JP2006087297A - Power supply system for fuel cell - Google Patents

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Masaru Higashioji
賢 東陰地
Kenji Hasegawa
賢治 長谷川
Masafumi Shimotashiro
雅文 下田代
Masaru Odagiri
優 小田桐
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the power supply system for the fuel cells which in small size can efficiently extract output power from the fuel cells and a secondary battery, electronic equipment and a power supply method. <P>SOLUTION: The power supply system is provided with a power converter circuit 130 and a rectifier circuit 150, with a preset voltage 115 of the output voltage corresponding to maximum output power of the fuel cell 110 serving as the reference, the output voltage of the fuel cell is converted to generate voltage 134 for switching, at least one of the voltage for switching and output voltage 121 of a secondary battery 120 is constituted so as to be output through the rectifier circuit. Accordingly, under the condition that power of the fuel cell be utilized to a maximum limit, the fuel cell and the secondary battery can be operated in parallel. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池及び２次電池を備え、上記燃料電池の出力電力を上記２次電池にて補完して負荷部へ電力供給を行う燃料電池用電源システム、該燃料電池用電源システムを備えた電子機器、及び上記燃料電池用電源システムにおける電力供給方法に関する。   The present invention includes a fuel cell and a secondary battery, a power supply system for a fuel cell that supplies power to a load section by complementing the output power of the fuel cell with the secondary battery, and the power supply system for the fuel cell. The present invention relates to an electronic device and a power supply method in the fuel cell power supply system.

携帯電話、携帯型情報端末、ノートブック型パーソナルコンピュータ、携帯型オーディオ、携帯型ビジュアル機器等の携帯用電子機器の普及が進んでいる。従来、このような携帯用電子機器は、１次電池又は２次電池によって駆動されている。上記１次電池は使い捨てであり、上記２次電池は、再利用が可能であるが一定量の電力使用後に充電する必要があるため、充電機器及び充電時間が必要となる。２次電池では、ニッカド電池又はリチウムイオン電池が用いられ、小型で高エネルギー密度を持つ電池が開発されているが、より長時間連続駆動が可能な２次電池が要望されている。   Portable electronic devices such as mobile phones, portable information terminals, notebook personal computers, portable audio devices, and portable visual devices are becoming popular. Conventionally, such portable electronic devices are driven by a primary battery or a secondary battery. The primary battery is disposable, and the secondary battery can be reused, but needs to be charged after using a certain amount of power, and thus requires a charging device and a charging time. As the secondary battery, a nickel cadmium battery or a lithium ion battery is used, and a small battery having a high energy density has been developed. However, a secondary battery that can be continuously driven for a longer time is desired.

この要望に応えるため、充電を必要としない燃料電池が提案されている。燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的にエネルギーに変換する発電機である。燃料電池の中ではパーフルオロカーボンスルフォン酸系の電解質を用いて、アノード極で水素ガスを還元し、カソード極で酸素を還元して発電する固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が出力密度の高い電池として知られており、自動車用等に開発が進められている。
しかしながら、固体高分子形燃料電池において、水素ガスは容積エネルギー密度が低く燃料タンクの体積を大きくする必要があることや、燃料ガス及び酸化ガスを発電装置に供給するための装置、及び電池性能を安定化するための加湿装置、等の補器が必要であることから、発電装置が大型になり、固体高分子形燃料電池は携帯機器用電源としては適さない。そこで、メタノールから直接プロトンを取り出すことにより発電を行う直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）の開発も進められている。 In order to meet this demand, fuel cells that do not require charging have been proposed. A fuel cell is a generator that electrochemically converts chemical energy of fuel into energy. Among fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that uses a perfluorocarbon sulfonic acid-based electrolyte to reduce hydrogen gas at the anode electrode and reduce oxygen at the cathode electrode to generate electricity is a battery with high output density And is being developed for automobiles.
However, in a polymer electrolyte fuel cell, hydrogen gas has a low volumetric energy density, and it is necessary to increase the volume of the fuel tank, as well as a device for supplying fuel gas and oxidizing gas to a power generator, and battery performance. Since an auxiliary device such as a humidifier for stabilization is necessary, the power generator becomes large, and the polymer electrolyte fuel cell is not suitable as a power source for portable equipment. Therefore, development of a direct methanol fuel cell (DMFC) that generates electricity by directly extracting protons from methanol is also in progress.

上記ＤＭＦＣは、上記ＰＥＦＣと比較して出力が小さくなるという欠点があるものの、燃料の体積エネルギー密度を上げることができること、及び発電装置の補器を減らすことができるため小型化が可能となるという利点があり、携帯機器用電源として注目され、幾つかの提案がなされている。
上記直接型メタノール燃料電池は、次式のような反応で発電が行われる。
アノード極 ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ６Ｈ＋＋６ｅ−＋ ＣＯ２
カソード極 ６Ｈ＋＋６ｅ−＋３／２Ｏ２ → ３Ｈ２Ｏ
即ち、アノード極では、白金、ルテニウムを含む触媒反応で、メタノールと水とが反応し、水素イオンと電子と二酸化炭素が生成され、電子はアノード極より外部に電力として出力され、水素イオンはイオン透過膜を通りカソード極側に伝導する。カソード極では、水素イオンがカソード極から電子の供給を受け、空気中の酸素と反応し水が生成される。このとき、発電部の温度は、イオン交換膜の特性の許す限り高温で、つまり６０℃〜８０℃ぐらいの範囲の温度で、高湿度において、上記ＤＭＦＣの効率が良い。 Although the DMFC has a disadvantage that the output is smaller than that of the PEFC, the volume energy density of the fuel can be increased, and the auxiliary equipment of the power generation device can be reduced, so that the size can be reduced. There are advantages, attracting attention as a power source for portable devices, and several proposals have been made.
The direct methanol fuel cell generates power by a reaction such as the following equation.
Anode electrode CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e − + CO 2
Cathode 6H + + 6e − + 3 / 2O 2 → 3H 2 O
That is, at the anode electrode, methanol and water react in a catalytic reaction containing platinum and ruthenium to generate hydrogen ions, electrons, and carbon dioxide. The electrons are output from the anode electrode as electric power, and the hydrogen ions are ionized. Conducts through the permeable membrane to the cathode side. At the cathode electrode, hydrogen ions receive supply of electrons from the cathode electrode, and react with oxygen in the air to generate water. At this time, the temperature of the power generation unit is as high as the characteristics of the ion exchange membrane permit, that is, the temperature in the range of 60 ° C. to 80 ° C. and high humidity, and the efficiency of the DMFC is good.

但し、現状のＤＭＦＣでは、燃料電池の内部で発生する各種の損失（分極）による抵抗要素のため、理想の出力である理論起電力を得ることができず、理論起電力よりも低い出力となっている。上記分極による損失としては、電解質中のイオンや電子の流れを妨げる抵抗成分で抵抗分極と呼ばれるものによる損失、電気化学反応における活性化エネルギーにより消費される、活性化分極による損失、及び化学反応が連続して起きるための反応物質や反応生成物が自ら拡散移動するときに消費される拡散分極と呼ばれるものによる損失がある。
これらの分極は、アノード極及びカソード極で発生し、これらの問題解決のために材料的な開発が進められている。改善はされているものの、例えばＤＭＦＣの理想起電力が１．２１Ｖで理論効率が９７％であっても、実用レベルでは内部電圧降下のため、０．３Ｖ程度しか得られていないのが実状である。 However, in the current DMFC, the theoretical electromotive force, which is an ideal output, cannot be obtained due to resistance elements caused by various losses (polarization) generated inside the fuel cell, and the output is lower than the theoretical electromotive force. ing. The loss due to polarization is a loss caused by resistance polarization that is a resistance component that hinders the flow of ions and electrons in the electrolyte, loss due to activation polarization consumed by activation energy in an electrochemical reaction, and chemical reaction. There is a loss due to what is called diffusion polarization, which is consumed when the reactants and reaction products that occur continuously diffuse and move by themselves.
These polarizations occur at the anode and cathode, and material development is underway to solve these problems. Although it has been improved, for example, even if the ideal electromotive force of DMFC is 1.21V and the theoretical efficiency is 97%, it is actually about 0.3V because of the internal voltage drop at the practical level. is there.

そのため、燃料電池そのものの負荷電流に対する出力電圧のＶ−Ｉ特性は、他の２次電池及び１次電池が負荷電流に対してほぼ一定の安定した出力であるのに対し、負荷電流依存の大きい垂下特性になっている。即ち、負荷電流を多く取り出すと、燃料電池の内部の抵抗に起因して出力電圧が低下していく特性がある。よって、燃料電池では、一般的に、最大電力を取り出せる最適電流が存在する。
又、燃料電池の特徴として、燃料の供給、空気の循環等にポンプなどの補器を使用する方式が現実的であり、安定動作及び終了動作が行える。逆に、起動時には、空気及び燃料を電池セルに供給しなければ発電が開始しないという欠点もある。一度発電が開始されれば自己の発電電力で上記ポンプ等の補器への電力供給は可能となるが、起動時又は終業時には他の補助電源、一般的には充電可能な２次電池、が必要である。
第２の電源と燃料電池とを並行運転する例が下記の特許文献１、２に開示されているが、いずれも安定した電力供給を目的としたもので、燃料電池における最大限の発電能力を引き出す構成ではない。
特開昭５９−２３０４３４号公報 特開平３−４０７２９号公報 Therefore, the VI characteristic of the output voltage with respect to the load current of the fuel cell itself is largely dependent on the load current, while other secondary batteries and primary batteries have a substantially constant and stable output with respect to the load current. Has drooping characteristics. That is, when a large load current is taken out, there is a characteristic that the output voltage decreases due to the internal resistance of the fuel cell. Therefore, in the fuel cell, there is generally an optimum current that can extract the maximum power.
Further, as a feature of the fuel cell, a system that uses an auxiliary device such as a pump for supplying fuel, circulating air, and the like is realistic, and stable operation and end operation can be performed. On the other hand, at the time of start-up, there is a disadvantage that power generation does not start unless air and fuel are supplied to the battery cells. Once power generation is started, it is possible to supply power to the auxiliary equipment such as the pump with its own generated power, but at the start-up or at the end of work, there is another auxiliary power source, generally a rechargeable secondary battery. is necessary.
Examples of the parallel operation of the second power source and the fuel cell are disclosed in the following Patent Documents 1 and 2, both of which are intended for stable power supply, and have the maximum power generation capacity in the fuel cell. It is not a structure to pull out.
JP 59-230434 A Japanese Patent Laid-Open No. 3-40729

負荷に対して燃料電池と２次電池とを並行運転するとき、連続運転が可能な燃料電池の出力を最大限に取り出して不足分を上記２次電池から出力し、さらに燃料電池の出力が負荷に対して余力があるときには、２次電池への充電を行うシステムが有効である。例えばモバイル用のノート型パーソナルコンピュータ等において、通常のＣＰＵ動作、ハードディスク駆動、及び画面表示のための電力は、常時電力に相当し燃料電池から供給し、外部メモリや外部ディスク等についてポートを介して接続して動作させるときの外部機器への常時以外の電力も必要なときには２次電池から不足分を出力する構成が考えられる。
ところが燃料電池では、運転中に瞬間的にでも過度に負荷電流を出力した場合、電解質膜及び電極接合体（ＭＥＡ）に損傷を与え、ある負荷電流以上で急激な電圧降下を生じる。こうなると、たとえ負荷を軽減しても燃料電池は初期出力を回復せず、破壊してしまうという特性がある。よって燃料電池では、最適負荷電流以上に出力電流を取り出そうとしても、出力電圧が低下して最大電力以上を取り出すことができない。この点を考慮して出力特性に余裕を持って燃料電池を設計すると、形状が過大となり小型軽量化の支障となる。
又、リチウムイオン２次電池では、大電力を取り出したときでも電池の出力可能な容量は一定である。ただ、電池寿命は短くなる。又、リチウムイオン電池でも、その放電容量を十分に出し切ってしまうと、出力電圧も放電終止電圧と呼ばれる電圧まで降下してしまう。例えば１セル当たりの最大充電電圧４．３Ｖに対して、２．３Ｖ以下での過放電は材料特性上、禁止されており、機器側における使用電圧も４．２〜３．０Ｖの範囲となる。 When the fuel cell and the secondary battery are operated in parallel with respect to the load, the output of the fuel cell capable of continuous operation is taken out to the maximum, and the shortage is output from the secondary battery. When there is a surplus power, a system for charging the secondary battery is effective. For example, in mobile notebook personal computers, the power for normal CPU operation, hard disk drive, and screen display is equivalent to constant power, and is supplied from the fuel cell. A configuration is considered in which a shortage is output from the secondary battery when power other than the normal power to the external device when connected and operated is required.
However, in a fuel cell, when an excessive load current is output even instantaneously during operation, the electrolyte membrane and the electrode assembly (MEA) are damaged, and a sudden voltage drop occurs above a certain load current. In this case, even if the load is reduced, the fuel cell has a characteristic that it does not recover the initial output and is destroyed. Therefore, in the fuel cell, even if the output current is taken out more than the optimum load current, the output voltage is lowered and the power exceeding the maximum power cannot be taken out. If this point is taken into consideration and the fuel cell is designed with a sufficient output characteristic, the shape becomes excessively large and hinders reduction in size and weight.
Further, in a lithium ion secondary battery, the capacity that can be output from the battery is constant even when a large amount of power is taken out. However, the battery life is shortened. Even in a lithium ion battery, if the discharge capacity is sufficiently exhausted, the output voltage also drops to a voltage called a discharge end voltage. For example, over discharge at 2.3 V or less is prohibited due to material characteristics with respect to the maximum charging voltage of 4.3 V per cell, and the operating voltage on the device side is in the range of 4.2 to 3.0 V. .

従って、上記特開昭５９−２３０４３４号公報に開示されるように、燃料電池の出力とリチウム２次電池の出力とをダイオードを介して足し合わせる方法では、リチウム電池の放電に伴う電圧降下に起因して、燃料電池とリチウム電池とを切り換える基準電圧が変動する。よって、燃料電池が予期せぬ低電圧にて出力することになり、上記公報の発明では、上述のように燃料電池の破壊を招く可能性がある。
本発明は、上述した諸問題を解決するためになされたもので、小型で、燃料電池及び２次電池から効率的に出力電力を取り出せる燃料電池用電源システム、該燃料電池用電源システムを備えた電子機器、及び上記燃料電池用電源システムにおける電力供給方法を提供することを目的とする。 Therefore, as disclosed in the above Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-230434, the method of adding the output of the fuel cell and the output of the lithium secondary battery via the diode is caused by the voltage drop caused by the discharge of the lithium battery. Thus, the reference voltage for switching between the fuel cell and the lithium battery varies. Therefore, the fuel cell outputs at an unexpected low voltage, and the invention of the above publication may cause destruction of the fuel cell as described above.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and is provided with a fuel cell power supply system that is small in size and can efficiently extract output power from a fuel cell and a secondary battery, and the fuel cell power supply system. It is an object of the present invention to provide an electronic device and a power supply method in the fuel cell power supply system.

上記目的を達成するため本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の第１態様における燃料電池用電源システムによれば、発電を行い負荷部へ電力供給を行う燃料電池と、
上記燃料電池の出力電力を補完し上記負荷部へ電力供給する２次電池と、
上記燃料電池の出力側と上記負荷部との間に接続され、上記負荷部に対して上記燃料電池及び上記２次電池の少なくとも一方から電力供給を行うことを決定するために用いる切替用電圧を設定するため、設定電圧を基準として上記燃料電池の出力電圧を変換して上記切替用電圧の設定を行う電圧変換回路と、
上記電圧変換回路の出力側及び上記２次電池の出力側と上記負荷部との間に接続され、上記電圧変換回路の出力電圧に相当する上記切替用電圧が上記２次電池の出力電圧を超えるときには上記燃料電池から上記電圧変換回路を通して上記負荷部へ電力供給を行い、上記切替用電圧が上記２次電池の出力電圧に等しいときには上記２次電池から、及び上記電圧変換回路を通して上記燃料電池から並行して上記負荷部へ電力供給を行い、上記切り換え電圧が上記２次電池の出力電圧未満のときには上記２次電池から上記負荷部へ電力供給を行う整流回路と、
を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
That is, according to the fuel cell power supply system of the first aspect of the present invention, the fuel cell that generates power and supplies power to the load section;
A secondary battery that complements the output power of the fuel cell and supplies power to the load unit;
A switching voltage that is connected between the output side of the fuel cell and the load unit and is used to determine that power is supplied from at least one of the fuel cell and the secondary battery to the load unit. In order to set, a voltage conversion circuit that converts the output voltage of the fuel cell with the set voltage as a reference to set the switching voltage, and
Connected between the output side of the voltage conversion circuit and the output side of the secondary battery and the load section, and the switching voltage corresponding to the output voltage of the voltage conversion circuit exceeds the output voltage of the secondary battery. Sometimes power is supplied from the fuel cell to the load section through the voltage conversion circuit, and when the switching voltage is equal to the output voltage of the secondary battery, from the secondary battery and from the fuel cell through the voltage conversion circuit. A rectifier circuit that supplies power to the load unit in parallel, and supplies power from the secondary battery to the load unit when the switching voltage is less than the output voltage of the secondary battery;
It is provided with.

上記燃料電池用電源システムは、燃料電池と２次電池とを備え、これらの少なくとも一方から負荷部へ電力供給を行うもので、燃料電池に特有のＶ−Ｉ特性を利用し、燃料電池の電力を最大限に引き出すことができる電源システムである。即ち、燃料電池は、他種の電池に比べて内部抵抗が大きくＶ−Ｉ特性は、負荷の増加により出力電圧が低下する垂下特性である。このような特性を有する燃料電池と、負荷の変動に対して比較的一定の電圧を出力する２次電池とを並行運転するため、２次電池の出力電圧を、燃料電池の上記垂下特性に対応した出力電圧の変化部分における電圧（垂下電圧）に設定し、整流回路を介して燃料電池と２次電池とを並列接続して電力供給する。又、燃料電池の出力を主体的に取り出すために、負荷に対して燃料電池及び２次電池の少なくとも一方から電力供給するかを決定するのに用いる切替用電圧は、燃料電池の最大出力電力に対応した燃料電池の出力電圧を基準として燃料電池の出力電圧を変換して設定する。
尚、２次電池としては、例えばリチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等が使用可能である。 The fuel cell power supply system includes a fuel cell and a secondary battery, and supplies power from at least one of the fuel cell to the load portion. The fuel cell power is obtained by utilizing the VI characteristic peculiar to the fuel cell. It is a power supply system that can draw out the maximum. That is, the fuel cell has a large internal resistance compared to other types of cells, and the VI characteristic is a drooping characteristic in which the output voltage decreases as the load increases. Since the fuel cell having such characteristics and the secondary battery that outputs a relatively constant voltage with respect to load fluctuations are operated in parallel, the output voltage of the secondary battery corresponds to the drooping characteristic of the fuel cell. The voltage at the output voltage change portion (droop voltage) is set, and the fuel cell and the secondary battery are connected in parallel via the rectifier circuit to supply power. In addition, the switching voltage used for determining whether to supply power from at least one of the fuel cell and the secondary battery to the load in order to take out the output of the fuel cell mainly is the maximum output power of the fuel cell. The output voltage of the fuel cell is converted and set based on the output voltage of the corresponding fuel cell.
In addition, as a secondary battery, a lithium ion battery, a nickel cadmium battery, a lead acid battery etc. can be used, for example.

又、上記燃料電池用電源システムでは、特に電圧変換回路及び整流回路を有する。電圧変換回路では、燃料電池及び２次電池の少なくとも一方から負荷部へ電力供給を行うことを決定するために用いられる切替用電圧を設定するが、該切替用電圧は、燃料電池の出力電圧を変換することで設定され、ほぼ一定値である。整流回路は、上記切替用電圧と２次電池の出力電圧とを比較し、より高い電圧を出力している方から負荷部へ電力を供給するように作用する。よって、従来のように、燃料電池及び２次電池のいずれが負荷部へ電力供給するかを決定する基準電圧が２次電池の出力電圧の電圧降下に起因して変動することを防止できる。   The fuel cell power supply system particularly includes a voltage conversion circuit and a rectification circuit. In the voltage conversion circuit, a switching voltage used to determine that power is supplied from at least one of the fuel cell and the secondary battery to the load unit is set. The switching voltage is an output voltage of the fuel cell. It is set by conversion and is almost constant. The rectifier circuit compares the switching voltage with the output voltage of the secondary battery, and acts to supply power to the load unit from the higher voltage output. Therefore, unlike the conventional case, it is possible to prevent the reference voltage that determines which of the fuel cell and the secondary battery supplies power to the load unit from fluctuating due to the voltage drop of the output voltage of the secondary battery.

又、上記電圧変換回路は、電圧検知部と電圧設定部と帰還部とを有する。電圧検知部は、燃料電池の出力電圧を検知し、該出力電圧が上記設定電圧を超えるときには、上記電圧設定部及び上記帰還部は、上記２次電池の最大出力電圧を超える電圧に上記燃料電池の出力電圧を変換して上記切替用電圧を設定する。一方、燃料電池の出力電圧が上記設定電圧以下になったことを上記電圧検知部が検知したときには、上記帰還部は上記電圧設定部に対して出力を停止させる。該出力停止により、燃料電池の出力電圧が上記設定電圧以下になったときから燃料電池の破壊電圧に至るまでの間に、上記電圧変換回路の出力電圧は、上記２次電池の放電終止電圧以下に降下される。上記電圧変換回路は、このような電圧垂下特性を有している。   The voltage conversion circuit includes a voltage detection unit, a voltage setting unit, and a feedback unit. The voltage detection unit detects the output voltage of the fuel cell. When the output voltage exceeds the set voltage, the voltage setting unit and the feedback unit set the fuel cell to a voltage exceeding the maximum output voltage of the secondary battery. The output voltage is converted to set the switching voltage. On the other hand, when the voltage detection unit detects that the output voltage of the fuel cell has become equal to or lower than the set voltage, the feedback unit stops the output from the voltage setting unit. During the period from when the output voltage of the fuel cell becomes equal to or lower than the set voltage due to the output stop until the breakdown voltage of the fuel cell is reached, the output voltage of the voltage conversion circuit is equal to or lower than the discharge end voltage of the secondary battery. Will be lowered. The voltage conversion circuit has such a voltage drooping characteristic.

さらに上記燃料電池用電源システムは、上記２次電池の充電を行う充電回路を備えることができる。該充電回路は、出力電圧比較回路と充電切替回路とを有する。出力電圧比較回路は、上記燃料電池の出力電圧と上記設定電圧との比較を行い、かつ上記２次電池の出力電圧と上記２次電池における充電可能電圧との比較を行う。上記充電切替回路は、上記燃料電池の出力電圧が上記設定電圧を超え、かつ上記２次電池の出力電圧が充電可能電圧以下であることを上記出力電圧比較回路が検出したときのみ、上記燃料電池の出力電圧を上記２次電池に印加して上記２次電池の充電を行う。   Furthermore, the fuel cell power supply system can include a charging circuit for charging the secondary battery. The charging circuit includes an output voltage comparison circuit and a charge switching circuit. The output voltage comparison circuit compares the output voltage of the fuel cell with the set voltage, and compares the output voltage of the secondary battery with the chargeable voltage of the secondary battery. The charge switching circuit is provided only when the output voltage comparison circuit detects that the output voltage of the fuel cell exceeds the set voltage and the output voltage of the secondary battery is less than or equal to a chargeable voltage. Is applied to the secondary battery to charge the secondary battery.

又、上記充電切替回路にて上記２次電池への充電が開始された後、上記出力電圧比較回路は、さらに、上記設定電圧未満の任意電圧値である充電停止電圧を検出する。上記出力電圧比較回路が上記充電停止電圧を検出したときには、上記充電切替回路は、上記２次電池への充電を停止する。   In addition, after the charging switching circuit starts charging the secondary battery, the output voltage comparison circuit further detects a charging stop voltage that is an arbitrary voltage value less than the set voltage. When the output voltage comparison circuit detects the charge stop voltage, the charge switching circuit stops charging the secondary battery.

さらに当該燃料電池用電源システムは、出力停止回路を備えることもできる。該出力停止回路は、上記２次電池の出力側と負荷部との間に接続され、２次電池の出力電圧が当該２次電池における放電終止電圧を僅かに超える負荷停止電圧まで低下したことを検出する。そして出力停止回路は、負荷停止電圧を検出したときには２次電池から上記負荷部への出力を停止させる。   Further, the fuel cell power supply system may include an output stop circuit. The output stop circuit is connected between the output side of the secondary battery and the load section, and indicates that the output voltage of the secondary battery has dropped to a load stop voltage slightly exceeding the discharge end voltage in the secondary battery. To detect. The output stop circuit stops the output from the secondary battery to the load unit when the load stop voltage is detected.

又、本発明の第２態様における電子機器によれば、上記第１態様の燃料電池用電源システムと、上記燃料電池用電源システムから電力供給を受ける負荷部とを備えたことを特徴とする。   The electronic device according to the second aspect of the present invention includes the fuel cell power supply system according to the first aspect and a load unit that receives power supply from the fuel cell power supply system.

又、本発明の第３態様における燃料電池用電源システムによれば、第１電力を発生する燃料電池と、
第２電力を発生する２次電池と、
上記燃料電池の出力に接続され、上記燃料電池の出力電圧レベルと第１規定値及び第２規定値とを比較し、かつ上記燃料電池出力電圧レベルが上記第１規定値以下になったとき上記燃料電池の発電を停止し、かつ上記燃料電池出力電圧レベルと上記第２規定値との比較に基づき上記燃料電池及び上記２次電池の出力電力を決定する燃料電池コントローラと、
を備えたことを特徴とする。 According to the fuel cell power supply system of the third aspect of the present invention, a fuel cell for generating the first power,
A secondary battery that generates second power;
The output voltage level of the fuel cell is connected to the output of the fuel cell, the first specified value and the second specified value are compared, and the fuel cell output voltage level is less than the first specified value. A fuel cell controller that stops power generation of the fuel cell and determines output power of the fuel cell and the secondary battery based on a comparison between the fuel cell output voltage level and the second specified value;
It is provided with.

上述の第１態様における燃料電池用電源システムによれば、燃料電池用電源システムが電圧変換回路及び整流回路を備えたことで、燃料電池の最大出力電力に対応する出力電圧である設定電圧を基準として燃料電池の出力電圧を変換して切替用電圧を生成し、該切替用電圧と２次電池の出力電圧とを上記整流回路を通して少なくとも一方を出力するように構成した。よって、燃料電池の電力を最大限に利用する状態で燃料電池と２次電池との並行運転が可能となり、燃料電池及び２次電池から効率的に出力電力を取り出すことが可能となる。   According to the fuel cell power supply system in the first aspect described above, the fuel cell power supply system includes the voltage conversion circuit and the rectifier circuit, so that the set voltage that is the output voltage corresponding to the maximum output power of the fuel cell is used as a reference. The output voltage of the fuel cell is converted to generate a switching voltage, and at least one of the switching voltage and the output voltage of the secondary battery is output through the rectifier circuit. Therefore, the fuel cell and the secondary battery can be operated in parallel in a state where the power of the fuel cell is utilized to the maximum, and the output power can be efficiently extracted from the fuel cell and the secondary battery.

又、電圧変換回路及び整流回路を備えたことで、従来のように、燃料電池及び２次電池のいずれが負荷部へ電力供給するかを決定する電圧が２次電池の出力電圧の電圧降下に起因して変動するという状態を防止することができる。又、該構成によれば、燃料電池が予期せぬ低電圧にて出力することはなく、燃料電池の破壊を招くこともない。さらに又、上記電圧変換回路が有する上記電圧検知部、上記電圧設定部、及び上記帰還部により、燃料電池の出力電圧が上記設定電圧以下になったときには上記電圧変換回路の出力電圧を強制的に降下させる垂下特性を電圧変換回路は有する。よって、燃料電池が低電圧にて出力することはなく燃料電池の破壊を招くことを防止できる。   In addition, since the voltage conversion circuit and the rectifier circuit are provided, the voltage that determines which of the fuel cell and the secondary battery supplies power to the load portion is reduced to the voltage drop of the output voltage of the secondary battery as in the past. It is possible to prevent a state of fluctuation due to the cause. Further, according to this configuration, the fuel cell does not output at an unexpected low voltage, and the fuel cell is not destroyed. Further, the voltage detection unit, the voltage setting unit, and the feedback unit included in the voltage conversion circuit forcibly adjust the output voltage of the voltage conversion circuit when the output voltage of the fuel cell becomes equal to or lower than the set voltage. The voltage conversion circuit has a drooping characteristic for dropping. Therefore, the fuel cell does not output at a low voltage, and it can be prevented that the fuel cell is destroyed.

又、上記電圧変換回路及び上記整流回路を備えたことで、燃料電池及び２次電池から効率的に出力電力が取り出せ、又、上記垂下特性を有することから、燃料電池用電源システムは、燃料電池における設計上の余裕度を大きく採る必要がなくなることから、小型化が可能となる。   In addition, since the voltage conversion circuit and the rectifier circuit are provided, the output power can be efficiently taken out from the fuel cell and the secondary battery, and since it has the drooping characteristic, the power system for the fuel cell is a fuel cell. Since it is not necessary to take a large design margin in the case, the size can be reduced.

さらに又、充電回路を備えることで、上述のような効果を奏する上にさらに、燃料電池の出力に余裕があるときには、２次電池を充電することができる。又、上記充電回路が出力電圧比較回路及び充電切替回路を有することで、燃料電池の出力電力に余裕がありかつ２次電池が充電可能な電圧になっているときのみ充電が可能となる。よって、負荷部に対する電力供給において負担をかけることなく２次電池の充電を行うことができる。   Furthermore, by providing the charging circuit, the secondary battery can be charged when the above-described effects are achieved and the output of the fuel cell has a margin. In addition, since the charging circuit includes the output voltage comparison circuit and the charge switching circuit, the charging can be performed only when the output power of the fuel cell has a margin and the secondary battery has a chargeable voltage. Therefore, the secondary battery can be charged without imposing a burden on the power supply to the load unit.

さらに、出力電圧比較回路が充電停止電圧を検出することで、２次電池において充電状態から一気に出力状態へ変化するのを防止でき、２次電池へかかる負担を軽減することができる。   Further, the output voltage comparison circuit detects the charge stop voltage, so that the secondary battery can be prevented from changing from the charged state to the output state at a stretch, and the burden on the secondary battery can be reduced.

さらに又、出力停止回路を備えることで、万一、２次電池の出力電圧が負荷停止電圧付近まで低下したときには２次電池から負荷部への出力が停止されることから、２次電池の破損を防止することができる。   Furthermore, by providing an output stop circuit, if the output voltage of the secondary battery drops to near the load stop voltage, the output from the secondary battery to the load section is stopped, so the secondary battery is damaged. Can be prevented.

上述の第２態様の電子機器によれば、上述の効果を奏する燃料電池用電源システムを備えることから、安定した電力供給がなされ、又、機器全体をコンパクト化することができる。   According to the electronic device of the second aspect described above, since the fuel cell power supply system having the above-described effects is provided, stable power supply can be performed, and the entire device can be made compact.

本発明の実施形態である燃料電池用電源システム、該燃料電池用電源システムを備えた電子機器、及び上記燃料電池用電源システムにおける電力供給方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同じ構成部分については同じ符号を付している。   A power supply system for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, an electronic device including the power supply system for a fuel cell, and a power supply method in the power supply system for the fuel cell will be described below with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.

第１実施形態；
上記燃料電池用電源システムの一例として、図１に示す燃料電池用電源システム１０１では、水素及び酸素を用いて発電を行い負荷部２１０へ電力供給を行う燃料電池１１０と、燃料電池１１０の出力電力を補完し負荷部２１０へ電力供給を行う２次電池１２０と、燃料電池１１０の出力側と２次電池１２０との間に接続される電圧変換回路１３０と、電圧変換回路１３０の出力側及び２次電池１２０の出力側と負荷部２１０との間に接続される整流回路１５０とを備える。尚、電圧変換回路１３０及び整流回路１５０の部分が燃料電池コントローラに該当する。
又、燃料電池用電源システム１０１及び負荷部２１０にて電子機器２０１、例えば図８に示すようなノート型のパーソナルコンピュータを構成することができる。この場合、パーソナルコンピュータ本体内には、２次電池１２０、電圧変換回路１３０、整流回路１５０、及び負荷部２１０が備わり、燃料電池１１０は、上記パーソナルコンピュータ本体に着脱可能なように構成できる。 1st Embodiment;
As an example of the fuel cell power supply system, in the fuel cell power supply system 101 shown in FIG. 1, a fuel cell 110 that generates power using hydrogen and oxygen and supplies power to the load unit 210, and output power of the fuel cell 110 The secondary battery 120 that supplies power to the load unit 210, the voltage conversion circuit 130 connected between the output side of the fuel cell 110 and the secondary battery 120, the output side of the voltage conversion circuit 130, and 2 A rectifier circuit 150 connected between the output side of the secondary battery 120 and a load unit 210 is provided. The voltage conversion circuit 130 and the rectifier circuit 150 correspond to the fuel cell controller.
The fuel cell power supply system 101 and the load unit 210 can constitute an electronic device 201, for example, a notebook personal computer as shown in FIG. In this case, the personal computer main body includes a secondary battery 120, a voltage conversion circuit 130, a rectifier circuit 150, and a load unit 210, and the fuel cell 110 can be configured to be detachable from the personal computer main body.

ここで上記燃料電池１１０は、上述したＤＭＦＣタイプであり、一対のアノード極とカソード極とでイオン伝導膜を挟んで膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成している。本実施形態では、上記膜電極接合体を有する発電セルを３０個、直列に接続して燃料電池１１０を構成している。一つの発電セルの理論電圧は、１．２１Ｖであるが、実際には各種の損失のため電圧低下を起こし、無負荷での解放電圧は２３Ｖ程度となる。
一般的に燃料電池では、単体では図３に示すように、負荷部２１０へ供給する電流が増加するに従い、燃料電池１１０の出力電圧１１１は、低下して行くことから、燃料電池１１０から取り出せる最大出力電力１１２が存在する。本実施形態では、最大出力電力１１２を取り出せるのは、上記出力電圧１１１が１０．４Ｖで、１．６Ａ供給時であり、最大出力電力１１２は、１６．６Ｗである。このように燃料電池１１０は、出力（負荷）電流に応じて電圧降下を生じるために、上記最大出力電力１１２に対応した特定の出力電圧が存在し、該特定電圧以上でも以下でも取り出しうる出力電力１１３は低下する。後述するように本実施形態では、最大出力電力１１２に対応した上記特定の出力電圧を設定電圧１１５とする。又、該設定電圧１１５は、第１規定値の機能を果たす一例に相当する。 Here, the fuel cell 110 is of the above-described DMFC type, and a membrane electrode assembly (MEA) is formed by sandwiching an ion conductive membrane between a pair of anode electrode and cathode electrode. In the present embodiment, the fuel cell 110 is configured by connecting 30 power generation cells having the membrane electrode assembly in series. The theoretical voltage of one power generation cell is 1.21V, but in reality, the voltage drops due to various losses, and the release voltage at no load is about 23V.
In general, in a fuel cell alone, as shown in FIG. 3, the output voltage 111 of the fuel cell 110 decreases as the current supplied to the load unit 210 increases. There is output power 112. In the present embodiment, the maximum output power 112 can be extracted when the output voltage 111 is 10.4 V and 1.6 A is supplied, and the maximum output power 112 is 16.6 W. As described above, since the fuel cell 110 generates a voltage drop according to the output (load) current, there is a specific output voltage corresponding to the maximum output power 112, and the output power that can be taken out at or above the specific voltage. 113 drops. As described later, in the present embodiment, the specific output voltage corresponding to the maximum output power 112 is set as the set voltage 115. The set voltage 115 corresponds to an example that performs the function of the first specified value.

さらに、図３に示すように、負荷電流を１．８Ａ以上取り出すと、燃料電池１１０の出力電圧１１１は急激に低下して、取り出せる電力１１３も低下する。この状態は燃料電池１１０にとって危険な状況であり、非可逆反応が起こり燃料電池１１０そのものが破損し、再起勤したときでも元の十分な電力を発電できなくなる。このように燃料電池１１０には、負荷電流を取り出したときに、特定の電圧以下になると破壊する破壊電圧１１４が存在する。一般的に上記ＤＭＦＣでは、一つの発電セル当たり０．２６Ｖ程度が破壊電圧とみなされている。本実施形態では、上述のように３０セルを直列接続しているので、約７．８Ｖつまりほぼ８Ｖが破壊電圧１１４に相当する。
これらの特性は、ＤＭＦＣの一般的な性質であって、一つの上記ＭＥＡで構成される発電セルを直列接続した場合、接続数分だけ加算した電圧にて破壊電圧１１４となる。又、このような燃料電池１１０の出力管理は、取り出す電流値ではなく、電圧値が敏感に反応するため、出力電圧１１１を管理するのが有効である。 Further, as shown in FIG. 3, when the load current is taken out by 1.8 A or more, the output voltage 111 of the fuel cell 110 rapidly decreases, and the electric power 113 that can be taken out also decreases. This state is a dangerous situation for the fuel cell 110, and an irreversible reaction occurs and the fuel cell 110 itself is damaged, so that the original sufficient electric power cannot be generated even when restarted. As described above, the fuel cell 110 has the breakdown voltage 114 that breaks down when the load current is taken out and becomes a specific voltage or less. In general, in the DMFC, about 0.26 V per power generation cell is regarded as a breakdown voltage. In this embodiment, as described above, 30 cells are connected in series, so that about 7.8 V, that is, about 8 V corresponds to the breakdown voltage 114.
These characteristics are general properties of the DMFC, and when a power generation cell constituted by one MEA is connected in series, the breakdown voltage 114 is obtained by adding a voltage corresponding to the number of connections. In addition, in such output management of the fuel cell 110, it is effective to manage the output voltage 111 because the voltage value reacts sensitively rather than the current value to be extracted.

本明細書において、上記２次電池１２０は、燃料電池１１０を含まない電池であり、補助の２次電池１２０として本実施形態ではリチウムイオン電池を用い、２個直列に接続した。１個のリチウムイオン電池の充電電圧は、図５に示すように４．２Ｖであり、放電終止電圧１２２は３．０Ｖで容量は８３０ｍＡｈである。実用的には、４Ｖの一定出力電圧で０．５Ａの負荷電流を供給したとき、１．５時間の寿命である。このようなリチウムイオン電池を２個、直列接続したときには、初期電圧、つまりリチウムイオン電池１２０の最大出力電圧１２３が、図４に示すように、８．４Ｖとなり、放電終止電圧１２２が６．０Ｖとなる。２個の直列接続したリチウムイオン電池１２０では、供給可能な電圧が２倍になり、約４Ｗの電力を１．５時間供給可能となる。   In the present specification, the secondary battery 120 is a battery that does not include the fuel cell 110, and in the present embodiment, two lithium ion batteries are used as the auxiliary secondary battery 120 and are connected in series. The charging voltage of one lithium ion battery is 4.2 V as shown in FIG. 5, the discharge end voltage 122 is 3.0 V, and the capacity is 830 mAh. Practically, when a load current of 0.5 A is supplied at a constant output voltage of 4 V, the lifetime is 1.5 hours. When two such lithium ion batteries are connected in series, the initial voltage, that is, the maximum output voltage 123 of the lithium ion battery 120 is 8.4 V as shown in FIG. 4, and the final discharge voltage 122 is 6.0 V. It becomes. In the two lithium ion batteries 120 connected in series, the voltage that can be supplied is doubled, and about 4 W of power can be supplied for 1.5 hours.

リチウムイオン電池１２０は、燃料電池１１０と異なり、図４に示すように、通常使用状態では負荷電流に依存せずほぼ一定の出力電圧１２１を供給できる。本実施形態では、リチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１は、ほぼ８．０Ｖである。
リチウムイオン電池単体の場合であって、負荷が２Ｗで一定であるときの放電特性を示す図５に示すように、リチウムイオン電池においても、最大負荷容量まで便用すると、出力電圧１２１は降下し、３．０Ｖの放電終止電圧１２２が当該リチウムイオン電池の限界電圧である。放電終止電圧１２２を超えて放電を続けると、リチウムイオン電池にあっても非可逆反応が起こり、電池の破壊につながる。 Unlike the fuel cell 110, the lithium ion battery 120 can supply a substantially constant output voltage 121 without depending on the load current in the normal use state, as shown in FIG. In the present embodiment, the output voltage 121 of the lithium ion battery 120 is approximately 8.0V.
As shown in FIG. 5, which shows the discharge characteristics when the load is constant at 2 W in the case of a lithium ion battery alone, the output voltage 121 drops when the lithium ion battery is used up to the maximum load capacity. , 3.0V final discharge voltage 122 is the limit voltage of the lithium ion battery. If the discharge is continued beyond the end-of-discharge voltage 122, an irreversible reaction occurs even in the lithium ion battery, leading to the destruction of the battery.

リチウムイオン電池１２０の場合、充電電圧と放電終止電圧１２２の管理が重要である。２次電池１２０は、燃料電池１１０を起動させる補器の運転に必須の電源であり、又、燃料電池１１０のみの電力では負荷に対して不足するとき、補助電源として加算して出力する。又、燃料電池１１０の終電時においても、上記補器の動作完了後における後処理用電力を確保するため、２次電池１２０は必要である。   In the case of the lithium ion battery 120, the management of the charging voltage and the end-of-discharge voltage 122 is important. The secondary battery 120 is a power source essential for the operation of the auxiliary device that starts the fuel cell 110. When the power of the fuel cell 110 alone is insufficient for the load, the secondary battery 120 is added and output as an auxiliary power source. In addition, even when the fuel cell 110 is finally powered on, the secondary battery 120 is necessary to secure post-processing power after completion of the operation of the auxiliary device.

上記電子機器２０１としてのノート型パーソナルコンピュータでは、上述した燃料電池１１０及びリチウムイオン電池の２次電池１２０を並列運転し、最大負荷は本実施形態では２０Ｗである。該パーソナルコンピュータ２０１の通常電力は１６Ｗであり、内部のＣＰＵ、ＨＤＤ、液晶ディスプレイ等は、１６Ｗ以内で十分動作するが、外部向けポートに外部機器、例えばＦＤＤ、メモリーカード等を取り付けると最大使用電力は２０Ｗになる設計である。   In the notebook personal computer as the electronic device 201, the fuel cell 110 and the secondary battery 120 of the lithium ion battery described above are operated in parallel, and the maximum load is 20 W in this embodiment. The normal power of the personal computer 201 is 16 W, and the internal CPU, HDD, liquid crystal display, etc. operate well within 16 W. However, if an external device such as an FDD or a memory card is attached to the external port, the maximum power consumption Is designed to be 20W.

燃料電池１１０だけで、パーソナルコンピュータ２０１が必要とする上記２０Ｗの電力をすべて賄うには、それ相当の大きさを有する燃料電池が必要になる。燃料電池の発電能力は、電気化学反応を起こす上記ＭＥＡの面積に比例するので、ほぼ発電電力の１．５乗に比例して体積が増加する。よって、１６Ｗ用の燃料電池を２０Ｗ用に設計すると体積は約１．４倍に増加する。モバイル用途としての燃料電池は、商品価値の点からも、できる限りコンパクトにすることが重要である。又、燃料の交換供給が可能であって、連続運転が燃料電池の長所であるので、電子機器２０１への電力供給は燃料電池の電力が優先される。   In order to cover all the 20 W of power required by the personal computer 201 with the fuel cell 110 alone, a fuel cell having a size equivalent to that is required. Since the power generation capability of the fuel cell is proportional to the area of the MEA that causes an electrochemical reaction, the volume increases approximately in proportion to the 1.5th power of the generated power. Therefore, when a 16 W fuel cell is designed for 20 W, the volume increases about 1.4 times. It is important to make fuel cells for mobile applications as compact as possible from the viewpoint of commercial value. Further, since the fuel can be exchanged and supplied, and continuous operation is an advantage of the fuel cell, the power of the fuel cell is given priority to the power supply to the electronic device 201.

本実施形態の燃料電池用電源システム１０１では、以下のような電力管理が行われる。即ち、充電動作が必要なリチウムイオン電池１２０は、燃料電池１１０からの電力供給ができないとき、即ち、過大負荷時、又は燃料電池１１０の起動時における補器駆動用等に使用される。通常は燃料電池１１０が負荷部２１０へ電力供給する。さらに例えば、パーソナルコンピュータ２０１がデータ処理を中断しているとき等の軽負荷のときには、燃料電池１１０の出力電力により、リチウムイオン電池１２０の充電が行われる。   In the fuel cell power supply system 101 of the present embodiment, the following power management is performed. That is, the lithium ion battery 120 that requires a charging operation is used for driving an auxiliary device when power cannot be supplied from the fuel cell 110, that is, when the fuel cell 110 is started up when the fuel cell 110 is overloaded. Normally, the fuel cell 110 supplies power to the load unit 210. Further, for example, when the personal computer 201 is lightly loaded such as when data processing is interrupted, the lithium ion battery 120 is charged by the output power of the fuel cell 110.

上記電圧変換回路１３０は、上述のように燃料電池１１０の出力側と負荷部２１０との間に接続され、負荷部２１０に対して燃料電池１１０及び２次電池１２０の少なくとも一方から電力供給を行うことを決定するために用いる切替用電圧を設定するため、設定電圧を基準として燃料電池１１０の出力電圧１１１を変換して上記切替用電圧の設定を行う回路である。又、上記切替用電圧は、第２規定値の機能を果たす一例に相当する。
上述したように燃料電池１１０の出力電圧１１１には、燃料電池１１０の最大電力１１２に対応した特定の出力電圧が存在することから、本実施形態では、図３に示すように、上記最大出力電力１１２に対応する、燃料電池１１０の上記特定の出力電圧を上記設定電圧１１５としている。本実施形態の場合、具体的には、設定電圧１１５は、１０．４Ｖである。 The voltage conversion circuit 130 is connected between the output side of the fuel cell 110 and the load unit 210 as described above, and supplies power to the load unit 210 from at least one of the fuel cell 110 and the secondary battery 120. In order to set the switching voltage used to determine this, the output voltage 111 of the fuel cell 110 is converted based on the set voltage to set the switching voltage. The switching voltage corresponds to an example that performs the function of the second specified value.
Since the output voltage 111 of the fuel cell 110 has a specific output voltage corresponding to the maximum power 112 of the fuel cell 110 as described above, in the present embodiment, as shown in FIG. The specific output voltage of the fuel cell 110 corresponding to 112 is the set voltage 115. In the case of this embodiment, specifically, the set voltage 115 is 10.4V.

このような機能を有する電圧変換回路１３０は、具体的には、図１に示すように、燃料電池１１０の出力電圧１１１を検知する電圧検知部１３１と、上記切替用電圧の設定を行う電圧設定部１３２と、電圧設定部１３２から出力される電圧に帰還をかける帰還部１３３とを有する。電圧変換回路１３０の出力電圧に対応する上記切替用電圧１３４は、本実施形態では、２次電池としてのリチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１である８．０Ｖよりも僅かに高い８．５Ｖに設定している。これは、上述したようにリチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１は、負荷の軽重にかかわらずほぼ一定であるのに対し、燃料電池１１０の出力電圧１１１は変動し、リチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１よりも高い電圧を発生可能であり、通常、燃料電池１１０側から負荷部２１０へ電力供給を行いたいことから、リチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１よりも高い電圧に設定している。又、リチウムイオン電池１２０と燃料電池１１０との間で電力供給元が切り替わるときに、極端に電圧変化が生じないように０．５Ｖの電圧差に設定したものである。勿論、該電圧差及び上記切替用電圧値は、燃料電池用電源システムの構成例に応じて設定され、上記各値に限定されるものではない。   Specifically, the voltage conversion circuit 130 having such a function includes a voltage detection unit 131 that detects the output voltage 111 of the fuel cell 110 and a voltage setting that sets the switching voltage, as shown in FIG. Unit 132 and a feedback unit 133 that applies feedback to the voltage output from the voltage setting unit 132. In the present embodiment, the switching voltage 134 corresponding to the output voltage of the voltage conversion circuit 130 is set to 8.5 V, which is slightly higher than 8.0 V, which is the output voltage 121 of the lithium ion battery 120 as the secondary battery. is doing. As described above, the output voltage 121 of the lithium ion battery 120 is substantially constant regardless of the load, whereas the output voltage 111 of the fuel cell 110 fluctuates and the output voltage 121 of the lithium ion battery 120 varies. The voltage is set higher than the output voltage 121 of the lithium ion battery 120 because it is desirable to supply power from the fuel cell 110 side to the load unit 210. In addition, when the power supply source is switched between the lithium ion battery 120 and the fuel cell 110, the voltage difference is set to 0.5 V so that the voltage does not change extremely. Of course, the voltage difference and the switching voltage value are set according to a configuration example of the fuel cell power supply system, and are not limited to the above values.

上記電圧設定部１３２は、発振器１３２１、第１トランジスタ１３２２、コイル１３２３、コンデンサ１３２４、及び第３トランジスタ１３２５を有し、燃料電池１１０の出力電圧１１１を第１トランジスタ１３２２にてスイッチングし出力電圧１１１をパルス状の電圧とし、コイル１３２３及びコンデンサ１３２４で低周波成分を通して燃料電池１１０の出力電圧１１１を平滑する。上記帰還部１３３にて、コンデンサ１３２４の電圧、つまり当該電圧設定部１３２の出力電圧Ｖｏｕｔに帰還をかけて、後述の規定の電圧を超えると第１トランジスタ１３２２のスイッチングを止め、上記規定電圧以下になると上記スイッチングを行い上記平滑を行う。尚、第１トランジスタ１３２２のスイッチングのオン、オフを制御するのが第３トランジスタ１３２５である。帰還部１３３は、電圧設定部１３２の出力電圧Ｖｏｕｔを分圧する抵抗１３３１を有し、上記出力電圧Ｖｏｕｔを分圧して、第３トランジスタ１３２５のベースに印加されるベース電圧Ｖｂを生成する。
このように、電圧設定部１３２は、第１トランジスタ１３２２のスイッチングのオン、オフを行い、上記平滑化を行う。平滑された電圧が電圧変換回路１３０の出力電圧、つまり図６に示す切替用電圧１３４となる。 The voltage setting unit 132 includes an oscillator 1321, a first transistor 1322, a coil 1323, a capacitor 1324, and a third transistor 1325. The output voltage 111 of the fuel cell 110 is switched by the first transistor 1322 and the output voltage 111 is changed. The output voltage 111 of the fuel cell 110 is smoothed through a low-frequency component by the coil 1323 and the capacitor 1324 with a pulsed voltage. The feedback unit 133 feeds back the voltage of the capacitor 1324, that is, the output voltage Vout of the voltage setting unit 132, and when the voltage exceeds a specified voltage described later, the switching of the first transistor 1322 is stopped and the voltage falls below the specified voltage. Then, the switching is performed and the smoothing is performed. Note that the third transistor 1325 controls the switching on and off of the first transistor 1322. The feedback unit 133 includes a resistor 1331 that divides the output voltage Vout of the voltage setting unit 132, and divides the output voltage Vout to generate a base voltage Vb that is applied to the base of the third transistor 1325.
As described above, the voltage setting unit 132 turns on and off the switching of the first transistor 1322 and performs the smoothing. The smoothed voltage becomes the output voltage of the voltage conversion circuit 130, that is, the switching voltage 134 shown in FIG.

上記電圧検知部１３１は、第２トランジスタ１３１１、及び該第２トランジスタ１３１１のベース電圧を０．６Ｖ付近に設定する抵抗１３１２を有する。
このように構成される電圧検知部１３１、並びに電圧設定部１３２及び帰還部１３３は、次のように機能する。即ち、燃料電池１１０の最大電力１１２よりも低い状態、つまり負荷電流が比較的低い状態のときには、燃料電池１１０の出力電圧１１１は、上記設定電圧１１５を超えている。このときには、第２トランジスタ１３１１のベース電圧は０．６Ｖを超え、第２トランジスタ１３１１はオン状態であり、当該電圧検知部１３１の出力電圧Ｖ２は、ＧＮＤレベルになる。よって、帰還部１３３では、帰還電圧Ｖ３は、上記出力電圧Ｖ２と無関係に、上記出力電圧Ｖｏｕｔを抵抗１３３１で分圧して上記ベース電圧Ｖｂを生成する。尚、本実施形態では、上記出力電圧Ｖｏｕｔの設計値８．５Ｖに対して帰還電圧Ｖ３が０．６Ｖである。よって、電圧設定部１３２の第３トランジスタ１３２５は、ベース電圧Ｖｂが０．６Ｖを超えるとき、つまり上記出力電圧Ｖｏｕｔが８．５Ｖを超えるとき、オン状態となり、電圧設定部１３２の第１トランジスタ１３２２のスイッチングが停止する。一方、ベース電圧Ｖｂが０．６Ｖ以下のとき、つまり上記出力電圧Ｖｏｕｔが８．５Ｖ以下のとき、第３トランジスタ１３２５はオフ状態となり、第１トランジスタ１３２２のスイッチングが行われる。このようにして、上記出力電圧Ｖｏｕｔがほぼ８．５Ｖに固定される。 The voltage detection unit 131 includes a second transistor 1311 and a resistor 1312 that sets a base voltage of the second transistor 1311 to around 0.6V.
The voltage detection unit 131 configured as described above, the voltage setting unit 132, and the feedback unit 133 function as follows. That is, the output voltage 111 of the fuel cell 110 exceeds the set voltage 115 when the maximum power 112 of the fuel cell 110 is lower, that is, when the load current is relatively low. At this time, the base voltage of the second transistor 1311 exceeds 0.6V, the second transistor 1311 is in the ON state, and the output voltage V2 of the voltage detector 131 is at the GND level. Therefore, in the feedback unit 133, the feedback voltage V3 divides the output voltage Vout by the resistor 1331 regardless of the output voltage V2, and generates the base voltage Vb. In the present embodiment, the feedback voltage V3 is 0.6V with respect to the design value 8.5V of the output voltage Vout. Therefore, the third transistor 1325 of the voltage setting unit 132 is turned on when the base voltage Vb exceeds 0.6V, that is, when the output voltage Vout exceeds 8.5V, and the first transistor 1322 of the voltage setting unit 132 is turned on. Switching stops. On the other hand, when the base voltage Vb is 0.6 V or less, that is, when the output voltage Vout is 8.5 V or less, the third transistor 1325 is turned off and the first transistor 1322 is switched. In this way, the output voltage Vout is fixed to approximately 8.5V.

一方、燃料電池１１０の負荷電流が増加していくと、燃料電池１１０の出力電圧１１１は、その特性により、徐々に低下し、最大出力電流の１．６Ａを超える状態になると、燃料電池１１０の出力電圧１１１は、上記設定電圧１１５以下となる。このときには、第２トランジスタ１３１１のベース電圧は０．６Ｖ以下となり、第２トランジスタ１３１１はオフ状態となる。よって電圧検知部１３１の出力電圧Ｖ２は、燃料電池１１０の出力電圧１１１となる。帰還部１３３では、帰還電圧Ｖ３には、上記出力電圧Ｖ２が影響し、十分に低い電圧ではそのまま上記出力電圧１１１が印加される。よって、電圧設定部１３２の第３トランジスタ１３２５のベース電圧Ｖｂは、上記出力電圧Ｖｏｕｔに無関係に０．６Ｖを超え、第３トランジスタ１３２５は、オン状態となり、電圧設定部１３２の第１トランジスタ１３２２のスイッチングが停止する。よって、電圧検知部１３１は、出力しない。このように、燃料電池１１０の出力電圧１１１が上記設定電圧１１５以下になったときには、図６に示すように、電圧変換回路１３０は、その出力電圧つまり切替用電圧１３４を強制的に降下させる垂下特性を有する。該垂下特性は、燃料電池１１０の出力電圧１１１が上記設定電圧１１５以下になったときから当該燃料電池１１０の破壊電圧１１４、本実施形態では８Ｖに至るまでの間に、当該電圧変換回路１３０の出力電圧を上記２次電池１２０の放電終止電圧１２２、本実施形態では６Ｖ以下に降下させる特性である。   On the other hand, as the load current of the fuel cell 110 increases, the output voltage 111 of the fuel cell 110 gradually decreases due to its characteristics, and when it exceeds the maximum output current of 1.6 A, The output voltage 111 is the set voltage 115 or less. At this time, the base voltage of the second transistor 1311 is 0.6 V or less, and the second transistor 1311 is turned off. Therefore, the output voltage V2 of the voltage detector 131 becomes the output voltage 111 of the fuel cell 110. In the feedback unit 133, the output voltage V2 affects the feedback voltage V3, and the output voltage 111 is applied as it is at a sufficiently low voltage. Therefore, the base voltage Vb of the third transistor 1325 of the voltage setting unit 132 exceeds 0.6 V regardless of the output voltage Vout, the third transistor 1325 is turned on, and the first transistor 1322 of the voltage setting unit 132 is turned on. Switching stops. Therefore, the voltage detector 131 does not output. As described above, when the output voltage 111 of the fuel cell 110 becomes equal to or lower than the set voltage 115, the voltage conversion circuit 130 droops the output voltage, that is, the switching voltage 134 forcibly decreasing, as shown in FIG. Has characteristics. The drooping characteristic is that when the output voltage 111 of the fuel cell 110 becomes equal to or lower than the set voltage 115 until the breakdown voltage 114 of the fuel cell 110 reaches 8 V in this embodiment, the voltage conversion circuit 130 The output voltage drops to the discharge end voltage 122 of the secondary battery 120, which is 6 V or less in this embodiment.

上記整流回路１５０は、電圧変換回路１３０の出力側に接続されるダイオード１５１と、リチウムイオン電池１２０の出力側に接続されるダイオード１５２とから構成され、上述した電圧変換回路１３０の出力電圧、つまり上記切替用電圧１３４である約８．５Ｖと、リチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１である約８．０Ｖとが印加される。各ダイオード１５１，１５２は、負荷部２１０に接続されており、順方向に電圧が印加されているとき、オン状態となり通電を行う。   The rectifier circuit 150 includes a diode 151 connected to the output side of the voltage conversion circuit 130 and a diode 152 connected to the output side of the lithium ion battery 120. The output voltage of the voltage conversion circuit 130 described above, that is, The switching voltage 134 of about 8.5 V and the output voltage 121 of the lithium ion battery 120 of about 8.0 V are applied. Each of the diodes 151 and 152 is connected to the load unit 210, and is energized when a voltage is applied in the forward direction.

よって、通常時のように、電圧変換回路１３０の出力電圧である切替用電圧１３４がリチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１を超えるときには、リチウムイオン電池１２０に接続されているダイオード１５２には逆方向に電圧が作用するのでダイオード１５２はオフ状態となり、リチウムイオン電池１２０から負荷部２１０へ出力されず、燃料電池１１０側、つまり電圧変換回路１３０から負荷部２１０へ電力供給される。逆に、リチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１が電圧変換回路１３０の出力電圧である切替用電圧１３４を超えるときには、ダイオード１５１はオフ状態、ダイオード１５２がオン状態となるので、リチウムイオン電池１２０から負荷部２１０へ電力供給がなされる。
又、電圧変換回路１３０の出力電圧である切替用電圧１３４と、リチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１とが等しいときには、電圧変換回路１３０及びリチウムイオン電池１２０の両者から電力供給がなされる。 Therefore, when the switching voltage 134, which is the output voltage of the voltage conversion circuit 130, exceeds the output voltage 121 of the lithium ion battery 120 as in normal times, the diode 152 connected to the lithium ion battery 120 has a reverse direction. Since the voltage acts, the diode 152 is turned off and is not output from the lithium ion battery 120 to the load unit 210, but is supplied to the load unit 210 from the fuel cell 110 side, that is, from the voltage conversion circuit 130. Conversely, when the output voltage 121 of the lithium ion battery 120 exceeds the switching voltage 134 that is the output voltage of the voltage conversion circuit 130, the diode 151 is turned off and the diode 152 is turned on. Power is supplied to the unit 210.
Further, when the switching voltage 134 that is the output voltage of the voltage conversion circuit 130 is equal to the output voltage 121 of the lithium ion battery 120, power is supplied from both the voltage conversion circuit 130 and the lithium ion battery 120.

上述のように通常時には電圧変換回路１３０から負荷部２１０へ電力供給されるが、上述のように燃料電池１１０は、負荷電流を取り出すと出力電圧が低下する。よって、リチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１未満になるまで燃料電池１１０から負荷電流を取り出すと、上述のように自動的にダイオード１５１がオフ状態となり、燃料電池１１０側つまり電圧変換回路１３０から負荷部２１０へ電流は流れなくなり、代わりにリチウムイオン電池１２０側のダイオード１５２がオン状態となりリチウムイオン電池１２０から電力供給される。   As described above, power is normally supplied from the voltage conversion circuit 130 to the load unit 210 as described above, but as described above, when the fuel cell 110 extracts the load current, the output voltage decreases. Therefore, when the load current is taken out from the fuel cell 110 until the output voltage 121 of the lithium ion battery 120 becomes less than 121, the diode 151 is automatically turned off as described above, and the load portion from the fuel cell 110 side, that is, the voltage conversion circuit 130 is turned on. No current flows to 210, and instead, the diode 152 on the lithium ion battery 120 side is turned on and power is supplied from the lithium ion battery 120.

しかしながら、燃料電池１１０側から電流が流れなくなると負荷が無くなることから、燃料電池１１０が復活し、燃料電池１１０の出力電圧１１１が上昇し電圧変換回路１３０の出力電圧が上昇するので、再び、ダイオード１５１がオン状態となり、電圧変換回路１３０から負荷部２１０への通電が再開される。該通電により再び電圧変換回路１３０の出力電圧が降下し電圧変換回路１３０から負荷部２１０への通電が停止される。よって、このような動作が繰り返され、燃料電池１１０側では、リチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１相当分の出力が負荷部２１０へ供給され、残りの電力がリチウムイオン電池１２０から供給されることになる。   However, when no current flows from the fuel cell 110 side, there is no load, so the fuel cell 110 is restored, the output voltage 111 of the fuel cell 110 rises, and the output voltage of the voltage conversion circuit 130 rises. 151 is turned on, and energization from the voltage conversion circuit 130 to the load unit 210 is resumed. With this energization, the output voltage of the voltage conversion circuit 130 drops again, and the energization from the voltage conversion circuit 130 to the load unit 210 is stopped. Therefore, such an operation is repeated, and on the fuel cell 110 side, an output corresponding to the output voltage 121 of the lithium ion battery 120 is supplied to the load unit 210, and the remaining power is supplied from the lithium ion battery 120. Become.

以上のように構成された本実施形態における燃料電池用電源システム１０１の動作について以下に説明する。
上述の繰り返しになるが、負荷電流が比較的低く燃料電池１１０の出力電圧１１１が上記設定電圧１１５の１０．４Ｖを超える場合には、上述したように、又、図７における燃料電池用電源システム１０１の出力電圧１０８の第１部分１０８ａに示すように、燃料電池用電源システム１０１において、燃料電池１１０側から負荷部２１０へ電力供給がなされる。 The operation of the fuel cell power supply system 101 in the present embodiment configured as described above will be described below.
As described above, when the load current is relatively low and the output voltage 111 of the fuel cell 110 exceeds the set voltage 115 of 10.4 V, as described above, the fuel cell power supply system in FIG. In the fuel cell power supply system 101, power is supplied from the fuel cell 110 side to the load unit 210 as indicated by a first portion 108 a of the output voltage 108 of 101.

一方、負荷電流が増加し燃料電池１１０の出力電圧１１１が上記設定電圧１１５の１０．４Ｖ以下となった場合には、上述のように電圧変換回路１３０の出力電圧、つまり切替用電圧１３４は、強制的に急激に低下されるので、電圧変換回路１３０の出力電圧は、リチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１未満になる。よって、図７におけるシステム出力電圧１０８の第２部分１０８ｂに示すように、リチウムイオン電池１２０から負荷部２１０へ電力供給がなされる。このとき、上述のように燃料電池１１０側とリチウムイオン電池１２０側とから交互に負荷部２１０へ電力供給がなされる状態にもなる。   On the other hand, when the load current increases and the output voltage 111 of the fuel cell 110 becomes 10.4 V or less of the set voltage 115, the output voltage of the voltage conversion circuit 130, that is, the switching voltage 134, as described above, Since the voltage is forcibly lowered rapidly, the output voltage of the voltage conversion circuit 130 becomes less than the output voltage 121 of the lithium ion battery 120. Therefore, power is supplied from the lithium ion battery 120 to the load unit 210 as shown in the second portion 108b of the system output voltage 108 in FIG. At this time, as described above, power is supplied alternately to the load unit 210 from the fuel cell 110 side and the lithium ion battery 120 side.

このように、燃料電池１１０の出力電力を最大限使用して、不足分についてはリチウムイオン電池１２０から供給可能となる動作は、燃料電池１１０における、負荷電流に応じて出力電圧が変化するという特有のＶ−Ｉ特性を利用し、さらに負荷電流に対してほぼ一定の電圧を出力するというリチウムイオン電池１２０の特性を考慮した上で、電圧変換回路１３０の垂下特性を設け、該垂下特性を有する電圧変換回路１３０の出力側と、リチウムイオン電池１２０の出力側とをダイオードで並列接続したことで実現される。
即ち、燃料電池とリチウムイオン電池とを単にダイオードに並列接続しただけでは、燃料電池の電力を最大限得る状態を保持することはできない。本実施形態では、電圧変換回路１３０を設け、燃料電池１１０が最大電力を供給するときの出力電圧を設定電圧１１５とし、該設定電圧１１５を基準として燃料電池１１０の出力電圧１１１の変換を行い上記切替用電圧１３４を生成していることから、燃料電池１１０の出力電力を最大限使用した電力供給が可能である。又、上記垂下特性は、燃料電池１１０の破壊電圧１１４に至るまでの間に、電圧変換回路１３０の出力電圧をリチウムイオン電池１２０の放電終止電圧１２２以下に降下させる特性である。よって、燃料電池１１０の出力電圧が破壊電圧１１４に至ることはなく、燃料電池１１０が破壊するのを防止することができる。 As described above, the operation in which the output power of the fuel cell 110 is used to the maximum and the shortage can be supplied from the lithium ion battery 120 is unique in that the output voltage of the fuel cell 110 changes according to the load current. In consideration of the characteristics of the lithium ion battery 120 that outputs a substantially constant voltage with respect to the load current, the drooping characteristics of the voltage conversion circuit 130 are provided, and the drooping characteristics are provided. This is realized by connecting the output side of the voltage conversion circuit 130 and the output side of the lithium ion battery 120 in parallel with a diode.
That is, a state where the power of the fuel cell can be maximized cannot be maintained by simply connecting the fuel cell and the lithium ion battery to the diode in parallel. In the present embodiment, the voltage conversion circuit 130 is provided, the output voltage when the fuel cell 110 supplies the maximum power is set as the set voltage 115, and the output voltage 111 of the fuel cell 110 is converted with the set voltage 115 as a reference. Since the switching voltage 134 is generated, it is possible to supply power using the maximum output power of the fuel cell 110. The drooping characteristic is a characteristic in which the output voltage of the voltage conversion circuit 130 is lowered to the discharge end voltage 122 or less of the lithium ion battery 120 until the breakdown voltage 114 of the fuel cell 110 is reached. Therefore, the output voltage of the fuel cell 110 does not reach the breakdown voltage 114, and the fuel cell 110 can be prevented from being destroyed.

尚、ダイオード１５１、１５２にて燃料電池１１０側と、リチウムイオン電池１２０側とを並列接続すると、若干ながらダイオード１５１，１５２にて電圧降下が生じる。該電圧降下をできるだけ防止するため、ダイオード１５１，１５２は、ショットキーダイオードが好ましい。   In addition, when the fuel cell 110 side and the lithium ion battery 120 side are connected in parallel by the diodes 151 and 152, a slight voltage drop occurs in the diodes 151 and 152. In order to prevent the voltage drop as much as possible, the diodes 151 and 152 are preferably Schottky diodes.

第２実施形態；
上述のリチウムイオン電池１２０は、充電可能であることから、本第２実施形態の燃料電池用電源システムでは、燃料電池１１０の出力電力に余裕があるときには、燃料電池１１０の出力電圧１１１を用いてリチウムイオン電池１２０の充電を行う構成を示す。
図２を参照して、上記燃料電池用電源システム１０２について説明する。
燃料電池用電源システム１０２では、上述の燃料電池用電源システム１０１の構成に加えて、リチウムイオン電池１２０の充電を行うための充電回路１６０を新たに設けている。又、当該燃料電池用電源システム１０２の変形例として、さらに出力停止回路１７０を設けることもでき、図２では出力停止回路１７０を設けた場合を図示している。尚、図２では、燃料電池１１０の起動時に使用される補器を駆動するための補器駆動回路１９０についても図示している。その他の構成については、上述の第１実施形態における構成と変わるところはない。よって、同じ構成部分について、ここでは説明を省略する。 A second embodiment;
Since the above-described lithium ion battery 120 can be charged, in the fuel cell power supply system of the second embodiment, when the output power of the fuel cell 110 has a margin, the output voltage 111 of the fuel cell 110 is used. The structure which charges the lithium ion battery 120 is shown.
The fuel cell power supply system 102 will be described with reference to FIG.
In addition to the configuration of the fuel cell power supply system 101 described above, the fuel cell power supply system 102 is newly provided with a charging circuit 160 for charging the lithium ion battery 120. Further, as a modification of the fuel cell power supply system 102, an output stop circuit 170 may be further provided. FIG. 2 shows a case where the output stop circuit 170 is provided. In FIG. 2, an auxiliary device driving circuit 190 for driving an auxiliary device used when starting the fuel cell 110 is also illustrated. Other configurations are the same as those in the first embodiment described above. Therefore, the description of the same components is omitted here.

充電回路１６０について説明する。
上述のように、燃料電池用電源システム１０２も例えばノート型のパーソナルコンピュータに設けられる場合、周辺機器、メモリ、ディスプレイ、ＣＰＵ動作等の作業環境に従い、当該パーソナルコンピュータにて必要となる消費電力は、変動する。よって、燃料電池１１０の電力供給に余裕が生じたときには、該余裕分の電力にて２次電池を充電することが可能である。そこで燃料電池用電源システム１０２では充電回路１６０を設けている。
充電回路１６０は、２次電池、本実施形態ではリチウムイオン電池１２０、及び燃料電池１１０に接続され、上述のようにリチウムイオン電池１２０の充電を行う回路であり、出力電圧比較回路１６１と充電切替回路１６２とを有する。 The charging circuit 160 will be described.
As described above, when the fuel cell power supply system 102 is also provided in, for example, a laptop personal computer, the power consumption required for the personal computer in accordance with the work environment such as peripheral devices, memory, display, and CPU operation is fluctuate. Therefore, when there is a margin in the power supply of the fuel cell 110, the secondary battery can be charged with the margin of power. Therefore, the fuel cell power supply system 102 is provided with a charging circuit 160.
The charging circuit 160 is connected to the secondary battery, in this embodiment, the lithium ion battery 120, and the fuel cell 110, and is a circuit that charges the lithium ion battery 120 as described above. Circuit 162.

出力電圧比較回路１６１は、燃料電池１１０及びリチウムイオン電池１２０の出力側に接続され、燃料電池１１０の出力電圧１１１と上記設定電圧１１５との比較を行い、かつリチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１とリチウムイオン電池１２０における充電可能電圧との比較を行う回路である。ここで、上記充電可能電圧とは、リチウムイオン電池１２０が充電可能となる電圧であり、本実施形態では２個のリチウムイオン電池を直列接続していることから、リチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１における上記最大出力電圧１２３の８．４Ｖに対して１０％低い値であり、図４に符号１２４にて示す、７．６Ｖに設定している。勿論、該７．６Ｖに限定するものではない。
このような出力電圧比較回路１６１は、燃料電池１１０の出力電圧１１１が設定電圧１１５つまり本実施形態では１０．４Ｖを超え、かつリチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１が充電可能電圧１２４つまり７．６Ｖ以下であることを検知したときのみ、充電切替回路１６２をアクティブにする。 The output voltage comparison circuit 161 is connected to the output side of the fuel cell 110 and the lithium ion battery 120, compares the output voltage 111 of the fuel cell 110 with the set voltage 115, and the output voltage 121 of the lithium ion battery 120. This is a circuit that compares the rechargeable voltage in the lithium ion battery 120. Here, the rechargeable voltage is a voltage at which the lithium ion battery 120 can be charged. In this embodiment, two lithium ion batteries are connected in series. The value is 10% lower than the maximum output voltage 123 of 8.4V, and is set to 7.6V indicated by reference numeral 124 in FIG. Of course, it is not limited to 7.6V.
In such an output voltage comparison circuit 161, the output voltage 111 of the fuel cell 110 exceeds the set voltage 115, that is, 10.4V in this embodiment, and the output voltage 121 of the lithium ion battery 120 is the chargeable voltage 124, that is, 7.6V. Only when the following is detected, the charge switching circuit 162 is activated.

上記充電切替回路１６２は、燃料電池１１０の出力側とリチウムイオン電池１２０の出力側との間に接続され、上述のように出力電圧比較回路１６１から指示があったときのみ、燃料電池１１０の出力電圧１１１をリチウムイオン電池１２０に印加してリチウムイオン電池１２０の充電を行う回路である。即ち、リチウムイオン電池１２０への充電が行われるのは、燃料電池１１０の出力電圧１１１が設定電圧１１５つまり１０．４Ｖを超えているとき、つまり負荷部２１０に対して燃料電池１１０側から電力供給が行われているとき、つまり燃料電池１１０の出力電力に余裕があるときである。   The charge switching circuit 162 is connected between the output side of the fuel cell 110 and the output side of the lithium ion battery 120. The output of the fuel cell 110 is output only when instructed by the output voltage comparison circuit 161 as described above. In this circuit, the voltage 111 is applied to the lithium ion battery 120 to charge the lithium ion battery 120. That is, the lithium ion battery 120 is charged when the output voltage 111 of the fuel cell 110 exceeds the set voltage 115, that is, 10.4 V, that is, when the power is supplied from the fuel cell 110 side to the load unit 210. This is when the output power of the fuel cell 110 has a margin.

尚、負荷部２１０に対して燃料電池１１０からのみ電力供給が行われる、燃料電池１１０に余裕がある場合でも、リチウムイオン電池１２０の充電のために負荷が増加して、燃料電池１１０の出力電力に余裕が無くなる場合も考えられる。よって、上記充電動作では、過度な急速充電は行わない。そのため充電回路１６０では充電電流制限を行い、本実施形態では０．１６Ａの充電電流で充電するように構成している。該充電電流は、容量８３０ｍＡｈの電池を２個直列接続している本実施形態のリチウムイオン電池１２０を１０時間で充電する充電電流に相当し、燃料電池１１０の最大出力電力供給時の出力電流である１．６Ａの１／１０の値に相当する。   Note that even when power is supplied only from the fuel cell 110 to the load unit 210, even when there is a margin in the fuel cell 110, the load increases due to the charging of the lithium ion battery 120, and the output power of the fuel cell 110 is increased. It is also conceivable that there will be no more room. Therefore, excessive charging is not performed in the charging operation. Therefore, the charging circuit 160 limits the charging current, and in this embodiment, the charging circuit 160 is configured to charge with a charging current of 0.16A. The charging current corresponds to a charging current for charging the lithium ion battery 120 of this embodiment in which two batteries having a capacity of 830 mAh are connected in series in 10 hours, and is an output current when the maximum output power of the fuel cell 110 is supplied. It corresponds to a value of 1/10 of a certain 1.6A.

又、上述のように本実施形態では、リチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１が上記充電可能電圧１２４以下であって、かつ燃料電池１１０の最大電力時における出力電圧に相当する、上記設定電圧１１５である１０．４Ｖを超える電圧を燃料電池１１０が出力するときに充電モードに入るように構成したが、充電負荷を考慮すると、燃料電池１１０のもう少し高い出力電圧１１１で充電モードに移行するのが好ましい。よって、設定電圧１１５に代えて、例えば上記最大出力電力の９０％に対応する出力電圧と、燃料電池１１０の出力電圧１１１とを比較するようにしてもよい。このように充電電力を上記最大出力電力の１０％分に制限すると過不足なく充電ができる設計となる。即ち、上記９０％に対応する、燃料電池１１０の出力電圧１１１は１０．９Ｖであり、出力電流は１．４Ａである。燃料電池１１０が１０．９Ｖで１．４Ａを出力するときに、充電モードに入り充電電流０．１６Ａを供給したときには、燃料電池１１０の出力電圧１１１は、約１０．４Ｖに低下する。つまり、充電時が燃料電池１１０の最大電力供給時に対応することになり、効率良く充電を行うことができる。   Further, as described above, in this embodiment, the output voltage 121 of the lithium ion battery 120 is equal to or lower than the chargeable voltage 124 and the set voltage 115 corresponding to the output voltage at the maximum power of the fuel cell 110. The fuel cell 110 is configured to enter the charging mode when a voltage exceeding 10.4 V is output, but considering the charging load, it is preferable to shift to the charging mode at a slightly higher output voltage 111 of the fuel cell 110. . Therefore, instead of the set voltage 115, for example, an output voltage corresponding to 90% of the maximum output power may be compared with the output voltage 111 of the fuel cell 110. As described above, when the charging power is limited to 10% of the maximum output power, the charging can be performed without excess or deficiency. That is, the output voltage 111 of the fuel cell 110 corresponding to 90% is 10.9 V, and the output current is 1.4 A. When the fuel cell 110 outputs 1.4 A at 10.9 V and enters the charging mode and supplies a charging current of 0.16 A, the output voltage 111 of the fuel cell 110 decreases to about 10.4 V. That is, the charging time corresponds to the maximum power supply time of the fuel cell 110, and charging can be performed efficiently.

又、充電動作中の燃料電池１１０に対して急激に負荷が増加した場合、負荷電流の増加により燃料電池１１０の出力電圧１１１は、急激に低下し、上述したように、燃料電池１１０とリチウムイオン電池１２０とが負荷部２１０に対して交互に電力供給する状態になる。このような場合、リチウムイオン電池１２０にとっては、充電モードから急激に放電モードヘ移行することになり、このような急激な切り替え動作は好ましくない。
そこで、燃料電池１１０の出力電圧１１１が、燃料電池１１０の最大電力１１２に達する直前の時点で予め充電モードを中止して、上記交互の電力出力状態に移行するのが好ましい。そのために最大電力１１２の例えば９７％に達したときの燃料電池１１０の出力電圧１１１である、図３に示す充電停止電圧１１６の１０．５Ｖを目安にして充電が停止する設計も可能である。 Further, when the load suddenly increases with respect to the fuel cell 110 during the charging operation, the output voltage 111 of the fuel cell 110 rapidly decreases due to the increase of the load current, and as described above, the fuel cell 110 and the lithium ion The battery 120 and the load unit 210 are alternately supplied with power. In such a case, for the lithium ion battery 120, the charging mode is rapidly shifted to the discharging mode, and such a rapid switching operation is not preferable.
Therefore, it is preferable to stop the charging mode in advance immediately before the output voltage 111 of the fuel cell 110 reaches the maximum power 112 of the fuel cell 110 and shift to the alternate power output state. Therefore, it is possible to design such that charging is stopped with reference to 10.5 V of the charging stop voltage 116 shown in FIG. 3, which is the output voltage 111 of the fuel cell 110 when reaching 97% of the maximum power 112, for example.

以上説明したように、本実施形態の燃料電池用電源システム１０１，１０２では、燃料電池１１０の出力電圧１１１を管理することによって、効率良く負荷部２１０への電力供給が可能になることが判る。
尚、充電モードに入ったときは、負荷の電子機器を節電モードで動作させることが、よりスムーズな電源システムの動作を確保可能とする。例えば負荷の電子機器がパーソナルコンピュータ等におけるＣＰＵ動作が主であれば、例えばその動作クロック周波数自体を低くするとか、映像表示機器であれば、例えば液晶画面の輝度を若干低くすることで、２次電池の充電モードの際の燃料電池の負荷を軽減することができる。よって、燃料電池における充電モードの際の負荷余裕が増し、たとえ充電中に負荷が急増しても電カ供給体制に余裕を生じさせることができる。 As described above, in the fuel cell power supply systems 101 and 102 according to the present embodiment, it is understood that the power supply to the load unit 210 can be efficiently performed by managing the output voltage 111 of the fuel cell 110.
When the charging mode is entered, operating the load electronic device in the power saving mode makes it possible to ensure a smoother operation of the power supply system. For example, if the load electronic device is mainly a CPU operation in a personal computer or the like, for example, the operation clock frequency itself is lowered, or if it is a video display device, for example, the brightness of the liquid crystal screen is slightly lowered to reduce the secondary The load on the fuel cell during the battery charging mode can be reduced. Therefore, the load margin in the charging mode of the fuel cell is increased, and even if the load rapidly increases during charging, a margin can be generated in the power supply system.

又、一般的に、リチウムイオン電池は、その安全対策上、定電圧、定電流充電を行う。充電量が少ないときには、過度な電流を流さない定電流で、満充電に近づくと充電電圧を超過しないために定電圧充電とする。このことは、本実施形態のシステム１０１，１０２においても同様であり、リチウムイオン電池の電圧が最大出力電圧の８．４Ｖになるまでは充電電流０．１６Ａで定電流充電を行い、上記８．４Ｖになったときには充電電圧を８．４Ｖで維持する充電方法をとった。   In general, lithium ion batteries are charged at a constant voltage and a constant current for safety measures. When the amount of charge is small, a constant current that does not allow an excessive current to flow, and a charging voltage that does not exceed the charge voltage when full charge is approached is set to constant voltage charging. This also applies to the systems 101 and 102 of the present embodiment, and constant current charging is performed at a charging current of 0.16 A until the voltage of the lithium ion battery reaches the maximum output voltage of 8.4 V. When 4V was reached, a charging method was used in which the charging voltage was maintained at 8.4V.

第２実施形態の変形例として、上記出力停止回路１７０を設けた場合について説明する。
上述した第１及び第２の実施形態では、燃料電池１１０と２次電池１２０との並行運転を行うものであるために、どちらかの電池が機能不全に陥った場合にはシステムの動作を停止させなければならない。主電源である燃料電池１１０において、例えば燃料不足や、燃料であるメタノールの沸点に対して動作温度が異常に上昇した場合等の温度要因などで動作不能になったときには、上述したように、本システムでは２次電池１２０から短期的には電力供給が可能である。しかしながら、２次電池１２０のリチウムイオン電池の出力電圧１２１が上記放電終止電圧１２２以下になるとリチウムイオン電池が破壊され、燃料電池１１０の動作停止後における補器動作管理が不能になる。例えば燃料関係のバルブの開閉、放熱ファンの動作、残量表示等の動作が不能になる。このような事態を防止するため、２次電池１２０の放電終止電圧１２２の直前で本電源システムの出力を負荷部２１０から切断する手段が重要となる。
よって、上記変形例として図２に示すように、リチウムイオン電池１２０の出力側と負荷部２１０との間に、上記出力停止回路１７０を設けることができる。該出力停止回路１７０は、２次電池であるリチウムイオン電池１２０の出力電圧１２１が当該リチウムイオン電池１２０における放電終止電圧１２２を僅かに超える、図４に示す負荷停止電圧１２５まで低下したことを検出し、該負荷停止電圧１２５を検出したときにはリチウムイオン電池１２０から負荷部２１０への出力を停止する。本変形例では、上記負荷停止電圧１２５は、約６．２Ｖに設定している。 As a modification of the second embodiment, a case where the output stop circuit 170 is provided will be described.
In the first and second embodiments described above, since the fuel cell 110 and the secondary battery 120 are operated in parallel, the operation of the system is stopped when one of the batteries malfunctions. I have to let it. When the fuel cell 110 as the main power source becomes inoperable due to a temperature factor such as a shortage of fuel or when the operating temperature rises abnormally with respect to the boiling point of methanol as the fuel, as described above, In the system, power can be supplied from the secondary battery 120 in the short term. However, when the output voltage 121 of the lithium ion battery of the secondary battery 120 becomes equal to or lower than the discharge end voltage 122, the lithium ion battery is destroyed, and the auxiliary device operation management after the operation of the fuel cell 110 is disabled becomes impossible. For example, operations such as opening and closing of fuel-related valves, operation of the heat dissipation fan, and remaining amount display become impossible. In order to prevent such a situation, a means for disconnecting the output of the power supply system from the load unit 210 immediately before the end-of-discharge voltage 122 of the secondary battery 120 is important.
Therefore, as shown in FIG. 2 as a modified example, the output stop circuit 170 can be provided between the output side of the lithium ion battery 120 and the load unit 210. The output stop circuit 170 detects that the output voltage 121 of the lithium ion battery 120, which is a secondary battery, has dropped to the load stop voltage 125 shown in FIG. When the load stop voltage 125 is detected, the output from the lithium ion battery 120 to the load unit 210 is stopped. In this modification, the load stop voltage 125 is set to about 6.2V.

尚、上述の各実施形態では、２次電池のリチウムイオン電池１２０が２個の電池を直列接続した形態を採っているため、上記電圧変換回路１３０は、燃料電池１１０の出力電圧１１１を降圧する降圧型で説明したが、勿論これに限定されるものではなく、２次電池１２０の出力電圧１２１との関係で昇圧型の電圧変換回路を構成することもできる。該昇圧型でも、燃料電池１１０の最大出力電力に対応する電圧で下限電圧制限して、ダイオードで足し合わせる構成で、上述の場合と同様の効果を得ることができる。又、充電動作についても同様に実行可能である。
又、上述の各実施形態では、２次電池としてリチウムイオン電池を用いたが、これに限定するものではなく、他の補助電池でも実現可能であり、商用電源から作成した直流電源でも置き換えは可能である。 In each of the above-described embodiments, the lithium ion battery 120 of the secondary battery adopts a form in which two batteries are connected in series. Therefore, the voltage conversion circuit 130 steps down the output voltage 111 of the fuel cell 110. Although the step-down type has been described, it is needless to say that the step-down type is not limited thereto, and a step-up type voltage conversion circuit can be configured in relation to the output voltage 121 of the secondary battery 120. Even in the boost type, the same effect as described above can be obtained by limiting the lower limit voltage with a voltage corresponding to the maximum output power of the fuel cell 110 and adding the same with a diode. The charging operation can be performed in the same manner.
In each of the above-described embodiments, the lithium ion battery is used as the secondary battery. However, the present invention is not limited to this, and can be realized with other auxiliary batteries, and can be replaced with a DC power source created from a commercial power source. It is.

本発明は、燃料電池及び２次電池を備え、上記燃料電池の出力電力を上記２次電池にて補完して負荷部へ電力供給を行う燃料電池用電源システム、及び該燃料電池用電源システムを備えた電子機器に適用可能である。   The present invention includes a fuel cell and a secondary battery, and supplements the output power of the fuel cell with the secondary battery to supply power to a load unit, and the fuel cell power system. Applicable to electronic devices equipped.

本発明の第１実施形態における燃料電池用電源システムの構成を示す図。The figure which shows the structure of the power supply system for fuel cells in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態における燃料電池用電源システムの構成を示す図。The figure which shows the structure of the power supply system for fuel cells in 2nd Embodiment of this invention. 図１及び図２に示す燃料電池用電源システムに備わる燃料電池における電圧―電流特性を示すグラフ。The graph which shows the voltage-current characteristic in the fuel cell with which the power supply system for fuel cells shown in FIG.1 and FIG.2 is equipped. 図１及び図２に示す燃料電池用電源システムに備わるリチウムイオン電池における電圧―電流特性を示すグラフ。The graph which shows the voltage-current characteristic in the lithium ion battery with which the power supply system for fuel cells shown in FIG.1 and FIG.2 is equipped. 単体のリチウムイオン電池の放電特性を示すグラフ。The graph which shows the discharge characteristic of a single lithium ion battery. 図１及び図２に示す燃料電池用電源システムに備わる電圧変換回路の電圧―電流特性を示すグラフ。The graph which shows the voltage-current characteristic of the voltage conversion circuit with which the power supply system for fuel cells shown in FIG.1 and FIG.2 is equipped. 図１及び図２に示す燃料電池用電源システムにおける電圧―電流特性を示すグラフ。The graph which shows the voltage-current characteristic in the power supply system for fuel cells shown in FIG.1 and FIG.2. 図１及び図２に示す燃料電池用電源システムを備えた電子機器の斜視図。The perspective view of the electronic device provided with the power supply system for fuel cells shown in FIG.1 and FIG.2.

符号の説明Explanation of symbols

１０１、１０２…燃料電池用電源システム、１１０…燃料電池、
１１１…出力電圧、１１２…最大出力電力、１１４…破壊電圧、
１１５…設定電圧、１１６…充電停止電圧、１２２…放電終止電圧、
１２３…最大出力電圧、１２４…充電可能電圧、１２５…負荷停止電圧、
１３０…電圧変換回路、１３１…電圧検知部、１３２…電圧設定部、
１３３…帰還部、１３４…切替用電圧、１５０…整流回路、
１６０…充電回路、１６１…出力電圧比較回路、１６２…充電切替回路、
１７０…出力停止回路、
２１０…リチウムイオン電池。



101, 102 ... Fuel cell power supply system, 110 ... Fuel cell,
111 ... output voltage, 112 ... maximum output power, 114 ... breakdown voltage,
115 ... set voltage, 116 ... charge stop voltage, 122 ... discharge end voltage,
123: Maximum output voltage, 124: Chargeable voltage, 125: Load stop voltage,
130 ... Voltage conversion circuit, 131 ... Voltage detection unit, 132 ... Voltage setting unit,
133 ... Feedback unit, 134 ... Switching voltage, 150 ... Rectifier circuit,
160 ... charging circuit, 161 ... output voltage comparison circuit, 162 ... charge switching circuit,
170 ... output stop circuit,
210: A lithium ion battery.



Claims (1)

第１電力を発生する燃料電池と、
第２電力を発生する２次電池と、
上記燃料電池の出力側と上記２次電池の出力側に接続された燃料電池コントローラとを備え、
上記燃料電池コントローラは、上記燃料電池出力電圧レベルが第１規定値以下になったとき上記燃料電池の出力を停止し、かつ上記燃料電池コントローラに入力される上記２次電池によって発生する第２電力の電圧レベルと第２規定値との比較に基づき上記燃料電池によって発生する第１電力及び上記２次電池によって発生する第２電力の出力を決定する
ことを特徴とする燃料電池用電源システム。


A fuel cell that generates first power;
A secondary battery that generates second power;
A fuel cell controller connected to the output side of the fuel cell and the output side of the secondary battery;
The fuel cell controller stops the output of the fuel cell when the output voltage level of the fuel cell becomes equal to or lower than a first specified value, and the second power generated by the secondary battery input to the fuel cell controller. A power supply system for a fuel cell, wherein the output of the first power generated by the fuel cell and the output of the second power generated by the secondary battery is determined based on a comparison between a voltage level of the second power value and a second specified value.


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