(57)【要約】【課題】安定した燃料濃度制御を可能とした燃料電池ユニット。【解決手段】濃度センサよって検出される燃料濃度の値に誤差が含まれるようになる状態Ｓｔ１において、燃料電池ユニットのマイコンは、ＤＭＤＣセルスタックの出力電流値および濃度センサによって検出される燃料濃度値を取得し、取得したＤＭＦＣセルスタックの出力電流値を参照することでピーク出力電流値を見つけると共に、取得した燃料濃度値の中からピーク出力電流値に対応する燃料濃度値ｄ４を見つける。次に、マイコンは、濃度センサによって検出される燃料濃度値に顕著な誤差が含まれていない状態Ｓｔ０における燃料濃度値ｄ１と燃料濃度値ｄ４との差分ｄｉｆ１を算出し、濃度センサによって検出される燃料濃度の値に、その算出した差分ｄｉｆ１を考慮（加算または減算）する。【選択図】      図６
2006019106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料濃度基準値を用いて燃料濃度値の補正を行う燃料電池ユニットにおいて、
燃料電池と、
前記燃料電池の燃料を格納する燃料タンクと、
前記燃料タンクの燃料を前記燃料電池から回収される水溶液と混合して希釈し、前記燃料電池に供給する燃料水溶液を生成するための混合タンクと、
前記混合タンクで生成される燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサと、
前記燃料タンクの燃料を前記混合タンクに送り込む燃料ポンプと、
前記燃料ポンプを制御することで変化する前記燃料電池の出力電流値および前記燃料水溶液の燃料濃度値を取得し、前記取得した燃料濃度値と前記燃料濃度基準値とを用いることで、前記濃度センサによって検出される燃料濃度値を補正するコントローラと
を具備することを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項２】
前記燃料濃度基準値は、前記濃度センサによって検出される燃料濃度値の有する誤差の影響が少ない状態における、前記燃料電池からの出力電流値がピーク出力電流に対応する燃料濃度値であり、
前記コントローラは、前記取得した出力電流値の中のピーク出力電流値に対応する前記取得した燃料濃度値と前記燃料濃度基準値との差分を求め、前記濃度センサによって検出される燃料濃度値に前記差分を考慮した補正を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池ユニット。
【請求項３】
前記コントローラは、前記混合タンクで生成される燃料水溶液の燃料濃度を高めるべく前記燃料ポンプを制御した後、前記混合タンクで生成される燃料水溶液の燃料濃度を低めるべく前記燃料ポンプを停止させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池ユニット。
【請求項４】
前記燃料ポンプを制御することで前記燃料電池の出力電流値および前記燃料水溶液の燃料濃度値を変化させる最中に環境条件が変化した場合、前記コントローラは、前記燃料濃度センサによって検出される燃料濃度値を補正した値を使用しないことを特徴とする請求項１記載の燃料電池ユニット。
【請求項５】
燃料ポンプを駆動させることで混合タンクに燃料を供給し、混合タンクにて生成され燃料電池に供給される燃料水溶液の濃度値補正方法において、
前記燃料ポンプを制御することで変化する前記燃料電池の出力電流値および前記燃料水溶液の燃料濃度値を取得し、
前記取得した燃料濃度値と燃料濃度基準値とを用いることで前記燃料水溶液の濃度値を補正する濃度値補正方法。
【請求項６】
前記燃料濃度基準値は、前記燃料水溶液の燃料濃度値の有する誤差の影響が少ない状態における、前記燃料電池からの出力電流値がピーク出力電流に対応する燃料濃度値であり、
前記取得した出力電流値の中のピーク出力電流値に対応する前記取得した燃料濃度値と前記燃料濃度基準値との差分を求め、前記燃料水溶液の燃料濃度値に前記差分を考慮した補正を行うことを特徴とする請求項５記載の濃度値補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばダイレクト・メタノール方式の燃料電池に対する燃料供給を効率的に行うための制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えばノートブックタイプのパーソナルコンピュータ等、バッテリ駆動可能な電子機器が広く普及している。また、最近では、環境問題に配慮して、有害な廃棄物を発生させない燃料電池を適用可能な電子機器も開発され始めている。
【０００３】
ダイレクト・メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：以下、ＤＭＦＣと称することがある）は、燃料として与えられるメタノールと酸素とを反応させ、その化学反応によって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。燃料のメタノールは、ＤＭＦＣから回収される水溶液と混合タンク内で希釈され、燃料水溶液としてＤＭＦＣに供給される。
【０００４】
この燃料水溶液の燃料濃度をいかに制御するか、つまり、混合タンクにメタノールを送り込む燃料ポンプをいかに制御するかは、燃料電池の効率を大きく左右する。この種の制御に応用可能な類似手法としては、例えば発電プラントにおける送風機および弁の制御手法等が存在する（例えば特許文献１等参照）。
【０００５】
この特許文献１に記載の手法は、電流・電圧センサの信号を入力として、酸素流量や酸素分圧の偏差を推定し、酸素流量を標準値に近づけるように送風機や弁を制御するというものである。
【特許文献１】特開２００３−２１７６２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述の特許文献１をはじめ、従来の制御手法では、各種センサが監視する対象物それぞれについて、目標とする標準値が理想的な値で画一的に定められるので、各種センサは、出力値にばらつき等が無い非常に高度な精度が求められる。従って、この手法を燃料水溶液の燃料濃度制御に適用しようとすると、燃料濃度センサとして高精度なものを採用しなければならず、ＤＭＦＣを搭載する燃料電池ユニットの全体的なコストを押し上げてしまう。燃料濃度センサ自体は問題はなくとも、燃料濃度センサの検出結果に影響を与える部材に経時的な要因による劣化等が発生すると、これを吸収するための補正を行うことは非常に難しい。また、ＤＭＦＣの燃料効率を考慮すると、燃料濃度センサの精度が少しでも高いほうが望ましい。
【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、安定した燃料水溶液の燃料濃度制御を可能とした燃料電池ユニットおよび濃度値補正方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の目的を達成するために、この発明は、燃料濃度基準値を用いて燃料濃度値の補正を行う燃料電池ユニットにおいて、燃料電池と、前記燃料電池の燃料を格納する燃料タンクと、前記燃料タンクの燃料を前記燃料電池から回収される水溶液と混合して希釈し、前記燃料電池に供給する燃料水溶液を生成するための混合タンクと、前記混合タンクで生成される燃料水溶液の燃料濃度を検出する濃度センサと、前記燃料タンクの燃料を前記混合タンクに送り込む燃料ポンプと、前記燃料ポンプを制御することで変化する前記燃料電池の出力電流値および前記燃料水溶液の燃料濃度値を取得し、前記取得した燃料濃度値と前記燃料濃度基準値とを用いることで、前記濃度センサによって検出される燃料濃度値を補正するコントローラとを具備することを特徴とする。
【０００９】
また、この発明は、燃料ポンプを駆動させることで混合タンクに燃料を供給し、混合タンクにて生成され燃料電池に供給される燃料水溶液の濃度値補正方法において、前記燃料ポンプを制御することで変化する前記燃料電池の出力電流値および前記燃料水溶液の燃料濃度値を取得し、前記取得した燃料濃度値と燃料濃度基準値とを用いることで前記燃料水溶液の濃度値を補正する。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、安定した燃料水溶液の燃料濃度制御を可能とした燃料電池ユニットおよび濃度値補正方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る電子機器システムの外観を示す図である。
【００１３】
この電子機器システムは、電子機器１と、この電子機器１に着脱自在な燃料電池ユニット２とで構成される。電子機器１は、いわゆるノートブックタイプのパーソナルコンピュータであり、燃料電池ユニット２から供給される電力で動作することができる。この燃料電池ユニットは、メタノールと空気（酸素）とを反応させることにより発電するダイレクト・メタノール型であり、燃料であるメタノールが格納されたカートリッジ式の燃料タンク２２１を着脱できるようになっている。
【００１４】
図２は、燃料電池ユニット２の構成を示す図である。燃料電池ユニット２には、制御用のマイコン２１が設けられており、このマイコン２１の制御下で、ＤＭＦＣ２２による発電が行われる。ＤＭＦＣ２２は、燃料タンク２２１に格納されたメタノールと空気とをＤＭＦＣセルスタック２２５と称される反応部で化学反応させて発電を行う。補機２２８は、メタノールと空気とをＤＭＦＣセルスタック２２５に送り込むために設けられる。マイコン２１は、この補機２２８を駆動制御することにより、ＤＭＦＣセルスタック２２５の発電量を制御する。
【００１５】
ＤＭＦＣセルスタック２２の出力電力、つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力電力は、その供給先である電子機器１において、リチウムイオン電池等の２次電池１１とダイオードＯＲ回路１２により並列接続されている。また、ＤＭＦＣセルスタック２２の出力電力の有する電流値は、マイコン２１によって監視される。
【００１６】
マイコン２１は、本体部１３による負荷電力が現在のＤＭＦＣ２２の発電量よりも小さい場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力電圧を２次電池１１よりも高くすることにより、ＤＭＦＣ２２のみから給電が行われるようにし、現在の発電量を越える場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の出力電圧を２次電池１１と平衡させることにより、ＤＭＦＣ２２に加えて２次電池１１からも給電が行われるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を駆動制御する。
【００１７】
また、電子機器１には、２次電池１１を充電するための充電回路１４が設けられ、充電回路１は、本体部１３による負荷電力が燃料電池ユニット２側から供給される電力を下回っている場合に、その余剰電力で２次電池１１を充電するいわゆるフローティング充電を２次電池１１に対して実行している。次に、ＤＭＦＣ２２の構成を図３に示す。
【００１８】
図３に示すように、ＤＭＦＣ２２は、燃料タンク２２１、燃料ポンプ２２２、混合タンク２２３、送液ポンプ２２４、ＤＭＦＣセルスタック２２５および送風ポンプ２２６から構成される。燃料ポンプ２２２、送液ポンプ２２４、送風ポンプ２２６は、図２に示した補機２２８に含まれるものである。
【００１９】
燃料タンク２２１のメタノールは、燃料ポンプ２２２により混合タンク２２３に送り込まれ、この混合タンク２２３内でＤＭＦＣセルスタック２２５から回収される水溶液と混合・希釈されて燃料水溶液となる。混合タンク２２３内の燃料水溶液の濃度を検出するための濃度センサ２２７が設けられ、濃度センサ２２７は燃料濃度の値をマイコン２１に送信する。マイコン２１は濃度センサ２２７の検出結果に基づき、燃料ポンプ２２２による混合タンク２２３への燃料の投入量を制御する。濃度センサ２２７は、例えば燃料水溶液中での音波の伝達速度が濃度により変化する性質を利用して、その濃度を測定するタイプや燃料水溶液の比誘電率を検出することで濃度を検出するタイプ等が考えられる。いずれのタイプの濃度センサであっても、目的である濃度の測定が可能であれば構わない。
【００２０】
混合タンク２２３内の燃料水溶液は、送液ポンプ２２４によってＤＭＦＣセルスタック２２５に送り込まれる。また、このＤＭＦＣセルスタック２２５には、送風ポンプ２２６によって空気が送り込まれる。これにより、ＤＭＦＣセルスタック２２５では、燃料水溶液中のメタノールと空気中の酸素とが反応して発電が行われることになる。そして、本実施形態に係るマイコン２１は、濃度センサ２２７によって検出される、混合タンク２２３で生成される燃料水溶液の燃料濃度を適切に補正（キャリブレーション）する。
【００２１】
次に、本実施形態のマイコン２１が実行する、濃度センサ２２７によって検出された燃料濃度値の補正の基本原理について説明する。
【００２２】
図４は、本実施形態のマイコン２１が実行する、濃度センサ２２７によって検出された燃料濃度値の補正手順を示すフローチャートである。
【００２３】
マイコン２１は、燃料ポンプ２２２を制御することで混合タンク２２３への燃料供給量を増加させ、混合タンク２２３内の燃料水溶液の燃料濃度を高める（ステップＳ１）。
【００２４】
濃度センサ２２７は、混合タンク２２３内の燃料水溶液の燃料濃度を検出し、燃料水溶液の燃料濃度が所定の濃度に達すると、マイコン２１は混合タンク２２３への燃料供給を停止させるように燃料ポンプ２２２を制御するとともに、送液ポンプ２２４は通常通りに動かす（ステップＳ２）。つまり、マイコン２１は、混合タンク２２３で生成される燃料水溶液の燃料濃度を一旦高めてから徐々に低下させる。
【００２５】
マイコン２１は、上述にて説明した燃料ポンプ２２２等の制御を行うことで混合タンク２２３内の燃料水溶液の濃度の制御を行う際に、ＤＭＦＣセルスタック２２５の出力電流値および濃度センサ２２７によって検出される燃料濃度値を取得する（ステップＳ３）。
【００２６】
マイコン２１は出力電流値および燃料濃度値と後述にて説明する燃料濃度−出力電流特性とを用いて、濃度センサ２２７によって検出される燃料濃度値の補正を実行する（ステップＳ４）。
【００２７】
また、マイコン２１は、濃度センサ２２７によって検出される燃料濃度値の補正処理中において、ＤＭＦＣ２２の諸環境条件（例えば温度条件やスタック電圧等）に変化がなかったかどうかを判定する（ステップＳ５）。
【００２８】
環境条件に変化がなければ（ステップＳ５のＹＥＳ）、ステップＳ５にて補正された燃料濃度値を使用する（ステップＳ７）。
【００２９】
一方、環境条件に変化が認められた場合（ステップＳ６のＮＯ）、マイコン２１は、ステップＳ５にて補正された燃料濃度値を使用せず、補正がなされていない濃度センサ２２７によって検出される燃料濃度値を使用する（ステップＳ８）。
【００３０】
これにより、ＤＭＦＣ２２の諸環境条件の変化の影響を受けた不適切な燃料濃度値が使用されることを防止する。
【００３１】
尚、濃度センサ２２７によって混合タンク２２３内の燃料濃度値を補正する際、マイコン２１によって、必要に応じて燃料電池ユニット２のリフレッシュ処理を行ってもよい。リフレッシュ処理とは、一定期間、ＤＭＦＣセルスタック２２５の燃料極や空気極にメタノール水溶液や空気を通常の発電時とは異なる態様で、例えばより強い圧力で、注入することにより、燃料極や空気極に付着した気泡や水滴を強制的に流失・除去させる処理を呼ぶ。リフレッシュ処理を行うことで、ＤＭＦＣセルスタック２２５にて生成される出力電力量が安定する。次に、燃料濃度−出力電力特性について説明する。
【００３２】
図５は、燃料濃度−出力電流特性の典型例を示す図である。
【００３３】
例えば、図５に示すように、ＤＭＦＣセルスタック２２５の出力電流値がピーク出力電流値ｉ１の場合、このピーク出力電流値ｉ１に対応する燃料濃度値がｄ１と一意に決まる。一方、ＤＭＦＣセルスタック２２５の出力電流値がｉ２の場合、燃料濃度値はｄ２およびｄ３の値をとる。マイコン２１は濃度センサ２２７によって検出される燃料濃度の値を補正する場合、ＤＭＦＣセルスタック２２５の出力電流値がピーク出力電流値ｉ１と一意の関係にある燃料濃度ｄ１の値を燃料濃度基準値として使用する。次に、マイコン２１による燃料濃度の値の補正の方法について説明する。
【００３４】
図６は、横軸に混合タンク２２３内の燃料濃度、縦軸にＤＭＦＣ２２の状態を示すグラフの一例である。
【００３５】
状態Ｓｔ０は、濃度センサ２２７によって検出される燃料濃度値に顕著な誤差が含まれていない状態である。状態Ｓｔ０における燃料濃度ｄ１は、図４を用いて説明したＤＭＦＣセルスタック２２５の出力電流値がピーク出力電流値をとるときの濃度である。
【００３６】
状態Ｓｔ０から一定の時間が経過した状態が状態Ｓｔ１である。状態Ｓｔ０から一定の時間が経過することで、濃度センサ２２７よって検出される燃料濃度の値に誤差が含まれるようになる。
【００３７】
状態Ｓｔ１において、マイコン２１は上述にて説明した燃料ポンプ２２２等の制御を行うことで混合タンク２２３内の燃料水溶液の濃度の制御を行う際に、ＤＭＤＣセルスタック２２５の出力電流値および濃度センサ２２７によって検出される燃料濃度値を取得する。マイコン２１は、取得したＤＭＦＣセルスタック２２５の出力電流値を参照することでピーク出力電流値を見つける。さらにマイコン２１は取得した燃料濃度値の中から、マイコン２１によって見つけられたピーク出力電流値に対応する燃料濃度値ｄ４を見つける。
【００３８】
マイコン２１は状態Ｓｔ１において、濃度センサ２２７によって検出される燃料濃度の値を補正する。マイコン２１による燃料濃度の値の補正方法は以下に説明するとおりである。まず、マイコン２１は燃料濃度値ｄ１と燃料濃度値ｄ４との差分ｄｉｆ１を算出する。次にマイコン２１は濃度センサ２２７によって検出される燃料濃度の値に、算出された差分ｄｉｆ１を考慮（加算または減算）する。
【００３９】
図６に示す一例の場合、マイコン２１が、状態Ｓｔ１における燃料濃度の値から差分ｄｉｆ１を減算することで、状態ｓｔ２にて示される、マイコン２１によって補正がなされた燃料の濃度が算出される。即ち、マイコン２１は、誤差が含まれるようになる状態Ｓｔ１における濃度センサ２２７の検出結果を、顕著な誤差が含まれていない状態Ｓｔ０での濃度センサ２２７の検出結果となるように補正する。
【００４０】
このように、マイコン２１が燃料水溶液の燃料濃度を変化に伴うＤＭＦＣセルスタック２２５の出力電流、濃度センサ２２７によって検出される燃料濃度の値、および図５を用いて説明した燃料濃度−出力電流特性によって求められる燃料濃度値ｄ１を用いて、濃度センサ２２７によって検出される燃料濃度の値を補正することにより、安定した燃料水溶液の燃料濃度制御が可能となる。
【００４１】
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よい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る電子機器システムの外観を示す図
【図２】同実施形態の燃料電池ユニットの構成を示す図
【図３】同実施形態の燃料電池ユニットが搭載するＤＭＦＣの構成を示す図
【図４】同実施形態の燃料電池ユニットが実行する濃度センサによって検出された燃料濃度値の補正手順を示すフローチャート
【図５】燃料濃度−出力電流特性の典型例を示す図
【図６】横軸に混合タンク内の燃料濃度、縦軸にＤＭＦＣの状態を示すグラフの一例
【符号の説明】
【００４３】
１…電子機器、２…燃料電池ユニット、１１…２次電池、１２…ダイオードＯＲ回路、１３…本体部（負荷）、１４…充電回路、２１…マイコン、２２…ＤＭＦＣ、２３…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２２１…燃料タンク、２２２…燃料ポンプ、２２３…混合タンク、２２４…送液ポンプ、２２５…ＤＭＦＣセルスタック、２２６…送風ポンプ、２２７…濃度センサ、２２８…補機。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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