JP2005063901A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排出がクリーンで燃料利用率が高い燃料電池を用いた安定な電源装置を提供する。
【解決手段】 本発明の電源装置は、燃料電池と、負荷に電力を供給する二次電池と、燃料電池の出力電力を測定する電力測定部と、燃料電池の出力を入力し、その入力電圧又は入力電流が運転目標値に近づくように出力電力を制御し、出力電力を負荷及び／又は二次電池に供給し、電力変換を行う電力変換器と、燃料電池に供給する燃料の量を制御し、且つ燃料電池が排出する燃料の量が最小を含む所定の範囲内になるような値である運転目標値を電力変換器に指示する制御部と、を有し、制御部は複数の電力測定用目標値を電力変換器に順次指示し、電力測定部はそれぞれの電力測定用目標値での燃料電池の出力電力を測定し、制御部は複数の出力電力の中の最大電力を与える目標値を求め、その値に基づいて運転目標値を更新する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を有する電源装置に関する。

現在パーソナルコンピュータなどの携帯用電子・電気機器においては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の二次電池が電源装置として使用されている。しかし、二次電池は連続して最大４時間程度しかパーソナルコンピュータに電力を供給することが出来ない。最近、２０〜４０時間連続してパーソナルコンピュータに電力を供給することが出来る燃料電池が注目されている。

メタノールを燃料とする燃料電池の代表的な方法として循環式がある。図１１は、従来例の循環式燃料電池の構成を示すブロック図である。図１１において、１１１はリターンポンプ、１１２は希釈タンク、１１３はメタノールポンプ、１１４はメタノールタンク、１１０５は燃料電池制御部、１１６は燃料電池、１１０７は気液分離器である。燃料電池１１６は、スタック１２２、燃料ポンプ１２３、空気ポンプ１２４を有する。
メタノールタンク１１４には、数％〜１００％のメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）が貯蔵されている。

メタノールポンプ１１３は、燃料電池制御部１１０５からの指令に基づきメタノールタンク１１４からメタノールを希釈タンク１１２に送り込む。希釈タンク１１２は、数％〜１００％のメタノールを５％ｗｔメタノールに希釈する。燃料ポンプ１２３は、燃料電池制御部１１０５からの指令に基づき希釈タンク１１２から希釈されたメタノールをスタック１２２に送り込む。空気ポンプ１２４は、燃料電池制御部１１０５からの指令に基づき空気をスタック１２２に送り込む。

スタック１２２において、燃料極（−）にメタノール、空気極（＋）に空気が供給される。燃料極（−）では、反応物質のメタノールと水、触媒（電極表面）及び電解質の３つが接触する三相界面と呼ばれる領域で、メタノールは水と反応して二酸化炭素、水素イオン、電子になる（ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻）。水素イオンは高分子膜を通り、電子は外部負荷を通りそれぞれ空気極（＋）に到着する。空気極（＋）では、空気中の酸素が三相界面で水素イオンと出会い、触媒（電極表面）から電子を奪って反応して水になる（３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ）。

スタック１２２は、燃料極（−）側から使用済みの３〜５％ｗｔメタノール、二酸化炭素、水を排出する。スタック１２２は、空気極（＋）側から水、空気を排出する。気液分離器１１０７は、スタック１２２から排出されたメタノール、二酸化炭素、水から二酸化炭素を分離し、排出する。リターンポンプ１１１は、分離され残ったメタノール、水を希釈タンク１１２に送り込む。メタノール、水は、希釈タンク１１２で希釈メタノールを作るのに再利用される。

特許文献１（特開２０００−１２０５９号公報）に、エネルギ変換効率が最も高い動作ポイントで動作させる従来例の燃料電池システム及び燃料電池制御方法が開示されている。図１２は、特許文献１の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。改質器１２２８は、燃料１２２４として投入されたメタノール及び水からメタノールの水蒸気改質反応によって水素を含有する水素リッチガス（改質ガス）を生成する。燃料電池１２３６は、この水素リッチガスを燃料ガスとして電力を発生する。制御部１２２０は、取り込んだガス量に対応した出力電流−出力電圧特性を導き出し、その特性から燃料電池１２３６におけるエネルギ変換効率の最も高いポイントを算出する。燃料電池１２３６をこのポイントで動作する。

特開２０００−１２０５９号公報

従来の循環式燃料電池においては、使用済みの燃料から二酸化炭素のみを分離することが困難である故に、二酸化炭素と共にかなりのメタノールが排気されるという問題があった。そのため、供給したメタノール量の１０％も有効な電力とならず、燃料利用率が悪かった。
特許文献１の燃料電池システム及び燃料電池制御方法は、改質器を有するため、装置が高価になり大型化するという問題があった。特許文献１においては、エネルギ変換効率（＝発電効率×ガス利用率）が最も良いポイントで燃料電池１２３６を動作させた。燃料を十分に供給する必要があるため、特許文献１の燃料電池システム及び燃料電池制御方法を非循環式のＤＭＦＣ（ダイレクトメタノール型燃料電池）に適用したとすれば、燃料電池から使用されなかったメタノールが多量に排出されてしまう。そのため、特許文献１の燃料電池システム及び燃料電池制御方法は非循環式のＤＭＦＣに適していなかった。

燃料を循環させず、使用済みの燃料を排出する方式の燃料電池として、非循環式燃料電池がある。燃料電池においては、燃料電池の入口から供給されたメタノールが次第に消費され、出口から排出される。しかし、出力する電流に対して供給するメタノールが不足してしまうと、燃料電池の出力電圧が急低下するという問題があった。燃料電池が安定して電力を出力すること及び負荷の急激な変化に対応出来るようにすることを目的として、従来の非循環式燃料電池においては、燃料電池から使用されなかったメタノールが相当量排出されていた。しかし、メタノールは毒性を有する故に、メタノールをそのまま排出することは出来ない。ある程度燃料が使用されないまま排出される故、非循環式燃料電池は、有毒なメタノールを燃料とする燃料電池として適していないと考えられていた。

また、特許文献１の燃料電池システム及び燃料電池制御方法は、初期時の出力電流−出力電圧特性をあらかじめ標準的なカーブ特性としてＲＯＭ上に持っており、これを読み出すことによりエネルギ変換効率の最も高いポイントを算出する。そのため、動作温度が理想値とはずれていたり、燃料電池の経年変化等によりそのポイントがずれてくると、燃料電池は目標としている電力が発電できないという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、燃料電池の経年変化があっても、燃料電池の温度、燃料電池の電解膜の水量等のさまざまな条件下においても、排出がクリーンで、燃料利用率の優れた安定な電源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。請求項１に記載の発明は、燃料電池と、負荷に電力を供給する二次電池と、前記燃料電池の出力電力を測定する電力測定部と、前記燃料電池の出力を入力し、その入力電圧又は入力電流が運転目標値に近づくように出力電力を制御し、出力電力を負荷及び／又は前記二次電池に供給し、電力変換を行う電力変換器と、前記燃料電池に供給する燃料の量を制御し、且つ前記燃料電池が排出する燃料の量が最小を含む所定の範囲内になるような値である前記運転目標値を前記電力変換器に指示する制御部と、を有し、前記制御部は複数の電力測定用目標値を前記電力変換器に指示し、前記電力測定部はそれぞれの電力測定用目標値での前記燃料電池の出力電力を測定し、前記制御部は前記複数の出力電力に基づいて、前記運転目標値を更新することを特徴とする電源装置である。

本発明は、複数の電力測定用目標値で出力電力を測定することにより、燃料電池の経年変化、温度変化、電解膜の水量などさまざまな条件下においても、現状での最適な運転目標値を見つける電源装置を実現できるという作用を有する。
電力測定部は、典型的には、燃料電池の出力電流と出力電圧とを測定し、その積（燃料電池の出力電力）を算出する。電力測定部は、電力変換器（例えばＤＣ−ＤＣコンバータ）の出力電圧と出力電流とを測定し、その積を電力変換器の電力変換効率で割って、燃料電池の出力電力を算出しても良い。電力変換器の電力変換効率がほぼ一定とみなせれば、電力変換器の出力電力を近似的に燃料電池の出力電力として取り扱っても良い。

請求項２に記載の発明は、燃料電池と、負荷に電力を供給する二次電池と、前記燃料電池の出力電力を測定する電力測定部と、前記燃料電池の出力を入力し、その入力電圧又は入力電流が運転目標値に近づくように出力電力を制御し、出力電力を負荷及び／又は前記二次電池に供給し、電力変換を行う電力変換器と、前記燃料電池に供給する燃料の量を制御し、且つ前記燃料電池が排出する燃料の量が最小を含む所定の範囲内になるような値である前記運転目標値を前記電力変換器に指示する制御部と、を有し、前記制御部は複数の電力測定用目標値を前記電力変換器に順次指示し、前記電力測定部はそれぞれの電力測定用目標値での前記燃料電池の出力電力を測定し、前記制御部は前記複数の出力電力の中の最大電力を与える目標値を求め、前記最大電力を与える目標値そのもの、前記最大電力を与える目標値から所定の電流もしくは電圧を差し引いた値又は加算した値を前記運転目標値として更新することを特徴とする電源装置である。

本発明は、最大電力を与える目標値を基準にして算出することにより、燃料電池の経年変化、温度変化、電解膜の水量などさまざまな条件下においても、常に現状での最適な運転目標値を見つける電源装置を実現できるという作用を有する。
燃料電池の運転目標値が「最大電力を与える目標値」とは異なる電源装置においては、例えば有害な排気ガスが最小になる運転目標値、排出される燃料が最小なる運転目標値を求めるためにまず「最大電力を与える目標値」を測定によって求め、これを基準として「最大電力を与える目標値」から一定電圧、一定電流又は一定パーセントシフトしたポイントを最適な運転目標値に設定する。

請求項３に記載の発明は、前記制御部は複数の発電モードを有し、それぞれの前記発電モードにおいて異なる値である単位時間当たり一定量の燃料を前記燃料電池に供給し、前記発電モードごとの前記運転目標値及び／又は前記最大電力を与える目標値を記憶する記憶部を更に備え、起動時、前記発電モードを変更した時、又は所定時間に少なくとも１回、前記制御部は複数の電力測定用目標値を前記電力変換器に指示し、前記電力測定部はそれぞれの電力測定用目標値での前記燃料電池の出力電力を測定し、前記制御部は前記複数の出力電力の中の最大電力を与える目標値を求め、前記最大の電力を与える目標値に基づいて前記運転目標値を更新し、前記記憶部は各発電モード毎の前記運転目標値及び／又は前記最大電力を与える目標値を記憶することを特徴とする請求項２に記載の電源装置である。

本発明は、運転目標値及び／又は最大電力を与える目標値を記憶部に記憶しておくことにより、燃料電池の経年変化、温度変化、電解膜の水量などさまざまな条件下においても、次回燃料電池を起動した時にすみやかに最適な運転目標値へ移行する電源装置を実現できるという作用を有する。
起動時のみ、発電モードを変更した時のみ、又は所定時間に少なくとも１回のみ、最大電力を与える目標値を検索しても良い。好ましくは、起動時、発電モードを変更した時、及び所定時間に少なくとも１回、最大電力を与える目標値を検索する。

請求項４に記載の発明は、現在の運転目標値を中心として複数の電力測定用目標値を定めることを特徴とする請求項２に記載の電源装置を実現する。
本発明は、効率的に最大電力を与える目標値を求める電源装置を実現できるという作用を有する。

請求項５に記載の発明は、第１の電力測定用目標値より大きな値である第２の電力測定用目標値における前記燃料電池の出力電力が、前記第１の電力測定用目標値における前記燃料電池の出力電力より大きければ、第２の電力測定用目標値より更に大きい値である第３の電力測定用目標値における前記燃料電池の出力電力を測定し、第２の電力測定用目標値における前記燃料電池の出力電力が、前記第１の電力測定用目標値における前記燃料電池の出力電力より小さければ、第１の電力測定用目標値より更に小さい値である第３の電力測定用目標値における前記燃料電池の出力電力を測定することを特徴とする請求項２に記載の電源装置である。
本発明は、最大電力を与える目標値を求めるために測定すべき電力測定用目標値の数を極めて少なくできるため、素早く最適な運転目標値を見つける電源装置を実現できるという作用を有する。

請求項６に記載の発明は、前記最大電力を与える目標値の変化を記憶する記憶部を有し、その変化において前記最大電力を与える目標値が増加していれば、現在の前記最大電力を与える目標値より大きな値である電力測定用目標値で前記燃料電池の出力電力を測定し、その変化において前記最大電力を与える目標値が減少していれば、現在の前記最大電力を与える目標値より小さな値である電力測定用目標値で前記燃料電池の出力電力を測定することを特徴とする請求項５に記載の電源装置である。

本発明は、最大電力を与える目標値の履歴を利用して、燃料電池の経時変化を予測することにより、測定すべき電力測定用目標値の数を更に少なくできるため、素早く最適な運転目標値を見つける電源装置を実現できるという作用を有する。
燃料電池の最大電力を与える目標値が増加している場合を例に取って説明する。運転目標値と最大電力を与える目標値とが一致する場合は、最初に、電力測定用目標値を現在の運転目標値（最大電力を与える目標値）より大きな値とし、燃料電池の出力電力を測定する。運転目標値と最大電力を与える目標値とが一致しない場合は、典型的には、最初に、電力測定用目標値を現在の運転目標値に対応する最大電力を与える目標値（前回求めた最大電力を与える目標値）とし、燃料電池の出力電力を測定する。次に、電力測定用目標値を大きくして前記燃料電池の出力電力を測定する。

請求項７に記載の発明は、前記発電モードごとの前記燃料電池の目標出力電力を記憶する記憶部を有し、前記制御部は、前記最大電力を与える目標値又はそれに対応する前記運転目標値における前記燃料電池の出力電力と、前記目標出力電力との差分が所定の範囲を超えていれば、その差分を小さくするように、前記燃料電池に供給する燃料の量を変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置である。
本発明は、燃料電池が経時変化等により所定の電力を供給できなくなった場合に、燃料供給量を微調整し運転目標値を再設定することにより、燃料電池の経年変化においても、安定した電力を供給する電源装置を実現できるという作用を有する。

請求項８に記載の発明は、前記燃料電池がダイレクトメタノール方式の燃料電池であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかの請求項に記載の電源装置である。
本発明は、燃料のメタノール成分が多少異なる場合であったとしても、常に最適な運転目標値を見つける電源装置を実現できるという作用を有する。

請求項９に記載の発明は、前記燃料電池が燃料と前記燃料電池の出力電力とをバランスさせるバランス式であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかの請求項に記載の電源装置である。
燃料電池が燃料をほとんど使い切る本発明のダイレクトメタノール方式の電源装置においては、最適な運転目標値で運転することが極めて重要である。本発明は、あらゆる条件下において最適な運転目標値を見つけ出すことができるため、理想的なバランスのとれた運転がを行う電源装置を実現できるという作用を有する。
燃料電池が燃料をほとんど使い切る本発明のダイレクトメタノール方式の電源装置においては、排出物の浄化が容易である。本発明は、毒性があるメタノールを使用して、小型で安全で排出がクリーンな燃料利用効率が高い電源装置を実現できるという作用を有する。

従来、燃料電池の排出に含まれるメタノールの量がほとんどなくなるような条件で燃料電池を駆動するという着想はなかった。例えば特許文献１の燃料電池システム及び燃料電池制御方法は、燃料電池に十分な量の燃料を供給する条件において、エネルギ変換効率が最も高い動作ポイントで燃料電池を動作させた。従って、特許文献１に記載された燃料電池の動作条件と、本願発明の燃料電池の動作条件とは全く異なる。また、特許文献１の燃料電池システム及び燃料電池制御方法は、初期時の出力電流−出力電圧特性からエネルギ変換効率の最も高いポイントを算出しており、経年変化等は考慮されていなかった。

請求項１に記載の発明によれば、複数の電力測定用目標値で出力電力を測定することにより、燃料電池の経年変化、温度変化、電解膜の水量などさまざまな条件下においても、現状での最適な運転目標値を見つける電源装置を実現できるという有利な効果が得られる。
請求項２に記載の発明によれば、最大電力を与える目標値を基準にして算出することにより、燃料電池の経年変化、温度変化、電解膜の水量などさまざまな条件下においても、常に現状での最適な運転目標値を見つける電源装置を実現できるという有利な効果が得られる。
請求項３に記載の発明によれば、運転目標値及び／又は最大電力を与える目標値を記憶部に記憶しておくことにより、燃料電池の経年変化、温度変化、電解膜の水量などさまざまな条件下においても、次回燃料電池を起動した時にすみやかに最適な運転目標値へ移行する電源装置を実現できるという有利な効果が得られる。
請求項４に記載の発明によれば、効率的に最大電力を与える目標値を求める電源装置を実現できるという有利な効果が得られる。
請求項５に記載の発明によれば、最大電力を与える目標値を求めるために測定すべき電力測定用目標値の数を極めて少なくできるため、素早く最適な運転目標値を見つける電源装置を実現できるという有利な効果が得られる。
請求項６に記載の発明によれば、最大電力を与える目標値の履歴を利用して、燃料電池の経時変化を予測することにより、測定すべき電力測定用目標値の数を更に少なくできるため、素早く最適な運転目標値を見つける電源装置を実現できるという有利な効果が得られる。
請求項７に記載の発明によれば、燃料電池が経時変化等により所定の電力を供給できなくなった場合に、燃料供給量を微調整し運転目標値を再設定することにより、燃料電池の経年変化においても、安定した電力を供給する電源装置を実現できるという有利な効果が得られる。
請求項８に記載の発明によれば、燃料のメタノール成分が多少異なる場合であったとしても、常に最適な運転目標値を見つける電源装置を実現できるという有利な効果が得られる。
請求項９に記載の発明によれば、あらゆる条件下において最適な運転目標値を見つけ出すことができるため、理想的なバランスのとれた運転がを行う電源装置を実現できるという有利な効果が得られる。本発明によれば、毒性があるメタノールを使用しても微量しか排出されないため、小型で安全で排出がクリーンな燃料利用効率が高い電源装置を実現できるという有利な効果が得られる。

以下本発明の実施をするための最良の形態を具体的に示した実施の形態について、図面とともに記載する。

《実施の形態１》
図１〜図８を用いて、実施の形態１の電源装置について説明する。
態１の電源装置の構成を示すブロック図である。図１において、１０１は電源装置、１０２は本体装置である。電源装置１０１は、リターンポンプ１１１、希釈タンク１１２、メタノールポンプ１１３、メタノールタンク１１４、浄化部１１５、燃料電池１１６、燃料電池制御部１１７、燃料電池１１６の出力電流（ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９の入力電流である。）を検出する燃料電池出力電流検出器１１８、ＤＣ−ＤＣコンバータ（電力変換器）１１９、二次電池１２０、二次電池１２０の出力電圧を検出する二次電池出力電圧検出器１２１、記憶部１２５、燃料電池１１６の出力電圧（ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９の入力電圧である。）を検出する燃料電池出力電圧検出器１２６を有する。燃料電池１１６は、スタック１２２、燃料ポンプ１２３、空気ポンプ１２４を有する。本体装置１０２は、負荷１３１を有する。

燃料電池１１６は、メタノールを原料とするバランス式燃料電池（非循環式であって、使用する燃料の量と出力する電力量とをバランスさせるダイレクトメタノール方式の燃料電池である。）である。二次電池１２０は、リチウムイオン二次電池である。二次電池１２０の容量は１６Ｗｈである。メタノールタンク１１４には、数％〜１００％のメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）が貯蔵されている。本体装置１０２は、パーソナルコンピュータである。

燃料電池１１６から出力された電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９で目標電流になるように制御される。本体装置１０２に電力を供給しても燃料電池１１６（ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９）から出力された電力が余る場合、電源装置１０１は燃料電池１１６が出力した電力を本体装置１０２に供給し、余りの電力で二次電池１２０を充電する。本体装置１０２に供給する電力が燃料電池から出力された電力だけでは足りない場合、二次電池１２０は不足分の電力を放電する。電源装置１０１は燃料電池１１６が出力した電力と二次電池１２０が放電した電力を合わせた電力を本体装置１０２に供給する。

燃料電池制御部１１７は３つの発電モードを有し、各発電モードにおいて異なる値である単位時間当たり一定量の燃料を燃料電池１１６に供給する。燃料電池制御部１１７は、二次電池出力電圧検出器１２１が検出した二次電池１２０の出力電圧から二次電池１２０の残存容量を求める。燃料電池制御部１１７は、二次電池１２０の残存容量に基づき発電モードを選択する（燃料電池１１６の出力電力を制御する）（詳細は後述）。燃料電池制御部１１７は、選択した発電モードに応じて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９に入力目標電流の値を指示する。後述するように、燃料電池に一定の燃料を供給した場合、その出力電圧と出力電流との関係はグラフ上で一定の関数で表される。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９は、燃料電池出力電流検出器１１８が検出した燃料電池１１６の出力電流（ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９の入力電流）が入力目標電流にできるだけ一致するように、その出力電流を制御する。即ち、燃料電池１１６は所定の出力電力（＝燃料電池１１６の出力電流×その出力電流に対応した出力電圧）を出力し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９は、燃料電池１１６の出力電力を変換して、負荷１３１及び／又は二次電池１２０に供給する。

具体的には、燃料電池制御部１１７は、リターンポンプ１１１、メタノールポンプ１１３、燃料ポンプ１２３、空気ポンプ１２４を用いて、燃料電池１１６に供給する燃料及び空気の量を調節する。メタノールポンプ１１３は、燃料電池制御部１１７からの指令に基づきメタノールタンク１１４からメタノールを希釈タンク１１２に送り込む。希釈タンク１１２は、数％〜１００％のメタノールを６％ｗｔメタノールに希釈する。燃料ポンプ１２３は、燃料電池制御部１１７からの指令に基づき希釈タンク１１２から希釈されたメタノールをスタック１２２に送り込む。空気ポンプ１２４は、燃料電池制御部１１７からの指令に基づき空気をスタック１２２に送り込む。

スタック１２２において、燃料極（−）にメタノール、空気極（＋）に空気が供給される。燃料極（−）では、メタノールは水と反応して二酸化炭素、水素イオン、電子になる（ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻）。水素イオンは高分子膜を通り、電子は外部負荷を通り空気極（＋）に到着する。空気極（＋）では、水素イオンと空気中の酸素が出会い、電極表面から電子を奪って反応して水となる（３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ）。

スタック１２２は、燃料極（−）側から消費され更に濃度が薄くなった０．５％ｗｔメタノール、二酸化炭素、水を排出する。浄化部１１５は、排出されたメタノールを触媒により二酸化炭素及び水に変化させ、浄化する。スタック１２２は、空気極（＋）側から水、空気を排出する。リターンポンプ１１１は、空気極（＋）側から排出された水を希釈タンク１１２に送り込む。空気極（＋）側から排出された水は、希釈タンク１１２でメタノールを希釈するための溶媒として再利用される。

図２は本発明の実施の形態１の電源装置のバランス式燃料電池の燃料の量による燃料電池１１６の出力電流−出力電圧特性、出力電流−出力電力特性、出力電流−メタノール排出率特性を示す図である。図２において、横軸は出力電流（Ａ）を表し、縦軸は出力電圧（Ｖ）及び出力電力（Ｗ）を表す。２０１、２０２、２０３は、燃料の量がそれぞれ０．１ｃｃ／ｍｉｎ、０．２ｃｃ／ｍｉｎ、０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合の出力電流−出力電圧特性を示す。２０４、２０５、２０６は、燃料の量がそれぞれ０．１ｃｃ／ｍｉｎ、０．２ｃｃ／ｍｉｎ、０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合の出力電流−出力電力特性を示す。２０７は、燃料の量が０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合の燃料電池１１６が排出するメタノール排出率を示す。燃料電池１１６の出力電流−出力電圧特性、出力電流−出力電力特性は、燃料電池１１６に供給される燃料の量によって変化する。燃料の量が或る値に決まれば、その燃料の量での出力電流−出力電圧特性、出力電流−出力電力特性が一意的に決まる。

図２において、燃料の量が０．１ｃｃ／ｍｉｎの場合に燃料電池１１６の出力電力が最大になる点の出力電流値はＡ_１、出力電力量（目標電力量）はＰ_１である。燃料の量が０．２ｃｃ／ｍｉｎの場合に燃料電池１１６の出力電力が最大になる点の出力電流値はＡ_２、出力電力量（目標電力量）はＰ_２である。燃料の量が０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合に燃料電池１１６の出力電力が最大になる点の出力電流値はＡ_３、出力電力量（目標電力量）はＰ_３である。実施の形態１の電源装置１０１は、燃料電池１１６の出力を定電流制御する。

燃料の量が０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合について説明する。出力電流−出力電力特性２０６において、出力電流が０〜Ａ_３（Ａ）の時は、出力電流が大きくなるにつれて電力も大きくなる。出力電流がＡ_３（Ａ）の時、電力は最大値となる。出力電流がＡ_３（Ａ）を越えると、出力電流が大きくなるにつれて電力は急激に小さくなる。
出力電流−出力電圧特性２０３においても、出力電流が０〜Ａ_３（Ａ）の時は、出力電流が大きくなるにつれて電圧はやや減少するが安定した電圧が保たれる。出力電流がＡ_３（Ａ）を越えると、出力電流が大きくなるにつれて出力電圧の減少率は増大する。

メタノール排出率２０７において、燃料電池１１６の出力電流が０〜Ａ_３（Ａ）に増大するにつれて、排出するメタノール量（燃料電池１１６の排出物に残留するメタノールの量）は減少する。出力電流がＡ_３（Ａ）になった時点で、排出するメタノール量は微量になる。その後は、出力電流がさらに増大すると、排出するメタノール量はわずかに減少する。
つまり、出力電流が０〜Ａ_３（Ａ）の範囲では、燃料電池１１６は供給されたメタノールを使い切れずに残りのメタノールを排出する。出力電流がＡ_３（Ａ）以上の時、燃料電池１１６は供給されたメタノールをほとんど使い切り、微量のメタノールしか排出しない。出力電流がＡ_３（Ａ）より所定量以上大きいと、燃料電池１１６の出力電圧は急落する。燃料の量が０．２ｃｃ／ｍｉｎ、０．１ｃｃ／ｍｉｎの場合においても同様である。

本発明の実施の形態１のバランス式燃料電池は、各発電モードにおいて単位時間当たり一定量の燃料を燃料電池１１６に供給し、その燃料の量で出力電力が最大となる電流値からその電流値より所定量だけ多い値までの範囲内で発電する。上記範囲は、燃料の量に応じて定められる。このため、供給したメタノールをほとんど使い切り、微量のメタノールしか排出しない。上記範囲は、燃料の量に応じて定められる。

記憶部１２５は、燃料の量をパラメータとする出力電流−出力電圧特性、出力電流−出力電力特性図（例えば図２）に基づき、各発電モードにおいて燃料電池１１６に単位時間当たりに供給する一定の燃料の量と、その燃料の量で電力が最大となる出力電流値（「最大電力を与える目標値」と呼ぶ。）と、燃料電池１１６に実際に出力させる電流値の目標値（「運転目標値」と呼ぶ。最大電力を与える目標値（電流値）から、それより所定量だけ多い電流値（出力電圧が急落する前の電流値）までの範囲内の値）と、燃料電池１１６の目標出力電力とを対応させて記憶している。運転目標値と最大電力を与える目標値との関係式を記憶し、運転目標値と最大電力を与える目標値とのいずれか一方のみを記憶しても良い。

燃料電池制御部１１７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９に、燃料の量に対応する目標出力電流値（運転目標値）を指示する。例えば燃料の量０．３ｃｃ／ｍｉｎでスタック１２２にメタノールを供給した場合、燃料電池制御部１１７は上記特性図に基づき燃料電池１１６の出力電流値がＡ_３〜Ａ_３＋α_０（α_０は正数）の範囲内の値（最大電力を与える目標値はＡ_３であって、例えば運転目標値はＡ_３＋α_１（０＜α_１＜α_０））になるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９に運転目標値を指示する。

図３は、本発明の実施の形態１の電源装置のバランス式燃料電池の初期時と経時変化後との出力電流−出力電圧特性、出力電流−出力電力特性を示す図（燃料の量が０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合）である。図３において、横軸は出力電流（Ａ）を表し、縦軸は出力電圧（Ｖ）、出力電力（Ｗ）を表す。２０３、２０６は、初期時の出力電流−出力電圧特性、出力電流−出力電力特性を示す。３０３、３０６は、経時変化後の出力電流−出力電圧特性、出力電流−出力電力特性を示す。
図３において、燃料の量が０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合に初期時の燃料電池１１６の出力電力が最大になる点の出力電流値はＡ_３、出力電力量はＰ_３である。燃料の量が０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合に経時変化後の燃料電池１１６の出力電力が最大になる点の出力電流値はＡ_３’、出力電力量はＰ_３’である。

燃料電池１１６の出力電流−出力電圧特性、出力電流−出力電力特性は、燃料電池１１６の経年変化によって変化する。図３において、経時変化後の最大電力値Ｐ_３’は、初期時の最大電力値Ｐ_３より小さい。経時変化後の燃料電池１１６は、燃料電池制御部１１７が指示する電力より小さい電力しか発電できない。また、経時変化後の最大電力時の電流値Ａ_３’は、初期時の最大電力時の電流値Ａ_３より小さい。経時変化後の燃料電池１１６は、出力電流値がＡ_３＋α_１で動作するとさらに小さい電力しか発電できない。
燃料電池１１６の出力電流−出力電圧特性、出力電流−出力電力特性は、燃料電池の経年変化以外にも燃料電池の温度や燃料電池の電解膜の水量等により変化する。本発明の電源装置は、このような燃料電池１１６の特性変化に応じて、動作点（運転目標値）を適応的に定める。

実施の形態１の電源装置の制御方法について説明する。本発明の実施の形態１の電源装置の制御方法は、燃料電池１１６ができるだけ一定の出力電力を保持できる制御方法である。
図４は、一般的な二次電池（例えばリチウム電池）の放電特性（残存容量−電圧特性）を示す図である。図４において、横軸は残存容量（％）を表し、縦軸は出力電圧（Ｖ）を表す。図４に示すように、二次電池１２０の出力電圧を検出すれば、二次電池１２０の残存容量を知ることが出来る。二次電池１２０が過充電又は過放電されないようにするため、及び例えば燃料電池１１６が起動した時燃料電池１１６が電力を供給出来るようになるまで、二次電池１２０が単独で負荷に電力を供給出来る程度の電力量を常に有するようにするため、本発明の実施の形態１の電源装置１０１は、二次電池１２０の残存容量が３５％〜９５％の範囲内になるように制御する。

実施の形態１の電源装置の燃料電池の発電モードの決定方法について説明する。
本体装置１０２の電源が投入された時、スタック１２２の温度が４０℃〜６０℃に上昇するまで（通常、電源投入後この温度に達するまでに１５分程度の時間を要する。）、燃料電池制御部１１７は燃料電池１１６を３Ｗ発電モードとする。スタック１２２の温度が４０℃〜６０℃に上昇した後、通常の発電モード制御に移る。通常の発電モード制御において、燃料電池制御部１１７は、二次電池１２０の残存容量ＳＯＣが９５％に達すると、燃料電池１１６を３Ｗ発電モードとする。３Ｗ発電モードにおいて、二次電池１２０の残存容量ＳＯＣが６５％に達すると、燃料電池１１６を１３Ｗ発電モードとする。二次電池１２０の残存容量ＳＯＣが３５％になると、燃料電池１１６を１７Ｗ発電モードとする。１７Ｗ発電モードにおいて、二次電池１２０の残存容量ＳＯＣが６５％に達すると、燃料電池１１６を１３Ｗ発電モードとする。

次に、経年変化等に対応可能な実施の形態１の電源装置の運転方法について説明する。実施の形態１の電源装置の運転方法は、短い間隔Ｔ_１で燃料電池１１６の出力電流を微調整し、長い間隔Ｔ_２で燃料電池１１６に供給する燃料の量を微調整し、最適動作点及び目標発電量を維持する方法である。ここではＴ_１は１０分、Ｔ_２は１００分とする。
図５は、本発明の実施の形態１の電源装置の燃料電池の運転方法を示すフローチャートである。ステップ５０１で、燃料電池制御部１１７は二次電池出力電圧検出器１２１が検出した二次電池１２０の出力電圧から二次電池１２０の残存容量を求める。ステップ５０２で、燃料電池制御部１１７は二次電池１２０の残存容量等に基づき上述の方法で発電モードを決定する。ステップ５０３で、燃料電池制御部１１７は決定した発電モードに従って燃料ポンプ１２３及び空気ポンプ１２４に、所定の量の燃料及びそれに対応する空気を燃料電池１１６に供給させる。

ステップ５０４で、燃料電池制御部１１７はタイマＴａをリセットする。ステップ５０５で、電源装置１０１は燃料電池１１６の出力電流（ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９の入力電流）と出力電力との関係を調べ、燃料電池１１６の出力電流（ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９の入力目標電流）を補正する（図６、７で詳細説明）。ステップ５０６で、タイマＴａ、Ｔｂに燃料電池１１６の運転時間を積算する。ステップ５０７で、燃料電池制御部１１７はタイマＴａが所定値Ｔ_１より大きいか否かを判断する。タイマＴａが所定値Ｔ_１以下の間、ステップ５０６に戻り処理を繰り返す。
タイマＴａが所定値Ｔ_１より大きい場合、ステップ５０８に進み、燃料電池制御部１１７はタイマＴｂがＴ_２より大きいか否かを判断する。タイマＴｂが所定値Ｔ_２以下の間、ステップ５０４に戻り処理を繰り返す。
タイマＴａが所定値Ｔ_１より大きい場合、ステップ５０９に進み、燃料電池制御部１１７はタイマＴｂをリセットする。ステップ５１０で、電源装置１０１は現在の燃料電池１１６の発電電力（出力電力）とその目標値とを比較し、その差が所定の範囲を超えていれば、燃料の量を補正する（図８で詳細説明）。ステップ５０６に戻り処理を繰り返す。

図５のステップ５０５の燃料電池１１６の出力電流による補正方法を、図６、７を用いて説明する。この補正方法は、所定時間Ｔ_１毎に、現在の燃料の量において電力が最大になる点を検索し、検索された点に基づいて最適の動作点を決定し、燃料電池１１６に最適の出力電流（運転目標値。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９の入力電流）で発電させる方法である。

図６において、現在の発電モードにおいて、最大電力となる燃料電池１１６の出力電流値（最初は、記憶部１２５が記憶している最大電力を与える目標値）を基準となる電流値Ａ_０、出力電流値Ａ_０よりβ（βは正数）小さい出力電流値をＡ_Ｌ、出力電流値Ａ_０よりβ大きい出力電流値をＡ_Ｒとする。ステップ５０５において、燃料電池制御部１１７はこれら３点（電力測定用目標値）での燃料電池１１６の出力電力を測定する。出力電流値Ａ_０の出力電力量をＰ_０、出力電流値Ａ_Ｌの出力電力量をＰ_Ｌ、出力電流値Ａ_Ｒの出力電力量をＰ_Ｒとする。例えば、出力電力量Ｐ_０が、出力電力量Ｐ_Ｌより大きく且つ出力電力量Ｐ_Ｒより大きい場合（例えば図６）、燃料電池制御部１１７は基準とした出力電流値Ａ_０を電力が最大になる点と判断する。それ以外の場合、燃料電池制御部１１７は３点の中で出力電力が最大となる電流値を新たな基準となる出力電流値として上記の処理を繰り返す。このようにして、燃料電池制御部１１７は燃料電池１１６の出力電力が最大になる点を検索する。求められた燃料電池１１６の最大電力に対応する出力電流を最大電力を与える目標値とし、最大電力を与える目標値に所定値α_１を加えた値を運転目標値とする。

図７は、図５のステップ５０５の詳細フローチャートである。燃料電池１１６は現在出力電流値（運転目標値、Ａ_０＋α_１）で発電しているものとする。運転目標値に対応する最大電力を与える目標値（運転目標値から電流値α_１を差し引いた値）Ａ_０を基準値とする。ステップ７０１で、燃料電池制御部１１７は燃料電池１１６の現在の出力電力量Ｐ_０を測定する。燃料電池制御部１１７は、燃料電池出力電流検出器１１８が測定した電流値と、燃料電池出力電圧検出器１２６が測定した電圧値とを掛けることにより、出力電力量Ｐ_０を測定する。ステップ７０２で、燃料電池制御部１１７はＤＣ−ＤＣコンバータ１１９に目標電流値Ａ_Ｌ（＝Ａ_０−β）を指示する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９は入力電流値が目標入力電流値Ａ_Ｌになるように制御する。１分経過後（燃料電池の動作が安定するのに必要な時間を経過させる。）、ステップ７０３で、燃料電池制御部１１７は燃料電池１１６の出力電流値がＡ_Ｌの時の出力電力量Ｐ_Ｌを測定する。ステップ７０４で、燃料電池制御部１１７は出力電力量Ｐ_０が出力電力量Ｐ_Ｌより大きいか否かを判断する。

ステップ７０４で出力電力量Ｐ_０が出力電力量Ｐ_Ｌ以上の値である場合、ステップ７０５に進み、燃料電池制御部１１７はＤＣ−ＤＣコンバータ１１９に目標電流値Ａ_Ｒ（＝Ａ_０＋β）を指示する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９は入力電流値が目標入力電流値Ａ_Ｒになるように制御する。１分経過後、ステップ７０６で、燃料電池制御部１１７は燃料電池１１６の出力電流値がＡ_Ｒの時の出力電力量Ｐ_Ｒを測定する。ステップ７０７で、燃料電池制御部１１７は出力電力量Ｐ_０が出力電力量Ｐ_Ｒ以上か否かを判断する。ステップ７０７で出力電力量Ｐ_０が出力電力量Ｐ_Ｒ未満の場合、ステップ７０８に進み、燃料電池制御部１１７は基準とする出力電流値Ａ_０を右にシフトする。即ち、Ａ_Ｌ＝Ａ_０、Ｐ_Ｌ＝Ｐ_０、Ａ_０＝Ａ_Ｒ、Ｐ_０＝Ｐ_Ｒ、Ａ_Ｒ＝Ａ_Ｒ＋βとする。ステップ７０５に戻り処理を繰り返す。

ステップ７０４で出力電力量Ｐ_０が出力電力量Ｐ_Ｌ未満の場合、ステップ７０９に進み、燃料電池制御部１１７は基準とする出力電流値Ａ_０を左にシフトする。即ち、Ａ_Ｒ＝Ａ_０、Ｐ_Ｒ＝Ｐ_０、Ａ_０＝Ａ_Ｌ、Ｐ_０＝Ｐ_Ｌ、Ａ_Ｌ＝Ａ_Ｌ−βとする。ステップ７１０で、燃料電池制御部１１７はＤＣ−ＤＣコンバータ１１９に目標電流値Ａ_Ｌを指示する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９は入力電流値が目標入力電流値Ａ_Ｌになるように制御する。１分経過後、ステップ７１１で、燃料電池制御部１１７は燃料電池１１６の出力電流値がＡ_Ｌの時の出力電力量Ｐ_Ｌを測定する。ステップ７１２で、燃料電池制御部１１７は出力電力量Ｐ_０が出力電力量Ｐ_Ｌ以上の値か否かを判断する。ステップ７１２で出力電力量Ｐ_０が出力電力量Ｐ_Ｌ未満の場合、ステップ７０９に戻り処理を繰り返す。

ステップ７０７で出力電力量Ｐ_０が出力電力量Ｐ_Ｒ以上である場合またはステップ７１２で出力電力量Ｐ_０が出力電力量Ｐ_Ｌ以上である場合、ステップ７１３に進み、燃料電池制御部１１７は出力電力量Ｐ_０が最大となる基準値（電流値）Ａ_０を新たな最大電力を与える目標値とする。最大電力を与える目標値に所定値α_１を加えた値を燃料電池１１６の最適動作点（運転目標値）として決定する。ステップ７１４で、燃料電池制御部１１７は運転目標値及び最大電力を与える目標値を記憶部１２５に記憶し、このフローチャートを終了する。

図３に示すように、経年変化により電力が最大になる点の出力電流値は小さくなる傾向がある。このため、本願発明の燃料電池制御部１１７は、基準とする出力電流値Ａ_０より小さい出力電流値Ａ_Ｌ（＝Ａ_０−β（βは正数））の出力電力量Ｐ_Ｌを出力電力量Ｐ_Ｒより先に測定している。経年変化により電力が最大になる点の出力電流値が大きくなる傾向がある場合は、基準とする出力電流値Ａ_０より大きい出力電流値Ａ_Ｒ（＝Ａ_０＋β（βは正数））の出力電力量Ｐ_Ｒを出力電力量Ｐ_Ｌより先に測定する。また、記憶部１２５に最大電力を与える目標値の履歴情報を記憶し、これに基づいて、最大電力を与える目標値がシフトする可能性が高い側を先に測定しても良い。また、最大電力を与える目標値を更新する時の燃料電池１１６の温度を測定し、その温度情報を記憶部１２５に記憶し、燃料電池１１６の最大電力を与える目標値の温度依存性に基づいて最大電力を与える目標値がシフトする可能性が高い側を推定し、そちらの側を先に測定しても良い。

燃料電池１１６においては、出力電流を変更してから出力電力が安定するまで約１分程度必要である。
本願発明の燃料電池１１６は前回求めた最大電力を与える目標値（出力電流値）Ａ_０を基準として、最大電力点を検出できなければ少しずつ測定範囲を広げていくが、出力電流をパラメータとする出力電力量の傾斜（微分値）から電力が最大となる点を推測して測定することとしてもよい。
本願発明の燃料電池１１６は３点で電力が最大となる点を判断しているが、さらに精度を上げるために４点以上で行ってもよい。

図５のステップ５１０の燃料電池１１６に供給する燃料の量による補正方法を、図８を用いて説明する。この補正方法は、燃料電池１１６の実際の出力電力量が目標電力量から所定の範囲を超えてずれた場合、発電燃料の量を変化させ、燃料電池１１６が常にほぼ目標電力量を発電するように制御する方法である。
図８は、図５のステップ５１０の詳細フローチャートである。ステップ８０１で、燃料電池制御部１１７は目標電力量Ｐと現在の出力電力量Ｐ_０との差の絶対値ΔＰを求める。ステップ８０２で、燃料電池制御部１１７はΔＰが許容値以内か否かを判断する。許容値以内の場合、このフローチャートを終了する。

ステップ８０２でΔＰが許容値以内でない場合、ステップ８０３に進む。ステップ８０３で、燃料電池制御部１１７はΔＰに基づき所定の関数からそれを補正する燃料の量を算出する。ステップ８０４で、燃料電池制御部１１７は補正された燃料の量が許容値以内か否かを判断する。許容値以内でない場合、ステップ８０８に進む。ステップ８０８で、電源装置１０１はエラーを表示し、このフローチャートを終了する。
ステップ８０４で補正された燃料の量が許容値以内の場合、ステップ８０５に進む。ステップ８０５で、燃料電池制御部１１７は燃料ポンプ１２３及び空気ポンプ１２４に、補正した量の燃料及びそれに対応する空気を燃料電池１１６に供給させる。
燃料の量を変更して所定時間経過後ステップ８０６で、燃料電池制御部１１７は出力電力が最大になる点を検索する（図７と同様の処理）。ステップ８０７で、燃料電池制御部１１７はその発電モードでの最適の燃料の量、最適動作点を記憶部１２５に記憶し、ステップ８０１に戻り処理を繰り返す。

実施の形態１においては、燃料電池の経年変化等による出力電流−出力電力特性の変化にも対応して動作ポイントを変化させることにより、常に安定した電力を供給することが可能である。燃料電池１１６が排出するメタノール量を微小にすることが可能である。
図８において燃料電池制御部１１７は、目標電力量Ｐと現在の出力電力量Ｐ_０との差が所定の範囲内になるように制御した。これに代えて、最大電力量を測定した時、その最大電力量と目標電力量Ｐとの差が所定の範囲内になるように制御しても良い。

従来例の循環式燃料電池と本発明の実施の形態１のバランス式燃料電池の燃料利用率とを比較した。供給したメタノール量を無損失で電力に変換した場合の電力量を１００％として有効電力量及び損失電力量を表す。従来例の循環式燃料電池と本発明の実施の形態１のバランス式燃料電池とが著しく異なる点は、分離時の蒸発による損失である。従来例の循環式燃料電池は、二酸化炭素のみを分離して排出することが困難である故に、二酸化炭素を排出する時にメタノールも排出する。よって、従来例の循環式燃料電池は、供給したメタノールの内２８％が分離時の蒸発によって損失していた。このように多量の有毒なメタノールをそのまま空気中に排気することは許されない故、多量のメタノールを浄化するための（二酸化炭素及び水に変化させるための）対策が必要であった。

一方、図２で説明したように、本発明の実施の形態１のバランス式燃料電池は、電力が最大となる電流値からその電流値より所定量だけ多い値までの範囲内で発電する。このため、供給したメタノールをほとんど使い切り、微量のメタノールしか排出しない。よって、本発明の実施の形態１のバランス式燃料電池は、供給したメタノールの内２％しか排出損失しない。排出された微量のメタノールは、浄化部１１５で容易に浄化できる。
その結果、従来の循環式燃料電池の有効電力量は７．６％（損失電力量が９２．４％）なのに対し、本発明の実施の形態１のバランス式燃料電池の有効電力量は１５．９％（損失電力量が８４．１％）となる。本発明の実施の形態１のバランス式燃料電池は、同一の燃料により従来の２倍以上の電力を供給することができた。

図２の出力電流−出力電圧特性から分かるように、上記出力電流の範囲内より少しでも出力電流が大きくなると急激に出力電圧が降下する。このため、燃料電池１１６の出力電力が急激に変動することは、その出力電圧が急落する恐れがあるので好ましくない。本実施の形態においては、負荷に供給する電力の急激な変化は二次電池１２０が対応する故、燃料電池１１６は１つの発電モードにおいては一定の電力を供給し続ければ良い。実施の形態１において、出力電流を、目標出力電流値（その燃料の量で電力が最大となる電流値からその電流値より所定量だけ多い電流値までの範囲内の値）とほぼ一致した状態を維持することは十分可能である。

《実施の形態２》
図９、図１０を用いて、実施の形態２の電源装置について説明する。実施の形態１のＤＣ−ＤＣコンバータ１１９は、燃料電池１１６の出力電流（ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９の入力電流）が目標電流と一致するようにその出力電力を制御していた。実施の形態２のＤＣ−ＤＣコンバータ９１９は、燃料電池１１６の出力電圧（ＤＣ−ＤＣコンバータ１１９の入力電圧）が目標電圧になるようにその出力電力を制御する。
はじめに、実施の形態２の電源装置の構成について説明する。図９は本発明の実施の形態２の電源装置の構成を示すブロック図である。実施の形態２の電源装置９０１は、実施の形態１のＤＣ−ＤＣコンバータ１１９に代えて、ＤＣ−ＤＣコンバータ９１９を有する。それ以外の点において、実施の形態２の電源装置９０１は、実施の形態１と同一である。図９において、実施の形態１と同一のブロックには同一の符号を付している。同一ブロックの説明を省略する。

燃料電池１１６は、メタノールを原料とするバランス式燃料電池（非循環式であって、使用する燃料の量と出力する電力量とをバランスさせるダイレクトメタノール方式の燃料電池）である。二次電池１２０は、リチウムイオン二次電池である。二次電池１２０の容量は１６Ｗｈである。本体装置１０２は、パーソナルコンピュータである。

燃料電池１１６から出力された電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９１９で目標電圧になるように制御される。本体装置１０２に電力を供給しても燃料電池１１６（ＤＣ−ＤＣコンバータ９１９）から出力された電力が余る場合、電源装置９０１は燃料電池１１６が出力した電力を本体装置１０２に供給し、余りの電力で二次電池１２０を充電する。本体装置１０２に供給する電力が燃料電池から出力された電力だけでは足りない場合、二次電池１２０は不足分の電力を放電する。電源装置９０１は燃料電池１１６が出力した電力と二次電池１２０が放電した電力を合わせた電力を本体装置１０２に供給する。

電源装置９０１は３つの発電モードを有する（目標発電量が３つある。）。各発電モードにおいて異なる値である単位時間当たり一定量の燃料を燃料電池１１６に供給する。燃料電池制御部１１７は、二次電池出力電圧検出器１２１が検出した二次電池１２０の出力電圧から二次電池１２０の残存容量を求める。燃料電池制御部１１７は、二次電池１２０の残存容量に基づき発電モードを選択する。燃料電池制御部１１７は、燃料電池１１６の出力電力を制御する。即ち、燃料電池制御部１１７は、選択した発電モードに応じて、燃料電池１１６に供給する燃料の量を決定し、ＤＣ−ＤＣコンバータ９１９に入力目標電圧の値を指示する。後述するように、燃料電池に一定量の燃料を供給した場合、その出力電力と出力電圧との関係はグラフ上で一定の関数で表される。ＤＣ−ＤＣコンバータ９１９は、燃料電池出力電圧検出器１２６が検出した燃料電池１１６の出力電圧（ＤＣ−ＤＣコンバータ９１９の入力電圧）が入力目標電圧にできるだけ一致するように、その出力電流を制御する。即ち、燃料電池１１６は所定の出力電力（＝燃料電池１１６の出力電圧×その出力電圧に対応した出力電流）を出力し、ＤＣ−ＤＣコンバータ９１９は、燃料電池１１６の出力電力を変換して、負荷１３１及び／又は二次電池１２０に供給する。
燃料電池１１６内の反応については、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。

図１０は、本発明の実施の形態２の電源装置のバランス式燃料電池の燃料の量による出力電圧−出力電力特性を示す図である。図１０は、横軸が電流である図２を、横軸を電圧にして書き換えたものである。図１０において、横軸は出力電圧（Ｖ）を表し、縦軸は出力電力（Ｗ）を表す。１００１、１００２、１００３は、燃料の量がそれぞれ０．１ｃｃ／ｍｉｎ、０．２ｃｃ／ｍｉｎ、０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合の初期時の出力電圧−出力電力特性を示す。１０１３は、燃料の量が０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合の経時変化後の出力電圧−出力電力特性を示す。燃料電池１１６の出力電圧−出力電力特性は、燃料電池１１６に供給される燃料の量によって変化する。燃料の量が或る値に決まれば、その燃料の量での出力電圧−出力電力特性が一意的に決まる。

図１０において、燃料の量が０．１ｃｃ／ｍｉｎの場合に初期時の燃料電池１１６の出力電力が最大になる点の出力電圧値はＶ_１、出力電力量（目標電力量）はＰ_１である。燃料の量が０．２ｃｃ／ｍｉｎの場合に初期時の燃料電池１１６の出力電力が最大になる点の出力電圧値はＶ_２、出力電力量（目標電力量）はＰ_２である。燃料の量が０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合に初期時の燃料電池１１６の出力電力が最大になる点の出力電圧値はＶ_３、出力電力量（目標電力量）はＰ_３である。燃料の量が０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合に経時変化後の燃料電池１１６の出力電力が最大になる点の出力電圧値はＶ_３’、出力電力量（目標電力量）はＰ_３’である。実施の形態２の電源装置９０１は、燃料電池１１６の出力を定電圧制御する。

本発明の実施の形態２のバランス式燃料電池は、各発電モードにおいて単位時間当たり一定量の燃料を燃料電池１１６に供給し、その燃料の量で出力電力が最大となる電圧値から所定量の範囲内で発電する。このため、燃料電池１１６は供給したメタノールをほとんど使い切り、微量のメタノールしか排出しない。従って、浄化部１１５の構成を簡素化出来る。上記範囲は、燃料の量に応じて定められる。
記憶部１２５は、燃料の量をパラメータとする出力電流−出力電圧特性、出力電流−出力電力特性図（例えば図２、１０）に基づき、各発電モードにおいて燃料電池１１６に単位時間当たりに供給する一定の燃料の量と、その燃料の量で電力が最大となる出力電圧値（「最大電力を与える目標値」と呼ぶ。）と、燃料電池１１６に実際に出力させる電圧値の目標値（「運転目標値」と呼ぶ。最大電力を与える目標値（電圧値）から、それより所定量だけ低い電圧値（出力電圧が急落する前の電圧値）までの範囲内の値）と、燃料電池１１６の目標出力電力とを対応させて記憶している。運転目標値と最大電力を与える目標値との関係式を記憶し、運転目標値と最大電力を与える目標値とのいずれか一方のみを記憶しても良い。

燃料電池制御部１１７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９１９に燃料の量に対応する目標出力電圧値を指示する。例えば燃料の量０．３ｃｃ／ｍｉｎでメタノールを供給した場合、燃料電池制御部１１７は記憶部１２５の対応表に基づき燃料電池１１６の出力電圧値がＶ_３（出力電力が最大になる点の出力電圧値）からＶ_３−γ_０（γ_０は正数）の範囲内の値（例えばＶ_３−γ_１（０＜γ_１＜γ_０））になるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ９１９に指示する。実施の形態１と同様の方法で、燃料電池制御部１１７は、所定時間（Ｔ_１、Ｔ_２）毎に、運転目標値、最大電力を与える目標値及び燃料供給量を更新する。それ以外の点において、実施の形態２の電源装置の運転方法は実施の形態１の電源装置の運転方法と同一であるため、説明を省略する。

図１０において出力電力が最大になる点よりも電圧が低い領域における出力電圧−出力電力特性の傾きは、図２において出力電力が最大になる点よりも電流が大きい領域における出力電流−出力電力特性の傾きよりはるかに緩やかである。このことは、実施の形態２における定電圧制御が実施の形態１における定電流制御よりはるかに容易であることを示す。実施の形態２においては、実施の形態１より安定して電力を供給することが可能である。

なお、実施の形態１及び２では二次電池としてリチウムイオン二次電池を用いているが、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池など他種の二次電池を用いても良い。
実施の形態１及び２では本体装置はパーソナルコンピュータであったが、電源を必要とする他の装置であっても良い。
実施の形態１及び２では電源装置は３つの発電モードを有していた。しかしこれに限られるものではなく、電源装置はｎ個（ｎは２以上の正整数）の発電モードを有していても良い。

実施の形態１及び２では補正する間隔をＴ_１は１０分、Ｔ_２は１００分としていたが、他の値に変更可能である。
運転目標値が最大電力を与える目標値と同一の値であっても良い（α_１＝０）。運転目標値は、最大電力を与える目標値から所定の電流値を差し引いた値であっても良く、又は最大電力を与える目標値に所定の電圧値を加算した値であっても良い。
ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧と出力電流とを測定し、その積をＤＣ−ＤＣコンバータの電力変換効率で割って、燃料電池の出力電力を算出しても良い。ＤＣ−ＤＣコンバータの電力変換効率がほぼ一定とみなせれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力を近似的に燃料電池の出力電力として取り扱っても良い。
本発明は、燃料電池と二次電池とを併用することにより、安定動作する電源装置を実現する。

本発明の電源装置は、例えばパーソナルコンピュータ等の様々な機器の電源装置として有用である。

本発明の実施の形態１の電源装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１の電源装置のバランス式燃料電池の燃料の量による出力電流−出力電圧特性、出力電流−出力電力特性、出力電流−メタノール排出率特性を示す図 本発明の実施の形態１の電源装置のバランス式燃料電池の初期時と経時変化後との出力電流−出力電圧特性、出力電流−出力電力特性を示す図（燃料の量が０．３ｃｃ／ｍｉｎの場合） 一般的な二次電池の放電特性を示す図 本発明の実施の形態１、２の電源装置の燃料電池の運転方法を示すフローチャート 本発明の実施の形態１、２の電源装置の一定量の燃料において電力が最大になる点を検索する方法を示す図 図５のステップ５０５の詳細フローチャート 図５のステップ５１０の詳細フローチャート 本発明の実施の形態２の電源装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２の電源装置のバランス式燃料電池の燃料の量による出力電圧−出力電力特性を示す図 従来例の循環式燃料電池の構成を示すブロック図 特許文献１の燃料電池システムの構成を示すブロック図

符号の説明

１０１、９０１ 電源装置
１０２ 本体装置
１１１ リターンポンプ
１１２ 希釈タンク
１１３ メタノールポンプ
１１４ メタノールタンク
１１５ 浄化部
１１６ 燃料電池
１１７ 燃料電池制御部
１１８ 燃料電池出力電流検出器
１１９、９１９ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１２０ 二次電池
１２１ 二次電池出力電圧検出器
１２２ スタック
１２３ 燃料ポンプ
１２４ 空気ポンプ
１２５ 記憶部
１２６ 燃料電池出力電圧検出器
１３１ 負荷

Claims (9)

1. 燃料電池と、
   負荷に電力を供給する二次電池と、
   前記燃料電池の出力電力を測定する電力測定部と、
   前記燃料電池の出力を入力し、その入力電圧又は入力電流が運転目標値に近づくように出力電力を制御し、出力電力を負荷及び／又は前記二次電池に供給し、電力変換を行う電力変換器と、
   前記燃料電池に供給する燃料の量を制御し、且つ前記燃料電池が排出する燃料の量が最小を含む所定の範囲内になるような値である前記運転目標値を前記電力変換器に指示する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は複数の電力測定用目標値を前記電力変換器に指示し、前記電力測定部はそれぞれの電力測定用目標値での前記燃料電池の出力電力を測定し、前記制御部は前記複数の出力電力に基づいて、前記運転目標値を更新することを特徴とする電源装置。
2. 燃料電池と、
   負荷に電力を供給する二次電池と、
   前記燃料電池の出力電力を測定する電力測定部と、
   前記燃料電池の出力を入力し、その入力電圧又は入力電流が運転目標値に近づくように出力電力を制御し、出力電力を負荷及び／又は前記二次電池に供給し、電力変換を行う電力変換器と、
   前記燃料電池に供給する燃料の量を制御し、且つ前記燃料電池が排出する燃料の量が最小を含む所定の範囲内になるような値である前記運転目標値を前記電力変換器に指示する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は複数の電力測定用目標値を前記電力変換器に順次指示し、前記電力測定部はそれぞれの電力測定用目標値での前記燃料電池の出力電力を測定し、前記制御部は前記複数の出力電力の中の最大電力を与える目標値を求め、前記最大電力を与える目標値そのもの又は前記最大電力を与える目標値から所定の電流もしくは電圧を差し引いた値又は加算した値を前記運転目標値として更新することを特徴とする電源装置。
3. 前記制御部は複数の発電モードを有し、それぞれの前記発電モードにおいて異なる値である単位時間当たり一定量の燃料を前記燃料電池に供給し、
   前記発電モードごとの前記運転目標値及び／又は前記最大電力を与える目標値を記憶する記憶部を更に備え、
   起動時、前記発電モードを変更した時、又は所定時間に少なくとも１回、前記制御部は複数の電力測定用目標値を前記電力変換器に指示し、前記電力測定部はそれぞれの電力測定用目標値での前記燃料電池の出力電力を測定し、前記制御部は前記複数の出力電力の中の最大電力を与える目標値を求め、前記最大の電力を与える目標値に基づいて前記運転目標値を更新し、前記記憶部は各発電モード毎の前記運転目標値及び／又は前記最大電力を与える目標値を記憶することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 現在の運転目標値を中心として複数の電力測定用目標値を定めることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
5. 第１の電力測定用目標値より大きな値である第２の電力測定用目標値における前記燃料電池の出力電力が、前記第１の電力測定用目標値における前記燃料電池の出力電力より大きければ、第２の電力測定用目標値より更に大きい値である第３の電力測定用目標値における前記燃料電池の出力電力を測定し、
   第２の電力測定用目標値における前記燃料電池の出力電力が、前記第１の電力測定用目標値における前記燃料電池の出力電力より小さければ、第１の電力測定用目標値より更に小さい値である第３の電力測定用目標値における前記燃料電池の出力電力を測定することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
6. 前記最大電力を与える目標値の変化を記憶する記憶部を有し、
   その変化において前記最大電力を与える目標値が増加していれば、現在の前記最大電力を与える目標値より大きな値である電力測定用目標値で前記燃料電池の出力電力を測定し、
   その変化において前記最大電力を与える目標値が減少していれば、現在の前記最大電力を与える目標値より小さな値である電力測定用目標値で前記燃料電池の出力電力を測定することを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
7. 前記発電モードごとの前記燃料電池の目標出力電力を記憶する記憶部を有し、
   前記制御部は、前記最大電力を与える目標値又はそれに対応する前記運転目標値における前記燃料電池の出力電力と、前記目標出力電力との差分が所定の範囲を超えていれば、その差分を小さくするように、前記燃料電池に供給する燃料の量を変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
8. 前記燃料電池がダイレクトメタノール方式の燃料電池であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかの請求項に記載の電源装置。
9. 前記燃料電池が燃料と前記燃料電池の出力電力とをバランスさせるバランス式であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかの請求項に記載の電源装置。

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