(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応により発電可能であって、出力電力の増加とともに出力電圧が低下する特性を有する燃料電池と、
繰り返し充放電可能な２次電池と、
前記燃料電池の出力電圧が第１の電圧値を越えている場合、前記燃料電池からの電力供給のみが行われ、前記燃料電池の出力電圧が前記第１の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池からの電力供給に加えて前記２次電池からの電力供給が開始されるように前記燃料電池および前記２次電池による電力供給を制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする電子機器システム。
【請求項２】
前記燃料電池の出力電圧が前記第１の電圧値よりも小さい第２の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池による電力供給を一時的に停止する第２の制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の電子機器システム。
【請求項３】
化学反応により発電可能であって、出力電力の増加とともに出力電圧が低下する特性を有する燃料電池と、
繰り返し充放電可能な２次電池と、
前記燃料電池の出力電圧が第１の電圧値を越えている場合、前記燃料電池からの電力供給のみが行われ、前記燃料電池の出力電圧が第１の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池からの電力供給に加えて前記２次電池からの電力供給が開始されるように前記燃料電池および前記２次電池を並列接続するダイオードＯＲ回路と、
を具備することを特徴とする電子機器システム。
【請求項４】
前記燃料電池から前記ダイオードＯＲ回路に導かれる電力供給ライン上に設けられ、当該電力供給ラインの接続および切断を切り換え可能なスイッチ回路と、
前記燃料電池の出力電圧が前記第１の電圧値よりも小さい第２の電圧値以下となった場合に、前記電力供給ラインを切断するように前記スイッチ回路を駆動制御する制御手段と、
をさらに具備することを特徴とする請求項３記載の電子機器システム。
【請求項５】
電子機器に着脱自在に設けられ、動作用の電力を前記電子機器に供給可能な電池ユニットにおいて、
化学反応により発電可能であって、出力電力の増加とともに出力電圧が低下する特性を有する燃料電池と、
繰り返し充放電可能な２次電池と、
前記燃料電池の出力電圧が第１の電圧値を越えている場合、前記燃料電池からの電力供給のみが行われ、前記燃料電池の出力電圧が前記第１の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池からの電力供給に加えて前記２次電池からの電力供給が開始されるように前記燃料電池および前記２次電池による電力供給を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。
【請求項６】
前記燃料電池の出力電圧が前記第１の電圧値よりも小さい第２の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池による電力供給を一時的に停止する第２の制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項５記載の電池ユニット。
【請求項７】
前記燃料電池からの電力で前記２次電池を充電する充電手段をさらに具備することを特徴とする請求項５記載の電池ユニット。
【請求項８】
前記第２の制御手段は、前記燃料電池による電力供給を一時的に停止する場合、その旨を電力供給先の電子機器に通知する手段を有することを特徴とする請求項７記載の電池ユニット。
【請求項９】
前記燃料電池は、前記第２の出力電圧値を格納するメモリ装置を具備し、
前記第２の制御手段は、前記第２の出力電圧値を前記燃料電池のメモリ装置から取得することを特徴とする請求項６記載の電池ユニット。
【請求項１０】
表示装置と、
現在の動作状況、燃料の残量および２次電池の残容量のうちの少なくとも１つを前記表示装置に表示する表示制御手段と、
をさらに具備することを特徴とする請求項５記載の電池ユニット。
【請求項１１】
操作ボタンをさらに具備し、
前記表示制御手段は、前記操作ボタンの操作に応じて、前記表示装置に表示する項目を切り換えることを特徴とする請求項１０記載の電池ユニット。
【請求項１２】
電子機器に着脱自在に設けられ、動作用の電力を前記電子機器に供給可能な電池ユニットにおいて、
化学反応により発電可能であって、出力電力の増加とともに出力電圧が低下する特性を有する燃料電池と、
繰り返し充放電可能な２次電池と、
前記燃料電池の出力電圧が第１の電圧値を越えている場合、前記燃料電池からの電力供給のみが行われ、前記燃料電池の出力電圧が第１の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池からの電力供給に加えて前記２次電池からの電力供給が開始されるように前記燃料電池および前記２次電池を並列接続するダイオードＯＲ回路と、
を具備することを特徴とする電池ユニット。
【請求項１３】
前記燃料電池から前記ダイオードＯＲ回路に導かれる電力供給ライン上に設けられ、当該電力供給ラインの接続および切断を切り換え可能なスイッチ回路と、
前記燃料電池の出力電圧が前記第１の電圧値よりも小さい第２の電圧値以下となった場合に、前記電力供給ラインを切断するように前記スイッチ回路を駆動制御する制御手段と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１２記載の電池ユニット。
【請求項１４】
前記燃料電池から供給される電力で前記２次電池を充電する充電手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の電子機器システム。
【請求項１５】
前記第２の制御手段は、前記燃料電池による電力供給を停止する場合、その旨を前記電子機器に通知する手段を有することを特徴とする請求項２記載の電子機器システム。
【請求項１６】
前記燃料電池は、前記第２の出力電圧値を格納するメモリ装置を具備し、
前記第２の制御手段は、前記第２の出力電圧値を前記メモリ装置から取得することを特徴とする請求項２記載の電子機器システム。
【請求項１７】
表示装置と、
現在の動作状況、燃料の残量および２次電池の残容量のうちの少なくとも１つを前記表示装置に表示する表示制御手段と、
をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の電子機器システム。
【請求項１８】
操作ボタンをさらに具備し、
前記表示制御手段は、前記操作ボタンの操作に応じて、前記表示装置に表示する項目を切り換えることを特徴とする請求項１７記載の電子機器システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば可搬型のパーソナルコンピュータなどに適用される電池ユニットの動作制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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（例えば、非特許文献１参照）。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。
【０００５】
【非特許文献１】
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
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このＤＭＦＣは、出力電力量を増やそうとすると、その増加量に比例して、科学反応を行わせるスタック部分の体積を増加させる必要がある。そのため、このＤＭＦＣを電子機器に適用しようとした際、その定格を電子機器の最大電力を満足する値とすると、ＤＭＦＣのサイズは非常に大きなものとなってしまう。特に、携帯情報端末の場合、持ち運び易さが商品価値を左右するため、この問題は重要である。
【０００７】
また、電子機器の通常の使用においては、最大電力を必要とすることはまれであるため、最大消費電力を考慮してDMFCを設計した場合、化学反応を行わせるスタック部分を大きくする必要があり、通常の使用においてはＤＭＦＣのセルの大半が無駄になってしまうという問題もある。
【０００８】
この発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、燃料電池と２次電池とを併用して出力される電力が定格電力となるように構成された電池ユニット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】
前述した目的を達成するために、この発明の電子機器システムは、化学反応により発電可能であって、出力電力の増加とともに出力電圧が低下する特性を有する燃料電池と、繰り返し充放電可能な２次電池と、前記燃料電池の出力電圧が第１の電圧値を越えている場合、前記燃料電池からの電力供給のみが行われ、前記燃料電池の出力電圧が前記第１の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池からの電力供給に加えて前記２次電池からの電力供給が開始されるように前記燃料電池および前記２次電池による電力供給を制御する制御手段と、を具備することを特徴とする。
【００１０】
また、この発明の電池ユニットは、電子機器に着脱自在に設けられ、動作用の電力を前記電子機器に供給可能な電池ユニットにおいて、化学反応により発電可能であって、出力電力の増加とともに出力電圧が低下する特性を有する燃料電池と、繰り返し充放電可能な２次電池と、前記燃料電池の出力電圧が第１の電圧値を越えている場合、前記燃料電池からの電力供給のみが行われ、前記燃料電池の出力電圧が前記第１の電圧値以下となった場合に、前記燃料電池からの電力供給に加えて前記２次電池からの電力供給が開始されるように前記燃料電池および前記２次電池による電力供給を制御する制御手段と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
この発明においては、ＤＭＦＣとリチウムイオン等の２次電池を併用することで、電池ユニットのトータルサイズを小さくすることが可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の一実施形態を説明する。
【００１３】
図１は、この発明の実施形態に係る電子機器の外観を示す図である。
【００１４】
図１に示すように、この実施形態の電子機器１は、携帯型のパーソナルコンピュータであり、その本体内部に燃料電池ユニット２を収納する。そして、この電子機器１は、この燃料電池ユニット２から電力の供給を受けて動作し、燃料電池ユニット２は、その着脱が電子機器１の側面に設けられた収納口からスライド式に簡単に行えるようになっている。また、この燃料電池ユニット２は、電子機器１への収納時、電子機器１の収納口から一側面が露出するようになっており、その一側面には、後述するインジケータや操作ボタンが設けられる。
【００１５】
図２は、この燃料電池ユニット２の概略構成を示す図である。
【００１６】
図２に示すように、この燃料電池ユニット２は、マイコン２１、ＤＭＦＣセルスタック２２、２次電池２３、充電回路２４、供給制御回路２５、スイッチ回路２６、インジケータ２７および操作ボタン２８を有している。
【００１７】
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からの受信信号に基づき、ＤＭＦＣセルスタック２２および２次電池２３を併用した電力供給を実行制御する。
【００１８】
ＤＭＦＣセルスタック２２は、図示しない燃料タンクから送り込まれるメタノールと空気（酸素）とを反応させ、その化学反応により発電された電力を出力するものである。一方、２次電池２３は、ＤＭＦＣセルスタック２２または外部から供給される電力を蓄積し、必要に応じて、この蓄積した電力を出力する。充電回路２４は、この２次電池２３の充電を実行する。
【００１９】
供給制御回路２５は、ＤＭＦＣセルスタック２２および２次電池２３の電力を状況に応じて外部出力するものである。スイッチ回路２６は、マイコン２１からの指示に基づき、ＤＭＦＣセルスタック２２の出力電力を切断するためのものである。そして、インジケータ２７は、この燃料電池ユニット２の状態を表示するためのものであり、操作ボタン２８は、このインジケータ２８の表示内容を指定するためのものである。
【００２０】
図３は、この燃料電池ユニット２で定義する定格電力について説明するためのグラフである。
【００２１】
燃料電池ユニット２の供給電力量は、電子機器１が要求する電力量を満たす必要がある。しかし、ＤＭＦＣセルスタック２２の発電量は、その体積に比例するため、電子機器１の最大電力で設計を行うと、サイズが大きくなってしまう。また、通常、電子機器１は、最大電力で動作することは少なく、瞬間的なピーク電力として必要とすることが多い。つまり、電子機器１の最大電力を定格として設定すると、通常の使用においては、ＤＭＦＣセルスタック２２は、その性能をほとんど活かせず、無駄な体積、重さを抱えていることになる。
【００２２】
そこで、この燃料電池ユニット２では、ＤＭＦＣセルスタック２２の定格を、電子機器１が拡張機器を使用した場合などを考慮した最大電力ではなく、電子機器１が通常良く用いる電力とすることで、ＤＭＦＣセルスタック２２の大型化を抑止する。そして、このＤＭＦＣセルスタック２２の定格を越える電力は、併用する２次電池２３から供給する。また、この２次電池２３の容量を、ＤＭＦＣの不足分を補うだけの小型なものとすることで、燃料電池ユニット２のトータルサイズを小さくすることを実現する。
【００２３】
つまり、この燃料電池ユニット２は、以下の関係が成り立つようにＤＭＦＣセルスタック２２および２次電池２３を構成する。
【００２４】
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次に、図４乃至図８を参照して、各状況におけるＤＭＦＣセルスタック２２および２次電池２３の動作について説明する。
【００２５】
なお、２次電池２３の状態は、以下のように分けられる。
【００２６】
（１）満充電状態：必要なときに電力を供給
（２）十分な容量のある状態：必要なときに電力を供給し、ＤＭＦＣセルスタック２２に余力があるときは充電
（３）残りわずかな状態：必要なときに電力の供給を行うが、ＤＭＦＣセルスタック２２の定格以上の動作を続けると、短時間で電力を供給できなくなるため、ユーザに警告を与える
（４）自動ＯＦＦ処理状態：ＤＭＦＣセルスタック２２の定格以上の動作を続けると、短時間で電力を供給できなくなるため、データの損失を防ぐために自動的に電源オフを行う。電源オフ処理に必要な電力を供給
（５）起動電力保持状態：外部への電力供給はしないが、ＤＭＦＣセルスタック２２の次回起動に必要な電力および内部回路の保持用の電力を保持
（６）残量なし：完全に放電しきった状態。この状態に陥ると、外部から電力を供給して２次電池の充電を行う必要がある
そこで、図４乃至図８では、この２次電池２３の状態別に、ＤＭＦＣセルスタック２２および２次電池２３の動作を示す。
【００２７】
図４は、電子機器１の要求する電力がＤＭＦＣセルスタック２２の定格に対して余裕のある場合におけるＤＭＦＣセルスタック２２および２次電池２３の動作を示す図である。
【００２８】
図４に示すように、電子機器１の要求する電力がＤＭＦＣセルスタック２２の定格に対して余裕のある場合では、電子機器１の動作中に自動ＯＦＦの状態に変化することはない。また、電子機器１の起動条件は、残りわずか以上の残容量とする。そして、起動時に残りわずかの状態の場合、十分な残容量になるまでユーザに警告する。この警告は、燃料電池ユニット２からの通知に応じて電子機器１がユーザへ通知を行うことが可能である。ユーザへの通知手段としては、電子機器１が有するLCD上に視覚的に通知しても良いし、電子機器１が有するスピーカ等を用いて聴覚的に通知しても良い。
【００２９】
図５は、電子機器１の要求する電力がＤＭＦＣセルスタック２２の定格内ではあるが、余裕のない場合におけるＤＭＦＣセルスタック２２および２次電池２３の動作を示す図である。
【００３０】
図５に示すように、この場合も、図４と同様、電子機器１の動作中に自動ＯＦＦの状態に変化することはない。そして、この場合は、ＤＭＦＣセルスタック２２による２次電池２３の充電は行わない。
【００３１】
図６は、電子機器１の要求する電力がＤＭＦＣセルスタック２２の定格以上である場合におけるＤＭＦＣセルスタック２２および２次電池２３の動作を示す図である。
【００３２】
図６に示すように、この場合には、自動ＯＦＦ状態になり、電子機器１の電源オフ処理が完了した場合、充電を開始する。また、動作中に残量なしの状態に変化することはない。
【００３３】
また、図７および図８は、燃料が空になった場合におけるＤＭＦＣセルスタック２２および２次電池２３の動作を示す図である。
【００３４】
２次電池２３が十分な定格をもつ場合、２次電池２３のみで動作することも可能である。図７は、２次電池２３のみで動作する場合、図８は、２次電池２３のみでは動作しない場合であり、２次電池２３のみで動作する場合、電子機器１の起動条件は、残りわずか以上の残容量とし、一方、２次電池２３のみでは動作しない場合には、ＤＭＦＣセルスタック２２が使用できない場合、無条件で電源ＯＦＦ処理を実行する。
【００３５】
なお、ＤＭＦＣセルスタック２２のスタック数は、スタックの最小電圧が２次電池２３の電圧と等しくなるように設計する。そして、供給制御回路２５は、ダイオードＯＲ回路によって、ＤＭＦＣセルスタック２２および２次電池２３による電力供給を制御する。
【００３６】
図９に示すように、ＤＭＦＣセルスタック２２の特性は、出力電力の増加とともに出力電圧が低下する。グラフ中のＢ点を越えると、ＤＭＦＣセルスタック２２は、正常な動作に復帰できないので、このＢ点よりも左側の領域で使用するように制御する。一般的には、個体差を考えて、グラフ中のＡ点を通常使用における最大電力／最小電圧とする。
【００３７】
ＤＭＦＣセルスタック２２は、複数のセルを直列に接続し、高い電圧として使用するのが一般的であるので、ＤＭＦＣセルスタック２２のＡ点の電圧が２次電池２３の電圧と等しくなるようにスタック数を定める。この場合、ＤＭＦＣセルスタック２２の電圧が下がりＡ点に達すると、供給制御回路２５により同電位である２次電池２３からの供給が始まる。これにより、ＤＭＦＣセルスタック２２の出力電圧は一定となり、不足分が２次電池２３から供給されることになる。２次電池２３にも残容量による電圧値の変化があるが、ＤＭＦＣセルスタック２２の電圧変化幅よりも小さいため、Ａ点付近の網掛けの領域が、ＤＭＦＣセルスタック２２の最大電力／最小電圧の領域となる。
【００３８】
前述したように、ＤＭＦＣセルスタック２２は、電圧増加によりＢ点を越えると、そのままでは通常の状態に復帰できない。そのため、マイコン２１は、このＤＭＦＣセルスタック２２の電圧を監視し、Ｂ点に達した場合、ＤＭＦＣセルスタック２２からの供給ラインをスイッチ回路２６により一時的にカットし、ＤＭＦＣセルスタック２２の動作が正常領域に復帰した時点で供給を再開する。
【００３９】
また、何らかの理由により、ＤＭＦＣセルスタック２２が異常状態に陥った場合、マイコン２１は、スイッチ回路２６による供給ラインのカットを行うが、この時、２次電池２３は、電子機器１が安全にシャットダウンできるだけの電力を供給する。また、燃料電池ユニット２内部についても、ＤＭＦＣセルスタック２２の動作停止に必要な電力の供給を行う。なお、このＢ点の情報は、ＤＭＦＣセルスタック２２が内蔵するＥＥＰＲＯＭに格納される。
【００４０】
ところで、電子機器１の電源オフ中には、ＤＭＦＣセルスタック２２の状態を利用者に報知する手段がなくなるため、この燃料電池ユニット２では、前述のインジケータ２７と操作ボタン２８とを備える。そして、マイコン２１は、このインジケータ２７を用いて、以下の項目を表示する。
【００４１】
（１）現在の動作：ＯＦＦ、ＤＭＦＣセルスタック２２のみの出力、２次電池２３のみの出力、併用。電子機器ＯＦＦ時には、２次電池２３の充電有無。
【００４２】
（２）燃料の残量
（３）２次電池の残量
また、マイコン２１は、操作ボタン２８の操作に基づき、インジケータ２７の表示内容を切り替える。
【００４３】
このように、この燃料電池ユニット２によれば、ＤＭＦＣセルスタック２２と２次電池２３の適切な併用が行われる。
【００４４】
なお、本願発明は、前記実施形態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種々に変形することが可能である。更に、前記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。たとえば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、燃料電池と２次電池との併用により定格電力を出力する電池ユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係る電子機器の外観を示す図。
【図２】同実施形態の燃料電池ユニットの概略構成を示す図。
【図３】同実施形態の燃料電池ユニットで定義する定格電力について説明するためのグラフ。
【図４】同実施形態の要求電力がＤＭＦＣセルスタックの定格に対して余裕のある場合におけるＤＭＦＣセルスタックおよび２次電池の動作を示す図。
【図５】同実施形態の要求電力がＤＭＦＣセルスタックの定格内ではあるが余裕のない場合におけるＤＭＦＣセルスタックおよび２次電池の動作を示す図。
【図６】同実施形態の要求電力がＤＭＦＣセルスタックの定格以上である場合におけるＤＭＦＣセルスタックおよび２次電池の動作を示す図。
【図７】同実施形態の燃料が空になった場合におけるＤＭＦＣセルスタックおよび２次電池の動作を示す第１の図。
【図８】同実施形態の燃料が空になった場合におけるＤＭＦＣセルスタックおよび２次電池の動作を示す第２の図。
【図９】同実施形態のＤＭＦＣセルスタックの特性を示すグラフ。
【図１０】同実施形態の燃料電池ユニットに設けられるインジケータと操作ボタンを示す図。
【符号の説明】
１…電子機器
２…燃料電池ユニット
２１…マイコン
２２…ＤＭＦＣセルスタック
２３…２次電池
２４…充電回路
２５…供給制御回路
２６…スイッチ回路
２７…インジケータ
２８…操作ボタン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003715608.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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