JP2005123110A - 燃料電池給電システムおよびその出力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 携帯情報機器等の小型機器に好適な燃料電池給電システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池２と直流−直流変換器３を直列接続し、直流−直流変換器３の出力側で燃料電池２と直流蓄電装置９を並列接続し、燃料電池２と直流−直流変換器３の間に電流計測器４と電圧計測器５を接続して燃料電池給電システム１を構成する。そして、燃料電池２の出力電力を、電圧計測器５で検出される出力電圧があらかじめ設定された燃料電池２の出力最低電圧値以上になるように直流−直流変換器３によって制御し、電流計測器４で検出される出力電流があらかじめ設定された燃料電池２の安定出力電流値以下になるように直流−直流変換器３によって制御する。
【選択図】 図７

Description

本発明は燃料電池給電システムおよびその出力制御方法に関し、特に燃料電池および二次電池等の蓄電装置を備えた燃料電池給電システムおよびその出力制御方法に関する。

燃料電池は、燃料と酸化ガスから直接電気エネルギーを取り出せることで知られており、発電プラントや電気自動車用電源、家庭用分散電源等の中大型発電システム用として研究開発が行われてきた。しかし、近年、この燃料電池を小型化し、携帯電話やノートＰＣ等の携帯情報機器の駆動電源として用いる動きが活発になっている。これは、主に、燃料にメタノール水溶液を用いる直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell，以下「ＤＭＦＣ」と略す。）に関する研究開発が進んできたためである。

ＤＭＦＣは、メタノール水溶液を直接負極に供給して発電するため、水素を燃料として使用した場合に比べて装置が簡略化できる、または燃料の取扱いが容易であるという長所がある。しかし、ＤＭＦＣは、従来の化学電池に比べてその内部インピーダンスが非常に大きいため、負荷変動に弱いという問題点がある。そのため、負荷変動の大きい情報機器で使用するには、二次電池やコンデンサ等の直流蓄電装置を併用するのが一般的である。このとき、ＤＭＦＣは小型機器の駆動電力を供給するだけでなく、併用されている直流蓄電装置を充電する役割も果たす。

従来、このように燃料電池と蓄電装置を併用した燃料電池給電システムがいくつか提案されている（例えば特許文献１参照）。
図１０は従来の燃料電池給電システムの一例である。この燃料電池給電システム１００では、直流−直流変換器１０２の出力側に設けられた電流計測器１０３、電圧計測器１０４、電力計測器１０５、および直流蓄電装置１０６の入出力部分に設けられた電流計測器１０７、電力計測器１０８の各計測値に基づき、直流−直流変換器１０２に燃料電池１０１の出力値が設定される。そして、燃料電池１０１は、直流−直流変換器１０２の出力設定値に応じて直流電力を出力する。直流−直流変換器１０２は、燃料電池１０１から出力された直流電力の電圧を調節して出力し、電力供給装置１０９で交流電力に変換して負荷１１０に供給する。

このような燃料電池給電システム１００において、負荷１１０が変動して電力供給装置１０９の要求電力が直流−直流変換器１０２の出力電力を上回った場合には、直流蓄電装置１０６が放電して電力供給装置１０９に不足電力分を供給する。逆に、負荷１１０が変動して電力供給装置１０９の要求電力が直流−直流変換器１０２の出力電力を下回った場合には、直流蓄電装置１０６に余剰電力が蓄えられる。また、この燃料電池給電システム１００では、直流蓄電装置１０６の残存容量に応じて直流−直流変換器１０２の出力設定値を増減させ、直流蓄電装置１０６の充放電が制御されるようになっている。
特開２００１−２３１１７６号公報（段落番号〔００２４〕〜〔００３２〕，図１）

しかし、携帯情報機器等の小型機器に適用する小型のＤＭＦＣ等の燃料電池と蓄電装置を併用した燃料電池給電システムを小型機器用駆動電源として実用化するには以下のような課題がある。

例えば、上記図１０に示した従来の燃料電池給電システム１００を小型機器用駆動電源として使用した場合、燃料電池１０１の出力は、直流−直流変換器１０２より出力側の計測器１０３，１０４，１０５，１０７，１０８に基づき、直流−直流変換器１０２の出力を一定にするように設定される。このとき、燃料電池１０１の稼動状態すなわち出力電流と出力電圧は、この燃料電池１０１の内部インピーダンスの変化によって大きく変わるため、燃料電池１０１の内部インピーダンスが不安定な場合に問題を生じる。燃料電池１０１の内部インピーダンスは、長期間放置後の電源投入時や長時間の連続発電時には特に安定しないため、燃料電池１０１の性能低下を引き起こしやすい。また、小型機器は、電源オンオフの機会が比較的多く、広い温度環境下で使用されることも想定され、燃料電池の内部インピーダンスが安定しない状況が頻繁に起こり得る。

さらに、内部インピーダンスの大きさによっては、直流−直流変換器１０２の出力設定値を満足するだけの電力を燃料電池１０１が出力できない発電不能状態に陥ることもある。この場合、直流蓄電装置１０６が小型機器用駆動電源として発電する。このような場合、不足電力を補おうとして燃料電池の出力電流が大きくなり、燃料電池の総発電電力量が減少してしまうという問題が生じる。小型機器に搭載する燃料電池は、サイズ的な制約から燃料搭載量が制限されるため、その使用に当たり燃料電池の総発電電力量について十分考慮しなければならない。

以上述べたように、燃料電池を携帯情報機器等の小型機器用駆動電源（燃料電池給電システム）として用いるためには、このような小型機器特有の課題に対応できることが必須となる。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、携帯情報機器等の小型機器に好適な燃料電池給電システムおよびその出力制御方法を提供することを目的とする。

本発明では上記問題を解決するために、図７に例示する構成によって実現可能な燃料電池給電システムが提供される。本発明の燃料電池給電システムは、燃料電池と、前記燃料電池の出力側に接続され出力電力を変換する直流−直流変換器と、前記直流−直流変換器の出力側に負荷と並列に接続される蓄電装置とを有する燃料電池給電システムにおいて、前記燃料電池と前記直流−直流変換器との間に前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と前記燃料電池の出力電流を検出する出力電流検出回路とを有し、前記直流−直流変換器は、前記出力電圧検出回路によって検出される前記燃料電池の出力電圧が所定の前記燃料電池の出力最低電圧値以上になるように前記燃料電池の出力電力を制御するとともに、前記出力電流検出回路によって検出される前記燃料電池の出力電流が所定の前記燃料電池の安定出力電流値以下になるように前記燃料電池の出力電力を制御することを特徴とする。

図７に例示する燃料電池給電システム１では、燃料電池２と直流−直流変換器３が直列接続され、負荷７と並列に接続された直流蓄電装置９が直流−直流変換器３の出力側で燃料電池２と並列接続されており、燃料電池２と直流−直流変換器３の間に、出力電流検出回路である電流計測器４と出力電圧検出回路である電圧計測器５が接続されている。そして、この燃料電池給電システム１の直流−直流変換器３は、電圧計測器５で検出される燃料電池２の出力電圧が、所定の燃料電池２の出力最低電圧値以上になるように、燃料電池２の出力電力を制御するとともに、電流計測器４で検出される燃料電池２の出力電流が、所定の燃料電池２の安定出力電流値以下になるように、燃料電池２の出力電力を制御するようになっている。これにより、燃料電池２の出力電圧および出力電流を、燃料電池２の内部インピーダンスに応じて制御することが可能になる。

また、本発明では、燃料電池と蓄電装置とを備えた燃料電池給電システムの出力制御方法において、前記燃料電池の出力電圧が所定の前記燃料電池の出力最低電圧値以上になるように前記燃料電池の出力電力を制御するとともに、前記燃料電池の出力電流が所定の前記燃料電池の安定出力電流値以下になるように前記燃料電池の出力電力を制御することを特徴とする燃料電池給電システムの出力制御方法が提供される。

このような燃料電池給電システムの出力制御方法によれば、燃料電池の出力電力を、燃料電池の出力電圧が出力最低電圧値以上になるように制御するとともに、燃料電池の出力電流が安定出力電流値以下になるように制御する。これにより、燃料電池の出力電圧および出力電流を、燃料電池の内部インピーダンスに応じて制御することが可能になる。

本発明の燃料電池給電システムは、燃料電池の出力電力をその内部インピーダンスに応じて制御することが可能であり、電源オンオフの機会が多く、広い温度環境下で使用される小型機器の駆動電源として好適である。さらに、燃料電池の出力電力をその内部インピーダンスに応じて制御することにより、燃料電池の総発電電力量を増加させることができ、燃料搭載量が制限される小型機器用駆動電源として好適である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は燃料電池給電システムに用いられる燃料電池の構成例の断面図である。図１に示す燃料電池２は、電池部筐体２ａの内部に燃料としてメタノール水溶液が貯蔵される燃料貯蔵部２ｂを有し、この燃料貯蔵部２ｂに隣接して負極集電体層２ｃが設けられている。この負極集電体層２ｃは、これに対向して電池部筐体２ａ内に設けられた正極集電体層２ｄと負荷等を介して電気的に接続されるようになっている。負極集電体層２ｃと正極集電体層２ｄの間には、電解質層２ｅを挟んで、負極集電体層２ｃ側に負極触媒層２ｆが、正極集電体層２ｄ側に正極触媒層２ｇが、それぞれ設けられている。また、負極集電体層２ｃ側の燃料貯蔵部２ｂ、および正極集電体層２ｄ側の電池部筐体２ａには共に開口部が形成されている。燃料電池２は、これが用いられる燃料電池給電システムが適用される携帯情報機器等の小型機器に応じて、その小型機器に搭載可能なサイズで構成することができる。

上記構成の燃料電池２において、燃料貯蔵部２ｂ内のメタノール水溶液が開口部を通って負極触媒層２ｆへ移動すると、触媒反応によってメタノールが主に二酸化炭素と水素イオンに分解されて電子が取り出される。二酸化炭素は燃料電池２外部に排出され、一方、水素イオンは、電解質層２ｅを通って正極触媒層２ｇへと移動する。取り出された電子は負極集電体層２ｃから燃料電池２外部へと流れて負荷等の電力として供給され、正極集電体層２ｄに戻される。水素イオンは、電池部筐体２ａの開口部から入る空気中の酸素と正極集電体層２ｄに戻された電子との正極触媒層２ｇでの触媒反応によって還元され、最終的には主に水が生成される。ここで生成された水は、必要に応じて燃料のメタノール水溶液に戻される。

ここで、このような小型燃料電池の出力特性について説明する。
図２は一定電流密度で燃料電池を連続放電したときの放電時間と電池電圧の関係の一例を示す図である。図２において、横軸は放電時間（ｍｉｎ）、縦軸は電池電圧（Ｖ）をそれぞれ表している。この図２には、燃料を注入した直後に電流密度４５ｍＡ／ｃｍ²で連続放電したときの結果を示している。放電開始直後には、電解質の伝導度、セル稼動温度、燃料濃度等、燃料電池の稼動状態が一定でなく、その内部インピーダンスが安定しないため、燃料電池がうまく稼動せず、電池電圧が低い状態になっている。放電中盤では、燃料電池の内部インピーダンスが安定してくるため、電池電圧が比較的一定になる。したがって、この領域の辺りが燃料電池の安定稼動領域（または安定稼動状態）になる。その後、放電終盤に向かって電池電圧は徐々に低下していく。

図３は連続放電時の放電開始０，１０，３０，６０，９０分後の燃料電池の出力特性を示す図である。図３において、横軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ²）、縦軸は電池電圧（Ｖ）および出力電力密度（ｍＷ／ｃｍ²）をそれぞれ表している。図３には電流密度２７ｍＡ／ｃｍ²で連続放電したときのデータを用いている。燃料電池の電流（Ｉ）−電圧（Ｖ）特性は、Ｖ＝−Ｒ×Ｉ＋Ｖ₀（Ｒ，Ｖ₀：定数）のような一次式で近似でき、Ｒ，Ｖ₀が放電時間に伴い変化する。また、燃料電池の電流（Ｉ）−電力（Ｗ）特性は、Ｗ＝Ｉ×Ｖ＝−Ｒ×Ｉ²＋Ｖ₀×Ｉ（Ｒ，Ｖ₀：定数）のように上に凸の二次曲線で描かれ、各放電時間での二次曲線の最大値が各放電時間でのピーク出力電力密度になる。したがって、燃料電池は、その稼動状態に対して出力できる電力の限界が決定され、例えば、図３に示したように、ピーク出力電力密度は、放電開始直後（０分後）には約９ｍＷ／ｃｍ²、放電開始１０分後には約１５ｍＷ／ｃｍ²、放電開始３０分後には約２０ｍＷ／ｃｍ²となっている。

図４は連続放電時の放電時間と燃料電池のピーク出力電力密度の関係を示す図である。この図４において、横軸は放電時間（ｍｉｎ）、縦軸はピーク出力電力密度（ｍＷ／ｃｍ²）をそれぞれ表している。この図４に示したように、ピーク出力電力密度の最大値（燃料電池の最大出力電力密度）は、最小値（燃料電池の最低出力電力密度）に対して約２倍程度も大きくなっている。

一般に、家庭用や自動車用の中大型の燃料電池の場合は、サイズ的な制約が少なく、携帯情報機器等の小型機器に比べて非常に多くの燃料が供給できるため、放電中盤の安定稼動領域が非常に長くなる。そのため、燃料電池の出力が安定な条件下での連続稼動が可能である。このような中大型燃料電池を用いた燃料電池給電システムでは、放電開始直後から燃料電池の内部インピーダンスが落ち着いてその稼動が安定するまでの時間を「起動時間」と称し、起動時間の電力を積極的に使用しないことがある。しかし、携帯情報機器等の小型機器に燃料電池を搭載するときには、小型機器の電源オンオフの機会が中大型燃料電池を搭載した機器に比べ格段に多いことから、燃料電池の内部インピーダンスが安定しないことが多く、発電全体に対して起動時間の占める割合が非常に多くなる。そのため、小型機器用の燃料電池給電システムにおいては、起動時間に発電される電力を積極的に制御して小型機器の駆動に生かす必要がある。さらに、小型機器に搭載する燃料電池の場合は、その使用環境温度が中大型燃料電池に比べ遥かに幅広いことが想定され、そのような場合にも温度に影響されて燃料電池の内部インピーダンスが安定せず、燃料電池の出力が変化する。起動時間の不安定出力への対応は、温度変化等その他の要因による不安定出力への対応にも繋がるため、非常に重要なものとなる。また、小型機器に搭載する燃料電池は、サイズ的な制約から燃料搭載量が制限されるため、その使用に当たり燃料電池の総発電電力量についても十分考慮しなければならない。

このように、燃料電池給電システムを小型機器用駆動電源として用いるためには、中大型燃料電池を用いるときと全く異なる小型機器特有の使用条件下で、限られた燃料から安定的かつ効率的に電力量を取り出すような出力制御を行う必要がある。燃料電池給電システムの出力制御方法としては、例えば、燃料電池を一定出力電力で制御する方法や最大出力電力で制御する方法等が考えられる。

そこで、まず、燃料電池を一定出力電力で制御する方法について説明する。この制御の長所は、燃料電池が安定稼動状態（ピーク出力電力密度がほぼ一定状態）にあるときには、出力側の負荷変動に対して燃料電池の稼動状態が影響を受けず、燃料電池を常時一定状態で稼動させることができることにある。しかしながら、この制御には次のような問題点もある。

図５は燃料電池を一定出力電力で制御する方法の説明図である。図５において、横軸はピーク出力電力密度（ｍＷ／ｃｍ²）、縦軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ²）および電池電圧（Ｖ）を表している。この図５には、図２および図３のデータを基に燃料電池を９ｍＷ／ｃｍ²，１８ｍＷ／ｃｍ²の一定出力電力で放電させたときの燃料電池のピーク出力電力密度と電流密度、電池電圧の関係を示している。燃料電池を一定出力電力で放電した場合、図５のようにピーク出力電力密度の増加に伴い燃料電池の出力は電圧上昇・電流低下に変化する。

この制御方式の最大の問題は、燃料電池を例えば１８ｍＷ／ｃｍ²以上の十分な出力電力密度で稼動させようとしたときには、燃料電池の内部インピーダンスが安定して、出力電力密度が十分大きくなるまでの一定時間待機する必要があることである。一定出力電力での放電時にこのような電力不足を回避する方法としては、図５中矢印で示したように出力電力設定を可変にして制御する方法があるが、その場合、燃料電池の出力状態を燃料電池近傍でモニターする検出手段、あるいは制御のための演算装置等が必要になり、大規模化してしまう。さらに、実用稼動領域とした１８ｍＷ／ｃｍ²の放電においても、電流密度は４５ｍＡ／ｃｍ²〜５５ｍＡ／ｃｍ²の範囲で変動するため、燃料電池の稼動状態が不安定になり、燃料の消費速度が一定にならない。

次に、燃料電池を最大出力電力で制御する方法について説明する。この制御の長所は、燃料電池の稼動状態によらず燃料電池が常に最大出力電力で放電されるため、大電力放電が可能となることである。しかしながら、この制御には次のような問題点もある。

図６は燃料電池を最大出力電力で制御する方法の説明図である。図６において、横軸はピーク出力電力密度（ｍＷ／ｃｍ²）、縦軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ²）、出力電力密度（ｍＷ／ｃｍ²）および電池電圧（Ｖ）を表している。この図６には、図２および図３のデータを基に燃料電池を最大出力電力で放電させたときの燃料電池のピーク出力電力密度と電流密度、電池電圧の関係を示している。燃料電池を最大出力電力で放電したとき、燃料電池のピーク出力電力密度の変動は、特に電池の出力電流に現われる。

この制御方式の最大の問題は、燃料電池を十分な出力電力を持つ稼動領域、例えばピーク出力電力密度１８ｍＷ／ｃｍ²以上で稼動させるときに非常に大きな電流が流れてしまうことである。図３の出力特性に示したように、電流密度と出力電力密度の関係は上に凸の二次関数で近似され、この曲線のピーク近傍は電流密度を変化させても出力電力密度が大きく変動しない。携帯情報機器等の小型機器に搭載される燃料電池は、燃料搭載量が限られるため、電流密度を大きくすることは燃料電池の稼働時間を短くすることになり、稼働時間も考慮した電力量（ｍＷ・ｈ／ｃｍ²）を低下させることになる。

以下では、上記図１に示したような構成を有する燃料電池２を用い、携帯情報機器等の小型機器用駆動電源に好適な燃料電池給電システムの構成および出力制御について説明する。

図７は燃料電池給電システムの構成例を示す図である。図７に示す燃料電池給電システム１は、燃料電池２を備え、この燃料電池２には、燃料電池２の直流電力の電圧を調整し電力変換して出力するとともに燃料電池２の出力制御を行う直流−直流変換器３が直列に接続されている。燃料電池２と直流−直流変換器３の間には、燃料電池２の出力電流および出力電圧を検出する出力電流検出回路である電流計測器４および出力電圧検出回路である電圧計測器５が接続されている。直流−直流変換器３には、直流電力を交流電力に変換する電力供給装置６が直列に接続され、電力供給装置６によって変換された交流電力は、携帯情報機器等の小型機器に用いられる各種負荷７に分配供給されるようになっている。直流−直流変換器３と電力供給装置６の間には、電圧計測器８が接続され、また、直流−直流変換器３の出力側には、燃料電池２および負荷７に並列に直流蓄電装置９が接続されている。この直流蓄電装置９は、１または２以上の二次電池等から構成される。ここでは、直流蓄電装置９には、直列接続された３つの二次電池を用いている。

なお、燃料電池給電システム１は、少なくとも燃料電池２、直流−直流変換器３、電流計測器４、電圧計測器５，８および直流蓄電装置９を構成要素として含み、電力供給装置６および負荷７を有していることを必ずしも要しない。電力供給装置６および負荷７は、電力供給装置６および負荷７を含まない燃料電池給電システム１に別に接続されてもよく、また、電力供給装置６および負荷７を含まない燃料電池給電システム１を適用する小型機器側に設けられていてもよい。以下では、電力供給装置６および負荷７を含めて燃料電池給電システム１が構成されているものとして説明する。

次に、上記構成を有する燃料電池給電システム１の出力制御について説明する。
図８は燃料電池給電システムの出力制御の一例を示す図である。図８では、横軸はピーク出力電力密度（ｍＷ／ｃｍ²）、縦軸は電流密度（ｍＡ／ｃｍ²）、出力電力密度（ｍＷ／ｃｍ²）および電池電圧（Ｖ）を表している。なお、図８は、図２および図３に示したデータに基づくものである。

燃料電池給電システム１の出力制御では、あらかじめ燃料電池２の出力最低電圧値Ｖｍｉｎと安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔを設定する。出力最低電圧値Ｖｍｉｎには、燃料電池２が出力することのできる電圧の下限値を設定したり、電力供給装置６や負荷７あるいは直流蓄電装置９に応じて必要になる適当な電圧値を設定したりすることができる。また、安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔには、燃料電池２が安定して出力することのできる範囲の適当な電流値を設定することができる。例えば、発電開始直後の燃料電池２の内部インピーダンスでのピーク出力電力密度付近における出力電圧を出力最低電圧値Ｖｍｉｎ、出力電流を安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔとする。この図８の例では、出力最低電圧値Ｖｍｉｎを０．２７Ｖ、安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔを４８ｍＡ／ｃｍ²としている。そして、この図８の例では、燃料電池給電システム１は、燃料電池２の稼動状態を表すピーク出力電力密度が約１３ｍＷ／ｃｍ²以下のときには、燃料電池２の出力電圧が出力最低電圧値Ｖｍｉｎ以上になるように、電池電圧を出力最低電圧値Ｖｍｉｎで一定にし、電流密度を変動させる。一方、燃料電池２のピーク出力電力密度が約１３ｍＷ／ｃｍ²以上のときには、燃料電池給電システム１は、燃料電池２の出力電流が安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔ以下になるように、電流密度を安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔで一定にし、電池電圧を変動させる。

例えばピーク出力電力密度が約１３ｍＷ／ｃｍ²以下のときに燃料電池２の内部インピーダンスが大きくその稼動状態が不安定であるとすると、燃料電池給電システム１は、電力不足を回避するために、出力最低電圧値Ｖｍｉｎでの定電圧制御を行う。また、例えばピーク出力電力密度が約１３ｍＷ／ｃｍ²以上のときに燃料電池２の内部インピーダンスが小さくその稼動状態が安定であるとすると、燃料電池給電システム１は、燃料消費速度や稼動状態を一定にするために、安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔでの定電流制御を行う。

この図８に例示したように燃料電池給電システム１の出力制御を行うことにより、燃料電池２の稼動状態変動の全領域で連続的に出力電流および出力電圧が変動するため、一定出力電力制御のような急激な電流密度の変動がない（図５）。さらに、燃料電池２の稼動状態が良好なとき、すなわちピーク出力電力密度が大きいときに電流密度の変動がないため、最大出力電力制御のような電流密度の増加がない（図６）。さらに、ピーク出力電力密度が最大になったときに大電力で放電できる（本例では最大出力電力の８９％）。これらの長所により、電池出力・燃料消費の両面から非常に安定的かつ効率的な燃料電池２の稼動が実現可能になる。

このような出力制御を行うため、燃料電池給電システム１では、例えば、燃料電池２の出力最低電圧値Ｖｍｉｎおよび燃料電池２の安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔと共に、直流蓄電装置９の蓄電最高電圧値Ｖｍａｘが直流−直流変換器３にあらかじめ設定される。直流−直流変換器３は、燃料電池２の出力電流と出力電圧をそれぞれ電流計測器４と電圧計測器５で監視する。そして、直流−直流変換器３は、電圧計測器５によって検出される燃料電池２の出力電圧（直流−直流変換器３の入力側電圧）が出力最低電圧値Ｖｍｉｎ以上になるように、出力最低電圧値Ｖｍｉｎで燃料電池２を定電圧稼動させる。さらに、直流−直流変換器３は、電流計測器４によって検出される燃料電池２の出力電流（直流−直流変換器３の入力側電流）が安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔ以下になるように、安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔで燃料電池２を定電流稼動させる。また、直流−直流変換器３は、その出力側電圧を電圧計測器８で監視し、この電圧計測器８で蓄電最高電圧値Ｖｍａｘより大きい電圧を検出したときには、出力側電圧が蓄電最高電圧値Ｖｍａｘで定電圧となるように直流−直流変換器３の出力電力を制御する。

燃料電池２は、その内部インピーダンスに応じた直流電力を直流−直流変換器３へ出力し、直流−直流変換器３は、その直流電力を変換して直流母線１０へ出力する。直流−直流変換器３から直流母線１０に出力される電力は、電圧計測器８による直流−直流変換器３の出力側電圧が蓄電最高電圧値Ｖｍａｘ以下のときには燃料電池２の出力電力と直流−直流変換器３の変換効率によって決定される。一方、電圧計測器８による直流−直流変換器３の出力側電圧が蓄電最高電圧値Ｖｍａｘより大きいときには、直流−直流変換器３から直流母線１０に出力される電力は、電力供給装置６、負荷７および直流蓄電装置９の内部インピーダンスにより決定される。

図９は燃料電池給電システムにおける直流−直流変換器の制御フローを示す図である。燃料電池給電システム１において、直流−直流変換器３では、まず、電圧計測器８で検出された出力側電圧が蓄電最高電圧値Ｖｍａｘ以下であるか否かが判断される（ステップＳ１）。このステップＳ１において、直流−直流変換器３の出力側電圧が蓄電最高電圧値Ｖｍａｘ以下であると判断された場合には、直流−直流変換器３では、電圧計測器５で検出された入力側電圧（燃料電池２の出力電圧）が出力最低電圧値Ｖｍｉｎより小さいか否かが判断される（ステップＳ２）。このステップＳ２において、直流−直流変換器３の入力側電圧が出力最低電圧値Ｖｍｉｎより小さいと判断された場合には、直流−直流変換器３は、燃料電池２の出力電力を出力最低電圧値Ｖｍｉｎで定電圧制御する（ステップＳ３）。このような入力側電圧に基づく定電圧制御（以下「入力電圧定電圧制御」という。）の後、直流−直流変換器３は、電力変換を行い（ステップＳ４）、電圧計測器８で検出された出力側電圧で出力を行う（ステップＳ５）。この出力は、直流−直流変換器３によっては制御されない。出力側電圧・電流を設定するための検出回路は必要なく、これらは電力供給装置６、負荷７および直流蓄電装置９によって自動的に決定される。

また、ステップＳ２において、直流−直流変換器３の入力側電圧が出力最低電圧値Ｖｍｉｎ以上であると判断された場合には、直流−直流変換器３は、入力側電流（燃料電池２の出力電流）を電流計測器４で検出し、燃料電池２の出力電力を安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔで定電流制御する（ステップＳ６）。このような入力側電流に基づく定電流制御（以下「入力電流定電流制御」という。）の後は、上記入力電圧定電圧制御同様、直流−直流変換器３が電力変換を行い（ステップＳ４）、電圧計測器８で検出された直流−直流変換器３の出力側電圧で出力を行う（ステップＳ５）。この出力は、直流−直流変換器３によっては制御されず、電力供給装置６、負荷７および直流蓄電装置９によって自動的に決定される。

また、ステップＳ１において、電圧計測器８で検出された直流−直流変換器３の出力側電圧が蓄電最高電圧値Ｖｍａｘより大きいと判断された場合には、直流−直流変換器３の出力電力を蓄電最高電圧値Ｖｍａｘで定電圧制御（以下「出力電圧定電圧制御」という。）する（ステップＳ７）。

このような燃料電池給電システム１の出力制御により、燃料電池２の出力電流および出力電圧を、燃料電池２の内部インピーダンスに応じて制御することができる。例えば、燃料電池２の内部インピーダンスが大きく、その出力電圧が出力最低電圧値Ｖｍｉｎより小さくなる場合を想定する。この場合、直流−直流変換器３による入力電圧定電圧制御（ステップＳ１〜Ｓ５）によって、燃料電池２の出力電力を出力最低電圧値Ｖｍｉｎで定電圧制御し、その出力電力をできるだけ大きくして電力不足を回避する。また、例えば、燃料電池２の内部インピーダンスが小さく、その出力電圧が出力最低電圧値Ｖｍｉｎ以上蓄電最高電圧値Ｖｍａｘ以下である場合を想定する。この場合、直流−直流変換器３による入力電流定電流制御（ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ６，Ｓ４，Ｓ５）によって、燃料電池２の出力電力を安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔで定電流制御する。これにより、燃料電池２内部の発電反応速度を一定にするとともに、定電圧制御に比べて燃料の消費速度を遅くし、総発電電力量を大きくすることができる。また、例えば、直流−直流変換器３の出力側電圧が蓄電最高電圧値Ｖｍａｘより大きくなる場合には、蓄電最高電圧値Ｖｍａｘでの出力電圧定電圧制御（ステップＳ１，Ｓ７）によって、直流−直流変換器３の出力電力を制御し、直流蓄電装置９の過充電を防止することができる。

このように、燃料電池給電システム１によれば、燃料電池２の出力電力は、その内部インピーダンスによって決定される燃料電池２の最大出力電力以下に制御される。そのため、この燃料電池給電システム１では、従来出力電力を制御するときに起こり得た燃料電池２の出力不足による発電不能状態に陥ることがない。そして、内部インピーダンスが大きく、燃料電池２が電力供給装置６の要求電力以下で稼動するときには、燃料電池２は直流蓄電装置９の補助電源として電力供給装置６に電力を供給することができる。内部インピーダンスが小さく、燃料電池２が電力供給装置６の要求電力以上で稼動するときには、燃料電池２は電力供給装置６の主電源として電力を供給することができると共に、余剰電力で直流蓄電装置９を充電することができる。また、電力供給装置６の要求電力がほぼゼロのときには、直流−直流変換器３の出力を蓄電最高電圧値Ｖｍａｘで定電圧制御し、直流蓄電装置９を安全に充電することができる。

次いで、燃料電池２の総発電電力量について述べる。例えば、発電開始直後の燃料電池２の内部インピーダンスでのピーク出力電力密度における出力電圧を出力最低電圧値Ｖｍｉｎ、出力電流を安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔとする。発電の進行に伴って燃料電池２の内部インピーダンスは低下し、それに伴い燃料電池２のピーク出力電力密度は増大する。このとき、燃料電池２を出力最低電圧値Ｖｍｉｎで定電圧稼動すると、内部インピーダンスが１／ｘ（ただしｘ＞１とする。以下同じ。）になっても、燃料電池２の総発電電力量はそのままである。しかし、燃料電池２を安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔで定電流稼動すると、内部インピーダンスが１／ｘに低下したとき、総発電電力量は（２ｘ−１）／ｘ倍に増加する。この差は、燃料電池２の内部インピーダンスの低下分を、定電圧稼動では電流として利用し、定電流稼動では電圧として利用するためであり、一定量の燃料しか搭載できない携帯情報機器等においては、電流が増加すると稼働時間が減少し、出力向上と相殺されて総発電電力量が一定になることによる。

上記電力分配挙動および総発電電力量上昇は、特に平均稼動電力と最大出力電力の差が大きい携帯情報機器等の給電システムとして良好な特性であり、直流蓄電装置９の電力消費を燃料電池２で抑制することが可能になるため、携帯情報機器等の稼働時間を大幅に延長することが可能になる。

なお、以上の説明では、あらかじめ設定された出力最低電圧値Ｖｍｉｎ以上になるよう直流−直流変換器３が燃料電池２の出力電力を増減させるために、燃料電池２の出力電力を定電圧で制御するようにしたが、出力電力を増減させる制御はこれに限定されるものではない。定電圧制御の代わりに、例えば直流−直流変換器３にあらかじめ安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔより小さい出力制限電流値Ｉｍｉｎと出力最低電圧値Ｖｍｉｎ以上蓄電最高電圧値Ｖｍａｘ以下となる出力切替電圧値Ｖｃを設定し、安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔでの定電流制御時に出力最低電圧値Ｖｍｉｎを検出したときには、燃料電池２の出力制限電流値Ｉｍｉｎに切り替えて定電流制御し、出力制限電流値Ｉｍｉｎでの定電流制御時に出力切替電圧値Ｖｃを検出したときに、燃料電池２の出力電流を安定出力電流値Ｉｃｏｎｓｔに切り替えて定電流制御する定電流制御切替機能を持たせてもよい。また、出力切替電圧値Ｖｃの設定条件により、切替時出力をパルスにすることも可能であり、このパルス電流によって燃料電池２の出力電力を増減させてもよい。

また、以上の説明では、直流蓄電装置９として二次電池を用いたが、二次電池以外の直流蓄電装置９、例えばコンデンサ等を用いてもよい。また、そのときは、コンデンサとさらに並列して小型のコイン電池等の二次電池を接続してもよい。

さらに、以上の説明では、直流蓄電装置９の蓄電最高電圧値Ｖｍａｘを上限とした定電圧で直流−直流変換器３の出力電力を制御するようにしたが、直流蓄電装置９に蓄電最高電圧値Ｖｍａｘの制限がないときにはそのような制御を要しない。

本発明の燃料電池給電システムおよびその出力制御方法は、携帯情報機器等の小型機器用駆動電源のほか、発電プラントや電気自動車用電源、家庭用分散電源等にも適用可能である。

（付記１） 燃料電池と、前記燃料電池の出力側に接続され出力電力を変換する直流−直流変換器と、前記直流−直流変換器の出力側に負荷と並列に接続される蓄電装置とを有する燃料電池給電システムにおいて、
前記燃料電池と前記直流−直流変換器との間に前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と前記燃料電池の出力電流を検出する出力電流検出回路とを有し、
前記直流−直流変換器は、前記出力電圧検出回路によって検出される前記燃料電池の出力電圧が所定の前記燃料電池の出力最低電圧値以上になるように前記燃料電池の出力電力を制御するとともに、前記出力電流検出回路によって検出される前記燃料電池の出力電流が所定の前記燃料電池の安定出力電流値以下になるように前記燃料電池の出力電力を制御することを特徴とする燃料電池給電システム。

（付記２） 前記蓄電装置の蓄電最高電圧値を上限とした定電圧で前記直流−直流変換器の出力電力を制御することを特徴とする付記１記載の燃料電池給電システム。
（付記３） 前記直流−直流変換器は、前記出力電圧検出回路によって検出される前記燃料電池の出力電圧が所定の前記燃料電池の前記出力最低電圧値以上になるように前記燃料電池の出力電力を制御するときには、前記燃料電池の出力電力を前記出力最低電圧値で定電圧制御することを特徴とする付記１記載の燃料電池給電システム。

（付記４） 前記直流−直流変換器は、前記出力電流検出回路によって検出される前記燃料電池の出力電流が所定の前記燃料電池の前記安定出力電流値以下になるように前記燃料電池の出力電力を制御するときには、前記燃料電池の出力電力を前記安定出力電流値で定電流制御することを特徴とする付記１記載の燃料電池給電システム。

（付記５） 前記蓄電装置は、二次電池またはコンデンサであることを特徴とする付記１記載の燃料電池給電システム。
（付記６） 燃料電池と蓄電装置とを備えた燃料電池給電システムの出力制御方法において、
前記燃料電池の出力電圧が所定の前記燃料電池の出力最低電圧値以上になるように前記燃料電池の出力電力を制御するとともに、前記燃料電池の出力電流が所定の前記燃料電池の安定出力電流値以下になるように前記燃料電池の出力電力を制御することを特徴とする燃料電池給電システムの出力制御方法。

（付記７） 前記燃料電池の出力電圧が所定の前記燃料電池の前記出力最低電圧値以上になるように前記燃料電池の出力電力を制御するとともに、前記燃料電池の出力電流が所定の前記燃料電池の前記安定出力電流値以下になるように前記燃料電池の出力電力を制御する際には、
前記燃料電池の出力電圧と前記出力最低電圧値とを比較し、
前記燃料電池の出力電圧が前記出力最低電圧値より小さい場合には、前記燃料電池の出力電力を前記出力最低電圧値で定電圧制御し、
前記燃料電池の出力電圧が前記出力最低電圧値以上の場合には、前記燃料電池の出力電力を前記安定出力電流値で定電流制御することを特徴とする付記６記載の燃料電池給電システムの出力制御方法。

（付記８） 前記燃料電池の出力電力を変換する直流−直流変換器の出力側電圧が前記蓄電装置の蓄電最高電圧値以下の場合に、
前記燃料電池の出力電圧が所定の前記燃料電池の前記出力最低電圧値以上になるように前記燃料電池の出力電力を制御するとともに、前記燃料電池の出力電流が所定の前記燃料電池の前記安定出力電流値以下になるように前記燃料電池の出力電力を制御することを特徴とする付記６記載の燃料電池給電システムの出力制御方法。

（付記９） 前記燃料電池の出力電力を変換する直流−直流変換器の出力側電圧が前記蓄電装置の蓄電最高電圧値より大きい場合に、
前記蓄電最高電圧値を上限とした定電圧で前記直流−直流変換器の出力電力を制御することを特徴とする付記６記載の燃料電池給電システムの出力制御方法。

燃料電池給電システムに用いられる燃料電池の構成例の断面図である。 一定電流密度で燃料電池を連続放電したときの放電時間と電池電圧の関係の一例を示す図である。 連続放電時の放電開始０，１０，３０，６０，９０分後の燃料電池の出力特性を示す図である。 連続放電時の放電時間と燃料電池のピーク出力電力密度の関係を示す図である。 燃料電池を一定出力電力で制御する方法の説明図である。 燃料電池を最大出力電力で制御する方法の説明図である。 燃料電池給電システムの構成例を示す図である。 燃料電池給電システムの出力制御の一例を示す図である。 燃料電池給電システムにおける直流−直流変換器の制御フローを示す図である。 従来の燃料電池給電システムの一例である。

符号の説明

１ 燃料電池給電システム
２ 燃料電池
２ａ 電池部筐体
２ｂ 燃料貯蔵部
２ｃ 負極集電体層
２ｄ 正極集電体層
２ｅ 電解質層
２ｆ 負極触媒層
２ｇ 正極触媒層
３ 直流−直流変換器
４ 電流計測器
５，８ 電圧計測器
６ 電力供給装置
７ 負荷
９ 直流蓄電装置
１０ 直流母線

Claims (5)

1. 燃料電池と、前記燃料電池の出力側に接続され出力電力を変換する直流−直流変換器と、前記直流−直流変換器の出力側に負荷と並列に接続される蓄電装置とを有する燃料電池給電システムにおいて、
   前記燃料電池と前記直流−直流変換器との間に前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と前記燃料電池の出力電流を検出する出力電流検出回路とを有し、
   前記直流−直流変換器は、前記出力電圧検出回路によって検出される前記燃料電池の出力電圧が所定の前記燃料電池の出力最低電圧値以上になるように前記燃料電池の出力電力を制御するとともに、前記出力電流検出回路によって検出される前記燃料電池の出力電流が所定の前記燃料電池の安定出力電流値以下になるように前記燃料電池の出力電力を制御することを特徴とする燃料電池給電システム。
2. 前記蓄電装置の蓄電最高電圧値を上限とした定電圧で前記直流−直流変換器の出力電力を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池給電システム。
3. 前記直流−直流変換器は、前記出力電圧検出回路によって検出される前記燃料電池の出力電圧が所定の前記燃料電池の前記出力最低電圧値以上になるように前記燃料電池の出力電力を制御するときには、前記燃料電池の出力電力を前記出力最低電圧値で定電圧制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池給電システム。
4. 前記直流−直流変換器は、前記出力電流検出回路によって検出される前記燃料電池の出力電流が所定の前記燃料電池の前記安定出力電流値以下になるように前記燃料電池の出力電力を制御するときには、前記燃料電池の出力電力を前記安定出力電流値で定電流制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池給電システム。
5. 燃料電池と蓄電装置とを備えた燃料電池給電システムの出力制御方法において、
   前記燃料電池の出力電圧が所定の前記燃料電池の出力最低電圧値以上になるように前記燃料電池の出力電力を制御するとともに、前記燃料電池の出力電流が所定の前記燃料電池の安定出力電流値以下になるように前記燃料電池の出力電力を制御することを特徴とする燃料電池給電システムの出力制御方法。

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