WO2011070746A1

WO2011070746A1 - 燃料電池システム、及び電子装置

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Publication number: WO2011070746A1
Application number: PCT/JP2010/007002
Authority: WO
Inventors: 雅樹三井; 秋山　崇
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2011-06-16
Also published as: US20120003555A1; EP2385572A4; EP2385572A1; JPWO2011070746A1

Abstract

　燃料電池と、燃料電池が発電した電力を貯蔵する蓄電部と、燃料電池に供給される燃料を貯蔵するタンクと、タンクの燃料残量を検出する燃料残量センサと、蓄電部の充電状態を検知するＳＯＣ検知部と、燃料電池の運転状態を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムである。制御装置は、(i)燃料残量が所定値Ａよりも大きいときには、（a）充電状態が所定値Ｘ以上であると、燃料電池の発電を停止、または発電量を減少させるための操作を実行し、（b）充電状態が所定値Ｙ（Ｙ＜Ｘ）以下であると、燃料電池の発電を開始、または発電量を増大させるための操作を実行し、(ii)燃料残量が所定値Ａ以下のときには、（c）充電状態を所定値Ｙよりも小さくするように、燃料電池の発電を停止し、または、発電量を減少させる。

Description

燃料電池システム、及び電子装置

　本発明は、燃料電池システム、及び、それを電源として含む電子装置に関する。

　近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでいる。そのような携帯型電子機器は、一般に、駆動用電源としての二次電池を含んでいる。そのため、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池の開発が要望されている。

　しかしながら、二次電池を携帯機器等の駆動用電源として使用するためには充電が必要である。充電をしている間は、その機器を携行して使用することはできない。そこで、燃料を供給するだけで長時間連続して、電源として使用することができる燃料電池が注目されている。

　燃料電池は、一般的には、単セルを積層した積層体（セルスタック）の構造を有する。単セルは、アノード及びカソード、並びにこれらの間に介在する電解質膜からなる膜－電極接合体（ＭＥＡ）を含む。セルスタックは、複数のＭＥＡを、間に導電体のセパレータを介在させて積層した構造を有する。セルスタックの積層方向の両端には、エンドプレートが配される。そして、各単セルのアノードには燃料が供給され、カソードには酸化剤が供給される。

　燃料電池の中でも、小型機器用の電源として、常温で液体であるメタノールを燃料として使用する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）の開発が特に活発に行われている。ＤＭＦＣにおいては、燃料であるメタノールは、燃料タンクから取り出され、水で希釈されてアノードに送られる。一方、酸化剤には、一般に、空気中の酸素が使用される。

　ＤＭＦＣのアノード及びカソードでの反応を、下記式（１）及び（２）によりそれぞれ示す。
　アノード：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- （１）
　カソード：（３／２）Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ（２）

　メタノールを貯留するための燃料タンクが空に近い状態となると、供給燃料量が低下して、燃料電池の発電力は低下する。さらには、燃料タンクから、燃料が完全に無くなってしまうと、膜－電極接合体の転極を引き起こし、燃料電池が発電不能に陥ることもある。

　したがって、燃料電池を電源として含む携帯機器等の負荷機器では、燃料タンクの燃料が完全になくなる前に、燃料の残量が少なくなっていることをユーザに通知して、燃料の供給を促すことが必要となる。
　この点に関し、特許文献１においては、燃料電池側で検出される燃料タンクの燃料残量をデジタル通信により負荷機器側へ伝達し、それを負荷機器側で表示することが提案されている。

特開２００５－２４３５６７号公報

　しかしながら、特許文献１では、燃料電池側で検出された燃料残量を負荷機器側に伝達するための通信線が必要となるとともに、その通信回路が、燃料電池システムと外部機器の双方に必要となる。そのことは、小型化及び軽量化が重要である携帯機器においては特に大きな問題となる。また、そのような通信線や通信回路を設けると、システムが複雑化し、故障が発生する可能性が増大する等、システムの安定性が損なわれる。

　そこで、本発明は、燃料電池システム、及び、それを電源として含む電子装置の小型化及び軽量化を容易とすることを目的としている。

　本発明の一局面は、燃料電池と、
　前記燃料電池が発電した電力を貯蔵する蓄電部と、
　前記燃料電池に供給される燃料を貯蔵するタンクと、
　前記タンクの燃料残量を検出する燃料残量センサと、
　前記蓄電部の充電状態を検知するＳＯＣ検知部、もしくは充電状態センサと、
　前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備え、
　前記制御装置は、
　(i)前記燃料残量が所定値Ａよりも大きいときには、
　　（a）前記充電状態が所定値Ｘ以上であると、前記燃料電池の発電を停止、または発電量を減少させるための操作を実行し、
　　（b）前記充電状態が所定値Ｙ（Ｙ＜Ｘ）以下であると、前記燃料電池の発電を開始、または発電量を増大させるための操作を実行し、
　(ii)前記燃料残量が所定値Ａ以下のときには、
　　（c）前記充電状態を所定値Ｙよりも小さくするように、前記燃料電池の発電を停止、または発電量を減少させる、燃料電池システムに関する。

　本発明の他の局面は、上記の燃料電池システムと、前記燃料電池システムから電力供給を受ける負荷機器もしくは電子機器とを含む電子装置であって、
　前記燃料電池システムが、前記蓄電部の充電状態に応じた電圧を出力する出力部を具備するとともに、
　前記負荷機器が、
　前記燃料電池システムの出力電圧を検出する電圧検出部、並びに
　前記電圧検出部の検出値に基づいて、前記燃料残量が前記所定値Ａ以下となったことを判定し、前記燃料電池の燃料切れに関する警告処理を行う処理部、を具備する、電子装置に関する。

　本発明によれば、燃料電池システム、及び、それを電源として含む電子装置の小型化及び軽量化が容易となる。

　本発明の新規な特徴を添付の請求の範囲に記述するが、本発明は、構成及び内容の両方に関し、本発明の他の目的及び特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明によりさらによく理解されるであろう。

本発明の一実施形態に係る電子装置の概略構成を示すブロック図である。燃料電池の構造を模式的に示す断面図である。燃料電池システムの蓄電部の電圧と充電状態（ＳＯＣ）との関係を示すグラフである。燃料電池システム側において行われる、運転状態設定処理のフローチャートである。燃料残量の所定値Ａと所定値Ｂとの関係を示す、燃料タンクの断面図である。電子機器側において行われる、燃料不足警告処理のフローチャートである。電子機器側において行われる、燃料不足警告処理のフローチャートである。燃料不足が生じていないときの、燃料電池システムの出力電圧の変化の一例を示すグラフである。燃料不足が生じているときの、燃料電池システムの出力電圧の変化の一例を示すグラフである。燃料不足が生じていないときの、燃料電池システムの出力電圧の変化の他の一例を示すグラフである。燃料不足が生じているときの、燃料電池システムの出力電圧の変化の他の一例を示すグラフである。燃料不足が生じているときの、電子機器の消費電力と、蓄電部の充電状態の変化量との関係を示すグラフである。本発明の他の実施形態に係る電子装置の燃料電池システムの燃料タンクの外観を示す正面図である。固定タンクをカートリッジタンクとの接合部の側から見た平面図である。

　本発明は、燃料電池と、燃料電池が発電した電力を貯蔵する蓄電部と、燃料電池に供給される燃料を貯蔵するタンクと、タンクの燃料残量を検出する燃料残量センサと、蓄電部の充電状態を検知するＳＯＣ検知部と、燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムに関する。なお、ＳＯＣ検知部により検知される充電状態（ＳＯＣ）とは、二次電池が公称容量に対してどれだけの割合で充電されているかを示すパラメータである。初期の電池では、公称電圧に対応する完全充電状態が１００％に相当し、放電終止電圧に対応する完全放電状態が０％に相当する。

　ここで、制御装置は、(i)燃料残量が所定値Ａよりも大きいときには、(a)充電状態が所定値Ｘ以上であると、充電状態を所定値Ｘ以下とするように、燃料電池の発電を停止、または発電量を減少させるための操作を実行し、(b)充電状態が所定値Ｙ（Ｙ＜Ｘ）以下であると、充電状態を所定値Ｙ以上とするように、燃料電池の発電を開始、または発電量を増大させるための操作を実行する。一方、(ii)燃料残量が所定値Ａ以下のときには、(c)充電状態を所定値Ｙよりも小さくするように、燃料電池の発電を停止し、または発電量を減少させる。

　このように、本燃料電池システムの制御装置は、燃料電池システムの燃料残量が所定値Ａよりも大きいときには、蓄電部の充電状態（ＳＯＣ）を所定値Ｘと所定値Ｙとの間で維持するように燃料電池の運転を制御する。一方、燃料電池システムの燃料残量が所定値Ａ以下になると、蓄電部のＳＯＣを所定値Ｙよりも低くするように燃料電池の運転を制御する。

　ここで、本燃料電池システムにおいては、制御装置が、燃料残量が所定値Ｂ（Ｂ＞Ａ）以上となるまでステップ(c)の操作を継続するのが好ましい。つまり、燃料電池の発電の停止を維持し、または減少した発電量で発電を継続する。これにより、燃料電池の起動及び停止が頻繁に行われることが防止される。その結果、燃料電池が短寿命化するのを防止することができる。

　本発明は、また、上記の燃料電池システムと、上記の燃料電池システムから電力供給を受ける負荷機器とを含む電子装置に関する。ここで、燃料電池システムは、蓄電部の充電状態に応じた電圧を出力する出力部を備えている。一方、負荷機器は、燃料電池システムの出力電圧を検出する電圧検出部、電圧検出部の検出値に基づいて、燃料残量が所定値Ａ以下となったことを判定する判定部、及び、判定部の判定結果に基づいて、燃料電池の燃料切れについての警告処理を行う警告処理部と、を具備する。

　上記の燃料電池システムの出力電圧は、蓄電部の充電と外部への電力供給とを同時に行う場合、蓄電部の電圧よりも若干高くなる。なお、蓄電部が充電されているときに外部への電力供給を停止することも可能であり、本発明は、そのような場合を包含する。しかしながら、蓄電部が充電されている間も負荷機器を使用できるように、蓄電部の充電と外部への電力供給とを同時に行えるようにするのが望ましい。以下、燃料電池システムが、蓄電部の充電と外部への電力供給とを同時に行うものとして説明する。

　一方、蓄電部が放電されているときには、上記の燃料電池システムの出力電圧は、蓄電部の電圧とほぼ等しくなる。そして、上記の燃料電池システムでは、燃料残量が所定値Ａ以下であれば、蓄電部が充電されることはないために、そのような場合には、必ず、燃料電池システムの出力電圧は蓄電部の電圧とほぼ等しくなっている。

　燃料残量が所定値Ａ以下であるときには、蓄電部のＳＯＣは、所定値Ｙよりも小さくなる。そして、それ以外の場合には、常態的に蓄電部のＳＯＣが所定値Ｙよりも小さくなることはない。よって、燃料残量が所定値Ａよりも大きければ、燃料電池システムの出力電圧が、蓄電部のＳＯＣが所定値Ｙであるときの電圧：Ｅoyよりも常態的に小さくなることもない。よって、負荷機器側で燃料電池システムの出力電圧を監視することで、燃料残量が所定値Ａ以下となったことを判定することが可能となる。

　なお、蓄電部が充電されているときに外部への電力供給を停止する形態では、蓄電部が充電中であれば出力電圧は零であり、そのときには燃料残量は所定値Ａよりも大きい。よって、出力電圧が零であれば、燃料残量は所定値Ａよりも大きいと判定することができる。

　以上により、燃料電池システムから負荷機器に対して、燃料切れないしは燃料不足を通知したり、蓄電部のＳＯＣを通知したりするための特別の通知機構を設けることなく、負荷機器側で、燃料切れに関するメッセージを表示する等の処理を実行することができる。

　上述の通知機構は、燃料電池システムと負荷機器の双方に設ける必要がある。よって、本発明によれば、そのような機構を燃料電池システムと負荷機器の双方から省略することが可能となる。その結果、燃料電池システム、及びそれを電源として使用する負荷機器の小型化及び軽量化が容易となる。よって、そのような燃料電池システム及び負荷機器を含む電子装置の構造を単純化することができる。その結果、故障の少ない、安定した電子装置を実現することができる。

　ここで、処理部は、電圧検出部の検出値が所定値Ｙに相当する電圧を下回ったとき以後の所定時期に前記電圧検出部により検出される電圧Ｅd(i-1)と、その電圧Ｅd(i-1)が検出されてから、さらに時間ΔＴが経過したときに電圧検出部により検出される電圧Ｅd(i)とを比較することにより、燃料残量が所定値Ａ以下となったことを判定することができる。このとき、電圧Ｅd(i)が電圧Ｅd(i-1)以下であるときに、燃料残量が所定値Ａ以下となったことを判定することができる。なお、この処理部は、判定部や警告処理部を含んでいる。

　さらに、上記の所定時期は、上記のステップ(b)の操作が実行されてから、燃料電池が実際に出力を開始するまでの時間、または、燃料電池の発電量が実際に増大し始めるまでの時間Ｔａを基準に設定するのが好ましい。

　燃料残量が所定値Ａよりも大きいときには、上記ステップ(b)により、蓄電部のＳＯＣが所定値Ｙまで低下すると、燃料電池の発電を開始、または発電量を増大させるための操作が実行される。そのような操作が実行されると、蓄電部への充電が開始され、蓄電部のＳＯＣが増加するとともに、燃料電池システムの出力電圧は上昇する。このため、上記電圧Ｅd(i)は電圧Ｅd(i-1)よりも大きくなるといえる。

　反対に、燃料残量が所定値Ａ以下であるときには、上記ステップ(c)の操作の結果、負荷機器の電力の消費により、蓄電部のＳＯＣが低下して、燃料電池システムの出力電圧は低下していく。このため、電圧Ｅd(i)は電圧Ｅd(i-1)以下となる。よって、電圧Ｅd(i)が電圧Ｅd(i-1)以下であれば、燃料残量が所定値Ａ以下であると考えることができる。

　しかしながら、燃料電池は、発電を開始、または発電量を増大させるための操作が実行されても直ちに発電量が増大する等の効果が現れるのではなく、その効果の発現には一定のタイムラグ（例えば、１分）がある。よって、そのタイムラグを考慮して、電圧Ｅd(i)及び電圧Ｅd(i-1)を検出する必要性が生じる。時間Ｔａは、電圧Ｅd(i)及び電圧Ｅd(i-1)の検出時期を適正な時期とするための基準である。

　ここで、時間Ｔａは、電子機器の消費電力に応じて設定するのも好ましい。時間Ｔａは、上記判定の正確性を考慮すると、できるだけ長めの時間に設定するのが好ましい。しかしながら、時間Ｔａを長くすると、燃料残量が所定値Ａ以下であるか否かを判定するまでの時間が長くなる。特に、負荷機器の消費電力が大きい場合には、その判定までの時間が長すぎると、蓄電部が過放電されたり、蓄電部の電力により燃料電池を再起動することが困難となったりすることも考えられる。時間Ｔａを電子機器の消費電力に基づいて設定することで、そのような弊害を排除しながら、時間Ｔａをできるだけ長めに設定して、上記判定の正確性を向上させることができる。

　以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。

　（実施形態１）
　図１に、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を機能ブロック図により示す。図２に、燃料電池システムに含まれる単セルの構造を抽象化した断面図により示す。

　燃料電池システム２は、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）である燃料電池１０を含むとともに、燃料タンク１２、燃料ポンプ１４、空気ポンプ１６、演算部１８ａを有する制御部１８、蓄電部２０、電圧センサ２１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２、水回収器２４、出力スイッチ２６、及び燃料残量センサ２８等を含む。

　蓄電部２０には、例えば二次電池を使用することができる。電圧センサ２１は、蓄電部２０の電圧を検出する。制御部１８の演算部１８ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）、マイクロコンピュータ、ＭＰＵ（Micro Processing Unit：マイクロプロセッサ）、メモリ等を含む。なお、蓄電部２０には、電気二重層コンデンサ等の高容量コンデンサを使用することもできる。

　燃料タンク１２は、燃料であるメタノールを貯蔵している。燃料ポンプ１４は、燃料タンク１２からの燃料と、水回収器２４からの水または薄いメタノール水溶液と、を混合したメタノール水溶液を、燃料電池１０に送る。

　燃料電池１０の出力端子である正極端子１０ａ及び負極端子１０ｂにはＤＣ／ＤＣコンバータ２２が接続されている。燃料電池１０が発電した電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により所望の電圧に変換されて出力される。

　ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の出力端子は、蓄電部２０と接続されるとともに、出力スイッチ２６を介して負荷機器３と接続されている。蓄電部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を介して送られてくる燃料電池１０の出力を蓄電する。蓄電部２０に蓄電された電力は、必要に応じて、出力スイッチ２６を介して負荷機器３に送られる。

　制御部１８（演算部１８ａ）は燃料ポンプ１４及び空気ポンプ１６の駆動を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の出力電圧の調節と、出力スイッチ２６の切り替えを行う。これにより、燃料電池１０が発電した電力の負荷機器３への出力と、蓄電部２０への充放電を制御する。

　燃料残量センサ２８は、燃料タンク１２内部の燃料量に応じた信号を制御部１８に出力する。例えば、燃料残量センサ２８は、略直方体である燃料タンク１２の対向する側面に、一対の電極をそれぞれ配置した構造とすることができる。燃料タンク１２に残っている燃料量（以下、燃料残量という）に応じて、上記一対の電極の間の気体部分と液体部分との割合が変化する。これにより、一対の電極の間の電気容量（静電容量）が変化する。

　制御部１８の演算部１８ａは、その電気容量に基づいて、燃料残量を算出する。この構成では、燃料タンク１２は、電極間に直列に接続された電気容量の一部を構成する。したがって、検出精度を向上させるために、燃料タンク１２は、誘電率の小さい材料（例えば、ポリプロピレン、ポリカーボネート等の樹脂）で構成することが好ましい。

　負荷機器３は、燃料電池システム２の出力電圧を検出する電圧検出部３４と、電圧検出部３４で検出された電圧を記憶する記憶部３６と、電圧検出部３４で検出された電圧に基づいて、燃料電池システム２の燃料切れについて判定する判定部３８と、負荷機器３の消費電力を検知する消費電力検知部４０とを含む。

　電圧検出部３４には、公知の電圧センサを使用することができる。記憶部３６、判定部３８、及び消費電力検知部４０は、ＣＰＵ、マイクロコンピュータ、ＭＰＵ、メモリ等を使用して実現される。なお、消費電力検知部４０は、電圧検出部３４により検出された電圧と、図示しない電流センサにより検出される、燃料電池システム２の出力電流とから負荷機器３の消費電力を算出する。記憶部３６、判定部３８、及び消費電力検知部４０は、１つの処理部を構成している。

　負荷機器３は、携帯電話、ノートパソコン、ビデオカメラ、ポータブルテレビ等の電子機器とすることができる。

　次に、図２を参照して、燃料電池を説明する。燃料電池１０は、通常、板状ないしはシート状の単セルを積層した構造を有している。単セルを積層したものをセルスタックという。なお、単セルは、それ自体が１つの燃料電池である。そして、燃料電池１０を１つの単セルだけから構成することも可能である。

　単セル４２は、起電部である膜－電極接合体（ＭＥＡ）４４を含む。ＭＥＡ４４は、電解質膜５４の一方の面にシート状のアノード５０を接合し、電解質膜５４の他方の面にシート状のカソード５２を接合した層状構造を有している。

　アノード５０は、アノード拡散層５６、アノード微多孔層（ＭＰＬ）５８、及びアノード触媒層６０を含む。アノード触媒層６０が、電解質膜５４と接触しており、アノードＭＰＬ５８は、アノード触媒層６０の上に積層されている。アノード拡散層５６は、アノードＭＰＬ５８の上に積層されている。

　同様に、カソード５２は、カソード拡散層６２、カソード微多孔層（ＭＰＬ）６４、及びカソード触媒層６６を含む。カソード触媒層６６が、電解質膜５４と接触しており、カソードＭＰＬ６４は、カソード触媒層６６の上に積層されている。カソード拡散層６２は、カソードＭＰＬ６４の上に積層されている。

　燃料電池１０が複数の単セル４２を積層したセルスタックである場合には、各単セル４２のＭＥＡ４４は、導体からなる板状のセパレータ４６を間に挟んで積み重ねられる。セパレータ４６のアノード拡散層５６と接触する面には、アノード５０に燃料を供給するための燃料供給路６８が形成されている。一方、セパレータ４６のカソード拡散層６２と接触する面には、カソード５２に酸化剤を供給するための酸化剤供給路７０が形成されている。各供給路６８及び７０は、例えば、セパレータ４６のそれぞれの面に溝を設けて形成することができる。

　さらに、セルスタックにおける単セル４２の積層方向の両端部のうち、アノード５０が積層方向の外側に位置している端部には、燃料供給路６８だけが１つの面に形成されたセパレータ４６を、その面をアノード５０と接触させるように配置することができる。燃料電池１０の負極端子１０ｂは、そのセパレータ４６と電気的に接続される。

　一方、カソード５２が積層方向の外側に位置している端部には、酸化剤供給路７０だけが１つの面に形成されたセパレータ４６を、その面をカソード５２と接触させるように配置することができる。燃料電池１０の正極端子１０ａは、そのセパレータ４６と電気的に接続される。セルスタックにおける単セル４２の積層方向の両端部の各セパレータ４６のさらに外側には、図示しないエンドプレートを配置することができる。

　さらに、燃料電池１０が１つの単セル４２だけを含む場合には、燃料供給路６８だけが１つの面に形成されたセパレータ４６を、その面をアノード５０と接触させるように配置することができる。同様に、酸化剤供給路７０だけが１つの面に形成されたセパレータ４６を、その面をカソード５２と接触させるように配置することができる。それらのセパレータ４６のさらに外側には、図示しないエンドプレートを配置することができる。

　アノード５０には、燃料供給路６８により燃料であるメタノールを含む水溶液が供給され、カソード５２には、酸化剤供給路７０により酸化剤である酸素を含む空気が供給される。アノード５０に供給されたメタノール水溶液に由来するメタノール及び水蒸気はアノード拡散層５６で、その面方向に拡散され、アノードＭＰＬ５８を通してアノード触媒層６０に供給される。同様に、カソード５２に供給された、酸素を含む空気は、カソード拡散層６２で、その面方向に拡散され、カソードＭＰＬ６４を通してカソード触媒層６６に供給される。

　アノード触媒層６０に供給されたメタノールのうち、余剰のメタノールは、アノード触媒層６０で反応することなく水とともに排出され、水回収器２４で回収される。水回収器２４で回収されたメタノール及び水（薄いメタノール水溶液）は、液戻し経路３０を経由して、燃料タンク１２からのメタノールと混合されて、燃料ポンプ１４に送られる。アノード５０で生成される二酸化炭素（前掲の反応式（１）参照）は、上記メタノール水溶液とともに水回収器２４に送られ、水回収器２４においてメタノール水溶液から分離されて、外部に放出される。

　一方、カソード触媒層６６に供給された空気のうち、反応に使用されなかったものは、生成水（前掲の反応式（２）参照）と混合された気液混合体として、水回収器２４に送られる。水回収器２４では、上記気液混合体から反応に使用されなかった空気が、水から分離されて、外部に放出される。生成水は、アノード５０からのメタノール水溶液と混合されて、燃料ポンプ１４に戻される。

　アノード拡散層５６及びカソード拡散層６２は、カーボンペーパー、カーボンフェルト、及びカーボンクロス等から構成することができる。アノードＭＰＬ５８及びカソード微多孔層６４は、ポリテトラフルオロエチレンまたはテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体と、カーボンとから構成することができる。

　アノード触媒層６０及びカソード触媒層６６は、白金やルテニウム等の、各電極の反応に適した触媒を含む。触媒は、微粒子にされて、炭素質材料の表面に高分散させるようにして、炭素質材料により担持される。触媒を担持したカーボンをバインダーにより結着させることでアノード触媒層６０及びカソード触媒層６６は形成される。

　電解質膜５４は、水素イオンを透過するイオン交換膜、例えばパーフルオロスルホン酸・テトラフルオロエチレン共重合体から構成することができる。セパレータ４６は、カーボン材料等の導電体から構成することができる。

　次に、制御部１８が実行する、基本的な発電量調整処理を説明する。図示例の燃料システム２においては、制御部１８は、基本的には、蓄電部２０のＳＯＣ（State of charge: 充電状態）が所定範囲となるように、燃料電池１０の発電量を制御している。より具体的には、蓄電部２０のＳＯＣと端子電圧との間に一定の関係があることから、電圧センサ２１により検出される蓄電部２０の端子電圧が所定範囲となるように、燃料電池１０の発電量を制御している。

　なお、蓄電部２０のＳＯＣは、充電電気量及び放電電気量を積算することにより検知することもできる。例えば、完全充電状態（ＳＯＣ：１００％）の蓄電部２０からＳＯＣ：５０％に相当する電気量を放電した後、ＳＯＣ：２０％に相当する電気量を充電すれば、そのときの蓄電部２０のＳＯＣは、７０％である。放電電気量及び充電電気量は、放電電流または充電電流と、時間との積として算出することができる。

　図３に、蓄電部２０の端子電圧と、ＳＯＣとの関係を示す。同図に示すように、蓄電部２０の端子電圧が高くなるほどにＳＯＣは大きくなり、端子電圧が低くなるほどにＳＯＣは小さくなる。そして、ＳＯＣが０％（完全放電状態）を下回ると、蓄電部２０の端子電圧は急激に低下する。

　以上の関係に基づいて、制御部１８は、蓄電部２０の端子電圧が、上限ＳＯＣ：Ｘ（例えば８０％のＳＯＣ）と対応する上限電圧Ｅxまで上昇すると、燃料ポンプ１４及び空気ポンプ１６による燃料及び酸化剤の燃料電池１０への供給量を減少させて、燃料電池１０の発電量を減少させるように制御する。このとき、燃料ポンプ１４及び空気ポンプ１６を停止して、燃料電池１０の発電量を停止することも可能である。

　一方、蓄電部２０の端子電圧が、下限ＳＯＣ：Ｙ（例えば４０％のＳＯＣ）と対応する下限電圧Ｅyまで低下すると、制御部１８は、燃料ポンプ１４及び空気ポンプ１６による燃料及び酸化剤の燃料電池１０への供給量を増加させて、燃料電池１０の発電量を増加させるように制御する。あるいは、燃料ポンプ１４及び空気ポンプ１６を起動して、発電が停止された燃料電池１０の発電を再開する。ここで、下限ＳＯＣ：Ｙは、燃料ポンプ１４及び空気ポンプ１６を駆動するのに十分な蓄電量に設定される。

　以上の操作の結果、蓄電部２０のＳＯＣが上限ＳＯＣ：Ｘまで上昇すると、燃料電池１０の発電量が減少、または発電が停止されて、蓄電部２０は徐々に放電される。一方、蓄電部２０のＳＯＣが下限ＳＯＣ：Ｙまで低下すると、燃料電池１０の発電量が増加、または発電が開始されて、蓄電部２０が徐々に充電される。

　次に、図４を参照して、燃料残量に基づいて制御部１８の演算部１８ａが実行する運転状態設定処理を説明する。この運転状態設定処理は、上述の発電量調整処理とは独立に、所定時間毎に繰り返し実行される。

　まず、燃料電池システム２に異常（例えば燃料ポンプ１４や空気ポンプ１６の故障等）があるかを判定する（ステップＳ１１)。燃料電池システムに異常があれば（ステップＳ１１でＮｏ)、燃料電池１０の発電を停止する（ステップＳ１５)とともに、出力スイッチ２６をオフにし（ステップＳ１６)、処理を終了する。これにより、燃料電池システム２から負荷機器３への電力供給が止められる。

　燃料電池システムに異常がなければ（ステップＳ１１でＹｅｓ)、燃料残量センサ２８により検出された燃料残量を読み込む（ステップＳ１２)。次に、燃料残量が所定値Ａ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３)。燃料残量が所定値Ａ以下であれば（ステップＳ１３でＹｅｓ)、燃料残量が少なすぎるものとして、燃料電池１０の発電を停止し（ステップＳ１４)、処理を終了する。このとき、出力スイッチ２６はオンのままであり、それ以後、負荷機器３の電力の消費により蓄電部２０のＳＯＣは徐々に減少する。

　ここで、所定値Ａは、燃料電池１０への燃料供給を支障なく行うことができる最低限度の燃料残量を基準とし、それに所定量を上乗せして設定される燃料量である。
　より具体的には、図５に示すように、所定値Ａは、燃料タンク１２内の燃料Ｆの液位が、燃料タンク１２から燃料ポンプ１４に燃料を排出する燃料排出管１２ａの燃料タンク１２内部の開口よりも十分に上となるように設定するのが好ましい。

　また、所定値Ａは、実際の機器では、燃料タンク１２の容量、燃料排出管１２ａの位置、並びに燃料電池１０の平均的な燃料消費量及びその変動幅等に応じて設定される。以下の説明では、便宜的に、所定値Ａを、燃料タンク１２の満量の３０％の燃料量とする。

　燃料残量が所定値Ａを超えていれば（ステップＳ１３でＮｏ)、燃料残量が所定値Ｂ（Ｂ＞Ａ）以上であるかを判定する（ステップＳ１７)。

　所定値Ｂは、ステップＳ１４の発電停止処理により燃料電池１０の発電が停止された後、ユーザにより十分な燃料の補給が行われた否かを判定するための基準値である。ここで、所定値Ｂは、燃料電池１０の発電及び発電停止が頻繁に繰り返されないように、所定値Ａよりも十分に大きな値とするのが好ましい。以下の説明では、便宜的に、所定値Ｂを、燃料タンク１２の満量の７０％の燃料量とする（図５参照）。

　燃料残量が所定値Ｂ未満であれば（ステップＳ１７でＮｏ)、そのまま処理を終了する。これにより燃料電池１０の運転状態は、現状のままとなる。すなわち、燃料電池１０の発電が停止されていれば停止されたままとなり、燃料電池１０が発電中であれば、そのまま発電を継続する。

　一方、燃料残量が所定値Ｂ以上であれば（ステップＳ１７でＹｅｓ)、さらに、燃料電池１０の発電が停止されており、かつシステムに異常がないかを判定する（ステップＳ１８)。そうであれば（ステップＳ１８でＹｅｓ)、上記ステップＳ１４の手順により燃料電池１０の発電が停止されているものとして、燃料電池１０の発電を再開し（ステップＳ１９)、処理を終了する。一方、燃料電池１０の発電が停止されていないか、または、燃料電池１０の発電が停止されていても、それがシステムの異常によるものであれば（ステップＳ１８でＮｏ)、そのまま処理を終了する。

　以上の運転状態設定処理によれば、燃料残量が所定値Ａ以下であれば、燃料電池１０の発電が停止され、負荷機器３の電力の消費により、蓄電部２０は強制的に放電状態となる。その結果、蓄電部２０の端子電圧、すなわち蓄電部２０の充電状態は、時間とともに低下していく。

　次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、運転状態設定処理の処理結果を受けて、負荷機器３側で行われる燃料不足警告処理を説明する。図６Ａ及び図６Ｂは、燃料不足警告処理のフローチャートである。

　燃料不足警告処理では、まず、燃料電池システム２の出力電圧、すなわち負荷機器３の入力電圧が電圧検出部３４により検出される（ステップＳ２１)。

　次に、判定部３８により、燃料電池システム２の出力電圧Ｅoが、蓄電部２０の下限ＳＯＣ：Ｙ（例えば４０％）と対応する電圧Ｅoy以下であるかを判定する（ステップＳ２２)。ＥoがＥoyよりも大きければ（ステップＳ２２でＮｏ)、蓄電部２０の充電状態が下限ＳＯＣ：Ｙよりも大きいものとして、スタートに戻る。ＥoがＥoy以下であれば（ステップＳ２２でＹｅｓ)、消費電力検知部４０により負荷機器３の消費電力を検知し（ステップＳ２３)、その消費電力に基づいて、時間Ｔａを設定する（ステップＳ２４)。このように、判定部３８は、燃料電池システム２の出力電圧Ｅoを監視することで、蓄電部２０のＳＯＣを監視している。

　ここで、時間Ｔａについて説明する。燃料電池システム２では、上述したとおり、蓄電部２０のＳＯＣが下限ＳＯＣ：Ｙまで低下すると、燃料電池１０の発電量を増大させるために、燃料電池１０に供給する燃料量及び空気量が増加される。しかしながら、燃料電池１０への燃料の供給量及び空気の供給量が増加されてから、実際に燃料電池１０の発電量が上昇に転じるまでにはタイムラグ（例えば１分）が存在する。このため、蓄電部２０のＳＯＣが下限ＳＯＣ：Ｙまで低下したときに燃料電池１０への燃料の供給量及び空気の供給量が増加されたとしても、しばらくの間ＳＯＣは下がり続ける。

　時間Ｔａは、具体的な燃料電池システムの上記タイムラグを最低限の時間（Ｔａmin）として、それ以上の時間に設定される。時間Ｔａの設定方法については、後でさらに詳しく説明する。

　次に、時間Ｔａの計時を開始する（ステップＳ２５）とともに、時間Ｔａが経過したかを判定する（ステップＳ２６）。ここで、時間Ｔａが経過していなければ（ステップＳ２６でＮｏ）、時間Ｔａが経過するまで、本ステップＳ２６の手順を繰り返し実行する。一方、時間Ｔａが経過していれば（ステップＳ２６でＹｅｓ）、そのときに電圧検出部３４により検出された電圧Ｅ(i-1)を記憶部３８に記憶する（ステップＳ２７）。

　次に、電圧Ｅ(i-1)が検出された時点から、時間Ｔａよりも十分に短い時間ΔＴ（例えば、０．５～１秒）が経過したかを判定する（ステップＳ２８）。ここで、時間ΔＴが経過していなければ（ステップＳ２８でＮｏ）、時間ΔＴが経過するまで、本ステップＳ２８の手順を繰り返し実行する。一方、時間ΔＴが経過していれば（ステップＳ２８でＹｅｓ）、そのときに電圧検出部３４により検出された電圧Ｅ(i)を記憶部３８に記憶する（ステップＳ２９）。なお、Ｅ(i)及びＥ(i-1)は、外乱、燃料電池の発電のばらつき及び負荷変動を考慮すると、複数回の電圧検出結果の平均値とするのが望ましい。これにより、判定精度を向上させることができる。

　次に、Ｅ(i)とＥ(i-1)とを比較し、Ｅ(i)がＥ(i-1)以下であるかを判定する（ステップＳ３０)。Ｅ(i)がＥ(i-1)よりも大きければ（ステップＳ３０でＮｏ)、燃料電池システム２の出力電圧が上昇しており、燃料電池システム２の燃料残量が所定値Ａよりも多いものとして、スタートに戻る。一方、Ｅ(i)がＥ(i-1)以下であれば（ステップＳ３０でＹｅｓ)、判定部３８は、燃料電池システム２の燃料残量が所定値Ａ以下であるものと判定する（ステップＳ３１)。

　図７Ａに、Ｅ(i)がＥ(i-1)よりも大きいときの、燃料電池システム２の出力電圧Ｅoの変化の一例を示す。上述したとおり、燃料残量が所定値Ａを超えているときには、蓄電部２０のＳＯＣが下限ＳＯＣ：Ｙまで低下すると、制御部１８により、燃料電池１０の発電量を増大させるような操作が行われる。その結果、蓄電部２０は充電される。よって、出力電圧Ｅoが、蓄電部２０の下限ＳＯＣ：Ｙに相当する電圧Ｅoyまで低下したときから時間Ｔａが経過した後には、出力電圧Ｅoは増大している。したがって、時間Ｔａが経過した以後に検出されたＥ(i)がＥ(i-1)以上であれば、燃料電池システム２の燃料残量が所定値Ａよりも多いものと判定することができる。

　図７Ｂに、Ｅ(i)がＥ(i-1)以下であるときの、燃料電池システム２の出力電圧Ｅoの変化の一例を示す。このとき、出力電圧Ｅoが、蓄電部２０の下限ＳＯＣ：Ｙに相当する電圧Ｅoyまで低下したときから時間Ｔａが経過した後には、出力電圧Ｅoは減少している。したがって、時間Ｔａが経過した後に検出されたＥ(i)がＥ(i-1)よりも小さければ、燃料電池システム２の燃料残量が所定値Ａ以下であることが分かる。

　なお、図７Ｃ及び図７Ｄに示すように、時間ＴａがＴａminよりも十分に（少なくともΔＴ以上）大きければ、電圧Ｅ(i)を、出力電圧Ｅoが蓄電部２０の下限ＳＯＣ：Ｙに相当する電圧Ｅoyまで低下したときから時間Ｔａが経過したときに検出し、電圧Ｅ(i-1)を、それよりもΔＴだけ前の時点に検出するようにしてもよい。出力電圧Ｅoに基づいて何らかの処理を行うようなシステムでは、出力電圧Ｅoは、実際には常時検出されている。よって、時間Ｔａが経過した時点の電圧Ｅ(i)と、それよりもΔＴだけ前の時点で検出され記憶された電圧Ｅ(i-1)とを比較することでも、燃料残量が所定値Ａ以下であることは判定できるからである。

　次に、所定の警告処理を行い（ステップＳ３２)、ユーザに燃料供給を促した後、外部機器の少なくとも主動作を停止する（ステップＳ３３)。警告処理は、警告用のＬＥＤを点灯させる処理、それ以外のＬＥＤ（例えば電源スイッチのＬＥＤ）を点滅させる処理、及び外部機器が液晶表示装置等の表示部を有していれば、それに燃料不足を伝えるメッセージを表示させる処理等とすることができる。

　また、機器の動作停止は、警告処理を行ってから別の所定時間Ｔｂが経過しても出力電圧Ｅoが上昇に転じない場合に行うものとしてもよい。また、主動作を停止するとは、負荷機器３をいわゆるスタンバイ・モードに移行させることを含む。

　次に、図８を参照して、時間Ｔａの設定について更に説明する。図８は、外部機器の消費電力と、蓄電部のＳＯＣの変化率との関係を示している。図中、直線ＬHPCは、負荷機器３の消費電力が比較的大きいときのＳＯＣの変化の様子を示し、直線ＬLPCは、負荷機器３の消費電力が比較的小さいときのＳＯＣの変化の様子を示す。

　図中、最小下限値Ｚは、燃料電池１０を再起動するのに最低限必要な蓄電部２０のＳＯＣをいう。より具体的には、少なくとも燃料ポンプ１４、空気ポンプ１６、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２、及び制御部１８を安定動作させるのに十分な電気量に相当するＳＯＣの値である。最小下限値Ｚは、下限ＳＯＣ：Ｙよりも小さな値である(例えば３０％)。

　また、遮断下限値Ｗは、燃料電池システム２から負荷機器３への電力供給を遮断すべき蓄電部２０のＳＯＣをいう。遮断下限値Ｗは、最小下限値Ｚよりも大きく、かつ下限ＳＯＣ：Ｙよりも小さな値である(例えば３５％)。遮断下限値Ｗは、燃料電池システム２の蓄電部２０の特性、負荷機器３の負荷特性等を考慮して設定される。

　次に、時間Ｔａの設定方法について詳述する。時間Ｔａは、上述したとおり、燃料電池１０への供給燃料が増加されてからＳＯＣが上昇に転じるまでのタイムラグ（Ｔａmin）を最低限度として設定される。しかしながら、燃料残量が所定値Ａ以下である場合にも、時間Ｔａの間に燃料が補給されて燃料電池１０の発電量が増大し、ＳＯＣが上昇に転じる場合もあり得る。このため、時間Ｔａは、可能な限り長い時間に設定するのが好ましい。

　また、負荷機器３の消費電力が非常に小さいときには、蓄電部２０の端子電圧の無秩序な変動や測定誤差により、燃料不足の判定結果に誤りが生じることがある。そこで、時間Ｔａを可能な限り長い時間に設定することにより、誤判定を防止することができる。したがって、判定精度を向上させることができる。

　そのような観点から、時間Ｔａは、ＳＯＣが下限値Ｙまで低下したときに、消費電力検知部４０により検知される負荷機器３の消費電力に応じて設定するのが好ましい。より具体的には、そのときに検知された消費電力Ｐに基づいて、蓄電部２０のＳＯＣが遮断下限値Ｗまで低下する時間Ｔａ(i)を算出する。

　時間Ｔａ(i)は、システムに異常がない限り、通常は、上述したタイムラグＴａminよりも長い時間である。したがって、時間Ｔａ(i)を時間Ｔａとして設定することで、時間Ｔａを、可能な限り長い時間に設定することができる。

　図８の例では、負荷機器３の消費電力が直線ＬHPCに対応する電力であれば、時間Ｔａとして時間Ｔａ1が設定される。負荷機器３の消費電力が直線ＬLPCに対応する電力であれば、時間Ｔａとして時間Ｔａ2が設定される。

　以上説明したように、図示例の電子装置１では、電源である燃料電池システム２において燃料残量が所定値Ａよりも小さくなると、燃料電池１０の発電が停止されて、蓄電部２０のＳＯＣが下限ＳＯＣ：Ｙよりも小さくなる。その結果、燃料電池システム２の出力電圧も小さくなるので、負荷機器３は、燃料電池システム２の出力電圧Ｅoを監視するだけで、燃料電池システム２の燃料不足を検知することができる。

　その結果、従来の二次電池を電源とする携帯型電子装置等において、その電源の出力電圧を監視して二次電池の電力残量を検知していたのと同じ検知機構で燃料電池システムの燃料不足を検知することが可能となる。したがって、燃料電池システムから外部機器に、検出した燃料残量を通知する通知機構（通信ライン、燃料電池システム及び外部機器双方の通信回路）を特に設ける必要がなく、システムの簡素化が図れる。

　よって、燃料電池システムと外部機器とを含む電子装置の小型化及び軽量化が容易となる。また、システムを簡素化することで、故障が発生し難い信頼性の高いシステムを実現することが可能となる。

　（実施形態２）
　次に、図９を参照して、本発明の実施形態２を説明する。実施形態２は、実施形態１を改変したものである。以下の説明では、図９及び図１０に示したもの以外は、実施形態１の説明で使用した符号を流用する。

　図９は、実施形態２の燃料電池システムの燃料タンクを示している。図１０は、固定タンクの構造を示す。
　図示例の燃料タンク１２Ａは、燃料電池システム２への取り付け及び燃料電池システムからの取り外しが可能で、あらかじめ燃料が充填されたカートリッジタンク７２と、燃料電池システム２に固定された固定タンク７４とを含んでいる。カートリッジタンク７２は、固定タンク７４に燃料を注入する注入部７２ａを備えている。注入部７２ａは凸部を有している。固定タンク７４は、注入部７２ａを経由してカートリッジタンク７２からの燃料の注入を受ける燃料受領部７４ａを備えている。燃料受領部７４ａは凹部を有している。

　燃料タンク１２Ａは、固定タンク７４が燃料ポンプ１４と接続されており、燃料は、燃料ポンプ１４により、固定タンク７４から燃料電池１０に供給される。以上の構成により、燃料が充填されたカートリッジタンク７２を再装着するだけで、燃料の補給を行うことが可能となる。

　このとき、燃料残量についての所定値Ａは、固定タンク７４の容量と等しく設定するのが好ましい。これにより、カートリッジタンク７２内の燃料が全て消費されたときに、電子機器３に警告処理を行わせることができる。したがって、カートリッジタンク７２内の燃料を全く無駄にすることなく、カートリッジタンク７２の再装填を促すことができる。また、燃料不足の警告を必要最小限の頻度で行うことが可能となる。
　以上のこと以外の構成は、実施形態２は、実施形態１と同様とすることができる。

　以上本発明を実施形態により説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、燃料電池システム２に使用する燃料電池はＤＭＦＣに限らず、常温で液体の燃料を使用する燃料電池であれば、本発明を好適に適用することができる。例えば、直接エタノール形燃料電池(ＤＥＦＣ)、直接ギ酸形燃料電池(ＤＦＡＦＣ)等の燃料電池に本発明を適用することができる。また、メタノール改質型の燃料電池にも本発明を適用することができる。なお、本発明は、常温で気体である燃料を使用する燃料電池に適用することもできる。

　本発明を現時点での好ましい実施態様に関して説明したが、そのような開示を限定的に解釈してはならない。種々の変形及び改変は、上記開示を読むことによって本発明に属する技術分野における当業者には間違いなく明らかになるであろう。したがって、添付の請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく、すべての変形及び改変を包含する、と解釈されるべきものである。

　本発明によれば、燃料電池を電源として使用する電子装置の小型化及び軽量化が容易となる。したがって、本発明は、携帯型電子機器に適用すると特に有用である。また、電子機器の信頼性を向上させることができるので、その点で、携帯型電子機器以外の全ての電子機器に有効に適用することができる。

　１　　電子装置
　２　　燃料電池システム
　３　　外部機器
１０　　燃料電池
１２、１２Ａ　燃料タンク
１８　　制御部
２０　　蓄電部
２１　　電圧センサ
２２　　ＤＣ／ＤＣコンバータ
２８　　燃料残量検出部

Claims

　燃料電池と、
　前記燃料電池が発電した電力を貯蔵する蓄電部と、
　前記燃料電池に供給される燃料を貯蔵するタンクと、
　前記タンクの燃料残量を検出する燃料残量センサと、
　前記蓄電部の充電状態を検知するＳＯＣ検知部と、
　前記燃料電池の運転を制御する制御装置と、を備え、
　前記制御装置は、
　(i)前記燃料残量が所定値Ａよりも大きいときには、
　　（a）前記充電状態が所定値Ｘ以上であると、前記燃料電池の発電を停止、または発電量を減少させるための操作を実行し、
　　（b）前記充電状態が所定値Ｙ（Ｙ＜Ｘ）以下であると、前記燃料電池の発電を開始、または発電量を増大させるための操作を実行し、
　(ii)前記燃料残量が所定値Ａ以下のときには、
　　（c）前記充電状態を所定値Ｙよりも小さくするように、前記燃料電池の発電を停止、または発電量を減少させる、燃料電池システム。
　前記制御装置が、
　前記燃料残量が所定値Ｂ（Ｂ＞Ａ）以上となるまで前記ステップ(c)の操作を継続する、請求項１記載の燃料電池システム。
　請求項１または２記載の燃料電池システムと、前記燃料電池システムから電力供給を受ける負荷機器とを含む電子装置であって、
　前記燃料電池システムが、前記蓄電部の充電状態に応じた電圧を出力する出力部を具備するとともに、
　前記負荷機器が、
　前記燃料電池システムの出力電圧を検出する電圧検出部、並びに
　前記電圧検出部の検出値に基づいて、前記燃料残量が前記所定値Ａ以下となったことを判定し、前記燃料電池の燃料切れに関する警告処理を行う処理部、を具備する、電子装置。
　前記処理部が、前記電圧検出部の検出値が前記所定値Ｙに相当する電圧を下回ったとき以後の所定時期に前記電圧検出部により検出される電圧Ｅ(i-1)と、前記電圧Ｅ(i-1)が検出されてから、さらに時間ΔＴが経過したときに前記電圧検出部により検出される電圧Ｅ(i)とを比較して、前記電圧Ｅ(i)が前記電圧Ｅ(i-1)以下であるときに、前記燃料残量が前記所定値Ａ以下となったと判定する、請求項３記載の電子装置。
　前記所定時期が、
　ステップ(b)の操作が実行されてから、前記燃料電池が実際に出力を開始するまでの時間、または、前記燃料電池の発電量が実際に増大し始めるまでの時間と同じ、またはそれよりも長い時間である時間Ｔａを基準に設定される、請求項４記載の電子装置。
　前記時間Ｔａが、前記電子機器の消費電力に応じて設定される、請求項５記載の電子装置。