JP2009238457A

JP2009238457A - 燃料電池システム及びその起動方法

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Publication number: JP2009238457A
Application number: JP2008080617A
Authority: JP
Inventors: Akihisa Kurita; 章央栗田; Masatoshi Nomura; 雅俊野村; Shinichi Miyamoto; 宮本　　慎一
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】二次電池の大型化を抑えつつ、システム起動の安定性を高める。
【解決手段】燃料電池システムには、電子機器に電力を供給する燃料電池と、燃料電池に送る原料ガスを生成する反応装置と、反応装置を加熱する加熱手段と、反応装置に対して燃料や空気を供給するための補機類と、起動時に、加熱手段及び補機類並びに電子機器に対して電力を供給する蓄電手段と、蓄電手段の残容量を検出する残量検出手段と、蓄電手段からの給電電流を調整する電力調整手段と、電力調整手段を制御して、当該蓄電手段からの加熱手段及び補機類並びに電子機器のそれぞれに対する給電電流を制御する給電電流制御部とが備えられている。給電電流制御部は、加熱手段に対する給電電流値がそれぞれ異なる複数の起動モードを有し、当該複数の起動モードから、起動時における残量検出手段の検出結果に基づき１つの起動モードを決定し、当該起動モードによって電力調整手段を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその起動方法に関する。

従来から、改質器によって原燃料から水素を抽出し、燃料電池によって発電することで電子機器に電力を供給する燃料電池システムが開発されている。燃料電池システムでは、起動直後であると、改質器による反応を実行させるための補機類（例えばポンプやバルブ等）に対しては、燃料電池自体からの給電はできない。このため、燃料電池システムには、燃料電池からの電力供給が始まるまでに補機類に電力供給する補助電源が設けられている。一般的に、補助電源としてはリチウムイオン二次電池が用いられている。

ところで、電子機器においては、ユーザーの利便性上、起動に要する時間をより短縮することが望まれている。燃料電池システムを搭載した電子機器の場合、燃料電池の発電に要する改質器及び補機類を急速に起動させることが、起動時間の短縮化に有効であるが、それには大きな電力が必要となり、補助電源である二次電池の放電電流を増加させることになる。

二次電池の放電電流を大きくするには、容量の大きな二次電池を用いるか、セル数を多くすることが考えられる。しかしながら、携帯用機器などのような小型な電子機器においては、実装スペースに制約があるため、極力体積の小さい二次電池が求められるというジレンマがある。

ここで、一般的に二次電池は自身の容量に対して大きな放電電流で放電すると、使用できる容量が低電流時の容量に比べて低下するという特性がある。容量の小さな二次電池を実装した場合、大きな放電電流で起動方法を設定すると、起動時の二次電池の残容量によっては燃料電池システムが起動できず、アプリケーションに電力を供給できないケースが発生するおそれがあった。

これを防止すべく、近年においては、システム停止時に二次電池の残容量が起動に要する容量よりも少ない場合には、二次電池を充電してから燃料電池システムを停止させる技術（例えば特許文献１参照）や、機器の電源がＯＦＦであっても、二次電池の容量を監視し、その容量が基準値以下となった場合に燃料電池を起動して二次電池を充電する技術（例えば特許文献２参照）などが開発されている。
特開２００４−２２７８３２号公報特開２００４−２５３１８９号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術では、電子機器が長時間起動されずに放置されている場合に、自然放電により二次電池の残容量が足りなくなるという問題を解決できない。これに対する耐性を高めるには、より容量の大きな二次電池を搭載しなければならず、設置スペースの制約上好ましいものではなかった。
一方、特許文献２記載の技術であると、当該技術を携帯機器に適用したとしても、携帯機器の保管形態によっては燃料電池が起動できないケースや、ユーザーが意識しない間に燃料が枯渇しているケースなどには、結局二次電池の充電ができず、安定してシステムを起動できないのが実状であった。
そこで、本発明の課題は、二次電池の大型化を抑えつつ、システム起動の安定性を高めることである。

請求項１記載の発明は、電子機器に搭載される燃料電池システムにおいて、
前記電子機器に電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池に送る原料ガスを生成する反応装置と、
前記反応装置を加熱する加熱手段と、
前記反応装置に対して燃料や空気を供給するための補機類と、
起動時に、前記加熱手段及び前記補機類並びに前記電子機器に対して電力を供給する蓄電手段と、
前記蓄電手段の残容量を検出する残量検出手段と、
前記蓄電手段からの給電電流を調整する電力調整手段と、
前記電力調整手段を制御して、当該蓄電手段からの前記加熱手段及び前記補機類並びに前記電子機器のそれぞれに対する給電電流を制御する給電電流制御部とを備え、
前記給電電流制御部は、前記加熱手段に対する給電電流値がそれぞれ異なる複数の起動モードを有し、当該複数の起動モードから、起動時における前記残量検出手段の検出結果に基づき１つの起動モードを決定し、当該起動モードによって前記電力調整手段を制御することを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記起動時における前記残量検出手段の検出結果と、当該検出結果に基づき決定される起動モードの前記加熱手段の給電電流値との対応関係は、当該給電電流値の給電電流を前記蓄電手段が放電した際に使用できる容量が前記検出結果よりも減少する放電特性を基に設定されてい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記載の燃料電池システムにおいて、
前記加熱手段の給電電流値が所定値よりも高く設定されている起動モードでの起動が不可能な前記検出結果である場合には、前記給電電流制御部は、前記加熱手段の給電電流値が前記所定値よりも低く設定されている起動モードを選択して実行することを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記加熱手段は、電気ヒータであることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
前記加熱手段は、温度センサを兼ねた薄膜ヒータであることを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記蓄電手段は、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池の少なくとも１つであることを特徴としている。

請求項７記載の発明は、電子機器に搭載された燃料電池システムの起動方法において、
前記燃料電池システムは、
前記電子機器に電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池に送る原料ガスを生成する反応装置と、
前記反応装置を加熱する加熱手段と、
前記反応装置に対して燃料や空気を供給するための補機類と、
起動時に、前記加熱手段及び前記補機類並びに前記電子機器に対して電力を供給する蓄電手段と、
前記蓄電手段の残容量を検出する残量検出手段と、
前記蓄電手段からの給電電流を調整する電力調整手段とを備え、
前記加熱手段に対する給電電流値がそれぞれ異なる複数の起動モードから、起動時における前記残量検出手段の検出結果に基づき１つの起動モードを決定し、当該起動モードによって前記電力調整手段が前記蓄電手段からの給電電流を調整することを特徴としている。

請求項８記載の発明は、請求項７記載の燃料電池システムの起動方法において、
前記起動時における前記残量検出手段の検出結果と、当該検出結果に基づき決定される起動モードの前記加熱手段の給電電流値との対応関係は、当該給電電流値の給電電流を前記蓄電手段が放電した際に使用できる容量が前記検出結果よりも減少する放電特性を基に設定されていることを特徴としている。

請求項９記載の発明は、請求項８記載の燃料電池システムの起動方法において、
前記加熱手段の給電電流値が所定値よりも高く設定されている起動モードでの起動が不可能な前記検出結果である場合には、前記加熱手段の給電電流値が前記所定値よりも低く設定されている起動モードを実行することを特徴としている。

本発明によれば、加熱手段及び補機類並びに電子機器のうち、最も消費電力の大きい加熱手段に対する給電電流値が異なる複数の起動モードが備えられているため、蓄電手段の残容量でも、安定して起動できる起動モードを複数の起動モードから選択することが可能となる。そして、起動時における残量検出手段の検出結果に基づき１つの起動モードが実行されると、蓄電手段の残容量に対応した給電電流を各部に供給することができ、より容量の大きな二次電池を搭載しなくとも、安定したシステム起動を実現することが可能となる。

以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１には、燃料カートリッジ２、気化器３、反応装置４、燃料電池５、空気ポンプ６、燃料供給ポンプ７、流量制御バルブ８，９、流量センサ１０，１１、二次電池１２、電力調整回路１３、充放電制御回路１４、残量検出回路１５、制御部１６、報知部１７等が備えられている。

この燃料電池システム１は、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、レジスタ及びプロジェクタ等といった電子機器に搭載されている。そして、燃料電池システム１は、電子機器の各駆動部（電子機器駆動部２０）に対して電力を供給するようになっている。ここで、燃料電池システム１の構成要素のうち燃料カートリッジ２と、外部電源装置１８とが電子機器本体に対して着脱可能とされ、他の構成要素は電子機器本体に内蔵されている。燃料カートリッジ２が電子機器本体に装着されると、燃料カートリッジ２と燃料供給ポンプ７とが接続される。また、外部電源装置１８が電子機器本体に装着されると、外部電源装置１８と電力調整回路１３とが接続される。

燃料カートリッジ２には、液体燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル）と水とが混合された状態又は別々に貯留されている。

燃料供給ポンプ７は、燃料カートリッジ２内の液体燃料と水とを吸引して、これら液体燃料と水との混合液を、流路２１を通して気化器３に送液するものである。燃料供給ポンプ７は、電力調整回路１３を介して供給された電力により駆動する電気駆動式ポンプである。

気化器３は、燃料供給ポンプ７により送液された混合液を気化させるものであり、気化器３により気化された燃料と水は、流路２２を通って反応装置４に送り込まれる。気化器３は、不図示の温度センサ及び電気ヒータにより加熱され、また燃料電池システム１が動作中の場合、反応装置からの伝熱も使用できる構成となっている。

反応装置４は、気化器３により気化された燃料と水から、燃料電池５に送る原料ガス（水素ガス）を生成するものである。反応装置４には、改質器４１と、一酸化炭素除去器４２と、触媒燃焼器４３とが設けられている。

改質器４１は、気化器３から送られてきた燃料を触媒（例えば、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒）によって主に水素を含む改質ガスに改質するものである。具体的には、改質器４１では、気化した燃料と水から水素ガス等が触媒反応により生成され、更に微量ながら一酸化炭素ガスが生成される。燃料がメタノールの場合には、次式（１）、（２）のような化学反応が改質器４１で起こる。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ_２ …（１）
Ｈ_２＋ＣＯ_２→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ …（２）

改質器４１における改質反応は吸熱反応であり、その改質反応に適した温度は約３００℃である。改質器４１には、本発明に係る加熱手段としての薄膜ヒータ４１１が設けられ、改質器４１が薄膜ヒータ４１１によって加熱される。また、改質器４１は、触媒燃焼器４３によっても加熱される。そのため、触媒燃焼器４３における燃焼熱や薄膜ヒータ４１１の電熱が改質器４１の改質反応に用いられる。

薄膜ヒータ４１１は、電力調整回路１３によって電力が供給されると、発熱して改質器４１等を加熱する。つまり、薄膜ヒータ４１１が電気ヒータとして機能する。また、薄膜ヒータ４１１は、温度に依存して抵抗値が変化する特性を有する。そのため、薄膜ヒータ４１１は温度センサとしても機能し、改質器４１の温度が薄膜ヒータ４１１によって電気信号に変換され、その電気信号が制御部１６に出力される。

改質器４１で生成された改質ガスは流路２３を通って一酸化炭素除去器４２へ送出される。改質器４１で生成された改質ガスには一酸化炭素、二酸化炭素等も混合されており、それらの生成物も一酸化炭素除去器４２に送出される。

流路２３には、流量制御バルブ８及び空気ポンプ６に連通する空気供給路２４が連結されていて、空気ポンプ６から流量制御バルブ８及び空気供給路２４を介して空気が流路２３に供給されるようになっている。流路２３中では、空気と水素ガス等とが混合され、その混合気が一酸化炭素除去器４２に送り込まれる。

一酸化炭素除去器４２は、改質器４１から送られてきた改質ガス中の一酸化炭素を触媒（例えば、白金）によって優先的に酸化させることで、一酸化炭素を選択的に除去する（次式（３）参照）。
２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２ …（３）

これによって、改質ガス中の一酸化炭素は数ｐｐｍの濃度まで除去され、燃料電池５で適用可能な燃料ガスとなる。この燃料ガスは、一酸化炭素除去器４２から流路２５を介して燃料電池５のアノードに送り込まれる。

触媒燃焼器４３は、燃料電池５のアノードから流路２６を介して送られてきたガス中の水素を触媒（例えば、白金）によって燃焼させる。流路２６には、流量制御バルブ９及び空気ポンプ６に連通する空気供給路２７が連結されていて、空気ポンプ６から流量制御バルブ９及び空気供給路２７を介して空気が流路２６に供給されるようになっている。流路２６中では、燃料電池５のアノードから排出されたガスと空気とが混合され、その混合気が触媒燃焼器４３に送り込まれる。この混合気中には水素も含まれているが、この水素は前述したように触媒によって燃焼されているため、触媒燃焼器４３からは水素が除去されたガスが排気されることになる。なお、触媒燃焼器４３は、水素の他、メタノール等の燃料や一酸化炭素も燃焼することができる。

これら改質器４１、一酸化炭素除去器４２、触媒燃焼器４３それぞれでの各反応は、改質器４１では吸熱反応、一酸化炭素除去器４２及び触媒燃焼器４３では発熱反応である。反応装置４の外容器は、内側に断熱構造を有していて、外部への熱のロスを軽減しているため、当該反応装置４に内蔵されている改質器４１、一酸化炭素除去器４２、触媒燃焼器４３の間で熱の授受が行われることになり、効率的に燃料ガスの生成が行えるようになっている。

燃料電池５は、固体高分子型燃料電池であり、電解質膜と、その電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、その電解質膜の他方の面に設けられたカソードとを備える。アノードは、その入口側が流路２５を介して一酸化炭素除去器４２と連通していて、出口側が流路２６を介して触媒燃焼器４３と連通している。一方、カソードは、その入口側が空気供給路２４を介して空気ポンプ６と連通している。

そして、燃料電池５では、アノードに送り込まれたガス中の水素と、カソードに送り込まれた空気中の酸素が電解質膜を介して電気化学反応する。これにより、起電力が発生する。なお、燃料電池５の電解質膜が水素イオン透過性の電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）の場合には、アノードでは次式（４）のような反応が起き、アノードで生成された水素イオンが電解質膜を透過し、カソードでは次式（５）のような反応が起こる。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …（４）
２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ …（５）

燃料電池５のアノードとカソードとの間で生じた電力は電力調整回路１３に供給される。
なお、燃料電池５のアノードでは全ての水素が反応するのではなく、未反応の水素もある。燃料電池５のアノードで反応せずに残った水素ガス等が触媒燃焼器４３に送出される。

空気ポンプ６は、外部の空気を燃料電池５のカソード、一酸化炭素除去器４２及び触媒燃焼器４３に供給するポンプである。一酸化炭素除去器４２及び触媒燃焼器４３に対する空気ポンプ６から空気供給量は、流量センサ１０，１１の検出結果を基に制御部１６が流量制御バルブ８，９を制御することによって調整されるようになっている。

この空気ポンプ６や、燃料供給ポンプ７、流量制御バルブ８，９、流量センサ１０，１１が、反応装置４に対して燃料や空気を供給するための本発明に係る補機類である。

二次電池１２は、本発明に係る蓄電手段であり、例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池の少なくとも１つが用いられている。二次電池１２は、燃料電池５が稼動していない場合の電力供給源として用いられる（第１の用途）。具体的には、燃料電池システム１の起動時や停止時において、燃料電池５の発電が停止しているときに反応装置４の起動や、補機類の起動、さらには電子機器駆動部２０の補助電源として用いられる。

また、二次電池１２は、燃料電池５の発電時に突発的に起こる急激な出力変化や、電子機器駆動部２０の付加変動が起きた際に出力側への電力供給を保証している（第２の用途）。これは、燃料電池５の発電は急激な負荷変化に対しての応答が遅いために、電子機器駆動部２０の駆動時の負荷変化に対して電力を供給できなくなる可能性があるためである。これと比べて二次電池１２は負荷変化に対する応答が早く、瞬時に放電することができるため、後述する電力調整回路１３によって電力供給のバッファとしての役割を担うことができる。

電力調整回路１３の入力側には、燃料電池５が直接接続されているとともに、二次電池１２が残量検出回路１５、充放電制御回路１４を介して接続されている。また、電力調整回路１３の出力側には、電子機器駆動部２０、燃料供給ポンプ７、空気ポンプ６、流量制御バルブ８，９、流量センサ１０，１１、薄膜ヒータ４１１、残量検出回路１５、充放電制御回路１４、制御部１６、報知部１７が接続されている。電力調整回路１３には、電源制御用のＭＣＵ（ＭｉｃｒｏＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）が内蔵されており、入力側から供給される電力を、出力側に接続されている各部に対して振り分ける役割をになっている。例えば、燃料電池システムの稼働時のように入力側からの供給電力が二次電池１２と燃料電池５との両者から供給されている場合には、電力調整回路１３は、入力側の総供給電力を出力側に接続されている各部に対して割り振り、当該各部が要求する供給電流に調整して出力する。一方、起動時のように入力側からの供給電力が二次電池１２からの供給電力のみの場合には、電力調整回路１３は、その供給電力を出力側に接続されている各部に対して割り振り、当該各部が要求する供給電流に調整して出力する。

また、電力調整回路１３の入力側には、ＡＣアダプタ等の外部電源装置１８が接続されるようになっている。外部電源装置１８が接続されている場合においても、電力調整回路１３は、二次電池１２と燃料電池５との供給電力だけでなく、外部電源装置１８からの供給電力も併用して、出力側に接続された各部に対して電力を割り振る。

さらに、電力調整回路１３は、燃料電池５や外部電源装置１８からの供給電力が、出力側の消費電力よりも過剰に供給されている場合に、制御部１６からの制御信号に基づき、燃料電池５から二次電池１２へ充電を行うように切替を行う機能も有している。

充放電制御回路１４は、二次電池１２の充放電に関わる電圧と電流をコントロールするものである。このうち、充電制御に関しては例えばＭＡＸ１７３７（ＭＡＸＩＭ社製）等の充電制御ＩＣが組み込まれている。この充放電制御回路１４と二次電池１２との間には残量検出回路１５が設けられている。

残量検出回路１５は、二次電池１２の残容量を検出する本発明に係る残量検出手段である。残量検出回路１５には、二次電池１２への充電・放電に際し当該回路１５を通過した電荷量を積分する電流積分と、二次電池１２の電圧と、経時劣化から残量を算出する専用のＩＣ（例えばＤＳ２７６２やＤＳ２７２０：ＭＡＸＩＭ社製）が組み込まれており、これによって得られた二次電池１２の残容量を制御部１６に出力する。

報知部１７は、例えばＬＥＤ等の発光装置であり、電子機器の筐体に設置されている。報知部１７は、二次電池１２の残容量が少なく燃料電池システム１の起動が不可能である場合に点灯することで、ユーザーに対して外部電源装置１８の接続を促すものである。なお、報知部１７としては、例示した視覚的な報知手段以外にも、ブザーや音声メッセージ等の聴覚的な報知手段や、バイブレーター等の振動素子による触覚的な報知手段などが挙げられる。

制御部１６は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及び内部メモリ（ＲＯＭ）等を有する制御装置である。制御部１６は、ＲＯＭに記録されたプログラムに従って充放電制御回路１４、電力調整回路１３を制御することで、電子機器駆動部２０、燃料供給ポンプ７、空気ポンプ６、流量制御バルブ８，９、流量センサ１０，１１、薄膜ヒータ４１１、残量検出回路１５、充放電制御回路１４、制御部１６及び報知部１７に対して所定の供給電流で電力を供給する。つまり、制御部１６が本発明に係る給電電流制御部である。

ここで、燃料電池５の稼働時であれば燃料電池５から電力調整回路１３に対して安定した電力供給が行われているが、燃料電池システム１の起動時においては燃料電池５の発電が停止中であるために、二次電池１２からの電力を各部に供給する必要がある。ところで、二次電池１２として例示した電池（リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池）は、図２に示すように放電電流によって使用できる残容量が変化する放電特性を持つ。全体的な性質としては、放電電流が小さい領域（例えば図２中Ａ領域）では二次電池１２が放電できる容量はあまり低下しないが、放電電流が大きい領域（例えば図２中Ｂ領域）では実際に放電できる容量が小さくなる。

起動時においては、反応装置４の暖気、空気ポンプ６、燃料供給ポンプ７の駆動、流量統制バルブ８，９の開閉動作、制御部１６の電源等のために、二次電池１２からの電力供給が必要である。上記のうち、特に反応装置４の暖機に必要な電力は、上記の空気ポンプ６以下の動作にかかる電力に比べて大きく、ゆえに二次電池１２の放電電流の増大に大きく関与している。そこで反応装置４の暖機、つまり薄膜ヒータ４１１の駆動をより早く行うことは二次電池１２を高電流で放電させることになるが、図２に示すような特性であるがゆえ、起動時に二次電池１２の残容量が小さいと、反応装置４の暖機を行っている過程で二次電池１２の残容量がゼロになり暖機が終了しない、若しくは反応装置４の暖機が終了しても燃料電池システムの安定運転に必要な二次電池１２の残容量を確保できない場合がある。

これに対処すべく、制御部１６のＲＯＭ中には、本発明に係る燃料電池システムの起動方法を実行するためのプログラムが記憶されている。このプログラム中には、予め複数の起動モードが設定されている。各起動モードは、薄膜ヒータ４１１及び補機類並びに電子機器駆動部２０のそれぞれに対する給電電流値が異なるように設定されている。制御部１６は、起動時における残量検出回路１５の検出結果に基づいて、複数の起動モードから１つの起動モードを決定し、当該起動モードによって電力調整回路１３が二次電池１２からの給電電流を調整するように制御する。

本実施形態では、起動モードが４種類用意されている場合を例示する。４種の起動モードは、それぞれ高速起動モード、低速起動モード、充電後起動モード、外部電源起動モードと称す。以下、各起動モードについて説明する。なお、各起動モードの説明に際して図３を参照にして説明する。図３は、二次電池１２の放電電流に対する放電容量に関する関係を、残容量違い毎に示したグラフである。図３において曲線ａは二次電池１２の残容量が満充電Ｃ_ｆであるときにおける放電電流による容量の変化を表している。二次電池１２が放電を行い残容量が減少すると曲線ａは減衰し、やがて曲線ｂ〜ｄへと放電電流に対する依存性が変化する。

［高速起動モード］
高速起動モードは、起動時における二次電池１２の残容量が容量Ｃ_１以上の場合に適用する。高速起動モードは、二次電池１２を所定値よりも高い給電電流値Ｉ_Ｈで放電させるとともに、燃料電池システム１の起動直後から電子機器駆動部２０を含む全ての箇所に対して電力を供給するモードである。ここで、容量Ｃ_１は高速起動に必要な容量の下限値である。二次電池１２の残容量が容量Ｃ_１のとき、図３内に示されている曲線ｂのように容量が変化するが、このとき高速起動の給電電流値Ｉ_Ｈで放電させたときに使用できる容量はＣ_Ｈとなる。容量Ｃ_Ｈは高速起動に最低限必要な二次電池１２の容量に設定されている。これにより、残量検出回路１５の検出結果（残容量）が容量Ｃ_１よりも大きい場合、高速起動を完了することができる。また高速起動が終了し燃料電池５の発電によって電子機器駆動部２０を運転する際、前述した第二の用途が要求されたとしても、電力保証の際の給電電流値は給電電流値Ｉ_Ｈよりも低いので、高速起動時に利用できなかった分の容量を使用することができる。このときの二次電池１２の残容量は燃料電池５での発電時に必要な容量Ｃ_ｔよりも大きいので、燃料電池システム１の定格運転を安定して行うことができる。なお、容量Ｃ_ｔは燃料電池５による発電が行われる際に二次電池１２が補助電源として安定に機能できる基準の残容量である。本実施形態では、容量Ｃ_ｔを二次電池１２の満充電状態の３０％と設定した。

［低速起動モード］
低速起動モードは、二次電池１２の残容量が容量Ｃ_１未満でかつ容量Ｃ_２以上の場合に適用する。低速起動モードは、二次電池１２を所定値よりも低い給電電流値Ｉ_Ｌで放電させるとともに、燃料電池システム１の起動直後から電子機器駆動部２０を含む全ての箇所に対して電力を供給するモードである。本実施形態では、給電電流値Ｉ_Ｌは給電電流値Ｉ_Ｈの半分に設定されている。これにより、図３の曲線ｃに示す通り、起動に利用できる容量を給電電流値Ｉ_Ｈで起動する場合よりも増やすことができる。高速起動モードよりも投入する電力が小さくなるので反応装置４の暖機時間は長くなるが、放電電流を小さくすることによって二次電池１２の容量を枯渇させず、安定して反応装置４を起動することができる。また、図３の曲線ｃは低速起動モードの最下限である二次電池１２の残容量が容量Ｃ_２のときの特性を表している。ここで容量Ｃ_２は低速起動モードに使用する容量Ｃ_Ｌと容量Ｃ_ｔとの和に設定している（式（６））。
Ｃ_２＝Ｃ_Ｌ＋Ｃ_ｔ …（６）

二次電池１２の残容量が容量Ｃ_２よりも少なくなると、燃料電池システム１は低速起動モードで起動した後の残容量が容量Ｃ_ｔ以下になり、二次電池１２の第二の用途である燃料電池５の発電の電力保証を担うことが困難になる。

ここで、低速起動モードは起動時における残容量が容量Ｃ_１未満でかつ容量Ｃ_２以上の場合に適用される一方、高速起動モードは起動時における残容量が容量Ｃ_１以上の場合に適用される。この起動時における残容量と、残容量に基づき決定される起動モードの給電電流値の対応関係は、給電電流値の給電電流を二次電池１２が放電した際に使用できる容量が残容量よりも減少するという二次電池１２特有の放電特性を基に設定されている。

［充電後起動モード］
充電後起動モードは、二次電池１２の残容量が容量Ｃ_２未満でかつ容量Ｃ_Ｌ以上である場合に適用する。充電後起動モードでは低速起動モードで燃料電池システム１のうち反応装置４を起動するだけの残容量はあるが、反応装置４の起動後に二次電池１２の残容量がＣ_ｔ以下となり、安定した定常運転が困難な状況になる。そこで充電後起動モードでは起動時に電子機器駆動部２０に電力を供給せずに反応装置４や補記類を起動して、燃料電池５による発電を行い、まず二次電池１２の充電のみを行う。やがて二次電池１２の残容量が容量Ｃ_ｔに到達した段階で燃料供給ポンプ７からの燃料供給量を増加させ電子機器駆動部２０に電力を供給する。

［外部電源起動モード］
外部電源起動モードは、二次電池１２の残容量が容量Ｃ_Ｌ未満の場合に適用する。二次電池１２の残容量が容量Ｃ_Ｌのときの特性を図３における曲線ｄで表している。二次電池１２の残容量が容量Ｃ_Ｌ未満であると、燃料電池システム１を低速起動させた際に反応装置４が起動を完了する前に二次電池１２の残容量がゼロになってしまい、それ以上の放電ができなくなってしまう。すなわちこの場合では、二次電池１２での起動ができない状態であると判断できるので、燃料電池システム１を二次電池１２で起動せずに、外部電源装置１８を接続して起動する。その際、報知部１７で報知させることでユーザーに外部電源装置１８を接続するように促し、接続が検知されたら高速起動によって燃料電池システム１を立ち上げる。

これらの起動モードから１つの起動モードを決定する際には、電源投入直後に制御部１６や、残量検出回路１５、これらに電力を供給するための充放電制御回路１４や、電力調整回路１３が起動していなければならない。つまり、電源投入された直後であって、起動モードの決定前においては、残量検出回路１５、充放電制御回路１４、電力調整回路１３及び制御部１６には起動モード決定処理が実行可能な程度の電力（準備電力）が二次電池１２から供給されている。

以下、燃料電池システム１の起動方法について図４のフローチャートを参照して説明する。
まず、電源が投入されると、二次電池１２から残量検出回路１５、充放電制御回路１４、電力調整回路１３及び制御部１６に準備電力が供給される（ステップＳ１）。

ステップＳ２では、制御部１６は残量検出回路１５を制御して二次電池の残容量Ｃを取得する。

ステップＳ３では、制御部１６は残容量Ｃが容量Ｃ_１以上であるか否かを判断し、容量Ｃ_１以上である場合（ステップＳ３；ＹＥＳ）にはステップＳ４に移行して、容量Ｃ_１未満である場合（ステップＳ３；ＮＯ）にはステップＳ６に移行する。

ステップＳ４では、制御部１６は複数の起動モードから高速起動モードを決定する。
ステップＳ５では、制御部１６は高速起動モードを実行する。具体的には、制御部１６は、充放電制御回路１４及び電力調整回路１３を制御して、二次電池１２を給電電流値Ｉ_Ｈで放電させるとともに、この給電電流値Ｉ_Ｈで電子機器駆動部２０、補機類、薄膜ヒータ４１１に対して電力を供給する。これにより、高速起動モードでの起動が終了する。

ステップＳ６では、制御部１６は残容量Ｃが容量Ｃ_２以上であるか否かを判断し、容量Ｃ_２以上である場合（ステップＳ６；ＹＥＳ）にはステップＳ７に移行して、容量Ｃ_２未満である場合（ステップＳ６；ＮＯ）にはステップＳ９に移行する。

ステップＳ７では、制御部１６は複数の起動モードから低速起動モードを決定する。
ステップＳ８では、制御部１６は低速起動モードを実行する。具体的には、制御部１６は、充放電制御回路１４及び電力調整回路１３を制御して、二次電池１２を給電電流値Ｉ_Ｌで放電させるとともに、この給電電流値Ｉ_Ｌで電子機器駆動部２０、補機類、薄膜ヒータ４１１に対して電力を供給する。これにより、低速起動モードでの起動が終了する。

ステップＳ９では、制御部１６は残容量Ｃが容量Ｃ_Ｌ以上であるか否かを判断し、容量Ｃ_Ｌ以上である場合（ステップＳ９；ＹＥＳ）にはステップＳ１０に移行して、容量Ｃ_Ｌ未満である場合（ステップＳ９；ＮＯ）にはステップＳ１６に移行する。

ステップＳ１０では、制御部１６は複数の起動モードから充電後起動モードを決定する。
ステップＳ１１では、制御部１６は、充放電制御回路１４及び電力調整回路１３を制御して、二次電池１２を給電電流値Ｉ_Ｌで放電させるとともに、この給電電流値Ｉ_Ｌで補機類、薄膜ヒータ４１１に対して電力を供給する。これにより、燃料電池５の発電が行われることになる。

ステップＳ１２では、制御部１６は充放電制御回路１４及び電力調整回路１３を制御して、燃料電池５で発電された電力を二次電池１２に供給し、二次電池１２の充電を行う。

ステップＳ１３では、制御部１６は残量検出回路１５を制御して二次電池の残容量Ｃを取得する。

ステップＳ１４では、制御部１６は残容量Ｃが容量Ｃ_ｔ以上であるか否かを判断し、容量Ｃ_ｔ以上である場合（ステップＳ１４；ＹＥＳ）にはステップＳ１５に移行して、容量Ｃ_ｔ未満である場合（ステップＳ１４；ＮＯ）にはステップＳ１２に移行する。

ステップＳ１５では、制御部１６は充放電制御回路１４及び電力調整回路１３を制御して、二次電池１２を給電電流値Ｉ_Ｌで放電させるとともに、この給電電流値Ｉ_Ｌで電子機器駆動部２０に対して電力を供給する。これにより、充電後起動モードでの起動が終了する。

ステップＳ１６では、制御部１６は複数の起動モードから外部電源起動モードを決定する。

ステップＳ１７では、制御部１６は準備電力を二次電池１２から放電させるとともに、電力調整回路１３は報知部１７に対して電力を供給する。これにより、報知部１７が発光し、外部電源装置１８の接続がユーザーに促されることになる。

ステップＳ１８では、制御部１６は電力調整回路１３への供給電力から外部電源装置１８が接続されているか否かを判断し、接続されている場合（ステップＳ１８；ＹＥＳ）にはステップＳ１９に移行し、接続されていない場合（ステップＳ１８；ＮＯ）にはステップＳ１７に移行する。

ステップＳ１９では、制御部１６は、充放電制御回路１４及び電力調整回路１３を制御して、外部電源装置１８からの供給電力を給電電流値Ｉ_Ｈで電子機器駆動部２０、補機類、薄膜ヒータ４１１に供給する。これにより、外部電源起動モードでの起動が終了する。

以上のように、本実施形態によれば、複数の起動モードが備えられているため、二次電池１２の残容量でも、安定して起動できる起動モードを複数の起動モードから選択することが可能となる。そして、起動時における残量検出回路１５の検出結果に基づき１つの起動モードが実行されると、二次電池１２の残容量に対応した給電電流を各部に供給することができ、より容量の大きな二次電池を搭載しなくとも、安定したシステム起動を実現することが可能となる。

また、起動時における残量検出回路１５の検出結果と、当該検出結果に基づき決定される起動モードの給電電流値との対応関係は、当該給電電流値の給電電流を二次電池１２が放電した際に使用できる容量が検出結果よりも減少する放電特性を基に設定されているので、このような放電特性を持つ二次電池１２（例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池等）であっても安定したシステム起動を実現することが可能となる。

また、高速起動モードでの起動が不可能な検出結果である場合には、低速起動モードが実行されるので、二次電池１２の残容量に応じた速度でシステムの起動を実行することができる。
そして、本発明に係る加熱手段として電気ヒータ（薄膜ヒータ４１１）が用いられているので、燃焼器等の加熱手段とは異なり電流のみでの加熱制御が可能となる。これにより、各起動モードでの放電電流値が決定しやすくなる。
さらに、電気ヒータが温度センサを兼ねた薄膜ヒータ４１１であるので、加熱対象の加熱挙動を薄膜ヒータ４１１の抵抗値から直接検知でき、各起動モード実行以降のヒータ電流印加制御が容易となる。

なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、燃料電池５として固体高分子型燃料電池を例示して説明したが、固体酸化物型燃料電池等の余熱を必要とする燃料電池であってもよい。この場合、本発明に係る加熱手段には、燃料電池を予熱する予熱手段も含まれ、この予熱手段に対しても制御部１６の制御に基づいて、各起動モードに応じた給電電流値による電力が供給されることになる。

また、本実施形態では、本発明に係る加熱手段が薄膜ヒータ４１１のみである場合を例示して説明したが、気化器３や、一酸化炭素除去器４２に対しても薄膜ヒータが設けられている場合には、これらの薄膜ヒータも本発明に係る加熱手段に含まれる。これらの薄膜ヒータに対しても制御部１６の制御に基づいて、各起動モードに応じた給電電流値による電力が供給されることになる。

また、本実施形態では、給電電流値が２段階で異なる起動モードが用意されている場合について説明したが、給電電流値が３段階以上で異なるようにさらに起動モードを増加させてもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係る二次電池の特性を示す放電電流−放電容量線図である。図２の二次電池の放電電流に対する放電容量に関する関係を、残容量の違い毎に示したグラフである。本実施形態に係る燃料電池システムの起動方法の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
２燃料カートリッジ
３気化器
４反応装置
５燃料電池
６空気ポンプ（補機類）
７燃料供給ポンプ（補機類）
８，９流量制御バルブ（補機類）
１０，１１流量センサ（補機類）
１２二次電池
１３電力調整回路
１４充放電制御回路
１５残量検出回路（残量検出回路）
１６制御部（給電電流制御部）
１７報知部
１８外部電源装置
２０電子機器駆動部
４１改質器
４２一酸化炭素除去器
４３触媒燃焼器
４１１薄膜ヒータ（加熱手段）

Claims

電子機器に搭載される燃料電池システムにおいて、
前記電子機器に電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池に送る原料ガスを生成する反応装置と、
前記反応装置を加熱する加熱手段と、
前記反応装置に対して燃料や空気を供給するための補機類と、
起動時に、前記加熱手段及び前記補機類並びに前記電子機器に対して電力を供給する蓄電手段と、
前記蓄電手段の残容量を検出する残量検出手段と、
前記蓄電手段からの給電電流を調整する電力調整手段と、
前記電力調整手段を制御して、当該蓄電手段からの前記加熱手段及び前記補機類並びに前記電子機器のそれぞれに対する給電電流を制御する給電電流制御部とを備え、
前記給電電流制御部は、前記加熱手段に対する給電電流値がそれぞれ異なる複数の起動モードを有し、当該複数の起動モードから、起動時における前記残量検出手段の検出結果に基づき１つの起動モードを決定し、当該起動モードによって前記電力調整手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記起動時における前記残量検出手段の検出結果と、当該検出結果に基づき決定される起動モードの前記加熱手段の給電電流値との対応関係は、当該給電電流値の給電電流を前記蓄電手段が放電した際に使用できる容量が前記検出結果よりも減少する放電特性を基に設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
前記加熱手段の給電電流値が所定値よりも高く設定されている起動モードでの起動が不可能な前記検出結果である場合には、前記給電電流制御部は、前記加熱手段の給電電流値が前記所定値よりも低く設定されている起動モードを選択して実行することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記加熱手段は、電気ヒータであることを特徴とする燃料電池システム。
請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
前記加熱手段は、温度センサを兼ねた薄膜ヒータであることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記蓄電手段は、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池の少なくとも１つであることを特徴とする燃料電池システム。
電子機器に搭載された燃料電池システムの起動方法において、
前記燃料電池システムは、
前記電子機器に電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池に送る原料ガスを生成する反応装置と、
前記反応装置を加熱する加熱手段と、
前記反応装置に対して燃料や空気を供給するための補機類と、
起動時に、前記加熱手段及び前記補機類並びに前記電子機器に対して電力を供給する蓄電手段と、
前記蓄電手段の残容量を検出する残量検出手段と、
前記蓄電手段からの給電電流を調整する電力調整手段とを備え、
前記加熱手段に対する給電電流値がそれぞれ異なる複数の起動モードから、起動時における前記残量検出手段の検出結果に基づき１つの起動モードを決定し、当該起動モードによって前記電力調整手段が前記蓄電手段からの給電電流を調整することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
請求項７記載の燃料電池システムの起動方法において、
前記起動時における前記残量検出手段の検出結果と、当該検出結果に基づき決定される起動モードの前記加熱手段の給電電流値との対応関係は、当該給電電流値の給電電流を前記蓄電手段が放電した際に使用できる容量が前記検出結果よりも減少する放電特性を基に設定されていることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
請求項８記載の燃料電池システムの起動方法において、
前記加熱手段の給電電流値が所定値よりも高く設定されている起動モードでの起動が不可能な前記検出結果である場合には、前記加熱手段の給電電流値が前記所定値よりも低く設定されている起動モードを実行することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。