低下しないように制御して燃料電池セルスタックがダメージを受けるのを防止することができる。 Next, electronic devices, particularly those that repeatedly start and stop the motor, those that repeatedly turn on / off the incandescent lamp, for example, reciprocate the carriage, turn on / off the inkjet printer and the fixing heater that take out the paper from the cassette The power consumption of printers and copiers that form images using electrostatic latent images that are OFF controlled varies greatly. Controlling the output voltage of the fuel cell stack not to drop below the set voltage when the fuel cell stack output voltage is about to drop when the power consumption is increased to prevent the fuel cell stack from being damaged. . In particular, since the amount of power generated is extremely small immediately after the start of the fuel cell, if the load varies at this time, the output voltage drop of the fuel cell stack increases. However, it is a general user's mind to want to print out an image as soon as the fuel cell is started, but even in such a situation, the output voltage of the fuel cell stack of the present invention does not decrease below the set voltage. It is possible to prevent the fuel cell stack from being damaged by being controlled.
図8は本発明の燃料電池システムと電子機器の電気的な結合構成の一例を示すブロック図である。なお、同図において図2と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。燃料電池システム10は電子機器の制御回路300と接続される。蓄電器12は、その出力電流が燃料電池セルスタック11の燃料電池セルスタックの各電極に並列接続され、かつDC−DCコンバータ17に供給されるよう、DC−DCコンバータ17と並列に設置される。ただし、燃料電池セルスタック11からの出力電流が蓄電装置11の方向に流れて充電される時もある。DC−DCコンバータ17は入力された電圧を、例えば外部機器が電子機器である場合は電子機器が必要とする電圧に変換する。また、外部機器が電子機器であって、その制御回路300に大電流が必要となった場合には、蓄電器12から必要分の電流が供給される。このように蓄電器12がDC−DCコンバータ17と並列に接続されていることで、燃料電池は外部機器側の大きな消費電力変動の影響をあまり受けない。従って、燃料電池の出力電圧はほぼ一定に維持される。
FIG. 8 is a block diagram showing an example of an electrically coupled configuration of the fuel cell system of the present invention and an electronic device. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 2 denote the same components. The
また、電子機器の制御回路300は、CPU301、不揮発性メモリ302、データ受信部303、RAM/DMAコントローラ304、RAM305、ROM306、タイミング制御部307、インク流量検出部308、ヘッドコントローラ309、ヘッドドライバ310、記録ヘッド311、キャリッジモータドライバ312、キャリッジモータ313、ラインフィードドライバ314及びラインフィードモータ315を含んで構成されている。そして、CPU301は、このインクジェットプリンタの動作制御及びデータ処理を実行するためのものである。ROM306はCPU301の制御プログラムやフォント処理のための各種データを格納するものである。RAM305は受信した画像データを含め各種データを一時格納するものである。データ受信部303はホストコンピュータ等の外部機器から送られてくる画像データを取り込むためのものである。更に、RAM/DMAコントローラ304はデータ受信部303で受信した画像データをRAM305へDMA転送したり、CPU301からRAM305へのアクセスを制御するものである。また、不揮発性メモリ302はプリンタ固有のパラメータを格納するものであり、例えばEEPROM等が挙げられる。ヘッドドライバ310は記録ヘッド311を駆動するものである。ヘッドコントローラ309はCPU301からの制御によりヘッドドライバ310への画像データの転送とヒートパルス信号を発生するものである。また、キャリッジモータドライバ312とキャリッジモータ313及びタイミング制御部307は、CPU301から供給される制御信号とエンコーダ等による記録タイミングパルスによって記録ヘッド311の移動を行う制御系である。この記録ヘッド311が移動する方向は主走査方向と呼ばれる。ラインフィードモータドライバ113とラインフィードモータ315は、CPU301から供給される制御信号によって記録用紙209等の記録媒体の搬送を行う制御系である。この記録媒体が搬送される方向は副走査方向と呼ばれる。更に、インク流量検出部308は、記録ヘッド311に送られた記録信号から、所定時間内において記録のために吐出されたインク滴(ドット)の数をカウントし、インクタンクから記録ヘッド311に供給されるインクの流量を検出する制御回路である。例えば外部機器の電子機器がインクジェットプリンタの場合は現在連続プリント中か待機中かの2つのモードの違いで消費電力は大きく違う。更に、完全に電源OFFの状態の3モードであっても良いし、電子機器がプリンタ以外場合は更にモードが増えても構わない。
The electronic device control circuit 300 includes a CPU 301, a nonvolatile memory 302, a
次に、本発明の燃料電池システムを備える電子機器の一例を説明する。
図9は本発明の燃料電池システムを電源とするインクジェットプリンタの概観斜視図である。同図に示すインクジェットプリンタ400は、燃料電池システムと、その燃料電池システムから電力の供給をうけて動作するプリンタ部で構成されている。
Next, an example of an electronic device provided with the fuel cell system of the present invention will be described.
FIG. 9 is a schematic perspective view of an ink jet printer using the fuel cell system of the present invention as a power source. An
次に、図10はプリンタ部の内部構成を示す斜視図である。同図に示すプリンタ部は、ラインフィードモータ401と、押さえ部材402と、ワイヤ403と、HP(ポジション)センサ404と、記録ヘッドカートリッジ405と、キャリッジ406と、ケーブル407と、キャリッジモータ408と、記録用紙409と、プラテンローラ410と、シャフト411、記録ヘッド412とを含んで構成されている。そして、記録ヘッドカートリッジ405は、記録ヘッド412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る。この記録ヘッドカートリッジ405は、押さえ部材402によりキャリッジ406の上に固定されており、これらはシャフト411に沿って長手方向に往復運動可能となっている。
Next, FIG. 10 is a perspective view showing the internal configuration of the printer unit. The printer section shown in the figure includes a
また、記録ヘッド412より吐出されたインク滴は、記録ヘッド412と微小間隔をおいて、プラテンローラ410に記録面を規制された記録用紙409に到達し、画像を形成する。記録ヘッド412にはケーブル407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。
Further, the ink droplets ejected from the
更に、記録ヘッドカートリッジ405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。キャリッジモータ408はキャリッジ406をシャフト411に沿って走査させるためのものである。ワイヤ403はモータ408の駆動力をキャリッジ406に伝達するためのものである。また、ラインフィードモータ401はプラテンローラ410に結合して記録用紙409を搬送させるためのものである。HPセンサ404はキャリッジ406の位置を検出するものである。
Further, one to a plurality of recording head cartridges 405 (two in the illustrated example) can be provided depending on the ink color used. The
次に、本実施の形態のインクジェットプリンタの記録制御を実行するための基本的な記録制御ついて図8を用いて説明する。
まず、データ受信部303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、RAM/DMAコントローラ304を介してRAM305に一時格納される。CPU301は、ROM306に格納された制御プログラムを実行して受信コマンド、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、CPU301により記録データに変換され、順次、RAM305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。次に、1ライン分の記録データの展開が終了するか、もしくは、受信コマンドの一つである記録命令をホストコンピュータから入力された時点で、キャリッジモータドライバ312によりキャリッジモータ313が駆動される。そして、タイミング制御部307から出力される記録タイミングパルスに同期して、RAM305に格納されている記録データがRAM/DMAコントローラ304及びヘッドコントローラ309を介してヘッドドライバ310に転送される。そして、ヘッドコントローラ309からヒートパルス信号がヘッドドライバ310に送られて記録ヘッド311からインク滴が吐出される。
Next, basic recording control for executing recording control of the ink jet printer according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
First, image data input from the host computer by the
そして、1ライン分の記録が終了するとラインフィードモータ315が駆動されて改行が行われ、一連の手順が終了する。このような手順が図10の記録用紙409の1ページに渡って繰り返して行われることにより、1ページ分の記録動作が完了する。
When the recording for one line is completed, the line feed motor 315 is driven to perform a line feed, and a series of procedures is completed. By repeating such a procedure over one page of the
なお、電子機器としてインクジェットプリンタを用いて説明したが、電子機器は、電子写真方式の画像形成装置やその他の電子機器であっても良い。 Although an electronic printer has been described as an electronic device, the electronic device may be an electrophotographic image forming apparatus or other electronic devices.
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It cannot be overemphasized that various deformation | transformation and substitution are possible if it is description in a claim.
10,20,30,40,50,60;燃料電池システム、
11;燃料電池セルスタック、12;蓄電器、
13,22,32,42,52,62;電圧低下防止制御回路、
14,15;ダイオード、16;増幅器、
17;DC−DCコンバータ、18;インバータ、19;FET、
21;マイコン、31;スイッチ、41,51;温度センサ、
61;リレー、100;燃料電池ユニット、200;負荷装置、
300;制御回路、400;インクジェットプリンタ。
10, 20, 30, 40, 50, 60; fuel cell system,
11: Fuel cell stack, 12: Capacitor,
13, 22, 32, 42, 52, 62; voltage drop prevention control circuit,
14, 15; diode, 16; amplifier,
17; DC-DC converter, 18; inverter, 19; FET,
21; microcomputer, 31; switch, 41, 51; temperature sensor,
61; Relay, 100; Fuel cell unit, 200; Load device,
300;
Claims (10)
前記出力電圧検出手段によって検出された前記燃料電池セルスタックの出力電圧が予め定めた電圧より高い場合は、前記燃料電池セルスタックの出力電圧を負荷装置に供給し、低い場合は予め定めた電圧を維持するよう燃料電池セルスタックから負荷装置への電力供給を制御することを特徴とする燃料電池システム。 A single cell that has an ion conductive solid polymer electrolyte membrane sandwiched between two electrodes, a negative electrode and a positive electrode, circulates and supplies low concentration liquid fuel from a circulation tank to the negative electrode, and oxidant gas to the positive electrode Alternatively, a fuel cell unit having a cell stack in which two or more single cells are stacked, a capacitor connected in parallel to the fuel cell stack and supplying power to a load device, and an output voltage of the fuel cell stack In a fuel cell system having output voltage detection means for detecting and a control unit for performing overall control,
When the output voltage of the fuel cell stack detected by the output voltage detection means is higher than a predetermined voltage, the output voltage of the fuel cell stack is supplied to a load device, and when the output voltage is low, a predetermined voltage is supplied. A fuel cell system, wherein power supply from a fuel cell stack to a load device is controlled so as to be maintained.
前記燃料電池セルスタックに接続された前記出力電圧検出手段によって検出された前記燃料電池セルスタックの出力電圧が予め定めた電圧より低い場合、出力電圧低下防止制御手段によって燃料電池セルスタックから取り出す電流を調整して前記燃料電池セルスタックの出力電圧を維持することを特徴とする燃料電池システム。 A single cell that has an ion conductive solid polymer electrolyte membrane sandwiched between two electrodes, a negative electrode and a positive electrode, circulates and supplies low concentration liquid fuel from a circulation tank to the negative electrode, and oxidant gas to the positive electrode Alternatively, a fuel cell unit having a cell stack in which two or more single cells are stacked, a capacitor connected in parallel to the fuel cell stack and supplying power to a load device, and an output voltage of the fuel cell stack In a fuel cell system having output voltage detection means for detecting and a control unit for performing overall control,
When the output voltage of the fuel cell stack detected by the output voltage detection means connected to the fuel cell stack is lower than a predetermined voltage, the current taken out from the fuel cell stack by the output voltage drop prevention control means is A fuel cell system that adjusts and maintains the output voltage of the fuel cell stack.
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