JP2003178786A - 電源装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発電効率の低下を抑え、負荷が変動する場合
にも出力電圧が安定な、燃料電池を用いた電源装置及び
これを用いた電子機器を提供する。 【解決手段】 本発明の電源装置は、ＤＭＦＣから構成
され、負荷に対して並列に設けられ、燃料電池からなる
複数のユニットセル２と、回路の電流・電圧及びユニッ
トセル２の温度をモニターする負荷変動補償回路８とを
備えている。負荷変動補償回路８は、負荷の変化に応じ
て電力供給に使用するユニットセル２を切り替える機能
を有するので、負荷が変動しても出力電圧が安定な電源
装置が実現できる。この電源装置を用いることで、安定
に動作する電子機器を提供できる。なお、ユニットセル
２を、電流密度の低い領域で動作させることで、電源装
置の発電効率の低下を防ぐことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電源装置に関し、
特に、負荷が変動したときにも出力電圧が変動しないこ
とを特徴とする燃料電池を用いた電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯電話や携帯情報端末（ＰＤ
Ａ；Personal Digital Assistance ）などの携帯機器用
２次電池として燃料電池が注目を集めている。これは、
これまで携帯機器用２次電池として最も広く使われてき
たリチウム電池に比べ、燃料電池はエネルギー密度が約
一桁大きく、同一質量で比較した場合、電池の保持時間
が４〜５倍長くなるというメリットを有しているためで
ある。また、水素、メタンガスもしくはアルコールなど
の燃料を補充するだけで瞬時に充電が完了し、充電時間
はほとんど必要ない。さらに、発電中は水分しか発生し
ないため、環境負荷も極めて小さい。

【０００３】現在、携帯機器向けの燃料電池として最も
開発が進んでいるのは、メタノール直接型燃料電池（Ｄ
ＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell)と呼ばれるもので
ある。その主な理由は、ＤＭＦＣが、燃料及び空気循環
ポンプや燃料から水素を取り出すための改質器などの補
機類を必要とせず、小型化、軽量化が可能であるためで
ある。

【０００４】ＤＭＦＣは、メタノール（ＣＨ₃ＯＨ ）を
酸化するためのＰｔ（白金）−Ｒｕ（ルテニウム）触媒
を担持したアノード電極と、酸素を還元するためのＰｔ
触媒を担持したカソード電極と、アノード電極とカソー
ド電極との間に挟まれた固体高分子電解質膜と、アノー
ド電極側に供給されるメタノール及び水（Ｈ₂Ｏ ）と、
上記両電極を接続する配線と、上記配線上に介設された
負荷とを備えた構造を基本としている。アノード電極側
では、メタノールがＰｔ−Ｒｕにより水素（Ｈ ₂）と二
酸化炭素（ＣＯ₂）に分解される。この水素はアノード
電極で水素イオン（Ｈ⁺ ）になり、電子を放出する。こ
の水素イオンは、カソード電極へ移動し、そこで電子を
受け取って空気中の酸素と結合し、水となる。このよう
にして、メタノールが水と二酸化炭素に分解される際に
生じるエネルギーを電流として取り出すことができる。

【０００５】なお、米国で試作された携帯電話用ＤＭＦ
Ｃは、例えば万年筆のインクカートリッジ程度のメタノ
ール水溶液燃料で１カ月以上の待機時間を可能としてい
る（「燃料電池開発最前線」日経メカニカル別冊，p.4
0，日経BP社編）。

【０００６】なお、ＤＭＦＣは、上述のように保持時間
が長く、環境負荷が小さいため、通信システムの基地局
（移動体通信システムの基地局）の電源にも適してい
る。また、室温で使用できるため、熱に弱い電子機器の
電源としても適している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＤＭＦＣでは、負荷変動に対して出力電圧が大きく変わ
ってしまうため、携帯機器内の半導体回路を安定して動
作させることが極めて困難であった。

【０００８】図７は、ＤＭＦＣの出力電流密度と出力電
圧との関係を示す図である。同図に示すように、ＤＭＦ
Ｃでは、電流密度を高くすると電圧が低下してしまう。
このため、機器が電力を消費する作業を行なう場合など
に、電圧が低下して誤動作等が発生するおそれがあっ
た。

【０００９】また、室温付近で動作させるＤＭＦＣで
は、アノード電極側での触媒によるメタノールの反応効
率が高くないため、十分な出力密度が得られないという
不具合もあった。具体的には、メタノールがアノード側
でプロトンに分解されず、直接カソード側に透過してし
まうクロスオーバー現象や、アノード側で生成した一酸
化炭素（ＣＯ）が白金の触媒作用を妨げる被毒現象によ
り上述の不具合が起こる。クロスオーバー現象が起こる
と発熱によるエネルギーロスが増加し、被毒現象が起き
ると、メタノールの反応効率が落ち、出力の低下を招
く。

【００１０】これらの現象は、燃料電池に接続する負荷
を重くし、出力電流を取り出そうとするほど顕在化し、
エネルギー損失を増大させる。

【００１１】本発明の目的は、発電効率の低下を抑え、
負荷が変動する場合にも出力電圧が安定な、燃料電池を
用いた電源装置及びこれを用いた電子機器を提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の電源装置は、負
荷の電源を供給するための少なくとも１つの燃料電池を
有する複数のユニットセルと、上記複数のユニットセル
のうち上記負荷に接続されるユニットセルの個数を上記
負荷の変動に応じて切り替える負荷変動補償回路とを備
えている。

【００１３】これにより、負荷の消費電力が大きい時に
は負荷に接続されるユニットセル数を多くし、負荷の消
費電力が小さいときには負荷に接続されるユニットセル
数を少なくするので、燃料電池の出力電流密度を小さく
保つことができる。燃料電池は一般的に電流密度を上げ
ると出力電圧が下がる特性を有するため、燃料電池の電
流密度を小さくすることで、出力電圧を一定に保つこと
ができる。また、エネルギーの損失が少ない状態で燃料
電池を駆動することができるので、発熱が抑えられ、周
辺機器が存在する場合に、該周辺機器の発熱による不具
合を起こりにくくすることができる。このため、精密機
器などの電源として本発明の電源装置は好ましく利用す
ることができる。

【００１４】上記負荷変動補償回路は、負荷の電流また
は電圧をモニターする電流・電圧モニター回路と、上記
電流・電圧モニター回路でモニターされた電流または電
圧に応じて上記複数のユニットセルのうち負荷に接続さ
れるユニットセルの個数を切り替える制御回路とを有し
ていることにより、負荷の電流または電圧変化に対して
迅速に負荷に接続されるユニットセルの個数を切り替え
ることができるので、より正確に出力電圧が一定に保た
れる。

【００１５】上記負荷変動補償回路は、負荷の使用モー
ドに応じて上記複数のユニットセルのうち負荷に接続さ
れるユニットセルの個数を切り替えることにより、負荷
の変動が既知である場合、フィードバック制御に比べて
より迅速に負荷の変動に対応することができる。この結
果、電源装置の出力電圧は極めて正確に一定値に保たれ
る。

【００１６】上記負荷変動補償回路は、上記ユニットセ
ルの温度をモニターする温度モニターをさらに有してお
り、上記複数のユニットセルのうち負荷に接続されるユ
ニットセルの個数を切り替える際に、上記複数のユニッ
トセルの温度に応じた補正が加えられることにより、電
源装置の出力電圧はさらに正確に一定値に保たれる。な
お、燃料電池の駆動時には温度が上がるため、通常は負
荷に接続するユニットセルの数を減らす方向に補正す
る。また、温度モニターを利用して燃料電池の交換時期
を検知したり、異常の発生を検知することもできる。

【００１７】上記制御回路と上記複数のユニットセルの
各々との間にスイッチング素子がさらに設けられ、上記
各スイッチング素子は、上記複数のユニットセルの各々
に対して直列に設けられ、互いのソース端子同士及びド
レイン端子同士を接続した一対のｎチャネル型ＭＩＳト
ランジスタとｐチャネル型トランジスタとから構成され
ていることにより、スイッチング素子を通過する際の電
圧の損失を小さくすることができる。

【００１８】また、上記燃料電池は、高分子固体電解質
型の燃料電池であることにより、室温で駆動することが
できるので、熱の影響を受けやすい精密機器や、携帯機
器などの電源として好ましく用いられる。

【００１９】例えば、負荷回路と、上記負荷回路に電力
を供給する電源供給部とを有する電子機器の上記電源供
給部として利用される。

【００２０】本発明の第１の電子機器は、負荷回路と、
上記負荷回路に電力を供給するための少なくとも１つの
燃料電池を有する複数のユニットセルと、上記複数のユ
ニットセルのうち上記負荷に接続されるユニットセルの
個数を上記負荷の変動に応じて切り替える負荷変動補償
回路とを有する電源供給部と、電波を送受信するための
アンテナとを備え、上記負荷回路は送信増幅部と、受信
増幅部とを有している。

【００２１】これにより、電源供給部から供給される電
源電圧が常に一定に保たれるので、安定に動作する電子
機器が実現されている。また、電源供給部におけるエネ
ルギー損失が小さく抑えられているので、発熱による動
作不良の発生が抑えられている。

【００２２】本発明の第２の電子機器は、負荷回路と、
上記負荷回路に電力を供給するための複数の燃料電池を
有する電源供給部と、上記負荷回路に複数の電源電圧を
供給するための電源電圧制御部とを備えている。

【００２３】これにより、負荷回路が複数の電圧で駆動
される回路を有しているときにも、所定の電圧が安定し
て供給されるので、安定な動作が実現できる。

【００２４】上記電源供給部は、直列に接続された上記
複数の燃料電池を有しており、上記電源電圧制御部は、
電圧に応じて接続される上記複数の燃料電池の個数を切
り替えることにより、電源供給部は出力電圧が同一の燃
料電池を用いて複数の電圧を供給することができるの
で、安定動作する電子機器を実現することができる。

【００２５】上記電源電圧制御部は、上記負荷回路の使
用モードに応じて上記複数の燃料電池のうち上記負荷回
路に接続される燃料電池の個数を切り替えることによ
り、負荷回路の消費電力の変化に伴う電圧変化に前もっ
て対応することができるので、より安定に動作する電子
機器を実現することができる。

【００２６】上記燃料電池は高分子固体電解質型の燃料
電池であることにより、電源供給部が室温で駆動するこ
とができるので、従来のリチウム電池に比べて長期間電
池交換が不要な電子機器を実現することができる。

【００２７】また、電波を送受信するためのアンテナを
さらに備え、上記負荷回路は、送信増幅部と、受信増幅
部とを有していることにより、長期間電池交換が不要
で、特に携帯に適した通信用の電子機器を実現すること
ができる。

【００２８】

【発明の実施の形態】負荷変動に伴う燃料電池の出力電
圧の低下を防ぐためには、新しい電解質膜や触媒材料を
開発することと、回路やセル構成を工夫することが必要
である。本発明は、２つのアプローチのうち、回路及び
セル構成を工夫することによって上述の課題の解決を図
るものである。以下に、本発明の実施形態について図を
用いて説明する。なお、本明細書中「セル」とは単体の
ＤＭＦＣを指し、「ユニットセル」とは、ＤＭＦＣが複
数個直列接続されたものを指すものとする。

【００２９】（第１の実施形態）本発明の第１の実施形
態に係る電源装置は、セル１から構成された複数のユニ
ットセル２と、ユニットセル２からの電流及び電圧をモ
ニターして、ユニットセル２が出力する電力をフィード
バック制御するための負荷変動補償回路８を備えたこと
を特徴とする。

【００３０】図１（ａ），（ｂ）は、それぞれ本実施形
態の電源装置を示すブロック回路図、及び本実施形態で
用いられるＤＭＦＣの出力特性を示す図である。

【００３１】図１（ａ）に示すように、本実施形態の電
源装置は、負荷４に接続された電流・電圧モニター５
と、負荷４に対して並列に接続された複数のユニットセ
ル２と、各ユニットセル２の（＋）極と電流・電圧モニ
ター５との間に介設されたスイッチング用素子３と、電
流・電圧モニター５に接続され、各スイッチング用素子
３のオン・オフを制御するゲート制御回路７と、各ユニ
ットセル２及びゲート制御回路７に接続される温度モニ
ター６とを備えている。なお、電流・電圧モニター５、
ゲート制御回路７、温度モニター６及びスイッチング用
素子３は、負荷変動補償回路８を構成している。電池外
部の負荷４は、例えば複数のユニットセル２の（−）極
に接続されている。また、各ユニットセル２は、互いに
直列に接続された１個以上のセル１からなっており、ユ
ニットセル２あたりのセル１の数は、要求される電圧に
よって決める。

【００３２】例えば、現在の携帯電話では、電源電圧が
約３．５Ｖで、通話時のピーク消費電力が約１Ｗ、待機
時の消費電力は約０．１Ｗである。ここで、１個のセル
１は図１（ｂ）に示す特性を有するので、動作点を電流
密度３５ｍＡ／ｃｍ² に設定すると、出力電圧は０．７
Ｖとなる。従って、ユニットセル２を５個のセル１から
構成すれば、出力電圧を３．５Ｖにすることができる。

【００３３】一方、ピーク消費電力の１Ｗの際のピーク
出力電流は、１（Ｗ）／３．５（Ｖ）＝２８６（ｍＡ）
となる。この出力電流を得るには、セルの総面積を２８
６（ｍＡ）／３５（ｍＡ／ｃｍ²）＝８．２ｃｍ²とすれ
ばよい。ここで、１個のユニットセル２の面積は、１個
のセル１の面積として計算されている。そのため、ユニ
ットセル２を平面的に配置する場合、ユニットセル２を
構成する５個のセルを考慮すると、１Ｗの電力を出力す
るために必要な電池総面積は、８．２×５＝約４０ｃｍ
² となる。これは、現在の携帯電話の背面サイズにほぼ
等しい。すなわち、本実施形態の電源装置は、携帯電話
用の２次電池として十分使用できる大きさであることが
分かる。

【００３４】本実施形態の電源装置を設計する際には、
セル電圧が高い領域でＤＭＦＣを使用できるようにする
ことが好ましい。これは、図１（ｂ）に示すように、電
流密度を大きくするとＤＭＦＣのセル電圧が下がって電
力損失が大きくなるためである。そのため、本実施形態
の電源装置の場合、電流密度が３５ｍＡ／ｃｍ２ 以下
の範囲で使用することが好ましい。ただし、電流密度が
３５ｍＡ／ｃｍ² 以上であっても、ユニットセル２の出
力電圧はゲート制御回路７により制御されているので、
負荷によって電圧が変動することはない。なお、最適な
電流密度は、ユニットセル２に用いる燃料電池の性能等
により異なる。

【００３５】また、ユニットセル２の１個あたりの占有
面積は、負荷４の変動の仕方やスイッチング素子３のオ
ン電流をもとに設計する。携帯電話の例のように、通話
時の消費電力が待機時の１０倍である場合、ユニットセ
ル２を並列に１０個設ければよく、１個あたりの専有面
積は４０／１０＝４ｃｍ² となる。これについては後に
説明する。

【００３６】また、スイッチング素子３としては、ドレ
イン電流が２９ｍＡのＳｉ（シリコン）からなるｎチャ
ネル型ＭＩＳトランジスタが用いられる。特に、製造が
容易なことなどからｎチャネル型ＭＯＳトランジスタが
好ましく用いられる。

【００３７】次に、負荷変動補償回路８を含めた電源装
置の動作について説明する。ここでは、ユニットセル２
が１０個で、出力電圧が３．５Ｖである電源装置を携帯
電話に用いる例について説明する。

【００３８】まず、図１（ａ）に示すように、携帯電話
の待機時には、電圧が３．５Ｖで負荷電流が２９ｍＡと
いうモニター信号Ｓｍ２が、電流・電圧モニター５から
ゲート制御回路７に送られる。ここで、電流・電圧モニ
ター５は必ずしも電流と電圧の両方をモニターする必要
はなく、いずれか一方のみをモニターすればよい。

【００３９】次に、ゲート制御回路７は、各々のスイッ
チング素子３にゲート信号を送り、１個のスイッチング
素子３のみをオンにし、残り９個のスイッチング素子３
をオフにする。これにより、待機時にはユニットセル２
のうち１個のみが負荷４に接続される。この時、スイッ
チング素子３のゲート電極に加える電圧としては、ユニ
ットセル２の出力電圧にスイッチング素子３のしきい値
電圧を加えた電圧が必要である。

【００４０】次に、通話時には負荷が増大し、例えば電
圧が３．５Ｖで負荷電流が２８６ｍＡ、というモニター
信号が電流・電圧モニター５からゲート制御回路７に送
られる。すると、ゲート制御回路７は各々のスイッチン
グ素子３にゲート信号を送り、１０個のスイッチング素
子３すべてをオンにする。これにより、通話時に負荷４
が大きくなっても、３．５Ｖの出力電圧を維持すること
ができる。ここで、このような制御を実現するゲート制
御回路７は、回路を組み合わせたハードウェアのみで構
成してもよいし、制御が複雑な場合はソフトウェア制御
が可能な構成であってもよい。

【００４１】なお、温度がほぼ一定の場合は上述の制御
のみで十分であるが、電力ロスなどにより温度が上昇し
た場合には、燃料電池の出力特性が変化するので、本実
施形態の電源装置は温度モニターを備えている。ＤＭＦ
Ｃの温度による性能変化は、２５℃での性能を１００％
とすると、６℃で３３％、６０℃で３３０％と、非常に
大きい。そのため、ユニットセル２の温度をモニターし
て温度による出力の変化分を補償することで、より正確
な制御が可能となる。

【００４２】待機時、通話時を問わず、各ユニットセル
２のセル温度データＳｔｄは温度モニター６に送られ
る。次いで、温度モニター６からゲート制御回路７にモ
ニター信号Ｓｍ１が送られると、温度に応じて補正され
たゲート信号がゲート制御回路７から出力される。な
お、温度が上昇するとＤＭＦＣの出力効率は向上するの
で、動作時に温度が上昇すれば、負荷４に接続するユニ
ットセル２の数を減らす方向に補正されることになる。

【００４３】これにより、ユニットセル２の温度変化が
大きい場合にも、一定の出力電圧を保つことができる。

【００４４】また、この温度モニター６により、セル温
度データＳｔｄから温度の上昇が異常なユニットセル２
を検出し、使用しないように制御することもできる。Ｄ
ＭＦＣに用いられる固体高分子電解質膜は高温に弱いた
め、このような制御を行なうことにより、電池の劣化を
防ぐことができる。その他にも、温度モニター６は、電
池の交換時期を検知することにも利用できる。

【００４５】以上のように、本実施形態の電源装置によ
れば、複数のユニットセル２と負荷変動補償回路８とを
組み合わせることにより、負荷４の変化に応じて使用す
るユニットセル２を切り替えることが可能になっている
ので、出力電圧を一定に保持することができる。さら
に、本実施形態の電源装置のように、多数（１０個）の
ユニットセル２を設けることにより、使用するユニット
セル２の個数を選択する幅が広くなる。例えば、冬季に
電池温度が６℃であった場合には、３個のユニットセル
２を使用するなど、環境に柔軟に対応することができ
る。このように、本実施形態の電源装置によれば、従来
の電源装置では困難であった、常に安定した機器動作を
実現できる。

【００４６】また、本実施形態の電源装置は、電流・電
圧モニター５、温度モニター６及びゲート制御回路７を
用いたフィードバック制御により、常にセルの出力効率
が高い条件で駆動される、従来に比べてエネルギーのロ
スが小さく抑えられている。ロスしたエネルギーの多く
は熱に変換されるため、本実施形態の電源装置によれ
ば、発熱量を低減し、発熱による機器の不具合の発生を
抑えることができる。

【００４７】なお、本実施形態の電源装置を実用化する
際には、負荷変動補償回路８を機器側に組み込み、ユニ
ットセル２のみを交換するようにしてもよいし、燃料の
メタノールのみを補充する手段があれば、電源装置に負
荷変動補償回路を組み込んであってもよい。負荷変動補
償回路８が機器側に組み込まれている場合には、例え
ば、ユニットセル２の部分だけを交換する定期交換タイ
プの電池として消費者に提供する。

【００４８】また、本実施形態の電源装置は、その構成
に特徴があるため、さらに高効率のＤＭＦＣと組み合わ
せることにより、さらに発電効率の高い電源装置を作製
することが可能である。さらに、燃料改質器を有するタ
イプの高分子固体電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）もＤＭ
ＦＣと同様に、電流密度が大きくなると出力電圧が低下
する特性を有するので、本実施形態の電源装置の構成を
適用することにより、安定した機器動作が可能な発電効
率のよい電源装置を実現できる。この場合、燃料電池の
燃料はメタノールに限らず、水素や天然ガスなどであっ
てもよい。また、家庭用コジェネレーションや自動車な
どに用いられる燃料電池についても、本実施形態のよう
に複数の電池を配置し、負荷に応じて使用する電池を切
り替えることで、出力電圧の安定や高い発電効率の維持
を図ることができる。なお、自動車の電源装置は一般に
高温になってもよいので、発電効率の高い溶融炭酸型
（ＭＣＦＣ）や酸化物固体電解質型（ＳＯＦＣ）などの
使用が検討されている。しかし、電源温度がこれらの燃
料電池の駆動温度に達するまでに多少の時間がかかるた
め、本実施形態のＤＭＦＣを用いた電源装置を補助電源
として用いることができる。

【００４９】なお、本実施形態の電源装置においては、
同じセル面積のユニットセルを１０個並列接続したが、
これに代えてセル面積比が９：１のユニットセルを作製
して並列接続してもよい。すなわち、必要に応じて各々
のユニットセルの面積比を変えてもよい。また、並列の
ユニットセル２を９個と１個に分け、９個のユニットセ
ル２と１個のユニットセル２に対してそれぞれ１つのス
イッチング素子３を設けてもよい。これにより、スイッ
チング素子３の数を減らせるので、負荷４が２つの状態
にしか変化しない場合には、負荷変動補償回路８のサイ
ズをより小さくすることができる。

【００５０】なお、本実施形態では、スイッチング素子
３としてＳｉからなるｎチャネル型ＭＩＳトランジスタ
を用いたが、ｐチャネル型を用いてもよい。また、ＭＩ
Ｓトランジスタに代えて薄膜トランジスタや接合型トラ
ンジスタを用いてもよい。また、チャネル部の材質とし
てＳｉに代えてＳｉＧｅ，ＳｉＧｅＣ，ＧａＡｓ，Ｇａ
ＮあるいはＳｉＣを用いることもできる。

【００５１】なお、本実施形態の電源装置においては、
スイッチング素子３をオンにする際にトランジスタのし
きい値電圧分の電圧降下を補償するために、ユニットセ
ル２の出力電圧に該しきい値電圧を加えた電圧をゲート
に印加したが、あらかじめユニットセル２内のセル１の
数を増やすことで電圧降下に対処してもよい。もしく
は、ｎチャネル型ＭＩＳトランジスタに代えてｎチャネ
ル型ＭＩＳトランジスタとｐチャネル型ＭＩＳトランジ
スタとを組み合わせたトランスファーゲートを用いて、
しきい値電圧分の電圧降下が発生しないようにしてもよ
い。

【００５２】本実施形態では、携帯電話の２次電池に応
用する例を説明したが、本発明の電源装置は、携帯情報
端末（ＰＤＡ）や、情報通信用の基地局など、少なくと
もアンテナ部と送信及び受信増幅部とを有する情報通信
用機器の電源として広く利用することができる。また、
精密な電源電圧の制御が要求される電子機器にも好まし
く用いることができる。なお、情報通信用の基地局の電
源への利用については、後の実施形態で詳述する。

【００５３】（第２の実施形態）本発明の第２の実施形
態は、互いに異なる電圧を供給するユニットセルを備え
た電源装置の例である。

【００５４】図２は、本実施形態の電源装置及び機器の
一部を示すブロック回路図である。本実施形態の電源装
置は、それぞれ第１の実施形態の電源装置と同様の構成
を有し、出力電圧が互いに異なる電源装置α及びβと、
電源装置αに接続され、例えば２．１Ｖの電圧で駆動す
る装置Ａと、電源装置βに接続され、例えば３．５Ｖの
電圧で駆動する装置Ｂとを備えている。

【００５５】電源装置αは、装置Ａに接続された電流・
電圧モニター１５と、電流・電圧モニター１５に対して
並列に接続された複数のユニットセル１２と、各ユニッ
トセル１２の（＋）極と電流・電圧モニター１５との間
に介設されたスイッチング素子１３と、電流・電圧モニ
ター１５に接続され、各スイッチング素子１３のオン・
オフを制御するゲート制御回路１７と、各ユニットセル
１２及びゲート制御回路１７に接続される温度モニター
１６とを備えている。なお、電流・電圧モニター１５、
ゲート制御回路１７、温度モニター１６及びスイッチン
グ素子１３は、負荷変動補償回路１８を構成している。
装置Ａは、例えば複数のユニットセル１２の（−）極に
接続されている。また、各ユニットセル１２は、互いに
直列に接続された３つのセル１１から構成されており、
出力電圧は２．１Ｖである。

【００５６】電源装置βは、装置Ｂに接続された電流・
電圧モニター２５と、電流・電圧モニター２５に対して
並列に接続された複数のユニットセル２２と、各ユニッ
トセル２２の（＋）極と電流・電圧モニター２５との間
に介設されたスイッチング用素子２３と、電流・電圧モ
ニター２５に接続され、各スイッチング用素子２３のオ
ン・オフを制御するゲート制御回路２７と、各ユニット
セル２２及びゲート制御回路２７に接続される温度モニ
ター２６とを備えている。なお、電流・電圧モニター２
５、ゲート制御回路２７、温度モニター２６及びスイッ
チング用素子２３は、負荷変動補償回路２８を構成して
いる。装置Ｂは、例えば複数のユニットセル２２の
（−）極に接続されている。また、各ユニットセル２２
は、互いに直列に接続された５つのセル２１から構成さ
れており、出力電圧は３．５Ｖである。

【００５７】なお、電源装置α及びβの駆動方法は、第
１の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

【００５８】本実施形態の電源装置のように、互いに出
力電圧の異なる電源装置を組み合わせて、同一機器内の
駆動電圧が異なる装置にそれぞれ電力を供給することも
できる。これにより、機器の内部に昇圧装置などを設け
る必要がなくなるため、機器側ＬＳＩの回路構成を単純
化することができる。

【００５９】なお、本実施形態の電源装置では、直列接
続するセルの個数を変えることでユニットセル１２とユ
ニットセル２２の出力電圧を変えたが、出力電圧の異な
る燃料電池（セル）を用いることにより、ユニットセル
の出力電圧を変えることもできる。

【００６０】また、本実施形態では出力電圧の互いに異
なる電源装置を組み合わせた例を説明したが、出力電圧
の異なるユニットセルを１つの電源装置に組み込んでも
よい。具体的には、本実施形態の電源装置において、ユ
ニットセル１２が、出力電圧が２．１Ｖのものと出力電
圧が３．５Ｖのものとの２種類であってもよい。この時
には、ゲート制御回路１７により、出力電圧が２．１Ｖ
のユニットセル群を使用する場合と３．５Ｖのユニット
セル群を使用する場合とに制御される必要がある。この
構成は、装置Ａの駆動電圧が時間によって変動する場合
に有効である。例えば、上記の構成をフラッシュメモリ
の電源に応用すれば、書き込み時に１５Ｖの電圧を出力
し、読み出し時には２〜３Ｖの電圧に切り替えて出力す
ることができ、メモリ側の回路による電圧制御が不要に
なる。また、本実施形態の電源装置は、携帯型パソコン
に用いられるＬＳＩのローパワー化の手段としても用い
ることができる。

【００６１】なお、本実施形態においては、出力電圧の
異なる電源装置を２つ備えた例を示したが、機器内にさ
らに異なる電圧で駆動する装置が含まれている場合、さ
らに異なる電源装置を複数設けてもよい。

【００６２】（第３の実施形態）本発明の第３の実施形
態に係る電源装置は、負荷変動補償回路３８にモード設
定回路をさらに設けることにより、ユニットセル３２が
出力する電力をフィードフォワード制御することを可能
にしたものである。

【００６３】図３は、本実施形態の電源装置の構成を示
すブロック回路図である。同図に示すように、本実施形
態の電源装置は、負荷３４に接続された電流・電圧モニ
ター３５と、電流・電圧モニター３５に対して並列に接
続された複数のユニットセル３２と、各ユニットセル３
２の（＋）極と電流・電圧モニター３５との間に介設さ
れたスイッチング素子３３と、電流・電圧モニター３５
に接続され、各スイッチング素子３３のオン・オフを制
御するゲート制御回路３７と、各ユニットセル３２及び
ゲート制御回路３７に接続される温度モニター３６と、
ゲート制御回路３７に接続されたモード設定回路３９と
を備えている。なお、モード設定回路３９、電流・電圧
モニター３５、ゲート制御回路３７、温度モニター３６
及びスイッチング素子３３は、負荷変動補償回路３８を
構成している。電池外部の負荷３４は、例えば複数のユ
ニットセル３２の（−）極に接続されている。また、各
ユニットセル３２は、互いに直列に接続された複数のセ
ル３１からなっている。

【００６４】次に、本実施形態の電源装置の駆動方法に
ついて説明する。なお、ここでは第１の実施形態と同様
に、ユニットセル３２が１０個で、出力電圧が３．５Ｖ
である電源装置を携帯電話に用いる例について説明す
る。以下の説明では、待機モードでの消費電力が約０．
１Ｗ、通信モードでの消費電力が約１Ｗと設定する。

【００６５】まず、図３に示すように、待機モードにお
いては、モード設定回路３９から待機モードを指示する
モード切替え信号Ｓｍｏｄｅがゲート制御回路３７に出
力される。これにより、ゲート制御回路３７の設定は待
機モードとなる。

【００６６】次に、電圧が３．５Ｖで負荷電流が２９ｍ
Ａというモニター信号Ｓｍ４が、電流・電圧モニター３
５からゲート制御回路３７に送られる。モニター信号Ｓ
ｍ４を受信後、ゲート制御回路３７は、各々のスイッチ
ング素子３３にゲート信号を送り、１個のスイッチング
素子３３のみをオンにし、残り９個のスイッチング素子
３３をオフにする。これにより、待機モードでは、ユニ
ットセル２のうち１個のみが負荷３４に接続される。

【００６７】なお、ユニットセル２の温度変化が大きい
場合は温度モニター３６による以下のようなゲート信号
の補正が行われる。

【００６８】上述の待機モードにおいて、各ユニットセ
ル３２のセル温度データＳｔｄは温度モニター３６に送
られる。次いで、温度モニター３６からゲート制御回路
３７にモニター信号Ｓｍ３が送られると、モニター信号
Ｓｍ４に応じたゲート信号は補正され、スイッチング素
子３３のゲート電極へ送られる。

【００６９】次に、通信モードに切り替わる際には、モ
ード設定回路３９から通信モードへの切替えを指示する
モード切替え信号Ｓｍｏｄｅがゲート制御回路３７に送
られる。これにより、ゲート制御回路３７の設定は通信
モードとなる。ここで、モード設定回路３９は、携帯電
話の通話ボタンと連動しており、通話ボタンが押される
と、通信モードへ切り替える指示を出す。

【００７０】通信モードにおいて、ゲート制御回路３７
は、モニター信号Ｓｍ３、Ｓｍ４を無視し、ゲート制御
回路３７にあらかじめ格納されたソフトウェアに従って
１０個のスイッチング素子３３のすべてをオンにするゲ
ート信号をスイッチング素子３３のゲート電極に出力す
る。これにより、１０個のユニットセル３２が負荷３４
に接続され、１Ｗの電力を供給することができるように
なる。ここで、ゲート制御回路３７による制御は、ソフ
トウェア以外に、回路のみで構成したハードウェアによ
り行ってもよい。

【００７１】このように、本実施形態の電源装置におい
ては、負荷３４の変化に対し、前もってユニットセルの
制御を変化させることができる。第１の実施形態で説明
したようなフィードバック制御では、負荷の変化を検知
してからユニットセルの制御を変更するため、負荷が短
時間で変動する場合に対応が間に合わなくなる可能性が
ある。本実施形態の燃料電池によれば、負荷が変化する
場合の制御をあらかじめ負荷変動補償回路３８にプログ
ラムしておくことによって、負荷の急速な変化に対応す
ることが可能になる。このように、本実施形態の構成に
よれば、エネルギー密度が従来のリチウム電池よりも高
く、且つ負荷の変動に対応する場合にも出力電圧が変化
しない電源装置を実現することができる。

【００７２】なお、本実施形態の電源装置において、通
信モードではモニター信号Ｓｍ３及びＳｍ４を無視して
ゲート制御回路３７がユニットセル３２の制御を行って
いるが、通信モードにおいても温度データ及び電流・電
圧データを参照して制御してもよい。つまり、同一モー
ドにおいてフィードフォワード制御とフィードバック制
御を組み合わせてることで、より精度の高い制御を行う
ことができる。なお、本実施形態では、通信モード中に
のみフィードフォワード制御を行なう例を示したが、待
機モード中にフィードフォワード制御を行ってもよい。

【００７３】また、最近の携帯電話においては、通信以
外にもゲーム機能やオーディオ機能、写真機能など、電
力を消費する機能を備えているものが増えている。これ
らの機能を使用する際にも、通信機能の使用時と同様に
各機能を使用するためのボタンをモード設定回路３９と
連動させることで各機能に適した電源制御を行なうこと
ができる。

【００７４】なお、本実施形態の電源装置は、携帯電話
に限らず、ＰＤＡや、情報通信用の基地局の電源として
用いることができる。

【００７５】また、第２の実施形態の電源装置において
も、負荷変動補償回路にモード設定回路をさらに設ける
ことにより、本実施形態で説明したようなフィードフォ
ワード制御が可能になる。

【００７６】（第４の実施形態）本発明の第４の実施形
態として、燃料電池を用いた電源装置を情報通信システ
ムの基地局の電源として用いる例を説明する。

【００７７】−通信システムの構成− 図４は、ミリ波を利用した通信システム（ネットワーク
システム）の全体概念の一例を示す斜視図である。同図
に示すように、基幹光ファイバーライン（Trunk Line O
-Fiber）から分岐する多数の光ファイバーラインの先端
にそれぞれ基地局が設けられている。また、各基地局か
ら各家庭（又はオフィス）にミリ波による通信を行なう
ための無線通信網が形成されている。そして、各家庭又
はオフィスの無線端末（移動局）では、ミリ波を用い
て、基地局から各家庭又はオフィスの機器に対する各種
メディアの供給や、インターネット通信や、移動局間の
通信などをすることが可能になっている。つまり、ミリ
波は光に近い波長を有することから物体による電波妨害
を受けやすいので、基地局までは光ファイバー網を介し
て光通信によるデータの送受信が行なわれ、基地局で光
信号と電気信号との間で変換が行われ、家庭又はオフィ
スと基地局との間ではミリ波を利用したワイヤレスアク
セスが可能な構成となっている。システムの一部におい
ては、基幹光ファイバーラインに直接接続される基地局
と携帯情報端末や企業内の端末との間で、アンテナを介
してワイヤレスアクセスが可能に構成されている。

【００７８】図５は、図４に示す基地局と各家庭やオフ
ィス内の無線端末との間における通信システムの構成を
概略的に示すブロック図である。同図に示すように、本
実施形態の通信システムは、光ファイバー網（ネットワ
ーク）４０を介して互いに接続される多数の基地局４１
と、各基地局４１を介して互いに通信を行なうための無
線端末４２とを備えている。各基地局４１は、電波の受
信，送信を行なうためのアンテナ装置５１と、アンテナ
装置５１で受信した電波信号を増幅するなどの機能を有
する受信増幅部５２と、アンテナ装置５１に増幅した高
周波信号を送り込むための送信増幅部５３と、受信増幅
部５２や送信増幅部５３に接続される無線送受信部５４
と、各デバイスの動作を制御するための制御部５５と、
基地局４１と光ファイバー網４０との間の信号を接続す
るための有線接続部５６とを備えている。また、無線端
末４２は、電波の受信，送信を行なうためのアンテナ装
置６１と、アンテナ装置６１で受信した電波信号を増幅
するなどの機能を有する受信増幅部６２と、アンテナ装
置６１に増幅した高周波信号を送り込むための送信増幅
部６３と、各デバイスの動作を制御するための制御部６
５とを備えている。

【００７９】図６は、基地局４１の内部構成をより詳細
に示すブロック回路図である。同図に示すように、アン
テナ装置５１は、アンテナ本体５１ａと、アンテナ本体
５１ａの送受信を切り換えるためのアンテナスイッチ５
１ｂとによって構成されている。また、受信増幅部５２
は、フィルタ７１と、低雑音アンプ（ＬＮＡ）７２とを
直列に２段ずつ配置して構成されている。無線送受信部
５４には局所増幅器と高周波発信器との出力を混合して
高周波信号を生成するためのミクサ７４が配置されてい
る。送信増幅器５３には、ドライバアンプ７５と、フィ
ルタ７６と、ミドルアンプ７７と、メインアンプ７８と
が配置されている。有線接続部５６は、音声信号を処理
するためのベースバンド信号処理部５７と、インターフ
ェース部５８と、光ファイバー網（ネットワーク）４０
に接続される交換制御部５９とによって構成されてい
る。なお、図示しないが、光信号と電気信号との間で変
換を行う信号変換装置がインターフェース部５８に設け
られている。

【００８０】電源部６０は、制御部５５，送信増幅部５
３，受信増幅部５２など、基地局４１の各部に接続さ
れ、電力を供給している。

【００８１】−燃料電池を用いた電源装置の効果− 上述の基地局４１において、電源部６０に第１〜第３の
実施形態で説明した本発明の電源装置を用いることがで
きる。通信システムの基地局４１は、外部からの電力供
給が困難な場所に設置されることも多いため、従来の電
池に比べて寿命が長く、交換が容易な電源装置は基地局
４１の電源として非常に好ましい。さらに、本実施形態
の電源装置は、負荷が変化しても出力電圧が一定に保た
れるので、各部の動作に不具合を来すおそれもない。

【００８２】特に、基地局４１の各部の駆動電圧が互い
に異なっている場合には、第２の実施形態の電源装置の
ように互いに異なる電圧を別々に供給する電池が適して
いる。電源装置の出力をフィードフォワード制御にする
かフィードバック制御にするかは、各部を構成するデバ
イスに応じて選択すればよい。

【００８３】なお、第１〜第３の実施形態の電源装置に
おいては、１つのユニットセルに対して１つのスイッチ
ング素子を設けていたが、本実施形態で説明した基地局
に電源装置を用いる場合、１つのユニットセルに対して
複数のスイッチング素子を並列に接続することにより信
頼性を大きく向上させることができる。各ユニットセル
に接続するスイッチング素子を増やすことで、いずれか
のスイッチング素子が故障した場合でも残りのスイッチ
ング素子を機能させて電源機能を維持することができ
る。

【００８４】

【発明の効果】本発明の電源装置によれば、ＤＭＦＣか
ら構成され、負荷に対して並列に設けられたユニットセ
ルと、ユニットセルの出力電流，出力電圧及び温度をモ
ニターしてユニットセルの出力電圧を一定に制御する負
荷変動補償回路とを設けているので、負荷が変動しても
出力電圧を一定に保つことができる。そのため、本発明
の電源装置を用いたることで、常に安定に動作する電子
機器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の第１の実
施形態に係る電源装置の構成を示すブロック回路図、及
び第１の実施形態で用いられるＤＭＦＣの出力特性を示
す図である。

【図２】本発明の第２の実施形態に係る電源装置の構成
を示すブロック回路図である。

【図３】本発明の第３の実施形態に係る電源装置の構成
を示すブロック回路図である。

【図４】高周波を利用した通信システムの全体概念の一
例を示す斜視図である。

【図５】図４に示す基地局と各家庭やオフィス内の無線
端末との間における通信システムの構成を概略的に示す
ブロック図である。

【図６】図４及び図５に示す基地局の内部構成をより詳
細に示すブロック回路図である。

【図７】ＤＭＦＣの出力電流密度と出力電圧との関係を
示す図である。

【符号の説明】

１，１１，２１，３１ セル ２，１２，２２，３２ ユニットセル ３，１３，２３，３３ スイッチング素子 ４，３４ 負荷 ５，１５，２５，３５ 電流・電圧モニター ６，１６，２６，３６ 温度モニター ７，１７，２７，３７ ゲート制御回路 ８，１８，２８，３８ 負荷変動補償回路 ３９ モード設定回路 ４０ 光ファイバー網 ４１ 基地局 ４２ 無線端末 ５１，６１ アンテナ装置 ５２，６２ 受信増幅部 ５３，６３ 送信増幅部 ５４ 無線送受信部 ５５，６５ 制御部 ５６ 有線接続部 ５７ ベースバンド信号処理部 ５８ インタフェース部 ５９ 交換制御部 ６０ 電源部 ７１，７６，７９ フィルタ ７２ 低雑音アンプ ７４ ミクサ ７５ ドライバアンプ ７７ ミドルアンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5G003 BA04 DA02 DA15 5H026 AA06 AA08 5H027 AA06 AA08 KK46 KK51 MM26

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 負荷の電源を供給するための少なくとも
   １つの燃料電池を有する複数のユニットセルと、 上記複数のユニットセルのうち上記負荷に接続されるユ
   ニットセルの個数を上記負荷の変動に応じて切り替える
   負荷変動補償回路とを備えている電源装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の電源装置において、 上記負荷変動補償回路は、 負荷の電流または電圧をモニターする電流・電圧モニタ
   ー回路と、 上記電流・電圧モニター回路でモニターされた電流また
   は電圧に応じて上記複数のユニットセルのうち負荷に接
   続されるユニットセルの個数を切り替える制御回路とを
   有していることを特徴とする電源装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の電源装置にお
   いて、 上記負荷変動補償回路は、負荷の使用モードに応じて上
   記複数のユニットセルのうち負荷に接続されるユニット
   セルの個数を切り替えることを特徴とする電源装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載
   の電源装置において、 上記負荷変動補償回路は、上記ユニットセルの温度をモ
   ニターする温度モニターをさらに有しており、 上記複数のユニットセルのうち負荷に接続されるユニッ
   トセルの個数を切り替える際に、上記複数のユニットセ
   ルの温度に応じた補正が加えられることを特徴とする電
   源装置。
5. 【請求項５】 請求項２〜４のうちいずれか１つに記載
   の電源装置において、 上記制御回路と上記複数のユニットセルの各々との間に
   スイッチング素子がさらに設けられ、 上記各スイッチング素子は、上記複数のユニットセルの
   各々に対して直列に設けられ、互いのソース端子同士及
   びドレイン端子同士を接続した一対のｎチャネル型ＭＩ
   Ｓトランジスタとｐチャネル型トランジスタとから構成
   されていることを特徴とする電源装置。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載
   の電源装置において、 上記燃料電池は、高分子固体電解質型の燃料電池である
   ことを特徴とする電源装置。
7. 【請求項７】 請求項６に記載の電源装置において、 負荷回路と、上記負荷回路に電力を供給する電源供給部
   とを有する電子機器の上記電源供給部として利用される
   ことを特徴とする電源装置。
8. 【請求項８】 負荷回路と、 上記負荷回路に電力を供給するための少なくとも１つの
   燃料電池を有する複数のユニットセルと、上記複数のユ
   ニットセルのうち上記負荷に接続されるユニットセルの
   個数を上記負荷の変動に応じて切り替える負荷変動補償
   回路とを有する電源供給部と、 電波を送受信するためのアンテナとを備え、 上記負荷回路は送信増幅部と、受信増幅部とを有してい
   ることを特徴とする電子機器。
9. 【請求項９】 負荷回路と、 上記負荷回路に電力を供給するための複数の燃料電池を
   有する電源供給部と、 上記負荷回路に複数の電源電圧を供給するための電源電
   圧制御部とを備えた電子機器。
10. 【請求項１０】 請求項９に記載の電子機器において、 上記電源供給部は、直列に接続された上記複数の燃料電
    池を有しており、 上記電源電圧制御部は、電圧に応じて接続される上記複
    数の燃料電池の個数を切り替えることを特徴とする電子
    機器。
11. 【請求項１１】 請求項９または１０に記載の電子機器
    において、 上記電源電圧制御部は、上記負荷回路の使用モードに応
    じて上記複数の燃料電池のうち上記負荷回路に接続され
    る燃料電池の個数を切り替えることを特徴とする電子機
    器。
12. 【請求項１２】 請求項９〜１１のうちいずれか１つに
    記載の電子機器において、 上記燃料電池は高分子固体電解質型の燃料電池であるこ
    とを特徴とする電子機器。
13. 【請求項１３】 請求項９〜１２のうちいずれか１つに
    記載の電子機器において、 電波を送受信するためのアンテナをさらに備え、 上記負荷回路は、送信増幅部と、受信増幅部とを有して
    いることを特徴とする電子機器。