JP2004164973A - Fuel cell, voltage control method of fuel cell, and mobile terminal - Google Patents

Fuel cell, voltage control method of fuel cell, and mobile terminal Download PDF

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fuel cell
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constant voltage
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Atsuhiro Yoshizaki
敦浩 吉崎
Katsuyuki Tanaka
克之 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of outputting a constant voltage in a range from no load to a rated current regardless of the cell voltage, and of outputting a voltage higher than the cell voltage. <P>SOLUTION: A load 3 is connected to a fuel cell unit 1 through a step-down voltage type constant-voltage circuit 2. The constant-voltage circuit 2 executes constant-voltage control by a switching circuit. Thereby, even if the output current-output voltage characteristic of the cell unit 1 is nonlinear, a constant voltage lower than the output voltage of the cell unit 1 is outputted to the load 3 from a capacitor 15 of a boosting type constant voltage circuit 4. Thereby, an overvoltage of the cell unit 1 is never applied to the load 3 even in the case of no load. The level of the constant voltage outputted from the voltage circuit 2 can arbitrarily varied by a voltage regulator 17 of a control circuit 16. If the voltage circuit 2 is replaced with a boosting type constant voltage circuit, a voltage higher than the cell voltage of the cell unit 1 can be outputted. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池、及び燃料電池の出力電圧を平坦化するための燃料電池の電圧制御方法、並びにこの燃料電池を搭載した携帯端末に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素と酸素の化学反応によって電気エネルギーを発生させるものであり、近年、電気自動車や携帯用の通信端末機器などに好んで使用され始めている。特に、携帯電話やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）等の携帯用の通信端末機器（以下、携帯端末という）は高機能化や高性能化によって消費電力が増大する傾向にある。こうした状況に対応するために、リチウムイオン電池を代表とした二次電池の技術開発が急ピッチで進められているが、高機能化や高性能化に対応する電池容量を満足するものがなかなか得られない状況にある。そこで、最近、携帯端末の分野でも、高機能化や高性能化に対応できる燃料電池が注目され始めている。
【０００３】
燃料電池に関する技術は、多くの文献で報告されており、例えば、下記の非特許文献１では次のように報告されている。燃料電池は、燃料極（負極）と空気極（正極）、及びその間に挟まれた固体高分子電解質膜によって構成されている。このような構成により、燃料極（負極）に水素を送り込み、空気極（正極）に酸素を含んだ空気を吹き込むと、燃料極（負極）側の電極表面の触媒によって水素が水素イオンと電子に分解される。さらに、空気極（正極）側の触媒によって酸素と化学反応し水（Ｈ２Ｏ）を発生させると共に、両電極間に直流電流を発生させる。
【０００４】
また、燃料電池は、使用される機器によって種々の出力電圧が要求されるので、負荷側の機器の種類によって出力電圧の値を変える必要がある。例えば、下記の特許文献１には、燃料電池の直流電圧を交流電圧に変換して所望の出力電圧を得る場合に、トランスタップを切り替えないで必要な電圧を出力する技術が開示されている。この技術は、例えば、１００Ｖ用のコンセントユニットを使用して負荷側の機器を接続したときは、１００Ｖ用のコンセントユニットの種類に応じた制御信号を昇圧回路に送って１００Ｖを出力するように制御を行い、２００Ｖ用のコンセントユニットを使用して負荷側の機器を接続したときは、２００Ｖのコンセントユニットの種類に応じた制御信号を昇圧回路に送って２００Ｖを出力するように制御するものである。これによって、トランスタップを設けないでも出力電圧が所望の値に切り替えられるので、燃料電池などの電源装置全体を小型化することができる。
【０００５】
【非特許文献１】
ＤＯＳＶマガジン２００２−６．１、Ｐ１５０〜１５３「Ｆｉｌｅ Ｎｏ．１５次世代標準特捜隊ＴＥＣＨＲＡＮＧＥＲ、次世代の携帯機器を支える大容量電源燃料電池、伊勢雅英著」
【特許文献１】
特開２００２−１４２４６０号公報（第５頁、第１図、第８図、第９図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池は、図５に示すように、定格出力電圧に比べて無負荷時の出力電圧はかなり高くなってしまう特性を有している。なお、図５は、横軸に出力電流、縦軸に出力電圧をとり、セル数の異なる燃料電池（ａ），（ｂ），（ｃ）の電流―電圧特性を示している。燃料電池がどのようなセル数であっても、出力電流がゼロに近いようなほぼ無負荷の状態では、出力電圧は定格出力電圧よりかなり高くなる。例えば、或るセル数の燃料電池（ａ）については、定格出力電圧Ｖｃに対して所定の許容電圧の範囲で使用する場合は、出力電流がＩ１からＩ２の範囲では使用できる。しかし、無負荷時（０Ａ）における出力電圧はＶｈになってしまい、負荷側の機器が過電圧破壊してしまうおそれがある。また、燃料電池（ｂ），（ｃ）についても、同様に、無負荷時には出力電圧が高くなって定格電圧で動作する機器を過電圧破壊させてしまうおそれがある。
【０００７】
また、負荷側の機器の定格電圧が高い場合は、必然的に燃料電池の直列セル数を多くしなければならず、結果的に燃料電池が大型化してしまう。これによって、例えば、携帯端末などが大きくなったり重くなったりしてしまい、ハンディタイプな機器としての利点がなくなってしまい、結果的にはユーザにとって使い勝手の悪いものになってしまう。
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、無負荷から定格電流までは所定の出力電圧を維持して過電圧が発生しないようにすると共に、セル数に依存されないで高い出力電圧を生成することのできる燃料電池、及び燃料電池の電圧制御方法、並びにこの燃料電池を搭載した携帯端末を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池は、燃料電池単体と、燃料電池単体の電池電圧を入力して、電池電圧の定格値より低い電圧で定電圧制御を行う降電圧型定電圧回路とを備え、降電圧型定電圧回路が、燃料電池単体の出力電流−出力電圧の特性に依存される出力電流と無負荷電流との変化範囲内で一定電圧を出力するように構成されている。或いは、燃料電池単体と、燃料電池単体の電池電圧を入力して、電池電圧の定格電圧より高い電圧で定電圧制御を行う昇電圧型定電圧回路とを備え、昇電圧型定電圧回路が、燃料電池単体の出力電流−出力電圧の特性に依存される電力値に基づいて、燃料電池単体の出力電流より少ない電流と無負荷電流との変化範囲内で燃料電池単体の定格電圧より高い一定電圧を出力するように構成されている。
【００１０】
このような燃料電池によれば、燃料電池の出力電流−出力電圧の非直線特性を改善して、無負荷から定格電流までの間では負荷に対して常に一定電圧を供給することができる。よって、燃料電池が無負荷時に発生する過電圧によって負荷側の機器や部品を破壊させるおそれはなくなる。また、燃料電池のセル数が少なくても定電圧制御された高電圧を生成して負荷へ供給することができるので、燃料電池が大型化することはない。よって、携帯端末などのハンディタイプの機器をさらに小型軽量化することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明における燃料電池の実施の形態の幾つかを詳細に説明する。尚、以下に述べる各実施の形態に用いる図面において、同一の部品または同一の構成要素は同一の符合を付し、且つ重複する説明は省略する。
本発明では、燃料電池単体に定電圧回路を設けることにより、大幅な非直線の電流−電圧特性を改善して定電圧出力特性を得ている。したがって、本明細書では、燃料電池単体に定電圧回路を付加したインテリジェント機能付き燃料電池を“燃料電池”ということにして、“燃料電池単体”と区別して表現することにする。
【００１２】
［第１の実施の形態］
まず、第１の実施の形態の燃料電池について説明する。第１の実施の形態では、燃料電池単体に降電圧型定電圧回路を付加することにより、出力電流がゼロに近いときの過電圧発生を防止して、常に安定化した一定電圧を出力することができる燃料電池について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態における降電圧型定電圧回路を付加した燃料電池の回路図である。また、図２は、図１に示す燃料電池の出力電流−出力電圧の特性図である。尚、図２に示す燃料電池の特性図は、横軸に出力電流、縦軸に出力電圧を示している。
【００１３】
図１に示すインテリジェント機能付きの燃料電池は、燃料電池単体１の出力端子に降電圧型定電圧回路２が接続された構成となっており、降電圧型定電圧回路２の出力端子には携帯電話、ノートパソコン等の外部の負荷３が接続されている。
燃料電池単体１は、本発明において種類は限定されなく、単に水素ガスを燃料極に供給する一般的な燃料電池のほか、メタノールを改質して水素を供給するメタノール改質型、水素吸蔵合金に水素を吸蔵する水素吸蔵合金型等の燃料電池にも適用することができる。また、燃料電池単体１を構成するセルの数は、単数、複数のどちらでも良く、複数のセルから構成される場合は、直列接続、並列接続のどちらでも良い。
降電圧型定電圧回路２は、通常のスイッチング回路によって構成されたＤＣ−ＤＣコンバータである。つまり、降電圧型定電圧回路２は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子１１と、スイッチング素子１１のＯＦＦ時の電流エネルギーを電源に戻すダイオード１２と、スイッチング素子１１のスイッチングによって生成された交流電圧を所望の電圧値に変換するトランス１３と、トランス１３の出力の交流電圧を直流電圧に変換する整流器１４と、直流電圧を平滑するコンデンサ１５とによって構成されている。
【００１４】
また、制御回路１６が、スイッチング素子１１のスイッチングのＯＮ／ＯＦＦの割合（デューティ比）を制御して、降電圧型定電圧回路２の出力電圧を所望の電圧値に定電圧制御している。このとき、制御回路１６の電圧調整器１７の設定を可変することによって、降電圧型定電圧回路２の出力電圧値を任意のレベルに設定することができる。尚、図１の降電圧型定電圧回路２は、トランスの１次巻線と２次巻線の極性の向きが同極になっているので、スイッチング素子１１がＯＮしたときにトランスの１次巻線から２次巻線へ電圧が供給される、いわゆるＯＮ−ＯＮ型のスイッチング回路であるが、トランスの１次巻線と２次巻線の極性の向きを変えて、スイッチング素子１１がＯＮしたときにトランスの１次巻線にエネルギーを貯えておき、スイッチング素子１１がＯＦＦのときに２次巻線へ電圧を供給する、いわゆるリンギングチョーク型（またはフライバック型）のスイッチング回路にしてもよい。
【００１５】
次に、図１と図２を用いて、燃料電池の出力電圧を所定の定電圧に制御する動作について説明する。燃料電池単体１は、ｎセル直列の合成電圧Ｖｉを降電圧型定電圧回路２へ供給する。このとき、燃料電池単体１の合成電圧Ｖｉは、図２に示すように、出力電流がゼロ付近で高い電圧を発生させる非直線性の電流−電圧特性を示している。しかし、降電圧型定電圧回路２において、スイッチング素子１１が、制御回路１６の制御信号によってデューティ比を制御して所定の定電圧の交流電圧を生成し、トランス１３を介して整流器１４へ供給している。整流器１４は定電圧化された交流電圧を直流電圧に変換し、さらに、コンデンサ１５によって定電圧化された直流電圧を平滑化して負荷３へ供給している。
【００１６】
つまり、図２に示すように、降電圧型定電圧回路２においては、出力電流ゼロ（無負荷電流）から定格出力電流Ｉ１（定格電圧を維持する最大の出力電流）以下の電流変化範囲に対しては定格出力電圧Ｖｏが得られるように、制御回路１６がスイッチング素子１１のデューティ比を制御している。したがって、出力電流がゼロ（無負荷電流）付近において、燃料電池単体１の合成電圧ＶｉがＶｈのような高い電圧であっても、降電圧型定電圧回路２の出力電圧は定格出力電圧Ｖｏに維持されている。このとき、制御回路１６の電圧調整器１７の設定を変えれば、定格出力電圧Ｖｏのレベルを任意に変えることができるが、定格出力電流は、燃料電池単体１の合成電圧Ｖｉの特性に依存された値となる。例えば、電圧調整器１７によって定格出力電圧Ｖａに設定したときは、定格出力電流はＩ２となる。また、特に図２では図示しないが、定格出力電流の値を小さくすれば（つまり、出力電流の可変範囲を狭くすれば）、電圧調整器１７によって定格出力電圧の設定値を高くすることができる。
【００１７】
つまり、第１の実施の形態の燃料電池によれば、燃料電池単体１に降電圧型定電圧回路２を付加することによって、無負荷時を含めて出力電流の広い変化範囲で定電圧特性を得ることができる。また、無負荷時を含めた出力電流の狭い変化範囲では、高い電圧の定電圧特性を得ることができる。さらに、出力電圧の定電圧値を任意のレベルに可変することもできる。したがって、第１の実施の形態の燃料電池によれば、無負荷時においても出力電圧が過電圧になることがないので、負荷側の機器が過電圧破壊するおそれはなくなる。また、定格電流の範囲では、電池電圧特性に依存されることなく一定の定電圧を負荷側の機器に供給することができるので、例えば、本発明の燃料電池を携帯端末などに用いた場合は、携帯端末の通信品質を高めることができる。
【００１８】
尚、第１の実施の形態では、降電圧型定電圧回路として、図１に示すようなスイッチング回路によって構成されたＤＣ−ＤＣコンバータを用いたが、これに限ることはなく、入力された直流電圧より低い電圧で定電圧制御できるようなＤＣ−ＤＣコンバータ型の定電圧回路であれば、どのような回路を用いても構わない。
【００１９】
［第２の実施の形態］
次に、本発明における第２の実施の形態の燃料電池について説明する。第２の実施の形態では、燃料電池単体に昇電圧型定電圧回路を付加することによって、出力電流の狭い変化範囲では、セル数に依存されないで高い出力電圧を発生させることのできる燃料電池について説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態における、昇電圧型定電圧回路を付加した燃料電池の回路図である。また、図４は、図３に示す燃料電池の出力電流−出力電圧の特性図である。尚、図４の特性図は、横軸に出力電流、縦軸に出力電圧を示している。
【００２０】
図３に示すインテリジェント機能付きの燃料電池は、燃料電池単体１の出力端子に昇電圧型定電圧回路４が接続された構成となっており、昇電圧型定電圧回路４の出力端子には負荷３が接続されている。図３の昇電圧型定電圧回路４は、通常の昇圧チョッパ回路によって構成されたＤＣ−ＤＣコンバータであるが、これに限らず、倍電圧整流回路や直並列チョッパ回路などを用いてもよい。つまり、図３に示す昇電圧型定電圧回路４は、燃料電池単体１の出力電圧を昇圧させるためにスイッチング素子１１のＯＮ時にエネルギーを貯えるインダクタ１９と、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子１１と、スイッチング素子１１のＯＦＦ時の電流エネルギーを電源側へ戻すダイオード１２と、逆流防止用のダイオード１８と、インダクタ１９によって昇圧された直流電圧を平滑するコンデンサ１５とによって構成されている。
【００２１】
また、制御回路１６が、スイッチング素子１１のスイッチングのＯＮ／ＯＦＦの割合（デューティ比）を制御して、昇電圧型定電圧回路４の出力電圧を所望の電圧値に昇圧して定電圧制御を行っている。このとき、制御回路１６の電圧調整器１７の設定を可変することによって、昇電圧型定電圧回路４の出力電圧値を任意のレベルに設定することができる。
【００２２】
このような構成の昇電圧型定電圧回路４によれば、スイッチング素子１１をＯＮしたときに、インダクタ１９に流れる電流によってインダクタ１９の両端に電圧Ｖｃが誘起される。そして、スイッチング素子１１がＯＦＦになったときに燃料電池単体１の電圧Ｖｉがインダクタ１９に印加される。このようにしてスイッチング素子１１がＯＮ／ＯＦＦすることによって、燃料電池単体１の端子電圧Ｖｉとインダクタ１９の両端の誘起電圧Ｖｃとが加算されてダイオード１８を介してコンデンサ１５に充電される。よって、入力電圧（つまり、燃料電池単体１の端子電圧Ｖｉ）より高い出力電圧Ｖ２が昇電圧型定電圧回路４より出力されて負荷３へ供給される。もちろん、このとき、制御回路１６によってスイッチング素子１１のデューティ比が制御されるので、燃料電池単体１の端子電圧Ｖｉの変化に依存されることなく、一定電圧の出力電圧Ｖ２が昇電圧型定電圧回路４より出力されることになる。
【００２３】
図４を用いて、入力電圧（つまり、燃料電池単体１の電池電圧）Ｖｉより高い出力電圧Ｖ２を得る動作について詳細に説明する。燃料電池単体１の電圧特性は、図４に示す破線のように非直線形のＶｉであり、出力電流Ｉ２が流れたときの燃料電池単体１から出力させる出力電圧はＶ１である。したがって、燃料電池単体１から昇電圧型定電圧回路４側へ供給される電力はＶ１×Ｉ２である。ここで、制御回路１６の電圧調整器１７によってスイッチング素子１１のデューティ比を制御して、昇電圧型定電圧回路４の出力電圧をＶ２に昇圧したとすると、昇電圧型定電圧回路４の出力電流はＩ１となり、昇電圧定電圧回路４から負荷３へ供給される電力はＶ２×Ｉ１となる。
【００２４】
ここで、昇電圧型定電圧回路４の昇圧変換効率を１００％とした場合は、燃料電池単体１から出力される電力と昇電圧定電圧回路４が出力する電力とは等しいので、次の式（１）が成り立つ。
Ｖ１×Ｉ２＝Ｖ２×Ｉ１…（１）
したがって、昇電圧型定電圧回路４から出力される昇圧後の出力電圧Ｖ２は、次の式（２）にようになる。
Ｖ２＝Ｖ１×（Ｉ２／Ｉ１）…（２）
尚、通常のＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率ηは８０〜９０％程度であるので、実際の出力電圧Ｖ２は次の式（３）で表わされる。
Ｖ２＝Ｖ１×（Ｉ２／Ｉ１）×η…（３）
【００２５】
つまり、式（２）または式（３）から分かるように、負荷３へ供給する電流Ｉ１を小さくすれば、高い出力電圧Ｖ２を負荷３に供給することができる。したがって、殆ど電流を流さないで高電圧を印加するような電圧駆動型の負荷の場合でも、セルを少数積層して直列接続した小型の燃料電池を使用することができる。例えば、携帯端末のディスプレイなどのように微少電流で高電圧を供給する負荷であっても、セル数の少ない小型の燃料電池を使用することができるので、結果的に、携帯端末を小型軽量化することができる。
【００２６】
つまり、第２の実施の形態の燃料電池によれば、燃料電池単体１に昇電圧型定電圧回路４を付加することによって、少数のセルを直列積層した低い電圧の燃料電池でも所望の高電圧の定電圧出力を得ることができる。さらに、定電圧の出力電圧値を任意の値に可変することもできる。但し、可変した出力電圧値に応じて出力電流の変化範囲も変わる。つまり、出力電圧値を高くするほど出力電流の変化範囲は小さくなる。
【００２７】
尚、第２の実施の形態では、昇電圧型定電圧回路として、図３に示すような昇圧チョッパ回路によって構成されたＤＣ−ＤＣコンバータを用いたが、これに限ることはなく、入力された直流電圧より高い電圧で定電圧制御できるようなＤＣ−ＤＣコンバータ型の定電圧回路であれば、どのような回路を用いても構わない。
【００２８】
以上述べた実施の形態は本発明を説明するための一例であり、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲で種々の変形が可能である。上記の実施の形態では燃料電池の負荷として携帯端末を用いる場合について説明したが、携帯端末などに限定されるものではなく、どのような機器であっても本発明の燃料電池を使用した場合には、上記の実施の形態と同様の効果が得られることは云うまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池によれば、無負荷時でも過電圧が発生することがないので負荷側の機器を過電圧で破壊させるおそれがなくなる。また、燃料電池のセル数に依存されることなく高い出力電圧を得ることができる。さらに、従来のリチウムイオン電池に比べて大幅に小型軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における、降電圧型定電圧回路を付加した燃料電池の回路図である。
【図２】図１に示す燃料電池の出力電流−出力電圧の特性図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態における、昇電圧型定電圧回路を付加した燃料電池の回路図である。
【図４】図３に示す燃料電池の出力電流−出力電圧の特性図である。
【図５】一般的な燃料電池の電流―電圧特性である。
【符号の説明】
１ 燃料電池単体
２ 降電圧型定電圧回路
３ 負荷
４ 昇電圧型定電圧回路
１１ スイッチング素子
１２、１８ ダイオード
１３ トランス
１４ 整流器
１５ コンデンサ
１６ 制御回路
１７ 電圧調整器
１９ インダクタ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, a fuel cell voltage control method for flattening the output voltage of the fuel cell, and a mobile terminal equipped with the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Fuel cells generate electric energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen. In recent years, fuel cells have begun to be favorably used in electric vehicles, portable communication terminal devices, and the like. In particular, portable communication terminal devices (hereinafter, referred to as portable terminals) such as mobile phones and PDAs (Personal Digital Assistants) tend to increase power consumption due to higher functionality and higher performance. To respond to this situation, technological development of secondary batteries, such as lithium-ion batteries, is progressing at a rapid pace, but it is difficult to find one that satisfies the battery capacity corresponding to high functionality and high performance. Is in a situation that cannot be achieved. Therefore, recently, in the field of mobile terminals, fuel cells that can cope with higher functions and higher performance have been attracting attention.
[0003]
Techniques related to fuel cells have been reported in many documents. For example, the following Non-Patent Document 1 reports as follows. A fuel cell is composed of a fuel electrode (negative electrode), an air electrode (positive electrode), and a solid polymer electrolyte membrane sandwiched therebetween. With this configuration, when hydrogen is fed into the fuel electrode (negative electrode) and air containing oxygen is blown into the air electrode (positive electrode), hydrogen is converted into hydrogen ions and electrons by the catalyst on the electrode surface on the fuel electrode (negative electrode) side. Decomposed. Further, the catalyst on the air electrode (positive electrode) side chemically reacts with oxygen to generate water (H 2 O) and generate a DC current between both electrodes.
[0004]
Further, since a fuel cell requires various output voltages depending on the equipment used, it is necessary to change the value of the output voltage depending on the type of equipment on the load side. For example, Patent Literature 1 below discloses a technique of outputting a required voltage without switching a transformer tap when a desired output voltage is obtained by converting a DC voltage of a fuel cell into an AC voltage. For example, when a load-side device is connected using a 100 V outlet unit, this technique controls a control signal corresponding to the type of the 100 V outlet unit to a booster circuit to output 100 V. When a load-side device is connected using a 200 V outlet unit, a control signal corresponding to the type of the 200 V outlet unit is sent to the booster circuit so as to output 200 V. . As a result, the output voltage can be switched to a desired value without providing a transformer tap, so that the entire power supply device such as a fuel cell can be downsized.
[0005]
[Non-patent document 1]
DOSV Magazine 2002-6.1, pp. 150-153 "File No. 15 Next-Generation Standard Special Investigation Team TECHRANGER, Masahide Ise, Large-Capacity Power Fuel Cell Supporting Next-Generation Portable Devices"
[Patent Document 1]
JP-A-2002-142460 (Page 5, FIG. 1, FIG. 8, FIG. 9)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, as shown in FIG. 5, the fuel cell has a characteristic that the output voltage under no load becomes considerably higher than the rated output voltage. FIG. 5 shows the current-voltage characteristics of the fuel cells (a), (b), and (c) having different numbers of cells, with the horizontal axis representing the output current and the vertical axis representing the output voltage. Regardless of the number of cells of the fuel cell, the output voltage is substantially higher than the rated output voltage in a substantially no-load state in which the output current is close to zero. For example, for the fuel cell of the number of certain cells (a), when used in a range of a predetermined allowable voltage of the rated output voltage V c, the output current can be used in the range of I 1 of I 2. However, the output voltage at no load (0A) is becomes the V h, devices on the load side to lead to a over-voltage breakdown. Similarly, with respect to the fuel cells (b) and (c), when no load is applied, the output voltage may increase and the equipment operating at the rated voltage may be damaged by overvoltage.
[0007]
In addition, when the rated voltage of the load-side device is high, the number of fuel cells in series must be necessarily increased, and as a result, the size of the fuel cell increases. As a result, for example, a portable terminal or the like becomes larger or heavier, and the advantage as a handy type device is lost, and as a result, it becomes inconvenient for the user.
[0008]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and maintains a predetermined output voltage from no load to a rated current so that an overvoltage does not occur, and provides a high output voltage independent of the number of cells. It is an object of the present invention to provide a fuel cell that can be generated, a voltage control method for the fuel cell, and a mobile terminal equipped with the fuel cell.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fuel cell according to the present invention has a reduced voltage type constant voltage in which a single fuel cell and a battery voltage of the single fuel cell are input and a constant voltage control is performed at a voltage lower than the rated value of the battery voltage. Circuit, and a step-down constant voltage circuit is configured to output a constant voltage within a change range of an output current and a no-load current depending on characteristics of an output current-output voltage of the fuel cell alone. I have. Alternatively, a fuel cell alone, and a battery voltage of the fuel cell alone, and a voltage raising type constant voltage circuit that performs constant voltage control at a voltage higher than the rated voltage of the battery voltage, A constant voltage that is higher than the rated voltage of the fuel cell alone within a change range between a current smaller than the output current of the fuel cell alone and a no-load current based on the power value that depends on the output current-output voltage characteristics of the fuel cell alone. Is configured to be output.
[0010]
According to such a fuel cell, the non-linear characteristic of the output current-output voltage of the fuel cell is improved, and a constant voltage can always be supplied to the load from no load to the rated current. Therefore, there is no possibility that the overvoltage generated when the fuel cell is not loaded causes the load-side devices and components to be destroyed. Further, even if the number of cells of the fuel cell is small, a high voltage controlled at a constant voltage can be generated and supplied to the load, so that the fuel cell does not increase in size. Therefore, a hand-held device such as a portable terminal can be further reduced in size and weight.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, some embodiments of the fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings used in each of the embodiments described below, the same components or the same components are denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted.
In the present invention, by providing a constant voltage circuit in a single fuel cell, a large non-linear current-voltage characteristic is improved to obtain a constant voltage output characteristic. Therefore, in this specification, a fuel cell with an intelligent function in which a constant voltage circuit is added to a single fuel cell is referred to as a "fuel cell", and is expressed separately from the "single fuel cell".
[0012]
[First Embodiment]
First, the fuel cell according to the first embodiment will be described. In the first embodiment, the generation of an overvoltage when the output current is close to zero can be prevented by adding a step-down constant voltage circuit to the fuel cell alone, and a constant voltage that is always stabilized can be output. A fuel cell that can be used will be described. FIG. 1 is a circuit diagram of a fuel cell to which a step-down constant voltage circuit according to the first embodiment of the present invention is added. FIG. 2 is a characteristic diagram of output current-output voltage of the fuel cell shown in FIG. In the characteristic diagram of the fuel cell shown in FIG. 2, the horizontal axis indicates the output current, and the vertical axis indicates the output voltage.
[0013]
The fuel cell with the intelligent function shown in FIG. 1 has a configuration in which the output terminal of the fuel cell unit 1 is connected to the step-down constant voltage circuit 2, and the output terminal of the step-down constant voltage circuit 2 is portable. An external load 3 such as a telephone or a notebook computer is connected.
The type of the fuel cell unit 1 is not limited in the present invention. The fuel cell unit 1 is not limited to a general fuel cell that simply supplies hydrogen gas to the fuel electrode, or a methanol-reformed type that reforms methanol to supply hydrogen. It can also be applied to a fuel cell of a hydrogen storage alloy type or the like that stores hydrogen in the fuel cell. Further, the number of cells constituting the fuel cell unit 1 may be either a single cell or a plurality of cells. When the fuel cell is composed of a plurality of cells, either a series connection or a parallel connection may be used.
The step-down constant voltage circuit 2 is a DC-DC converter configured by a normal switching circuit. That is, the voltage drop type constant voltage circuit 2 includes a switching element 11 such as an IGBT or a MOSFET, a diode 12 that returns current energy when the switching element 11 is turned off to a power supply, and an AC voltage generated by switching of the switching element 11. It comprises a transformer 13 for converting a desired voltage value, a rectifier 14 for converting an AC voltage output from the transformer 13 to a DC voltage, and a capacitor 15 for smoothing the DC voltage.
[0014]
Further, the control circuit 16 controls the ON / OFF ratio (duty ratio) of switching of the switching element 11 to perform constant voltage control of the output voltage of the step-down constant voltage circuit 2 to a desired voltage value. At this time, by changing the setting of the voltage regulator 17 of the control circuit 16, the output voltage value of the step-down voltage regulator 2 can be set to an arbitrary level. In the step-down constant voltage circuit 2 shown in FIG. 1, since the primary and secondary windings of the transformer have the same polarity, when the switching element 11 is turned on, the primary winding of the transformer is turned off. This is a so-called ON-ON type switching circuit in which a voltage is supplied from the winding to the secondary winding. The polarity of the primary winding and the secondary winding of the transformer is changed, and the switching element 11 is turned on. In this case, energy is stored in the primary winding of the transformer when the switching element 11 is turned off, and a voltage is supplied to the secondary winding when the switching element 11 is turned off. A so-called ringing choke type (or flyback type) switching circuit is also used. Good.
[0015]
Next, an operation of controlling the output voltage of the fuel cell to a predetermined constant voltage will be described with reference to FIGS. Fuel cell units 1 are supplied to the voltage-type constant-voltage circuit 2 descending the n cells in series of composite voltage V i. At this time, composite voltage V i of the fuel cell units 1, as shown in FIG. 2, the non-linearity of the current output current to generate a high voltage in the vicinity of zero - represents the voltage characteristic. However, in the step-down constant voltage circuit 2, the switching element 11 generates a predetermined constant voltage AC voltage by controlling the duty ratio by the control signal of the control circuit 16 and supplies it to the rectifier 14 via the transformer 13. ing. The rectifier 14 converts the constant-voltage AC voltage into a DC voltage, and further smoothes the DC voltage constant-constant by the capacitor 15 and supplies the DC voltage to the load 3.
[0016]
That is, as shown in FIG. 2, in the step-down constant voltage circuit 2, the current change range is from the output current zero (no load current) to the rated output current I 1 (maximum output current for maintaining the rated voltage). is for as the rated output voltage V o is obtained, the control circuit 16 controls the duty ratio of the switching element 11. Accordingly, the output current is zero (no-load current) near, or synthetic voltage V i of the fuel cell units 1 is a high voltage, such as V h, the voltage drop type output voltage of the constant voltage circuit 2 is the rated output voltage It is maintained to V o. At this time, if changing the setting of the voltage regulator 17 of the control circuit 16 can be varied arbitrarily level of the rated output voltage V o, the rated output current, the characteristics of the composite voltage V i of the fuel cell units 1 It will be a dependent value. For example, when set to the rated output voltage V a by the voltage regulator 17, the rated output current is I 2. Although not particularly shown in FIG. 2, if the value of the rated output current is reduced (that is, if the variable range of the output current is reduced), the set value of the rated output voltage can be increased by the voltage regulator 17. .
[0017]
That is, according to the fuel cell of the first embodiment, by adding the step-down constant voltage circuit 2 to the fuel cell 1 alone, the constant voltage characteristic can be obtained in a wide range of change of the output current including no load. Obtainable. Further, in a narrow change range of the output current including a time when no load is applied, a high voltage constant voltage characteristic can be obtained. Further, the constant voltage value of the output voltage can be changed to an arbitrary level. Therefore, according to the fuel cell of the first embodiment, since the output voltage does not become overvoltage even when there is no load, there is no possibility that the load-side device is destroyed by overvoltage. In addition, in the range of the rated current, a constant voltage can be supplied to the load side device without depending on the battery voltage characteristics.For example, when the fuel cell of the present invention is used in a portable terminal or the like, Thus, the communication quality of the mobile terminal can be improved.
[0018]
In the first embodiment, a DC-DC converter constituted by a switching circuit as shown in FIG. 1 is used as the step-down constant voltage circuit. However, the present invention is not limited to this. Any circuit may be used as long as it is a DC-DC converter type constant voltage circuit that can perform constant voltage control at a voltage lower than the voltage.
[0019]
[Second embodiment]
Next, a fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, a fuel cell capable of generating a high output voltage independent of the number of cells in a narrow range of output current by adding a voltage rising type constant voltage circuit to a single fuel cell. explain. FIG. 3 is a circuit diagram of a fuel cell to which a voltage raising type constant voltage circuit is added according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a characteristic diagram of output current-output voltage of the fuel cell shown in FIG. In the characteristic diagram of FIG. 4, the horizontal axis indicates the output current, and the vertical axis indicates the output voltage.
[0020]
The fuel cell with the intelligent function shown in FIG. 3 has a configuration in which the output terminal of the fuel cell unit 1 is connected to the voltage rising type constant voltage circuit 4, and the output terminal of the voltage rising type constant voltage circuit 4 is 3 are connected. The voltage raising type constant voltage circuit 4 in FIG. 3 is a DC-DC converter constituted by a normal step-up chopper circuit, but is not limited thereto, and may use a voltage doubler rectifier circuit, a series-parallel chopper circuit, or the like. In other words, the voltage rising type constant voltage circuit 4 shown in FIG. 3 includes an inductor 19 that stores energy when the switching element 11 is turned on in order to boost the output voltage of the fuel cell 1, and a switching element 11 such as an IGBT or a MOSFET. It comprises a diode 12 for returning current energy when the switching element 11 is OFF to the power supply side, a diode 18 for backflow prevention, and a capacitor 15 for smoothing the DC voltage boosted by the inductor 19.
[0021]
Further, the control circuit 16 controls the ON / OFF ratio (duty ratio) of switching of the switching element 11 to boost the output voltage of the voltage-increasing type constant voltage circuit 4 to a desired voltage value, thereby performing constant voltage control. Is going. At this time, by changing the setting of the voltage regulator 17 of the control circuit 16, the output voltage value of the voltage-increasing type constant voltage circuit 4 can be set to an arbitrary level.
[0022]
According to the temperature voltage constant-voltage circuit 4 having such a configuration, when the ON the switching element 11, across the voltage V c of the inductor 19 is induced by the current flowing through the inductor 19. Then, the voltage V i of the fuel cell units 1 is applied to the inductor 19 when the switching element 11 is turned to OFF. By switching element 11 is ON / OFF this way is charged in the capacitor 15 is added to the induced voltage V c across the terminal voltage V i and the inductor 19 of the fuel cell units 1 via the diode 18 . Therefore, an output voltage V 2 higher than the input voltage (that is, the terminal voltage V i of the fuel cell unit 1) is output from the voltage raising type constant voltage circuit 4 and supplied to the load 3. Of course, this time, since the control by the circuit 16 a duty ratio of the switching element 11 is controlled, without being dependent on the change in the terminal voltage V i of the fuel cell units 1, the output voltage V 2 rises voltage type constant voltage It is output from the constant voltage circuit 4.
[0023]
With reference to FIG. 4, the input voltage (i.e., the battery voltage of the fuel cell units 1) Operation of obtaining higher output voltage V 2 from V i will be described in detail. Voltage characteristics of the fuel cell units 1 are V i of the non-linear as shown by a broken line shown in FIG. 4, the output voltage to be output from the fuel cell units 1 when the output current I 2 flows is V 1. Therefore, the power supplied from the fuel cell unit 1 to the voltage-raising type constant voltage circuit 4 is V 1 × I 2 . Here, by controlling the duty ratio of the switching element 11 by the voltage regulator 17 of the control circuit 16, when the output voltage of the temperature voltage constant-voltage circuit 4 has been boosted to V 2, the temperature voltage constant-voltage circuit 4 output current power supplied next to I 1, the temperature-voltage constant-voltage circuit 4 to the load 3 becomes V 2 × I 1.
[0024]
Here, when the step-up conversion efficiency of the voltage raising type constant voltage circuit 4 is set to 100%, the power output from the fuel cell unit 1 and the power output from the voltage raising constant voltage circuit 4 are equal. (1) holds.
V 1 × I 2 = V 2 × I 1 (1)
Therefore, the output voltage V 2 of the boosted output from the temperature voltage type constant-voltage circuit 4 is as in the following equation (2).
V 2 = V 1 × (I 2 / I 1 ) (2)
Since the conversion efficiency η of a normal DC-DC converter is about 80 to 90%, the actual output voltage V2 is expressed by the following equation (3).
V 2 = V 1 × (I 2 / I 1 ) × η (3)
[0025]
That is, as seen from equation (2) or formula (3), by reducing the current I 1 supplied to the load 3, it is possible to supply a high output voltage V 2 to the load 3. Therefore, even in the case of a voltage-driven load in which a high voltage is applied with little current, a small fuel cell in which a small number of cells are stacked and connected in series can be used. For example, even a load that supplies a high voltage with a small current, such as a display of a mobile terminal, can use a small fuel cell with a small number of cells, resulting in a reduction in the size and weight of the mobile terminal. can do.
[0026]
In other words, according to the fuel cell of the second embodiment, by adding the voltage-raising type constant voltage circuit 4 to the fuel cell 1 alone, a desired high voltage can be obtained even in a low-voltage fuel cell in which a small number of cells are stacked in series. Can be obtained. Further, the output voltage value of the constant voltage can be changed to an arbitrary value. However, the change range of the output current also changes according to the variable output voltage value. That is, the higher the output voltage value, the smaller the change range of the output current.
[0027]
In the second embodiment, a DC-DC converter constituted by a step-up chopper circuit as shown in FIG. 3 is used as the voltage-increasing constant-voltage circuit. However, the present invention is not limited to this. Any circuit may be used as long as it is a DC-DC converter type constant voltage circuit that can perform constant voltage control at a voltage higher than the DC voltage.
[0028]
The embodiment described above is an example for describing the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible within the scope of the invention. In the above embodiment, the case where the mobile terminal is used as the load of the fuel cell has been described.However, the present invention is not limited to the mobile terminal and the like. It goes without saying that the same effect as in the above embodiment can be obtained.
[0029]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell of the present invention, overvoltage does not occur even when there is no load, so that there is no possibility that the load-side device will be destroyed by the overvoltage. Further, a high output voltage can be obtained without depending on the number of cells of the fuel cell. Further, the size and weight can be significantly reduced as compared with the conventional lithium ion battery.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a fuel cell to which a step-down constant voltage circuit is added according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram of output current-output voltage of the fuel cell shown in FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram of a fuel cell to which a voltage raising type constant voltage circuit is added according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a characteristic diagram of output current-output voltage of the fuel cell shown in FIG.
FIG. 5 shows current-voltage characteristics of a general fuel cell.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 fuel cell unit 2 voltage drop type constant voltage circuit 3 load 4 voltage rise type constant voltage circuit 11 switching element 12, 18 diode 13 transformer 14 rectifier 15 capacitor 16 control circuit 17 voltage regulator 19 inductor

Claims (10)

燃料電池単体と、
前記燃料電池単体の電池電圧を入力して、該電池電圧の定格値より低い電圧で定電圧制御を行う降電圧型定電圧回路とを備え、
前記降電圧型定電圧回路が、前記燃料電池単体の出力電流−出力電圧の特性に依存される出力電流と無負荷電流との変化範囲内で一定電圧を出力することを特徴とする燃料電池。Fuel cell alone,
A voltage drop type constant voltage circuit that receives a battery voltage of the fuel cell alone and performs constant voltage control at a voltage lower than the rated value of the battery voltage;
A fuel cell, wherein the step-down constant voltage circuit outputs a constant voltage within a change range between an output current and a no-load current that depends on an output current-output voltage characteristic of the single fuel cell. 前記降電圧型定電圧回路が、前記燃料電池単体の定格電圧を維持する最大の出力電流と無負荷電流との変化範囲内で一定電圧を出力することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。2. The fuel according to claim 1, wherein the step-down constant voltage circuit outputs a constant voltage within a change range between a maximum output current for maintaining a rated voltage of the fuel cell alone and a no-load current. battery. 前記降電圧型定電圧回路が、前記燃料電池単体の定格電圧を維持する最大の出力電流より少ない出力電流と無負荷電流との変化範囲内で一定電圧を出力することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。2. The voltage drop type constant voltage circuit outputs a constant voltage within a change range between an output current smaller than a maximum output current for maintaining a rated voltage of the fuel cell alone and a no-load current. A fuel cell according to claim 1. 前記降電圧型定電圧回路は、前記燃料電池単体の出力電流−出力電圧の特性に依存される出力電流と無負荷電流との変化範囲内で、出力する一定電圧のレベルを任意に可変できることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。The step-down type constant voltage circuit is capable of arbitrarily varying the level of a constant voltage to be output within a change range of an output current and a no-load current depending on the output current-output voltage characteristics of the fuel cell alone. The fuel cell according to claim 1, wherein: 燃料電池単体と、
前記燃料電池単体の電池電圧を入力して、該電池電圧の定格電圧より高い電圧で定電圧制御を行う昇電圧型定電圧回路とを備え、
前記昇電圧型定電圧回路が、前記燃料電池単体の出力電流−出力電圧の特性に依存される電力値に基づいて、前記燃料電池単体の出力電流より少ない電流と無負荷電流との変化範囲内で、該燃料電池単体の定格電圧より高い一定電圧を出力することを特徴とする燃料電池。Fuel cell alone,
A voltage increasing type constant voltage circuit that receives a battery voltage of the fuel cell alone and performs constant voltage control at a voltage higher than the rated voltage of the battery voltage;
The voltage rising type constant voltage circuit is configured such that, based on a power value dependent on the output current-output voltage characteristic of the fuel cell unit, a current smaller than the output current of the fuel cell unit and a change range between a no-load current and Wherein the fuel cell outputs a constant voltage higher than the rated voltage of the fuel cell alone. 前記燃料電池単体の出力電流Ｉ２のときの出力電圧をＶ１とし、且つ、前記昇電圧型定電圧回路の出力電流Ｉ１（但し、Ｉ１＜Ｉ２）と無負荷電流との範囲内の一定電圧をＶ２として、前記昇電圧型定電圧回路の電力変換効率をηとしたとき、
該昇電圧型定電圧回路が出力する一定電圧Ｖ２は、
Ｖ２＝Ｖ１×（Ｉ２／Ｉ１）×η
で表わされることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。The output voltage at the time of the output current I 2 of the fuel cell alone is V 1 , and the output current I 1 (where I 1 <I 2 ) of the voltage increasing type constant voltage circuit and the no-load current are within a range. a constant voltage as the V 2, when the power conversion efficiency of the rising voltage type constant voltage circuit and a η of,
Constant voltage V 2該昇voltage type constant voltage circuit outputs are
V 2 = V 1 × (I 2 / I 1 ) × η
The fuel cell according to claim 5, wherein: 前記昇電圧型定電圧回路は、出力する一定電圧のレベルを任意に可変できることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の燃料電池。7. The fuel cell according to claim 5, wherein the voltage raising type constant voltage circuit can arbitrarily change the level of a constant voltage to be output. 燃料電池単体が、自己の出力電流−出力電圧の特性に依存された電池電圧を出力するステップと、
降電圧型定電圧回路が、前記燃料電池単体が出力した電池電圧より低い電圧で定電圧制御を行い、該燃料電池単体の出力電流−出力電圧の特性に依存される出力電流と無負荷電流との変化範囲内で一定電圧を負荷へ出力するステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池の電圧制御方法。The fuel cell alone outputs a cell voltage dependent on its output current-output voltage characteristics;
A step-down type constant voltage circuit performs constant voltage control at a voltage lower than the battery voltage output by the fuel cell unit, and an output current and a no-load current that depend on the characteristics of the output current-output voltage of the fuel cell unit. Outputting a constant voltage to the load within the change range of
A voltage control method for a fuel cell, comprising: 燃料電池単体が、自己の出力電流−出力電圧の特性に依存された電池電圧を出力するステップと、
昇電圧型定電圧回路が、前記燃料電池単体の出力電流−出力電圧の特性に依存される電力値に基づいて、前記燃料電池単体の出力電流より少ない電流と無負荷電流との変化範囲内で、該燃料電池単体の定格電圧より高い一定電圧を出力するステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池の電圧制御方法。The fuel cell alone outputs a cell voltage dependent on its output current-output voltage characteristics;
The voltage-boosting type constant voltage circuit, based on a power value dependent on the output current-output voltage characteristics of the fuel cell unit, within a change range between a current smaller than the output current of the fuel cell unit and a no-load current. Outputting a constant voltage higher than the rated voltage of the fuel cell alone;
A voltage control method for a fuel cell, comprising: 請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の燃料電池を搭載したことを特徴とする携帯端末。A mobile terminal equipped with the fuel cell according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006029688A1 (en) * 2004-09-14 2006-03-23 Sielaff Gmbh & Co. Kg Automatenbau Local power supplied vending machine
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WO2006064586A1 (en) * 2004-12-15 2006-06-22 Fujitsu General Limited Power supply apparatus
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