JP3975113B2 - 燃料電池パック及び携帯端末機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話機、携帯情報端末機器等に使用する電源供給装置に係るものであり、ニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池等の従来の二次電池パックと互換性を持たせた燃料電池を使用した燃料電池パック及び携帯端末機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、携帯電話機や携帯情報端末機器では本体の電力供給するために二次電池パックが使用されている。この二次電池パックとしては再充電可能な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が使用されており、特に、エネルギー密度が高く軽量なリチウムイオン二次電池が広く使用されてきた。
【０００３】
図１１は、従来のリチウムイオン二次電池を用いた二次電池パックであり、リチウムイオン二次電池１１と、過電圧や低電圧を防止する保護回路１２と、過大電流が流れた場合に回路を遮断する電流ヒューズ１３と、サーミスタ温度計５と、保護回路の制御によって回路を遮断するスイッチ１４、正極端子７と、負極端子８と、サーミスタ正極端子９とを有する。
【０００４】
この二次電池パックは、リチウムイオン二次電池１に充電された電力を正極端子７、負極端子８を介して放電して携帯電話機や携帯情報端末機器を駆動させる。なお、リチウムイオン二次電池１の充電中や放電中の温度は、サーミスタ温度計５で常に監視されている。さらに、この従来の二次電池パックでは、リチウムイオン二次電池１の過電圧や低電圧を保護回路１２で検出した段階で、保護回路１２からスイッチ１４に信号を送り、スイッチ１４をオフにして配線を遮断する。また、従来の二次電池パックでは、リチウムイオン二次電池１に過電流が入力された時点やリチウムイオン二次電池１から過電流が出力された時点で電流ヒューズ１３が動作し回路を遮断する。
【０００５】
図１２は、前記の二次電池パックを用いた携帯機器であり、この携帯機器は、上述した構成を有する二次電池パック１７を備えるものであり、本体側電圧変換回路１５と、本体携帯機器回路１６とを有する。
【０００６】
前記の二次電池パック１７からの出力電力は、正極端子７、負極端子８を介して、本体側電圧変換回路１５に入力され、本体側電圧変換回路１５では、本体携帯機器回路１６が必要とする電圧値Ｖｉｎに変換して、本体携帯機器回路１６に出力される。さらに、サーミスタ温度計５の温度値は、サーミスタ正極端子９、負極端子８から本体携帯機器回路１６に送られ二次電池パック１７の異常温度監視に使われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、前記の二次電池は、充電を行う場合、長時間の充電時間が必要である。リチウムイオン二次電池の例では約１時間上の充電時間が必要であり、このために二次電池の充電中、二次電池を搭載した携帯電話機や携帯情報端末機器は、充電器等に優先的に接続しておく必要がある。その結果、同機器を持ち運ぶことはできないという欠点がある。
【０００８】
さらに、前記の二次電池は充電と放電を繰り返すと電池容量が低下するといったリサイクル寿命があり、約５００回程度の充放電サイクルで使用に適さなくなる場合が発生する問題がある。
【０００９】
また、リチウムイオン二次電池は、高エネルギー化することが難しく、大きな電気容量が必要な場合は、多くのリチウムイオン二次電池を組み込む必要がある。このことにより、リチウムイオン二次電池を用いた二次電池パックは、今後の電気容量の増加が見込まれる携帯電話機や携帯情報端末機器に使用することを想定すると、全体の重量が重くなることや、体積が大きくなるといった問題がある。
【００１０】
さらに、リチウムイオン二次電池は、可燃性の有機溶剤系電解液や電極に反応性に富むリチウムを用いているので、保護回路や電流ヒューズなどの複数の安全性に配慮した二次電池パック設計が必要である。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためなされたものであり、従来の二次電池との互換性を維持しつつ、長時間の充電時間の短縮化及び、装置の軽量・小型化を図るとともに、高出力化を実現することのできる燃料電池パック及び携帯端末機することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、水素と酸素との化学反応により電力を出力する燃料電池セルと、燃料電池セルに燃料を供給する燃料ケースと、燃料電池セルの温度値を測定するサーミスタ温度計と、これらの燃料電池セル、燃料ケース及びサーミスタ温度計を格納する電池パック本体と、この電池パック本体の外表面に配置され、燃料電池セルからの出力を導出する出力端子と、サーミスタ温度計からの出力を導出するサーミスタ端子とを備えることを特徴とする燃料電池パックである。
【００１３】
本発明によれば、携帯電話機や携帯情報端末機器に使用されている二次電池パックと電気的出力及び温度検出出力に関して互換性を保つことができる。また、本発明の燃料電池セルは、燃料を充填する方式であるので、二次電池パックの充電時間と比較して、短時間で充填を終了することができ、さらに、二次電池パックのようなサイクル寿命に対して、燃料電池セルは動作時間という概念から燃料を充填すれば長期間使用できる。
【００１４】
さらに、本発明によれば、二次電池のエネルギー密度に関して、燃料電池パックは数倍上のエネルギー密度を有することから、同一堆積で比較すると電気容量を数倍多く搭載することになり、同一電気容量として比較すると、体積的に数分の１の体積で構成できる。また、燃料電池セルの電解質は水溶性電解質であり、高い安全性を保つことができ、保護回路を簡易化するのに有効である。
【００１５】
上記発明では、電池パック本体内において燃料電池セルと出力端子との間に配置され、燃料電池セルからの発電電力の電圧値を、一定な電圧値に変換する定電圧化回路を設けることが好ましい。この場合には、電池パック側で定電圧化を行うため、外部機器における電圧調整の負担を軽減することができる。
【００１６】
上記発明では、電池パック本体内において燃料電池セルと定電圧化回路との間に配置され、燃料電池セルからの発電電力の電流値を最大発電電力を制御する最大電力制御回路を設けることが好ましい。この場合には、燃料電池セルにおける発電電力を最大値に設定することができるため、定電圧化回路の付加を低減させることができる。
【００１７】
上記発明では、電池パック本体内において、燃料電池セルと定電圧化回路との間に配置され燃料電池セルからの発電電力の一部又は全部を一時的に蓄積するコンデンサを設けることが好ましい。この場合には、燃料電池セルにおける発電電力を一時的に蓄積し、定電圧化回路における必要電力が燃料電池セルの発電電力量を超えたときに、コンデンサにより電力を補充することにより、定電圧化回路の動作を適正に維持することができる。この結果、燃料電池セルの応答性を向上させることができる。
【００１８】
上記発明では、サーミスタ温度計からの出力に基づいて燃料ケースから燃料電池セルに供給される燃料の量を調節するセル保護回路を設けることが好ましい。この場合には、燃料電池セルの発熱に応じて、発電電力を制限することができ、発熱による燃料電池セルの機能低下を防止することができる。
【００１９】
上記発明では、定電圧化回路からの出力に基づいて燃料ケースから燃料電池セルに供給される燃料の量を調節するセル保護回路を設けることが好ましい。この場合には、定電圧化回路からの出力に応じて、燃料電池セルによる発電量を制限することができ、定電圧化回路の付加を低減させることができる。
【００２０】
上記発明において、燃料電池セルは、複数設けられるとともに、直列に接続されていることが好ましい。また、上記発明において、定電圧化回路は、電圧の上昇又は下降の変化率を変動させることにより定電圧に変換することが好ましい。上記発明において、最大電力制御回路は、定電流回路と、燃料電池セルが最大発電電力で発電できる最適電流値を設定する設定手段とを備えるが好ましい。
【００２１】
他の発明は、上述した燃料電池パックの格納部と、格納部内に設けられ、出力端子及びサーミスタ端子に接続可能な接続端子を備えることを特徴とする。この他の発明によれば、上述したように、従来の二次電池パックとの互換性を有する燃料電池パックを電源として用いることができることから、既存の構造に変更を加えることなく、充電時間の短縮化及び、装置の軽量・小型化を図ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
［第１参考例］
（燃料電池パックの構成）
以下に本発明の第１参考例に係る燃料電池パックについて詳細に説明する。図１は、第１参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。
【００２３】
同図に示すように、第１参考例に係る燃料電池パックは、水素と酸素との化学反応により電力を出力する燃料電池セル２と、燃料電池セル２に燃料を供給する燃料ケース１と、燃料電池セル２の温度値を測定するサーミスタ温度計５と、これらの燃料電池セル２、燃料ケース１及びサーミスタ温度計５を格納する電池パック本体１７と、この電池パック本体１７の外表面に配置され、燃料電池セル２からの出力を導出する正極端子７及び負極端子８と、サーミスタ温度計５からの出力を導出するサーミスタ正極端子９とを備える。
【００２４】
燃料電池セル２は、図２に示すように、燃料極と空気極の積層膜の間に、水素イオン（Ｈ＋）が透過可能な水溶系の電解質膜を挿んだ構造になっており、燃料極には水素化合物や水素を入力し、空気極には酸素を含んだ空気を入力し、水素と酸素の化学反応で電力と水分を生成する。その内、電力を両極から取り出して、負荷側に電圧Ｖｆとして出力する。
【００２５】
なお、他の反応式（水素化合物の燃料としてメタノールを使用した場合）を下記に示す。
【００２６】
メタノール＋酸素＝＞水＋電力＋二酸化炭素
この燃料電池セルは、燃料を充填する方式であるので、二次電池パックの充電時間と比較して、短時間で充填を終了することができ、さらに、二次電池パックのようなサイクル寿命に対して、燃料を充填すれば長期間使用できる。さらに、二次電池のエネルギー密度に関して、燃料電池パックは数倍上のエネルギー密度を持つので、同一体積で比較すると電気容量を数倍多く搭載することになり、同一電気容量として比較すると、体積的に数分の１の体積で構成できる。さらに、燃料電池セルの電解質は水溶性電解質であり、高い安全性を保つことができる。
【００２７】
燃料ケース１は、供給管２１を介して燃料電池セル２に接続されており、この供給管２１を通じて、メタノール等の燃料を燃料電池セル２に供給する。
【００２８】
サーミスタ温度計５は、燃料電池セル２の温度を測定するために、燃料電池セル２に接するように配置された温度計であり、負極端子８に接続された配線８１と、サーミスタ正極端子９との間に配置されている。
【００２９】
正極端子７は、燃料電池セル２の出力を電池パック本体１７の外部に導出する端子であり、配線７１を介して、燃料電池セル２の正極に接続されている。また、負極端子８は、燃料電池セル２の出力を電池パック本体１７の外部に導出する端子であり、配線８１を介して、燃料電池セル２の負極に接続されている。サーミスタ正極端子９は、サーミスタ温度計５の出力を電池パック本体１７の外部に導出端子である。
【００３０】
（燃料電池パックの動作）
以上の構成を有する燃料電池パックは、まず、燃料ケース１から、供給管２１を通じて燃料を燃料電池セル２に供給することにより発電を行う。この発電電力を正極端子７及び負極端子８から外部へ出力される。さらに、サーミスタ温度計５の温度値をサーミスタ正極端子９と負極端子８から出力する。以上の動作により、燃料電池パックから発電電力と温度値を出力する。
【００３１】
［第２参考例］
次いで、本発明の第２参考例に係る燃料電池パックについて詳細に説明する。図３は、第２参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。第２参考例では、前述した第１参考例における燃料電池パックに定電圧化回路４を付加したことを特徴とする。すなわち、図３に示すように、本参考例では、配線７１及び配線８１の間に、定電圧化回路４を設けている。
【００３２】
この定電圧化回路４は、燃料電池セル２からの発電電力の電圧値を、これとは異なる一定な電圧値に変換する回路であり、外部装置からの負荷状態に応じて電圧変動する燃料電池セルの出力電力の電圧値を、必要な一定の電圧値に変換する。本参考例における定電圧化回路は、昇降型スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータにより構成され、これにより、定電圧化回路の出力の電圧値が、定電圧化回路の入力の電圧値よりも大きい小さいにかかわらず、必要な一定の値を出力することができる。
【００３３】
図４は定電圧化回路４の入力電圧Ｖｆ（又はＶｐ）と出力電圧Ｖ２の電流変化に対する電圧変化の図である。同図に示すように、負荷側が必要とする電圧値Ｖ２に対して、入力電圧Ｖｆ（又はＶｐ）が低い場合でも、高い場合でも昇降圧型スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータを用いることによって安定したＶ２の出力が得られる。
【００３４】
以上の構成を有する燃料電池パックは、燃料ケース１から、燃料を燃料電池セル２に供給して発電を行い、この発電電力を定電圧化回路４に入力し、定電圧化回路４の出力電力を正極端子７、負極端子８から出力する。これと併せて、サーミスタ温度計５の測定結果をサーミスタ正極端子９と負極端子８から出力する。
【００３５】
［第３参考例］
次いで、本発明の第３参考例に係る燃料電池パックについて詳細に説明する。図５は、第３参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。第３参考例では、前述した第２参考例における燃料電池パックに、燃料電池セル２からの発電電力の電流値を最大発電電力になるポイントに制御する最大電力制御回路３を設けたことを特徴とする。
【００３６】
この最大電力制御回路３は、配線７１と配線８１との間に接続され、燃料電池セル２から出力される発電電力が最大値となるように制御する回路であり、制御した電力を後段の定電圧化回路４に出力する。
【００３７】
図６は、燃料電池セル２の発電電力Ｐと電圧値Ｖｆと電流値Ｉの関係を示す図である。同図からも解るように、発電電力は電流値Ｖｆと電流値Ｉの積であり、電流値ＩがＩｐのとき、発電電力Ｐは最大発電ポイントになることから、電流値ＩをＩｐにするために最大電力制御回路として定電流回路を採用して、燃料電池セル２から出力される電流値をＩｐになるように制御して、最大発電ポイントで燃料電池セル２を発電させる。
【００３８】
このような構成を有する燃料電池パックでは、燃料ケース１から、燃料を燃料電池セル２に供給して発電を行い、その発電電力を最大電力制御回路３に入力し、最大電力制御回路３の出力電力を定電圧化回路４に入力し、定電圧化回路４の出力電力を正極端子７、負極端子８から出力する。さらに、サーミスタ温度計５の測定結果をサーミスタ正極端子９と負極端子８から出力する。
【００３９】
最大電力制御回路によれば、定電流回路から構成し、予め燃料電池セルが最大発電電力で発電できる最適電流値を決定しておき、燃料電池セルから電力を取り出す場合、定電流回路によって最適電流値で取り出すことにより、燃料電池セルからの発電電力が最大発電電力になるポイントに制御することができる。
【００４０】
［第４参考例］
次いで、本発明の第４参考例に係る燃料電池パックについて詳細に説明する。図７は、第４参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。第４参考例では、前述した第３参考例における燃料電池パックに、発電電力を一時的に蓄積するコンデンサ６を設けたことを特徴とする。
【００４１】
このコンデンサ６は、燃料電池セル２で発電された電力を蓄積するとともに、定電圧化回路４が要する電力が、最大電力制御回路３の出力電力以上必要になり、定電圧化回路４への電力が不足した場合に、蓄積された電力を定電圧化回路４側に出力する。具体的に、本参考例に係るコンデンサ６は、配線７１及び配線８１の間に接続されるとともに、最大電力制御回路３と定電圧化回路４の中間において、これらの回路３及び４と並列となるように配置されている。
【００４２】
このような構成を有する燃料電池パックでは、燃料ケース１から、燃料を燃料電池セル２に供給して発電を行い、その発電電力を前記最大電力制御回路３に入力する。最大電力制御回路３の出力電力は、コンデンサ６に蓄積されるとともに、定電圧化回路４に入力され、定電圧化回路４の出力電力を正極端子７、負極端子８から出力する。これと併せて、サーミスタ温度計５の温度値をサーミスタ正極端子９と負極端子８から出力する。そして、定電圧化回路４への入力電力が不足した場合には、コンデンサ６に蓄積された電力を定電圧化回路４側に放電する。
【００４３】
このコンデンサによれば、最大電力制御回路の出力電力の一部を蓄積し、電気的反応速度の遅い燃料電池セルに代わって、過渡的な電力要求に対して定電圧化回路に放電を行うことにより、反応性を維持することができる。
【００４４】
［第１実施形態］
次いで、本発明の第１実施形態に係る燃料電池パックについて詳細に説明する。図８は、第１実施形態に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。第１実施形態では、前述した第４参考例における燃料電池パックに、燃料電池セル保護回路を設けたことを特徴とする。
【００４５】
燃料電池セル保護回路１０は、サーミスタ温度計５の温度値又は定電圧化回路４の出力の電圧値が、予め設定した異常値を超えたときに、燃料ケース１から燃料電池セル２への燃料の供給を停止する制御回路である。
【００４６】
具体的にこの燃料電池セル保護回路１０は、配線１０１及び１０２を介して、サーミスタ温度計５と接続されているとともに、配線１０３を介して定電圧化回路４と接続されており、これらの配線を介して、サーミスタ温度計５及び定電圧化回路４の出力を検知する。
【００４７】
また、燃料電池セル保護回路１０は、供給管２１に設けられた開閉弁２２に対する制御信号を送出するための配線１０４が接続されており、この配線１０４を介して制御信号を送信し、開閉弁２２の開閉を調節する。
【００４８】
さらに、この燃料電池セル保護回路１０には、サーミスタ温度計５が測定する温度、及び定電圧化回路４からの出力の異常値を設定し、記憶する異常値設定手段１０５が設けられている。この異常値設定手段１０５は、操作者が任意に、或いは工場出荷時に予め、異常値を設定する操作手段と、これによる操作によって設定された値を記憶する記憶手段とから構成される。
【００４９】
このような構成を有する燃料電池パックでは、燃料ケース１から、燃料を燃料電池セル２に供給して発電を行い、その発電電力を前記最大電力制御回路３に入力し、最大電力制御回路３の出力電力を定電圧化回路４及びコンデンサ６に入力し、定電圧化回路４の出力電力を正極端子７、負極端子８から出力する。これと併せて、サーミスタ温度計５の温度値をサーミスタ正極端子９と負極端子８から出力する。
【００５０】
そして、定電圧化回路４への入力電力が不足した場合、コンデンサ６に蓄積された電力を定電圧化回路４側に放電する。また、サーミスタ温度計５の測定結果をサーミスタ正極端子９と負極端子８から出力し、定電圧化回路４の出力の電圧値とサーミスタ温度計５の温度値を燃料電池セル保護回路１０に入力し、サーミスタ温度計５の温度値又は定電圧化回路４の出力の電圧値が異常値を超えたときには、燃料ケース１から燃料電池セル２への燃料の供給を停止する。
【００５１】
［第２実施形態］
次いで、本発明の第２実施形態に係る携帯端末機について詳細に説明する。図９は、第２実施形態に係る携帯端末機の構成を示すブロック図である。第２実施形態では、前述した第１実施形態における燃料電池パックを、携帯端末機に適応したことを特徴とする。
【００５２】
図９に示すように、本実施形態に係る携帯端末機は、本体側携帯機器回路１６を備えるとともに、前述した構成と同様の構成を有する燃料電池パック２００を内蔵する。詳述すると、燃料電池パック２００の出力端である正極端子７及び負極端子８は、本体側電圧変換回路１５を介して本体携帯機器回路１６に接続され、サーミスタ正極端子９は、本体側電圧変換回路１６に接続されている。
【００５３】
このような構成の携帯端末機では、サーミスタ温度計５の温度値は、サーミスタ正極端子９、負極端子８から本体携帯機器回路１６に送られ二次電池パックの異常温度監視に使われる。なお、任意に設定できる定電圧化回路４の出力電圧Ｖ５を本体携帯機器回路１６が必要とする電圧値Ｖｉｎに近い値に設定することにより、本体側電圧変換回路１５での電力損失が無くなり、かつ本体側電圧変換回路１５自体の発熱を抑えることができる。
【００５４】
［変更例］
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、以下のような変更を加えることができる。
【００５５】
例えば、上述した第１参考例乃至第４参考例、及び第１実施例で説明した燃料電池セル２は、図１０に示すように、出力電圧Ｖｆの燃料電池セル２を３セル直列接続し、その両端から出力電圧３Ｖｆを取り出すようにしてもよい。これにより、燃料電池セル２の出力の高電圧化を行っている。なお、燃料電池セル２をＮ（Ｎは１以上の自然数）セル直列接続した場合、その両端の出力電圧はＮ×Ｖｆとなる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の燃料電池パック及び携帯端末機によれば、従来の二次電池との互換性を維持しつつ、長時間の充電時間の短縮化及び、装置の軽量・小型化を図るとともに、高出力化を実現することができる。また、本発明によれば、例えば、携帯電話機や携帯情報端末機器に使用されている二次電池パックと電気的出力及び温度検出出力に関して互換性を持つことができ、従来の技術に大きな変更を加えることなく、本発明を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。
【図２】 第１参考例に係る燃料電池セルの構成を示すブロック図である。
【図３】 第２参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。
【図４】 第２参考例における燃料電池パックの出力電圧特性を示すグラフである。
【図５】 第３参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。
【図６】 第３参考例に係る燃料電池パックの出力電圧特性及び出力電力を示すグラフである。
【図７】 第４参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。
【図８】 第１実施形態に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。
【図９】 第２実施形態に係る携帯端末機の構成を示すブロック図である。
【図１０】 変更例に係る燃料電池セルの構成を示す説明図である。
【図１１】 従来の燃料電池パックの構成を示すブロック図である。
【図１２】 従来の燃料電池パックを備えた携帯端末機の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…燃料ケース
２…燃料電池セル
３…最大電力制御回路
４…定電圧化回路
５…サーミスタ温度計
６…コンデンサ
７…正極端子
８…負極端子
９…サーミスタ正極端子
１０…燃料電池セル保護回路
１１…リチウムイオン二次電池
１３…電流ヒューズ
１４…スイッチ
１５…本体側電圧変換回路
１６…本体携帯機器回路
１７…電池パック本体
２１…供給管
２２…開閉弁
７１…配線
８１…配線
１０１，１０２…配線
１０３…配線
１０４…配線
１０５…異常値設定手段
２００…燃料電池パック
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話機、携帯情報端末機器等に使用する電源供給装置に係るものであり、ニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池等の従来の二次電池パックと互換性を持たせた燃料電池を使用した燃料電池パック及び携帯端末機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、携帯電話機や携帯情報端末機器では本体の電力供給するために二次電池パックが使用されている。この二次電池パックとしては再充電可能な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が使用されており、特に、エネルギー密度が高く軽量なリチウムイオン二次電池が広く使用されてきた。
【０００３】
図１１は、従来のリチウムイオン二次電池を用いた二次電池パックであり、リチウムイオン二次電池１１と、過電圧や低電圧を防止する保護回路１２と、過大電流が流れた場合に回路を遮断する電流ヒューズ１３と、サーミスタ温度計５と、保護回路の制御によって回路を遮断するスイッチ１４、正極端子７と、負極端子８と、サーミスタ正極端子９とを有する。
【０００４】
この二次電池パックは、リチウムイオン二次電池１に充電された電力を正極端子７、負極端子８を介して放電して携帯電話機や携帯情報端末機器を駆動させる。なお、リチウムイオン二次電池１の充電中や放電中の温度は、サーミスタ温度計５で常に監視されている。さらに、この従来の二次電池パックでは、リチウムイオン二次電池１の過電圧や低電圧を保護回路１２で検出した段階で、保護回路１２からスイッチ１４に信号を送り、スイッチ１４をオフにして配線を遮断する。また、従来の二次電池パックでは、リチウムイオン二次電池１に過電流が入力された時点やリチウムイオン二次電池１から過電流が出力された時点で電流ヒューズ１３が動作し回路を遮断する。
【０００５】
図１２は、前記の二次電池パックを用いた携帯機器であり、この携帯機器は、上述した構成を有する二次電池パック１７を備えるものであり、本体側電圧変換回路１５と、本体携帯機器回路１６とを有する。
【０００６】
前記の二次電池パック１７からの出力電力は、正極端子７、負極端子８を介して、本体側電圧変換回路１５に入力され、本体側電圧変換回路１５では、本体携帯機器回路１６が必要とする電圧値Ｖｉｎに変換して、本体携帯機器回路１６に出力される。さらに、サーミスタ温度計５の温度値は、サーミスタ正極端子９、負極端子８から本体携帯機器回路１６に送られ二次電池パック１７の異常温度監視に使われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、前記の二次電池は、充電を行う場合、長時間の充電時間が必要である。リチウムイオン二次電池の例では約１時間上の充電時間が必要であり、このために二次電池の充電中、二次電池を搭載した携帯電話機や携帯情報端末機器は、充電器等に優先的に接続しておく必要がある。その結果、同機器を持ち運ぶことはできないという欠点がある。
【０００８】
さらに、前記の二次電池は充電と放電を繰り返すと電池容量が低下するといったリサイクル寿命があり、約５００回程度の充放電サイクルで使用に適さなくなる場合が発生する問題がある。
【０００９】
また、リチウムイオン二次電池は、高エネルギー化することが難しく、大きな電気容量が必要な場合は、多くのリチウムイオン二次電池を組み込む必要がある。このことにより、リチウムイオン二次電池を用いた二次電池パックは、今後の電気容量の増加が見込まれる携帯電話機や携帯情報端末機器に使用することを想定すると、全体の重量が重くなることや、体積が大きくなるといった問題がある。
【００１０】
さらに、リチウムイオン二次電池は、可燃性の有機溶剤系電解液や電極に反応性に富むリチウムを用いているので、保護回路や電流ヒューズなどの複数の安全性に配慮した二次電池パック設計が必要である。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためなされたものであり、従来の二次電池との互換性を維持しつつ、長時間の充電時間の短縮化及び、装置の軽量・小型化を図るとともに、高出力化を実現することのできる燃料電池パック及び携帯端末機することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、水素と酸素との化学反応により電力を出力する燃料電池セルと、燃料電池セルに燃料を供給する燃料ケースと、燃料電池セルの温度値を測定するサーミスタ温度計と、これらの燃料電池セル、燃料ケース及びサーミスタ温度計を格納する電池パック本体と、この電池パック本体の外表面に配置され、燃料電池セルからの出力を導出する出力端子と、サーミスタ温度計からの出力を導出するサーミスタ端子とを備えることを特徴とする燃料電池パックである。
【００１３】
本発明によれば、携帯電話機や携帯情報端末機器に使用されている二次電池パックと電気的出力及び温度検出出力に関して互換性を保つことができる。また、本発明の燃料電池セルは、燃料を充填する方式であるので、二次電池パックの充電時間と比較して、短時間で充填を終了することができ、さらに、二次電池パックのようなサイクル寿命に対して、燃料電池セルは動作時間という概念から燃料を充填すれば長期間使用できる。
【００１４】
さらに、本発明によれば、二次電池のエネルギー密度に関して、燃料電池パックは数倍上のエネルギー密度を有することから、同一堆積で比較すると電気容量を数倍多く搭載することになり、同一電気容量として比較すると、体積的に数分の１の体積で構成できる。また、燃料電池セルの電解質は水溶性電解質であり、高い安全性を保つことができ、保護回路を簡易化するのに有効である。
【００１５】
上記発明では、電池パック本体内において燃料電池セルと出力端子との間に配置され、燃料電池セルからの発電電力の電圧値を、一定な電圧値に変換する定電圧化回路を設けることが好ましい。この場合には、電池パック側で定電圧化を行うため、外部機器における電圧調整の負担を軽減することができる。
【００１６】
上記発明では、電池パック本体内において燃料電池セルと定電圧化回路との間に配置され、燃料電池セルからの発電電力の電流値を最大発電電力を制御する最大電力制御回路を設けることが好ましい。この場合には、燃料電池セルにおける発電電力を最大値に設定することができるため、定電圧化回路の付加を低減させることができる。
【００１７】
上記発明では、電池パック本体内において、燃料電池セルと定電圧化回路との間に配置され燃料電池セルからの発電電力の一部又は全部を一時的に蓄積するコンデンサを設けることが好ましい。この場合には、燃料電池セルにおける発電電力を一時的に蓄積し、定電圧化回路における必要電力が燃料電池セルの発電電力量を超えたときに、コンデンサにより電力を補充することにより、定電圧化回路の動作を適正に維持することができる。この結果、燃料電池セルの応答性を向上させることができる。
【００１８】
上記発明では、サーミスタ温度計からの出力に基づいて燃料ケースから燃料電池セルに供給される燃料の量を調節するセル保護回路を設けることが好ましい。この場合には、燃料電池セルの発熱に応じて、発電電力を制限することができ、発熱による燃料電池セルの機能低下を防止することができる。
【００１９】
上記発明では、定電圧化回路からの出力に基づいて燃料ケースから燃料電池セルに供給される燃料の量を調節するセル保護回路を設けることが好ましい。この場合には、定電圧化回路からの出力に応じて、燃料電池セルによる発電量を制限することができ、定電圧化回路の付加を低減させることができる。
【００２０】
上記発明において、燃料電池セルは、複数設けられるとともに、直列に接続されていることが好ましい。また、上記発明において、定電圧化回路は、電圧の上昇又は下降の変化率を変動させることにより定電圧に変換することが好ましい。上記発明において、最大電力制御回路は、定電流回路と、燃料電池セルが最大発電電力で発電できる最適電流値を設定する設定手段とを備えるが好ましい。
【００２１】
他の発明は、上述した燃料電池パックの格納部と、格納部内に設けられ、出力端子及びサーミスタ端子に接続可能な接続端子を備えることを特徴とする。この他の発明によれば、上述したように、従来の二次電池パックとの互換性を有する燃料電池パックを電源として用いることができることから、既存の構造に変更を加えることなく、充電時間の短縮化及び、装置の軽量・小型化を図ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
［第１参考例］
（燃料電池パックの構成）
以下に本発明の第１参考例に係る燃料電池パックについて詳細に説明する。図１は、第１参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。
【００２３】
同図に示すように、第１参考例に係る燃料電池パックは、水素と酸素との化学反応により電力を出力する燃料電池セル２と、燃料電池セル２に燃料を供給する燃料ケース１と、燃料電池セル２の温度値を測定するサーミスタ温度計５と、これらの燃料電池セル２、燃料ケース１及びサーミスタ温度計５を格納する電池パック本体１７と、この電池パック本体１７の外表面に配置され、燃料電池セル２からの出力を導出する正極端子７及び負極端子８と、サーミスタ温度計５からの出力を導出するサーミスタ正極端子９とを備える。
【００２４】
燃料電池セル２は、図２に示すように、燃料極と空気極の積層膜の間に、水素イオン（Ｈ＋）が透過可能な水溶系の電解質膜を挿んだ構造になっており、燃料極には水素化合物や水素を入力し、空気極には酸素を含んだ空気を入力し、水素と酸素の化学反応で電力と水分を生成する。その内、電力を両極から取り出して、負荷側に電圧Ｖｆとして出力する。
【００２５】
なお、他の反応式（水素化合物の燃料としてメタノールを使用した場合）を下記に示す。
【００２６】
メタノール＋酸素＝＞水＋電力＋二酸化炭素
この燃料電池セルは、燃料を充填する方式であるので、二次電池パックの充電時間と比較して、短時間で充填を終了することができ、さらに、二次電池パックのようなサイクル寿命に対して、燃料を充填すれば長期間使用できる。さらに、二次電池のエネルギー密度に関して、燃料電池パックは数倍上のエネルギー密度を持つので、同一体積で比較すると電気容量を数倍多く搭載することになり、同一電気容量として比較すると、体積的に数分の１の体積で構成できる。さらに、燃料電池セルの電解質は水溶性電解質であり、高い安全性を保つことができる。
【００２７】
燃料ケース１は、供給管２１を介して燃料電池セル２に接続されており、この供給管２１を通じて、メタノール等の燃料を燃料電池セル２に供給する。
【００２８】
サーミスタ温度計５は、燃料電池セル２の温度を測定するために、燃料電池セル２に接するように配置された温度計であり、負極端子８に接続された配線８１と、サーミスタ正極端子９との間に配置されている。
【００２９】
正極端子７は、燃料電池セル２の出力を電池パック本体１７の外部に導出する端子であり、配線７１を介して、燃料電池セル２の正極に接続されている。また、負極端子８は、燃料電池セル２の出力を電池パック本体１７の外部に導出する端子であり、配線８１を介して、燃料電池セル２の負極に接続されている。サーミスタ正極端子９は、サーミスタ温度計５の出力を電池パック本体１７の外部に導出端子である。
【００３０】
（燃料電池パックの動作）
以上の構成を有する燃料電池パックは、まず、燃料ケース１から、供給管２１を通じて燃料を燃料電池セル２に供給することにより発電を行う。この発電電力を正極端子７及び負極端子８から外部へ出力される。さらに、サーミスタ温度計５の温度値をサーミスタ正極端子９と負極端子８から出力する。以上の動作により、燃料電池パックから発電電力と温度値を出力する。
【００３１】
［第２参考例］
次いで、本発明の第２参考例に係る燃料電池パックについて詳細に説明する。図３は、第２参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。第２参考例では、前述した第１参考例における燃料電池パックに定電圧化回路４を付加したことを特徴とする。すなわち、図３に示すように、本参考例では、配線７１及び配線８１の間に、定電圧化回路４を設けている。
【００３２】
この定電圧化回路４は、燃料電池セル２からの発電電力の電圧値を、これとは異なる一定な電圧値に変換する回路であり、外部装置からの負荷状態に応じて電圧変動する燃料電池セルの出力電力の電圧値を、必要な一定の電圧値に変換する。本参考例における定電圧化回路は、昇降型スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータにより構成され、これにより、定電圧化回路の出力の電圧値が、定電圧化回路の入力の電圧値よりも大きい小さいにかかわらず、必要な一定の値を出力することができる。
【００３３】
図４は定電圧化回路４の入力電圧Ｖｆ（又はＶｐ）と出力電圧Ｖ２の電流変化に対する電圧変化の図である。同図に示すように、負荷側が必要とする電圧値Ｖ２に対して、入力電圧Ｖｆ（又はＶｐ）が低い場合でも、高い場合でも昇降圧型スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータを用いることによって安定したＶ２の出力が得られる。
【００３４】
以上の構成を有する燃料電池パックは、燃料ケース１から、燃料を燃料電池セル２に供給して発電を行い、この発電電力を定電圧化回路４に入力し、定電圧化回路４の出力電力を正極端子７、負極端子８から出力する。これと併せて、サーミスタ温度計５の測定結果をサーミスタ正極端子９と負極端子８から出力する。
【００３５】
［第３参考例］
次いで、本発明の第３参考例に係る燃料電池パックについて詳細に説明する。図５は、第３参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。第３参考例では、前述した第２参考例における燃料電池パックに、燃料電池セル２からの発電電力の電流値を最大発電電力になるポイントに制御する最大電力制御回路３を設けたことを特徴とする。
【００３６】
この最大電力制御回路３は、配線７１と配線８１との間に接続され、燃料電池セル２から出力される発電電力が最大値となるように制御する回路であり、制御した電力を後段の定電圧化回路４に出力する。
【００３７】
図６は、燃料電池セル２の発電電力Ｐと電圧値Ｖｆと電流値Ｉの関係を示す図である。同図からも解るように、発電電力は電流値Ｖｆと電流値Ｉの積であり、電流値ＩがＩｐのとき、発電電力Ｐは最大発電ポイントになることから、電流値ＩをＩｐにするために最大電力制御回路として定電流回路を採用して、燃料電池セル２から出力される電流値をＩｐになるように制御して、最大発電ポイントで燃料電池セル２を発電させる。
【００３８】
このような構成を有する燃料電池パックでは、燃料ケース１から、燃料を燃料電池セル２に供給して発電を行い、その発電電力を最大電力制御回路３に入力し、最大電力制御回路３の出力電力を定電圧化回路４に入力し、定電圧化回路４の出力電力を正極端子７、負極端子８から出力する。さらに、サーミスタ温度計５の測定結果をサーミスタ正極端子９と負極端子８から出力する。
【００３９】
最大電力制御回路によれば、定電流回路から構成し、予め燃料電池セルが最大発電電力で発電できる最適電流値を決定しておき、燃料電池セルから電力を取り出す場合、定電流回路によって最適電流値で取り出すことにより、燃料電池セルからの発電電力が最大発電電力になるポイントに制御することができる。
【００４０】
［第４参考例］
次いで、本発明の第４参考例に係る燃料電池パックについて詳細に説明する。図７は、第４参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。第４参考例では、前述した第３参考例における燃料電池パックに、発電電力を一時的に蓄積するコンデンサ６を設けたことを特徴とする。
【００４１】
このコンデンサ６は、燃料電池セル２で発電された電力を蓄積するとともに、定電圧化回路４が要する電力が、最大電力制御回路３の出力電力以上必要になり、定電圧化回路４への電力が不足した場合に、蓄積された電力を定電圧化回路４側に出力する。具体的に、本参考例に係るコンデンサ６は、配線７１及び配線８１の間に接続されるとともに、最大電力制御回路３と定電圧化回路４の中間において、これらの回路３及び４と並列となるように配置されている。
【００４２】
このような構成を有する燃料電池パックでは、燃料ケース１から、燃料を燃料電池セル２に供給して発電を行い、その発電電力を前記最大電力制御回路３に入力する。最大電力制御回路３の出力電力は、コンデンサ６に蓄積されるとともに、定電圧化回路４に入力され、定電圧化回路４の出力電力を正極端子７、負極端子８から出力する。これと併せて、サーミスタ温度計５の温度値をサーミスタ正極端子９と負極端子８から出力する。そして、定電圧化回路４への入力電力が不足した場合には、コンデンサ６に蓄積された電力を定電圧化回路４側に放電する。
【００４３】
このコンデンサによれば、最大電力制御回路の出力電力の一部を蓄積し、電気的反応速度の遅い燃料電池セルに代わって、過渡的な電力要求に対して定電圧化回路に放電を行うことにより、反応性を維持することができる。
【００４４】
［第１実施形態］
次いで、本発明の第１実施形態に係る燃料電池パックについて詳細に説明する。図８は、第１実施形態に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。第１実施形態では、前述した第４参考例における燃料電池パックに、燃料電池セル保護回路を設けたことを特徴とする。
【００４５】
燃料電池セル保護回路１０は、サーミスタ温度計５の温度値又は定電圧化回路４の出力の電圧値が、予め設定した異常値を超えたときに、燃料ケース１から燃料電池セル２への燃料の供給を停止する制御回路である。
【００４６】
具体的にこの燃料電池セル保護回路１０は、配線１０１及び１０２を介して、サーミスタ温度計５と接続されているとともに、配線１０３を介して定電圧化回路４と接続されており、これらの配線を介して、サーミスタ温度計５及び定電圧化回路４の出力を検知する。
【００４７】
また、燃料電池セル保護回路１０は、供給管２１に設けられた開閉弁２２に対する制御信号を送出するための配線１０４が接続されており、この配線１０４を介して制御信号を送信し、開閉弁２２の開閉を調節する。
【００４８】
さらに、この燃料電池セル保護回路１０には、サーミスタ温度計５が測定する温度、及び定電圧化回路４からの出力の異常値を設定し、記憶する異常値設定手段１０５が設けられている。この異常値設定手段１０５は、操作者が任意に、或いは工場出荷時に予め、異常値を設定する操作手段と、これによる操作によって設定された値を記憶する記憶手段とから構成される。
【００４９】
このような構成を有する燃料電池パックでは、燃料ケース１から、燃料を燃料電池セル２に供給して発電を行い、その発電電力を前記最大電力制御回路３に入力し、最大電力制御回路３の出力電力を定電圧化回路４及びコンデンサ６に入力し、定電圧化回路４の出力電力を正極端子７、負極端子８から出力する。これと併せて、サーミスタ温度計５の温度値をサーミスタ正極端子９と負極端子８から出力する。
【００５０】
そして、定電圧化回路４への入力電力が不足した場合、コンデンサ６に蓄積された電力を定電圧化回路４側に放電する。また、サーミスタ温度計５の測定結果をサーミスタ正極端子９と負極端子８から出力し、定電圧化回路４の出力の電圧値とサーミスタ温度計５の温度値を燃料電池セル保護回路１０に入力し、サーミスタ温度計５の温度値又は定電圧化回路４の出力の電圧値が異常値を超えたときには、燃料ケース１から燃料電池セル２への燃料の供給を停止する。
【００５１】
［第２実施形態］
次いで、本発明の第２実施形態に係る携帯端末機について詳細に説明する。図９は、第２実施形態に係る携帯端末機の構成を示すブロック図である。第２実施形態では、前述した第１実施形態における燃料電池パックを、携帯端末機に適応したことを特徴とする。
【００５２】
図９に示すように、本実施形態に係る携帯端末機は、本体側携帯機器回路１６を備えるとともに、前述した構成と同様の構成を有する燃料電池パック２００を内蔵する。詳述すると、燃料電池パック２００の出力端である正極端子７及び負極端子８は、本体側電圧変換回路１５を介して本体携帯機器回路１６に接続され、サーミスタ正極端子９は、本体側電圧変換回路１６に接続されている。
【００５３】
このような構成の携帯端末機では、サーミスタ温度計５の温度値は、サーミスタ正極端子９、負極端子８から本体携帯機器回路１６に送られ二次電池パックの異常温度監視に使われる。なお、任意に設定できる定電圧化回路４の出力電圧Ｖ５を本体携帯機器回路１６が必要とする電圧値Ｖｉｎに近い値に設定することにより、本体側電圧変換回路１５での電力損失が無くなり、かつ本体側電圧変換回路１５自体の発熱を抑えることができる。
【００５４】
［変更例］
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、以下のような変更を加えることができる。
【００５５】
例えば、上述した第１参考例乃至第４参考例、及び第１実施例で説明した燃料電池セル２は、図１０に示すように、出力電圧Ｖｆの燃料電池セル２を３セル直列接続し、その両端から出力電圧３Ｖｆを取り出すようにしてもよい。これにより、燃料電池セル２の出力の高電圧化を行っている。なお、燃料電池セル２をＮ（Ｎは１以上の自然数）セル直列接続した場合、その両端の出力電圧はＮ×Ｖｆとなる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の燃料電池パック及び携帯端末機によれば、従来の二次電池との互換性を維持しつつ、長時間の充電時間の短縮化及び、装置の軽量・小型化を図るとともに、高出力化を実現することができる。また、本発明によれば、例えば、携帯電話機や携帯情報端末機器に使用されている二次電池パックと電気的出力及び温度検出出力に関して互換性を持つことができ、従来の技術に大きな変更を加えることなく、本発明を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。
【図２】 第１参考例に係る燃料電池セルの構成を示すブロック図である。
【図３】 第２参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。
【図４】 第２参考例における燃料電池パックの出力電圧特性を示すグラフである。
【図５】 第３参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。
【図６】 第３参考例に係る燃料電池パックの出力電圧特性及び出力電力を示すグラフである。
【図７】 第４参考例に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。
【図８】 第１実施形態に係る燃料電池パックの構成を示すブロック図である。
【図９】 第２実施形態に係る携帯端末機の構成を示すブロック図である。
【図１０】 変更例に係る燃料電池セルの構成を示す説明図である。
【図１１】 従来の燃料電池パックの構成を示すブロック図である。
【図１２】 従来の燃料電池パックを備えた携帯端末機の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…燃料ケース
２…燃料電池セル
３…最大電力制御回路
４…定電圧化回路
５…サーミスタ温度計
６…コンデンサ
７…正極端子
８…負極端子
９…サーミスタ正極端子
１０…燃料電池セル保護回路
１１…リチウムイオン二次電池
１３…電流ヒューズ
１４…スイッチ
１５…本体側電圧変換回路
１６…本体携帯機器回路
１７…電池パック本体
２１…供給管
２２…開閉弁
７１…配線
８１…配線
１０１，１０２…配線
１０３…配線
１０４…配線
１０５…異常値設定手段
２００…燃料電池パック
Claims (6)
- メタノールから生成される水素イオンと酸素との化学反応により電力を出力する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルに燃料を供給する燃料ケースと、
前記燃料電池セルの温度値を測定するサーミスタ温度計と、
前記燃料電池セル、前記燃料ケース及び前記サーミスタ温度計を格納する電池パック本体と、
前記電池パック本体の外表面に配置され、前記燃料電池セルからの出力を導出する出力端子と、
前記サーミスタ温度計からの出力を導出するサーミスタ端子と、
前記サーミスタ温度計から出力された温度値が第１の異常値を超えた場合に、前記燃料ケースから前記燃料セルへの燃料の供給を停止するセル保護回路と
を備えることを特徴とする燃料電池パック。 - 前記電池パック本体内において前記燃料電池セルと前記出力端子との間に配置され、前記燃料電池セルからの発電電力の電圧値を、一定な電圧値に変換する定電圧化回路をさらに備え、
前記セル保護回路は、前記温度値が前記第１の異常値を超えた場合、または前記定電圧化回路から出力された電圧値が第２の異常値を超えた場合の少なくともいずれかの場合に、前記燃料ケースから前記燃料電池セルへの燃料の供給を停止する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池パック。 - 前記電池パック本体内において前記燃料電池セルと前記定電圧化回路との間に配置され、前記燃料電池セルからの発電電力の一部又は全部を一時的に蓄積するコンデンサを備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池パック。
- 前記燃料電池セルは、複数設けられるとともに、直列に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の燃料電池パック。
- 前記定電圧化回路は、電圧の上昇又は下降の変化率を変動させることにより定電圧に変換することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池パック。
- 請求項１又は請求項２のいずれかに記載の燃料電池パックの格納部と、該格納部内に設けられ、前記出力端子及び前記サーミスタ端子に接続可能な接続端子を備えることを特徴とする携帯端末機。
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