JP2011023198A - 燃料電池システム及び充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】常に安定した出力電力を発生することができる燃料電池システム及び充電装置を提供する。
【解決手段】燃料供給により電力を発電し負荷に供給する燃料電池本体と、前記負荷に供給される前記燃料電池本体の発電電力を可変制御可能にする第１の出力制御手段と、前記燃料電池本体とともに前記負荷に電力を供給可能にした補助電源と、前記負荷に供給される前記補助電源からの電力を可変制御可能にする第２の出力制御手段と、前記補助電源への充電手段と、前記燃料電池本体による前記負荷に対する供給電力の不足分を前記第２の出力制御手段により補助電源からの電力を可変制御することで補充可能とし、前記燃料電池本体による前記負荷に対する供給電力の余剰分を前記充電手段に入力される電力を可変制御することで前記補助電源に充電電力として供給可能とする制御手段と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びこの燃料電池システムを充電電源とした充電装置に関する。

携帯電話機や携帯情報端末などの電子機器の小型化は目覚しいものがあり、これら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、燃料と空気を供給するのみで、発電することができ、燃料のみを交換あるいは補充すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型化が実現できれば、小型の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（ＤＭＦＣ；Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌと称する。）が注目されている。かかる燃料電池は、液体燃料の供給方式によって分類され、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式のものと、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式のものがあり、これらのうち、パッシブ方式のものは燃料電池の小型化に対して特に有利である。

従来、このようなパッシブ方式の燃料電池として、特許文献１に開示されるように、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造のものが考えられている。

また、燃料電池の燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続する構成のものも特許文献２〜４に開示されている。これら特許文献２〜４は、燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整可能としたもので、特に、特許文献３では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給している。また、ポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることも記載されている。さらに特許文献４には電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給することが記載されている。

国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット 特表２００５−５１８６４６号公報 特開２００６−０８５９５２号公報 米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報

ところで、燃料電池は、その発電電力を利用して電子機器側の電源である二次電池を充電する充電装置の電源として用いられることがある。このような充電装置では、燃料電池の発電電力を一旦蓄電素子からなる補助電源に蓄電し、電子機器の二次電池を充電する際に、補助電源の充電電力を一気に出力するようにしたものや、燃料電池の発電電力と補助電源の充電電力を加え合わせて電子機器の二次電池の充電を行い、このとき電子機器の二次電池への充電出力が常に一定になるように補助電源の出力を制御するようにしたものなどが知られている。

しかしながら、前の方法では、電子機器の二次電池に対して燃料電池の発電電力が直接利用されず、専ら補助電源の充電に利用されるため、補助電源を充電するための時間が必要となり、その結果、図８（ａ）に示すように電子機器の二次電池への充電出力ＰＢに対して燃料電池の発電電力ＰＡが利用できる期間Ａ１が、利用できない期間Ｂ１に比べて極めて短いものとなり、安定した充電出力を発生することができない。また、燃料電池から補助電源に対する出力調整手段と、補助電源から電子機器の二次電池への出力調整の２段階の出力調整手段がそれぞれ必要となるため、これら出力調整手段での損失も大きくなるという問題もあった。

一方、後の方法では、燃料電池の発電電力の一部を電子機器の二次電池の充電電力として利用するので、運転効率の面での改善を図ることができるが、電子機器の二次電池への充電電力を一定の値に固定するため、燃料電池固有の特性劣化などにより発電電力が低下すると、補助電源に対する負担が増加していき、この場合は、充電装置の充電出力に対して燃料電池の発電電力の利用できない期間が長くなり、安定した充電出力を発生することができない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、常に安定した出力電力を発生することができる燃料電池システム及び充電装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、
請求項１記載の発明は、燃料供給により電力を発電し負荷に供給する燃料電池本体と、前記負荷に供給される前記燃料電池本体の発電電力を可変制御可能にする第１の出力制御手段と、前記燃料電池本体とともに前記負荷に電力を供給可能にした補助電源と、前記負荷に供給される前記補助電源からの電力を可変制御可能にする第２の出力制御手段と、前記補助電源への充電手段と、前記燃料電池本体による前記負荷に対する供給電力の不足分を前記第２の出力制御手段により補助電源からの電力を可変制御することで補充可能とし、前記燃料電池本体による前記負荷に対する供給電力の余剰分を前記充電手段に入力される電力を可変制御することで前記補助電源に充電電力として供給可能とする制御手段と、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、前記第１の出力制御手段の出力電力の移動平均値と前記第１の出力制御手段の出力電力の差を前記第２の出力制御手段の出力目標値に設定し、該出力目標値に基づいて前記第２の出力制御手段により前記補助電源からの電力を可変制御することを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記制御手段は、前記第１の出力制御手段の出力電力と前記第１の出力制御手段の出力電力の移動平均値の差を前記第１の出力制御手段の出力目標値に設定し、該出力目標値に基づいて前記充電手段に入力される電力を可変制御して前記補助電源に充電電力として供給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乃至３のいずれか一記載の発明において、さらに、前記制御手段は、前記燃料電池本体の起動運転時、該燃料電池本体の発電電力が所定値に達するまで前記第２の出力制御手段により前記補助電源からの電力を可変制御し前記負荷に対する供給電力の不足を補充可能に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のいずれか一記載の燃料電池システムを充電電源として負荷を充電可能にした充電装置である。

本発明によれば、常に安定した出力電力を発生することができる燃料電池システム及び充電装置を提供できる。

本発明の第１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す図。 第１の実施の形態の燃料電池本体を詳細に説明するための断面図。 第１の実施の形態の燃料電池本体に用いられる燃料分配機構の斜視図。 第１の実施の形態の燃料電池本体の起動運転期間と定常運転期間での発電電力の状態を示す図。 第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの動作を説明するフローチャート。 第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの動作を説明するフローチャート。 第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの動作を説明するフローチャート。 第１の実施の形態にかかる燃料電池システムの充電装置として利用できる期間と利用できない期間の関係を説明する図。

以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる充電装置を構成する燃料電池システムの概略構成を示している。

図１において、１は燃料電池本体（ＤＭＦＣ）で、この燃料電池本体１は、起電部を構成する燃料電池発電部（セル）１０１、液体燃料を収容する燃料収容部１０２、燃料収容部１０２と燃料電池発電部（セル）１０１を接続する流路１０３及び燃料収容部１０２から燃料電池発電部（セル）１０１に液体燃料を移送するための補器として燃料供給手段のポンプ１０４を有している。

図２は、このような燃料電池本体１をさらに詳細に説明するための断面図である。

この場合、燃料電池発電部１０１は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を有している。

ここで、アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。

電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７はこれらに限られるものではない。

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばＡｕ、Ｎｉのような導電性金属材料からなる多孔質層（例えば、メッシュ）、多孔質膜、箔体あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。電解質膜１７と後述する燃料分配機構１０５およびカバープレート１８との間には、それぞれゴム製のＯリング１９が介在されており、これらによって燃料電池発電部１０１からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

カバープレート１８は酸化剤である空気を取入れるための不図示の開口を有している。カバープレート１８とカソード１６との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。

燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３側には、燃料供給部として燃料分配機構１０５が配置されている。燃料分配機構１０５には配管のような液体燃料の流路１０３を介して燃料収容部１０２が接続されている。

燃料収容部１０２には、燃料電池発電部１０１に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。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い。液体燃料は、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、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部１０２には燃料電池発電部１０１に応じた液体燃料が収容される。

燃料分配機構１０５には燃料収容部１０２から流路１０３を介して燃料が導入される。流路１０３は燃料分配機構１０５や燃料収容部１０２と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ燃料の流路であってもよい。燃料分配機構１０５は流路１０３を介して燃料収容部１０２と接続されていればよい。

ここで、燃料分配機構１０５は図３に示すように、燃料が流路１０３を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口２１と、燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口２２とを有する燃料分配板２３を備えている。燃料分配板２３の内部には図２に示すように、燃料注入口２１から導かれた燃料の通路となる空隙部２４が設けられている。複数の燃料排出口２２は燃料通路として機能する空隙部２４にそれぞれ直接接続されている。

燃料注入口２１から燃料分配機構１０５に導入された燃料は空隙部２４に入り、この燃料通路として機能する空隙部２４を介して複数の燃料排出口２２にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口２２には、例えば燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３には燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構１０５とアノード１３との間に気液分離膜等として設置してもよい。燃料の気化成分は複数の燃料排出口２２からアノード１３の複数個所に向けて排出される。

燃料排出口２２は燃料電池発電部１０１の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板２３のアノード１３と接する面に複数設けられている。燃料排出口２２の個数は２個以上であればよいが、燃料電池発電部１０１の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ²の燃料排出口２２が存在するように形成することが好ましい。

燃料分配機構１０５と燃料収容部１０２の間を接続する流路１０３には、ポンプ１０４が挿入されている。このポンプ１０４は燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部１０２から燃料分配機構１０５に燃料を移送する燃料供給ポンプである。このようなポンプ１０４で必要時に燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めるものである。この場合、ポンプ１０４としては、少量の燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。ポンプ１０４には、後述する燃料供給制御回路８が接続され、ポンプ１０４の駆動が制御される。

このような構成において、燃料収容部１０２に収容された燃料は、ポンプ１０４により流路１０３を移送され、燃料分配機構１０５に供給される。そして、燃料分配機構１０５から放出された燃料は、燃料電池発電部１０１のアノード（燃料極）１３に供給される。燃料電池発電部１０１内において、燃料はアノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …(1)
この反応で生成した電子（ｅ^-）は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる出力として負荷側に供給された後、カソード（空気極）１６に導かれる。また、(1)式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード（空気極）１６には酸化剤として空気が供給される。カソード（空気極）１６に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成される。

６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …(2)
図１に戻って、このように構成された燃料電池本体１は、燃料電池発電部（セル）１０１に第１の温度検出手段としての温度センサ１０６が設けられている。この温度センサ１０６は、燃料電池発電部１０１のカソード温度を検出するもので、例えば、サーミスタや熱電対からなり、図２に示す燃料電池発電部１０１のカソード(空気極)１６に配置されている。なお、温度センサ１０６は、アノード（燃料極）１３側に設け、アノード温度を検出するようにしてもよい。つまり、温度センサ１０６は、発電部側に設けられていればよい。

燃料電池本体１には、第１の出力制御手段としての１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ（電圧調整回路）２が接続されている。１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２は、不図示のスイッチング要素とエネルギー蓄積要素を有し、これらスイッチング要素とエネルギー蓄積要素により燃料電池発電部１０１で発電された電気エネルギーを蓄積／放出させ、比較的低い出力電圧を十分の電圧まで昇圧して生成される出力を発生する。この場合、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２は、制御部９の指示にしたがって燃料電池発電部１０１の発電電力を可変制御可能にする。制御部９については、後述する。

なお、ここでは標準的な昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータを示したが、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。

１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２には、充電手段として補助電源充電回路３が接続され、この補助電源充電回路３には、補助電源４が接続されている。補助電源充電回路３は、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力により補助電源４を充電するためのもので、制御部９の指示にしたがって充電動作又は停止が設定される。補助電源４は、補助電源充電回路３の出力により充電されるもので、ここでは、充放電可能な蓄電素子(例えばリチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）)や電気二重層コンデンサ）が用いられる。

補助電源４には、第２の出力制御手段としての２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５が接続されている。２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５は、上述した１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２と同じ構成をしたもので、制御部９の指示にしたがって補助電源４の放電電力を可変制御可能にする。

１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２及び２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５は、それぞれの出力端子が共通接続され、これらの共通接続点に負荷６が接続されている。この場合、負荷６は、例えば電子機器の電源である二次電池からなるもので、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２と２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５のそれぞれの出力を加算した電力により充電される。

１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２には、出力検出部７が接続されている。出力検出部７は、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力、つまり燃料電池本体１の発電電力を検出する。

補助電源４には、燃料供給制御回路８が接続されている。燃料供給制御回路８は、補助電源４を電源としてポンプ１０４のオンオフ動作を制御するもので、制御部９の指示に基づいてポンプ１０４による燃料供給量を制御する。

制御部９は、システム全体を制御するもので、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２、補助電源充電回路３、２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５、出力検出部７、燃料供給制御回路８及びメモリ１０が接続されている。ここで、メモリ１０は、予め、充電装置の過去の運転時における充電出力の平均値を記憶している。この場合、メモリ１０に記憶される充電出力の平均値は、所定の期間ごとに更新するようにしてもよい。

制御部９は、移動平均値演算部９０１、コンバータ出力目標値設定部９０２、充電回路入力目標値設定部９０３、コンバータ制御部９０４、充電回路制御部９０５を有している。この場合、これら移動平均値演算部９０１、コンバータ出力目標値設定部９０２、充電回路入力目標値設定部９０３、コンバータ制御部９０４、充電回路制御部９０５は、例えばハードウェアから構成されている。勿論、これらはソフトウェアにより構成することもできる。

移動平均値演算部９０１は、出力検出部７より検出される１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力より移動平均値を演算する。ここでの移動平均値は、一般的な燃料電池の出力変動周期の数倍以上（例えば、２０ｍｉｎ〜６０ｍｉｎ）に設定される移動平均時間内の出力電力の平均値である。コンバータ出力目標値設定部９０２は、メモリ１０に記憶された充電装置の過去の運転時の充電出力の平均値から出力検出部７より検出される１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力を差し引いた結果を２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力目標値として設定し、また、移動平均値演算部９０１より演算される１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力の移動平均値から出力検出部７より検出される１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力を差し引いた結果を２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力目標値として設定する。充電回路入力目標値設定部９０３は、出力検出部７より検出される１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力から移動平均値演算部９０１より演算される１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力の移動平均値を差し引いた結果を補助電源充電回路３の充電入力の目標値として設定する。コンバータ制御部９０４は、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２（又は２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５）の起動又は停止を指示するとともに、コンバータ出力目標値設定部９０２で設定された出力目標値に応じて２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力を制御する。充電回路制御部９０５は、補助電源充電回路３の起動又は停止を指示するとともに、充電回路入力目標値設定部９０３で設定された目標値に応じて補助電源充電回路３の充電入力を制御する。

このような構成において、いま、燃料電池本体１の起動が指示されると、図５、図６及び図７に示すフローチャートが実行される。まず、ステップ５０１で補助電源４の充電状態が充電装置として十分なレベルにあるか否かが判断される。ここで、補助電源４の充電状態が不十分なレベル（Ｎｏ）と判断された場合は、ステップ５０２に進み、補助電源４の充電動作が優先的に行われる。この場合、制御部９により１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２及び補助電源充電回路３が起動され、燃料供給制御回路８に対してポンプ１０４の送液動作が指示される。これにより、燃料電池本体１は、燃料電池発電部１０１より発電電力を発生する。燃料電池発電部１０１の発電電力は、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２で昇圧され、補助電源充電回路３に供給され、補助電源充電回路３を介して補助電源４が所定レベルまで充電される。

一方、ステップ５０１で、補助電源４の充電状態が十分なレベル（Ｙｅｓ）と判断された場合は、ステップ５０３に進み、この時点で燃料電池本体１が発電動作済みかを判断する。ここで、燃料電池本体１が発電動作済みでＹｅｓならば、ステップ５０５に進む。一方、燃料電池本体１が発電動作前でＮｏならば、ステップ５０４で、燃料電池発電部１０１の発電動作を開始する。この場合、制御部９により燃料供給制御回路８に対してポンプ１０４の送液動作が指示され、燃料電池本体１に燃料供給が行われ、燃料電池発電部１０１の発電電力が立ち上げられる。そして、ステップ５０５に進む。

ステップ５０５では、制御部９のコンバータ制御部９０４により１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２及び２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５を順次起動する。また、ステップ５０６で、充電回路制御部９０５により補助電源充電回路３を動作停止状態とする。

次に、ステップ５０７に進み、制御部９は、メモリ１０より充電装置の過去の運転時の充電出力の平均値を読み込み、ステップ５０８に進む。ステップ５０８では、コンバータ出力目標値設定部９０２により、充電装置の過去の運転時の充電出力の平均値から出力検出部７より検出される１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力（燃料電池発電部１０１の発電電力）を差し引き、その結果を２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力目標値として設定する。そして、ステップ５０９に進み、コンバータ制御部９０４によりコンバータ出力目標値設定部９０２で設定された出力目標値に応じて２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力（補助電源４の放電電力）を制御する。

次いで、ステップ５１０で所定の時間（例えば１秒）が経過したかが判断され、ここでＮｏならば、ステップ５１１に進み、燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが規定レベルＬＡ（図４に示す起動運転期間Ａの充電電力ＰＢに相当する）に達したかが判断される。この場合、ステップ５０４で発電動作を開始した燃料電池発電部１０１の発電電力は、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して出力されるが、図４に示す起動運転期間Ａのうち発電開始直後の燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡは、ほぼゼロであり、補助電源４の放電電力に応じた２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力が充電出力ＰＢとして負荷６に供給されている。

ここで、ステップ５１１で、発電電力ＰＡが規定レベルＬＡまで達しておらずＮｏならば、ステップ５０９に戻って、ステップ５０９〜ステップ５１１の動作が行われる。その後、ステップ５１０で、所定時間の経過が判断されると、ステップ５０７に戻り、再び、メモリ１０より充電装置の過去の運転時の充電出力の平均値を読み込み、ステップ５０８で、充電装置の過去の運転時の充電出力の平均値から１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力を差し引いき、この結果から新たな２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力目標値を再設定し、ステップ５０９以降の動作を繰り返す。

このようにして燃料電池本体１の起動運転期間Ａでは、発電開始直後から燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが次第に上昇し（図４参照）、これとともに再設定される出力目標値に応じて２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力が制御される。この場合、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２より出力される燃料電池発電部１０１の発電電力の増加とともに出力目標値は小さくなっていき、２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力は次第に減少するように制御される。これにより、時間経過とともに２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力（補助電源４の放電電力）に代わって１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力（電力燃料電池発電部１０１の発電電力）が充電出力ＰＢとして負荷６に供給されるようになる。

その後、ステップ５１１で、燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが規定レベルＬＡに達したことが判断されると、ステップ５１２の定常運転（図４に示す定常運転期間Ｂ）に移行する。この定常運転期間Ｂでは、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力、つまり燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが充電出力ＰＢとして負荷６に供給される。

この状態で、ステップ５１３でシステムの停止要求の有無を判断し、Ｙｅｓならば、ステップ５３１以降に進む。このステップ５３１以降の動作は、後述する。

一方、ステップ５１３で、Ｎｏならば、ステップ５１４に進み、燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが規定レベルＬＡ（図４に示す定常運転期間Ｂの充電電力ＰＢに相当する）を維持しているか判断する。ここで、Ｙｅｓならば、ステップ５１２に戻って、定常運転が続けられる。一方、ステップ５１４でＮｏならば、ステップ５１５に進む。

ステップ５１５では、発電電力ＰＡの現状を判定する。ここで、例えば、図４のＣに示すように燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが一時的に低下して規定レベルＬＡ以下となったような場合、ステップ５１６に進む。

このステップ５１６では、充電回路制御部９０５により補助電源充電回路３を動作停止状態とし、ステップ５１７に進んで、制御部９のコンバータ制御部９０４により１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２及び２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５をそれぞれ起動する。これらステップ５１６、ステップ５１７の動作は、省略してもよい。

そして、ステップ５１８に進み、移動平均値演算部９０１により１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力の移動平均値を演算する。この場合の移動平均値は、出力検出部７より検出される１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力の、例えば２０ｍｉｎ〜６０ｍｉｎに設定される移動平均時間内の平均値である。

次に、ステップ５１９で、コンバータ出力目標値設定部９０２により、移動平均値演算部９０１より演算された１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力の移動平均値から出力検出部７より検出される１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２（燃料電池発電部１０１の発電電力）の出力電力を差し引き、その結果を２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力目標値として設定する。

そして、ステップ５２０に進み、コンバータ制御部９０４によりコンバータ出力目標値設定部９０２で設定された出力目標値に応じて２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力（補助電源４の放電電力）を制御する。

次いで、ステップ５２１で所定の時間（例えば１秒）が経過したかが判断され、ここでＮｏならば、ステップ５２２に進み、燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが規定レベルＬＡ（図４に示す定常運転期間Ｂの充電電力ＰＢに相当）に達したかが判断される。この場合、燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡは、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して出力されるが、図４のＣに示すように一時的に低下して規定レベルＬＡ以下なので、この間は、燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡの不足分が補助電源４の放電電力により補充され、充電出力ＰＢが負荷６に供給される。

ここで、ステップ５２２で、発電電力ＰＡが規定レベルＬＡまで達しておらずＮｏならば、ステップ５２０に戻って、ステップ５２０〜ステップ５２２の動作が行われる。その後、ステップ５２１で、所定時間の経過が判断されると、ステップ５１８に戻り、再び、移動平均値演算部９０１により１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力の移動平均値を演算し、ステップ５１９で、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力の移動平均値から１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力を差し引き、その結果を２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力目標値を再設定し、ステップ５２０以降の動作を繰り返す。

このようにして、燃料電池本体１の定常運転期間Ｂ中で図４のＣに示すように燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが一時的に低下した期間では、コンバータ出力目標値設定部９０２により設定される出力目標値に応じて２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力が制御される。これにより、燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡの不足分が補助電源４の放電出力により補充されるようになり、燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが一時的に低下したような場合も安定した充電出力ＰＢを負荷６に供給することができる。

その後、ステップ５２２で、燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが規定レベルＬＡまで戻ったことが確認されると、ステップ５１２に戻って、定常運転に移行される。

一方、ステップ５１５で、例えば、図４のＤに示すように燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが一時的に増加して規定レベルＬＡ（図４に示す定常運転期間Ｂの充電電力ＰＢに相当）以上になったことを判定した場合は、ステップ５２３に進む。

ステップ５２３では、充電回路制御部９０５により補助電源充電回路３を動作状態とし、ステップ５２４に進んで、コンバータ制御部９０４により１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２を起動し、続くステップ５２５で２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作を停止する。

そして、ステップ５２６に進み、移動平均値演算部９０１により１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力の移動平均値を演算する。この場合も、移動平均値は、出力検出部７より検出される１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力の、例えば２０ｍｉｎ〜６０ｍｉｎに設定される移動平均時間内の平均値である。

次に、ステップ５２７で、充電回路入力目標値設定部９０３により、出力検出部７より検出される１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力から移動平均値演算部９０１より演算される１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力の移動平均値を差し引き、その結果を補助電源充電回路３の充電入力の目標値として設定する。

そして、ステップ５２８に進み、充電回路制御部９０５により充電回路入力目標値設定部９０３で設定された目標値に補助電源充電回路３の充電入力が一致するように補助電源充電回路３の入力電力を制御する。

次いで、ステップ５２９で所定の時間（例えば１秒）が経過したかが判断され、ここでＮｏならば、ステップ５３０に進み、燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが規定レベルＬＡまで低下したかが判断される。この場合、燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡは、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して出力されるが、図４のＤに示すように一時的に増加して規定レベルＬＡ以上にあるので、この間は、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２より出力される燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡは、負荷６に供給される他に、余剰分が補助電源充電回路３を介して補助電源４に供給され、補助電源４の充電が行われる。

ここで、ステップ５３０で、発電電力ＰＡが規定レベルＬＡまで低下しておらず、Ｎｏならば、ステップ５２８に戻って、ステップ５２８〜ステップ５３０の動作が行われる。その後、ステップ５２９で、所定時間の経過が判断されると、ステップ５２６に戻り、再び、移動平均値演算部９０１により１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力の移動平均値を演算し、ステップ５２７で、１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力の移動平均値から１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力を差し引き、その結果を補助電源充電回路３の充電入力の目標値として再設定し、ステップ５２８以降の動作を繰り返す。

このようにして、燃料電池本体１の定常運転期間Ｂ中で図４のＤに示すように燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが一時的に増加したような期間では、充電回路入力目標値設定部９０３により設定される補助電源充電回路３の充電入力の目標値に、補助電源充電回路３への充電入力が一致するように補助電源充電回路３が制御される。これにより、燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡの余剰分が補助電源充電回路３を介して補助電源４に供給され、補助電源４の充電が行われ、同時に、燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが一時的に増加したような場合も安定した充電出力をＰＢ負荷６に供給することができる。

その後、ステップ５３０で、燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡが規定レベルＬＡに戻ったことが確認されると、ステップ５１２に戻って、定常運転に移行される。

一方、ステップ５１３で、システムの停止要求を判断すると、燃料電池本体１の発電動作を停止し、ステップ５３１に進み、外部出力を禁止する。この場合、負荷６に供給される充電電力ＰＢを強制的に停止する。そして、ステップ５３２で、残留燃料により燃料電池発電部１０１で発電される電力を全て補助電源充電回路３に供給して補助電源４を充電する。この状態では、充電回路制御部９０５により補助電源充電回路３を起動し、コンバータ制御部９０４により１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２を起動するとともに、２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作を停止している。そして、ステップ５３３で、燃料電池発電部１０１の発電電力が所定値以下まで低下するのを待って、全ての回路動作を停止する。

したがって、このようにすれば、燃料電池本体１の起動運転期間Ａでは、メモリ１０に記憶された充電装置の過去の運転時の充電出力の平均値と１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力（燃料電池発電部１０１の発電電力）の差から求められる出力目標値に応じて２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力（補助電源４の放電電力）を制御し、定常運転期間Ｂ以降では、燃料電池発電部１０１の発電電力が一時的に低下して規定レベル以下となった場合、移動平均値演算部９０１により１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力の移動平均値を演算し、この移動平均値と１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２（燃料電池発電部１０１の発電電力）の出力電力の差から求められる出力目標値に応じて２ｎｄＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力（補助電源４の放電電力）を制御し、さらに、燃料電池発電部１０１の発電電力が一時的に増加して規定レベル以上になった場合は、移動平均値演算部９０１により１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電力の移動平均値を演算し、この移動平均値と１ｓｔＤＣ−ＤＣコンバータ２（燃料電池発電部１０１の発電電力）の出力電力の差から求められる充電入力の目標値に応じて補助電源充電回路３の入力電力を制御するようにした。

これにより、燃料電池本体１の起動運転期間Ａでは、燃料電池発電部１０１の発電電力が十分に立ち上がるまで補助電源４の放電電力を有効に利用できるので、負荷６に対して安定した充電出力を発生することができる。また、定常運転期間Ｂ以降も、燃料電池発電部１０１の発電電力が一時的に低下することがあると、燃料電池発電部１０１の発電電力が所定レベルに回復するまで、補助電源４の放電電力を有効利用して燃料電池発電部１０１の発電電力の不足分を補充できるので、このような場合も、負荷６に対して安定した充電出力を発生することができる。さらに、燃料電池発電部１０１の発電電力が一時的に増加することがあっても、燃料電池発電部１０１の発電電力が所定レベルに回復するまで、燃料電池発電部１０１の発電電力の余剰分を補助電源充電回路３を介して補助電源４の充電電力として利用できるので、このような場合も、負荷６に対して安定した充電出力を発生することができる。

また、燃料電池本体１の起動運転期間Ａから定常運転期間Ｂに亘って、燃料電池発電部１０１の発電電力が不足する場合は、補助電源４の放電電力で補い、燃料電池発電部１０１の発電電力が余る場合は、燃料電池発電部１０１の発電電力の余剰分を補助電源４の充電電力として利用するなど、これら燃料電池発電部１０１の発電電力と補助電源４の電力を有効に組み合わせているので、充電装置の充電出力ＰＢに対して燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡの利用できる期間Ａ１１と、利用できない期間Ｂ１１との関係を図８（ｂ）に示すようにでき、同図（ａ）の従来の場合と比べて燃料電池発電部１０１の発電電力ＰＡの利用できる期間を大幅に長くすることができるようになり、システムの運転効率を飛躍的に向上させることもできる。

その他、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。

さらに、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。

さらに燃料電池発電部へ供給される液体燃料の気化成分においても、全て液体燃料の気化成分を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。

１…燃料電池本体、１０１…燃料電池発電部
１０２…燃料収容部、１０３…流路
１０４…ポンプ、１０５…燃料分配機構
２…１ｓｔＤＣ／ＤＣコンバータ、３…補助電源充電回路、
４…補助電源、５…２ｎｄＤＣ／ＤＣコンバータ、６…負荷、
７…出力検出部、８…燃料供給制御回路、９…制御部、
９０１…移動平均値演算部、９０２…コンバータ出力目標値設定部
９０３…充電回路入力目標値設定部、９０４…コンバータ制御部、
９０５…充電回路制御部、１０…メモリ
１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層
１３…アノード、１４…カソード触媒層
１５…カソードガス拡散層、１６…カソード
１７…電解質膜、１８…カバープレート
１９…Ｏリング、２１…燃料注入口
２２…燃料排出口、２３…燃料分配板
２４…空隙部

Claims (5)

1. 燃料供給により電力を発電し負荷に供給する燃料電池本体と、
   前記負荷に供給される前記燃料電池本体の発電電力を可変制御可能にする第１の出力制御手段と、
   前記燃料電池本体とともに前記負荷に電力を供給可能にした補助電源と、
   前記負荷に供給される前記補助電源からの電力を可変制御可能にする第２の出力制御手段と、
   前記補助電源への充電手段と、
   前記燃料電池本体による前記負荷に対する供給電力の不足分を前記第２の出力制御手段により補助電源からの電力を可変制御することで補充可能とし、前記燃料電池本体による前記負荷に対する供給電力の余剰分を前記充電手段に入力される電力を可変制御することで前記補助電源に充電電力として供給可能とする制御手段と、
   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、前記第１の出力制御手段の出力電力の移動平均値と前記第１の出力制御手段の出力電力の差を前記第２の出力制御手段の出力目標値に設定し、該出力目標値に基づいて前記第２の出力制御手段により前記補助電源からの電力を可変制御す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。
3. 前記制御手段は、前記第１の出力制御手段の出力電力と前記第１の出力制御手段の出力電力の移動平均値の差を前記第１の出力制御手段の出力目標値に設定し、該出力目標値に基づいて前記充電手段に入力される電力を可変制御して前記補助電源に充電電力として供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. さらに、前記制御手段は、前記燃料電池本体の起動運転時、該燃料電池本体の発電電力が所定値に達するまで前記第２の出力制御手段により前記補助電源からの電力を可変制御し前記負荷に対する供給電力の不足を補充可能にしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一記載の燃料電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか一記載の燃料電池システムを充電電源として負荷を充電可能にした充電装置。

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