(57)【要約】【課題】外部電力系統との接続なしに、発電開始時のポンプ駆動電力を確実に供給することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】電源選択部５０に補助電池４０，蓄電部３０および定電圧回路２０を接続する。電源選択部５０は、補助電池４０の出力電圧ＶＡ，蓄電部３０の出力電圧ＶＢおよび定電圧回路２０の出力電圧ＶＣのうち最も大きいものを、ポンプ１３等の駆動電圧および燃料電池システムの出力電圧ＶＤとして出力する。発電開始時に何らかの原因によって蓄電部３０に電力が蓄えられていなかった場合においても、補助電池４０からポンプ１３等に電力が供給され、発電開始が可能となる。電源選択部５０は、定電圧回路２０の出力電圧ＶＣが蓄電部３０の出力電圧ＶＢよりも高い場合、経路Ｂ２により定電圧回路２０からの出力電力を蓄電部３０に蓄電させる。【選択図】図１
2009064666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部電力系統との接続を有しない燃料電池システムであって、
燃料タンクからポンプにより燃料の供給を受ける燃料電池により構成された発電部と、
前記発電部に接続された定電圧回路と、
前記発電部で発電された電力を蓄電可能な蓄電部と、
補助電池と、
前記補助電池，前記蓄電部および前記定電圧回路に接続された電源選択部と
を備え、
前記電源選択部は、前記補助電池の出力電圧，前記蓄電部の出力電圧および前記定電圧回路の出力電圧のうち最も大きいものを、前記ポンプの駆動電圧および前記燃料電池システムの出力電圧として出力する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電源選択部は、前記定電圧回路の出力電圧が前記蓄電部の出力電圧よりも高い場合、前記定電圧回路からの出力電力を前記蓄電部に蓄電させる
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料タンクおよび前記補助電池は、前記燃料電池システムの他の部分から取り外し可能な一つのモジュールを構成している
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記補助電池は一次電池または二次電池であり、前記蓄電部は二次電池またはコンデンサである
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプにより燃料を発電部に供給する高出力型の燃料電池システムに係り、特に携帯型電子機器の電源装置として好適な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力型の燃料電池システムは、通常、燃料タンクから発電部に燃料を送るためのポンプを備えている。また、別途用意した蓄電装置に予め電力を貯めておき、発電に至るまでのポンプ駆動電力をこの蓄電装置から供給し、発電が始まると蓄電装置に電力を貯めるようにしている。
【特許文献１】特開２００４−１７１９７３号公報（段落００１３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この方法では、何らかの原因によって蓄電装置に電力が蓄えられていなかった場合においてはポンプを駆動することができず、発電を開始することができないという問題があった。
【０００４】
ちなみに、特許文献１では、燃料電池の発電電力が不足し、負荷に供給すべき電力が不足すると判断したときには、負荷に対して系統電源から電力を供給するように系統連系インバータを切り換える切換制御手段を備えた燃料電池発電システムが提案されている。しかし、この系統電源は商用電源であり、外部電力系統との接続が必要となるので、携帯用電子機器への適用には不向きであった。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、外部電力系統との接続なしに、発電開始時のポンプ駆動電力を確実に供給することができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、外部電力系統との接続を有しないものであって、燃料タンクからポンプにより燃料の供給を受ける燃料電池により構成された発電部と、発電部に接続された定電圧回路と、発電部で発電された電力を蓄電可能な蓄電部と、補助電池と、補助電池，蓄電部および定電圧回路に接続された電源選択部とを備え、電源選択部は、補助電池の出力電圧，蓄電部の出力電圧および定電圧回路の出力電圧のうち最も大きいものを、ポンプの駆動電圧および燃料電池システムの出力電圧として出力するものである。
【０００７】
本発明の燃料電池システムでは、補助電池の出力電圧，蓄電部の出力電圧および定電圧回路の出力電圧は電源選択部に入り、それらのうち最も大きいものが、ポンプの駆動電圧および燃料電池システムの出力電圧として出力される。発電開始時において、発電部に接続された定電圧回路の出力電圧が低く、且つ何らかの原因によって蓄電部に電力が蓄えられていなかった場合には、補助電池の出力電圧が電源選択部の出力電圧とされる。よって、補助電池からポンプの駆動に必要な電力が供給され、燃料タンクから発電部に燃料が送られて発電が開始される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池によれば、電源選択部に補助電池を接続しておくと共に、電源選択部により、補助電池の出力電圧，蓄電部の出力電圧および定電圧回路の出力電圧のうち最も大きいものをポンプの駆動電圧および燃料電池システムの出力電圧として出力させるようにしたので、外部電力系統との接続なしに、発電開始時のポンプ駆動電力を確実に供給することができる。よって、特にポータブル用途の電子機器に搭載される燃料電池システムに好適であり、機器の利便性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの構成を表したものである。この燃料電池システムは、例えば、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant；個人用携帯情報機器）などのモバイル機器、またはノート型ＰＣ（Personal Computer ）などのポータブル電子機器の電源装置として用いられるものであり、発電部１０と、定電圧回路２０と、蓄電部３０と、補助電池４０と、電源選択部５０とを有している。
【００１１】
発電部１０は、液体燃料（例えば、メタノール水）を収容する燃料タンク１１と、この燃料タンク１１にコネクタ１２を介して接続されたポンプ１３と、このポンプにより燃料の供給を受けて発電を行う燃料電池１４と、燃料電池１４に空気を供給する送風装置（ファン）１５を備えている。なお、送風装置１５は必要に応じて設ければよく、燃料電池１４の構成によっては省略し、自然換気により空気すなわち酸素を供給することも可能である。
【００１２】
なお、燃料電池１４は、例えば、複数の単位セルを電気的に直列に接続した構成を有している。各単位セルは、それぞれメタノールと酸素との反応により発電を行う直接メタノール型の燃料電池であり、電解質を間にして対向配置された燃料電極と酸素電極とを有している（いずれも図示せず。）。電解質は、例えば、液状の電解質である電解液、すなわち硫酸あるいはゲル状などの流動性を有するものでもよいし、スルホン酸基（−ＳＯ3 Ｈ）を有するプロトン伝導材料よりなる電解質膜でもよい。なお、プロトン伝導材料としては、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料（例えば、デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）、ポリイミドスルホン酸などの炭化水素系プロトン伝導材料、またはフラーレン系プロトン伝導材料などが挙げられる。燃料電極および酸素電極は、例えば、カーボンペーパーなどよりなる集電体に、白金（Ｐｔ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの触媒を含む触媒層が形成された構成を有している。触媒層は、例えば、触媒を担持させたカーボンブラックなどの担持体をポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料などに分散させたものにより構成されている。なお、酸素電極には上述した送風装置１５が接続されている。
【００１３】
定電圧回路２０は、発電部１０での起電圧を基に所定の定電圧を生成すると共に、この定電圧に基づきポンプ１３および送風装置１５への電力供給を行うものであり、例えばＤＣ／ＤＣコンバータにより構成されている。
【００１４】
蓄電部３０は、発電部１０で発電した電力を蓄電しておき、発電開始時においてポンプ１３および送風装置１５への電力供給を行うためのものであり、例えば二次電池またはコンデンサにより構成されている。二次電池としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池などの一般的な蓄電池、または、リチウムイオン二次電池が挙げられる。
【００１５】
補助電池４０は、何らかの原因によって蓄電部３０に電力が蓄えられていなかった場合における補助電源としての機能を有するものであり、例えば一次電池または二次電池により構成されている。一次電池としては、例えばマンガン乾電池またはアルカリマンガン電池が挙げられ、二次電池としては、例えばリチウムイオン二次電池が挙げられる。
【００１６】
燃料タンク１１および補助電池４０は、一つのモジュール６０を構成し、この燃料電池システムの他の部分から取外し可能とされていることが好ましい。燃料タンク１１の交換や液体燃料の補給、補助電池４０の交換、補助電池４０が二次電池である場合の充電など、取扱いの利便性を向上させることができるからである。なお、補助電池４０は、燃料電池システムの小型化の観点からボタン形電池またはモジュール６０の形状に合わせた形のものであることが望ましいが、円筒形などのように、可搬性に支障がなければどのような形でもよい。
【００１７】
電源選択部５０は、補助電池４０，蓄電部３０および定電圧回路２０に接続されると共に、出力端子７０を介して外部の機器本体（負荷）（図示せず）に接続されている。この電源選択部５０は、補助電池４０の出力電圧ＶＡ，蓄電部３０の出力電圧ＶＢおよび定電圧回路２０の出力電圧ＶＣのうち最も大きいものを、ポンプ１３の駆動電圧および燃料電池システム全体の出力電圧ＶＤとするものである。これにより、この燃料電池システムでは、外部電力系統との接続なしに、発電開始時のポンプ１３の駆動電力を確実に供給することができるようになっている。
【００１８】
また、電源選択部５０は、定電圧回路２０の出力電圧ＶＣが蓄電部３０の出力電圧ＶＢよりも高い場合、定電圧回路２０からの出力電力を蓄電部３０に蓄電させる（図１の経路Ｂ２）。定電圧回路２０の出力電圧ＶＣが蓄電部３０の出力電圧ＶＢよりも低い場合には、蓄電部３０への蓄電は行わない。
【００１９】
なお、電源選択部５０は、定電圧回路２０の出力電圧ＶＣが補助電池５０の出力電圧ＶＡよりも小さい場合には、電圧ＶＤをポンプ１３あるいは送風装置１５だけに出力させて、燃料電池システム全体の出力（出力端子７０の出力）を停止させることが望ましい。そのため、例えば、出力端子７０とポンプ１３および送風装置１５との間にスイッチ７１を設け、定電圧回路２０の出力電圧ＶＣが補助電池５０の出力電圧ＶＡよりも小さい場合には、スイッチ７１をオフ状態にして燃料電池システム全体の出力を停止させることが望ましい。また、スイッチ７１での切り替え時のチャタリングを防ぐための回路（図示せず）を付けることが望ましい。
【００２０】
図２は、この電源選択部５０の一構成例を表したものである。電源選択部５０は、例えば、ｎｐｎトランジスタ５１と、ダイオード５２，５３，５４と、抵抗素子５５とを含んで構成されている。ｎｐｎトランジスタ５１のコレクタは定電圧回路２０側の端子Ｃに接続されている。ｎｐｎトランジスタ５１のベースは、抵抗素子５５を介してダイオード５２のカソードに接続されている。ｎｐｎトランジスタ５１のエミッタは、蓄電部３０側の端子Ｂと、ダイオード５２のアノードと、ダイオード５３のアノードとに接続されている。ダイオード５３のカソードは、電源選択部５０側の端子Ｄと、ダイオード５４のカソードとに接続されている。ダイオード５４のアノードは、補助電池４０側の端子Ａに接続されている。
【００２１】
この燃料電池システムでは、各発電部１０において、燃料電池１４の燃料電極に、燃料タンク１３から液体燃料が供給され、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは電解質を通って酸素電極に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。これにより、液体燃料すなわちメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて電流として取り出される。
【００２２】
図３は、電源選択部５０の作用を説明するためのものである。まず、発電開始時において何らかの原因によって蓄電部３０に電力が蓄えられていなかった場合には、補助電池４０の出力電圧ＶＡが、蓄電部３０の出力電圧ＶＢおよび定電圧回路２０の出力電圧ＶＣよりも大きくなる（ＶＡ＞ＶＢ，ＶＣ）。この場合、電源選択部５０は、補助電池４０の出力電圧ＶＡを、ポンプ１３の駆動電圧ＶＤとして（選択）出力する。よって、蓄電部３０に電力が蓄えられていなかった場合も、補助電池４０からポンプ１３および送風装置１５の駆動電力が供給され、発電部１０の発電開始が可能となる。また、このときは定電圧回路２０の出力電圧ＶＣが補助電池４０の出力電圧ＶＡよりも小さいため、電源選択部５０によりスイッチ７１がオフ状態に設定され、出力端子７０を介して電圧ＶＤが外部の機器本体へ供給されない。
【００２３】
一方、発電開始時において蓄電部３０に電力が十分に蓄えられていた場合は、蓄電部３０の出力電圧ＶＢが、補助電池４０の出力電圧ＶＡおよび定電圧回路２０の出力電圧ＶＣよりも大きくなる（ＶＢ＞ＶＡ，ＶＣ）。この場合、電源選択部５０は、蓄電部３０の出力電圧ＶＢを、ポンプ１３の駆動電圧ＶＤとして（選択）出力する（図１の経路Ｂ１）。従って、蓄電部３０からポンプ１３および送風装置１５の駆動電力が供給され、発電部１０の発電開始が可能となる。なお、このときは定電圧回路２０の出力電圧ＶＣと補助電池４０の出力電圧ＶＡとの大小関係に応じて、電源選択部５０によりスイッチ７１がオン状態またはオフ状態に設定される。スイッチ７１がオン状態のときは出力端子７０を介して電圧ＶＤが外部の機器本体へ供給される。スイッチ７１がオフ状態のときは電圧ＶＤはポンプ１３および送風装置１５のみに供給され、燃料電池システム全体の出力は停止される。
【００２４】
このようにして発電部１０での発電が開始されると、定電圧回路２０の出力電圧ＶＣが、補助電池４０の出力電圧ＶＡおよび蓄電部３０の出力電圧ＶＢよりも大きくなる（ＶＣ＞ＶＡ，ＶＢ）。この場合、電源選択部５０は、定電圧回路２０の出力電圧ＶＣを、ポンプ１３の駆動電圧および燃料電池システム全体の出力電圧ＶＤとして（選択）出力する。よって、発電部１０で発電した電力がポンプ１３および送風装置１５に供給される。また、このときは定電圧回路２０の出力電圧ＶＣが補助電池４０の出力電圧ＶＡよりも大きいため、電源選択部５０によりスイッチ７１がオン状態に設定され、出力端子７０を介して電圧ＶＤが外部の機器本体にも供給される。
【００２５】
また、電源選択部５０は、定電圧回路２０の出力電圧ＶＣが、蓄電部３０の出力電圧ＶＢよりも大きい場合（ＶＣ＞ＶＢ）には、端子Ｃ→端子Ｂ（図１の経路Ｂ２）により、定電圧回路２０からの出力電力を蓄電部３０に蓄電させる。一方、蓄電部３０の出力電圧ＶＢが、定電圧回路２０の出力電圧ＶＣよりも大きい場合（ＶＢ＞ＶＣ）には、蓄電部３０への蓄電は行わない。なお、定電圧回路２０の出力電圧ＶＣと、蓄電部３０の出力電圧ＶＢとが等しい場合（ＶＣ＝ＶＢ）は、定電圧回路２０の出力電圧ＶＣが、蓄電部３０の出力電圧ＶＢよりも大きい場合（ＶＣ＞ＶＢ）、および、蓄電部３０の出力電圧ＶＢが、定電圧回路２０の出力電圧ＶＣよりも大きい場合（ＶＢ＞ＶＣ）のいずれかと同様にすることができる。
【００２６】
このように本実施の形態では、電源選択部５０に補助電池４０，蓄電部３０および定電圧回路２０を接続しておくと共に、補助電池４０の出力電圧ＶＡ，蓄電部３０の出力電圧ＶＢおよび定電圧回路２０の出力電圧ＶＣのうち最も大きいものを電源選択部５０の出力電圧ＶＤとするようにしたので、外部電力系統との接続なしに、発電開始時のポンプ１３等の駆動電力を確実に供給することができる。よって、特にポータブル用途の電子機器に搭載される燃料電池システムに好適であり、機器の利便性を向上させることができる。
【００２７】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態において説明した各構成要素の材料および厚み、または燃料電池の発電条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の発電条件としてもよい。例えば、液体燃料は、メタノールのほか、エタノールやジメチルエーテルなどの他の液体燃料でもよい。
【００２８】
本発明の燃料電池システムは、例えば、携帯電話、電子写真機、電子手帳、ノートブック型パーソナルコンピュータ、カムコーダ、携帯型ゲーム機、携帯型ビデオプレーヤー、ヘッドフォンステレオまたはＰＤＡ（Personal Digital Assistants ）等の携帯型の電子機器に好適に用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの構成を表す図である。
【図２】図１に示した電源選択部の一例を表す回路図である。
【図３】図１に示した電源選択部の作用を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０…発電部、２０…定電圧回路、３０…蓄電部、４０…補助電池、５０…電源選択部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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