JP2010239701A - Fuel cell system and piezoelectric pumping device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及びこの燃料電池システムに適用される圧電ポンプ装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a piezoelectric pump device applied to the fuel cell system.
携帯電話機や携帯情報端末などの電子機器の小型化は目覚しいものがあり、これら電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は、燃料と空気を供給するのみで、発電することができ、燃料のみを交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型化が実現できれば、小型の電子機器の電源として極めて有効である。 There have been remarkable miniaturizations of electronic devices such as mobile phones and portable information terminals, and along with the miniaturization of these electronic devices, attempts have been made to use fuel cells as a power source. A fuel cell has the advantage that it can generate electricity only by supplying fuel and air, and can generate electricity continuously by replacing only the fuel. Therefore, if it can be downsized, it can be used as a power source for small electronic devices. It is valid.
そこで、最近、燃料電池として、直接メタノール型燃料電池(以下、DMFC;Direct Methanol Fuel Cellと称する。)が注目されている。かかるDMFCは、液体燃料の供給方式によって分類され、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式のものと、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式のものがあり、これらのうち、パッシブ方式のものはDMFCの小型化に対して特に有利である。 Therefore, a direct methanol fuel cell (hereinafter, referred to as DMFC; Direct Methanol Fuel Cell) has attracted attention as a fuel cell. Such DMFCs are classified according to the liquid fuel supply system, such as an active system such as a gas supply type and a liquid supply type, and an internal vaporization type that vaporizes the liquid fuel in the fuel storage section inside the battery and supplies it to the fuel electrode. Among these, the passive type is particularly advantageous for reducing the size of the DMFC.
従来、このようなパッシブ方式のDMFCとして、特許文献1に開示されるように、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体(燃料電池セル)を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造のものが考えられている。 Conventionally, as such a passive DMFC, as disclosed in Patent Document 1, for example, a membrane electrode assembly (fuel cell) having a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode is removed from a resin box-like container. The thing of the structure arrange | positioned on the fuel accommodating part which becomes is considered.
また、DMFCの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続する構成のものも特許文献2〜4に開示されている。これら特許文献2〜3は、燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整可能としたもので、特に、特許文献3では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給している。この場合、液体燃料を供給するためのポンプとして、例えば、特許文献4に開示されるような圧電素子(ダイヤフラム)を用いた圧電ポンプが知られている。
ところで、従来のDMFCを主発電部とした燃料電池には、燃料として高濃度なメタノールを用いられている。そして、このようなメタノールを燃料として高効率な発電動作を行うためには、例えば、50℃前後の高温で動作させることが望ましいとされている。 Incidentally, high-concentration methanol is used as a fuel in a conventional fuel cell using a DMFC as a main power generation unit. In order to perform a highly efficient power generation operation using such methanol as a fuel, for example, it is desirable to operate at a high temperature of about 50 ° C.
ところが、主発電部での温度を50℃前後で動作させると、携帯用電子機器などに用いられる小型の燃料電池では、発電部の熱が機器の筐体全体に伝達されるため、燃料を収納する燃料タンクを始め、燃料を送液するためのポンプ周辺部も高温になることがあり、通常、メタノールの定常気圧での沸点として知られている64.7℃に非常に近い温度で送液動作が行われることもある。 However, if the temperature of the main power generation unit is operated at around 50 ° C., in a small fuel cell used for portable electronic devices, the heat of the power generation unit is transferred to the entire housing of the device. The fuel tank and other parts around the pump for sending the fuel may become hot, and the liquid is usually sent at a temperature very close to 64.7 ° C., which is known as the boiling point of methanol at a steady pressure. An action may be performed.
一方、液体燃料の供給に用いられる圧電ポンプは、その駆動回路として、単純なスイッチング回路などで構成され略矩形波状の駆動電圧を発生するものが用いられている。 On the other hand, a piezoelectric pump used for supplying liquid fuel is a drive circuit that is configured by a simple switching circuit or the like and generates a substantially rectangular wave drive voltage.
ところが、このような駆動波形を、高温の雰囲気中で送液動作を行う圧電ポンプに対し供給すると、駆動波形の急激な立ち上がりにより圧電素子(ダイヤフラム)が急激に変形するため、燃料吸引時にポンプ室内の圧力が急激に低下することがある。このため、ポンプ室内の液体燃料中に気泡が発生する、所謂キャビテーションが発生しやすくなり、これが原因でポンプの吐出圧が低下して送液動作が不安定となり、安定した送液が難しくなるという問題を生じる。 However, if such a drive waveform is supplied to a piezoelectric pump that performs a liquid feeding operation in a high-temperature atmosphere, the piezoelectric element (diaphragm) is suddenly deformed due to a sudden rise in the drive waveform, so that the pump chamber The pressure may decrease rapidly. For this reason, so-called cavitation, in which bubbles are generated in the liquid fuel in the pump chamber, is likely to occur, and this causes the discharge pressure of the pump to drop and the liquid feeding operation to become unstable, making stable liquid feeding difficult. Cause problems.
そこで、従来、駆動電圧の波形として、サイン波形やノコギリ波形など立ち上がりの緩やかなものを用い、燃料吸引時にポンプ室内の圧力が急激に低下するのを回避してキャビテーションの発生を防止することが考えられている。しかし、駆動電圧として、サイン波形やノコギリ波形などを発生させるための駆動回路は、波形整形のために各種の能動素子を用いるなどの必要があり、回路構成が複雑になり、燃料電池システムの小型化を阻害するとともに、価格の上昇原因になるという問題があった。 Therefore, conventionally, it has been considered to use a sine waveform or a sawtooth waveform with a gradual rise as the drive voltage waveform to avoid a sudden drop in the pressure in the pump chamber during fuel suction to prevent cavitation. It has been. However, a drive circuit for generating a sine waveform, a sawtooth waveform, or the like as a drive voltage requires the use of various active elements for waveform shaping, which complicates the circuit configuration and reduces the size of the fuel cell system. In addition to hindering the transition, there was a problem of increasing prices.
また、駆動回路を構成するスイッチング回路の短絡事故などにより圧電ポンプ側に過電流が流れることがあるが、このような場合、駆動回路に直接圧電素子が接続されているので、圧電ポンプの圧電素子が過電流により破損する虞もあった。 In addition, an overcurrent may flow to the piezoelectric pump due to a short circuit accident of the switching circuit constituting the drive circuit. In such a case, since the piezoelectric element is directly connected to the drive circuit, the piezoelectric element of the piezoelectric pump However, there was a risk of damage due to overcurrent.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、圧電ポンプに安定した送液動作を得られるとともに、小型で、価格的にも安価な燃料電池システム及び圧電ポンプ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system and a piezoelectric pump device that can obtain a stable liquid feeding operation for a piezoelectric pump and are small and inexpensive. .
請求項1記載の発明は、燃料供給により電力を発電する燃料電池本体と、圧電素子を有し、該圧電素子の変形動作により燃料の吸引、排出動作を繰り返し前記燃料電池本体に燃料を供給する圧電ポンプと、矩形波状をした駆動波形の駆動電圧を発生し、該駆動電圧により前記圧電ポンプの圧電素子を駆動する駆動手段と、前記駆動手段と前記圧電素子の間に接続され、前記圧電素子固有の静電容量とともにRC積分回路を構成し前記駆動波形を立ち上がりの緩やかな波形に変形させる抵抗素子と、を具備したことを特徴としている。 The invention according to claim 1 has a fuel cell main body that generates electric power by supplying fuel and a piezoelectric element, and repeatedly supplies and discharges fuel to the fuel cell main body by a deformation operation of the piezoelectric element. A piezoelectric pump, a driving means for generating a driving voltage having a rectangular waveform, and driving the piezoelectric element of the piezoelectric pump by the driving voltage; connected between the driving means and the piezoelectric element; and the piezoelectric element It comprises an RC integration circuit together with a specific capacitance, and a resistance element that transforms the drive waveform into a gradually rising waveform.
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記駆動手段より生成される駆動波形は、正側半波と負側半波からなり、前記圧電ポンプは、前記駆動波形の正側半波により燃料の吸引動作、負側半波により燃料の排出動作を行うことを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the drive waveform generated by the drive means includes a positive half wave and a negative half wave, and the piezoelectric pump is connected to the positive side of the drive waveform. The fuel suction operation is performed by a half wave, and the fuel discharge operation is performed by a negative half wave.
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の発明において、前記抵抗素子に並列接続されるダイオードをさらに有し、前記駆動波形の正側半波又は負側半波の急峻な立ち上がりを維持させることを特徴としている。
The invention according to
請求項4記載の発明は、圧電素子を有し、該圧電素子の変形動作により燃料の吸引、排出動作を繰り返し前記燃料電池本体に燃料を供給する圧電ポンプと、矩形波状をした駆動波形からなる駆動電圧を発生し、該駆動電圧により前記圧電ポンプの圧電素子を駆動する駆動手段と、前記駆動手段と前記圧電素子の間に接続され、前記圧電素子固有の静電容量とともにRC積分回路を構成し、前記駆動波形を立ち上がりの緩やかな波形に変形させる抵抗素子と、を具備したことを特徴とした圧電ポンプ装置である。 The invention according to claim 4 includes a piezoelectric pump having a piezoelectric element, and repeatedly supplying and discharging fuel to the fuel cell body by a deformation operation of the piezoelectric element, and a drive waveform having a rectangular wave shape. A drive means that generates a drive voltage and drives the piezoelectric element of the piezoelectric pump by the drive voltage, and is connected between the drive means and the piezoelectric element, and constitutes an RC integration circuit together with the capacitance inherent to the piezoelectric element. And a resistance element that deforms the drive waveform into a gradually rising waveform.
本発明によれば、圧電ポンプに安定した送液動作を得られるとともに、小型で、価格的にも安価な燃料電池システム及び圧電ポンプ装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being able to obtain the stable liquid feeding operation | movement to a piezoelectric pump, it can provide the fuel cell system and piezoelectric pump apparatus which are small and cheap also in price.
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示している。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
図1において、1は燃料電池本体(DMFC)で、この燃料電池本体1は、起電部を構成する燃料電池発電部(セル)101、液体燃料を収容する燃料収容部102、燃料収容部102と燃料電池発電部(セル)101を接続する流路103及び燃料収容部102から燃料電池発電部(セル)101に液体燃料を移送するための燃料供給制御手段としての圧電ポンプ104を有している。この圧電ポンプ104については後述する。
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a fuel cell main body (DMFC). The fuel cell main body 1 includes a fuel cell power generation unit (cell) 101 that constitutes an electromotive unit, a
図2は、このような燃料電池本体1をさらに詳細に説明するための断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the fuel cell main body 1 in more detail.
この場合、燃料電池発電部101は、アノード触媒層11とアノードガス拡散層12とを有するアノード(燃料極)13と、カソード触媒層14とカソードガス拡散層15とを有するカソード(空気極/酸化剤極)16と、アノード触媒層11とカソード触媒層14とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜17とから構成される膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)を有している。
In this case, the fuel cell
ここで、アノード触媒層11やカソード触媒層14に含有される触媒としては、例えばPt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層11にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Mo等を用いることが好ましい。カソード触媒層14にはPtやPt−Ni等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
Here, examples of the catalyst contained in the
電解質膜17を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂(ナフィオン(登録商標)(商品名、デュポン社製)やフレミオン(登録商標)(商品名、旭硝子社製)等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜17はこれらに限られるものではない。
Examples of the proton conductive material constituting the
アノード触媒層11に積層されるアノードガス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層11の集電体も兼ねている。カソード触媒層14に積層されるカソードガス拡散層15は、カソード触媒層14に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層14の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層15は多孔質基材で構成されている。
The anode
アノードガス拡散層12やカソードガス拡散層15には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばAu、Niのような導電性金属材料からなる多孔質層(例えば、メッシュ)、多孔質膜、箔体あるいはステンレス鋼(SUS)などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。電解質膜17と後述する燃料分配機構105およびカバープレート18との間には、それぞれゴム製のOリング19が介在されており、これらによって燃料電池発電部101からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。
A conductive layer is laminated on the anode
カバープレート18は酸化剤である空気を取入れるための不図示の開口を有している。カバープレート18とカソード16との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層14で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層14への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。
The
燃料電池発電部101のアノード(燃料極)13側には、燃料分配機構105が配置されている。燃料分配機構105には配管のような液体燃料の流路103を介して燃料収容部102が接続されている。
A
燃料収容部102には、燃料電池発電部101に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部102には燃料電池発電部101に応じた液体燃料が収容される。
Liquid fuel corresponding to the fuel cell
燃料分配機構105には燃料収容部102から流路103を介して燃料が導入される。流路103は燃料分配機構105や燃料収容部102と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構105と燃料収容部102とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ燃料の流路であってもよい。燃料分配機構105は流路103を介して燃料収容部102と接続されていればよい。
Fuel is introduced into the
ここで、燃料分配機構105は図3に示すように、燃料が流路103を介して流入する少なくとも1個の燃料注入口21と、燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口22とを有する燃料分配板23を備えている。燃料分配板23の内部には図2に示すように、燃料注入口21から導かれた燃料の通路となる空隙部24が設けられている。複数の燃料排出口22は燃料通路として機能する空隙部24にそれぞれ直接接続されている。
Here, as shown in FIG. 3, the
燃料注入口21から燃料分配機構105に導入された燃料は空隙部24に入り、この燃料通路として機能する空隙部24を介して複数の燃料排出口22にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口22には、例えば燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体(図示せず)を配置してもよい。これによって、燃料電池発電部101のアノード(燃料極)13には燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構105とアノード13との間に気液分離膜等として設置してもよい。燃料の気化成分は複数の燃料排出口22からアノード13の複数個所に向けて排出される。
The fuel introduced into the
燃料排出口22は燃料電池発電部101の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板23のアノード13と接する面に複数設けられている。燃料排出口22の個数は2個以上であればよいが、燃料電池発電部101の面内における燃料供給量を均一化する上で、0.1〜10個/cm2の燃料排出口22が存在するように形成することが好ましい。
A plurality of
燃料分配機構105と燃料収容部102の間を接続する流路103には、燃料移送制御手段としての圧電ポンプ104が挿入されている。この圧電ポンプ104は、図4に示すように中空部を有するポンプ本体1041を有している。このポンプ本体1041は、内部が可撓性を有する隔壁1042により第1の空間部1043と第2の空間部1044に2分割されている。隔壁1042は、第2の空間部1044側の面に圧電素子1045が設けられている。この圧電素子1045は、バイモルフタイプのものからなっている。また、圧電素子1045は、後述する駆動回路5より発生される駆動電圧により変形動作するもので、ここでは、駆動電圧として後述する矩形波状をした駆動波形が用いられ、かかる駆動波形の正側半波により図示破線a状態に湾曲動作され、負側半波により図示破線b状態に湾曲動作される。また、第1の空間部1043は、側面に上述した燃料収容部102に接続される燃料供給口1046が、正面に上述した燃料電池発電部101側の燃料分配機構105に接続される燃料排出口1047がそれぞれ設けられ、圧電素子1045の図示破線a状態の湾曲動作により第1の空間部1043内の圧力を低下させて燃料収容部102の燃料を燃料供給口1046を通して第1の空間部1043に吸引し、圧電素子1045の図示破線b状態の湾曲動作により第1の空間部1043内の圧力を上昇させて、第1の空間部1043内の燃料を燃料排出口1047を通して燃料電池発電部101に強制排出するようにしている。この場合、燃料供給口1046、燃料排出口1047には、燃料の逆流を阻止するための逆止弁(不図示)が設けられる。
A
この圧電ポンプ104は燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部102から燃料分配機構105に燃料を移送する燃料供給ポンプである。このような圧電ポンプ104で必要時に燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めるものである。
The
このような構成において、燃料収容部102に収容された燃料は、圧電ポンプ104により流路103を移送され、燃料分配機構105に供給される。そして、燃料分配機構105から放出された燃料は、燃料電池発電部101のアノード(燃料極)13に供給される。燃料電池発電部101内において、燃料はアノードガス拡散層12を拡散してアノード触媒層11に供給される。燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層11で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層14で生成した水や電解質膜17中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
In such a configuration, the fuel stored in the
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
この反応で生成した電子(e-)は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる出力として負荷側に供給された後、カソード(空気極)16に導かれる。また、(1)式の内部改質反応で生成したプロトン(H+)は電解質膜17を経てカソード16に導かれる。カソード16には酸化剤として空気が供給される。カソード16に到達した電子(e-)とプロトン(H+)は、カソード触媒層14で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成される。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
Electrons (e − ) generated by this reaction are guided to the outside via a current collector, supplied to the load side as so-called output, and then guided to the cathode (air electrode) 16. Further, protons (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) are guided to the
6e-+6H++(3/2)O2 → 3H2O …(2)
図1に戻って、このように構成された燃料電池本体1は、燃料電池発電部(セル)101に出力検出部6及び出力調整手段としてDC−DCコンバータ(電圧調整回路)2が接続されている。出力検出部6は、燃料電池発電部(セル)101の出力、例えば出力電流を検出し、この出力電流に対応する検出信号を制御部7に出力する。
6e − + 6H + + (3/2) O 2 → 3H 2 O (2)
Returning to FIG. 1, the fuel cell main body 1 configured as described above includes a fuel cell power generation unit (cell) 101 connected to an
DC−DCコンバータ2は、不図示のスイッチング要素とエネルギー蓄積要素を有し、これらスイッチング要素とエネルギー蓄積要素により燃料電池本体1で発電された電気エネルギーを蓄積/放出させ、燃料電池本体1からの比較的低い出力電圧を十分の電圧まで昇圧して生成される出力を発生する。このDC−DCコンバータ2の出力は、補助電源4に供給される。なお、ここでは標準的な昇圧型のDC−DCコンバータ2を示したが、昇圧動作が可能なものならば、他の回路方式のものでも実施可能である。 The DC-DC converter 2 includes a switching element and an energy storage element (not shown). The DC-DC converter 2 stores / releases electric energy generated by the fuel cell body 1 by the switching element and the energy storage element, An output generated by boosting a relatively low output voltage to a sufficient voltage is generated. The output of the DC-DC converter 2 is supplied to the auxiliary power supply 4. Although the standard boost type DC-DC converter 2 is shown here, other circuit systems can be used as long as the boost operation is possible.
DC−DCコンバータ2の出力端には、補助電源4が接続され、所謂ハイブリッド型燃料電池を構成している。この補助電源4は、DC−DCコンバータ2の出力により充電可能としたもので、電子機器本体3の瞬間的な負荷変動に対して電流を供給し、また、燃料枯渇状態になって前記燃料電池本体1が発電不能に陥った場合に電子機器本体3の駆動電源として用いられる。この補助電源4には、充放電可能な二次電池(例えばリチウムイオン充電池(LIB))や電気二重層コンデンサ)が用いられる。
An auxiliary power supply 4 is connected to the output end of the DC-DC converter 2 to constitute a so-called hybrid fuel cell. The auxiliary power supply 4 can be charged by the output of the DC-DC converter 2 and supplies a current to an instantaneous load fluctuation of the electronic device
補助電源4には、駆動回路5が接続されている。この駆動回路5には、抵抗素子8を介して圧電ポンプ104の圧電素子1045が接続されている。つまり、圧電素子1045に直列に抵抗素子8が接続されている。駆動回路5は、補助電源4を電源として圧電ポンプ104を駆動するための駆動電圧を発生するもので、制御部7の制御信号により不図示のスイッチング素子がオンオフされ、図5(a)に示すような矩形波状をした駆動波形を出力する。抵抗素子8は、圧電素子1045が固有の静電容量を有することから、かかる圧電素子1045の静電容量とともにRC積分回路を構成し、かかるRC積分回路の時定数により、駆動波形を図5(b)に示すように立ち上がりの緩やかな波形に変形させる。
A
駆動回路5には、制御部7が接続されている。制御部7は、システム全体を制御するもので、出力設定部701およびポンプ制御部702を有している。出力設定部701は、出力検出部6の検出信号と予め設定される目標値との比較結果に基づいて燃料電池本体1の出力(発電量)を設定する。ポンプ制御部702は、出力設定部701で設定される出力(発電量)に基づいて駆動回路5の不図示のスイッチング素子のオンオフとともに、駆動回路5の動作期間、つまり圧電ポンプ104の動作期間を決定する制御信号を出力する。
A controller 7 is connected to the
次に、このように構成された実施の形態の作用を説明する。 Next, the operation of the embodiment configured as described above will be described.
いま、燃料電池システムが起動モードに設定されると、燃料電池発電部101に圧電ポンプ104を介して燃料が供給される。そして、燃料電池発電部101で発電された出力がDC−DCコンバータ2で十分な電圧まで昇圧され、電子機器本体3に供給されるとともに、補助電源4に充電される。
Now, when the fuel cell system is set to the startup mode, fuel is supplied to the fuel cell
この状態で、制御部7の出力設定部701において出力検出部6の検出信号と予め設定される目標値との比較結果に基づいて燃料電池本体1の出力(発電量)が設定され、ポンプ制御部702より出力設定部701で設定される出力(発電量)に基づいた制御信号が出力される。これにより、駆動回路5の不図示のスイッチング素子のオンオフとともに、駆動回路5の動作期間、つまり圧電ポンプ104の動作期間が制御され、燃料電池発電部101の出力(発電量)が目標値に応じて制御される。
In this state, the
この場合、駆動回路5は、ポンプ制御部702の制御信号により不図示のスイッチング素子がオンオフされ、駆動電圧として図5(a)に示すような矩形波状をした駆動波形を出力する。この駆動波形は、固有の静電容量を有す圧電素子1045と抵抗素子8により構成されるRC積分回路の時定数により図5(b)に示すように立ち上がりの緩やかな波形に変形され、圧電ポンプ104に供給される。この状態で、圧電ポンプ104は、図4に示すように駆動波形の正側半波p(図5(b)参照)で圧電素子1045が図示破線a状態に湾曲動作され、駆動波形の負側半波n(図5(b)参照)で図示破線b状態に湾曲動作される。この場合、圧電素子1045の図示破線a状態の湾曲動作により第1の空間部1043内の圧力が低下するので、燃料収容部102の燃料が燃料供給口1046より第1の空間部1043内に吸引され、また、圧電素子1045の図示破線b状態の湾曲動作により第1の空間部1043内の圧力を上昇するので、第1の空間部1043内の燃料が燃料排出口1047より燃料電池発電部101側に強制排出され、これら動作の繰り返しにより送液動作が行われる。この場合、圧電ポンプ104は、燃料供給口1046より燃料を吸引するタイミングでは、駆動電圧して図5(b)に示すように立ち上がりの緩やかな駆動波形が印加されるので、かかる燃料吸引時にポンプ内の圧力が急激に低下するようなことが無くなり、第1の空間部1043内の燃料中に気泡が発生する、所謂キャビテーションの発生を確実に防止することができる。
In this case, the
したがって、このようにすれば、電力を発電する燃料電池発電部101の燃料供給に圧電素子の湾曲動作により燃料の吸引、排出動作を繰り返しポンプ動作を行う圧電ポンプ104を用い、かかる圧電ポンプ104の圧電素子1045を矩形波状の駆動波形の駆動電圧を発生する駆動回路5により駆動するとともに、圧電素子1045と直列に抵抗素子8を接続して圧電素子固有の静電容量とともにRC積分回路を構成し、圧電素子1045に対し駆動波形を、立ち上がりを緩やかにした波形に変形して供給するようにした。これにより、圧電ポンプ104の吸引動作の際には、立ち上がりの緩やかな駆動波形が圧電素子104に与えられるようになり、かかる吸引動作時に圧電ポンプ104内の圧力が急激に低下するのを防止するようにできるので、圧電ポンプ104内の燃料中に気泡が発生する、所謂キャビテーションの発生を確実に防止することができ、圧電ポンプ104に十分大きな吐出圧を得られ、安定した送液動作を得ることができる。
Therefore, in this case, the
また、駆動回路5と圧電素子1045の間に抵抗素子8を接続するのみの構成で、立ち上がりを緩やかにした駆動波形を得られるようにしたので、従来のサイン波形やノコギリ波形などを発生させる駆動回路として波形整形のために各種の能動素子を用いたものと比べて、回路構成を簡単化でき、小型で、価格的にも安価な燃料電池システムを実現できる。
In addition, a drive waveform with a gentle rise is obtained by simply connecting the
さらに、駆動回路5を構成する不図示のスイッチング素子に短絡事故などが発生すると、駆動回路5より圧電ポンプ104に過電流が流れることがあるが、このような場合、駆動回路5と圧電ポンプ104の間に直列に抵抗素子8が接続されているので、かかる抵抗素子8による限流作用により圧電ポンプ104への過電圧の流入を阻止することができ、圧電素子が過電流により破損するようなことも防止することができる。
Furthermore, when a short circuit accident or the like occurs in a switching element (not shown) constituting the
(変形例)
第1の実施の形態では、駆動回路5と圧電ポンプ104の間に直列に抵抗素子8を接続し、固有の静電容量を有す圧電素子1045と抵抗素子8により構成されるRC積分回路の時定数により図5(b)に示すように立ち上がりの緩やかな駆動波形を生成して圧電素子1045に供給するようにしたが、このようにすると、駆動波形の負側半波により圧電素子1045を図示破線b状態に湾曲動作させる場合も立ち上がりの緩やかな駆動波形により駆動されるため、燃料排出時の第1の空間部1043内の圧力が低下し、燃料の供給量が低下する虞がある。そこで、この変形例では、図1に示すように抵抗素子8に対し図示破線で示す図示極性のダイオード9を並列に接続するようにした。その他は、図1と同様である。
(Modification)
In the first embodiment, a
このようにすると、駆動回路5より駆動電圧として、図6(a)に示すような矩形波状の駆動波形が出力されると、この駆動波形の正側半波pでは、固有の静電容量を有す圧電素子1045と抵抗素子8の直列回路により構成されるRC積分回路の時定数により図6(b)に示すように立ち上がりの緩やかな波形に変形され、圧電ポンプ104に供給される。また、駆動波形の負側半波nでは、図示極性のダイオード9により抵抗素子8が短絡状態となりRC積分回路が作用しないので、図6(b)に示すように急峻の立ち上がりを維持した波形のまま圧電ポンプ104に供給される。これにより、圧電ポンプ104は、燃料を吸引するときは、立ち上がりの緩やかな正側半波pの駆動波形の駆動電圧が供給されるが、燃料を排出するときは、急峻な立ち上がりの負側半波nの駆動電圧が供給されるようになるので、燃料排出時の第1の空間部1043内の圧力を十分高めることができ、燃料の供給量が低下するのを防止して燃料電池発電部101への十分な燃料供給を確保することができる。
In this manner, when a rectangular driving waveform as shown in FIG. 6A is output from the driving
なお、ここでは、圧電ポンプ104の燃料吸引時に駆動電圧の正側半波、燃料排出時に駆動電圧の負側半波を印加する場合のダイオード9の接続例を示したが、燃料吸引時に駆動電圧の負側半波、燃料排出時に駆動電圧の正側半波を印加する構成の圧電ポンプを使用する場合には、抵抗素子8に対しダイオード9の極性を逆に接続する必要があることは言うまでもない。
Here, an example of connection of the diode 9 in the case where the positive half wave of the drive voltage is applied when the
このようにしても、第1の実施の形態と同様な効果を得ることができる。 Even if it does in this way, the effect similar to 1st Embodiment can be acquired.
ちなみに、実験の結果によると、従来の矩形波状をした駆動波形による圧電素子の駆動では、燃料電池発電部101の発熱温度が25℃の常温で圧電ポンプ104の吐出圧を100%とした状態から燃料電池本体1の発熱温度が55℃まで上昇すると、圧電ポンプ104の吐出圧が40%まで低下していたが、本願発明の圧電素子1045と直列に抵抗素子8を接続し圧電素子1045固有の静電容量とともにRC積分回路を構成したものでは、このときのRC積分回路の時定数を0.01程度以上とした場合、燃料電池本体1の発熱温度が55℃まで上昇しても、圧電ポンプ104の吐出圧を70%以上に回復することが確認され、圧電ポンプ104に安定した送液動作を得ることができた。また、上述の変形例で述べた抵抗素子8と並列にさらにダイオード9を接続すると、このときもRC積分回路の時定数を0.01程度以上とした場合、燃料電池本体1の発熱温度が55℃まで上昇しても、圧電ポンプ104の吐出圧を85%程度まで回復することが確認でき、圧電ポンプ104にさらに安定した送液動作を得ることができることできた。
By the way, according to the result of the experiment, in the conventional driving of the piezoelectric element with the driving waveform having a rectangular wave shape, the discharge temperature of the
その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, In the implementation stage, it can change variously in the range which does not change the summary.
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されてい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できる。例えば、実施の形態に示されてい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を解決でき、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できる。 Furthermore, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and is described in the column of the effect of the invention. If the above effect is obtained, a configuration from which this configuration requirement is deleted can be extracted as an invention.
さらに燃料電池発電部へ供給される液体燃料の気化成分においても、全て液体燃料の気化成分を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。 Further, the vaporized component of the liquid fuel supplied to the fuel cell power generation unit may be all supplied as the vaporized component of the liquid fuel, but the present invention is applied even when a part is supplied in the liquid state. be able to.
1…燃料電池本体、101…燃料電池発電部
102…燃料収容部、103…流路
104…圧電ポンプ、1041…ポンプ本体1041
1042…隔壁、1043…第1の空間部、1044…第2の空間部
1045…圧電素子、1046…燃料供給口、1047…燃料排出口
105…燃料分配機構、106…温度センサ、2…DC/DCコンバータ、
3…電子機器本体、4…補助電源、5…駆動回路
6…出力検出部、7…制御部、701…出力設定部、702…ポンプ制御部、
8…抵抗素子、9…ダイオード、11…アノード触媒層、12…アノードガス拡散層
13…アノード、14…カソード触媒層
15…カソードガス拡散層、16…カソード
17…電解質膜、18…カバープレート
19…Oリング、21…燃料注入口
22…燃料排出口、23…燃料分配板
24…空隙部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell main body, 101 ... Fuel cell
1042 ... Partition, 1043 ... First space portion, 1044 ...
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (4)
圧電素子を有し、該圧電素子の変形動作により燃料の吸引、排出動作を繰り返し前記燃料電池本体に燃料を供給する圧電ポンプと、
矩形波状をした駆動波形の駆動電圧を発生し、該駆動電圧により前記圧電ポンプの圧電素子を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段と前記圧電素子の間に接続され、前記圧電素子固有の静電容量とともにRC積分回路を構成し前記駆動波形を立ち上がりの緩やかな波形に変形させる抵抗素子と、
を具備したことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell main body that generates electric power by supplying fuel; and
A piezoelectric pump having a piezoelectric element and supplying fuel to the fuel cell main body by repeatedly sucking and discharging the fuel by a deformation operation of the piezoelectric element;
Driving means for generating a driving voltage having a rectangular waveform and driving the piezoelectric element of the piezoelectric pump by the driving voltage;
A resistance element connected between the driving means and the piezoelectric element, and forming an RC integration circuit together with a capacitance specific to the piezoelectric element, and transforming the driving waveform into a gradually rising waveform;
A fuel cell system comprising:
前記圧電ポンプは、前記駆動波形の正側半波により燃料の吸引動作、負側半波により燃料の排出動作を行うことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 The driving waveform generated by the driving means consists of a positive half wave and a negative half wave,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the piezoelectric pump performs a fuel suction operation by a positive half-wave of the drive waveform and a fuel discharge operation by a negative half-wave.
矩形波状をした駆動波形からなる駆動電圧を発生し、該駆動電圧により前記圧電ポンプの圧電素子を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段と前記圧電素子の間に接続され、前記圧電素子固有の静電容量とともにRC積分回路を構成し、前記駆動波形を立ち上がりの緩やかな波形に変形させる抵抗素子と、
を具備したことを特徴とする圧電ポンプ装置。 A piezoelectric pump having a piezoelectric element and supplying fuel to the fuel cell main body by repeatedly sucking and discharging the fuel by a deformation operation of the piezoelectric element;
A driving means for generating a driving voltage having a rectangular driving waveform and driving the piezoelectric element of the piezoelectric pump by the driving voltage;
A resistance element connected between the driving means and the piezoelectric element, forming an RC integration circuit together with a capacitance inherent to the piezoelectric element, and transforming the driving waveform into a gradually rising waveform;
A piezoelectric pump device comprising:
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