(57)【要約】【課題】  ４セル直列程度の低い電圧、例えば１Ｖの燃料電池が使用可能で、確実に正式な動作を開始する電源装置を供給する。【解決手段】  燃料電池の電圧を昇圧して携帯機器の電源とする場合において昇圧型電力コンバータと負荷の間にスイッチを設け昇圧型電力コンバータが正常に動作をはじめるまで負荷を切り離しておく。また、燃料電池の電圧を検出し前記スイッチ操作のタイミングを決めるための電圧比較器と基準電圧を設ける。これによって燃料電池の電圧が低電圧でも起動させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルと昇圧型電力変換器と電力スイッチと電圧比較器と基準電圧源とによって構成され、負荷に電力を供給する電源装置であって、
前記燃料電池セルは前記昇圧型電力変換器の入力に接続され、前記電力スイッチは前記昇圧型電力変換器の出力と前記負荷の間に接続されることにより前記負荷に対する電力の供給を遮断する機能を有し、前記電圧比較器は一方の入力を前記基準電圧源に、もう一方の入力を燃料電池セルに接続し、前記電圧比較器の出力によって前記電力スイッチを制御する構成を持つ電源装置。
【請求項２】
前記電圧比較器は電圧ヒステリシスを有する請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記昇圧型電力変換器はリセット端子を有し、前記リセット端子の制御は前記電圧比較器の出力によって行われ、前記電力スイッチは、前記電圧比較器の出力に時間遅れを有する出力によって制御される請求項１記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯機器へ電源を供給する電源装置に関し、特に、燃料電池を用いて携帯電話、携帯テレビ等へ電源を供給するための回路構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話等を長時間動作させる電源としてあるいは携帯電話等に内蔵されるリチウムイオン電池を充電する手段として従来から、燃料電池を使ったアイデアが数多く発表されている。例えば、無負荷から定格電流までの範囲内では電池電圧に関わらず一定電圧を出力できる燃料電池が提案されている。（特許文献１参照）
以上述べた従来の電源の一例は図４に示すような構成であり、８から１０セルを連結した燃料電池１から２Ｖから３Ｖの電圧を発生させ０．５Ｗから２Ｗ程度の電力を取り出す。これを５Ｖ前後までに昇圧型電力変換機２で昇圧電力変換して、負荷６、例えば携帯電話等の電源として、あるいは携帯電話の充電器として使う回路を示している。
【０００３】
ドライバＩＣ９は１００ＫＨｚから１ＭＨｚ程度の周波数の内部発振回路を持っておりこの周期でパワーＦＥＴ８，１０のゲートを駆動する。パワーＦＥＴ８，１０の駆動によりコイル７に起電力が発生する。この起電力によって昇圧されたパルス電力をコンデンサ２０で平滑してＤＣ電圧を得、出力端子１１で負荷６に、このＤＣ電圧を供給すると共に、ドライバーＩＣ９の電源端子１２にも駆動電圧を供給している。
【０００４】
ここで、従来の燃料電池１の電圧が２Ｖ以上である理由を説明する。
【０００５】
ドライバＩＣ９は、スイッチ端子１４に、２Ｖ以上の入力電圧が無いとパワーＦＥＴ１０を充分にドライブできないため負荷をつないだままで起動ができず、８セル以上の直列接続をして２Ｖ以上の発電電圧出力を確保する必要がある。
【特許文献１】特開２００４−１６４９７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池を携帯電話用などの小型の携帯機器の電源とするには構造が簡単で小型、安価であることが求められる。そのためには、燃料電池を構成するセル数を削減することが最も有効で、例えば、４セル程度、約１Ｖ程度の低い電圧でも動作可能な昇圧型電力変換器が望まれる。
【０００７】
昇圧型電力変換器は一般的に２Ｖ以上の入力電圧があれば電源装置として、正常に起動するが、例えば１Ｖ以下の電圧では、出力端子に負荷がつながっていると始動時に出力電圧が充分に上がらず正式な動作を開始することができない場合があった。
【０００８】
特に、低温で運転を開始したばかりの燃料電池は温度が低く、出力が充分でなく、内部抵抗も大きいため、出力電圧が低い時間が長くなるため、この問題が顕著である。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決し、４セル直列程度の低い電圧、例えば１Ｖの燃料電池が使用可能で、確実に正式な動作を開始する電源装置を供給することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、燃料電池セルと昇圧型電力変換器と電力スイッチと電圧比較器と基準電圧源とによって構成され、負荷に電力を供給する電
源装置であって、前記燃料電池セルは前記昇圧型電力変換器の入力に接続され、前記電力スイッチは前記昇圧型電力変換器の出力と前記負荷の間に接続されることにより前記負荷に対する電力の供給を遮断する機能を有し、前記電圧比較器は一方の入力を前記基準電圧源に、もう一方の入力を燃料電池セルに接続し、前記電圧比較器の出力によって前記電力スイッチを制御する構成を持つ電源装置である。
【００１１】
この構成では、始動時の燃料電池の電圧の低いときには、負荷を切り離している。このため、前記昇圧型電力変換機は、まず始動時に１Ｖ前後の低い入力電圧を電源として始動し自分自身の昇圧機能を使って入力電圧よりも高い出力電圧を発生させ、この出力電圧を電源として使用することにより正式な作動を開始することができる。
【００１２】
また、本発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載の電源装置において、前記電圧比較器は電圧ヒステリシスを有するものである。
【００１３】
そして、本発明の請求項３記載の発明は、請求項１記載の電源装置において、前記昇圧型電力変換器はリセット端子を有し、前記リセット端子の制御は前記電圧比較器の出力によって行われ、前記電力スイッチは、前記電圧比較器の出力に時間遅れを有する出力によって制御されるものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の構成によれば昇圧型電力変換器の入力電圧すなわち燃料電池の出力電圧が低い状態においても安定に昇圧型電力変換器を起動させることができる。
【００１５】
請求項２の構成によれば燃料電池の出力電力が十分でない状態において昇圧型電力変換器と電力スイッチとが発振し昇圧型電力変換器がＯＮとＯＦＦを繰り返すことを防止できる。
【００１６】
請求項３の構成によれば昇圧型電力変換器の入力電圧すなわち燃料電池の出力電圧が動作を開始させるための基準電圧より低い状態において回路の不安定な動作によって無駄な電力を消費したりパワーＦＥＴがＯＮしたままの状態で電源がショートしたような状態になることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を適用した電源装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態に係る電源装置のブロック図である。
【００１８】
ここで先に説明した図４に示した従来例と同じ機能を有する部品には同じ番号を付し説明を省略する。
【００１９】
昇圧型電力変換器２の出力端子１１と負荷６との間には電力スイッチ３としてＦＥＴが使われておりＦＥＴのゲートは抵抗でプルアップされ通常状態でＯＦＦとなる。このゲートはさらにオープンコレクタ出力の電圧比較器５の出力１３に接続され燃料電池セル１の電圧が規定の基準電圧源４より低いときはＯＦＦとなる。
【００２０】
次に、始動時の動作を説明する。
【００２１】
燃料電池１の電圧が、停止時の０Ｖから徐々に上昇すると１Ｖ未満の低い電圧で昇圧型電力変換器２の動作が始まる。このときは燃料電池１の電圧がドライバＩＣ９のスイッチ
端子１４から入ってドライバＩＣ９が作動をはじめる。
【００２２】
しかしながらこのドライバＩＣ９が正常の動作を行うには２Ｖ以上の電源電圧が必要であり１Ｖ未満ではごく限られた機能だけが動作する。
【００２３】
具体的にはドライバＩＣ９に内蔵される発振回路が発振動作を開始しパワーＦＥＴ８，１０がのゲートを駆動する。
【００２４】
ゲートの駆動電圧は２Ｖ以上印加しなければ完全にＯＮさせることはできないがある程度の電流を流すことはできる。
【００２５】
パワーＦＥＴ８はＰチャンネルであるためゲートを０Ｖ付近へ下げることによってＯＮするが始動時にはこのパワーＦＥＴは動作しなくても内蔵される寄生ダイオードによって始動は可能である。
【００２６】
本実施の形態において、始動時のように、燃料電池１の出力電圧が基準電圧より低い場合には、電力スイッチ３がＯＦＦであるため負荷とつながっておらず、パワーＦＥＴ１０のゲートがわずかでもＯＮ／ＯＦＦするとコイル７に電流が発生しパワーＦＥＴ８の寄生ダイオードを介して出力端子には入力電圧よりも高い電圧が発生する。この電圧をドライバＩＣ９の電源端子１１から入力することによって正常な発振が行なわれ、パワーＦＥＴ１０のゲートには充分な電圧パルスが印加されることにより完全なＯＮ／ＯＦＦ動作が行なわれる。
【００２７】
この際、負荷がつながった状態で起動させようとするとパワーＦＥＴ１０がわずかにＯＮ／ＯＦＦを始めてもドライバーＩＣ９の電源端子の電圧が負荷電流で上昇することができないため  いつまで経ってもドライバーＩＣ９は完全な動作を行なうことができない。
【００２８】
しかし、図１の構成では電力スイッチ３によって負荷が切り離されているためこのような問題が回避され１Ｖ未満の低い入力電圧でも昇圧型電力変換器２は起動が可能である。一旦起動すれば高い電圧に昇圧した電源から電源供給を受けることによりドライバーＩＣ９は充分に正常動作をおこなうことが可能となり、入力電圧が例えば０．７Ｖ程度であっても安定に動作をする。
【００２９】
このあと、燃料電池１の電圧がさらに増加し基準電圧源４の電圧に達すると電力スイッチ３がＯＮされて、負荷６に対し電力供給を開始する。
【００３０】
従来の燃料電池のように、ドライバＩＣ９は２Ｖ以上の入力電圧があれば起動時点からパワーＦＥＴ１０を充分にドライブできるため負荷をつないだままで起動可能である。
【００３１】
しかし、本発明の燃料電池のように少数のセルを接続して使う場合、４セル直列接続しても通常１．２Ｖしか得られず、特に低温の環境下ではさらにセル電圧が低下するためこのような機能が有効である。
〔第２の実施の形態〕
図２は第２の実施の形態に係る電源装置のブロック図である。
【００３２】
ここで先に説明した図４に示した従来例および図１に示した第１の実施の形態と同じ機能を有する部品には同じ番号を付し説明を省略する。
【００３３】
一般的に燃料電池セルは出力抵抗が大きく電流を流すと電圧が低下する。特に始動時、温度が充分に上昇していない時、燃料が充分にいきわたっていないときは抵抗が大きくな
る。
【００３４】
第一の実施の形態で説明したように燃料電池セル１の電圧が徐々に増加し電力スイッチ３がＯＮした場合、負荷６に電流が流れて燃料電池セル１の出力電圧が低下する。
【００３５】
このときもし、基準電圧源４の電圧以下まで燃料電池セル１の出力電圧が低下すると、再び電力スイッチ３がＯＦＦして負荷電流がなくなり、再び燃料電池セル１の電圧が上昇して電力スイッチ３がＯＮし、また負荷６とつながるためＯＦＦするというＯＮ／ＯＦＦする動作を繰り返す発振現象が生ずる。しかし、図２の構成ではヒステリシス付きの電圧比較器１６を使っているため前述の発振現象が起こりにくくすることができる。
【００３６】
ヒステリシス付きの電圧比較器１６は通常の電圧比較器に抵抗１８，１９で正帰還をかけることで簡単に構成することができる。
【００３７】
ここで例えば、昇圧型電力変換器２としてＭＡＸＩＭ社のステップアップＤＣ−ＤＣコンバータＩＣ、ＭＡＸ１６７４，もしくは同シリーズの１６７５、１６７６などを使えばパワーＦＥＴ８，１０，電圧比較器５、基準電圧源４が１チップに内蔵されているため簡単にこの構成を実現することができる。このＩＣをつかって電圧比較器をヒステリシス付きにするには前述のように抵抗を付加することで可能である。
〔第３の実施の形態〕
図３は第３の実施の形態に係る電源装置の一例を示すブロック図である。
【００３８】
ここで先に説明した図４に示した従来例および図１に示した第１の実施の形態と同じ機能を有する部品には同じ番号を付し説明を省略する。
【００３９】
図１および図２で説明したように電力スイッチ３がＯＮする時の燃料電池セル１の電圧は基準電圧源４の電圧で決まり、昇圧型電力変換器２はそれ以下の電圧で始動していて２Ｖ以上の電圧がドライバーＩＣ９に供給されていなければならない。
【００４０】
たとえば始動してから燃料電池の出力が０．７ｖ程度になると昇圧型電力変換器２は作動を開始し１Ｖになった時点で負荷を接続するというのが第１、第２の実施の形態であった。
【００４１】
しかし０．７ｖ付近では昇圧型電力変換器２は非常に不安定な状態で始動するわけでありこれを回避する方法として図３に示すようにドライバＩＣ９は入力電圧が低い状態ではリセットされており燃料電池の出力すなわち入力電圧が１ｖになった時点で電圧比較器５が反転しドライバＩＣ９が作動を開始する。これにより昇圧されて２Ｖ以上の電圧がドライバＩＣ９」に印加され安定な動作になってから遅延回路１６を介して電力スイッチ３がＯＮするため安定に起動することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の電源装置は携帯電話、ＰＤＡ等の携帯用電子機器の電源装置もしくは充電装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１の実施の形態に係る電源装置のブロック図
【図２】第２の実施の形態に係る電源装置のブロック図
【図３】第３の実施の形態に係る電源装置のブロック図
【図４】従来の電源装置を示すブロック図
【符号の説明】
【００４４】
１    燃料電池
２    昇圧型電力変換機
３    電力スイッチ
４    基準電圧源
５    電圧比較器
６    負荷
７    コイル
８、１０  パワーＦＥＴ
９    ドライバーＩＣ
１１    出力端子
１２    電源端子
１３    出力
１４    スイッチ端子
１６    遅延回路
１７    リセット端子
１８、１９  抵抗器
２０    コンデンサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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