(57)【要約】【課題】外気に含まれる異物をフィルタで除去し、さらにそのフィルタの交換時期を知らせ、交換を促すことにより、長期にわたり安定した性能を維持できる燃料電池装置を提供すること。【解決手段】電解質膜１を介して燃料と空気を化学反応させて電力を発生する燃料電池部２と、空気から不純物を除去するフィルタ９と、フィルタ９を介して燃料電池部２に空気を供給する送気ポンプ３と、送気ポンプ３と燃料電池部２を連通させる空気供給経路４を備えた燃料電池装置であって、送気ポンプ３の負荷を検知し、一定負荷以上の場合にはフィルタ９の交換信号を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を介して燃料と空気を化学反応させて電力を発生する燃料電池部と、空気から不純物を除去するフィルタと、前記フィルタを介して前記燃料電池部に空気を供給する送気ポンプと、前記送気ポンプと前記燃料電池部を連通させる空気供給経路を備えた燃料電池装置であって、前記送気ポンプの負荷を検知し、一定負荷以上の場合には前記フィルタの交換信号を出力することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記フィルタの交換信号を段階的に出力することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記フィルタの交換信号が最終段階に達した時点で、前記燃料電池装置の運転を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記フィルタ交換信号が最終段階に達し、前記燃料電池装置が所定運転時間内に規定回数以上停止した場合には、前記送気ポンプもしくは前記空気供給経路の異常信号を出力することを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記送気ポンプの負荷の検知方法として、前記送気ポンプの電流値が所定電流値に達したことを検出することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記送気ポンプの負荷の検知方法として、前記送気ポンプに所定電圧を印加したときの回転数が所定回転数に達したことを検出することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記送気ポンプの負荷の検知方法として、前記送気ポンプが所定回転数となるように電圧を印加し、その電圧値が所定電圧値に達したことを検出することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記フィルタが未装着の場合には、前記燃料電池装置の運転が実行できないように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型の電子機器の電源として組み込むに好適な燃料電池装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池装置は電解質膜を通してメタノール水溶液や水素などの燃料と空気とを化学反応させて電力を発生するものである。反応させる空気は外気を送気ポンプで昇圧して燃料電池部へ送り込んでいるため、外気中に含まれる塵埃、塩水ミスト及びオイルミストなどの異物を除去する必要がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図２は、特許文献１に記載された従来の燃料電池装置である。空気が流れる空気供給管２０と、燃料が流れる燃料供給管２１を備え、各供給管２０、２１の下流端は電解質膜１０に接続している。空気供給管２０にはフィルタ８１、８２を配置し、外気中に含まれた異物を除去する役割を果たす。これらのフィルタ８１、８２には運転時間とともに次第に異物が堆積していくため、時折交換が必要となる。フィルタ交換時期を知らせる方法として、特許文献１においては、累積発電量または累積発電時間が基準値に到達した時点、もしくは累積消費電力が基準値に到達した時点で交換信号を出力するものである。
【特許文献１】特開２００３−１３２９２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成では燃料電池装置の累積発電量や累積発電時間、もしくは累積消費電力を検知するための積算計が別途必要となり、部品点数が多くなるという課題を有していた。特に携帯機器用の電源では、小型・軽量が求められるため、可能な限り部品点数を低減させる必要がある。
【０００５】
また従来の構成では、時間的な要素が大きく、外気中に含まれる異物の濃度によってフィルタを交換する必要性が早く訪れても、基準値に達するまでは交換信号が出力されないものであった。
【０００６】
さらに、フィルタ交換のたびに累積値をリセットしなければならない。これをフィルタ交換時の脱着で自動的に行った場合には、制御が複雑になるばかりでなく、仮に使用済みのフィルタを誤って再度装着した場合においても積算値がリセットされ、次回のフィルタ交換信号を出力するまで、性能低下した状態で燃料電池装置を運転することになる。
【０００７】
本発明は前記従来の課題を解決するもので、部品点数を増やすことなく送気ポンプの負荷を検知し、フィルタの交換信号を出力することで、小型・軽量化を達成するとともに、フィルタ交換時の人為的ミスまで防止できる燃料電池装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池装置は、電解質膜を介して燃料と空気を化学反応させて電力を発生する燃料電池部と、空気から不純物を除去するフィルタと、フィルタを介して燃料電池部に空気を供給する送気ポンプと、送気ポンプと燃料電池部を連通させる空気供給経路を備えた燃料電池装置であって、送気ポンプの負荷を検知し、一定負荷以上の場合にはフィルタの交換信号を出力するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池装置は、部品点数を増やすことなく送気ポンプの負荷を検知し、フィルタの交換信号を出力することができる。すなわち部品点数が増えないため、特に携帯機器用の電源として必要不可欠な小型・軽量化が可能となる。またフィルタ交換時に使用済みフィルタを誤って再度装着した場合においても、送気ポンプの負荷を検知していれば、再度交換信号を出力することができるので、人為的ミスを防止することができる。すなわち燃料電池装置の発電性能を長期にわたり維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
請求項１に記載の本発明では、電解質膜を介して燃料と空気を化学反応させて電力を発生する燃料電池部と、空気から不純物を除去するフィルタと、フィルタを介して燃料電池部に空気を供給する送気ポンプと、送気ポンプと燃料電池部を連通させる空気供給経路を備えた燃料電池装置であって、送気ポンプの負荷を検知し、一定負荷以上の場合にはフィルタの交換信号を出力したものである。そしてこの構成によれば、フィルタに異物が堆積し、フィルタ通過時に圧力損失が発生した場合、送気ポンプの負荷が増加するため、この負荷変化を検知しフィルタの交換時期を知らせることができる。またフィルタ交換時に、使用済みフィルタを誤って再度装着した場合においても、再度交換信号を出力することができるので、人為的ミスを防止することができる。結果、フィルタの交換信号に合わせてフィルタを交換することにより、燃料電池装置の発電性能を長期にわたり維持することができる。
【００１１】
請求項２に記載の本発明では、特に請求項１に記載のフィルタの交換信号を段階的に出力したものである。そしてこの構成によれば、フィルタが交換時期にあることを前もって知らせることができるので、燃料電池装置がある時突然停止したり、また運転が実行できなくなったりするのを防止することができる。
【００１２】
請求項３に記載の本発明では、特に請求項１又は２に記載のフィルタの交換信号が最終段階に達した時点で、燃料電池装置の運転を停止したものである。そしてこの構成によれば、フィルタに異物が堆積した状態、すなわちフィルタ部で圧力損失があるため、過剰な消費電力を必要とする状態での運転を防止し、燃料電池装置の信頼性を確保することができる。
【００１３】
請求項４に記載の本発明では、特に請求項１から３に記載のフィルタ交換信号が最終段階に達し、燃料電池装置が所定運転時間内に規定回数以上停止した場合には、送気ポンプもしくは空気供給経路の異常信号を出力したものである。そしてこの構成によれば、フィルタを交換してもフィルタの交換信号が出力し続けた場合には、送気ポンプもしくは空気供給経路の異常と判断することができ、送気ポンプの負荷を検知することで、空気供給系全般にわたり異常を確認することができる。
【００１４】
請求項５に記載の本発明では、特に請求項１から４に記載の送気ポンプの負荷の検知方法として、送気ポンプの電流値が所定電流値に達した場合に、フィルタの交換信号を出力したものである。そしてこの構成によれば、送気ポンプの電流値と負荷は線形関係にあり、負荷が上昇すると電流値は増加するとすると、電流値を検知することで負荷を算出することができる。すなわち電流値の基準を設定し、それ以上の電流値となった場合には送気ポンプの負荷が上昇しているので、フィルタに異物が堆積したと判断できる。
【００１５】
請求項６に記載の本発明では、特に請求項１から４に記載の送気ポンプの負荷の検知方法として、送気ポンプに所定電圧を印加したときの回転数が所定回転数に達した場合に、フィルタの交換信号を出力したものである。そしてこの構成によれば、一定電圧における送気ポンプの回転数と負荷は線形関係にあり、負荷が上昇すると回転数が低下するとすると、回転数を検知することで負荷を算出することができる。すなわち所定の電圧において
回転数の基準を設定し、それ以下の回転数となった場合には送気ポンプの負荷が上昇しているので、フィルタに異物が堆積したと判断できる。
【００１６】
請求項７に記載の本発明では、特に請求項１から４に記載の送気ポンプの負荷の検知方法として、送気ポンプが所定回転数となるように電圧を印加し、その電圧値が所定電圧値に達した場合に、フィルタの交換信号を出力したものである。そしてこの構成によれば、一定回転数における送気ポンプの電圧と負荷は線形関係にあり、負荷が上昇すると電圧値は増加するとすると、電圧値を検知することで負荷を算出することができる。すなわち所定の回転数において電圧値の基準を設定し、それ以上の電圧値となった場合には送気ポンプの負荷が上昇しているので、フィルタに異物が堆積したと判断できる。
【００１７】
請求項８に記載の本発明では、特に請求項１のフィルタが未装着の場合には、燃料電池装置の運転が実行できないように制御したものである。フィルタの有無は、上記のフィルタの異物堆積とは逆の考え方で判断できる。そしてこの構成によれば、フィルタ交換時の装着忘れを防ぎ、異物が送気ポンプや燃料電池部に侵入するのを確実に防止することで、燃料電池装置の発電性能を長期にわたり維持することができる。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池装置の外観図を示すものである。
【００２０】
図１において燃料電池装置は、電解質膜１を介して燃料と空気とを化学反応させて電力を発生する燃料電池部２と、燃料電池部２に外気を送り込む送気ポンプ３と、送気ポンプ３と燃料電池部２を連通させる空気供給経路４と、燃料を貯めておく燃料タンク５と、燃料電池部２に燃料を送る送液ポンプ６で構成されており、それらが筐体７内に配置されている。筐体７には空気取込口８が設けられており、この空気取込口８から送気ポンプ３へと外気が導かれ、送気ポンプ３で昇圧された空気は、空気供給経路４を通って燃料電池部２へと圧送される。また燃料タンク５に貯められた燃料は、送液ポンプ６によって燃料電池部２へと供給され、送気ポンプ３によって圧送された空気と化学反応することで電力を発生させている。
【００２１】
送気ポンプ３で圧送される外気は、特にモバイル型の燃料電池装置の場合、さまざまな異物を含んでいる可能性がある。この異物の中には、例えば塩水ミストやオイルミストのように、送気ポンプ３のポンプ性能、さらには燃料電池装置自体の発電性能を低下させるものもある。そのため外気が燃料電池部２に圧送されるまでに、フィルタ等を用いて異物を除去する必要がある。そこで筐体７に設けた空気取込口８、もしくは送気ポンプ３の吸入口の少なくとも１箇所に、異物を除去するフィルタ９を設けることが必要となる。本実施の形態では、空気取込口８にフィルタ９を配置した場合を例に挙げて説明するが、送気ポンプ３の吸入口、さらには空気供給経路４に配置してもよい。またフィルタは１箇所である必要性はなく、２箇所もしくは３箇所に配置しても構わない。
【００２２】
送気ポンプ３はフィルタ９を介して外気を吸入するため、外気中に含まれる異物はフィルタ９で除去される。すなわちフィルタ９には運転時間とともに異物が堆積し、フィルタ９の目詰まりが発生するため、フィルタ９を通過する時の圧力損失も増加していく。このような状況下で燃料電池装置の運転を行うと、送気ポンプ３で必要以上の電力を消費し、最悪の場合には発電に必要な空気量が供給できなくなる恐れもある。これらの現象を防止するため、時折フィルタ９を交換する必要がある。
【００２３】
フィルタ９の交換時期を確認する方法としては、送気ポンプ３の負荷変化で判断することが望ましい。具体的にはフィルタ９に異物が堆積すると、フィルタ９を通過する時に圧力損失が発生し、送気ポンプ３の負荷が増加するため、この負荷変化を検知しフィルタ９の交換時期を知らせるものである。このように負荷変化で検知すると、フィルタ交換時に使用済みフィルタを誤って再度装着した場合においても、再度交換信号を出力することができるので、人為的ミスを防止することも可能である。さらにはフィルタの汚れの程度によるが、使用済みのフィルタ９を清掃して再度使用することも可能ということになる。結果、フィルタの交換信号に合わせてフィルタを交換することにより、燃料電池装置の発電性能を長期にわたり維持することができる。
【００２４】
なお、フィルタ交換の判断基準となる一定負荷に関しては、その負荷で運転を継続し、モータ巻線の温度上昇やＩＣを搭載している場合にはＩＣの温度上昇が、それぞれの温度上昇基準値に抑えられていることを確認した上で決定すべきである。
【００２５】
（実施の形態２）
請求項２に記載の実施の形態を説明する。フィルタ９の交換信号を段階的に出力するものであり、少なくとも２段階は設定が必要で、１段階目で交換時期が近づいていることを知らせ、２段階目で交換時期になったことを知らせるものである。出力信号としては、例えばＬＥＤの色や点滅速度で識別できるようにするとよい。これによりフィルタ９が交換時期にあることを前もってユーザに知らせることができるので、燃料電池装置が使用中に突然停止したり、また運転が実行できなくなったりするのを防止することができる。
【００２６】
（実施の形態３）
請求項３に記載の実施の形態を説明する。フィルタ９の交換信号が最終段階に達した時点で、燃料電池装置の運転を停止するものである。フィルタ９に異物が堆積した状態、すなわちフィルタ部で圧力損失があるため、過剰な消費電力を必要とする状態での運転を防止し、燃料電池装置の信頼性を確保することができる。
【００２７】
（実施の形態４）
請求項４に記載の実施の形態を説明する。フィルタ９の交換信号が最終段階に達し、燃料電池装置が所定運転時間内に規定回数以上停止した場合には、送気ポンプ３もしくは空気供給経路４の異常信号を出力したものである。フィルタ９の交換信号が最終段階に達したときには、運転が停止状態となるため、フィルタ９を交換しない限り、継続して運転を行うことは不可能となる。しかし、フィルタ９を交換したにも関わらず、フィルタ交換信号が出力し続けたり、あるいは短時間で出力したりする場合には、フィルタ９より下流側に異常が発生していると判断することができる。すなわち送気ポンプ３の負荷を検知することで、空気供給系全般にわたり異常を確認することができる。
【００２８】
なお所定運転時間内に関しては、燃料電池装置の使用環境にもよるが、例えばフィルタ９の平均交換時間の１０分の１程度、規定回数に関しては、例えば３〜５回程度に設定するとよい。
【００２９】
（実施の形態５）
請求項５に記載の実施の形態を説明する。送気ポンプ３の負荷の検知方法として、送気ポンプ３の電流値が所定電流値以上の場合に、フィルタ９の交換信号を出力したものである。送気ポンプ３の電流値と負荷は線形関係にあり、負荷が上昇すると電流値は増加するため、電流値を検知することで負荷を算出することができる。すなわち電流値の基準を設定し、それ以上の電流値となった場合には送気ポンプ３の負荷が上昇しているので、フィルタ９に異物が堆積し、交換時期に至ったと判断できる。
【００３０】
なお所定電流値に関しては、その電流値で運転を継続し、モータ巻線の温度上昇やＩＣを搭載している場合にはＩＣの温度上昇が、それぞれの温度上昇基準値に抑えられていることを確認した上で決定すべきである。
【００３１】
（実施の形態６）
請求項６に記載の実施の形態を説明する。送気ポンプ３の負荷の検知方法として、送気ポンプ３に所定電圧を印加したときの回転数が所定回転数以下の場合に、フィルタ９の交換信号を出力したものである。一定電圧における送気ポンプ３の回転数と負荷は線形関係にあり、負荷が上昇すると回転数が低下するため、回転数を検知することで負荷を算出することができる。すなわち所定の電圧において回転数の基準を設定し、それ以下の回転数となった場合には送気ポンプ３の負荷が上昇しているので、フィルタ９に異物が堆積し、交換時期に至ったと判断できる。
【００３２】
なお所定電圧に関しては、特に指定はないが、使用電圧範囲の最大値とするのがよい。また所定回転数に関しては、例えば最大使用電圧を印加して、その回転数で運転できるように負荷を上昇させ、モータ巻線の温度上昇やＩＣの温度上昇が、それぞれの温度上昇基準値に抑えられていることを確認した上で決定すべきである。
【００３３】
（実施の形態７）
請求項７に記載の実施の形態を説明する。送気ポンプ３の負荷の検知方法として、送気ポンプ３が所定回転数となるように電圧を印加し、その電圧値が所定電圧値以上の場合に、フィルタ９の交換信号を出力したものである。一定回転数における送気ポンプ３の電圧と負荷は線形関係にあり、負荷が上昇すると電圧値は増加するため、電圧値を検知することで負荷を算出することができる。すなわち所定の回転数において電圧値の基準を設定し、それ以上の電圧値となった場合には送気ポンプ３の負荷が上昇しているので、フィルタ９に異物が堆積し、交換時期に至ったと判断できる。
【００３４】
なお所定回転数に関しては、特に指定はないが、使用条件下における最大値とするのがよい。また所定電圧に関しては、その電圧を印加して、例えば最大使用回転数で運転できるように負荷を上昇させ、モータ巻線の温度上昇やＩＣの温度上昇が、それぞれの温度上昇基準値に抑えられていることを確認した上で決定すべきである。
【００３５】
（実施の形態８）
請求項８に記載の実施の形態を説明する。フィルタ９が未装着の場合には、燃料電池装置の運転が実行できないように制御したものである。フィルタ９を交換する際には、装着されていた使用済みのフィルタ９を取り外し、代わりの新品のフィルタ９を装着するという手順になるが、装着し忘れた場合を想定し、フィルタ未装着での運転を防止するものである。フィルタの有無は、上記のフィルタの異物堆積の検知方法で、逆の考え方で判断することができるが、これに限定するものではなく、実際の有無を検知する方法でも良い。これにより、異物が送気ポンプ３や燃料電池部２に侵入するのを確実に防止することができるので、燃料電池装置の発電性能を長期にわたり維持することができる。
【００３６】
なお、検知方法として比例関係で説明したが、構成機器の特性によっては反比例関係などでも良く、線形関係でフィルタの状態が判断できれば特に限定するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように本発明にかかる燃料電池装置は、外気に含まれる異物をフィルタで除去し、さらにそのフィルタの交換時期を知らせ、新品フィルタへの交換を促すことにより、燃料電池装置の発電性能を長期にわたり維持することができる。その結果、室内、屋外を問わずあらゆる環境での使用が可能となるため、モバイル型携帯機器やアウトドア用品に搭
載することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池装置の外観図
【図２】従来の燃料電池装置の全体構成を示す図
【符号の説明】
【００３９】
１  電解質膜
２  燃料電池部
３  送気ポンプ
４  空気供給経路
７  筐体
８  空気取込口
９  フィルタ
【図１】
2006179269.tif 000003
【図２】
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