JP2004127618A - 電子機器システム、電池ユニットおよび電池ユニットの動作制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池が燃料補給のために用いる補助機構の燃料補給量を多段階に制御する電池ユニットを提供する。
【解決手段】ＤＭＦＣセルスタック２４は、送液ポンプ２２および送風ポンプ２３から送り込まれたメタノールおよび空気（酸素）を反応させ、その化学反応により発電された電力を出力するものであり、その出力電力量は、送液ポンプ２２および送風ポンプ２３の出力量により決定される。そして、マイコン２１は、ＤＭＦＣセルスタック２４から電子機器１への出力電圧と出力電流とを監視して、その監視により得られた出力電圧と出力電流とに基づき、この送液ポンプ２２および送風ポンプ２３を多段階に駆動制御する。
【選択図】 図２
【解決手段】ＤＭＦＣセルスタック２４は、送液ポンプ２２および送風ポンプ２３から送り込まれたメタノールおよび空気（酸素）を反応させ、その化学反応により発電された電力を出力するものであり、その出力電力量は、送液ポンプ２２および送風ポンプ２３の出力量により決定される。そして、マイコン２１は、ＤＭＦＣセルスタック２４から電子機器１への出力電圧と出力電流とを監視して、その監視により得られた出力電圧と出力電流とに基づき、この送液ポンプ２２および送風ポンプ２３を多段階に駆動制御する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば可搬型のパーソナルコンピュータなどに適用される電池ユニットの動作制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えばＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などと称される携帯情報端末やデジタルカメラなど、バッテリにより駆動可能な携帯型の電子機器が種々開発され、広く普及している。
【０００３】
また、最近、環境問題が大きな注目を集めており、環境に配慮したバッテリ開発も盛んに行われている。そして、この種のバッテリとして、ダイレクト・メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が良く知られている。
【０００４】
このＤＭＦＣは、燃料として与えられるメタノールと酸素を反応させ、その化学反応により電気エネルギーを得るものであり、多孔性金属または炭素からなる２つの電極が電解質をはさんだ構造をもつ（例えば、非特許文献１参照）。そして、このＤＭＦＣは、有害な廃棄物を発生させないため、その実用化が強く求められている。
【０００５】
【非特許文献１】
池田宏之助著「燃料電池のすべて」株式会社日本実業出版社、２００１年８月２０日、ｐ２１６−２１７
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このＤＭＦＣでは、体積あたりの電力密度を上げるために、メタノール溶液と空気（酸素）をポンプにより送液・送風する。この時、このポンプ等の補助機構（補機）が電力を消費するため、要求される電力が小さい場合、総消費電力中の補機の消費電力が占める割合が大きくなり、燃料の消費効率を著しく悪化させてしまうという問題があった。
【０００７】
この発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、燃料電池が燃料補給のために用いる補助機構による燃料補給量を多段階に制御する電子機器システム、電池ユニットおよび電池ユニットの動作制御方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、この発明は、化学反応により電力を発生する反応部と、前記反応部に前記化学反応の燃料を供給する補助機構と、前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御する制御手段と、前記反応部により発生された電力を出力する出力部とを具備する電池ユニットと、前記出力部と電気的に接続される入力部を有し、前記入力部を介して入力された電力に基づいて動作可能な電子機器とを具備することを特徴とする電子機器システムを提供する。
【０００９】
また、この発明は、化学反応により電力を発生する反応部と、前記反応部に前記化学反応の燃料を供給する補助機構と、前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御する制御手段とを具備することを特徴とする電池ユニットを提供する。
【００１０】
また、この発明は、燃料補給に補助機構を用いる燃料電池と、繰り返し充放電可能な２次電池と、前記燃料電池と前記２次電池とを併用した電力供給を実行制御する制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記２次電池の出力電力量と前記燃料電池の出力電圧値とに基づき、前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御することを特徴とする電池ユニットを提供する。
【００１１】
また、この発明は、燃料補給に補助機構を用いる燃料電池を備えた電池ユニットの動作制御方法であって、前記燃料電池の出力電圧値および出力電流値を検出する検出ステップと、前記検出ステップの検出結果に基づき、前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御する制御ステップとを具備することを特徴とする電池ユニットの動作制御方法を提供する。
【００１２】
また、この発明は、燃料補給に補助機構を用いる燃料電池と、繰り返し充放電可能な２次電池とを備えた電池ユニットの動作制御方法であって、前記２次電池の出力電力量と前記燃料電池の出力電圧値とを検出する検出ステップと、前記検出ステップにより検出された前記２次電池の出力電力量と前記燃料電池の出力電圧値とに基づき、前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御し、前記燃料電池と前記２次電池とを併用した電力供給を実行制御する制御ステップとを具備することを特徴とする電池ユニットの動作制御方法を提供する。
【００１３】
また、この発明は、燃料補給に補助機構を用いる燃料電池を備えた電池ユニットと、前記電池ユニットからの電力で動作可能な電子機器とを有する電子機器システムの動作制御方法であって、前記電子機器は、前記電池ユニットへ電力出力を指示する信号を出力し、前記電池ユニットは、前記電子機器から創出された信号に基づいて、前記補助機構による前記反応部への燃料補給量を制御することを特徴とする電池ユニットの動作制御方法を提供する。
【００１４】
この発明においては、要求された電力量に応じて、燃料電池が燃料補給のために用いる補助機構による燃料補給量を多段階に制御することにより、燃料の消費効率を改善することを実現する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
まず、この発明の第１実施形態について説明する。
【００１７】
図１は、この発明の第１実施形態に係る電子機器の外観を示す図である。
【００１８】
図１に示すように、この実施形態の電子機器１は、携帯型のパーソナルコンピュータであり、その本体内部に燃料電池ユニット２を収納する。そして、この電子機器１は、この燃料電池ユニット２から電力の供給を受けて動作し、燃料電池ユニット２は、その着脱が簡単に行えるようになっている。
【００１９】
図２は、この燃料電池ユニット２の概略構成を示す図である。
【００２０】
図２に示すように、この燃料電池ユニット２は、マイコン２１、送液ポンプ２２、送風ポンプ２３、ＤＭＦＣセルスタック２４、電流検出抵抗２５、ファン２６およびコンデンサ２７を有している。
【００２１】
マイコン２１は、この燃料電池ユニット２全体を動作制御するものであり、ＤＭＦＣセルスタック２４から電子機器１への出力電圧と出力電流とを監視してその時の出力電力量を検出し、その検出結果に基づき、送液ポンプ２２、送風ポンプ２３およびファン２６を駆動制御する。
【００２２】
送液ポンプ２２は、図示しない燃料タンクに入ったメタノールをＤＭＦＣセルスタック２４に送り込むものであり、一方、送風ポンプ２３は、周囲の空気を取り込んで同じくＤＭＦＣセルスタック２４に送り込むものである。この送液ポンプ２２によるメタノールの送液量と送風ポンプ２３による空気の送風量は、マイコン２１からの制御信号によって制御される。
【００２３】
ＤＭＦＣセルスタック２４は、送液ポンプ２２および送風ポンプ２３から送り込まれたメタノールおよび空気（酸素）を反応させ、その化学反応により発電された電力を出力するものである。そして、その出力電力量は、送液ポンプ２２および送風ポンプ２３の出力量により決定される。
【００２４】
電流検出抵抗２５は、マイコン２１がＤＭＦＣセルスタック２４から電子機器１への出力電流を検出するために設けられるものである。ファン２６は、ＤＭＦＣセルスタック２４での発電による温度上昇や水蒸気の発生による結露を防止するために設けられるものである。このファンの回転数も、マイコン２１からの制御信号によって制御される。コンデンサ２７は、例えば電子機器１の消費電力が瞬間的に増加した場合に、ＤＭＦＣセルスタック２４からの電力を越える不足分を一時的に補うために設けられるものである。
【００２５】
次に、図３を参照して、このような構成をもつこの燃料電池ユニット２の動作制御原理を説明する。図３は、この燃料電池ユニット２で実行される出力遷移を示す図である。
【００２６】
マイコン２１は、この燃料電池ユニット２の出力電力、つまり送液ポンプ２２および送風ポンプ２３の出力量と、これに伴うファン２６の回転数とを、予め定められた段階数で多段階に次の手順で制御する。
【００２７】
（１）起動時などで必要な電力がわからない場合、最大出力で動作させる。
【００２８】
（２）現在の出力電力が電子機器１の要求に対して適当である場合、現在の出力を維持する。
【００２９】
（３）現在の出力電力が電子機器１の要求に対して過剰である場合、現在の出力より１段階下の出力レベルに下げる。
【００３０】
（４）現在の出力電力が電子機器１の要求に対して不足している場合、現在の出力より１段階上の出力レベルに上げる。
【００３１】
この制御により、送液ポンプ２２、送風ポンプ２３およびファン２６、すなわち補機の消費電力が適切に行われ、燃料の消費効率の最適化が実現される。
【００３２】
なお、ここでは、出力レベルを１段ずつ上下させる例を示したが、出力電力の過剰分または不足分に基づき、最適な出力レベルまで数段階一度に上下させるようにしても良い。
【００３３】
図４は、この多段階制御の効果を示すためのグラフの図である。図中、横軸は電子機器で消費される電力量を示し、縦軸は、燃料の消費エネルギーを示す。また、図中、ａ線は、この多段階制御を行った場合の補機での燃料消費量を示し、ｂ線は、多段階制御を行わない場合の補機での燃料消費量を示す。また、ｃ線は、補機による消費を考慮しない理想の燃料消費を示す。そして、ｄ線は、多段階制御を行った場合の燃料消費を示し、ｅ線は、多段階制御を行わない場合の燃料消費を示す。
【００３４】
図示のように、多段階制御を行わない場合、ｂ線に示すように補機により消費される燃料は常に一定で高い値を維持する。一方、本実施形態に係る多段階制御によれば、ａ線に示すように電子機器での消費電力が少ない場合には、少ない燃料消費で動作可能である。
【００３５】
また、ｃ線に補機による燃料消費を考慮しない場合のグラフが描かれているが、多段階制御を行わない場合は、燃料の消費量としては、ｃ線の量にｂ線の量を加算した量を消費することになり、この場合のグラフがｅ線で示されてている。
【００３６】
しかし、本実施形態に係る多段階制御を用いた場合は、ｄ線に示すように、ｃ線の量にａ線の量を加算した量を消費するだけで済むことになる。
【００３７】
つまり、この燃料電池ユニット２によれば、図４の網掛け領域分（ｅ線とｄ線との間の網掛け部分）の燃料を節約することができ、燃料利用効率の改善を実現する。
【００３８】
（第２実施形態）
次に、この発明の第２実施形態について説明する。
【００３９】
図５は、この発明の第２実施形態に係る燃料電池ユニット２の概略構成を示す図である。
【００４０】
前述の第１実施形態の燃料電池ユニット２とこの第２実施形態の燃料電池ユニット２との違いは、図５に示すように、マイコン２１から各種信号を入力する機能を追加し、一方で、ＤＭＦＣセルスタック２４から電子機器１への出力電圧および出力電流を検出する機能を除去した点にある。また、これに伴い、電流検出抵抗２５の設置も行わない。
【００４１】
そして、この第２実施形態のマイコン２１では、電子機器１から出力を下げる指示を信号により受けた場合、現在の出力より１段階下の出力レベルに下げ、機器本体１から出力を上げる指示を信号により受けた場合、現在の出力より１段階上の出力レベルに上げる。
【００４２】
この電子機器１からの指示としては、例えば拡張機器の挿入、省電力設定の変更およびＣＰＵスピードの変更などに基づく電力変化の通知が挙げられる。
【００４３】
これにより、前述の第１実施形態と同様、送風ポンプ２３およびファン２６の補機の消費電力が適切に行われ、燃料の消費効率の最適化が実現される。
【００４４】
（第３実施形態）
次に、この発明の第３実施形態について説明する。
【００４５】
図６は、この発明の第３実施形態に係る燃料電池ユニット２の概略構成を示す図である。
【００４６】
前述の第１実施形態の燃料電池ユニット２とこの第３実施形態の燃料電池ユニット２との違いは、マイコン２１から各種信号を入力する機能を追加した点にあり、また、前述の第２実施形態の燃料電池ユニット２とこの第３実施形態の燃料電池ユニット２との違いは、ＤＭＦＣセルスタック２４から電子機器１への出力電圧および出力電流を検出する機能を除去せず、これらを併用するようにした点にある。
【００４７】
そして、この第３実施形態のマイコン２１では、自身が検出したＤＭＦＣセルスタック２４から電子機器１への出力電圧および出力電流に基づき、補機の出力量を上げ下げすることを基本とし、特に、電子機器１から指示された場合、この指示に基づく補機の出力量の上げ下げを実行する。
【００４８】
これにより、電子機器１に過度の負担を強いることなく、送風ポンプ２３およびファン２６の補機の消費電力が適切に行われ、燃料の消費効率の最適化が実現される。
【００４９】
（第４実施形態）
次に、この発明の第４実施形態について説明する。
【００５０】
図７は、この発明の第４実施形態に係る燃料電池ユニット２の概略構成を示す図である。
【００５１】
前述の第１実施形態の燃料電池ユニット２とこの第４実施形態の燃料電池ユニット２との違いは、図７に示すように、繰り返し充放電可能な２次電池２８と供給制御回路２９とを追加した点にある。また、この２次電池２８を追加したことに伴い、例えば電子機器１の消費電力が瞬間的に増加した場合等のために設けられるコンデンサ２７を除去する。
【００５２】
この第４実施形態の燃料電池ユニット２では、第１実施形態の燃料電池ユニット２と同様、マイコン２１が、送液ポンプ２２や送風ポンプ２３の出力量を多段階に制御するが、電子機器１から要求される電力をＤＭＦＣセルスタック２４の出力電力量が常に上回るように制御するのではなく、所定量の不足分は２次電池２８から供給するように制御する。充電効率を考慮した場合、２次電池２８の放出電力が大きくなると、燃料の利用効率は悪化してしまう。そこで、この２次電池２８の充電効率と補機による電力の無駄と考慮して、ＤＭＦＣセルスタック２４の出力量を上げ下げする。より具体的には、
（１）一定時間の２次電池２８の平均電力が、予め定められた値以上の場合、現在の出力より１段階上の出力レベルに上げる。
【００５３】
（２）一定時間のＤＭＦＣセルスタック２４の平均電圧が、予め定められた値以上の場合、現在の出力より１段階下の出力レベルに下げる。
【００５４】
といった手順で制御する。
【００５５】
また、供給制御回路２９は、ダイオードＯＲによる制御回路であり、ＤＭＦＣセルスタック２４の不足電力を自動的に２次電池２８により供給する。
【００５６】
図８は、この多段階制御の効果を示すためのグラフであり、図中、ａ’は、この多段階制御を行った場合の補機の出力を示し、ｄ’は、この制御を行った場合の燃料消費を示を示す。図示のように、Ａｎ−Ｂｎ間では、ＤＭＦＣセルスタック２４の補機による無駄をなくし、その不足分を２次電池２８で供給する。つまり、この燃料電池ユニット２によれば、第１実施形態の燃料電池ユニット２と比較して、図８の網掛け領域分の燃料をさらに節約することができ、燃料利用効率の改善を実現する。
【００５７】
ところで、２次電池２８の充電は、その充電効率を考慮すると、ＤＭＦＣセルスタック２４を最大出力で動作させ、その時の余剰電力によって行うのが燃料利用効率上好ましい。しかし、この場合に、負荷電力が増加すると、電力不足による異常となるため、適切な制御が必要である。
【００５８】
まず、負荷電力増加に対する制御を考えると、ＤＭＦＣセルスタック２４の電圧は、出力電力に依存する。そのため、マイコン２１は、このＤＭＦＣセルスタック２４の電圧を監視し、基準点以下の電圧を観測した場合、即座に充電を停止しする。一方、負荷電力の減少による制御を考えると、マイコン２１は、ＤＭＦＣセルスタック２４の電圧を監視し、基準電圧より高い場合に充電電流を大きくする。
【００５９】
ただし、頻繁に負荷電力増加による充電カットを行うと、効率が悪くなってしまうので、さらに、負荷電流増加に対する制御のため、図９に示すように、ＤＭＦＣセルスタック２４の電圧として警告電圧と危険電圧を設定し、この警告電圧を検出した場合、２次電池２８の充電電流を下げる。そして、危険電圧を検出した場合には、即座に充電を停止する。
【００６０】
これにより、ＤＭＦＣセルスタック２４による２次電池２８の充電も適切に実行されることになる。
【００６１】
なお、本願発明は、前記実施形態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種々に変形することが可能である。更に、前記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。たとえば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、燃料電池が燃料補給のために用いる補助機構の燃料補給量を多段階に制御する電子機器システム、電池ユニットおよび電池ユニットの動作制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態に係る電子機器の外観を示す図。
【図２】同第１実施形態の燃料電池ユニットの概略構成を示す図。
【図３】同第１実施形態の燃料電池ユニットで実行される出力遷移を示す図。
【図４】同第１実施形態の燃料電池ユニットで実行される多段階制御の効果を示すためのグラフ。
【図５】同第２実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成を示す図。
【図６】同第３実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成を示す図。
【図７】同第４実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成を示す図。
【図８】同第４実施形態の燃料電池ユニットで実行される多段階制御の効果を示すためのグラフ。
【図９】同第４実施形態の燃料電池ユニットで設定されるＤＭＦＣセルスタックの電圧として警告電圧と危険電圧を示す図。
【符号の説明】
１…電子機器
２…燃料電池ユニット
２１…マイコン
２２…送液ポンプ
２３…送風ポンプ
２４…ＤＭＦＣセルスタック
２５…電流検出抵抗
２６…ファン
２７…コンデンサ
２８…２次電池
２９…供給制御回路
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば可搬型のパーソナルコンピュータなどに適用される電池ユニットの動作制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えばＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などと称される携帯情報端末やデジタルカメラなど、バッテリにより駆動可能な携帯型の電子機器が種々開発され、広く普及している。
【０００３】
また、最近、環境問題が大きな注目を集めており、環境に配慮したバッテリ開発も盛んに行われている。そして、この種のバッテリとして、ダイレクト・メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が良く知られている。
【０００４】
このＤＭＦＣは、燃料として与えられるメタノールと酸素を反応させ、その化学反応により電気エネルギーを得るものであり、多孔性金属または炭素からなる２つの電極が電解質をはさんだ構造をもつ（例えば、非特許文献１参照）。そして、このＤＭＦＣは、有害な廃棄物を発生させないため、その実用化が強く求められている。
【０００５】
【非特許文献１】
池田宏之助著「燃料電池のすべて」株式会社日本実業出版社、２００１年８月２０日、ｐ２１６−２１７
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このＤＭＦＣでは、体積あたりの電力密度を上げるために、メタノール溶液と空気（酸素）をポンプにより送液・送風する。この時、このポンプ等の補助機構（補機）が電力を消費するため、要求される電力が小さい場合、総消費電力中の補機の消費電力が占める割合が大きくなり、燃料の消費効率を著しく悪化させてしまうという問題があった。
【０００７】
この発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、燃料電池が燃料補給のために用いる補助機構による燃料補給量を多段階に制御する電子機器システム、電池ユニットおよび電池ユニットの動作制御方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、この発明は、化学反応により電力を発生する反応部と、前記反応部に前記化学反応の燃料を供給する補助機構と、前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御する制御手段と、前記反応部により発生された電力を出力する出力部とを具備する電池ユニットと、前記出力部と電気的に接続される入力部を有し、前記入力部を介して入力された電力に基づいて動作可能な電子機器とを具備することを特徴とする電子機器システムを提供する。
【０００９】
また、この発明は、化学反応により電力を発生する反応部と、前記反応部に前記化学反応の燃料を供給する補助機構と、前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御する制御手段とを具備することを特徴とする電池ユニットを提供する。
【００１０】
また、この発明は、燃料補給に補助機構を用いる燃料電池と、繰り返し充放電可能な２次電池と、前記燃料電池と前記２次電池とを併用した電力供給を実行制御する制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記２次電池の出力電力量と前記燃料電池の出力電圧値とに基づき、前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御することを特徴とする電池ユニットを提供する。
【００１１】
また、この発明は、燃料補給に補助機構を用いる燃料電池を備えた電池ユニットの動作制御方法であって、前記燃料電池の出力電圧値および出力電流値を検出する検出ステップと、前記検出ステップの検出結果に基づき、前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御する制御ステップとを具備することを特徴とする電池ユニットの動作制御方法を提供する。
【００１２】
また、この発明は、燃料補給に補助機構を用いる燃料電池と、繰り返し充放電可能な２次電池とを備えた電池ユニットの動作制御方法であって、前記２次電池の出力電力量と前記燃料電池の出力電圧値とを検出する検出ステップと、前記検出ステップにより検出された前記２次電池の出力電力量と前記燃料電池の出力電圧値とに基づき、前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御し、前記燃料電池と前記２次電池とを併用した電力供給を実行制御する制御ステップとを具備することを特徴とする電池ユニットの動作制御方法を提供する。
【００１３】
また、この発明は、燃料補給に補助機構を用いる燃料電池を備えた電池ユニットと、前記電池ユニットからの電力で動作可能な電子機器とを有する電子機器システムの動作制御方法であって、前記電子機器は、前記電池ユニットへ電力出力を指示する信号を出力し、前記電池ユニットは、前記電子機器から創出された信号に基づいて、前記補助機構による前記反応部への燃料補給量を制御することを特徴とする電池ユニットの動作制御方法を提供する。
【００１４】
この発明においては、要求された電力量に応じて、燃料電池が燃料補給のために用いる補助機構による燃料補給量を多段階に制御することにより、燃料の消費効率を改善することを実現する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
まず、この発明の第１実施形態について説明する。
【００１７】
図１は、この発明の第１実施形態に係る電子機器の外観を示す図である。
【００１８】
図１に示すように、この実施形態の電子機器１は、携帯型のパーソナルコンピュータであり、その本体内部に燃料電池ユニット２を収納する。そして、この電子機器１は、この燃料電池ユニット２から電力の供給を受けて動作し、燃料電池ユニット２は、その着脱が簡単に行えるようになっている。
【００１９】
図２は、この燃料電池ユニット２の概略構成を示す図である。
【００２０】
図２に示すように、この燃料電池ユニット２は、マイコン２１、送液ポンプ２２、送風ポンプ２３、ＤＭＦＣセルスタック２４、電流検出抵抗２５、ファン２６およびコンデンサ２７を有している。
【００２１】
マイコン２１は、この燃料電池ユニット２全体を動作制御するものであり、ＤＭＦＣセルスタック２４から電子機器１への出力電圧と出力電流とを監視してその時の出力電力量を検出し、その検出結果に基づき、送液ポンプ２２、送風ポンプ２３およびファン２６を駆動制御する。
【００２２】
送液ポンプ２２は、図示しない燃料タンクに入ったメタノールをＤＭＦＣセルスタック２４に送り込むものであり、一方、送風ポンプ２３は、周囲の空気を取り込んで同じくＤＭＦＣセルスタック２４に送り込むものである。この送液ポンプ２２によるメタノールの送液量と送風ポンプ２３による空気の送風量は、マイコン２１からの制御信号によって制御される。
【００２３】
ＤＭＦＣセルスタック２４は、送液ポンプ２２および送風ポンプ２３から送り込まれたメタノールおよび空気（酸素）を反応させ、その化学反応により発電された電力を出力するものである。そして、その出力電力量は、送液ポンプ２２および送風ポンプ２３の出力量により決定される。
【００２４】
電流検出抵抗２５は、マイコン２１がＤＭＦＣセルスタック２４から電子機器１への出力電流を検出するために設けられるものである。ファン２６は、ＤＭＦＣセルスタック２４での発電による温度上昇や水蒸気の発生による結露を防止するために設けられるものである。このファンの回転数も、マイコン２１からの制御信号によって制御される。コンデンサ２７は、例えば電子機器１の消費電力が瞬間的に増加した場合に、ＤＭＦＣセルスタック２４からの電力を越える不足分を一時的に補うために設けられるものである。
【００２５】
次に、図３を参照して、このような構成をもつこの燃料電池ユニット２の動作制御原理を説明する。図３は、この燃料電池ユニット２で実行される出力遷移を示す図である。
【００２６】
マイコン２１は、この燃料電池ユニット２の出力電力、つまり送液ポンプ２２および送風ポンプ２３の出力量と、これに伴うファン２６の回転数とを、予め定められた段階数で多段階に次の手順で制御する。
【００２７】
（１）起動時などで必要な電力がわからない場合、最大出力で動作させる。
【００２８】
（２）現在の出力電力が電子機器１の要求に対して適当である場合、現在の出力を維持する。
【００２９】
（３）現在の出力電力が電子機器１の要求に対して過剰である場合、現在の出力より１段階下の出力レベルに下げる。
【００３０】
（４）現在の出力電力が電子機器１の要求に対して不足している場合、現在の出力より１段階上の出力レベルに上げる。
【００３１】
この制御により、送液ポンプ２２、送風ポンプ２３およびファン２６、すなわち補機の消費電力が適切に行われ、燃料の消費効率の最適化が実現される。
【００３２】
なお、ここでは、出力レベルを１段ずつ上下させる例を示したが、出力電力の過剰分または不足分に基づき、最適な出力レベルまで数段階一度に上下させるようにしても良い。
【００３３】
図４は、この多段階制御の効果を示すためのグラフの図である。図中、横軸は電子機器で消費される電力量を示し、縦軸は、燃料の消費エネルギーを示す。また、図中、ａ線は、この多段階制御を行った場合の補機での燃料消費量を示し、ｂ線は、多段階制御を行わない場合の補機での燃料消費量を示す。また、ｃ線は、補機による消費を考慮しない理想の燃料消費を示す。そして、ｄ線は、多段階制御を行った場合の燃料消費を示し、ｅ線は、多段階制御を行わない場合の燃料消費を示す。
【００３４】
図示のように、多段階制御を行わない場合、ｂ線に示すように補機により消費される燃料は常に一定で高い値を維持する。一方、本実施形態に係る多段階制御によれば、ａ線に示すように電子機器での消費電力が少ない場合には、少ない燃料消費で動作可能である。
【００３５】
また、ｃ線に補機による燃料消費を考慮しない場合のグラフが描かれているが、多段階制御を行わない場合は、燃料の消費量としては、ｃ線の量にｂ線の量を加算した量を消費することになり、この場合のグラフがｅ線で示されてている。
【００３６】
しかし、本実施形態に係る多段階制御を用いた場合は、ｄ線に示すように、ｃ線の量にａ線の量を加算した量を消費するだけで済むことになる。
【００３７】
つまり、この燃料電池ユニット２によれば、図４の網掛け領域分（ｅ線とｄ線との間の網掛け部分）の燃料を節約することができ、燃料利用効率の改善を実現する。
【００３８】
（第２実施形態）
次に、この発明の第２実施形態について説明する。
【００３９】
図５は、この発明の第２実施形態に係る燃料電池ユニット２の概略構成を示す図である。
【００４０】
前述の第１実施形態の燃料電池ユニット２とこの第２実施形態の燃料電池ユニット２との違いは、図５に示すように、マイコン２１から各種信号を入力する機能を追加し、一方で、ＤＭＦＣセルスタック２４から電子機器１への出力電圧および出力電流を検出する機能を除去した点にある。また、これに伴い、電流検出抵抗２５の設置も行わない。
【００４１】
そして、この第２実施形態のマイコン２１では、電子機器１から出力を下げる指示を信号により受けた場合、現在の出力より１段階下の出力レベルに下げ、機器本体１から出力を上げる指示を信号により受けた場合、現在の出力より１段階上の出力レベルに上げる。
【００４２】
この電子機器１からの指示としては、例えば拡張機器の挿入、省電力設定の変更およびＣＰＵスピードの変更などに基づく電力変化の通知が挙げられる。
【００４３】
これにより、前述の第１実施形態と同様、送風ポンプ２３およびファン２６の補機の消費電力が適切に行われ、燃料の消費効率の最適化が実現される。
【００４４】
（第３実施形態）
次に、この発明の第３実施形態について説明する。
【００４５】
図６は、この発明の第３実施形態に係る燃料電池ユニット２の概略構成を示す図である。
【００４６】
前述の第１実施形態の燃料電池ユニット２とこの第３実施形態の燃料電池ユニット２との違いは、マイコン２１から各種信号を入力する機能を追加した点にあり、また、前述の第２実施形態の燃料電池ユニット２とこの第３実施形態の燃料電池ユニット２との違いは、ＤＭＦＣセルスタック２４から電子機器１への出力電圧および出力電流を検出する機能を除去せず、これらを併用するようにした点にある。
【００４７】
そして、この第３実施形態のマイコン２１では、自身が検出したＤＭＦＣセルスタック２４から電子機器１への出力電圧および出力電流に基づき、補機の出力量を上げ下げすることを基本とし、特に、電子機器１から指示された場合、この指示に基づく補機の出力量の上げ下げを実行する。
【００４８】
これにより、電子機器１に過度の負担を強いることなく、送風ポンプ２３およびファン２６の補機の消費電力が適切に行われ、燃料の消費効率の最適化が実現される。
【００４９】
（第４実施形態）
次に、この発明の第４実施形態について説明する。
【００５０】
図７は、この発明の第４実施形態に係る燃料電池ユニット２の概略構成を示す図である。
【００５１】
前述の第１実施形態の燃料電池ユニット２とこの第４実施形態の燃料電池ユニット２との違いは、図７に示すように、繰り返し充放電可能な２次電池２８と供給制御回路２９とを追加した点にある。また、この２次電池２８を追加したことに伴い、例えば電子機器１の消費電力が瞬間的に増加した場合等のために設けられるコンデンサ２７を除去する。
【００５２】
この第４実施形態の燃料電池ユニット２では、第１実施形態の燃料電池ユニット２と同様、マイコン２１が、送液ポンプ２２や送風ポンプ２３の出力量を多段階に制御するが、電子機器１から要求される電力をＤＭＦＣセルスタック２４の出力電力量が常に上回るように制御するのではなく、所定量の不足分は２次電池２８から供給するように制御する。充電効率を考慮した場合、２次電池２８の放出電力が大きくなると、燃料の利用効率は悪化してしまう。そこで、この２次電池２８の充電効率と補機による電力の無駄と考慮して、ＤＭＦＣセルスタック２４の出力量を上げ下げする。より具体的には、
（１）一定時間の２次電池２８の平均電力が、予め定められた値以上の場合、現在の出力より１段階上の出力レベルに上げる。
【００５３】
（２）一定時間のＤＭＦＣセルスタック２４の平均電圧が、予め定められた値以上の場合、現在の出力より１段階下の出力レベルに下げる。
【００５４】
といった手順で制御する。
【００５５】
また、供給制御回路２９は、ダイオードＯＲによる制御回路であり、ＤＭＦＣセルスタック２４の不足電力を自動的に２次電池２８により供給する。
【００５６】
図８は、この多段階制御の効果を示すためのグラフであり、図中、ａ’は、この多段階制御を行った場合の補機の出力を示し、ｄ’は、この制御を行った場合の燃料消費を示を示す。図示のように、Ａｎ−Ｂｎ間では、ＤＭＦＣセルスタック２４の補機による無駄をなくし、その不足分を２次電池２８で供給する。つまり、この燃料電池ユニット２によれば、第１実施形態の燃料電池ユニット２と比較して、図８の網掛け領域分の燃料をさらに節約することができ、燃料利用効率の改善を実現する。
【００５７】
ところで、２次電池２８の充電は、その充電効率を考慮すると、ＤＭＦＣセルスタック２４を最大出力で動作させ、その時の余剰電力によって行うのが燃料利用効率上好ましい。しかし、この場合に、負荷電力が増加すると、電力不足による異常となるため、適切な制御が必要である。
【００５８】
まず、負荷電力増加に対する制御を考えると、ＤＭＦＣセルスタック２４の電圧は、出力電力に依存する。そのため、マイコン２１は、このＤＭＦＣセルスタック２４の電圧を監視し、基準点以下の電圧を観測した場合、即座に充電を停止しする。一方、負荷電力の減少による制御を考えると、マイコン２１は、ＤＭＦＣセルスタック２４の電圧を監視し、基準電圧より高い場合に充電電流を大きくする。
【００５９】
ただし、頻繁に負荷電力増加による充電カットを行うと、効率が悪くなってしまうので、さらに、負荷電流増加に対する制御のため、図９に示すように、ＤＭＦＣセルスタック２４の電圧として警告電圧と危険電圧を設定し、この警告電圧を検出した場合、２次電池２８の充電電流を下げる。そして、危険電圧を検出した場合には、即座に充電を停止する。
【００６０】
これにより、ＤＭＦＣセルスタック２４による２次電池２８の充電も適切に実行されることになる。
【００６１】
なお、本願発明は、前記実施形態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種々に変形することが可能である。更に、前記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。たとえば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、燃料電池が燃料補給のために用いる補助機構の燃料補給量を多段階に制御する電子機器システム、電池ユニットおよび電池ユニットの動作制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態に係る電子機器の外観を示す図。
【図２】同第１実施形態の燃料電池ユニットの概略構成を示す図。
【図３】同第１実施形態の燃料電池ユニットで実行される出力遷移を示す図。
【図４】同第１実施形態の燃料電池ユニットで実行される多段階制御の効果を示すためのグラフ。
【図５】同第２実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成を示す図。
【図６】同第３実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成を示す図。
【図７】同第４実施形態に係る燃料電池ユニットの概略構成を示す図。
【図８】同第４実施形態の燃料電池ユニットで実行される多段階制御の効果を示すためのグラフ。
【図９】同第４実施形態の燃料電池ユニットで設定されるＤＭＦＣセルスタックの電圧として警告電圧と危険電圧を示す図。
【符号の説明】
１…電子機器
２…燃料電池ユニット
２１…マイコン
２２…送液ポンプ
２３…送風ポンプ
２４…ＤＭＦＣセルスタック
２５…電流検出抵抗
２６…ファン
２７…コンデンサ
２８…２次電池
２９…供給制御回路
Claims (20)
- 化学反応により電力を発生する反応部と、
前記反応部に前記化学反応の燃料を供給する補助機構と、
前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御する制御手段と、
前記反応部により発生された電力を出力する出力部とを具備する電池ユニットと、
前記出力部と電気的に接続される入力部を有し、前記入力部を介して入力された電力に基づいて動作可能な電子機器と
を具備することを特徴とする電子機器システム。 - 前記補助機構は、
液体燃料を前記反応部へ供給する第１のポンプと、
気体を前記反応部へ供給する第２のポンプとを具備し、
前記制御手段は、前記第１のポンプと前記第２のポンプの動作を制御することを特徴とする請求項１記載の電子機器システム。 - 前記反応部の出力電圧値および出力電流値を検出する検出手段をさらに具備し、
前記制御手段は、前記検出手段の検出結果に基づき、前記第１のポンプ及び前記第２のポンプとを制御し、前記反応部への燃料補給量を制御することを特徴とする請求項１記載の電子機器システム。 - 前記電子機器は、前記電子機器が電源オン状態の信号を前記電池ユニットへ通知する手段を具備し、
前記電池ユニットは、前記信号を受けた場合に、前記補助機構による燃料補給量を最大に制御することを特徴とする請求項１記載の電子機器システム。 - 前記電子機器は、前記電池ユニットへ電力出力を指示する信号を出力する信号出力部をさらに具備し、
前記電池ユニットは、前記信号も基づいて、前記補助機構による前記反応部への燃料補給量を制御することを特徴とする請求項１記載の電子機器システム。 - 発電による温度上昇および化学反応により発生する水蒸気による結露を防止するためのファンをさらに具備し、
前記制御手段は、前記反応部の出力電力量に応じて、前記ファンの回転速度を制御する手段を有することを特徴とする請求項１記載の電子機器システム。 - 化学反応により電力を発生する反応部と、
前記反応部に前記化学反応の燃料を供給する補助機構と、
前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御する制御手段と
を具備することを特徴とする電池ユニット。 - 前記補助機構は、
液体燃料を前記反応部へ供給する第１のポンプと、
気体を前記反応部へ供給する第２のポンプとを具備し、
前記制御手段は、前記第１のポンプと前記第２のポンプの動作を制御することを特徴とする請求項７に記載の電池ユニット。 - 前記反応部の出力電圧値および出力電流値を検出する検出手段をさらに具備し、
前記制御手段は、前記検出手段の検出結果に基づき、前記補助機構による前記反応部への燃料補給量を制御することを特徴とする請求項７記載の電池ユニット。 - 前記制御手段は、前記燃料電池ユニットの使用開始時、前記補助機構による燃料補給量を最大に制御することを特徴とする請求項７記載の電池ユニット。
- 前記制御手段は、電力供給先からの通知により、前記補助機構による燃料補給量を制御することを特徴とする請求項７記載の電池ユニット。
- 発電による温度上昇および水蒸気の発生による結露を防止するためのファンをさらに具備し、
前記制御手段は、前記燃料電池の出力電力量に応じて、前記ファンの回転速度を制御する手段を有することを特徴とする請求項７記載の電池ユニット。 - 燃料補給に補助機構を用いる燃料電池と、
繰り返し充放電可能な２次電池と、
前記燃料電池と前記２次電池とを併用した電力供給を実行制御する制御手段と
を具備し、
前記制御手段は、前記２次電池の出力電力量と前記燃料電池の出力電圧値とに基づき、前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御することを特徴とする電池ユニット。 - 前記制御手段は、前記２次電池の所定時間内における平均出力電力量が予め定められた量を越えた場合に、前記補助機構の燃料補給量を１段階上げ、前記燃料電池の所定時間内における平均出力電圧値が予め定められた値を越えた場合に、前記補助機構の燃料補給量を１段階下げることを特徴とする請求項１３記載の電池ユニット。
- 前記制御手段は、前記燃料電池からの電力で前記２次電池を充電する手段を有し、前記燃料電池の出力電圧値が予め定められた第１の値を下回った場合、前記２次電池の充電電流を下げ、前記第１の値よりも低い第２の値を下回った場合、前記２次電池の充電を停止することを特徴とする請求項１３記載の電池ユニット。
- 燃料補給に補助機構を用いる燃料電池を備えた電池ユニットの動作制御方法であって、
前記燃料電池の出力電圧値および出力電流値を検出する検出ステップと、
前記検出ステップの検出結果に基づき、前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御する制御ステップと
を具備することを特徴とする電池ユニットの動作制御方法。 - 燃料補給に補助機構を用いる燃料電池と、繰り返し充放電可能な２次電池とを備えた電池ユニットの動作制御方法であって、
前記２次電池の出力電力量と前記燃料電池の出力電圧値とを検出する検出ステップと、
前記検出ステップにより検出された前記２次電池の出力電力量と前記燃料電池の出力電圧値とに基づき、前記補助機構による燃料補給量を多段階に制御し、前記燃料電池と前記２次電池とを併用した電力供給を実行制御する制御ステップと
を具備することを特徴とする電池ユニットの動作制御方法。 - 前記制御ステップは、前記２次電池の所定時間内における平均出力電力量が予め定められた量を越えた場合に、前記補助機構の燃料補給量を１段階上げ、前記燃料電池の所定時間内における平均出力電圧値が予め定められた値を越えた場合に、前記補助機構の燃料補給量を１段階下げることを特徴とする請求項１７記載の電池ユニットの動作制御方法。
- 前記制御ステップは、前記燃料電池からの電力で前記２次電池を充電するステップを有し、前記燃料電池の出力電圧値が予め定められた第１の値を下回った場合、前記２次電池の充電電流を下げ、前記第１の値よりも低い第２の値を下回った場合、前記２次電池の充電を停止することを特徴とする請求項１７記載の電池ユニットの動作制御方法。
- 燃料補給に補助機構を用いる燃料電池を備えた電池ユニットと、前記電池ユニットからの電力で動作可能な電子機器とを有する電子機器システムの動作制御方法であって、
前記電子機器は、前記電池ユニットへ電力出力を指示する信号を出力し、
前記電池ユニットは、前記電子機器から創出された信号に基づいて、前記補助機構による前記反応部への燃料補給量を制御すること
を特徴とする電池ユニットの動作制御方法。
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