JP2010257619A

JP2010257619A - Fuel cell device and fuel control method

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Publication number: JP2010257619A
Application number: JP2009103559A
Authority: JP
Inventors: Mikio Takenaka; 幹雄竹中
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2010-11-11

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect an operation state of a micro pump for carrying out fuel supply of a fuel cell through noise collected by a microphone, and to appropriately carry out fuel supply based on the detected result. <P>SOLUTION: A piezoelectric actuator 3 of a micro pump is driven by a vibration control voltage Va. Noise generated at operation of the piezoelectric actuator 3 is collected through a microphone 7. An audio signal Vd is supplied to an amplifier 57, then an audio signal SVd is outputted from the amplifier 57. The audio signal SVd increases in proportion to pressurizing force F. The audio signal SVd is converted into digital data Dd to supply the digital data to a CPU 51. The CPU 51 controls switching from a dry start to a steady operation, determines that the pump chamber becomes empty, and controls appropriate fuel supply volume, based on the digital data. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池例えば直接メタノール型燃料電池に適用可能な燃料電池装置および燃料制御方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell device and a fuel control method applicable to a fuel cell, for example, a direct methanol fuel cell.

燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、代表的なものに、電解質として固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer
Electrolyte Fuel Cell)が知られている。固体高分子型燃料電池は、低コスト化が可能で、小型化、薄型化、軽量化も容易であり、電池性能の点でも高い出力密度を有することから、電子機器の駆動電源に適している。この固体高分子型燃料電池は、水素の他にメタノールや天然ガスを改質して水素を生成させて燃料とするものも開発されている。近年では、メタノールを燃料として直接燃料電池に供給し発電を行う直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ(Direct Methanol Fuel Cell)）が開発されている。 Fuel cells are classified into various types depending on the difference in electrolytes, etc., but representative ones are polymer electrolyte fuel cells (PEFC: Polymer) using solid polymer electrolytes as electrolytes.
Electrolyte Fuel Cell) is known. The polymer electrolyte fuel cell can be reduced in cost, easily reduced in size, reduced in thickness and weight, and has a high output density in terms of battery performance, so it is suitable as a drive power source for electronic devices. . In addition to hydrogen, solid polymer fuel cells have been developed that reform hydrogen and natural gas to produce hydrogen. In recent years, a direct methanol fuel cell (DMFC) has been developed that generates electricity by supplying methanol directly to a fuel cell as fuel.

直接メタノール型燃料電池は、ベースプレート上に電解質膜と一対の電極とを一体化した膜電極接合体（ＭＥＡ(Membrane and Electrode Assembly) ）と、一方の面に燃料流路、他方の面に酸化剤ガス流路を有する平板状セパレータとを交互に積層させる。燃料流路にメタノール水溶液を供給し、酸化剤ガス流路に空気を供給することにより電解質膜上で発電反応が行われる。直接メタノール燃料電池では、生成物として水と二酸化炭素が生成され、これらが排出される。 A direct methanol fuel cell has a membrane electrode assembly (MEA (Membrane and Electrode Assembly)) in which an electrolyte membrane and a pair of electrodes are integrated on a base plate, a fuel channel on one side, and an oxidant on the other side. Flat plate separators having gas flow paths are alternately stacked. A power generation reaction is performed on the electrolyte membrane by supplying a methanol aqueous solution to the fuel flow channel and supplying air to the oxidant gas flow channel. In a direct methanol fuel cell, water and carbon dioxide are produced as products and discharged.

燃料電池として、複数の単位セル（燃料電池セル）を熱可塑性樹脂シート上に平面的に配し、複数の単位セルを直列に接続する構造の薄型の燃料電池ユニットが提案されている。薄型の燃料電池例えば直接メタノール燃料電池の場合、燃料としてのメタノール水溶液が燃料カートリッジから燃料電極（以下、アノード電極と称する）に供給される。酸素（空気）が外装筐体の開口を通じて空気電極（以下、カソード電極と称する）に供給される。メタノール水溶液の供給量、空気供給量、発電温度等の運転条件が設計された最適な状態に維持されることが必要である。 As a fuel cell, a thin fuel cell unit having a structure in which a plurality of unit cells (fuel cell) are arranged in a plane on a thermoplastic resin sheet and the plurality of unit cells are connected in series has been proposed. In the case of a thin fuel cell, for example, a direct methanol fuel cell, an aqueous methanol solution as fuel is supplied from a fuel cartridge to a fuel electrode (hereinafter referred to as an anode electrode). Oxygen (air) is supplied to the air electrode (hereinafter referred to as the cathode electrode) through the opening of the outer casing. It is necessary to maintain the operating conditions such as the supply amount of the aqueous methanol solution, the supply amount of air, and the power generation temperature in the designed optimum state.

燃料電池への燃料の供給をポンプ等を使用する方式と、発電による生成物（水，二酸化炭素）をポンプ等の補機を使った排出する方式と、メタノール水溶液や空気等の自然拡散を利用し、補機を使わない方式が提案されている。一例として、圧電素子駆動タイプのダイヤフラムポンプ（以下、マイクロポンプと称する）が使用される。マイクロポンプは、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術によって提供される。 Utilizes a system that uses a pump to supply fuel to the fuel cell, a system that discharges the product (water, carbon dioxide) generated by power generation using an auxiliary device such as a pump, and natural diffusion of aqueous methanol or air However, methods that do not use auxiliary equipment have been proposed. As an example, a piezoelectric element drive type diaphragm pump (hereinafter referred to as a micro pump) is used. The micropump is provided by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.

下記の特許文献１には、マイクロポンプにおける圧電素子の挙動を検出することが記載されている。特許文献１では、ダイヤフラム駆動用圧電素子に対して検出用圧電素子を貼り付け、駆動用圧電素子に駆動信号を印加した時の立ち上がり波形からポンプ動作の異常を検出している。例えば、空気が入っていること等を検出している。 Patent Document 1 below describes detecting the behavior of a piezoelectric element in a micropump. In Patent Document 1, a detection piezoelectric element is attached to a diaphragm driving piezoelectric element, and an abnormality in pump operation is detected from a rising waveform when a driving signal is applied to the driving piezoelectric element. For example, it detects that air is contained.

特開平０３−２２５０８５号公報Japanese Patent Laid-Open No. 03-225085

マイクロポンプ内の燃料が空の状態から動作を開始する（以下、ドライスタートと適宜称する）時と、定常運転時とでは、マイクロポンプの運転条件を変えることが望ましい。ドライスタート時には、マイクロポンプの室内になるべく早く燃料を吸い込むことがドライスタートから定常運転に移行するまでの時間を短くできるので、望ましい。一方、室内に燃料がほぼ満ちている定常運転時には、ドライスタート時に比して燃料吸い込み量を少なくしないと、クロスオーバーが発生する問題がある。クロスオーバーは、メタノールの一部が空気極側にぬけてしまい、出力が大幅に低下する問題である。 It is desirable to change the operating conditions of the micropump when starting operation from the state where the fuel in the micropump is empty (hereinafter referred to as dry start as appropriate) and during steady operation. At the time of dry start, it is desirable to suck the fuel as soon as possible into the interior of the micropump because the time from the dry start to the transition to the steady operation can be shortened. On the other hand, during steady operation where the fuel is almost full in the room, there is a problem in that crossover occurs unless the amount of fuel suction is reduced compared to the dry start. The crossover is a problem that a part of methanol passes to the air electrode side and the output is greatly reduced.

従来では、発電による温度上昇を検出してドライスタートから定常運転に移行することを検出している。しかしながら、時間的な遅れが発生し、クロスオーバーが発生する問題があった。さらに、発電による温度変化を検出して定常運転時の燃料供給を適性に制御する方法も、同様の問題を生じるおそれがあった。さらに、燃料容器内の燃料が無くなったことは、目視により確認しており、自動的に燃料が無くなったことを検出することが行われていなかった。特許文献１に記載のものは、運転時の異常の検出を目的としており、燃料電池におけるドライスタートから定常運転に移行する時の問題、定常運転時の適性な燃料の供給の制御、燃料の無くなったことの検出についての技術を提供するものではなかった。 Conventionally, a temperature rise due to power generation is detected to detect a shift from dry start to steady operation. However, there is a problem that time delay occurs and crossover occurs. Further, the method for detecting the temperature change due to the power generation and appropriately controlling the fuel supply during the steady operation may cause the same problem. Further, it has been visually confirmed that the fuel in the fuel container has run out, and it has not been automatically detected that the fuel has run out. The thing of patent document 1 aims at the detection of the abnormality at the time of driving | running | working, the problem at the time of shifting from the dry start in a fuel cell to a steady operation, the control of the suitable fuel supply at the time of a steady operation, and loss of fuel It did not provide technology for detecting this.

したがって、この発明の目的は、燃料の供給を適切に制御することが可能な燃料電池装置および燃料制御方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell device and a fuel control method capable of appropriately controlling the supply of fuel.

上述した課題を解決するために、この発明は、燃料容器から発電部に至る燃料供給経路内に配置され、駆動信号に応じて燃料を発電部に供給する機能を有する圧電素子によりダイヤフラムを駆動するポンプと、
ポンプに対して駆動信号を供給する駆動部と、
ポンプの近傍に配置され、ポンプが発生する音を収集するマイクロホンと、
マイクロホンからのオーディオ信号が供給され、駆動信号を制御する制御部とを備え、
制御部によって、オーディオ信号がポンプ室内圧が低い状態を示す動作開始時に、駆動信号による駆動周期を、オーディオ信号がポンプ室内圧が高い状態を示す定常運転時の駆動周期に比してより短いものとする燃料電池装置である。
この発明は、燃料容器から発電部に至る燃料供給経路内に配置され、駆動信号に応じて燃料を発電部に供給する機能を有する圧電素子によりダイヤフラムを駆動するポンプと、
ポンプに対して駆動信号を供給する駆動部と、
ポンプの近傍に配置され、ポンプが発生する音を収集するマイクロホンと、
マイクロホンからのオーディオ信号が供給され、駆動信号を制御する制御部とを備え、
制御部によって、オーディオ信号によってポンプ室内の燃料がほぼ空の状態を検出する場合にポンプの動作を停止し、
オーディオ信号によって発電部に対する燃料供給量が過大なことを検出する場合に、駆動信号による駆動周期をより長いものとする燃料電池装置である。 In order to solve the above-described problems, the present invention drives a diaphragm by a piezoelectric element that is disposed in a fuel supply path from a fuel container to a power generation unit and has a function of supplying fuel to the power generation unit according to a drive signal. A pump,
A drive unit for supplying a drive signal to the pump;
A microphone that is placed near the pump and collects the sound generated by the pump;
The audio signal from the microphone is supplied, and a control unit that controls the drive signal is provided.
When the control unit starts the operation in which the audio signal indicates that the pump chamber pressure is low, the drive cycle by the drive signal is shorter than the drive cycle in steady operation in which the audio signal indicates that the pump chamber pressure is high This is a fuel cell device.
The present invention is a pump that is arranged in a fuel supply path from a fuel container to a power generation unit, and that drives a diaphragm by a piezoelectric element having a function of supplying fuel to the power generation unit according to a drive signal;
A drive unit for supplying a drive signal to the pump;
A microphone that is placed near the pump and collects the sound generated by the pump;
The audio signal from the microphone is supplied, and a control unit that controls the drive signal is provided.
When the control unit detects that the fuel in the pump chamber is almost empty by the audio signal, the operation of the pump is stopped,
In the fuel cell device, when it is detected by the audio signal that the amount of fuel supplied to the power generation unit is excessive, the drive cycle by the drive signal is made longer.

この発明は、燃料容器から発電部に至る燃料供給経路内に配置され、駆動信号に応じて燃料を発電部に供給する機能を有する圧電素子によりダイヤフラムを駆動するポンプと、ポンプの近傍に配置され、ポンプが発生する音を収集するマイクロホンとを備える燃料制御方法において、
マイクロホンからのオーディオ信号がポンプ室内圧が低い状態を示す動作開始時に、駆動信号による駆動周期を、マイクロホンからのオーディオ信号がポンプ室内圧が高い状態を示す定常運転時の駆動周期に比してより短いものとする燃料制御方法である。
この発明は、燃料容器から発電部に至る燃料供給経路内に配置され、駆動信号に応じて燃料を発電部に供給する機能を有する圧電素子によりダイヤフラムを駆動するポンプと、ポンプの近傍に配置され、ポンプが発生する音を収集するマイクロホンとを備える燃料制御方法において、
オーディオ信号によってポンプ室内の燃料がほぼ空の状態を検出する場合にポンプの動作を停止し、
オーディオ信号によって発電部に対する燃料供給量が過大なことを検出する場合に、駆動信号による駆動周期をより長いものとする燃料制御方法である。 The present invention is disposed in a fuel supply path from a fuel container to a power generation unit, and is disposed in the vicinity of a pump that drives a diaphragm by a piezoelectric element having a function of supplying fuel to the power generation unit according to a drive signal. In a fuel control method comprising a microphone for collecting sound generated by a pump,
At the start of operation when the audio signal from the microphone indicates that the pump chamber pressure is low, the drive cycle by the drive signal is compared to the drive cycle during steady operation where the audio signal from the microphone indicates that the pump chamber pressure is high. This is a fuel control method that is short.
The present invention is disposed in a fuel supply path from a fuel container to a power generation unit, and is disposed in the vicinity of a pump that drives a diaphragm by a piezoelectric element having a function of supplying fuel to the power generation unit according to a drive signal. In a fuel control method comprising a microphone for collecting sound generated by a pump,
When the audio signal detects that the fuel in the pump chamber is almost empty,
In the fuel control method, when it is detected by the audio signal that the amount of fuel supplied to the power generation unit is excessive, the drive cycle by the drive signal is made longer.

この発明によれば、ドライスタート時から定常運転時への移行の時間を短縮でき、定常運転時の燃料供給を適性に制御でき、さらに、ポンプ室内の燃料がほぼ空になったことを自動的に検出できる。発電による温度変化を検出するのと比較して、制御動作が遅れることを防止することができる。 According to the present invention, the transition time from the dry start to the steady operation can be shortened, the fuel supply during the steady operation can be appropriately controlled, and the fact that the fuel in the pump chamber is almost empty is automatically detected. Can be detected. Compared to detecting a temperature change due to power generation, it is possible to prevent the control operation from being delayed.

この発明の一実施の形態の概略的な断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of the present invention. この発明の一実施の形態に使用できるマイクロホンの一例の断面図である。It is sectional drawing of an example of the microphone which can be used for one embodiment of this invention. この発明の一実施の形態に使用できる燃料電池の説明に用いる分解斜視図である。It is a disassembled perspective view used for description of the fuel cell which can be used for one embodiment of this invention. この発明の一実施の形態に使用できる圧電アクチュエータの説明に用いる略線図である。It is a basic diagram used for description of the piezoelectric actuator which can be used for one embodiment of this invention. この発明の一実施の形態における圧電アクチュエータの振動制御電圧と変位の振幅の関係を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the relationship between the vibration control voltage of the piezoelectric actuator in one embodiment of this invention, and the amplitude of a displacement. この発明の一実施の形態の駆動制御部の一例の接続図である。It is a connection diagram of an example of a drive control unit of an embodiment of the present invention. この発明の一実施の形態における加圧力とオーディオ信号の振幅の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the applied pressure and the amplitude of an audio signal in one embodiment of this invention. この発明の一実施の形態のマイクロポンプの動作の説明に用いる略線図である。It is a basic diagram used for description of operation | movement of the micropump of one embodiment of this invention. この発明の一実施の形態のマイクロポンプの駆動制御処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the drive control process of the micro pump of one Embodiment of this invention. この発明の一実施の形態のマイクロポンプの駆動制御処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the drive control process of the micro pump of one Embodiment of this invention.

以下、この発明の実施の形態について説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
＜１．一実施の形態＞
＜２．変形例＞
なお、以下に説明する実施の形態は、この発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発明の範囲は、以下の説明において、特にこの発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。 Embodiments of the present invention will be described below. The description will be given in the following order.
<1. Embodiment>
<2. Modification>
The embodiments described below are preferred specific examples of the present invention, and various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention is not limited to the present invention in the following description. Unless otherwise specified, the present invention is not limited to these embodiments.

＜１．一実施の形態＞
「全体の構成」
図１は、この発明の一実施の形態による燃料電池装置の断面を概略的に示す。燃料電池は、アルコール、糖分、脂質、など各種の材料を燃料としても良い。ここでは、メタノールを燃料とするいわゆるダイレクトメタルール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例として説明する。 <1. Embodiment>
"Overall Configuration"
FIG. 1 schematically shows a cross section of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. The fuel cell may use various materials such as alcohol, sugar, and lipid as fuel. Here, a so-called direct metallurgy fuel cell (DMFC) using methanol as fuel will be described as an example.

ガラス基板１上にマイクロポンプがＭＥＭＳの技術でもって形成される。すなわち、薄板のダイヤフラム２が形成され、ダイヤフラム２に圧電アクチュエータ３が積層される。ダイヤフラム２の面と対向して閉空間のポンプ室４が形成される。 A micropump is formed on the glass substrate 1 by the MEMS technique. That is, a thin diaphragm 2 is formed, and the piezoelectric actuator 3 is laminated on the diaphragm 2. A closed pump chamber 4 is formed facing the surface of the diaphragm 2.

圧電アクチュエータ３が駆動制御部からの駆動信号によって駆動され、圧電アクチュエータ３が厚み方向に振動する。圧電アクチュエータ３に貼り付けられたダイヤフラム２が振動し、吸入口５を通じて燃料カートリッジ（図示せず）からの燃料例えばメタノール水溶液が配管（図示せず）を介してポンプ室４内に吸入される。さらに、ポンプ室４内に吸引された燃料が排出口６から排出される。吸入口５および排出口６のそれぞれに駆動制御部からの制御信号によって開閉が制御可能な弁が設けられている。一例として、マイクロポンプが駆動された場合、燃料の吸入量と排出量とが等しいものとされている。 The piezoelectric actuator 3 is driven by a drive signal from the drive control unit, and the piezoelectric actuator 3 vibrates in the thickness direction. The diaphragm 2 attached to the piezoelectric actuator 3 vibrates, and fuel, for example, an aqueous methanol solution from a fuel cartridge (not shown) is sucked into the pump chamber 4 through a suction port 5 via a pipe (not shown). Further, the fuel sucked into the pump chamber 4 is discharged from the discharge port 6. Each of the suction port 5 and the discharge port 6 is provided with a valve whose opening and closing can be controlled by a control signal from a drive control unit. As an example, when the micropump is driven, the intake amount and the discharge amount of fuel are equal.

圧電アクチュエータ３の近傍にＭＥＭＳの技術によってマイクロホン７が配置されている。マイクロホン７によって圧電アクチュエータ３によって動作するマイクロホンの音が収集される。マイクロホン７は、例えばマイクロポンプと共通のガラス基板１上に形成される。マイクロポンプに対して発電部１１が積層される。発電部１１は、マイクロポンプの排出口６から燃料が供給されるアノード電極と、空気が供給されるカソード電極と、アノード電極およびカソード電極により挟まれる膜電極接合体と、アノード電極と積層されたアノード板状部材とを有する。 A microphone 7 is disposed in the vicinity of the piezoelectric actuator 3 by MEMS technology. The sound of the microphone operated by the piezoelectric actuator 3 is collected by the microphone 7. For example, the microphone 7 is formed on the glass substrate 1 common to the micropump. The power generation unit 11 is stacked on the micropump. The power generation unit 11 is laminated with an anode electrode supplied with fuel from the discharge port 6 of the micropump, a cathode electrode supplied with air, a membrane electrode assembly sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode, and the anode electrode. And an anode plate member.

「マイクロホンの構造」
ＭＥＭＳマイクロホン７の構造の一例を図２に示す。プリント配線基板２５上にダイヤフラム２６およびバックプレート電極２７が形成される。蓋２８に音孔２８ａが形成されている。プリント配線基板２５上にＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)のＩＣ(Integrated Circuit) ２９が設けられている。ＩＣ２９には、例えばプリアンプが含まれている。なお、マイクロホン７としては、図２に示す構成に限らず、他の箇所に音孔を設けたマイクロホン等を使用できる。 "Microphone structure"
An example of the structure of the MEMS microphone 7 is shown in FIG. A diaphragm 26 and a back plate electrode 27 are formed on the printed wiring board 25. A sound hole 28 a is formed in the lid 28. An integrated circuit (IC) 29 of CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) is provided on the printed wiring board 25. For example, the IC 29 includes a preamplifier. Note that the microphone 7 is not limited to the configuration shown in FIG. 2, and a microphone or the like provided with sound holes in other locations can be used.

「燃料電池の構造」
図示せぬシャーシ上にメイン基板および燃料電池が取り付けられる。メイン基上には、燃料電池制御回路、制御用のＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ等の回路部品が
マウントされている。シャーシに取り付けられる燃料電池の一例を図３に示す。 "Structure of fuel cell"
A main board and a fuel cell are mounted on a chassis (not shown). On the main base, circuit components such as a fuel cell control circuit, a control CPU (Central Processing Unit), and a memory are mounted. An example of the fuel cell attached to the chassis is shown in FIG.

燃料電池は、発電部１１を有する。発電部１１は、例えば６個の発電ユニットが平面状に配置され、互いに直列に接続された構成を有する。発電部１１は、アノード電極およびカソード電極によって電解質膜を挟んだ構造の膜電極接合体が絶縁シート等によって互いに連結されたものである。図２に示すように、集電体および絶縁層からなるカソードプレート（カソード板状部材）１２およびアノードプレート（アノード板状部材）１３によって膜電極接合体１４が挟まれている。発電部１１から正負の電極に対応するリード１５ａおよび１５ｂが導出されている。 The fuel cell has a power generation unit 11. The power generation unit 11 has a configuration in which, for example, six power generation units are arranged in a planar shape and are connected in series with each other. In the power generation unit 11, membrane electrode assemblies having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode are connected to each other by an insulating sheet or the like. As shown in FIG. 2, a membrane electrode assembly 14 is sandwiched between a cathode plate (cathode plate member) 12 and an anode plate (anode plate member) 13 made of a current collector and an insulating layer. Leads 15 a and 15 b corresponding to positive and negative electrodes are led out from the power generation unit 11.

さらに、燃料をアノード電極に供給するための上述したマイクロポンプ１６がパッキング１７を介して設けられている。マイクロポンプ１６によって燃料が発電部１１に供給される。カソードプレート１２の集電体としては、ステンレス、アルミニウム等のパンチングメタルやメッシュが用いられる。 Further, the above-described micropump 16 for supplying fuel to the anode electrode is provided via the packing 17. Fuel is supplied to the power generation unit 11 by the micropump 16. As the current collector of the cathode plate 12, a punching metal such as stainless steel or aluminum or a mesh is used.

発電部１１、パッキング１７およびマイクロポンプ１６が積層され、フレーム１８内に収納される。さらに、フレーム１９およびビスによって積層状態が固定される。フレーム１９は、各コーナーに取り付け用のタブ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを有する。フレーム１８にも同様の位置に取り付け用のタブが設けられ、積層した状態でタブ同士が重なり合うようにされる。各タブには、ビスを貫通させる孔が形成されている。さらに、マイクロポンプ１６には、燃料受入部２１が形成されている。 The power generation unit 11, the packing 17, and the micropump 16 are stacked and housed in the frame 18. Further, the laminated state is fixed by the frame 19 and screws. The frame 19 has tabs 20a, 20b, 20c, and 20d for attachment at each corner. The frame 18 is also provided with mounting tabs at the same position, and the tabs are overlapped in a stacked state. Each tab has a hole through which a screw passes. Furthermore, a fuel receiving portion 21 is formed in the micropump 16.

シャーシまたは筐体に対してビスによって燃料電池が取り付けられる。さらに、燃料供給用のチューブの端部がマイクロポンプ１６の燃料受入部２１に接続される。さらに、配線用のハーネス（図示せず）が接続される。 A fuel cell is attached to the chassis or the case by screws. Furthermore, the end of the fuel supply tube is connected to the fuel receiving portion 21 of the micropump 16. Further, a wiring harness (not shown) is connected.

「圧電アクチュエータの一例」
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、圧電アクチュエータ３は、給電電極３１、圧電素子３２、給電電極３３が積層されたものである。圧電素子３２としては、ＰＺＴ等の圧電セラミックスを材料とするものを使用できる。給電電極３１からリードＬ１が導出され、給電電極３３からリードＬ２が導出される。 "Example of piezoelectric actuator"
As shown in FIG. 4A and FIG. 4B, the piezoelectric actuator 3 is formed by laminating a feeding electrode 31, a piezoelectric element 32, and a feeding electrode 33. As the piezoelectric element 32, a material made of a piezoelectric ceramic such as PZT can be used. A lead L1 is led out from the power feeding electrode 31, and a lead L2 is led out from the power feeding electrode 33.

図４Ｂに示すように、給電電極３１および３３の間にアクチュエータ振動制御電圧Ｖａが印加される。振動制御電圧Ｖａに応じて圧電素子３２が撓む。圧電素子３２としては、１枚の圧電素子の板から構成に限らず、２枚以上の圧電素子の板を積層した構成のものを使用できる。 As shown in FIG. 4B, the actuator vibration control voltage Va is applied between the power feeding electrodes 31 and 33. The piezoelectric element 32 bends according to the vibration control voltage Va. The piezoelectric element 32 is not limited to a configuration including a single piezoelectric element plate, and a configuration in which two or more piezoelectric element plates are stacked can be used.

図５Ａに示すように、例えば４Ｖpp(Peak to Peak)のパルス波形のアクチュエータ振動制御電圧Ｖａが印加された場合の圧電素子３２の変位について説明する。マイクロポンプのポンプ室４（図１参照）内に燃料が殆ど入っておらず、ポンプ室４の圧力が低い場合には、図５Ａに示すように、圧電素子３２の変位の振幅は、例えば２０．５μｍとなる。一方、マイクロポンプのポンプ室４内が燃料で満たされ、ポンプ室４の圧力が高い場合には、図５Ｂに示すように、同じ振動制御電圧Ｖａを印加した場合に、圧電素子３２の変位の振幅は、例えば１８．３μｍとなる。 As shown in FIG. 5A, the displacement of the piezoelectric element 32 when an actuator vibration control voltage Va having a pulse waveform of 4 Vpp (Peak to Peak), for example, is applied will be described. When almost no fuel is contained in the pump chamber 4 (see FIG. 1) of the micro pump and the pressure in the pump chamber 4 is low, the displacement amplitude of the piezoelectric element 32 is, for example, 20 as shown in FIG. 5A. .5 μm. On the other hand, when the pump chamber 4 of the micro pump is filled with fuel and the pressure in the pump chamber 4 is high, the displacement of the piezoelectric element 32 is reduced when the same vibration control voltage Va is applied as shown in FIG. 5B. The amplitude is, for example, 18.3 μm.

すなわち、ポンプ室４の内圧が高い場合、内圧が低い場合に比して変位の振幅が小となる。変位の振幅が大きい場合、変位の振幅が小さい場合に比して振動時に発生する音が大きい。したがって、ポンプ室４の圧力が低い場合に比してその圧力が高い場合は、マイクロホン７により検出されるオーディオ信号が小となる。後述するように、マイクロホン７の出力オーディオ信号を増幅するアンプとして反転アンプを使用しているので、検出信号としてのオーディオ信号の振幅がポンプ室４の圧力に比例したものとなる。なお、実際の振動制御電圧Ｖａとしては、例えば圧電アクチュエータ３の共振周波数に等しい周波数の正弦波が所定時間継続する期間と、正弦波が存在しない期間とが交互に存在する波形が使用される。 That is, when the internal pressure of the pump chamber 4 is high, the displacement amplitude is smaller than when the internal pressure is low. When the amplitude of displacement is large, the sound generated during vibration is louder than when the amplitude of displacement is small. Therefore, when the pressure in the pump chamber 4 is high compared to when the pressure in the pump chamber 4 is low, the audio signal detected by the microphone 7 is small. As will be described later, since an inverting amplifier is used as an amplifier for amplifying the output audio signal of the microphone 7, the amplitude of the audio signal as the detection signal is proportional to the pressure in the pump chamber 4. As an actual vibration control voltage Va, for example, a waveform in which a period in which a sine wave having a frequency equal to the resonance frequency of the piezoelectric actuator 3 continues for a predetermined time and a period in which no sine wave exists alternately exist is used.

「圧電アクチュエータの駆動制御部」
図６においては、圧電アクチュエータ３に対して加わるポンプ室４の内圧に相当する加圧力がＦでもって示されている。Ｄ／Ａコンバータ５４から振動制御信号ＳＶａが出力される。振動制御信号ＳＶａが出力アンプ５５に供給され、出力アンプ５５からの振動制御電圧Ｖａが圧電アクチュエータ３の圧電素子３２に対して印加される。圧電素子３２が振動制御電圧Ｖａによって駆動される。Ｄ／Ａコンバータ５４と、出力アンプ５５とがアクチュエータ駆動回路５３を構成する。 "Piezoelectric actuator drive controller"
In FIG. 6, an applied pressure corresponding to the internal pressure of the pump chamber 4 applied to the piezoelectric actuator 3 is indicated by F. A vibration control signal SVa is output from the D / A converter 54. The vibration control signal SVa is supplied to the output amplifier 55, and the vibration control voltage Va from the output amplifier 55 is applied to the piezoelectric element 32 of the piezoelectric actuator 3. The piezoelectric element 32 is driven by the vibration control voltage Va. The D / A converter 54 and the output amplifier 55 constitute an actuator drive circuit 53.

ＭＥＭＳマイクロホン７からのオーディオ信号Ｖｄが反転増幅器の構成のアンプ５７に供給される。アンプ５７の出力に取り出されるオーディオ信号ＳＶｄの振幅は、図７に示すように、加圧力Ｆに比例して大きくなる。オーディオ信号ＳＶｄがＡ／Ｄコンバータ５８によってオーディオデータＤｄに変換される。 The audio signal Vd from the MEMS microphone 7 is supplied to an amplifier 57 configured as an inverting amplifier. The amplitude of the audio signal SVd taken out from the output of the amplifier 57 increases in proportion to the applied pressure F as shown in FIG. The audio signal SVd is converted into audio data Dd by the A / D converter 58.

オーディオデータＤｄがコントローラとしてのＣＰＵ(Central Processing Unit)５１
のＡ／Ｄ入力ポートに供給される。ＣＰＵ５１に対してメモリ５２が接続されている。メモリ５２は、振動制御電圧Ｖａに対応する駆動パターンデータが格納されている。例えば短い周期の振動制御電圧を発生する駆動パターン、長い周期の振動制御電圧を発生する駆動パターン等のデータがメモリ５２に格納されている。 Audio data Dd is a CPU (Central Processing Unit) 51 as a controller.
To the A / D input port. A memory 52 is connected to the CPU 51. The memory 52 stores drive pattern data corresponding to the vibration control voltage Va. For example, data such as a drive pattern for generating a vibration control voltage with a short cycle and a drive pattern for generating a vibration control voltage with a long cycle are stored in the memory 52.

ＣＰＵ５１によってメモリ５２が制御され、ＣＰＵ５１が指定した駆動パターンデータＤｐがメモリ５２から読み出される。さらに、駆動パターンデータＤｐがＣＰＵ５１の制御によって、アクチュエータ駆動回路５３のＤ／Ａコンバータ５４に対して供給される。Ｄ／Ａコンバータ５４によって駆動パターンデータＤｐがアナログの振動制御信号ＳＶａへ変換される。振動制御信号ＳＶａが出力アンプ５５に供給され、出力アンプ５５から出力される振動制御電圧Ｖａが圧電アクチュエータ３に供給される。 The memory 51 is controlled by the CPU 51, and the drive pattern data Dp designated by the CPU 51 is read from the memory 52. Further, drive pattern data Dp is supplied to the D / A converter 54 of the actuator drive circuit 53 under the control of the CPU 51. The drive pattern data Dp is converted into an analog vibration control signal SVa by the D / A converter 54. The vibration control signal SVa is supplied to the output amplifier 55, and the vibration control voltage Va output from the output amplifier 55 is supplied to the piezoelectric actuator 3.

「マイクロポンプの制御」
この発明の一実施の形態の理解を容易とするために、燃料供給用のマイクロポンプの基本動作について図８を参照して説明する。燃料カートリッジ７１が取り付けられる時は、マイクロポンプ７２の内部に殆ど燃料が存在していない。この状態から燃料のマイクロポンプ７２内への移送が開始される（ドライスタート動作）。 "Micro pump control"
In order to facilitate understanding of one embodiment of the present invention, the basic operation of the micropump for fuel supply will be described with reference to FIG. When the fuel cartridge 71 is attached, almost no fuel is present inside the micropump 72. From this state, the transfer of fuel into the micropump 72 is started (dry start operation).

図８Ａに示すように、燃料カートリッジ７１内の燃料がマイクロポンプ７２内に移送されるように、駆動制御部７３がマイクロポンプ７２を制御する。駆動制御部７３は、図５を参照して説明したものである。ドライスタート時には、マイクロポンプ７２のポンプ室が空の状態からポンプの動作が開始する。そして、図８Ｂに示すように、ポンプ室に燃料がほぼ一杯になると、発電部１１に対して燃料の供給が開始される。発電部１１が発電動作を行う定常運転モードとなる。 As shown in FIG. 8A, the drive control unit 73 controls the micropump 72 so that the fuel in the fuel cartridge 71 is transferred into the micropump 72. The drive control unit 73 has been described with reference to FIG. At the time of dry start, the operation of the pump is started when the pump chamber of the micro pump 72 is empty. Then, as shown in FIG. 8B, when the fuel in the pump chamber is almost full, the supply of fuel to the power generation unit 11 is started. The power generation unit 11 is in a steady operation mode in which a power generation operation is performed.

ドライスタート時に、ポンプ室内に速く燃料を充填するために、マイクロポンプ７２が急速に燃料を吸入するようになされる。駆動制御部７３は、圧電アクチュエータ３に対する振動制御電圧Ｖａの周期を定常運転モードに比して短くする。例えば所定周期で１秒間に６回発生する振動制御電圧Ｖａでもってマイクロポンプ７２が駆動される。１個の振動制御電圧Ｖａによって所定量例えば２マイクロリットルの燃料の吸入、排出がなされる。定常運転時には、例えば１０秒間に１個のパルスによってマイクロポンプ７２が駆動される。 At the time of dry start, in order to quickly fill the pump chamber with fuel, the micropump 72 rapidly sucks the fuel. The drive control unit 73 shortens the cycle of the vibration control voltage Va for the piezoelectric actuator 3 as compared with the steady operation mode. For example, the micropump 72 is driven with the vibration control voltage Va generated six times per second in a predetermined cycle. A predetermined amount, for example, 2 microliters of fuel is sucked and discharged by one vibration control voltage Va. During steady operation, for example, the micropump 72 is driven by one pulse every 10 seconds.

図８Ｃに示すように、定常運転モードでは、燃料カートリッジ７１の内圧の変動および発電部１１の内圧の変動が温度変化等によって生じる。その結果、マイクロポンプ７２から発電部７１に対して供給される燃料の量が変動し、発電部１１の出力が設定値と異なる問題が生じる。 As shown in FIG. 8C, in the steady operation mode, the fluctuation of the internal pressure of the fuel cartridge 71 and the fluctuation of the internal pressure of the power generation unit 11 are caused by a temperature change or the like. As a result, the amount of fuel supplied from the micropump 72 to the power generation unit 71 varies, causing a problem that the output of the power generation unit 11 is different from the set value.

さらに、図８Ｄに示すように、定常運転中に燃料カートリッジ７１内の燃料が空になると、燃料カートリッジ７１を交換する必要が生じる。燃料カートリッジ７１内の燃料の残存状態を目視によって確認するようになされていた。 Further, as shown in FIG. 8D, when the fuel in the fuel cartridge 71 becomes empty during the steady operation, the fuel cartridge 71 needs to be replaced. The remaining state of the fuel in the fuel cartridge 71 is confirmed visually.

この発明の一実施の形態においては、マイクロポンプ７２の動作が駆動制御部７３によって制御される。図９に示すように、ステップＳ１において、ドライスタートがなされる。マイクロポンプが短い周期の振動制御電圧Ｖａによって駆動され、燃料カートリッジ７１から燃料がポンプ室内に吸引される。燃料の供給に伴ってポンプ室の内圧が徐々に増大する。図９のフローチャートは、ＣＰＵ５１（図６参照）の制御によってなされる処理の流れを表している。なお、ＣＰＵ５１では、オーディオデータＤｄに基づいて制御を行うが、以下の説明では、オーディオデータＤｄの代わりにオーディオ信号ＳＶｄを使用するものとして説明する。 In one embodiment of the present invention, the operation of the micropump 72 is controlled by the drive control unit 73. As shown in FIG. 9, in step S1, a dry start is performed. The micro pump is driven by the vibration control voltage Va having a short cycle, and fuel is sucked from the fuel cartridge 71 into the pump chamber. As the fuel is supplied, the internal pressure of the pump chamber gradually increases. The flowchart of FIG. 9 represents the flow of processing performed under the control of the CPU 51 (see FIG. 6). Note that the CPU 51 performs control based on the audio data Dd, but in the following description, it is assumed that the audio signal SVd is used instead of the audio data Dd.

ポンプ室の内圧の増大に伴って圧電アクチュエータ３に対する加圧力が増大し、オーディオ信号ＳＶｄが増大する。ステップＳ２において、オーディオ信号ＳＶｄと予め設定されたしきい値Ｖth１とが比較される。ポンプ室内に燃料が徐々に供給され、ポンプ室内にほぼ燃料が充填されると、ステップＳ２において、（ＳＶｄ≧Ｖth１）と判定される。 As the internal pressure of the pump chamber increases, the pressure applied to the piezoelectric actuator 3 increases, and the audio signal SVd increases. In step S2, the audio signal SVd is compared with a preset threshold value Vth1. When the fuel is gradually supplied into the pump chamber and the pump chamber is almost filled with fuel, it is determined in step S2 that (SVd ≧ Vth1).

ステップＳ２の判定結果が肯定となると、ステップＳ３において、ドライスタートから定常運転モードに切り替わる。定常運転モードでは、ドライスタート時の周期に比して長い周期の振動制御電圧Ｖａによってマイクロポンプ７２が駆動される。 If the determination result in step S2 is affirmative, in step S3, the operation mode is switched from the dry start to the steady operation mode. In the steady operation mode, the micropump 72 is driven by the vibration control voltage Va having a cycle longer than that at the dry start.

次に、定常運転時のマイクロポンプ７２の制御について図１０を参照して説明する。定常運転時にステップＳ１１において、オーディオ信号ＳＶｄが予め設定されたしきい値Ｖth２と比較される。しきい値Ｖth２は、ポンプ室内が空となり、加圧力が最も低くなる状態に対応する値である。ステップＳ１１において、（ＳＶｄ＜Ｖth２）と判定されると、ポンプ室内の燃料が無くなったと判定される。したがって、燃料が無くなったことを自動的に検出することができる。 Next, the control of the micropump 72 during steady operation will be described with reference to FIG. In step S11 during steady operation, the audio signal SVd is compared with a preset threshold value Vth2. The threshold value Vth2 is a value corresponding to a state where the pump chamber is empty and the applied pressure is the lowest. If it is determined in step S11 that (SVd <Vth2), it is determined that the fuel in the pump chamber has run out. Therefore, it can be automatically detected that the fuel has run out.

ステップＳ１１の判定が肯定となると、ステップＳ１４において、振動制御電圧Ｖａの供給が停止し、マイクロポンプ７１の駆動が停止される。そして、次のステップＳ１５において、終了モードとなる。終了モードは、燃料カートリッジが空になったことを通知する表示を行ったり、弁を閉じたりする処理である。終了モードになると、燃料カートリッジの交換が可能となる。 If the determination in step S11 is affirmative, in step S14, the supply of the vibration control voltage Va is stopped, and the driving of the micropump 71 is stopped. Then, in the next step S15, the end mode is set. The end mode is a process of performing a display notifying that the fuel cartridge is empty or closing the valve. In the end mode, the fuel cartridge can be replaced.

ポンプ室内に燃料が有るときは、ステップＳ１１の判定が否定となり、ステップＳ１２において、オーディオ信号ＳＶｄが予め設定されたしきい値Ｖth３と比較される。しきい値Ｖth３は、燃料カートリッジ７１の温度が上昇する等の原因によって、燃料カートリッジ７１からポンプ室内に流入する燃料が過多となる場合の加圧力に対応する値である。過流入の場合では、ポンプ室内に対する燃料の供給量が排出量より多くなり、ポンプ室内の加圧力が高くなりすぎたり、発電部１１への排出量が過大となったりする問題が発生する。しきい値Ｖth１、Ｖth２おいてＶth３の関係は、加圧力に対応して（Ｖth２＜Ｖth１＜Ｖth３）の関係を有する。 When there is fuel in the pump chamber, the determination in step S11 is negative, and in step S12, the audio signal SVd is compared with a preset threshold value Vth3. The threshold value Vth3 is a value corresponding to the pressure applied when the amount of fuel flowing from the fuel cartridge 71 into the pump chamber becomes excessive due to a cause such as an increase in the temperature of the fuel cartridge 71. In the case of excessive inflow, there is a problem that the amount of fuel supplied to the pump chamber becomes larger than the discharge amount, the pressurizing pressure in the pump chamber becomes too high, or the discharge amount to the power generation unit 11 becomes excessive. The relationship of Vth3 in the threshold values Vth1 and Vth2 has a relationship of (Vth2 <Vth1 <Vth3) corresponding to the applied pressure.

ステップＳ１２において、（ＳＶｄ＜Ｖth３）と判定されると、過流入ではないので、処理がステップＳ１１に戻る。ステップＳ１２において、（ＳＶｄ≧Ｖth３）と判定されると、過流入であることが推定され、ステップＳ１３において、駆動条件が変更される。すなわち、振動制御電圧Ｖａの周期がより長いものに変更される。 If it is determined in step S12 that (SVd <Vth3), it is not excessive inflow, so the process returns to step S11. If it is determined in step S12 that (SVd ≧ Vth3), it is estimated that there is excessive inflow, and in step S13, the drive condition is changed. That is, the vibration control voltage Va is changed to a longer cycle.

なお、ステップＳ１２において、過流入の検出に加えて、オーディオ信号ＳＶｄを二つの異なるしきい値と比較し、比較結果に応じて駆動条件を変更しても良い。常時、フィードバック制御が行われることによって、定常運転時に、ポンプ室内の加圧力が設定された範囲内に制御される。このような制御によって、燃料の安定な供給が可能となり、燃料電池の発電出力のばらつきを抑えることができる。 In step S12, in addition to detection of excessive inflow, the audio signal SVd may be compared with two different threshold values, and the drive condition may be changed according to the comparison result. By constantly performing feedback control, the pressure in the pump chamber is controlled within a set range during steady operation. Such control enables a stable supply of fuel and suppresses variations in the power generation output of the fuel cell.

＜２．変形例＞
この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えばこの発明は、着脱自在の燃料カートリッジに限らず、燃料タンクを使用する場合にも適用できる。燃料タンクに対しては、別の容器から燃料が注液される。さらに、図５に示す駆動制御部の構成は、一例であって、他の回路構成が可能である。さらに、マイクロホンによって収集されたオーディオ信号の振幅を検出する方法以外に、オーディオ信号の周波数の変化によってマイクロポンプのポンプ室内の圧力を検出するようにしても良い。 <2. Modification>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. For example, the present invention can be applied not only to a detachable fuel cartridge but also to the use of a fuel tank. For the fuel tank, fuel is injected from another container. Furthermore, the configuration of the drive control unit shown in FIG. 5 is an example, and other circuit configurations are possible. Further, in addition to the method of detecting the amplitude of the audio signal collected by the microphone, the pressure in the pump chamber of the micro pump may be detected by a change in the frequency of the audio signal.

２・・・ダイヤフラム
３・・・圧電アクチュエータ
４・・・ポンプ室
５・・・吸入口
６・・・排出口
７・・・マイクロホン
１１・・・発電部
１４・・・膜電極集合体
１６・・・マイクロポンプ
３２・・・圧電素子
５１・・・ＣＰＵ
５３・・・アクチュエータ駆動回路
７１・・・燃料カートリッジ
７２・・・マイクロポンプ 2 ... diaphragm 3 ... piezoelectric actuator 4 ... pump chamber 5 ... suction port 6 ... discharge port 7 ... microphone 11 ... power generation unit 14 ... membrane electrode assembly 16 ..Micro pump 32 ... Piezoelectric element 51 ... CPU
53 ... Actuator drive circuit 71 ... Fuel cartridge 72 ... Micro pump

Claims

A pump that is arranged in a fuel supply path from the fuel container to the power generation unit and drives the diaphragm by a piezoelectric element having a function of supplying fuel to the power generation unit in accordance with a drive signal;
A drive unit for supplying the drive signal to the pump;
A microphone disposed near the pump and collecting the sound generated by the pump;
An audio signal from the microphone is supplied, and includes a control unit that controls the drive signal,
When the controller starts an operation in which the audio signal indicates that the pump chamber pressure is low, the drive cycle by the drive signal is indicated, and in the steady operation in which the audio signal indicates a state where the pump chamber pressure is high. A fuel cell device that is shorter than the above.

A pump that is arranged in a fuel supply path from the fuel container to the power generation unit and drives the diaphragm by a piezoelectric element having a function of supplying fuel to the power generation unit in accordance with a drive signal;
A drive unit for supplying the drive signal to the pump;
A microphone disposed near the pump and collecting the sound generated by the pump;
An audio signal from the microphone is supplied, and includes a control unit that controls the drive signal,
When the control unit detects that the fuel in the pump chamber is almost empty by the audio signal, the operation of the pump is stopped,
A fuel cell device that makes a drive cycle of the drive signal longer when detecting that the amount of fuel supplied to the power generation unit is excessive based on the audio signal.

The power generation unit includes an anode electrode supplied with fuel, a cathode electrode supplied with air, a membrane electrode assembly sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode, and an anode plate member laminated with the anode electrode The fuel cell device according to claim 1, comprising:

The fuel cell device according to claim 2, wherein the operation of the fuel pump is stopped and a notification is generated.

A pump that is disposed in a fuel supply path from a fuel container to a power generation unit and that drives a diaphragm by a piezoelectric element having a function of supplying fuel to the power generation unit in response to a drive signal; and disposed in the vicinity of the pump, In a fuel control method comprising a microphone for collecting sound generated by a pump,
At the start of an operation in which the audio signal from the microphone indicates that the pump chamber pressure is low, the driving cycle by the drive signal is indicated, and the audio signal from the microphone is in the steady operation in which the pump chamber pressure is high. A fuel control method that is shorter than the driving cycle.

A pump that is disposed in a fuel supply path from a fuel container to a power generation unit and that drives a diaphragm by a piezoelectric element having a function of supplying fuel to the power generation unit in response to a drive signal; and disposed in the vicinity of the pump, In a fuel control method comprising a microphone for collecting sound generated by a pump,
Stopping the operation of the pump when the audio signal detects that the fuel in the pump chamber is almost empty,
The fuel control method which makes the drive cycle by the said drive signal longer when detecting that the fuel supply amount with respect to the said electric power generation part is excessive by the said audio signal.