JP4459266B2 - 燃料電池装置、および燃料電池装置の制御方法 - Google Patents

燃料電池装置、および燃料電池装置の制御方法 Download PDF

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Description

本発明はパーソナルコンピュータのような電子機器で用いられる燃料電池装置の制御方法、および燃料電池装置の制御方法に関する。
従来、ノート型パーソナルコンピュータ等の携帯型電子機器においては、リチウムイオン電池がバッテリとして用いられている。最近では、携帯型電子機器においても、リチウムイオン電池に代わる新たな電源ソースとして、ＤＭＦＣ（direct methanol fuel cell）のような燃料電池が注目されている。
ＤＭＦＣのような燃料電池は、その出力電流値の増加に伴って出力電圧値が低下するという特徴を有している。このため、燃料電池の出力電力値は、燃料電池の出力電圧値がある所定値の時にピークとなる。したがって、燃料電池を電源ソースとして使用するスイッチング電源回路の多くは、燃料電池の出力電力を有効利用するための１手段として、燃料電池の出力電圧値を予め決められた基準電圧値に一致させるための定電圧制御モードで動作するように構成されているものがある（特許文献１）。
特開２００５−５６７６４号公報
上述した装置では、燃料電池の運転時間が増加するに伴って、スタック出力電流の変化に伴い排出水が増加し、水の回収機構が必要となる。
本発明の目的は、水の回収機構を省略することが可能な燃料電池装置を提供することにある。
本発明の一例に係わる燃料電池装置は、アクティブ型ダイレクトメタノール方式のセルスタックと、前記セルスタックの出力電圧が入力され、前記セルスタックの出力電圧が下限電圧値より大きく、且つ前記セルスタックの出力電流の値が前記セルスタックのアノードからカソードへプロトン１個が移動するときに前記アノードから前記カソードに移動する水の量に対応する係数が最小値をとるときの第１の電流値以下、且つ前記第１の電流値より小さく水回収機構が不要となる前記係数の値に対応する第２の電流値以上になるように前記セルスタックの出力電流を制御するＤＣ−ＤＣコンバータと、を具備することを特徴とする。
本発明によれば、水の回収機構を省略することが可能になる。
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置を含む電子機器のシステム構成を説明する。この燃料電池装置は、例えば、パーソナルコンピュータのような携帯型の電子機器内に設けられており、電子機器内の各コンポーネントに動作電源として供給されるべき出力電力を生成する。
燃料電池は、例えば、ＤＭＦＣのような燃料電池から構成されている。これら燃料電池の運転制御は、システム制御マイコンユニット（ＭＰＵ）２によって実行される。燃料電池がアクティブ型ダイレクトメタノール（ＤＭＦＣ）方式のセルスタックである場合には、システム制御マイコンユニット２は、燃料タンク、混合タンク、ポンプ、のような補機装置の制御を行い、燃料電池の発電を一括して制御する。
電流検出回路５は燃料電池スタック１の出力電流を測定する。電流検出回路５は、測定値をＭＣＵ２および誤差増幅回路６に送信する。誤差増幅回路６は、電流検出回路５の測定値とＭＣＵ２から出力される定電流指令信号との差を演算し、その差を増幅してフィードバック切替回路８に送信する。
誤差増幅回路７は、燃料電池スタック１の出力が入力される。誤差増幅回路７は、ＭＣＵ２から出力される下限電圧値指令信号と燃料電池スタック１の出力電圧値との電位差を検出する。誤差増幅回路７は、検出した電位差を増幅してフィードバック切替回路８に送信する。
ＭＣＵ２は、ＤＣ／ＤＣ制御回路４に制御指令信号を送信する。ＤＣ／ＤＣ制御回路４は、ＭＣＵ２から送信された制御指令信号、およびフィードバック切替回路８から送信された信号に応じてＤＣ／ＤＣ主回路３を制御するための制御信号をＤＣ／ＤＣ主回路３に出力する。
ＤＣ／ＤＣ制御回路４は、制御指令信号として誤差増幅回路６または誤差増幅回路７が出力する誤差信号の電圧の大小に応じて異なるデューティ比のパルス信号をＤＣ／ＤＣ主回路３に入力する。ＤＣ／ＤＣ主回路３は、スイッチング型の変圧回路であり、スイッチ素子を有する。ＤＣ／ＤＣ主回路３は、制御指令信号に応じてスイッチ素子のオン、オフを切り替える。その結果、ＤＣ−ＤＣ主回路は、燃料電池スタック１の出力電流を制御することが出来る。
ＤＣ／ＤＣコンバータとしてのＤＣ／ＤＣ主回路３は、燃料電池スタック１の出力が入力され、燃料電池スタック１の出力電圧が下限閾値Ｖtより大きく、且つ燃料電池スタック１の出力電流の値がＩ1からＩ2（＜Ｉ1）の間になるように出力電流を制御する。
より具体的には、フィードバック切替回路８から送信された信号に応じて、燃料電池スタック１の出力電力に対して定電流制御または定電圧制御を行うように動作する。
燃料電池スタック１の出力は、ＤＣ／ＤＣ主回路３に入力される。ＤＣ／ＤＣ主回路３の出力はＭＣＵ２に入力されると共に、ダイオードｏｒ回路１０のダイオード１０Ａを介して負荷１１８に入力される。また、バッテリ９の出力は、ダイオードｏｒ回路１０のダイオード１０Ｂを介して負荷１１８に入力される。
なお、バッテリ９、およびダイオードＯＲ回路１０は負荷１１８となる装置内に実装されるものを示している。
上記誤差増幅回路６、７、フィードバック切替回路８、電流検出回路５、ＤＣ／ＤＣ制御回路４の構成例を図２に示す。
図２に示すように、電流検出回路５は、抵抗Ｒ51、抵抗Ｒ51の電位差を測定するオペアンプＯＰ5と、抵抗Ｒ52、およびキャパシタＣ5によるフィルタ回路から構成されている。オペアンプＯＰ5の出力はＲ52を介して誤差増幅回路６のオペアンプＯＰ6の＋側に入力されている。
誤差増幅回路６は、抵抗Ｒ61、オペアンプＯＰ6、キャパシタＣ5、および抵抗Ｒ62から構成されている。定電流値指令信号が抵抗Ｒ61を介してオペアンプＯＰ6のマイナス側に入力されている。オペアンプＯＰ6の出力と抵抗Ｒ61とオペアンプＯＰ6のマイナス側との間にキャパシタＣ5、および抵抗Ｒ62の直列回路が並列に接続されている。
誤差増幅回路７は、抵抗Ｒ71、オペアンプＯＰ7、キャパシタＣ5、抵抗Ｒ72、および抵抗Ｒ73から構成されている。下限電圧値指令信号が抵抗Ｒ71を介してオペアンプＯＰ7のプラス側に入力されている。スタックの出力が抵抗Ｒ71、および抵抗Ｒ73の直列回路に接続されている抵抗Ｒ73のスタックの入力側と他端側はアースに接続されている。スタックの出力が抵抗Ｒ71を介してオペアンプＯＰ7のマイナス側に接続されている。オペアンプＯＰ7の出力と、抵抗Ｒ71とオペアンプＯＰ7とのマイナス側との間にキャパシタＣ5、および抵抗Ｒ72の直列回路が並列に接続されている。
フィードバック切替回路は８、ダイオードＤ81、およびダイオードＤ82から構成されている。誤差増幅回路６の出力がフィードバック切替回路８のダイオードＤ81を介してＤＣ／ＤＣ制御回路４に入力されている。誤差増幅回路７の出力がフィードバック切替回路８のダイオードＤ82を介してＤＣ／ＤＣ制御回路４に入力されている。
本装置は、燃料電池スタック１の発電特性に応じて、定電流制御と定電圧制御とが行われる。定電流制御と定電圧制御について説明する前に、水移動係数について説明する。
水移動係数とは、燃料電池スタック１のアノードからカソードへプロトン１個が移動するときにアノードからカソードに移動してしまう水の量に関する係数である。特に携帯用燃料電池装置では水の排出が問題となるためこの係数を下げることが望ましい。
燃料電池スタック１の水移動係数の適切な範囲はスタック材料、発電制御等により設定されるが、スタックの出力電流の変化が当初に設定された水移動係数の変動に大きく関与し、発電時間の経過とともに変化するスタックのアノードからカソードへ抜ける水の量を制御できず水回収機構が必要となる。
本装置は、燃料電池スタック１の出力電流を制御して水移動係数を所定の範囲内に収まるよう制御することによって、水回収機構を不要としている。
ここで示す水移動係数の所定の範囲とは図３に示す燃料電池スタック１の電流-水移動係数曲線より割り出される。ここでは燃料電池システム側からの要求であるα1からα2の間に水移動係数を収めることとする。このα1とα2より必然的に電流の制御可能範囲(Ｉ1〜Ｉ2)も決まる。なお、本範囲においては水移動係数が最も低いＩ1の電流値による定電流制御がシステム設計上好ましい。
上記定電流制御に加え、定格発電中のスタック出力電圧に下限電圧を設け、燃料電池スタック１の発電特性が変化しても、これを下回らないよう制御回路機構を設けることによりスタック転極、劣化に対する安全性を向上させることが制御として必要となる。
ここでいうスタック下限電圧とはセル一枚の下限電圧を加算していくものであって、数値例としてはセル一枚の下限電圧は０．３Ｖというのがひとつの指標となる。よって、スタックのセル構成枚数が１０枚であれば３Ｖ、２０枚であれば６Ｖとセルの枚数に応じてスタックの下限電圧は決定される。
次に、図４を用い、燃料電池スタック１の定電流制御から、燃料電池スタック１の発電特性が変わり、定電圧制御を必要とする場合の制御の遷移方法について説明する。
燃料電池スタック１のセル枚数で決定されるスタック下限電圧値ＶtLを初期に設定する。次にスタックが何らかの理由で特性変化（カソードフラッディング等）を起こし、急激な出力電圧低下が発生したとき、図３説明時に決められた電流値Ｉ1による定電流制御はスタック下限電圧値(ＶtL)による下限電圧制御に移行する。このように定電流制御状態から下限電圧制御状態へ移行した場合、スタック定電流設定値はΔＩt分減らした値に設定され、下限電圧制御状態が解除されるまでこのデクリメントは行われる。なお、下限電圧制御状態はスタック電圧Vtがスタック下限電圧値ＶtLより僅かに高い閾値ＶtL'を下回ったことにより検出する。
なお、この設定されるスタック電流値Ｉtは必ずＩ2≦Ｉt≦Ｉ1の関係を満たさなくてはならない。その関係が満たせない場合は運転停止もしくは復帰処理を別途行わなくてはならない。
次に、定格発電動作について説明する。電流検出回路５によりスタック出力電流を検出し、その検出したスック出力電流値とＭＣＵ２の定電流値指令値Ｉtを誤差増幅回路６により比較しその誤差を増幅する。このとき、ＤＣ／ＤＣ主回路３の出力電圧が回路により設定されている上限電圧値より低く、且つスタック１の出力電圧がＭＣＵ２の下限電圧値指令信号出力により設定されている下限電圧値ＶtL'を上回っている場合、フィードバック切替回路８は、定電流制御用の誤差増幅回路６の出力信号を選択しＤＣ／ＤＣ制御回路４に入力する。これにより、スタック１の出力電流をＭＣＵ２より出力される定電流値指令信号に追従する負帰還制御系を構成し、スタック出力電流はＭＣＵ２により指定される値へ収束し定電流制御状態となる。これによりスタック内の水移動係数を所定の範囲内に保つことができる。
次に、上記制御状態にて運転中にスタック電圧が低下し、ＭＣＵ２から誤差増幅回路７に出力されているスタック下限電圧値指令信号に達すると、スタック電圧値と前記スタック下限電圧指令値を比較しその誤差を増幅して出力する誤差増幅回路７の出力がフィードバック切替回路８に入力され、この瞬間フィードバック切替回路８は下限電圧制御用の誤差増幅回路７の出力をＤＣ／ＤＣ制御回路４へ入力し、誤差増幅回路６の出力を遮断する。これにより、スタック出力電流一定制御系の負帰還ループはスタック出力電圧一定制御系の負帰還ループへ切り替わる。
このとき、スタックの発電状態変化よりも誤差増幅回路６、７の応答速度の方が遙かに速いため、前記負帰還ループの切り替わりは遅延無く移行すると見なすことができ、よってスタック電圧はＭＣＵ２により指定されるスタック下限電圧指令値を下回ることなくその一定値へ収束し、スタックの転極現象に対する安全性を確保することができる。
次に、負荷消費電力とスタック発電電力の関係による制御動作について説明する。
スタック発電電力≦負荷消費電力の定格発電状態ではＤＣ／ＤＣ主回路３の出力電力は概ね一定となるため負荷消費電力が増加するにつれＤＣ／ＤＣ主回路３の出力電圧は低下する。そこで定格出力電圧範囲がＤＣ／ＤＣ主回路３の出力電圧の範囲内であるバッテリ９を互いに電流吸い込みを阻止するダイオードｏｒ回路１０を介して並列接続することによりＤＣ／ＤＣ主回路３の出力電力が不足する場合、バッテリ９とＤＣ／ＤＣ主回路３の並列給電となる。負荷消費電力がスタックの発電電力と等しい場合、ＤＣ／ＤＣ主回路３の出力電圧はバッテリ９の供給電圧より高い状態となりバッテリ９から負荷へ電力供給は行われない。また、負荷消費電力＜スタック発電電力の場合は、ＤＣ／ＤＣ主回路３の出力電圧が上昇し回路により設定された上限電圧値に制御される。つまり、フィードバック切替回路８はＤＣ／ＤＣ主回路３の出力電圧のフィードバックを選択しそれをＤＣ／ＤＣ制御回路４へ入力し、ＤＣ／ＤＣ主回路３は出力定電圧制御状態となる。
上記スタック電流の設定およびその条件判断、復帰処理、運転停止に関する制御はスタック発電制御全般を担うマイクロコンピュータにより行われ、図５のフローチャートに示す。また、図６にスタックの出力電流および出力電圧の例を示す。
運転を開始すると、スタック出力電流値が０からＩ1の間まで、発電起動処理を行う(ステップＳ１１）。発電起動時は、ＭＣＵ２からの定電流値指令出力信号に基づき段階的にスタック出力電流設定値を引き上げ、定格発電状態へ移行する。発電起動処理が終了すると、スタックの出力電圧を監視しつつ、スタックの設定出力電流Ｉt（初期値はＩ1）となるように定電流制御を行う(ステップＳ１２)。スタックの出力電圧Vtがスタック下限電圧閾値ＶtL'より以下になった場合(ステップＳ１２のＹＥＳ)、スタックの設定出力電流ＩtをＩt−ΔＩtにする（ステップＳ１３）。
新たな設定出力電流Ｉtが運転範囲の上限電流値Ｉ2以上であるか否かを判別する（ステップＳ１４）。上限電流値Ｉ2以上であると判断した場合（ステップＳ１４のＹＥＳ）、設定出力電流ＩtをステップＳ１３で求めた値に更新する（ステップＳ１５）。
ステップＳ１４において、上限電流値Ｉ2以上ではないと判断した場合（ステップＳ１４のＮＯ）、運転停止若しくは復帰処理を行うか否かを決定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１６における決定が運転停止であるか否かを判別する（ステップＳ１７）。運転停止ではないと判断した場合（ステップＳ１７のＮＯ）、復帰処理を行う（ステップＳ１８）。
復帰処理について簡単に説明する。復帰処理では、スタックの負荷を遮断し（スタック出力電流＝０［Ａ］）、スタックの各セルに発生している電圧が十分低下（０．１Ｖ程度）するまでスタックへのエアー供給を停止する。その後エアー供給を開始し、スタックの電圧が十分上昇した後、定格負荷運転可能とする。その間は約３０秒程度である。通常、約一時間に１回上記処理が必要になる。復帰処理では、セル内部の触媒の還元を促すことが目的である。
ステップＳ１７において運転停止であると判断した場合（ステップＳ１７のＹＥＳ）、運転を終了する。
本装置によれば、スタックの出力電流をスタックの発電制御状態に応じた所定の値に設定することにより定格発電中において水移動係数を一定に維持し経時的な排出水の増加を抑えられるため、水の回収機構を省略し燃料電池システムを簡素化することができる。一方、発電起動時および定格電力発電中にいてスタック電圧がその下限電圧値を下回らないよう十分高速な制御の移行が可能であり、スタックの転極現象等が防止されることにより故障、劣化に対し安全に発電制御が可能となる。また、ピーク負荷消費電力がスタック発電電力を上回る場合は不足分はバッテリより供給されるため、負荷消費電力が平均値に比べピーク値が比較的大きな特性をもつ負荷装置に適しており、燃料電池装置を小型化することができる。
なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
本発明の一実施形態に係わる燃料電池装置を含む電子機器のシステム構成を示す図。 誤差増幅回路、フィードバック切替回路、電流検出回路、およびＤＣ／ＤＣ制御回路の構成例を示す回路図。 燃料電池スタック１の電流-水移動係数曲線を示す図。 スタックの電流-電圧曲線（I-V曲線）を示す図。 燃料電池の制御の手順を示すフローチャート。 スタックの出力電流および出力電圧の例を示す図。
符号の説明
１…燃料電池スタック，２…システム制御マイコンユニット，３…ＤＣ／ＤＣ主回路，４…ＤＣ／ＤＣ制御回路，５…電流検出回路，６…誤差増幅回路，７…誤差増幅回路，８…フィードバック切替回路，９…バッテリ，１０…ダイオードＯＲ回路。

Claims (9)

  1. アクティブ型ダイレクトメタノール方式のセルスタックと、
    前記セルスタックの出力電圧が入力され、前記セルスタックの出力電圧が下限電圧値より大きく、且つ前記セルスタックの出力電流の値が前記セルスタックのアノードからカソードへプロトン１個が移動するときに前記アノードから前記カソードに移動する水の量に対応する係数が最小値をとるときの第１の電流値以下、且つ前記第１の電流値より小さく水回収機構が不要となる前記係数の値に対応する第２の電流値以上になるように前記セルスタックの出力電流を制御するＤＣ−ＤＣコンバータと、を具備することを特徴とする燃料電池装置。
  2. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、
    前記セルスタックの出力電流の値が前記第１の電流値以下、且つ前記第２の電流値以上の第３の電流値となるように定電流制御を行い、
    前記定電流制御する間に前記セルスタックの出力電圧値が前記下限電圧値に近づいたら、前記セルスタックの出力電圧を定電圧制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
  3. 前記定電圧制御中に当該定電圧制御の前に行われていた前記定電流制御で用いられていた前記第３の電流値を前記第１の電流値以下、且つ前記第２の電流値以上の電流値に変更するための制御回路を更に具備することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
  4. 前記セルスタックの出力電流の値が前記第２の電流値、且つ前記下限電圧値に近づいたら、復帰処理を行う第２制御回路を更に具備することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
  5. アクティブ型ダイレクトメタノール方式のセルスタックを有する燃料電池装置の制御方法であって、
    前記セルスタックの出力電圧が入力され、前記セルスタックの出力電圧が下限電圧値より大きく、且つ前記セルスタックの出力電流の値が前記セルスタックのアノードからカソードへプロトン１個が移動するときに前記アノードから前記カソードに移動する水の量に対応する係数が最小値をとるときの第１の電流値以下、且つ前記第１の電流値より小さく水回収機構が不要となる前記係数の値に対応する第２の電流値以上になるように前記セルスタックの出力電流を制御して電力変換を行うことを特徴とする燃料電池装置の制御方法。
  6. 前記セルスタックの出力電流の値が前記第１の電流値以下、且つ前記第２の電流値以上の値の第３の電流値となるように定電流制御を行い、
    前記定電流制御中に前記セルスタックの出力電圧値が前記下限電圧値に近づいたら、前記セルスタックの出力電圧を定電圧制御することを特徴とする請求項５記載の燃料電池装置の制御方法。
  7. 前記定電圧制御中に前記定電圧制御の前に行われていた前記定電流制御で用いられていた前記第３の電流値を前記第１の電流値以下、且つ前記第２の電流値以上の電流値に変更することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池装置の制御方法。
  8. 前記セルスタックの出力電流の値が第２の電流値、且つ前記下限電圧値に近づいたら、復帰処理を行うことを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池装置の制御方法。
  9. アクティブ型ダイレクトメタノール方式のセルスタックと、前記セルスタックの出力電圧が入力され、前記セルスタックの出力電圧が下限電圧値より大きく、且つ前記セルスタックの出力電流の値が前記セルスタックのアノードからカソードへプロトン１個が移動するときに前記アノードから前記カソードに移動する水の量に関する係数が最小値をとるときの第１の電流値以下、且つ前記第１の電流値より小さく水回収機構が不要となる前記係数の値に対応する第２の電流値以上になるように前記セルスタックの出力電流を制御するＤＣ−ＤＣコンバータとを有する燃料電池装置と、
    前記燃料電池装置の出力が入力される負荷と
    を具備することを特徴とする電子機器。
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