JP2007095588A - 燃料電池制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で安全に燃料電池を動作させることができる燃料電池制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】発電によって燃料電池１内の燃料濃度が低下していく電源システムにおける燃料電池制御装置において、燃料電池１の総発電電力量Ｐｔを検出する総発電電力量検出部２１と、検出された総発電電力量Ｐｔに基づいて燃料電池１の出力電圧Ｖ_FCの下限電圧Ｖ_LLを設定する下限電圧設定部２２と、前記燃料電池の出力側に設けられた昇圧コンバータ（６、７、８、９）と、出力電圧Ｖ_FCが下限電圧Ｖ_LLを下回らないように昇圧コンバータを制御する制御部（２３等）と、を備えている。
【選択図】図１０

Description

本発明は、燃料電池の出力制御を行う燃料電池制御装置に関し、特に発電によって燃料電池内の燃料濃度が低下していく電源システムにおける燃料電池制御装置に関する。

燃料電池は、図１４に示すような非線形の出力特性を有している。図１４において、曲線１６１、１６２及び１６３は、燃料電池の出力電流（横軸）と出力電圧（縦軸）との関係を表しており、曲線１７１、１７２及び１７３は、燃料電池の出力電流（横軸）と発電電力（出力電力）（縦軸）との関係を表している。

図１４に示す如く、出力電流がゼロから増大すると発電電力も増大していく。そして、出力電流が或る電流になると発電電力は最大となり、更に出力電流が増加すると出力電圧の急激な低下を伴って発電電力も急激に減少していく。

一般に、発電電力に最大値を与える出力電流よりも大きな電流を燃料電池から引き出すと、燃料電池の劣化や破損を招く。従って、燃料電池を安全に使用するためには、動作電圧が発電電力に最大値を与える電圧を下回らないように制御することが重要である。

燃料電池の安全な動作を確保しつつ燃料電池から最大電力を取り出すために、山登り法などの探索手法を用いて最大電力を与える動作電圧（動作点）を割り出す技術が提案されている。但し、そのような技術を実現するためには、多大なデータ処理が必要となり、また、それに起因して高速な制御が困難である。

ところで、近年、メタノールを直接燃料として発電するダイレクトメタノール型燃料電池の開発が盛んである。この種の燃料電池に関し、燃料電池内の燃料濃度を所望の濃度とするべく、循環ポンプ等を用いつつメタノールと水を混合する方式（このような方式は、所謂アクティブ方式の一種である）も提案されている。しかしながら、循環ポンプ等が必要な分、システムの規模が大きくなり、特に携帯機器への搭載は難しくなる。

携帯機器への搭載等を目指すべく、メタノールの濃度制御するための循環ポンプ等を用いない、所謂パッシブ方式も提案されている。パッシブ方式を採用した場合、発電によって燃料電池内の燃料濃度が低下していくことになる。燃料濃度が低下すると、出力電流−出力電圧特性は曲線１６１から１６２、１６３のように変化すると共に出力電流−出力電力特性は曲線１７１から１７２、１７３のように変化する。つまり、燃料濃度の変化によって、燃料電池の出力特性が変化し、燃料電池を安全に使用できる電圧領域（電流領域）も変化することになる。

パッシブ方式を採用した場合でも、勿論、燃料電池の安全な動作を確保する制御が必要となるが、燃料電池内の燃料濃度を検出するべく濃度センサーなどを搭載すると、コスト面及びサイズ面でデメリットが生じ、特に携帯機器には不適当である。

尚、下記特許文献１には、燃料電池の出力電流／電圧特性を内部データを用いて推定し、推定した出力電流／電圧特性に基づいて要求出力電圧と要求出力電流を決定する技術が開示されている。

特開２００３−８６２１１号公報

発電によって燃料電池内の燃料濃度が低下していく電源システムに用いられる、適切な（例えば、簡素な構成を有する）燃料電池制御装置は提案されていないのが実情である。尚、説明の具体化ため、パッシブ方式に着目して従来技術の問題を説明したが、パッシブ方式という方式上の分類に関係なく、燃料電池の動作の安全性の確保は重要である。

そこで本発明は、簡素な構成で安全に燃料電池を動作させることができる燃料電池制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を実現するために本発明に係る第１の燃料電池制御装置は、燃料電池の総発電電力量を検出する総発電電力量検出部と、検出された総発電電力量に基づいて前記燃料電池の出力電圧の下限電圧を設定する下限電圧設定部と、前記燃料電池の出力側に設けられた電圧変換器と、前記出力電圧が前記下限電圧を下回らないように前記電圧変換器を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。

そして具体的には例えば、第１の燃料電池制御装置は、発電によって燃料電池内の燃料濃度が低下していく電源システムにおいて用いられる。発電で燃料濃度が低下していく電源システムにおいては、総発電電力量の増加に伴って燃料濃度は低下していく。一方、燃料電池の特性から、燃料濃度の変化に伴って燃料電池を安全に使用できる出力電圧の下限は変化する。これを考慮し、総発電電力量に基づいて燃料電池の出力電圧の下限電圧を設定し、出力電圧が下限電圧を下回らないように制御する。つまり、上記の構成によれば、簡素な構成で安全に燃料電池を動作させることが可能となる。

具体的には例えば、前記下限電圧設定部は、検出された総発電電力量が増加するに従って、設定する前記下限電圧を増加させる。

また例えば、前記下限電圧設定部は、検出された総発電電力量と設定されるべき前記下限電圧との関係を表す、予め定められた第１の関数を用いて、前記下限電圧を設定する。

関数を用いて下限電圧を設定するようにすれば、処理の高速化及び簡素化を期待することができる。

また例えば、前記下限電圧は、前記燃料電池に最大電力を出力させる時における前記燃料電池の出力電圧を下回らない電圧に設定される。

また例えば、前記燃料電池の出力電圧が追従すべき設定電圧と総発電電力量との関係を表す第２の関数が予め定められており、同一の総発電電力量において、前記設定電圧は常に前記下限電圧以上となっており、前記制御部は、前記第２の関数にて特定される前記設定電圧に従って前記電圧変換器を制御する。

第２の関数を燃料電池の特性等に応じて適切に設定すれば、総発電電力量との関係において最も望ましい電力（例えば、取り出せる最大電力或いはそれに近似した電力）を燃料電池に発電させる、といった制御が可能となり、燃料電池の高エネルギー効率動作も期待できる。また、同一の総発電電力量において、上記設定電圧は常に上記下限電圧以上となるため、燃料電池の安全な動作は確保される。また更に、関数を用いて設定電圧を定めるようにすれば、処理の高速化及び簡素化を期待することができる。

そして例えば、前記電圧変換器の出力側において、負荷と二次電池を並列接続させてもよい。

燃料電池の出力電圧を所望の設定電圧に追従させると、該設定電圧に応じた所定の電力の発電がなされる。この場合において、負荷で消費されない余剰電力が生じたときは、その余剰電力によって二次電池が充電され、また、負荷に対する不足電力分は、二次電池の放電によってまかなわれる。このように、負荷に二次電池を並列接続することにより、負荷の軽重に応じた電力の有効利用が可能となる。

また例えば、前記燃料電池の温度または前記燃料電池の周辺の温度を検出する温度検出部を更に備え、前記下限電圧設定部は、総発電電力量だけでなく検出された前記温度にも基づいて前記下限電圧を設定する。

燃料電池は化学反応に起因する自己発熱や周辺温度の影響を受けて出力特性が変化し、これに伴って安全動作領域も変化するが、上記のように燃料電池の温度または周辺温度にも基づいて下限電圧を設定するようにすれば、燃料電池をより安全に動作させることが可能となる。

また例えば、前記燃料電池の温度または前記燃料電池の周辺の温度を検出する温度検出部を更に備え、前記第２の関数と総発電電力量にて特定される前記設定電圧は、検出された前記温度に基づいて補正され、前記制御部は、補正後の設定電圧に従って前記電圧変換器を制御する。

これによっても、燃料電池のより安全な動作を実現可能である。

また例えば、前記制御部による前記電圧変換器に対する制御にも拘らず、前記出力電圧が前記下限電圧を下回った場合、前記制御部は、負荷と燃料電池を切り離すとよい。

また例えば、前記制御部による前記電圧変換器に対する制御にも拘らず、前記出力電圧が前記下限電圧を下回った場合、前記制御部は、前記燃料電池の発電が停止するように前記電圧変換器を制御してもよい。

負荷と燃料電池を切り離すことにより、または発電を停止させることにより、燃料電池の予期せぬ劣化や破損を防止することができる。

また例えば、検出された総発電電力量が所定の設定電力量に達したときに、燃料の残量に関する報知を行うための制御信号を出力する制御信号出力部を更に備えるとよい。

また、上記の目的を実現するために本発明に係る第２の燃料電池制御装置は、所定の基準時点からの経過時間に応じて燃料電池の出力電圧を変化させる制御部を備えたことを特徴とする。

具体的には例えば、前記制御部は、前記経過時間が増加するに従って前記出力電圧を増加させる。

また、上記の目的を実現するために本発明に係る第３の燃料電池制御装置は、燃料電池の発電時間に応じて前記燃料電池の出力電圧を変化させる制御部を備えたことを特徴とする。

具体的には例えば、前記制御部は、前記発電時間が増加するに従って前記出力電圧を増加させる。

そして具体的には例えば、第２又は第３の燃料電池制御装置は、発電によって燃料電池内の燃料濃度が低下していく電源システムにおいて用いられる。第２又は第３の燃料電池制御装置によれば、より簡素な構成で安全に燃料電池を動作させることが可能となる。

上述した通り、本発明に係る燃料電池制御装置によれば、簡素な構成で安全に燃料電池を動作させることが可能となる。

＜＜第１実施形態＞＞
以下、本発明の第１実施形態に係る燃料電池電源システムについて説明する。図１は、本発明の各実施形態に用いられる燃料電池（燃料電池本体）１のセル構造を示す模式図である。

燃料電池１は、メタノールを直接燃料として発電するダイレクトメタノール型燃料電池であり、メタノールの酸化を促進するための電極触媒を担持した燃料極３１と、酸素の還元反応を促進するための電極触媒を担持した空気極３２と、燃料極３１と空気極３２との間に挟まれた固体高分子電解質膜３３と、を有して構成される。

燃料カートリッジ３０には、水にて希釈されたメタノールが蓄えられている。燃料カートリッジ３０内のメタノールは、直接、燃料極３１に供給される。空気極３２は、空気と接している。

燃料極３１において、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（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-）。水素イオンは固体高分子電解質膜３３を通って空気極３２に到達し、電子は外部回路（負荷など）を通って空気極３２に到達する。空気極３２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う反応を経て水となる（３／２・Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ）。尚、燃料極３１にて発生する二酸化炭素及び空気極３２にて発生する水は、図示されない排出孔を介して外部に排出される。燃料極３１を負極とし空気極３２の正極とした両極間の電圧が、燃料電池１の出力電圧Ｖ_FCとして外部回路（負荷など）に出力される。

燃料カートリッジ３０は、燃料電池１に対して着脱自在となっており、燃料カートリッジ３０を装着した際にメタノール（希釈メタノール）が燃料極３１に供給される。未使用の燃料カートリッジ３０内のメタノールの濃度（即ち、初期濃度）は、例えば重量比で６０％である。また、未使用の燃料カートリッジ３０を装着し、未だ発電を行っていない状態を初期状態と呼ぶことにする。

燃料極３１に供給されるメタノールの濃度（燃料濃度）を所望の濃度とするべく、循環ポンプ等を用いつつメタノールと水を混合する方式も提案されているが、本実施形態では、メタノールの濃度制御するための循環ポンプ等を用いない、所謂パッシブ方式を採用している。また、空気極３２には自然対流にて空気（酸素）が供給されるが、ポンプ等を用いて空気（酸素）を空気極３２に供給する方式を採用しても構わない。

上記のように構成した場合、燃料電池１の燃料極３１における燃料濃度は、発電によって初期濃度から低下していく。燃料濃度が変化すると、燃料電池１の発電特性（出力特性）も変化する。

図２の曲線６１、６２及び６３は、それぞれ、燃料濃度がＤ１、Ｄ２及びＤ３の場合における、燃料電池１の出力電流Ｉ_FC（横軸）と出力電圧Ｖ_FC（縦軸）との関係を表している。ここで、不等式：「Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３」が成立するものとする。図２から分かるように、燃料濃度の低下に伴って燃料電池１が出力可能な電流は減少していく。また、同一の燃料濃度において、出力電流Ｉ_FCが増加すれば出力電圧Ｖ_FCは減少する。

図２の曲線７１、７２及び７３は、それぞれ、燃料濃度がＤ１、Ｄ２及びＤ３の場合における、燃料電池１の出力電流Ｉ_FC（横軸）と発電電力（出力電力）Ｐ_FC（縦軸）との関係を表している。同一の燃料濃度において、出力電流Ｉ_FCがゼロから増大すると発電電力Ｐ_FCも増大していく。そして、出力電流Ｉ_FCが各燃料濃度に対応する或る電流になると発電電力Ｐ_FCは最大となり、更に出力電流Ｉ_FCが増加すると出力電圧Ｖ_FCの急激な低下を伴って発電電力Ｐ_FCも急激に減少していく。

燃料濃度がＤ１の場合において、発電電力Ｐ_FCの最大値（最大電力）をＰ１とし、発電電力Ｐ_FCに最大値Ｐ１を与える出力電流Ｉ_FC及び出力電圧Ｖ_FCを、それぞれＩ１及びＶ１とする。燃料濃度がＤ２の場合において、発電電力Ｐ_FCの最大値（最大電力）をＰ２とし、発電電力Ｐ_FCに最大値Ｐ２を与える出力電流Ｉ_FC及び出力電圧Ｖ_FCを、それぞれＩ２及びＶ２とする。燃料濃度がＤ３の場合において、発電電力Ｐ_FCの最大値（最大電力）をＰ３とし、発電電力Ｐ_FCに最大値Ｐ３を与える出力電流Ｉ_FC及び出力電圧Ｖ_FCを、それぞれＩ３及びＶ３とする。燃料濃度が決まれば、発電電力Ｐ_FCの最大値、並びに発電電力Ｐ_FCに最大値を与える出力電流Ｉ_FC及び出力電圧Ｖ_FCは定まる。

上述の如く不等式：「Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３」が成立する場合、燃料電池１の特性から、３つの不等式：「Ｉ１＞Ｉ２＞Ｉ３」、「Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３」、「Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３」が成立することになる。

一般に、発電電力Ｐ_FCに最大値を与える出力電流Ｉ_FC（例えば、燃料濃度Ｄ１においてＩ１）よりも大きな電流を燃料電池１から引き出すと、燃料電池１の劣化や破損を招く。従って、燃料電池１を安全に使用するためには、例えば燃料濃度Ｄ１において出力電圧Ｖ_FCがＶ１を下回らないようにする必要がある（そのような条件を満たす安全動作領域にて動作させる必要がある）。

ところで、燃料極３１と空気極３２における化学反応の反応式は分かっているため、或る値の電力が発電された場合に、どれだけのメタノールが消費されたかは算出可能である。そして、未使用の燃料カートリッジ３０に含まれるメタノールの含有量（またはメタノールの重量）と上記初期濃度が分かっていれば、初期状態からの総発電電力量に基づいてその時々の燃料濃度を推定することが可能である。

そこで、本実施形態では、上記含有量及び初期濃度を参照の上、初期状態からの総発電電力量に基づいて燃料濃度を推定する。この推定は、例えば、後述する下限電圧設定部２２及び／又は設定電圧制御部２３によって行われる。ここで、初期状態からの総発電電力量とは、初期状態をゼロとした場合の燃料電池１の発電電力の積算値である。以下、初期状態からの総発電電力量を、（原則として）単に総発電電力量Ｐｔと称する。設計段階における実験にて、総発電電力量Ｐｔとの関係における燃料濃度を濃度センサーを用いて測定し、その測定結果に基づいて総発電電力量Ｐｔと燃料濃度との関係を推定するようにしてもよい。

総発電電力量Ｐｔ（横軸）と燃料濃度（縦軸）との関係を、図３の実線６５に示す。当然のことではあるが、総発電電力量Ｐｔが増加するにつれて燃料濃度は減少してゆく。Ｐｔ＝０における燃料濃度は上記初期濃度と一致する。

総発電電力量ＰｔがＰｔ１、Ｐｔ２、Ｐｔ３の時に推定された燃料濃度が、それぞれ上記のＤ１、Ｄ２、Ｄ３であるとする。この推定が誤差なく理想的になされているならば、総発電電力量ＰｔがＰｔ１、Ｐｔ２及びＰｔ３の時において、発電電力Ｐ_FCに最大値を与える出力電圧Ｖ_FCは、それぞれＶ１、Ｖ２及びＶ３となる。

発電電力Ｐ_FCに最大値を与える出力電圧Ｖ_FCは、総発電電力量Ｐｔの関数（以下、「最大電力関数」と呼ぶ）として表すことができる。図３の実線６６は、この最大電力関数のグラフ、即ち、総発電電力量Ｐｔ（横軸）と発電電力Ｐ_FCに最大値を与える出力電圧Ｖ_FC（縦軸）との関係を表すグラフである。（Ｐｔ１、Ｖ１）、（Ｐｔ２、Ｖ２）及び（Ｐｔ３、Ｖ３）は実線６６上にのる。尚、実線６７については後に説明する。

本実施形態では、任意の総発電電力量Ｐｔにおいて燃料電池１の出力電圧Ｖ_FCが最大電力関数にて特定される電圧を下回らないように、制御がなされる。図４は、第１実施形態に係る燃料電池電源システムの電気的な全体構成図である。

燃料電池１の正極（空気極３２）は電解コンデンサ２の正極に接続され、燃料電池１の負極（燃料極３１）は電解コンデンサ２の負極に接続されている。燃料電池１の負極は、例えば基準電位を有するグランドラインに接続されている。燃料電池１の両極間には、燃料電池１の出力電圧Ｖ_FCを検出するための電圧検出器４が設けられている。燃料電池１の正極は、燃料電池１の出力電流Ｉ_FCを検出するための電流検出器３（例えば、シャント抵抗）を介して誤差増幅器５の非反転入力端子（＋）とコイル６の一端に接続されている。

コイル６の他端は、Ｎチャンネルの電界効果トランジスタ７（以下、ＦＥＴ７と呼ぶ）のドレイン、ダイオード８のカソード及びダイオード９のアノードに共通接続されている。ダイオード９のカソードは、電解コンデンサ１０の正極とスイッチ１１の一端に共通接続されている。スイッチ１１の他端は負荷１２を介してグランドラインに接続され、ＦＥＴ７のソース、ダイオード８のアノード及び電解コンデンサ１０の負極もグランドラインに接続されている。

誤差増幅器５の反転入力端子（−）には、設定電圧制御部２３からの設定電圧Ｖｒｅｆが印加されている。ＰＷＭ比較器１３の非反転入力端子（＋）及び反転入力端子（−）には、それぞれ誤差増幅器５の出力電圧及び三角波発生回路１４が出力する三角波状の電圧が与えられており、ＰＷＭ比較器１３は、パルス幅変調された信号を、ＦＥＴ７のゲートに供給する。

誤差増幅器５において、燃料電池１の出力電圧Ｖ_FCと設定電圧Ｖｒｅｆが比較され、定常状態においては、それら２つの電圧が等しくなるようにＦＥＴ７はオン／オフ制御される。コイル６、ＦＥＴ７、ダイオード８及び９は、燃料電池１の出力電圧Ｖ_FCを昇圧して出力する昇圧コンバータ（電圧変換器）を構成している。

総発電電力量検出部２１は、電流検出器３による出力電流Ｉ_FCの検出結果と電圧検出器４による出力電圧Ｖ_FCの検出結果を逐次受け取り、出力電流Ｉ_FCと出力電圧Ｖ_FCとの積の積算値から総発電電力量Ｐｔを逐次算出する。総発電電力量検出部２１は、所定の間隔をおいて次々と出力する総発電電力量Ｐｔを更新する。

下限電圧設定部２２は、総発電電力量検出部２１が算出した総発電電力量Ｐｔに基づいて出力電圧Ｖ_FCの下限である下限電圧Ｖ_LLを設定して出力する。この際、総発電電力量Ｐｔに基づいて燃料濃度を推定し、推定した燃料濃度に基づいて下限電圧Ｖ_LLを設定するようにしてもよい。下限電圧Ｖ_LLは、総発電電力量Ｐｔの更新に併せて逐次更新される。

下限電圧Ｖ_LLは、例えば上記の最大電力関数（第１の関数）に従って決定される。つまり、或るタイミングにおける下限電圧Ｖ_LLは、そのタイミングの総発電電力量Ｐｔにおいて発電電力Ｐ_FCに最大値を与える出力電圧Ｖ_FCと等しい、とされる。例えば、与えられた総発電電力量Ｐｔの値がＰｔ１、Ｐｔ２及びＰｔ３である場合、Ｖ_LLは、それぞれＶ１、Ｖ２及びＶ３とされる。また、上記説明から明らかなように、総発電電力量Ｐｔが大きくなるに従って下限電圧Ｖ_LLは大きくなる。これにより、燃料電池１を確実に安全動作領域で動作させることができる。

設定電圧制御部２３は、総発電電力量検出部２１が算出した総発電電力量Ｐｔに基づいて出力電圧Ｖ_FCが追従すべき設定電圧Ｖｒｅｆを設定し、設定した設定電圧Ｖｒｅｆを誤差増幅器５に出力する。この際、総発電電力量Ｐｔに基づいて燃料濃度を推定し、推定した燃料濃度に基づいて設定電圧Ｖｒｅｆを設定するようにしてもよい。設定電圧Ｖｒｅｆは、総発電電力量Ｐｔの更新に併せて逐次更新される。

設定電圧Ｖｒｅｆは、図３の実線６７にて表される設定電圧関数（動作電圧関数；第２の関数）に従って決定される。実線６７は、総発電電力量Ｐｔと出力電圧Ｖ_FCが追従すべき設定電圧Ｖｒｅｆ（動作電圧）との関係を表すグラフである。設定電圧Ｖｒｅｆは、任意の同一の総発電電力量Ｐｔにおける下限電圧Ｖ_LL（発電電力Ｐ_FCに最大値を与える出力電圧Ｖ_FC）よりも、例えば、常にΔＶａだけ高い（但し、ΔＶａ＞０）。与えられた総発電電力量Ｐｔの値がＰｔ１、Ｐｔ２及びＰｔ３である場合、Ｖｒｅｆは、例えば、それぞれ（Ｖ１＋ΔＶａ）、（Ｖ２＋ΔＶａ）及び（Ｖ３＋ΔＶａ）とされる。勿論、与えられた総発電電力量Ｐｔの値がＰｔ１、Ｐｔ２及びＰｔ３である場合におけるＶｒｅｆを、それぞれ（Ｖ１＋ΔＶａ１）、（Ｖ２＋ΔＶａ２）及び（Ｖ３＋ΔＶａ３）としても構わない（ΔＶａ１、ΔＶａ２及びΔＶａ３は互いに異なるが、全てゼロよりも大きい）。

このように設定電圧Ｖｒｅｆを下限電圧Ｖ_LLよりも高くするのは、燃料電池１のより安全な動作を確保するためである。ΔＶａやΔＶａ１、ΔＶａ２及びΔＶａ３を決定する上で考慮すべき事項を、図５を用いて説明する。図５は、燃料電池１が或る一定電力の発電を継続していると仮定した場合における、下限電圧Ｖ_LL、設定電圧Ｖｒｅｆ及び総発電電力量Ｐｔを、時間を横軸として表したグラフである。

実線６６ａは、図３の実線６６に対応する、横軸を時間に変更した最大電力関数のグラフを表している。実線６７ａは、図３の実線６７に対応する、横軸を時間に変更した設定電圧関数のグラフを表している。実線６８は、時間を横軸とした総発電電力量Ｐｔを表している。階段状の折れ線６９は、実際の出力電圧Ｖ_FCを表している。設定電圧Ｖｒｅｆの更新は、タイミングＴ１、Ｔ２及びＴ３において行われるものとする。

本来、出力電圧Ｖ_FCが常に実線６７ａ上にのることが望ましいのではあるが、例えば、タイミングＴ２の直前では、実際の出力電圧Ｖ_FCは実線６７ａ上の電圧よりも低くなる。つまり、実際の出力電圧Ｖ_FCが安全動作領域の限界を示す実線６６ａに接近する。これは、タイミングＴ１とＴ２の間においても総発電電力量Ｐｔが増加しているにも拘らず、タイミングＴ２の直前において、誤差増幅器５に与えられる設定電圧ＶｒｅｆがタイミングＴ１におけるものに維持されていることに起因する。このような、設定電圧Ｖｒｅｆの更新タイミング間に発生する、実際の出力電圧Ｖ_FCと実線６７ａ上の電圧との乖離量を考慮して、上記のΔＶａやΔＶａ１、ΔＶａ２及びΔＶａ３を決定すべきである。

但し、総発電電力量Ｐｔの増加を反映した設定電圧Ｖｒｅｆの更新タイミングの間隔が十分に短い場合は、ΔＶａ＝０（又はΔＶａ１＝ΔＶａ２＝ΔＶａ３＝０）、とすることも可能である。この場合、設定電圧Ｖｒｅｆと下限電圧Ｖ_LLは一致することになる。しかしながら、より高い安全性の確保の観点からΔＶａ＞０とすることが望ましい。

設定電圧制御部２３によって電圧値が決定された設定電圧Ｖｒｅｆは、上述したように誤差増幅器５に与えられる。ＰＷＭ比較器１３が誤差増幅器５における比較結果に基づいてＦＥＴ７のオン／オフのデューティ比を制御することによって、出力電流Ｉ_FCが制御され、これによって出力電圧Ｖ_FCが制御される（なぜならば、出力電流Ｉ_FCが決まれば出力電圧Ｖ_FCも決まるため）。

定常状態において、出力電圧Ｖ_FCと設定電圧Ｖｒｅｆは原則として一致することになる。但し、図４の構成では、負荷１２が軽すぎる場合等において、出力電圧Ｖ_FCと設定電圧Ｖｒｅｆは一致しない。負荷１２が軽すぎる場合、負荷１２が電流を少量しか引き込まないため、出力電圧Ｖ_FCは設定電圧Ｖｒｅｆよりも高くなり得る。出力電圧Ｖ_FCと設定電圧Ｖｒｅｆとの乖離を抑制すべく、負荷１２の消費電力を考慮して、ΔＶａやΔＶａ１、ΔＶａ２及びΔＶａ３を適宜決定するようにしてもよい。

上述のように設定電圧Ｖｒｅｆを設定することにより、図６の動作点７５に示す如く、濃度Ｄ１において、出力電圧Ｖ_FCはＶ１よりも高くなり、これに伴って出力電流Ｉ_FCがＩ１よりも小さくなると共に発電電力Ｐ_FCが最大値Ｐ１よりも小さくなる。濃度Ｄ２及びＤ３に対応する動作点７６及び７７についても同様である。尚、図６において、図２と同一の部分には同一の符号を付してある。

状態監視部２４は、下限電圧設定部２２から出力された下限電圧Ｖ_LLと電圧検出器４が検出した出力電圧Ｖ_FCとを比較する。設定電圧制御部２３による設定電圧Ｖｒｅｆの出力にも拘らず、負荷１２の短絡等の異常発生に起因して出力電圧Ｖ_FCが下限電圧Ｖ_LLを下回った場合（或いは出力電圧Ｖ_FCが下限電圧Ｖ_LL以下となった場合）、状態監視部２４は、スイッチ１１をオフとすることにより負荷１２と燃料電池１を切り離す（具体的には、ダイオード９のカソードと負荷１２との接続を切断する）。これにより、燃料電池１が保護される。

また、出力電圧Ｖ_FCが下限電圧Ｖ_LLを下回った場合（或いは出力電圧Ｖ_FCが下限電圧Ｖ_LL以下となった場合）、スイッチ１１をオフとすることに代えてＦＥＴ７を強制的にオフに維持するようにしてもよい。この場合、スイッチ１１を省略することができる。コイル６、ＦＥＴ７、ダイオード８及び９より構成される電圧変換器は昇圧コンバータであるため、ＦＥＴ７を強制的にオフとすれば、燃料電池１による発電は停止することになる（但し、負荷１２の動作電圧が十分に高いことを想定）。

また、状態監視部２４は、総発電電力量Ｐｔの上限をも監視している。この監視を含めた燃料電池電源システム全体の動作の流れを図７に示す。まず、燃料カートリッジ３０が燃料電池１に装着されると、燃料電池１に燃料が充填され、初期状態になる。初期状態において、総発電電力量Ｐｔがリセットされる（ステップＳ１）。即ち、ゼロとされる。次いで、総発電電力量Ｐｔがゼロになったことに対応して、設定電圧Ｖｒｅｆは、上記の設定電圧関数に従った初期値とされる（ステップＳ２）。

発電が開始されると、上述の如く、総発電電力量Ｐｔが算出され（ステップＳ３）、算出された総発電電力量Ｐｔに応じた設定電圧Ｖｒｅｆと下限電圧Ｖ_LLが設定される（ステップＳ４）。そして、ステップＳ５において、出力電圧Ｖ_FCが下限電圧Ｖ_LL以上となっているかが判断される（或いは、Ｖ_FC＞Ｖ_LLが成立するかが判断される）。通常、出力電圧Ｖ_FCは下限電圧Ｖ_LL以上となっており（或いは、Ｖ_FC＞Ｖ_LLとなっており）、この場合（ステップＳ５のＹ）、ステップＳ６に移行する。

ステップＳ６では、状態監視部２４が、総発電電力量Ｐｔが設定電力量Ｐ_TH以上となっているかを判断する。設定電力量Ｐ_THは、燃料濃度が燃料カートリッジ３０の交換を必要とする所定濃度まで低下したと推定される総発電電力量Ｐｔに対応しており、その値は、燃料電池電源システムの設計段階において予め設定される。総発電電力量Ｐｔが設定電力量Ｐ_THに達していない場合（ステップＳ６のＮ）、ステップＳ３に戻り、ステップＳ３以降の動作が繰り返される。総発電電力量Ｐｔが設定電力量Ｐ_THに達すると（ステップＳ６のＹ）、ステップＳ７に移行し、状態監視部２４は、燃料カードリッジ３０の交換を促すための制御信号を出力する。

該制御信号は、例えば、当該燃料電池電源システムが搭載された機器内の図示されないＣＰＵ（Central Processing Unit）に伝達される。そのＣＰＵは、上記制御信号を受けると、機器に備えられた報知部（不図示）を用いて燃料の残量に関する報知を行う。報知部として、表示パネル、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、スピーカ、ブザー等、機器に備えられた様々な部位を適用可能である。「燃料の残量に関する報知」とは、燃料カートリッジ３０を交換することをユーザーに促す、或いは、燃料カートリッジ３０の残量が少なくなっていることをユーザーに知らしめる、映像の出力や音の出力である。

上記の報知に従って、燃料カートリッジ３０が交換されると、燃料電池１に燃料が充填或いは補充され、ステップＳ１に戻って、上述の動作が繰り返される。初めてステップＳ１に至った状態も２回目以降にステップＳ１に至った状態も、燃料電池１に燃料を充填或いは補充した直後の基準状態と総称することができる。

また、ステップＳ５において、出力電圧Ｖ_FCが下限電圧Ｖ_LLを下回っていると判断されると（或いは、Ｖ_FC≦Ｖ_LLが成立すると）、ステップＳ９に移行する（ステップＳ５のＮ）。ステップＳ９では、状態監視部２４によってスイッチ１１がオフされ、負荷１２と燃料電池１が切断される。或いは、燃料電池１による発電が停止するように昇圧コンバータが制御される。

尚、ステップＳ６の処理を以下の処理に変更してもよい。ステップＳ６において、状態監視部２４が、出力電圧Ｖ_FCが上限電圧Ｖ_UL以上となっているか（或いは、Ｖ_FC＞Ｖ_ULが成立するか）を判断する。Ｖ_FC≧Ｖ_UL（或いは、Ｖ_FC＞Ｖ_UL）が成立する場合、ステップＳ７に移行し、Ｖ_FC≧Ｖ_UL（或いは、Ｖ_FC＞Ｖ_UL）が成立しない場合、ステップＳ３に戻るようにする。上限電圧Ｖ_ULは、燃料電池電源システムの設計段階において予め設定される電圧である。総発電電力量Ｐｔが設定電力量Ｐ_THに達すると出力電圧Ｖ_FCが上限電圧Ｖ_ULに達するように上記の設定電圧関数は定められているため、不等式：Ｖ_FC≧Ｖ_ULの成立と、不等式：Ｐｔ≧Ｐ_THの成立は、等価である。

また、下限電圧Ｖ_LLを、上記の最大電力関数（第１の関数）に従って決定される電圧、即ち、発電電力Ｐ_FCに最大値を与える出力電圧Ｖ_FCと一致させる例を上述したが、上記の最大電力関数（第１の関数）に従って決定される電圧に若干のマージンを加えた電圧を下限電圧Ｖ_LLとするようにしても構わない。例えば、総発電電力量Ｐｔの値がＰｔ１、Ｐｔ２及びＰｔ３である場合、Ｖ_LLを、それぞれ（Ｖ１＋ΔＶｂ）、（Ｖ２＋ΔＶｂ）及び（Ｖ３＋ΔＶｂ）としても構わない（但し、ΔＶｂ＞０）。つまり、上記下限電圧Ｖ_LLは、燃料電池１に最大電力を出力させる時における出力電圧Ｖ_FCを下回らない電圧とされる。

また、燃料電池１の温度または燃料電池１の周辺温度を検出する温度検出部（不図示）を更に備えるようにしてもよい。具体的には例えば、燃料電池１の筐体（不図示）の表面にサーミスタを燃料電池１の筐体に熱結合させて配置し、そのサーミスタの抵抗値を検出することにより燃料電池１の温度（厳密には、上記筐体の表面の温度或いは該温度から推定される燃料電池１の温度）を検出する。この際、燃料電池１の燃料極３１の温度を検出するべく、サーミスタを筐体の燃料極３１に近い部分に接触させるとよい。また例えば、燃料電池１の上記筐体の表面近傍にサーミスタを配置し、そのサーミスタの抵抗値を検出することにより燃料電池１の周辺温度を検出する。

後に説明するように、燃料電池１のような燃料電池の単セルを直列接続した組電池の燃料電池を（燃料電池１として）採用する場合には、上記温度検出部によって、１又は複数の単セルの温度或いは周辺温度が検出されるようにしてもよい。複数の単セルの各温度（または各周辺温度）を検出する場合は、例えば、検出した各温度（または各周辺温度）の平均、最大または最小温度を燃料電池の温度（または周辺温度）として採用することもできる。単セルを積み上げてスタック構造の組電池を構成する場合は、例えば、単セル同士を分離するセパレータの表面上にサーミスタを配置する。

また、組電池を構成する各単セルを同一平面上に配列する平面配列構造を採用する場合は、燃料電池を１つの単セルで構成した場合と同様に（即ち、図１の燃料電池１の場合と同様に）、各単セルの燃料極の温度または周辺温度を検出するべく、サーミスタを筐体の燃料極に近い部分に接触させるとよい。また、組電池の周辺温度を検出する場合には、組電池の筐体（上記セパレータを含む）の表面近傍にサーミスタを配置し、そのサーミスタの抵抗値を検出すればよい。

そして、下限電圧設定部２２は、総発電電力量Ｐｔに基づいて設定した下限電圧Ｖ_LLを上記温度検出部によって検出された温度（燃料電池１の温度または燃料電池１の周辺温度）に応じて補正し、その補正後の下限電圧Ｖ_LLを出力するようにする。状態監視部２４は、補正後の下限電圧Ｖ_LLと出力電圧Ｖ_FCを比較することになる。

燃料電池１は化学反応に起因する自己発熱や周辺温度の影響を受けて出力特性が変化する。出力特性が変化すると、安全動作領域も変化するため、燃料電池１をより安全に使用するべく、下限電圧Ｖ_LLを検出された温度に応じて補正することが望ましい。

例えば、任意の或る総発電電力量Ｐｔにおいて、検出された温度が所定の基準温度よりも高い場合は、下限電圧Ｖ_LLを基準温度におけるそれよりも低くする。これは、最大電力関数のグラフである実線６６を図８の実線６６ｂのように補正することに相当する。一方、任意の或る総発電電力量Ｐｔにおいて、検出された温度が所定の基準温度よりも低い場合は、下限電圧Ｖ_LLを基準温度におけるそれよりも高くする。これは、最大電力関数のグラフである実線６６を図８の実線６６ｃのように補正することに相当する。

尚、検出された温度に応じて、下限電圧Ｖ_LLをどのように補正するかは、燃料電池１の特性に応じ、実験等を用いつつ予め定めておけばよい。

また、燃料電池１の温度等に応じて下限電圧Ｖ_LLを補正したのと同様の観点から、燃料電池１をより安全に使用するべく、設定電圧Ｖｒｅｆも検出された温度に応じて補正するようにしても良い。つまり、総発電電力量Ｐｔに基づいて設定した設定電圧Ｖｒｅｆを上記温度検出部によって検出された温度（燃料電池１の温度または燃料電池１の周辺温度）に応じて補正し、その補正後の設定電圧Ｖｒｅｆを設定電圧制御部２３が出力するようにする。誤差増幅器５は、補正後の設定電圧Ｖｒｅｆと出力電圧Ｖ_FCを比較することになる。

例えば、任意の或る総発電電力量Ｐｔにおいて、検出された温度が所定の基準温度よりも高い場合は、設定電圧Ｖｒｅｆを基準温度におけるそれよりも低くする。これは、設定電圧関数のグラフである実線６７を図９の実線６７ｂのように補正することに相当する。一方、任意の或る総発電電力量Ｐｔにおいて、検出された温度が所定の基準温度よりも低い場合は、設定電圧Ｖｒｅｆを基準温度におけるそれよりも高くする。これは、設定電圧関数のグラフである実線６７を図９の実線６７ｃのように補正することに相当する。

尚、検出された温度に応じて、設定電圧Ｖｒｅｆをどのように補正するかは、燃料電池１の特性に応じ、実験等を用いつつ予め定めておけばよい。

＜＜第２実施形態＞＞
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池電源システムについて説明する。図１０は、第２実施形態に係る燃料電池電源システムの電気的な全体構成図である。第２実施形態に係る燃料電池電源システムは、負荷１２と並列に接続された二次電池１５が新たに設けられている点で、第１実施形態における燃料電池電源システムと相違しており、その他の点において、第１及び第２実施形態における燃料電池電源システムは一致している。図１０において、図４と同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分の重複する説明を省略する。

二次電池１５は、具体的には例えばリチウムイオン二次電池である。但し、それ以外の如何なる二次電池を、二次電池１５として採用しても構わないのは勿論である。二次電池１５の正電圧出力端子（正極）は、スイッチ１１と負荷１２との接続点に接続され、二次電池１５の負電圧出力端子（負極）は、グランドラインに接続されている。

第２実施形態に係る燃料電池電源システムの動作は、第１実施形態における動作と同様である。但し、負荷１２に二次電池１５を並列接続していることにより、二次電池１５の充放電が行われる。

図１１に、負荷１２の消費電力が時間と共に変化する場合における、燃料電池１の発電と二次電池１５の充放電との関係を表す図を示す。折れ線７８に示す如く、負荷１２の消費電力が或る時点を基準としてゼロから単調増加する場合を考える。尚、説明の簡略化上、昇圧コンバータ等における電力損失は無視する。

燃料電池１による発電電力は、負荷１２の消費電力に関係なく、上記の設定電圧Ｖｒｅｆに応じた電力に維持される。このため、燃料電池１の発電電力が負荷１２の消費電力を上回っている期間において、発電電力から消費電力を差し引いた電力に相当する余剰電力（図１１の斜線部７９に対応）によって二次電池１５が充電される。一方、燃料電池１の発電電力が負荷１２の消費電力を下回っている期間では、消費電力から発電電力を差し引いた電力に相当する不足電力（図１１の斜線部８０に対応）は、二次電池１５の放電によってまかなわれる。このように、負荷１２に二次電池１５を並列接続することにより、負荷１２の軽重に応じた電力の有効利用が可能となる。

勿論、第１実施形態で説明した温度検出部を第２実施形態における燃料電池電源システムに設けるようにしてもよい。この場合、第２実施形態においても、燃料電池１の温度または燃料電池１の周辺温度に応じて下限電圧Ｖ_LLや設定電圧Ｖｒｅｆが補正される。

また、リチウムイオン二次電池等の二次電池１５を設ける場合、通常、二次電池１５の温度を検出するための、充電制御保護用のサーミスタ等が二次電池１５と併せて備えられる。この充電制御保護用のサーミスタは、充電時における二次電池１５の異常発熱を監視するために、二次電池１５の表面或いは該表面近傍に設けられる。二次電池１５と燃料電池１を近接して配置する場合、この充電制御保護用のサーミスタを燃料電池１の温度または燃料電池１の周辺温度を検出する温度検出部として用いてもよい。これにより、部品点数の削減が図られる。例えば、二次電池１５と燃料電池１を同一の筐体内に配置して１つの燃料電池ユニットを構成する場合には、１つのサーミスタによって二次電池１５の温度と燃料電池１の温度または燃料電池１の周辺温度を検出することが可能である。

＜＜第３実施形態＞＞
次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池電源システムについて説明する。図１２は、第３実施形態に係る燃料電池電源システムの電気的な全体構成図である。第３実施形態に係る燃料電池電源システムは、第１実施形態の燃料電池電源システムにおける電流検出器３、電圧検出器４、総発電電力量検出部２１、下限電圧検出部２２、設定電圧制御部２３及び状態監視部２４を、タイマー２６及び主制御部２７に置換した構成となっている。その置換に関する部分以外、第１及び第３実施形態における燃料電池電源システムは同じである。図１２において、図４と同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分の重複する説明を省略する。尚、電流検出器３の削除に伴い、燃料電池１の正極（空気極３２）はコイル６の一端に直接接続される。

燃料カートリッジ３０が燃料電池１に装着されることにより、燃料電池１に燃料が充填若しくは補充された直後、又は、その充填若しくは補充の後、実際に燃料電池１による発電が開始した時点を基準時点とする。タイマー２６は、一定時間が経過する毎にパルスを主制御部２７に対して出力する。主制御部２７は、タイマー２６からのパルスの数をカウントすることにより、基準時点からの経過時間を認識し、その経過時間に応じて出力する設定電圧Ｖｒｅｆを変化させる。具体的には例えば、タイマー２６からパルスが与えられる度に出力する設定電圧Ｖｒｅｆを所定電圧だけ増加させる。

発電の開始後、発電の中断がなかった場合、上記経過時間と発電時間（実際に発電がなされている時間）は一致する。仮に、発電が中断された場合は、その中断時間を経過時間から差し引いた時間（即ち、発電時間）に応じて設定電圧Ｖｒｅｆを変化させるようにしてもよい。

負荷１２の消費電力が一定であるとすると、電圧検出器等を用いることなく上記経過時間又は発電時間から総発電電力量を推定することができる。主制御部２７は、「推定した総発電電力量」を第１及び第２実施形態における「検出した総発電電力量Ｐｔ」とみなし、上記の設定電圧関数に従って設定電圧Ｖｒｅｆを設定する。これにより、上記の経過時間又は発電時間が増加するに従って設定電圧Ｖｒｅｆは増大することになる。燃料電池１の出力電圧Ｖ_FCは、（原則として）設定電圧Ｖｒｅｆに追従する。総発電電力量の推定が理想的になされている場合、推定した総発電電力量と燃料電池１の出力電圧Ｖ_FCとの関係を表すグラフは、図３の実線６７と一致することになる。

このように、経過時間又は発電時間の増大に従って設定電圧Ｖｒｅｆを増大させることにより、燃料電池１を常に安全動作領域で動作させることが可能である。また、電流検出器３や電圧検出器４等が不要となるため構成が簡素となる。第３実施形態は、特に、負荷１２の消費電力が比較的安定した燃料電池電源システムに適している。このような負荷１２としては、例えば、非常灯や外灯などの照明機器がある。

そして、上記の経過時間又は発電時間が所定の第１設定時間に達した場合、主制御部２７は、スイッチ１１をオフとすることにより負荷１２と燃料電池１を切り離す。或いは、ＦＥＴ７を強制的にオフとすることにより燃料電池１による発電を停止させる。

また、経過時間又は発電時間が所定の第２設定時間に達した場合、主制御部２７は燃料カードリッジ３０の交換を促すための制御信号を出力する。この制御信号は、図４又は図１０の状態監視部２４が出力する制御信号と同様のものであり、主制御部２７による制御信号の出力によって第１実施形態と同様の燃料の残量に関する報知が行われる。尚、第２設定時間は第１設定時間と等しいか、或いは第１設定時間より短く設定される。

また、第１実施形態を第２実施形態に変形したのと同様に、第３実施形態においても、二次電池１５を負荷１２に並列に設けてもよい。

また、第１実施形態で説明した温度検出部を第３実施形態においても備えるようにしてもよい。そして、経過時間又は発電時間だけでなく、検出された燃料電池１の温度または周辺温度にも応じて設定電圧Ｖｒｅｆを変化させるようにしてもよい。

例えば、検出された温度が所定の基準温度である状態において、経過時間又は発電時間がΔＴ（但し、ΔＴ＞０）だけ増加した時に、設定電圧ＶｒｅｆをΔＶｒｅｆ１（但し、ΔＶｒｅｆ１＞０）だけ増大させる場合を考える。この場合、検出された温度が該基準温度より高ければ、経過時間又は発電時間がΔＴだけ増加した時に、設定電圧ＶｒｅｆをΔＶｒｅｆ２（但し、ΔＶｒｅｆ２＞０）だけ増大させるようにする。ここで、ΔＶｒｅｆ１＞ΔＶｒｅｆ２が成立するようにする。ΔＶｒｅｆ１とΔＶｒｅｆ２との差をどのように設定するかは、燃料電池１の特性に応じ、実験等を用いつつ予め定めておけばよい。

＜＜変形等＞＞
上述の各実施形態は、矛盾なき限り、任意に組み合わせることができる。上述の各実施形態では、燃料カートリッジ３０が燃料電池１に対して着脱自在とし、燃料濃度が低下した際に燃料カートリッジ３０を交換する構成を例示した。しかしながら、燃料カートリッジと燃料電池（燃料電池本体）との関係は、様々に変形可能である。

例えば、燃料カートリッジと燃料電池（燃料電池本体）を一体として１つの燃料電池ユニットを構成し、燃料濃度が低下した際に燃料電池ユニット全体を交換する構成としてもよい。

また例えば、図１３に示す如く、燃料としてのメタノール（希釈メタノール）を燃料カートリッジ３６から一旦バッファタンク３５に供給する構成としてもよい。図１３において、図１と同一の部分には同一の符号を付してある。燃料カートリッジ３６からバッファタンク３５内の移された燃料が燃料極３１内にて反応して発電が行われる。この場合、燃料極３１、空気極３２、固体高分子電解質膜３３及びバッファタンク３５から成る燃料電池（燃料電池本体）に対して燃料カートリッジ３６を着脱可能としておき、バッファタンク３５に供給すべき燃料が燃料カートリッジ３６内になくなった場合に燃料カートリッジ３６のみを交換する構成とすればよい。バッファタンク３５を設ける構成を採用した場合、図７のステップＳ７の処理を、「燃料カートリッジ３６からバッファタンク３５への燃料の供給」とする（但し、燃料カートリッジ３６に燃料が十分にある場合）。

但し、図１３に示す燃料電池を採用した場合、ステップＳ７の処理を経てステップＳ１に至った直後の燃料極３１内の燃料濃度は、前回にステップＳ１に至った直後のそれと異なりうる。つまり、ステップＳ１に至るごとに、その直後の燃料濃度は異なりうる（例えば、ステップＳ１に至るごとに低下していく）。これは、反応によって水が生成されることに起因してバッファタンク３５内に存在している水の量がステップＳ７に至るごとに増加するためである。

これを考慮し、ステップＳ７に至った回数をカウントしておき、その回数に応じて下限電圧Ｖ_LLや設定電圧Ｖｒｅｆを補正するようにしても良い。具体的には、ステップＳ７に至った回数が増加するに従って下限電圧Ｖ_LLと設定電圧Ｖｒｅｆを増加させる。また、ステップＳ７からステップＳ１に至る間に、「バッファタンク３５内の水を排除する」という処理を挿入するようにしても良い。そうすれば、上記回数に応じた下限電圧Ｖ_LL及び設定電圧Ｖｒｅｆの補正を省略することも可能である。

燃料カートリッジ３６を交換する際にバッファタンク３５内の水が排除されるように構成する場合は、燃料カートリッジ３６を交換したときに、カウントした上記回数をリセットする（ゼロにする）とよい。

また、図示及び説明の簡略化のため、図１のような燃料電池の単セルを燃料電池１として採用した場合を示しているが、上述の各実施形態においては、通常、そのような単セルを直列接続した組電池の燃料電池が燃料電池１に代えて採用される。組電池の燃料電池を採用した場合、最も高電圧側の単セルの正極（空気極３２）が電解コンデンサ２の正極に接続されると共に最も低電圧側の単セルの負極（燃料極３１）が電解コンデンサ２の負極に接続され、最も低電圧側の単セルの負極と最も高電圧側の単セルの正極との間の電圧が出力電圧Ｖ_FCとなる。

上述したように、各実施形態において、コイル６、ＦＥＴ７、ダイオード８及び９は、昇圧コンバータ（電圧変換器）を構成している。第１及び第２実施形態において、設定電圧制御部２３、状態監視部２４、誤差増幅器５、ＰＷＭ比較器１３及び三角波発生回路１４は、昇圧コンバータ（電圧変換器）を制御する制御部を構成する。また、第１及び第２実施形態において、燃料電池１の出力制御を行う燃料電池制御装置は、例えば、上記の制御部、総発電電力量検出部２１、下限電圧設定部２２及び昇圧コンバータ（電圧変換器）を含む。また、第１及び第２実施形態において、状態監視部２４は、燃料の残量に関する報知を行うための制御信号を出力する制御信号出力部として機能する。

第３実施形態において、タイマー２６、主制御部２７、誤差増幅器５、ＰＷＭ比較器１３及び三角波発生回路１４は、昇圧コンバータ（電圧変換器）を制御する制御部を構成する。また、第３実施形態において、燃料電池１の出力制御を行う燃料電池制御装置は、例えば、上記の制御部及び昇圧コンバータ（電圧変換器）を含む。また、第３実施形態において、主制御部２７は、燃料の残量に関する報知を行うための制御信号を出力する制御信号出力部として機能する。

また、上述の各実施形態は、メタノールの濃度制御するための循環ポンプ等を用いない、所謂パッシブ方式を採用することを前提としているが、本発明は、循環ポンプ等を用いた方式の電源システムに対しても適用可能である。この種の方式の中には、バッファタンク（不図示）内の燃料を循環させつつ燃料電池の燃料極の燃料濃度を略一定に保とうとするものがある（この方式を、以下、「方式Ａ」と呼ぶ。）。しかしながら、発電によって燃料が消費されていくのはパッシブ方式と同じであるので、バッファタンクに新たな燃料を追加しない限り、発電によって徐々に燃料電池の燃料極の燃料濃度は低下していく。

そして、方式Ａでは、例えば燃料濃度を検出するための燃料センサ（不図示）を設けるようにし、燃料濃度が所定の閾値を下回った場合に、メインタンク（不図示）からバッファタンクに燃料をつぎ足すようにする。メインタンクからバッファタンクに燃料を供給する時点を「燃料供給時点」と呼んだ場合、方式Ａを採用した場合では、或る燃料供給時点から次回の燃料供給時点までの期間において、燃料電池の燃料極の燃料濃度は発電によって低下していくことになる。

このため、方式Ａを採用した場合でも、燃料供給時点からの燃料電池の総発電電力量を第１及び第２実施形態のように検出し、検出した総発電電力量に応じて下限電圧等を設定するようにすれば、燃料電池を安全に動作させることが可能となる。第１及び第２実施形態に方式Ａを採用する場合、上記の「総発電電力量Ｐｔ」を、燃料供給時点からの燃料電池の総発電電力量と読み替えればよい。

同様の理由から、第３実施形態に方式Ａを採用することも可能である。この場合、上記の「経過時間」を燃料供給時点からの経過時間と読み替え、上記の「発電時間」を燃料供給時点からの発電時間と読み替えればよい。尚、上記の方式Ａは、所謂アクティブ方式の一種と考えることができる。

本発明は、携帯電話機や携帯型パーソナルコンピュータ、携帯型ゲーム機等の携帯機器の駆動用電源に好適であり、該携帯機器を含むあらゆる電気機器の駆動用電源に好適である。

本発明の各実施形態に用いられる燃料電池のセル構造を示す模式図である。 図１の燃料電池の出力電流と出力電圧との関係、及び、出力電流と発電電力との関係を表す図である。 図１の燃料電池の総発電電力量と推定される燃料濃度との関係、並びに総発電電力量と下限電圧及び設定電圧との関係を表す図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池電源システムの電気的な全体構成図である。 図４の燃料電池の出力電圧の制御を説明するための図である。 図４の燃料電池の出力電圧の制御を説明するための図である。 図４の燃料電池電源システムの動作を説明するためのフローチャートである。 図４の下限電圧設定部による、温度に応じた下限電圧の補正手法を示す図である。 図４の設定電圧制御部による、温度に応じた設定電圧の補正手法を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池電源システムの電気的な全体構成図である。 図１０の負荷の消費電力との関係における二次電池の充放電を説明するための図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池電源システムの電気的な全体構成図である。 図１の燃料電池と燃料カートリッジの変形例を示す図である。 燃料電池の出力特性を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池
３ 電流検出器
４ 電圧検出器
５ 誤差増幅器
６ コイル
７ ＦＥＴ
９ ダイオード
１１ スイッチ
１２ 負荷
１３ ＰＷＭ比較器
１４ 三角波発生回路
１５ 二次電池
２１ 総発電電力量検出部
２２ 下限電圧設定部
２３ 設定電圧制御部
２４ 状態監視部
２６ タイマー
２７ 主制御部
３０ 燃料カートリッジ
３１ 燃料極
３２ 空気極
３３ 固体高分子電解質膜
３５ バッファタンク
３６ 燃料カートリッジ

Claims (17)

1. 燃料電池の総発電電力量を検出する総発電電力量検出部と、
   検出された総発電電力量に基づいて前記燃料電池の出力電圧の下限電圧を設定する下限電圧設定部と、
   前記燃料電池の出力側に設けられた電圧変換器と、
   前記出力電圧が前記下限電圧を下回らないように前記電圧変換器を制御する制御部と、を備えた
   ことを特徴とする燃料電池制御装置。
2. 当該燃料電池制御装置は、発電によって燃料電池内の燃料濃度が低下していく電源システムにおいて用いられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池制御装置。
3. 前記下限電圧設定部は、検出された総発電電力量が増加するに従って、設定する前記下限電圧を増加させる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池制御装置。
4. 前記下限電圧設定部は、検出された総発電電力量と設定されるべき前記下限電圧との関係を表す、予め定められた第１の関数を用いて、前記下限電圧を設定する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３に記載の燃料電池制御装置。
5. 前記下限電圧は、前記燃料電池に最大電力を出力させる時における前記燃料電池の出力電圧を下回らない電圧に設定される
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の燃料電池制御装置。
6. 前記燃料電池の出力電圧が追従すべき設定電圧と総発電電力量との関係を表す第２の関数が予め定められており、
   同一の総発電電力量において、前記設定電圧は常に前記下限電圧以上となっており、
   前記制御部は、前記第２の関数にて特定される前記設定電圧に従って前記電圧変換器を制御する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の燃料電池制御装置。
7. 前記電圧変換器の出力側には負荷と二次電池が並列接続されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池制御装置。
8. 前記燃料電池の温度または前記燃料電池の周辺の温度を検出する温度検出部を更に備え、
   前記下限電圧設定部は、総発電電力量だけでなく検出された前記温度にも基づいて前記下限電圧を設定する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項７の何れかに記載の燃料電池制御装置。
9. 前記燃料電池の温度または前記燃料電池の周辺の温度を検出する温度検出部を更に備え、
   前記第２の関数と総発電電力量にて特定される前記設定電圧は、検出された前記温度に基づいて補正され、
   前記制御部は、補正後の設定電圧に従って前記電圧変換器を制御する
   ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の燃料電池制御装置。
10. 前記制御部による前記電圧変換器に対する制御にも拘らず、前記出力電圧が前記下限電圧を下回った場合、前記制御部は、負荷と燃料電池を切り離す
    ことを特徴とする請求項１〜請求項９の何れかに記載の燃料電池制御装置。
11. 前記制御部による前記電圧変換器に対する制御にも拘らず、前記出力電圧が前記下限電圧を下回った場合、前記制御部は、前記燃料電池の発電が停止するように前記電圧変換器を制御する
    ことを特徴とする請求項１〜請求項９の何れかに記載の燃料電池制御装置。
12. 検出された総発電電力量が所定の設定電力量に達したときに、燃料の残量に関する報知を行うための制御信号を出力する制御信号出力部を更に備えた
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れかに記載の燃料電池制御装置。
13. 所定の基準時点からの経過時間に応じて燃料電池の出力電圧を変化させる制御部を備えた
    ことを特徴とする燃料電池制御装置。
14. 前記制御部は、前記経過時間が増加するに従って前記出力電圧を増加させる
    ことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池制御装置。
15. 燃料電池の発電時間に応じて前記燃料電池の出力電圧を変化させる制御部を備えた
    ことを特徴とする燃料電池制御装置。
16. 前記制御部は、前記発電時間が増加するに従って前記出力電圧を増加させる
    ことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池制御装置。
17. 当該燃料電池制御装置は、発電によって燃料電池内の燃料濃度が低下していく電源システムにおいて用いられる
    ことを特徴とする請求項１３〜請求項１６の何れかに記載の燃料電池制御装置。

Images