JP2008010344A5

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Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2009-07-16
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Description

電源システム

本発明は、燃料と酸化剤との電気化学反応により発電する燃料電池を用いた電源システムに関するものである。

燃料電池は水素（燃料）と酸素（酸化剤）とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できる、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性をもっているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。

メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラ、ゲーム機、或いは、電子辞書（書籍））などの電源への利用が期待されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
特開２００６−０４０７８７号公報特開２００６−０５４０７５号公報「電池応用ハンドブック」トランジスタ技術編集部編ＣＱ出版社（ＩＳＢＮ４−７８９８−３４４６−８）

ここで、このような燃料電池を用いて構成する発電システムでは、接続される機器に対して安定した電力を供給できるように、燃料電池で発電された電力を充放電可能な二次電池に一旦充電して貯え、当該二次電池から電力を取り出して機器に供給する方式が採られる。

この場合、機器の使用者としては二次電池が迅速に充電されること、或いは、常に満充電状態とされていることが望ましい。一方で、二次電池は１００％（充電率）の残量近辺で充放電が繰り返されると、電池の劣化を引き起こす問題があると共に、満充電に近けれ
ば近い程、保存状態が悪くなることが一般的に云われており（例えば、非特許文献１参照）、これを回避するための考慮が望まれる。また、燃料電池としても低電流で動作させた方が発電の効率が良くなるが、低電流では二次電池を充電するのに時間を要するようになる。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、使用者のニーズに応えながら、長寿命化を図り、且つ、高効率な運転を実現することができる電源システムを提供するものである。

本発明の電源システムは、燃料と酸化剤との電気化学反応により発電する燃料電池と、充放電可能な二次電池とを備え、燃料電池により二次電池を充電し、この二次電池から電力を取り出すものであって、燃料電池にて発電された電力を用いて二次電池を充電する充電制御手段を備え、この充電制御手段は、前記燃料電池により前記二次電池を充電するモードを切り換えるための操作手段を有することを特徴とする。
また、充電制御手段は、周囲の明るさを検出する照度検出手段を備え、周囲の明るさに基づいてモードを切り換えることを特徴とする。
さらにまた、充電制御手段は、時限手段を備え、時間帯に基づいてモードを切り換えることを特徴とする。

上記各発明において充電制御手段が切り換えるモードは、二次電池を急速に充電可能なモードと、当該モードよりも燃料電池を高効率で発電させて二次電池を充電可能なモードであることを特徴とする。

上記各発明において充電制御手段は、モード切換において二次電池を充電する際の電流を切り換えることを特徴とする。

上記各発明において充電制御手段は、モード切換において二次電池の充電率を切り換えて維持することを特徴とする。

本発明の電源システムは、燃料と酸化剤との電気化学反応により発電する燃料電池と、充放電可能な二次電池とを備え、燃料電池により二次電池を充電し、この二次電池から電力を取り出すと共に、燃料電池にて発電された電力を用いて二次電池を充電する充電制御手段を備え、この充電制御手段は、燃料電池により二次電池を充電するモードを切り換えるための操作手段を有しているので、使用者が各モードを自由に切り換えることができるようになる。
また、周囲の明るさを検出する照度検出手段を設け、例えば周囲が明るい昼間は二次電池から電力が取り出される頻度が高く、周囲が暗い夜間には頻度が低いものと想定してモードを切り換えるようにすれば、前述した各モードを自動的に切り換えることができるようになる。
更に、時限手段を設け、時間帯に応じてモードを切り換えるようにしても、前述した各モードを自動的に切り換えることができるようになるものである。

一方、二次電池から電力が取り出される頻度が低い状況では、高効率で燃料電池を発電させて二次電池を充電可能なモードに切り換えて、例えば二次電池を充電する際の電流を低く抑えることにより、燃料電池の発電効率を向上させて燃料消費を抑制することができるようになる。及び／又は、例えば二次電池の充電率を低く維持するモードとすれば、二次電池の劣化も抑制することができるようになるものである。

次に、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。
図１は本発明の電源システム１０の内部構成を示す上面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ線断面図である。以下に本発明の電源システム１０について、図２を用いて詳細に説明する。電源システム１０は、上部筐体１２ａと下部筐体１２ｂとからなる筐体１２の内部に、大きく分けて制御部１４、蓄電部１６、発電部１８が配置される。

電源システム１０の制御部１４は、発電部１８によって発電された電力を、蓄電部１６に蓄電するか、図示しない外部の負荷へ直接供給するかを選択するといった電源システム１０全体の運転制御を行う。

電源システム１０の蓄電部１６は、充電と放電とが可能な二次電池から構成されており、本実施の形態ではリチウムイオン電池（以下、「ＬＩＢ」（ＬｉｔｉｕｍＩｏｎＢａｔｔｅｒｙ）と記載する）２０を用いる。

電源システム１０の発電部１８は、燃料電池２２から構成されており、図示しないアノードにメタノール水溶液、或いは、純メタノール（以下、「メタノール燃料」と記載する）が供給される直接メタノール供給形燃料電池（以下、「ＤＭＦＣ」（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ）と記載する）である。

（１）内部の構成
制御部１４の制御基板２４、ＬＩＢ２０、及び、燃料電池２２は、これらを保持するホルダ２６によって位置を固定されており、ホルダ２６が上部筐体１２ａに固定されることにより、制御基板２４、ＬＩＢ２０、及び、燃料電池２２の各部品は筐体１２内部に固定される。各部品は、電源システム１０が安定的に配置されるときに、制御基板２４、及び、ＬＩＢ２０がホルダ２６の上側、燃料電池２２がホルダ２６の下側となるように配置される。ここで、安定的に配置（安定配置）とは、図２のように脚が有れば、水平、或いは、略水平（±１０°）な台の上に電源システム１０を置くときに、この脚が台に接地するように電源システム１０を置く状態をいい、脚がない場合であれば、振動を受けたときに転びにくい比較的面積の広い面であって、ボタンや表示装置のようなユーザーインターフェイスが無い面を底面として台に接地するように置く状態とする。

制御基板２４を電源システム１０の上側に配置するのは、ユーザーインターフェイスが上部に有る方が電源システム１０の使用者にとって使いやすく、制御基板２４はユーザーインターフェイスに近いところに配置した方が配線スペースを小さくすることができるためである。また、燃料電池２２は、できるだけ電極面積が大きい方が発電能力を高くすることができるので望ましい。燃料電池２２は基本的には一定の電力を発電するように運転されるが、負荷から大きな電力を要求されたときにも対応可能な上、負荷から要求される電力量が燃料電池２２の発電能力と比べて小さいときも安定して発電するので、過負荷による燃料電池２２の劣化を防止することができる。したがって、筐体１２内部でできるだけ電極面積が大きく取れる位置に、燃料電池２２を配置することが好ましい。そこで、本電源システム１０では、筐体１２の上側に制御基板２４を配置したので、下側に燃料電池２２を配置している。

図３は、燃料電池２２の具体的な構成を示す（ａ）上面図、（ｂ）右側面図、（ｃ）左側面図、及び、（ｄ）Ｂ−Ｂ線断面図である。本電源システム１０に用いられる燃料電池２２は、平面型モジュールと呼ばれる、一枚の電解質膜２８に複数組の電極が配されて直列に接続される燃料電池モジュール３０が用いられている。燃料電池２２のアノード３２は、液体のメタノール燃料が供給され、生成物として二酸化炭素（気体）が発生するので、安定配置されたときに燃料の供給と生成物の排出とが重力を利用して円滑に行われるように、電解質膜２８の上面に配置される。一方、カソード３４は、酸化剤として空気が供給され、生成物として水が発生する。このとき、メタノール１分子に対して、１．５倍の
酸素分子が必要となるので、カソード３４側はアノード３２側よりも筐体１２ｂ、或いは、ホルダ２６との隙間を大きく、具体的には、１０ｄ_a≧ｄ_c＞ｄ_aの範囲に設定すると良
い。

燃料電池２２を運転する（発電させる）か否か、具体的には燃料電池２２を負荷に接続するか否かの直接的な運転指令は、燃料電池制御部３６によって行われる。燃料電池制御部３６も配線スペースを考慮して、電源システム１０の制御部１４の近傍、実施例の燃料電池２２の場合には制御部１４の真下であって、燃料電池モジュール３０の上部に配置している。また、燃料電池モジュール３０の上部であって燃料電池制御部３６のない空間には、燃料タンク３８を配置し、空間の有効活用を行うと共に、燃料電池制御部３６、及び、燃料タンク３８によって燃料電池モジュール３０から制御基板２４やＬＩＢ２０への熱の伝導を遮蔽している。更に、燃料電池２２とホルダ２６とはｄ_aの隙間を設け、ホルダ
２６と制御基板２４との間にも空間を配し、ＬＩＢ２０は熱が伝わりにくい燃料タンク３８の上に配置され、ホルダ２６は配線のためのスペースを除いての略全周に渡って上部筐体１２ａに固定されているので、ホルダ２６の上側と下側とは熱的に分離された構成をされている。

図１、及び、図３からも明らかなように、本電源システム１０、及び、燃料電池２２は、Ｘ軸に対して略対称となる配置となるのに対し、Ｙ軸に対しては非対称な内部構成としている。これは長手方向について非対称な配置として方が、筐体１２内部で温度差がつき易く、その温度勾配によって対流を起こして下部筐体１２ｂに設けられた通風孔１６６から空気が出入りし易いようにするためである。

（２）外部の構成
次に、以上のような内部構成を有する電源システム１０の外部構成について説明する。
図４は、電源システム１０の外観を示す（ａ）上面図、（ｂ）右側面図、及び、（ｃ）左側面図である。電源システム１０は、一側面に携帯電話のような外部負荷へ電力を供給する給電コネクタ１５０と、他側面に商用電源から電力の供給を受ける受電コネクタ１５２とを備えている。１５４はチェックボタンであり、チェックボタン１５４を押したときに、表示装置（ＬＥＤ）１５６が点灯すれば、電源システム１０が外部負荷に対し給電可能であることを示しており、ＬＥＤ１５６が点滅したとき、或いは、点灯しないときには、ＬＩＢ１２０の残量が少なく、充電した方がよい、更には外部負荷に対し給電不可能であることを示し、チェックボタン１５４を押すことにより、電源システム１０の状態を確認することができる。

右側面のスライド式スイッチは燃料電池モジュール３０と燃料電池制御部３６との間に介挿される主電源スイッチ１５８であり、燃料電池モジュール３０を負荷に電気的に接続するスイッチである。また、プッシュ式スイッチは燃料電池２２を起動させる起動スイッチ１６０であり、起動スイッチ１６０を押すことにより、燃料電池２２は発電を開始し、ＬＥＤ１６２が点灯する。即ち、起動スイッチ１６０を押したときに、ＬＥＤ１６２が点灯すれば、燃料電池２２は発電可能な状態で、ＬＩＢ２０が所定の電圧を下回っているときは充電を行う状態を示しており、ＬＥＤ１６２が点灯しないときには、燃料電池２２が燃料欠状態であり、燃料タンク３８へメタノール燃料を補充する必要があることを示している。

上記のように、ＬＥＤ１６２が点灯しないときは、メタノール燃料を補充する必要があり、メタノール燃料を補充するために、左側面には燃料補給孔１６４が設けられている。この燃料補給孔１６４は内部の燃料タンク３８に連通しており、注射器のような燃料補給手段により燃料補給孔１６４を介して燃料タンク３８へメタノール燃料を供給することができる。また、上側面、及び、下側面は図示しないが、下部筐体１２ｂの四面には通風孔
１６６が設けられており、通風孔１６６を通って電源システム１０の外部から空気が流入すると共に、内部から二酸化炭素や水が流出する。１６８は下部筐体１２ｂの底面に設けられた脚であり、机のような台の上に電源システム１０を安定配置すると、下部筐体１２ｂの底面と机との間に空間ができる。その空間を空気が流通することにより、燃料電池２２からの熱を奪うことができる構成とされている。

（３）制御回路
次に、上記動作を実現する回路構成を説明する。図５は本実施の形態の回路構成を示す回路構成図である。ＳＷ１は主電源スイッチ１５８と連動し、燃料電池モジュール３０とＤＣ／ＤＣコンバータ１７０とを接続するスイッチ機構であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０は起動スイッチ１６０が押されることにより動作を開始する。スイッチ機構ＳＷ１が閉じ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０を含む燃料電池制御部３６と燃料電池モジュール３０とが電気的に接続されると、燃料電池制御部３６は、燃料電池モジュール３０の総電圧Ｖ_FCを検出し、Ｖ_FCの値からメタノール燃料が充填されているか、燃料欠状態かを判断する。即ち、燃料欠状態となるとＶ_FCは低下するので、下限閾値を予め設定しておき、検出したＶ_FCが下限閾値を上回っている場合、起動スイッチ１６０が押されたときにＬＥＤ１６２は点灯し、検出したＶ_FCが下限閾値を下回っている場合には、起動スイッチ１６０が押されたときにＬＥＤ１６２は点灯しない。

燃料電池モジュール３０は、スイッチ機構ＳＷ１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７０、及び、整流素子（ダイオード）１７２を通り、本発明における充電制御手段としての充放電回路１７４を介してＬＩＢ２０に接続されると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７６を介して外部負荷に接続される。充放電回路１７４は、燃料電池２２により発電された電力を、ＬＩＢ２０の電圧Ｖ_Bが設定電圧Ｖ１より低く、且つ、外部負荷が接続されるときは外部負
荷へ供給し、ＬＩＢ２０の電圧Ｖ_Bが設定電圧Ｖ１より低く、且つ、外部負荷が接続され
ていないときはＬＩＢ２０を充電するためにＬＩＢ２０へ供給する。また、充放電回路１７４は、ＬＩＢ２０を充電して電圧Ｖ_Bが上限電圧Ｖ２より高くなったときと、外部負荷
が接続された場合にＬＩＢ２０の電圧Ｖ_Bが設定電圧Ｖ１以上であったときとは、燃料電
池２２を給電可能な状態ではあるが、燃料電池２２からＬＩＢ２０、又は、外部負荷へ電力は供給しない待機状態とする。

電圧Ｖ_Bは、チェックボタン１５４、及び、ＬＥＤ１５６とも連携しており、チェック
ボタン１５４が押されたときに、電圧Ｖ_BがＶ１以上であればＬＥＤ１５６は点灯し、電圧Ｖ_BがＶ１より低く、下限電圧Ｖ３以上であればＬＥＤ１５６は点滅し、電圧Ｖ_BがＶ３より低いとＬＥＤ１５６は点灯しない。また、本実施の形態は、商用電源からＬＩＢ２０への充電も可能なように受電コネクタ１５２を備えており、携帯電話充電用のＡＣアダプタ（ＡＣ／ＤＣコンバータ）付ケーブルを接続することもできる。電圧Ｖ_Bの値によって
燃料電池２２からの給電を適宜行うように、主電源スイッチ１５８（スイッチ機構ＳＷ１）は常に入っている方が使用者の利便性は高いが、給電可能な状態（負荷に接続された状態）で発電のための反応をすすめない状態が長期間にわたって続くのは電解質膜の劣化の要因となるので、ＬＩＢ２０が十分に充電されているときには主電源スイッチ１５８を切る（ＳＷ１：開）ことが望ましい。更に、通風孔１６６（空気開口部）も閉じることが望ましい。

次に、図６は前記充放電回路１７４の回路構成のブロック図を示している。充放電回路１７４は汎用マイクロコンピュータ２００から構成されており、このマイクロコンピュータ２００の入力には電源システム１０の置かれた周囲の明るさを検出する照度検出手段としての照度センサ２０１と、操作手段としてのタッチパネル２０２と、前記電圧ＶＢを検出する電圧センサ２０３が接続されている。マイクロコンピュータ２００の出力には後述する各モードの表示や操作ボタンの表示等を行うためのＬＣＤから成るディスプレイ２０
４（表示手段）とＬＩＢ２０への充電及びＬＩＢ２０からの放電を制御するスイッチング素子２０６が接続されている。

前記ディスプレイ２０４は例えば上部筐体１２ａの上面に露出して配置されており、タッチパネル２０２はこのディスプレイ２０４上面に設けられている。照度センサ２０１はこのディスプレイ２０４の側方に設けられて電源システム１０周囲の明るさ（照度）を検出する。マイクロコンピュータ２００はその機能として有するタイマ（時限手段）を備えており、マイクロコンピュータ２００への各種設定はディスプレイ２０４への表示とタッチセンサ２０２からの入力操作で行われる。

（４）照度と時間帯による充電制御
次に、上記充放電回路１７４のマイクロコンピュータ２００による燃料電池２２によりＬＩＢ２０の充電する場合の制御について説明する。先ず、電源システム１０周囲の照度と時間帯に基づいた充電制御について図７、図８を参照して説明する。照度センサ２０１は電源システム１０周囲の明るさが昼間の明るさである一定の照度以上である場合に出力がＯＮし、夜間に相当する当該照度未満である場合にはＯＦＦする。また、マイクロコンピュータ２００のタイマには予め使用者により昼間（活動時間帯）を意味するＡＭ６：００〜ＰＭ８：００の時間帯と、夜間（非活動時間帯）を意味するＰＭ８：００〜ＡＭ６：００の時間帯が設定されている。

この時間帯は使用者によりディスプレイ２０４の表示とタッチパネル２０２による入力操作によってマイクロコンピュータ２００に自由に設定可能とされている。尚、上記照度センサ２０１の出力に基づく制御もタッチパネル２０２による入力操作によって実行するかしないかを自由に設定可能とされているものとする。

ここで、昼間（活動時間帯）は使用者が例えば携帯電話を使用する機会が多く、夜間（非活動時間帯）は逆に少なくなる。従って、昼間（活動時間帯）の時間帯は電源システム１０の給電コネクタ１５０に携帯電話が接続され、ＬＩＢ２０から頻繁に電力が取り出されて携帯電話のバッテリーに充電が行われる可能性が高いが、夜間の時間帯はその頻度は低くなると考えられる。しかしながら、昼間の時間帯であっても周囲の明るさが暗い場合には、電源システム１０を例えばカバンなどの中に入れていて使用していない可能性が高く、従ってその場合はＬＩＢ２０から電力が取り出される頻度が低く、逆に夜間の時間帯であっても室内照明などによって周囲の明るさが明るい場合には、使用者が夜間仕事をしている可能性が高く、従ってＬＩＢ２０から電力が取り出される頻度も高くなると考えられる。

マイクロコンピュータ２００には、このようなＬＩＢ２０から電力が取り出される頻度と電源システム１０の周囲の明るさとの対応関係、並びに、ＬＩＢ２０から電力が取り出される頻度と時間帯との対応関係から作成された判断マトリックスが格納されている。図７はこのマトリックスを示しており、モード１〜モード４の四つのモードがマイクロコンピュータ２００に設定されている。

（４−１）モード１
電源システム１０の周囲が明るく（照度センサ２０１がＯＮ）、且つ、昼間の時間帯（ＡＭ６：００〜ＰＭ８：００）である場合、マイクロコンピュータ２００は図７の左上のモード（方法、方式、形態）１を実行する。このモード１では燃料電池２２によりＬＩＢ２０の充電を開始する当該ＬＩＢ２０の充電率（閾値）を例えば９６％とし、充電レートは充電率が例えば８０％未満では１ＣＡ、８０％以上では定電圧（実施例では４．２Ｖ）による充電とする。ＣＡとは電池充放電の指標であり、充電電流（ｍＡ）／電池容量（ｍＡｈ）で算出される。実施例の１ＣＡは実施例のＬＩＢ２０を例えば１時間で満充電とす
ることができる電流に相当する。

このように、電源システム１０のスイッチ機構ＳＷ１が閉じ、起動スイッチ１６０が押されている場合、マイクロコンピュータ２００はこのモード１でＬＩＢ２０の充電率が９６％まで低下したとき燃料電池２２から充電を開始し、１００％（満充電）まで充電して終了する。これにより、ＬＩＢ２０は常時９６％〜１００％の高い充電率で維持される。また、その際の充電率が８０％以上では定電圧で充電を行い、８０％未満まで下がってしまった領域では充電レートを１ＣＡ（即ち、充電のための電流を高）としてＬＩＢ２０の急速充電を行う。

即ち、電源システム１０の周囲が明るく、且つ、昼間の時間帯はＬＩＢ２０から最も頻繁に電力が取り出される（携帯電話が使用されて充電が必要となる）可能性が高いので、マイクロコンピュータ２００は燃料電池２２の発電によりＬＩＢ２０の充電率を常に高く維持し、且つ、携帯電話が接続されて充電率が低下した場合には燃料電池２２により急速にＬＩＢ２０を充電して、携帯電話への電力供給（使用者の要求）に支障を来さないようにしている。図８中に横線で示したものが照度センサ２０１をＯＮした状態であり、同図の「昼間で明るい場合」で示された状態がモード１である。尚、図８においてＮで示す範囲は夜間の時間帯を示し、それ以外は昼間の時間帯である。また、Ｌで示す範囲は携帯電話が接続された状態を示している。

（４−２）モード２
次に、昼間の時間帯（ＡＭ６：００〜ＰＭ８：００）ではあるが、電源システム１０がカバンの中などに入れられていて周囲が暗い場合（照度センサ２０１がＯＦＦ）、マイクロコンピュータ２００は図７の右上のモード２を実行する。このモード２では燃料電池２２によりＬＩＢ２０の充電を開始する当該ＬＩＢ２０の充電率（閾値）を例えば９６％とし、充電レートは充電率が例えば８０％未満では０．２ＣＡ、８０％以上では定電圧（実施例では４．２Ｖ）による充電とする。実施例の０．２ＣＡは実施例のＬＩＢ２０を例えば５時間で満充電とすることができる電流に相当する。

このように、マイクロコンピュータ２００はこのモード２でＬＩＢ２０の充電率が９６％まで低下したとき燃料電池２２から充電を開始し、１００％（満充電）まで充電して終了する。これにより、ＬＩＢ２０は常時９６％〜１００％の高い充電率で維持される。また、その際の充電率が８０％以上では定電圧で充電を行い、８０％未満まで下がってしまった領域では充電レートを０．２ＣＡ（即ち、充電のための電流を低）としてＬＩＢ２０を比較的ゆっくり（低い充電電流で前述した急速充電よりも緩やかに充電を行うこと）と充電する。

即ち、昼間の時間帯でも電源システム１０がカバンの中などに仕舞われていて周囲が暗い場合には、頻繁に電力が取り出される可能性は低いので、マイクロコンピュータ２００は燃料電池２２の発電によりＬＩＢ２０の充電率を常に高く維持しながらも、比較的低い電流にてＬＩＢ２０を充電する。このように昼間（活動時間帯）であってもＬＩＢ２０から電力が取り出される頻度が低い状況（携帯電話が使用されず、充電を必要としない状況）では、ＬＩＢ２０の充電率を高く維持するものの、燃料電池２２からＬＩＢ２０に充電する際の充電レートを低く、即ち、充電する際の電流を低くすることで、燃料電池２２の発電効率を高くし（高効率発電）、燃料の消費を抑制する。これが図８中に「昼間で暗い場合」で示された状態である。

（４−３）モード３
次に、夜間の時間帯（ＰＭ８：００〜ＡＭ６：００）ではあるが、使用者が仕事をしていて電源システム１０の周囲が室内照明などによって明るい場合（照度センサ２０１がＯ
Ｎ）、マイクロコンピュータ２００は図７の左下のモード３を実行する。このモード３では燃料電池２２によりＬＩＢ２０の充電を開始する当該ＬＩＢ２０の充電率（閾値）を例えば４６％まで下げ、充電レートは充電率が例えば８０％未満では１ＣＡ、８０％以上では定電圧（実施例では４．２Ｖ）による充電とする。

このように、マイクロコンピュータ２００はこのモード３でＬＩＢ２０の充電率が４６％に低下するまで充電を開始せず、４６％まで低下したら燃料電池２２から充電を開始し、１００％（満充電）まで充電して終了する。これにより、ＬＩＢ２０は殆ど低い充電率で維持されるようになる。また、その際の充電率が８０％以上では定電圧で充電を行い、８０％未満まで下がってしまった領域では充電レートを１ＣＡ（即ち、充電のための電流を高）としてＬＩＢ２０を比較的急速に充電する。

即ち、夜間の時間帯ではＬＩＢ２０の充電率を低く維持して、ＬＩＢ２０が高い充電率の状態で充放電される状況を回避し、ＬＩＢ２０の劣化を抑制する。しかしながら、夜間の時間帯であっても周囲が明るく、使用者が活動している場合には、比較的頻繁に電力が取り出される（携帯電話が使用されて充電が必要となる）可能性が高いので、マイクロコンピュータ２００はＬＩＢ２０の充電率が８０％未満まで低下している状態では燃料電池２２によりＬＩＢ２０を急速に充電し、携帯電話が接続された場合にも使用者の要求に支障を来さないようにする。

（４−４）モード４
次に、夜間の時間帯（ＰＭ８：００〜ＡＭ６：００）であって、且つ、周囲が暗い場合（照度センサ２０１がＯＦＦ）、マイクロコンピュータ２００は図７の右下のモード４を実行する。このモード４では燃料電池２２によりＬＩＢ２０の充電を開始する当該ＬＩＢ２０の充電率（閾値）を例えば４６％に下げ、充電レートは充電率が例えば８０％未満では０．２ＣＡ、８０％以上では定電圧（実施例では４．２Ｖ）による充電とする。

このように、マイクロコンピュータ２００はこのモード４でＬＩＢ２０の充電率が４６％に低下するまで充電を開始せず、４６％まで低下したら燃料電池２２から充電を開始し、１００％（満充電）まで充電して終了する。これにより、ＬＩＢ２０は殆ど低い充電率で維持されるようになる。また、その際の充電率が８０％以上では定電圧で充電を行い、８０％未満まで下がった領域でも充電レートを０．２ＣＡ（即ち、充電のための電流値を低）としてＬＩＢ２０を比較的ゆっくりと充電する。

即ち、夜間の時間帯では同様にＬＩＢ２０の充電率を低く維持して、ＬＩＢ２０が高い充電率の状態で充放電される状況を回避し、ＬＩＢ２０の劣化を抑制する。また、燃料電池２２からは比較的低い電流にてＬＩＢ２０を充電する。このように夜間であって、且つ、活動していない状況では、ＬＩＢ２０から電力が取り出される頻度が低い（携帯電話が使用されず、充電の必要性が低い）ので、ＬＩＢ２０の充電率を低く維持し、且つ、燃料電池２２からＬＩＢ２０に充電する際の充電レートも低く、即ち、充電する際の電流を低くして、燃料電池２２の発電効率を高くし、燃料の消費を抑制する。これが図８中に「夜間に充電開始する充電率４６％」で示された状態である。

（５）照度のみによる充電制御
尚、（４）で説明した充電制御では、電源システム１０の周囲の明るさと時間帯の組み合わせから四つのモードを選択して実行するようにしたが、タッチパネル２０２による入力操作により、時間帯による制御をＯＦＦにし、照度センサ２０１のＯＮ−ＯＦＦによる明るさのみでモードを変更する制御をマイクロコンピュータ２００に行わせることもできる。その場合は、例えば周囲が明るい場合にはマイクロコンピュータ２００は前述したモード１を実行し、周囲が暗い場合にはモード４を実行する。

（６）時間帯のみによる充電制御
また、同様にタッチパネル２０２による入力操作により、照度センサ２０１による制御をＯＦＦにし、時間帯のみでモードを変更する制御をマイクロコンピュータ２００に行わせることもできる。その場合は、例えば昼間の時間帯ではマイクロコンピュータ２００は前述したモード１を実行し、夜間の時間帯ではモード４を実行する。

（７）マニュアルによる充電制御
更に、同様にタッチパネル２０２（操作手段）による入力操作により、照度センサ２０１による制御と時間帯による制御の双方をＯＦＦ、即ち、マイクロコンピュータ２００により自動的にモードが切り換えられる状態をＯＦＦにし、マニュアルでマイクロコンピュータ２００のモードを設定する状態とすることもできる。その場合は、使用者自身の判断で、ＬＩＢ２０から電力が取り出される頻度が高くなる、即ち、携帯電話に充電する機会が多くなると予想される場合には、前述したモード１を実行するようにマイクロコンピュータ２００に設定し、逆に携帯電話を殆ど使用しておらず、ＬＩＢ２０から電力が取り出される頻度が低い状況では前述したモード４を実行するように設定する。これにより、使用者が自由にモード変更できるようになり、利便性が向上する。

尚、上記実施例ではディスプレイ２０４とタッチパネル２０２を電源システム１０に設けて情報表示と設定の切り換えを行えるようにしたが、外部負荷が携帯電話のような表示装置と入力スイッチを有するものであれば、外部負荷への電力供給ラインを利用して負荷側の表示装置に充放電回路１７４のマイクロコンピュータ２００からの情報表示や電源システム１０の動作状況の表示とマイクロコンピュータ２００や電源システム１０への設定入力等を負荷側において行えるようにしてもよい。

更に、実施例では燃料電池２２は一定の電力を発電するように運転され、ＬＩＢ２０に充電する際の電流の大きさと充電開始の閾値を充放電回路１７４が制御するようにしたが、それに限らず、充放電回路１７４のマイクロコンピュータ２００と燃料電池２２の燃料電池制御部３６とが連携をして燃料電池２２にて発電される電力を制御するようにしてもよい。その場合は、例えば前述した各モードにおける充電レートの変更の代わりに、燃料電池２２における発電量を変更する（例えば、モード１とモード３では高い発電量とし、モード２とモード４では低い発電量とする）ことになる。

本発明の電源システムの内部構成を示す上面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図１の電源システムの燃料電池の構成を示す（ａ）上面図、（ｂ）右側面図、（ｃ）左側面図、及び、（ｄ）Ｂ−Ｂ線断面図である。図１の電源システムの外観を示す（ａ）上面図、（ｂ）右側面図、及び、（ｃ）左側面図である。図１の電源システムの回路構成を示す図である。図５の回路構成における充放電回路の機能ブロック図である。図６の充放電回路のマイクロコンピュータが行う制御のマトリックスを示す図である。図７による制御におけるＬＩＢの充電率の推移を示す図である。

１０電源システム
２０リチウムイオン電池（ＬＩＢ）
２２燃料電池
３０燃料電池モジュール
１７６充放電回路
２００マイクロコンピュータ
２０１照度センサ
２０２タッチパネル

Claims

燃料と酸化剤との電気化学反応により発電する燃料電池と、充放電可能な二次電池とを備え、前記燃料電池により前記二次電池を充電し、該二次電池から電力を取り出す電源システムであって、
前記燃料電池にて発電された電力を用いて前記二次電池を充電する充電制御手段を備え、該充電制御手段は、前記燃料電池により前記二次電池を充電するモードを切り換えるための操作手段を有することを特徴とする電源システム。
燃料と酸化剤との電気化学反応により発電する燃料電池と、充放電可能な二次電池とを備え、前記燃料電池により前記二次電池を充電し、該二次電池から電力を取り出す電源システムであって、
前記燃料電池にて発電された電力を用いて前記二次電池を充電する充電制御手段を備え、該充電制御手段は、周囲の明るさを検出する照度検出手段を備え、周囲の明るさに基づいて前記モードを切り換えることを特徴とする電源システム。
燃料と酸化剤との電気化学反応により発電する燃料電池と、充放電可能な二次電池とを備え、前記燃料電池により前記二次電池を充電し、該二次電池から電力を取り出す電源システムであって、
前記燃料電池にて発電された電力を用いて前記二次電池を充電する充電制御手段を備え、該充電制御手段は、時限手段を備え、時間帯に基づいて前記モードを切り換えることを特徴とする電源システム。
前記充電制御手段が切り換えるモードは、前記二次電池を急速に充電可能なモードと、当該モードよりも前記燃料電池を高効率で発電させて前記二次電池を充電可能なモードであることを特徴とする請求項１乃至３に記載の電源システム。
前記充電制御手段は、前記モード切換において前記二次電池を充電する際の電流を切り換えることを特徴とする請求項１乃至３に記載の電源システム。
前記充電制御手段は、前記モード切換において前記二次電池の充電率を切り換えて維持することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の電源システム。