KR20060031686A

KR20060031686A - 액체형 연료 전지 시스템과 그 승압 유닛

Info

Publication number: KR20060031686A
Application number: KR1020067000955A
Authority: KR
Inventors: 히로타카 사카이; 노부오 시부야; 히로유키 하세베
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2006-04-12
Also published as: JPWO2005008822A1; EP1667268A1; JP4643446B2; KR100750769B1; EP1667268B1; US8404393B2; EP1667268A4; CN1823441A; CN100459259C; US20060115698A1; WO2005008822A1; CA2530939A1

Abstract

본 발명은 액체형 연료 전지 시스템과 그 승압 유닛에 관한 것으로서, 제 1 전압을 출력하는 액체형 연료 전지 유닛(1)과, 액체형 연료 전지 유닛(1)으로부터 출력된 제 1 전압(Vin)을 승압하고, 승압된 제 2 전압(Vout)을 전자 기기에 공급하는 승압 회로(8)와, 제 1 제어 회로(91)를 구비하고, 제 1 제어 회로(91)에 의해 액체형 연료 전지 유닛(1)으로부터 출력되는 제 1 전압(Vin)을 미리 설정된 제 1 임계 전압(Vcont)과 비교하고, 그 비교 결과에 따라서 제 1 전압(Vin)이 제 1 임계 전압(Vcont)을 하회하지 않도록, 또는 제 1 전압(Vin)이 제 1 임계 전압(Vcont) 이상을 유지하도록 승압 회로(8)를 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

액체형 연료 전지 시스템과 그 승압 유닛{LIQUID TYPE FUEL CELL SYSTEM AND BOOSTING UNIT THEREOF}

본 발명은 액체형 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 특히 시간에 따라 부하가 변동하는 전자기기의 전원으로서 사용되는 액체형 연료 전지 시스템과 그 승압 유닛에 관한 것이다.

최근, 메탄올이나 에탄올 등의 액체 연료에서 직접 프로톤을 취출하여 발전을 실시하는 액체형 연료 전지 시스템이 개발되어 있다. 이 종류의 연료 전지는 개질품이 불필요하고 연료 용적을 적게 요구하므로 휴대형 퍼스널·컴퓨터나 PDA(Personal Digital Assistants), 영상·오디오 플레이어 등의 휴대형 전자기기의 전원으로서 기대되고 있다.

그런데, 직접형 메탄올 연료 전지(DMFC)로 대표되는 액체형 연료 전지 시스템은 1 개의 스택의 기전력이 낮다. 이 때문에 휴대형 전자기기의 전원으로서 이용하는데는 다수의 스택(stack)을 직렬로 쌓거나 또는 출력 전압을 승압할 필요가 있다. 이 중, 다수의 스택을 직렬로 쌓으면 시스템의 대형화를 초래한다. 이 때문에, 일반적으로는 DC-DC 컨버터 등의 승압 회로를 설치하는 것이 검토되고 있다.

그러나, 액체형 연료 전지 시스템은 연료 전지 자체의 내부 저항이 높다. 이 때문에 액체형 연료 전지 시스템을 부하가 시간에 따라 변동하는 휴대형 전자기기의 전원으로 사용하면 부하가 증가된 경우에 승압 회로의 동작에 의해 연료 전지의 출력 전압이 현저히 저하한다. 그리고, 경우에 따라서는 연료 전지가 셧다운에 이른다.

한편, 전동 차량용 연료 전지 시스템에서, 부하 변동에 대응하기 위해 과도한 전력 공급을 방지하는 기능을 가진 시스템이 제안되어 있다. 이 시스템은 예를 들면 일본 특허공개 2002-44807호에 개시된 바와 같이, 연료 전지와 이차 전지를 조합한 하이브리드 전원 방식을 채용한다. 그리고, 연료 전지의 출력이 소정의 허용값을 초과하는 상태가 될 때, DC/DC 컨버터의 출력 지령 신호값을 부하 증가분에 따라서 감산한다. 이와 같이 하면 연료 전지에서 부하로의 정격 출력을 초과한 과도한 전력 공급은 방지된다.

그러나, 상기 종래 제안되어 있는 시스템에서는 연료 전지에서 부하로의 정격 출력을 초과한 과도한 전력 공급을 방지하는 것은 가능하다. 그러나, 정격 출력 이하의 영역에서는 부하의 변동에 따라 여전히 연료 전지의 출력이 변동한다. 이 때문에, 연료 전지가 셧다운에 이르는 문제점은 해소되지 않고, 그 결과 급전의 안정성 및 발전 효율의 저하를 초래하였다.

본 발명의 목적은 부하 변동에 대해 항상 안정적인 급전을 가능하게 하고, 또한 높은 발전 효율을 유지하는 것을 가능하게 한 액체형 연료 전지 시스템과 그 승압 유닛을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 형태는 제 1 전압을 출력하는 액체형 연료 전지 유닛과, 상기 액체형 연료 전지 유닛에서 출력된 제 1 전압을 승압하고, 이 승압된 제 2 전압을 시간에 따라서 부하가 변동하는 전자 기기에 공급하는 승압 회로와, 제 1 제어 회로를 구비한다. 그리고, 상기 제 1 제어 회로에 의해 상기 액체형 연료 전지 유닛으로부터 출력되는 제 1 전압을 미리 설정된 제 1 임계 전압과 비교하고, 이 비교 결과에 따라서 상기 제 1 전압의 변화를 억압하도록 상기 승압 회로를 제어하도록 구성한 것이다.

상기 제 1 제어 회로에 의한 승압 회로의 제어 형태로서는 상기 비교 결과에 따라서 제 1 전압이 제 1 임계 전압을 하회하지 않도록 승압 회로를 제어하는 형태와, 상기 비교 결과에 따라서 제 1 전압이 제 1 임계 전압 이상을 유지하도록 승압 회로를 제어하는 형태가 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 액체형 연료 전지 시스템의 개략 구성도,

도 2는 도 1에 도시한 시스템의 회로 구성을 도시한 블록도,

도 3은 도 2에 도시한 시스템의 승압 제어 회로의 회로 구성을 도시한 도면,

도 4는 직접형 메탄올 연료 전지의 출력 전류-전압 특성 및 출력 전류-전류 특성의 일례를 도시한 도면,

도 5는 도 2에 도시한 시스템의 승압 회로의 출력 전류-전압 특성을 도시한 도면,

도 6은 도 2에 도시한 시스템의 승압 회로의 출력 전류-출력 전력 특성을 도시한 도면,

도 7은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 액체형 연료 전지 시스템의 승압 제어 회로 및 임계 전압 제어 회로의 회로 구성을 도시한 도면,

도 8은 온도를 매개변수로 했을 때의 직접형 메탄올 연료 전지의 출력 전류-전압 특성 및 출력 전류-전력 특성의 일례를 도시한 도면, 및

도 9는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 액체형 연료 전지 시스템의 승압 제어 회로 및 제어 유닛의 회로 구성을 도시한 도면이다.

우선, 본 발명의 실시형태의 개요를 설명한다.

본 발명의 일 형태는 승압 제어 회로에 의해 액체형 연료 전지 유닛으로부터 출력되는 제 1 전압을 제 1 임계 전압과 비교한다. 그리고, 이 비교 결과에 따라서 상기 제 1 전압이 상기 임계 전압을 하회하지 않도록 하거나, 또는 제 1 전압이 상기 임계 전압 이상을 유지하도록 상기 승압 회로의 승압 동작을 제어하도록 구성한 것이다.

따라서, 본 발명의 일 형태에 의하면 부하의 변동에 추종하여, 승압 회로가 상기 부하에 공급하는 전압을 변화시키도록 동작하는 경우에 승압 제어 회로에 의해 제 1 전압이 임계 전압을 하회하지 않도록 승압 회로의 승압 동작이 제어된다. 즉, 부하가 시간 변동을 발생시켜도 액체형 연료 기동부의 출력 전압은 항상 임계 전압 이상으로 유지된다. 이 때문에, 액체형 연료 전지가 셧다운에 이르는 문제점 이 방지되고, 이에 의해 전자기기에 대해 안정적으로 전력을 공급하는 것이 가능해진다.

상기 임계값은 액체형 연료 전지 유닛에 의해 생성되는 전력이 피크값을 나타낼 때의 제 1 전압값과 상기 제 1 전압값의 70%에 상당하는 값과의 사이의 값으로 설정하면 좋다. 이와 같이 하면 액체형 연료 전지 유닛을 효율이 양호한 영역에서 동작시킬 수 있다.

또한, 상기 임계값의 보정 회로를 설치하고, 상기 보정 회로에 의해 상기 액체형 연료 전지 유닛의 온도를 검출하고, 이 검출된 온도에 따라서 상기 임계값을 보정하도록 구성하면 좋다. 이와 같이 구성하면 액체형 연료 전지 유닛의 온도 변화에 따라 그 때마다 최적인 임계 전압을 가변 설정하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 임계 전압을 일정값으로 고정하는 경우에 비해 액체형 연료 전지 유닛이 최대 능력을 발휘하는 동작 상태로 신속히 상승시키는 것이 가능해진다. 또한, 승압 회로의 이차측에 보조 전원부가 설치되어 있는 경우에는 이 보조 전원부의 마모를 억제하는 것이 가능해진다.

계속해서, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 여러 가지 실시형태를 상세히 설명한다.

(제 1 실시형태)

본 발명의 제 1 실시형태는 직접형 메탄올 연료 전지(DMFC) 유닛으로부터 출력된 전압을 승압 회로에 의해 승압하고, 이 승압된 전압에 보조 배터리로부터 출력되는 보조 전압을 중첩하여 전자기기에 공급하는 하이브리드형 DMFC 시스템을 전 제로 한다. 그리고, 승압 제어 회로를 새롭게 설치하고, 이 승압 제어 회로에 의해 상기 DMFC 유닛으로부터 출력되는 전압을 미리 설정된 임계 전압과 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여 상기 승압 회로의 출력 전압을 제어한다. 그리고, 이 제어에 의해 상기 DMFC 유닛의 출력 전압이 상기 임계 전압을 하회하지 않도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 액체형 연료 전지 시스템의 제 1 실시형태인 직접형 메탄올 연료 전지(DMFC) 시스템의 개략 구성도이다. 상기 DMFC 시스템은 하우징체 내에 DMFC 유닛(1), 제어 유닛(2), 보조 배터리(3) 및 연료 탱크(4)를 수납한 것이다.

DMFC 유닛(1)은 애노드극과 캐소드극과의 사이에 전해질막을 배치하고 있다. 이들 애노드극과 캐소드극은 모두 집전체 및 촉매층으로 이루어진다. 애노드 촉매층에는 메탄올 수용액이 공급되고, 촉매 반응에 의해 프로톤(양자(陽子))이 발생된다. 한편, 캐소드극에는 공기가 공급된다. 캐소드극에서는 상기 전해질을 빠져나간 프로톤이 상기 공급된 공기에 함유되는 산소와 촉매상에서 반응함으로써 발전이 실시된다.

연료 탱크(4)에는 연료로서 메탄올 수용액이 수용된다. 상기 메탄올 수용액은 도시하지 않은 공급로를 통해 상기 DMFC 유닛(1)의 애노드 촉매층에 공급된다. 또한, 연료 탱크(4)에는 주입구(5)가 설치되어 있다. 상기 주입구(5)에는 연료 카트리지가 착탈 자유롭게 장착되고, 이 연료 카트리지로부터 연료 탱크(4)로의 연료가 보급된다.

보조 배터리(3)는 이차전지로 이루어진다. 상기 이차전지는 상기 DMFC 유닛 (1)으로부터 출력되는 전력에 의해 충전된다. 보조 배터리(3)는 급전 대상인 휴대형 전자 기기(100)의 부하에 따라서 상기 DMFC 유닛(1)으로부터 출력되는 전력의 부족분을 보급하기 위한 보조 전력을 발생한다. 그리고, 이 발생된 보조 전력을 휴대형 전자 기기(100)에 공급한다.

제어 유닛(2)은 휴대형 전자 기기(100)에 대한 전원 전압의 공급을 제어하는 것으로 다음과 같이 구성된다. 도 2는 이 제어 유닛(2)의 구성을 주로 나타내는 회로 블록도이다.

즉, 제어 유닛(2)은 승압 회로(8), 승압 제어 회로(9A) 및 전류 전압 감시 회로(도시하지 않음)를 구비한다. 이 중, 승압 회로(8) 및 승압 제어 회로(9A)는 승압 유닛(10A)을 구성한다. 상기 승압 유닛(10A)은 1 장의 회로 기판상에 형성된다.

승압 회로(8)는 예를 들면 DC-DC 컨버터에 의해 구성된다. 승압 제어 회로(9A)는 예를 들면 도 3에 도시한 바와 같이, 제 1 제어 회로(91) 및 제 2 제어 회로(92)로 구성된다.

제 1 제어 회로(91)는 비교 회로(9a) 및 임계 전압 전원(9b)으로 구성된다. 비교 회로(9a)는 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(DC-DC 컨버터(8)로의 입력 전압(Vin)), 임계 전압 전원(9b)에 의해 발생되는 제 1 임계 전압(Vcont)을 비교한다. 그리고, Vin〈 Vcont일 때에는 DC-DC 컨버터(8)에 제어 신호를 부여하고, 이에 의해 출력 전압(Vout)을 제어한다. 이 결과, 상기 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)은 최적화된다.

여기서, 상기 제 1 임계값 전압(Vcont)은 도 4에 도시한 바와 같이, DMFC 유닛(1)에 의해 생성되는 전력(P0)이 피크값(Pmax0)을 나타낼 때의 DMFC 유닛(1)의 출력 전압값(Vc0)으로 설정된다. 따라서, 상기 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)은 항상 상기 제 1 임계 전압 Vcont=Vc0 이상으로 유지된다.

제 2 제어 회로(92)는 비교 회로(9a), 임계 전압 전원(9b) 및 저항 분압 회로(R1, R2)로 구성된다. 저항 분압 회로(R1, R2)는 상기 DC-DC 컨버터(8)의 출력 전압(Vout)을 분압하고, 분압된 전압을 비교 회로(8)에 입력한다. 비교 회로(8)는 상기 분압된 전압값을 임계 전압 전원(9d)에 의해 생성되는 제 2 임계 전압(V_FB)과 비교한다. 그리고, 그 차 신호를 상기 DC-DC 컨버터(8)에 부여함으로써 DC-DC 컨버터(8)의 출력 전압(Vout)을 제어한다.

즉, 제 2 제어 회로(92)는 상기 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)이 상기 제 1 임계 전압 Vcont=Vc0 이상으로 유지되어 있는 상태에서 DC-DC 컨버터(8)의 출력 전압(Vout)이 제 2 임계 전압(V_FB)을 상회하지 않도록 DC-DC 컨버터(8)의 동작을 제어한다.

계속해서, 이상과 같이 구성된 DMFC 시스템의 동작을 설명한다.

DMFC 시스템을 전원으로서 사용하는 경우, 휴대형 전자 기기(100)의 전원 단자(도시하지 않음)에 출력 회로(7)의 + 단자(7a) 및 - 단자(7b)를 접속한다. 이와 같이 하면 DMFC 유닛(1)으로부터 출력된 전압(Vin)이 승압 회로(8)에서 전압(Vout)으로 승압된 후, 상기 출력 단자(7)의 + 단자(7a) 및 - 단자(7b)로부터 휴대형 전 자 기기(100)로 공급된다.

또한, 이 때 상기 휴대형 전자기기(100)의 부하가 변동하고, 상기 승압 회로(8)의 출력 전압(Vout)만으로는 필요한 전력을 주지 못하면 그 부족분이 보조 배터리(3)의 이차 전지로부터 상기 휴대형 전자 기기(100)로 공급된다. 즉, 휴대형 전자 기기(100)에 대해 하이브리드 방식에 의한 전원 공급이 실시된다.

그런데, 상기 휴대형 전자 기기(100)의 부하가 변동하면 승압 회로(DC-DC 컨버터)(8)가 갖는 본래의 승압 기능에 의해 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)이 저하하고, 이를 방치하면 DMFC 유닛(1)이 셧다운에 이른다. 그러나, 이 제 1 실시 형태에 따른 DMFC 시스템에서는 승압 제어 회로(9A)의 제 1 제어 회로(91)에 의해 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)이 제 1 임계 전압(Vcont)을 하회하지 않도록, 즉 출력 전압(Vin)이 제 1 임계 전압(Vcont) 미만으로 저하하지 않도록 제어된다.

즉, DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)이 제 1 임계 전압(Vcont) 이상일 때(Vin≥Vcont)에는 승압 제어 회로(9)의 제 1 제어 회로(91)는 동작하지 않고, 그 결과, DC-DC 컨버터(8)로부터는 도 5에 도시한 바와 같이 일정한 출력 전압(Vout)이 출력된다.

이에 대해, DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)이 더 저하하여 Vin〈 Vcont가 되면, 승압 제어 회로(9)의 제 1 제어 회로(91)가 동작하여 DC-DC 컨버터(8)에 제어 신호를 부여한다. 그 결과, DC-DC 컨버터(8)의 출력 전압(Vout)은 도 5에 도시한 바와 같이 감소한다. 이에 의해 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)은 제 1 임계 전압(Vcont) 미만으로 저하하지 않도록 유지된다.

따라서, DMFC 유닛(1)은 도 4에 도시한 바와 같이 출력 전압(P0)의 피크값(Pmax0) 부근에서 출력 전압(E₀)이 큰 영역(X)에서 구동하게 된다. 이 때문에 휴대형 전자 기기(100)의 부하의 변동에 의하지 않고, DMFC 유닛(1)의 동작 상태는 항상 최대 효율에 가까운 상태를 유지한다. 도 6은 상기 도 5에 도시한 출력 전류-전압 특성에 대응하는 DC-DC 컨버터(8)의 출력 전류-출력 전류 특성을 도시한 도면이다.

또한, 보조 배터리(3)의 전압값이 상기 보조 배터리(3)가 만충전일 때의 전압값보다 저하할 때에는 휴대형 전자기기(100)로의 공급 전압은 DC-DC 컨버터(8)의 출력 전압(Vout)을 대신하여 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)에 의존한다.

이상 설명한 바와 같이 제 1 실시형태에서는 승압 제어 회로(9A)의 제 1 제어 회로(91)에서, 상기 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)을 미리 설정된 제 1 임계 전압(Vcont)과 비교하고 있다. 그리고, Vin〈Vcont가 되었을 때, 상기 DC-DC 컨버터(8)의 출력 전압(Vout)을 제어하고, 이에 의해 상기 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)이 상기 제 1 임계 전압(Vcont) 미만으로 저하하지 않도록 하고 있다.

따라서, 휴대형 전자기기(100)의 부하 변동의 영향에 의해 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)이 저하된 경우에도 이 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)은 항상 제 1 임계 전압(Vcont) 이상으로 유지된다. 이 때문에, 휴대형 전자기기(100)의 부하의 변동의 영향에 의해 DMFC 유닛(1)이 셧다운에 이르는 문제점은 방지된다. 그리고, 휴대형 전자기기(100)에 대해 안정적으로 전력을 공급하는 것이 가능해지고, 또한 높은 발전 효율을 유지할 수 있다.

또한, 제 1 실시형태에 따른 DMFC 시스템과 같이 보조 배터리(3)를 승압 회로(8)의 이차측에 배치한 경우, 보조 배터리(3)의 내부 저항은 작으므로 승압 회로(8)의 출력 전압이 보조 배터리(3)의 출력 전압으로 인장되어 승압 회로(8)의 효율이 저하한다.

그러나, 이에 대해서는 제어 유닛(2)에 고정 전압 생성 회로를 설치한다. 그리고, 이 고정 전압 생성 회로에서 보조 배터리(3)의 전압값을 기초로 고정 전압을 생성하고, 이 생성된 고정 전압을 승압 회로(8)로 귀환하여 승압 회로(8)의 출력 전압(Vout)을 제어하도록 구성하면 좋다. 이와 같이 구성하면 승압 회로(8)는 보조 배터리(3)의 전압값에 영향을 받지 않고 승압 동작을 실시하는 것이 가능해지고, 이에 의해 승압 회로(8)는 고효율을 유지할 수 있다.

(제 2 실시형태)

본 발명의 제 2 실시형태는 승압 제어 회로에 의해 DMFC 유닛으로부터 출력되는 전압을 임계 전압과 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여 상기 승압부의 출력 전압을 제어하는 시스템에 있어서, 상기 DMFC 유닛의 온도를 검출하고, 이 검출된 온도에 따라서 상기 승압 제어 회로의 임계 전압을 가변 제어하도록 한 것이다.

구체적으로는 그때마다의 온도에서 DMFC 유닛에 의해 생성되는 전력의 피크값에 대응하는 전압값이 되도록 상기 임계 전압을 설정한다.

도 7은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 DMFC 시스템의 제어 유닛의 구성을 도시한 회로 블록도이다. 또한, 상기 도면에서 상기 도 3과 동일한 부부에는 동일 부호를 붙이고 자세한 설명은 생략한다.

승압 제어 회로(9B)에서 제 1 임계 전압(Vcont)을 발생하는 임계 전압 전원(9e)은 외부로부터의 제어 신호에 따라서 출력 전압을 가변하는 것이 가능한 가변 전원 회로에 의해 구성된다.

또한, DMFC 유닛(1)과 근접한 위치에는 온도 검출기(21)가 설치되어 있다. 또한, 제어 유닛(2)에는 임계 전압 제어 회로(22)가 설치되어 있다. 온도 검출기(21)는 예를 들면 서미스터를 사용한 것으로 상기 DMFC 유닛(1)의 온도에 대응하는 전압값을 온도 검출 신호로서 임계 전압 제어 회로(22)에 입력한다.

임계 전압 제어회로(22)는 임계 전압 테이블을 갖고 있다. 이 임계 전압 테이블에는 온도에 대응하여 상기 온도에 따라서 최적의 임계 전압(Vcont)의 보정 데이터가 기록되어 있다. 임계 전압 제어 회로(22)는 상기 온도 검출기(21)로부터 공급된 온도 검출 신호의 전압값에 대응하는 임계 전압의 보정 데이터를 상기 임계 전압 테이블로부터 판독한다. 그리고, 이 판독된 임계 전압의 보정 데이터를 승압 제어회로(9B)의 임계 전압 전원(9e)에 부여한다. 이에 의해 임계 전압 전원(9e)으로부터 상기 검출 온도에 대응하는 최적의 제 1 임계 전압(Vcont)을 발생시킨다.

예를 들면, 온도를 매개변수로 했을 때의 DMFC 유닛(1)의 출력 전류-전압 특성 및 출력 전류-출력 전력 특성이 도 8에 도시될 때, 온도마다 그 출력 전력 특성(P1, P2, P3, P4)의 피크값(Pmax1, Pmax2, Pmax3, Pmax4)에 대응하는 출력 전압값(Vc1, Vc2, Vc3, Vc4)을 임계 전압(Vcont)으로 하여 임계 전압 테이블에 기록해둔다.

그리고, 온도 검출기(21)에 의해 검출된 온도에 대응하는 출력 전압값, 예를 들면 출력 전압값(Vc3)을 상기 임계 전압 테이블로부터 판독하고, 이 판독된 출력 전압값(Vc3)을 보정 데이터로서 승압 제어 회로(9B)의 임계 전압 전원(9e)에 부여한다. 그 결과, 임계 전압 전원(9e)의 임계 전압(Vcont)은 상기 출력 전압값(Vc3)으로 설정되고, 이후 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)은 상기 출력 전압값(Vc3) 미만으로 저하하지 않도록 제어된다.

이후, 마찬가지로 그때마다의 DMFC 유닛(1)의 온도에 따른 최적의 전압값이 임계 전압(Vcont)으로서 임계 전압 전원(9e)으로 설정된다. 그리고, DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)은 이 설정된 임계 전압(Vcont)을 하회하지 않도록 제어된다.

이상, 설명한 바와 같이 제 2 실시형태에서는 온도 검출기(21)에 의해 DMFC 유닛(1)의 온도를 검출하고, 이 검출된 온도에 대응하는 최적의 전압값, 즉 DMFC 유닛(1)의 출력 전력의 피크값에 대응하는 출력 전압값을 임계 전압(Vcont)으로서 임계 전압 전원(9e)으로 설정하도록 하고 있다. 따라서, DMFC 유닛(1)의 온도 변화에 따라서 그때마다 최적의 임계 전압(Vcont)을 가변 설정하는 것이 가능해진다. 이 때문에 임계 전압(Vcont)을 일정값으로 고정하는 경우에 비해 DMFC 유닛(1)의 동작 상태를 신속히 최대 효율의 상태로 상승하는 것이 가능해지고, 또한, 보조 배터리(3)의 이차전지의 소모를 억제할 수 있다.

(제 3 실시형태)

본 발명의 제 3 실시형태는 제어 유닛(2)이 마이크로컴퓨터와 같이 소프트웨어에 의해 동작하는 연산 처리 유닛을 구비하는 경우에 온도 검출기(21)에 의해 검 출된 DMFC 유닛(1)의 온도를 기초로 연산을 실시하고, 이에 의해 상기 검출 온도에 대응하는 최적의 임계 전압값을 산출한다. 그리고, 이 산출된 임계 전압값(Vcont)을 생성하여 승압 제어 회로의 비교 회로(9a)에 입력하도록 한 것이다.

도 9는 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 DMFC 시스템의 제어 유닛의 구성을 도시한 회로 블록도이다. 또한, 상기 도면에서 상기 도 7과 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙이고 자세한 설명은 생략한다.

이 실시형태의 제어 유닛(2)은 마이크로컴퓨터(30)를 구비하고 있다. 마이크로컴퓨터(30)는 CPU(31), 아날로그/디지털 변환기(A/D)(32) 및 디지털/아날로그 변환기(D/A)(33)를 구비하고 있다.

A/D(32)는 온도 검출기(21)로부터 출력되는 아날로그 온도 검출 신호를 디지털 데이터로 변환하여 CPU(31)에 부여한다. CPU(31)는 도시하지 않은 메모리에 저장된 프로그램에 따라 검출 온도에 따라서 최적의 임계 전압값(Vcont)을 산출하기 위한 처리를 실행한다. 이 때 사용하는 연산식은 온도와 최적의 임계 전압값과의 함수로서 나타내어지고, 도 8에 파선으로 나타낸 특성에 기초하여 미리 준비된다.

D/A(33)는 상기 CPU(31)에 의해 산출된 최적의 임계 전압값(Vcont)의 디지털 데이터를 아날로그 전압으로 변환하고, 변환된 아날로그 전압을 승압 제어 회로(9c)의 비교 회로(9a)에 입력한다.

이와 같은 구성이므로 DMFC 유닛(1)의 온도는 온도 검출기(21)에 의해 검출된 후, A/D(32)에 의해 디지털 데이터로 변환되어 CPU(31)에 취입된다. CPU(31)에서는 상기 취입된 검출 온도의 디지털 데이터를 기초로 최적의 임계 전압값이 산출 된다. 그리고, 이 산출된 최적의 임계 전압값은 D/A(33)에서 디지털에서 아날로그 전압값(Vcont)으로 변환된 후, 승압 제어 회로(9C)의 비교 회로(9a)에 입력된다.

따라서, 승압 제어 회로(9C)의 비교 회로(9a)에는 그 때마다의 DMFC 유닛(1)의 온도에 따른 최적의 임계 전압(Vcont)이 입력된다. 이 때문에 상기 제 2 실시형태와 마찬가지로 임계 전압(Vcont)을 일정값으로 고정하는 경우에 비해 DMFC 유닛(1)의 동작 상태를 신속히 최대 효율 상태로 올리는 것이 가능해지고, 또한, 보조 배터리(3)의 이차 전지의 소모를 억제할 수 있다.

또한, CPU(31)에 의해 산출된 최적 임계 전압값이 D/A(33)에서 아날로그 전압값(Vcont)으로 변환된 후 그대로 비교 회로(9a)에 입력된다. 이 때문에, 승압 제어 회로(9C)로부터 임계 전압 전원(9e)을 없앨 수 있고, 그만큼 승압 제어 회로(9C)의 회로 구성을 간단화하고, 또한 회로 규모를 소형화할 수 있다.

또한, 상기 설명에서는 연산식을 사용하여 검출 온도에 따른 최적의 임계 전압(Vcont)을 산출하도록 했다. 그러나, 제 2 실시형태와 같이, 검출 온도와 최적의 임계 전압(Vcont)과의 대응 관계를 나타내는 임계 전압 테이블을 작성하고, 마이크로 컴퓨터(30) 내의 메모리에 미리 기록해둔다. 그리고, 검출 온도 데이터에 대응하는 최적의 임계 전압 데이터를 상기 임계 전압 테이블에서 판독하고, 판독된 최적 임계 전압 데이터를 D/A(33)에 의해 아날로그 전압값(Vcont)으로 변환하여 비교 회로(9a)에 입력하도록 구성해도 좋다.

(기타 실시형태)

상기 각 실시형태에서는 DMFC 유닛(1)으로부터 출력되는 전압(Vin)을 미리 설정된 임계 전압(Vcont)과 비교하고, 그 비교 결과에 기초하여 상기 DC-DC 컨버터(8)의 출력 전압(Vout)을 제어함으로써 상기 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)이 상기 임계 전압(Vcont)을 하회하지 않도록 하였다. 그러나, 이에 한정되지 않고 상기 비교 결과에 기초하여 상기 DC-DC 컨버터(8)의 승압 동작을 제어함으로써 상기 DMFC 유닛(1)의 출력 전압(Vin)이 상기 임계 전압(Vcont) 이상을 항상 유지하도록 구성해도 좋다.

상기 각 실시형태에서 보조 배터리(3)에 대해 직렬로 전류 제한 회로를 설치한다. 그리고, 휴대형 전자기기(100)의 부하 변동에 따라서 DC-DC 컨버터(8)의 출력 전류가 미리 설정한 상한값 이상으로 증가하여 그렇게 된 경우에 이 출력 전류값을 상기 상한값 이하로 제한하도록 해도 좋다. 이와 같이 하면 보조 배터리(3)의 이차전지를 과전류로부터 보호할 수 있다.

또한, 상기 제 2 실시형태에서는 4 개의 온도에 대응하는 출력 전압값(Vc1, Vc2, Vc3, Vc4)의 제어 데이터를 임계 전압 테이블에 저장하였지만, 온도의 샘플링량을 늘림으로써 5 이상의 온도에 대응하는 출력 전압값을 임계 전압 테이블에 저장하도록 해도 좋다. 또한, 반대로 2 개 또는 3 개의 온도에 대응하는 출력 전압값만을 임계 전압 테이블에 저장하도록 해도 좋다.

또한, 온도 검출기(21)에 의해 검출된 온도에 대응하는 출력 전압값이 임계 전압 테이블에 저장되어 있지 않은 경우에는 상기 검출된 온도를 근사 처리하고, 이 근사 처리된 온도에 대응하는 출력 전압값이 임계 전압 테이블에서 판독하도록 하면 좋다.

한편, 다른 수단으로서 상기 검출된 온도에 가까운 복수의 출력 전압값을 임계 전압 테이블에서 판독하고, 이 판독된 복수의 출력 전압값을 기초로 상기 검출 온도에 대응하는 출력 전압값을 보간 연산에 의해 산출한다. 그리고, 이 산출된 출력 전압값의 제어 데이터를 임계 전압 전원(9e)에 부여하도록 구성해도 좋다.

또한, 상기 제 2 및 제 3 실시형태에서는 온도 검출기(21)와 임계값 제어 회로(22) 또는 마이크로컴퓨터(30)를 승압 유닛(10B, 10C)과는 별도로 설치한 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 온도 검출기(21)와 임계값 제어 회로(22) 또는 마이크로컴퓨터(30)를 승압 유닛(10B, 10C)내에 설치하도록 해도 좋다. 이와 같이 하면 DMFC 유닛(1) 주변의 일체의 회로를 LSI로서 1 칩화하는 것이 가능해지고, 이에 의해 DMFC 시스템을 더 소형화할 수 있다.

또한, 상기 실시형태에서는 제 1 임계값(Vcont)을 DMFC 유닛(1)에 의해 생성되는 전력(P0)이 피크값(Pmax0)을 나타낼 때의 DMFC 유닛(1)의 출력 전압값(Vc0)으로 설정하도록 했다. 그러나, 반드시 상기 출력 전압값(Vc0)으로 설정할 필요는 없고, 출력 전압값(Vc0)과 상기 출력 전압값(Vc0)의 70%에 상당하는 값과의 사이의 값이면 어떤 값으로 설정해도 좋다.

또한, 상기 실시형태에서는 여전히 메탄올을 사용한 DMFC 시스템을 예로 들어 설명했다. 그러나, 이에 한정되지 않고 액체 연료로서 예를 들면, 에탄올, 디에틸에테르, 디메톡시메탄, 포름알데히드, 개미산, 개미산 메틸, 올트개미산메틸, 트리옥산, 1-프로판올, 2-프로판올, 3-프로판올, 에틸렌글리콜, 글리옥살, 글리세린의 각 수용액을 사용할 수 있고, 또 상기 각 화학물질의 화합물의 수용액을 이용 할 수 있다.

그외에 승압회로 및 승압 제어회로의 회로 구성, 제 1 임계 전압(Vcont)의 값, 보조 배터리의 유무, 시스템의 구성 등에 대해서도 본 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지 실현할 수 있다.

즉, 본 발명은 상기 각 실시형태에 한정되지 않고, 실시 단계에서는 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 또한, 상기 각 실시형태에 개시되어 있는 복수의 구성 요소의 적절한 조합에 의해 여러 가지 발명을 형성할 수 있다. 예를 들면 각 실시형태에 나타낸 전체 구성 요소에서 여러 가지 구성 요소를 삭제해도 좋다. 또한, 다른 실시 형태에 따른 구성 요소를 적절히 조합해도 좋다.

본 발명에 따른 액체형 연료 전지 시스템과 그 승압 유닛은 부하 변동에 대해 항상 안정적인 급전과 높은 발전 효율을 유지하는 것이 가능하다. 따라서, 시간에 따라서 부하가 변동하는 전자기기, 특히 노트형 퍼스널 컴퓨터나 PDA, 휴대전화기, 휴대형 텔레비전 수신기, 영상·오디오플레이어, 휴대형 게임기의 전원으로서 효과적으로 이용할 수 있다.

Claims

시간에 따라서 부하가 변동하는 전자기기에 대해 전원 전압을 공급하는 액체형 연료 전지 시스템에 있어서,

제 1 전압을 출력하는 액체형 연료 전지 유닛,

상기 액체형 연료 전지 유닛으로부터 출력된 제 1 전압을 승압하고, 승압된 제 2 전압을 상기 전자기기로 출력하는 승압 회로,

상기 액체형 연료 전지 유닛으로부터 출력되는 제 1 전압을 미리 설정된 제 1 임계 전압과 비교하고, 상기 비교 결과에 따라서 상기 제 1 전압의 변화를 억압하도록 상기 승압 회로의 동작을 제어하는 제 1 제어회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 제어 회로는 상기 비교 결과에 따라서 상기 제 1 전압이 상기 제 1 임계 전압을 하회하지 않도록 상기 승압 회로의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 제어 회로는 상기 비교 결과에 따라서 상기 제 1 전압이 상기 제 1 임계 전압 이상을 유지하도록 상기 승압 회로의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 제어 회로는 상기 제 1 임계 전압을 생성하는 회로를 내장하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 제어 회로에 대해 독립적으로 설치되어, 상기 제 1 임계 전압을 생성하고, 생성된 제 1 임계 전압을 상기 제 1 제어 회로에 부여하는 임계 전압 생성 회로를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 제어 회로는 상기 제 1 임계 전압을 생성하는 가변 저항 발생 회로를 내장하고,

또한, 상기 제 1 임계 전압의 값을 지정하는 제어 신호를 상기 가변 전압 발생 회로에 부여하고, 상기 가변 전압 발생 회로에 의해 생성되는 제 1 임계 전압의 값을 가변 제어하는 회로를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 임계 전압은 상기 액체형 연료 전지 유닛에 의해 생성되는 전력이 피크값을 나타낼 때의 상기 제 1 전압값과 상기 제 1 전압값의 70 %에 상당하는 값과의 사이의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 액체형 연료 전지 유닛의 온도를 검출하고, 검출된 온도에 따라서 상기 제 1 임계 전압을 보정하는 보정 회로를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 전압이 제 1 임계 전압 이상을 유지하고 있는 상태에서 상기 제 2 전압을 미리 설정된 제 2 임계 전압과 비교하고, 상기 비교 결과에 따라서 상기 제 2 전압이 상기 제 2 임계 전압을 초과하지 않도록 상기 승압 회로를 제어하는 제 2 제어 회로를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템.
액체형 연료 전지 유닛과, 시간에 따라서 부하가 변동하는 전자기기와의 사이에 설치되는 승압 유닛에 있어서,

상기 액체형 연료 전지 유닛으로부터 출력된 제 1 전압을 승압하고, 승압된 제 2 전압을 상기 전자 기기로 출력하는 승압 회로,

상기 액체형 연료 전지 유닛으로부터 출력되는 제 1 전압을 미리 설정된 제 1 임계 전압과 비교하고, 상기 비교 결과에 따라서 상기 제 1 전압의 변화를 억압하도록 상기 승압 회로의 동작을 제어하는 제 1 제어 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템의 승압 유닛.
제 10 항에 있어서,

상기 제 1 제어 회로는 상기 비교 결과에 따라서 상기 제 1 전압이 상기 제 1 임계 전압을 하회하지 않도록 상기 승압 회로의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템의 승압 유닛.
제 10 항에 있어서,

상기 제 1 제어 회로는 상기 비교 결과에 따라서 상기 제 1 전압이 상기 제 1 임계 전압 이상을 유지하도록 상기 승압 회로의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템의 승압 유닛.
제 10 항에 있어서,

상기 제 1 제어 회로는 상기 제 1 임계 전압을 생성하는 회로를 내장하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템의 승압 유닛.
제 10 항에 있어서,

상기 제 1 제어 회로에 대해 독립적으로 설치되어, 상기 제 1 임계 전압을 생성하고, 생성된 제 1 임계 전압을 상기 제 1 제어 회로에 부여하는 임계 전압 생성회로를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템의 승압 유닛.
제 10 항에 있어서,

상기 제 1 제어 회로는 상기 제 1 임계 전압을 생성하는 가변 전압 발생 회로를 내장하고,

또한, 상기 제 1 임계 전압의 값을 지정하는 제어 신호를 상기 가변 전압 발생 회로에 부여하고, 상기 가변 전압 발생 회로에 의해 생성되는 제 1 임계 전압의 값을 가변 제어하는 회로를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템의 승압 유닛.
제 10 항에 있어서,

상기 제 1 임계 전압은 상기 액체형 연료 전지 유닛에 의해 생성되는 전력이 피크값을 나타낼 때의 상기 제 1 전압값과 상기 제 1 전압값의 70 %에 상당하는 값과의 사이의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템의 승압 유닛.
제 10 항에 있어서,

상기 액체형 연료 전지 유닛의 온도를 검출하고, 검출된 온도에 따라서 상기 제 1 임계 전압을 보정하는 보정 회로를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템의 승압 유닛.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 전압이 제 1 임계 전압 이상으로 유지되어 있는 상태에서 상기 제 2 전압을 미리 설정된 제 2 임계 전압과 비교하고, 그 비교 결과에 따라서 상기 제 2 전압이 상기 제 2 임계 전압을 초과하지 않도록 상기 승압 회로를 제어하는 제 2 제어 회로를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 액체형 연료 전지 시스템의 승압 유닛.