JP4585475B2 - 燃料電池ユニット - Google Patents

Description

この発明は、メタノールを燃料として発電する燃料電池をバッテリとして用いた電子機器のシステム管理技術に関する。

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。

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。

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、前述したような電子機器への適用が強く求められている。

また、自動車業界では、このＤＭＦＣの試用が一足早く進められており、例えば燃料電池がガス漏れなどの異常を発生させた場合に、スピードメータなどのディスプレイに警告を出すシステムなども存在する（例えば特許文献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 特開２００２−２４０５３５号公報

ここで、例えばノート型のパーソナルコンピュータに搭載された燃料電池がガス漏れ等の異常を発生させた場合を考える。この場合、前述の特許文献１に記載の手法を応用すれば、燃料電池が異常を発生させたことをコンピュータ本体のディスプレイに警告を出すことによってユーザに通知することは可能である。

しかしながら、この際、ユーザは、その異常発生を知るのみであり、実際の燃料電池の状態は不明瞭のままとなってしまう。

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、実際の燃料電池の状態を明瞭に通知することを可能とした燃料電池ユニットを提供することを目的とする。

実施形態によれば、本燃料電池ユニットは、電子機器に着脱自在な燃料電池ユニットであって、表示装置と、装着部に燃料タンクが装着されているか否かを検出可能な第１のセンサと、液漏れが発生したか否かを検出可能な第２のセンサと、前記第１のセンサで前記燃料タンクが装着されていないことが検知され、前記燃料電池ユニットが前記電子機器に装着されていた場合、前記表示装置を介して通知する第１の通知手段と、前記第２のセンサで液漏れが発生したことが検出された場合、前記表示装置を介して通知する第２の通知手段と、を具備する。

この発明によれば、実際の燃料電池の状態を明瞭に通知することを可能とする。

以下、図面を参照してこの発明の実施形態を説明する。

図１は、この発明の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。

図１に示すように、この電子機器システムは、ノートブックタイプのパーソナルコンピュータである電子機器１と、この電子機器１の背面部に着脱自在な燃料電池ユニット２とから構成される。燃料電池ユニット２は、電子機器１が動作するための電力を供給する電源装置であり、燃料として与えられるメタノールと酸素を反応させて電気エネルギーを得るＤＭＦＣを内蔵する。このＤＭＦＣの燃料であるメタノールは、燃料電池ユニット２に取り外し自在に収納されるカートリッジ式の燃料タンク２２１１から供給される。また、この燃料電池ユニット２の筐体側面には、現在の動作状態をユーザに通知するためのＬＥＤ２６ａ，２６ｂが設置されている。

図２は、電子機器１のフタ部が開かれた状態における電子機器システムの外観を示す図である。

図２に示すように、電子機器１のフタ部は、ヒンジ機構により本体部に開閉自在に取り付けられており、その内壁面にはＬＣＤ（Liquid Crystal Display）１４１が配置される。一方、本体部には、ＬＣＤ１４１上に表示された入力画面に文字や記号などを入力するためのキーボード１５１と、ＬＣＤ１４１上の任意の箇所を指し示すために表示されるマウスカーソルを移動させ、かつ、選択指示するためのポインティングデバイス１５２とが設けられる。

図３は、この電子機器１の概略構成を示す図である。

図３に示すように、電子機器１は、ＣＰＵ１１、ＲＡＭ１２、ＨＤＤ１３、表示コントローラ１４、キーボードコントローラ１５および電源コントローラ１６がシステムバスに接続される。

ＣＰＵ１１は、この電子機器１全体の動作制御を司り、ＲＡＭ１２に格納されたオペレーティングシステム、ＢＩＯＳ（Basic Input/Output System）、ユーティリティソフトウェア、アプリケーションソフトウェアなどの各種プログラムを実行する。後述する電源管理ユーティリティは、複数のユーティリティソフトウェアの中の１つである。

ＲＡＭ１２は、ＣＰＵ１１の主記憶となる記録媒体であり、ＣＰＵ１１によって実行される各種プログラムやこれらのプログラムで利用される各種データ等を格納する。一方、ＨＤＤ１３は、この電子機器１の補助記憶となる記録媒体であり、各種プログラムおよび各種データを大量に格納する。

表示コントローラ１４は、この電子機器１が提供するユーザインタフェースのアウトプット側を担う装置であり、ＣＰＵ１１により処理された画面データをＬＣＤ１４１に表示制御する。一方、キーボードコントローラ１５は、この電子機器１が提供するユーザインタフェースのインプット側を担う装置であり、キーボード１５１やポインティングデバイス１５２の操作を数値化し、内蔵レジスタを介してＣＰＵ１１に伝達する。

電源コントローラ１６は、この電子機器１の各部に対して動作用の電力を配給するものであり、燃料電池ユニット２から電力供給を受けるとともに、燃料電池ユニット２の後述するマイコン２１との通信を行う機能を有している。また、電源コントローラ１６は、燃料電池ユニット２の状態を示すステータス情報を格納するレジスタ１６１を内蔵しており、電源管理ユーティリティは、このステータス情報を参照することによって、燃料電池ユニット２の状態を知ることができるようになっている。

図４は、この燃料電池ユニット２の概略構成を示す図である。

図４に示すように、燃料電池ユニット２は、マイコン２１、ＤＭＦＣ２２、内部２次電池２３、充電回路２４、加速度センサ２５、Ｅ２ＰＲＯＭ２６およびＬＥＤ２７ａ，２７ｂを有している。

マイコン２１は、この燃料電池ユニット２全体の動作制御を司り、電子機器１の電源コントローラ１６との通信を実行する。そして、この通信を行うためのデータ信号線の接続有無により、マイコン２１は、燃料電池ユニット２が電子機器１に装着されているかどうかを判断する機能を有している。

また、マイコン２１は、燃料電池ユニット２内の電源コントローラとしても動作し、ＤＭＦＣ２２の起動時には内部２次電池２３の電力をＤＭＦＣ２２に供給すべく制御を行い、ＤＭＦＣ２２が電力供給可能な状態で、かつ、内部２次電池２３がローバッテリ状態である場合にはＤＭＦＣ２２の電力で内部２次電池２３を充電すべく制御を行う。

ＤＭＦＣ２２は、燃料タンクスロット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。

燃料タンクスロット２２１は、カートリッジ式の燃料タンク２２１１を取り外し自在に収納するスロットであり、この燃料タンク２２１１の装着有無を検知するための着脱センサ２２１２を備えている。この燃料タンクスロット２２１に収納された燃料タンク２２１１内のメタノールは、燃料ポンプ２２２により混合タンク２２３に送り込まれ、ＤＭＦＣセルスタック２２５から帰還される水によって例えば１０％の濃度に希釈される。

混合タンク２２３は、この希釈されたメタノールを格納するが、その液量が適量の範囲内に収まっているかどうかを検知するための液面センサ２２３１を備えている。ここでは、混合タンク２２３の収容量の１５％〜９０％を適量の範囲内と想定し、マイコン２１は、液面センサ２２３１により検知した混合タンク２２３内の液量がその範囲を２秒以上継続して外れた場合に、何らかの異常が発生したと判断する。また、混合タンク２２３は、ＤＭＦＣセルスタック２２５から帰還された水のうち、不要な水を気化させてＤＭＦＣ２２外に排出する機能を有している。

送液ポンプ２２４は、混合タンク２２３内のメタノールをＤＭＦＣセルスタック２２５に送り込む。また、このＤＭＦＣセルスタック２２５には、送風ポンプ２２６により取り込まれた空気が送り込まれる。そして、この送液ポンプ２２４により送り込まれたメタノールと送風ポンプ２２６により送り込まれた空気中の酸素とがＤＭＦＣセルスタック２２５内で反応し、電子機器１に供給される電力が作り出される。また、この際に水も生成されるが、この水は帰還流路を通じて混合タンク２２３に戻される。

ＤＭＦＣセルスタック２２５は、スタック内の温度が適温の範囲内に収まっているかどうかを検知するための温度センサ２２５１を備えている。ここでは、ＤＭＦＣ２２の起動時におけるＤＭＦＣセルスタック２２５内の適温を５℃〜４０℃、ＤＭＦＣ２２の動作中におけるＤＭＦＣセルスタック２２５内の適温を５０℃〜９０℃と想定し、マイコン２１は、ＤＭＦＣ２２の起動時および動作中のそれぞれにおいて、各々設定された適温の範囲内にスタック内の温度が収まっているかどうかを監視する。

内部２次電池２３は、繰り返し充放電可能なリチウムイオン電池であり、ＤＭＦＣ２２が稼働を開始してから所定量以上の電力が発電されるまでの間、燃料ポンプ２２２、送液ポンプ２２４、送風ポンプ２２５などの補助機構が必要とする電力を供給する。また、この内部２次電池２３は、マイコン２１からの指示を受けた充電回路２４が、ＤＭＦＣ２２で発電された電力を用いて充電することも可能である。

加速度センサ２５は、燃料電池ユニット２の傾きが許容される角度の範囲内に収まっているかどうかを検知するためのセンサである。ここでは、その傾斜が３０度以内を許容範囲とし、マイコン２１は、この範囲を越えて傾いた場合に、ユーザへの警告の必要有りと判断する。

Ｅ２ＰＲＯＭ２６は、燃料電池ユニット２の状態を示すステータス情報を格納するためのメモリデバイスであり、マイコン２１は、着脱センサ２２１２、液面センサ２２３１、温度センサ２２５１および加速度センサ２５の各種センサによって検知した様々な状態を、このＥ２ＰＲＯＭ２６にステータス情報として記録する。また、マイコン２１は、ＤＭＦＣ２２の稼働状況に応じて、燃料タンク２２１１内の燃料の残量を算出する機能を有しており、この算出した残量もＥ２ＰＲＯＭ２６に記録する。さらに、マイコン２１は、燃料ポンプ２２２、送液ポンプ２２４および送風ポンプ２２６の補助機構が正常に稼働しているかどうかを監視し、例えば異常停止しているような場合には、その旨をステータス情報として記録する。

また、このステータス情報の更新を行った場合、マイコン２１は、その旨を電子機器１の電源コントローラ１６に通知する。Ｅ２ＰＲＯＭ２６中のステータス情報が格納される領域は、電源コントローラ１６からも参照できるようにそのインタフェースが開放されており、電源コントローラ１６は、マイコン２１からの通知を受け取った際、Ｅ２ＰＲＯＭ２６からステータス情報を読み出して内蔵するレジスタ１６１に格納する。また、この時、電源コントローラ１６は、ＣＰＵ１１に対する割り込み通知によって電源管理ユーティリティにステータス情報の更新を伝達する。そして、ステータス情報の更新を知った電源管理ユーティリティは、ＢＩＯＳ経由で電源コントローラ１６のレジスタ１６１に格納された最新のステータス情報を取得し、必要に応じて、ＬＣＤ１４１へのメッセージ表示やエラー処理を実行する。また、マイコン２１が定期的にＥ２ＰＲＯＭ２６のステータス情報を読みに行くようにしても良い。この場合は、マイコン２１がステータス情報を読み、ステータスの変更が合った場合に、ＣＰＵ１１へ割り込みを通知し、電源管理ユーティリティにより適宜処理が行われる。

一方、燃料電池ユニット２では、電子機器１とは別途独自に、現在の動作状態をＬＥＤ２７ａ，２７ｂを用いて表示する。つまり、マイコン２１は、着脱センサ２２１２、液面センサ２２３１、温度センサ２２５１および加速度センサ２５の各種センサ等によって検知した様々な状態を、このＬＥＤ２７ａ，２７ｂを用いてユーザに視覚的に通知する。

図５は、ＬＥＤ（橙）２７ａを点滅させることによってユーザに視覚的に通知する事象を例示する図であり、一方、図６は、ＬＥＤ（緑）２７ｂを点滅させることによってユーザに視覚的に通知する事象を例示する図である。

マイコン２１は、図５に示した事象の中のいずれかの事象を１つでも検知した場合、ＬＥＤ（橙）２７ａを点滅させる。その検出原理は次の通り。

（１）傾斜している
加速度センサ２５の検出データが３０度を越えている。

（２）ＤＭＦＣ起動温度範囲外で高温
ＤＭＦＣ２２の起動時における温度センサ２２５１の検出データが４０℃を越えている。

（３）ＤＭＦＣ継続温度範囲外で高温
ＤＭＦＣ２２の動作中における温度センサ２２５１の検出データが９０℃を越えている。

（４）Ａｉｒポンプや送液ポンプが回転していない
空気またはメタノールの供給が途絶えている。

（５）混合タンク液量が２秒以上継続して高レベル
液面センサ２２３１の検出データが２秒以上継続して混合タンク２２３の収容量の９０％を越えている。

また、マイコン２１は、図６に示した事象の中のいずれかの事象を１つでも検知した場合、ＬＥＤ（橙）２７ｂを点滅させる。その検出原理は次の通り。

（１）燃料カートリッジが装着されていないか、あるいは外された
着脱センサ２２１２の検出データがオフ（燃料タンク２２１１が燃料タンクスロット２２１に装着されていない）。

（２）燃料カートリッジの残量が警告残量より少ない
着脱センサ２２１２の検出データがオフ（燃料タンク２２１１が燃料タンクスロット２２１に装着されていない）。

燃料タンク２２１１が装着された時点を満容量と仮定し、燃料供給の燃料噴出を何回行ったかに応じて噴出回数と１回の噴出量との積を満容量から減算していった値が満容量の１０％を下回った。

（３）ＤＭＦＣ起動温度範囲外で低温
ＤＭＦＣ２２の起動時における温度センサ２２５１の検出データが５℃を下回っている。

（４）ＤＭＦＣ継続温度範囲外で低温
ＤＭＦＣ２２の動作中における温度センサ２２５１の検出データが５０℃を下回っている。

（５）混合タンク液量が２秒以上継続して低レベル
液面センサ２２３１の検出データが２秒以上継続して混合タンク２２３の収容量の１５％を下回っている。

以上のような通知をＬＥＤ２７ａ，２７ｂを用いて行うことにより、例えば燃料電池ユニットのＬＥＤ２７ａ，２７ｂを用いて何らかのエラーが発生した旨のメッセージを表示し、電子機器１のLCD１４１を用いてエラーの詳細をメッセージにより、どのようなエラーが生じたかを判別可能とする。場合によっては、電子機器１側では何らのメッセージ表示も行わないことも可能である。これにより、電子機器１側の負担を軽減することができる。ＬＥＤ２７ａ，２７ｂの表示は、夫々エラーの種類が限られているので、使用者はエラーの種別をおおまかに判断することが可能である。

また、燃料電池ユニット２のマイコン２１が、電子機器１とは別途独自にＬＥＤ２７ａ，２７ｂを用いた通知を行うことにより、例えば、燃料タンク２２１１内の燃料の残量について、燃料電池ユニット２では残量が１０％を下回った時点で通知を行い、一方、電子機器１ではそれよりも小さい３％を下回った時点で通知を行うといったことも可能となる。これは例えば、１０％を下回った段階で燃料電池ユニット２内のマイコン２１から電源コントローラ１６への通知を行い、電源コントローラ１６はCPU１１へ割り込み通知を行い電源管理ユーティリティへ１０％を下回ったことを知らせる。しかし電源管理ユーティリティは、この段階ではLCD１４１への表示は行なわない。一方燃料電池ユニット２内のマイコン２１は１０％を下回ったことを検知すると、LCD（緑）２７ｂを点滅させる。そのまま電子機器１が使用され、燃料タンク２２１１の残量が３％を下回った場合、同様の通知処理が行なわれ、電源管理ユーティリティはLCD１４１へ燃料残量が３％を下回ったことを表示する。つまり、同一の事象について、電子機器１と燃料電池ユニット２とで段階的な通知を行うことが可能となる。これにより、使用者の電子機器１の使い勝手を向上させることが可能である。

なお、燃料電池ユニット２のマイコン２１は、燃料電池ユニット２が電子機器１に装着されている場合に限り、このＬＥＤ２７ａ，２７ｂを用いた通知を実行する。これにより、例えば電子機器１に装着されていないにも関わらず、燃料タンク２２１１内の燃料の残量が１０％を下回っている旨を通知し続けてしまうといった無駄を防止することができる。この場合、各センサ（２２１２、２２３１、２２５１）は電子機器１との接続が検出されている場合のみ検出動作を行うように制御することも可能で、センサで消費される電力も低減することが可能である。また、燃料電池ユニット２単体での危機的異常が発生した場合は電子機器１との接続の有無に関わらず表示するようにしてもよい。このような例としては燃料電池ユニット２内の液漏れ等があり、例えば液漏れセンサを燃料電池ユニット２内に設け、常時液漏れを検出するようにしても良い。

図７は、この電子機器システムの燃料電池ユニット２で実行される状態表示制御の動作手順を示すフローチャートである。

マイコン２１は、まず、燃料電池ユニット２が電子機器１に装着されているかどうかを調べる（ステップＡ１）。もし、装着されていれば（ステップＡ１のＹＥＳ）、マイコン２１は、液面センサ２２３１、温度センサ２２５１、加速度センサ２５の各種センサの検出データ等に基づき、ＬＥＤ（橙）２７ａを点滅させるべき事象が発生していないかどうかを調べる（ステップＡ３）。

もし、ＬＥＤ（橙）２７ａを点滅させるべき事象が発生していた場合（ステップＡ３のＮＯ）、マイコン２１は、ＬＥＤ（橙）２７ａを点滅させる（ステップＡ３）。また、マイコン２１は、着脱センサ２２３１、液面センサ２２３１、温度センサ２２５１の各種センサの検出データ等に基づき、ＬＥＤ（橙）２７ｂを点滅させるべき事象が発生していないかどうかを調べる（ステップＡ５）。そして、もし、ＬＥＤ（緑）２７ｂを点滅させるべき事象が発生していた場合（ステップＡ６のＮＯ）、マイコン２１は、ＬＥＤ（橙）２７ａを点滅させる（ステップＡ７）。

なお、ここでは、説明を分かりやすくするために、この状態表示制御処理をステップＡ１〜ステップＡ７で時系列に示したが、実際には、ＬＥＤ２７ａ，２７ｂを点滅させるべき何らかの事象が発生した場合に、その事象の発生を契機にＬＥＤ２７ａ，２７ｂを点滅するイベント駆動型の処理が実行される。

また、本実施形態では２つのLED２７ａ、２７ｂを設けたが、複数色を発光可能なＬＥＤを一つ設けることも可能であるし、単色発光のＬＥＤを一つ設け、点灯パターンを変化させることで、複数のエラー発生を表示することも可能である。

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。

この発明の実施形態に係る電子機器システムの外観を示す図。 図１に示した電子機器のフタ部が開かれた状態における電子機器システムの外観を示す図。 同実施形態の電子機器の概略構成を示す図。 同実施形態の燃料電池ユニットの概略構成を示す図。 同実施形態の燃料電池ユニットがＬＥＤ（橙）を点滅させることによってユーザに視覚的に通知する事象を例示する図。 同実施形態の燃料電池ユニットがＬＥＤ（緑）を点滅させることによってユーザに視覚的に通知する事象を例示する図。 同実施形態の燃料電池ユニットで実行される状態表示制御の動作手順を示すフローチャート。

符号の説明

１…電子機器、２…燃料電池ユニット、１１…ＣＰＵ、１２…ＲＡＭ、１３…ＨＤＤ、１４…表示コントローラ、１５…キーボードコントローラ、１６…電源コントローラ、２１…マイコン、２２…ＤＭＦＣ、２３…内部２次電池、２４…充電回路、２５…加速度センサ、２６…Ｅ２ＰＲＯＭ、２７ａ，２７ｂ…ＬＥＤ、１４１…ＬＣＤ、１５１…キーボード、１５２…ポインティングデバイス、１６１…レジスタ、２２１…燃料タンクスロット、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、２２２１…燃料タンク、２２１２…着脱センサ、２２３１…液面センサ、２２５１…温度センサ。

Claims (4)

1. 電子機器に着脱自在な燃料電池ユニットであって、
   表示装置と、
   装着部に燃料タンクが装着されているか否かを検出可能な第１のセンサと、
   液漏れが発生したか否かを検出可能な第２のセンサと、
   前記第１のセンサで前記燃料タンクが装着されていないことが検知され、前記燃料電池ユニットが前記電子機器に装着されていた場合、前記表示装置を介して通知する第１の通知手段と、
   前記第２のセンサで液漏れが発生したことが検出された場合、前記表示装置を介して通知する第２の通知手段と、
   を具備することを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 電子機器に着脱自在な燃料電池ユニットであって、
   表示装置と、
   燃料電池に供給される燃料を生成する混合タンク内の液量が所定の範囲内にあるか否かを検出可能な第１のセンサと、
   液漏れが発生したか否かを検出可能な第２のセンサと、
   前記第１のセンサで前記混合タンク内の液量が所定の範囲内にないことが検出され、前記燃料電池ユニットが前記電子機器に装着されていた場合、前記表示装置を介して通知する第１の通知手段と、
   前記第２のセンサで液漏れが発生したことが検出された場合、前記表示装置を介して通知する第２の通知手段と、
   を具備することを特徴とする燃料電池ユニット。
3. 電子機器に着脱自在な燃料電池ユニットであって、
   表示装置と、
   燃料電池の温度が所定の範囲内にあるか否かを検出可能な第１のセンサと、
   液漏れが発生したか否かを検出可能な第２のセンサと、
   前記第１のセンサで前記燃料電池の温度が所定の範囲内にないことが検出され、前記燃料電池ユニットが前記電子機器に装着されていた場合、前記表示装置を介して通知する第１の通知手段と、
   前記第２のセンサで液漏れが発生したことが検出された場合、前記表示装置を介して通知する第２の通知手段と、
   を具備することを特徴とする燃料電池ユニット。
4. 電子機器に着脱自在な燃料電池ユニットであって、
   表示装置と、
   前記燃料電池ユニットの傾きが所定の範囲内にあるか否かを検出可能な第１のセンサと、
   液漏れが発生したか否かを検出可能な第２のセンサと、
   前記第１のセンサで前記燃料電池ユニットの傾きが所定の範囲内にないことが検出され、前記燃料電池ユニットが前記電子機器に装着されていた場合、前記表示装置を介して通知する第１の通知手段と、
   前記第２のセンサで液漏れが発生したことが検出された場合、前記表示装置を介して通知する第２の通知手段と、
   を具備することを特徴とする燃料電池ユニット。

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