JP2010033904A - Fuel cell system and electronic equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及びこの燃料電池システムを電源として用いた電子機器に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and an electronic apparatus using the fuel cell system as a power source.
携帯電話機や携帯情報端末などの電子機器の小型化は目覚しいものがあり、これら電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は、燃料と空気を供給するのみで、発電することができ、燃料のみを交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型化が実現できれば、小型の電子機器の電源として極めて有効である。 There have been remarkable miniaturizations of electronic devices such as mobile phones and portable information terminals, and along with the miniaturization of these electronic devices, attempts have been made to use fuel cells as a power source. A fuel cell has the advantage that it can generate electricity only by supplying fuel and air, and can generate electricity continuously by replacing only the fuel. Therefore, if it can be downsized, it can be used as a power source for small electronic devices. It is valid.
そこで、最近、燃料電池として、直接メタノール型燃料電池(以下、DMFC;Direct Methanol Fuel Cellと称する。)が注目されている。かかるDMFCは、液体燃料の供給方式によって分類され、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式のものと、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式のものがあり、これらのうち、パッシブ方式のものはDMFCの小型化に対して特に有利である。 Therefore, a direct methanol fuel cell (hereinafter, referred to as DMFC; Direct Methanol Fuel Cell) has attracted attention as a fuel cell. Such DMFCs are classified according to the liquid fuel supply system, such as an active system such as a gas supply type and a liquid supply type, and an internal vaporization type that vaporizes the liquid fuel in the fuel storage section inside the battery and supplies it to the fuel electrode. Among these, the passive type is particularly advantageous for reducing the size of the DMFC.
従来、このようなパッシブ方式のDMFCとして、特許文献1に開示されるように、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体(燃料電池セル)を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造のものが考えられている。 Conventionally, as such a passive DMFC, as disclosed in Patent Document 1, for example, a membrane electrode assembly (fuel cell) having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode is removed from a resin box-like container. The thing of the structure arrange | positioned on the fuel accommodating part which becomes is considered.
また、DMFCの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続する構成のものも特許文献2〜4に開示されている。これら特許文献2〜4は、燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整可能としたもので、特に、特許文献3では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給している。また、ポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることも記載されている。さらに特許文献4には電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給することが記載されている。
ところで、このようなDMFCを主発電部とした燃料電池システムを小型電子機器などの電源として適用した場合、燃料電池での燃料の消費量が少なく経済的に有利であることが重要である。 By the way, when such a fuel cell system using the DMFC as a main power generation unit is applied as a power source for a small electronic device or the like, it is important that the fuel consumption in the fuel cell is small and economically advantageous.
そこで、従来、特許文献5に開示されるように電気機器の使用状況に応じて燃料電池の運転モードを省エネルギーモード及び高出力モードに切り替えるようにしたものが考えられている。しかし、かかる特許文献5では、燃料電池の出力と電気機器動作中の消費電力とを比較し、その使用率に応じてモード切替を行うようにしているため、例えば、周囲温度の影響などで燃料電池の出力が低下することがあると、電気機器動作中の消費電力が小さいにも関わらず使用率が所定の比率以上になって高出力モードに切り替わり、この間に燃料が無駄に消費されるという問題があった。また、燃料電池の出力検出と、電気機器動作中の消費電力の測定を同時に行うようになるので、回路構成が複雑になり、さらに、循環燃料の濃度コントロールによりモード切り替えを行うようにもしているので、燃料供給のための制御系も複雑になるという問題があった。
In view of this, conventionally, as disclosed in
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料消費率を改善でき経済的に有利な燃料電池システム及び電子機器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an economically advantageous fuel cell system and electronic device that can improve the fuel consumption rate.
請求項1記載の発明は、燃料供給により電力を発電する燃料電池本体と、前記燃料電池本体の発電出力により充電されるとともに、電子機器本体の電源として用いられる補助電源と、前記補助電源の出力を検出する出力検出手段と、前記出力検出手段で検出される出力に基づいて燃費優先を考慮した燃費優先モード又は出力優先を考慮した出力優先モードを選択する運転モード選択手段と、前記運転モード選択手段で選択された優先モードに応じて前記燃料電池本体の出力を制御する制御手段と、を具備したことを特徴としている。 The invention according to claim 1 is a fuel cell main body that generates power by supplying fuel, an auxiliary power source that is charged by a power generation output of the fuel cell main body, and that is used as a power source of an electronic device main body, and an output of the auxiliary power source Output detection means for detecting fuel consumption, operation mode selection means for selecting a fuel efficiency priority mode considering fuel efficiency priority or an output priority mode considering output priority based on the output detected by the output detection means, and the operation mode selection And control means for controlling the output of the fuel cell main body in accordance with the priority mode selected by the means.
請求項2記載の発明は請求項1記載において、前記運転モード選択手段は、前記出力検出手段で検出された前記補助電源の出力が上限値以下で所定値以上のとき前記燃費優先モードを選択し、前記出力が前記所定値以下のとき前記出力優先モードを選択することを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the operation mode selection unit selects the fuel efficiency priority mode when the output of the auxiliary power detected by the output detection unit is equal to or less than an upper limit value and equal to or greater than a predetermined value. The output priority mode is selected when the output is less than or equal to the predetermined value.
請求項3記載の発明は請求項1又は2記載において、制御手段は、前記燃費優先モード又は前記出力優先モードに応じた前記燃料電池本体の出力を、前記燃料電池本体の制御電圧及び制御温度の少なくとも一方を制御して得ることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the control means outputs the output of the fuel cell main body according to the fuel consumption priority mode or the output priority mode as a control voltage and a control temperature of the fuel cell main body. It is characterized by being obtained by controlling at least one of them.
請求項4記載の発明は、請求項1乃至3のいずれか一記載の燃料電池システムを電源として使用した電子機器である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an electronic device using the fuel cell system according to any one of the first to third aspects as a power source.
本発明によれば、燃料消費率を改善でき経済的に有利な燃料電池システム及び電子機器を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a fuel consumption rate can be improved and the fuel cell system and electronic device which are economically advantageous can be provided.
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示している。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
図1において、1は燃料電池本体(DMFC)で、この燃料電池本体1は、起電部を構成する燃料電池発電部(セル)101、液体燃料を収容する燃料収容部102、燃料収容部102と燃料電池発電部(セル)101を接続する流路103及び燃料収容部102から燃料電池発電部(セル)101に液体燃料を移送するための燃料供給制御手段としてのポンプ104を有している。
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a fuel cell main body (DMFC). The fuel cell main body 1 includes a fuel cell power generation unit (cell) 101 that constitutes an electromotive unit, a
図2は、このような燃料電池本体1をさらに詳細に説明するための断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the fuel cell main body 1 in more detail.
この場合、燃料電池発電部101は、アノード触媒層11とアノードガス拡散層12とを有するアノード(燃料極)13と、カソード触媒層14とカソードガス拡散層15とを有するカソード(空気極/酸化剤極)16と、アノード触媒層11とカソード触媒層14とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜17とから構成される膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)を有している。
In this case, the fuel cell
ここで、アノード触媒層11やカソード触媒層14に含有される触媒としては、例えばPt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層11にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Mo等を用いることが好ましい。カソード触媒層14にはPtやPt−Ni等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
Here, examples of the catalyst contained in the
電解質膜17を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂(ナフィオン(商品名、デュポン社製)やフレミオン(商品名、旭硝子社製)等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜17はこれらに限られるものではない。
Examples of the proton conductive material constituting the
アノード触媒層11に積層されるアノードガス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層11の集電体も兼ねている。カソード触媒層14に積層されるカソードガス拡散層15は、カソード触媒層14に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層14の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15は多孔質基材で構成されている。
The anode
アノードガス拡散層12やカソードガス拡散層15には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばAu、Niのような導電性金属材料からなる多孔質層(例えば、メッシュ)、多孔質膜、箔体あるいはステンレス鋼(SUS)などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。電解質膜17と後述する燃料分配機構105およびカバープレート18との間には、それぞれゴム製のOリング19が介在されており、これらによって燃料電池発電部101からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。
A conductive layer is laminated on the anode
カバープレート18は酸化剤である空気を取入れるための不図示の開口を有している。カバープレート18とカソード16との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層14で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層14への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。
The
燃料電池発電部101のアノード(燃料極)13側には、燃料分配機構105が配置されている。燃料分配機構105には配管のような液体燃料の流路103を介して燃料収容部102が接続されている。
A
燃料収容部102には、燃料電池発電部101に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部102には燃料電池発電部101に応じた液体燃料が収容される。
Liquid fuel corresponding to the fuel cell
燃料分配機構105には燃料収容部102から流路103を介して燃料が導入される。流路103は燃料分配機構105や燃料収容部102と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構105と燃料収容部102とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ燃料の流路であってもよい。燃料分配機構105は流路103を介して燃料収容部102と接続されていればよい。
Fuel is introduced into the
ここで、燃料分配機構105は図3に示すように、燃料が流路103を介して流入する少なくとも1個の燃料注入口21と、燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口22とを有する燃料分配板23を備えている。燃料分配板23の内部には図2に示すように、燃料注入口21から導かれた燃料の通路となる空隙部24が設けられている。複数の燃料排出口22は燃料通路として機能する空隙部24にそれぞれ直接接続されている。
Here, as shown in FIG. 3, the
燃料注入口21から燃料分配機構105に導入された燃料は空隙部24に入り、この燃料通路として機能する空隙部24を介して複数の燃料排出口22にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口22には、例えば燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体(図示せず)を配置してもよい。これによって、燃料電池発電部101のアノード(燃料極)13には燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構105とアノード13との間に気液分離膜等として設置してもよい。燃料の気化成分は複数の燃料排出口22からアノード13の複数個所に向けて排出される。
The fuel introduced into the
燃料排出口22は燃料電池発電部101の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板23のアノード13と接する面に複数設けられている。燃料排出口22の個数は2個以上であればよいが、燃料電池発電部101の面内における燃料供給量を均一化する上で、0.1〜10個/cm2の燃料排出口22が存在するように形成することが好ましい。
A plurality of
燃料分配機構105と燃料収容部102の間を接続する流路103には、燃料移送制御手段としてのポンプ104が挿入されている。このポンプ104は燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部102から燃料分配機構105に燃料を移送する燃料供給ポンプである。このようなポンプ104で必要時に燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めるものである。この場合、ポンプ104としては、少量の燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。
A
また、ポンプ104には、後述する燃料供給制御回路5が接続され、ポンプ104の駆動が制御される。この点については後述する。
In addition, a fuel
このような構成において、燃料収容部102に収容された燃料は、ポンプ104により流路103を移送され、燃料分配機構105に供給される。そして、燃料分配機構105から放出された燃料は、燃料電池発電部101のアノード(燃料極)13に供給される。燃料電池発電部101内において、燃料はアノードガス拡散層12を拡散してアノード触媒層11に供給される。燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層11で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層14で生成した水や電解質膜17中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
In such a configuration, the fuel stored in the
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
この反応で生成した電子(e-)は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる出力として負荷側に供給された後、カソード(空気極)16に導かれる。また、(1)式の内部改質反応で生成したプロトン(H+)は電解質膜17を経てカソード16に導かれる。カソード16には酸化剤として空気が供給される。カソード16に到達した電子(e-)とプロトン(H+)は、カソード触媒層14で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成される。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
Electrons (e − ) generated by this reaction are guided to the outside via a current collector, supplied to the load side as so-called output, and then guided to the cathode (air electrode) 16. Further, protons (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) are guided to the
6e-+6H++(3/2)O2 → 3H2O …(2)
図1に戻って、このように構成された燃料電池本体1は、燃料電池発電部(セル)101に第2の温度検出手段としての温度センサ106が設けられている。この温度センサ106は、燃料電池発電部(セル)101の発熱部の温度を検出するもので、例えば、サーミスタや熱電対からなり、図2に示す燃料電池発電部(セル)101のカソード(空気極)16に配置されている。また、温度センサ106は、発熱温度に対応する検出信号を制御部7に出力する。制御部7については、後述する。
6e − + 6H + + (3/2) O 2 → 3H 2 O (2)
Returning to FIG. 1, in the fuel cell main body 1 configured in this way, the fuel cell power generation unit (cell) 101 is provided with a
燃料電池本体1には、出力検出部6及び出力調整手段としてDC−DCコンバータ(電圧調整回路)2が接続されている。出力検出部6は、燃料電池発電部(セル)101の出力として、例えば出力電圧Voを検出し、この出力電圧Voに対応する検出信号を制御部7に出力する。 The fuel cell body 1 is connected to an output detection unit 6 and a DC-DC converter (voltage adjustment circuit) 2 as output adjustment means. The output detection unit 6 detects, for example, an output voltage Vo as an output of the fuel cell power generation unit (cell) 101, and outputs a detection signal corresponding to the output voltage Vo to the control unit 7.
DC−DCコンバータ2は、不図示のスイッチング要素とエネルギー蓄積要素を有し、これらスイッチング要素とエネルギー蓄積要素により燃料電池本体1で発電された電気エネルギーを蓄積/放出させ、燃料電池本体1からの比較的低い出力電圧を十分の電圧まで昇圧して生成される出力を発生する。このDC−DCコンバータ2の出力は、補助電源4に供給される。
The DC-
なお、ここでは標準的な昇圧型のDC−DCコンバータ2を示したが、昇圧動作が可能なものならば、他の回路方式のものでも実施可能である。
Although the standard boost type DC-
DC−DCコンバータ2の出力端には、補助電源4が接続され、所謂ハイブリッド型燃料電池を構成している。この補助電源4は、DC−DCコンバータ2の出力により充電可能としたもので、電子機器本体3の瞬間的な負荷変動に対して電流を供給し、また、燃料枯渇状態になって前記燃料電池本体1が発電不能に陥った場合に電子機器本体3の駆動電源として用いられる。この補助電源4には、充放電可能な二次電池(例えばリチウムイオン充電池(LIB))や電気二重層コンデンサ)が用いられる。
An
補助電源4には、補助電源出力検出部8及び燃料供給制御回路5が接続されている。補助電源出力検出部8は、補助電源4の出力として、例えば出力電圧VBを検出し、この出力電圧VBに対応する検出信号を制御部7に出力する。燃料供給制御回路5は、補助電源4を電源としてポンプ104の動作を制御するもので、制御部7の指示に基づいてポンプ104をオン/オフ制御する。
An auxiliary power
燃料供給制御回路5には、制御部7が接続されている。制御部7は、システム全体を制御するもので、出力設定部701、運転モード選択手段702、タイマー703及びポンプ制御信号発生部704を有している。出力設定部701は、運転モード選択の基準となる補助電源4の出力電圧VBに対する設定値を記憶している。この場合、設定値には、出力電圧VBの上限値VBLと、この上限値VBL以下の所定値として中間値VBMが設定されている。ここで、上限値VBLは、補助電源4として適用される二次電池などの充電電圧の上限値、中間値VBMは、上限値VBL以下で、例えば、補助電源4が負荷要求に対して対応可能な限界値である。運転モード選択手段702は、補助電源出力検出部8の検出信号と出力設定部701に設定される補助電源4の出力電圧VBに対する上限値VBL及び中間値VBMを比較し、この比較結果から運転モードとして燃費優先モード又は出力優先モードを選択する。タイマー703は、モード移行時の時間経過などをカウントする。このタイマー703のカウントは、各モード移行を判断するしきい値付近で頻繁にモード切り替えを繰り返す現象を防止するものである。このカウントの目安としては、モード切り替えにかかる時間の1〜5倍が好ましい。ポンプ制御信号発生部704は、運転モード選択手段702により選択された運転モードに応じてポンプ104のオン/オフ信号を出力する。
A controller 7 is connected to the fuel
次に、このように構成された実施の形態の作用を説明する。 Next, the operation of the embodiment configured as described above will be described.
いま、燃料電池システムの起動指示により、制御部7において図4に示すフローチャートが実行される。 Now, according to the start instruction of the fuel cell system, the flowchart shown in FIG.
まず、ステップ401で、燃料電池システムが起動モードに設定される。この場合、燃料電池発電部101にポンプ104を介して燃料が供給される。そして、燃料電池発電部101で発電された出力がDC−DCコンバータ2で十分な電圧まで昇圧され、電子機器本体3に供給されるとともに、補助電源4に充電される。
First, in
この状態で、ステップ402に進む。ステップ402では、補助電源出力検出部8により補助電源4の出力電圧VBを検出する。また、運転モード選択手段702により、このときの出力電圧VBが出力設定部701に設定された出力電圧VBの上限値VBL以下かを判断する。ここで、出力電圧VBが上限値VBL以下であれば、YESと判断し、ステップ403に進む。
In this state, the process proceeds to step 402. In
一方、出力電圧VBが上限値VBH以上の場合は、ステップ404に進み、燃料電池本体1を終了待機モードに移行する。この場合、燃料電池本体1の出力を開放して補助電源4の充電を停止し、補助電源4のみにより電子機器本体3の負荷要求に対応させる。そして、ステップ405で、タイマー703のカウントによりモード移行時間の経過が確認されると、ステップ406に進み、再び補助電源4の出力電圧VBが上限値VBL以下になったかを判断する。ここで、出力電圧VBが上限値VBH以下になっていてYESと判断すれば、ステップ403に進む。この場合、ステップ406で、依然として補助電源4の出力電圧VBが上限値VBH以下にならないと判断したときは、システム不良と判断して動作を終了する(ステップ407)。
On the other hand, if the output voltage VB is equal to or higher than the upper limit value VBH, the process proceeds to step 404, and the fuel cell body 1 is shifted to the end standby mode. In this case, the output of the fuel cell main body 1 is opened to stop the charging of the
ステップ403では、補助電源4の出力電圧VBが出力設定部701に設定された出力電圧VBが上限値VBH以下で中間値VBM以上かを判断する。ここで、出力電圧VBが中間値VBM以上の場合は、補助電源4の充電状況が十分で電子機器本体3の負荷要求に対して対応可能と判断し、ステップ408に進む。ステップ408では、燃料電池本体1の運転を燃費優先モードに移行する。この燃費優先モードは、燃料電池本体1での燃料消費効率を考慮したもので、制御部7は、出力検出部6より検出される燃料電池発電部(セル)101の出力電圧Voと温度センサ106より検出される燃料電池発電部(セル)101の発熱温度を参照して、ポンプ制御信号発生部704より燃費優先モードに応じたポンプ104のオン/オフ信号を出力させ、燃料電池本体1の制御電圧Vc及び制御温度Tcを、それぞれ予め設定された所定の値に制御する。ここでの燃費優先モードでは、例えば、制御温度Tc=43℃、制御電圧Tc=0.38Vに設定され、出力0.37W、燃費1.45Wh/gが得られるようにしている。
In
その後、ステップ410で、タイマー703のカウントによりモード移行時間の経過が確認されると、ステップ411に進む。このタイマー703のカウントは、既述のように各モード移行を判断するしきい値付近で頻繁にモード切り替えを繰り返す現象を防止するものである。このカウントの目安としては、モード切り替えにかかる時間の1〜5倍が好ましい。例えば、モード切り替えにおいて、温度を6℃昇温するのに要する時間が5分、あるいは温度を6℃降温するのに要する時間が5分であった場合には、そのためのカウントは10分に設定することができる。ステップ411では、補助電源4の出力電圧VBが上昇したかを判断する。ここで、出力電圧VBが上昇してYESと判断すると、依然として補助電源4の充電電圧が十分であると判断し、ステップ408に戻り、燃費優先モードを継続する。また、ステップ411で、補助電源4の出力電圧VBの上昇が得られないと判断すると、ステップ402に戻り、以下、ステップ402以降の動作を繰り返す。
Thereafter, when the elapse of the mode transition time is confirmed by the count of the
一方、ステップ403において、補助電源4の出力電圧VBが中間値VBM以下と判断した場合は、補助電源4の充電状況が十分でなくなり、電子機器本体3の負荷要求に対して対応が難しいと判断し、ステップ409に進む。ステップ409では、燃料電池本体1の運転を出力優先モードに移行する。この出力優先モードは、燃料電池本体1の出力優先を考慮したもので、制御部7は、出力検出部6より検出される燃料電池発電部(セル)101の出力電圧Voと温度センサ106より検出される燃料電池発電部(セル)101の発熱温度を参照してポンプ制御信号発生部704より出力優先モードに応じたポンプ104のオン/オフ信号を出力させ、燃料電池本体1の制御電圧Vc及び制御温度Tcを、それぞれ予め設定された所定の値に制御する。ここでの出力優先モードでは、例えば制御温度Tc=49℃、制御電圧Tc=0.36Vに設定され、出力0.75W、燃費1.0Wh/gが得られるようにしている。つまり、出力優先モードでは、燃費優先モードに比べ燃費は低下するが、より大きな出力が得られるようにしている。
On the other hand, if it is determined in
その後、ステップ412で、タイマー703のカウントによりモード移行時間の経過が確認されると、ステップ402に戻り、以下、ステップ402以降の動作を繰り返す。
Thereafter, when the elapse of the mode transition time is confirmed by the count of the
ここで、実際の使用例を挙げて説明する。 Here, an actual usage example will be described.
この場合、燃料電池システムは、燃料電池発電部101として面積3.5cm2、セル直列数4cellのものを使用し、燃料収容部102として7.0mL(5.54g)の容量のものを使用している。また、補助電源4はリチュウムイオン充電池(LIB)で、容量600mAh、上限電位4.0V、下限電位3.3Vのものを使用し、さらにDC−DCコンバータ2として動作効率80%のものを使用している。
In this case, the fuel cell system uses a fuel cell
また、燃費優先モードでは、出力0.37W、燃費1.45Wh/g、出力優先モードでは、出力0.75W、燃費1.0Wh/gとなる制御が行われるものとする。 In the fuel efficiency priority mode, control is performed such that the output is 0.37 W and the fuel efficiency is 1.45 Wh / g, and in the output priority mode, the output is 0.75 W and the fuel efficiency is 1.0 Wh / g.
そして、このようにした燃料電池システムを電子機器本体3として携帯電話の電源に適用した場合で、例えば、日中のみ頻繁に携帯電話を使用するビジネスマンについて調べたところ、以下の結果が得られた。この場合、ビジネスマンによる携帯電話の使用状況を時間ごとに調べたところ、一日のうちで9時から18時まで頻繁に携帯電話が使用され、この間の各時間ごとの消費電力は平均で365mWhで、その他の18時から翌日の9時までの各時間ごとの消費電力は平均で5mWhであった。
When such a fuel cell system is applied to a power source of a mobile phone as the
このような使用状況にある携帯電話に対し、上述した本願発明の補助電源4の出力電圧VBに応じて燃費優先モード及び出力優先モードを選択する方法を採用したところ、補助電源4の出力電圧VBが図5(a)に示すように変化することが判明した。この場合、図5(a)において、出力電圧VB=4.0Vを上限値VBH、出力電圧VB=3.6Vを中間値VBMとすると、出力電圧VBが上限値VBH以上の場合、つまり、図5(a)に示す3時から9時までは、補助電源4の充電を停止して補助電源4により携帯電話の負荷要求に対応させる。また、出力電圧VBが上限値VBH以下で、中間値VBM以上の場合、つまり、図5(a)に示す9時から11時頃までは、携帯電話機の負荷要求が増大するが、補助電源4の充電が十分で負荷要求に対して対応可能と判断し、燃料電池本体1の運転を燃費優先モードに移行する。これにより、燃料電池本体1では、燃料消費効率を考慮した出力0.37W、燃費1.45Wh/gの運転が実行される。その後、出力電圧VBが中間値VBM以下に低下すると、つまり、図5(a)に示す11時から18時頃までは、さらなる負荷要求の増大により補助電源4の充電状況が十分でなくなり負荷要求に対して対応が難しいと判断し、燃料電池本体1の運転を出力優先モードに移行する。これにより、燃料電池本体1では、出力優先を考慮した出力0.75W、燃費1.0Wh/gの運転が実行される。
When a method for selecting the fuel efficiency priority mode and the output priority mode according to the output voltage VB of the
一方、燃費優先モード及び出力優先モードを選択する方法を採用しないで、負荷要求に対して対応可能な出力優先モードのみとした場合、補助電源4の出力電圧VBが図5(b)に示すように変化することが判明した。この場合、図5(b)に示す9時から18時までの携帯電話機の負荷要求が大きい間は、燃料電池本体1の運転を出力優先モードの出力0.75W、燃費1.0Wh/gの運転が実行される。
On the other hand, when the method of selecting the fuel efficiency priority mode and the output priority mode is not adopted and only the output priority mode that can respond to the load request is adopted, the output voltage VB of the
この結果、図5(b)に示す出力優先モードのみの運転では、補助電源4の出力電圧VB全体が高めに維持されるのに対し、同図(a)に示す燃費優先モードと出力優先モードを選択する運転では、燃費優先モードによる運転効果により補助電源4の出力電圧VBを低く抑えることが可能となり、これにより、燃料収容部102への燃料供給の間隔が出力優先モードのみの場合は1.0日だったものが、燃費優先モードと出力優先モードを選択する運転では、1.3日にできるようになり、燃料消費率を大幅に改善できることが実証された。
As a result, in the operation only in the output priority mode shown in FIG. 5B, the entire output voltage VB of the
したがって、このようにすれば、燃料電池本体1の発電出力が供給される補助電源4の充電電圧に相当する出力電圧VBを検出し、この出力電圧VBが上限値VBL以下で、中間値VBM以上の場合は、補助電源4の充電電圧が十分で電子機器本体3の負荷要求に対して余裕があると判断し、燃料消費効率を考慮した燃費優先モードに移行し、出力電圧VBが上限値VBL以下で、中間値VBM以下の場合は、補助電源4の充電電圧が不十分で電子機器本体3の負荷要求に対して余裕がないと判断し、出力優先を考慮した出力優先モードに移行するようにした。これにより、燃料電池本体1は、電子機器本体3の負荷要求に対して補助電源4の出力電圧VBが十分大きい場合は、燃費優先モードを選択するようになるので、この間の燃料消費率を大幅に改善することができ、経済的に有利にできる。また、電子機器本体3の負荷要求が大きくなって補助電源4の出力電圧VBが低下したような場合は、出力優先モードを選択するので、負荷要求の増大にも確実に対応することができる。また、これら燃費優先モード及び出力優先モードの選択は、補助電源4の出力電圧VBを検出するだけで、従来のように電気機器動作中の消費電力を計測する必要が全くないので、回路構成も簡単にできる。さらに、燃費優先モード及び出力優先モードは、燃料濃度は一定のままで制御電圧Vc及び制御温度Tcを制御することにより得られるので、燃料供給のための制御系が複雑になるという問題も回避できる。
Therefore, in this way, the output voltage VB corresponding to the charging voltage of the
その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、上述した実施の形態では、燃費優先モード及び出力優先モードでのそれぞれの出力は、制御部7により、出力検出部6より検出される燃料電池発電部101の出力電圧Voと温度センサ106より検出される燃料電池発電部101の発熱温度を参照して燃料電池本体1の制御電圧Vc及び制御温度Tcを制御することで得るようにしたが、制御電圧Vc及び制御温度Tcの一方のみを制御して得るようにしても良い。また、上述した実施の形態では、補助電源4の出力電圧を検出して、この出力電圧に基づいて燃費優先モード又は出力優先モードを選択するようにしたが、補助電源4の出力電流を検出し、この出力電流に基づいて燃費優先モード又は出力優先モードを選択するようにしていよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, In the implementation stage, it can change variously in the range which does not change the summary. For example, in the above-described embodiment, the outputs in the fuel consumption priority mode and the output priority mode are output from the output voltage Vo of the fuel cell
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。 Furthermore, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and is described in the column of the effect of the invention. If the above effect is obtained, a configuration from which this configuration requirement is deleted can be extracted as an invention.
さらに燃料電池発電部へ供給される液体燃料の気化成分においても、全て液体燃料の気化成分を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。 Further, the vaporized component of the liquid fuel supplied to the fuel cell power generation unit may be all supplied as the vaporized component of the liquid fuel, but the present invention is applied even when a part is supplied in the liquid state. be able to.
1…燃料電池本体、101…燃料電池発電部
102…燃料収容部、103…流路
104…ポンプ、105…燃料分配機構
106…温度センサ、2…DC/DCコンバータ、3…電子機器本体
4…補助電源、5…燃料供給制御回路
6…出力検出部、7…制御部、
701…出力設定部、702…運転モード選択部、
703…タイマー、704…ポンプ制御信号発生部、
8…補助電源出力検出部、
11…アノード触媒層、12…アノードガス拡散層
13…アノード、14…カソード触媒層
15…カソードガス拡散層、16…カソード
17…電解質膜、18…カバープレート
19…Oリング、21…燃料注入口
22…燃料排出口、23…燃料分配板
24…空隙部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell main body, 101 ... Fuel cell electric
701 ... Output setting unit, 702 ... Operation mode selection unit,
703 ... Timer, 704 ... Pump control signal generator,
8 ... Auxiliary power output detector,
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記燃料電池本体の発電出力により充電されるとともに、電子機器本体の電源として用いられる補助電源と、
前記補助電源の出力を検出する出力検出手段と、
前記出力検出手段で検出される出力に基づいて燃費優先を考慮した燃費優先モード又は出力優先を考慮した出力優先モードを選択する運転モード選択手段と、
前記運転モード選択手段で選択された優先モードに応じて前記燃料電池本体の出力を制御する制御手段と、
を具備したことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell main body that generates electric power by supplying fuel; and
An auxiliary power source that is charged by the power generation output of the fuel cell body and used as a power source for the electronic device body,
Output detection means for detecting the output of the auxiliary power supply;
An operation mode selection means for selecting a fuel efficiency priority mode considering fuel efficiency priority or an output priority mode considering output priority based on the output detected by the output detection means;
Control means for controlling the output of the fuel cell body according to the priority mode selected by the operation mode selection means;
A fuel cell system comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008195132A JP2010033904A (en) | 2008-07-29 | 2008-07-29 | Fuel cell system and electronic equipment |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2008195132A JP2010033904A (en) | 2008-07-29 | 2008-07-29 | Fuel cell system and electronic equipment |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012038457A (en) * | 2010-08-04 | 2012-02-23 | Ikutoku Gakuen | Power generation control device for fuel cell, fuel cell power generation system, power generation control method for fuel cell, and program |
-
2008
- 2008-07-29 JP JP2008195132A patent/JP2010033904A/en not_active Withdrawn
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