WO2005083825A1 - 燃料電池ユニット、その制御方法、および情報処理装置 - Google Patents

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WO2005083825A1
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Koji Nakamura
Akihiro Ozeki
Ryoji Ninomiya
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Kabushiki Kaisha Toshiba
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Definitions

  • Fuel cell unit Control method thereof, and information processing device
  • the present invention relates to a fuel cell unit, a control method thereof, and an information processing device, and more particularly, to a fuel cell unit that performs a setup process, a control method thereof, and an information processing device.
  • a lithium ion battery is used as a secondary battery which is one of the power supply sources for an information processing device.
  • a secondary battery is one of the power supply sources for an information processing device.
  • One of the features of a secondary battery is that it can be used repeatedly, for example, by charging it with a commercial power supply, compared to a disposable primary battery.
  • a lithium ion battery is a secondary battery, it is necessary to charge it using, for example, a commercial power supply.
  • the energy density of a fuel cell is theoretically said to be 10 times that of a lithium ion battery (for example, see Non-Patent Document 1).
  • a fuel cell has the potential to be able to supply power for a longer time (for example, 10 times) as long as the volume or mass is the same as that of a lithium ion battery.
  • the power supply time of both is equal, it means that the fuel cell has the potential to be smaller and lighter than the lithium ion battery.
  • Fuel cell Direct M ethanol Fuel Ce 11
  • This type of fuel cell uses methanol as fuel, and is directly injected into the fuel electrode without converting methanol to hydrogen.
  • the concentration of methanol injected into the fuel electrode is important. If this concentration is high, the power generation efficiency will deteriorate and sufficient performance cannot be obtained.
  • This is a phenomenon in which part of methanol as fuel passes through an electrolyte membrane (solid polymer electrolyte membrane) sandwiched between a fuel electrode (negative electrode) and an air electrode (positive electrode) (this phenomenon is called a crossover phenomenon). ).
  • the crossover phenomenon becomes more pronounced when the methanol concentration is high, and is reduced when low concentration methanol is injected into the fuel electrode.
  • Non-patent Document 1 As described above, while reducing the size and weight of the fuel cell unit as a whole, a fuel cell unit with high power generation efficiency can be realized by the diluted methanol (Non-patent Document
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-86192
  • Non-Patent Document 1 "Fuel Cell 2004", Nikkei BP, October 2003, p. 49—50, p. 64
  • Non-Patent Document 2 Edited by Konosuke Ikeda, "All about Fuel Cells", Nihon Jitsugyo Publisher,
  • FIG. 1 illustrates the operation principle of a direct methanol fuel cell (DMFC cell) 5 constituting a fuel cell.
  • the DMFC cell 5 has an electrolyte membrane 1 disposed in the center, and is sandwiched between a fuel electrode (negative electrode) 2 and an air electrode (positive electrode) 3 from both sides.
  • oxygen in the air injected from the outer part (0 2) is the hydrogen ion having passed through the electrolyte membrane 1 (H +) and electrons load 4 via has reflux (e -) and by is reduced, as a result, it produces water H 2 0 (the water vapor).
  • FIG. 1 shows one unit of the configuration of a fuel cell.
  • a predetermined voltage or current is obtained by stacking the DMFC cells 5.
  • a stack of DMFC cells 5 is called a DMF C stack.
  • a solid polymer electrolyte membrane is generally used as the electrolyte membrane 1.
  • the solid polymer electrolyte membrane is It is known to those skilled in the art, for example, that there is a problem that the function as an electrolyte is not achieved when dried. That is, the solid polymer electrolyte membrane shows conductivity to hydrogen ions (H +) when it contains water, but when dried, it becomes an insulator to hydrogen ions (H +), The function is no longer fulfilled.
  • the power generation capacity may be reduced due to drying of the solid polymer electrolyte membrane.
  • setup process A special process called a setup process has been attempted to eliminate such a decrease in power generation capacity.
  • the setup process means that when the fuel cell unit is used for the first time, or when it is left for a long time, for example, one year, water is pumped into the dried fuel electrode by operating the liquid feed pump of the auxiliary equipment for a certain period of time. This is a water-containing treatment in which the solid polymer electrolyte membrane is injected sufficiently.
  • the set-up process is intended to cause the solid polymer electrolyte membrane to contain water, but not to generate power. In addition, this process is not necessarily required every time the fuel cell unit is used. Therefore, by providing a sequence peculiar to the set-up process, which is different from the normal operation sequence, it is possible to perform a process of efficiently containing the solid polymer electrolyte membrane and only including water when necessary. Disclosure of the invention
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and performs a process (set-up process) for containing a dried solid polymer electrolyte membrane at the time of first use or when left for a long period of time. It is an object of the present invention to provide a fuel cell unit capable of recovering from the decrease, a control method thereof, and an information processing device.
  • a fuel cell unit includes, as described in claim 1, a connection portion used for connection to an external device, and the external device connected via the connection portion. It is determined whether or not it is necessary to generate electric power to be supplied to the device and to provide a fuel cell having an electrolyte membrane, an auxiliary machine for sending fuel to the fuel cell, and a water-containing treatment for making the electrolyte membrane contain water.
  • a control unit that, when it is determined that the water-containing treatment is necessary, sends the fuel to the electrolyte membrane by driving the auxiliary machine.
  • the device may be an electrolyzer as described in claim 9.
  • a fuel cell unit comprising a fuel cell having a porous membrane, an auxiliary device for injecting fuel into the fuel cell, and a first control unit for controlling the catcher; and a connection unit connected to the fuel cell unit.
  • a second control unit that controls communication with the first control unit via the connection unit, wherein the second control unit drives the trap to cause the electrolyte membrane to A command to start a water-containing treatment for sending fuel is transmitted to the first control unit.
  • control method of the fuel cell unit includes, as described in claim 13, a fuel cell having an electrolyte membrane, an auxiliary device for injecting fuel into the fuel cell, and the catcher.
  • a control unit for controlling the fuel cell unit wherein the control unit determines whether or not a water-containing treatment is required to cause the electrolyte membrane to contain water, and the control unit determines whether or not the water-containing treatment is required.
  • the fuel is supplied to the electrolyte membrane by driving the auxiliary machine.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the operation principle of a fuel cell (DMFC).
  • FIG. 2 is an external view showing an embodiment of the fuel cell unit according to the present invention.
  • FIG. 3 is an external view of a state in which an embodiment of the information processing apparatus according to the present invention is connected to the fuel cell unit.
  • FIG. 4 is a system diagram mainly showing a power generation unit of the fuel cell unit.
  • FIG. 5 is a system diagram in a state where the information processing device is connected to the fuel cell unit.
  • FIG. 6 is a system diagram illustrating a first embodiment of the fuel cell unit and the information processing device.
  • FIG. 7 is a state transition diagram of a fuel cell unit having a setup process.
  • FIG. 8 is a flowchart of a setup process.
  • FIG. 9 is a diagram showing main control commands for the fuel cell unit according to the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing main power supply information of the fuel cell unit according to the present invention.
  • FIG. 2 is an external view showing an embodiment of the fuel cell unit of the present invention.
  • the fuel cell unit 10 includes a mounting portion 11 for mounting an information processing device, for example, a rear portion of a notebook personal computer, and a fuel cell unit main body 12.
  • Consists of The fuel cell unit main body 12 incorporates a DMFC stack that generates electricity by an electrochemical reaction, and auxiliary equipment (pumps, valves, etc.) for injecting and circulating methanol and air as fuel to the DMFC stack. ing.
  • a detachable fuel cartridge (not shown) is built in the unit case 1 2b of the fuel cell unit body 12 at, for example, the right end, and the cover 1 is provided so that the fuel cartridge can be replaced. 2 is removable.
  • a docking connector 14 is provided on the upper surface of the mounting portion 11 as a connecting portion for connecting to the information processing device.
  • a docking connector 21 (not shown) is provided as a connection portion for connecting to the fuel cell unit, for example, at a rear portion of the bottom surface of the information processing device.
  • the docking connector 14 of the fuel cell unit 10 is provided. And mechanically and electrically connected.
  • three positioning protrusions 15 and hooks 16 are provided on the mounting portion 11, and the positioning protrusions 15 are provided in three holes at the rear of the bottom surface of the corresponding information processing device. And hook 16 are inserted.
  • the lock mechanism (not shown) is released by pressing the eject button 17 of the fuel cell unit 10 shown in FIG. , Can be easily removed.
  • FIG. 3 is a diagram showing an external appearance when an information processing device 18 (for example, a notebook personal computer) is placed on the placing portion 11 of the fuel cell unit 10 and connected.
  • an information processing device 18 for example, a notebook personal computer
  • FIGS. 2 and 3 Various shapes are conceivable for the shape and size of the fuel cell unit 10 shown in FIGS. 2 and 3, or the shape and position of the docking connector 14.
  • the fuel cell unit 10 includes a power generation unit 40 and a fuel cell control unit 41 that is a control unit of the fuel cell unit 10.
  • the fuel cell control unit 41 controls the power generation unit 40 and has a function as a communication control unit that communicates with the information processing device 18.
  • the power generation section 40 has a DMFC stack 42 serving as a center for power generation, and also has a fuel cartridge 43 containing methanol serving as a fuel. Fuel cartridges The di-43 contains a high concentration of methanol. The fuel cartridge 43 is detachable so that it can be easily replaced when the fuel is consumed.
  • the fuel cell unit 10 employs a dilution circulation system 62, and the power generation unit 40 is provided with auxiliary equipment 63 necessary for realizing the dilution circulation system 62.
  • auxiliary equipment 63 fuel supply pump 44, mixing tank 45, liquid supply pump 46, mixing tank valve 48, air supply pump 50, air supply valve 51, condenser 5 3, cooling fan 54, water recovery tank 55, water recovery pump 56, exhaust valve 57, etc. are connected by piping.
  • the high-concentration methanol in the fuel cartridge 43 flows into the mixing tank 45 by the fuel supply pump 44. Inside the mixing tank 45, the high-concentration methanol is mixed and diluted with the recovered water, low-concentration methanol from the fuel electrode 47 (remaining part of the power generation reaction), and the like, thereby producing low-concentration methanol.
  • the concentration of low-concentration methanol is controlled to maintain a high power generation efficiency (for example, 3 to 6%).
  • the amount of high-concentration methanol supplied to the mixing tank 45 by the fuel supply pump 44 is controlled based on information from the concentration sensor 60. Alternatively, it can be realized by controlling the amount of water circulating in the mixing tank 45 with a water recovery pump 56 or the like.
  • the methanol aqueous solution diluted in the mixing tank 45 is pressurized by the liquid sending pump 46 and injected into the fuel electrode (negative electrode) 47 of the DMFC stack 42.
  • the fuel electrode 47 electrons are generated by the oxidation reaction of methanol.
  • Hydrogen ion (H +) generated by the oxidation reaction passes through the solid polymer electrolyte membrane 42 in the DMFC stack 42 and reaches the air electrode (positive electrode) 52.
  • the carbon dioxide generated by the oxidation reaction performed at the fuel electrode 47 flows back to the mixing tank 45 together with the aqueous methanol solution that has not been subjected to the reaction.
  • the carbon dioxide is vaporized in the mixing tank 45, passes through the mixing tank valve 48 to the condenser 53, and is finally exhausted to the outside through the exhaust port 57 through the exhaust valve 57.
  • the flow of air (oxygen) is taken in from the intake port 49, pressurized by the air supply pump 50, and injected into the air electrode (positive electrode) 52 through the air supply valve 51.
  • the reduction reaction of oxygen (0 2 ) proceeds, and electrons (e-one) from an external load and the fuel electrode 47 And hydrogen ions (H +) from water from oxygen (0 2) (H 2 0 ) is generated as steam.
  • This water vapor is discharged from the cathode 52 and enters the condenser 53.
  • the steam is cooled by the cooling fan 54 into water (liquid), and is temporarily stored in the water recovery tank 55.
  • the recovered water is returned to the mixing tank 45 by the water recovery pump 56, and a dilution circulation system 62 for diluting high-concentration methanol is configured.
  • the pumps 44, 46, 50, 56 and the valves 48, 51, 57 of the fuel cell unit 10 are arranged at a plurality of locations in the power generation unit 40 to constitute the dilution circulation system 62. is there. Therefore, appropriate control of the driving of these auxiliary devices 63 by matching each other is not only at the start and stop of the power generation, but also during the power generation, for example, when the information processor 18 changes in load or abnormal state. This is particularly important when it occurs.
  • the control of these auxiliary devices 63 is performed by the fuel cell control unit 41 of the fuel cell unit 10.
  • a setup process for restoring the power generation capability is also performed by controlling these auxiliary devices 63 by the fuel cell control unit 41.
  • FIG. 5 shows, for example, a system of an information processing device 18 as an example of an information processing device capable of communicating with the fuel cell control unit 41 provided on the fuel cell unit 10 side.
  • the information processing device 18 includes a CPU 65, a main memory 66, a display controller 67, a display 68, an HDD (Hard Disk Drive) 69, a keypad controller 70, a pointer device 71, a keyboard 72, FDD (FloPy (registered trademark) Disc Drive) 73, a bus 74 for transmitting signals between these components, a no-bridge 75 for converting a signal transmitted via the bus 74, It is composed of a device called South Bridge 76.
  • a power supply unit 79 is provided inside the information processing device 18, and here, as a secondary battery 80, for example, a lithium battery. Has a mu-ion battery. The power supply unit 79 is controlled by a power supply control unit 77.
  • a control system interface and a power supply system interface are provided as electrical interfaces between the fuel cell unit 10 and the information processing device 18.
  • the control system interface is an interface provided for communication between the power supply controller 77 of the information processing device 18 and the controller 41 of the fuel cell unit 10. Communication performed between the information processing device 18 and the fuel cell unit 10 via the control system interface is performed via a serial bus such as the I 2 C bus 78, for example. .
  • the power supply system interface is an interface provided for exchanging electric power between the fuel cell unit 10 and the information processing device 18.
  • the power generated by the DMFC stack 42 of the power generation unit 40 is supplied to the information processing device 18 via the fuel cell control unit 41 and the docking connectors 14 and 21.
  • the power supply system interface there is also a power supply 83 from a power supply unit 79 of the information processing device 18 to the auxiliary devices 63 in the fuel cell unit 10.
  • the power supply 79 of the information processing device 18 is supplied with AC / DC-converted DC power via the AC adapter connector 81, whereby the operation and the secondary operation of the information processing device 18 are performed.
  • Battery (lithium-ion battery) 80 can be charged.
  • FIG. 6 is a configuration example showing an electrical functional relationship between the fuel cell control unit 41 of the fuel cell unit 10 and the power supply unit 79 of the information processing device 18.
  • the fuel cell unit 10 and the information processing device 18 are mechanically and electrically connected by the docking connectors 14 and 21.
  • the docking connectors 14 and 21 have a first power supply terminal (output power supply terminal) 91 for supplying the power generated by the DMF C stack 42 of the fuel cell unit 10 to the information processing device 18 and an information terminal.
  • a second power terminal (input power terminal for auxiliary equipment) 92 In order to supply power from the processing unit 18 to the microcomputer 95 of the fuel cell unit 10 via the relay 94, and to supply power to the auxiliary power supply circuit 97 via the switch 101.
  • a second power terminal (input power terminal for auxiliary equipment) 92 In order to supply power from the processing unit 18 to the microcomputer 95 of the fuel cell unit 10 via the relay 94, and to supply power to the auxiliary power supply circuit 97 via the switch 101.
  • a second power terminal (input power terminal for auxiliary equipment) 92 Further, it has a third power supply terminal 92 a for supplying power from the information processing device 18 to the
  • the docking connectors 14 and 21 communicate with the power supply controller 77 of the information processing device 18 and the microcomputer 95 of the fuel cell unit 10 and preferably with a writable nonvolatile memory (EE PROM) 99. It has a communication input / output terminal 93 for performing communication and communication.
  • E PROM writable nonvolatile memory
  • the power control unit 77 of the information processing device 18 connects the information processing device 18 and the fuel cell unit 10 to each other via the docking connectors 14 and 21 based on the signal from the connector connection detection unit 111. To recognize that it is mechanically connected.
  • a non-volatile memory (EEPROM) 99 which is a storage unit of the control unit 41.
  • EEPROM 99 identification information and the like of the fuel cell unit 10 are stored in advance. For example, information such as a component code of the fuel cell unit, a manufacturing serial number, or a rated output can be included in the identification information in advance.
  • the EEPROM 99 is connected to, for example, a serial bus such as an I 2 C bus 93, and data stored in the EEPROM 99 can be read while power is supplied to the EEPROM 99. In the configuration of FIG. 6, it is possible for the power supply control unit 77 to read the information of the EE PROM 99 via the communication input / output terminal 93.
  • the main switch 112 is provided, for example, outside the fuel cell unit 10 and is configured so that a user can open and close the switch, and is, for example, a slide switch.
  • the main switch of the information processing device 18 opens and closes. Based on the signal from the detection unit 1 13, the power control unit 77 of the information processing device 18 Recognizes that switch 1 1 2 is closed. Next, the power supply controller 77 reads the identification information of the fuel cell unit 10 stored in the EEPROM 99 of the fuel cell unit 10 via the I 2 C bus 93. When the power supply control unit 77 determines that the connected fuel cell unit 10 is a fuel cell unit compatible with the information processing device 18 based on the read identification information, the power supply control unit 77 closes the switch 100. .
  • the switch 100 When the switch 100 is closed, the power of the secondary battery 80 of the information processing device 18 is supplied to the microcomputer 95 of the fuel cell control unit 41 via the second power supply terminal 92. This state is called “standby state” ST20. At this stage, the power is not yet supplied to the auxiliary power supply circuit 97, and thus the auxiliary machine 63 is not operating yet.
  • the microcomputer 95 is operating, and is capable of receiving various control commands from the power control unit 77 of the information processing device 18 via the 12 C bus 78. is there. Conversely, power information of the fuel cell unit 10 can also be transmitted to the information processing device 18 via the I 2 C bus.
  • FIG. 9 shows an example of a control command sent from the power supply control unit 77 of the information processing device 18 to the micro computer 95 of the fuel cell control unit 41.
  • FIG. 10 shows an example of main power supply information of the fuel cell unit 10 sent from the microcomputer 95 of the fuel cell control unit 41 to the power supply control unit 77 of the electron 18.
  • the power supply control unit 77 of the information processing device 18 reads the “DMFC operation state” from the power supply information shown in FIG. 10 so that the fuel cell unit 10 enters the “standby state”.
  • the microcomputer 101 closes the switch 101 of the fuel cell control unit 41 and supplies power from the information processing device 18 to the auxiliary machine power supply circuit 97.
  • the auxiliary equipment control signal from the microcomputer 95 generates the auxiliary equipment 63 in the power generation unit 40, that is, the pumps 44, 46, 50, 56, and the valves shown in FIG.
  • the microcomputer 95 closes the switch 102 of the fuel cell controller 41.
  • an aqueous methanol solution or air is injected into the DMFC stack 42 of the power generation unit 40, and power generation is started.
  • the power generated by the DMF C stack 42 is supplied to the information processing device 18.
  • the power generation output does not reach the rated value instantaneously, and the state until it reaches the rated value is called “warm-up state” ST30.
  • the switch 95 10 1 is opened, and the power supply source for the auxiliary device 63 is switched from the information processing device 18 to the DMFC stack 42.
  • This state is the “on state” ST40.
  • the setup process is a process for moistening the dried solid polymer electrolyte membrane when used for the first time or when left for a long period of time, and is a process for recovering the decrease in power generation capacity. is there.
  • Various modes can be considered as a specific method of the setup process. First, a typical embodiment will be described with reference to a system diagram of FIG. 6, a state transition diagram of FIG. 7, and a flowchart of FIG. .
  • the setup state ST70 shifts from the standby state ST20.
  • the EPPROM 99 of the fuel cell control unit 41 is supplied with power from the information processing device 18 via the third power supply terminal 92a, and is operable. Therefore, the microcomputer 95 can read the information written in the EE PROM 99.
  • the switch 101 of the fuel cell control unit 41 is still open, and power is not supplied to the auxiliary device 63. Therefore, the auxiliary machine 63 is not driven, and naturally the DMFC suck 42 is not generating power.
  • the control command data of the I 2 C bus 78 sent from the power supply controller 77 of the information processing device 18 via the communication input / output terminal 93 is monitored.
  • the main control commands have the contents shown in Fig. 9, for example.
  • the micro computer 9 5 If it is determined that a control command that includes “DMF C operation ON request” (the command shown in No. 1 in FIG. 9) has been received (yes in S10), the micro computer 9 5 reads the value of the last use date ( ⁇ ⁇ ) stored in the EEPROM 99 (S11). Further, the microcomputer 95 generates information indicating the current time in the power supply control unit 77 of the information processing device 18, for example, from a real-time clock (RTC) 115. 2 ) Receive and read via the I 2 C bus.
  • RTC real-time clock
  • the configuration of the fuel cell control unit 41 can be simplified. For this reason.
  • the configuration is such that the data of the RTC (real-time clock) 115 of the information processing device 18 is received and read by the microcomputer 95 of the fuel cell control section 41.
  • the RTC (real-time clock) 115 is provided in the power supply control unit 77 of the information processing device 18.
  • the RTC (real-time clock) is provided. It is also possible to adopt a configuration in which 1 15 is provided inside the keyboard controller 70 or the like of the information processing device 18.
  • Microcomputer 9 5 of the fuel cell control unit 4 1 calculates the difference delta T of last use date (1 ⁇ ) and current date (T 2) (ST 1 3).
  • ⁇ ⁇ indicates the elapsed time from the previous use of the fuel cell unit 10 to the current use.
  • ⁇ is a predetermined time, for example, one year or more, or whether it is the first use. Whether or not the fuel cell unit is used for the first time is determined by, for example, setting the value of the last use date ( ⁇ ,) stored in the EEPROM 9.9 to zero when the fuel cell unit 10 is shipped from the factory. Can be determined. After the second time, a value other than zero is stored in 1 ⁇ , that is, the actual use date is stored.
  • information indicating that setup processing is necessary is provided to the power supply control unit Tell Specifically, for example, information indicating that “setup processing is required” is set as the power supply information of the fuel cell unit 10 (see No. 7 in FIG. 10).
  • the information can be transmitted to the power supply control unit 77 by receiving and reading this information by the power supply control unit 77 of the information processing device 18 (S15).
  • the power supply controller 77 sends a “setup processing request” command (see No. 6 in FIG. 9) to the fuel cell controller 41 as one of the control commands (ST 16). .
  • the fuel cell control unit 41 shifts the state of the fuel cell unit 10 to the setup state ST 70. Specifically, of the auxiliary devices 63 of the fuel cell unit 10, in particular, the liquid feed pump 46 is operated for a certain period of time, so that the solid polymer electrolyte membrane 422 of the DMFC stack 42 is hydrated.
  • the dried polymer electrolyte membrane 422 absorbs moisture, and the DMFC stack 42 restores the reduced power generation capacity.
  • the fuel cell control unit 41 After the operation of the liquid sending pump 46 for a certain period of time is completed, the fuel cell control unit 41 notifies the power supply control unit 77 of the information processing device 18 that the setup process has been completed.
  • This method can be performed by, for example, setting “end of setup processing” (number 8 in FIG. 10) in the power supply information.
  • the power supply control unit 77 that has read the “setup processing end” of the power supply information sends back a “setup processing end request” command to the fuel cell control unit 41 as a command to permit the end of the setup processing (ST 2 0).
  • the power of the auxiliary equipment 63 during the setup processing period is supplied via the second power supply terminal (input power supply terminal for auxiliary equipment). It is configured to receive supply from the secondary battery 80 of the information processing device 18.
  • the information processing device connected to the fuel cell unit 10 generally has a built-in secondary battery, and if this power is used in the setup process, the fuel cell unit This is because the secondary battery is not required for the fuel cell unit 10 itself, so that the configuration of the fuel cell unit 10 is simplified and the cost can be reduced.
  • the second embodiment in which the secondary battery is built in the fuel cell unit 10 itself is also possible.
  • the setup process can be performed even if the connected information processing device does not include a secondary battery.
  • the configuration for determining the elapsed time ⁇ ⁇ (difference between the last use date and the current date) is provided by the EEPROM 99 of the fuel cell control unit 41 and the power supply control.
  • the fuel cell unit according to the present invention is configured using the block (real-time clock) 1 15 of the section 77, but any other configuration as long as the elapsed time ⁇ T can be determined. Can be implemented.

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Abstract

　本発明に係る燃料電池ユニットは、外部機器との接続に用いられる接続部と、前記接続部を介して前記外部機器に供給される電力を発電し、電解質膜を備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料を送液する補機と、前記電解質膜に含水させる含水処理が必要であるか否かを判別し、含水処理が必要であると判別した場合は、前記補機を駆動させることで前記燃料を前記電解質膜に送液する制御部とを備えることを特徴とする。上記構成によれば、発電能力の低下を回復することを可能とする、燃料電池ユニット、その制御方法、情報処理装置および情報処理装置の電力供給方法を提供することができる。

Description

明 細 書 燃料電池ユニット、 その制御方法、 および情報処理装置 技術分野
本発明は、 燃料電池ユニット、 その制御方法、 および情報処理装置に係り、 特に 、 セットアップ処理を行う燃料電池ユニット、 その制御方法、 および情報処理装置 に関する。 背景技術
現在、 情報処理装置への電源供給源の一つである二次電池として例えばリチウム イオン電池が使用されている。 二次電池の有する特徴の一つは、 使い捨てタイプで ある一次電池と比較して、 例えば商用電源を用いて充電することで繰り返し使用可 能な点にある。
しかしながら、 リチウムイオン電池は二次電池であるが故に、 例えば商用電源を 用いて充電する必要がある。
また、 近年における情報処理装置の機能性能の向上は著しく、 これに伴って該情 報処理装置の消費電力は増加の傾向にある。 そこで、 情報処理装置に電力を供給す るリチウムイオン電池が提供するエネルギの密度、 即ち単位体積或いは単位質量あ たりの出力エネルギ量を向上させたいものの、 顕著な向上を望むのは難しい状況に ある。
一方、 燃料電池のエネルギ密度は、 理論的にはリチウムイオン電池の 1 0倍とも 言われている （例えば、 非特許文献 1参照） 。 これは、 燃料電池がリチウムイオン 電池に対して、 体積或いは質量が同じとすると、 より長時間 （例えば 1 0倍） の電 力供給が可能となる潜在的能力を有していることを意味する。 また、 両者の電力供 給時間を等しいとするならば、 燃料電池の方がリチウムイオン電池に対して小型 - 軽量化が可能となる潜在的能力を有している事を意味する。
また、 燃料電池は、 燃料、 例えばメタノール等を小型の容器に封入してユニット 化し、 小型の容器ごと交換して使用すれば、 外部からの充電を必要としない。 従つ て、 例えば A C電源設備の無い場所において、 リチウムイオン電池を使用して電力 を確保する場合と比較して燃料電池を使用して電力を確保する場合の方が、 より長 時間にわたつて情報処理装置を使用可能である。 さらに、 リチウムイオン電池を使用した情報処理装置 （例えばノート型パーソナ ルコンピュータ） を長時間使用する場合、 リチウムイオン電池の供給する電力を用 いて長時間使用することは困難であるため、 A C電源による電力供給が可能な環境 で情報処理装置を使用しなければならないという制約が課せられる。 しかしながら 、 燃料電池の供給する電力で情報処理装置を使用するとリチウムイオン電池を用い る場合と比較して長時間に渡る情報処理装置の使用が可能になるとともに、 上述の 制約から解放されることが期待できる。
以上のような観点から、 情報処理装置への電力供給を目的とした燃料電池の研究 •開発が進められており、 これまでにも、 例えば特許文献 1 , 2， 3に開示されて いる。
燃料電池の方式には種々のものがあるが （例えば非特許文献 2参照） 、 情報処理 装置に適するものとして、 小型 ·軽量化、 さらに燃料の取り扱いやすさといった観 点を考慮すると、 ダイレクトメタノ一ル型燃料電池 （D M F C ： D i r e c t M e t h a n o l F u e l C e 1 1 ) 方式が挙げられる。 この方式の燃料電池は 、 燃料としてメタノールを用いるものであり、 メタノールを水素に変換することな く直接、 燃料極に注入する方式である。
ダイレクトメタノール型燃料電池においては、 燃料極に注入するメタノールの濃 度が重要であり、 この濃度が高いと発電効率が悪くなり十分な性能が得られない。 これは燃料となるメタノールの一部が燃料極 （負極） と空気極 （正極） とに挟まれ る電解質膜 （固体高分子電解質膜） を透過してしまう現象 （これをクロスオーバ現 象と呼んでいる。 ） に起因するものである。 クロスオーバ現象はメタノールの濃度 が高濃度の場合に顕著になり、 低濃度のメタノールを燃料極に注入した場合は低減 される。
一方、 低濃度のメタノールを燃料として使用した場合、 高性能を確保し易いもの の、 高濃度メタノールに比べると燃料の容積が大きくなるため （例えば 1 0倍） 、 燃料の容器 （燃料カートリッジ） が大型となってしまう。
そこで、 燃料カートリッジ内には高濃度のメタノールを収納することによって小 型化をはかりつつ、 一方で、 発電時に発生する水を小型のポンプやバルブ等で循環 させて高濃度メタノールを燃料極に注入する前に希釈することによってメタノール の濃度を下げ、 その結果クロスオーバ現象を低減させることができる。 この方式に よって発電効率を向上させることが可能となる。 なお、 以降、 循環させるためのポ ンプゃバルブ等を補機と呼び、 また、 このように循環させる方式を希釈循環システ ムと呼ぶ。
このように、 燃料電池ユニット全体としては小型軽量化を図りつつ、 希釈された メタノールによって、 発電効率の高い燃料電池ユニットが実現できる （非特許文献
1) 0
[特許文献 1] 特開 2003 - 1421 37号公報
[特許文献 2] 特開 2003 - 86 1 92号公報
[特許文献 3] 特開 2002 - 169629号公報
[非特許文献 1] 「燃料電池 2004」 、 日経 BP社、 2003年 10月、 p . 49— 50, p. 64
[非特許文献 2] 池田宏之助編著、 「燃料電池のすべて」 、 日本実業出版社、
2001年 8月
本発明が解決しょうとする課題の説明にあたって、 まず、 燃料電池の動作原理に ついて簡単に説明する。 動作原理そのものは既に公知文献 （例えば、 非特許文献 1 等） に詳しく述べられているのでここでは概略を説明する。
第 1図は、 燃料電池を構成するダイレクトメタノール型燃料電池セル （DMFC セル） 5の動作原理を説明したものである。 DM FCセル 5は、 中央に電解質膜 1 を配置し、 この両側から、 燃料極 （負極） 2と空気極 （正極） 3で挟み込んで構成 される。
DMFCセル 5の燃料極 2にメタノ一ル水溶液を注入すると、 燃料極 2でメタノ ールの酸化反応が生じ、 この結果、 電子 （e一） と水素イオン （H + ) と二酸化炭素 (C02) が生成される。 このうち、 水素イオン （H + ) は電解質膜 1を透過し、 空 気極 3に達する。 また二酸化炭素 （C02) は燃料極 2の他端から排出される。 一方、 電子 （e— ) は燃料極 2から負荷 4を介して空気極 3に環流される。 この 電子の流れによって、 外部に電力を供給することが可能になる。 空気極 3では、 外 部から注入される空気中の酸素 （02) が、 電解質膜 1を透過してきた水素イオン (H + ) と負荷 4を介して環流してきた電子 （e — ) とによって還元され、 その結果 、 水 H20 (水蒸気) を生成する。
第 1図は、 燃料電池の構成の一単位を示したものであり、 実際にはこの DMFC セル 5を積み重ねて、 所定の電圧や電流を得ることになる。 DMFCセル 5を積み 重ねたものを、 DMF Cスタックと呼んでいる。
ところで、 ダイレクトメタノール型燃料電池では、 一般に電解質膜 1として、 固 体高分子電解質膜が用いられている。 固体高分子電解質膜は、 長期間の放置等によ つて乾燥すると電解質としての機能を果たさなくなるという問題があることは、 例 えば特許文献 2にみられるように当業者に公知である。 即ち、 固体高分子電解質膜 は、 水分を含んだ状態では水素イオン （H + ) に対して導電性を示すが、 乾燥する と水素イオン （H + ) に対して絶縁体になり、 電解質としての機能を果たさなくな るというものである。
このため、 燃料電池ユニットを出荷後初めて使用する際や、 発電を停止後に長期 間放置したような場合には固体高分子電解質膜が乾燥することに起因して発電能力 が低下することがある。
かかる発電能力の低下を解消するために、 セットアップ処理と呼ばれる特別な処 理が試みられている。 セットアップ処理とは、 燃料電池ユニットを初めて使用する 場合や、 長期間、 例えば一年間放置したような場合に、 補機のうちの送液ポンプを 一定時間動作させることによって乾燥した燃料極に水分を注入し、 固体高分子電解 質膜を十分含水させる含水処理をいう。
セットアップ処理は、 固体高分子電解質膜を含水させることを目的とするもので あり、 発電を目的とするものではない。 また、 必ずしも毎回の燃料電池ユニットの 使用ごとに必要となる処理ではない。 従って、 通常の運転シーケンスとは異なった 、 セットアップ処理特有のシーケンスを設けることによって、 固体高分子電解質膜 を効率よく、 かつ、 必要とされる時のみに含水させる処理を行うことができる。 発明の開示
本発明は、 上述した事情に鑑みてなされたものであり、 初回使用時や長期間放置 時等に、 乾燥した固体高分子電解質膜を含水するための処理 （セットアップ処理） を行い、 発電能力の低下を回復することが可能となる燃料電池ユニット、 その制御 方法、 および情報処理装置を提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池ユニットは、 上述した目的を達成するために、 請求の範囲 第 1項に記載したように、 外部機器との接続に用いられる接続部と、 前記接続部を 介して前記外部機器に供給される電力を発電し、 電解質膜を備える燃料電池と、 前 記燃料電池に燃料を送液する補機と、 前記電解質膜に含水させる含水処理が必要で あるか否かを判別し、 含水処理が必要であると判別した場合は、 前記補機を駆動さ せることで前記燃料を前記電解質膜に送液する制御部とを備えることを特徴とする また、 本発明に係る情報処理装置は、 請求の範囲第 9項に記載したように、 電解 質膜を有する燃料電池と前記燃料電池に燃料を注入する補機と前記捕機を制御する 第 1の制御部とを備えた燃料電池ュニットと、 前記燃料電池ュニッ卜に接続される 接続部と、 前記接続部を介して前記第 1の制御部との通信を制御する第 2の制御部 とを具備し、 前記第 2の制御部は、 前記捕機を駆動することで前記電解質膜に前記 燃料を送液する含水処理を開始させるコマンドを前記第 1の制御部へ送信すること を特徴とする。
さらに、 本発明に係る燃料電池ユニットの制御方法は、 請求の範囲第 1 3項に記 載したように、 電解質膜を有する燃料電池と前記燃料電池に燃料を注入する補機と 前記捕機を制御する制御部とを備えた燃料電池ユニットの制御方法において、 前記 制御部は前記電解質膜に含水させる含水処理が必要であるか否かを判別し、 前記制 御部は前記含水処理が必要であると判別した場合、 前記補機を駆動させることで前 記燃料を前記電解質膜に送液することを特徴とする。 図面の簡単な説明
第 1図は、 燃料電池 （D M F C ) の動作原理説明図である。
第 2図は、 本発明に係る燃料電池ュニットの一実施形態を示す外観図である。 第 3図は、 上記燃料電池ュニットに本発明に係る情報処理装置に一実施形態を接 続した状態の外観図である。
第 4図は、 上記燃料電池ュニッ卜の発電部を主とした系統図である。
第 5図は、 上記燃料電池ユニットに上記情報処理装置を接続した状態の系統図で ある。
第 6図は、 上記燃料電池ュニットと上記情報処理装置の第一の実施形態を説明す る系統図である。
第 7図は、 セットアップ処理を持つ燃料電池ュニットの状態遷移図である。
第 8図、 セットアップ処理のフローチャートである。
第 9図は、 本発明に係る燃料電池ュニッ卜に対する主な制御用コマンドを示す図 である。
第 1 0図は、 本発明に係る燃料電池ュニットの主な電源情報を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明に係る燃料電池ユニット、 その制御方法、 情報処理装置および情報処理装 置の電力供給方法の第一の実施形態について、 添付図面を参照して説明する。 第 2図は本発明の燃料電池ュニットの一実施形態を示す外観図である。 第 2図に 示すように、 この燃料電池ユニット 1 0は、 情報処理装置、 例えばノート型パ一ソ ナルコンピュータの後部を載置するための載置部 1 1と、 燃料電池ユニット本体 1 2とから構成される。 燃料電池ユニット本体 1 2には、 電気化学反応で発電を行う D M F Cスタックや、 D M F Cスタックに対して燃料となるメタノールや空気を注 入、 循環させるための補機 （ポンプやバルブ等） を内蔵している。
また、 燃料電池ュニット本体 1 2のュニットケース 1 2 b内部の例えば右端に、 着脱可能な燃料カートリッジ （0示していない） が内蔵されており、 この燃料力一 トリッジを交換できるように、 カバ一 1 2 は取り外し可能となっている。
載置部 1 1には情報処理装置が載置される。 載置部 1 1の上面には、 情報処理装 置と接続するための接続部としてドッキングコネクタ 1 4が設けられている。 一方 、 情報処理装置の例えば底面後部には、 燃料電池ユニットと接続するための接続部 としてドッキングコネクタ 2 1 (図示していない） が設けられており、 燃料電池ュ ニット 1 0のドッキングコネクタ 1 4と機械的、 電気的に接続される。 また、 載置 部 1 1上に三箇所の位置決め突起 1 5とフック 1 6が設けられており、 対応して設 けられた情報処理装置の底面後部の三箇所の穴に、 位置決め突起 1 5とフック 1 6 が揷入される。
情報処理装置を燃料電池ユニット 1 0から取り外す時は、 第 2図に示した燃料電 池ュニット 1 0のイジェクトポタン 1 7を押すことにより、 ロック機構 （図示して いない） の解除が行われて、 容易に取り外すことができる。
第 3図は、 情報処理装置 1 8 (例えば、 ノート型パーソナルコンピュータ） を燃 料電池ユニット 1 0の載置部 1 1の上に載置、 接続した時の外観を示す図である。 なお、 第 2図、 第 3図に示した燃料電池ユニット 1 0の形状や大きさ、 或いはド ッキングコネクタ 1 4の形状や位置等は、 種々の形態が考えられる。
次に、 本発明に係る燃料電池ユニット 1 0の構成について説明する。 特に、 D M F Cスタックとその周辺に設けられた補機について、 第 4図に示した系統図を用い て詳説する。
燃料電池ュニット 1 0は、 発電部 4 0と、 燃料電池ュニット 1 0の制御部である 燃料電池制御部 4 1とから構成される。 燃料電池制御部 4 1は発電部 4 0の制御を 行う他、 情報処理装置 1 8との通信を行う通信制御部としての機能を有する。
発電部 4 0は、 発電を行うための中心となる D M F Cスタック 4 2を有する他、 燃料となるメタノールを収納する燃料カートリッジ 4 3を有する。 燃料カートリツ ジ 4 3には高濃度のメタノールが封入されている。 燃料カートリッジ 4 3は、 燃料 を消費した時には容易に交換できるよう、 着脱可能となっている。
また、 一般に、 ダイレクトメタノール型燃料電池においては、 発電効率をあげる にクロスオーバ現象を低減する必要がある。 このために高濃度メタノールを希釈し て低濃度化し、 これを燃料極 4 7に注入することが有効である。 この実現のため、 燃料電池ユニット 1 0では、 希釈循環システム 6 2を採用しており、 発電部 4 0に 希釈循環システム 6 2の実現に必要な補機 6 3を設ける。 具体的には、 補機 6 3と して、 燃料供給ポンプ 4 4 , 混合タンク 4 5， 送液ポンプ 4 6 , 混合タンクバルブ 4 8， 送気ポンプ 5 0 , 送気バルブ 5 1 , 凝縮器 5 3 , 冷却ファン 5 4 , 水回収夕 ンク 5 5 , 水回収ポンプ 5 6 , 排気バルブ 5 7等を配管接続して構成される。
次に、 燃料電池ユニット 1 0の発電部 4 0の発電メカニズムについて、 燃料と空 気 （酸素） の流れに沿って説明する。
まず、 燃料カートリッジ 4 3内の高濃度メタノールは、 燃料供給ポンプ 4 4によ つて、 混合タンク 4 5に流入する。 混合タンク 4 5の内部で高濃度メタノールは、 回収された水や燃料極 4 7からの低濃度メタノール （発電反応の残余分） 等と混合 されて希釈され、 低濃度メタノールが生成される。 低濃度メタノールの濃度は発電 効率の高い濃度 （例えば 3〜 6 % ) を保てるように制御される。 この制御は、 例え ば、 濃度センサ 6 0の情報を基に燃料供給ポンプ 4 4によって混合タンク 4 5に供 給される高濃度メタノールの量を制御する。 または、 混合タンク 4 5に環流する水 の量を水回収ポンプ 5 6等で制御することによって実現できる。
混合タンク 4 5で希釈されたメタノール水溶液は送液ポンプ 4 6で加圧されて、 D M F Cスタック 4 2の燃料極 （負極） 4 7に注入される。 燃料極 4 7では、 メタ ノールの酸化反応が行われることで電子が発生する。 酸化反応で生成される水素ィ オン （H + ) は D M F Cスタック 4 2内の固体高分子電解質膜 4 2 2を透過して空 気極 （正極） 5 2に達する。
一方、 燃料極 4 7で行われる酸化反応によって生成される二酸化炭素は、 反応に 供されなかったメタノール水溶液とともに再び混合タンク 4 5に環流する。 二酸化 炭素は混合タンク 4 5内で気化し、 混合タンクバルブ 4 8を介して、 凝縮器 5 3へ 向かい、 最終的には排気バルブ 5 7を介して、 排気口 5 8から外部へ排気される。 他方、 空気 （酸素） の流れは、 吸気口 4 9から取り込まれ、 送気ポンプ 5 0で加 圧され、 送気バルブ 5 1を介し空気極 （正極） 5 2に注入される。 空気極 5 2では 、 酸素 （0 2 ) の還元反応が進行し、 外部の負荷からの電子 （e一） と、 燃料極 4 7 からの水素イオン （H + ) と、 酸素 （02) から水 （H20) が水蒸気として生成さ れる。 この水蒸気は空気極 52から排出され、 凝縮器 53に入る。 凝縮器 5 3では 、 冷却ファン 54によって水蒸気が冷却されて水 （液体） となり、 水回収タンク 5 5内に一時的に蓄積される。 この回収された水は水回収ポンプ 56によって混合夕 ンク 45へと環流し、 高濃度メタノールを希釈するための希釈循環システム 62が 構成される。
この希釈循環システム 62による燃料電池ュニッ ト 1 0の発電メカニズムからわ かるように、 DMFCスタック 42から電力が取り出す、 即ち、 発電を開始するた めに、 各部のポンプ 44， 46， 50， 56やバルブ 48、 5 1、 57或いは冷却 ファン 54等の捕機 6 3を駆動させる。 これによつてメタノール水溶液と空気 （酸 素） が DMF Cスタック 42内に注入されそこで電気化学反応が進行することによ つて電力が得られる。 一方、 発電を停止するには、 これらの補機 6 3の駆動を停止 することによる。
ところで、 燃料電池ユニッ ト 10の、 ポンプ 44， 46, 5 0， 56やバルブ 4 8, 5 1, 57は発電部 40内の複数の箇所に配置されて希釈循環システム 6 2を 構成するものである。 したがって、 これらの補機 6 3の駆動を相互に整合をとつて 適切に制御することは、 発電の開始、 停止時だけでなく、 発電中における例えば情 報処理装置 1 8の負荷変動や異常状態発生時において特に重要となる。 これらの補 機 6 3の制御は燃料電池ュニッ ト 10の燃料電池制御部 41で行われる。
また、 発電能力を回復するためのセッ トアップ処理もこれらの補機 6 3を燃料電 池制御部 41が制御することによって実施される。
そこで、 燃料電池制御部 41の詳細動作について、 第 5図ないし第 1 0図を参照 して説明する。
第 5図は、 燃料電池ュニッ ト 1 0側に設けられる燃料電池制御部 41と通信可能 な情報処理装置の一例として、 例えば情報処理装置 1 8の系統を示したものである 。 情報処理装置 1 8は、 CPU65、 主記憶 66、 ディスプレイコントローラ 6 7 、 ディスプレイ 6 8、 HDD (Ha r d D i s c D r i v e) 6 9、 キ一ポー ドコントローラ 7 0、 ポインタデバイス 7 1、 キーボード 72、 FDD (F l o P y (登録商標） D i s c D r i v e) 73、 これら構成品間において信号を 伝送するバス 74、 バス 74を介して伝送される信号を変換するためのノ一スブリ ッジ 75、 サウスブリッジ 76と呼ばれるデバイス等から構成される。 また、 情報 処理装置 1 8の内部に電源部 79を設け、 ここに二次電池 80として、 例えばリチ ゥムイオン電池を保有している。 電源部 79は、 電源制御部 7 7によって制御され る。
燃料電池ュニット 10と情報処理装置 1 8との電気的ィン夕フェースとして制御 系ィンタフェースと電源系ィン夕フェースとを設ける。 制御系ィン夕フェースは情 報処理装置 1 8の電源制御部 7 7と燃料電池ュニット 1 0の制御部 41との間にて 通信を行うために設けられるィンタフエ一スである。 制御系ィン夕フェースを介し て情報処理装置 1 8と燃料電池ュニット 1 0との間で行われる通信は、 例えば I 2 Cバス 78といったシリアルバスを介して行われる。 .
電源系ィンタフェースは、 燃料電池ュニット 1 0と情報処理装置 1 8との間にお ける電力の授受のために設けられるインタフェースである。 例えば、 発電部 40の DMFCスタック 42で発電された電力が燃料電池制御部 41およびドッキングコ ネクタ 14、 2 1を介して情報処理装置 1 8に供給される。 また、 電源系インタフ ヱ一スには、 情報処理装置 1 8の電源部 79から、 燃料電池ユニット 1 0内の補機 6 3等への電力供給 83もある。
なお、 情報処理装置 1 8の電源部 79に対して ACアダプタ用コネクタ 8 1を介 して AC /DC変換された直流電源が供給され、 これによつて情報処理装置 1 8の 動作、 二次電池 （リチウムイオン電池） 80の充電が可能である。
第 6図は、 燃料電池ュニット 10の燃料電池制御部 41と、 情報処理装置 1 8の 電源部 79との、 電気的機能関係を示す構成例である。
燃料電池ユニット 1 0と情報処理装置 1 8とはドッキングコネクタ 14、 2 1に よって機械的かつ電気的に接続される。 ドッキングコネクタ 14、 2 1には、 燃料 電池ュニット 1 0の DMF Cスタック 42で発電された電力を情報処理装置 1 8へ 供給するための第一の電源端子 （出力電源端子） 9 1および、 情報処理装置 1 8か ら、 燃料電池ュニット 1 0のマイクロコンピュータ 95にレギユレ一夕 94を介し て電源を供給し、 かつ補機用電源回路 97にスィッチ 1 0 1を介して電源を供給す るための第二の電源端子 （補機用入力電源端子） 92を有する。 また、 情報処理装 置 18から EEPROM99へ電源供給するための第三の電源端子 9 2 aを有して いる。
さらに、 ドッキングコネクタ 14、 21は情報処理装置 1 8の電源制御部 7 7と 燃料電池ユニット 1 0のマイクロコンピュータ 95との通信や、 好ましくは書き込 み可能な不揮発性メモリ （EE PROM) 99との通信、 を行うための通信用入出 力端子 93を有している。 次に、 第 6図と、 第 7図に示した燃料電池ユニット 1 0の状態遷移図とを用いて 、 燃料電池ユニット 1 0から情報処理装置 1 8へ、 燃料電池ユニット 1 0の DM F Cスタック 42の電力が供給されるまでの基本的な処理の流れを説明する。 その後 にセットアップ処理について説明する。
なお、 情報処理装置 1 8の二次電池 （リチウムイオン電池） 80には所定の電力 が充電されているものとする。 また、 第 6図の中のスィッチは全て開いているもの とする。
まず、 情報処理装置 1 8の電源制御部 77は、 コネクタ接続検出部 1 1 1からの 信号をもとに、 情報処理装置 1 8と燃料電池ュニット 1 0とがドッキングコネクタ 14、 2 1を介して機械的に接続されたことを認識する。
情報処理装置 1 8と燃料電池ュニット 10とがドッキングコネクタ 14、 2 1を 介して機械的に接続されると、 情報処理装置 1 8側から第三の電源端子 9 2 aを介 して燃料電池制御部 41の記憶部である不揮発性メモリ （EEPROM) 99に電 源が供給される。 この EE PROM 99には、 燃料電池ュニット 1 0の識別情報等 が予め記憶される。 識別情報には、 例えば燃料電池ユニットの部品コードや製造シ リアル番号、 或いは定格出力などの情報を予め含ませることができる。 また、 この EEPROM99は、 例えば、 I 2 Cバス 93といったシリアルバスに接続されて おり、 EEPROM99に記憶されているデータは該 E E P ROM 99に電源が供 給されている状態において読み出し可能である。 第 6図の構成では、 電源制御部 7 7が通信用入出力端子 93を介して EE PROM 99の情報を読み出すことが可能 である。
この状態は、 燃料電池ユニット 1 0は未だ発電を行っておらず、 また燃料電池ュ ニット 1 0の内部には、 E E P ROM 99の電源以外は、 一切電源が供給されてい ない状態である。 この状態は、 第 7図の状態遷移図では 「ストップステート」 ST 10に該当する。
この 「ストップステート」 ST 1 0の状態で、 燃料電池ユニット 1 0に設けられ たメインスィッチ 1 1 2が閉じられると、 第 7図の 「スタンバイステ一ト」 ST 2 0に移行する。 メインスィッチ 1 1 2は例えば燃料電池ュニット 10の外部に設け られていて、 ユーザがスィツチの開閉を行うことができるように構成されており、 例えばスライド式のスィッチである。
メインスィッチ 1 1 2が閉じられると、 情報処理装置 1 8のメインスィッチ開閉. 検出部 1 1 3からの信号を基に情報処理装置 1 8の電源制御部 77は、 メインスィ ツチ 1 1 2が閉じられたことを認識する。 次に、 電源制御部 7 7は I 2 Cバス 93 を介して燃料電池ュニット 1 0の EEPROM99に記憶されている燃料電池ュニ ット 1 0の識別情報を読み出す。 読み出した識別情報から、 接続されている燃料電 池ュニット 1 0が情報処理装置 1 8に適合した燃料電池ュニットであると電源制御 部 77が判断した場合、 電源制御部 77は、 スィッチ 100を閉じる。
スィッチ 1 00が閉じられると、 情報処理装置 1 8の二次電池 80の電力が第二 の電源端子 92を介して、 燃料電池制御部 41のマイクロコンピュータ 9 5に供給 される。 この状態を 「スタンバイステート」 ST 20と呼ぶ。 この段階では補機用 電源回路 97には未だ電源は供給されておらず、 従って補機 6 3はまだ動作してい ない。
しかし、 マイクロコンピュータ 9 5は動作しており、 情報処理装置 1 8の電源制 御部 7 7から、 1 2 Cバス 7 8を介して各種の制御用コマンドを受信することが可 能な状態である。 また、 逆に、 燃料電池ユニット 1 0の電源情報を、 同じく I 2 C バスを介して情報処理装置 18へ送信することも可能な状態である。
第 9図は、 情報処理装置 1 8の電源制御部 77から、 燃料電池制御部 41のマイ クロコンピュータ 95に送られる制御用コマンドの一例を示したものである。
第 1 0図は、 燃料電池制御部 41のマイクロコンピュータ 9 5から電子 1 8の電 源制御部 7 7に送られる燃料電池ュニット 1 0の主な電源情報の一例を示したもの である。
情報処理装置 1 8の電源制御部 7 7は、 第 1 0図の電源情報のうち 「DMFC運 転状態」 を読み取ることによって、 燃料電池ユニット 1 0が 「スタンバイステート
」 ST 20であること認識できる。
この 「スタンバイステー卜」 ST 20の状態で、 電源制御部 7 7が、 第 1 0図に 示した制御用コマンドのうち 卩 DMFC運転 ON要求」 コマンドを燃料電池制御部 1に送ると、 これを受信した燃料電池制御部 41は、 燃料電池ュニット 1 0の状 態を 「ウォームアップステート」 ST30に移行させる。
具体的には、 マイクロコンピュータ 9 5からの制御で燃料電池制御部 41のスィ ツチ 1 0 1を閉じて補機用電源回路 97に情報処理装置 1 8からの電源を供給する
。 併せて、 マイクロコンピュータ 9 5からの補機用制御信号によって、 発電部 40 にある補機 63、 即ち、 第 4図に示した各ポンプ 44、 46、 50、 56、 バルブ
48、 5 1、 57及び冷却ファン 54等を駆動させる。 さらにマイクロコンピュー 夕 95は、 燃料電池制御部 41のスィッチ 1 02を閉じる。 この結果、 発電部 40の DMFCスタック 42に対してメタノール水溶液や空気 が注入され、 発電が開始される。 また、 DMF Cスタック 42による発電電力は、 情報処理装置 1 8に供給が開始される。 ただし、 発電出力は、 瞬時に定格値に達す るわけではないため、 定格値に達するまでの状態を 「ウォームアップステート」 S T 30と呼んでいる。
燃料電池制御部 41のマイクロコンピュータ 95は、 例えば DMF Cスタック 4 2の出力電圧および DM F Cスタック 42の温度をモニタすることにより、 DMF Cスタック 42の出力が定格値に達したと判断すると、 スィッチ 10 1を開き、 補 機 63への電力供給源を情報処理装置 1 8から DMFCスタック 42に切り替える 。 この状態が 「オンステート」 ST40である。
以上が 「ストップステート」 ST 1 0から 「オンステート」 ST40への基本的 な処理の流れの概要である。
次に、 セットアップ処理およびセットアップ ·ステート S T 70の説明をする。 セットアップ処理とは、 初回使用時や長期間放置時等に、 乾燥した固体高分子電 解質膜を含水するための処理のことであり、 発電能力の低下を回復させる事を目的 とする処理である。 セットアップ処理の具体的な方法には種々の態様が考えられる が、 まず典型的な実施態様について、 第 6図の系統図、 第 7図の状態遷移図及び第 8図のフローチャートを用いて説明する。
第 7図の状態遷移図及び第 8図のフローチャートに示したように、 セットアップ ·ステート ST 70は、 スタンバイステ一ト S T 20から移行する。
スタンバイステート ST 20の状態では、 燃料電池制御部 41のマイクロコンビ ユー夕 9 5には、 情報処理装置 1 8から第二の電源端子 （補機用入力電源端子） 9 2を介して電源が供給されており、 マイクロコンピュータ 95が動作可能となって いる状態である。
また、 燃料電池制御部 41の EE P ROM 99にも、 第三の電源端子 92 aを介 して情報処理装置 1 8から電源が供給されており動作可能となっている。 従って、 EE PROM 9 9に書き込まれた情報をマイクロコンピュータ 9 5は読み出すこと が可能である。
ただし、 未だ燃料電池制御部 41のスィッチ 1 0 1は開いており、 補機 6 3には 電源は供給されていない。 従って、 補機 6 3は駆動しておらず、 当然 DMFCス夕 ック 42も発電を行っていない状態である。
第 8図に示したフローチャートの最初のステップ S 1 0で、 マイクロコンピュー 夕 9 5は、 情報処理装置 1 8の電源制御部 7 7から通信用入出力端子 9 3を介して 送られてくる I 2 Cバス 7 8の制御用コマンドデータをモニタする。 主な制御用コ マンドは例えぱ第 9図に示した内容のものである。
制御用コマンドに 「DMF C運転 ON要求」 （第 9図の番号 1に示したコマンド ) が含まれているものが受信されたと判断されると （S 1 0の yes) 、 マイクロコ ンピュー夕 9 5は、 E E P ROM 9 9に記憶されている前回使用年月日 （Ί\) の 値を読み取る （S 1 1 ) 。 さらにマイクロコンピュー夕 9 5は、 情報処理装置 1 8 の電源制御部 7 7にある現在時刻を示す情報を発生する手段、 例えば R T C (リア ルタイムクロック） 1 1 5から現在の年月日 （Τ2) を、 I 2 Cバスを介して受信 し、 読み取る。
一般に情報処理装置、 特にノート型パーソナルコンピュータ等は RT C (リアル タイムクロック） を元々内蔵しており、 種々の時間に関する処理をサポートしてい る。 従って、 この R T C (リアルタイムクロック） の情報を燃料電池制御部 4 1で 利用すれば燃料電池制御部 4 1の構成の簡素化が図れる。 このため。 本実施形態で は、 情報処理装置 1 8の R T C (リアルタイムクロック） 1 1 5のデ一夕を受信し 、 燃料電池制御部 4 1のマイクロコンピュー夕 9 5で読み取る構成としている。 なお、 第 6図に示した実施形態では、 RT C (リアルタイムクロック） 1 1 5は 情報処理装置 1 8の電源制御部 7 7内に設けているが、 他の実施形態、 例えば R T C (リアルタイムクロック） 1 1 5を情報処理装置 1 8のキーボードコントローラ 7 0等の内部に設けた構成としても差し支えない。
燃料電池制御部 4 1のマイクロコンピュータ 9 5は、 前回の使用年月日 （1^) と現在の年月日 （Τ2) との差 Δ Τを算出する （S T 1 3 ) 。 Δ Τは、 燃料電池ュ ニット 1 0の前回の使用から今回の使用までの経過時間を示すものである。
次に、 Δ Τが所定時間例えば一年以上か否か、 或いは初回の使用か否かを判断す る。 初回の使用か否かは、 例えば E E P R OM 9 9に記憶される前回使用年月日 （ Ύ , ) の値を燃料電池ユニット 1 0の出荷時にゼロに設定しておく、 等の方法によ り判断可能である。 二回目以降には、 1\にゼロ以外の値、 即ち実際の使用年月曰 が記憶されるからである。
△ Τが所定時間、 例えば一年以上を経過している、 或いは初回の使用であると判 断された場合は、 セットアップ処理が必要であるという情報を情報処理装置 1 8の 電源制御部 7 7へ伝える。 具体的には、 燃料電池ュニット 1 0の電源情報として、 例えば 「セットアップ処理必要」 という情報をセットし （第 1 0図の番号 7参照） 、 この情報を情報処理装置 1 8の電源制御部 7 7が受信し読み取ることで電源制御 部 7 7に伝えることができる （S 1 5 ) 。
この後、 電源制御部 7 7は、 燃料電池制御部 4 1に対して、 制御用コマンドの一 つとして 「セットアップ処理要求」 コマンド （第 9図の番号 6参照） を送信する （ S T 1 6 ) 。
このコマンドを受けた燃料電池制御部 4 1は、 燃料電池ュニット 1 0の状態をセ ットアップ ·ステート S T 7 0に移行させる。 具体的には、 燃料電池ユニット 1 0 の補機 6 3のうち、 特に送液ポンプ 4 6を一定の時間作動させることにより、 D M F Cスタック 4 2の固体高分子電解質膜 4 2 2を含水させる。
この結果、 乾燥していた固体高分子電解質膜 4 2 2は水分を吸収し、 D M F Cス タック 4 2は低下していた発電能力を回復する。
送液ポンプ 4 6の一定の時間の作動が終了した後は、 燃料電池制御部 4 1は情報 処理装置 1 8の電源制御部 7 7に対してセットアップ処理が終了したことを伝える 。 この方法は、 例えば電源情報の 「セットアップ処理終了」 （第 1 0図の番号 8 ) をセットすることで可能である。
電源情報の 「セットアップ処理終了」 を読み取った電源制御部 7 7は、 セットァ ップ処理の終了を許可するコマンドとして、 「セットアップ処理終了要求」 コマン ドを燃料電池制御部 4 1に送り返す （S T 2 0 ) 。
燃料電池制御部 4 1は、 E E P R O M 9 9に記憶されている前回の使用年月日 （ 1 ) を電源制御部 7 7の R T C (リアルタイムクロック) 1 1 5の現在の年月日 ( T 2 ) に書き換えた後、 スタンバイステート S Τ 3 0に戻る。
以上が、 セッ卜アップ処理の基本的な処理の流れである。
なお、 第 6図に示した第一の実施形態では、 セットアップ処理期間の補機 6 3、 特に送液ポンプ 4 6の電力は、 第二の電源端子 （補機用入力電源端子） を介して情 報処理装置 1 8の二次電池 8 0から供給を受ける構成としている。 この理由は、 燃 料電池ュニット 1 0に接続される情報処理装置は一般的に二次電池を内蔵している ものが多く、 この電力をセットアップ処理において利用することとすれば、 燃料電 池ユニット 1 0自体には二次電池が不要となるため、 燃料電池ュニット 1 0の構成 が簡素になりコストの低減も図れるからである。
—方、 燃料電池ュニット 1 0自体に二次電池を内蔵した第二の実施形態も可能で ある。 この形態では、 接続される情報処理装置が二次電池を内蔵しないものであつ てもセットアップ処理を行うことができる。 また、 第一の実施形態では、 経過時間 Δ Τ (前回の使用年月日と現在の年月日の 差） の判定のための構成に、 燃料電池制御部 4 1の E E P R O M 9 9と電源制御部 7 7の 丁〇 （リアルタイムクロック） 1 1 5を用いて構成しているが、 これ以外 の構成であつても経過時間△ Tの判定が可能な構成であれば本発明に係る燃料電池 ユニットを実施できる。
なお、 本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、 実施段階では その要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。 また、 上記実施形 態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、 種々の発明を形成 できる。 例えば、 実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除して もよい。 さらに、 異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。 産業上の利用分野
本発明に係る燃料電池ユニット、 情報処理装置、 燃料電池ユニットの制御方法お よび情報処理装置の電力供給方法によれば、 セットアップ処理を行うことにより発 電能力の低下を回復することが可能となる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 外部機器との接続に用いられる接続部と、
前記接続部を介して前記外部機器に供給される電力を発電し、 電解質膜を備える 燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を送液する補機と、
前記電解質膜に含水させる含水処理が必要であるか否かを判別し、 含水処理が必 要であると判別した場合は、 前記補機を駆動させることで前記燃料を前記電解質膜 に送液する制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池ユニット。
2 . 前記制御部は、 前回の使用時からの経過時間が所定時間を経過しているか否か を判断し、 前記所定時間を経過していると判断した場合は、 前記捕機を駆動させる ことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の燃料電池ュニット。
3 . 前回の使用時を示す時刻情報を記憶する記憶部をさらに有し、
前記制御部は、 前記接続部を介して前記外部機器との通信を制御する通信部を含 み、
前記制御部は、 前記記憶部に記憶される前記前回の使用時を示す時刻情報と前記 通信部が前記外部機器から受信した現在の時刻を示す情報とから前記経過時間を求 めることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の燃料電池ュニット。
4 . 前記含水処理を行う際、 前記制御部は、 前記外部機器から前記接続部を介して 供給される電力を用いて前記補機を駆動させることを特徴とする請求の範囲第 1項 記載の燃料電池ユニット。
5 . 前記制御部は、 前記燃料電池ユニットの初回使用時に前記含水処理を行うこと を特徴とする請求の範囲第 1項記載の燃料電池ュニット。
6 . 前記制御部は、 前記含水処理が必要であるか否かを判別し、 前記含水処理が必 要であると判別した場合、 前記燃料電池ュニットの状態を前記含水処理が必要であ ることを示す状態に設定することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の燃料電池ュ ニット。
7 . 前記制御部は、 前記含水処理が終了したか否かを判別し、 前記含水処理が終了 したと判別した場合、 前記燃料電池ュニットの状態を前記含水処理が終了したこと を示す状態に設定することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の燃料電池ュニット
8 . 記憶部をさらに有し、
前記制御部は、 前記接続部を介して前記外部機器との通信を制御する通信部を含 み、
前記制御部は、 前記含水処理後、 前記通信部が前記外部機器から受信した現在の 時刻を示す情報を前記記憶部に記憶させることを特徴とする請求の範囲第 1項記載 の燃料電池ュニッ卜。 9 . 電解質膜を有する燃料電池と前記燃料電池に燃料を注入する補機と前記捕機を 制御する第 1の制御部とを備えた燃料電池ュニットと、
前記燃料電池ュニットに接続される接続部と、
前記接続部を介して前記第 1の制御部との通信を制御する第 2の制御部とを具備 し、
前記第 2の制御部は、 前記捕機を駆動することで前記電解質膜に前記燃料を送液 する含水処理を開始させるコマンドを前記第 1の制御部へ送信することを特徴とす る情報処理装置。
1 0 . 時刻を示す情報を生成する生成手段をさらに傭え、
前記第 2の制御部は、 前記生成手段によって生成された現在時刻を示す情報を前 記接続部を介して前記第 1の制御部へ送信することを特徴とする請求の範囲第 9項 記載の情報処理装置。
1 1 . 前記燃料電池ユニットに前記接続部を介して電力を供給する電源部と、 をさ らに具備し、
前記第 2の制御部は前記電源部から前記燃料電池ュニットへの電力の供給を制御 する電源制御部を含み、 前記含水処理を行う際、 前記電源制御部は前記電源部から前記接続部を介しで前 記燃料電池ュニッ卜へ電力を供給することを特徴とする請求の範囲第 9項記載の情 報処理装置。 1 2 . 前記第 2の制御部は、 前記燃料電池ユニットの状態が前記含水処理の終了状 態であることを認識すると、 前記含水処理を終了させるコマンドを前記第 1の制御 部へ送信することを特徴とする請求の範囲第 9項記載の情報処理装置。
1 3 . 電解質膜を有する燃料電池と前記燃料電池に燃料を注入する補機と前記捕機 を制御する制御部とを備えた燃料電池ュニットの制御方法において、
前記制御部は前記電解質膜に含水させる含水処理が必要であるか否かを判別し、 前記制御部は前記含水処理が必要であると判別した場合、 前記補機を駆動させる ことで前記燃料を前記電解質膜に送液することを特徴とする燃料電池ュニットの制 御方法。
1 4 . 前記制御部は前記燃料電池ュニットの前回の使用時からの経過時間が所定時 間を経過しているか否かを判断し、
前記制御部は前記所定時間を経過していると判断した場合は、 前記補機を駆動さ せることを特徴とする請求の範囲第 1 3項記載の燃料電池ュニッ卜の制御方法。
1 5 . 前記制御部は、 前記燃料電池ユニットの前回の使用時を示す時刻情報と前記 制御部が前記外部機器から受信した現在の時刻を示す情報とから前記経過時間を求 めることを特徴とする請求の範囲第 1 3項記載の燃料電池ュニッ卜の制御方法。 1 6 . 前記含水処理を行う際、 前記制御部は、 前記外部機器から前記接続部を介し て供給される電力を用いて前記補機を駆動させることを特徴とする請求の範囲第 1 3項記載の燃料電池ュニットの制御方法。
1 7 . 前記制御部は、 前記燃料電池ユニットの初回使用時に前記含水処理を行うこ とを特徴とする請求の範囲第 1 3項記載の燃料電池ユニットの制御方法。
1 8 . 前記制御部は、 前記電解質膜に含水させる含水処理が必要であるか否かを判 別し、
前記制御部は、 前記含水処理が必要であると判別した場合、 前記燃料電池ュニッ トの状態を前記含水処理が必要であることを示す状態に設定することを特徴とする 請求の範囲第 1 3項記載の燃料電池ュニットの制御方法。
1 9 . 前記制御部は、 前記含水処理が終了したか否かを判別し、
前記含水処理が終了したと判別した場合、 前記燃料電池ユニットの状態を前記含 水処理が終了したことを示す状態に設定することを特徴とする請求の範囲第 1 3項 記載の燃料電池ュニットの制御方法。
2 0 . 前記制御部は、 前記含水処理後、 前記制御部が前記外部機器から受信した前 記現在の時刻を示す情報を前記燃料電池ュニッ卜の前回の使用時を示す時刻情報を 記憶する記憶部に記憶させることを特徴とする請求の範囲第 1 3項記載の燃料電池 ュニットの制御方法。
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