JP2006054976A

JP2006054976A - 燃料電池搭載機器

Info

Publication number: JP2006054976A
Application number: JP2004236275A
Authority: JP
Inventors: Tamahiko Kanouda; 玲彦叶田; Mutsumi Kikuchi; 睦菊地; Hideaki Koyama; 英昭小山; Eisaku Fujita; 栄作藤田; Yasuaki Norimatsu; 泰明乗松
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-08-16
Filing date: 2004-08-16
Publication date: 2006-02-23
Also published as: US7728545B2; US20060035116A1

Abstract

【課題】
燃料電池は化学エネルギーを電力に変換する発電機であるため、燃料電池を起動させてから負荷（例えば電子機器）が要求する電力を安定して供給するためには時間がかかるという課題がある。
本発明の目的は、燃料電池と二次電池を複数搭載した電源システムにより安定して動作する機器を提供する。
【解決手段】
燃料電池搭載機器において、複数の二次電池を機器内に有し、二次電池は、機器内の負荷に電力を供給する第１の状態と、燃料電池から供給される電力を充電する第２の状態を有し、第１の状態と第２の状態とを切り替えて使用することを特徴とする燃料電池搭載情報機器。
【選択図】図１

Description

本発明は、アノード，電解質膜，カソード，拡散層から構成される膜／電極接合体
（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）のアノードで液体の燃料が酸化され、カソードで酸素が還元される燃料電池を搭載した燃料電池搭載機器に関する。

燃料電池は少なくとも固体又は液体の電解質及び所望の電気化学反応を誘起する二個の電極，アノード及びカソードから構成され、その燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに高効率で変換する発電機である。燃料には化石燃料或いは水などから化学変換された水素、通常の環境で液体或いは溶液であるメタノール，アルカリハイドライドやヒドラジン又は加圧液化ガスであるジメチルエーテルが用いられ、酸化剤ガスには空気又は酸素ガスが用いられる。

燃料はアノードにおいて電気化学的に酸化され、カソードでは酸素が還元されて、両電極間には電気的なポテンシャルの差が生じる。このときに外部回路として負荷が両極間にかけられると電解質中にイオンの移動が生起し外部負荷には電気エネルギーが取り出される。このために各種の燃料電池は、火力機器代替の大型発電システム、小型分散型コージェネレーションシステムやエンジン発電機代替の電気自動車電源としての期待は高く、実用化開発が活発に展開されている。

こうした燃料電池の中でも、液体燃料を使用する直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell ）やメタルハイドライド、ヒドラジン燃料電池は燃料の体積エネルギー密度が高いために小型の可搬型又は携帯型の電源として有効なものとして注目され、中でも取り扱いが容易で、近い将来バイオマスからの生産も期待されるメタノールを燃料とするＤＭＦＣは理想的な電源システムといえる。

特許文献１には、燃料電池と並列につながれた複数の二次電池とのハイブリッドシステムについて開示がある。

特開２００２−２１６７８２

燃料電池は化学エネルギーを電力に変換する発電機であるため、燃料電池を起動させてから負荷（例えば電子機器）が要求する電力を安定して供給するためには時間がかかるという課題がある。

本発明の目的は、燃料電池と二次電池を複数搭載した電源システムにより安定して動作する機器を提供する。

燃料電池搭載機器において、複数の二次電池を機器内に有し、二次電池は、機器内の負荷に電力を供給する第１の状態と、燃料電池から供給される電力を充電する第２の状態を有し、第１の状態と第２の状態とを切り替えて使用することを特徴とする燃料電池搭載情報機器。

燃料電池と複数の二次電池とを搭載した電源システムにより安定して動作する機器を得ることができる。

以下に本発明にかかる実施の形態について説明するが、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。

本実施の形態に用いられるメタノールを燃料とする燃料電池では、以下に示す電気化学反応でメタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。アノード側では供給されたメタノール水溶液が（１）式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオンと電子に解離する（メタノールの酸化反応）。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（１）
生成された水素イオンは電解質膜中をアノード側からカソード側に移動し、カソード電極上で空気中から拡散してきた酸素ガスと電極上の電子と（２）式に従って反応して水を生成する（酸素の還元反応）。

６Ｈ⁺＋３／２Ｏ₂＋６ｅ^- → ３Ｈ₂Ｏ …（２）
従って発電に伴う全化学反応は（３）式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水とを生成し、化学反応式はメタノールの火炎燃焼と同じになる。

ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂ → ＣＯ₂＋３Ｈ₂Ｏ …（３）
単位電池の開路電圧は概ね１.２Ｖで燃料が電解質膜を浸透する影響で実質的には0.85〜１.０Ｖであり、特に限定されるものではないが実用的な負荷運転の下での電圧は０.２〜０.６Ｖ程度の領域が選ばれる。従って実際に電源として用いる場合には負荷機器の要求にしたがって所定の電圧が得られるように単位電池を直列接続して用いられる。単電池の出力電流密度は電極触媒，電極構造その他の影響で変化するが、実効的に単電池の発電部面積を選択して所定の電流が得られるように設計される。また、適宜、並列に接続することで電池容量を調整することが可能である。本実施の形態では、単位電池の定格電圧を０.３Ｖとし、単位電池を６個用いた。

燃料電池は電気化学反応で発電するため、起動時の供給電力の立ち上がりに時間を要する、低温での出力が低下する、燃料切れ時の出力ダウンなどの場合、負荷装置の動作を補償する必要がある。このような燃料電池不調時でもモバイル機器を安全かつ確実に動作させることは課題のひとつである。

この課題を解決するために、本体内部にリチウムイオン二次電池（以下Ｌｉ電池と表記する）やニッケル水素電池などの二次電池を搭載して、燃料電池からの電力を充電しながら負荷に放電する動作が考えられるが、充放電管理が複雑になり回路規模が大きくなるという課題があり、ＡＣアダプタから内部のＬｉ電池を充電することも考慮すると、この際の燃料電池の挙動が課題となる。すなわち、本体内部のＬｉ電池をＡＣから充電するのか、あるいは燃料電池から充電するのか、という課題もある。

本発明に係る一実施例によれば、出力の不安定な燃料電池からの電力を最大限に利用しつつ、負荷を安定に駆動するための電源システムを得ることができる。

本実施例では、まずＬｉ電池を２つ以上用意する。二次電池の数は３つ以上でもよいが、携帯用途の場合のように、電源システムの大きさも制限される場合には２つとするのが好ましい。また、ある程度出力を求められるような場合には、３つ以上が良いが、充電状態にある二次電池の組と放電状態にある二次電池の組とが同じ容量である方が制御が容易であるため二次電池の数は偶数が好ましい。

一方のＬｉ電池を燃料電池に接続して充電し、他方のＬｉ電池を負荷に接続して放電させる。Ｌｉ電池の残量はそれぞれ電流積分により管理し、放電側の残量がゼロになった場合、あるいは充電側の残量が満充電になった場合には充電側のＬｉ電池と放電側のＬｉ電池を電気回路で切り替え、運転を継続するものである。このとき、負荷への電力供給を遮断しないように、負荷側への放電は複数のＬｉ電池からの放電ルートが重なるようにして繊維させる。

また、燃料電池の電圧が所定の値以下である場合には、出力低下と判断し、Ｌｉ電池への充電を停止する。

また、機器を使用しない夜間などは、ＡＣアダプタを機器に接続することで、燃料電池からＬｉ電池への充電を停止するとともに、ＡＣアダプタから入力される電力で複数の
Ｌｉ電池への充電を同時に行う。これにより、充電を高速に行うことができる。

さらに、燃料電池の出力電流を予め定めた値以下に制限する機能を持ったコンバータを燃料電池の出力側に接続し、出力電流を管理するとともに、燃料電池にサーミスタを取り付け、過熱した際には燃料電池出力電流を制限、あるいは遮断する機能を有する。

２次電池の容量は例えば１.８Ａｈなど表示されており、これは１.８Ａの電流で１時間充電すれば満充電になることを意味する。この１時間で満充電に至る電流を１ｃと表現する。Ｌｉ電池の充電方法としては、一般に０.５ｃ〜１ｃの一定電流を電池に通流して定電流充電し、４.２０Ｖに至った時点で電圧を一定に保つ定電圧充電に切り替える。そして、定電圧充電での通流電流が０.０１ｃ程度以下になった時点で満充電と判定する。ニッケル水素電池でも同様な充電方法をとるが、定電流充電から定電圧充電への移行電圧は１.４Ｖである。

本発明に係る実施例１について、図１と図２を用いて詳しく説明する。図１は本実施例にかかる燃料電池搭載情報機器の全体構成を示したものである。

図１において、モバイル機器本体６内にはＬｉ電池１８ａおよび１８ｂがある。この電池は、ニッケル水素電池やニッケルカドミウム電池などの他の二次電池でも構わない。
Ｌｉ電池１８ａ，１８ｂには、それぞれ電圧監視回路１９ａ，１９ｂが接続され、Ｌｉ電池の入出力経路に電流積分回路２０ａ，２０ｂが接続され、この出力は電源管理回路２１に出力される。また、Ｌｉ電池の入力側には、充電制御回路７ａ，７ｂがあって充電電流および電圧を制御しており、出力側には放電スイッチ８ａ，８ｂ，８ｃがあり、これらの放電スイッチを切り替えることによりＤＣ／ＤＣコンバータ９に供給される電源を選択する。放電スイッチ８ａ〜８ｃにはオン抵抗の比較的小さなパワーＭＯＳＦＥＴを用いるのが最適であるが、リレーなど他の手段を用いても良い。ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力は負荷１０に供給される。モバイル機器本体６には、ＡＣアダプタ２を接続するコネクタ３と、燃料電池ユニット１１を接続するコネクタ１６を有している。

燃料電池ユニット１１内にはＤＭＦＣ１２があり、コネクタ１３を介してＯＣＶ（OpenCircuit Voltage ）保護回路１４に接続される。コネクタ１３は、ＤＭＦＣ本体の保守、あるいは交換の際、ＤＭＦＣとＯＣＶ保護回路１４との配線を簡単に挿抜できるように設置されている。ＯＣＶ保護回路１４はＤＭＦＣが無負荷状態で発電状態になった際に発生するＯＣＶによって昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１５やモバイル機器本体６を破壊しないようにするために設けられている。昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、ＤＭＦＣ１２の出力電圧を昇圧して安定化する役割を持つ。本実施の形態におけるＤＭＦＣの直列セル数は８セル、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧は約５.０Ｖである。

まず、図２のＤＭＦＣ駆動状態１を説明する。この状態においては、ＡＣアダプタ２はコネクタ３に接続されておらず、燃料電池ユニット１１はコネクタ１６に接続されている。モバイル機器本体６内では、図２に記載しているように、この状態では状態制御信号
１７はＡＣアダプタがないためオンであり、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は動作状態である。また、充電制御回路７ｂがオン、充電制御回路７ａはオフであるため、コネクタ
１６を介して供給される燃料電池ユニット１１の電力は、充電制御回路７ｂを介してＬｉ電池１８ｂを充電する。この際には、電流積分回路２０ｂにより、充電電流と時間を詳細に計測し、電源管理回路２１では、これらの情報から算出したＬｉ電池１８ｂの残量を計算する。一方、この状態では放電スイッチ８ｂはオンであり、Ｌｉ電池１８ａは放電スイッチ８ｂを介してＤＣ／ＤＣコンバータ９に接続される。負荷１０に対しては、この経路でＬｉ電池１８ａの電荷が放電される。Ｌｉ電池１８ａの出力電流は電流積分回路２０ａによって検出し、電源管理回路２１で管理されている。

次に、ＤＭＦＣ駆動状態２を説明する。ＤＭＦＣ駆動状態１から２への遷移条件は、上のＤＭＦＣ駆動状態１において、Ｌｉ電池１８ａの残量が少なくなった場合、あるいは
Ｌｉ電池１８ｂの残量が満充電になった場合が想定される。これらの場合には、電源管理回路２１でＬｉ電池１８ａ，１８ｂの状態を把握し、まず充電制御回路７ｂをオフし、放電スイッチ８ｃをオンしてＬｉ電池１８ｂからＤＣ／ＤＣコンバータ９への放電パスを確保する。そして、放電スイッチ８ｂをオフしてＬｉ電池１８ａからの放電を遮断するとともに、充電制御回路７ａの動作をオンする。ＡＣアダプタは接続されていないため状態制御信号１７はオンであり、燃料電池ユニット１１からの電力昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５，充電制御回路７ａを介してＬｉ電池１８ａに充電される。

通常の使用状態においては、このＤＭＦＣ駆動状態１，２の状態をＬｉ電池１８ａ，
１８ｂの状態を監視しながら切り替えて使用する。

Ｌｉ電池１８ａ，１８ｂにとっては、常に充電状態と放電状態が明確に切り分けられているため、残量管理が容易であり、Ｌｉ電池にとって問題のある使い方にならないよう、安全に使用することができる。また、ＤＭＦＣから負荷への直接の電力パスはないため、ＤＭＦＣの状態が負荷に直接影響を及ぼすことがないため、機器を安定に駆動することができる。

次に、Ｌｉ電池駆動状態１を説明する。この状態は、ＡＣアダプタが接続されておらず、かつ燃料電池ユニット１１が接続されていないか、あるいは、燃料電池ユニット１１が接続されていても、このＤＭＦＣからの出力電圧が低く、給電できない場合に起こり得る状態である。ＤＭＦＣからの出力が十分ではなく、たとえばＤＭＦＣの端子電圧が０.７Ｖを切る場合には、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１５をオフし、燃料電池ユニット１１の出力はゼロにする。このときには、図２に記載したように、状態制御信号１７はオンであるが、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１５はオフ、充電制御回路７ａ，７ｂがオフ、放電スイッチ８ａ，８ｃがオフ、８ｂがオンとなる。そこでこの状態においては、Ｌｉ電池１８ａからＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して負荷１０に電力を供給する。

このように、本実施例においては、燃料電池の出力が急激に低下しても、それに伴う負荷への影響はなく、負荷を安定して駆動することが可能である。

次に、Ｌｉ電池駆動状態２を説明する。この状態は、上記のＬｉ電池駆動状態１において、Ｌｉ電池１８ａの残量がなくなった場合に起こる状態である。この状態では、放電スイッチ８ｂをオンしたまま、放電スイッチ８ｃをオンし、Ｌｉ電池１８ｂからＤＣ／ＤＣコンバータ９への放電パスを確立させてから、放電スイッチ８ｂをオフする。このようにしてＬｉ電池１８ｂの電力を負荷に供給する。

次に、夜間等、モバイル機器本体６を使用しないときには、商用ＡＣから充電する。この状態は図２に示すＡＣ充電状態である。このとき、ＡＣアダプタ２は商用電源１に接続され、コネクタ３を介してモバイル機器本体６に接続される。モバイル機器本体６内では、電圧監視回路４により入力電圧を認識し、状態制御信号１７をオフ、この結果、昇圧
ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は停止し、ＤＭＦＣからの電力はモバイル機器本体６に入力されなくなる。図２に示すように、この状態では、充電制御回路７ａ，７ｂはオン、放電スイッチ８ａがオン、８ｂ，８ｃはオフである。そこで、ＡＣアダプタ２から入力された電力は、ダイオード５を介して充電制御回路７ａおよび７ｂに入力され、それぞれＬｉ電池１８ａ，１８ｂを充電する一方、放電スイッチ８ａ，ＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して負荷１０に電力を供給する。なお、この状態では負荷はスリープ状態であり、ＡＣアダプタからの入力電力はもっぱらＬｉ電池１８ａ，１８ｂの充電に充てられる。

Ｌｉ電池１８ａ，１８ｂにとっては、専用の充電制御回路７ａ，７ｂにより電池の状態を見ながら最適な充電が行えるため、電池管理がしやすく、劣化がなく、過充電等の心配もない。

また、この状態は、Ｌｉ電池１８ａ，１８ｂの両方が完全に放電していても、ＡＣアダプタからの電力が供給できる状態であり、この状態にすることで、いつでも本体のメンテナンスを実施することができる。

次に本発明の第２の実施の形態について図３と図４、および図１を用いて記載する。図３は、図１に示した回路構成のうち、燃料電池ユニット１１の内部構成を詳細に示したものである。本実施の形態における構成を説明する。ＤＭＦＣ１２にはサーミスタ３４が接続され、サーミスタ３４は昇圧コンバータ制御回路３０に入力される。ＤＭＦＣ１２はコネクタ１３を介してＯＣＶ保護回路１４に接続される。ＯＣＶ保護回路１４はシャントレギュレータ２２と抵抗２３，２４，２５で構成される。ＯＣＶ保護回路１４は昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１５に接続される。昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、ｎチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２８とｐチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２９，インダクタ２７，平滑キャパシタ３３，昇圧コンバータ制御回路３０，電流センサ２６，入力電流制御回路３１，出力電圧制御回路３２で構成される。昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１５はコネクタ１６を介して図１のモバイル機器本体６に接続される。

次に動作を説明する。ＤＭＦＣ１２の出力電圧は、抵抗２４と２５で構成される分圧比によってシャントレギュレータ２２の基準電圧と比較される。ＤＭＦＣ１２の出力電圧は所定の値以下である場合はシャントレギュレータ２２のインピーダンスは非常に高いため、抵抗２３には電流は流れない。しかし、ＤＭＦＣ１２の開放電圧（ＯＣＶ）が所定の値以上になると、シャントレギュレータ２２のインピーダンスが急激に低くなり、抵抗２３に電流が流れる。ＤＭＦＣ１２の電流−電圧特性は、電流ゼロでは高い開放電圧を持つが、少しでも電流を流すと電圧が大きく低下するという特性を持つため、本回路構成により、モバイル機器本体６の状態によらず、ＤＭＦＣ１２の出力電圧を所定の値以下に保つことが可能であり、開放電圧の上昇により昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１５やモバイル機器本体６を破損することを防止できる。

次に、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の制御方法について述べる。昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、ｎチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２８とｐチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２９を交互にスイッチングさせることにより、ｎチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２８のオン時にインダクタ２７に蓄えたエネルギーをｐチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２９のオン時に平滑キャパシタ３３に移し、コンバータの入力電圧より出力電圧を上昇させる回路である。

本実施例では、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を５Ｖに設定する。このコンバータは、平滑キャパシタ３３の電圧を出力電圧制御回路３２にフィードバックし、出力電圧が５Ｖ一定になるように制御する。その一方で、インダクタ２７に流れる電流を電流センサ２６により検出し、入力電流制御回路３１に入力する。この入力電流制御回路３１は、あらかじめ決めた電流値（Ｉｌｉｍ）以下の場合、出力はなく、前述の出力電圧制御回路３２の出力により昇圧コンバータ制御回路３０が動作し、ｎチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２８，ｐチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２９の各ゲート回路のオン時比率を制御する。

しかし、電流センサ２６の電流が所定の値(Ｉｌｉｍ)を超過すると、入力電流制御回路３１の出力が変化し、昇圧コンバータ制御回路３０は、出力電圧制御回路３２の出力に対し、入力電流制御回路３１の出力が優先され、入力電流をＩｌｉｍ一定に制限するように動作する。図４は、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ入力電流、すなわちＤＭＦＣ出力電流を横軸にとり、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ出力電圧を縦軸にとったグラフであり、この動作状態を示す。これは、入力電流により出力電圧を垂下させる機能を持つということができる。これにより、ＤＭＦＣの出力電流を常に所定の値以下に抑制することができ、ＤＭＦＣ内部での気泡による出力低下や、同伴水の増加による空気極での結露，水漏れなどの現象を防止し、長く安定に使用することが可能である。

なお、この実施の形態の制御方式は、入力電流制御回路３１によりＤＭＦＣの電流を制限するため、単純にＤＭＦＣ−ＤＣ／ＤＣコンバーター負荷という回路構成においては、モバイル機器本体６の負荷１０の変化に対しては追従できず安定動作できないが、本実施の形態においては、図１に示しているように、ＤＭＦＣの直接の負荷は常にＬｉ電池であり、負荷１０は他方のＬｉ電池に接続されているため、ＤＭＦＣの出力電流制限による負荷１０への影響がないのが特徴である。

次に、温度保護機能について述べる。ＤＭＦＣ１２には、上記した電流制限機能が付けられており、常に安定な動作点で動作するが、サーミスタ３４がＤＭＦＣ１２に接触して温度を検出しているため、万が一ＤＭＦＣ１２が過熱して所定の温度以上になった場合には、昇圧コンバータ制御回路３０に温度情報を入力して昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１５のスイッチングを止め、動作をシャットダウンさせる機能を有する。なお、この温度保護機能にはヒステリシスを持っており、動作停止により充分冷却した際には自動的に再起動する。

本実施の形態において、ｐチャネルパワーＭＯＳＦＥＴはショットキバリアダイオードでも実現可能であるし、昇圧コンバータ制御回路３０の構成によっては、ｎチャネルパワーＭＯＳＦＥＴも使用可能である。もちろん、他のパワー半導体デバイスであっても良い。また、シャントレギュレータ２２は、一般的なコンパレータと基準電源でも構成可能である。電流センサ２６はシャント抵抗の他、ホール素子、あるいは、ｎチャネルパワー
ＭＯＳＦＥＴ２８に内蔵されたセンスＭＯＳＦＥＴを用いて検出する、など様々な手段により実現可能である。また、電流センサ２６の挿入位置も、インダクタ２７の入力側の他、グランド側、すなわちｎチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ２８のソース電極と抵抗２５のグランド側の間に入れても良い。また、図３ではＯＣＶ保護回路１４の後段に昇圧ＤＣ／
ＤＣコンバータ１５が接続されているが、ＤＭＦＣ１２の出力端子に直接昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を接続し、その接続点に並列にＯＣＶ保護回路を接続しても回路構成は同じである。

また、ＤＭＦＣ過熱の際にも、入力電流制御回路と同様に動作させてＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を絞る方法でも良い。

本実施例によれば、まず、燃料電池の状態に依らず、負荷機器を安定に駆動できることである。また、Ｌｉ電池を効率良くＡＣから充電することが可能であり、この際には自動的に燃料電池からの出力がゼロとなる排他的制御となっており、ユーザはいちいちＡＣ充電時に燃料電池のＯＮ／ＯＦＦをする必要がなく、使い勝手が向上する。また、本実施例においては複数のＬｉ電池のそれぞれに充電制御回路，電圧監視回路，電流積分回路を設けているため、それぞれのＬｉ電池の状態を詳細に検出して把握し、細やかに管理することが可能である。この結果、Ｌｉ電池の劣化を抑制し、Ｌｉ電池の交換サイクルを長くすることができ、ランニングコストの低コスト化に貢献できる。

一方、燃料電池の出力電流を所定の値以下に制限する機能を有しているため、燃料電池の劣化を防止し、電極からの水の発生や過熱を防止し安全に使用できる。万が一、燃料電池が異常に過熱した場合においても保護機能を有するため安全に使用することができる。

この結果として、燃料電池を搭載したモバイル機器を大量に長期間運用する際にも好適なシステムを提供できる。

燃料電池搭載情報機器の全体構成。各動作状態における電力供給経路と充電制御・放電ＳＷの状態。燃料電池ユニットの内部構成。昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力グラフ。

符号の説明

１…商用電源、２…ＡＣアダプタ、３…コネクタ、４…電圧監視回路、５…ダイオード、６…モバイル機器本体、７ａ，７ｂ…充電制御回路、８ａ，８ｂ，８ｃ…放電スイッチ、９…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１０…負荷、１１…燃料電池ユニット、１２…ＤＭＦＣ、１３，１６…コネクタ、１４…ＯＣＶ保護回路、１５…昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、１７…状態制御信号、１８ａ，１８ｂ…Ｌｉ電池、１９ａ，１９ｂ…電圧監視回路、２０ａ，２０ｂ…電流積分回路、２１…電源管理回路、２２…シャントレギュレータ、２３，２４，２５…抵抗、２６…電流センサ、２７…インダクタ、２８…ｎチャネルパワーMOSFET、２９…ｐチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ、３０…昇圧コンバータ制御回路、３１…入力電流制御回路、３２…出力電圧制御回路、３３…平滑キャパシタ、３４…サーミスタ。

Claims

燃料電池と複数の二次電池とを有し、前記二次電池は、負荷に電力を供給する第１の状態と、前記燃料電池から供給される電力を充電する第２の状態とを有し、前記第１の状態と前記第２の状態を切り替えて使用することを特徴とする燃料電池搭載機器。
前記第１の状態と前記第２の状態を相補に切り替えて使用することを特徴とする請求項１記載の燃料電池搭載機器。
前記複数の二次電池のいくつかが前記燃料電池から電力を供給される充電状態にあり、充電状態にある二次電池が満充電になると放電状態に切り替えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池搭載機器。
請求項１記載の燃料電池搭載情報機器において、商用交流電源から整流平滑された直流電力によって同時に複数の前記二次電池を充電する複数の充電制御手段を有することを特徴とする燃料電池搭載機器。
請求項４記載の燃料電池搭載情報機器において、前記商用交流電源から前記二次電池を充電する際には、燃料電池からの電力が充電制御手段に流入することを停止する機能を有することを特徴とする燃料電池搭載機器。
燃料電池の出力電圧が所定の値以下になったときには前記二次電池への充電を停止するとともに、機器は二次電池の電力により動作継続する機能を有することを有する請求項１記載の燃料電池搭載機器。
燃料電池の出力電流を一定値以下に制限する制御機能を持つＤＣ／ＤＣコンバータが前記燃料電池の出力側に接続されてなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池搭載機器。
燃料電池の開放電圧を所定の値以下に保持する保護回路を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池搭載機器。
燃料電池の温度が所定の値以上になった時には燃料電池からの出力電流を制限する機能を有する請求項１記載の燃料電池搭載機器。
燃料電池と２つの二次電池とを有し、いずれかの二次電池が放電状態である場合、他方の二次電池は充電状態であることを特徴とする燃料電池搭載機器。
前記二次電池の放電状態と充電状態とは、充電状態にある二次電池の充電電圧を所定のタイミングで２つの二次電池の状態を入れ替えることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池搭載機器。
前記所定のタイミングは充電状態にある二次電池が満充電となったときであることを特徴とする請求項１１記載の燃料電池搭載機器。
燃料電池と２つの二次電池とを有し、いずれかの二次電池が放電状態である場合、他方の二次電池は充電状態であることを特徴とする電源装置。