KR100884140B1 - 하이브리드 전원 장치 - Google Patents

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마사야 후지이
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산요덴키가부시키가이샤
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Abstract

하이브리드 전원 장치는, 연료 전지와, 상기 연료 전지에 스위치를 통해 병렬로 접속된 축전 디바이스와, 상기 스위치를 온/오프 제어함으로써, 상기 연료 전지와 상기 축전 디바이스의 출력 단자간의 접속 상태를 제어하는 제어 회로를 구비한다. 상기 제어 회로는, 상기 연료 전지의 출력 전류에 기초하여 상기 접속 상태를 제어하여, 상기 출력 단자간을 접속하고 있는 상태에서 상기 연료 전지의 출력 전류가 소정의 하한 전류 이하로 되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 차단한다.
연료 전지, 제어 회로, 출력 단자, 축전 디바이스

Description

하이브리드 전원 장치{HYBRID POWER SUPPLY}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전원 장치(전원 장치)의 블록 구성도.
도 2는 도 1의 연료 전지를 구성하는 1개의 단위 셀의 개략 구성도.
도 3은 도 1의 연료 전지의 출력 특성을 도시하는 도면.
도 4는 도 1의 연료 전지의 안정 동작 영역과 불안정 동작 영역을 도시하는 도면．
도 5는 연료 농도의 변화에 수반하는, 도 1의 연료 전지의 출력 특성의 변화를 도시하는 도면．
도 6은 도 1의 제어 회로의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 7은 도 2의 연료 카트리지의 교환의 모습을 도시하는 개략도.
도 8은 도 1의 제어 회로의 내부 구성예를 도시하는 도면.
도 9는 도 1의 제어 회로의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 10은 도 1의 제어 회로의 내부 구성예를 도시하는 도면.
도 11은 도 1의 연료 전지의 연료 농도를 회복시키는 방법을 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 하이브리드 전원 장치
2 : 연료 전지
3 : 이차 전지
4 : 제어 회로
5 : 전류 검출기
6 : 스위치
7 : 전압 검출기
8 : 보충/교환 검출 회로
[특허 문헌1] 일본 특개2004-342551호 공보
[특허 문헌2] 일본 특개평8-163711호 공보
<관련 출원>
본 출원은 2006년 3월 13일 출원된 일본 특허 출원 번호 제2006-067284호를 35 U.S.C.§119(a)에 기초하여 그 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 참조로서 본 명세서에 원용된다.
본 발명은, 연료 전지와 이차 전지 등의 축전 디바이스를 병용한 하이브리드 전원 장치에 관한 것이다．
연료 전지와 이차 전지를 병용한 하이브리드 전원 장치에서는, 통상적으로, 연료 전지와 이차 전지 사이에, 연료 전지를 보호하기 위해, 역류 방지 회로로서의 다이오드가 설치된다. 그러나, 다이오드를 설치하면, 당연히 다이오드에서 쓸데 없는 전력이 소비되어, 전원 장치로서의 고효율화가 방해된다.
이것을 고려하여, 연료 전지를 스위치를 통해 이차 전지와 병렬로 접속한다고 하는 구성도 제안되어 있다. 이러한 종류의 구성은, 특허 문헌1이나 특허 문헌2 등의 문헌에 기재되어 있다. 연료 전지를 스위치를 통해 이차 전지와 병렬로 접속함으로써, 다이오드에서의 전력 소비가 삭감됨과 함께, 다이오드에서의 전압 강하분만큼 연료 전지의 출력 전압을 낮게 억제할 수 있다.
연료 전지를 불안정 동작 영역에서 동작시키면 특성 열화 등을 초래한다. 이 때문에, 연료 전지를 스위치를 통해 이차 전지와 병렬로 접속하는 경우에도, 불안정 동작 영역에서의 동작을 방지하는 기술이 필요해진다.
본 발명에 따른 제1 하이브리드 전원 장치는,
연료 전지와,
상기 연료 전지에 스위치를 통하여 병렬로 접속된 축전 디바이스와,
상기 스위치를 온/오프 제어함으로써, 상기 연료 전지와 상기 축전 디바이스의 출력 단자간의 접속 상태를 제어하는 제어 회로를 구비하고,
상기 제어 회로는, 상기 연료 전지의 출력 전류에 기초하여 상기 접속 상태 를 제어하여, 상기 출력 단자간을 접속하고 있는 상태에서 상기 연료 전지의 출력 전류가 소정의 하한 전류 이하로 되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 차단하는 것을 특징으로 한다.
또한 예를 들면,
상기 축전 디바이스의 출력 전압을 검출하는 전압 검출기를 더 구비하고,
상기 하한 전류는, 검출된 상기 축전 디바이스의 출력 전압에 따라 정해진다.
또한 예를 들면,
상기 연료 전지에 대하여 연료가 보충되었는지의 여부를 검출하기 위한 보충 검출부를 구비하고,
상기 제어 회로는, 상기 연료 전지의 출력 전류가 상기 하한 전류 이하로 된 것에 기인하여 상기 출력 단자간의 접속을 차단한 후, 상기 연료의 보충이 검출되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 복귀한다.
또한 예를 들면,
해당 하이브리드 전원 장치는, 상기 연료 전지와 상기 연료 전지의 연료로 이루어지는 연료 전지 유닛을 교환 가능하게 구성되어 있고,
상기 연료 전지 유닛이 교환되었는지의 여부를 검출하기 위한 교환 검출부를 구비하고,
상기 제어 회로는, 상기 연료 전지의 출력 전류가 상기 하한 전류 이하로 된 것에 기인하여 상기 출력 단자간의 접속을 차단한 후, 상기 연료 전지 유닛의 교환 이 검출되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 복귀한다.
또한 예를 들면,
상기 축전 디바이스의 출력 전압을 검출하는 전압 검출기를 더 구비하고,
상기 제어 회로는, 상기 출력 단자간을 접속하고 있는 상태에서 검출된 상기 출력 전압이 소정의 제1 전압 이상으로 되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 차단한다.
또한 예를 들면,
상기 축전 디바이스의 출력 전압을 검출하는 전압 검출기를 더 구비하고,
상기 제어 회로는, 상기 출력 단자간을 접속하고 있는 상태에서 검출된 상기 출력 전압이 소정의 제1 전압 이상으로 되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 차단하고, 그 후, 검출된 상기 출력 전압이 상기 제1 전압보다도 작은 소정의 제2 전압 이하로 되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 복귀한다.
본 발명에 따른 제2 하이브리드 전원 장치는,
연료 전지와,
상기 연료 전지에 스위치를 통하여 병렬로 접속된 축전 디바이스와,
상기 스위치를 온/오프 제어함으로써, 상기 연료 전지와 상기 축전 디바이스의 출력 단자간의 접속 상태를 제어하는 제어 회로와,
상기 축전 디바이스의 출력 전압을 검출하는 전압 검출기를 구비하고,
상기 제어 회로는, 상기 출력 단자간을 접속하고 있는 상태에서 검출된 상기 출력 전압이 소정의 제1 전압 이상으로 되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 차 단하고, 그 후, 검출된 상기 출력 전압이 상기 제1 전압보다도 작은 소정의 제2 전압 이하로 되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 복귀하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여, 도면을 참조하면서 구체적으로 설명한다. 각 도면에서, 동일한 것에는 동일한 부호를 붙인다. 도 1에, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전원 장치(1)(이하, 간단히 「전원 장치(1)」이라고 말함)의 블록 구성도를 도시한다.
전원 장치(1)는, 연료 전지(2)와, 축전 디바이스로서의 이차 전지(3)와, 제어 회로(4)와, 전류 검출기(5)와, 스위치(6)와, 전압 검출기(7)와, 보충/교환 검출 회로(8)를 갖고 구성된다. 전원 장치(1)에는, 부하(9)가 접속된다.
연료 전지(2)는, 메탄올을 직접 연료로 하여 발전하는 다이렉트 메탄올형 연료 전지이다. 단, 다이렉트 메탄올형 연료 전지 이외의 연료 전지를, 연료 전지(2)로서 채용하여도 된다．
연료 전지(2)는, 복수의 단위 셀을 직렬 접속해서 구성된다. 도 2에, 연료 전지(2)를 구성하는 1개의 단위 셀의 개략 구성도를 도시한다. 1개의 단위 셀은, 메탄올의 산화를 촉진하기 위한 전극 촉매를 담지한 연료극(21)과, 산소의 환원 반응을 촉진하기 위한 전극 촉매를 담지한 공기극(22)과, 연료극(21)과 공기극(22) 사이에 끼워진 고체 고분자 전해질막(23)을 갖고 구성된다.
연료 카트리지(20)에는, 물에 희석된, 연료로서의 메탄올이 축적되어 있다. 연료 카트리지(20) 내의 메탄올은, 직접, 연료극(21)에 공급된다. 공기극(22)은, 공기와 접하고 있다.
연료극(21)에서, 메탄올은 물과 반응하여 이산화탄소, 수소 이온, 전자로 된다(CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-). 수소 이온은 고체 고분자 전해질막(23)을 거쳐 공기극(22)에 도달하고, 전자는 외부 회로(부하 등)를 거쳐 공기극(22)에 도달한다. 공기극(22)에서는, 수소 이온과 공기 중의 산소가 만나, 전극 표면으로부터 전자를 빼앗는 반응을 거쳐 물로 된다(3/2·O2+6H++6e-→3H2O). 또한, 연료극(21)에서 발생하는 이산화탄소 및 공기극(22)에서 발생하는 물은, 도시되지 않는 배출 구멍을 통하여 외부에 배출된다.
도 2에 도시하는 단위 셀을 직렬로 접속해서 조전지를 구성함으로써, 연료 전지(2)는 형성된다. 가장 저전압측의 단위 셀의 부극(연료극(21))은, 기준 전위(0V)를 갖는 그라운드 라인 GND에 접속된다. 가장 고전압측의 단위 셀의 정극(공기극(22))의 전압이 연료 전지(2)의 출력 전압으로서 부하(9)측에 출력된다. 이하, 연료 전지(2)의 출력 전압을 전압 VFC라고 부르고, 연료 전지(2)의 출력 전류를 전류 IFC라고 부른다.
전압 VFC가 나타나는 연료 전지(2)의 플러스측의 출력 단자(2a)는, 전류 검출기(5)를 통하여 스위치(6)의 일단에 접속된다. 스위치(6)의 타단은, 이차 전지(3)의 플러스측의 출력 단자(정극)(3a)에 접속됨과 함께 부하(9)에 접속된다. 이차 전지(3)의 마이너스측의 출력 단자(부극)는, 그라운드 라인 GND에 접속되어 있다.
전류 검출기(5)는, 전류 IFC의 전류값을 검출한다. 전류 IFC(엄밀하게는, 전류 IFC의 전류값)의 검출 결과는, 제어 회로(4)에 전달된다. 전압 검출기(7)는, 이차 전지(3)의 출력 전압(이하, 전압 VB라고 함)의 전압값을 검출한다. 전압 VB(엄밀하게는, 전압 VB의 전압값)의 검출 결과는, 제어 회로(4)에 전달된다.
보충/교환 검출 회로(8)의 검출 내용에 대해서는 후술하겠지만, 제어 회로(4)는, 전류 IFC의 검출 결과와, 전압 VB의 검출 결과와, 보충/교환 검출 회로(8)의 검출 결과에 기초하여, 스위치(6)의 도통을 제어한다.
스위치(6)는, 예를 들면, FET(Field Effect Transistor)로 이루어지고, 한 쪽의 도통 전극(예를 들면 드레인)은 전류 검출기(5)를 통하여 연료 전지(2)의 출력 단자(2a)에 접속되고, 다른 쪽의 도통 전극(예를 들면 소스)은 이차 전지(3)의 출력 단자(3a)에 접속된다. 그리고, 스위치(6)는, 제어 회로(4)의 제어 하, 출력 단자(2a)와 출력 단자(3a) 사이를 도통시키거나(접속하거나), 혹은, 그들 사이의 도통을 차단한다(미접속으로 한다). 이하, 출력 단자(2a)와 출력 단자(3a) 사이를 도통시키는 스위치(6)의 상태를 「온」이라고 부르고, 그들 사이의 도통을 차단하는 스위치(6)의 상태를 「오프」라고 부른다.
이차 전지(3)는, 구체적으로는 예를 들면 리튬 이온 이차 전지이다. 단, 그 이외의 임의의 이차 전지를, 이차 전지(3)로서 채용하는 것도 가능하다.
스위치(6)가 온으로 되어 있을 때, 전압 VFC와, 전압 VB는, 필연적으로 동등하게 된다. 따라서, 연료 전지(2)의 개방 출력 전압을, 전압 VB 이상으로 할 필요가 있다． 바람직하게는, 연료 전지(2)의 원하는 동작점에서, 전압 VFC가 전압 VB와 동등하게 되도록(혹은 대략 동등하게 되도록), 연료 전지(2)를 구성하는 단위 셀의 직렬수를 결정하면 된다. 예를 들면, 단위 셀당 발생 전압이 0.4V인 경우, 리튬 이온 이차 전지의 출력 전압은 4V 정도이므로, 이상적으로는 단위 셀의 직렬 수를 10으로 한다.
부하(9)는, 예를 들면, 휴대 전화기나 휴대 정보 단말기 등의 휴대 기기 등이다. 부하(9)와 전원 장치(1)를 합한 것이 휴대 기기라고 생각할 수도 있다. 스위치(6)가 온으로 되어 있을 때는, 연료 전지(2)와 이차 전지(3)가 협동해서 부하(9)에 전력을 공급하고, 스위치(6)가 오프로 되어 있을 때는, 이차 전지(3) 단체에서 부하(9)에 전력을 공급한다.
또한, 통상적으로, 연료 전지와 이차 전지로 이용한 하이브리드 전원 장치 에서는, 연료 전지와 이차 전지의 어느 한 쪽이 주로 되고 다른 쪽이 종으로 되어 부하를 구동하게 된다. 도 1의 전원 장치(1)에서는, 부하(9)에 따라, 연료 전지(2)와 이차 전지(3)의 주종 관계가 임의로 변경될 수 있다.
도 3에, 연료 전지(2)의 출력 특성을 도시한다. 곡선(61)은, 임의의 연료 농도 조건 하에서의, 전류 IFC와 전압 VFC와의 관계를 나타내고 있다. 곡선(62)은, 어떤 연료 농도 조건 하에서의, 전류 IFC와 연료 전지(2)의 출력 전력 PFC와의 관계를 나타내고 있다. 본 실시예에서, 연료 농도는, 연료 전지(2)의 연료극(21)에 공 급되는 연료의 농도를 의미한다.
곡선(61)으로부터 알 수 있듯이, 동일한 연료 농도에서, 전류 IFC가 증가하면 전압 VFC는 감소한다. 한편, 곡선(62)에서 알 수 있듯이, 동일한 연료 농도에서, 전류 IFC가 증가하면 출력 전력 PFC는 증대한다. 단, 임의의 전류 IFC에서 출력 전력 PFC는 극대값을 취하고, 전류 IFC가 더 증가하면 출력 전력 PFC는 급격하게 감소해 간다.
스위치(6)가 온으로 되어 있는 상태(즉, VFC=VB의 상태)에서, 이차 전지(3)의 용량이 적어 전압 VB가 비교적 낮아지면, 연료 전지(2)의 출력 전력 PFC는 비교적 커지고(도 3의 부호 63 및 64를 참조), 이차 전지(3)의 용량이 많아 전압 VB가 비교적 높아지면, 연료 전지(2)의 출력 전력 PFC는 비교적 작아진다(도 3의 부호 65 및 66을 참조). 이와 같이, DC/DC 컨버터 등을 개재시키지 않고, 도 1과 같이 연료 전지(2)와 이차 전지(3)를 직접 접속하도록 하면, 특별한 제어없이 합리적인 출력을 연료 전지(2)로부터 얻을 수 있다.
단, 연료 전지(2)를 사용할 때는, 연료 전지(2)를 불안정 동작 영역에서 동작시키지 않도록 할 필요가 있다． 도 4에, 연료 전지(2)의 안정 동작 영역(67)과 불안정 동작 영역(68)을 나타낸다. 전류 IFC의 증가에 따라 출력 전력 PFC가 급격하게 감소해 가는 동작 영역이 존재하지만(도 3 참조), 그 동작 영역이 불안정 동작 영역(68)에 대응한다.
연료 전지(2)를 불안정 동작 영역(68)에서 동작시키면, 각 단위 셀에서의 성능열화가 촉진됨과 함께, 단위 셀을 직렬 접속하고 있는 경우에는 각 단위 셀에서의 발생 전압에 변동이 발생하여, 전극이 발생하는(전위가 반전하는) 경우도 있다. 따라서, 전원 장치(1)에서는, 연료 전지(2)가 불안정 동작 영역(68)에서 동작하지 않도록 적절한 제어가 이루어진다.
도 5의 곡선(61, 72 및 73)은, 각각, 연료 농도가 D1, D2 및 D3의 경우에서의, 전류 IFC와 전압 VFC와의 관계를 나타내고 있다. 여기에서, 부등식 : 「D1>D2>D3」이 성립하는 것으로 한다.
도 5로부터도 알 수 있듯이, 전압 VFC가 일정하게 유지되고 있는 상태에서, 연료 전지(2)의 발전에 수반하여 연료 농도가 저하하면 전류 IFC는 감소해 간다. 한편, 스위치(6)를 온으로 하고 있는 상태에서는, 전압 VFC는 자동적으로 전압 VB와 동일하게 된다. 이 때문에, 전류 IFC의 감소를 무조건 허용하면, 연료 전지(2)의 동작 점은 불안정 동작 영역에 들어갈 우려가 있다.
이것을 고려하면, 제어 회로(4)는, 스위치(6)가 온으로 되어 있는 상태에서, 검출된 전류 IFC(엄밀하게는, 전류 IFC의 전류값)가 소정의 하한 전류 ILL(엄밀하게는, 하한 전류값 ILL) 이하로 되었을 때, 스위치(6)를 오프로 하여 출력 단자(2a-3a) 사이의 접속을 차단한다.
예를 들면, 연료 전지(2)에서의 연료 농도가 D1 또는 D2로서 연료 전지(2)의 동작점이 도 6의 동작점(75)에 있는 경우를 생각한다. 이 동작점(75)은, 전원 장치(1)에서의 연료 전지(2)의 통상의 동작점으로 생각할 수 있고, 동작점(75)은 연료 전지의 안정 동작 영역 내에 있다. 발전에 수반하여 연료 농도가 D3까지 저하 하면, 연료 전지(2)의 동작점은, 전류 IFC의 저하를 수반하면서 동작점(75)으로부터 하한 동작점(76)으로 이행한다. 이 하한 동작점(76)에서, 전류 IFC와 하한 전류 ILL는 일치하고 있다． 하한 동작점(76)은, 안정 동작 영역과 불안정 동작 영역(도 6에서, 부호 77이 매겨진 영역)의 경계 부근의 동작점이다. 단, 하한 동작점(76)은, 연료 전지(2)의 안정 동작 영역 내의 동작점이다.
제어 회로(4)는, 전류 IFC가 하한 전류 ILL 이하로 되었을 때, 연료 농도가 소정의 하한 농도 이하로 되었다고(혹은 연료가 없어졌다고) 판단하여, 스위치(6)를 오프로 한다. 이에 의해, 농도 저하(혹은 연료 떨어짐)를 농도 센서 등을 특별히 설치하지 않고 검출할 수 있어, 연료 전지(2)가 불안정 동작 영역에서 동작하는 것을 미연에 방지하는 것이 가능하게 된다.
하한 전류 ILL의 값은, 예를 들면, 미리 설정된 일정값이다. 이차 전지(3)의 전압 VB는 어느 정도의 폭을 갖고 변동하지만, 그 변동을 고려해도 연료 전지(2)가 안정 동작 영역에서 동작하도록, 상기 일정값은 설정된다.
또한, 하한 전류 ILL의 값을, 검출된 전압 VB에 따라 변화시켜도 된다. 전압 VFC(=VB)가 낮으면 비교적 큰 전류값으로도 연료 전지(2)의 동작점은 불안정 동작 영역에 들어온다. 이 때문에, 검출된 전압 VB가 비교적 낮으면 하한 전류 ILL는 비교적 큰 값으로 설정되고, 검출된 전압 VB가 비교적 높으면 하한 전류 ILL는 비교적 작은 값으로 설정된다.
다음으로, 전류 IFC가 하한 전류 ILL 이하로 된 것에 기인하여 스위치(6)가 오프로 된 후의 복귀 동작에 대해서 설명한다. 상술한 바와 같이, 전류 IFC가 하한 전류 ILL 이하로 된 경우에는 연료 농도가 하한 농도까지 저하하고 있다고 판단할 수 있다． 이 때문에, 연료의 보충이 확인될 때까지 스위치(6)는 오프로 해 두어야 한다.
보충/교환 검출 회로(8)는, 연료 전지(2)에 대하여 연료가 보충되었는지의 여부를 검출한다. 이 검출 결과는, 제어 회로(4)에 전달된다. 전류 IFC가 하한 전류 ILL 이하로 된 것에 기인하여 스위치(6)를 오프로 하고 있는 상태에서, 보충/교환 검출 회로(8)로부터 「연료 전지(2)에 대하여 연료가 보충되었다」는 것을 나타내는 검출 신호가 제어 회로(4)에 전달된 경우, 제어 회로(4)는, 스위치(6)를 온으로 하여, 출력 단자(2a-3a) 사이의 접속을 복귀한다．
반대로 말하면, 연료의 보충이 확인될 때까지, 출력 단자(2a-3a) 사이의 접속 차단은 유지된다. 이 때문에, 연료 전지(2)를 안전하게 보호할 수 있다．
도 7은, 도 1의 전원 장치(1)를 이용해서 구동하는 휴대 기기의 일부 단면도 이다. 그 휴대 기기의 케이스(31)에는, 연료 카트리지(20)를 수납하기 위한 공간(32)이 형성되어 있다. 연료 카트리지(20)를, 그 공간(32)에 수납함으로써, 연료 카트리지(20) 내의 연료가 연료 전지(2)의 연료극(21)에 공급된다. 스위치부(8a)와 신호 발생기(8b)에 의해 보충/교환 검출 회로(8)는 구성된다.
예를 들면, 전류 IFC가 하한 전류 ILL 이하로 된 것에 기인하여 스위치(6)가 오프로 되었을 때, 그것을 나타내는 정보가, 휴대 기기의 표시부(도시되지 않음)에서의 표시 등에 의해 유저에게 통지된다. 유저는, 이 통지를 받으면, 사용하고 있던 연료 카트리지(20)를 공간(32)으로부터 빼내어, 새로운 연료 카트리지(20)를 공간(32)에 삽입한다. 연료 카트리지(20)가 공간(32)에 수납되면, 연료 카트리지(20)의 선단에 의해 공간(32)의 끝면에 고정된 스위치부(8a)에 압력이 가해져, 스위치부(8a)의 상태가 오프로부터 온으로 이행한다. 이것과 동시에 (혹은 대략 동시에), 새롭게 공간(32)에 수납된 연료 카트리지(20)로부터 연료가 연료극(21)에 보충된다.
신호 발생기(8b)는, 스위치부(8a)가 온으로 된 순간의 엣지를 검출한다. 신호 발생기(8b)는, 이 엣지를 검출한 경우, 일정 시간만큼 전위가 하이 레벨로 되는 펄스를 발생한다. 이 펄스는, 「연료 전지(2)에 대하여 연료가 보충되었다」는 것을 나타내는 상기 검출 신호에 상당하고, 제어 회로(4)에 전달된다. 또한, 신호 발생기(8b)의 출력 신호는, 통상은 로우 레벨로 유지되고 있다. 상기한 바와 같이 보충/교환 검출 회로(8)를 구성함으로써, 연료 카트리지(20)가 교환되었을 때에만 상기 검출 신호를 발생할 수 있다．
도 8에, 제어 회로(4)의 구성의 일례를 도시한다． 제어 회로(4)는, 도 8의 플립플롭(래치 회로)(34)을 구비하고 구성된다. 플립플롭(34)의 세트 단자(S)에는, 신호 발생기(8b)의 출력 신호가 공급된다. 플립플롭(34)의 리세트 단자(R)에는, 전류 검출기(5)의 검출 결과에 따른 신호가 공급된다. 통상적으로, 로우 레벨의 신호가 리세트 단자(R)에 공급되고 있으며, IFC≤ILL로 된 경우에, 일정 시간만큼 하이 레벨의 신호가 리세트 단자(R)에 공급된다.
세트 단자(S)에 하이 레벨의 신호가 공급되면, 플립플롭(34)의 출력 단자(Q)로부터의 출력 신호는 하이 레벨로 된다. 이 출력 신호에서의 하이 레벨은, 다음 회 리세트 단자(R)에 하이 레벨의 신호가 공급될 때까지 유지된다. 리세트 단자(R)에 하이 레벨의 신호가 공급되면, 플립플롭(34)의 출력 단자(Q)로부터의 출력 신호는 로우 레벨로 된다. 이 출력 신호에서의 로우 레벨은, 다음 회 세트 단자(S)에 하이 레벨의 신호가 공급될 때까지 유지된다. 플립플롭(34)의 출력 단자(Q)로부터의 출력 신호는, 스위치(6)의 온/오프를 제어하기 위한 신호로서 스위치(6)(예를 들면 FET)의 드라이버(예를 들면 FET 드라이버)에 공급된다.
출력 단자(Q)로부터의 출력 신호가 하이 레벨인 경우, 스위치(6)는 온으로 되고, 출력 단자(Q)로부터의 출력 신호가 로우 레벨인 경우, 스위치(6)는 오프로 된다(단, 이것의 예외도 존재한다. 예외에 대해서는 도 10을 참조하여 후술).
또한, 전원 장치(1) 내 또는 전원 장치(1)를 이용해서 구동하는 휴대 기기에 확인 스위치(도시되지 않음) 등을 설치해 두도록 하여도 된다． 이 경우, 그 확인 스위치에 의해 보충/교환 검출 회로(8)는 구성되게 된다. 유저는, 연료 카트리지(20)를 교환한 경우에, 상기 확인 스위치에 소정의 조작을 실시한다. 이 조작에 따라 발생하는 신호에 기초하여, 제어 회로(4)는, 「연료 전지(2)에 대하여 연료가 보충되었다」는 것을 인지하고, 스위치(6)의 상태를 오프로부터 온으로 이행시킨다.
또한, 스위치(6)를 온으로 해 두면, 부하(9)의 무게에도 의거하지만, 연료 전지(2)에 의해 이차 전지(3)가 충전된다. 한편, 이차 전지(3)를 과충전으로부터 보호할 필요가 있다． 이 때문에, 제어 회로(4)는, 스위치(6)를 온으로 하고 있는 상태에서 전압 VB가 소정의 상한 전압 V1(예를 들면 4.1V) 이상으로 된 경우(엄밀하게는, 전압 VB의 전압값이 소정의 상한 전압값 V1 이상으로 된 경우), 스위치(6)를 오프로 하여 이차 전지(3)의 과충전으로부터 보호한다.
또한, 이차 전지(3)(예를 들면, 리튬 이온 이차 전지)는, 만충전 부근에서 충방전을 반복하면, 수명이 저하한다고 하는 특성을 갖고 있다. 이것을 고려하여, 도 9에 도시한 바와 같이, 제어 회로(4)는, 전압 VB가 상한 전압 V1 이상으로 된 것에 기인하여 스위치(6)를 오프로 한 후에는, 전압 VB가 하한 전압 V2(예를 들면 3.8V) 이하로 될 때까지 (엄밀하게는, 전압 VB의 전압값이 하한 전압값 V2 이하로 될 때까지) 스위치(6)를 오프의 상태로 유지한다. 그리고, 전압 VB가 하한 전압 V2 이하로 된 시점에서 스위치(6)를 오프로부터 온으로 절환한다. 이것에 의해, 연료 전지(2)에 의한 이차 전지(3)의 충전이 재개된다. 스위치(6)의 온 상태는, 다음에 전압 VB가 상한 전압 V1 이상으로 될 때까지 유지된다. 또한，V1>V2가 성립된다.
상기한 바와 같이 이차 전지(3)의 충전 제어에 히스테리시스를 갖게 함으로써, 만충전 부근에서의 충방전의 되풀이의 빈도가 저감되기 때문에, 이차 전지(3)의 장수명화가 도모된다. 또한, 전압 VB가 저하하면, 자동적으로 스위치(6)가 온으로 되기 때문에, 전원 장치(1)로서 안정된 전력 공급이 가능하다.
전압 VB에 따른 스위치(6)의 온/오프 제어도 가미한 제어 회로(4)의 구성예를, 도 10에 도시한다. 히스테리시스 회로(35)는, 전압 VB에 따라, 스위치(6)를 온으로 할 상태에서는 하이 레벨의 출력 신호를 출력하는 한편, 스위치(6)를 오프로 할 상태에서는 로우 레벨의 출력 신호를 출력한다. ＡＮＤ 회로(36)는, 플립플롭(34)의 출력 단자(Q)로부터의 출력 신호와 히스테리시스 회로(35)로부터의 출력 신호의 쌍방이 하이 레벨인 경우에만, 스위치(6)가 온으로 되도록 스위치(6)(예를 들면 FET)의 드라이버(예를 들면 FET 드라이버)를 제어한다. 플립플롭(34)의 출력 단자(Q)로부터의 출력 신호와 히스테리시스 회로(35)의 출력 신호 중 적어도 한 쪽이 로우 레벨로 되어 있는 경우에는, 스위치(6)는 오프로 된다.
<<변형 등>>
또한, 연료 카트리지(20)를 연료 전지(2)에 대하여 착탈 가능하게 하여 연료 농도가 저하했을 때에 연료 카트리지(20)를 교환하는 구성을 전술했지만, 연료 농 도를 회복시킬 수 있는 한, 여러가지 다른 방법을 채용하는 것도 가능하다.
예를 들면, 연료 카트리지와 연료 전지(연료 전지 본체)를 일체로 하여 1개의 연료 전지 유닛을 구성하고, 연료 농도가 저하했을 때에 연료 전지 유닛 전체를 교환하는 구성으로 하여도 된다. 이 경우, 연료 전지 유닛(이하, 연료 전지 유닛(40)이라고 부름)은, 도 2의 연료극(21), 공기극(22) 및 고체 고분자 전해질막(23)으로 이루어지는 연료 전지(2)(연료 전지 본체)와, 연료 카트리지(20)로 구성되게 된다.
그리고, 도 11에 도시한 바와 같이, 연료 전지 유닛(40) 전체를 케이스(31)의 공간(32)에 대하여 착탈 가능하게 구성한다. 연료 전지 유닛(40)을, 그 공간(32)에 수납함으로써, 연료 전지 유닛(40)의 연료 전지(2)는 발전이 가능한 상태로 됨과 함께, 연료 전지 유닛(40)의 연료 전지(2)는, 전술한 바와 같이(도 1 참조), 그라운드 라인 GND와 스위치(6) 사이에 전기적으로 접속된다.
예를 들면, 전류 IFC가 하한 전류 ILL 이하로 된 것에 기인하여 스위치(6)를 오프로 되었을 때, 그것을 나타내는 정보가, 휴대 기기의 표시부(도시되지 않음)에서의 표시 등에 의해 유저에게 통지된다. 유저는, 이 통지를 받으면, 사용하고 있던 연료 전지 유닛(40)을 공간(32)으로부터 빼내어, 새로운 연료 전지 유닛(40)을 공간(32)에 삽입한다. 연료 전지 유닛(40)이 공간(32)에 수납되면, 연료 전지 유닛(40)의 선단에 의해 공간(32)의 끝면에 고정된 스위치부(8a)에 압력이 가해져, 스위치부(8a)의 상태가 오프로부터 온으로 이행한다. 이것과 동시에(혹은 대략 동 시에), 새롭게 공간(32)에 수납된 연료 전지 유닛(40)은 발전이 가능한 상태로 된다.
제어 회로(4)는, 스위치부(8a) 및 신호 발생기(8b)를 통하여, 연료 전지 유닛(40)이 교환된 것을 인지하면, 스위치(6)의 상태를 오프로부터 온으로 이행시킨다. 또한, 전술한 확인 스위치(도시되지 않음)를 설치해 두도록 하여도 된다. 유저는, 연료 전지 유닛(40)을 교환한 경우에, 상기 확인 스위치에 소정의 조작을 실시한다. 이 조작에 따라 발생하는 신호에 기초하여, 제어 회로(4)는, 「연료 전지 유닛(40)이 교환되었다」는 것을 인지하고, 스위치(6)의 상태를 오프로부터 온으로 이행시킨다.
또한, 연료 전지와 병렬 접속되는 축전 디바이스의 예로서 이차 전지를 예로 들었지만, 축전 디바이스로서 컨덴서를 채용해도 된다.
이상, 본 발명에 따르면, 연료 전지를 스위치를 통해 이차 전지와 병렬로 접속하는 경우에도, 불안정 동작 영역에서의 동작을 방지할 수 있다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 스위치를 통하여 병렬로 접속된 축전 디바이스와,
    상기 스위치를 온/오프 제어함으로써, 상기 연료 전지와 상기 축전 디바이스의 출력 단자간의 접속 상태를 제어하는 제어 회로를 구비하고,
    상기 제어 회로는, 상기 연료 전지의 출력 전류에 기초하여 상기 접속 상태를 제어하여, 상기 출력 단자간을 접속하고 있는 상태에서 상기 연료 전지의 출력 전류가 하한 전류 이하로 되었을 때, 상기 연료 전지의 연료 농도가 하한 농도 이하로 되었다고 판단하고, 상기 출력 단자간의 접속을 차단하며,
    상기 축전 디바이스의 출력 전압을 검출하는 전압 검출기를 더 구비하고,
    상기 하한 전류는, 검출된 상기 축전 디바이스의 출력 전압에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원 장치.
  3. 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 스위치를 통하여 병렬로 접속된 축전 디바이스와,
    상기 스위치를 온/오프 제어함으로써, 상기 연료 전지와 상기 축전 디바이스의 출력 단자간의 접속 상태를 제어하는 제어 회로를 구비하고,
    상기 제어 회로는, 상기 연료 전지의 출력 전류에 기초하여 상기 접속 상태를 제어하여, 상기 출력 단자간을 접속하고 있는 상태에서 상기 연료 전지의 출력 전류가 하한 전류 이하로 되었을 때, 상기 연료 전지의 연료 농도가 하한 농도 이하로 되었다고 판단하고, 상기 출력 단자간의 접속을 차단하며,
    상기 연료 전지에 대하여 연료가 보충되었는지의 여부를 검출하기 위한 보충 검출부를 구비하고,
    상기 제어 회로는, 상기 연료 전지의 출력 전류가 상기 하한 전류 이하로 된 것에 기인하여 상기 출력 단자간의 접속을 차단한 후, 상기 연료의 보충이 검출되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 복귀하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원 장치.
  4. 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 스위치를 통하여 병렬로 접속된 축전 디바이스와,
    상기 스위치를 온/오프 제어함으로써, 상기 연료 전지와 상기 축전 디바이스의 출력 단자간의 접속 상태를 제어하는 제어 회로를 구비하고,
    상기 제어 회로는, 상기 연료 전지의 출력 전류에 기초하여 상기 접속 상태를 제어하여, 상기 출력 단자간을 접속하고 있는 상태에서 상기 연료 전지의 출력 전류가 하한 전류 이하로 되었을 때, 상기 연료 전지의 연료 농도가 하한 농도 이하로 되었다고 판단하고, 상기 출력 단자간의 접속을 차단하며,
    상기 하이브리드 전원 장치는, 상기 연료 전지와 상기 연료 전지의 연료로 이루어지는 연료 전지 유닛을 교환 가능하게 구성되어 있고,
    상기 연료 전지 유닛이 교환되었는지의 여부를 검출하기 위한 교환 검출부를 구비하고,
    상기 제어 회로는, 상기 연료 전지의 출력 전류가 상기 하한 전류 이하로 된 것에 기인하여 상기 출력 단자간의 접속을 차단한 후, 상기 연료 전지 유닛의 교환이 검출되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 복귀하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원 장치.
  5. 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 스위치를 통하여 병렬로 접속된 축전 디바이스와,
    상기 스위치를 온/오프 제어함으로써, 상기 연료 전지와 상기 축전 디바이스의 출력 단자간의 접속 상태를 제어하는 제어 회로를 구비하고,
    상기 제어 회로는, 상기 연료 전지의 출력 전류에 기초하여 상기 접속 상태를 제어하여, 상기 출력 단자간을 접속하고 있는 상태에서 상기 연료 전지의 출력 전류가 하한 전류 이하로 되었을 때, 상기 연료 전지의 연료 농도가 하한 농도 이하로 되었다고 판단하고, 상기 출력 단자간의 접속을 차단하며,
    상기 축전 디바이스의 출력 전압을 검출하는 전압 검출기를 더 구비하고,
    상기 제어 회로는, 상기 출력 단자간을 접속하고 있는 상태에서 검출된 상기 출력 전압이 제1 전압 이상으로 되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 차단하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원 장치.
  6. 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 스위치를 통하여 병렬로 접속된 축전 디바이스와,
    상기 스위치를 온/오프 제어함으로써, 상기 연료 전지와 상기 축전 디바이스의 출력 단자간의 접속 상태를 제어하는 제어 회로를 구비하고,
    상기 제어 회로는, 상기 연료 전지의 출력 전류에 기초하여 상기 접속 상태를 제어하여, 상기 출력 단자간을 접속하고 있는 상태에서 상기 연료 전지의 출력 전류가 하한 전류 이하로 되었을 때, 상기 연료 전지의 연료 농도가 하한 농도 이하로 되었다고 판단하고, 상기 출력 단자간의 접속을 차단하며,
    상기 축전 디바이스의 출력 전압을 검출하는 전압 검출기를 더 구비하고,
    상기 제어 회로는, 상기 출력 단자간을 접속하고 있는 상태에서 검출된 상기 출력 전압이 제1 전압 이상으로 되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 차단하고, 그 후, 검출된 상기 출력 전압이 상기 제1 전압보다도 작은 제2 전압 이하로 되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 복귀하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원 장치.
  7. 연료 전지와,
    상기 연료 전지에 스위치를 통하여 병렬로 접속된 축전 디바이스와,
    상기 스위치를 온/오프 제어함으로써, 상기 연료 전지와 상기 축전 디바이스의 출력 단자간의 접속 상태를 제어하는 제어 회로와,
    상기 축전 디바이스의 출력 전압을 검출하는 전압 검출기를 구비하고,
    상기 제어 회로는, 상기 출력 단자간을 접속하고 있는 상태에서 검출된 상기 출력 전압이 제1 전압 이상으로 되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 차단하고, 그 후, 검출된 상기 출력 전압이 상기 제1 전압보다도 작은 제2 전압 이하로 되었을 때, 상기 출력 단자간의 접속을 복귀하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전원 장치.
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