JP5040018B2 - 燃料電池電源装置 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池電源装置に関し、特に燃料電池を電源としてこれを電圧変換装置と組み合わせることにより負荷に対して所定電圧の電力を供給するものとして有用なものである。

燃料電池の出力電圧は負荷電流の増減に伴って変動する。このため、燃料電池を電子機器類の電源として用いる場合には、この燃料電池の出力をＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換装置に入力し、この電圧変換装置の出力電圧を一定に制御して負荷となる前記電子機器類に供給している（例えば、特許文献１参照）。

ところで、燃料電池から電力を得るために燃料電池に燃料ガスの導入を開始すると、燃料電池の出力端に電位差が発生する。このとき、燃料電池の出力端が電圧変換装置の入力端に接続されていると燃料電池の出力によって電圧変換装置に含まれるコンデンサが充電されるので、燃料電池から電圧変換装置にラッシュカレントが流出する。このように燃料電池からラッシュカレントが流出すると燃料電池の出力電圧に大きな変動を生起し、場合によっては、燃料電池が転極を起こし、その劣化の原因となる。

電源としての燃料電池と電圧変換装置としての昇圧チョッパとを組み合わせた電圧変換装置におけるラッシュカレントを防止する公知技術として特許文献２が存在する。

特許文献２は、図１３に示すように、インバータ０２の前段に電圧変換装置である昇圧チョッパ０３を組み合わせるとともに、燃料電池０１を電源として用いる電圧変換装置を開示するものである。この電圧変換装置では、昇圧チョッパ０３の出力側のコンデンサＣに対して充電専用の初期充電回路０１０を別途設け、燃料電池０１の起動時の燃料ガスの導入に先立って前記初期充電回路０１０を介して電力系統０４からコンデンサＣを充電することにより燃料電池０１の発電開始に伴うコンデンサＣへの突入電流及び突入電流に起因する燃料電池０１のガス欠状態の発生を防止するようにしたものである。

ところが、特許文献２の技術では、初期充電時のみに使用し、したがって使用頻度が少なく、しかも電力系統から電力を供給するように構成した初期充電回路０１０を別途設けているので、回路構成が複雑になるばかりでなく、使用効率を考慮した場合にはコストが割高なものとなるという問題を有している。また、昇圧チョッパ０３等の電圧変換装置の入力側にもコンデンサを有する場合には、このコンデンサの充電電流に起因するラッシュカレントに対応できないという問題もある。すなわち、燃料電池の出力電圧が急激に変動し、その劣化の原因となる。ちなみに、最近の電圧変換装置では、出力側のみならず入力側にもコンデンサを設けたものが多い。

したがって、特許文献２に記載する電圧変換装置では電圧調整装置の入力側のコンデンサに対するラッシュカレントの防止に対処することはできない。

特願２００４−０６３３３８号公報 特開平８−３２１３１９号公報

本発明は、上記従来技術に鑑み、電源としての燃料電池と電圧調整装置とを組み合わせた場合において、電圧調整装置におけるコンデンサに対するラッシュカレントを有効に防止するとともに燃料電池の出力電圧変動を抑制してその特性劣化を可及的に低減し得る燃料電池電源装置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の第１の態様は、
燃料供給装置から燃料を供給されて発電する第１の電源である燃料電池と、この燃料電池を電源として負荷に印加する出力電圧を一定に制御するとともに入力側及び出力側にそれぞれ平滑用のコンデンサを備えた電圧変換装置とを有する燃料電池電源装置において、 前記電圧変換装置と前記負荷との間に配設され前記電圧変換装置に対して並列に接続された蓄電手段からなる第２の電源と、
前記第２の電源と前記電圧変換装置の出力側との間に配設したスイッチ手段と、
前記燃料電池から前記電圧変換装置に供給する電流を制限するよう前記燃料電池と前記電圧変換装置との間に配設されている電流緩衝回路と、
前記第２の電源から負荷に電流を供給したことを検出した時点で前記スイッチ手段をオンして前記電圧変換装置の出力側のコンデンサに充電電流を供給するとともに、その後前記燃料電池に対する燃料の供給を開始するよう前記燃料供給装置を制御する一方、前記燃料電池の出力電圧を検出してこの出力電圧が所定電圧に達したとき前記電流緩衝回路の電流制限機能を解除して前記燃料電池の出力電圧が前記電圧変換装置の入力側に直接印加されるよう前記電流緩衝回路を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池電源装置である。

本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載する燃料電池電源装置において、
前記電流緩衝回路は、前記燃料電池の出力側と前記電圧変換装置の入力側との間に接続された第２のスイッチング手段と、該第２のスイッチング手段の前記燃料電池の出力側で前記燃料電池の出力側と接地との間に所定の抵抗を介して接続された第１のスイッチング手段とを有するとともに、
前記制御手段は、初期状態においては前記第１のスイッチング手段をオン状態に制御する一方、前記燃料電池の出力電圧が第１の所定電圧に達した時点で前記第１のスイッチング手段をオフ状態に制御するとともに、前記第２のスイッチング手段が徐々にオン状態になるように制御するものであることを特徴とする燃料電池電源装置である。

本発明の第３の態様は、
第１の態様に記載する燃料電池電源装置において、
前記電流緩衝回路は、前記燃料電池の出力側と接地との間に接続された第３のスイッチング手段と、一端が前記第３のスイッチング手段に接続されるとともに他端が前記電圧変換装置の入力側に接続されている第４のスイッチング手段と、一端が前記燃料電池の出力側に接続されるとともに他端が前記電圧変換装置の入力側に接続されている第５のスイッチング手段とを有するとともに、
前記制御手段は、初期状態においては前記第３のスイッチング手段をオン状態に制御するとともに、前記燃料電池の出力電圧が第２の所定電圧に達した時点で前記第３のスイッチング手段をオフ状態にするとともに前記第４のスイッチング手段が徐々にオン状態になるように制御し、さらに前記燃料電池の出力電圧が第３の所定電圧に達した時点で前記第４のスイッチング手段をオフ状態にするとともに前記第５のスイッチング手段がオン状態になるように制御するものであることを特徴とする燃料電池電源装置である。

本発明の第４の態様は、
第１の態様に記載する燃料電池電源装置において、
前記電流緩衝回路は、一端が前記燃料電池の出力側に接続されるとともに他端が前記電圧変換装置の入力側に接続されている第９のスイッチング手段と、該第９のスイッチング手段よりも前記電圧変換装置の入力側で前記第９のスイッチング手段の他端と接地との間で相互に直列に接続された第８のスイッチング手段および第６のスイッチング手段と、一端が前記第９のスイッチング手段よりも前記燃料電池の出力側に接続され、他端が前記第８のスイッチング素子と第６のスイッチング素子との間に接続されて相互に並列に接続されている複数の抵抗を選択的に切り換えて全体の合成抵抗を変化させる第７のスイッチング手段とを有するとともに、
前記制御手段は、初期状態においては前記第６のスイッチング手段をオン状態に制御するとともに、前記燃料電池の出力電圧が第４の所定電圧に達した時点で前記第６のスイッチング手段をオフ状態に制御し、さらに前記第７のスイッチング手段を制御して前記合成抵抗を変化させることにより前記燃料電池の出力電圧を漸減させ、続いて前記出力電圧が第５の所定電圧に達した時点で前記第８のスイッチング手段が徐々にオン状態になるように制御するとともに前記出力電圧が第６の所定電圧に達した時点で前記第８のスイッチング手段をオフ状態にするとともに前記第９のスイッチング手段がオン状態になるように制御するものであることを特徴とする燃料電池電源装置である。

本発明の第５の態様は、
第２乃至第４の態様に記載する燃料電池電源装置において、
第２のスイッチング手段、第４のスイッチング手段及び第８のスイッチング手段はＦＥＴで形成するとともに、各ＦＥＴのゲート電圧を抵抗及びコンデンサを含む時定数回路で徐々に変化させることにより前記第２のスイッチング手段、第４のスイッチング手段及び第８のスイッチング手段が徐々にオン状態になるように制御されるものであることを特徴とする燃料電池電源装置である。

本発明の第６の態様は、
第１の態様に記載する燃料電池電源装置において、
前記第２の電源と前記負荷との間に配設された抵抗の両端の電圧を比較することにより前記第２の電源から負荷に電流を供給したことを検出するとともにこの検出により得る電流検出信号により前記スイッチング手段をオンする電流検出器を具備するとともに、
前記制御手段は、前記電圧変換装置の出力電圧と第１の基準値とを比較して前記出力電圧が前記第１の基準値を超えた時点で前記燃料電池に対する燃料の供給を開始するよう前記燃料供給装置を駆動する第１の比較手段と、前記燃料電池の出力電圧と第２の基準値とを比較して前記出力電圧が前記第２の基準値を超えた時点で前記電流緩衝回路の電流制限機能を解除する第２の比較手段とを有することを特徴とする燃料電池電源装置である。

本発明の第７の態様は、
燃料供給装置から燃料を供給されて発電する第１の電源である燃料電池を電源として負荷に印加する出力電圧を一定に制御するとともに入力側及び出力側にそれぞれ平滑用のコンデンサを備えた電圧変換装置を有する燃料電池電源装置の制御方法において、
第２の電源から前記負荷に電流を供給したことを検出した時点でスイッチ手段をオンして前記電圧変換装置の出力側のコンデンサを充電するとともに、前記燃料供給装置を動作させて前記燃料電池に燃料を供給することにより発電を行なわせる一方、電流緩衝回路を介して前記燃料電池の出力電流を制限しながら前記電圧変換装置の入力側のコンデンサを充電する一方、前記燃料電池の出力電圧を検出してこの出力電圧が所定電圧に達したとき前記電流緩衝回路の電流制限機能を解除して前記燃料電池の出力電圧が前記電圧変換装置の入力側に直接印加されるように制御することを特徴とする燃料電池電源装置の制御方法である。

上記構成の本発明によれば、初期状態においては第２の電源から負荷に電流を供給するとともに、スイッチング手段を介して電圧変換装置の出力側のコンデンサを充電する一方、燃料電池に対する燃料の供給を開始して前記電圧変換装置の電源となる燃料電池による発電を開始するようにしたので、ラッシュカレントを有効に防止しつつ燃料電池の良好な起動を実現し得る。この際、ラッシュカレント防止のためには当該燃料電池電源装置に内蔵する第２の電源に蓄積する電力を利用するようにしたので、この部分に関する構成の簡素化及び低廉化を実現することができる。

さらに、燃料電池と電圧変換装置との間に電流緩衝装置を介在させ、燃料電池の起動時の発電電圧が十分大きくなった時点で燃料電池と電圧変換装置とを電力緩衝装置を介することなく直結するようにしたので、ラッシュカレント等、燃料電池の特性を劣化させる要素を排除しつつ燃料電池の良好な起動を行い得るばかりでなく、起動に続く定常時の合理的な運転も行い得る。

かくして、燃料電池の長寿命化を実現し得る。

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。

＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池電源装置を示すブロック線図である。同図に示すように、本形態に係る燃料電池電源装置は、燃料供給装置１から燃料を供給されて発電する第１の電源となる燃料電池２と、この燃料電池２を電源として負荷３に印加する出力電圧を一定に制御する電圧変換装置４とを基本的な構成要素とするものである。ここで、電圧変換装置４は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータで好適に形成することができ、入力側及び出力側にそれぞれ平滑用のコンデンサＣｉｎ，Ｃｏｕｔを有している。

第２の電源５は電圧変換装置４と負荷３との間に、電圧変換装置４に対して並列になるようにノード７に接続してある。この結果、第２の電源５は負荷電流を検出する電流検出器８を介して負荷３に負荷電流を供給するとともにスイッチ手段９を介して電圧変換装置４の出力側のコンデンサＣｏｕｔに充電電流を供給する。第２の電源５は、例えば蓄電器で好適に形成することができる。

電流緩衝回路６は、燃料電池２から電圧変換装置４に供給する電流を制限するよう燃料電池２と電圧変換装置４との間に配設されている。かかる電流緩衝回路６の具体的な構成は後に詳述する。

制御手段であるマイクロコントローラ１０は第２の電源５から負荷に電流を供給したことを電流検出器８が検出した時点で第１のスイッチ手段９をオンして電圧変換装置４の出力側のコンデンサＣｏｕｔに充電電流を供給するとともに、その後燃料電池２に対する燃料の供給を開始するよう燃料供給装置１を制御する。本形態においては、負荷３からもこれが駆動モードになったことを表わす情報がマイクロコントローラ１０に供給される。具体的な前記情報の一例としては、負荷３における動作スイッチのオン状態を表わす信号を挙げることができる。

この結果、本形態における前記マイクロコントローラ１０は、電流検出器８が負荷３への電流の供給を検出した時点、または負荷３が駆動モードになったことを表わす情報を検出した時点でスイッチ手段９をオンにして燃料供給装置１を駆動するようになっている。すなわち、両者のＯＲ論理を採っている。ただ、このようにＯＲ論理を採るように構成することは必須ではない。少なくとも、電流検出器８が負荷３への電流の供給を検出した時点で燃料供給装置１を駆動するようになっていれば良い。

なお、図１における短冊状の矢印はマイクロコントローラ１０からの制御信号を、また点線の矢印は各部に対する電源をそれぞれ示している。ちなみに、当該燃料電池電源装置の起動モードにおいては第２の電源５が各部の電源となり、燃料電池２が定常発電モードとなった後、この燃料電池２が各部の電源となる。また、電圧変換装置４が動作後の電圧変換装置４の出力も各部の電源となる。さらに、燃料電池２の定常発電モードにおいて、第２の電源５は燃料電池２を電源として充電される。

かかる燃料電池電源装置の初期状態は次の通りである。
１） 負荷３が動作していない。
２） 燃料供給装置１が停止している。
３） 燃料電池２は発電を行っていない（燃料が供給されていない。）。
４） 電圧変換装置４は動作していない（電力が供給されていない。）。
５） 電流緩衝回路６は、燃料電池２の出力側を電流緩衝回路（回路内部の抵抗器）を介して短絡する経路（閉回路）を形成している。
６） スイッチ手段９は、電圧変換装置４の出力側とノード７間を電気的に遮断している（少なくとも、第２の電源５から電圧変換装置４への電流のリークや電圧の印加が抑止されている状態）。
７） 第２の電源５と負荷３とが電流検出器８を介して接続されている。

かかる初期状態から次のような手順で当該燃料電池電源装置は起動される。ここで、図２は図１に示す燃料電池電源装置の起動時の動作を示すフローチャートであるが、同図に基づき当該起動時の動作を順に説明する。

１） 負荷３が起動したことを検出する(ステップＳ１参照)。これは、負荷３に対する電流の供給を電流検出器８が検出した信号か、負荷３からの電力要求の信号がマイクロコントローラ１０のＯＲ論理回路に入力された時点で検出される。

２） マイクロコントローラ１０がスイッチ手段９をオン状態とする信号を出力する(ステップＳ２参照)。スイッチ手段９がオン状態となることにより電圧変換装置４の出力側のコンデンサＣｏｕｔに充電電流が供給される。

３） マイクロコントローラ１０が燃料供給装置１を起動させるための信号を出力する(ステップＳ３参照)。この結果、燃料供給装置１から燃料を供給されて燃料電池２が発電を開始する。

４） マイクロコントローラ１０に電流緩衝回路６から入力される電圧、すなわち燃料電池２の出力電圧が所定値を超えるか否かを判定する(ステップＳ４参照)。出力電圧が所定値を超えるまでは電流緩衝回路６により燃料電池２からの電流は制限される。

５） 上記４）で燃料電池２の出力電圧が所定値を超えたことが検出された場合には、マイクロコントローラ１０が電流緩衝回路６の電流経路を切り換える信号を出力する(ステップＳ５参照)。

６） 上記５）における電流経路の切り換えに伴い、電流緩衝回路６における電流制限機能の解除にあらかじめ設定された遅延時間を置く(ステップＳ６参照)。この遅延時間は、燃料電池２の出力電圧が安定であるかを判断するために設けている（詳細は図８等に基づき後に詳細に説明する。）。

７） 上記６）における所定の遅延時間の経過後、マイクロコントローラ１０が電圧変換装置４を動作させるための信号を出力する(ステップＳ７参照)。これに先立ち電圧変換装置４の入力側のコンデンサＣｉｎの充電を完了させておくのが望ましい。
８） 以上で起動動作を完了する(ステップＳ８参照)するとともに、その後定常運転モードに移行する。一方、電流検出器８を介して負荷３に対する電流の供給が停止されたことが検知された場合にはマイクロコントローラ１０の指令により各部の動作を停止させる。

次に、前記電流緩衝回路６に関し、そのさらに具体的ないくつかの回路構成を実施例として説明する。

＜第１の実施例＞
図３は図１に示す燃料電池電源装置における電流緩衝回路のさらに具体的な構成例である第１の実施例を示す回路図、図４は燃料電池電圧・電力の出力電流依存性を示す特性図を用いて図３に示す第１の実施例に係る電流緩衝回路の動作を説明する説明図、図５は図３に示す第１の実施例における燃料電池の開回路電圧の特性を示す特性図である。

これらの図３乃至図５に基づき本実施例を説明する。図３に示すように、本実施例に係る電流緩衝回路６は、燃料電池２の出力側と接地との間に接続された第１のスイッチング手段である電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと表記する）１と、このＦＥＴ１に対して並列に接続されるとともに燃料電池２の出力側と電圧変換装置４の入力側との間に接続された第２のスイッチング手段であるＦＥＴ２とを有する。

ここで、ＦＥＴ１は抵抗Ｒ１を介して燃料電池２に接続してある。また、ＦＥＴ１及びＦＥＴ２のゲートにはコンデンサＣ１と可変抵抗Ｒ２とからなる時定数回路が接続してある。ただ、ＦＥＴ２のゲートはインバータ１１を介して前記時定数回路に接続してあるのでＦＥＴ１，２のスイッチング動作は逆動作となる。

一方、制御手段であるマイクロコントローラ１０（図１参照。以下同じ。）は、初期状態においてはＦＥＴ１をオン状態に制御する一方、燃料電池２の出力電圧Ｖが第１の所定電圧Ｖ１に達した時点でＦＥＴ１を徐々にオフ状態に制御するとともに、ＦＥＴ２が徐々にオン状態になるように制御する。これは、ＦＥＴ１，２のゲートに供給するパルス信号をＬ状態とすることで、後はコンデンサＣ１と可変抵抗Ｒ２とからなる時定数を適宜設定することで実現し得る。

かかる本実施例においては電流緩衝回路６の初期状態が、燃料電池２の出力側を抵抗Ｒ１及びＦＥＴ１を介して短絡（閉回路）している状態なので、燃料電池２に燃料が供給されると、この燃料電池２は速やかに発電を開始し、電流緩衝回路６で発電電力が消費される。この結果、燃料電池２の出力電圧Ｖは、図５に示すように、燃料が供給される直前の約０Ｖ付近から、徐々に上昇する。

ここで、図４の特性図に示すように、燃料電池２の出力特性プ口ファイルを基に、電流緩衝回路６の抵抗Ｒ１の抵抗値を設定しておき、所定の電圧Ｖ１を超える出力電圧Ｖが得られた時点で、スイッチング手段の切り換えを行う。すなわち，ＦＥＴ１をオン状態からオフ状態に、ＦＥＴ２をオフ状態からオン状態にそれぞれ切り換える。
ここで、所定の電圧Ｖ１とは、図４に示す燃料電池２の出力特性プ口ファイルに基づき設定した抵抗Ｒ１と燃料電池２とを接続した際に検出される燃料電池２の出力電圧Ｖが、プ口ファイル通りの電圧Ｖ１であることをいう。ただ、実際の動作では、燃料電池２の使用環境や状態によって、プ口ファイル通りの値が得られない場合があるので、本実施例では電圧Ｖ１の９０％の電圧値を、所定の電圧とした。これは、環境温度や湿度等を考慮して補正をかけることが望ましい。また、スイッチング手段の切り換えを行う際には、燃料電池２の出力電圧Ｖが安定であることを判断する為に遅延時間を形成することが望ましい。

ＦＥＴ２が完全にオン状態になると、電圧変換装置４の入力側のコンデンサＣｉｎ（図１参照。以下同じ。）の充電が完了する。このとき、燃料電池２の出力電圧Ｖが開回路電圧（Ｏ．Ｃ．Ｖ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔｄ Ｖｏｌｔａｇｅ）付近まで上昇するので、０．９・Ｏ．Ｃ．Ｖの電圧値を検出すると、電圧変換装置４への電流供給を開始して起動モードを終了する。

かかる手順によって、燃料電池２から出力される電流値に大きな変動を与えることがなくなるので、燃料電池２の出力電圧Ｖの急激な変動を除去することができ、燃料電池２の劣化を抑制することが可能となる。

＜第２の実施例＞
図６は図１に示す燃料電池電源装置における電流緩衝回路のさらに具体的な構成例である第２の実施例を示す回路図、図７は燃料電池電圧・電力の出力電流依存性を示す特性図を用いて図６に示す第２の実施例に係る電流緩衝回路の動作を説明する説明図、図８は図６に示す第２の実施例における燃料電池の開回路電圧の特性を示す特性図である。

これらの図６乃至図８に基づき本実施例を説明する。図６に示すように、本実施例に係る電流緩衝回路６は、燃料電池２の出力側と接地との間に接続された第３のスイッチング手段であるＦＥＴ３と、一端がＦＥＴ３に接続されるとともに他端が電圧変換装置４の入力側に接続されている第４のスイッチング手段であるＦＥＴ４と、一端が燃料電池２の出力側に接続されるとともに他端が電圧変換装置４の入力側に接続されている第５のスイッチング手段であるＦＥＴ５とを有する。

ここで、ＦＥＴ３は可変抵抗Ｒ１を介して燃料電池２に接続してある。また、ＦＥＴ３及びＦＥＴ４のゲートにはコンデンサＣ１と可変抵抗Ｒ２とからなる時定数回路、またはコンデンサＣ２と可変抵抗Ｒ３とからなる時定数回路が接続してある。

一方、本実施例に係るマイクロコントローラ１０は、初期状態においてはＦＥＴ３を、そのゲートに供給するパルス信号Ｂでオン状態に制御するとともに、燃料電池２の出力電圧Ｖが第２の所定電圧Ｖ２に達した時点でパルス信号ＢによりＦＥＴ３がオフ状態になるように制御する。同時に、ＦＥＴ４のゲートに供給するパルス信号ＡでＦＥＴ４が徐々にオン状態になるように制御する。

さらに、燃料電池２の出力電圧Ｖが第３の所定電圧である開回路電圧Ｏ．Ｃ．Ｖに基づき設定した０．９・Ｏ．Ｃ．Ｖ の電圧値となったことを検出するとパルス信号ＡでＦＥＴ４をオフ状態にするとともに第５のスイッチング手段であるＦＥＴ５がオン状態になるようそのゲートにパルス信号Ｃを供給する。

ここで、ＦＥＴ４をオフ状態から徐々にオン状態に切り換える際には可変抵抗Ｒ１に流れる電流の値が変化しないように調整する。これは可変抵抗Ｒ３を調整してこの部分の時定数を適切に設定することで実現し得る。

かかる本実施例においては電流緩衝回路６の初期状態が、燃料電池２の出力側を可変抵抗Ｒ１及びＦＥＴ３を介して短絡（閉回路）している状態なので、燃料電池２に燃料が供給されると、この燃料電池２は速やかに発電を開始し、電流緩衝回路６で発電電力が消費される。この結果、燃料電池２の出力電圧Ｖは、図８に示すように、燃料が供給される直前の約０Ｖ付近から、徐々に上昇する。

ここで、図７の特性図に示すように、燃料電池２の出力特性プ口ファイルを基に、電流緩衝回路６の可変抵抗Ｒ１の抵抗値を設定しておき、所定の電圧Ｖ１を超える出力電圧Ｖが得られた時点で、スイッチング手段の切り換えを行う。すなわち、ＦＥＴ１をオン状態からオフ状態に、ＦＥＴ２をオフ状態からオン状態にそれぞれ切り換える。

ここで、所定の電圧Ｖ２とは、図７に示す燃料電池２の出力特性プ口ファイルに基づき設定した可変抵抗Ｒ１と燃料電池２とを接続した際に検出される燃料電池２の出力電圧Ｖが、プ口ファイル通りの電圧Ｖ２であることをいう。ただ、実際の動作では、燃料電池２の使用環境や状態によって、プ口ファイル通りの値が得られない場合があるので、本実施例では電圧Ｖ２の９０％の電圧値を、所定の電圧とした。これは、環境温度や湿度等を考慮して補正をかけることが望ましい。また、スイッチング手段の切り換えを行う際には、燃料電池２の出力電圧Ｖが安定であることを判断する為に遅延時間を形成することが望ましい。

ＦＥＴ４が完全にオン状態になると、電圧変換装置４の入力側のコンデンサＣｉｎの充電が完了する。このとき、燃料電池２の出力電圧Ｖが開回路電圧Ｏ．Ｃ．Ｖ付近まで上昇するので、０．９・Ｏ．Ｃ．Ｖの電圧値を検出すると、ＦＥＴ５をオン状態に切り換えて電圧変換装置４への電流供給を開始する。これで起動モードが終了する。

表１はＦＥＴ３，４，５のゲートに供給するパルス信号Ａ，Ｂ，Ｃの状態を表す論理表である。同表中の各状態を表すイ）乃至ハ）の符号は、図８に示すイ）乃至ハ）の符号に対応している。

＜第３の実施例＞
図９は図１に示す燃料電池電源装置における電流緩衝回路のさらに具体的な構成例である第３の実施例を示す回路図、図１０は燃料電池電圧・電力の出力電流依存性を示す特性図を用いて図９に示す第３の実施例に係る電流緩衝回路の動作を説明する説明図、図１１は図９に示す第３の実施例における燃料電池の開回路電圧の特性を示す特性図である。

これらの図９乃至図１１に基づき本実施例を説明する。図９に示すように、本実施例に係る電流緩衝回路６は、燃料電池２の出力側と接地との間に接続された第６のスイッチング手段であるＦＥＴ６と、並列に接続した複数の可変抵抗Ｒ４，Ｒ５を選択的に切り換えて全体の合成抵抗を変化させる第７のスイッチング手段であるＦＥＴ７−１，７−２と、一端がＦＥＴ６に接続されるとともに他端が電圧変換装置４の入力側に接続されている第８のスイッチング手段であるＦＥＴ８と、一端が燃料電池２の出力側に接続されるとともに他端が電圧変換装置４の入力側に接続されている第９のスイッチング手段であるＦＥＴ９とを有する。

ここで、ＦＥＴ６は可変抵抗Ｒ１を介して燃料電池２に接続してある。また、ＦＥＴ６及びＦＥＴ８のゲートにはコンデンサＣ１と可変抵抗Ｒ２とからなる時定数回路、またはコンデンサＣ２と可変抵抗Ｒ３とからなる時定数回路が接続してある。

一方、本実施例におけるマイクロコントローラ１０は、初期状態においてはＦＥＴ６を、そのゲートに供給するパルス信号ａでオン状態に制御するとともに、燃料電池２の出力電圧Ｖが第４の所定電圧Ｖ４（図１０参照）に達した時点で適当な遅延時間を介してパルス信号ａによりＦＥＴ６をオフ状態に制御する。続いてＦＥＴ７−１，７−２をそれぞれのゲートに供給するパルス信号ｂ、ｃで制御してこの部分の合成抵抗を変化させることにより燃料電池２の出力電圧Ｖを漸減させ所定の設定電圧Ｖ５，Ｖ６（図１０参照）にする。この場合のＦＥＴ７−１，７−２の切り換えも適当な遅延時間を確保して行う。

かくして、燃料電池２の出力電圧Ｖが設定電圧Ｖ６（図１０参照）となった時点で適当な遅延時間を確保した後、それぞれのゲートに供給するパルス信号ａ、ｄでＦＥＴ６をオフ状態に制御するとともにＦＥＴ８をオン状態に制御する。ここで、ＦＥＴ６、８のゲートには可変抵抗Ｒ２，Ｒ３及びコンデンサＣ１，Ｃ２で形成する時定数回路が接続されているので、ＦＥＴ６は徐々にオフ状態へ変化するとともに、ＦＥＴ８は徐々にオン状態へ変化する。この場合の変化の速さは両時定数回路の時定数を任意に選択することで調整することができる。

かくして、出力電圧Ｖが第５の所定電圧である開回路電圧Ｏ．Ｃ．Ｖ（図１０参照）に基づき設定した０．９・Ｏ．Ｃ．Ｖ の電圧値となったことを検出すると適当な遅延時間を確保した後、パルス信号ｄでＦＥＴ８をオフ状態に制御するとともにＦＥＴ９がオン状態になるようそのゲートにパルス信号ｄ，ｅを供給する。

かかる制御による燃料電池２の出力電圧特性を図１１に基づき説明しておく。以下の（１）乃至（５）は図１１の（１）乃至（５）に対応している。

（１）燃料電池２への燃料が供給される。
（２）第４の所定電圧が検出され、ＦＥＴ７−１をオン状態とする。
（３）第５の所定電圧が検出され、ＦＥＴ７−２をオン状態とする。
（４）第６の所定電圧が検出され、ＦＥＴ６をオフ状態にすると同時にＦＥＴ８をオン状態にする。
（５）開回路電圧Ｏ．Ｃ．Ｖが検出され、ＦＥＴ８をオフ状態にすると同時にＦＥＴ９をオン状態にする。

かかる実施例において、初期状態では、ＦＥＴ６のみがオン状態で、他は全てオフ状態である。このときの合成抵抗Ｒａは１／Ｒａ＝１／Ｒ１となる。

燃料電池２に燃料が供給され、出力電圧が、第４の所定電圧Ｖ４の値の例えばＶ４−１０％以上の電圧が検出されると、ＦＥＴ７−１をオン状態とする。この結果、ＦＥＴ６とＦＥＴ７−１ がオン状態となり、可変抵抗Ｒ１，Ｒ４の合成抵抗Ｒｂは１／Ｒｂ＝１／Ｒ１＋１／Ｒ４となる。

出力電圧Ｖが、第５の所定電圧Ｖ５の値の例えばＶ５−１０％以上の電圧が検出されると、ＦＥＴ７−２をオン状態とする。この結果、ＦＥＴ６とＦＥＴ７−１に加えＦＥＴ７−２もオン状態となり、可変抵抗Ｒ１，Ｒ４，Ｒ５の合成抵抗Ｒｃは１／Ｒｃ＝１／Ｒ１＋１／Ｒ４＋１／Ｒ５となる。

出力電圧Ｖが、第６の所定電圧Ｖ６の値の例えばＶ６−１０％以上の電圧が検出されると、ＦＥＴ６をオフ状態とすると同時にＦＥＴ８をオン状態とする。このとき、燃料電池２からＩ６以上の電流が流れないよう、また燃料電池２から出力される電流が変動しないようにＦＥＴ６とＦＥＴ８とのオン／オフの切り換えを行う。このとき、電圧変換装置４の入力側のコンデンサＣｉｎが充電される。

コンデンサＣｉｎへの充電が完了すると、燃料電池２からの出力電流がなくなるので、燃料電池２の出力電圧Ｖは、開回路電圧Ｏ．Ｃ．Ｖまで上昇する。

出力電圧Ｖが、０．９×Ｏ．Ｃ．Ｖ以上となると、ＦＥＴ８をオフ状態にすると同時にＦＥＴ９をオン状態とする。

かくして起動動作を完了する。一方、負荷３の動作が終了した場合は、ＦＥＴ９をオフ状態とし、その後ＦＥＴ６をオン状態として初期状態へ戻る。

＜第２の実施の形態＞
図１２は本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池電源装置を示すブロック線図である。本形態は、図１に示す第１の実施の形態が制御手段をマイクロコントローラ１０で形成したのに対し、これを論理回路で実現したものである。そこで、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

図１２に示すように、電流検出器８は、第２の電源５と負荷３との間に配設された抵抗Ｒ０の両端の電圧を比較器１２で比較することにより第２の電源５から負荷３に電流を供給したことを検出するとともに、この検出により得る電流検出信号によりスイッチ手段９をオンするものである。さらに詳言すると、比較器１２の出力はサンプルホールド回路１３で保持される。比較器１４ではサンプルホールド回路１３が保持しているホールド電圧と予め設定した第４の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ４とを比較しており、ホールド電圧＞基準電圧Ｖ_ｒｅｆ４の関係が成立している間は前記電流検出信号を出力する。電流検出信号はＯＲ回路２３を介してスイッチ手段９を動作させるように構成してある。すなわち、ＯＲ論理を採っているので、負荷３側からの情報、例えば負荷３が駆動モードにあることを表す情報によってもスイッチ手段９は動作させることができる。

比較器１２の出力は比較器１５にも供給されており、比較器１５では負荷３の対する電流の供給が停止された場合に、比較器１２を介してこのことを検出してリセット信号を出力する。

スイッチ手段９は電圧変換装置４と第２の電源５との間に配設されたＰｃｈのＦＥＴ１１とこのＦＥＴ１１のゲート電圧を制御するＮｃｈのＦＥＴ１０とを有しており、ＯＲ回路２３の出力信号でＦＥＴ１０をオンすることでＦＥＴ１１のゲート電圧を接地電圧としてこのＦＥＴ１１をオン状態にするようになっている。

スイッチ手段９はかかる構成に限定するものでは勿論ないが、このようにＮｃｈのＦＥＴ１０とＰｃｈのＦＥＴ１１とを組み合わせることで当該燃料電池電源装置の待機時の消費電力を低減し得る。

比較器１７は電圧変換装置４の出力電圧と第１の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１とを比較するものであリ、出力電圧＞第１の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１の関係が成立しているときサンプルホールド回路１８を介して燃料供給装置１を駆動するようになっている。

比較器１９は燃料電池２の出力側の電圧と第２の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１とを比較するものであリ、出力電圧＞第２の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２の関係が成立しているときこのことを表すパルス信号Ｂを送出する。比較器２０は比較器１９の出力側の電圧と第３の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ３とを比較するものであリ、比較器１９の出力側の電圧＞第３の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ３の関係が成立しているとき、このことを表すパルス信号Ａを送出する。パルス信号Ａはバッファアンプ２２を介して電圧変換装置４にも供給される。

ナンド回路２１はパルス信号Ａ，Ｂのナンド論理を採るものであり、その結果をパルス信号Ｃとして送出する。

本形態におけるパルス信号Ａ，Ｂ，Ｃは、表１に示す論理を実現するものである。すなわち、図６に示す電流緩衝回路６のＦＥＴ４，ＦＥＴ３，ＦＥＴ５のゲートに供給され、これらに対して図１に示す第１の実施の形態におけるマイクロコントローラ１０と全く同様の制御を行なう。

本形態は、図６に示す第２の実施例に対応したものであるが、燃料電池２の出力電圧を所定の基準電圧と順次比較して所定のパルス信号を形成することで図３及び図９に示す他の実施例にも容易に適用できる。

かかる本形態において、負荷３に対する電流の供給が検出された場合には、このことを表す信号でスイッチ手段９が投入されるとともに、燃料供給装置１が駆動されて燃料電池２に燃料が供給される。

この結果、燃料電池２は発電を開始するが、その出力電圧によりパルス信号Ｂ，Ａ，Ｃを順次形成して図６に示す電流緩衝回路６のＦＥＴ４，ＦＥＴ３，ＦＥＴ５のゲートに供給される。

この結果、図６に示す第２の実施例と同様の態様で起動動作がなされる。一方、負荷３に対する電流の供給が停止された場合には比較器１５の出力を保持しているサンプルホールド回路１６から得られるリセット信号でサンプルホールド回路１８がリセットされるので、燃料供給装置１の動作が停止されるとともに初期状態に戻る。

本発明は燃料電池を電源として利用する装置を製造・販売する産業分野で有効に利用し得る。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池電源装置を示すブロック線図である。 図１に示す燃料電池電源装置の起動時の動作を示すフローチャートである。 図１に示す燃料電池電源装置における電流緩衝回路の第１の実施例を示す回路図である。 燃料電池電圧・電力の出力電流依存性を示す特性図を用いて図３に示す第１の実施例に係る電流緩衝回路の動作を説明する説明図である。 図３に示す第１の実施例における燃料電池の開回路電圧の特性を示す特性図である。 図１に示す燃料電池電源装置における電流緩衝回路の第２の実施例を示す回路図である。 燃料電池電圧・電力の出力電流依存性を示す特性図を用いて図６に示す第２の実施例に係る電流緩衝回路の動作を説明する説明図である。 図６に示す第２の実施例における燃料電池の開回路電圧の特性を示す特性図である。 図１に示す燃料電池電源装置における電流緩衝回路の第３の実施例を示す回路図である。 燃料電池電圧・電力の出力電流依存性を示す特性図を用いて図９に示す第３の実施例に係る電流緩衝回路の動作を説明する説明図である。 図９に示す第３の実施例における燃料電池の開回路電圧の特性を示す特性図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池電源装置を示すブロック線図である。 従来技術に係る燃料電池電源装置を示す回路図である。

符号の説明

１ 燃料供給装置
２ 燃料電池
３ 負荷
４ 電圧変換装置
５ 第２の電源
６ 電流緩衝回路
８ 電流検出器
９ スイッチ手段
１０ マイクロコントローラ

Claims (7)

1. 燃料供給装置から燃料を供給されて発電する第１の電源である燃料電池と、この燃料電池を電源として負荷に印加する出力電圧を一定に制御するとともに入力側及び出力側にそれぞれ平滑用のコンデンサを備えた電圧変換装置とを有する燃料電池電源装置において、
   前記電圧変換装置と前記負荷との間に配設され前記電圧変換装置に対して並列に接続された蓄電手段からなる第２の電源と、
   前記第２の電源と前記電圧変換装置の出力側との間に配設したスイッチ手段と、
   前記燃料電池から前記電圧変換装置に供給する電流を制限するよう前記燃料電池と前記電圧変換装置との間に配設されている電流緩衝回路と、
   前記第２の電源から負荷に電流を供給したことを検出した時点で前記スイッチ手段をオンして前記電圧変換装置の出力側のコンデンサに充電電流を供給するとともに、その後前記燃料電池に対する燃料の供給を開始するよう前記燃料供給装置を制御する一方、前記燃料電池の出力電圧を検出してこの出力電圧が所定電圧に達したとき前記電流緩衝回路の電流制限機能を解除して前記燃料電池の出力電圧が前記電圧変換装置の入力側に直接印加されるよう前記電流緩衝回路を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池電源装置。
2. 請求項１に記載する燃料電池電源装置において、
   前記電流緩衝回路は、前記燃料電池の出力側と前記電圧変換装置の入力側との間に接続された第２のスイッチング手段と、該第２のスイッチング手段の前記燃料電池の出力側で前記燃料電池の出力側と接地との間に所定の抵抗を介して接続された第１のスイッチング手段とを有するとともに、
   前記制御手段は、初期状態においては前記第１のスイッチング手段をオン状態に制御する一方、前記燃料電池の出力電圧が第１の所定電圧に達した時点で前記第１のスイッチング手段をオフ状態に制御するとともに、前記第２のスイッチング手段が徐々にオン状態になるように制御するものであることを特徴とする燃料電池電源装置。
3. 請求項１に記載する燃料電池電源装置において、
   前記電流緩衝回路は、前記燃料電池の出力側と接地との間に接続された第３のスイッチング手段と、一端が前記第３のスイッチング手段に接続されるとともに他端が前記電圧変換装置の入力側に接続されている第４のスイッチング手段と、一端が前記燃料電池の出力側に接続されるとともに他端が前記電圧変換装置の入力側に接続されている第５のスイッチング手段とを有するとともに、
   前記制御手段は、初期状態においては前記第３のスイッチング手段をオン状態に制御するとともに、前記燃料電池の出力電圧が第２の所定電圧に達した時点で前記第３のスイッチング手段をオフ状態にするとともに前記第４のスイッチング手段が徐々にオン状態になるように制御し、さらに前記燃料電池の出力電圧が第３の所定電圧に達した時点で前記第４のスイッチング手段をオフ状態にするとともに前記第５のスイッチング手段がオン状態になるように制御するものであることを特徴とする燃料電池電源装置。
4. 請求項１に記載する燃料電池電源装置において、
   前記電流緩衝回路は、一端が前記燃料電池の出力側に接続されるとともに他端が前記電圧変換装置の入力側に接続されている第９のスイッチング手段と、該第９のスイッチング手段よりも前記電圧変換装置の入力側で前記第９のスイッチング手段の他端と接地との間で相互に直列に接続された第８のスイッチング手段および第６のスイッチング手段と、一端が前記第９のスイッチング手段よりも前記燃料電池の出力側に接続され、他端が前記第８のスイッチング素子と第６のスイッチング素子との間に接続されて相互に並列に接続されている複数の抵抗を選択的に切り換えて全体の合成抵抗を変化させる第７のスイッチング手段とを有するとともに、
   前記制御手段は、初期状態においては前記第６のスイッチング手段をオン状態に制御するとともに、前記燃料電池の出力電圧が第４の所定電圧に達した時点で前記第６のスイッチング手段をオフ状態に制御し、さらに前記第７のスイッチング手段を制御して前記合成抵抗を変化させることにより前記燃料電池の出力電圧を漸減させ、続いて前記出力電圧が第５の所定電圧に達した時点で前記第８のスイッチング手段が徐々にオン状態になるように制御するとともに前記出力電圧が第６の所定電圧に達した時点で前記第８のスイッチング手段をオフ状態にするとともに前記第９のスイッチング手段がオン状態になるように制御するものであることを特徴とする燃料電池電源装置。
5. 請求項２乃至請求項４に記載する燃料電池電源装置において、
   第２のスイッチング手段、第４のスイッチング手段及び第８のスイッチング手段はＦＥＴで形成するとともに、各ＦＥＴのゲート電圧を抵抗及びコンデンサを含む時定数回路で徐々に変化させることにより前記第２のスイッチング手段、第４のスイッチング手段及び第８のスイッチング手段が徐々にオン状態になるように制御されるものであることを特徴とする燃料電池電源装置。
6. 請求項１に記載する燃料電池電源装置において、
   前記第２の電源と前記負荷との間に配設された抵抗の両端の電圧を比較することにより前記第２の電源から負荷に電流を供給したことを検出するとともにこの検出により得る電流検出信号により前記スイッチング手段をオンする電流検出器を具備するとともに、
   前記制御手段は、前記電圧変換装置の出力電圧と第１の基準値とを比較して前記出力電圧が前記第１の基準値を超えた時点で前記燃料電池に対する燃料の供給を開始するよう前記燃料供給装置を駆動する第１の比較手段と、前記燃料電池の出力電圧と第２の基準値とを比較して前記出力電圧が前記第２の基準値を超えた時点で前記電流緩衝回路の電流制限機能を解除する第２の比較手段とを有することを特徴とする燃料電池電源装置。
7. 燃料供給装置から燃料を供給されて発電する第１の電源である燃料電池を電源として負荷に印加する出力電圧を一定に制御するとともに入力側及び出力側にそれぞれ平滑用のコンデンサを備えた電圧変換装置を有する燃料電池電源装置の制御方法において、
   第２の電源から前記負荷に電流を供給したことを検出した時点でスイッチ手段をオンして前記電圧変換装置の出力側のコンデンサを充電するとともに、前記燃料供給装置を動作させて前記燃料電池に燃料を供給することにより発電を行なわせる一方、電流緩衝回路を介して前記燃料電池の出力電流を制限しながら前記電圧変換装置の入力側のコンデンサを充電する一方、前記燃料電池の出力電圧を検出してこの出力電圧が所定電圧に達したとき前記電流緩衝回路の電流制限機能を解除して前記燃料電池の出力電圧が前記電圧変換装置の入力側に直接印加されるように制御することを特徴とする燃料電池電源装置の制御方法。

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