JP2008130538A - 燃料電池システム、及び燃料電池システムの駆動制御方法 - Google Patents

燃料電池システム、及び燃料電池システムの駆動制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】２次電池を使って燃料電池の駆動電力を一定に維持させることができる駆動制御方法を提供すること。
【解決手段】２次電池の放電電力と燃料電池スタックの生成電力を並列方式で負荷に伝達する燃料電池システムの駆動制御方法において、前記２次電池の充電量が所定の第１基準値より低ければ、前記燃料電池スタックを最大出力モードで駆動させて生成された電力を負荷に供給すると同時に前記２次電池を充電させる段階と、前記２次電池の充電量が所定の第２基準値より高ければ、前記燃料電池スタックを安定出力モードで駆動させて生成された電力を前記２次電池の放電電力とともに負荷に供給する段階と、前記２次電池の充電量が前記第１基準値より高くて、前記第２基準値より低ければ、以前駆動状態を維持させる段階と、を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、２次電池を備えた燃料電池システムの駆動制御方法に関し、特に、燃料電池の駆動電力を安定させることが可能な駆動制御方法及びこれを実現するための燃料電池システムに関する。
燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、メタノール、エチルアルコール、天然ガス等の炭化水素系列の物質内に含有されている水素と空気中の酸素とによる均衡の取れた電気化学反応を利用して電気エネルギーを発生させる発電システムである。
燃料電池は、使われる電解質の種類毎に、燐酸燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、高分子電解質燃料電池、及びアルカリ燃料電池等に分類される。これらの燃料電池は、基本的に同じ原理に基づいて作動するが、使用される燃料の種類、運転温度、触媒、又は電解質等が互いに異なる。
その中で、高分子電解質燃料電池（ＰＥＭＦＣ；Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ ＦｕｅｌＣｅｌｌ）は、他の燃料電池に比べて出力特性が非常に高い上、作動温度が低く、早い始動及び早い応答特性を有しているため、ポータブル電子機器等の移動用（ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｂｌｅ）の電源や自動車用の動力源といった輸送用電源に応用されることは勿論のこと、住宅や公共建物等に用いられる停止型発電所のような分散用電源等にも応用可能であり、その応用範囲が広いという長所を有している。
また、燃料電池には、高分子電解質燃料電池と類似しているが、液状のメタノール燃料を直接スタックに供給して利用することが可能な直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ；Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ ＦｕｅｌＣｅｌｌ）がある。直接メタノール燃料電池は、高分子電解質型燃料電池と異なり、燃料から水素を得るための改質器を利用しないため、これらを搭載した装置を小型化する上でさらに有利である。
燃料電池システムには、例えば、上記の方式により電力を生成する燃料電池スタックと、燃料電池スタックの駆動を制御する回路、及び負荷に電力を供給する回路が含まれる。そのため、通常、燃料電池システムは、連結された負荷の容量に応じて燃料電池の稼動レベルを調節し、出力を負荷に合わせて調節しながら所定の方式で駆動される。また、２次電池を使う構成の場合、燃料電池は、２次電池に対する充電用として利用され、負荷の変動に関係なく２次電池の出力を負荷に供給する方式により駆動される。
特開２００３−３２９０６号公報 米国特許出願公開第４，８３９，２４６号明細書 米国特許出願公開第６，６３５，３７３Ｂ２号明細書
ところが、前者の場合、燃料電池に供給される燃料の量及び濃度の一方又は両方は、燃料電池により生成される出力電力の量に適合するように調節される必要がある。しかし、正確に調節されない場合、燃料電池システムの稼動効率を低下させる上、燃料電池の耐久性を劣化させるという問題が発生する。しかし、非常に早い速度で電気的に変化する負荷の容量に合わせて、機械的に流体燃料の量及び濃度の一方又は両方を調節するということは非常に困難である。
一方、後者の場合、２次電池から安定的に電力を負荷に供給することができるが、正常な動作を保障するために２次電池の容量を充分に大きくする必要がある。しかし、２次電池自体が高価であるため、２次電池の容量を増大させることはシステム全体のコスト増加につながる。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、安定的な負荷で電力を供給することが可能な、新規かつ改良された燃料電池システム及びその駆動制御方法を提供することにある。
さらに、低費用で、安定的な負荷で電力を供給することが可能である方がより好ましいし、小容量の２次電池を使って安定的に負荷に電力を供給することができるとさらに好ましい。そして、負荷容量の急激な変動にも安定的に電力を供給することが可能になれば非常に有用であると思われる。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、２次電池の放電電力と燃料電池スタックの出力電力とを並列して負荷に伝達するための燃料電池システムの駆動制御方法であって、前記２次電池の充電量が所定の第１基準値より低い場合、前記燃料電池スタックを最大出力モードで駆動させて出力された電力を負荷に供給すると共に、前記２次電池を充電するステップと、前記２次電池の充電量が所定の第２基準値より高い場合、前記燃料電池スタックを安定出力モードで駆動させて出力された電力と前記２次電池の放電電力とを負荷に供給するステップと、前記２次電池の充電量が前記第１基準値より高く、かつ、前記第２基準値より低い場合、以前駆動状態を維持させるステップと、を含むことを特徴とする、燃料電池システムの駆動制御方法が提供される。本発明の燃料電池システムは、例えば、最大出力モード又は安定出力モードで駆動することが可能である。例えば、最大出力モードで動作しているとき、２次電池の充電量を測定した結果が「第１基準値＜充電量＜第２基準値」である場合、測定時又は測定以前の出力モード（以前駆動状態）である最大出力モードで動作し続ける。また、安定出力モードで動作しているとき、２次電池の充電量を測定した結果が「第１基準値＜充電量＜第２基準値」である場合、測定時又は測定以前の出力モード（以前駆動状態）である安定出力モードで動作し続ける。
前記第１基準値、及び前記第２基準値は、前記２次電池の出力端の電圧に対する基準値であってもよい。
前記第１基準値、及び前記第２基準値は、前記２次電池のＳＯＣ値に対する基準値であってもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、燃料と酸化剤とによる電気化学反応を利用して電力を生成する燃料電池スタックと、充電された電荷量により電力を放出する２次電池と、前記２次電池の出力端と所定の外部の負荷とが連結される負荷ノードに、前記燃料電池スタックの放出電圧を変換して伝達するためのスタック電圧変換回路と、前記負荷ノードで前記スタック電圧変換回路の出力ライン上の電圧と前記２次電池の出力ライン上の電圧とが一致するように、前記スタック電圧変換回路の変換比を調節する電圧変換制御部と、を備えることを特徴とする、燃料電池システムが提供される。
前記燃料電池スタックで生成された電力を用いて前記２次電池を充電させるための充電回路をさらに備える構成であってもよい。
前記燃料電池スタックは、互いに異なる出力電力を有する少なくとも二つの出力モードの中の一つで稼動され、前記燃料電池スタックの出力モードと前記充電回路の充電動作とを制御する駆動制御部をさらに備える構成であってもよい。
前記駆動制御部は、第１項〜第３項のいずれか一項の駆動制御方法に基づいて燃料電池スタックの駆動を制御する構成であってもよい。
前記燃料電池スタックと前記充電回路とを結ぶ経路をスイッチングするための充電回路スイッチと、前記２次電池の出力電力が前記負荷に伝達される経路をスイッチングするための負荷スイッチと、をさらに備える構成であってもよい。
前記２次電池の出力電圧を測定するための第１電圧測定装置と、前記負荷の入力電圧を測定するための第２電圧測定装置と、をさらに備える構成であってもよい。
前記２次電池の放出電圧を変換して前記負荷ノードに伝達するための２次電池電圧変換部をさらに備える構成であってもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、燃料と酸化剤とによる電気化学反応を利用して電力を生成する燃料電池スタックと、充電された電荷量により電力を放出する２次電池と、前記燃料電池スタックの出力端と所定の外部の負荷とが連結される負荷ノードに、前記２次電池の放出電圧を変換して伝達するための２次電池電圧変換回路と、前記負荷ノードで前記２次電池電圧変換回路の出力ライン上の電圧と前記燃料電池スタックの出力ライン上の電圧とが一致するように、前記２次電池電圧変換回路の変換比を調節する電圧変換制御部と、を備えることを特徴とする、燃料電池システムが提供される。
前記燃料電池スタックで生成された電力を用いて前記２次電池を充電させるための充電回路をさらに備える構成であってもよい。
前記燃料電池スタックは、互いに異なる出力電力を有する少なくとも二つの出力モードの中の一つで稼動され、前記燃料電池スタックの出力モードと前記充電回路の充電動作とを制御する駆動制御部をさらに備える構成であってもよい。
前記駆動制御部は、第１項〜第３項の中でいずれか一項の駆動制御方法に基づいて前記燃料電池スタックの駆動を制御する構成であってもよい。
前記燃料電池スタックと充電回路とを結ぶ経路をスイッチングするための充電回路スイッチと、前記２次電池の出力電力が前記負荷に伝達される経路をスイッチングするための負荷スイッチと、をさらに備える構成であってもよい。
前記２次電池の出力電圧を測定するための第１電圧測定装置と、前記負荷の入力電圧を測定するための第２電圧測定装置と、をさらに備える構成であってもよい。
より詳細には、以下の通りである。本発明に係る燃料電池システム駆動方法は、２次電池の放電電力と燃料電池スタックの生成電力を並列方式で負荷に伝達する燃料電池システムの駆動制御方法において、前記２次電池の充電量が所定の第１基準値より低ければ、前記燃料電池スタックを最大出力モードで駆動させて生成された電力を負荷に供給すると同時に前記２次電池を充電させる段階と、前記２次電池の充電量が所定の第２基準値より高ければ、前記燃料電池スタックを安定出力モードで駆動させて生成された電力を前記２次電池の放電電力とともに負荷に供給する段階と、及び前記２次電池の充電量が前記第１基準値より高くて前記第２基準値より低ければ、以前駆動状態を維持させる段階とを含むことを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムは、燃料と酸化剤の電気化学反応によって電力を生成するための燃料電池スタックと、充電された電荷量による電力を放出するための２次電池と、前記２次電池の出力端と外部負荷が連結される負荷ノードに前記燃料電池スタックの放出電圧を変換して伝達するためのスタック電圧変換回路と、前記負荷ノードで前記スタック電圧変換部の出力ライン上の電圧と前記２次電池の出力ライン上の電圧が一致するように前記スタック電圧変換器の変換比を調節するための電圧変換制御部とを含むことを特徴とする。
本発明に係る他の燃料電池システムは、燃料と酸化剤の電気化学反応によって電力を生成するための燃料電池スタックと、充電された電荷量による電力を放出するための２次電池と、前記燃料電池スタックの出力端と外部負荷が連結される負荷ノードに前記２次電池の放出電圧を変換して伝達するための２次電池電圧変換部と、前記負荷ノードで前記２次電池電圧変換器の出力ライン上の電圧と前記燃料電池スタックの出力ライン上の電圧が一致するように前記２次電池電圧変換器の変換比を調節するための電圧変換制御部とを含むことを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムは負荷が要求する電力を燃料電池スタック及び２次電池から同時に供給する方式を持つ。したがって、燃料電池スタックの出力ラインと２次電池の出力ラインがある一地点で連結されるしかないが、連結される部分で燃料電池出力ライン上の電圧と２次電池出力ライン上の電圧がお互いに同一でなければならない。
同一でない場合、燃料電池及び／または２次電池に深刻な悪影響をもたらすことがあり得る。そのため、本発明に係る燃料電池システムは、２次電池の出力電圧を燃料電池スタックの出力電圧に合わせるための２次電池電圧変換器、及び／または燃料電池スタックの出力電圧を２次電池の出力電圧に合わせるためのスタック電圧変換器を具備しなければならない。
上記のような特徴を有する燃料電池システムは、燃料電池と２次電池が同時に負荷に電力を供給するようにしているが、２次電池が放電されると燃料電池スタックも負荷に電力を供給することができなくなる。したがって、燃料電池システムの負荷への電力供給の中にも燃料電池スタックの生成電力で２次電池を充電する構造が必要である。これによって、本発明の第２特徴は燃料電池スタックを負荷電力供給及び２次電池充電のための多くの電力を生成する最大出力モードと負荷電力供給のみのための安定出力モードの中でいずれか一つで動作するように適切に制御する方法を提案する。
以上説明したように本発明によれば、安定的な負荷で電力を供給することが可能になる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
＜第１実施形態＞
まず、図１を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１は、スタック電圧変換回路２２０を備えた本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示している。
図１に示すように、燃料電池システムは、主に、燃料と酸化剤との電気化学反応によって電力を生成する燃料電池スタック１３０と、充電された電荷量により電力を放出する２次電池１４０と、２次電池１４０の出力端と所定の外部にある負荷とが連結される負荷ノードに、燃料電池スタック１３０の放出電圧を変換して伝達するためのスタック電圧変換回路２２０と、負荷ノードでスタック電圧変換回路２２０の出力ライン上の電圧と２次電池１４０の出力ライン上の電圧とが一致するように、スタック電圧変換回路２２０の変換比を調節する電圧変換制御部２４０を備えている。この負荷ノードは、図１に示すように、後述する電圧測定装置２８６と負荷１９０との間を連結するノード（伝達経路）に対応する部分を示すものである。
本実施形態に係るスタック電圧変換回路２２０の動作に起因して燃料電池スタック１３０や２次電池１４０に逆電流が印加される可能性は低いが、燃料電池スタック１３０や２次電池１４０に致命的な損傷を与える可能性がゼロではないため、負荷１９０の方で逆電圧の印加を防止するために、例えば、燃料電池スタック１３０、及び２次電池１４０の一方又は両方の出力端に逆電流防止用のダイオード２７２、２７４が備えられる。
また、電圧変換制御部２４０による制御動作の基準となるデータを収集するため、例えば、図１に示すように、燃料電池スタック１３０の出力端、２次電池１４０の出力端、及び連結ノードの各電圧を測定する三つの電圧測定装置２８２、２８４、２８６をさらに備える。但し、実施の態様に応じて、三つの電圧測定装置２８２、２８４、２８６の一部又は全部の設置位置を変更するか、又はその一部を省略することも可能である。例えば、燃料電池スタック１３０の出力端、及び２次電池１４０の出力端の各電圧を測定するための二つの電圧測定装置２８２、２８４は、図１に示すように、逆電流防止用のダイオード２７２、２７４の前段で電圧を測定するように設置されうる。また、電圧測定装置２８２、２８４は、逆電流防止用ダイオード２７２、２７４の後段の電圧を測定するように配置されてもよい。
例えば、燃料電池スタック１３０が常に一定の電圧で駆動される場合、燃料電池スタック１３０の出力端の電圧を測定するための電圧測定装置２８２を省略することができる。同様に、負荷１９０の容量が一定の場合、負荷ノードの電圧を測定するための電圧測定装置２８６を省略することができる。
上記の構成を有する燃料電池システムを適用すると、燃料電池スタック１３０と２次電池１４０とを同時に効率よく駆動し、安定して負荷１９０に電力を供給する効果が得られる。しかし、２次電池１４０が放電されると、その放電電圧に追従する燃料電池スタック１３０も駆動できなくなるという問題点を有している。従って、負荷１９０に対する電源供給の最中においても、燃料電池スタック１３０により生成される電流の一部を利用して２次電池１４０を充電させるための充電回路１２０、及びこれを用いた充電方法を適用することが好ましい。
すなわち、燃料電池システムの負荷１９０に対する電力供給の最中においても、燃料電池スタック１３０の生成電力で２次電池１４０を充電する構成と、充電中に２次電池１４０を負荷１９０から遮断する構成が必要である。そのため、図１に示した燃料電池システムは、充電の際に、２次電池１４０と負荷１９０とを遮断するための負荷スイッチ１６０と、燃料電池スタック１３０の生成電力で２次電池１４０を充電させるための充電回路１２０と、燃料電池スタック１３０の稼動モード及び充電回路１２０の充電動作を制御するための駆動制御部２６０と、をさらに備えている。ここで、充電回路１２０の充電動作を制御するためのスイッチ１２１、及び負荷スイッチ１６０は、オン／オフが互いに反対に動作する。つまり、スイッチ１２１がオンのときは負荷スイッチ１６０がオフであり、スイッチ１２１がオフのときは負荷スイッチ１６０がオンとなるように制御される。
充電回路１２０は、燃料電池スタック１３０で生成された全ての電力の中で所定割合の電力を２次電池１４０に伝達する機能、及び燃料電池スタック１３０の生成電力の電圧を２次電池１４０の充電に適する電圧に変換する機能を備えている。ここで、後者の機能（変換機能）は、一般的な昇圧器、及び減圧器回路の一方又は両方を組み合わせて実現することができるため、これに関する詳細な説明を省略する。
前者の機能（伝達機能）は、充電の際、燃料電池スタック１３０の生成電力の負荷１９０側のラインと充電ラインとの間の分配比を維持させるための電力分配調節機の機能である。この機能は、インピーダンス調節手段により実現することが可能であり、簡単に言えば、２次電池１４０側の入力インピーダンスと負荷１９０側の入力インピーダンスとのいずれか一つに付加され、両インピーダンスの比を電力分配比に合わせる固定抵抗を用いて実現することができる。
駆動制御部２６０は、２次電池１４０の出力端に設置された電圧感知装置２８４から入力されたセンシング信号を受けて２次電池１４０の充電量を判断する。そして、充電量が不足だと判断した場合、負荷スイッチ１６０をオフにすると共に、充電回路スイッチ１２１をオンにして充電を開始する。さらに、２次電池１４０の充電中には、燃料電池スタック１３０を最大駆動モードで動作させる一方、２次電池１４０の放電中には、燃料電池スタック１３０を安定駆動モードで動作させる。つまり、燃料電池スタック１３０は、より多くの電力を生成する最大駆動モードと、少ない電力を生成する安定駆動モードのいずれか一つの駆動モードで駆動する。
また、駆動制御部２６０を二つのスイッチ１２１、１６０を制御する部分と、燃料電池スタック１３０の駆動モードを制御する部分とに区分して構成することも可能であるし、電圧変換制御部２４０の役目を兼用するように構成することも可能である。
また、２次電池１４０の充電量を判断する際に電圧感知装置２８４を使用せず、直接２次電池１４０のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ；充電深度、電池定格容量に対して、充電容量を割合で示した値）を測定するように構成することもできる。
＜第２実施形態＞
次に、図２を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図２は、２次電池電圧変換回路３３０を備えた本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示している。
図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムは、主に、燃料と酸化剤との電気化学反応を利用して電力を生成する燃料電池スタック１３０と、充電された電荷量により電力を放出する２次電池１４０と、燃料電池スタック１３０の出力端と所定の外部にある負荷１９０とが連結される負荷ノードに、２次電池１４０の放出電圧を変換して伝達するための２次電池電圧変換回路３３０と、負荷ノードで２次電池電圧変換回路３３０の出力ライン上の電圧と燃料電池スタック１３０の出力ライン上の電圧とが一致するように、２次電池電圧変換回路３３０の変換比を調節する電圧変換制御部３４０とを備えている。
上記の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１３０や２次電池１４０の出力端には、逆電流防止用ダイオード３７２、３７４を備えていてもよい。また、電圧変換制御部３４０をさらに備え、電圧変換制御部３４０の制御動作に利用される基準データを収集するために、図２に示すように、燃料電池スタック１３０の出力端と、２次電池１４０の出力端と、連結ノードとの各々について電圧を測定するための三つの電圧測定装置３８２、３８４、３８６をさらに備えている。
なお、実施の態様に応じて、上記の三つの電圧測定装置３８２、３８４、３８６の一部又は全部が設置される位置を多少変更してもよいし、或いは、その一部を省略して構成することも可能である。例えば、燃料電池スタック１３０の出力端に設置された電圧測定装置３８２は、燃料電池スタック１３０が所定の電圧で駆動される場合に省略することができる。
また、上記の第１実施形態と同様に、燃料電池システムにおいて、負荷１９０に対する電力供給の最中に燃料電池スタック１３０の生成電力で２次電池１４０を充電する構成、及び充電の開始に伴って２次電池１４０を負荷１９０から電気的に遮断する構成を設ける必要がある。そこで、燃料電池システムは、充電の際、２次電池１４０と負荷１９０とを遮断するための負荷スイッチ１６０と、燃料電池スタック１３０の生成電力で２次電池１４０を充電させるための充電回路１２０と、燃料電池スタック１３０の稼動モード、及び充電回路１２０の充電動作を制御するための駆動制御部３６０とをさらに備えている。このとき、充電回路１２０を制御するためのスイッチ１２０と負荷スイッチ１６０とは、オン／オフが互いに反対に動作するように構成される。
充電回路１２０は、燃料電池スタック１３０で生成された全ての電力のうちで所定割合の電力を２次電池１４０に伝達する機能と、燃料電池スタック１３０の生成電力の電圧を２次電池１４０の充電に適合する電圧に変換する機能とを有している。
そのうち、後者の機能は、一般的な昇圧器、及び減圧器回路の一方又は両方により構成することが可能である、前者の機能は、インピーダンス調節手段、つまり、２次電池１４０側の入力インピーダンス、又は負荷１９０側の入力インピーダンスのいずれか一つに付加されて両インピーダンスの比率を電力分配比に合わせる固定抵抗により実現される。
駆動制御部３６０は、２次電池１４０の出力端に設置された電圧測定装置３８４から入力されたセンシング信号を受けて、２次電池１４０の充電量を判断する。もし、充電量が不足していると判断された場合、負荷スイッチ１６０をオフすると共に、充電回路スイッチ１２１をオンにして充電を開始する。２次電池１４０の充電中は、燃料電池スタック１３０を最大駆動モードで動作させる。一方、２次電池１４０の放電中は、燃料電池スタック１３０を安定駆動モードで動作させる。つまり、燃料電池スタック１３０は、より多くの電力を生成する最大駆動モードと、より少ない電力を生成する安定駆動モードとの中のいずれか一つで駆動することになる。
また、駆動制御部３６０を２つのスイッチ１２１、１６０を制御する部分と、燃料電池スタック１３０の駆動モードを制御する部分とに分けて構成することも可能でありる。さらに、電圧変換制御部３４０の機能を兼用するように構成することも可能である。
また、２次電池１４０の充電量を判断する際に、電圧測定装置３８４を使用せず、直接２次電池１４０のＳＯＣを測定するように構成することも可能である。
＜第３実施形態＞
次に、図３を参照しながら、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。図３は、スタック電圧変換回路４２０、及び２次電池電圧変換回路４３０を備えた本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示している。なお、上記の第１又は第２実施形態と実質的に同一な構成要素については、その詳細な説明を省略し、本実施形態の特徴を構成する他の構成要素についてのみ詳細な説明を加える。
図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料と酸化剤との電気化学反応を利用して電力を生成する燃料電池スタック１３０と、充電された電荷量により電力を放出する２次電池１４０と、外部にある負荷１９０が連結される負荷端に燃料電池スタック１３０の生成電圧を変換して伝達するためのスタック電圧変換回路４２０と、外部の負荷１９０とが連結される負荷端に２次電池１４０の放出電圧を変換して伝達するための２次電池電圧変換回路４３０と、負荷端で燃料電池スタック１３０の出力ライン上の電圧と２次電池１４０の出力ライン上の電圧とが一致するように、スタック電圧変換回路４２０、及び２次電池電圧変換回路４３０の変換比を調節する電圧変換制御部４４０とを備えている。
燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１３０や２次電池１４０の出力端には、逆電流防止用ダイオード２７２、２７４がさらに備えられている。また、電圧変換制御部４４０をさらに備え、電圧変換制御部４４０の制御動作に利用される基準データを収集するために、燃料電池スタック１３０の出力端と、２次電池１４０の出力端と、連結ノードとの各々において電圧を測定するための三つの電圧測定装置３８２、３８４、３８６をさらに備えている。
本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック１３０、及び２次電池１４０にそれぞれ電圧変換回路を備えるため、コストが増大するという短所があるものの、負荷１９０の要求条件に応じて二つの電圧変換回路４２０、４３０を制御し、その要求条件に能動的に対応することが可能になるという大きなメリットがある。例えば、燃料電池スタック１３０、及び２次電池１４０の出力電圧がほぼ一定の状態であっても、負荷１９０に要求される電力の電圧が異なる場合があり、そのような場合に、二つの電圧変換回路４２０、４４０を使用して、要求される電圧に適合する電圧を負荷１９０に供給することが可能になる。
燃料電池システムにおいて、充電の際、２次電池１４０と負荷１９０とを電気的に遮断するための負荷スイッチ１６０と、燃料電池スタック１３０の生成電力で２次電池１４０を充電させるための充電回路１２０と、燃料電池スタック１３０の稼動モード、及び充電回路１２０の充電動作を制御するための駆動制御部３６０とをさらに備えている。
［電力伝達方法について］
ここで、図１〜図３に示した各実施形態に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１３０の電力と２次電池１４０の電力とをほぼ同時に負荷１９０に伝達する方法について説明する。
電圧変換制御部２４０、３４０、４４０は、負荷１９０側の電力要求量に合わせて燃料電池スタック１３０、及び２次電池１４０に対する電圧の変換比を調節する機能と、燃料電池スタック１３０、及び２次電池１４０の相互間に電流が流れることを防止するために互いに連結される地点の電圧が実質的に同一になるように調整する機能とを有する。これにより、２次電池１４０が放電に伴って電圧を低下させたとしても相当期間、燃料電池スタック１３０と共に並列的に負荷１９０に対して電力を供給することが可能になる。
上記の実施形態に係る構成に基づき、負荷１９０が連結されるノードを基準に考えると、燃料電池スタック１３０と２次電池１４０とは、並列に連結された電源と看做され、その結果、燃料電池スタック１３０と２次電池１４０とは、一定の電流の割合で電力を同時に放出して負荷１９０に電力を伝達する。放出電流の割合は、２次電池１４０に対する充電がない場合、２次電池１４０が放電することにより燃料電池スタック１３０の電流の割合が大きくなるように漸次的に変化する。
また、負荷１９０の容量が急に増大して瞬間的に必要な電力が増加する場合、燃料電池スタック１３０は、急激に出力電流を増大させることが難しいが、２次電池１４０は、負荷１９０の容量増大に合わせて放出電流を迅速に増大させることができるという特性を有する。そのため、上記の実施形態のような燃料電池システムの構成を採用すると、負荷１９０の必要電力が瞬間的に増大したとしても、安定して負荷１９０に電力を供給することが可能になる。さらに、燃料電池スタック１３０の駆動状態が急激に変動する必要がない場合には、燃料電池スタック１３０の安定的で効率的な駆動が保障される。
既に説明した通り、ある場合には、２次電池１４０が放電することを防止するために、燃料電池スタック１３０と２次電池１４０とが並列連結方式で負荷１９０に電力を供給する途中で、燃料電池スタック１３０により生成された電力を利用して２次電池１４０を充電させる方法が必要である。
［燃料電池システムの駆動制御方法］
ここで、図４を参照しながら、燃料電池システムの駆動制御方法について説明する。図４は、２次電池１４０の充電量を測定した結果に応じて、燃料電池スタック１３０により生成された電力を用いて２次電池１４０を充電させるための上記の実施形態に係る燃料電池システムの駆動制御方法を示した説明図である。
図４に示すように、上記の駆動制御方法は、２次電池１４０の充電量を測定した結果、充電量が所定の第１基準値より低い場合に、燃料電池スタック１３０を最大出力モードで駆動させて、燃料電池スタック１３０により生成された電力を負荷１９０に供給すると共に、２次電池１４０を充電させるステップ（Ｓ１２０）と、２次電池１４０の充電量を測定した結果、充電量が所定の第２基準値より高い場合に、燃料電池スタックを安定出力モードで駆動させて、燃料電池スタック１３０により生成された電力を２次電池１４０の放電電力と共に負荷１９０に供給するステップ（Ｓ１４０）と、２次電池１４０の充電量を測定した結果、充電量が第１基準値より高く、かつ、第２基準値より低い場合、燃料電池システムの以前駆動状態を維持させるステップ（Ｓ１６０）と、を含んでいる。
但し、以前駆動状態とは、２次電池１４０の充電量を測定する前段のステップにおける燃料電池システムの駆動状態を意味する。例えば、最大出力モードで燃料電池スタック１３０が駆動されている状態で、２次電池１４０の充電量を測定した結果、２次電池１４０の充電量が所定の充電量の範囲である第１基準値と第２基準値との間に収まっている場合、燃料電池システムの駆動状態を変更することなく、最大出力モードで燃料電池スタック１３０が駆動されている状態（以前駆動状態）を維持するように制御される。安定出力モードで燃料電池スタック１３０が駆動された状態で、２次電池１４０の充電量を測定した場合においても、測定された充電量が所定の充電量の範囲に収まる場合には、その駆動状態（以前駆動状態）を維持するように制御される。
図４は、上記の駆動制御方法について、駆動モードに応じて燃料電池スタック１３０を正常出力の場合（安定出力モード）に３０Ｗで駆動し、最大出力の場合（最大出力モード）に４０Ｗで駆動し、２次電池１４０の出力端の電圧値として第１基準値を６．５Ｖに設定し、第２基準値を８．４Ｖに設定した例を示している。もちろん、各設定値は、実施の態様に応じて異なる値に設定することも可能である。また、２次電池１４０の充電量を検出するための媒介変数として、２次電池１４０の出力端電圧意外にもＳＯＣ値を用いることができる。
上記の実施形態に係る燃料電池システムは、上記の駆動制御方法を適用することにより、次に示す２種類の駆動状態のいずれか一つの状態で動作することができる。第１状態Ａ１の場合、燃料電池スタック１３０は、より少ない電力を生成する安定出力モードで駆動し、２次電池１４０及び燃料電池スタック１３０の出力ラインが互いに並列連結方式で負荷１９０に電力を供給する構成を有する。第２状態Ａ２の場合、燃料電池スタック１３０は、より高い電力を生成する最大出力モードで駆動し、燃料電池スタック１３０の生成電力の一部が負荷１９０に伝達され、その残りが２次電池１４０を充電させるような構成を有する。
理論的には、２種類の駆動状態の中の一つを選択するために一つの基準値を用いれば十分と思われるかもしれないが、上記の実施形態に係る駆動制御方法では、２種類の駆動状態の中でいずれか一つを選択するために二つの基準値を利用する。そこで、この理由について説明する。
燃料電池システムにおいて、各駆動状態に応じてスイッチ１２１、１６０のスイッチング状態が変更されると、燃料供給量に差がある等の理由で駆動状態の変更が頻発する場合があり、燃料電池システムの耐久性に悪い影響を与える可能性がある。そのため、上記の実施形態では、二つの基準値を利用して燃料電池システムの駆動状態を変更するように構成しており、一度変更された駆動状態が所定時間維持されるようにしている。
例えば、図４に示すように、２次電池１４０の電圧が６．５Ｖより低くなれば、Ａ２状態に変更されて、Ａ２状態における２次電池１４０の充電動作により２次電池１４０の電圧は増大して６．５Ｖをすぐに超過することがある。しかし、本実施形態の方法によれば、６．５Ｖを超過したとしても、すぐにＡ１状態に変更することなく２次電池１４０の電圧が８．５Ｖを超過するまでＡ１状態を維持することができる。
上記の駆動制御方法を実現するための燃料電池システムは、その生成電力量に応じて二つの出力モードを切り替えて動作する燃料電池スタック１３０と、２次電池１４０に対する充電、及び負荷１９０の電力供給に対するスイッチング構造を有する必要がある。そのため、上記の実施形態に係る燃料電池システムは、図１〜図３に示すように、駆動制御部２６０、３６０、４６０を備え、これらの駆動制御部２６０、３６０、４６０が上記の駆動制御方法に基づいて燃料電池システムを制御する。
例えば、電力分配、及び２次電池１４０のＳＯＣ測定を実行させる駆動制御部２６０、３６０、４６０、及び電圧変換制御部２４０、３４０、４４０は、ＭＳＰ４３０チップにより実現される。また、２次電池１４０を充電するための充電回路１２０はＴＩ社のＢｑ２４７０チップにより実現することができる。
上記の実施形態を適用すると、２次電池１４０の充電量が第１基準値より低い場合、最大出力モードで燃料電池スタック１３０を駆動させ、燃料電池スタック１３０により生成された電力から負荷１９０の使用量を除いた電力が２次電池１４０を充電するように充電回路１２０に入力される充電電流の割合を調節することができる。そのため、ＭＳＰ４３０は、負荷１９０の電圧をモニタリングして適当な充電電流の割合を決定することが可能になり、決定された充電電流の割合に基づいてＢｑ２４７０チップのＩ＿ｓｅｔ電圧値を印加することができる。
一方、２次電池１４０の充電量が第２基準値より大きい場合、安定出力モードでスタックを駆動させ、負荷１９０の使用量が燃料電池スタック１３０の電力生成量を超過する場合には、２次電池１４０の出力を負荷１９０に連結させる。そのため、ＭＳＰ４３０は、負荷１９０の電圧をモニタリングして電圧変換回路２２０、３３０、４２０、４３０を構成するＤＣ／ＤＣコンバータのＦＢ電圧値を変更する。
一方、燃料電池スタック１３０の駆動モードの決定において、２次電池１４０の充電量を直接示すＳＯＣ値を利用する場合、ＭＳＰ４３０が２次電池１４０の電流をモニタリングして２次電池１４０の全体容量で、モニタリングされた電流値を減算又は加算して現在のＳＯＣ値を記録するように構成することが可能である。
［効果］
上記の実施形態に係る燃料電池システム、及びその駆動制御方法を適用することにより、低費用で、負荷に対して安定的に電力を供給することができるという効果が得られる。また、その燃料電池システム、及びその駆動制御方法を適用すると、小容量の２次電池を利用して負荷に対して安定的に電力を供給することができるという効果も得られる。さらに、その燃料電池システム、及びその駆動制御方法を適用すると、負荷容量の急激な変動に対しても、負荷に対して安定的に電力を供給することが可能になり、燃料電池の損傷を防止できるという効果も得られる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。 本発明の第１〜第３実施形態に係る燃料電池システムの駆動制御方法を示す説明図である。
符号の説明
１２０ 充電回路
１３０ 燃料電池スタック
１４０ ２次電池
１６０ 負荷スイッチ
１９０ 負荷
２２０、４２０ スタック電圧変換回路
３３０、４３０ ２次電池電圧変換回路
２４０、３４０、４４０ 電圧変換制御回路

Claims (16)

  1. ２次電池の放電電力と燃料電池スタックの出力電力とを並列して負荷に伝達するための燃料電池システムの駆動制御方法であって、
    前記２次電池の充電量が所定の第１基準値より低い場合、前記燃料電池スタックを最大出力モードで駆動させて出力された電力を負荷に供給すると共に、前記２次電池を充電するステップと、
    前記２次電池の充電量が所定の第２基準値より高い場合、前記燃料電池スタックを安定出力モードで駆動させて出力された電力と前記２次電池の放電電力とを負荷に供給するステップと、
    前記２次電池の充電量が前記第１基準値より高く、かつ、前記第２基準値より低い場合、以前駆動状態を維持させるステップと、
    を含むことを特徴とする、燃料電池システムの駆動制御方法。
  2. 前記第１基準値、及び前記第２基準値は、
    前記２次電池の出力端の電圧に対する基準値であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システムの駆動制御方法。
  3. 前記第１基準値、及び前記第２基準値は、
    前記２次電池のＳＯＣ値に対する基準値であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システムの駆動制御方法。
  4. 燃料と酸化剤とによる電気化学反応を利用して電力を生成する燃料電池スタックと、
    充電された電荷量により電力を放出する２次電池と、
    前記２次電池の出力端と所定の外部の負荷とが連結される負荷ノードに、前記燃料電池スタックの放出電圧を変換して伝達するためのスタック電圧変換回路と、
    前記負荷ノードで前記スタック電圧変換回路の出力ライン上の電圧と前記２次電池の出力ライン上の電圧とが一致するように、前記スタック電圧変換回路の変換比を調節する電圧変換制御部と、
    を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池スタックで生成された電力を用いて前記２次電池を充電させるための充電回路をさらに備えることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池スタックは、互いに異なる出力電力を有する少なくとも二つの出力モードの中の一つで稼動され、
    前記燃料電池スタックの出力モードと前記充電回路の充電動作とを制御する駆動制御部をさらに備えることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記駆動制御部は、
    請求項１〜３のいずれか一項の駆動制御方法に基づいて燃料電池スタックの駆動を制御することを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池スタックと前記充電回路とを結ぶ経路をスイッチングするための充電回路スイッチと、
    前記２次電池の出力電力が前記負荷に伝達される経路をスイッチングするための負荷スイッチと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
  9. 前記２次電池の出力電圧を測定するための第１電圧測定装置と、
    前記負荷の入力電圧を測定するための第２電圧測定装置と、
    をさらに備えることを特徴とする、請求項５〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
  10. 前記２次電池の放出電圧を変換して前記負荷ノードに伝達するための２次電池電圧変換部をさらに備えることを特徴とする、請求項４〜９のいずれかに記載の燃料電池システム。
  11. 燃料と酸化剤とによる電気化学反応を利用して電力を生成する燃料電池スタックと、
    充電された電荷量により電力を放出する２次電池と、
    前記燃料電池スタックの出力端と所定の外部の負荷とが連結される負荷ノードに、前記２次電池の放出電圧を変換して伝達するための２次電池電圧変換回路と、
    前記負荷ノードで前記２次電池電圧変換回路の出力ライン上の電圧と前記燃料電池スタックの出力ライン上の電圧とが一致するように、前記２次電池電圧変換回路の変換比を調節する電圧変換制御部と、
    を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
  12. 前記燃料電池スタックで生成された電力を用いて前記２次電池を充電させるための充電回路をさらに備えることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記燃料電池スタックは、
    互いに異なる出力電力を有する少なくとも二つの出力モードの中の一つで稼動され、
    前記燃料電池スタックの出力モードと前記充電回路の充電動作とを制御する駆動制御部をさらに備えることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池システム。
  14. 前記駆動制御部は、
    第１項〜第３項の中でいずれか一項の駆動制御方法に基づいて前記燃料電池スタックの駆動を制御することを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池システム。
  15. 前記燃料電池スタックと充電回路とを結ぶ経路をスイッチングするための充電回路スイッチと、
    前記２次電池の出力電力が前記負荷に伝達される経路をスイッチングするための負荷スイッチと、
    をさらに備えることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれかに記載の燃料電池システム。
  16. 前記２次電池の出力電圧を測定するための第１電圧測定装置と、
    前記負荷の入力電圧を測定するための第２電圧測定装置と、
    をさらに備えることを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれかに記載の燃料電池システム。
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