JP2007280741A

JP2007280741A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP2007280741A
Application number: JP2006104815A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Norimatsu; 泰明乗松; Tamahiko Kanouda; 玲彦叶田; Mutsumi Kikuchi; 睦菊地
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2007-10-25
Also published as: US20070237989A1; CN101051695A

Abstract

【課題】燃料電池を定電流制御や定電力制御で連続運転すると徐々に電圧が低下する現象が見られ、結果出力特性が低下するという課題がある。本発明の目的は、燃料電池の出力特性の回復を可能な電源装置およびその制御方法を提案する。
【解決手段】燃料電池と補助電源の少なくとも２種類の電源を備え、機器に電力を供給する電源装置の制御方法において、前記燃料電池電圧を上昇させることで前記燃料電池特性を回復させることを特徴とする電源装置の制御方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を用いた電源装置及びその制御方法に関するものである。

近年の電子技術の進歩によって、携帯電話機，ノートＰＣ，オーディオ・ビジュアル機器、あるいはモバイル端末機器など携帯電子機器の普及が急速に進んでいる。このような携帯電子機器は二次電池によって駆動するシステムであり、新型二次電池の出現，小型軽量化および高エネルギー密度化によってシール鉛バッテリーからＮｉ／Ｃｄ電池，Ｎｉ水素電池、さらにはＬｉイオン電池へと発展してきた。いずれの二次電池においてもエネルギー密度を高めるため、電池活物質の開発や高容量電池構造の開発が行われ、より使用時間の長い電源を実現する努力が払われている。

しかしながら、携帯電子機器において各個の機能はより一層の低消費電力化への努力がなされているが、今後もユーザニーズの向上のために新しい機能を追加する必要があるため、携帯機器トータルの消費電力は増加する傾向が予想される。そのため、より高密度の電源、すなわち、連続使用時間の長い電源を必要とする方向に向かうことになる。

前記のような連続使用時間の長い電源を２次電池において実現する場合は、その充電時間の長さが問題になる。そのため、充電を必要としない小型発電機の必要性が高まっていて、その解決策として燃料電池電源が考えられる。燃料電池については改質するなどして水素を燃料として用いるタイプが一般的に知られている。これらが主に８０度以上を動作温度とするのに対し、室温でも動作する燃料電池には、液体燃料を燃料極において直接酸化するタイプのものがあり、代表的なものにメタノールを直接酸化するタイプの燃料電池（ＤＭＦＣ： Direct Methanol Fuel Cell）があげられる。主にＤＭＦＣに関しては、温度に関する安全性が高いことから、携帯用途の機器に適用した例が知られる(特許文献１)。

特開２００２−３２１５４号公報

燃料電池を定電流制御や定電力制御で連続運転すると徐々に電圧が低下する現象が見られ、結果出力特性が低下するという課題がある。

本発明の目的は、燃料電池の出力特性の回復を可能な電源装置およびその制御方法を提案する。

燃料電池と補助電源の少なくとも２種類の電源を備え、機器に電力を供給する電源装置の制御方法において、前記燃料電池電圧を上昇させることで前記燃料電池特性を回復させることを特徴とする電源装置の制御方法である。

本発明によれば、連続運転により低下した燃料電池の出力特性回復を実現できる。

本実施の形態で説明するＤＭＦＣは燃料極（負極）にメタノール水溶液を供給し、空気極（正極）に酸素（空気）を供給することにより発電する。メタノール水溶液および酸素（空気）の少なくとも一方をポンプやファンのような機器を制御して供給する方式はアクティブ方式と呼ばれる。また、前述したような機器を使用しないで自然拡散などを利用して供給する方式はパッシブ方式と呼ばれる。アクティブ方式に関しては、発電能力の低下要因を解消するために、メタノール水溶液や空気をポンプやファンで注入することにより、電極に付着した気泡や水滴を強制的に流失・除去させる処理を行っている。

連続運転により徐々に電圧が低下する現象は電極におけるＣＯや過酸化水素が発生することによるものと考えられ、燃料電池の寿命に影響すると考えられる。

そして、前述の電圧低下は、ＤＭＦＣの電圧を転極させるなどの悪影響を及ぼし、電圧が極度に低下すると、寿命も低下すると考えられる。

以下の実施例によれば、ＤＭＦＣの長寿命化が可能となり、電子機器を従来よりも長時間にわたり連続使用可能となる。また、本実施例にかかる電源装置によれば、燃料電池の高出力化により、ＤＭＦＣの発電面積及び／または補助の蓄電器の小型化を実現することができ、ひいては電子機器の小型化も可能となる。

以下、本発明の電源装置およびその制御方法の実施例について、図を用いて説明する。

本実施例の制御方法について以下で述べる。

発電中における電圧低下の要因には、電極触媒の被毒（ＣＯ，過酸化水素等），反応生成物（燃料極の二酸化炭素，空気極の水）による供給の阻害，空気極のふさぎ，燃料切れといったものがある。

まず、電極の被毒によるＤＭＦＣの出力特性の低下は、主にＤＭＦＣのカソード（空気極）電位の低下により発生すると考えられている。そのため定電力負荷の条件において、電圧が低下したＤＭＦＣから取り出す電流値を小さくして負荷電力を下げることにより、ＤＭＦＣの電圧を一度上昇（回復）させることで電極の被毒の除去を試みた。この操作の後、再び電圧低下時と同じ負荷電力とした結果、図２に示すようにＤＭＦＣの出力電圧は操作前までと同様の水準までの低下が見られず出力特性が回復することが確認できた。

反応生成物による供給の阻害が原因であるＤＭＦＣの出力特性の低下が起きた場合、
ＤＭＦＣ電圧が急落する現象が見られる。反応生成物量はＤＭＦＣ電流に比例するため、ＤＭＦＣ電流の低下により悪化を防ぐことができ、二酸化炭素や水の自然拡散により特性が回復する。

空気極の塞ぎが原因の場合は上記反応性生物の場合と類似するが、塞さぎ方により特性が変化することが確認できた。本原因の場合はＤＭＦＣを制御することでの回復は出来ないが、空気極の水蒸気が液化した状態に移行しないようにＤＭＦＣ出力を絞る方法が必要である。

燃料切れが原因の場合、ＤＭＦＣ燃料極の燃料が一定濃度を下回ったところでＤＭＦＣの開放電圧の減少により出力が低下する。本原因の場合はＤＭＦＣを制御することで回復は出来ないが、ＤＭＦＣからの負荷制御をストップする対策が必要である。

以上から、ＤＭＦＣの出力特性低下の要因を切り分けて特性を回復させるための方法および構成の詳細を以下で述べる。

図１に本実施例にかかる構成を示す。本実施例の構成は、大きく分けて燃料電池１と蓄電手段であるＬｉ電池パック５０とＤＣ／ＤＣコンバータ５と判別制御手段３とを備える。以下でそれぞれの詳細について述べる。

本実施例においては、蓄電手段としてＬｉ電池パックを使用しているが、図１に示すように、Ｌｉ電池を１セルやＮｉＭＨを２セルで駆動している機器に適用可能である（例えば携帯電話，ＰＤＡ，デジタルスチルカメラ，マルチメディアプレイヤー等）。また、
Ｌｉ電池が複数セルになっているアプリケーションの場合（例えばノートＰＣ等）では、Ｌｉ電池をアプリケーションに合わせたセル数で構成すれば良い。もちろん、Ｌｉ電池パック５０の代わりの蓄電手段として、電気２重層キャパシタを使用しても構わない。図１に示すように蓄電手段を設けることによって、燃料電池１から取り出せる最大電力よりも負荷の要求電力が大きい場合に不足分の電力をサポートすることができる。例えば燃料電池の一時的な状態悪化や負荷の要求電力が携帯電話等のようなパルス負荷の場合が考えられる。なお、パルス負荷が多いアプリケーションの場合は、電気２重層コンデンサのように放電特性に優れたものを使用することが効率改善のために望ましい。

本実施例では、燃料電池１にはＤＭＦＣを使うことを想定しているが、他の種類の燃料電池を使用することができる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の効率を考慮してセル数を増減させて構わない。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５はＮチャネルパワーＭＯＳＦＥＴとＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴを用いた同期整流方式昇圧コンバータの構成になっている。もちろん、電気２重層コンデンサ２以外に入出力に平滑用のコンデンサを設けてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータドライバー６は、燃料電池電圧制限端子(Ｖlim) ，出力電圧値取得用端子（ＦＢout），出力電圧値および電源取得用端子（Ｖout），スイッチ電流取得用端子（ＳＥＮＳＥ），ＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ制御端子（ＴＧ），ＮチャネルパワーＭＯＳＦＥＴ制御端子（ＢＧ），ＧＮＤ端子（ＧＮＤ）の合計７端子を少なくとも持つ。もちろん前記の他にＤＣ／ＤＣコンバータドライバ６のＯＮ／ＯＦＦ端子やループ補償用の端子等を必要に応じて設けても良い。

ＤＣ／ＤＣコンバータドライバー６の機能図の一例を図２０に示す。

本構成の第１の特徴はＶlimの処理の部分にある。本構成は昇圧型となっているため、微小な一定電流ＩlinがＶoutから定電流回路を通してＶlim端子に至る。Ｖout−Ｖlin の電圧値に比例してＤutyの制限を行う機能とＶlinが一定電圧以下となるとＰＷＭスイッチング動作を完全に停止する機能を備えている。本構成において前記機能を搭載することで、前記完全ストップする電圧をＶstopとすると、Ｖstop＝Ｉlin×Ｒin＋Ｖin となることにより、Ｖinを燃料電池１の最大電力点電圧に設計することで確実に最大電力点までの電流範囲に制限することができる。また、燃料電池１の電圧Ｖinが燃料切れや酸素不足などでＶstopより低下した場合も安全にスイッチング動作を停止することができる。ＤＭＦＣ特性と前記制限との関係を図１９に示す。ＤＭＦＣ特性と前記制限値との交点で実際のスイッチング動作が行われることになり、それ以上の電圧低下を防ぐことができる。また、ＤＭＦＣ特性が図１９のような特性とならず、ＤＭＦＣ電圧が前記制限電圧以下になっているときはスイッチング動作が停止される。

ＤＭＦＣの電圧が、所定の電圧以下となった場合に、ＤＭＦＣの電圧を回復させるように制御すれば、所定の電圧以上を保ってＤＭＦＣを運転することができる。所定の電圧としては、任意に選択可能であるが、燃料電池の電流０付近を除いた範囲の前記燃料電池の出力電流に対する出力電圧特性の傾きの延長線と出力電流０の軸が交わる値の電圧値（図１９のＥ）とすることにより、低い電流値に対し、高い電圧値を得ることができ、燃料電池の寿命を延ばすために有効である。

本構成の第２の特徴はＦＢout の処理の部分にある。一般的なＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧フィードバックと同様の構成になっている。出力電力≪燃料電池最大電力の場合、出力電圧は一定制御となり、一般的なＤＣ／ＤＣコンバータと特に変わらない。出力電力が燃料電池の最大電力に一定以上近づいた場合（出力電力＜燃料電池最大電力）は、
ＰＷＭのＤuty の制限を行う制御となる。出力電力≧燃料電池電力の場合は前記出力端に設けられた蓄電手段によって不足分の出力がなされ、蓄電手段の充電状態によって出力電圧も決まる。よってこの場合の制御はＰＷＭのＤuty 制限の最大値で動作しつづけて垂下する状態となる。

次に判別制御手段３の動作について、図１および図４，図５，図６，図７のフローチャートを用いて説明する。

まず図４に示すように、Ｖlim２をＬＯＷにすることでＤＣ／ＤＣコンバータ５の動作を止めて、燃料電池１の電圧をＶ＿ＤＭＦＣで測定する。開放電圧が十分出ない場合は、燃料切れと判断し、ＬＥＤでユーザに通知して、スリープモードに入る。燃料切れで無い場合は、Ｖlim２を入力端子（抵抗大）にして、Ｒin で制限した動作でＤＣ／ＤＣコンバータ５を動作させる。なお、このときＯＵＴＰＵＴ＿ＳＷはＯＦＦにしたままのＬｉ電池パック５０側からの逆流防止をした状態とする。

次に図５に示すように、判別制御手段３をＳＬＥＥＰさせて一定時間待機させた後に制限したＤＣ／ＤＣコンバータ５の動作における燃料電池１の電圧を判定する。このとき燃料電池１の電圧が下限電圧以下ならば、燃料切れ，空気極ふさぎ，生成物による阻害のいずれかである判別してＶlim２をＬＯＷにして出力を停止する。燃料電池１の電圧が一定以上ならば、Ｖlim２をＨＩＧＨにして出力制限を外し、ＯＵＴＰＵＴ＿ＳＷもＯＮにして動作させる。以上のどれにも当てはまらない場合は図６に示すようにＶlim２は制限の状態のままＯＵＴＰＵＴ＿ＳＷをＯＮにして判別制御手段３のＳＬＥＥＰ機能を利用して一定時間動作させる。

以上の動作の後に出力停止になっていない場合は、図７に示すようにＶlim２をＬＯＷにしてＤＣ／ＤＣコンバータ５の動作を止めて燃料電池１の電圧を回復させることで出力特性を回復させる動作に入る。

以上の制御を行うことで、前述した課題に応じてそれぞれ解決することが可能となる。また、本実施例では、正常動作時にも一定時間後に燃料電池１の電圧を回復させる動作に入っているが、本動作を省略して、燃料電池の下限電圧検出のみで燃料電池１の出力特性の回復動作に入るように設定してもよい。

充電器型に燃料電池１の電圧を上昇させて出力特性を回復させる制御を用いたものを図１２に示す。本実施例では前記電圧上昇時に燃料電池１から電気２重層キャパシタ２への充電を行うことが特徴である。以下で詳細を述べる。

本実施例の構成は、燃料電池１と電気２重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）２の２つの電源を備える。本実施例においては、高エネルギー密度の電源として燃料電池１を用い、高電力密度の電源として電気２重層コンデンサ２を用いる。構成の簡略化のためには燃料電池１は直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）であることが望ましい。また、図１２においては電気２重層コンデンサ２を１直列にして使用しているが、出力のために必要とされる燃料電池の直列セル数から算出される最大電圧が電気２重層コンデンサ２の耐圧を超えないセル数で良い。燃料電池の単セルの最大電圧（約１.２〜０.８Ｖ）から勘案して、電気２重層コンデンサ１セルに対して燃料電池２〜４セルの範囲に設計することが適当である。

以上の２つの電源を使った回路部分には前記２つの電源電圧を一定な出力電圧（Ｖout，ＧＮＤ間電圧）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ５，負荷への供給と遮断を制御する負荷遮断スイッチ４，前記負荷遮断スイッチ４のＯＮ，ＯＦＦを制御する判別制御手段３を備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ５の一例を図１３に示す。ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、絶縁型（フォワード，フライバック，プッシュプル等），チョッパ型の昇圧コンバータを用いる方が前述２種類の電源のセル数を下げる上で効果的であるが、もちろん負荷電圧によっては降圧型コンバータや昇降圧型コンバータを用いても良い。図１において負荷遮断スイッチ４にはＮチャネルパワーＭＯＳＦＥＴを用いているが、ＤＣ／ＤＣコンバータ５のＶout 側にＰチャネルパワーＭＯＳＦＥＴを用いることで実現しても良いし、その他のスイッチング素子を用いても良い。

本電源装置の例を図１７，図１８を用いてそれぞれ説明する。

図１７は対象機器がノートＰＣである場合の例である。電源装置は対象機器であるノートＰＣ用のＡＣアダプタと互換である。負荷への接続端子となる図１３におけるＶ^＋と
Ｖ⁻ はノートＰＣのＡＣアダプタ端子に接続可能な構成になっており、Ｖ^＋とＶ⁻ の間にはＡＣアダプタと互換の電圧（１６Ｖ，１９Ｖ，２０Ｖなど）がＤＣ／ＤＣコンバータ５により出力される。

図１８は対象機器に搭載されているバッテリーが、携帯電話，ＰＤＡ，ＭＰ３プレイヤー，携帯型メディア・プレイヤー等に代表されるＬｉ系２次電池１セルである場合の例である。また、図１８に示すように電源装置側の端子をＵＳＢ端子などの共通端子とすることによって、対象機器に応じて接続コードを変更可能な構成とする。負荷への接続端子となる図１２におけるＶ^＋とＶ⁻ の間には、ＵＳＢと互換の電圧である５ＶがＤＣ／ＤＣコンバータ５により出力される。もちろん、電源ソケットとして利用するだけではなく、燃料残量や電源装置コードなどの電源装置側各種情報をＵＳＢ端子により携帯機器側に送信しても良い。

次に制御手段および方法について説明する。

判別制御手段３としては、ワンチップマイコンや専用ＩＣやコンパレータなどを用いる。判別制御手段３はＡ／Ｄ端子や入出力端子を備える。入力信号としては電気２重層コンデンサ２の電圧情報や各種状態判別信号などがあり、出力信号としては負荷遮断スイッチ４へのＯＮ／ＯＦＦ制御信号とＤＣ／ＤＣコンバータのＯＮ／ＯＦＦ制御信号などがある。

電源装置１０の起動については、図には示していないがユーザが機器のＯＮ／ＯＦＦを制御し、その状態が判別制御手段３で検知可能なメインスイッチを備える，ユーザによる燃料や燃料カートリッジの入れ替えを判別制御手段３にて検知する，ユーザの燃料入れ替えにより燃料電池１に直接燃料が供給される構造である場合は、燃料電池１の電圧上昇を判別制御手段３の入力端子やＡ／Ｄ端子で検知する、等することによって実現可能である。

判別制御手段３の定常動作について図１４，図１５，図１６を用いて説明する。

まず、図１６が示すように電気２重層コンデンサ２（ＥＤＬＣ）の電圧が設定上限電圧以上であるのを判別制御手段３がＡ／Ｄポートにて検出したことにより、放電制御に移行する。判別制御手段３が、負荷遮断スイッチ４をＯＮにして前述した対象機器への電力供給を開始する。この状態において、電源部分では燃料電池１と電気２重層コンデンサ２がほぼ同電位になり、並列に電力供給可能な状態になる。燃料電池１の供給電力よりも対象機器の要求電力の方が大きい場合は、燃料電池１および電気２重層コンデンサ２の電圧が放電時間の経過に伴って低下する。

次に、電気２重層コンデンサ２の電圧が設定下限電圧以下であるのを判別制御手段３がＡ／Ｄポートにて検出したことにより、充電制御に移行する。判別制御手段３が負荷遮断スイッチ４をＯＦＦにして、対象機器への電力供給を遮断し、ＤＣ／ＤＣコンバータ５をＯＦＦにする。この状態において、電源部分では燃料電池１から電気２重層コンデンサ２への充電動作となり、電気２重層コンデンサ２の電圧が充電時間の経過に伴って上昇する。その後、電気２重層コンデンサ２の電圧が設定上限電圧以上になると前述した制御手段となり、以後このルーチンが繰り返される。

以上のルーチンの繰り返しによって、対象機器側からは、あたかもユーザによってＡＣアダプタが抜き差しされているように認識され、それに応じた切り替え動作を行うことになる。そのため、対象機器にＡＣアダプタの着脱信号がチャタリングしたように高速に入力されて異常動作を引き起こさないように、前記のルーチンが十分に長い時間（例えば５秒以上など）になるような制御プログラムや電気２重層のコンデンサ容量の選定を行う。

以上、２つの実施例を挙げたが、もちろん用途に応じて前記実施例に記述した内容を組み合わせて使用しても構わない。

一実施例にかかる構成である。ＤＭＦＣの電圧上昇を行うことで出力特性が回復したことを説明する図である。ＤＭＦＣの空気極と障害物との距離とＤＭＦＣの出力の関係を示した図である。一実施例の制御を説明するフローチャートである。一実施例の制御を説明するフローチャートである。一実施例の制御を説明するフローチャートである。一実施例の制御を説明するフローチャートである。燃料電池を携帯電話に実装した場合の外観図の一例である。燃料電池を携帯電話に実装した場合の構成の一例である。燃料電池を携帯電話に実装した場合の外観図の一例である。燃料電池を携帯電話に実装した場合の構成の一例である。一実施例における構成図である。一実施例における構成の詳細を示した図である。一実施例の制御を説明するフローチャートである。一実施例の制御を説明するフローチャートである。一実施例の制御を説明するフローチャートである。一実施例の電源装置を説明する図である。一実施例の電源装置を説明する図である。実施例１における制限制御とＤＭＦＣ特性との関係を説明する図である。一実施例の制御ＩＣの機能図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…電気２重層コンデンサ、３…判別制御手段、４…負荷遮断スイッチ、５…ＤＣ／ＤＣコンバータ、６…ＤＣ／ＤＣコンバータドライバー、７…燃料電池放電スイッチ、８…Ｌｉイオン電池、１０…電源装置、１１…ＡＣアダプタ、１２…ノート
ＰＣ、１３…携帯電話、１４…ＰＤＡ、１５…燃料カートリッジ、１６…燃料ゲージ、
１７…燃料供給口、１８…回路モジュール、５０…Ｌｉ電池パック。

Claims

燃料電池と補助電源とを有し、前記燃料電池は、所定の定電力負荷運転の下、前記燃料電池の電圧値が初期の電圧値よりも低下した場合に、前記燃料電池から取り出す電流値を絞って負荷電力を小さくし、電圧を上昇させることを特徴とする電源装置。
電圧値が上昇した後、電流値を増加させることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記燃料電池の電圧値が所定の電圧値以下になった場合に前記燃料電池から取り出す電流値を絞って負荷電力を小さくすることを特徴とする電源装置。
所定の時間ごとに前記燃料電池から取り出す電流値を絞って負荷電力を小さくし、電圧を上昇させることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記燃料電池が直接メタノール型燃料電池であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記補助電源にＬｉ系２次電池を使用したことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記補助電源に電気２重層キャパシタを使用したことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
請求項１記載の電源装置を搭載したことを特徴とする電子機器。
燃料電池と補助電源とを有する電源装置の制御方法において、所定の定電力負荷運転の下、前記燃料電池の電圧値が低下した場合に、前記燃料電池から取り出す電流値を絞って負荷電力を小さくし、電圧を上昇させることを特徴とする制御方法。
前記電源装置は前記燃料電池電圧が所定の電圧値以下になった場合に、請求項１記載の制御方法を行うことを特徴とする制御方法。
前記電源装置は所定時間毎に請求項１記載の制御方法を行うことを特徴とする制御方法。
前記所定の電圧値は前記燃料電池の電流０付近を除いた範囲の前記燃料電池の出力電流に対する出力電圧特性の傾きの延長線と出力電流０の軸が交わる値の電圧値以上であることを特徴とする請求項３記載の電源装置。
前記補助電源が二次電池であり、前記燃料電池の電圧上昇時に前記二次電池から機器へ放電するよう制御することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記補助電源が電気２重層キャパシタであり、前記燃料電池の電圧上昇時に、前記燃料電池から前記電気２重層キャパシタへ充電を行う期間とを持つことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
前記電源装置から前記機器への電力供給の通電と遮断を制御可能なスイッチ機構を備え、前記スイッチ機構を制御することにより、前記燃料電池の電圧を上昇させることを特徴とする請求項１記載の電源装置。