JP4209791B2 - 電源システム及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池等を用いた電源システム及び当該電源システムを備える複写機等の電子機器に関する。

特許文献１には、燃料電池を用いた燃料発電装置が開示されている。また、燃料電池に限らず、二次電池と充電装置とによる発電装置を用いた画像形成装置等に関する提案例もある（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−５０９０２号公報 特許第３３１０７６７号公報

燃料電池の出力電圧は不安定なため、定電圧電源で電圧を安定化してから負荷に供給するのが一般的である。定電圧電源の入力端子には入力電圧の変動を吸収するための大容量のコンデンサが並列に接続されている。

ここに、燃料電池セルは水素と酸素を化学反応させて水ができる際のエネルギを電力と言う形で取り出す電源であり、逆に燃料電池セルに対して電流を流し込むと水の電気分解で水素と酸素を発生するだけでなく燃料電池の特性劣化が起きるため、定電圧電源の入力側のコンデンサからの逆電流を整流素子、例えばダイオードで防止する必要がある。即ち、燃料電池が何らかのトラブルで、燃料供給が追いつかなくなると発電電圧よりも定電圧電源のコンデンサの電圧の方が高くなり、逆に燃料電池セルに電流が流れ込んでしまうので、このような逆電流を防止するためにダイオードが挿入される。

しかし、高耐圧と低電圧降下とを両立できるダイオードがなく、耐圧が１０００Ｖ以上と高いシリコンダイオードは順方向の電圧降下が１Ｖ程度であり、ショットキーダイオードに比べ、電力損失が２倍位になってしまう。また、順方向電圧降下が０.５Ｖ程度と小さいショットキーダイオードは電力損失が少ない反面、耐圧がせいぜい１００Ｖ程度迄であり、あまり電圧の高い個所には使用できない。

そのため、電圧が高い電源システムでは低電圧降下なダイオードが使えないことから、例えば高耐圧なシリコンダイオードを用いた場合、１０Ａの電流を流すと１０Ａ×１Ｖ＝１０Ｗと損失が多かった。

本発明の目的は、回路構成の工夫により高耐圧と低電圧降下とを両立し、電源システムの低損失・高効率化を図ることである。

請求項１記載の発明電源システムは、燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を安定化させる定電圧電源と、
該定電圧電源の入力電圧の変動を吸収する大容量のコンデンサと、を有する電源システムであって、
前記燃料電池の出力側と前記定電圧電源との間に、複数の整流素子が接続されており、
前記複数の整流素子は、
高耐圧な第１の整流素子と、
該第１の整流素子に比べて電圧降下の低い電気的能力を有する第２の整流素子とからなり、
前記第１の整流素子と並列に接続されて並列回路を構成し、リレーコイルにより開閉されるスイッチを有し、
前記第２の整流素子は、前記並列回路に直列に接続されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の電源システムにおいて、
前記燃料電池の出力電圧と前記定電圧電源の入力端子電圧との大小関係を比較する差動増幅手段を更に有し、
該差動増幅手段は、比較結果に応じて、前記スイッチを開閉することを特徴とする。

本発明によれば、例えば電気的能力として耐圧の高いシリコンダイオードと、電圧降下が低くて電力損失の少ないショットキーダイオードとの組合せのように電気的能力の異なる複数の整流素子を備え、これらの整流素子にかかる電圧が順方向の場合には電力損失の大きいシリコンダイオードでの電力損失をなくす一方、これらの整流素子にかかる電圧が逆方向の場合にはショットキーダイオードには逆方向の電圧が印加されないようにすることで、高耐圧と低電圧降下とを両立し、電源システムの低損失・高効率化を図ることができる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

［第一の実施の形態］
本発明の第一の実施の形態を図１に基づいて説明する。本実施の形態は、電池或いは発電装置として、燃料電池１を用いた電源システムＰＳへの適用例を示す。燃料電池１の出力側には、燃料電池１の出力電圧を安定化させて対象となる負荷２に供給する定電圧電源３が接続されている。この定電圧電源３の入力端子間には入力電圧の変動を吸収するための大容量のコンデンサ４が接続されている。

このような燃料電池１の出力側と定電圧電源３の入力側との間には、複数、例えば２個の整流素子５，６が整流方向を燃料電池１側から定電圧電源３側に揃えて接続されている。ここに、整流素子としては、例えば、シリコンダイオード、ＳＣＲ、ショットキーダイオード、ファーストリカバリーダイオード、ゲルマニュームダイオード、鉱石検波器、セレン整流器、真空管、水銀整流管等の整流作用を有するものを用い得るわけであるが、整流素子５，６同士はその電気的能力が異なるものが用いられる。本実施の形態では、例えば整流素子（第１の整流素子）５としては高耐圧なシリコンダイオード（以下、シリコンダイオード５とする）が用いられ、整流素子（第２の整流素子）６としては整流素子５に比べて電圧降下の低い電気的能力を有するショットキーダイオード（以下、ショットキーダイオード６とする）が用いられている。ここに、シリコンダイオード５にはリレーコイル７により開閉されるスイッチとしてのリレー接点８が並列に接続されて並列回路が構成され、ショットキーダイオード６はこの並列回路に対して直列に接続されている。また、燃料電池１の出力電圧と定電圧電源３の入力端子電圧との大小関係を比較してその大小関係に応じてリレーコイル７への通電を制御しリレー接点８を開閉制御（ＯＮ・ＯＦＦ制御）する制御素子としての差動増幅器１０が設けられている。この差動増幅器１０は、燃料電池１の出力電圧より定電圧電源３の入力端子電圧が或る値より小さくなった時にはリレーコイル７に通電してリレー接点８を閉じ（ＯＮ）させ、燃料電池１の出力電圧より定電圧電源の入力端子電圧が或る値より大きくなった時にはリレーコイル７への通電を止めリレー接点８を開放（ＯＦＦ）させるように機能する。なお、１０はこの差動増幅器９を動作させる駆動電源用バッテリである。

このような構成において、燃料電池１の出力電圧が定電圧電源３の入力端子電圧より高い時（ダイオード５，６にかかる電圧が順方向の場合）は、差動増幅器９の出力がＬ（Ｌｏｗ）になりリレーコイル７に電流が流れるため、リレー接点８が閉じ（ＯＮし）、シリコンダイオード５のアノード、カソード間をショートする。従って、燃料電池１から電力を取り出している時はシリコンダイオード５での電圧降下はなく、ショットキーダイオード６だけの電圧降下となるので、電力損失を少なくすることができる。

反対に、燃料電池１の出力電圧が定電圧電源３の入力端子電圧より低い時（ダイオード５，６にかかる電圧が逆方向の場合）は、差動増幅器９の出力がＨ（Ｈｉｇｈ）になりリレーコイル７に電流が流れないため、リレー接点８が開き、シリコンダイオード５のアノード、カソード間には電気的に何もないのと同じになる。従って、定電圧電源３の入力端子から燃料電池１の出力端子に逆に電流が流れようとしても耐電圧の高いシリコンダイオード５で堰き止められるので耐電圧の低いショットキーダイオード６に大きな逆電圧が印加されることはない。

より詳細な動作制御として、燃料電池１の出力電圧が定電圧電源３の入力端子電圧より高い状態から、例えば急激に燃料や空気の供給が少ない状態になると、燃料電池１の出力電圧が低下し、定電圧電源３の入力端子電圧より燃料電池１の出力電圧が低くなってしまう。この時、上述したように、閉じていたリレー接点８が開き、シリコンダイオード５のアノード、カソード間には電気的に何もないのと同じになるが、リレー接点８の動作よりも電圧の低下のほうが早い場合には耐電圧の高いシリコンダイオード５が機能しないが、電圧差があまり大きくない間は耐電圧の低いショットキーダイオード６で堰き止めることができる。ショットキーダイオード６で堰き止めている間に、リレー接点８が開ききれば今度は耐電圧の高いシリコンダイオード５が機能するようになるので大きな逆電圧が耐電圧の低いショットキーダイオード６に印加されることはなく、定電圧電源３から燃料電池１に電流が流れ込むこともない。

ちなみに、リレー接点８が全ての整流素子５，６をバイパスする形でショートする回路構成の場合は、接点が開ききるまでの間は逆方向の電流を阻止するものがないので、この過度期は定電圧電源３から燃料電池１に電流が流れ込んでしまい、高価な燃料電池１にダメージを与えてしまう。これは、リレー接点８の動作例で説明したが、これが後述の無接点の半導体素子に変わって切り替え動作時間が早くなっても、短い時間の間はやはり電圧電源から燃料電池に電流が流れ込んでしまう。

本実施の形態の変形例として、スイッチをリレーコイル７により開閉されるリレー接点８に代えて、図２に示すように、無接点の半導体素子、例えば、ＦＥＴ１１を用いるようにしてもよい。前述のリレー（リレーコイル７＆リレー接点８）は動作回路が簡単で漏れ電流が小さい特徴があるのに対して、ＦＥＴ１１はリレーに比較して動作時間が格段に短いため、燃料電池１の急激な電圧低下でも燃料電池１に逆電圧が印加されるのを防ぐことができ、かつ、無接点スイッチであるため、接点の荒れや異物の付着がなく、半永久的に使用できる特徴がある。このＦＥＴ１はＳ（ソース）・Ｄ（ドレイン）間がシリコンダイオード５に並列に接続されて並列回路を構成し、Ｇ（ゲート）には差動増幅器９の出力が接続されている。なお、この差動増幅器９の±入力端子は図１の場合とは逆とされている。

動作的には、燃料電池１の出力電圧が定電圧電源３の入力端子電圧より高い時は差動増幅器９の出力が、図１の場合とは逆に、Ｈ（Ｈｉｇｈ）になりＦＥＴ１１のＧ（ゲート）電圧がＳ（ソース）電圧より高くなるのでＦＥＴ１１がＯＮしシリコンダイオード５のアノード、カソード間をショートする。従って、燃料電池１から電力を取り出している時はシリコンダイオード５での電圧降下はなく、ショットキーダイオード６だけの電圧降下となるので、電力損失を少なくすることができる。

反対に、燃料電池１の出力電圧が定電圧電源３の入力端子電圧より低い時は差動増幅器９の出力がＬ（Ｌｏｗ）になりＦＥＴ１１のＧ（ゲート）電圧がＳ（ソース）電圧と等しくなるのでＦＥＴ１１がＯＦＦし、シリコンダイオード５のアノード、カソード間には電気的に何もないのと同じになる。従って、定電圧電源３の入力端子から燃料電池１の出力端子に逆に電流が流れようとしても耐電圧の高いシリコンダイオード５で堰き止められるので耐電圧の低いショットキーダイオード６に大きな逆電圧が印加されることはない。

また、別の変形例を図３に示す。この変形例は、ショットキーダイオード６に並列に抵抗１２を接続したものである。この抵抗１２は、ショットキーダイオード６に直列に接続されたシリコンダイオード５やリレー接点８の漏れ抵抗を通じて逆方向電圧がショットキーダイオード６に印加されないようにするためのものである。

例えば、図１に示した回路構成でシリコンダイオード５の漏れ抵抗が１０ＭΩ、ショットキーダイオード６の漏れ抵抗１００ＫΩ、燃料電池１の出力端子電圧が０Ｖ、定電圧電源３の入力端子電圧が１００Ｖの時、ショットキーダイオード６に印加される逆方向電圧Ｖｓは、
Ｖｓ＝１００Ｖ＊１００ＫΩ／（１０ＭΩ＋１００ＫΩ）
から求められ、０.９９Ｖとなる。この値はショットキーダイオード６の逆耐圧よりかなり小さいのでショットキーダイオード６に並列に抵抗１２を挿入する必要は必ずしもない。しかし、漏れ抵抗は、ばらつきも大きく、環境によっても大きく変化し、また、ショットキーダイオード６の性能が向上し漏れ抵抗値が格段に向上すれば逆耐圧をオーバーすることも有り得るが、抵抗１２を挿入することにより確実に防止することができる。

図４に示すように、図２に示した構成例についても、同様にショットキーダイオード６に並列に抵抗１２を接続してもよい。

［第二の実施の形態］
本発明の第二の実施の形態を図５に基づいて説明する。前述の図１ないし図４で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する。基本的構成は、図１の場合に準ずるが、本実施の形態では、シリコンダイオード５とリレー接点８との並列回路に対して、リレー接点８と直列に整流素子ショットキーダイオード６を接続したものである。

このような構成において、燃料電池１の出力電圧が定電圧電源３の入力端子電圧より高い時（ダイオード５，６にかかる電圧が順方向の場合）は、差動増幅器９の出力がＬ（Ｌｏｗ）になりリレーコイル７に電流が流れるため、リレー接点８が閉じ、シリコンダイオード５とショットキーダイオード６との並列回路が形成される。従って、燃料電池１から電力を取り出している時は順方向の電圧降下の小さいショットキーダイオード６だけに電流が流れるので、電力損失を少なくすることができる。

反対に、燃料電池１の出力電圧が定電圧電源３の入力端子電圧より低い時（ダイオード５，６にかかる電圧が逆方向の場合）は、差動増幅器９の出力がＨ（Ｈｉｇｈ）になりリレーコイル７に電流が流れないため、リレー接点８が開き、シリコンダイオード５のカソードから、ショットキーダイオード６は電気的に切り離されるので、耐電圧の低いショットキーダイオード６に大きな逆電圧が印加されることはない。

本実施の形態の変形例として、スイッチをリレーコイル７により開閉されるリレー接点８に代えて、図６に示すように、無接点の半導体素子、例えば、ＦＥＴ１１を用いるようにしてもよい。これは、前述の図１と図２との関係の場合と同様であり、動作等については説明を省略する。

また、前述の図３、図４の場合と同様に、本実施の形態の場合も、別の変形例として,図７、図８に示すように、ショットキーダイオード６に並列に抵抗１２を接続してもよい。

［第三の実施の形態］
本発明の第三の実施の形態を図９に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したような構成の電源システムＰＳを複写機、ファクシミリ、複合機（ＭＦＰ）、各種プリンタ等の画像形成装置なる電子機器用の電源として使用するようにした適用例を示す。この画像形成装置２１は、画像形成部２２、通信制御部２３、機械駆動部２４、電子制御部２５、定着部２６等の各々周知の各種負荷を備えるものであり、これらの各種負荷に対する電源として電源システムＰＳが当該画像形成装置２１に内蔵される形で設けられ、インバータ回路２７により適当な高電圧等に変換されて電力が供給されるように構成されている。

なお、当該電源システムＰＳを備える電子機器としては、このような画像形成装置に限らず、電子黒板等の各種機器に適用し得るのはもちろんである。

本発明の第一の実施の形態の電源システムを示す概略回路図である。 その変形例を示す概略回路図である。 別の変形例を示す概略回路図である。 さらに別の変形例を示す概略回路図である。 本発明の第二の実施の形態の電源システムを示す概略回路図である。 その変形例を示す概略回路図である。 別の変形例を示す概略回路図である。 さらに別の変形例を示す概略回路図である。 本発明の第三の実施の形態の画像形成装置を示す概略ブロック図である。

符号の説明

１ 燃料電池、電池
３ 定電圧電源
５ シリコンダイオード、第１の整流素子
６ ショットキーダイオード、第２の整流素子
８ スイッチ
９ 制御素子
１１ ＦＥＴ、スイッチ
１２ 抵抗

Claims (2)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の出力電圧を安定化させる定電圧電源と、
   該定電圧電源の入力電圧の変動を吸収する大容量のコンデンサと、を有する電源システムであって、
   前記燃料電池の出力側と前記定電圧電源との間に、複数の整流素子が接続されており、
   前記複数の整流素子は、
   高耐圧な第１の整流素子と、
   該第１の整流素子に比べて電圧降下の低い電気的能力を有する第２の整流素子とからなり、
   前記第１の整流素子と並列に接続されて並列回路を構成し、リレーコイルにより開閉されるスイッチを有し、
   前記第２の整流素子は、前記並列回路に直列に接続されていることを特徴とする電源システム。
2. 前記燃料電池の出力電圧と前記定電圧電源の入力端子電圧との大小関係を比較する差動増幅手段を更に有し、
   該差動増幅手段は、比較結果に応じて、前記スイッチを開閉することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
   

Images