JP2006114486A - Fuel cell power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電源である燃料電池と、電圧の変換がなされるDC−DCコンバータとからなり、携帯機器等の小型電子機器向けの燃料電池電源システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell power supply system for a small electronic device such as a portable device, which includes a fuel cell as a power source and a DC-DC converter that converts voltage.
近年、携帯電話に代表される携帯機器の消費電力は、機器の高機能化に伴い増加の一途をたどっており、電源の容量の向上が大きな課題となっている。
最近、高エネルギー密度である小型エネルギー源として、燃料電池が注目されている。この燃料電池は、電解質を二種類の電極が挟持している。燃料極で水素、或いはメタノールなどの燃料を酸化し、一方の酸素極で大気中の酸素を還元することにより、電気を発生させる。燃料電池の中でも、固体高分子型燃料電池は室温付近での発電が可能であることと、出力密度が高く小型化が可能であることから、携帯機器用の電源として応用が期待されている。
In recent years, power consumption of mobile devices typified by mobile phones has been steadily increasing as the functionality of the devices has increased, and improving the capacity of the power source has become a major issue.
Recently, fuel cells have attracted attention as small energy sources with high energy density. In this fuel cell, two types of electrodes are sandwiched between electrolytes. Electricity is generated by oxidizing a fuel such as hydrogen or methanol at the fuel electrode and reducing oxygen in the atmosphere at one oxygen electrode. Among the fuel cells, the polymer electrolyte fuel cell is expected to be applied as a power source for portable devices because it can generate power near room temperature and has a high output density and can be miniaturized.
燃料電池単セルの実用的な動作電圧が0.5V付近であるため、燃料電池単セルの電圧では、携帯機器などの電子機器類の動作や、ニッケル−水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池を充電することが出来ない。実用的な負荷に必要な電圧を得る為に、必要な数だけ燃料電池単セルを直列に接続し、出力電圧を高めることが必要である。 Since the practical operating voltage of a single fuel cell is around 0.5 V, the voltage of the single fuel cell can be used for the operation of electronic devices such as portable devices, secondary batteries such as nickel-hydrogen batteries and lithium ion batteries. The battery cannot be charged. In order to obtain a voltage necessary for a practical load, it is necessary to connect the required number of single fuel cell cells in series to increase the output voltage.
しかし、直列接続を行った燃料電池では、燃料電池を構成する単セル間の出力のバラツキが元で、出力性能の低いセルは抵抗成分となり燃料電池出力の低下につながる。さらに出力性能の低いセルは、負荷印加時に転極状態となりセルの劣化や腐食などにより、燃料電池出力が大幅に低下し、燃料電池システムが有する燃料に対して、燃料電池システムから電力として得られるエネルギーの効率が低下する課題がある。 However, in a fuel cell that is connected in series, a cell with low output performance becomes a resistance component due to variations in output between single cells constituting the fuel cell, leading to a decrease in fuel cell output. In addition, a cell with low output performance is in a reversal state when a load is applied, and the output of the fuel cell is greatly reduced due to deterioration or corrosion of the cell, and the fuel contained in the fuel cell system can be obtained as electric power from the fuel cell system. There is a problem that the efficiency of energy decreases.
この現象を回避する為に、燃料電池への燃料供給量を制御し、バラツキを抑える方法がある(例えば特許文献1参照。)。しかし、燃料供給によるバラツキの制御は、ポンプなどの補器類などが必要となり、補器類の使用電力によるエネルギー密度の低下や、システムが大型化するなど、携帯機器向けのなどの小型の電子機器類には適していない。
また、燃料電池が転極状態に陥った状態を回避する為のバイパスダイオードを直列接続された燃料電池単セルのそれぞれと並列に接続する方法が知られている。(例えば特許文献2参照。)。しかし、燃料電池の直列接続数が少ない場合は、出力が取り出せなくなる等の問題が生じる。
In addition, there is known a method of connecting a bypass diode in parallel with each of the fuel cell single cells connected in series in order to avoid a state where the fuel cell is in a reversed state. (For example, refer to Patent Document 2). However, when the number of fuel cells connected in series is small, there arises a problem that the output cannot be taken out.
従来の方法によると、高出力の燃料電池が得られるが、複数の燃料電池単セルを積層し、直列接続するため、構造が複雑になる。また、セルの積層化により体積や重量が大きくなる為、燃料電池システム全体のエネルギー密度が低下し、出力密度が高い燃料電池の特徴を活かしきれない問題がある。
特に小型携帯機器の電源は、寸法が限られ軽量かつ小型、簡素である事が求められることから、燃料電池を積層化し直列接続することは不適当である。また、直列接続において用いられる各々のセル出力にはバラツキがある。そのバラツキによって、燃料電池全体の出力にロスが生じ、発電効率が低下する。その為、各々のセル出力のバラツキを抑えるための制御を行わなければならない。
According to the conventional method, a high output fuel cell can be obtained. However, since a plurality of fuel cell single cells are stacked and connected in series, the structure becomes complicated. Further, since the volume and weight are increased by stacking cells, the energy density of the entire fuel cell system is lowered, and there is a problem that the characteristics of the fuel cell having a high output density cannot be fully utilized.
In particular, since the power source of a small portable device is limited in size and needs to be lightweight, small and simple, it is inappropriate to stack fuel cells in series and connect them in series. Further, each cell output used in series connection varies. Due to the variation, the output of the entire fuel cell is lost, and the power generation efficiency is lowered. For this reason, it is necessary to perform control for suppressing variations in cell outputs.
このように、燃料電池システムから携帯機器などの電子機器類へ電力を効率良く供給する際の諸問題を解決する為に、燃料電池単セル、或いは燃料電池単セルの並列接続や低直列接続数の燃料電池を構成し、スイッチトキャパシタやチャージポンプなどの起動用のDC−DCコンバータを用いた多段の昇圧手段を用いず、簡素な構成で低電圧である燃料電池出力のみでシステム内部の回路を起動させ、システムを駆動させる。また、燃料電池が無負荷状態あるいは、無負荷状態に近い状態において燃料電池内部に残留する燃料を燃料電池において電力に変換し、システム内部に蓄積する。 As described above, in order to solve various problems when power is efficiently supplied from the fuel cell system to electronic devices such as portable devices, the number of fuel cell single cells, or parallel connection of fuel cells or the number of low series connections Without using multi-stage boosting means using a DC-DC converter for activation such as a switched capacitor or a charge pump, and a circuit inside the system with only a low voltage fuel cell output. Start and drive the system. Further, the fuel remaining in the fuel cell when the fuel cell is in the no-load state or near the no-load state is converted into electric power in the fuel cell and accumulated in the system.
上記目的を達成する為に、本発明は、燃料から化学反応により電力の取り出しが可能な燃料電池と、燃料電池出力の電圧を変換するDC−DCコンバータとを有し、負荷へ電力を供給する燃料電池電源システムにおいて、前記燃料電池は、単セル、或いは単セルの並列接続、或いは直列接続されており、燃料電池出力の電圧を変換するDC−DCコンバータはインダクタを用いるスイッチング・レギュレータ方式であり、またDC−DCコンバータは、DC−DCコンバータ自身を起動させるための起動用回路を有することを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention has a fuel cell capable of taking out electric power from a fuel by a chemical reaction and a DC-DC converter for converting the voltage of the fuel cell output, and supplies electric power to a load. In the fuel cell power supply system, the fuel cell is a single cell, or a single cell connected in parallel or in series, and the DC-DC converter for converting the voltage of the fuel cell output is a switching regulator system using an inductor. The DC-DC converter is characterized by having a starting circuit for starting the DC-DC converter itself.
起動用回路は、DC−DCコンバータを構成するインダクタとコンバータへの入力電圧を昇圧するためのスイッチ素子と、起動用回路のON/OFFを切り替える動作スイッチから構成され、燃料電池から電流を取り出した際に出力電圧の低下が起こる燃料電池の発電特性を利用し動作する。 The start-up circuit is composed of an inductor constituting the DC-DC converter, a switch element for boosting the input voltage to the converter, and an operation switch for switching ON / OFF of the start-up circuit, and takes out current from the fuel cell. It operates using the power generation characteristics of the fuel cell in which the output voltage drops.
前記起動用回路は、SOI技術を用いて作成された素子を含むことを特徴としており、単セルの燃料電池であってもDC−DCコンバータやシステム内部の電子回路が動作を開始する。ここで、SOI(シリコン・オン・インシュレータ)とは、絶縁膜上に形成した単結晶シリコンを用い基板とした半導体や半導体技術のことであり、基板に絶縁層を形成していることから漏れ電流が少なく、消費電力を抑えることが可能となる。また、デバイスの寄生容量を低減できることから、回路の高速動作化が可能となる。 The start-up circuit includes an element created using SOI technology, and even a single-cell fuel cell starts operation of a DC-DC converter and an electronic circuit inside the system. Here, SOI (silicon-on-insulator) is a semiconductor or semiconductor technology using a single crystal silicon formed on an insulating film as a substrate, and since an insulating layer is formed on the substrate, a leakage current is generated. Therefore, power consumption can be suppressed. Further, since the parasitic capacitance of the device can be reduced, the circuit can be operated at high speed.
前記燃料電池電源システムは、繰り返し充放電が可能な蓄電要素を有することを特徴としている。これにより、燃料電池電源システムとして負荷応答性を高め負荷を安定的に動作させる。また、蓄電要素の電力を用いてDC−DCコンバータを駆動させる場合もある。
蓄電要素を使用し、燃料電池とのハイブリッド化を行う場合には、燃料電池出力と蓄電要素出力の切換を行う出力スイッチング回路を用い、DC−DCコンバータの出力電圧は少なくとも蓄電要素の定格電圧以上とする。
The fuel cell power supply system has a power storage element that can be repeatedly charged and discharged. Thereby, load responsiveness is improved as a fuel cell power supply system, and the load is stably operated. In some cases, the DC-DC converter is driven using the power of the storage element.
When using a storage element and hybridizing with a fuel cell, use an output switching circuit that switches between the fuel cell output and the storage element output, and the output voltage of the DC-DC converter is at least the rated voltage of the storage element And
負荷への電力供給がDC−DCコンバータの出力のみで行われているときに、DC−DCコンバータの出力電圧が蓄電要素の電圧以下となった場合は、出力スイッチング回路が負荷への電力供給を蓄電要素から行うように、出力のスイッチングを行う。または、負荷への電力供給がDC−DCコンバータの出力のみで行われているときに、DC−DCコンバータの出力電圧が蓄電要素の電圧以下となった場合に、出力スイッチング回路が、DC−DCコンバータの出力電圧を蓄電要素の電圧と一致するように出力を制御し、DC−DCコンバータの出力と蓄電要素の出力を同時に負荷へ供給する。
更に、燃料不足等によって燃料電池出力が低下した場合や、燃料電池が発電不可能な状態や、燃料電池を動作させない場合は、蓄電要素から負荷へ電力を供給し、負荷を動作させる。
When the power supply to the load is performed only by the output of the DC-DC converter, if the output voltage of the DC-DC converter becomes lower than the voltage of the storage element, the output switching circuit supplies the power to the load. Output switching is performed as is done from the storage element. Alternatively, when the power supply to the load is performed only by the output of the DC-DC converter, and the output voltage of the DC-DC converter becomes equal to or lower than the voltage of the storage element, the output switching circuit The output is controlled so that the output voltage of the converter matches the voltage of the storage element, and the output of the DC-DC converter and the output of the storage element are supplied simultaneously to the load.
Furthermore, when the fuel cell output is reduced due to fuel shortage, when the fuel cell cannot generate power, or when the fuel cell is not operated, power is supplied from the power storage element to the load to operate the load.
また、燃料電池内部で負荷の要求電力に対して必要とされる燃料よりも過剰な燃料が燃料電池に供給された場合、余剰分の燃料を滞留することなく燃料電池によって電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーを蓄電要素に充電する。
蓄電要素は、二次電池、キャパシタ、コンデンサ等からなる群の少なくとも一つを任意に選択することが出来る。二次電池としては、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、金属リチウム二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル鉄二次電池、ニッケル亜鉛二次電池、酸化銀亜鉛二次電池、亜鉛ハロゲン二次電池、鉛蓄電池、レドックスフロー電池、ナトリウム硫黄電池等からなる群の少なくとも一つを任意に選択することが出来る。
In addition, when excessive fuel is supplied to the fuel cell than the fuel required for the required power of the load inside the fuel cell, the fuel cell converts it into electric energy without stagnation of the excess fuel, The electrical energy is charged into the storage element.
As the storage element, at least one of a group consisting of a secondary battery, a capacitor, a capacitor, and the like can be arbitrarily selected. Secondary batteries include lithium ion secondary battery, lithium polymer secondary battery, metallic lithium secondary battery, nickel metal hydride secondary battery, nickel cadmium secondary battery, nickel iron secondary battery, nickel zinc secondary battery, silver zinc oxide At least one of the group consisting of a secondary battery, a zinc halogen secondary battery, a lead storage battery, a redox flow battery, a sodium sulfur battery, and the like can be arbitrarily selected.
燃料電池として、PEFCを用いる場合、水素は、液体水素、或いは水素ガス、或いは水素原子のいずれかの状態で、高圧ボンベ、水素吸蔵合金、カーボンナノチューブやフラーレンなどの炭素材料等からなる群の少なくとも1種類以上の手段により貯蔵する。或いは、アルコールや無機ケミカルハイドライドや有機ケミカルハイドライドなどの水素を含む化学物質を改質することにより水素を取り出す事も可能である。 When PEFC is used as a fuel cell, hydrogen is at least one of the group consisting of high-pressure cylinders, hydrogen storage alloys, carbon materials such as carbon nanotubes and fullerenes in the state of liquid hydrogen, hydrogen gas, or hydrogen atoms. Store by one or more means. Alternatively, hydrogen can be taken out by modifying a chemical substance containing hydrogen such as alcohol, inorganic chemical hydride, or organic chemical hydride.
DMFCに代表される燃料直接型の燃料電池を用いる場合は、燃料としてメタノールを使用する。また、メタノールの代わりに、燃料としてジメチルエーテル(DME)、2−プロパノール、エタノール等のアルコール類等を用いることも可能である。更に、燃料直接型の燃料電池の燃料として、水素化ホウ素ナトリウム等の金属水素錯化合物の水溶液を使用することが出来る。 When a direct fuel type fuel cell represented by DMFC is used, methanol is used as the fuel. Moreover, it is also possible to use alcohols, such as dimethyl ether (DME), 2-propanol, and ethanol, as a fuel instead of methanol. Furthermore, an aqueous solution of a metal hydride complex compound such as sodium borohydride can be used as a fuel for a direct fuel cell.
本発明によれば、簡素で小型化が可能な構成で、燃料電池が単セル、或いは低直列数であっても、DC−DCコンバータやシステム内部の電子回路が駆動可能となり、負荷を動作させることが可能となるため、発電部分においてエネルギーロスを低く抑えることが可能となる。 According to the present invention, the DC-DC converter and the electronic circuit inside the system can be driven to operate the load even if the fuel cell is a single cell or a low series number with a simple and miniaturizable configuration. Therefore, it is possible to keep energy loss low in the power generation part.
起動用回路にSOI技術を用いて作成された素子を用いることにより、単セルの燃料電池出力であっても、DC−DCコンバータやシステム内部の電子回路素子が動作可能であり、漏れ電流を低減し、DC−DCコンバータの変換効率が向上する。 By using elements created using SOI technology in the startup circuit, DC-DC converters and electronic circuit elements inside the system can operate even with single-cell fuel cell output, reducing leakage current In addition, the conversion efficiency of the DC-DC converter is improved.
余剰燃料分を用いて発電し蓄電要素を充電することによって、燃料電池の劣化や燃料の漏れや余計な燃料の消費を抑えることが可能となり、上述と併せ燃料電池システムは、システムのエネルギーの高効率利用が可能となる。 By generating electricity using the surplus fuel and charging the electricity storage element, it becomes possible to suppress deterioration of the fuel cell, fuel leakage, and excessive fuel consumption. Efficient use is possible.
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
電源として単セルの燃料電池発電セルを用いた。この実施例の他に、電源として太陽電池、熱電素子等、電流の取り出しと共に電源の電圧降下が起こる電源が利用可能である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
A single-cell fuel cell power generation cell was used as a power source. In addition to this embodiment, it is possible to use a power source that causes a voltage drop of the power source as the current is taken out, such as a solar cell or a thermoelectric element.
図1は本発明にかかる燃料電池電源システムの主要構成を示す図である。燃料から化学反応により電力の取り出しが可能な燃料電池1と、燃料電池1からの出力を昇圧するDC−DCコンバータ2から構成され、直流負荷3にDC−DCコンバータ2により昇圧された電力が供給される構成とした。また、DC−DCコンバータ2には、自己の起動のための起動用回路6が搭載されている。図1における燃料電池1として、高分子固体電解質型の燃料電池を1つ用いた。燃料電池1の開回路電圧は1.04Vであった。
FIG. 1 is a diagram showing a main configuration of a fuel cell power supply system according to the present invention. A
図3にDC−DCコンバータ2の詳細を示す。DC−DCコンバータ2は、インダクタ202を用いたスイッチングレギュレータ方式のDC−DCコンバータである。DC−DCコンバータ2の出力電圧を4.5Vに設定した。出力電圧は、分圧抵抗器206と分圧抵抗器207の抵抗値の比によって設定可能である。分圧抵抗器206に可変抵抗器を用いると、出力電圧値の設定が容易となる。スイッチング素子には、低オン抵抗のNチャンネルのMOSFET203を使用した。入力コンデンサ201と出力コンデンサ205共に低いESR値の電解質に有機半導体用いたコンデンサを使用した。
FIG. 3 shows details of the DC-
燃料電池1からの出力は低電圧である為、DC−DCコンバータ2の効率を高める為には、特に入力コンデンサ201、インダクタ202、Nch−MOSFET203は低い抵抗値の素子を選択し、電圧降下を低減し、昇圧の倍率を最低限に低くしなければならない。
Since the output from the
起動用回路6として、動作のスイッチの為の動作スイッチ213と、電圧の昇圧の為のスイッチング素子であるNch−MOSFET211と、Nch−MOSFET211をドライブするためのドライバ212から構成される。また、起動用回路6は、燃料電池の出力電圧の昇圧を行うためにDC−DCコンバータ2を構成するインダクタ202を併用する構成とした。
The
Nch−MOSFET211のゲートのシュレッショルド電圧は0.45Vのものを使用した。動作スイッチ213およびドライバ212はSOI基板を用いてデバイスを作成した。
The threshold voltage of the gate of the Nch-
起動用回路6の動作を切り替える動作スイッチ213は、DC−DCコンバータ2が非動作時ではNch−MOSFET211をオン状態に、DC−DCコンバータ2が動作したときにNch−MOSFET211をオフするように回路を組めば良い。ここでは、図3に示すように、コンパレータ301を用い、DC−DCコンバータ2への燃料電池1からの入力電圧よりもDC−DCコンバータの出力電圧が高いときにFET302をターンオフするように構成した。動作スイッチ213の動作を安定化させるために、図3では省略したが、コンパレータ301にヒステリシスを持たせ、コンパレータ301の出力にRC素子を用いて遅延動作をさせるとよい。
The
燃料電池1に燃料が供給され燃料電池1が発電を開始すると、燃料電池1から出力された電力は、DC−DCコンバータ2に供給される。DC−DCコンバータ2の電源端子217には、DC−DCコンバータ2の二次出力電力が供給される。
When fuel is supplied to the
DC−DCコンバータ2の内部のPWM制御回路210、コンパレータ209、基準電圧発生器208の駆動電圧は1.8V以上必要な素子で構成した。
The drive voltage of the
燃料電池1の発電直後は、DC−DCコンバータ2は動作していない。このとき、DC−DCコンバータ2の出力電圧は、燃料電池1からの入力電圧がDC−DCコンバータ2の内部の抵抗成分によって電圧降下した出力である。このときのDC−DCコンバータ2の出力電圧が、DC−DCコンバータ2の電源入力端子217に入力されても、DC−DCコンバータ2は駆動することは出来ない。図2において、起動用回路のない回路構成では、DC−DCコンバータ2の出力電圧は0.941Vであった。
Immediately after power generation by the
一方、起動用回路6はDC−DCコンバータ2に使用されているインダクタ202を用いて昇圧を行う。DC−DCコンバータ2の電源を得る為の昇圧プロセスは、図4に示す通りである。
On the other hand, the
燃料電池1に燃料が供給され、燃料電池1の発電直後は(図4−S1)、DC−DCコンバータは駆動しておらず(図4−S2)、動作スイッチ213では、DC−DCコンバータの出力電圧よりも燃料電池1の出力電圧の方が高いため、FET302はオン状態となっており(図4−S3)、起動用回路6が動作する(図4−S4)
燃料電池1からの出力は動作スイッチ213を通り抜け、Nch−MOSFET211に達する。このとき、Nch−MOSFET211のゲート端子には、動作スイッチ213とNch−MOSFET211のドレイン端子間の電圧がドライバ212を介して入力される。ドライバ212はNch−MOSFET211のゲートのしきい値電圧よりも高い電圧で出力が切り替わるように構成した。これにより、起動用回路6に燃料電池1の起電時などの開回路電圧に近い電圧が入力されると(図4−S5)、Nch−MOSFET211はターンオンされ(図4−S6)、インダクタ202にエネルギーが蓄積される(図4−S7)。
The fuel is supplied to the
The output from the
ここで、燃料電池1の出力特性を示すグラフを図5に示す。グラフの横軸は出力電流値、グラフの縦軸は燃料電池電圧である。燃料電池1の出力電流の増加に伴って、燃料電池1の電圧が降下しているのがわかる。Nch−MOSFET211はターンオンされると、燃料電池1の出力電流は、インダクタ202を通り、動作スイッチ213とNch−MOSFET211を抜け、燃料電池1へ戻る。この回路網は抵抗成分が低い為、燃料電池1は短絡に近い状態となり、回路網には大電流が流れ、燃料電池1の電圧は低下する(図4−S8)。燃料電池1の電圧がNch−MOSFET211のしきい値電圧よりも高い電圧値に設定されたドライバのしきい値電圧を下回ると(図4−S9)、ドライバ212の出力はLレベルとなりNch−MOSFET211はターンオフされる(図4−S10)。
Here, the graph which shows the output characteristic of the
Nch−MOSFET211のスイッチングによってインダクタ202に発生した電圧は、DC−DCコンバータ2の電源端子217へ入力される(図4−S11)。Nch−MOSFET211のスイッチングはDC−DCコンバータ2の駆動電圧が得られるまで繰り返される(図4−S12)。
The voltage generated in the
DC−DCコンバータ2の駆動電圧が得られると、DC−DCコンバータ2は駆動を始め、DC−DCコンバータの出力電圧は設定値の4.5Vを維持するように動作する。
このとき、動作スイッチ213は、燃料電池1からの入力電圧よりもDC−DCコンバータ2の出力電圧の方が高いため、FET302をターンオフし(図4−S13)、起動用回路6の動作を停止する(図4−S14)。
When the drive voltage of the DC-
At this time, since the output voltage of the DC-
実施の形態2は、実施の形態1におけるDC−DCコンバータ2と、蓄電要素を用いた。図6は本発明の第2の実施形態における燃料電池電源システムの構成を示すブロック図である。DC−DCコンバータ2の出力電圧は4.5Vに設定した。
In the second embodiment, the DC-
図7に第2の実施形態における燃料電池電源システムの詳細を示す。蓄電要素4として、満充電された300mAh、公称電圧3.7Vの単セルリチウムイオン二次電池401を使用した。リチウムイオン二次電池401の出力がダイオード403を介してDC−DCコンバータ2の電源端子に入力され、DC−DCコンバータ2が起動する。
DC−DCコンバータ2には起動用回路6が搭載されているが、DC−DCコンバータ2はリチウムイオン二次電池401の電力によって起動した為、動作することがない。
FIG. 7 shows details of the fuel cell power supply system according to the second embodiment. As the
The DC-
燃料電池1の発電後、燃料電池1の出力はDC−DCコンバータ2に入力され、DC−DCコンバータ2によって昇圧される。DC−DCコンバータ2によって昇圧された電圧が、リチウムイオン二次電池401の電圧よりも上回った場合には、ダイオード404を介しDC−DCコンバータ2の出力が入力される。
After power generation by the
図8に出力スイッチングコントローラ501の構成を示す。コンパレータ509にリチウムイオン二次電池401出力電圧とDC−DCコンバータ2の出力電圧が入力され、その電位差を基にアナログコントローラ510が二つのゲートドライバの動作を制御し、DC−DCコンバータ2とリチウムイオン二次電池401の出力パスのスイッチングを行う。
FIG. 8 shows the configuration of the
電源端子502から入力されたリチウムイオン二次電池401の電圧が、電圧センス端子505から入力されたDC−DCコンバータ2の出力電圧よりも低い場合には、ゲートドライバ511を動作させ、Pch−MOSFET508をターンオフし、ゲート出力端子504はオープン状態でDC−DCコンバータ2の出力が直流負荷3へ供給される。
When the voltage of the lithium ion
急激な負荷変動や、パルス状の負荷など、燃料電池1の出力が負荷変動に追従しきれない場合等、DC−DCコンバータ2の出力電圧が、リチウムイオン二次電池401の電池電圧を下回る状態を検出すると、アナログコントローラ510がゲートドライバ512を動作させ、Pch−MOSFET507をターンオフし、ゲート出力端子503はオープン状態でリチウムイオン二次電池401の出力が直流負荷3へ供給される。リチウムイオン二次電池401の出力が直流負荷3へ供給中に、DC−DCコンバータ2の出力電圧がリチウムイオン二次電池401の出力電圧より高くなれば、出力スイッチングコントローラ501により、ゲートドライバ511を動作させ、Pch−MOSFET508をターンオフし、ゲート出力端子504はオープン状態でDC−DCコンバータ2の出力が直流負荷3へ供給される。
A state in which the output voltage of the DC-
また、リチウムイオン二次電池401の出力電圧よりも、DC−DCコンバータ2の出力電圧が完全に下回る以前に、直流負荷3への電力供給をリチウムイオン二次電池401の出力に切り換えたい場合や出力の切り替え時のばたつきや発振を抑え安定的に出力させるために、コンパレータ509の動作にヒステリシスを持たせたり、コンパレータの出力にRC回路を構成し動作を遅延させることが有効である。
Further, when it is desired to switch the power supply to the
図9に本発明の第3の実施形態における燃料電池電源システムの構成を示す。実施の形態2におけるスイッチングコントローラに電圧センス入力を1端子増設したスイッチングコントローラ515を使用した。スイッチングコントローラ515の構成を図10に示す。直流負荷3に電力が入力される直前の電圧を出力スイッチングコントローラ515の電圧センス入力505へ入力し、接点514での電圧を電圧センス513へ入力するようにした。
FIG. 9 shows the configuration of a fuel cell power supply system according to the third embodiment of the present invention. The switching
これによって、リチウムイオン二次電池401の出力電圧よりも、DC−DCコンバータ2の出力電圧が完全に下回ると、出力スイッチング回路515はPch−MOSFET507をターンオフし、リチウムイオン二次電池401の出力が直流負荷3へ供給される。そのとき、電圧センス端子505への入力電圧は、電源端子502から入力されたリチウムイオン二次電池401の電圧と同等になる。このとき、出力スイッチング回路5内部のアナログコントローラ510は、電圧センス端子505へ入力される電圧を、電源端子502から入力される電圧と一致するように、ゲート出力端子504の出力電圧を制御する。これによって、DC−DCコンバータ2からの出力がPch−MOSFET507のオン抵抗値によって制御され、DC−DCコンバータ2からの出力電圧とリチウムイオン二次電池401の出力電圧が一致し、直流負荷3へDC−DCコンバータ2からの出力とリチウムイオン二次電池401の出力が同時に供給される。その後、電源端子502より入力されるリチウムイオン二次電池401の電圧よりも、接点514の電圧、すなわちDC−DCコンバータ2の出力電圧が上回ると、Pch−MOSFET508をターンオフ、Pch−MOSFET507をオン状態にすることにより、DC−DCコンバータ2のみの出力に切り換える。
Accordingly, when the output voltage of the DC-
図11に本発明の第4の実施形態における燃料電池電源システムの構成を示す。燃料電池電源システムの構成の詳細を図12に示す。図13に示すスイッチングコントローラ522を使用した。燃料電池1への燃料の供給が、直流負荷3の電力要求に対して必要とされる燃料量を上回り、余剰の燃料が燃料電池1内部の燃料極キャビティー内に滞留するような状態において、燃料電池1から電力を取り出すことで余剰燃料を消費し、発電によって得られた電力をリチウムイオン二次電池401へ充電するように制御した。
FIG. 11 shows the configuration of a fuel cell power supply system according to the fourth embodiment of the present invention. Details of the configuration of the fuel cell power supply system are shown in FIG. A switching
直流負荷3の動作停止直後に燃料の供給動作を停止させても、燃料電池の燃料極キャビティー内部には余剰水素が残留する。燃料極キャビティー内部に余剰水素が残留していると、燃料電池1は正極と負極との間に電位差が生じており、この状態で放置すると、燃料電池が自己放電しシステムとしてエネルギーのロスに繋がる。これを避ける為に、直流負荷3に電力が入力される直前の電圧を出力スイッチングコントローラ522の電圧センス入力505へ入力し、接点514での電圧を電圧センス513へ入力するようにした。
Even if the fuel supply operation is stopped immediately after the operation of the
DC−DCコンバータ2から直流負荷3へ電力を供給しているとき、Pch−MOSFET507には電流が流れ、オン抵抗値による電圧降下が起こる。その為、電圧センス505と電圧センス513との間には電位差が生じている。ここで直流負荷3の動作を停止すると、電流の流れはなくなり、電圧センス505と電圧センス513との間の電位差が非常に小さくなる。この状態で、接点527が0Vよりも高い電圧を持っているときには、Nch−MOSFET517をターンオンするように制御し、リチウムイオン二次電池401の充電を行う。
When power is supplied from the DC-
本発明の第4の実施形態における燃料電池電源システムの構成において、スイッチングコントローラを図15に示すスイッチングコントローラ524に取り替えた。直流負荷3へ電力供給を行っていない状態や直流負荷3への電力供給が微小である場合や、直流負荷3が燃料電池電源システムとの接続がたたれている場合において、リチウムイオン二次電池401が満充電状態ではないとき、リチウムイオン二次電池401を充電するように制御する。
In the configuration of the fuel cell power supply system according to the fourth embodiment of the present invention, the switching controller is replaced with a switching controller 524 shown in FIG. Lithium ion secondary battery in a state where power is not supplied to the
直流負荷3へ電力を供給していない状態、すなわち電圧センス端子505の入力電圧と電圧センス端子513の入力電圧との電位差が小であって、直流負荷3へ電流が流れていない状態であり、尚かつ電源端子502へのリチウムイオン二次電池401の電圧の入力と基準電圧発生器526をコンパレータ525によって比較を行い、リチウムイオン二次電池401が充電電圧に達していない状態であることを検出すると、コントローラ510はゲートドライバ523を動作させてNch−MOSFET517をターンオンし、リチウムイオン二次電池401の充電を開始する。リチウムイオン二次電池が満充電電圧4.2Vに達すると、電源端子502から入力される電圧は、基準電圧発生器526から発生される電圧値を超える為、コントローラ510はリチウムイオン二次電池401の充電を停止させる為に、Nch−MOSFET517をオフする用にゲートドライバ523を動作させる。
A state in which power is not supplied to the
図16に本発明の第7の実施形態における燃料電池電源システムの構成を示す。実施の形態4で使用したスイッチングコントローラ522を使用した。蓄電要素として電気二重層コンデンサ405を使用した。電気二重層コンデンサ405は耐圧7.2V、静電容量0.047Fであり、充電されていない状態で回路に組み込んだ。電気二重層コンデンサの充電制御として、充電電流の制御が可能なバッテリーチャージャー406を使用した。
FIG. 16 shows the configuration of a fuel cell power supply system according to the seventh embodiment of the present invention. The switching
電気二重層コンデンサ405は充電されていない為、電気二重層コンデンサ405ではDC−DCコンバータ2を起動できない。燃料電池1の発電後、起動用回路によってDC−DCコンバータ2に電力が供給され、DC−DCコンバータ2が駆動する。状態入力端子520からは、直流負荷3の動作状態が入力される。状態入力端子520からの入力によって、スイッチングコントローラ522は、直流負荷3が動作状態の時、Pch−MOSFETをターンオフするようにデートドライバ523を動作させ、直流負荷3が非動作時ではゲート出力端子521はグランドに接続する。直流負荷3が非動作時にPch−MOSFETはオン状態となり、電気二重層コンデンサ405が充電される。
電圧センス入力は実施の形態3と同じ接続を行っている為、直流負荷3への電力供給は実施の形態3と同様になる。
Since the electric
Since the voltage sense input has the same connection as in the third embodiment, the power supply to the
本形態は、燃料電池単セルのみの出力を用いて、DC−DCコンバータを起動させる実施の形態1の別の例を示す。すなわち、図1に示す構成において、DC−DCコンバータ2の接続構成を変更した。図16は本発明にかかるDC−DCコンバータ2の構成を示す図である。図16にDC−DCコンバータ2の詳細を示す。DC−DCコンバータ2の出力電圧を4.5Vに設定した。
The present embodiment shows another example of the first embodiment in which the DC-DC converter is activated using the output of only the single fuel cell. That is, in the configuration shown in FIG. 1, the connection configuration of the DC-
起動用回路6は、動作のスイッチの為の動作スイッチ213と、Nch−MOSFET203をドライブするためのドライバ212から構成され、Nch−MOSFET203のゲートのシュレッショルド電圧は0.45Vのものを使用した。ドライバ212および動作スイッチ213はSOI基板をもちいてデバイスを作成した。
The
実施の形態1と異なる点は、起動用回路6の接続関係と、起動用回路6がDC−DCコンバータ2の電源電圧を得るための手段として、DC−DCコンバータ2を構成するインダクタ202、およびNch−MOSFET203が兼用されている点である。
The difference from the first embodiment is that the connection relationship of the
インダクタ202の出力を動作スイッチ213の214端子に結線し、内部のPch−FET302のソース端子と接続する。Pch−FET302のドレイン端子は、動作スイッチ213の216端子を介しドライバ212と接続を行った。
The output of the
起動用回路6の動作を切り替える動作スイッチ213は、実施の形態1と同様に、DC−DCコンバータ2が非動作時ではNch−MOSFET211をオン状態に、DC−DCコンバータ2が動作したときにNch−MOSFET211をオフするように回路を組めば良い。図3に示すように動作スイッチ213は、コンパレータ301を用い、DC−DCコンバータ2への燃料電池1からの入力電圧よりもDC−DCコンバータの出力電圧が高いときにPch−FET302をターンオフするように構成した。
As in the first embodiment, the
起動用回路6およびDC−DCコンバータ2の動作は実施の形態1と同様に、図4に示すフローに沿って動作した。
The operations of the
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない限り、変更が可能である。更に、前記実施形態にはそれぞれの段階の発明が含まれている。開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせによる構成が発明として抽出され得る。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A change is possible in the implementation stage, unless it deviates from the summary. Further, the above embodiments include inventions at respective stages. A configuration obtained by appropriately combining a plurality of disclosed configuration requirements can be extracted as an invention.
本発明の燃料電池電源システムは、燃料電池の出力損失が低く小型化が可能であり、安定した電力の供給も可能なため、携帯機器の小型化に適応できる。 The fuel cell power supply system of the present invention can be miniaturized because the output loss of the fuel cell is low, and can be supplied with stable power, so that it can be adapted to miniaturization of portable devices.
1 燃料電池
2 DC−DCコンバータ
3 直流負荷
4 蓄電要素
5 出力スイッチング回路
6 起動用回路
201 入力コンデンサ
202 インダクタ
203,211,517 Nch−MOSFET
204 ショットキダイオード
205 出力コンデンサ
206,207 分割抵抗器
208,302,526 基準電圧発生器
209,301,509,516,525 コンパレータ
210 PWM制御回路
212 ドライバ
213 動作スイッチ
217、502 電源端子
220,506 グランド端子
302,507,508 Pch−MOSFET
401 リチウムイオン二次電池
402,406 バッテリーチャージャー回路
403,404,518,519 ダイオード
405 電気二重層コンデンサ
501,515,522、524 出力スイッチングコントローラ
503,504,521 ゲート出力端子
505,513 電圧センス端子
510 アナログコントローラ
511,512,523 ゲートドライバ
514,527 接点
520 状態入力端子
DESCRIPTION OF
204
401 Lithium ion secondary battery 402,406 Battery charger circuit 403,404,518,519
Claims (14)
前記DC−DCコンバータから前記負荷への入力電圧が前記蓄電要素の持つ電圧よりも低下した場合、
前記蓄電要素の出力のみを、前記負荷へ供給する手段を備えたことを特徴とする請求項6乃至8いずれか1項記載の燃料電池電源システム。 The fuel cell power supply system includes:
When the input voltage from the DC-DC converter to the load is lower than the voltage of the storage element,
9. The fuel cell power supply system according to claim 6, further comprising means for supplying only the output of the power storage element to the load.
前記DC−DCコンバータから前記負荷への入力電圧が前記蓄電要素の持つ電圧よりも低下した場合、
前記DC−DCコンバータの出力電圧と前記蓄電要素の出力電圧を一致させ前記負荷へ電力を同時に供給する手段を備えたことを特徴とする
請求項6乃至8いずれか1項記載の燃料電池電源システム。 The fuel cell power supply system includes:
When the input voltage from the DC-DC converter to the load is lower than the voltage of the storage element,
The fuel cell power supply system according to any one of claims 6 to 8, further comprising means for matching the output voltage of the DC-DC converter and the output voltage of the power storage element to simultaneously supply power to the load. .
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