JP2004342551A - 携帯用燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池と二次電池との特性劣化が小さい携帯用燃料電池を提供する。
【解決手段】携帯用燃料電池は、電気負荷に直列に接続した燃料電池と、燃料電池に並列に接続した二次電池と、燃料電池、二次電池および電気負荷のそれぞれに対する接続を切換えるスイッチ手段と、二次電池の端子間電圧に基づいて二次電池の過充電または過放電状態を検出し、二次電池を燃料電池と電気負荷とから切り離し、二次電池の過充電または過放電を防止する過充電・過放電防止手段とを有する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、携帯電話、携帯型端末、ノート型パソコンなどの携帯電子機器の携帯電源として用いられる携帯用燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池は、携帯機器の情報処理量が多くなり、燃料電池の発電量だけでは携帯機器の必要電力をまかないきれないときのために、キャパシタおよび小型の二次電池を備え、一時的に燃料電池とキャパシタおよび小型の二次電池から電力を供給している。また、始動用の二次電池から電力を燃料電池の補助加熱手段としてのヒータに通電し、このヒータにより燃料電池の周辺部を直接加熱している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２３１２９０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような携帯用燃料電池では、燃料電池と二次電池とを組み合わせているが、それぞれの電池の保護について配慮がなされていなかった。燃料電池と二次電池の一方でも保護回路がないために劣化すると、最大出力を出せなくなる。そのため、携帯機器の限られた機能しか使用できなくなったり、使用時間が短くなったりする。
【０００５】
燃料電池の保護回路として逆流防止回路が備えられていないと、燃料切れによって燃料電池の出力が低下した場合、二次電池から燃料電池に電流が逆流する。また、機器回路が突然切れたとき、サージ電流が燃料電池に流れ、燃料電池の特性が劣化するという問題がある。
【０００６】
また、通常の二次電池の保護回路は、二次電池の端子間電圧をモニタし、過充電と過放電を防止する過充電・過放電防止回路を有している。すなわち、端子間電圧があらかじめ設定された閾値より低下したとき、電流の流出を停止して過放電を防止し、端子間電圧があらかじめ設定された閾値より上昇したとき、電流の流入を停止して過充電を防止している。しかし、燃料電池と二次電池とを組み合わせた携帯用燃料電池においては、二次電池の端子間電圧は燃料電池の出力電圧と等しくなる。そのため、単独では二次電池の端子間電圧が低下しても、燃料電池は発電しているので共に接続されている端子間電圧は変化しない。このように通常の二次電池の過充電・過放電防止回路では役に立たない。その結果過充電・過放電が発生し、二次電池の寿命が低下するという問題がある。
【０００７】
この発明の目的は、燃料電池と二次電池との特性劣化が少ない携帯用燃料電池を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる携帯用燃料電池は、電気負荷に直列に接続した燃料電池と、燃料電池に並列に接続した二次電池と、燃料電池、二次電池および電気負荷のそれぞれに対する接続を切換えるスイッチ手段と、二次電池の端子間電圧に基づいて二次電池の過充電または過放電状態を検出したとき、スイッチ手段を制御して二次電池を燃料電池と電気負荷とから切り離して二次電池の過充電または過放電を防止する過充電・過放電防止手段とを有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の携帯用燃料電池の構成を示す図である。図２は、機器回路が待機モードのときの携帯用燃料電池の動作図である。図３は、機器回路が稼働モードのときの携帯用燃料電池の動作図である。図４は、機器回路が停止モードのときの携帯用燃料電池の動作図である。
【００１０】
携帯用燃料電池１は、水素と酸素の反応により電力を発電する燃料電池２と、燃料電池２と電気的に並列に接続され、電荷を充放電する二次電池３と、燃料電池２と二次電池３とを制御する制御回路４とを有している。二次電池３として、リチウムイオン電池に例をとって説明する。
【００１１】
制御回路４は、燃料電池２と二次電池３との間の接続を開閉する第１のスイッチ５と、二次電池３と電気負荷である機器回路６との間の接続を開閉する第２のスイッチ７と、燃料電池２と機器回路６との間の接続を開閉する第３のスイッチ８とを有している。これらスイッチ５、７、８は、ＭＯＳＦＥＴで構成されている。
【００１２】
さらに、制御回路４は、二次電池３に並列に接続され、二次電池３の端子間電圧を計測する、測定精度±０．０１Ｖ以下の電圧計９と、燃料電池２と二次電池３とにそれぞれ直列に接続された電流計１０、１１とを有している。電圧計９は、Ａ／Ｄ変換ＩＣで構成している。また、電流計１０、１１は、燃料電池２と二次電池３の端子に直列に接続された図示しない電流検出抵抗器と両端の電圧を計測する図示しないＡ／Ｄ変換ＩＣとで構成している。電流検出抵抗器に流れる電流による電圧降下電圧を計測し、電流検出抵抗器に流れる電流値を求める。
【００１３】
さらに、制御回路４は、二次電池３の充放電を制御する充放電制御部１２と、電圧計９で計測された端子間電圧から電池容量を推定する電池容量推定部１３と、二次電池３の過充電・過放電を防止する過充電・過放電防止部１４と、燃料電池２および二次電池３にそれぞれ入出力する電流を積算する第１と第２の電荷量モニタ部１５、１６と、燃料電池２の放電を制御する燃料電池制御部１７とを有している。燃料電池２には後述するようにダイオードが挿入されているので流れ出す電流だけである。これら充放電制御部１２と電池容量推定部１３と過充電・過放電防止部１４と第１および第２の電荷量モニタ部１５、１６と燃料電池制御部１７とは、図示しないマイクロコンピュータで構成している。
【００１４】
充放電制御部１２は、電圧計９の端子間電圧に基づいて、第１のスイッチ５と第２のスイッチ７とを開閉して二次電池３の充電または放電状態を制御する。充放電制御部１２は、あらかじめ設定した閾値として、満充電検出電圧値と放電終期検出電圧値とを有している。リチウムイオン電池では、例えば満充電検出電圧値は、１セル当たり無負荷端子間電圧として４．２Ｖであり、放電終期検出電圧値は、１セル当たり無負荷端子間電圧として３．０Ｖである。ここで無負荷端子間電圧は、二次電池に電流が流れていない状態で計測した端子間電圧である。二次電池に電流が流れていると、二次電池の内部抵抗に係わる分の電圧が減少する。
【００１５】
電池容量推定部１３は、電圧計９の二次電池の端子間電圧から電池容量を推定する。リチウムイオン電池の電池容量は端子間電圧からおおよそ推定することができる。放電終期電圧と満充電電圧との間の端子間電圧と電池容量との関係を示すテーブルデータが電池容量推定部１３に有している。テーブルデータは、マイクロコンピュータの記憶部に記憶され、そのデータは適時中央演算処理装置に読み出され処理される。満充電検出電圧のときの電池容量を満充電容量値とする。電池容量推定部１３は、第２の電荷量モニタ部１６で算出された満充電電圧検出の際の電池容量を満充電容量値に置き換える。さらに、この満充電容量値を１００％として、放電終期検出電圧と満充電検出電圧との間の端子間電圧に対応する容量値を補正する。
【００１６】
過充電・過放電防止部１４は、電圧計９で計測された端子間電圧とあらかじめ設定された過充電検出電圧値Ｖｈｉｇｈおよび過放電検出電圧値Ｖｌｏｗとを比較して、その比較結果に基づき第１および第２のスイッチ５、７を遮断する。リチウムイオン電池の過充電検出電圧値は、１セル当たり４．３Ｖ、過放電検出電圧値は、１セル当たり２．５Ｖにあらかじめ閾値として設定している。
過充電・過放電防止部１４は、二次電池３の端子間電圧が過充電検出電圧値Ｖｈｉｇｈより高いとき、二次電池３が過充電になっていると判断し、燃料電池２から二次電池３への充電電流を第１のスイッチ５をオフして遮断する。
さらに、過充電・過放電防止部１４は、端子間電圧が過放電検出電圧値Ｖｌｏｗより低いとき、二次電池３が過放電状態であると判断し、第２のスイッチ７をオフして放電電流を遮断する。
【００１７】
燃料電池２および二次電池３の第１および第２の電荷量モニタ部１５、１６は、電流計１０、１１で計測された電流値を時間で積分して容量としてのクーロン量を求める。
第２の電荷量モニタ部１６は、充放電制御部１２で放電終期検出電圧を検知したとき二次電池容量値をゼロにセットする。また、充放電制御部１２で満充電検出電圧を検知したとき二次電池容量値を満充電容量値として記憶する。
【００１８】
燃料電池制御部１７は、機器回路６の機器電流検出部１８から出力される機器状態信号により、第３のスイッチ８の開閉を行う。
【００１９】
さらに、制御回路４は、燃料電池２の出力端子に接続された逆流防止手段１９と、燃料電池２の燃料の残量を検出する容量センサ２０とを有している。
【００２０】
燃料電池２の逆流防止手段１９は、燃料電池２の燃料がなくなったとき、燃料電池２の端子間電圧が低下するために起こる二次電池３から燃料電池２への逆流を防止する役割をはたす。逆流が起こると、燃料電池２の水素極と酸素極との間に電圧が印加され水の電気分解が起こり、燃料電池２を劣化する。この劣化を防ぐためにダイオードなどを燃料電池２の端子に直列に挿入してある。さらに、この逆流防止手段１９は、機器回路６が突然切断され、サージ電圧が発生したとき機器回路６から燃料電池２に流れるサージ電流を防止できる。
【００２１】
燃料電池２の容量センサ２０は、燃料電池２の燃料の容量を計測する。燃料がメタノールであるときは、メタノールの濃度センサである。燃料が水素ガスであるときは、圧力計である。
【００２２】
なお、スイッチ手段は、第１のスイッチ５と第２のスイッチ７と第３のスイッチ８とで構成している。充放電制御手段は、充放電制御部１２と電圧計９とで構成している。電池容量推定手段は、電池容量推定部１３と電圧計９とで構成している。過充電・過放電防止手段は、過充電・過放電防止部１４と電圧計とで構成している。第１の電荷量モニタ手段は、第１の電荷量モニタ部１５と電流計１０とで構成している。第２の電荷量モニタ手段は、第２の電荷量モニタ部１６と電流計１１とで構成している。
【００２３】
携帯用燃料電池１を電源として用いる機器回路６は、機器電流検出部１８を備えている。機器電流検出部１８は、機器回路６の消費電流を検出し、機器回路６の機器状態信号を携帯用燃料電池１に出力している。機器回路６の状態信号は、待機モード、稼働モード、停止モードの３つの状態信号がある。
また機器回路６は、携帯用燃料電池１から出力される機器回路制御信号によって機器状態を制御することができる。機器回路制御信号には、機器回路の電源をオフする第１の制御信号と、機器回路を待機モードに切り換える第２の制御信号とを有する。なお、機器電流検出部１８は、携帯用燃料電池１の出力端子に備えても同様な機能を果たすことができる。機器電流検出部１８は、機器回路６の図示しない電源の電流を計測する図示しない電流計と、機器回路６の図示しない制御回路とから構成されている。
【００２４】
次に、携帯用燃料電池１の動作について説明する。
まず図２を参照して機器回路６の待機モードのときについて説明する。機器電流検出部１８は、機器電流を計測し、機器回路６が待機モードであると判断したとき、燃料電池制御部１７に機器待機信号を送る。燃料電池制御部１７は、第３のスイッチ８をオンして燃料電池２から機器回路６へ電流を供給する。このときは機器回路６の待機モード電流より燃料電池の出力は大きくなっている。
さらにこのとき機器電流検出部１８は、充放電制御部１２に機器待機信号を送る。充放電制御部１２は、二次電池３の充電状態を検知し、満充電でないとき、第１のスイッチ５をオンして燃料電池２から二次電池３へ充電電流を流して充電する。第２の電荷量モニタ部１６は、充電電流を計測し、その充電電流を時間積分して二次電池容量値を算出する。充放電制御部１２は、この充電の途中で第１のスイッチ５を一時オフして無負荷端子間電圧を計測し、その無負荷端子間電圧と満充電検出電圧値と比較する。その無負荷端子間電圧が満充電検出電圧を超えたとき満充電状態と判断する。引き続き第２の電荷量モニタ部１６は、記憶している満充電容量値と時間積分した二次電池容量値とを比較し、二次電池容量値が記憶している満充電容量値から所定の偏差以内にあるとき満充電状態と判定する。満充電状態と判定されたとき、第１のスイッチ５をオフする。
【００２５】
次に、図３を参照して機器回路の稼働モードのときについて説明する。機器電流検出部１８は、燃料電池２が発電している電流以上に機器回路６の電流が大きいとき、充放電制御部１２と燃料電池制御部１７に機器稼働信号を送る。充放電制御部１２は、第２のスイッチ７をオンして機器回路６に電流を供給する。燃料電池制御部１７も第３のスイッチ８をオンして機器回路６に電流を供給する。充放電制御部１２は、この放電の途中で第２のスイッチ７を一時オフして無負荷端子間電圧を計測し、その無負荷端子間電圧と放電終期検出電圧値と比較する。その無負荷端子間電圧が放電終期検出電圧値以下のとき放電終期状態と判断する。放電終期状態と判断したとき、第２の電荷量モニタ部１６は、二次電池からの放電電流を時間積分した電荷量から満充電容量値を減算し所定の偏差内のとき放電終期と判定する。所定の偏差内に入らないとき図示しない異常ランプを点滅する。放電終期と判定されたとき、充放電制御部１２は、第２のスイッチ７をオフして機器回路６への電流供給をストップする。燃料電池２の発電電流が機器回路６の消費電流より少なくなったとき、充放電制御部１２は、第１のスイッチ５をオンして充電を開始する。充電終了は待機モードのときと同様である。
【００２６】
最後に、図４を参照して機器回路の停止モードについて説明する。機器電流検出部１８は、機器回路６の電源がオフされ、電流が流れていないと判断したとき、充放電制御部１２に電源停止信号を送る。充放電制御部１２は、二次電池３の充電状態を検知し、満充電でないとき、第１のスイッチ５をオンして燃料電池２から二次電池３へ充電電流を流して充電する。
【００２７】
このように二次電池の無負荷端子間電圧に基づいて満充電容量を充電毎に補正すると、充放電を多数回繰り返すことによる満充電容量の減少を考慮することができる。たとえば、新品の満充電容量に比べて多数回の充放電を繰り返した後では満充電容量は半分程度に減少するが、無負荷端子間電圧から満充電状態と判断し、そのときの二次電池容量を満充電容量と校正するので、放電しすぎることはない。
【００２８】
また、充電および放電の途中において一時電流を遮断して無負荷端子間電圧を計測するので、二次電池の劣化などの影響を排除して正確に容量を求めることができる。また、機器回路の消費電流の大小による端子間電圧の変動の影響をなくすことができ、過充電に至ることがない。
【００２９】
また、燃料電池への電流流入を防止できるので、燃料電池の電極の劣化を防ぐことができる。
【００３０】
なお、二次電池としてリチウムイオン電池を例にとって説明してきたが、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池などを燃料電池に並列に接続したときも同様に二次電池の劣化を防止することができる。ニッケルカドミウム電池およびニッケル水素電池の端子間電圧の満充電と放電終期との差は０．３Ｖ位であるが、高精度な電圧計を用いることで、無負荷端子間電圧から容量を推定することができる。
【００３１】
また、ニッケルカドミウム電池およびニッケル水素電池の満充電で観察される端子間電圧の減少（−ΔＶ）または電池温度の急上昇（ΔＴ）などを合わせて充放電制御に用いても同様な効果が得られる。
【００３２】
実施の形態２．
図５、６は、この発明の実施の形態２の携帯用燃料電池の斜視図である。この携帯用燃料電池１は、燃料電池２と、燃料電池２に並列に接続された二次電池３と、燃料電池用燃料を蓄えた燃料部２１と、燃料電池２と二次電池３とを制御する制御回路の一部の回路２２とを有している。 図５は、制御回路の一部の回路２２がシリコン基板２３の燃料電池セル２４が設けられた面に形成した携帯用燃料電池１の斜視図である。図６は、燃料電池セル２４が設けられた面の反対面に制御回路の一部の回路２２が形成された携帯用燃料電池の斜視図である。
【００３３】
燃料電池セル２４は、図示しないプロトン交換膜を２枚のシリコン基板２３で挟んだ構造である。シリコン基板２３の表面に、マイクロマシン技術で燃料の通路を設け、その通路を介して水素と酸素を運ぶ。シリコン基板２３の表面のうち、通路の土手部分に導電率が大きな集電層を形成し、その集電層はシリコン基板２３の端部に設けられたパッドに接続されている。そのパッドを介してシリコン基板２３の外部に発電した電荷が引き出される。さらに集電層の表面を触媒層が被覆している。触媒層は、カーボン粉末と白金系の触媒との混合物からなっている。２枚のシリコン基板２３は、それらの表面に備えられた触媒層が対面するようにしてプロトン交換膜を挟んでいる。
【００３４】
燃料部２１は、メタノールのような液体燃料または水素のような気体燃料を保持している。燃料電池２の酸素燃料は空気中から直接燃料電池セル２４に供給している。
【００３５】
制御回路の一部の回路２２は、シリコン基板２３上の燃料電池セル２４の形成されていない部分に半導体技術を用いて形成している。制御回路の一部の回路２２は、第１、第２、第３のスイッチであるＭＯＳＦＥＴと、逆流防止手段であるダイオードと、電流計である低抵抗の抵抗器およびＡ／Ｄ変換ＩＣと、電圧計であるＡ／Ｄ変換ＩＣとを有している。なお、マイクロコンピュータも同様に半導体技術を用いて同一シリコン基板上に形成してもよい。
【００３６】
そこで、燃料電池セルをマイクロマシン技術で作成するとスペース効率が上がる。さらに、シリコン基板を用いて燃料電池セルを作成すると、同一シリコン基板上に半導体回路を形成することが可能となるため、ダイオードやトランジスタなど制御回路を容易に作成することが可能である。このようにすると制御回路の体積は小さくなるため、燃料電池の燃料部を大きくできる。また、二次電池の体積を増加させることができる。その結果、使用時間が延びたり、最大出力パワーを増加させたりすることができる。
【００３７】
このような携帯用燃料電池は、燃料電池のセパレータをシリコン基板にマイクロマシン技術で加工しているので、制御回路もシリコン基板上に作成することができ、制御回路の体積は小さくなる。そのため、燃料電池の燃料を増やしたり、二次電池の体積を増加させることができる。その結果、使用時間が延びたり、最大出力パワーを増加させたりすることができる。
【００３８】
保護回路はセルの表面（空気極側）に形成しても良いし、裏側（燃料側）に形成しても良い。裏側に形成すると空気極の面積を増加させることができるため、燃料電池の出力を増加させることが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
この発明に係わる携帯用燃料電池の効果は、電気負荷に直列に接続した燃料電池と、燃料電池に並列に接続した二次電池と、燃料電池、二次電池および電気負荷のそれぞれに対する接続を切換えるスイッチ手段と、二次電池の端子間電圧に基づいて二次電池の過充電または過放電状態を検出したとき、スイッチ手段を制御して二次電池を燃料電池と電気負荷とから切り離して二次電池の過充電または過放電を防止する過充電・過放電防止手段とを有するので、二次電池の過充電・過放電を防止し、かつ燃料電池への電流流入を防止できるので、二次電池および燃料電池の劣化を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の携帯用燃料電池の構成を示す図である。
【図２】機器回路が待機モードのときの携帯用燃料電池の動作図である。
【図３】機器回路が稼働モードのときの携帯用燃料電池の動作図である。
【図４】機器回路が停止モードのときの携帯用燃料電池の動作図である。
【図５】この発明の実施の形態２の携帯用燃料電池の斜視図である。
【図６】この発明の実施の形態２の別の携帯用燃料電池の斜視図である。
【符号の説明】
１ 携帯用燃料電池、２ 燃料電池、３ 二次電池、４ 制御回路、５、７、８ スイッチ、６ 機器回路、９ 電圧計、１０、１１ 電流計、１２ 充放電制御部、１３ 電池容量推定部、１４ 過充電・過放電防止部、１５、１６ 電荷量モニタ部、１７ 燃料電池制御部、１８ 機器電流検出部、１９ 逆流防止手段、２０ 容量センサ、２１ 燃料部、２２ 制御回路の一部の回路、２３ シリコン基板、２４ 燃料電池セル。

Claims (5)

1. 電気負荷に直列に接続した燃料電池と、
   上記燃料電池に並列に接続した二次電池と、
   上記燃料電池、上記二次電池および上記電気負荷のそれぞれに対する接続を切換えるスイッチ手段と、
   上記二次電池の端子間電圧に基づいて上記二次電池の過充電または過放電状態を検出したとき、上記スイッチ手段を制御して上記二次電池を上記燃料電池と上記電気負荷とから切り離して上記二次電池の過充電または過放電を防止する過充電・過放電防止手段とを有することを特徴とする携帯用燃料電池。
2. 上記燃料電池と上記二次電池との間に接続され、上記二次電池から上記燃料電池へ流れる電流を防止する逆流防止手段を有することを特徴とする請求項１に記載の携帯用燃料電池。
3. 上記スイッチ手段を制御して上記燃料電池と上記電気負荷とから上記二次電池を切り離し、切り離された上記二次電池の端子間電圧に基づいて上記二次電池の電池容量を推定する電池容量推定手段と、
   推定された上記電池容量に基づき、上記燃料電池と接続して上記二次電池に充電し、または上記電気負荷と接続して上記二次電池から放電するように上記スイッチ手段を切換える充放電制御手段とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の携帯用燃料電池。
4. 上記二次電池に流れる電流を積算して電荷量を求める電荷量モニタ手段を有し、
   上記電池容量推定手段は、上記電荷量に基づいて上記電池容量を補正し、
   上記充放電制御手段は、補正された上記電池容量があらかじめ設定された閾値より小さくなったとき、上記二次電池からの放電を中止し、上記燃料電池から上記二次電池に充電するように上記スイッチ手段を切換えることを特徴とする請求項３に記載の携帯用燃料電池。
5. シリコン基板上に設けられた燃料電池用セルを有し、
   上記スイッチ手段、上記過充電・過放電防止手段、上記逆流防止手段、上記電池容量推定手段、上記充放電制御手段および上記電荷量モニタ手段のうち少なくとも１つを、上記シリコン基板上に設けたことを特徴とする請求項４に記載の携帯用燃料電池。

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