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JP2005108711A - 電池ユニットおよび電力供給制御方法 - Google Patents

電池ユニットおよび電力供給制御方法 Download PDF

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明弘 尾関
Koji Nakamura
浩二 中村
Nobuo Shibuya
信男 渋谷
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Abstract

【課題】無負荷時に電圧が高くなる問題に柔軟に対処できるようにする。
【解決手段】スイッチＳ１は、ＤＭＦＣセルスタック２５５の出力端と負荷５０との間に設けられる。一方、スイッチＳ２及び抵抗器Ｒ１は、ＤＭＦＣセルスタック２５５の出力端とグランドとの間に直列に設けられる。マイコン２１は、ＤＭＦＣセルスタック２５５のウォームアップ処理においては、一定時間、スイッチＳ２とスイッチＳ１とが共に接続状態となるように制御し、ＤＭＦＣセルスタック２５５の定常状態においては、前記スイッチＳ２が非接続状態となるように制御する。また、ＤＭＦＣセルスタック２５５のシャットダウン処理においては、一定時間、スイッチＳ２とスイッチＳ１のスイッチとが共に接続状態となるように制御し、ＤＭＦＣセルスタック２５５の停止時には、スイッチＳ１とスイッチＳ２とが共に非接続状態となるように制御する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、例えばダイレクト・メタノール方式の燃料電池を有する電池ユニットおよび電力供給制御方法に関する。
近年、例えばＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などと称される携帯情報端末やデジタルカメラなど、バッテリにより駆動可能な携帯型の電子機器が種々開発され、広く普及している。
また、最近、環境問題が大きな注目を集めており、環境に配慮したバッテリ開発も盛んに行われている。そして、この種のバッテリとして、ダイレクト・メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）が良く知られている。
このＤＭＦＣは、燃料として与えられるメタノールと酸素を反応させ、その化学反応により電気エネルギーを得るものであり、多孔性金属または炭素からなる２つの電極が電解質をはさんだ構造をもつ。そして、このＤＭＦＣは、有害な廃棄物を発生させないため、その実用化が強く求められている。
また、ＤＭＦＣには、単位面積（体積）あたりの出力を上げるために、送液・送風ポンプなどの補機が備えられているものがある。このタイプのＤＭＦＣの起動時にはこれらの補機を駆動する必要があるため、一般に、ＤＭＦＣにはリチウム電池などの２次電池が設けられている。
なお、ＤＭＦＣの技術に関しては、非特許文献１などに開示されている。
池田宏之助著「燃料電池のすべて」株式会社日本実業出版社、２００１年８月２０日、ｐ２１６−２１７
ところで、ＤＭＦＣに設けられるセルは、無負荷時においては電圧が高くなるため、複数のセルをスタックにして使用する際には、高耐圧の部品を使用する必要が生じる。
しかしながら、高耐圧の部品は一般にコスト高であり、コンデンサについては同サイズの部品に対して耐圧が大きいほど容量は低下してしまうという問題がある。
また一方で、ＤＭＦＣのインピーダンスは非常に大きく、急負荷変動に対処するために大きな容量成分が必要となることが知られている。必要な容量を確保しようとすると、コストや部品面積が増加してしまうという問題がある。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、無負荷時に電圧が高くなる問題に柔軟に対処することのできる電池ユニットおよび電力供給制御方法を提供することを目的とする。
本発明に係る電池ユニットは、化学反応により発電可能な燃料電池と、前記燃料電池の出力端と負荷との間に設けられる第１のスイッチと、前記燃料電池の出力端とグランドとの間に直列に設けられる第２のスイッチ及び抵抗器と、前記燃料電池のウォームアップ処理時において、一定時間、前記第２のスイッチと前記第１のスイッチとが共に接続状態となるように制御する制御手段とを具備することを特徴とする。
また、本発明に係る電力供給制御方法は、化学反応により発電可能な燃料電池における電力供給制御方法であって、前記燃料電池の出力端と負荷との間に第１のスイッチを設けると共に、前記燃料電池の出力端とグランドとの間に第２のスイッチ及び抵抗器を直列に設け、前記燃料電池のウォームアップ処理時において、一定時間、前記第２のスイッチと前記第１のスイッチとが共に接続状態となるように制御することを特徴とする。
電池ユニットにおいて無負荷時に電圧が高くなる問題に柔軟に対処することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電子機器システムの外観を示す図である。
図１に示すように、この実施形態の電子機器システムは、電子機器１と、この電子機器１に着脱自在な燃料電池ユニット２とで構成される。電子機器１は、例えば、内側面にＬＣＤ（Liquid Crystal Display）を配したフタ部がヒンジ機構により開閉自在に本体部に取り付けられたノート型のパーソナルコンピュータであり、燃料電池ユニット２から供給される電力により動作可能である。一方、燃料電池ユニット２は、化学反応により発電可能なＤＭＦＣと、繰り返し充放電可能な２次電池とを内蔵している。
図２は、燃料電池ユニット２の概略構成を示す図である。
図２に示すように、燃料電池ユニット２は、マイコン２１、ＤＭＦＣ２２、２次電池２３、充電回路２４、供給制御回路２５、および操作ボタン２６を有している。
マイコン２１は、この燃料電池ユニット２全体を動作制御するものであり、電子機器１との間で信号を送受信する通信機能を有する。また、マイコン２１は、電子機器１からの指示信号に従ってＤＭＦＣ２２や２次電池２３の動作を制御したり、操作ボタン２６の操作に応じて対応する処理を実行したりする。
ＤＭＦＣ２２は、カートリッジ式の燃料タンク２２１を着脱できるようになっており、この燃料タンク２２１に格納されたメタノールと空気（酸素）とを化学反応させた際に発電される電力を出力する。この化学反応は、セルスタックなどと称される反応部で行われるが、このセルスタックにメタノールと空気とを効率的に送り込むために、このＤＭＦＣ２２は、ポンプなどの補機（補助機構）を備えている。また、このＤＭＦＣ２２は、燃料タンク２２１の装着有無、燃料タンク２２１内のメタノールの残量、補機の稼働状況および現在の出力電力量をマイコン２１に通知する機構を有する。
２次電池２３は、ＤＭＦＣ２２から出力される電力を充電回路２４経由で蓄積し、マイコン２１からの指示に応じて、この蓄積した電力を出力する。また、この２次電池２３は、その放電特性などを示す基本情報を保持するＥＥＰＲＯＭ２３１を備えている。このＥＥＰＲＯＭ２３１は、マイコン２１からアクセスすることができ、また、２次電池２３は、現在の出力電圧値および出力電流値をマイコン２１に通知する機構を有する。そして、マイコン２１は、ＥＥＰＲＯＭ２３１から読み出した基本情報と２次電池から通知される出力電圧値および出力電流値とから２次電池２３のバッテリ残量を算出し、その値を電子機器１へ通知する。なお、ここでは、この２次電池２３は、リチウム電池（ＬＩＢ）であるものと想定する。
充電回路２４は、ＤＭＦＣ２２から出力される電力を用いて２次電池２３を充電するための回路であり、その充電有無はマイコン２１によって制御される。
供給制御回路２５は、ＤＭＦＣ２２および２次電池２３の電力を状況に応じて外部出力するための回路である。
操作ボタン２６は、ＤＭＦＣ２２もしくは燃料電池ユニット２全体の動作停止などを指示するための専用ボタンである。なお、この操作ボタンと同じ機能を、例えば電子機器１側のＬＣＤ画面上でアプリケーションが提示するボタンで実現するようにしてもよいし、電子機器１側の電源ボタンを長押しする（所定時間以上押し続ける）ことで実現するようにしてもよい。
図３は、上記燃料電池ユニット２の燃料循環機構の構成を示す図である。なお、図２と共通する要素には同一の符号を付している。
図３に示すように、ＤＭＦＣ２２は、燃料タンク２２１、燃料ポンプ２２２、混合タンク２２３、送液ポンプ２２４、ＤＭＦＣセルスタック２２５および送風ポンプ２２６から構成される。
燃料タンク２２１のメタノールは、燃料ポンプ２２２により混合タンク２２３に送り込まれて希釈される。そして、この希釈されたメタノールは、送液ポンプ２２４によりＤＭＦＣセルスタック２２５に送り込まれる。また、このＤＭＦＣセルスタック２２５には、送風ポンプ２２６により空気が送り込まれ、この空気中の酸素とメタノール水溶液とが反応して発電が行われる。
前述のマイコン２１は、電子機器１から送信されてくる起動指示信号に応じて燃料ポンプ２２２、送液ポンプ２２４、送風ポンプ２２６やファンなどの補機を２次電池２３の電力により駆動させるための制御を行ったり、ＤＭＦＣセルスタック２２５もしくは２次電池２３から出力される電力が電子機器１へ供給されるよう供給制御回路２５を制御したりする。また、マイコン２１は、電子機器１から送信されてくる停止指示信号に応じて、ＤＭＦＣ２２の動作を停止させる前に２次電池２３の充電を行うための制御を行ったりする。
一方、図４は、電子機器１の概略構成を示す図である。
図４に示すように、電子機器１は、ＣＰＵ１１、ＲＡＭ（主メモリ）１２、ＨＤＤ１３、ディスプレイコントローラ１４、キーボードコントローラ１５および電源コントローラ１６がシステムバスに接続される。
ＣＰＵ１１は、この電子機器１全体の動作制御を司るものであり、ＲＡＭ１２に格納された各種プログラムを実行する。ＲＡＭ１２は、この電子機器１の主記憶となるメモリデバイスであり、ＣＰＵ１１によって実行される各種プログラムとこれらのプログラムに用いられる各種データとを格納する。一方、ＨＤＤ１３は、この電子機器１の外部記憶となるメモリデバイスであり、ＲＡＭ１２の補助装置として各種プログラムや各種データを大量に格納する。
ディスプレイコントローラ１４は、この電子機器１におけるユーザインタフェースのアウトプット側を担うものであり、ＣＰＵ１１が作成した画像データをＬＣＤ１４１に表示制御する。一方、キーボードコントローラ１５は、この電子機器１におけるユーザインタフェースのインプット側を担うものであり、キーボード１５１やポインティングデバイス１５２の操作を数値化し、内蔵するレジスタを介してＣＰＵ１１に引き渡す。
電源コントローラ１６は、この電子機器１内の各部に対する電力供給を制御するものであり、燃料電池ユニット２からの電力供給を受ける受電機能と、燃料電池ユニット２との間で信号を送受信する通信機能とを有する。この電源コントローラ１６との間で信号を送受信する燃料電池ユニット２側の相手は、図２及び図３に示したマイコン２１である。
（セルの電圧・電流特性）
図５は、前述のＤＭＦＣ２２における単セルの電圧・電流特性を示す図である。
この図からわかるように、定常的に動作するときの単セルの電圧０．４Ｖ程度と、無負荷時の単セルの電圧０．８Ｖ程度との間には、２倍以上の隔たりがある。通常は、複数のセルをスタックにして使用するため、無負荷時の電圧が高くなってしまう。例えば、２０セルスタックの場合、ＰＣ動作中には８Ｖ程度の電圧となるが、無負荷時には１６Ｖ以上になってしまい、高耐圧の部品を使用する必要が生じる。
しかしながら、前述したように、高耐圧の部品は一般にコスト高であり、コンデンサについては同サイズの部品に対して耐圧が大きいほど容量は低下してしまう。また、急負荷変動に対処するために大きな容量成分が必要となるが、必要な容量を確保しようとすると、コストや部品面積が増加してしまうという問題がある。本実施形態では、このような問題を解決する電力供給制御の手法を示す。
（電力供給制御のための構成）
図６に、ＤＭＦＣセルスタック２５５の電力供給制御に関わる構成を示す。なお、図１〜図３と共通する要素には同一の符号を付している。また、負荷５０は、例えば前述の電子機器１に相当するものである。
供給制御回路２５は、第１の開閉スイッチＳ１、第２の開閉スイッチＳ２、及び抵抗器Ｒ１を有する。
スイッチＳ１は、ＤＭＦＣセルスタック２５５の出力端と負荷５０との間に設けられる。一方、スイッチＳ２及び抵抗器Ｒ１は、ＤＭＦＣセルスタック２５５の出力端とグランドとの間に直列に設けられる。
マイコン２１は、スイッチＳ１及びスイッチＳ２を所定のシーケンスで切り替え制御する。例えば、マイコン２１は、ＤＭＦＣセルスタック２５５のウォームアップ処理においては、一定時間、スイッチＳ２とスイッチＳ１とが共に接続状態（閉）となるように制御し、ＤＭＦＣセルスタック２５５の定常状態においては、前記スイッチＳ２が非接続状態（開）となるように制御する。また、マイコン２１は、ＤＭＦＣセルスタック２５５のシャットダウン処理においては、一定時間、スイッチＳ２とスイッチＳ１のスイッチとが共に接続状態（閉）となるように制御し、ＤＭＦＣセルスタック２５５の停止時には、スイッチＳ１とスイッチＳ２とが共に非接続状態（開）となるように制御する。
このように、図６の構成では、ＤＭＦＣセルスタック２５５の出力電流の一部をグランドへ引き抜く引き抜き抵抗（即ち、抵抗器Ｒ１）を設けている。一般に、ＤＭＦＣの電圧・電流特性においては、負荷への電流を低減すると、電圧が０．６Ｖ程度まで急激に低下する。すなわち、最大負荷の１／１０以下の電流を引き抜き抵抗でグランドへ引き抜くことにより、電圧上昇を抑えることができる。但し、負荷への電力供給時には、引き抜き抵抗による電力損失が問題となる。そこで、スイッチＳ２を設けることにより、電力供給時には電流の引き抜きを停止して、電力損失を防止するようにしている。
（電力供給制御のシーケンス）
図７に、ＤＭＦＣセルスタック２５５の電力供給制御のシーケンスを示す。
ＤＭＦＣセルスタック２５５の停止時には、スイッチＳ１とスイッチＳ２とは共に非接続状態となっている（ステップＡ１）。
発電開始要求があると、負荷への電力供給を行うためにウォームアップ処理が開始される。このとき、まずスイッチＳ２が非接続状態から接続状態となり（ステップＡ２）、一定時間経過後にスイッチＳ１が非接続状態から接続状態となる（ステップＡ３）。これにより、負荷への電力供給が開始される。ステップＡ２とステップＡ３との時間間隔は、燃料の濃度条件やメタノールの浸透状態に応じて決定される。そして、一定時間、スイッチＳ２とスイッチＳ１とが共に接続状態となるが、一瞬でも無負荷状態にならないようにする。この期間の後、スイッチＳ２が接続状態から非接続状態となり（ステップＡ４）、定常状態に入る。
ここで発電停止要求があると、負荷への電力供給を停止するためにシャットダウン処理が開始される。このとき、まずスイッチＳ２が非接続状態から接続状態となり（ステップＡ５）、一定時間、スイッチＳ２とスイッチＳ１とが共に接続状態となる。そして、この一定時間経過後にスイッチＳ１が接続状態から非接続状態となり（ステップＡ６）、負荷への電力供給が停止される。この後、スイッチＳ２が接続状態から非接続状態となり（ステップＡ７）、停止状態に入る。
このように本実施形態によれば、ＤＭＦＣセルスタックのウォームアップ処理およびシャットダウン処理において、ＤＭＦＣセルスタック出力電流の一部をグランドへ引き抜く制御を行うことにより、無負荷時に電圧が高くなる問題に柔軟に対処できる。また、電力供給時には電流の引き抜きを停止する制御を行うことにより、電力損失を防止できる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明の一実施形態に係る電子機器システムの外観を示す図。 燃料電池ユニットの概略構成を示す図。 燃料電池ユニットの燃料循環機構の構成を示す図。 電子機器の概略構成を示す図。 ＤＭＦＣにおける単セルの電圧・電流特性を示す図。 ＤＭＦＣセルスタックの電力供給制御に関わる構成を示す図。 ＤＭＦＣセルスタックの電力供給制御のシーケンスを示す図。
符号の説明
１…電子機器、２…燃料電池ユニット、３…メインバッテリ、２１…マイコン、２２…ＤＭＦＣ、２３…２次電池、２４…充電回路、２５…供給制御回路、２６…操作ボタン、５０…負荷、１４１…ＬＣＤ、１５１…キーボード、１５２…ポインティングデバイス、２２１…燃料タンク、２２２…燃料ポンプ、２２３…混合タンク、２２４…送液ポンプ、２２５…ＤＭＦＣセルスタック、２２６…送風ポンプ、２３１…Ｅ２ＰＲＯＭ、Ｓ１，Ｓ２…スイッチ、Ｒ１…抵抗器。

Claims (12)

  1. 化学反応により発電可能な燃料電池と、
    前記燃料電池の出力端と負荷との間に設けられる第１のスイッチと、
    前記燃料電池の出力端とグランドとの間に直列に設けられる第２のスイッチ及び抵抗器と、
    前記燃料電池のウォームアップ処理時において、一定時間、前記第２のスイッチと前記第１のスイッチとが共に接続状態となるように制御する制御手段と、
    を具備することを特徴とする電池ユニット。
  2. 前記制御手段は、前記ウォームアップ処理時において、前記第２のスイッチが非接続状態から接続状態に切り替わった後に、前記第１のスイッチが非接続状態から接続状態に切り替わるように制御する手段を含むことを特徴とする請求項１記載の電池ユニット。
  3. 前記制御手段は、定常状態において、前記第２のスイッチが非接続状態となるように制御する手段を含むことを特徴とする請求項１記載の電池ユニット。
  4. 前記制御手段は、前記燃料電池のシャットダウン処理時において、一定時間、前記第２のスイッチと前記第１のスイッチとが共に接続状態となるように制御する手段を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電池ユニット。
  5. 前記制御手段は、前記燃料電池のシャットダウン処理時において、前記第２のスイッチが非接続状態から接続状態に切り替わった後に、前記第１のスイッチが接続状態から非接続状態に切り替わるように制御する手段を含むことを特徴とする請求項４記載の電池ユニット。
  6. 前記制御手段は、前記燃料電池の停止時において、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとが共に非接続状態となるように制御する手段を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電池ユニット。
  7. 化学反応により発電可能な燃料電池における電力供給制御方法であって、
    前記燃料電池の出力端と負荷との間に第１のスイッチを設けると共に、前記燃料電池の出力端とグランドとの間に第２のスイッチ及び抵抗器を直列に設け、
    前記燃料電池のウォームアップ処理時において、一定時間、前記第２のスイッチと前記第１のスイッチとが共に接続状態となるように制御する、
    ことを特徴とする電力供給制御方法。
  8. 前記燃料電池のウォームアップ処理において、前記第２のスイッチが非接続状態から接続状態に切り替わった後に、前記第１のスイッチが非接続状態から接続状態に切り替わるように制御することを特徴とする請求項７記載の電力供給制御方法。
  9. 定常状態において、前記第２のスイッチが非接続状態となるように制御することを特徴とする請求項７記載の電力供給制御方法。
  10. 前記燃料電池のシャットダウン処理において、一定時間、前記第２のスイッチと前記第１のスイッチとが共に接続状態となるように制御することを特徴とする請求項７又は８に記載の電力供給制御方法。
  11. 前記燃料電池のシャットダウン処理において、前記第２のスイッチが非接続状態から接続状態に切り替わった後に、前記第１のスイッチが接続状態から非接続状態に切り替わるように制御することを特徴とする請求項１０記載の電力供給制御方法。
  12. 前記燃料電池の停止時には、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとが共に非接続状態となるように制御することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の電力供給制御方法。
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