JP2007335373A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の効率を維持しつつ安全にリチウムイオン電池の充電を行う。
【解決手段】燃料電池１の出力電流を増減させて出力電圧を制御する燃料電池制御部は、燃料電池１の出力電圧を監視し、燃料電池１において供給されている全ての燃料を消費して発電可能な第１の動作点電圧と、燃料電池１において最大電力を発生可能な第２の動作点電圧とを検出可能な動作点検出部２０２と、燃料電池１の出力電圧を、動作点検出部２０２で検出された第１の動作点電圧または第２の動作点電圧に一致させるよう、前記燃料電池の出力電流を制御可能な電圧設定部２０１とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水と水素発生物質との反応により水素を発生させて発電を行う燃料電池システムに関する。特に、燃料電池で発生した電力を蓄電装置（リチウムイオン電池）に蓄電させる燃料電池システムに好適である。

近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れるリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証するまでには至っていない。

このような状況の中で、上記要望に応え得る電池の一例として、固体高分子型燃料電池がある。固体高分子型燃料電池は、電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に燃料（水素、メタノール等）がそれぞれ用いられ、リチウムイオン電池よりも高エネルギー密度化が期待できる系として注目されている。このような燃料電池において、その水素供給源として、アルミニウム粉と水とを反応させて水素を発生させることが、特許文献１などで提案されている。この場合、アルミニウム粉に水を添加し加熱することにより、１００℃以下の低温で動作させることができるので、携帯用燃料電池に好適である。実際には、燃料の供給、すなわち水素の生成量の迅速な加減制御が困難であるため、燃料電池出力を二次電池（リチウムイオン電池等）に蓄電させるように構成することで、小型の携帯用燃料電池システムとして利用が容易となる。一般的な燃料電池は、電解質とそれを挟む一対の電極とで構成される単位であるセル（基本電池）を、複数個直列接続してスタックを形成している。複数のセルを直列接続することで、出力電圧を高めている。

また、一般的に固体高分子型燃料電池の出力電圧は、１セル当たり１Ｖ以下となることが多く、それに対しリチウムイオン電池は３．６Ｖ程度の電圧である。リチウムイオン電池は、自己放電が少なく、重量当たりの蓄電量が大きい等の理由から、燃料電池で発電された電力を蓄積するバッファとして好適である。リチウムイオン電池を燃料電池システムのバッファとして利用する場合、複数のセルをシリーズ化して発生電圧を高電圧化するか、燃料電池で発生した電圧を昇圧回路により高電圧に変換した後に、リチウムイオン電池に充電する必要がある。

ところで、このような燃料電池と二次電池とを組み合わせた燃料電池システムの一例は、特許文献２に開示されている。特許文献２には、燃料電池の発電効率が最大となるように燃料電池出力電圧を制御し、使用時間の長時間化が期待できる構成が開示されている。
特開２００４−２３１４６６号公報 特開２００２−１８４４４３号公報

しかしながら上記特許文献２に開示された構成では、水素供給量のバラツキや燃料電池のセルのバラツキがあった場合の発電と、それを受けてのリチウムイオン電池に対する充電を効率よく行うことができないという問題があった。

すなわち、特許文献２には、必要に応じて供給量を制御された水素を用いて燃料電池を如何に効率よく発電させるかについての記載はあるが、水素供給量の迅速な加減制御が困難で水素発生量にバラツキ等がある水素発生源を有する場合に、また、温度や使用状況、製作の個別バラツキによって変化する燃料電池の発電特性を有する場合に、如何に最適に燃料電池を発電させるかについては開示されていない。特許文献２では、予め保存していた燃料電池の動作特性に基づいて燃料電池のセル出力電圧を制御しているが、水素供給量のバラツキや燃料電池自体の発電特性の変動やバラツキに対処して効率化を図ることは困難である。

本発明は、上記課題に鑑み、水素供給源からの水素流量の迅速な制御が困難な場合や燃料電池の発電特性に初期バラツキや劣化が生じていても、燃料電池の好適な発電条件を検出し、その発電条件で燃料電池を駆動することにより、効率化を図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。

上記目的を達成するために本発明の燃料電池システムは、燃料を化学反応させて発電可能な燃料電池と、前記燃料電池の出力電流を増減させて出力電圧を制御する燃料電池制御部とを備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の出力電圧を監視し、前記燃料電池において供給されている全ての燃料を消費し
て発電可能な第１の動作点電圧と、前記燃料電池において最大電力を発生可能な第２の動作点電圧とを検出可能な動作点検出部と、前記燃料電池の出力電圧を、前記動作点検出部で検出された前記第１の動作点電圧または前記第２の動作点電圧に一致させるよう、前記燃料電池の出力電流を制御可能な電圧設定部とを備えている。

また、燃料を化学反応させて発電可能な燃料電池と、充放電可能な二次電池と、前記燃料電池で発生された電力を、昇圧して前記二次電池に充電させる昇圧充電回路とを備えた燃料電池システムであって、前記昇圧充電回路は、前記燃料電池の出力電流の増減により前記燃料電池の出力電圧を第１の設定値に保つように制御する出力電圧制御部と、前記燃料電池の出力電流を検出しつつ前記出力電圧制御部の前記第１の設定値を増減させ、前記燃料電池の出力電流が減少を開始する時の電圧を第１の動作点電圧として検出する動作点検出部と、前記動作点検出部で前記第１の動作点電圧が検出された後に、前記第１の設定値に前記第１の動作点電圧を設定するよう前記出力電圧制御部を制御する制御部とを備えている。

本発明によれば、供給される燃料に応じて効率的な充電が行える燃料電池システムを実現できる。

本発明の燃料電池システムは、前記二次電池はリチウムイオン電池で構成することが望ましい。

また、前記燃料電池の燃料は、アルミニウム粉と水とから発生させた水素で構成することが望ましい。

また、前記充電回路は燃料電池の出力電流の増減により出力電圧を一定値に保つことができる燃料電池出力電圧制御部を有することが望ましい。

また、前記燃料電池システムでは前記燃料電池出力電圧制御部と燃料電池出力電流検出手段を有し、前記燃料電池出力電圧制御部により燃料電池出力電圧を低下させるに伴って生じる燃料電池出力電流の増加が停止する燃料電池出力電圧を第１の動作点電圧として検出する動作点検出部を有することが望ましい。

また、前記燃料電池システムでは前記燃料電池出力電圧制御部を用いて、前記動作点検出部により検出した第１の動作電圧に燃料電池出力電圧を設定する制御を行う制御部を有することが望ましい。

また、前記充電手段は、二次電池の電圧が充電されて第１の充電電圧に到達するまでは、前記燃料電池出力電圧制御部により燃料電池の出力電圧を一定の電圧に制御しつつ充電を行い、充電が進行して二次電池の電圧が第１の充電電圧に到達した場合は二次電池への充電電圧を第１の充電電圧に保ちつつ充電を継続する充電制御を行う機能を有することが望ましい。

また、前記第１の動作点として、供給された水素を全て消費し、且つ、燃料電池出力電圧が最も高い電圧に保たれるような動作点とすることが望ましい。

また、燃料電池の出力電流の制御により出力電圧を低下させるにつれて増加する出力電力が最大となる出力電圧を有する第２の動作点が検出された場合、水素供給量が過剰であるので、水の供給を減少させることが望ましい。

また、燃料電池の出力電圧を低下させつつ行う動作点検出の制御中に、水素を全て消費する第１の動作点の電圧が先に検出された場合は、出力電力が最大となる第２の動作点までの水素供給の余裕があるので水の供給を増加させることが望ましい。

また、前記第１の動作点を検出する場合、燃料電池の出力電圧を微小に変動させ、それに対しする出力電流の変動量と位相により検出し、更に、前記第２の動作点を検出する場合、燃料電池の出力電圧を微小に変動させ、それに対しする出力電力の変動量と位相により検出してもよく、いわゆるウォブリング制御を行わせるのが望ましい。

（実施の形態１）
〔燃料電池システムの概要〕
図１は、実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお、図１は、実施の形態１の燃料電池システムを要素的に示した図である。

図１において、燃料電池システムは、燃料電池１と昇圧充電回路２とリチウムイオン電池３と出力端子４とを備えている。燃料電池１は、水素発生部１０１と固体高分子型燃料電池１０４（以下、ＰＥＦＣと称する。ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell）とを備えている。昇圧充電回路２は、ＰＥＦＣ１０４の出力を昇圧してリチウムイオン電池３に充電する充電手段の他に、入力電圧設定部２０１、動作点検出部２０２、制御部２０３とを備えている。

水素発生部１０１は、アルミニウム粉１０２に水を添加し加熱することにより、水素１０３を発生させている。発生された水素１０３は、ＰＥＦＣ１０４に供給されている。

ＰＥＦＣ１０４は、電解質とそれを挟む一対の電極（正極、負極）とで構成されたセルを、複数個備えてスタックを形成している。電解質には、固体高分子電解質が使われている。また、正確には正極活物質である空気中の酸素が供給され、負極には負極活物質である燃料（水素、メタノール）が供給されている。負極には、水素発生部１０１で発生した水素１０３が供給される。この構成において、負極活物質の水素イオンが電解質を通って正極側へ移動し、酸素分子と結合する時に、外部回路中を電子が移動し発電される。なお、ＰＥＦＣ１０４において使用される電解質、正極活物質、負極活物質の構成は、上記に限定されるものではない。

入力電圧設定部２０１は、燃料電池１からの出力電流の増減制御により、出力電圧を任意の設定された電圧（例えば第１の設定電圧）に保つように制御する設定手段である。

動作点検出部２０２は、入力電圧設定部２０１により燃料電池１の出力電圧を可変しつつ燃料電池１の出力電流の挙動を検知することにより、第１の動作点電圧を検出する手段である。第１の動作点電圧とは、水素供給を全て消費して発電を行っている状態における、燃料電池１の出力電圧のことである。さらに、動作点検出部２０２は、第１の動作点電圧を検出するとともに、出力電力を検知して第２の動作点電圧を検出することができる。第２の動作点電圧とは、出力電力が最大となる状態における、燃料電池１の出力電圧のことである。なお、第１の動作点電圧、第２の動作点電圧の検出方法については、後述する〔ウォブリング制御による動作点検出方法〕の項にて、詳しく説明する。

制御部２０３は、動作点検出部２０２を制御して第２の動作点電圧を検出するために燃料電池１の出力電圧を低下させていった場合に、先に第１の動作点電圧を検出した場合には、入力電圧設定部２０１を制御して、第１の動作点電圧に基づき燃料電池１の出力電圧を制御するものである。また、最大電力を得る第２の動作点電圧を検出した後、水素を全て消費する第１の動作点電圧が検出されなかった場合、水素供給量が過剰であると判断して、水素発生部１０１に対する水の供給を減少させる制御を行う。

これらの動作を実現するための具体的な構成は後述するが、図１に示した構成により、効率的な水素消費や水素生成を行うことができる燃料電池システムを構築することができる。

〔具体的な回路構成〕
図２は、昇圧充電回路２の具体的な回路図である。

図２は、入力電圧をより高い出力電圧に変換し充電する昇圧充電回路であり、説明を簡略化するためＰＷＭ制御ＩＣとして市販されているＩＣを使用することを前提に構成している。なお、動作説明を簡略化する為に、後述する第１の動作点電圧や第２の動作点電圧の検出方法や、効率的な燃料電池１の発電制御方法等を実現する方法として例示したものであり、昇圧充電による二次電池への充電やそれを市販のＰＷＭ制御ＩＣを用いた充電回路で必ずしも構成する必要が無い事は言うまでもない。

図２は、市販されているＰＷＭ制御ＩＣ（例えばリニアテクノロジー社のＬＳ１９１９等）を利用した昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを元に、昇圧充電回路を構築した例であり、簡単の為に、そのようなＩＣの動作と同様な動作をするとして説明する。

図２において、昇圧充電回路２は、充電制御回路２１、ＰＷＭ制御回路２５、変換回路３３とを備えている。

充電制御回路２１は、燃料電池１の出力端子１ａに接続されている端子２１ａと、接地されている端子２１ｂと，リチウムイオン電池３の端子に接続されている端子２１ｃと，ＰＷＭ制御回路２５に接続されている端子２１ｄと、基準電源である基準電源２２と、＋端子が基準電源２２に接続され−端子が端子２１ａに接続されている誤差増幅器２３と、アノードが誤差増幅器２３の出力端子に接続されカソードが端子２１ｄに接続されているダイオード２４と、端子２１ｃにおける電圧を分圧する分圧抵抗２９及び３０とを備えている。

ＰＷＭ制御回路２５は、詳しい回路は図示しないが、内部基準電源、比較増幅器などから構成され、充電制御回路２１から出力される電圧と内部基準電源電圧とを比較し、その誤差分を増幅して、所定のデューティを有するＰＷＭパルスを出力するものである。

なお、ＰＷＭ制御回路２５は、一般に市販されているＰＷＭ制御用ＩＣを使用すると簡便に構成できるが、もちろん充電制御回路２１等も含めてＩＣ化してもよいことは言うまでも無い。また、更には燃料電池１やリチウムイオン電池３等の電圧、電流をＡＤ変換によりマイコンに取り込んで、信号処理自体はディジタル処理を用いて行い、その結果をＰＷＭ出力として取り出して制御回路を構築してもよいが、システムの処理方法や仕様等が明確になれば、回路の実現手段は当業者にとっては設計事項に含まれるので説明は省略する。

変換回路３３は、燃料電池１の出力端子１ａとフライホイールダイオード２７との間に接続されているインダクタ２６と、アノードがインダクタ２６に接続されカソードがリチウムイオン電池３に接続されているフライホイールダイオード２７と、ＰＷＭ制御回路２５から出力されるＰＷＭ信号によってオン／オフに切換制御されるスイッチ２８とを備えている。

充電制御回路２１は、インダクタ２６に蓄積される磁気エネルギーを利用した電流電圧変換により、第１に、燃料電池１の電流出力の可変により燃料電池１の出力電圧を一定に保ちつつリチウムイオン電池３を充電する、燃料電池１の定電圧駆動制御を行わせ、第２に、リチウムイオン電池３が充電され終止電圧に到達した後は、リチウムイオン電池３への出力電圧を一定に保ちつつ充電する定電圧充電制御を行わせる制御回路である。

以下、動作について説明する。

図２において、スイッチ２８がＰＷＭパルスによってオンにされると、インダクタ２６を通じて燃料電池１から電流が供給され、インダクタ２６に磁気エネルギーが蓄えられる。その後、スイッチ２８がＰＷＭパルスによってオフにされると、インダクタ２６に蓄えられた磁気エネルギーにより電流の流れを継続するように、インダクタ２６の両端に高電圧が反転生成する。インダクタ２６の一端が燃料電池１に繋がれているのでインダクタ２６のスイッチ２８側に高電圧が発生し、それがフライホイールダイオード２７を通じてリチウムイオン電池３側に供給され、充電される。このように、スイッチ２８のオン／オフ切り換えによる変換動作を繰り返すことにより、燃料電池１で発生される電力を、リチウムイオン電池３へ充電させることができる。

燃料電池１からの電流を増加させる場合は、ＰＷＭ制御回路２５から出力されるＰＷＭパルスのデューティ比を高くし、スイッチ２８のオン期間を増加させ、インダクタ２６に流れる電流を増加させる。

今、燃料電池１の出力電圧が上昇した等の理由により、ダイオード２４の誤差増幅器２３側が端子２１ｄより低電圧となった場合、ダイオード２４は逆極性となるためオフとなり、ダイオード２４が接続されていない状態となる。この場合、リチウムイオン電池３の出力が、分圧抵抗２９と分圧抵抗３０とで分圧されてＰＷＭ制御回路２５に伝達される。このような信号経路での構成は一般的なＰＷＭ制御ＩＣを使って一定電圧出力を出力するＤＣ−ＤＣコンバータと同じ構成となり、ＰＷＭ制御回路２５は、ＰＷＭ制御回路２５内に設けられた内部基準電源（不図示）と比較し、分圧された端子２１ｄの電圧が内部基準電源の電圧と等しくなるように、ＰＷＭ制御回路２５からスイッチ２８へ出力される駆動パルスのデューティ等を変化させる。

ＰＷＭ制御回路２５は、入力された電圧が内部基準電源に比較して上昇した場合には、スイッチ２８のオン期間を短縮するように駆動パルスのデューティ比を変更して、インダクタ２６に流入する電流を低下させることにより、インダクタ２６を通じて供給される電流を減少させる。このようにインダクタ２６を通じての電流が減少すると、燃料電池１の出力電流の減少による燃料電池１の出力電圧の上昇、リチウムイオン電池１側に流出する電流の減少によるリチウムイオン電池３側への出力電圧の低下、といった変化が生じる。また、逆にＰＷＭ制御回路２５に入力された電圧が低下した場合は、スイッチ２８のオン期間を延長することによりインダクタ２６を通じて供給される電流が増加するので、燃料電池１では出力電圧の低下、リチウムイオン電池３側では出力電圧の上昇、といった電圧の変化が生じる。

以上のような動作を利用することにより、ＰＷＭ制御回路２５の入力としてリチウムイオン電池３からの信号が入力された場合はリチウムイオン電池３への電圧を一定にするような定電圧充電制御を、燃料電池１からの信号が入力された場合は燃料電池１の電圧を一定にするような定電圧駆動制御を行うような制御回路を構成できる。

先に、燃料電池１の出力電圧が上昇した等の理由により、ダイオード２４の両端の電圧が逆極性となるためオフとなり、ダイオード２４が接続されていない状態となると説明したが、このような場合は、リチウムイオン電池３から分圧抵抗２９を経由する信号経路のみが有効になるので、リチウムイオン電池３側を定電圧に保つ定電圧充電制御が実行される。ダイオード２４がオフではなく誤差増幅器２３の経路が有効な場合は、燃料電池１の出力電圧を一定に保つ定電圧駆動制御が実行される。

リチウムイオン電池３の充電は、リチウムイオン電池３をその過充電から保護するために、最終的には、予め決められている終止電圧で定電圧充電を行う。今、ダイオード２４がオフとなりリチウムイオン電池３の定電圧充電制御状態となっていて、更に、リチウムイオン電池３の充電電圧が終止電圧であった場合に、ＰＷＭ制御回路２５に入力される電圧と内部基準電源の電圧値とが等しくなるように分圧抵抗２９と分圧抵抗３０の分圧比を設定すれば、この昇圧充電回路２は終止電圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ動作を行うことになる。

なお、このように分圧抵抗２９等を調整設定することにより終止電圧の値を任意に設定できるので、リチウムイオン電池３が１直の構成の場合は例えば４．２Ｖに設定し、リチウムイオン電池が２直の構成の場合は例えば８．４Ｖに設定することにより、過充電に対しての保護を行うことができる。

以下、先ずは、リチウムイオン電池３の電圧が終止電圧より低下している場合の、燃料電池１の定電圧駆動制御についての動作を説明する。昇圧充電回路２のＤＣ−ＤＣコンバータ動作に伴って燃料電池１からインダクタ２６を介して、リチウムイオン電池３に電流が流出するが、燃料電池１からの電流流出が増大していくと、図５（ａ）（詳細は後述）に示すように燃料電池１の出力電圧が低下していく。

燃料電池１の出力電圧は、端子２１ａを通じて誤差増幅器２３の−端子に入力されているため、燃料電池１の出力電圧が基準電源２２の電圧より低下すると、誤差増幅器２３の出力電圧が上昇する。したがって、ダイオード２４が順方向の導通状態となり、誤差増幅器２３の出力により分圧抵抗２９と分圧抵抗３０とによる分圧回路の電圧が引き上げられるので、それにつれて、端子２１ｄの電圧が上昇する。そのため、ＰＷＭ制御回路２５は、入力電圧が上昇したとしてインダクタ２６を介しての電流を減少させ、変換動作を停滞させるので、燃料電池１の出力電流が低下し、燃料電池１の出力電圧が上昇を始める。

逆に、燃料電池１の出力電圧が上昇し、誤差増幅器２３の＋端子に接続された基準電源２２より上昇すると、誤差増幅器２３の出力が低下してダイオード２４がオフとなり、先に説明したように充電制御回路２１は終止電圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ動作を行うことになる。今、リチウムイオン電池３の出力電圧が終止電圧以下の場合であるので、ＰＷＭ制御回路２５に入力される分圧された電圧は不図示の内部基準電源の電圧より低下している。そのため、出力電圧が低下しているＤＣ−ＣＤコンバータの動作と同じく、インダクタ２６を介しての電流を増加させ、変換動作を増進させるので、燃料電池１の出力電流が増加し、燃料電池１の出力電圧が低下する。

このような動作により、充電制御回路２１は、誤差増幅器２３の＋端子に接続された基準電源２２の電圧に等しくなるように燃料電池１の出力電圧を一定に保つ定電圧駆動制御を行う。従って、基準電源２２の電圧を任意の値に設定することにより、燃料電池１の出力電圧を任意の値に制御できるので、これを利用して、燃料電池１の発電効率が最も向上する電圧に燃料電池１の出力電圧を設定することにより、燃料電池システムの発電効率の向上を図ることができる。

以上のような燃料電池１の定電圧駆動制御によりリチウムイオン電池３は充電されていくが、その電圧が終止電圧に到達するようになるとＤＣ−ＤＣコンバータ動作としては平衡状態に近づくことになるので、変換動作が抑圧される。そのため、それまでの燃料電池１の定電圧駆動制御により燃料電池１から出力されていたの出力電流よりも電流が減少するので、燃料電池１の出力電圧が上昇し、ダイオード２４はオフの状態を維持することとなり、ＤＣ−ＤＣコンバータ動作のみが継続することになる。その為、充電制御回路２１は、終止電圧でリチウムイオン電池３を充電する定電圧充電制御に切り替わり、リチウムイオン電池３の充電が継続する。

なお、端子４ａから負荷に対して電流が流れ、リチウムイオン電池３の電圧が低下した場合は、再び燃料電池１の定電圧駆動制御に切り替わりリチウムイオン電池３の充電を行ない、充電が継続していく。

以上のように、リチウムイオン電池３の電圧が終止電圧に到達するまでは、燃料電池１の出力電圧を基準電源２２で設定される電圧に固定しつつ充電する定電圧駆動制御を行い、リチウムイオン電池３の電圧が終止電圧に到達すると、出力電圧を終止電圧に制御する定電圧充電制御を行うので、燃料電池３の発電効率の向上を図りつつ、リチウムイオン電池３の充電保護に適した充電動作を行うことができる。

なお、ダイオード２４を通じてＤＣ−ＤＣコンバータの分圧抵抗の電圧を変化させているので、ダイオード２４の電流電圧特性や温度特性により制御特性が変化する。そこで、ダイオード２４とコンパレータとを組み合わせて、ダイオード２４のオン／オフの切り換え特性をシャープにする回路を組み込むことにより、充電特性の向上を図ってもよく、図３Ａ、図３Ｂにその回路例を示す。

図３Ａは、図２におけるダイオード２４を抜粋した図である。図３Ｂは、図３Ａに示すダイオード２４の代りに、ダイオード２４ｄとコンパレータ２４ｃとで構成した切替え回路の例である。以下、図３Ｂに示す回路を、図２に示す回路に組み込んだ場合の動作について説明する。

図３Ｂに示す構成では、図２における燃料電池１の出力電圧が低下すると、誤差増
幅器２３によって、端子２４ａが端子２４ｂよりも高電位となる。したがって、コンパレータ２４ｃの出力が高電位となり、ダイオード２４ｄが順方向のバイアスとなるため、端子２４ｂを高電位に保とうとする。しかし、端子２４ｂは、コンパレータ２４ｃの−端子に接続されているので、コンパレータ２４ｃの出力を低電位に引き下げようとする。このような帰還ループによって、端子２４ａと端子２４ｂとはほぼ同電位となり、端子２４ａの電位が上昇するとそれに伴って端子２４ｂも上昇する。したがって、端子２４ｂに接続されているＰＷＭ制御回路２５の入力電圧が上昇し、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換動作が低下する。

一方、燃料電池１の出力電圧が上昇し、端子２４ａの電位が端子２４ｂの電位よりも低下した場合、すなわち、リチウムイオン電池３の出力が分圧抵抗２９と分圧抵抗３０で分圧された電圧より低下した場合は、コンパレータ２４ｃの＋端子の電位が−端子より低下するので、コンパレータ２４ｃの出力電圧は低下する。しかし、この場合はダイオード２４ｄが逆方向のバイアスとなるので、ダイオード２４ｄはオフとなり、端子２４ｂとコンパレータ２４ｃの出力との導通は無くなる。そのため、端子２４ｂは、端子２４ａの電位の影響を受けなくなり、ＰＷＭ制御回路２５にはリチウムイオン電池３の出力電圧を分圧した電圧が加わり、ＤＣ−ＤＣコンバータ動作が開始される。

このような回路構成より、ダイオード２４ｄのオン／オフ制御するための切り替わり電圧の差は、コンパレータ２４ｃの入力端子間に生じるオフセット電圧程度の誤差に収まり、また温度特性も同様の範囲に入るので、安定した昇圧充電回路を構成できる。

〔ウォブリング制御による動作点検出方法〕
前述した第１の動作点電圧、第２の動作点電圧の検出方法には、ウォブリング制御により検出する方法がある。この制御方法に関して、燃料電池出力特性を元に説明し、実施の形態の望ましい制御方法として示す。

燃料電池１の動作点を検出し、それを燃料電池の運転に使用することを述べたが、この動作点が燃料電池１の出力特性のどのような部分に相当し、どのように検出するかについて、図５から図７を参照して説明する。

図５（ａ）は、燃料電池１に水素供給を行って発電をした場合の、燃料電池１の出力電流Ｉ_OUTに対する出力電圧Ｖ_OUTの特性や挙動を示す。図５（ａ）に示すように、燃料電池１の発電中は、電解質中を水素イオンが移動しており、拡散抵抗等により出力電流Ｉ_OUTの増加に伴って出力電圧Ｖ_OUTが低下する。しかし、燃料電池１は、負極に供給されている水素以上には水素イオンが増加しないので、水素供給量で決まる所定の電流値以上の電流を流した場合、急速に出力電圧Ｖ_OUTが低下する。このように、急速に出力電圧Ｖ_OUTが低下するので、出力電流により水素供給量を推定することができるので、水素供給量に応じた燃料電池出力電圧を設定することが可能となる。

通常の水素供給量の場合は、第１の特性４０３ａに示すように出力電流Ｉ_OUTの増加に伴って出力電圧Ｖ_OUTが低下する。また、水素供給量を増やした場合は、第２の特性４０３ｂに示すように出力電圧Ｖ_OUTが低下する。すなわち、水素供給量を増やせば、急速に出力電圧Ｖ_OUTが低下する時の出力電流Ｉ_OUTは高くなる。

また、図５（ｂ）及び図５（ｃ）は、燃料電池１の出力電圧を微小変動させた場合の、出力電流における微小変動の振幅の挙動や、微小変動の位相の挙動を示している。図５（ｂ）は、燃料電池１の平均出力電圧Ｖ_AVEに対する出力電流Ｉ_OUTの振幅特性を示している。また、図５（ｃ）は、電池１の平均出力電圧Ｖ_AVEに対する出力電流Ｉ_OUTの位相特性を示している。

図６は、ＰＥＦＣ１０４に水素供給を行って発電をした場合の、出力電流Ｉ_OUTに対する出力電力Ｗ_OUTの特性を示す。図６に示すように、水素供給が十分な場合は、出力電流Ｉ_OUTの増加に伴って出力電力Ｗ_OUTが増加するが、前述したように出力電流Ｉ_OUTが増加すると出力電圧Ｖ_OUTが低下していくので、出力電力Ｗ_OUTは最大電力Ｗ₁となった後に減少していく。しかし、水素供給が不十分であると、特性４０３ｃに示すように、出力電流Ｉ_OUTの増加に対して急速な出力電圧の低下が起こるため、電力Ｗ₁よりも低い電力Ｗ₂を最大値として、急速に出力電力Ｗ_OUTが低下する。

図７（ａ）は、燃料電池１の出力電圧Ｖ_OUTと出力電力Ｗ_OUTとの関係を示している。図７（ａ）において、十分な水素供給の下で燃料電池１の出力電流を増加させると、第３の特性４０３ｄに示すように出力電圧Ｖ_OUTが下がってくるが、出力電力Ｗ_OUTは最大電力Ｗ₃で最大値を取る。一方、水素供給が不十分な場合は、第４の特性４０３ｅに示すように、出力電圧Ｖ_OUTの減少に伴って電流が増加しなくなるため、出力電力Ｗ_OUTは最大電力Ｗ₁よりも低い電力Ｗ₄を最大値にして、以降急速に低下する。

また、図７（ｂ）や図７（ｃ）には、燃料電池１の出力電圧Ｖ_OUTを微小変動させた場合の、出力電力Ｗ_OUTにおける微小変動の振幅の挙動や、微小変動の位相の挙動を示している。図７（ｂ）は、平均出力電圧Ｖ_AVEと出力電力Ｗ_OUTの振幅Ａとの関係を示している。図７（ｃ）は、平均出力電圧Ｖ_AVEと出力電力Ｗ_OUTの位相Ｐとの関係を示している。

なお、図６に示した出力電力Ｗ_OUTの特性曲線は、燃料電池１からの出力電流Ｉ_OUTが零の場合を基点としており、出力電流Ｉ_OUTの増加に伴い出力電力Ｗ_OUTが増加する。また、図７は、出力電流Ｉ_OUTが零の場合、即ちＯＣＶ（Open Circuit Voltage）の電圧が基点となり、出力電圧Ｖ_OUTの低下に伴って出力電力Ｗ_OUTが増加する。

図５（ａ）と図７（ａ）とを参照して、本発明の構成での望ましい動作点検出方法を説明する。

アルミニウム粉の反応によって水素の供給がされる場合、迅速な供給量の増減制御が困難であるので、供給量に応じた、最適な燃料電池１の発電を行う必要がある。そこで、燃料電池１の出力電圧を低下させた場合に、その出力電流が増加しなくなる点（すなわち、急速に電圧が低下する点）を検出し、その点を供給された水素を全て消費する「第１の動作点」と定義する。図５（ａ）において、第１の動作点４０４ａにおける出力電圧を、第１の動作点電圧Ｖ₁とする。

入力電圧設定部２０１により、燃料電池１の出力電圧を、第１の動作点電圧Ｖ₁に一致させるように設定して発電させれば、水素発生部１０１において発生した水素を全て燃料電池１の発電に利用できる。よって、水素の余剰分を排出させる必要がなくなり、効率的な燃料電池システムを構築できる。

なお、このような動作点の検出方法として、燃料電池１の出力電圧を微小に変動させ、その出力電圧に対する出力電流や出力電力の振幅や位相の挙動に基づき動作点を検出する方法（いわゆるウォブリング制御）がある。ウォブリング制御自体は、磁気記録のヘッド制御や、カメラのオートフォーカス制御等に利用されているが、制御対象や制御方法がそれぞれの対象によって異なってくる。本発明では制御対象を燃料電池１の出力電圧にしている。

図５（ａ）に示すように、時間ｔの経過に従って、燃料電池１の出力電圧Ｖ_OUTを波形４１０ａに示すように変動させると、それに対する燃料電池１の出力電流Ｉ_OUTが波形４１１ａに示すように表れる。このように出力電圧Ｖ_OUTを変動させながらその平均電圧を下げていくと、波形４１０ｂに示す出力電圧Ｖ_OUTにおいては、出力電流Ｉ_OUTが波形４１１ｂに示すように表れる。波形４１１ｂは、波形４１１ａに対して位相は同じであるが、振幅が大幅に低下している。このように、大幅な振幅低下が開始される時の出力電圧が、第１の動作点電圧Ｖ₁である。

もちろん、第１の動作点電圧Ｖ₁を検出する際、出力電流Ｉ_OUTを増加させていき、出力電圧Ｖ_OUTが急速に低下する時の電圧を検出することで、第１の動作点電圧Ｖ₁を検出することもできる。

検出された第１の動作点電圧Ｖ₁で燃料電池１を運転させることにより、供給された水素を全て消費するような効率が良い発電ができる。

なお、出力電流Ｉ_OUTの波形４１１ａまたは４１１ｂの振幅は、図５（ｂ）に示すように平均出力電圧Ｖ_AVEが第１の動作点電圧Ｖ₁以上では一定であるが、第１の動作点電圧Ｖ₁未満になると急速に低下する。一方、出力電流Ｉ_OUTの波形４１１ａまたは４１１ｂの位相は、図５（ｃ）に示すように平均出力電圧Ｖ_AVEに関係なく、一定であるので、通常のウォブリング制御のように位相まで観測して動作点を検出する必要は無いことはいうまでも無い。

次に、図７（ａ）を参照して、出力電圧が最大となる第２の動作点電圧の、ウォブリング制御による検出方法について説明する。

図７（ａ）における特性（実線）は、水素供給が十分である場合の出力電圧Ｖ_OUTと出力電力Ｗ_OUTとの関係を示している。出力電力Ｗ_OUTは、出力電圧Ｖ_OUTの低下に伴って増加するが、最大電力Ｗ₃（最大点４０４ｆにおける電力）以降は低下していく。この最大電力Ｗ₃の時の出力電圧を電圧Ｖ₂とする。

図７（ａ）において、波形３１２ａで示すように出力電圧Ｖ_OUTを変動させると、出力電力Ｗ_OUTは波形４１３ａに示すように変動する。波形３１２ａと波形４１３ａとは逆位相である。変動させている出力電圧Ｖ_OUTの平均電圧を低下させ、出力電圧Ｖ_OUTを波形３１２ｂに示すように変動させると、出力電力Ｗ_OUTは波形４１３ｂのように変動する。波形４１３ｂは、波形３１２ｂに対して同位相であるが、振幅は低下している。このような出力電力Ｗ_OUTにおける位相の逆転は、最大電力である電力Ｗ₃の時（動作点４０４ｆ）に現れる。したがって、電力Ｗ３を出力させることが可能な第２の動作点電圧Ｖ₂で燃料電池１を運転させることにより、最大出力電力を得ることができる。

この第２の動作点電圧Ｖ₂を検出するには、出力電圧を変動させつつその平均値をＯＣＶから低下させていき、出力電力の最小振幅（図７（ｂ）参照）と、位相の逆転（図７（ｃ）参照）とを検出することで、第２の動作点電圧Ｖ₂を検出することができる。すなわち、図７（ｃ）に示すように、出力電力Ｗ_OUTの最大点である第２の動作点４０４ｆ（出力電圧Ｖ₂）を境に、波形４１３ａと波形４１３ｂとは位相が逆転する。したがって、出力電圧Ｖ_OUTを低下させていき、位相の変化を検出すれば、第２の動作点４０４ｆの方向が分かり、最大電力である第２の動作点４０４ｆに到達させることができるのである。また、図７（ｂ）に示すように、出力電力の波形の振幅は、第２の動作点４０４ｆにおいて最小となる。したがって、出力電力の波形の振幅が最小となるポイントを検出することで、最大電力である第２の動作点４０４ｆに到達させることができるのである。

しかし、水素の供給量が足りず、水素供給量が特性４０３ｅに示すような場合は、最大電力である第２の動作点４０４ｆに到達する前に供給された水素を全て消費する第１の動作点４０４ｄが検出される。そこで、燃料電池１の動作点としては、第１の動作点４０４ｄの出力電圧（第１の動作点電圧Ｖ₁）に設定すれば、効率的な発電ができる。この場合、最大電力Ｗ₃を得るまでには水素供給量に余裕があるので、アルミニウム粉への水の供給を増加することが望ましい。

一方、水素供給が過剰な場合の特性４０３ｄに示すような場合は、燃料電池１の出力電圧が、第２の動作点電圧Ｖ₂より低い電圧に到達して初めて、供給された水素を全て消費する動作点４０４ｅを検出することができる。このような場合は、水素供給が過剰であるため、アルミニウム粉への水の供給を減少させることが望ましい。

このように、水の供給制御は、全ての水素を消費する第１の動作点４０４ｄと、最大電力が得られる第２の動作点４０４ｆの検出を継続しておき、出力電圧Ｖ_OUTを低下させて、最大電力Ｗ₃が得られる第２の動作点４０４ｆを検出する前に第１の動作点４０４ｄを検出した場合は水の供給を増加させ、最大電力Ｗ₃が得られる第２の動作点４０４ｄを検出した場合は水の供給を減少させる制御とすることが望ましい。

しかし、昇圧充電回路２が取り扱える燃料電池１の出力電流の変換許容値や、水素発生の単位時間あたりの目標発生量等から、まずは水の供給量を設定し、その後、第１の動作点の検出等を行う制御とすることが望ましい。

また、第２の動作点４０４ｆで最大電力を得る動作点を、燃料電池１の出力の挙動のみから求めたが、燃料電池システムでは水を供給するためのポンプ等のいわゆる補機による電力消費がその電源である二次電池の電圧によって変化したり、或いは、入出力電圧によって昇圧充電回路２の効率が変化し昇圧充電回路２によって消費される電力が変化したりする。従って、燃料電池１の出力電力から、補機の電力や昇圧充電回路２の電力等を減算した総合電力を算出し、その電力が最大となるように第２の動作点４０４ｆの検出を行うことが望ましい。

なお、第１の動作点４０４ｄ、第２の動作点４０４ｆの検出方法は、燃料電池１の出力電圧の制御部があれば検出可能であり、昇圧充電に限らないことは言うまでも無い。

しかし、燃料電池のセルを多数個使用する場合、形態的に大きなものとなり、可搬性に支障をきたすため、燃料電池とリチウムイオン電池と昇圧充電回路を有する燃料電池システムが、アルミニウム粉を用いた燃料電池システムとして好適であるとして提案する。

〔制御部を含む構成〕
図４は、図２の燃料電池システムの構成に、制御部を含んだ構成を示している。したがって、図２と同様の構成要素には、同一番号を付与している。

図４において、電流検知部３１は、燃料電池１の出力電流を検知する。

動作点検出部２０２ａは、端子２０３ｂを介して燃料電池１の出力電圧が入力され、電流検知部３１から端子２０３ｃを介して燃料電池１の出力電流が入力される。さらに、動作点検出部２０２ａは、基準電源２３の電圧を制御することにより、燃料電池１の出力電圧を制御するように構成されている。また、動作点検出部２０２ａは、基準電源２３の電圧設定を変更することで生じる燃料電池１の出力電圧と出力電流の変動を検知し、図５で説明した検出方法に基づき、第１の動作点および第２の動作点を検出する。その後、制御部２０３により検出された動作点に合わせるように、燃料電池１の出力電圧を制御することにより、効率的な発電が可能となる。

なお、動作点検出を行う際に、燃料電池１の出力電圧の制御方法として、例えば基準電源２３の代わりにマイコンのＤ／Ａ出力を与えることにより、マイコンで制御可能となり、また、出力電流と出力電圧はマイコンのＡ／Ｄ入力により検知できる。

このように、電流と電圧を取り込んだ後は、図５で示した動作点検出方法に従い演算することにより、容易に第１の動作点と第２の動作点とを検出できるが、燃料電池の出力電圧の制御や電圧／電流の取り込み方法、および検出のアルゴリズムが判明すれば、その後の動作点検出の具体的な回路構成は当業者にとっては単なる設計事項であるので省略する。

以上のように本実施の形態によれば、低い出力電圧で急速な出力制御の困難な燃料電池１を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池１の出力電圧の可変による燃料電池出力電流の挙動から水素供給量に応じて、最適な燃料電池出力電圧を検出できるので、燃料電池１の特性や水素供給量のバラツキや変動が生じていても、効率化が図られた燃料電池システムを実現することができる。

なお、第２の動作点を検出するための位相を求めるには、出力電力を演算により求めてその位相を検出してもよいが、出力電流との位相から求めてよいことはいうまでもない。

以上、動作点の検出と、動作点の設定について述べたが、動作点の検出に際してのウォブリング制御は常に行う必要は無く、状態検出部３２からの動作点検出開始信号を待ってから検出を開始してもよい。この場合、状態検出部３２は、一定の時間が経過した場合、温度が変化した場合、燃料電池１の出力電力が変化した場合、リチウムイオン電池３の電圧が変化した場合等の変化が生じた場合に、再度動作点を検出し、燃料電池１の発電条件を変更するよう、制御部２０３を制御する。

また、燃料電池１の定電圧出力制御において、出力電圧を微小変動させるウォブリング制御を行うことにより最適な制御が実現できるが、その微小変動の電圧や周期については燃料電池１の電気２重層容量等からなるインピーダンス特性やセルのスタック方法による出力電圧等から求める必要がある。その為、セル設計等に依存し、それぞれの場合の設計事項によるところであるので、詳細説明は省く。

本発明により、燃料電池の発電効率や水素発生量のバラツキ等が生じても、それに応じた燃料電池の動作点を検出して運転させることにより、効率が良い発電を行うことができるので、小型携帯機器用の燃料電池システムに幅広く利用可能である。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図 燃料電池システムを実現するための回路例を示す回路図 燃料電池システムにおけるダイオードの構成を示す回路図 燃料電池システムにおけるダイオードの構成を示す回路図 燃料電池システムを実現するための構成を示すブロック図 燃料電池システムを実現するための制御方法を説明するための波形図 燃料電池システムを実現するための制御方法を説明するための波形図 燃料電池システムを実現するための制御方法を説明するための波形図

符号の説明

１ 燃料電池
１０１ 水素発生部
１０２ アルミニウム粉
１０３ 水素
１０４ ＰＥＦＣ
２ 昇圧充電回路
２０１ 入力電圧設定部
２０２ 動作点検出部
２０３ 制御部
３ リチウムイオン電池
４ 出力端子

Claims (10)

1. 燃料を化学反応させて発電可能な燃料電池と、
   前記燃料電池の出力電流を増減させて出力電圧を制御する燃料電池制御部とを備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池制御部は、
   前記燃料電池の出力電圧を監視し、前記燃料電池において供給されている全ての燃料を消費して発電可能な第１の動作点と、前記燃料電池において最大電力を発生可能な第２の動作点とを検出可能な動作点検出部と、
   前記燃料電池の出力電圧を、前記動作点検出部で検出された前記第１の動作点の電圧または前記第２の動作点の電圧に一致させるよう、前記燃料電池の出力電流を制御可能な電圧設定部とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池制御部は、
   前記燃料電池の出力電圧を微小に変動させつつ低下させ、
   前記燃料電池の出力電流の微小な変化が減少する時の、前記燃料電池の平均出力電圧を、前記第１の動作点の電圧として検出する請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池制御部は、
   前記燃料電池の出力電圧を微小に変動させつつ低下させ、
   前記燃料電池の出力電力の微小な変化に対して位相が逆転する時の、前記燃料電池の平均出力電圧を、前記第２の動作点の電圧として検出する請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池は、
   燃料供給部と、
   前記燃料供給部から供給される燃料を消費して発電を行う発電部とを備え、
   前記燃料電池制御部は、
   前記第２の動作点を検出した後に前記第１の動作点を検出した場合、前記燃料供給部による燃料の供給量を減少させるよう制御する制御部を備える請求項２または３記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池は、
   燃料供給部と、
   前記燃料供給部から供給される燃料を消費して発電を行う発電部とを備え、
   前記燃料電池制御部は、
   前記第２の動作点を検出する以前に前記第１の動作点を検出した場合、前記燃料供給部による燃料の供給量を増加させるよう制御する制御部を備える請求項２または３記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池制御部は、
   前記燃料電池の温度変化、時間経過のいずれかの変化を検出する状態検出部を、さらに備え、
   前記状態検出部により前記いずれかの変化が検出された場合は、再度、前記動作点検出部を動作させて新たに第１の動作点または第２の動作点を検出した後、前記新たな第１の動作点または第２の動作点の電圧を前記燃料電池の出力電圧に設定するよう前記電圧設定部を制御する請求項１記載の燃料電池システム。
7. 燃料を化学反応させて発電可能な燃料電池と、
   充放電可能な二次電池と、
   前記燃料電池で発生された電力を、昇圧して前記二次電池に充電させる昇圧充電回路とを備えた燃料電池システムであって、
   前記昇圧充電回路は、
   前記燃料電池の出力電流の増減により前記燃料電池の出力電圧を第１の設定値に保つように制御する出力電圧制御部と、
   前記燃料電池の出力電流を検出しつつ前記出力電圧制御部の前記第１の設定値を増減させ、前記燃料電池の出力電流が減少を開始する時の電圧を第１の動作点電圧として検出する動作点検出部と、
   前記動作点検出部で前記第１の動作点電圧が検出された後に、前記第１の設定値に前記第１の動作点電圧を設定するよう前記出力電圧制御部を制御する制御部とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
8. 前記二次電池は、リチウムイオン電池で構成されている請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池の燃料は、アルミニウム粉と水とから発生させた水素で構成されている請求項１または７記載の燃料電池システム。
10. 前記制御部は、
    前記燃料電池の温度変化、時間経過、前記二次電池の電圧変化のいずれかの変化を検出する状態検出部を備え、
    前記第１の動作点電圧を前記第１の設定値に保持されるように制御するとともに、
    前記状態検出部により前記いずれかの変化が検出された場合は、再度、前記動作点検出部を動作させて新たに第１の動作点電圧を検出した後、前記新たな第１の動作点電圧を前記第１の設定値に設定するよう前記出力電圧制御部を制御する請求項７記載の燃料電池システム。

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