JP4843898B2 - 燃料電池装置及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池装置とその制御方法に関するものである。
近年、電話機，ブックタイプのパーソナルコンピュータ，オーディオ・ビジュアル機器、あるいは、モバイル端末機器などの携帯用電子機器が急速に普及している。従来、携帯用電子機器は二次電池によって駆動しており、シール鉛バッテリーからＮｉ／Ｃｄ電池，
Ｎｉ／水素電池、さらにはＬｉイオン電池と新型二次電池の出現，小型軽量化および高エネルギー密度化によって発展してきた。
しかしながら、二次電池は、充電するための設備と比較的長い充電時間を必要とするなど、携帯用電子機器の長時間連続駆動に多くの課題を有している。今後、携帯用電子機器は増加する情報量とその高速化に対応して、より高出力密度の電源、すなわち、連続使用時間の長い電源を必要とする方向に向かっており、充電を必要としない燃料電池の必要性が高まってきている。燃料電池としては、水素を用いるタイプが一般的に知られている。これらが主に８０度以上を動作温度とするのに対し、室温でも動作する燃料電池には液体燃料を燃料電池の燃料極において直接酸化するタイプのものがあり、代表的なものにメタノールを直接酸化するタイプの燃料電池（ＤＭＦＣ）があげられる。ＤＭＦＣへの燃料供給技術としては、改質器や燃料輸送のポンプなどを用いない例（例えば、特許文献１）が示されており、可動機構部分が少ない分、小型化，軽量化可能である。また、発電反応によりＤＭＦＣの空気極で発生する水に対してＤＭＦＣの外に格納する例（例えば、特許文献２）が示されている。
特開２０００−１０６２０１号公報 特開２００２−１６９６２５号公報
従来の燃料電池装置においては、メタノールなどで高い濃度の燃料を用いた場合、燃料が燃料極から空気極へと電解質膜を通り抜けて出力が低下するクロスオーバーと呼ばれる現象が起き、空気極へ燃料が透過して効率が落ちるために低濃度燃料を使用していた。しかしながら、低濃度燃料を使用した燃料電池装置は、燃料室に大量の水が残るために、大きく重い構造となる。更に、水は廃液として回収されるが、廃液の処理に手間がかかるという課題がある。
上記課題を達成するために、本発明の燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法は、負荷を駆動するための電力を供給する燃料電池と、燃料を保有する燃料室と、水を保有する水格納室と、前記燃料室から供給される燃料の供給量と前記水格納室から供給される水の供給量を制御して前記水と混合した燃料を燃料電池に供給する調整器駆動部と前記調整器駆動部の電力制御を行う調整器制御部からなり、前記燃料室と前記水格納室と前記燃料電池とに接続された調整器と、前記燃料電池の温度を検出して検出信号を前記調整器制御部に送信する温度センサと、を設け、前記調整器制御部は濃度の目標値が高い“ＨＩＧＨ”と、燃料消費効率の良い濃度である“ＮＯＲＭＡＬ”の２つの濃度目標値を有し、前記燃料電池の温度が所定の温度より低いときには濃度の目標値を“ＨＩＧＨ”に、前記燃料電池の温度が所定の温度以上であるときには濃度の目標値を“ＮＯＲＭＡＬ”に設定し、前記調整器駆動部により設定させた濃度の目標値となるように前記燃料室から供給される燃料の供給量と前記水格納室から供給される水の供給量を制御することを特徴とする。
本発明によれば、出力向上と燃料消費の高効率化，クロスオーバーなどの燃料透過量の低減，高濃度燃料の使用による燃料室の燃料の使いきりを実現する。水の回収機構を備えることで、高濃度燃料を使用する場合でもユーザによる水の補給の必要がなくなり、システムの小型軽量化を実現する。
以下、燃料電池装置について説明する。
従来の直接液体燃料型燃料電池においては、燃料極に燃料が存在した場合、システム停止時などの無負荷時や低負荷時においても反応が起こる。そのためポンプなどで燃料供給制御を行わない例では、停止も含めた負荷変動の有るシステムに利用した際の燃料消費の効率は低くなる。また、燃料極で燃料と水を過不足なく反応させるためには一定濃度以上の燃料が使用できないため（メタノールの場合は重量濃度で６４％が上限）、長期間駆動可能なシステムを構築する場合においては燃料分も含めたシステムの小型軽量化は難しい。クロスオーバーを防ぐために低濃度燃料を使用した場合は、燃料タンクに水が余るため使用者に残量を表示する特別な装置が必要になる。さらに燃料タンクに余った水に加えて、発電の際にＤＭＦＣから排出された水も含めた処理が必要である。また、従来型の電池に比べて燃料電池のほうが、内部抵抗が大きく、従来の水素改質型燃料電池に比べて直接燃料型燃料電池は出力電力や出力密度が低いという特性があるため高負荷時に対する対策や瞬時電力の出力を満たすための対策が必要である。
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例である燃料電池装置のブロック図である。図１では、メタノールを直接酸化するタイプの燃料電池（ＤＭＦＣ）など直接液体燃料型の燃料電池１０を使用している。燃焼室１１と水格納室１２は、それぞれ燃料電池装置本体から着脱できるように備えられている。燃料室１１から燃料パイプｐ１を通して燃料が、水格納室１２から水パイプｐ２を通して水が、それぞれ調整器１３に供給される。これらの燃料と水は、調整器１３を用いて適切な濃度と量に混合されている。調整器１３により混合された燃料は、燃料調整パイプｐ３を通して燃料電池１０の燃料極に供給される。また、燃料電池１０の空気極から水回収パイプｐ４を通して水が排出され、排出される水を水回収部１４により回収している。水回収部１４により回収した水は、水補給パイプｐ５を通して水格納室１２に格納され、再利用することとなる。このように濃度調整用の水を再利用することにより、燃料極での反応に必要な水のすべてを燃料室１１内の燃料に含む必要がないため、燃料室１１には高濃度の燃料が使用できる。したがって駆動時間が同じ燃料電池１０を用いた場合、燃料室１１の軽量小型化が実現できる。このように、燃料室１１に水を残さず使いきるために、使用者も容易に燃料室１１の残量が判断できる。また使用者が水を処理する必要もなくなる。
燃料電池１０は、電力線ｗ１を介して負荷１６と、電力線ｗ４を介して別電源１５と、それぞれ電気的に接続されている。別電源１５は、電力線ｗ２を介して負荷１６と、電力線ｗ３を介して調整器１３と、それぞれ電気的に接続されている。燃料電池１０から、燃料電池１０の状態を知らせる燃料電池状態検出信号ｓ１が、調整器１３へ送信される。負荷１６から、負荷１６の状態を知らせる負荷状態検出信号ｓ２が、調整器１３へ送信される。別電源１５から、別電源１５の状態を知らせる別電源状態検出信号ｓ３が、調整器
１３へ送信される。
次に図２を用いて、調整器１３について詳細に説明する。
調整器１３は、燃料と水を燃料電池１０の燃料極に送る調整器駆動部１８と、調整器駆動部１８の電力制御を行う調整器制御部１７を備えている。
燃料室１１と水格納室１２から、液体輸送手段（図示せず）を用いて、燃料室１３へ燃料や水が供給される。液体輸送手段としては、例えばポンプやマイクロポンプなどがあげられる。調整器駆動部１８は、燃料室１１と水格納室１２からの供給量をそれぞれ制御して、燃料電池１０へ、燃料調整パイプｐ３−１を介して送り、燃料調整パイプｐ３−２を介して受け取る働きをしている。
次に、燃料と水の残量検出例を説明する。
残量検出の第一例は、燃料室と水格納室の重量を検出する方法である。
残量検出の第二例は、燃料室に取り外し可能な燃料パックを使用する方法である。燃料パックは風船のような弾性体を引き伸ばして燃料を格納しているが、弾性体の復元力により押し出される燃料の圧力を検出することで、残量を検出できる。
残量検出の第三例は、燃料室の壁面に燃料透過量が小さく発電量も小さい燃料直接型燃料電池セルを貼り付ける方法である。セルを１つ貼り付けた場合は、セルの出力の大小から燃料残量を検出でき、セルを複数貼り付ける場合はそれぞれのセルの出力を検出することで燃料残量を検出できる。
続いて、燃料電池装置の制御について説明する。
燃料電池装置制御の第一例では、燃料室１１は、燃料室着脱装置１９を介して燃料パイプｐ１と接続されている。燃料室着脱装置１９には、燃料残量検出手段が設けられている。燃料残量検出手段は、燃料室１１の燃料残量を検出すると、検出結果を燃料残量検出信号ｓ４として調整器制御部１７へ送信している。水格納室１２は、水格納室着脱装置２０を介して水パイプｐ２と接続されている。水格納室着脱装置２０には、水残量検出手段が設けられている。水残量検出手段は、水格納室１２内の水の残量を検出すると、検出結果を水残量検出信号ｓ５として調整器制御部１７へ送信している。
また燃料電池１０の燃料極には、濃度センサや残量センサを備えている。濃度センサや残量センサの検出結果が、燃料電池状態検出信号ｓ１として調整器制御部１７へ送信される。調整器制御部１７は、燃料電池１０の燃料極からの濃度と残量の情報をフィードバック情報として、濃度と残量が一定の目標値となるように調整器駆動部１８を制御する。このときの濃度目標値は、燃料電池１０のクロスオーバーなど、燃料透過量が少ない値とすることで発電効率を向上させている。また、調整器駆動部１８は、燃料電池１０の燃料極と調整器駆動部１８との間で調整した燃料を循環させている。
燃料電池装置制御の第二例は、更に濃度センサを、燃料室１１と水格納室１２と調整器駆動部１８のうち、１つ以上に備えている。よって、より正確な濃度目標値への制御を行うことができる。
燃料電池装置制御の第三例は、調整器駆動部１８と外気との間に空気通路ｐ６を設け、空気通路ｐ６に、弁機構（図示せず）と圧力センサ（図示せず）を備えている。弁機構の開閉を制御することで調整器駆動部１８と燃料電池１０の燃料極の間に気体がたまることを防いでいる。これにより、ＤＭＦＣを用いた場合でも、燃料電池１０の燃料極で発生する二酸化炭素が必要以上にたまることを防ぐことができる。
燃料電池装置制御の第四例は、燃料電池１０に温度センサ（図示せず）を備え、温度センサによる検出信号を調整器制御部１７へ送信してもよい。調整器制御部１７内のメモリには、濃度の目標値が高い“ＨＩＧＨ”と、燃料消費効率の良い濃度である“NORMAL”の２つの濃度目標値を記憶している。燃料電池１０の温度が所定の温度より低いときには濃度の目標値を“ＨＩＧＨ”に、温度が所定の温度以上であるときには濃度の目標値を
“ＮＯＲＭＡＬ”とする。低温時には燃料極から空気極への燃料透過量が少なく、また濃度を高くすることで出力を高くすることができる。これにより出力の低い低温状態でも一定以上の出力が出せ、かつ低温時から高温時にわたって燃料透過量を一定の範囲内に抑えることができる。
燃料電池装置制御の第五例では、調整器駆動部１８がそれぞれ異なる燃料濃度に調整した燃料を貯める調整タンク（図示せず）を複数個備えても良い。調整タンクと燃料電池
１０の燃料極との接続を切り替えることで、より迅速な濃度切り替えを行うこともできる。
燃料電池装置制御の第六例では、燃料電池１０から負荷１６への電力供給部に電流検出装置を設け、電流検出装置で検出した信号を調整器制御部１７へ送信しても良い。電流値が一定値より多くなった場合は、燃料電池１０の燃料極への供給量の目標値をあげることで、燃料電池１０の燃料切れを防ぐことができる。
燃料電池装置制御の第七例は、別電源１５を燃料電池１０によって充電される二次電池として充電量検出機能を持たせ、充電量検出信号を調整器制御部１７へ送信する方式としても良い。この結果、二次電池の充電量が低いときには燃料電池１０に供給する濃度の目標値を高い“ＨＩＧＨ”に、充電量が一定以上であるときには燃料電池１０に供給する濃度の目標値を低い“ＮＯＲＭＡＬ”にすることで、二次電池の過充電と過放電を防ぐことができる。
なお、必要に応じて上記複数の例のうちいくつかを組み合わせても良い。
次に電力供給方法について説明する。
燃料電池１０の出力電力は、適切な電圧に変換されて負荷１６や調整器１３の駆動に使用される。ＤＭＦＣなどの直接液体燃料型燃料電池は、出力密度が低いため出力密度の高い別電源１５も使用する。また別電源１５は、燃料電池１０への燃料供給を止めた状態から、燃料供給を再開させるための調整器１３の駆動用電源にも使用される。別電源１５は、二次電池，ＡＣアダプタからの給電，電気２重層コンデンサや電解コンデンサなどの中から１つまたは複数を使用する。
電力供給の第一例について説明する。図３は、図２に示した燃料電池装置の電力と信号のつながりを詳細に示した模式図である。別電源１５には、充放電可能で充電量検出機能のついた二次電池を使用する。別電源１５は、充放電制御回路２１を通して、燃料電池
１０及び負荷１６と並列に接続される。充放電制御回路２１は、燃料電池１０から負荷
１６への電力供給部に設けられた電流検出装置２２で検出された燃料電池出力電流検出信号ｓ８が入力されて、回路の切り替え制御を行う。電流値が一定値以上であれば別電源
１５から負荷１６へ電圧変換して放電し、電流値が一定値以下であれば燃料電池１０から電圧変換された出力により別電源１５を充電する制御を行う。
また、同時に調整器１３への電力供給の切り替え制御も行い、電流値が一定値以上であれば別電源１５から調整器１３へ電圧変換して放電し、電流値が一定値以下であれば燃料電池１０から電圧変換された出力により調整器１３を駆動する。この結果、燃料消費効率の向上が可能となり、高電流出力時間が短くなって、燃料電池１０の内部抵抗による電力損失を少なくすることができる。
電力供給の第二例は、別電源１５として、残量検出機能をつけた一次電池を使用しても良い。別電源１５は、充放電制御回路２１を通して、燃料電池１０と負荷１６と並列に接続される。充放電制御回路２１は、燃料電池１０から負荷１６への電力供給部に設けられた電流検出装置２２からの燃料電池出力電流検出信号ｓ８が入力されて、その結果から回路の切り替え制御を行う。残量検出機能により別電源１５に残量がある場合、電流値が一定値以上であれば別電源１５から負荷１６へ電圧変換して放電し、電流値が一定値以下であれば放電を止める。これにより、高電流出力時間が短くなり、燃料電池１０の内部抵抗による電力損失を少なくすることができる。
電力供給の第三例は、図４を用いて説明する。図４では、図３で示した回路構成にＡＣアダプタ２６を加えている。ＡＣアダプタ２６は、充放電制御回路２１を通して、燃料電池１０と別電源１５と負荷１６と並列に接続される。充放電制御回路２１は、ＡＣアダプタ２６の接続端子の電圧を検出して回路が切り替わる。燃料電池１０から負荷１６への電力供給部に電流検出装置２２が設けられている。電流検出装置２２による燃料電池出力電流検出信号ｓ８が、充放電制御回路２１に入力される。充放電制御回路２１は、燃料電池出力電流検出信号ｓ８から燃料電池１０の出力を一定値以下とすることで、燃料電池１０の燃料消費を抑えている。充放電制御回路２１により電圧変換されたＡＣアダプタ２６の出力を、主に使うように回路を切り替えている。またＡＣアダプタ２６の装着により、別電源１５の充電方向に、充放電制御回路２１は切り替わる。ＡＣアダプタ２６の接続端子の電圧が一定値以下になったときには、電力供給の第一例で説明した動作に切り替わる。
電力供給の第四例では、ＡＣアダプタ２６が、充放電制御回路２１を通して、燃料電池１０と別電源１５と負荷１６と並列に接続されている。充放電制御回路２１は、ＡＣアダプタ２６の接続端子の電圧を検出して回路が切り替わる。詳細に説明すると、燃料電池
１０から負荷１６への電力供給部に設けられた電流検出装置２２によって電流が検出される。電流検出装置２２の燃料電池出力電流検出信号ｓ８が充放電制御回路２１に入力される。入力された結果から燃料電池１０からの出力を一定値以下に抑えることで、燃料電池１０の燃料消費を抑制し、充放電制御回路２１により電圧変換されたＡＣアダプタ２６の出力を主に使うように回路を切り替える。またＡＣアダプタ２６の装着により、別電源
１５は放電を止める。ＡＣアダプタ２６の接続端子の電圧が一定値以下になったときには、電力供給の第二例で説明した動作に切り替わる。
以上の電力供給の例に加えて、燃料電池１０や負荷１６の端子間に電解コンデンサや電機２重層コンデンサなどのコンデンサを追加して接続してもよい。
次に燃料電池装置の始動と終了の制御方法について説明する。
燃料電池装置の始動と終了の制御方法の第一例を、図３を用いて説明する。図３の燃料電池装置は、装置スイッチ２３と、負荷電力供給スイッチ２４と、調整器電力供給スイッチ２５を備えている。装置スイッチ２３は、使用者の操作によりＯＮに出力信号が保持され、使用者の操作もしくは調整器からのＯＦＦ信号によりＯＦＦに出力信号が保持される。負荷電力供給スイッチ２４は、装置スイッチ２３のＯＮもしくはＯＦＦの状態を示す装置スイッチ状態検出信号ｓ６により、負荷１６への電力供給をＯＮもしくはＯＦＦに切り替える。調整器電力供給スイッチ２５は、装置スイッチ２３からの装置スイッチ状態検出信号ｓ６と、調整器制御部１７からの調整器制御部状態検出信号ｓ７とのＯＮ出力の論理和により調整器制御部１７への電力供給をＯＮとする。また、負荷電力供給スイッチ２４と装置スイッチ２３が両方ＯＦＦのときには、調整器電力供給スイッチ２５は、調整器制御部１７への電力供給をＯＦＦにする。調整器電力供給スイッチ２５の切り替えにより始動と終了が制御される。
燃料電池装置の始動と終了の制御方法の第二例は、負荷１６がパソコンなどの情報機器である場合である。燃料電池装置の始動と終了の制御方法の第一例と比較し、負荷１６からもＯＮとＯＦＦの信号を装置スイッチ２３と負荷電力供給スイッチ２４に出力している。燃料電池装置の始動と終了の制御方法の第一例の負荷電力供給スイッチ２４は、装置スイッチ２３と負荷１６からのＯＮの出力信号の論理和により負荷１６への電力供給がＯＮとなり、負荷１６と装置スイッチ２３からの信号が両方ＯＦＦのときに負荷１６への電力供給をＯＦＦにする。装置スイッチ２３は負荷１６からのＯＦＦ信号によってもＯＦＦになる。
次に、燃料電池装置の始動と停止の制御方法について、図５，図６，図７のフローチャートを用いて説明する。
燃料電池装置の始動と停止の制御方法の第一例について説明する。図５は、装置スイッチ２３をＯＮ時のフローチャートである。
使用者が装置スイッチ２３をＯＮ（Ｓ５１）にすることで、装置スイッチ２３はＯＮに保持される。装置スイッチ２３からの装置スイッチ状態検出信号ｓ６を受けて調整器電力供給スイッチがＯＮ(Ｓ５２)となり、続いて負荷電力供給スイッチ２４がＯＮ(Ｓ５３)となり、負荷１６と調整器制御部１７に別電源１５から電力供給が開始される。調整器制御部１７は、装置スイッチ２３からの信号と、燃料室着脱装置１９からの燃料残量(S541)の信号と、水格納室着脱装置２０からの水残量（Ｓ５４２）の信号と、別電源１５からの別電源残量（Ｓ５４３）の信号の論理積を判別し、すべて満たして論理積が１となったときに、調整器制御部１７の状態がＯＮに保持（Ｓ５５）されて調整器駆動部１８を制御し始め、調整器電力供給スイッチ２５への信号をＯＮに保持する。
停止については、まず装置スイッチ２３のＯＦＦか、燃料室着脱装置１９からの燃料残量の不足か、水格納室着脱装置２０からの水残量の不足か、別電源１５からの別電源の残量０となる信号のいずれかにより上記の論理積が０となったときに判定を開始する。
燃料残量の不足か水残量の不足である場合は、調整器制御部１７の状態がＯＦＦ(Ｓ56)となる。その後、調整器電力供給スイッチ２５と装置スイッチ２３へＯＦＦ信号である調整器制御部状態検出信号ｓ７を出力する(Ｓ５７）。装置スイッチ２３のＯＦＦ(Ｓ５７）信号により、負荷電力供給スイッチ２４がＯＦＦ（Ｓ５８）となり、装置スイッチ２３から調整器電力供給スイッチ２５への信号もＯＦＦとなり、調整器電力供給スイッチ２５はＯＦＦ（Ｓ５９）になる。
起動時に別電源１５の残量が０の場合は、調整器制御部１７の状態はＯＦＦのままで、調整器電力供給スイッチ２５と装置スイッチ２３へＯＦＦ信号を出力する。装置スイッチ２３からのＯＦＦ信号により、負荷電力供給スイッチ２４がＯＦＦとなり、装置スイッチ２３から調整器電力供給スイッチ２５への信号もＯＦＦとなり、調整器電力供給スイッチ２５はＯＦＦになる。
図６に駆動中のフローチャートを示す。駆動中(Ｓ６１)に別電源１５の残量が０の場合で別電源１５が二次電池の場合は、調整器制御部１７の状態が充電モードに移行(Ｓ６８)する。なおＳ６４〜Ｓ６７は、図５のＳ５６〜Ｓ５９に対応する。
図７に、装置スイッチ２３がＯＦＦ時のフローチャートを示す。装置スイッチ２３が
ＯＦＦ（Ｓ７１）された場合は、装置スイッチ２３からのＯＦＦ信号によって負荷電力供給スイッチ２４がＯＦＦ（Ｓ７２）となり、装置スイッチ２３から調整器電力供給スイッチ２５への信号がＯＦＦ（Ｓ７５）となる。別電源１５が二次電池の場合は、満充電になるまで調整器制御部１７の状態はＯＮに保持（Ｓ７４）され、その他の場合はＯＦＦの状態になる。調整器制御部１７の状態がＯＦＦとなると、調整器制御部１７から調整器電力供給スイッチへの信号がＯＦＦとなり、調整器電力供給スイッチ２５はＯＦＦ（Ｓ７６）になる。
燃料電池装置の始動と停止の制御方法の第二例においては、使用者が装置スイッチ２３をＯＮにすることで装置スイッチ２３はＯＮに保持され、装置スイッチ２３からのＯＮ信号を受けて負荷電力供給スイッチ２４と調整器電力供給スイッチ２５がＯＮとなり、負荷１６と調整器制御部１７に電力供給が開始される。
次に調整器制御部１７は、装置スイッチ２３と、燃料室着脱装置１９からの燃料残量と、水格納室着脱装置２０からの水残量と、別電源１５からの別電源残量の信号の論理積を判別し、すべての信号が１となり論理積が１となったときに、調整器駆動部１８への電力供給を開始し調整器１３の制御を行う。なお、装置スイッチ２３と調整器電力供給スイッチ２５への信号がＯＮに保持される停止については、負荷１６からのＯＦＦ信号，装置スイッチ２３のＯＦＦ信号，燃料室着脱装置１９からの燃料残量の不足信号，水格納室着脱装置２０からの水残量の不足信号，別電源１５からの別電源残量不足の信号のいずれかの信号により論理積が０となったときに判定を開始する。
燃料残量の不足か水残量の不足である場合は、調整器制御部１７の状態がＯＦＦとなり、調整器制御部１７は、調整器電力供給スイッチ２５と装置スイッチ２３へＯＦＦ信号を出力する。その後、装置スイッチ２３から負荷電力供給スイッチ２４への信号がＯＦＦとなり、装置スイッチ２３から調整器電力供給スイッチ２５への信号もＯＦＦとなり、調整器電力供給スイッチ２５もＯＦＦになる。また、負荷１６へも装置スイッチ２３からOFF信号が伝えられることで、負荷１６も終了処理をして、負荷１６から負荷電力供給スイッチ２４への信号がＯＦＦとなり、負荷電力供給スイッチ２４はＯＦＦとなる。
起動時に別電源１５の残量が０の場合は、調整器制御部１７の状態はＯＦＦのままで、調整器電力供給スイッチ２５と装置スイッチ２３へＯＦＦ信号を出力する。その後、装置スイッチ２３からのＯＦＦ信号によって負荷電力供給スイッチ２４がＯＦＦとなり、装置スイッチ２３から調整器電力供給スイッチ２５への信号もＯＦＦとなり、調整器電力供給スイッチ２５はＯＦＦになる。
駆動中に別電源１５の残量が０の場合は、調整器制御部１７によって負荷１６の高負荷となるアプリケーションが禁止される。また、別電源１５が二次電池の場合は調整器制御部の状態が充電モードに移行する。
装置スイッチ２３がＯＦＦされた場合は、装置スイッチ２３から負荷電力供給スイッチ２４への信号がＯＦＦとなり、装置スイッチ２３から調整器電力供給スイッチ２５への信号がＯＦＦとなる。また、装置スイッチ２３から調整器制御部１７と負荷１６へもＯＦＦ信号が入力される。そして、負荷１６は終了処理をして、負荷１６から負荷電力供給スイッチ２４への信号がＯＦＦとなり、負荷電力供給スイッチ２４はＯＦＦとなる。別電源
１５が二次電池の場合は、満充電になるまで調整器制御部１７の状態はＯＮに保持され、その他の場合はＯＦＦの状態になる。調整器制御部１７の状態がＯＦＦとなると調整器制御部１７から調整器電力供給スイッチへの信号がＯＦＦとなり、調整器電力供給スイッチ２５はＯＦＦになる。
また、検出結果を装置や負荷の表示装置に合わせて表示させても良い。
次に水回収部の動作について説明する。
水回収の第一例は、防水透湿素材を燃料電池１０の空気極と水格納室１２との間に空気極から水格納室１２に透湿するよう配置するものである。水回収のために電力が必要な装置を多く用いないため燃料消費効率の向上が図れる。
水回収の第二例は、水回収の第一例に合わせ、燃料電池１０の空気極に送風口と排気口を設け、送風口または排気口にファンなどの送風装置を設けて空気を送るものである。燃料電池１０の空気極に強制吸気することで、燃料電池１０の出力を高めることができると共に空気極の水蒸気量が飽和して、大量に水がたまる状態を防ぐことができる。
水回収の第三例は、図８を用いて説明する。燃料電池１０の空気極に送風口と排気口を設け、送風口または排気口にファンなどの送風装置２７を設けて空気を送る。その空気の通路と燃料電池１０の燃料極との間に熱電対素子２９を加熱側が燃料極、冷却側が空気の通路になるよう配置する。また、前記熱電対素子の冷却側にヒートシンク２８をつけて燃料電池１０の空気極から出た水蒸気を凝縮させ、水回収部１４に貯めて、ポンプなどの液体移送手段により水格納室１２に水を送る。これにより、燃料電池１０の温度を上昇させて燃料電池１０の発電効率を向上させると共に、空気極における水を回収することが可能になる。また、水の回収率によって熱電対素子２９の空気通路に配置する位置を調整することで回収率を調整することもできる。
水回収の第四例は、水回収の第三例と水回収の第二例を併用するものである。普段はファンを用いながら防水透湿素材により水を回収し、水回収量が足りない場合には水回収の第三例により水を回収する。
本発明の燃料電池装置のブロック図である。 調整器周辺の入出力状況を示す模式図である。 燃料電池装置の信号の入出力を示す模式図である。 他の実施例である燃料電池装置の信号の入出力を示す模式図である。 装置スイッチＯＮ時の動作を示すフローチャートである。 装置動作中の動作を示すフローチャートである。 装置スイッチＯＦＦ時の動作を示すフローチャートである。 水回収部と燃料電池との関係を示した模式図である。
符号の説明
１０…燃料電池、１１…燃料室、１２…水格納室、１３…調整器、１４…水回収部、
１５…別電源、１６…負荷、１７…調整器制御部、１８…調整器駆動部、１９…燃料室着脱装置、２０…水格納室着脱装置、２１…充放電制御回路、２２…電流検出装置、２３…装置スイッチ、２４…負荷電力供給スイッチ、２５…調整器電力供給スイッチ、２６…
ＡＣアダプタ、２７…送風装置、２８…ヒートシンク、２９…熱電対素子、ｐ１…燃料パイプ、ｐ２…水パイプ、ｐ３…調整燃料パイプ、ｐ３−１…調整燃料供給パイプ、ｐ３−２…調整燃料帰還パイプ、ｐ４…水回収パイプ、ｐ５…水補給パイプ、ｐ６…気体放出パイプ、ｓ１…燃料電池状態検出信号、ｓ２…負荷状態検出信号、ｓ３…別電源状態検出信号、ｓ４…燃料残量検出信号、ｓ５…水残量検出信号、ｓ６…装置スイッチ状態検出信号、ｓ７…調整器制御部状態検出信号、ｓ８…燃料電池出力電流検出信号、ｗ１，ｗ２，
ｗ３，ｗ４，ｗ５…電力線。

Claims (14)

  1. 負荷を駆動するための電力を供給する燃料電池と、
    燃料を保有する燃料室と、
    水を保有する水格納室と、
    前記燃料室から供給される燃料の供給量と前記水格納室から供給される水の供給量を制
    御して前記水と混合した燃料を燃料電池に供給する調整器駆動部と前記調整器駆動部の電
    力制御を行う調整器制御部からなり、前記燃料室と前記水格納室と前記燃料電池とに接続
    された調整器と、
    前記燃料電池の温度を検出して検出信号を前記調整器制御部に送信する温度センサと、
    を設け、
    前記調整器制御部は濃度の目標値が高い“ＨＩＧＨ”と、燃料消費効率の良い濃度であ
    る“ＮＯＲＭＡＬ”の２つの濃度目標値を有し、前記燃料電池の温度が所定の温度より低
    いときには濃度の目標値を“ＨＩＧＨ”に、前記燃料電池の温度が所定の温度以上である
    ときには濃度の目標値を“ＮＯＲＭＡＬ”に設定し、前記調整器駆動部により設定させた
    濃度の目標値となるように前記燃料室から供給される燃料の供給量と前記水格納室から供
    給される水の供給量を制御することを特徴とする燃料電池装置。
  2. 請求項１記載の燃料電池装置において、
    前記水格納室に前記燃料電池から排出される水を回収する水回収部を設けたことを特徴
    とする燃料電池装置。
  3. 請求項２記載の燃料電池装置において、
    前記燃料室は燃料室内の燃料残量を検出する燃料検出手段と、水格納室は水格納室内の
    水量を検出する水量検出手段と、を有し、
    前記調整器は、前記燃料検出手段と前記水量検出手段の検出結果に基づいて前記燃料電
    池の始動と終了を制御することを特徴とする燃料電池装置。
  4. 請求項１記載の燃料電池装置において、
    前記燃料電池は、燃料極に燃料濃度と燃料残量を検出する燃料極検出手段を有し、前記
    調整器は、前記燃料極検出手段の検出結果に基づいて水と燃料の供給量を前記燃料濃度と
    前記燃料残量が一定の目標値となるように制御することを特徴とする燃料電池装置。
  5. 請求項４記載の燃料電池用装置において、
    前記燃料室と前記水格納室と前記調整器とのいずれか１つ以上に燃料濃度検出手段を設
    けたことを特徴とする燃料電池用装置。
  6. 請求項１記載の燃料電池装置において、
    前記燃料室と、前記水格納室と、前記燃料電池と、は前記燃料電池装置に対して着脱自在であることを特徴とする燃料電池装置。
  7. 請求項１記載の燃料電池装置において、
    前記燃料電池のほかに別電源を設けたことを特徴とする燃料電池装置。
  8. 請求項７記載の燃料電池装置において、
    前記別電源は、前記燃料電池の駆動開始時に前記調整器の駆動用電源として使用される
    ことを特徴とする燃料電池装置。
  9. 請求項１記載の燃料電池装置において、
    接続された負荷の情報を検出する負荷検出器を設け、
    前記負荷検出器による検出結果を前記調整器制御部に入力し、前記負荷の検出結果に応じて前記調整器が前記燃料電池に供給する燃料の濃度と供給量を制御することを特徴とする燃料電池装置。
  10. 請求項２記載の燃料電池装置において、
    前記水回収部に防水透湿素材を使用し、前記防水透湿素材を前記燃料電池の空気極と前
    記水格納室の間であって、前記燃料電池の空気極から前記水格納室に透湿させる方向に配
    置したことを特徴とする燃料電池装置。
  11. 請求項２記載の燃料電池装置において、
    前記燃料電池の加熱のために熱電対素子の加熱側を用い、前記熱電対素子の冷却側を水
    回収に用い、
    前記水回収部と前記熱電対素子は、前記燃料電池の空気極に設けた送風口と排気口を有
    する空気通路の途中に設けると共に、前記熱電対素子の冷却側にヒートシンクを設け、前
    記熱電対素子の前記空気通路内に配置する位置を調整することで水の回収率を調整可能な
    ことを特徴とする燃料電池装置。
  12. 負荷を駆動するための電力を供給する燃料電池と、燃料を保有する燃料室と、水を保有
    する水格納室と、前記燃料室から供給される燃料の供給量と前記水格納室から供給される
    水の供給量を制御して前記水と混合した燃料を燃料電池に供給する調整器駆動部と前記調
    整器駆動部の電力制御を行う調整器制御部からなり、前記燃料室と前記水格納室と前記燃
    料電池とに接続された調整器と、前記燃料電池の温度を検出して検出信号を前記調整器制
    御部に送信する温度検出手段を備えた燃料電池装置の制御方法において、
    前記調整器制御部は濃度の目標値が高い“ＨＩＧＨ”と、燃料消費効率の良い濃度であ
    る“ＮＯＲＭＡＬ”の２つの濃度目標値を有し、前記燃料電池の温度が所定の温度より低
    いときには濃度の目標値を“ＨＩＧＨ”に、前記燃料電池の温度が所定の温度以上である
    ときには濃度の目標値を“ＮＯＲＭＡＬ”に設定し、前記調整器駆動部により設定させた
    濃度の目標値となるように前記燃料室から供給される燃料の供給量と前記水格納室から供
    給される水の供給量を制御することを特徴とする燃料電池装置の制御方法。
  13. 請求項１２記載の燃料電池装置の制御方法において、
    前記燃料電池とは別の別電源と、前記別電源の充放電を制御する充放電制御回路と、前
    記負荷の情報を検出する負荷検出器と、を備え、
    前記別電源は充電可能であってかつ充電量を検出でき、前記別電源は、前記充放電制御
    回路を通して前記燃料電池と並列に接続され、
    前記充放電制御回路は、前記負荷検出器からの検出結果を受け取り、前記負荷の電流値
    が一定値以上のときは燃料電池と並列な負荷へと放電し、前記負荷の電流値が一定値以下
    のときは燃料電池により充電されるように、切り替え制御を行うことを特徴とする燃料電
    池装置の制御方法。
  14. 請求項１３記載の燃料電池装置の制御方法において、
    使用者による装置と負荷の停止信号入力装置を備え、前記停止信号の入力により前記燃
    料電池が前記負荷への電力供給を停止させる時にも、前記別電源が満充電ではない場合は
    前記調整器は停止せず、前記別電源の満充電の検出結果から前記調整器が停止することを
    特徴とする燃料電池装置の制御方法。
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