JP2007066757A

JP2007066757A - ハイブリッド燃料電池

Info

Publication number: JP2007066757A
Application number: JP2005252452A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Onouchi; 倍太尾内
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-03-15
Also published as: US20070092763A1

Abstract

【課題】電力ロスや過充電による二次電池の劣化を抑制することができ、かつ、構成をシンプル化したハイブリッド燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池１と、前記燃料電池より開回路電圧が低い二次電池群２を有するハイブリッド燃料電池であって、前記燃料電池１の電圧を検出する電圧検出手段３と、前記燃料電池と二次電池群を並列に接続するかまたは接続を切断する接続遮断手段４と、前記接続遮断手段を電圧検出手段で検出された検出電圧に従って制御する制御手段５を備ているハイブリッド燃料電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と二次電池を備えたハイブリッド燃料電池に関するものである。

燃料電池と二次電池を備えたハイブリッド燃料電池は、低負荷時にはエネルギー密度に優れた燃料電池が外部負荷を駆動させると共に二次電池を充電し、高負荷時には出力性能に勝る二次電池が放電して負荷の一部を負担する。したがって、このようなハイブリッド燃料電池は、効率的な発電デバイスとして注目されている。

従来、この種のハイブリッド燃料電池では、特許文献１には、燃料電池と二次電池を並列に接続したものが開示されている。特許文献１に記載されたハイブリッド燃料電池では、出力する負荷の増大に伴って燃料電池の電流分担割合が減少し、相対的に二次電池の電流分担割合が増加する。従って、燃料電池と二次電池の電流分担割合を制御する制御部を設ける必要がなく、ハイブリッド燃料電池を小型化することができる。

また、特許文献２には、低負荷時の出力電圧が燃料電池の出力電圧より低い二次電池を、充放電制御手段を介して燃料電池と接続したものが開示されている。特許文献２に記載されたハイブリッド燃料電池では、燃料電池の発電状態に応じて、二次電池の充電と放電を適切に制御することができる。

一方、適正な出力を外部負荷に給電する方法として、特許文献３には、燃料電池と二次電池の電圧差をＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力調整器で調整して出力するハイブリッド燃料電池が開示されている。

また、特許文献４には、適切な出力と二次電池の充電状態を得るために、燃料電池と接続する二次電池の数を逐次変化させて発電するハイブリッド燃料電池が開示されている。
特開平１１−２５２７１１号公報特開２００４−０７１２６０号公報（請求項９）特開平７−１５３４７４号公報特開平１１−３３９８３３号公報

しかし、特許文献１及び２に記載されたハイブリッド燃料電池では、負荷の増減に伴い燃料電池の電圧が変化するため、二次電池を必要以上に高い電圧で充電し、これにより二次電池が過充電されて劣化する可能性があった。

また、特許文献３に記載のハイブリッド燃料電池では、電力調節器において電力変換ロスが発生し、電力の一部を損失してしまうという課題があった。
また、特許文献４に記載のハイブリッド燃料電池では、個々の二次電池と燃料電池を個別に接続または接続を切断する必要があり、ハイブリッド燃料電池の構成が複雑化するという課題があった。

特に、電子機器などの、より小型の外部負荷をハイブリッド燃料電池により駆動する場合には、係る電力ロスや複雑な構成は、小型化・低コスト化において大きな課題となった。

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、電力ロスや過充電による二次電池の劣化を抑制することができ、かつ、構成をシンプル化したハイブリッド燃料電池を提供することを目的とするものである。

本発明は上述の課題を解決するためになされたものである。
即ち、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池より開回路電圧が低い二次電池群を有するハイブリッド燃料電池であって、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池と二次電池群を並列に接続するかまたは接続を切断する接続遮断手段と、前記接続遮断手段を電圧検出手段で検出された検出電圧に従って制御する制御手段を備ていることを特徴とするハイブリッド燃料電池である。

また、本発明のハイブリッド燃料電池は、前記接続遮断手段が、外部負荷の起動の時、燃料電池と二次電池群を並列に接続し、検出電圧が所定の設定値以上である時、燃料電池と二次電池群の接続を切断し、検出電圧が前記設定値より低い別の設定値以下である時、燃料電池と二次電池群を再び接続することを特徴とする。

本発明のハイブリッド燃料電池は、電力ロスや過充電による二次電池の劣化を抑制することができ、かつ、シンプルな構成により成立つため、小型化・低コスト化に優れるという効果を得ることができる。

本発明のハイブリッド燃料電池は、燃料電池と、前記燃料電池より開回路電圧が低い二次電池群を有するハイブリッド燃料電池であって、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池と二次電池群を並列に接続するかまたは接続を切断する接続遮断手段と、前記接続遮断手段を電圧検出手段で検出された検出電圧に従って制御する制御手段を備ていることを特徴とする。

本発明によれば、低負荷で燃料電池の電圧が高い時には、接続遮断手段が燃料電池と燃料電池より開回路電圧が低い二次電池群を配列に接続し、燃料電池の電圧と二次電池群の開回路電圧の差により二次電池群が充電される。負荷が増加して、燃料電池の電圧が低下し、遂には、燃料電池の電圧が、二次電池群の開回路電圧を下回った時、二次電池群２を流れる電流の向きが反転して、二次電池群が放電を開始する。

また、燃料電池の電圧を検出することで、負荷の状態を検知することができる。また、燃料電池の電圧を検出することで、二次電池群の電圧が分かり、その充電状態を管理することができる。従って、二次電池群の充電が完了した時は、接続遮断手段が燃料電池と二次電池群の接続を切断して充電を休止する。再び負荷が増加した時には、燃料電池と二次電池郡を並列に接続することで、二次電池群が放電する。

また、燃料電池の電圧と二次電池群の開回路電圧の差により二次電池群を充電するため、二次電池群の充電量が増加し、燃料電池の電圧と二次電池群の開回路電圧の差が減少するに伴って二次電池群の充電電流も減少する。従って、適宜二次電池群の充電量に応じた充電電流によって充電が進行するため、効率的に充電を行うことができる。

このように、本発明によれば、二次電池群の充電・放電・休止の切り替えを、燃料電池の電圧に基づいて、燃料電池と二次電池群を接続し、あるいは燃料電池と二次電池群の接続を切断するだけで実行できる。それにより、シンプルな構成により成立つハイブリッド燃料電池を提供することができる。

さらに、本発明によれば、外部負荷の起動時に、接続遮断手段が燃料電池と二次電池群を接続することにより、上述した、負荷の大小に従って二次電池群の充電と放電が切り替わる一連の動作を開始することができる。

また、二次電池群の充電量が増加し、燃料電池の電圧が所定の設定値まで上昇した時に、接続遮断手段が燃料電池と二次電池群の接続を切断することにより、二次電池群の充電を休止し、過充電による二次電池の劣化を確実に防止することができる。

また、燃料電池の電圧が、前記設定値より低い別の設定値まで低下した時に、接続遮断手段が燃料電池と二次電池群を再び並列に接続することにより、二次電池群が放電して、負荷の一部を負担することができる。

このように、本発明によれば、外部負荷の起動時に燃料電池と二次電池群を並列に接続し、その後は、燃料電池の電圧に対する２つの設定値に基づいて、燃料電池と二次電池群を接続し、あるいは燃料電池と二次電池群の接続を切断する。本発明によれば、かかる制御だけで、二次電池の充電・放電・休止の切り替えを制御することが可能である。従って、二次電池の過充電を防止できる、極めて簡易な構成により成立つハイブリッド燃料電池を提供することができる。

以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。
実施例１
本発明のハイブリッド燃料電池について図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例１のハイブリッド燃料電池の構成図である。実施例１のハイブリッド燃料電池は、図１に示されるように、燃料電池１と、二次電池を直列接続してなる二次電池群２を電気回路に接続し、燃料電池１の電圧を検出する電圧検出手段３と、燃料電池１と二次電池群２を並列に接続するかまたは接続を切断する接続遮断手段４と、検出電圧に基づき接続遮断手段４を制御する制御手段５を備えている。二次電池群２の開回路電圧は、燃料電池１の開回路電圧より低く設定しており、また、燃料電池１と二次電池群２を接続する回路上には、燃料電池１への電流の逆流を防止するダイオード６が設置されている。

また、実施例１のハイブリッド燃料電池では、接続遮断手段４が、外部負荷の起動時時にが燃料電池１と二次電池群２を並列に接続する。検出電圧が二次電池群２の開回路電圧より高い設定値Ｖ_１以上である時、接続を切断する。また、検出電圧が設定値Ｖ_１より低い設定値Ｖ_２以下の時、燃料電池１と二次電池群２を再び並列に接続して二次電池群２が放電するように制御手段５が接続遮断手段４を制御する。

燃料電池１と二次電池群２を並列に接続しているため、接続が維持されている限り、燃料電池１の電圧を検出することで、二次電池群２の電圧が分かり、その充電状態を管理することができる。

二次電池群２の開回路電圧は、燃料電池１の開回路電圧よりより低く設定している。そのため、接続遮断手段４が、燃料電池１と二次電池群２を接続した状態において、低負荷時には燃料電池１の電圧と二次電池群２の開回路電圧の差により、二次電池群２が充電される。一方、高負荷時には、燃料電池１の電圧が二次電池群２の開回路電圧を下回り、二次電池群２が放電する。

図２に、本発明の実施例１における制御フローを示す。制御フローは、燃料電池１により二次電池群２が充電される低負荷充電モード、二次電池群２が放電する高負荷放電モード、及び二次電池群２の充電を休止する低負荷休止モードを含む。

外部負荷の起動時に、接続遮断手段４が燃料電池１と二次電池群２を並列に接続し、負荷の大小に従って、低負荷充電モードと高負荷放電モードの切り替えが自然に行われる。

このとき、二次電池群２の充電量が増加して、検出電圧が設定値Ｖ_１に達すると、接続遮断手段４が接続を切断して、低負荷休止モードに移行する。
また、低負荷休止モードにおいて、検出電圧が設定値Ｖ_１より低い設定値Ｖ_２以下であった時は、接続遮断手段４が燃料電池１と二次電池群２を再び並列に接続して、高負荷放電モードに移行する。

図３を用いて、本発明の実施例１における高負荷放電モードを詳しく説明する。図中の曲線１１は燃料電池１の電流−電圧曲線を、曲線１２は二次電池群２の電流−電圧曲線を示す。燃料電池１の発電が、曲線１１上の点Ａで行われる時、二次電池群２は点Ａと同じ電圧Ｖ_ａを持つ曲線１２上の点、即ち、点Ｂで放電する。従って、ハイブリッド燃料電池の出力を示す点は、点Ａの電流Ｉ_ａに点Ｂの電流Ｉ_ｂを加えた電流と、電圧Ｖ_ａを持つ点Ｃとなる。

また、図中の点Ａ’〜Ｃ’は、燃料電池１の電圧がＶ_ａからＶ_ａ’に低下した時の、燃料電池１の発電、二次電池群２の放電、及びハイブリッド燃料電池の出力を示す点であり、上記した点Ａ〜Ｃにそれぞれ対応する。このように、燃料電池１の発電と二次電池群２の放電を行う点が、各々の電流−電圧曲線上を移動することにより、ハイブリッド燃料電池の出力を変化させることが可能であり、外部負荷の駆動状態に応じた適切な出力を給電することができる。

また、負荷が低下し、燃料電池１の電圧が二次電池群２の開回路電圧より高い値まで上昇した場合には、二次電池群２を流れる電流の向きが反転して、低負荷充電モードへと自然に移行することができる。

図４を用いて、本発明の実施例１における低負荷充電モードを詳しく説明する。図中の曲線１３及び曲線１４は、いずれも二次電池群２の充電曲線を示すものであり、曲線１３は充電量が小さい場合に、曲線１４は充電量が大きい場合にそれぞれ対応する。図中の点Ｄは、燃料電池１の発電を示す点であり、この時、二次電池群２は、点Ｄと同じ電圧Ｖ_ｄを持つ曲線１３上の点、即ち、点Ｅで充電される。同様に、図中の点Ｆは、燃料電池１の発電を示す異なる点であり、この時、二次電池群２は、点Ｆと同じ電圧Ｖ_ｆを持つ曲線１４上の点、即ち、点Ｇで充電される。上述したとおり、曲線１３と曲線１４は、二次電池群２の異なる充電量に対応する充電曲線であるから、従って、充電の進行に伴い、二次電池群２の充電を示す点は、点Ｅから点Ｇへと連続的に移動し、二次電池群の充電電流は図中のＩ_ｅからＩ_ｇへと連続的に減少する。

さらに充電量が増加すると、二次電池群２の充電を示す点は、点Ｅから点Ｇを通過して、低電流・高電圧方向に移動し、遂には、充電電圧が設定値Ｖ_１に達した時、接続遮断手段４が燃料電池１と二次電池群２の接続を切断して、充電を完了する。

このとき、設定値Ｖ_１を、二次電池群２を満充電した時の開回路電圧より低く設定すると、二次電池群２が過充電して劣化することを防止することができる。さらに、過充電による充電効率の低下が抑制されるため、燃料電池１の発電した電力を効率的に利用することができる。

図５を用いて、本発明の実施例１における低負荷休止モードから高負荷放電モードへの切り替えについて説明する。図中の点Ｈは低負荷休止モードにおける燃料電池１の発電を示す点、即ち、ハイブリッド燃料電池の出力を示す点であり、曲線１５は高負荷放電モードにおけるハイブリッド燃料電池の電流−電圧曲線である。

低負荷休止モードにおいて負荷が増加すると、燃料電池１の発電を示す点は、点Ｈから点Ｉへと曲線１１上を移動し、遂には、点Ｉに達した時、即ち、燃料電池１の電圧が設定値Ｖ_２まで低下した時、接続遮断手段４が燃料電池１と二次電池群２を並列に接続する。設定値Ｖ_２は、設定値Ｖ_１より低い値、即ち、充電を休止した時の二次電池群２の電圧より低い値に設定しているため、二次電池群２が放電し、ハイブリッド燃料電池の出力を示す点は、電圧Ｖ_２を持つ曲線１５上の点、即ち、点Ｊとなる。このように、燃料電池１の電圧が設定値Ｖ_２まで低下した時に、燃料電池１と二次電池群２を並列に接続することにより、高負荷放電モードに移行することができる。

実施例２
本発明の実施例２となるハイブリッド燃料電池は、図６に示されるように、燃料電池１と、二次電池を直列に接続してなる複数の二次電池群２を並列に接続し、燃料電池１の電圧を検出する電圧検出手段３と、燃料電池１と二次電池群２を並列あるいは直列に接続するかまたは接続を切断する接続遮断手段４と、検出電圧に基づき接続遮断手段４を制御する制御手段５を備えている。二次電池群２の開回路電圧は、燃料電池１より低く設定しており、また、燃料電池１と二次電池群２を接続する回路上には、燃料電池１への電流の逆流を防止するダイオード６が設置されている。

本実施例では、複数の二次電池群２を燃料電池１に対し、並列に接続しているため、接続遮断手段４が燃料電池１と二次電池群２を接続している限り、燃料電池１の電圧を検出することで、二次電池群２の充電状態を管理することができる。従って、本実施例は、実施例１と同じ制御フローに従い運転することができる。

また、高負荷時には各々の二次電池群２から電流を取り出すことが可能であるため、ハイブリッド燃料電池の出力電流値の幅を広くすることができる。また、負荷変動に伴うハイブリッド燃料電池の電圧の変化を小さくすることができる。

また、実施例１および２では、二次電池群２を満充電した時の開回路電圧が、燃料電池１の開回路電圧より低い二次電池群を用いると、低負荷充電モードにおいて燃料電池１により二次電池群２を十分に充電することが可能である。従って、二次電池群２の容量を十分に利用したハイブリッド燃料電池を構成することができるため、特に好ましい。

また、二次電池群２を満充電した時の開回路電圧が、燃料電池１の開回路電圧より高い二次電池群を用いた場合であっても、より低い充電量において、燃料電池１の開回路電圧より開回路電圧が低い状態を持つ二次電池群であればよい。この場合も、本発明による上述した効果を得ることができる。

また、実施例１および２では、二次電池を直列に接続してなる二次電池群２の替わりに、二次電池を用いることも可能である。

本発明のハイブリッド燃料電池は、電力ロスや過充電による二次電池の劣化を抑制することができ、かつ、簡易な構成により成立つため、デジタルスチールカメラ等の電子機器に利用することができる。

本発明の実施例１のハイブリッド燃料電池を示す構成図である。本発明の実施例１における制御フローを示す図である。本発明の実施例１における高負荷時の電流−電圧曲線を示す図である。本発明の実施例１における低負荷時の電流−電圧曲線を示す図である。本発明の実施例１における低負荷から高負荷への切り替えを示す図である。本発明の実施例２のハイブリッド燃料電池を示す構成図である。

符号の説明

１燃料電池
２二次電池群
３電圧検出手段
４接続遮断手段
５制御手段
６ダイオード
１１燃料電池の電流−電圧曲線
１２二次電池群の電流−電圧曲線
１３二次電池群の充電曲線（充電量小）
１４二次電池群の充電曲線（充電量大）
１５ハイブリッド燃料電池の電流−電圧曲線

Claims

燃料電池と、前記燃料電池より開回路電圧が低い二次電池群を有するハイブリッド燃料電池であって、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池と二次電池群を並列に接続するかまたは接続を切断する接続遮断手段と、前記接続遮断手段を電圧検出手段で検出された検出電圧に従って制御する制御手段を備ていることを特徴とするハイブリッド燃料電池。
前記接続遮断手段が、外部負荷の起動の時、燃料電池と二次電池群を接続し、検出電圧が所定の設定値以上である時、燃料電池と二次電池群の接続を切断し、検出電圧が前記設定値より低い別の設定値以下である時、燃料電池と二次電池群を再び接続することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド燃料電池。