JP2007265840A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料供給量に関わらず常に安定した出力を発生することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 複数の発電セル２ａ〜２ｃを有するＤＭＦＣユニットに接続され、該ＤＭＦＣユニットの出力を調整し負荷に供給するＤＣ−ＤＣコンバータ８と、このＤＣ−ＤＣコンバータ８によりＤＭＦＣユニット８の出力電圧を一定に制御する定電圧制御回路１２及びＤＭＦＣユニット８の出力電流を一定に制御する定電流制御回路１４を有し、ＤＭＦＣユニット８の出力電圧及び出力電流を監視し、これら出力電圧及び出力電流の状態に基づいてＤＭＦＣユニット８の運転モードを判断するとともに定電圧制御回路１２又は定電流制御回路１４を選択しＤＣ−ＤＣコンバータ８を制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、携帯電子機器等の電源として用いられる燃料電池システムに関するものである。

携帯オーディオ機器やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）などの携帯電子機器の小型化は目覚しいものがあり、これら携帯電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するのみで、発電することができ、燃料のみを供給あるいは交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型化が実現でき、携帯電子機器の電源として極めて有効である。

そこで、最近、燃料電池として、直接メタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣ；Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌと称する。）が注目されている。ＤＭＦＣは、アノード極とカソード極との間に電解質膜を配置したもので、これらのアノード極とカソード極は、ともに集電体及び触媒層からなっている。アノード極には、燃料としてメタノール水溶液が供給され、触媒反応によりプロトン（陽子）が発生される。一方、カソード極（空気極）には空気取り入れ口より空気が供給される。カソード極では、上記電解質膜を通り抜けたプロトンが、供給される空気に含まれる酸素と触媒上で反応することにより発電が行なわれる。このようにＤＭＦＣは、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取出せ、改質も不要なことから小型化が可能であり、燃料の取り扱いも水素ガスに比べて容易なことから携帯電子機器の電源として有望視されている。

このようなＤＭＦＣを用い負荷に電力を供給可能にした燃料電池システムとして特許文献１〜特許文献５に開示されるようなものがある。

ところで、このようなＤＭＦＣを用いた燃料電池システムでは、ＤＭＦＣの発電出力をＤＣ−ＤＣコンバータなどの出力調整手段に出力し、このＤＣ−ＤＣコンバータの動作によりＤＭＦＣの出力を調整して携帯電子機器に供給するようにしている。この場合、ＤＭＦＣの発電制御方法には、（１）ＤＭＦＣの出力電圧と予め設定された基準値との偏差を検出し、ＤＭＦＣの出力電圧が基準値で定まる定電圧となるようにＤＣ−ＤＣコンバータを制御する定電圧制御方法。（２）ＤＭＦＣの出力電流と予め設定された基準値との偏差を検出し、ＤＭＦＣの出力電流が基準値で定まる定電流となるようにＤＣ−ＤＣコンバータを制御する定電流制御方法。（３）ＤＭＦＣの発電量を上述の定電流により制御し、ＤＭＦＣの出力電圧が基準値を下回るとＤＭＦＣの出力を直ちに停止する方法。（４）（１）〜（３）のいずれかの制御方法を用い、燃料切れ等によるＤＭＦＣの出力低下を防ぐためにＤＭＦＣへの燃料・空気の供給量やセル温度等を制御するための補機を設ける方法。（５）ＤＭＦＣが劣化したときの出力の変化を予測あるいは実測して予めシステム内に記録しておき、この記録された内容に基づいてＤＭＦＣの出力や燃料・空気の供給量などを制御する方法。などが知られている。
国際公開番号ＷＯ２００５／０４３６６４号公報 国際公開番号ＷＯ２００５／００８８２２号公報 特表２００６−５０１７９８号公報 特開２００２−２３１２８７号公報 特開２００５−１２３１１０号公報

ところが、このような従来の方法によると、（１）の定電圧制御の場合、例えば０．３Ｖで定電圧制御したときの燃料供給量(燃料濃度)と出力電力の関係は、図４（ａ）に示すようになり燃料の減少とともに出力電力Ｐは低下するが、燃料が充分に供給されているときと燃料が少なくなっているときで出力電力Ｐの変動が大きい。つまり、図４（ｂ）の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）に示すように燃料供給量がそれぞれ１００％、６５％、５０％、３０％、２０％のときの出力電力Ｐと電流Ｉの関係に対する、電流Ｉと電圧Ｖの関係は、それぞれ同図（Ａ’）（Ｂ’）（Ｃ’）（Ｄ’）（Ｅ’）となり、例えば０．３Ｖで定電圧制御する場合、燃料の減少とともに出力電力Ｐは、同図Ｘに示すように低下する。つまり、燃料が充分に供給されているときと燃料が少なくなっているときで出力電力の変動が大きい。また、燃料供給量が多いときの電流値が大きくなるため、内部抵抗による電圧降下も大きくなりやすく、しかも発電による水の生成量も多くなるためカソードにおけるフラッディングや燃料濃度の低下が早まるという傾向がある。さらに、制御電圧をＤＭＦＣの出力が最も高くなる値に設定しても、ＤＣ／ＤＣコンバータの変換効率が必ずしも高くならず、逆にＤＣ／ＤＣコンバータの変換効率が最も高くなる値に設定してもＤＭＦＣの出力は必ずしも高くならないため総合的な出力として高い値を得ることができない。

また、（２）の定電流制御の場合、例えば３０ｍＡ／ｃｍ^２で定電流制御したときの燃料供給量(燃料濃度)と出力電力の関係は、図５（ａ）に示すようになり燃料が少なくなっても一定の電流値で発電し続けるが、燃料が所定量以下まで少なくなると、出力電力Ｐが急激に減少する。つまり、図５（ｂ）の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）に示す燃料供給量がそれぞれ１００％、６５％、５０％、３０％、２０％のときの出力電力Ｐと電流Ｉの関係に対する同図（Ａ’）（Ｂ’）（Ｃ’）（Ｄ’）（Ｅ’）に示す電流Ｉと電圧Ｖの関係から、例えば３０ｍＡ／ｃｍ^２で定電流制御する場合、同図Ｙに示すように燃料が減少し出力電力Ｐが低下しても、一定の電流値で発電し続けることができるが、燃料が所定量以下になって出力電力Ｐが急激に減少すると、一定電流を出力することができず（図５（ｂ）の（Ｄ）（Ｅ）参照）、制御不能に陥ることになる。この場合、ＤＭＦＣの出力電圧は低下し、ついには出力電圧がマイナスの値となる、いわゆる転極現象を生じ、ＤＭＦＣの膜電極接合体（ＭＥＡ）が劣化してしまう。この劣化は不可逆なものであるので、再び燃料を多量に供給しても、転極を生じる前の出力までは戻らない。特に、複数の発電セルを直列に接続して用いるＤＭＦＣユニットの場合、どうしても燃料供給の不均一等のため特定の発電セルで早期に出力低下を生じやすい。このため、複数の発電セルを直列接続したＤＭＦＣユニット全体としては出力電圧がプラスの値であっても、上述のように特定の発電セルのみは転極を生じて劣化するという現象を生じやすい。

さらに（３）の方法の場合、（１）の定電圧制御で述べた問題点を回避し、（２）の定電流制御で述べたＭＥＡの劣化も防止することもできるが、ＤＭＦＣの発電を停止した後も燃料がＭＥＡを透過して徐々に外気へ放出されていくため、この間も燃料を無駄に消費することになる。また、（２）の定電流制御で述べた特定の発電セルのみの転極を防止するためには、発電を停止する電圧の値を高めに設定するか、または直列に接続した個々の発電セルの電圧を検知する等の方策が必要となるが、前者の場合は比較的多量の燃料が残っていても発電を停止してしまう可能性があり、後者の場合は回路や制御プログラムが複雑になる可能性がある。

さらに（４）および（５）の方法の場合は、制御回路や補機類などの大掛かりな手段が必要となり、小形の携帯電子機器の電源として用いるには不適切である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料供給量に関わらず常に安定した出力を発生することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、発電セルを有する燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットに接続され、該燃料電池ユニットの出力を調整し負荷に供給する出力調整手段と、前記出力調整手段により前記燃料電池ユニットの出力電圧を一定に制御する定電圧制御手段と、前記出力調整手段により前記燃料電池ユニットの出力電流を一定に制御する定電流制御手段と、前記燃料電池ユニットの出力電圧及び出力電流を監視し、これら出力電圧及び出力電流の状態に基づいて前記燃料電池ユニットの運転モードを判断するとともに前記定電圧制御手段又は前記定電流制御手段を選択し前記出力調整手段を制御させる制御手段とを具備したことを特徴としている。

請求項２記載の発明は請求項１記載の発明において、前記制御手段は、前記燃料電池ユニットの出力電流の状態により通常運転モードを判断するとともに前記定電流制御手段を選択し前記出力調整手段を制御させ、さらに前記燃料電池ユニットの出力電圧の状態により運転終了モードを判断するとともに前記定電圧制御手段を選択し前記出力調整手段を制御させることを特徴としている。

請求項３記載の発明は請求項２記載の発明において、前記制御手段は、さらに前記燃料電池ユニットの出力電圧の状態により初期運転モードを判断するとともに前記定電圧制御手段を選択し前記出力調整手段を制御させることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明において、前記定電流制御手段は、前記燃料電池ユニットの出力電流と予め設定された基準値とを比較し、この比較結果により前記出力調整手段を制御し、さらに前記燃料電池ユニットの状態に応じて前記基準値を可変可能としたことを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、さらに前記出力調整手段の出力側に接続され該出力調整手段の出力により充電可能とした補助電源と、前記出力調整手段の出力を検出し、該出力が前記補助電源の充電許容値に達すると前記出力調整手段の出力を前記補助電源の充電許容値を超えないように制御する過充電防止手段を有することを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記出力調整手段は、ＤＣ−ＤＣコンバータからなることを特徴としている。

本発明によれば、燃料供給量に関わらず常に安定した出力を発生することができる燃料電池システムを提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示している。

図において、１は燃料電池システムを収容する筐体で、この筐体１には、燃料電池ユニットとしてＤＭＦＣユニット２、制御ユニット３、補助電源１０、液体燃料タンク４及び出力端子７が設けられている。

ＤＭＦＣユニット２は、後述する複数の発電セル２ａ、２ｂ、２ｃから構成されている。これら発電セル２ａ、２ｂ、２ｃは、それぞれカソード触媒層及びカソードガス拡散層からなるカソード極と、アノード触媒層及びアノードガス拡散層からなるアノード極と、カソード触媒層とアノード触媒層の間に配置されるプロトン伝導性の電解質膜とを備える膜電極接合体（ＭＥＡ）を有するもので、アノード極には、燃料としてメタノール水溶液が供給され、触媒反応によりプロトン（陽子）が発生される。一方、カソード極（空気極）には空気取り入れ口より空気が供給される。カソード極では、上記電解質膜を通り抜けたプロトンが、供給される空気に含まれる酸素と触媒上で反応することにより発電が行なわれる。ここでのＤＭＦＣユニット２は、燃料も空気も対流や濃度勾配などを利用して供給するパッジブ型のものが用いられている。

液体燃料タンク４には、燃料として純メタノールまたはメタノール水溶液が充填されている。この燃料は、図示しない供給路を通ってＤＭＦＣユニット２に供給される。また、液体燃料タンク４には、注入口５が設けられている。この注入口５には、燃料カートリッジ６が着脱可能に装着され、この燃料カートリッジ６から液体燃料タンク４への燃料の注入が行なわれる。

なお、液体燃料タンク４に収容する液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではなく、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、もしくはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。

制御ユニット３は、制御手段として図２に示すような制御回路により構成されている。

この場合、ＤＭＦＣユニット２は、例えば複数の発電セル２ａ，２ｂ，２ｃを有し、これら発電セル２ａ，２ｂ，２ｃを直列接続することにより所定の出力電圧を発生している。

ＤＭＦＣユニット２には、出力調整手段として昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ８が接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ８は、インダクタL及びコンデンサＣ１、Ｃ２などのエネルギー蓄積要素、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２及びチョッパコントローラ８１を有するもので、エネルギー蓄積要素にＤＭＦＣユニット２で発電された電気エネルギーを蓄積／放出させることでＤＭＦＣユニット２の比較的低い出力電圧を十分の電圧まで昇圧して前記出力端子７を介して負荷である携帯電子機器９に供給するようにしている。チョッパコントローラ８１は、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２のスイッチングを制御して出力電圧の昇圧の度合いをコントロールするものである。また、チョッパコントローラ８１は、ＦＢＩＮ端子とＳＨＤＮ端子を有し、ＳＨＤＮ端子にLレベルの制御信号が与えられると、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を共にオフして昇圧動作を停止すると同時に、ＤＣ−ＤＣコンバータ８の入力と出力を電気的に切断し、また、ＦＢＩＮ端子に入力電圧が与えられると、この入力電圧に応じてエネルギー蓄積要素への電気エネルギーを蓄積する時間が変化するようにスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の動作をコントロールする。

なお、ここでは標準的な昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ８を示したが、昇圧動作が可能なものならば、他の回路方式のものでも実施可能である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力端には、前記補助電源１０が接続されている。この補助電源１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力により充電可能としたもので、携帯電子機器９の瞬間的な負荷変動に対して電流を供給し、また、燃料枯渇状態でＤＭＦＣユニット２が発電不能に陥ったような場合に携帯電子機器９の駆動電源として用いられる。この補助電源１０には、充放電可能な二次電池(例えばリチウムイオン充電池（ＬＩＢ）)や電気二重層コンデンサが用いられる。

ＤＭＦＣユニット２の出力端には、制御手段としての制御モードコントローラ１１及び定電圧制御手段としての定電圧制御回路１２が接続されている。また、ＤＭＦＣユニット２の出力端には、電流−電圧変換回路１３が接続され、この電流−電圧変換回路１３の出力端には、前記制御モードコントローラ１１及び定電流制御手段としての定電流制御回路１４が接続されている。

制御モードコントローラ１１は、ＤＭＦＣユニット２の状態、ここではＤＭＦＣユニット２の出力電圧Ｖｉｎ又は出力電流Ｉｉｎの状態を監視し、これら出力電圧Ｖｉｎ及び出力電流Ｉｉｎの状態に基づいて制御モードの切り替えを行うもので、前記チョッパコントローラ８１のＳＨＤＮ端子への制御信号の切り替えや、定電圧制御回路１２及び定電流制御回路１４の選択などを行う。また、制御モードコントローラ１１には、ＤＭＦＣユニット２の状態を検出するものとして、周囲の温度を検出する不図示の温度センサやＤＭＦＣユニット２の動作時間をカウントする不図示のタイマなどが接続され、これら温度センサやタイマからの出力に基づいて定電流制御回路１４の基準電圧Ｖｒｅｆ１を可変する可変電圧ΔＶｒｅｆを出力し、ＤＭＦＣユニット２の発電状態を最適に保つようにしている。

定電圧制御回路１２は、ＤＭＦＣユニット２の動作開始直後の初期運転モード及び燃料枯渇に近づいた運転終了モードで動作され、例えばＶｉｎ＝（１発電セル当たり０．２５〜０．４Ｖ）＊（発電セル数）となるように出力電圧Ｖｉｎを定電圧制御する。この定電圧制御回路１２は、ＤＭＦＣユニット２の出力端に抵抗Ｒ５を介してＯＰアンプからなる誤差増幅器Ａ３の反転入力端子が接続され、誤差増幅器Ａ３の反転入力端子と出力端子との間には、抵抗Ｒ６とコンデンサＣ４の並列回路が接続され、誤差増幅器Ａ３の非反転入力端子には基準電源Ｖｒeｆ２が接続されている。さらに、誤差増幅器Ａ３の出力端子には、図示極性のダイオードＤ２とスイッチＳ４を介して前記チョッパコントローラ８１のＦＢＩＮ端子が接続されている。誤差増幅器Ａ３は、ＤＭＦＣユニット２の出力電圧Ｖｉｎと基準電源Ｅ２に予め設定された基準電圧Ｖｒeｆ２を比較して偏差を検出し、これを増幅してＶｉｎ＝Ｖｒeｆ２となるようにチョッパコントローラ８１の入力を制御する。誤差増幅器Ａ３での増幅の度合いは、抵抗Ｒ５とＲ６の比率によって決まる。また、コンデンサＣ４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８を含めた制御系全体の安定性を確保するためのものである。ダイオードＤ２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力が前記補助電源１０の上限電圧に達した時にオフになるもので、ＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力電圧がＤＭＦＣユニット２の状態にかかわらず予め定められた上限電圧を超えないように動作する。スイッチＳ４は、制御モードコントローラ１１により定電圧制御回路１２の動作が選択されるとオンとなり、誤差増幅器Ａ３の出力をチョッパコントローラ８１のＦＢＩＮ端子に入力する。

電流−電圧変換回路１３は、ＤＭＦＣユニット２の出力端に直列に抵抗Ｒｓが接続され、この抵抗Ｒｓ両端にＯＰアンプからなる差動増幅器Ａ１の非反転入力端子と反転入力端子が接続されている。この電流−電圧変換回路１３は、ＤＭＦＣユニット２の出力電流を抵抗Ｒｓ両端に生じる電圧降下によって電圧変換し、差動増幅器Ａ１によって十分なレベルまで増幅する。

定電流制御回路１４は、ＤＭＦＣユニット２の通常運転モードで動作される。この定電流制御回路１４は、電流−電圧変換回路１３の差動増幅器Ａ１の出力端子に抵抗Ｒ３を介してＯＰアンプからなる誤差増幅器Ａ２の反転入力端子が接続され、誤差増幅器Ａ２の反転入力端子と出力端子との間には、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３の並列回路が接続され、誤差増幅器Ａ２の非反転入力端子には、基準電源Ｅ１に予め設定された基準電圧Ｖｒeｆ１と前記可変電圧ΔＶｒｅｆを加算する加算器ＡＤの出力端が接続されている。さらに誤差増幅器Ａ２の出力端子には、図示極性のダイオードＤ１とスイッチＳ３を介して前記チョッパコントローラ８１のＦＢＩＮ端子が接続されている。誤差増幅器Ａ２は、ＤＭＦＣユニット２の出力電流Ｉｉｎ（出力電流Ｉｉｎに応じた電流−電圧変換回路１３の出力電圧）と加算器ＡＤの出力（基準電圧Ｖｒeｆ１と可変電圧ΔＶｒｅｆを加算した電圧）を比較して偏差を検出し、これを増幅してＩｉｎ＝（Ｖｒeｆ１＋ΔＶｒｅｆ）／Ｒｓ、つまりＤＭＦＣユニット２の出力電流Ｉｉｎが基準電圧Ｖｒeｆ１と可変電圧ΔＶｒｅｆで定まる電流値となるようにチョッパコントローラ８１の入力を制御する。誤差増幅器Ａ２での増幅の度合いは、抵抗Ｒ３とＲ４の比率によって決まる。また、コンデンサＣ３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８を含めた制御系全体の安定性を確保するためのものである。ダイオードＤ１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力が前記補助電源１０の上限電圧に達した時にオフになるもので、ＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力電圧がＤＭＦＣユニット２の状態にかかわらず予め定められた上限電圧を超えないように動作する。スイッチＳ３は、制御モードコントローラ１１により定電流制御回路１４の動作が選択されるとオンとなり、誤差増幅器Ａ２の出力をチョッパコントローラ８１のＦＢＩＮ端子に入力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力端には、過充電防止手段として過充電防止回路１５が接続されている。この過充電防止回路１５は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の直列回路からなり、これら抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点に生じる電圧が所定の値(チョッパコントローラ81によって設定されている値)を超えると前記定電圧制御回路１２による定電圧制御或いは定電流制御回路１４による定電流制御のいずれかにも関わらず補助電源１０が一定電圧以上にならないようにチョッパコントローラ８１の入力を制御する。

次に、このように構成した実施の形態の作用を図３に従い説明する。

まず、図３に示す運転待機モードＡでは、ＤＭＦＣユニット２の液体燃料タンク４の注入口５に燃料カートリッジ６を装着し、この燃料カートリッジ６から液体燃料タンク４への燃料の注入が行なわれる。この場合、各発電セル２ａ、２ｂ、２ｃの電極接合体（ＭＥＡ）への燃料の浸透とともに、ＤＭＦＣユニット２の出力電圧Ｖｉｎは上昇する（図示破線ＦＡ参照）。

制御モードコントローラ１１は、出力電圧Ｖｉｎの状態を一定時間ごとに監視する。この場合、制御モードコントローラ１１は、ＤＭＦＣユニット２より規定レベル以上の出力電圧Ｖｉｎが一定時間継続して出力されているかを監視する。この条件を満たさないとき、例えば各発電セル２ａ、２ｂ、２ｃの電極接合体（ＭＥＡ）に一応燃料が行き渡り、空気も供給されているが、未だ電池反応が継続してできないような段階では、ＤＣ−ＤＣコンバータ８のチョッパコントローラ８１のＳＨＤＮ端子にLレベルの制御信号を入力する。チョッパコントローラ８１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を共にオフして昇圧動作を停止するとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ８の入力と出力を電気的に切断する。

その後、ＤＭＦＣユニット２より規定レベル以上の出力電圧Ｖｉｎが一定時間継続して出力されるようになると、図３に示す初期運転モードＢに移行する。この場合、制御モードコントローラ１１は、定電圧制御回路１２の動作を選択し、スイッチＳ４をオンにする。定電圧制御回路１２は、誤差増幅器Ａ３によりＤＭＦＣユニット２の出力電圧Ｖｉｎと基準電源Ｅ２に予め設定された基準電圧Ｖｒeｆ２との偏差を検出し、この偏差を増幅してチョッパコントローラ８１のＦＢＩＮ端子に入力する。これによりチョッパコントローラ８１は、ＦＢＩＮ端子に与えられる入力電圧に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ８のエネルギー蓄積要素への電気エネルギーを蓄積する時間が変化するようにスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の動作をコントロールし、ＤＭＦＣユニット２の出力電圧ＶｉｎがＶｉｎ＝Ｖｒeｆ２となるように定電圧制御する(図示破線ＦＢ参照)。

この状態で、制御モードコントローラ１１は、ＤＭＦＣユニット２より規定レベル以上の出力電流Ｉｉｎが一定時間継続して出力されているかを一定時間ごとに監視する(図示実線ＧＢ参照)。この条件を満たさない間は、上述の初期運転モードＢの動作を継続する。

その後、ＤＭＦＣユニット２より規定レベル以上の出力電流Ｉｉｎが一定時間継続して出力されるようになると、図３に示す通常運転モードＣに移行する。この場合、制御モードコントローラ１１は、定電流制御回路１４の動作を選択し、スイッチＳ３をオンにすると同時に、定電圧制御回路１２側のスイッチＳ４をオフにする。定電流制御回路１４は、誤差増幅器Ａ２によりＤＭＦＣユニット２の出力電流Ｉｉｎ（出力電流Ｉｉｎに応じた電流−電圧変換回路１３の出力電圧）と加算器ＡＤの出力（基準電圧Ｖｒeｆ１と可変電圧ΔＶｒｅｆを加算した電圧）との偏差を検出し、この偏差を増幅してチョッパコントローラ８１のＦＢＩＮ端子に入力する。これによりチョッパコントローラ８１は、ＦＢＩＮ端子に与えられる入力信号に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ８のエネルギー蓄積要素への電気エネルギーを蓄積する時間が短くなるようにスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の動作をコントロールし、ＤＭＦＣユニット２の出力電流ＩｉｎがＩｉｎ＝（Ｖｒeｆ１＋ΔＶｒｅｆ）／Ｒｓとなるように定電流制御する(図示実線ＧＣ参照)。

この場合、定電流制御回路１４では、ＤＭＦＣユニット２周囲の温度を検出する不図示の温度センサやＤＭＦＣユニット２の動作時間をカウントする不図示のタイマなどからの出力に基づいた可変電圧ΔＶｒｅｆにより基準電圧を可変するようにしている。これにより、ＤＭＦＣユニット２自身の寿命や周辺の環境変化に原因する発電能力の低下を補償し、発電能力の低下にともなう影響を最小限にしてＤＭＦＣユニット２の発電状態を常に最適に保つことができる。

また、この状態で、制御モードコントローラ１１は、ＤＭＦＣユニット２より規定レベル以下の出力電圧Ｖｉｎが一定時間継続して出力されるかを一定時間ごとに監視する(図示破線ＦＣ参照)。この条件を満たさない間は、上述の通常運転モードＣの動作を継続する。

その後、燃料が枯渇に近づいてＤＭＦＣユニット２より規定レベル以下の出力電圧Ｖｉｎが一定時間継続して出力されるようになると、図３に示す運転終了モードＤに移行する。この場合、制御モードコントローラ１１は、定電圧制御回路１２の動作を選択し、スイッチＳ４をオンにすると同時に、定電流制御回路１４側のスイッチＳ３をオフにする。定電圧制御回路１２は、上述したように誤差増幅器Ａ３によりＤＭＦＣユニット２の出力電圧Ｖｉｎと基準電源Ｅ２に予め設定された基準電圧Ｖｒeｆ２との偏差を検出し、この偏差を増幅してチョッパコントローラ８１のＦＢＩＮ端子に入力する。これによりチョッパコントローラ８１は、ＦＢＩＮ端子に与えられる入力信号に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ８のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２の動作をコントロールし、ＤＭＦＣユニット２の出力電圧ＶｉｎがＶｉｎ＝Ｖｒeｆ２となるように定電圧制御する(図示破線ＦＤ参照)。

さらに、制御モードコントローラ１１は、ＤＭＦＣユニット２より規定レベル以下の出力電流Ｉｉｎが一定時間継続して出力されるかを一定時間ごとに監視する(図示実線ＧＤ参照)。この条件を満たさない間は、上述の運転終了モードＤの動作を継続する。

その後、ＤＭＦＣユニット２より規定レベル以下の出力電流Ｉｉｎが一定時間継続して出力されるようになると、図３に示す運転待機モードＥに移行する。この場合、制御モードコントローラ１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８のチョッパコントローラ８１のＳＨＤＮ端子にLレベルの制御信号を入力する。チョッパコントローラ８１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を共にオフして昇圧動作を停止するとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ８の入力と出力を電気的に切断する。

一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力は、常時過充電防止回路１５に入力される。そして、この過充電防止回路１５の抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点の電圧が所定の値（補助電源１０の上限電圧）を超えると、ダイオードＤ２（Ｄ１）がオフ状態となり、過充電防止回路１５からの出力が直接チョッパコントローラ８１のＦＢＩＮ端子に入力される。これにより、定電圧制御回路１２の定電圧制御或いは定電流制御回路１４の定電流制御は強制的に停止され、補助電源１０が一定電圧以上にならないようにＤＣ−ＤＣコンバータ８のチョッパコントローラ８１の入力が制御される。

したがって、このようにすれば、ＤＭＦＣユニット２に燃料を供給した動作開始直後の初期運転モードＢでは、定電圧制御回路１２によりＤＭＦＣユニット２の出力電圧ＶｉｎがＶｉｎ＝Ｖｒeｆ２となるように定電圧制御を行い、ＤＭＦＣユニット２に燃料が行き渡って規定レベル以上の出力電流Ｉｉｎが一定時間継続して出力されるようになると、通常運転モードＣに移行して定電流制御回路１４によりＤＭＦＣユニット２の出力電流ＩｉｎがＩｉｎ＝（Ｖｒeｆ１／Ｒｓとなるように定電流制御を行い、さらにＤＭＦＣユニット２の燃料が枯渇して規定レベル以下の出力電圧Ｖｉｎが一定時間継続して出力されるようになると、運転終了モードＤに移行して定電圧制御回路１２によりＤＭＦＣユニット２の出力電圧ＶｉｎがＶｉｎ＝Ｖｒeｆ２となるように定電圧制御を行うようにした。これにより、ＤＭＦＣユニット２の燃料供給直後の初期運転モードＢや燃料の枯渇が近づいた運転終了モードＤの場合のように燃料供給が安定していない状態で、定電流制御によりＤＭＦＣユニット２の発電を行うことで生じる出力の急激な減少を始め、転極などによるＭＥＡの劣化を防止でき、ＤＭＦＣユニット２の初期運転モードＢから通常運転モードＣ、運転終了モードＤまでの全てにおいて、燃料供給量に関わらず、常に安定した出力を発生させることができ、携帯電子機器などの負荷に安定した電力を供給することができる。

また、通常運転モードＣでの定電流制御において、ＤＭＦＣユニット２の状態、例えばＤＭＦＣユニット２自身の寿命や周辺の環境変化に原因する発電能力の低下などの原因に応じて基準電圧Ｖｒeｆ１を可変電圧ΔＶｒｅｆにより補正するようにしたので、ＤＭＦＣユニット２の発電能力の低下を補償し、発電能力の低下にともなう影響を最小限にしてＤＭＦＣユニット２の発電状態を常に最適に保つことができる。

さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力を検出する過充電防止回路１５を設け、この過充電防止回路１５の出力が補助電源１０の充電許容値に達すると、定電圧制御回路１２による定電圧制御或いは定電流制御回路１４による定電流制御のいずれかにも関わらず、補助電源１０が一定電圧以上にならないようにＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力が制御されるので、補助電源１０の過充電による破損を確実に防止することもできる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、上述した実施の形態では、ＤＭＦＣユニット２の動作開始直後の初期運転モードＢでは、定電圧制御を行い、ＤＭＦＣユニット２より規定レベル以上の出力電流Ｉｉｎが一定時間継続して出力される通常運転モードＣでは、定電流制御を行い、さらにＤＭＦＣユニット２より規定レベル以下の出力電圧Ｖｉｎが一定時間継続して出力される運転終了モードＤでは定電圧制御を行うようにしたが、運転終了モードＤでの定電流制御によるＤＭＦＣユニット２の転極のみを問題にするような場合は、初期運転モードＢから通常運転モードＣまで定電流制御を行い、運転終了モードＤでのみ定電圧制御を行うようにしてもよい。また、上述した実施の形態では、ＤＭＦＣユニット２について出力電圧及び出力電流を監視し、定電圧制御及び定電流制御を選択するようにしたが、発電セル２ａ、２ｂ、２ｃ個々に対して上述した定電圧制御を実行するようにしてもよい。このようにすれば、特定の発電セルのみが電圧低下を生じた場合も、定電流制御により強制的に発電を行うことで生じる転極などによるＭＥＡの劣化を防止することができる。さらに上述した実施の形態では、制御手段としてブロック回路からなるハードウェアについて述べたが、ソフトウェアによっても実現できる。

上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。

本発明の実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成図。 本発明の実施の形態の燃料電池システムの回路構成を示すブロック図。 本発明の実施の形態の動作を説明するためのタイムチャート。 定電圧制御による燃料電池システムの動作特性を示す図。 定電流制御による燃料電池システムの動作特性を示す図。

符号の説明

L…インダクタ、Ｃ１〜Ｃ４…コンデンサ
Ｓ１、Ｓ２…スイッチング素子
Ｒ１〜Ｒ６…抵抗、Ａ１…差動増幅器
Ａ３、Ａ２…誤差増幅器、Ｄ１、Ｄ２…ダイオード
Ｓ３、Ｓ４…スイッチ、Ｅ１、Ｅ２…基準電源
ＡＤ…加算器、１…筐体、２…ＤＭＦＣユニット
２ａ〜２ｃ…発電セル、３…制御ユニット
４…液体燃料タンク、５…注入口
６…燃料カートリッジ、７…出力回路
８…ＤＣ−ＤＣコンバータ、８１…チョッパコントローラ
９…携帯電子機器、１０…補助電源、１１…制御モードコントローラ
１２…定電圧制御回路、１３…電圧変換回路
１４…定電流制御回路、１５…過充電防止回路

Claims (6)

1. 発電セルを有する燃料電池ユニットと、
   前記燃料電池ユニットに接続され、該燃料電池ユニットの出力を調整し負荷に供給する出力調整手段と、
   前記出力調整手段により前記燃料電池ユニットの出力電圧を一定に制御する定電圧制御手段と、
   前記出力調整手段により前記燃料電池ユニットの出力電流を一定に制御する定電流制御手段と、
   前記燃料電池ユニットの出力電圧及び出力電流を監視し、これら出力電圧及び出力電流の状態に基づいて前記燃料電池ユニットの運転モードを判断して前記定電圧制御手段又は前記定電流制御手段を選択し前記出力調整手段を制御させる制御手段と
   を具備したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記燃料電池ユニットの出力電流の状態により通常運転モードを判断するとともに前記定電流制御手段を選択し前記出力調整手段を制御させ、さらに前記燃料電池ユニットの出力電圧の状態により運転終了モードを判断するとともに前記定電圧制御手段を選択し前記出力調整手段を制御させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、さらに前記燃料電池ユニットの出力電圧の状態により初期運転モードを判断するとともに前記定電圧制御手段を選択し前記出力調整手段を制御させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記定電流制御手段は、前記燃料電池ユニットの出力電流と予め設定された基準値とを比較し、この比較結果により前記出力調整手段を制御し、
   さらに前記燃料電池ユニットの状態に応じて前記基準値を可変可能としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. さらに前記出力調整手段の出力側に接続され該出力調整手段の出力により充電可能とした補助電源と、前記出力調整手段の出力を検出し、該出力が前記補助電源の充電許容値に達すると前記出力調整手段の出力を前記補助電源の充電許容値を超えないように制御する過充電防止手段を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記出力調整手段は、ＤＣ−ＤＣコンバータからなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。

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