JP2008159363A - Portable fuel cell and control method of portable fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、携帯型燃料電池及び該携帯型燃料電池の制御方法に関するもので、特に燃料供給制御に必要となる燃料濃度センサを用いた燃料残量検出に関する。 The present invention relates to a portable fuel cell and a method for controlling the portable fuel cell, and more particularly to fuel remaining amount detection using a fuel concentration sensor required for fuel supply control.
燃料電池は、水素ガスやメタノール等の燃料流体と、酸化用流体(空気に含まれる酸素)とを電気化学的に反応させることにより発電を行う発電装置である。例えば、固体高分子型の燃料電池の場合、各発電体部分は、固体高分子からなる電解質膜を酸素側電極と燃料側電極とで挟み込んだ構造をなしており、酸素側電極には酸素を供給するために空気が供給され、燃料側電極には燃料流体が供給され、電気化学的な反応により発電が行われる。 A fuel cell is a power generator that generates power by electrochemically reacting a fuel fluid such as hydrogen gas or methanol with an oxidizing fluid (oxygen contained in air). For example, in the case of a solid polymer fuel cell, each power generator part has a structure in which an electrolyte membrane made of a solid polymer is sandwiched between an oxygen side electrode and a fuel side electrode, and oxygen is supplied to the oxygen side electrode. Air is supplied for supply, fuel fluid is supplied to the fuel side electrode, and power generation is performed by an electrochemical reaction.
水素ガスを燃料として用いる燃料電池は、発電により生成される生成物が水であり、環境を汚染することがないクリーンな電源として近年注目されている。例えば、電気自動車や住宅用電源システム等、大型のシステムにおいて実用化が期待されている一方、固体高分子型の燃料電池が小型、軽量であるという特徴を生かして、例えばノート型パーソナルコンピュータ等の携帯型電子機器の電源としての応用も検討されている。燃料電池の発電体部分は、電解質膜・電極複合体又はMEA(Membrane and Electrode Assembly)と呼ばれており、複数の発電セルを直列に電気的接続することでスタック構造の燃料電池が構成されている。 In recent years, fuel cells using hydrogen gas as fuel have attracted attention as a clean power source that does not pollute the environment because the product generated by power generation is water. For example, it is expected to be put into practical use in large systems such as electric vehicles and residential power supply systems, while taking advantage of the small size and light weight of solid polymer fuel cells, for example, notebook personal computers Applications as a power source for portable electronic devices are also being studied. The power generation part of the fuel cell is called an electrolyte membrane / electrode assembly or MEA (Membrane and Electrode Assembly), and a fuel cell having a stack structure is formed by electrically connecting a plurality of power generation cells in series. Yes.
このような携帯型電子機器等に用いられる燃料電池において、水素ガスに比べて取り扱いが容易なメタノールを燃料として用いるダイレクトメタノール方式の燃料電池(DMFC)システムが有利と考えられている。このダイレクトメタノール方式の燃料電池システムでは、電子機器にメタノールで満たした燃料カートリッジを電子機器に装着し、燃料カートリッジ内のメタノールを燃料電池に供給することで発電が行われる。 In a fuel cell used for such a portable electronic device or the like, a direct methanol fuel cell (DMFC) system using methanol, which is easy to handle as compared with hydrogen gas, is considered advantageous. In this direct methanol fuel cell system, power generation is performed by mounting a fuel cartridge filled with methanol in an electronic device and supplying the fuel in the fuel cartridge to the fuel cell.
ダイレクトメタノール型の燃料電池の発電では、
アノード電極:CH3OH + H2O → 6H+ + 6e- + CO2
カソード電極:6H+ + 6e- + 1.5O2 → 3 H2O
の反応が起こる。
In direct methanol fuel cell power generation,
Anode electrode: CH 3 OH + H 2 O → 6H ++ 6e − + CO 2
Cathode: 6H + + 6e - + 1.5O 2 → 3 H 2 O
Reaction occurs.
即ち、アノード電極ではプロトンと電子と二酸化炭素が発生し、電子は外部回路を通ることによって発電に用いられ、二酸化炭素は大気中に排出される。また、プロトンはプロトン導電性電解質を通ってカソード電極に到達する。一方、カソード電極ではアノード電極から到達したプロトンと外部回路を通ってきた電子と空気中の酸素が反応して水が生成される。よって、DMFCの生成物は理論的に水と二酸化炭素のみとなり環境にやさしいクリーンなものとして大気中に排出される。 That is, protons, electrons, and carbon dioxide are generated at the anode electrode, and the electrons are used for power generation by passing through an external circuit, and the carbon dioxide is discharged into the atmosphere. Protons reach the cathode electrode through the proton conductive electrolyte. On the other hand, in the cathode electrode, protons that reach from the anode electrode, electrons that have passed through the external circuit, and oxygen in the air react to generate water. Therefore, the product of DMFC is theoretically only water and carbon dioxide and is discharged into the atmosphere as a clean product that is friendly to the environment.
ダイレクトメタノール型燃料電池システム、特に補機を用いて燃料供給を行うアクティブ型では、液体燃料の絶対量およびそれに含まれるメタノールの濃度制御が安定で信頼性の高い発電を行うための重要な要素である。メタノール濃度が低すぎる場合には、十分な量の燃料がMEAに供給されず、発電性能が低下するだけでなくMEAの深刻な劣化をもたらしてしまう。 In the direct methanol fuel cell system, especially the active type that supplies fuel using auxiliary equipment, the absolute amount of liquid fuel and the concentration control of methanol contained in it are important factors for stable and reliable power generation. is there. When the methanol concentration is too low, a sufficient amount of fuel is not supplied to the MEA, which not only deteriorates the power generation performance but also seriously degrades the MEA.
またメタノール濃度が高すぎる場合には、メタノールがアノード電極で酸化されずにカソード電極に透過するクロスオーバー現象が発生し、発電効率が低下したり触媒電極や電解質材料が燃料中に溶出したりしてしまうという問題も発生する。一方燃料の量が少ない場合は、燃料の濃度が低い場合と同様に還元剤となるメタノールが十分供給されない状態で電流が引かれると、燃料以外の物質を酸化しようとするため、アノード電極の劣化が進行し、ついにはMEAの劣化/損傷に至ってしまう。 If the methanol concentration is too high, a crossover phenomenon may occur in which methanol is not oxidized at the anode electrode but permeates to the cathode electrode, resulting in a decrease in power generation efficiency or elution of the catalyst electrode or electrolyte material into the fuel. The problem of end up occurs. On the other hand, when the amount of fuel is small, the anode electrode deteriorates because it tries to oxidize substances other than fuel when current is drawn when methanol as a reducing agent is not sufficiently supplied as in the case where the concentration of fuel is low. Will eventually lead to degradation / damage of the MEA.
そこで液体燃料中のメタノール濃度およびその絶対量を制御することが要求されており、そのためには燃料電池システム中に濃度センサおよび燃料残量センサを設けて、液体燃料に含まれるメタノール濃度および量を把握し制御することが行なわれている。メタノール濃度を測定するための方法としては、MEAの電圧値から燃料の濃度を算出する方法(特許文献1、図3参照)、超音波の伝播速度の違いを利用して燃料の濃度を算出する方法(特許文献2参照)、燃料の密度(比重)の変化から濃度を算出する方法、MEAのクロスオーバーによる温度上昇から燃料の濃度を算出する方法、静電容量の違いから燃料の濃度を算出する方法、光学的な屈折率を利用して燃料の濃度を算出する方法などが提案されており、また、低濃度時の限界電流を利用して濃度を測定する例も報告されている。一方燃料残量センサについては、静電容量の変化を検出する方法、光学的な手法で液面の反射位置によって残量を検出する方法、フロートによる位置検出等、液面の位置を検出する場合が多く、燃料の重量を検出する方法もある。
通常、燃料電池の始動時は、適切な濃度の液体燃料がMEAへ十分供給された後に発電を開始する必要がある。もっとも、濃度センサで燃料の濃度を検出するにしても、燃料が連続的に濃度センサに供給されなければ、燃料の濃度を測定し、追加する燃料の量及び濃度を決定することは不可能である。従って、燃料電池の始動シーケンスは、まず燃料の残量検出を行い、燃料が不足するようであれば適切な濃度の燃料を供給することから始まり、ついで濃度センサによって濃度を測定し、適正な濃度及び量となるように燃料カートリッジから燃料を供給して、燃料残量及び燃料濃度が規定値に達すると発電準備が完了する。 Normally, when starting a fuel cell, it is necessary to start power generation after a liquid fuel of an appropriate concentration is sufficiently supplied to the MEA. However, even if the concentration of the fuel is detected by the concentration sensor, if the fuel is not continuously supplied to the concentration sensor, it is impossible to measure the concentration of the fuel and determine the amount and concentration of the added fuel. is there. Therefore, the fuel cell start-up sequence starts with detecting the remaining amount of fuel and supplying the fuel with an appropriate concentration if the fuel is insufficient, and then measuring the concentration with the concentration sensor to obtain the appropriate concentration. When the fuel is supplied from the fuel cartridge so that the amount of fuel reaches the specified value, the power generation preparation is completed.
ここで、液体燃料残量を検出する方法として、その重量を測定すれば最も信頼できる値を得ることができ、燃料電池の設置方向を固定可能な定置型であれば十分実用化可能である。しかしながら携帯機器に適用される小型の燃料電池の場合、いかなる方向に燃料電池が置かれても発電可能とする必要があり、発電システム全体あるいは一部分の重量を測定することは困難となる。また、燃料カートリッジから燃料補給を受け、混合された燃料を燃料電池スタックへ供給し、また、燃料電池スタックより排出される燃料を受ける燃料槽の全容積に対する燃料の量を測定するために、燃料槽に対する燃料液面を検出する方法も、静電容量式、光学式、磁気式等多種存在するが、いかなる方向においてもその燃料の量を測定するためには、傾斜センサと複数の液面センサを組み合わせて計算する必要があり、コントロールユニット内のCPUパワーに対する負荷が増加するとともに大きなコストアップ要因となる。 Here, as a method of detecting the remaining amount of liquid fuel, the most reliable value can be obtained by measuring its weight, and a stationary type that can fix the installation direction of the fuel cell is sufficiently practical. However, in the case of a small fuel cell applied to a portable device, it is necessary to be able to generate power regardless of the direction in which the fuel cell is placed, and it is difficult to measure the weight of the entire power generation system or a part thereof. In addition, the fuel is replenished from the fuel cartridge, the mixed fuel is supplied to the fuel cell stack, and the amount of fuel relative to the total volume of the fuel tank receiving the fuel discharged from the fuel cell stack is measured. There are various methods for detecting the fuel level in the tank, such as a capacitance type, an optical type, and a magnetic type. In order to measure the amount of fuel in any direction, an inclination sensor and a plurality of level sensors are used. Need to be calculated in combination, increasing the load on the CPU power in the control unit and increasing the cost.
そこで本発明は、上記課題に鑑み、燃料残量検出と燃料濃度検出を1つのセンサによって行い、いかなる方向に燃料電池を置いても安定的に発電を開始、維持可能な携帯型燃料電池及び該携帯型燃料電池の制御方法を提供することを目的とする。 Accordingly, in view of the above problems, the present invention provides a portable fuel cell capable of detecting the remaining amount of fuel and detecting the fuel concentration with a single sensor, and stably starting and maintaining power generation regardless of the direction of the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a control method for a portable fuel cell.
上記目的を達成するため本発明の携帯型燃料電池は、電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟持した構造の膜・電極接合体であるMEAを多段接続し、MEAの電極部分に燃料を供給するための燃料流路を備えた燃料電池スタックと、燃料電池スタックに供給する燃料を一時的に滞留させる燃料槽と、燃料槽に着脱可能に接続された燃料カートリッジと、燃料を燃料カートリッジから燃料槽へ供給するための供給手段と、燃料流路中に設置され、燃料の濃度を検出する濃度センサと、濃度センサの出力値に基づいて供給手段を制御するコントロールユニットと、を有する。 In order to achieve the above object, the portable fuel cell of the present invention has a multi-stage connection of MEAs, which are membrane / electrode assemblies having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxidizer electrode, and fuel is supplied to the electrode portion of the MEA. A fuel cell stack having a fuel flow path for supplying, a fuel tank for temporarily retaining fuel supplied to the fuel cell stack, a fuel cartridge detachably connected to the fuel tank, and fuel from the fuel cartridge Supply means for supplying to the fuel tank, a concentration sensor installed in the fuel flow path for detecting the concentration of the fuel, and a control unit for controlling the supply means based on the output value of the concentration sensor.
本発明の携帯型燃料電池は、コントロールユニットが、燃料カートリッジから燃料槽への燃料の供給量を濃度センサの出力値に基づいて供給手段を制御するため、燃料供給に際して濃度センサ以外のセンサを必要としない。すわなち、本発明の携帯型燃料電池は、燃料残量検出と燃料濃度検出を1つのセンサによって行うことができる。 In the portable fuel cell according to the present invention, the control unit controls the supply means based on the output value of the concentration sensor for the amount of fuel supplied from the fuel cartridge to the fuel tank. And not. That is, the portable fuel cell of the present invention can detect the remaining amount of fuel and detect the fuel concentration with one sensor.
本発明の携帯型燃料電池の濃度センサは、燃料電池スタックから燃料が排出される燃料排出流路内に設置されているものであってもよい。燃料電池の運転においては、特に低濃度での運転がMEA性能を損傷する可能性が高い。このため、燃料の濃度が最も低くなる燃料排出流路内の燃料の濃度を測定し、この情報に基づいて燃料電池の運転状態を制御することでシステム全体としての信頼性を向上させることができる。 The concentration sensor of the portable fuel cell according to the present invention may be installed in a fuel discharge channel through which fuel is discharged from the fuel cell stack. In the operation of the fuel cell, it is highly likely that operation at a low concentration particularly damages the MEA performance. Therefore, the reliability of the entire system can be improved by measuring the concentration of the fuel in the fuel discharge flow path where the concentration of the fuel becomes the lowest and controlling the operating state of the fuel cell based on this information. .
本発明の携帯型燃料電池の燃料槽内には、燃料カートリッジからの燃料を燃料槽に供給するための流路の燃料槽側の端部である燃料注入口と、燃料電池スタックから燃料槽へと排出される燃料の流路である燃料排出流路の燃料槽側の端部である燃料排出口と、燃料槽の燃料を燃料電池スタックに供給するための流路の燃料槽側の端部である燃料吸入口とが配置されている。そして、燃料注入口と燃料排出口との間の距離は、燃料吸入口と燃料注入口との間の距離、及び燃料吸入口と燃料排出口との間の距離よりも短くなるように設定されている。濃度の低い燃料が排出される燃料排出口及び濃度の高い燃料が供給される燃料注入口を燃料吸入口から離れた位置に設置することで、燃料電池を安定的に動作させることができる。 In the fuel tank of the portable fuel cell of the present invention, there are a fuel inlet that is an end portion on the fuel tank side of a flow path for supplying fuel from the fuel cartridge to the fuel tank, and from the fuel cell stack to the fuel tank. A fuel discharge port which is a fuel tank side end of a fuel discharge channel which is a flow path of the fuel discharged, and a fuel tank side end of a channel for supplying fuel from the fuel tank to the fuel cell stack And a fuel suction port. The distance between the fuel inlet and the fuel outlet is set to be shorter than the distance between the fuel inlet and the fuel inlet and the distance between the fuel inlet and the fuel outlet. ing. The fuel cell can be stably operated by installing the fuel discharge port through which the low concentration fuel is discharged and the fuel injection port through which the high concentration fuel is supplied at positions away from the fuel intake port.
また、本発明の携帯型燃料電池の燃料吸入口は、燃料槽の概ね重心に位置するものであってもよい。
燃料吸入口は、燃料槽の重心に位置させることで、燃料電池がいかなる姿勢にあっても、燃料槽における容量の半分以上の燃料があれば、燃料供給が滞ることを防止することができる。また、燃料電池の姿勢が変化した場合でも、燃料供給が滞る時間を最小とすることができる。
In addition, the fuel inlet of the portable fuel cell of the present invention may be located approximately at the center of gravity of the fuel tank.
By positioning the fuel inlet at the center of gravity of the fuel tank, it is possible to prevent the fuel supply from stagnation if there is more than half the capacity of the fuel tank regardless of the posture of the fuel cell. Further, even when the attitude of the fuel cell changes, the time during which the fuel supply is delayed can be minimized.
また、本発明の携帯型燃料電池の燃料排出口は、矩形断面を有する燃料槽の対角線のうちの最大長さの少なくとも1/4以上の距離だけ燃料吸入口から離れた位置に配置されているものであってもよい。 Further, the fuel discharge port of the portable fuel cell of the present invention is disposed at a position away from the fuel intake port by a distance of at least 1/4 or more of the maximum length of the diagonal line of the fuel tank having a rectangular cross section. It may be a thing.
また、本発明の携帯型燃料電池の燃料カートリッジには濃度の異なる少なくとも2種類の燃料が貯留されており、供給手段は、各濃度の燃料を個別に燃料カートリッジから燃料槽へ供給するものであってもよい。この場合、必要に応じて適正な濃度の燃料を適正量注入することができ、かつ燃料の濃度を連続的に変化させることができるので外部環境変化に対して追従性が高く、信頼性に優れた携帯型燃料電池を提供することが可能となる。 Also, the fuel cartridge of the portable fuel cell of the present invention stores at least two types of fuel having different concentrations, and the supply means supplies the fuel of each concentration individually from the fuel cartridge to the fuel tank. May be. In this case, it is possible to inject an appropriate amount of fuel at an appropriate concentration as necessary, and the concentration of the fuel can be continuously changed, so that the followability to the external environment change is high and the reliability is excellent. It is possible to provide a portable fuel cell.
また、本発明の携帯型燃料電池の濃度センサは、燃料の密度変化あるいは燃料の比重の変化を検出するものであってもよいし、さらには燃料内を伝搬する音速の変化を検出するものであってもよい。これらの検出方法による濃度センサを用いることで燃料の濃度が100%以上となった場合であっても濃度センサからの出力値を得ることができる。 Further, the concentration sensor of the portable fuel cell of the present invention may detect a change in the density of the fuel or a change in the specific gravity of the fuel, and further detect a change in the speed of sound propagating in the fuel. There may be. By using a concentration sensor based on these detection methods, an output value from the concentration sensor can be obtained even when the fuel concentration is 100% or more.
本発明の携帯型燃料電池の制御方法は、本発明の携帯型燃料電池の制御方法であって、濃度センサの出力値が濃度100%以上の値を連続的に示した場合、コントロールユニットは、燃料電池スタックには燃料が無いと判断し、燃料を燃料カートリッジから燃料槽に規定の量だけ供給するように供給手段を制御する。 The control method of the portable fuel cell of the present invention is the control method of the portable fuel cell of the present invention, and when the output value of the concentration sensor continuously shows a value of 100% or more, the control unit It is determined that there is no fuel in the fuel cell stack, and the supply means is controlled so as to supply a predetermined amount of fuel from the fuel cartridge to the fuel tank.
また、本発明の携帯型燃料電池の制御方法は、濃度センサの出力値が濃度100%以上の値と濃度100%未満の値との間で振動した場合、コントロールユニットは、出力値の振動周期に応じて燃料電池スタック内の燃料の量を推定し、推定した燃料の量と濃度センサの濃度100%未満の出力値に基づいて、燃料カートリッジから燃料槽に規定の量だけ燃料を供給するように供給手段を制御するものであってもよい。 Further, according to the control method of the portable fuel cell of the present invention, when the output value of the concentration sensor vibrates between a value having a concentration of 100% or more and a value having a concentration of less than 100%, the control unit causes the oscillation cycle of the output value to be The amount of fuel in the fuel cell stack is estimated according to the amount of fuel, and the fuel is supplied from the fuel cartridge to the fuel tank in a prescribed amount based on the estimated amount of fuel and the output value of the concentration sensor less than 100%. The supply means may be controlled.
以上のとおり、本発明の携帯型燃料電池の制御方法は、濃度センサによって、燃料の濃度のみならず、燃料の残量の検出も行うため、燃料供給に際して濃度センサ以外のセンサを必要としない。 As described above, the control method for the portable fuel cell according to the present invention detects not only the fuel concentration but also the remaining amount of fuel by the concentration sensor, so that no sensor other than the concentration sensor is required for supplying the fuel.
また、本発明の携帯型燃料電池の制御方法は、燃料カートリッジには濃度の異なる少なくとも2種類の燃料が貯留されており、濃度センサの出力値が濃度100%以上の値を連続的に示した場合、コントロールユニットは、燃料電池スタックには燃料が無いと判断し、燃料カートリッジから燃料槽に各濃度の燃料を規定の濃度及び規定の量だけ供給するように供給手段を制御するものであってもよい。この場合、
複数の種類の濃度の燃料を使用し、必要に応じて適正な濃度の燃料を適正量注入することができ、かつ燃料の濃度を連続的に変化させることができるので外部環境変化に対して追従性が高く、信頼性に優れた携帯型燃料電池を提供することが可能となる。
Further, according to the portable fuel cell control method of the present invention, at least two kinds of fuel having different concentrations are stored in the fuel cartridge, and the output value of the concentration sensor continuously indicates a value of 100% or more. In this case, the control unit determines that there is no fuel in the fuel cell stack, and controls the supply means to supply each concentration of fuel from the fuel cartridge to the fuel tank in a specified concentration and a specified amount. Also good. in this case,
Using multiple types of fuel concentration, fuel can be injected in the proper amount at the right concentration as needed, and the fuel concentration can be continuously changed, so it can follow changes in the external environment. It is possible to provide a portable fuel cell having high reliability and excellent reliability.
燃料の濃度センサを利用して燃料の残量検出が可能となるため、別の燃料残量センサが不要であり、かつ燃料電池がいかなる方向に置かれても燃料電池スタック内の燃料の量を推定可能であるため、燃料電池による発電を安定的に維持することが可能となる。 The fuel concentration sensor can be used to detect the remaining amount of fuel, so there is no need for a separate fuel remaining amount sensor, and the amount of fuel in the fuel cell stack can be measured regardless of the orientation of the fuel cell. Since estimation is possible, it is possible to stably maintain power generation by the fuel cell.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態の携帯型燃料電池の構成図である。また、図2は、本実施形態の携帯型燃料電池における燃料吸入口、燃料排出口、燃料注入口の位置関係を示す図である。また、図3は、濃度センサの出力変動の一例を示すグラフである。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a portable fuel cell according to the present embodiment. FIG. 2 is a diagram showing the positional relationship between the fuel inlet, the fuel outlet, and the fuel inlet in the portable fuel cell of this embodiment. FIG. 3 is a graph showing an example of output fluctuation of the density sensor.
電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟持した構造の膜・電極接合体であるMEAが多段直列あるいは並列接続されたMEAスタック100は、カソード側に送風ファン105によって空気中の酸素が供給され、アノード側には、燃料槽102に貯蔵された液体燃料、DMFCではメタノールが、ポンプ106によって供給される。燃料を貯蔵し、着脱可能な燃料カートリッジ104は、ポンプ107を介して接続される。燃料カートリッジ104内の燃料は、燃料槽102中の液体燃料が規定値以下になった場合にポンプ107が動作することで燃料槽102へと燃料が供給される。燃料カートリッジ104側からの燃料供給に際して、燃料槽102の内圧が上昇し、燃料供給圧力が上昇することによるMEAへの損傷を回避するために、内圧調整機構108が設けられている。
In the
さらに液体燃料の比重、密度あるいは音速を検出する濃度センサ101がMEAスタック100からの燃料を燃料槽102へ戻す燃料排出流路中に設けられている。コントロールユニット103は濃度センサ101の出力値に応じて、送風ファン105、ポンプ106、107等の補機類を動作させる。濃度センサ101が燃料排出流路中に設けられているのは、以下の理由による。燃料電池の運転においては、特に低濃度での運転がMEA性能を損傷する可能性が高い。つまり、燃料の濃度が最も低くなる燃料排出流路内の燃料の濃度を測定し、この情報に基づいて燃料電池の運転状態を制御することでシステム全体としての信頼性を向上させるためである。
Further, a
次に、燃料吸入口、燃料排出口、燃料注入口の位置関係について図2を用いて説明する。なお、図1に示した携帯型燃料電池とはレイアウトは異なるが、同じ携帯型燃料電池である。 Next, the positional relationship between the fuel inlet, the fuel outlet, and the fuel inlet will be described with reference to FIG. Although the layout is different from the portable fuel cell shown in FIG. 1, it is the same portable fuel cell.
燃料槽102の燃料をMEAスタック100に供給するための流路の燃料槽102側の端部である燃料吸入口120は燃料槽102の概ね重心位置に配置されている。燃料吸入口120が燃料槽102の重心位置に配置されることで、燃料電池がいかなる姿勢にあっても、燃料槽102における容量の半分以上の燃料があれば、燃料供給が滞ることはない。また、燃料電池の姿勢が変化した場合でも、燃料供給が滞る時間を最小とすることができる。
A fuel inlet 120, which is an end portion on the
MEAスタック100から燃料槽102へと排出される燃料の流路である燃料排出流路の燃料槽102側の端部である燃料排出口116は、燃料吸入口120から離れた位置に配置されている。また、燃料カートリッジ104からの燃料を燃料槽102に供給するための流路の燃料槽102側の端部である燃料注入口117も燃料吸入口120から離れた位置に配置されている。これら燃料排出口116及び燃料注入口117を燃料吸入口120より離れた位置に設置するのは、燃料槽102中の燃料の濃度を可能な限り均一化し、燃料電池を安定的に動作させるためである。燃料排出口116からは濃度の低い燃料が排出される。一方、燃料注入口117は濃度の高い燃料が供給される。仮に、このように濃度差の高い燃料が燃料吸入口120に供給されると、燃料槽102中の平均的な燃料の濃度に対して大きく異なる燃料が濃度センサ101によって検出される。そして、濃度センサ101の検出結果に基づき、コントロールユニット103からの制御信号に基づき、ポンプ106、107等の補機類が動作することとなるが、実際の燃料の濃度が大きく変動するため、燃料電池を安定的に動作させることが困難となる。そこで、このような不具合を防止するため、上述したように燃料吸入口120及び燃料注入口117を燃料吸入口120より離れた位置に設置している。
A fuel discharge port 116, which is an end portion of the fuel discharge channel, which is a flow path of fuel discharged from the
燃料吸入口120と、燃料排出口116及び燃料注入口117の、燃料槽102内での間隔は、燃料吸入口120が概燃料槽102の重心に設置されるため、最も効果が期待できるのは矩形断面形状の燃料槽102の場合、槽内で最も離れた位置となる、概ね対角線距離の1/2の位置であるが、少なくとも対角線距離の1/4以上離れていれば、十分な効果が得られる。また、別の効果として、燃料排出口116と燃料注入口117を接近させることによって、濃度の異なる燃料をより早く均一に混合することが可能になる。
The distance between the fuel inlet 120, the fuel outlet 116, and the fuel inlet 117 in the
次に、図1、図2に示したような構成を有するダイレクトメタノール型燃料電池において、密度あるいは濃度あるいは音速検出型濃度センサを使用した場合の濃度出力値の典型的な変化を示すグラフを図3に示す。 Next, in the direct methanol fuel cell having the configuration shown in FIGS. 1 and 2, a graph showing a typical change in density output value when a density or concentration or a sound speed detection type concentration sensor is used is shown. 3 shows.
燃料電池の運転を開始した時、濃度表示が100%を超えている部分は、100%メタノールより軽い物質、具体的には空気が混入していることを示している。したがって、この値が一定期間連続的に続く場合には、コントロールユニット103は、MEAスタック100には燃料が無いものと判断し、燃料カートリッジ104より燃料注入を開始する。
When the operation of the fuel cell is started, the portion where the concentration display exceeds 100% indicates that a substance lighter than 100% methanol, specifically, air is mixed. Therefore, when this value continues continuously for a certain period, the control unit 103 determines that there is no fuel in the
一方、燃料の濃度が振動し始めた領域は、ある姿勢において、燃料槽102内での燃料液面が燃料吸入口115に達したことを示している。図3では、濃度センサ101の出力値が100%以上の値と、0%〜100%以内の値の間で振動している。この時点では、燃料槽102内の燃料は燃料電池を安定的に発電できる量にまでは達していないが、単位時間あたりの燃料供給量を減じることで燃料供給のオーバーシュートを抑制できることから、燃料槽102の容積を小型化することが可能となる。なお、燃料の濃度の振動周期に応じてMEAスタック100内の燃料の量を推定し、その推定量と濃度センサの0%〜100%内の出力値に応じて、燃料カートリッジ104より、燃料を規定の濃度及び燃料の量だけ供給するようにコントロールユニット103はポンプ106、107を制御するようにしてもよい。この場合、コントロールユニット103には、予め、燃料の濃度の振動周期に対応するMEAスタック100内の推定燃料の量のマップを記憶保持させておく。
On the other hand, the region where the concentration of fuel starts to oscillate indicates that the fuel level in the
濃度センサ101の出力値が0%〜100%以内の濃度を示すようになると、MEAスタック110への燃料供給は十分となり、発電開始可能な状態になる。しかしながら、実際にこの状態から発電を開始すると、発電による燃料減少によって、すぐに濃度センサ101の出力が振動し始めるため、所定の燃料の量を更に加えた段階で燃料供給を停止し発電を開始するほうが好ましい。この場合も、予めコントロールユニット103に記憶保持された燃料の量のマップに基づき、燃料が補給される。
When the output value of the
なお、以上のような始動シーケンスを行った後、燃料電池の姿勢を変化させると、燃料吸入口115が燃料槽102の概ね重心位置にない場合、やはり濃度センサ101の出力が振動し始めるが、その場合は上述したシーケンスと同様の燃料補給を行うことによって、安定な発電状態に速やかに移行することができる。
Note that when the fuel cell attitude is changed after the start sequence as described above is performed, the output of the
なお、本実施形態の濃度センサによる濃度の検出方法は、MEAの電圧値から燃料の濃度を算出する方法、超音波の伝播速度の違いを利用して燃料の濃度を算出する方法、燃料の密度(比重)の変化から濃度を算出する方法、MEAのクロスオーバーによる温度上昇から燃料の濃度を算出する方法、静電容量の違いから燃料の濃度を算出する方法、光学的な屈折率を利用して燃料の濃度を算出する方法などであってもよい。 The concentration detection method using the concentration sensor according to the present embodiment includes a method for calculating the fuel concentration from the voltage value of the MEA, a method for calculating the fuel concentration using the difference in ultrasonic propagation speed, and the fuel density. A method of calculating the concentration from the change in specific gravity, a method of calculating the concentration of fuel from the temperature rise due to MEA crossover, a method of calculating the concentration of fuel from the difference in capacitance, and using an optical refractive index. Alternatively, a method for calculating the fuel concentration may be used.
特に本実施形態の場合、濃度センサ101は、出力値が100%を超える場合についても検出する必要があることから、燃料の密度(比重)の変化から濃度を算出するタイプのセンサ、あるいは燃料内を伝搬する音速の変化から濃度を算出するタイプのセンサを用いることが好ましい。これ以外のセンサの場合、出力値が100%を超える場合、濃度を検出できない場合があるからである。
In particular, in the case of the present embodiment, the
以上、本実施形態によれば、燃料残量検出と燃料濃度検出を1つの濃度センサによって行うので、コントロールユニット内のCPUパワーに対する負荷の低減及びコストダウンを図ることができる。また、燃料吸入口が燃料槽の重心位置に配置されることで、燃料電池がいかなる姿勢にあっても、燃料槽における容量の半分以上の燃料があれば、燃料供給が滞るのを防止することができる。
(第2の実施形態)
図4は、本実施形態の携帯型燃料電池の構成図である。
As described above, according to the present embodiment, since the remaining fuel amount detection and the fuel concentration detection are performed by one concentration sensor, it is possible to reduce the load on the CPU power in the control unit and reduce the cost. In addition, the fuel inlet is located at the center of gravity of the fuel tank, preventing the fuel supply from stagnation if there is more than half the capacity of the fuel tank, regardless of the attitude of the fuel cell. Can do.
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a configuration diagram of the portable fuel cell of the present embodiment.
本実施形態の基本的な燃料電池システム構成は図1に示した構成と同様であるが、燃料カートリッジ204が、定常運転時の濃度より高い濃度の燃料、及び定常運転時の濃度より低い濃度の燃料の2種類を貯留可能なように分割されている点で異なる。基本的な始動シーケンスも上述した第1の実施形態とほぼ同一であるが、燃料カートリッジ204から注入する燃料の濃度のみ異なる。なお、以下の説明では、第1の実施形態と同じ構成部品には第1実施形態の説明で用いた符号と同じ符号を用いて説明する。 The basic fuel cell system configuration of the present embodiment is the same as the configuration shown in FIG. 1, except that the fuel cartridge 204 has a higher concentration of fuel than the concentration during steady operation and a concentration lower than the concentration during steady operation. It differs in that it is divided so that two types of fuel can be stored. The basic start sequence is almost the same as that of the first embodiment described above, but only the concentration of fuel injected from the fuel cartridge 204 is different. In the following description, the same components as those in the first embodiment will be described using the same symbols as those used in the description of the first embodiment.
燃料カートリッジ204の定常運転時の濃度より高い濃度の燃料はポンプ107aが稼働することで燃料槽102に供給される。一方、定常運転時の濃度より低い濃度の燃料はポンプ107bが稼働することで燃料槽102に供給される。
Fuel having a concentration higher than that during steady operation of the fuel cartridge 204 is supplied to the
燃料電池を始動させたときに、濃度センサ101の出力値が図3に示すような濃度変化を示し、燃料電池の始動時から濃度表示が100%を超える値を示し、燃料流路にほぼ気体が充満していると判断される場合には、以下の制御が行われる。すわなち、この場合、コントロールユニット103は、定常的な発電を行う場合の濃度となる燃料を供給するよう、ポンプ107a、107bを制御することで2種類の燃料供給比率を変えて燃料を燃料槽102へ供給する。
When the fuel cell is started, the output value of the
続いて濃度センサ101からの出力値が振動し始めると、コントロールユニット103は、ポンプ107a、107bを制御して燃料供給量を徐々に減じ、さらに燃料の濃度を定常発電時の濃度に近づける。
Subsequently, when the output value from the
最後に濃度センサ101の出力値の振動が停止してから、さらに同じ濃度の燃料を規定値だけ加えて燃料供給を停止した後、発電を開始する。
Finally, after the oscillation of the output value of the
また、定常発電時において、燃料電池の姿勢が変化した場合においても同様のシーケンスによって、燃料供給を行うことによって安定な発電状態を維持することが可能となる。 Further, even when the attitude of the fuel cell changes during steady power generation, it is possible to maintain a stable power generation state by supplying fuel in the same sequence.
以上、本実施形態によれば第1の実施形態と同様に、燃料残量検出と燃料濃度検出を1つの濃度センサによって行うので、コントロールユニット内のCPUパワーに対する負荷の低減及びコストダウンを図ることができる。また、燃料吸入口が燃料槽の重心位置に配置されることで、燃料電池がいかなる姿勢にあっても、燃料槽における容量の半分以上の燃料があれば、燃料供給が滞るのを防止することができる。 As described above, according to the present embodiment, as in the first embodiment, the remaining fuel amount detection and the fuel concentration detection are performed by one concentration sensor, so that the load on the CPU power in the control unit is reduced and the cost is reduced. Can do. In addition, the fuel inlet is located at the center of gravity of the fuel tank, preventing the fuel supply from stagnation if there is more than half the capacity of the fuel tank, regardless of the attitude of the fuel cell. Can do.
また、本実施形態の場合、2種類の濃度の燃料を使用し、必要に応じて適正な濃度の燃料を適正量注入することができ、かつ燃料の濃度を連続的に変化させることができるので外部環境変化に対して追従性が高く、信頼性に優れた携帯型燃料電池を提供することが可能となる。 Further, in the case of the present embodiment, two types of fuel concentrations can be used, an appropriate amount of fuel can be injected as needed, and the fuel concentration can be continuously changed. It is possible to provide a portable fuel cell that has high followability to external environmental changes and excellent reliability.
なお、本実施形態では燃料カートリッジに貯留された燃料の濃度は2種類としたが、3種類以上であってもよい。 In this embodiment, the concentration of the fuel stored in the fuel cartridge is two types, but may be three or more types.
100 MEAスタック
101 濃度センサ
102 燃料槽
103 コントロールユニット
104 燃料カートリッジ
105 送風ファン
106、107、107a、107b ポンプ
108 内圧調整機構
116 燃料排出口
117 燃料注入口
120 燃料吸入口
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記燃料電池スタックに供給する燃料を一時的に滞留させる燃料槽と、
前記燃料槽に着脱可能に接続された燃料カートリッジと、
燃料を前記燃料カートリッジから前記燃料槽へ供給するための供給手段と、
前記燃料流路中に設置され、燃料の濃度を検出する濃度センサと、
前記濃度センサの出力値に基づいて前記供給手段を制御するコントロールユニットと、を有する携帯型燃料電池。 A fuel cell stack having a fuel flow path for connecting MEAs, which are membrane-electrode assemblies having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxidizer electrode, and supplying fuel to the electrode portion of the MEA; ,
A fuel tank for temporarily retaining fuel to be supplied to the fuel cell stack;
A fuel cartridge detachably connected to the fuel tank;
Supply means for supplying fuel from the fuel cartridge to the fuel tank;
A concentration sensor installed in the fuel flow path for detecting the concentration of fuel;
And a control unit for controlling the supply means based on an output value of the concentration sensor.
前記濃度センサの出力値が濃度100%以上の値を連続的に示した場合、前記コントロールユニットは、前記燃料電池スタックには燃料が無いと判断し、燃料を前記燃料カートリッジから前記燃料槽に規定の量だけ供給するように前記供給手段を制御する、携帯型燃料電池の制御方法。 A portable fuel cell control method according to any one of claims 1 to 8,
When the output value of the concentration sensor continuously indicates a value of 100% or more, the control unit determines that there is no fuel in the fuel cell stack, and defines fuel from the fuel cartridge to the fuel tank. A control method for a portable fuel cell, wherein the supply means is controlled so as to supply only an amount of.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2006345780A JP2008159363A (en) | 2006-12-22 | 2006-12-22 | Portable fuel cell and control method of portable fuel cell |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012128024A1 (en) * | 2011-03-23 | 2012-09-27 | パナソニックEsパワーツール株式会社 | Power generator |
| US12085216B2 (en) | 2022-02-17 | 2024-09-10 | Arctic Cat Inc. | Multi-use fuel filler tube |
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2006
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