JP4892303B2 - 燃料電池システムの起動方法および燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料が供給されることにより発電する燃料電池を備える燃料電池システムの起動方法、および燃料電池システムに関する。

近年、携帯電話に代表される携帯機器の消費電力は、機器の高機能化に伴い、増加の一途をたどっており、電源の容量の向上が大きな課題となっている。かかる状況の下、高エネルギー密度の小型エネルギー電源として、燃料電池が注目されている。

燃料電池は、電解質を二種類の電極が挟持してなり、燃料極で水素、或いはメタノール等の燃料を酸化し、酸素極で大気中の酸素を還元することにより、電気を発生させる。燃料電池の中でも、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は室温付近での発電が可能であることと、出力密度が高く小型化が可能であることから、携帯機器用の電源としての応用が期待されている。

電源として燃料電池を用いる場合、１つの燃料電池セルの実用的な動作電圧は０．３〜０．５Ｖ付近である。そこで、実用的な負荷に必要な電圧を得る為に、必要な数だけセル
を直列に接続して所定の高い出力電圧を得ている。

このように、燃料電池のセルを直列に接続することによって、高電圧・高出力の燃料電池が得られるが、複数のセルを直列接続して用いる場合には、各セルの出力のバラツキに起因してセルの集合体としての燃料電池の発電性能が悪化する。

また、燃料電池の起動時においては、外部負荷がモータや容量性の負荷を有する場合等、燃料電池からラッシュカレントが流れ、セル電圧が急激に低下し転極状態を引き起こしやすい。

特に、燃料電池システムが長期間停止状態の後に発電を開始する場合、電解質膜の乾燥等により、燃料電池を構成するセルの内部抵抗の増加等により出力特性が低下し、燃料電池システムの起動初期は定格電力が得られない。さらに、内部抵抗の増加や燃料供給のばらつきなどにより、複数あるセルのうち一部のセルが転極し、セルが著しく劣化する問題があった。

そこで、燃料電池の発電状態をモニターし、モニター結果が制御用テーブルから許容し得る最低のしきい値よりも小さい場合は、燃料電池の出力電流を制限し、セルの劣化を未然に防ぐ制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７―２７２７３６号公報（第４頁、第１図）

燃料電池を劣化から保護する為には、燃料電池から電力を取り出す前に、燃料電池のセルの劣化を未然に防ぐ制御装置を動作させる必要がある。しかし、セルの劣化を未然に防ぐ制御装置を動作させる電力を得る為に、燃料電池から電力を取り出すと、その動作中にはセルの劣化を防止することは不可能である。また、セルの劣化を未然に防ぐ制御装置を動作させる為にシステム内部に蓄電手段等を設けることも可能であるが、蓄電手段等が過放電状態のときは、蓄電手段から電力を取り出すことは不可能であるので、セルの劣化を未然に防ぐ制御装置を動作させてから燃料電池から出力を得ることは不可能である。よって、いかなる状況下においても、燃料電池システムの起動時には、確実に燃料電池を劣化から保護する手段を動作させる必要があり、さもなければ燃料電池システムの起動時に燃料電池が過負荷状態となったり転極したりなどしてセルが劣化してしまい、燃料電池システムの寿命が短くなり、また燃料電池システムの長期的信頼性が低下する問題がある。

本発明では、この種の問題を解決するものであり、簡単な起動時の工程および構成で、燃料電池システムの起動時における燃料電池を構成するセルの劣化の原因となる現象から燃料電池を確実に保護する燃料電池システムの起動方法および燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、
燃料の供給によって発電を行う複数のセルから構成される燃料電池と、燃料電池を保護する燃料電池保護手段と、燃料電池の出力を入力とする１つ以上の電圧変換装置を備え、燃料電池保護手段は燃料電池あるいは電圧変換装置の少なくともどちらか一方から電力供給を受け、電圧変換装置の出力電力を負荷へ供給する燃料電池システムの起動方法において、燃料電池システムの起動時に、燃料電池へ燃料の供給開始後に燃料電池を構成するセルのうち１つのセルの出力を源に燃料電池保護手段を動作させる工程と、燃料電池保護手段が動作後に燃料電池保護手段が発信する信号を基に電圧変換装置を起動させることにより、燃料電池の劣化の原因となる転極や過負荷などを回避する。ここで、燃料電池保護手段は、燃料電池を転極や過負荷などのセルの劣化となる現象を防止したり回避したりする機能を有していれば良い。ここで電圧変換装置とは、電圧変換装置に入力された直流電圧を調整し、安定化した電圧を出力する回路であって、安定化した電圧は直流電圧でも交流電圧でも良い。

電圧変換装置の起動後は、燃料電池保護手段の電源を電圧変換装置から得るように電源を切り換えることにより、燃料電池を構成するそれぞれのセルの負荷を均一にすることが可能である。

燃料電池保護手段の電源は、１つのセルの出力を源とすることにより、燃料電池保護手段を動作させ、電源としたセルは転極を起こすことはない。

燃料電池は、セルが少なくとも直列接続されており、燃料電池システムの起動時に燃料電池保護手段へ電力を供給するセルは、燃料電池を構成する直列接続されたセルのうち、接地電位電極をセルのマイナス極とする１つのセルとすることにより、安定した出力を得ることが可能である。

また、燃料電池システムの起動時に燃料電池保護手段へ電力を供給する１つのセルは、燃料電池を構成する直列接続されたセルのうち、接地電位に対して最も正に電位差が大きい電極あるいは、最も負に電位差が大きい電極を有するセルのうち１つのセルであっても良い。

また、燃料電池は、複数のセルが少なくとも直列接続され第一の電圧変換装置に電力を供給可能な主系統と主系統とは別のセルを有し、燃料電池システムの起動時に燃料電池保護手段へ電力を供給するセルは、主系統とは別のセルのうち１つのセルを選択することによっても同等の効果が得られる。
また、燃料電池の構成は、直列接続されたセル群が１つであっても良いし、複数あっても良い。

また、燃料電池セルの出力のみでは燃料電池保護手段を起動し駆動させることが出来ない場合は、第二の電圧変換装置を用い、第二の電圧変換装置には燃料電池を構成する複数のセルのうちひとつのセルを接続し、第二の電圧変換装置の出力によって燃料電池保護手段を動作させる。

すなわち、燃料の供給によって発電を行う複数のセルから構成される燃料電池と、燃料電池を保護する燃料電池保護手段と、燃料電池の出力を入力とする第一の電圧変換装置と、第二の電圧変換装置を備え、燃料電池保護手段は第二の電圧変換装置あるいは第一の電圧変換装置の少なくともどちらか一方から電力供給を受け、第一の電圧変換装置の出力電力を負荷へ供給する燃料電池システムの起動方法において、燃料電池システムの起動時に、燃料電池へ燃料の供給開始後に燃料電池を構成するセルのうち１つのセルの出力を用い第二の電圧変換装置を動作させる工程と、第二の電圧変換装置の起動後に、第二の電圧変換装置の出力を用いて燃料電池保護手段を動作させる工程と、燃料電池保護手段が動作後に燃料電池保護手段が発信する信号を基に第一の電圧変換装置を起動させる工程と、第一の電圧変換装置の起動後に、燃料電池保護手段への電力供給を第二の電圧変換装置の出力から第一の電圧変換装置の出力に切り換える工程と、燃料電池保護手段への電力供給を第二の電圧変換装置の出力から第一の電圧変換装置の出力に切り換えた後に、第二の電圧変換装置の動作を停止することにより、燃料電池の劣化の原因となる転極や過負荷などを回避する。

燃料電池保護手段や第一の電圧変換装置の電源は第二の電圧変換装置から得ることとし、第一の電圧変換装置が起動した後は、燃料電池保護手段や第一の電圧変換装置の電源を第一の電圧変換装置から得る。

そのときの第二の電圧変換装置に接続され第二の電圧変換装置へ電力を供給するセルは、少なくとも直列接続された燃料電池の、接地電位電極をセルのマイナス極とする１つのセルを選択することによって、第二の電圧変換装置を安定的に動作させることが可能である。

また、第二の電圧変換装置に接続され第二の電圧変換装置へ電力を供給するセルを、少なくとも直列接続された燃料電池のセルにおいて、接地電位に対して、最も負に電位差が大きい電極あるいは、最も正に電位差が大きい電極を有するセルのうち１つのセルを用いることによって、燃料電池保護手段にとっては、接地電位に対して電位差を大きく得ることが可能となるので、燃料電池保護手段の動作の安定化や、燃料電池保護手段を構成する最低動作電圧の高い電子素子類を動作させることが可能となる。

また、燃料電池が、少なくとも複数のセルのうち一部のセルが直列接続されている場合は、第二の電圧変換装置に接続され第二の電圧変換装置へ電力を供給する１つのセルは、直列接続を構成するセルとは異なる１つのセルであってもよい。また、第二の電圧変換装置の出力を用いて第一の電圧変換装置を動作させても良い。

このような起動方法を実現する為に、燃料電池システムとしては、燃料の供給によって発電を行う複数のセルから構成された燃料電池と、燃料電池を保護する燃料電池保護手段と、燃料電池の出力を入力とする１つ以上の電圧変換装置とを備え、燃料電池保護手段の電源には、燃料電池を構成する複数のセルのうち１つのセルの出力を源とした電力が入力され、燃料電池保護手段は燃料電池の出力状態を表す信号を出力する状態信号出力端子を備え、状態信号出力端子は電圧変換装置に接続され、電圧変換装置は、状態信号出力端子からの入力信号を基に動作を切り換え、燃料電池保護手段が動作後に電圧変換装置が起動することによって、燃料電池の劣化の原因となる転極や過負荷などを回避する構成を得る。

１つのセルの出力のみで、燃料電池保護手段や電圧変換装置を駆動させることができない場合は、燃料の供給によって発電を行う複数のセルから構成された燃料電池と、燃料電池を保護する燃料電池保護手段と、燃料電池の出力を入力とする第一の電圧変換装置と、第二の電圧変換装置とを備え、第二の電圧変換装置の入力には燃料電池を構成する複数のセルのうち１つのセルが接続され、燃料電池保護手段は燃料電池の出力状態を表す信号を出力する状態信号出力端子を備え、状態信号出力端子は第一の電圧変換装置に接続され、第一の電圧変換装置は、状態信号出力端子からの入力信号を基に動作を切り換え、燃料電池保護手段が動作後に燃料電池保護手段が発信する信号を基に電圧変換装置が起動し、第一の電圧変換装置の出力電力を負荷へ供給する。第二の電圧変換装置に接続され第二の電圧変換装置へ電力を供給するセルは、少なくとも直列接続された燃料電池の、接地電位電極をセルのマイナス極とする１つのセルを選択することによって、第二の電圧変換装置を安定的に動作させることが可能である。

また、第二の電圧変換装置に接続され第二の電圧変換装置へ電力を供給するセルを、少なくとも直列接続された燃料電池のセルにおいて、接地電位に対して、最も負に電位差が大きい電極あるいは、最も正に電位差が大きい電極を有するセルのうち１つのセルを用いることによって、燃料電池保護手段にとっては、接地電位に対して電位差を大きく得ることが可能となるので、燃料電池保護手段の動作の安定化や、燃料電池保護手段を構成する最低動作電圧の高い電子素子類を動作させることが可能となる。

また、燃料電池が、少なくとも複数のセルのうち一部のセルが直列接続されている場合は、第二の電圧変換装置に接続され第二の電圧変換装置へ電力を供給する１つのセルは、直列接続を構成するセルとは異なる１つのセルであってもよい。第二の電圧変換装置の出力を用い、燃料電池保護手段だけでなく第一の電圧変換装置を駆動させても良い。

第二の電圧変換装置は、動作切換信号入力端子を有し、動作切換信号入力端子に入力される信号によって第二の電圧変換装置の動作を切り換える。第二の電圧変換装置には、動作を切り換える際、例えば第二の電圧変換装置の動作を停止させる為に入力信号に対してしきい値を設定する。

燃料電池保護手段や、第二の電圧変換装置等の電子機器類を１つのセルのみの出力を用いて動作させることによって、そのセルは転極を起こすことはない。なぜなら、少なくとも、１つのセルに接続された電子機器類には、最低駆動電圧がある為、セルの出力電圧がその電圧値以下となれば、その電子機器類の動作が停止し、電力を必要としなくなる為、電子機器類に接続されたセルは転極状態にはならない。また、セルから電力を取り出そうとした際に、燃料電池電圧が低下し、転極状態となる直前にセル電圧が０Ｖとなるときには、出力される電力も０Ｗになり、それ以上電力を取り出すことは不可能であるから、セルは０Ｖ以下にはならず、転極を起こさない。

よって、起動時において、燃料電池保護手段を１つのセルのみの電力を用いることによって、そのセルは転極することがなく、かつ他のセルは燃料電池保護手段によって転極等から保護される。燃料電池保護手段が１つのセルのみの電力では動作できない場合は、第二の電圧変換装置を用い、燃料電池保護手段を動作させるが、第二の電圧変換装置の電源も同様に１つのセルの電力のみを用いることによって、セルは転極を起こすことはなく、また、その他のセルは燃料電池保護手段によって転極等から保護される。

本発明によれば、燃料電池システムの起動時において、電圧変換装置が起動する際には確実に燃料電池を劣化から保護する燃料電池保護手段が起動しているので、システム起動時のラッシュカレントの発生やセル電極の不具合などによって生じるセルの過負荷や転極等を防ぐことが可能となる。これにより、燃料電池システムの起動時においてもセルの劣化を防ぐことが可能となるので、いかなる状況下であっても燃料電池を劣化させることがなく、燃料電池システムの長寿命化が可能となり、また燃料電池システムの長期的信頼性が向上する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

一般に、燃料電池として、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いる場合、燃料電池の燃料となる水素は、液体水素、水素ガス、又は水素原子のいずれかの状態で、高圧ボンベ、水素吸蔵合金、カーボンナノチューブやフラーレンなどの炭素材料等からなる群の少なくとも１種類以上の手段により貯蔵する。一方、アルコールや無機ケミカルハイドライドや有機ケミカルハイドライドなどの水素を含む化学物質を改質や加水分解などの化学変化によって水素を取り出すことも可能である。

一方、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）に代表される燃料直接型の燃料電池を用いる場合は、燃料としてメタノールを使用する。また、メタノールの代わりに、燃料としてジメチルエーテル（ＤＭＥ）、２−プロパノール、エタノール等のアルコール類等を用いることも可能である。更に、燃料直接型の燃料電池の燃料として、水素化ホウ素ナトリウム等の金属水素錯化合物の水溶液を使用することが出来る。セルとは、燃料の供給によって起電圧を得る事が可能で、電力を取り出しうる最小限の構成単位である。具体的には、ＰＥＦＣの場合、セルとは、固体高分子電解質膜の両面に触媒層が配置され、それぞれの触媒層上面にガス拡散層等の燃料ガスや液体燃料の通気性や流動性を有し電気導電性も有する層を設け、更にそれぞれのガス拡散層等の上面に集電体を配設し、それらの部材が挟持されているユニットを指す。燃料電池への燃料の供給方法は、本願においては、燃料電池システムの負荷に対して十分電力を供給可能な発電量を得られるだけの燃料が供給されていれば良く、供給手段については問わない。

本発明は、何れのタイプの燃料電池であっても適用し得る。

燃料電池保護手段は、燃料電池を転極や過負荷などのセルの劣化となる現象を防止したり回避したりする機能を有していれば良い。例えば燃料電池電圧を検出し、その検出電圧があらかじめ設定されたしきい値以下の場合には、燃料電池の出力を停止するか減少させるか、または燃料供給量を増やしたり供給ガスを加湿したりするなどの機能を有していればよい。

電圧変換装置とは、電圧変換装置に入力された直流電圧を調整し、安定化した電圧を出力する回路であって、安定化した電圧は直流電圧でも交流電圧でも良い。安定化した直流電圧を出力する電圧変換装置をＤＣ−ＤＣコンバータと呼び、安定化した交流電圧を出力する電圧変換装置をＤＣ−ＡＣコンバータと呼ぶ。

ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の直流電圧を負荷の動作に支障がない直流電圧に変換し負荷へ電力を供給することが可能であればよく、負荷への供給電圧が安定化され、一定であるとより好ましい。例えば、シリーズレギュレータ、スイッチングレギュレータ、チャージポンプやスイッチドキャパシタ等が挙げられる。同様にＤＣ−ＡＣコンバータも、燃料電池の直流電圧を負荷の動作に支障がない交流電圧に変換し負荷へ電力を供給することが可能であればよく、例えばトランスなどがあげられる。

図１は、本発明の実施例１に係る燃料電池システムの例を示す概略構成説明図である。

図１に示すように、本第１実施例の燃料電池システムでは、燃料電池システムの負荷として直流の電子負荷装置を使用する都合上、２つある電圧変換装置のうち第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５を使用した。

当該燃料電池システムは、電源として燃料から化学反応により電力の取り出しが可能なＰＥＦＣのパッシブ型燃料電池１を用いた。燃料電池１は３つのセルによって構成し、セルは直列に接続した。燃料電池１の３つのセルのアノード室は共通とし、燃料電池１のアノード室には、水素吸蔵合金により水素を貯蔵した燃料タンク２を接続した。図示しない圧力レギュレータによってアノード室に１気圧の水素を供給した。

燃料電池１を構成するセルのうち最も高電位となる電極を有するセルの両極を第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力と接続した。第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５は、完全空乏型ＳＯＩ技術を用いたチャージポンプタイプの昇圧回路であり、入力電圧が０．３Ｖ以上で昇圧を開始する。第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５は、第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５が接続されているセルのマイナス極を基準として＋２．４Ｖ、燃料電池システムの接地電位基準で最大＋４．２Ｖの電圧に昇圧した。

燃料電池保護手段３には、第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５あるいは、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４から、ショットキダイオード９とショットキダイオード１０からなるダイオードＯＲによって高い電圧を有するＤＣ−ＤＣコンバータから電源が電源端子７に供給されるように構成した。

燃料電池保護手段３の詳細な構成は図示しないが、３つのボルテージディテクタを用い燃料電池１を構成する３セルのセル電圧を検出し、セルが０．３Ｖ以下となったときにボルテージディテクタの出力信号を変化させる。ボルテージディテクタの出力は３入力ＮＡＮＤ回路に入力されており、少なくとも１つ以上のセルが０．３Ｖ以下となったときに３入力ＮＡＮＤ回路の出力信号を燃料電池保護手段３の信号として、状態信号出力端子８から発電異常である信号を発生する。状態信号出力端子８の出力信号は、少なくとも１つ以上のセルが０．３Ｖ以下となった発電異常時と、燃料電池保護手段３が非動作時は、Ｌレベル信号を発し、燃料電池１を構成するすべてのセルが正常であるときのみＨレベルの信号を発生する。

第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４には、燃料電池１の出力が入力され、外部負荷へ電力を供給する。第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力電圧は５．０Ｖに設定した。第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の最大出力は３．０Ｗで、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の変換効率は約８０％であった。

なお、図示はしないが、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の起動時の電力を第二のＤＣ−ＤＣコンバータから得ても良い。このとき、第一のＤＣ−ＤＣコンバータの電源入力に第二のＤＣ−ＤＣコンバータの出力と第一のＤＣ−ＤＣコンバータの出力をダイオードＯＲで入力することによって第一のＤＣ−ＤＣコンバータの電源入力を容易に切り換えることが可能である。

第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４は、燃料電池保護手段３から状態信号入力端子１２にＨレベルの信号が入ると動作を始める構成とした。

第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の動作電圧は１．８〜５．５Ｖであり、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の電源には、自己の二次出力を電源に帰還入力した。

また、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力は、第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作切換信号入力端子１１に入力した。第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５は、動作切換信号入力端子１１の入力電圧が、自己の動作停止のしきい値電圧よりも高い場合、動作を停止する構成とした。今回のしきい値電圧は４．３Ｖに設定した。

図２は、本発明の実施例１に係る燃料電池システムの動作の流れの一例を示すフローチャートである。ここで、図１に示した燃料電池システムの起動時の動作について説明する。

まず、燃料電池１に燃料である水素の供給が開始される（ステップＳ１）と、燃料電池１に起電圧が生じ、燃料電池１の出力端に電位差が生じる（ステップＳ２）。
燃料電池保護手段３の状態信号出力端子８から出力される信号は、燃料電池保護手段３に電力が供給されていない状態ではＬレベルであり（ステップＳ３）、燃料電池１に起電圧が生じても、Ｌレベルの信号が第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４に入力されている状態では、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４は起動しない。

燃料電池１の３つのセルのうち、第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５が接続されている１つのセルの電圧が０．３Ｖ以上となると、第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５が昇圧を開始する（ステップＳ４）。

第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電圧が、第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５と接続されているセルのマイナス極を基準として＋２．４Ｖの昇圧電圧を出力すると、燃料電池保護手段３が動作する（ステップＳ５）。

燃料電池保護手段３が動作すると、燃料電池１のセル電圧を検出する（ステップＳ６）。すべてのセルが０．３Ｖ以上になると、次のＳ７のステップに進み、燃料電池保護手段３の状態信号出力端子８からＨレベルの信号が出力される（ステップＳ７）。

燃料電池保護手段３の状態信号出力端子８からＨレベルの信号が第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４に入力されると、第一のＤＣ−ＤＣコンバータが動作し始める（ステップＳ８）。

第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４が動作すると、第一のＤＣ−ＤＣコンバータからは、５．０Ｖの電圧が得られる。従って、燃料電池保護手段３への電力供給は、ショットキダイオード９とショットキダイオード１０のダイオードＯＲにより、第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５からの供給から第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４からの供給に切り換えられる（ステップＳ９）。すなわち、燃料電池保護手段３には、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力が入力される。

また、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４が動作すると、第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作切換信号入力端子１１に５．０Ｖが入力される。このとき、動作切換信号入力端子１１に入力される電圧が４．３Ｖ以上のときは自己の動作を停止するので、第二のＤＣ−ＤＣコンバータの動作が停止する（ステップＳ１０）。

Ｓ１１のステップにおいて、燃料電池保護手段３が燃料電池１を構成するすべてのセル電圧を検出し、少なくとも１つ以上のセル電圧が０．３Ｖ以下であれば、第一のＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止し（ステップＳ１３）、燃料供給を停止して、燃料電池システムの運転を終了する。一方、Ｓ１１のステップにおいて、燃料電池保護手段３が燃料電池１を構成するすべてのセル電圧を検出し、すべてのセル電圧が０．３Ｖ以上であれば、燃料の供給が停止するまで（ステップＳ１２）、ステップＳ１１の処理を行い、燃料電池保護手段３は燃料電池１を構成するすべてのセル電圧を検出し続ける。

Ｓ１２のステップにおいて、燃料の供給が停止すると、燃料電池システムの運転を停止する。

また、ここでは、フローには記載しなかったが、Ｓ４のステップとＳ５のステップの間に、燃料電池のコンディショニングや暖機運転を行うことによって、燃料電池の出力特性が向上する。

図３は、本発明の実施例２に係る燃料電池システムの例を示す概略構成説明図である。この図３では、図１に示した実施例１における燃料電池システムに含まれるものと同様の構成要素に関しては同様の符号を付し、以下ではその詳細な説明を省略する。

本発明の実施例１で示した、燃料電池保護手段３に用いた素子において、最低駆動電圧が１．８Ｖの電子素子を使用したため、燃料電池セルの出力では動作不可能であった。その為、実施例１では、第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５を用いたが、燃料電池保護手段３を構成する電子素子類すべてが燃料電池セルの出力のみで動作可能である場合は、第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５を用いることなく、例えば図２に示す構成によって、実施の形態１と同様の効果を得ることが可能である。

図４は、本発明の実施例２に係る燃料電池システムの動作の流れの一例を示すフローチャートである。ここで、図３に示した燃料電池システムの起動時の動作について説明する。

まず、燃料電池１に燃料である水素が供給されると（ステップＳ２１）、燃料電池１の出力端に電位差が生じる（ステップＳ２２）。
燃料電池保護手段３の状態信号出力端子８から出力される信号は、燃料電池保護手段３に電力が供給されていない状態ではＬレベルであり（ステップＳ２３）、燃料電池１に起電圧が生じても、Ｌレベルの信号が第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４に入力されている状態では、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４は起動しない。

燃料電池１を構成するセルの内、燃料電池１の接地電位をセルのマイナス端子とする１つのセルが燃料電池保護手段３の電源端子７に接続され、燃料電池保護手段へ電力を供給する。燃料電池保護手段３が動作すると（ステップＳ２４）、燃料電池１のセル電圧を検出する（ステップＳ２５）。すべてのセルが０．３Ｖ以上になるまで、ステップＳ６の処理を行い、すべてのセルが０．３Ｖ以上になると、次のＳ２６のステップに進み、燃料電池保護手段３の状態信号出力端子８からＨレベルの信号が出力される（ステップＳ２６）。

燃料電池保護手段３の状態信号出力端子８からＨレベルの信号が第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４に入力されると、第一のＤＣ−ＤＣコンバータが動作し始める（ステップＳ２７）。

第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４が動作すると、第一のＤＣ−ＤＣコンバータからは、５．０Ｖの電圧が得られる。従って、燃料電池保護手段３への電力供給は、ショットキダイオード９とショットキダイオード１０のダイオードＯＲにより、燃料電池１の１つのセルからの供給から第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４からの供給に切り換えられる（ステップ２８）。すなわち、燃料電池保護手段３には、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力が入力される。

ステップＳ２９のステップにおいて、燃料電池保護手段３が燃料電池１を構成するすべてのセル電圧を検出し、少なくとも１つ以上のセル電圧が０．３Ｖ以下であれば、第一のＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止し（ステップＳ３１）、燃料供給を停止して、燃料電池システムの運転を終了する。一方、ステップＳ２９のステップにおいて、燃料電池保護手段３が燃料電池１を構成するすべてのセル電圧を検出し、すべてのセル電圧が０．３Ｖ以上であれば、燃料の供給が停止するまで（ステップＳ３０）、ステップＳ２９の処理を行い、燃料電池保護手段３は燃料電池１を構成するすべてのセル電圧を検出し続ける。

Ｓ３０のステップにおいて、燃料の供給が停止すると、燃料電池システムの運転を停止する。

図５は、本発明の実施例３に係る燃料電池システムの例を示す概略構成説明図である。ここでは、実施例１及び実施例２における燃料電池システムに含まれるものと同様の構成要素に関しては同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図５に示したとおり、本実施例３の燃料電池システムは、実施例２の燃料電池システムと同様に、燃料電池保護手段３が燃料電池のセルの電力のみで動作が可能な場合は、燃料電池１とは別系統のセル燃料電池１３の電力を用いて動作させることが可能である。

同様に、図５に示したように、燃料電池１とは別系統のセル燃料電池の出力を第二のＤＣ−ＤＣコンバータに入力し、第二のＤＣ−ＤＣコンバータの出力を用いて燃料電池保護手段を動作させ、第一のＤＣ−ＤＣコンバータを起動させることも可能である。

図６は、本発明の実施例４に係る燃料電池システムの例を示す概略構成説明図である。ここでは、実施例１〜３で説明した燃料電池システムに含まれる同様の構成要素に関しては同様の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図６に示すように、本実施例における第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５は、セルが直列接続された燃料電池１とは異なる独立したセル１３から電力の供給を受ける接続構成とした。第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力は、ショットキダイオード９を介して燃料電池保護手段３の電源端子７に入力され、燃料電池保護手段３の起動と駆動を可能としている。ショットキダイオード９とショットキダイオード１０は、ダイオードＯＲを形成し、その出力が燃料電池保護手段３の電源端子７に入力されているので、燃料電池保護手段３に電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータは、各々のショットキダイオードのアノードに入力される電圧が高い方のショットキダイオードに接続されているＤＣ−ＤＣコンバータである。

ここで、燃料電池１及びセル１３に燃料の供給が開始すると、セル１３及び燃料電池１から起電圧が得られた。セル１３は０．９６４Ｖ、燃料電池１は２．７５３Ｖであった。第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５は、入力電圧が０．３Ｖ以上で動作を開始できるので、今回のセル１３からの入力によって、第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５は動作を開始し、２．３８Ｖの出力を得た。この出力は、ショットキダイオード９を介して燃料電池保護手段３に入力され、燃料電池保護手段３が動作した。燃料電池１のセルのそれぞれの電池電圧が、０．９５７Ｖ、０．９５５Ｖ、０．９４１Ｖであったので、燃料電池保護手段３の状態信号術力端子８から第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４を起動させる為の信号が出力された。

この信号によって、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４は動作を開始し、燃料電池１の出力を源にあらかじめ設定された出力電圧値５．００Ｖ近傍の５．０２Ｖの電圧を第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力側（二次側）で得た。この出力は、ショットキダイオード１０を介して燃料電池保護手段３に接続されている。第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電圧２．３８Ｖに対して、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力電圧が５．０２Ｖであったので、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の起動後は、燃料電池保護手段３の電源端子７には、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力が入力される。電源端子７の入力電圧の測定値が４．６７Ｖであったことから、電源端子７には、第一のＤＣ−ＤＣコンバータの出力が入力されている事を確認した。第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力は、遅延回路１４を介して第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作切換信号入力端子１１に入力されている。遅延回路１４は、回路構成は図示しないが、ＣＲ回路による遅延回路と、プルダウン回路によって構成した。

プルダウン回路は、常時動作切換信号入力端子１１との接続線が抵抗を介してＧＮＤに接続されており、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４が起動し、第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力が遅延回路１４に入力されると、動作切換信号入力端子１１と第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４が接続される。また、遅延回路１４は設定されたＣＲ回路の時定数に従い動作切換信号入力端子１１への出力を遅延する。

第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５は、動作切換信号入力端子１１に第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の起動後の出力が入力されると自己の動作を停止し、電力消費を最小限に抑えることによってセル１３の燃料消費を低下させる。第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４が起動し第二のＤＣ−ＤＣコンバータ５が停止するまでの間、常に燃料電池保護手段３は動作し燃料電池１の出力状態を監視することができるので、燃料電池を構成するセルの出力に異常があった場合は、速やかに第一のＤＣ−ＤＣコンバータ４の動作を停止することが可能である。よって、燃料電池１の起動時であっても劣化を防ぐことが可能で、燃料電池システムの長寿命化と長期的信頼性が向上した。

ここでは、燃料電池を３つのセルの直列接続構成としたが、特にこれに限定されることは無く、燃料電池を構成するセルの直列数は自由に選択することが可能である。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池の過負荷状態での運転を防止する為、燃料電池の腐食、出力特性の低下を防ぐことが可能である。燃料電池の劣化モードでの発電の防止と、燃料電池セルの初期の発電能力が維持され、安定した電力の供給が可能である。簡易な構成の形態が可能であるので、携帯機器用の燃料電池システムの小型化に適応できる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの例を示す概略構成説明図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池システムの動作の流れの一例を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの例を示す概略構成説明図である。 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの動作の流れの一例を示すフローチャートである。 本発明の実施例３に係る燃料電池システムの例を示す概略構成説明図である。 本発明の実施例４に係る燃料電池システムの例を示す概略構成説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 燃料タンク
３ 燃料電池保護手段
４ 第一のＤＣ−ＤＣコンバータ
５ 第二のＤＣ−ＤＣコンバータ
６ 負荷
７ 電源端子
８ 状態信号出力端子
９ ショットキダイオード
１０ ショットキダイオード
１１ 動作切換信号入力端子
１２ 状態信号入力端子
１３ セル
１４ 遅延回路

Claims (17)

1. 燃料の供給によって発電を行う複数のセルから構成される燃料電池と、前記燃料電池を保護する燃料電池保護手段と、前記燃料電池の出力を入力とする１つ以上の電圧変換装置を備え、前記燃料電池保護手段は前記燃料電池あるいは前記電圧変換装置の少なくともどちらか一方から電力供給を受けて動作し、前記電圧変換装置の出力電力を負荷へ供給する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の起動時に、前記燃料電池へ燃料の供給開始後に前記燃料電池を構成するセルのうち１つの前記セルの出力を源に前記燃料電池保護手段を動作させる工程と、
   前記燃料電池保護手段が動作後に前記燃料電池保護手段が発信する信号を基に前記電圧変換装置を起動させる工程と、
   前記電圧変換装置が動作後に前記燃料電池保護手段への電力供給を前記電圧変換装置の出力に切り換える工程と、
   を有する燃料電池システムの起動方法。
2. 前記燃料電池は、少なくとも複数のセルのうち一部あるいは全部が直列接続されており、前記燃料電池システムの起動時に前記燃料電池保護手段へ電力を供給する前記セルは、前記直列接続された前記燃料電池の接地電位電極をセルのマイナス極とする１つのセルである請求項１に記載の燃料電池システムの起動方法。
3. 前記燃料電池は、少なくとも複数のセルのうち一部あるいは全部が直列接続されており、前記燃料電池システムの起動時に前記燃料電池保護手段へ電力を供給する１つのセルは、接地電位に対して最も正に電位差が大きい電極あるいは、最も負に電位差が大きい電極を有するセルのうち１つのセルである請求項１に記載の燃料電池システムの起動方法。
4. 前記燃料電池は、複数のセルのうち一部のセルが直列接続されており、前記燃料電池システムの起動時に前記燃料電池保護手段へ電力を供給するセルは、前記直列接続を構成するセルとは異なる１つのセルである請求項１に記載の燃料電池システムの起動方法。
5. 燃料の供給によって発電を行う複数のセルから構成される燃料電池と、前記燃料電池を保護する燃料電池保護手段と、前記燃料電池の出力を入力とする第一の電圧変換装置と、第二の電圧変換装置を備え、前記燃料電池保護手段は前記第二の電圧変換装置あるいは前記第一の電圧変換装置あるいは前記燃料電池の少なくともどれか１つから電力供給を受け、前記第一の電圧変換装置の出力電力を負荷へ供給する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の起動時に、前記燃料電池へ燃料の供給開始後に前記燃料電池を構成するセルのうち１つの前記セルの出力を用い前記第二の電圧変換装置を動作させる工程と、
   前記第二の電圧変換装置の起動後に、前記第二の電圧変換装置の出力を用いて前記燃料電池保護手段を動作させる工程と、
   前記燃料電池保護手段が動作後に前記燃料電池保護手段が発信する信号を基に前記第一の電圧変換装置を起動させる工程と、
   前記第一の電圧変換装置の起動後に、前記燃料電池保護手段への電力供給を前記第二の電圧変換装置の出力から前記第一の電圧変換装置の出力に切り換える工程と、
   前記燃料電池保護手段への電力供給を前記第二の電圧変換装置の出力から前記第一の電圧変換装置の出力に切り換えた後に、前記第二の電圧変換装置の動作を停止する工程と、
   を有する燃料電池システムの起動方法。
6. 前記燃料電池は、複数のセルのうち一部あるいは全部が直列接続されており、前記燃料電池システムの起動時に、前記第二の電圧変換装置に接続され前記第二の電圧変換装置へ電力を供給するセルは、前記直列接続された前記燃料電池の接地電位電極をセルのマイナス極とする１つのセルである請求項５に記載の燃料電池システムの起動方法。
7. 前記燃料電池は、少なくとも複数のセルのうち一部あるいは全部が直列接続されており、前記燃料電池システムの起動時に、前記第二の電圧変換装置に接続され前記第二の電圧変換装置へ電力を供給する１つのセルは、接地電位に対して、最も正に電位差が大きい電極あるいは、最も負に電位差が大きい電極を有するセルのうち１つのセルである請求項５に記載の燃料電池システムの起動方法。
8. 前記燃料電池は、少なくとも複数のセルのうち一部のセルが直列接続されており、前記燃料電池システムの起動時に、前記第二の電圧変換装置に接続され前記第二の電圧変換装置へ電力を供給する１つのセルは、前記直列接続を構成するセルとは異なる１つのセルである請求項５に記載の燃料電池システムの起動方法。
9. 燃料の供給によって発電を行う複数のセルから構成された燃料電池と、
   前記燃料電池を保護する燃料電池保護手段と、前記燃料電池の出力を入力とする１つ以上の電圧変換装置とを備え、
   前記燃料電池保護手段の電源には、前記燃料電池を構成する複数のセルのうち１つの前記セルの出力を源とした電力が入力され、前記燃料電池保護手段は前記燃料電池の出力状態を区別する信号を出力する状態信号出力端子を備え、前記状態信号出力端子は前記電圧変換装置に接続され、前記電圧変換装置は、前記状態信号出力端子からの入力信号を基に動作を切り換え、前記燃料電池保護手段が動作後に前記電圧変換装置が起動し、前記電圧変換装置の出力電力を負荷へ供給する燃料電池システム。
10. 前記燃料電池は、少なくとも複数のセルのうち一部あるいは全部が直列接続されており、前記燃料電池システムの起動時に前記燃料電池保護手段へ電力を供給する前記セルは、直列接続された前記燃料電池の接地電位電極をセルのマイナス極とする１つのセルである請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池は、少なくとも複数のセルのうち一部あるいは全部が直列接続されており、前記燃料電池システムの起動時に前記燃料電池保護手段へ電力を供給する１つのセルは、接地電位に対して、最も正に電位差が大きい電極あるいは、最も負に電位差が大きい電極を有するセルのうち１つのセルである請求項９に記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料電池は、少なくとも複数のセルのうち一部のセルが直列接続されており、前記燃料電池システムの起動時に前記燃料電池保護手段へ電力を供給するセルは、前記直列接続を構成するセルとは異なる１つのセルである請求項９に記載の燃料電池システム。
13. 燃料の供給によって発電を行う複数のセルから構成された燃料電池と、
    前記燃料電池を保護する燃料電池保護手段と、
    前記燃料電池の出力を入力とする第一の電圧変換装置と、
    第二の電圧変換装置と、
    を備え、
    前記第二の電圧変換装置の入力には前記燃料電池を構成する複数のセルのうち１つの前記セルが接続され、前記燃料電池保護手段は前記燃料電池の出力状態を区別する信号を出力する状態信号出力端子を備え、前記状態信号出力端子は前記第一の電圧変換装置に接続され、前記第一の電圧変換装置は、前記状態信号出力端子からの入力信号を基に動作を切り換え、前記燃料電池保護手段が動作後に前記燃料電池保護手段が発信する信号を基に前記第一の電圧変換装置が起動し、前記第一の電圧変換装置の出力電力を負荷へ供給する燃料電池システム。
14. 前記燃料電池は、少なくとも複数のセルのうち一部あるいは全部が直列接続されており、前記燃料電池システムの起動時に、前記第二の電圧変換装置へ電力を供給するセルは、前記直列接続された前記燃料電池の接地電位電極をセルのマイナス極とする１つのセルであること特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記燃料電池は、複数のセルのうち一部あるいは全部が直列接続されており、前記燃料電池システムの起動時に、前記第二の電圧変換装置へ電力を供給する１つのセルは、接地電位に対して、最も正に電位差が大きい電極あるいは、最も負に電位差が大きい電極を有するセルのうち１つのセルである請求項１３に記載の燃料電池システム。
16. 前記燃料電池は、複数のセルのうち一部が直列接続されており、前記燃料電池システムの起動時に、前記第二の電圧変換装置へ電力を供給する１つのセルは、前記直列接続を構成するセルとは異なる１つのセルである請求項１３に記載の燃料電池システム。
17. 前記第二の電圧変換装置は、動作切換信号入力端子を有し、前記動作切換信号入力端子に入力される信号によって前記第二の電圧変換装置の動作を切り換えることを特徴とする請求項１３から請求項１６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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