JP2005310740A - 燃料電池用電源システム及び電子機器、並びに電力供給方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 電圧変換回路130及び整流回路150を備え、燃料電池110の最大出力電力に対応する出力電圧である設定電圧115を基準として燃料電池の出力電圧を変換して切替用電圧134を生成し、該切替用電圧と2次電池120の出力電圧121とを上記整流回路を通して少なくとも一方を出力するように構成した。よって、燃料電池の電力を最大限に利用する状態で燃料電池と2次電池との並行運転が可能となる。
【選択図】図1
Description
しかしながら、固体高分子形燃料電池において、水素ガスは容積エネルギー密度が低く燃料タンクの体積を大きくする必要があることや、燃料ガス及び酸化ガスを発電装置に供給するための装置、及び電池性能を安定化するための加湿装置、等の補器が必要であることから、発電装置が大型になり、固体高分子形燃料電池は携帯機器用電源としては適さない。そこで、メタノールから直接プロトンを取り出すことにより発電を行う直接型メタノール燃料電池(DMFC)の開発も進められている。
上記直接型メタノール燃料電池は、次式のような反応で発電が行われる。
アノード極 CH3OH+H2O → 6H++6e−+ CO2
カソード極 6H++6e−+3/2O2 → 3H2O
即ち、アノード極では、白金、ルテニウムを含む触媒反応で、メタノールと水とが反応し、水素イオンと電子と二酸化炭素が生成され、電子はアノード極より外部に電力として出力され、水素イオンはイオン透過膜を通りカソード極側に伝導する。カソード極では、水素イオンがカソード極から電子の供給を受け、空気中の酸素と反応し水が生成される。このとき、発電部の温度は、イオン交換膜の特性の許す限り高温で、つまり60℃〜80℃ぐらいの範囲の温度で、高湿度において、上記DMFCの効率が良い。
これらの分極は、アノード極及びカソード極で発生し、これらの問題解決のために材料的な開発が進められている。改善はされているものの、例えばDMFCの理想起電力が1.21Vで理論効率が97%であっても、実用レベルでは内部電圧降下のため、0.3V程度しか得られていないのが実状である。
又、燃料電池の特徴として、燃料の供給、空気の循環等にポンプなどの補器を使用する方式が現実的であり、安定動作及び終了動作が行える。逆に、起動時には、空気及び燃料を電池セルに供給しなければ発電が開始しないという欠点もある。一度発電が開始されれば自己の発電電力で上記ポンプ等の補器への電力供給は可能となるが、起動時又は終業時には他の補助電源、一般的には充電可能な2次電池、が必要である。
第2の電源と燃料電池とを並行運転する例が下記の特許文献1、2に開示されているが、いずれも安定した電力供給を目的としたもので、燃料電池における最大限の発電能力を引き出す構成ではない。
ところが燃料電池では、運転中に瞬間的にでも過度に負荷電流を出力した場合、電解質膜及び電極接合体(MEA)に損傷を与え、ある負荷電流以上で急激な電圧降下を生じる。こうなると、たとえ負荷を軽減しても燃料電池は初期出力を回復せず、破壊してしまうという特性がある。よって燃料電池では、最適負荷電流以上に出力電流を取り出そうとしても、出力電圧が低下して最大電力以上を取り出すことができない。この点を考慮して出力特性に余裕を持って燃料電池を設計すると、形状が過大となり小型軽量化の支障となる。
又、リチウムイオン2次電池では、大電力を取り出したときでも電池の出力可能な容量は一定である。ただ、電池寿命は短くなる。又、リチウムイオン電池でも、その放電容量を十分に出し切ってしまうと、出力電圧も放電終止電圧と呼ばれる電圧まで降下してしまう。例えば1セル当たりの最大充電電圧4.3Vに対して、2.3V以下での過放電は材料特性上、禁止されており、機器側における使用電圧も4.2〜3.0Vの範囲となる。
本発明は、上述した諸問題を解決するためになされたもので、小型で、燃料電池及び2次電池から効率的に出力電力を取り出せる燃料電池用電源システム、該燃料電池用電源システムを備えた電子機器、及び上記燃料電池用電源システムにおける電力供給方法を提供することを目的とする。
即ち、本発明の第1態様における燃料電池用電源システムによれば、発電を行い負荷部へ電力供給を行う燃料電池と、
上記燃料電池の出力電力を補完し上記負荷部へ電力供給する2次電池と、
上記燃料電池の出力側と上記負荷部との間に接続され、上記負荷部に対して上記燃料電池及び上記2次電池の少なくとも一方から電力供給を行うことを決定するために用いる切替用電圧を設定するため、設定電圧を基準として上記燃料電池の出力電圧を変換して上記切替用電圧の設定を行う電圧変換回路と、
上記電圧変換回路の出力側及び上記2次電池の出力側と上記負荷部との間に接続され、上記電圧変換回路の出力電圧に相当する上記切替用電圧が上記2次電池の出力電圧を超えるときには上記燃料電池から上記電圧変換回路を通して上記負荷部へ電力供給を行い、上記切替用電圧が上記2次電池の出力電圧に等しいときには上記2次電池から、及び上記電圧変換回路を通して上記燃料電池から並行して上記負荷部へ電力供給を行い、上記切り換え電圧が上記2次電池の出力電圧未満のときには上記2次電池から上記負荷部へ電力供給を行う整流回路と、
を備えたことを特徴とする。
尚、2次電池としては、例えばリチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等が使用可能である。
第2電力を発生する2次電池と、
上記燃料電池の出力に接続され、上記燃料電池の出力電圧レベルと第1規定値及び第2規定値とを比較し、かつ上記燃料電池出力電圧レベルが上記第1規定値以下になったとき上記燃料電池の発電を停止し、かつ上記燃料電池出力電圧レベルと上記第2規定値との比較に基づき上記燃料電池及び上記2次電池の出力電力を決定する燃料電池コントローラと、
を備えたことを特徴とする。
上記燃料電池用電源システムの一例として、図1に示す燃料電池用電源システム101では、水素及び酸素を用いて発電を行い負荷部210へ電力供給を行う燃料電池110と、燃料電池110の出力電力を補完し負荷部210へ電力供給を行う2次電池120と、燃料電池110の出力側と2次電池120との間に接続される電圧変換回路130と、電圧変換回路130の出力側及び2次電池120の出力側と負荷部210との間に接続される整流回路150とを備える。尚、電圧変換回路130及び整流回路150の部分が燃料電池コントローラに該当する。
又、燃料電池用電源システム101及び負荷部210にて電子機器201、例えば図8に示すようなノート型のパーソナルコンピュータを構成することができる。この場合、パーソナルコンピュータ本体内には、2次電池120、電圧変換回路130、整流回路150、及び負荷部210が備わり、燃料電池110は、上記パーソナルコンピュータ本体に着脱可能なように構成できる。
一般的に燃料電池では、単体では図3に示すように、負荷部210へ供給する電流が増加するに従い、燃料電池110の出力電圧111は、低下して行くことから、燃料電池110から取り出せる最大出力電力112が存在する。本実施形態では、最大出力電力112を取り出せるのは、上記出力電圧111が10.4Vで、1.6A供給時であり、最大出力電力112は、16.6Wである。このように燃料電池110は、出力(負荷)電流に応じて電圧降下を生じるために、上記最大出力電力112に対応した特定の出力電圧が存在し、該特定電圧以上でも以下でも取り出しうる出力電力113は低下する。後述するように本実施形態では、最大出力電力112に対応した上記特定の出力電圧を設定電圧115とする。又、該設定電圧115は、第1規定値の機能を果たす一例に相当する。
これらの特性は、DMFCの一般的な性質であって、一つの上記MEAで構成される発電セルを直列接続した場合、接続数分だけ加算した電圧にて破壊電圧114となる。又、このような燃料電池110の出力管理は、取り出す電流値ではなく、電圧値が敏感に反応するため、出力電圧111を管理するのが有効である。
リチウムイオン電池単体の場合であって、負荷が2Wで一定であるときの放電特性を示す図5に示すように、リチウムイオン電池においても、最大負荷容量まで便用すると、出力電圧121は降下し、3.0Vの放電終止電圧122が当該リチウムイオン電池の限界電圧である。放電終止電圧122を超えて放電を続けると、リチウムイオン電池にあっても非可逆反応が起こり、電池の破壊につながる。
上述したように燃料電池110の出力電圧111には、燃料電池110の最大電力112に対応した特定の出力電圧が存在することから、本実施形態では、図3に示すように、上記最大出力電力112に対応する、燃料電池110の上記特定の出力電圧を上記設定電圧115としている。本実施形態の場合、具体的には、設定電圧115は、10.4Vである。
このように、電圧設定部132は、第1トランジスタ1322のスイッチングのオン、オフを行い、上記平滑化を行う。平滑された電圧が電圧変換回路130の出力電圧、つまり図6に示す切替用電圧134となる。
このように構成される電圧検知部131、並びに電圧設定部132及び帰還部133は、次のように機能する。即ち、燃料電池110の最大電力112よりも低い状態、つまり負荷電流が比較的低い状態のときには、燃料電池110の出力電圧111は、上記設定電圧115を超えている。このときには、第2トランジスタ1311のベース電圧は0.6Vを超え、第2トランジスタ1311はオン状態であり、当該電圧検知部131の出力電圧V2は、GNDレベルになる。よって、帰還部133では、帰還電圧V3は、上記出力電圧V2と無関係に、上記出力電圧Voutを抵抗1331で分圧して上記ベース電圧Vbを生成する。尚、本実施形態では、上記出力電圧Voutの設計値8.5Vに対して帰還電圧V3が0.6Vである。よって、電圧設定部132の第3トランジスタ1325は、ベース電圧Vbが0.6Vを超えるとき、つまり上記出力電圧Voutが8.5Vを超えるとき、オン状態となり、電圧設定部132の第1トランジスタ1322のスイッチングが停止する。一方、ベース電圧Vbが0.6V以下のとき、つまり上記出力電圧Voutが8.5V以下のとき、第3トランジスタ1325はオフ状態となり、第1トランジスタ1322のスイッチングが行われる。このようにして、上記出力電圧Voutがほぼ8.5Vに固定される。
又、電圧変換回路130の出力電圧である切替用電圧134と、リチウムイオン電池120の出力電圧121とが等しいときには、電圧変換回路130及びリチウムイオン電池120の両者から電力供給がなされる。
上述の繰り返しになるが、負荷電流が比較的低く燃料電池110の出力電圧111が上記設定電圧115の10.4Vを超える場合には、上述したように、又、図7における燃料電池用電源システム101の出力電圧108の第1部分108aに示すように、燃料電池用電源システム101において、燃料電池110側から負荷部210へ電力供給がなされる。
即ち、燃料電池とリチウムイオン電池とを単にダイオードに並列接続しただけでは、燃料電池の電力を最大限得る状態を保持することはできない。本実施形態では、電圧変換回路130を設け、燃料電池110が最大電力を供給するときの出力電圧を設定電圧115とし、該設定電圧115を基準として燃料電池110の出力電圧111の変換を行い上記切替用電圧134を生成していることから、燃料電池110の出力電力を最大限使用した電力供給が可能である。又、上記垂下特性は、燃料電池110の破壊電圧114に至るまでの間に、電圧変換回路130の出力電圧をリチウムイオン電池120の放電終止電圧122以下に降下させる特性である。よって、燃料電池110の出力電圧が破壊電圧114に至ることはなく、燃料電池110が破壊するのを防止することができる。
上述のリチウムイオン電池120は、充電可能であることから、本第2実施形態の燃料電池用電源システムでは、燃料電池110の出力電力に余裕があるときには、燃料電池110の出力電圧111を用いてリチウムイオン電池120の充電を行う構成を示す。
図2を参照して、上記燃料電池用電源システム102について説明する。
燃料電池用電源システム102では、上述の燃料電池用電源システム101の構成に加えて、リチウムイオン電池120の充電を行うための充電回路160を新たに設けている。又、当該燃料電池用電源システム102の変形例として、さらに出力停止回路170を設けることもでき、図2では出力停止回路170を設けた場合を図示している。尚、図2では、燃料電池110の起動時に使用される補器を駆動するための補器駆動回路190についても図示している。その他の構成については、上述の第1実施形態における構成と変わるところはない。よって、同じ構成部分について、ここでは説明を省略する。
上述のように、燃料電池用電源システム102も例えばノート型のパーソナルコンピュータに設けられる場合、周辺機器、メモリ、ディスプレイ、CPU動作等の作業環境に従い、当該パーソナルコンピュータにて必要となる消費電力は、変動する。よって、燃料電池110の電力供給に余裕が生じたときには、該余裕分の電力にて2次電池を充電することが可能である。そこで燃料電池用電源システム102では充電回路160を設けている。
充電回路160は、2次電池、本実施形態ではリチウムイオン電池120、及び燃料電池110に接続され、上述のようにリチウムイオン電池120の充電を行う回路であり、出力電圧比較回路161と充電切替回路162とを有する。
このような出力電圧比較回路161は、燃料電池110の出力電圧111が設定電圧115つまり本実施形態では10.4Vを超え、かつリチウムイオン電池120の出力電圧121が充電可能電圧124つまり7.6V以下であることを検知したときのみ、充電切替回路162をアクティブにする。
そこで、燃料電池110の出力電圧111が、燃料電池110の最大電力112に達する直前の時点で予め充電モードを中止して、上記交互の電力出力状態に移行するのが好ましい。そのために最大電力112の例えば97%に達したときの燃料電池110の出力電圧111である、図3に示す充電停止電圧116の10.5Vを目安にして充電が停止する設計も可能である。
尚、充電モードに入ったときは、負荷の電子機器を節電モードで動作させることが、よりスムーズな電源システムの動作を確保可能とする。例えば負荷の電子機器がパーソナルコンピュータ等におけるCPU動作が主であれば、例えばその動作クロック周波数自体を低くするとか、映像表示機器であれば、例えば液晶画面の輝度を若干低くすることで、2次電池の充電モードの際の燃料電池の負荷を軽減することができる。よって、燃料電池における充電モードの際の負荷余裕が増し、たとえ充電中に負荷が急増しても電カ供給体制に余裕を生じさせることができる。
上述した第1及び第2の実施形態では、燃料電池110と2次電池120との並行運転を行うものであるために、どちらかの電池が機能不全に陥った場合にはシステムの動作を停止させなければならない。主電源である燃料電池110において、例えば燃料不足や、燃料であるメタノールの沸点に対して動作温度が異常に上昇した場合等の温度要因などで動作不能になったときには、上述したように、本システムでは2次電池120から短期的には電力供給が可能である。しかしながら、2次電池120のリチウムイオン電池の出力電圧121が上記放電終止電圧122以下になるとリチウムイオン電池が破壊され、燃料電池110の動作停止後における補器動作管理が不能になる。例えば燃料関係のバルブの開閉、放熱ファンの動作、残量表示等の動作が不能になる。このような事態を防止するため、2次電池120の放電終止電圧122の直前で本電源システムの出力を負荷部210から切断する手段が重要となる。
よって、上記変形例として図2に示すように、リチウムイオン電池120の出力側と負荷部210との間に、上記出力停止回路170を設けることができる。該出力停止回路170は、2次電池であるリチウムイオン電池120の出力電圧121が当該リチウムイオン電池120における放電終止電圧122を僅かに超える、図4に示す負荷停止電圧125まで低下したことを検出し、該負荷停止電圧125を検出したときにはリチウムイオン電池120から負荷部210への出力を停止する。本変形例では、上記負荷停止電圧125は、約6.2Vに設定している。
又、上述の各実施形態では、2次電池としてリチウムイオン電池を用いたが、これに限定するものではなく、他の補助電池でも実現可能であり、商用電源から作成した直流電源でも置き換えは可能である。
111…出力電圧、112…最大出力電力、114…破壊電圧、
115…設定電圧、116…充電停止電圧、122…放電終止電圧、
123…最大出力電圧、124…充電可能電圧、125…負荷停止電圧、
130…電圧変換回路、131…電圧検知部、132…電圧設定部、
133…帰還部、134…切替用電圧、150…整流回路、
160…充電回路、161…出力電圧比較回路、162…充電切替回路、
170…出力停止回路、
210…リチウムイオン電池。
Claims (12)
- 発電を行い負荷部(210)へ電力供給を行う燃料電池(110)と、
上記燃料電池の出力電力を補完し上記負荷部へ電力供給する2次電池(120)と、
上記燃料電池の出力側と上記負荷部との間に接続され、上記負荷部に対して上記燃料電池及び上記2次電池の少なくとも一方から電力供給を行うことを決定するために用いる切替用電圧(134)を設定するため、設定電圧(115)を基準として上記燃料電池の出力電圧を変換して上記切替用電圧の設定を行う電圧変換回路(130)と、
上記電圧変換回路の出力側及び上記2次電池の出力側と上記負荷部との間に接続され、上記電圧変換回路の出力電圧に相当する上記切替用電圧が上記2次電池の出力電圧を超えるときには上記燃料電池から上記電圧変換回路を通して上記負荷部へ電力供給を行い、上記切替用電圧が上記2次電池の出力電圧に等しいときには上記2次電池から、及び上記電圧変換回路を通して上記燃料電池から並行して上記負荷部へ電力供給を行い、上記切り換え電圧が上記2次電池の出力電圧未満のときには上記2次電池から上記負荷部へ電力供給を行う整流回路(150)と、
を備えたことを特徴とする燃料電池用電源システム。 - 上記電圧変換回路における上記設定電圧は、上記燃料電池の最大出力電力(112)を出力するときの上記燃料電池の電圧であり、
上記燃料電池の出力電圧が上記設定電圧を超えるときには、上記電圧変換回路は、上記2次電池の最大出力電圧(123)を超える電圧に上記燃料電池の出力電圧を変換して上記切替用電圧を設定し、
上記燃料電池の出力電圧が上記設定電圧以下になったとき、当該電圧変換回路の出力電圧を強制的に降下させる垂下特性を上記電圧変換回路は有する、請求項1記載の燃料電池用電源システム。 - 上記電圧変換回路における上記垂下特性は、上記燃料電池の出力電圧が上記設定電圧以下になったときから当該燃料電池の破壊電圧(114)に至るまでの間に、当該電圧変換回路の出力電圧を上記2次電池の放電終止電圧(122)以下に降下させる特性である、請求項2記載の燃料電池用電源システム。
- 上記電圧変換回路は、上記燃料電池の出力電圧を検知する電圧検知部(131)と、上記切替用電圧の設定を行う電圧設定部(132)と、上記電圧設定部から出力される電圧に帰還をかける帰還部(133)とを有し、
上記燃料電池の出力電圧が上記設定電圧を超えたことを上記電圧検知部が検知したときには、上記帰還部による電圧帰還作用により上記電圧設定部は上記燃料電池の出力電圧を上記切替用電圧に設定し、上記燃料電池の出力電圧が上記設定電圧以下になったことを上記電圧検知部が検知したときには、上記帰還部は上記電圧設定部に対して出力を停止させる、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池用電源システム。 - 上記整流回路はダイオードにて形成される、請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池用電源システム。
- 上記燃料電池及び上記2次電池に接続され、充電可能な上記2次電池の充電を行う充電回路(160)をさらに備えた、請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池用電源システム。
- 上記充電回路は、
上記燃料電池及び上記2次電池の出力側に接続され、上記燃料電池の出力電圧と上記設定電圧との比較を行い、かつ上記2次電池の出力電圧と上記2次電池における充電可能電圧(124)との比較を行う出力電圧比較回路(161)と、
上記燃料電池の出力側と上記2次電池の出力側との間に接続され、上記燃料電池の出力電圧が上記設定電圧を超え、かつ上記2次電池の出力電圧が充電可能電圧以下であることを上記出力電圧比較回路が検出したときのみ、上記燃料電池の出力電圧を上記2次電池に印加して上記2次電池の充電を行う充電切替回路(162)と、
を有する請求項6記載の燃料電池用電源システム。 - 上記充電切替回路にて上記2次電池への充電が開始された後、上記出力電圧比較回路は、さらに、上記設定電圧未満の任意電圧値である充電停止電圧(116)を検出し、上記出力電圧比較回路が上記充電停止電圧を検出したときには、上記充電切替回路は、上記2次電池への充電を停止する、請求項7記載の燃料電池用電源システム。
- 上記2次電池の出力側と上記負荷部との間に接続され、上記2次電池の出力電圧が当該2次電池における放電終止電圧(122)を僅かに超える負荷停止電圧(125)まで低下したことを検出し、該負荷停止電圧を検出したときには2次電池から上記負荷部への出力を停止する出力停止回路(170)をさらに備える、請求項1から8のいずれかに記載の燃料電池用電源システム。
- 請求項1から9のいずれかに記載の燃料電池用電源システム(101、102)と、
上記燃料電池用電源システムから電力供給を受ける負荷部(210)と、
を備えたことを特徴とする電子機器。 - 発電を行い負荷部(210)へ電力供給を行う燃料電池(110)と、上記燃料電池の出力電力を補完し上記負荷部へ電力供給する2次電池(120)とを備えた燃料電池用電源システムにおける電力供給方法において、
上記負荷部に対して上記燃料電池及び上記2次電池の少なくとも一方から電力供給を行うことを決定する切替用電圧(134)を、上記燃料電池の出力電圧(111)の一電圧値である設定電圧(115)を基準として上記燃料電池の出力電圧を変換して設定し、
上記燃料電池の出力電圧が上記設定電圧を超えるときには、上記2次電池の最大出力電圧(123)を超える電圧に上記切替用電圧を設定して、上記燃料電池から上記負荷部へ電力供給を行い、
上記燃料電池の出力電圧が上記設定電圧以下になったときには、上記切替用電圧を強制的に降下させて、上記2次電池から上記負荷部へ電力供給を行う、
ことを特徴とする燃料電池用電源システムにおける電力供給方法。 - 第1電力を発生する燃料電池(110)と、
第2電力を発生する2次電池(120)と、
上記燃料電池の出力に接続され、上記燃料電池の出力電圧レベルと第1規定値(115)及び第2規定値(134)とを比較し、かつ上記燃料電池出力電圧レベルが上記第1規定値以下になったとき上記燃料電池の発電を停止し、かつ上記燃料電池出力電圧レベルと上記第2規定値との比較に基づき上記燃料電池及び上記2次電池の出力電力を決定する燃料電池コントローラ(130、150)と、
を備えたことを特徴とする燃料電池用電源システム。
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