JP5131805B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、水と水素発生物質との反応により水素を発生させて発電を行う燃料電池システムに関する。特に、燃料電池で発生した電力を蓄電装置(リチウムイオン電池)に蓄電させる燃料電池システムに好適である。   The present invention relates to a fuel cell system for generating electricity by generating hydrogen by a reaction between water and a hydrogen generating substance. In particular, it is suitable for a fuel cell system in which electric power generated in a fuel cell is stored in a power storage device (lithium ion battery).
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れるリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証するまでには至っていない。   In recent years, with the widespread use of cordless devices such as personal computers and mobile phones, secondary batteries as power sources are increasingly required to be smaller and have higher capacities. Currently, lithium ion secondary batteries with high energy density and reduced size and weight have been put into practical use, and the demand for portable power sources is increasing. However, depending on the type of cordless device used, this lithium secondary battery has not yet been able to guarantee a sufficient continuous use time.
このような状況の中で、上記要望に応え得る電池の一例として、固体高分子型燃料電池がある。固体高分子型燃料電池は、電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に燃料(水素、メタノール等)がそれぞれ用いられ、リチウムイオン電池よりも高エネルギー密度化が期待できる系として注目されている。このような燃料電池において、その水素供給源として、アルミニウム粉と水とを反応させて水素を発生させることが、特許文献1などで提案されている。この場合、アルミニウム粉に水を添加し加熱することにより、100℃以下の低温で動作させることができるので、携帯用燃料電池に好適である。実際には、燃料の供給、すなわち水素の生成量の迅速な加減制御が困難であるため、燃料電池出力を二次電池(リチウムイオン電池等)に蓄電させるように構成することで、小型の携帯用燃料電池システムとして利用が容易となる。一般的な燃料電池は、電解質とそれを挟む一対の電極とで構成される単位であるセル(基本電池)を、複数個直列接続してスタックを形成している。複数のセルを直列接続することで、出力電圧を高めている。   Under such circumstances, there is a polymer electrolyte fuel cell as an example of a battery that can meet the above-mentioned demand. The polymer electrolyte fuel cell uses a solid polymer electrolyte as the electrolyte, oxygen in the air as the positive electrode active material, and fuel (hydrogen, methanol, etc.) as the negative electrode active material, and has a higher energy density than the lithium ion battery. It is attracting attention as a promising system. In such a fuel cell, as a hydrogen supply source, it is proposed in Patent Document 1 to generate hydrogen by reacting aluminum powder and water. In this case, by adding water to the aluminum powder and heating it, it can be operated at a low temperature of 100 ° C. or lower, which is suitable for a portable fuel cell. In practice, it is difficult to quickly control the supply of fuel, that is, the amount of hydrogen produced. Therefore, it is possible to store a fuel cell output in a secondary battery (such as a lithium ion battery) so that a small mobile phone can be stored. As a fuel cell system, it can be easily used. A general fuel cell forms a stack by connecting a plurality of cells (basic cells), which are units composed of an electrolyte and a pair of electrodes sandwiching the electrolyte, in series. The output voltage is increased by connecting a plurality of cells in series.
また、一般的に固体高分子型燃料電池の出力電圧は、1セル当たり1V以下となることが多く、それに対しリチウムイオン電池は3.6V程度の電圧である。リチウムイオン電池は、自己放電が少なく、重量当たりの蓄電量が大きい等の理由から、燃料電池で発電された電力を蓄積するバッファとして好適である。リチウムイオン電池を燃料電池システムのバッファとして利用する場合、複数のセルをシリーズ化して発生電圧を高電圧化するか、燃料電池で発生した電圧を昇圧回路により高電圧に変換した後に、リチウムイオン電池に充電する必要がある。   In general, the output voltage of a polymer electrolyte fuel cell is often 1 V or less per cell, whereas a lithium ion battery has a voltage of about 3.6 V. The lithium ion battery is suitable as a buffer for storing electric power generated by the fuel cell because it has a low self-discharge and a large amount of electricity stored per weight. When using a lithium ion battery as a buffer for a fuel cell system, increase the generated voltage by serializing multiple cells, or convert the voltage generated in the fuel cell to a high voltage by a booster circuit, and then use the lithium ion battery Need to be charged.
ところで、このような燃料電池と二次電池とを組み合わせた燃料電池システムの一例は、特許文献2に開示されている。特許文献2には、燃料電池の発電効率が最大となるように燃料電池出力電圧を制御し、使用時間の長時間化が期待できる構成が開示されている。
特開2004−231466号公報 特開2002−184443号公報
An example of a fuel cell system in which such a fuel cell and a secondary battery are combined is disclosed in Patent Document 2. Patent Document 2 discloses a configuration in which the fuel cell output voltage is controlled so that the power generation efficiency of the fuel cell is maximized, and a longer use time can be expected.
JP 2004-231466 A JP 2002-184443 A
しかしながら上記特許文献2に開示された構成では、水素供給量のバラツキや燃料電池のセルのバラツキがあった場合の発電と、それを受けてのリチウムイオン電池に対する充電を効率よく行うことができないという問題があった。   However, with the configuration disclosed in Patent Document 2, it is impossible to efficiently generate power when there is a variation in the amount of hydrogen supply or a variation in fuel cell, and to charge the lithium ion battery in response to the power generation. There was a problem.
すなわち、特許文献2には、必要に応じて供給量を制御された水素を用いて燃料電池を如何に効率よく発電させるかについての記載はあるが、水素供給量の迅速な加減制御が困難で水素発生量にバラツキ等がある水素発生源を有する場合に、また、温度や使用状況、製作の個別バラツキによって変化する燃料電池の発電特性を有する場合に、如何に最適に燃料電池を発電させるかについては開示されていない。特許文献2では、予め保存していた燃料電池の動作特性に基づいて燃料電池のセル出力電圧を制御しているが、水素供給量のバラツキや燃料電池自体の発電特性の変動やバラツキに対処して効率化を図ることは困難である。   That is, Patent Document 2 describes how to efficiently generate power from a fuel cell using hydrogen whose supply amount is controlled as necessary, but it is difficult to quickly control the hydrogen supply amount. How to optimally generate a fuel cell when there is a hydrogen generation source with variations in the amount of hydrogen generated, and when the power generation characteristics of the fuel cell vary depending on temperature, usage conditions, and individual variations in production Is not disclosed. In Patent Document 2, the cell output voltage of the fuel cell is controlled based on the operation characteristics of the fuel cell that have been stored in advance. However, in order to cope with variations in the hydrogen supply amount and fluctuations and variations in power generation characteristics of the fuel cell itself It is difficult to improve efficiency.
本発明は、上記課題に鑑み、水素供給源からの水素流量の迅速な制御が困難な場合や燃料電池の発電特性に初期バラツキや劣化が生じていても、燃料電池の好適な発電条件を検出し、その発電条件で燃料電池を駆動することにより、効率化を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention detects suitable power generation conditions for a fuel cell even when it is difficult to quickly control the hydrogen flow rate from a hydrogen supply source, or even when initial variation or deterioration occurs in the power generation characteristics of the fuel cell. And it aims at providing the fuel cell system which can aim at efficiency by driving a fuel cell on the electric power generation conditions.
上記目的を達成するために本発明の燃料電池システムは、燃料を化学反応させて発電可能な燃料電池と、前記燃料電池の出力電流を増減させて出力電圧を制御する燃料電池制御部とを備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の出力電圧を監視し、前記燃料電池の出力電圧を増減させ、前記燃料電池の出力電流の振幅が減少を開始する時の電圧を第1の動作点として、前記燃料電池が出力できる最大電力時の電圧を第2の動作点として、検出可能な動作点検出部と、前記燃料電池の出力電圧を、前記動作点検出部で検出された前記第1の動作点電圧または前記第2の動作点電圧に一致させるよう、前記燃料電池の出力電流を制御可能な電圧設定部とを備えている。
In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention includes a fuel cell capable of generating electricity by chemically reacting fuel, and a fuel cell control unit for controlling an output voltage by increasing or decreasing an output current of the fuel cell. The fuel cell control unit monitors the output voltage of the fuel cell, increases or decreases the output voltage of the fuel cell, and the amplitude of the output current of the fuel cell starts to decrease. voltage as the first operating point, the voltage at the maximum power the fuel cell can be output as a second operating point, an operating point detecting unit capable of detecting the output voltage of the fuel cell, wherein A voltage setting unit capable of controlling an output current of the fuel cell so as to coincide with the first operating point voltage or the second operating point voltage detected by the operating point detecting unit.
また、燃料を化学反応させて発電可能な燃料電池と、充放電可能な二次電池と、前記燃料電池で発生された電力を、昇圧して前記二次電池に充電させる昇圧充電回路とを備えた燃料電池システムであって、前記昇圧充電回路は、前記燃料電池の出力電流の増減により前記燃料電池の出力電圧を第1の設定値に保つように制御する出力電圧制御部と、前記燃料電池の出力電流を検出しつつ前記出力電圧制御部の前記第1の設定値を増減させ、前記燃料電池の出力電流の振幅が減少を開始する時の電圧を第1の動作点電圧として検出する動作点検出部と、前記動作点検出部で前記第1の動作点電圧が検出された後に、前記第1の設定値に前記第1の動作点電圧を設定するよう前記出力電圧制御部を制御する制御部とを備えている。 A fuel cell capable of generating electricity by chemically reacting the fuel; a chargeable / dischargeable secondary battery; and a boosting charging circuit that boosts the electric power generated in the fuel cell and charges the secondary battery. In the fuel cell system, the step-up charging circuit is configured to control the output voltage of the fuel cell to be maintained at a first set value by increasing or decreasing the output current of the fuel cell; and the fuel cell The first setting value of the output voltage control unit is increased or decreased while detecting the output current of the fuel cell, and the voltage at which the amplitude of the output current of the fuel cell starts to decrease is detected as the first operating point voltage. After the first operating point voltage is detected by the point detecting unit and the operating point detecting unit, the output voltage control unit is controlled to set the first operating point voltage to the first set value. And a control unit.
本発明によれば、供給される燃料に応じて効率的な充電が行える燃料電池システムを実現できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can be charged efficiently according to the supplied fuel is realizable.
本発明の燃料電池システムは、前記二次電池はリチウムイオン電池で構成することが望ましい。   In the fuel cell system of the present invention, it is preferable that the secondary battery is a lithium ion battery.
また、前記燃料電池の燃料は、アルミニウム粉と水とから発生させた水素で構成することが望ましい。   Moreover, it is desirable that the fuel of the fuel cell is composed of hydrogen generated from aluminum powder and water.
また、前記充電回路は燃料電池の出力電流の増減により出力電圧を一定値に保つことができる燃料電池出力電圧制御部を有することが望ましい。   The charging circuit preferably includes a fuel cell output voltage control unit that can maintain the output voltage at a constant value by increasing or decreasing the output current of the fuel cell.
また、前記燃料電池システムでは前記燃料電池出力電圧制御部と燃料電池出力電流検出手段を有し、前記燃料電池出力電圧制御部により燃料電池出力電圧を低下させるに伴って生じる燃料電池出力電流の増加が停止する燃料電池出力電圧を第1の動作点電圧として検出する動作点検出部を有することが望ましい。   Further, the fuel cell system includes the fuel cell output voltage control unit and a fuel cell output current detection unit, and an increase in the fuel cell output current that occurs as the fuel cell output voltage is lowered by the fuel cell output voltage control unit. It is desirable to have an operating point detector that detects the fuel cell output voltage at which the operation stops as the first operating point voltage.
また、前記燃料電池システムでは前記燃料電池出力電圧制御部を用いて、前記動作点検出部により検出した第1の動作電圧に燃料電池出力電圧を設定する制御を行う制御部を有することが望ましい。   The fuel cell system preferably includes a control unit that performs control for setting the fuel cell output voltage to the first operating voltage detected by the operating point detection unit using the fuel cell output voltage control unit.
また、前記充電手段は、二次電池の電圧が充電されて第1の充電電圧に到達するまでは、前記燃料電池出力電圧制御部により燃料電池の出力電圧を一定の電圧に制御しつつ充電を行い、充電が進行して二次電池の電圧が第1の充電電圧に到達した場合は二次電池への充電電圧を第1の充電電圧に保ちつつ充電を継続する充電制御を行う機能を有することが望ましい。   Further, the charging means performs charging while controlling the output voltage of the fuel cell to a constant voltage by the fuel cell output voltage control unit until the voltage of the secondary battery is charged and reaches the first charging voltage. When the charging progresses and the voltage of the secondary battery reaches the first charging voltage, it has a function of performing charging control to continue charging while keeping the charging voltage to the secondary battery at the first charging voltage. It is desirable.
また、前記第1の動作点として、供給された水素を全て消費し、且つ、燃料電池出力電圧が最も高い電圧に保たれるような動作点とすることが望ましい。   The first operating point is preferably an operating point that consumes all of the supplied hydrogen and that maintains the fuel cell output voltage at the highest voltage.
また、燃料電池の出力電流の制御により出力電圧を低下させるにつれて増加する出力電力が最大となる出力電圧を有する第2の動作点が検出された場合、水素供給量が過剰であるので、水の供給を減少させることが望ましい。   In addition, when the second operating point having an output voltage at which the output power that increases as the output voltage is decreased by controlling the output current of the fuel cell is detected, the hydrogen supply amount is excessive. It is desirable to reduce the supply.
また、燃料電池の出力電圧を低下させつつ行う動作点検出の制御中に、水素を全て消費する第1の動作点の電圧が先に検出された場合は、出力電力が最大となる第2の動作点までの水素供給の余裕があるので水の供給を増加させることが望ましい。   In addition, when the voltage at the first operating point that consumes all hydrogen is detected first during the control of the operating point detection performed while reducing the output voltage of the fuel cell, the second output power is maximized. It is desirable to increase the supply of water because there is room for hydrogen supply to the operating point.
また、前記第1の動作点を検出する場合、燃料電池の出力電圧を微小に変動させ、それに対しする出力電流の変動量と位相により検出し、更に、前記第2の動作点を検出する場合、燃料電池の出力電圧を微小に変動させ、それに対しする出力電力の変動量と位相により検出してもよく、いわゆるウォブリング制御を行わせるのが望ましい。   In the case of detecting the first operating point, the output voltage of the fuel cell is minutely changed, the output current is detected based on the fluctuation amount and phase, and the second operating point is detected. The output voltage of the fuel cell may be slightly changed and detected based on the fluctuation amount and phase of the output power corresponding thereto, and so-called wobbling control is preferably performed.
(実施の形態1)
〔燃料電池システムの概要〕
図1は、実施の形態1における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。なお、図1は、実施の形態1の燃料電池システムを要素的に示した図である。
(Embodiment 1)
[Overview of fuel cell system]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system in the first embodiment. FIG. 1 is a diagram showing the fuel cell system of the first embodiment as elements.
図1において、燃料電池システムは、燃料電池1と昇圧充電回路2とリチウムイオン電池3と出力端子4とを備えている。燃料電池1は、水素発生部101と固体高分子型燃料電池104(以下、PEFCと称する。PEFC;Polymer Electrolyte Fuel Cell)とを備えている。昇圧充電回路2は、PEFC104の出力を昇圧してリチウムイオン電池3に充電する充電手段の他に、入力電圧設定部201、動作点検出部202、制御部203とを備えている。   In FIG. 1, the fuel cell system includes a fuel cell 1, a boost charging circuit 2, a lithium ion battery 3, and an output terminal 4. The fuel cell 1 includes a hydrogen generator 101 and a polymer electrolyte fuel cell 104 (hereinafter referred to as PEFC; PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell). The step-up charging circuit 2 includes an input voltage setting unit 201, an operating point detection unit 202, and a control unit 203, in addition to charging means for boosting the output of the PEFC 104 and charging the lithium ion battery 3.
水素発生部101は、アルミニウム粉102に水を添加し加熱することにより、水素103を発生させている。発生された水素103は、PEFC104に供給されている。   The hydrogen generator 101 generates hydrogen 103 by adding water to the aluminum powder 102 and heating it. The generated hydrogen 103 is supplied to the PEFC 104.
PEFC104は、電解質とそれを挟む一対の電極(正極、負極)とで構成されたセルを、複数個備えてスタックを形成している。電解質には、固体高分子電解質が使われている。また、正確には正極活物質である空気中の酸素が供給され、負極には負極活物質である燃料(水素、メタノール)が供給されている。負極には、水素発生部101で発生した水素103が供給される。この構成において、負極活物質の水素イオンが電解質を通って正極側へ移動し、酸素分子と結合する時に、外部回路中を電子が移動し発電される。なお、PEFC104において使用される電解質、正極活物質、負極活物質の構成は、上記に限定されるものではない。   The PEFC 104 includes a plurality of cells each including an electrolyte and a pair of electrodes (a positive electrode and a negative electrode) that sandwich the electrolyte, thereby forming a stack. A solid polymer electrolyte is used as the electrolyte. More precisely, oxygen in the air as a positive electrode active material is supplied, and fuel (hydrogen, methanol) as a negative electrode active material is supplied to the negative electrode. Hydrogen 103 generated in the hydrogen generator 101 is supplied to the negative electrode. In this configuration, when the hydrogen ions of the negative electrode active material move to the positive electrode side through the electrolyte and combine with oxygen molecules, electrons move in the external circuit to generate power. Note that the configurations of the electrolyte, the positive electrode active material, and the negative electrode active material used in the PEFC 104 are not limited to the above.
入力電圧設定部201は、燃料電池1からの出力電流の増減制御により、出力電圧を任意の設定された電圧(例えば第1の設定電圧)に保つように制御する設定手段である。   The input voltage setting unit 201 is a setting unit that controls the output voltage to be maintained at an arbitrarily set voltage (for example, the first set voltage) by increasing / decreasing the output current from the fuel cell 1.
動作点検出部202は、入力電圧設定部201により燃料電池1の出力電圧を可変しつつ燃料電池1の出力電流の挙動を検知することにより、第1の動作点電圧を検出する手段である。第1の動作点電圧とは、水素供給を全て消費して発電を行っている状態における、燃料電池1の出力電圧のことである。さらに、動作点検出部202は、第1の動作点電圧を検出するとともに、出力電力を検知して第2の動作点電圧を検出することができる。第2の動作点電圧とは、出力電力が最大となる状態における、燃料電池1の出力電圧のことである。なお、第1の動作点電圧、第2の動作点電圧の検出方法については、後述する〔ウォブリング制御による動作点検出方法〕の項にて、詳しく説明する。   The operating point detector 202 is a means for detecting the first operating point voltage by detecting the behavior of the output current of the fuel cell 1 while varying the output voltage of the fuel cell 1 by the input voltage setting unit 201. The first operating point voltage is an output voltage of the fuel cell 1 in a state where power is generated by consuming all the hydrogen supply. Furthermore, the operating point detection unit 202 can detect the first operating point voltage and also detect the output power to detect the second operating point voltage. The second operating point voltage is an output voltage of the fuel cell 1 in a state where the output power is maximized. A method for detecting the first operating point voltage and the second operating point voltage will be described in detail in the section of [Operating point detecting method by wobbling control] described later.
制御部203は、動作点検出部202を制御して第2の動作点電圧を検出するために燃料電池1の出力電圧を低下させていった場合に、先に第1の動作点電圧を検出した場合には、入力電圧設定部201を制御して、第1の動作点電圧に基づき燃料電池1の出力電圧を制御するものである。また、最大電力を得る第2の動作点電圧を検出した後、水素を全て消費する第1の動作点電圧が検出されなかった場合、水素供給量が過剰であると判断して、水素発生部101に対する水の供給を減少させる制御を行う。   The control unit 203 first detects the first operating point voltage when the output voltage of the fuel cell 1 is decreased in order to control the operating point detecting unit 202 to detect the second operating point voltage. In this case, the input voltage setting unit 201 is controlled to control the output voltage of the fuel cell 1 based on the first operating point voltage. If the first operating point voltage that consumes all of hydrogen is not detected after detecting the second operating point voltage for obtaining the maximum power, it is determined that the hydrogen supply amount is excessive, and the hydrogen generating unit Control to reduce the supply of water to 101 is performed.
これらの動作を実現するための具体的な構成は後述するが、図1に示した構成により、効率的な水素消費や水素生成を行うことができる燃料電池システムを構築することができる。   Although a specific configuration for realizing these operations will be described later, a fuel cell system capable of efficient hydrogen consumption and hydrogen generation can be constructed by the configuration shown in FIG.
〔具体的な回路構成〕
図2は、昇圧充電回路2の具体的な回路図である。
[Specific circuit configuration]
FIG. 2 is a specific circuit diagram of the boost charging circuit 2.
図2は、入力電圧をより高い出力電圧に変換し充電する昇圧充電回路であり、説明を簡略化するためPWM制御ICとして市販されているICを使用することを前提に構成している。なお、動作説明を簡略化する為に、後述する第1の動作点電圧や第2の動作点電圧の検出方法や、効率的な燃料電池1の発電制御方法等を実現する方法として例示したものであり、昇圧充電による二次電池への充電やそれを市販のPWM制御ICを用いた充電回路で必ずしも構成する必要が無い事は言うまでもない。   FIG. 2 is a step-up charging circuit that converts an input voltage into a higher output voltage and charges it, and is configured on the assumption that a commercially available IC is used as a PWM control IC for the sake of simplicity. In order to simplify the explanation of the operation, the first operating point voltage and the second operating point voltage, which will be described later, are exemplified as a method for realizing a method for detecting the first operating point voltage and an efficient power generation control method for the fuel cell 1. Needless to say, it is not always necessary to configure the secondary battery by boosting charging or a charging circuit using a commercially available PWM control IC.
図2は、市販されているPWM制御IC(例えばリニアテクノロジー社のLS1919等)を利用した昇圧型のDC−DCコンバータを元に、昇圧充電回路を構築した例であり、簡単の為に、そのようなICの動作と同様な動作をするとして説明する。   FIG. 2 is an example in which a step-up charging circuit is constructed based on a step-up DC-DC converter using a commercially available PWM control IC (for example, LS1919 of Linear Technology). A description will be given assuming that the operation is similar to that of the IC.
図2において、昇圧充電回路2は、充電制御回路21、PWM制御回路25、変換回路33とを備えている。   In FIG. 2, the step-up charging circuit 2 includes a charge control circuit 21, a PWM control circuit 25, and a conversion circuit 33.
充電制御回路21は、燃料電池1の出力端子1aに接続されている端子21aと、接地されている端子21bと,リチウムイオン電池3の端子に接続されている端子21cと,PWM制御回路25に接続されている端子21dと、基準電源である基準電源22と、+端子が基準電源22に接続され−端子が端子21aに接続されている誤差増幅器23と、アノードが誤差増幅器23の出力端子に接続されカソードが端子21dに接続されているダイオード24と、端子21cにおける電圧を分圧する分圧抵抗29及び30とを備えている。   The charge control circuit 21 includes a terminal 21 a connected to the output terminal 1 a of the fuel cell 1, a terminal 21 b that is grounded, a terminal 21 c connected to the terminal of the lithium ion battery 3, and the PWM control circuit 25. The connected terminal 21d, the reference power supply 22 as a reference power supply, the + terminal connected to the reference power supply 22 and the-terminal connected to the terminal 21a, and the anode to the output terminal of the error amplifier 23 A diode 24 having a cathode connected to the terminal 21d and voltage dividing resistors 29 and 30 for dividing a voltage at the terminal 21c is provided.
PWM制御回路25は、詳しい回路は図示しないが、内部基準電源、比較増幅器などから構成され、充電制御回路21から出力される電圧と内部基準電源電圧とを比較し、その誤差分を増幅して、所定のデューティを有するPWMパルスを出力するものである。   Although a detailed circuit is not shown, the PWM control circuit 25 is configured by an internal reference power supply, a comparison amplifier, and the like, compares the voltage output from the charge control circuit 21 with the internal reference power supply voltage, and amplifies the error. A PWM pulse having a predetermined duty is output.
なお、PWM制御回路25は、一般に市販されているPWM制御用ICを使用すると簡便に構成できるが、もちろん充電制御回路21等も含めてIC化してもよいことは言うまでも無い。また、更には燃料電池1やリチウムイオン電池3等の電圧、電流をAD変換によりマイコンに取り込んで、信号処理自体はディジタル処理を用いて行い、その結果をPWM出力として取り出して制御回路を構築してもよいが、システムの処理方法や仕様等が明確になれば、回路の実現手段は当業者にとっては設計事項に含まれるので説明は省略する。   Note that the PWM control circuit 25 can be simply configured by using a commercially available PWM control IC, but it goes without saying that the charge control circuit 21 and the like may be integrated into an IC. Furthermore, the voltage and current of the fuel cell 1 and the lithium ion battery 3 are taken into the microcomputer by AD conversion, the signal processing itself is performed using digital processing, and the result is taken out as PWM output to construct a control circuit. However, if the processing method and specifications of the system become clear, circuit realization means are included in the design matters for those skilled in the art, and the description thereof is omitted.
変換回路33は、燃料電池1の出力端子1aとフライホイールダイオード27との間に接続されているインダクタ26と、アノードがインダクタ26に接続されカソードがリチウムイオン電池3に接続されているフライホイールダイオード27と、PWM制御回路25から出力されるPWM信号によってオン/オフに切換制御されるスイッチ28とを備えている。   The conversion circuit 33 includes an inductor 26 connected between the output terminal 1 a of the fuel cell 1 and the flywheel diode 27, and a flywheel diode whose anode is connected to the inductor 26 and whose cathode is connected to the lithium ion battery 3. 27 and a switch 28 that is controlled to be turned on / off by a PWM signal output from the PWM control circuit 25.
充電制御回路21は、インダクタ26に蓄積される磁気エネルギーを利用した電流電圧変換により、第1に、燃料電池1の電流出力の可変により燃料電池1の出力電圧を一定に保ちつつリチウムイオン電池3を充電する、燃料電池1の定電圧駆動制御を行わせ、第2に、リチウムイオン電池3が充電され終止電圧に到達した後は、リチウムイオン電池3への出力電圧を一定に保ちつつ充電する定電圧充電制御を行わせる制御回路である。   The charge control circuit 21 firstly converts the lithium ion battery 3 while keeping the output voltage of the fuel cell 1 constant by changing the current output of the fuel cell 1 by current-voltage conversion using the magnetic energy accumulated in the inductor 26. And, after the lithium-ion battery 3 is charged and reaches the end voltage, it is charged while keeping the output voltage to the lithium-ion battery 3 constant. It is a control circuit which performs constant voltage charge control.
以下、動作について説明する。   The operation will be described below.
図2において、スイッチ28がPWMパルスによってオンにされると、インダクタ26を通じて燃料電池1から電流が供給され、インダクタ26に磁気エネルギーが蓄えられる。その後、スイッチ28がPWMパルスによってオフにされると、インダクタ26に蓄えられた磁気エネルギーにより電流の流れを継続するように、インダクタ26の両端に高電圧が反転生成する。インダクタ26の一端が燃料電池1に繋がれているのでインダクタ26のスイッチ28側に高電圧が発生し、それがフライホイールダイオード27を通じてリチウムイオン電池3側に供給され、充電される。このように、スイッチ28のオン/オフ切り換えによる変換動作を繰り返すことにより、燃料電池1で発生される電力を、リチウムイオン電池3へ充電させることができる。   In FIG. 2, when the switch 28 is turned on by a PWM pulse, current is supplied from the fuel cell 1 through the inductor 26, and magnetic energy is stored in the inductor 26. Thereafter, when the switch 28 is turned off by the PWM pulse, a high voltage is inverted and generated at both ends of the inductor 26 so that the current flow is continued by the magnetic energy stored in the inductor 26. Since one end of the inductor 26 is connected to the fuel cell 1, a high voltage is generated on the switch 28 side of the inductor 26, which is supplied to the lithium ion battery 3 side through the flywheel diode 27 and charged. As described above, the lithium ion battery 3 can be charged with the electric power generated in the fuel cell 1 by repeating the conversion operation by switching the switch 28 on and off.
燃料電池1からの電流を増加させる場合は、PWM制御回路25から出力されるPWMパルスのデューティ比を高くし、スイッチ28のオン期間を増加させ、インダクタ26に流れる電流を増加させる。   When increasing the current from the fuel cell 1, the duty ratio of the PWM pulse output from the PWM control circuit 25 is increased, the ON period of the switch 28 is increased, and the current flowing through the inductor 26 is increased.
今、燃料電池1の出力電圧が上昇した等の理由により、ダイオード24の誤差増幅器23側が端子21dより低電圧となった場合、ダイオード24は逆極性となるためオフとなり、ダイオード24が接続されていない状態となる。この場合、リチウムイオン電池3の出力が、分圧抵抗29と分圧抵抗30とで分圧されてPWM制御回路25に伝達される。このような信号経路での構成は一般的なPWM制御ICを使って一定電圧出力を出力するDC−DCコンバータと同じ構成となり、PWM制御回路25は、PWM制御回路25内に設けられた内部基準電源(不図示)と比較し、分圧された端子21dの電圧が内部基準電源の電圧と等しくなるように、PWM制御回路25からスイッチ28へ出力される駆動パルスのデューティ等を変化させる。   If the error amplifier 23 side of the diode 24 becomes lower than the terminal 21d due to reasons such as the output voltage of the fuel cell 1 increasing, the diode 24 is turned off because of the reverse polarity, and the diode 24 is connected. No state. In this case, the output of the lithium ion battery 3 is divided by the voltage dividing resistor 29 and the voltage dividing resistor 30 and transmitted to the PWM control circuit 25. The configuration in such a signal path is the same as that of a DC-DC converter that outputs a constant voltage output using a general PWM control IC, and the PWM control circuit 25 is an internal reference provided in the PWM control circuit 25. Compared with a power supply (not shown), the duty of the drive pulse output from the PWM control circuit 25 to the switch 28 is changed so that the divided voltage of the terminal 21d becomes equal to the voltage of the internal reference power supply.
PWM制御回路25は、入力された電圧が内部基準電源に比較して上昇した場合には、スイッチ28のオン期間を短縮するように駆動パルスのデューティ比を変更して、インダクタ26に流入する電流を低下させることにより、インダクタ26を通じて供給される電流を減少させる。このようにインダクタ26を通じての電流が減少すると、燃料電池1の出力電流の減少による燃料電池1の出力電圧の上昇、リチウムイオン電池1側に流出する電流の減少によるリチウムイオン電池3側への出力電圧の低下、といった変化が生じる。また、逆にPWM制御回路25に入力された電圧が低下した場合は、スイッチ28のオン期間を延長することによりインダクタ26を通じて供給される電流が増加するので、燃料電池1では出力電圧の低下、リチウムイオン電池3側では出力電圧の上昇、といった電圧の変化が生じる。   When the input voltage rises compared to the internal reference power supply, the PWM control circuit 25 changes the duty ratio of the drive pulse so as to shorten the ON period of the switch 28, and the current flowing into the inductor 26 Is reduced, the current supplied through the inductor 26 is reduced. Thus, when the current through the inductor 26 decreases, the output voltage of the fuel cell 1 increases due to the decrease in the output current of the fuel cell 1, and the output to the lithium ion battery 3 due to the decrease in the current flowing out to the lithium ion battery 1 side. Changes such as voltage drop occur. Conversely, when the voltage input to the PWM control circuit 25 decreases, the current supplied through the inductor 26 increases by extending the ON period of the switch 28, so that the output voltage decreases in the fuel cell 1. On the lithium ion battery 3 side, a voltage change such as an increase in output voltage occurs.
以上のような動作を利用することにより、PWM制御回路25の入力としてリチウムイオン電池3からの信号が入力された場合はリチウムイオン電池3への電圧を一定にするような定電圧充電制御を、燃料電池1からの信号が入力された場合は燃料電池1の電圧を一定にするような定電圧駆動制御を行うような制御回路を構成できる。   By using the operation as described above, when a signal from the lithium ion battery 3 is input as the input of the PWM control circuit 25, constant voltage charge control is performed so as to make the voltage to the lithium ion battery 3 constant. When a signal from the fuel cell 1 is input, it is possible to configure a control circuit that performs constant voltage drive control that keeps the voltage of the fuel cell 1 constant.
先に、燃料電池1の出力電圧が上昇した等の理由により、ダイオード24の両端の電圧が逆極性となるためオフとなり、ダイオード24が接続されていない状態となると説明したが、このような場合は、リチウムイオン電池3から分圧抵抗29を経由する信号経路のみが有効になるので、リチウムイオン電池3側を定電圧に保つ定電圧充電制御が実行される。ダイオード24がオフではなく誤差増幅器23の経路が有効な場合は、燃料電池1の出力電圧を一定に保つ定電圧駆動制御が実行される。   As described above, the output voltage of the fuel cell 1 has increased, and the voltage at both ends of the diode 24 has the opposite polarity so that it is turned off and the diode 24 is not connected. Since only the signal path from the lithium ion battery 3 via the voltage dividing resistor 29 is effective, constant voltage charge control for maintaining the lithium ion battery 3 side at a constant voltage is executed. When the diode 24 is not off and the path of the error amplifier 23 is valid, constant voltage drive control is performed to keep the output voltage of the fuel cell 1 constant.
リチウムイオン電池3の充電は、リチウムイオン電池3をその過充電から保護するために、最終的には、予め決められている終止電圧で定電圧充電を行う。今、ダイオード24がオフとなりリチウムイオン電池3の定電圧充電制御状態となっていて、更に、リチウムイオン電池3の充電電圧が終止電圧であった場合に、PWM制御回路25に入力される電圧と内部基準電源の電圧値とが等しくなるように分圧抵抗29と分圧抵抗30の分圧比を設定すれば、この昇圧充電回路2は終止電圧を発生するDC−DCコンバータ動作を行うことになる。   In order to protect the lithium ion battery 3 from its overcharge, the lithium ion battery 3 is finally charged at a constant voltage with a predetermined end voltage. Now, when the diode 24 is turned off and the lithium ion battery 3 is in the constant voltage charge control state, and the charge voltage of the lithium ion battery 3 is the end voltage, the voltage input to the PWM control circuit 25 is If the voltage dividing ratio of the voltage dividing resistor 29 and the voltage dividing resistor 30 is set so that the voltage value of the internal reference power supply becomes equal, the boost charging circuit 2 performs a DC-DC converter operation for generating a final voltage. .
なお、このように分圧抵抗29等を調整設定することにより終止電圧の値を任意に設定できるので、リチウムイオン電池3が1直の構成の場合は例えば4.2Vに設定し、リチウムイオン電池が2直の構成の場合は例えば8.4Vに設定することにより、過充電に対しての保護を行うことができる。   Since the end voltage value can be arbitrarily set by adjusting and setting the voltage dividing resistor 29 and the like in this way, when the lithium ion battery 3 has a single configuration, it is set to 4.2 V, for example. In the case of a two-line configuration, for example, by setting to 8.4V, protection against overcharge can be performed.
以下、先ずは、リチウムイオン電池3の電圧が終止電圧より低下している場合の、燃料電池1の定電圧駆動制御についての動作を説明する。昇圧充電回路2のDC−DCコンバータ動作に伴って燃料電池1からインダクタ26を介して、リチウムイオン電池3に電流が流出するが、燃料電池1からの電流流出が増大していくと、図5(a)(詳細は後述)に示すように燃料電池1の出力電圧が低下していく。   Hereinafter, first, the operation of the constant voltage drive control of the fuel cell 1 when the voltage of the lithium ion battery 3 is lower than the end voltage will be described. A current flows out from the fuel cell 1 to the lithium ion battery 3 via the inductor 26 in accordance with the DC-DC converter operation of the step-up charging circuit 2, but when the current outflow from the fuel cell 1 increases, FIG. As shown in (a) (details will be described later), the output voltage of the fuel cell 1 decreases.
燃料電池1の出力電圧は、端子21aを通じて誤差増幅器23の−端子に入力されているため、燃料電池1の出力電圧が基準電源22の電圧より低下すると、誤差増幅器23の出力電圧が上昇する。したがって、ダイオード24が順方向の導通状態となり、誤差増幅器23の出力により分圧抵抗29と分圧抵抗30とによる分圧回路の電圧が引き上げられるので、それにつれて、端子21dの電圧が上昇する。そのため、PWM制御回路25は、入力電圧が上昇したとしてインダクタ26を介しての電流を減少させ、変換動作を停滞させるので、燃料電池1の出力電流が低下し、燃料電池1の出力電圧が上昇を始める。   Since the output voltage of the fuel cell 1 is input to the minus terminal of the error amplifier 23 through the terminal 21a, when the output voltage of the fuel cell 1 falls below the voltage of the reference power source 22, the output voltage of the error amplifier 23 increases. Accordingly, the diode 24 becomes conductive in the forward direction, and the voltage of the voltage dividing circuit formed by the voltage dividing resistor 29 and the voltage dividing resistor 30 is pulled up by the output of the error amplifier 23. Accordingly, the voltage at the terminal 21d increases. For this reason, the PWM control circuit 25 reduces the current through the inductor 26 even if the input voltage increases and causes the conversion operation to stagnate, so that the output current of the fuel cell 1 decreases and the output voltage of the fuel cell 1 increases. Begin.
逆に、燃料電池1の出力電圧が上昇し、誤差増幅器23の+端子に接続された基準電源22より上昇すると、誤差増幅器23の出力が低下してダイオード24がオフとなり、先に説明したように充電制御回路21は終止電圧を発生するDC−DCコンバータ動作を行うことになる。今、リチウムイオン電池3の出力電圧が終止電圧以下の場合であるので、PWM制御回路25に入力される分圧された電圧は不図示の内部基準電源の電圧より低下している。そのため、出力電圧が低下しているDC−CDコンバータの動作と同じく、インダクタ26を介しての電流を増加させ、変換動作を増進させるので、燃料電池1の出力電流が増加し、燃料電池1の出力電圧が低下する。   Conversely, when the output voltage of the fuel cell 1 rises and rises from the reference power supply 22 connected to the + terminal of the error amplifier 23, the output of the error amplifier 23 falls and the diode 24 turns off, as described above. In addition, the charge control circuit 21 performs a DC-DC converter operation for generating a final voltage. Now, since the output voltage of the lithium ion battery 3 is equal to or lower than the end voltage, the divided voltage input to the PWM control circuit 25 is lower than the voltage of an internal reference power supply (not shown). Therefore, like the operation of the DC-CD converter in which the output voltage is lowered, the current through the inductor 26 is increased and the conversion operation is promoted, so that the output current of the fuel cell 1 is increased and the fuel cell 1 The output voltage decreases.
このような動作により、充電制御回路21は、誤差増幅器23の+端子に接続された基準電源22の電圧に等しくなるように燃料電池1の出力電圧を一定に保つ定電圧駆動制御を行う。従って、基準電源22の電圧を任意の値に設定することにより、燃料電池1の出力電圧を任意の値に制御できるので、これを利用して、燃料電池1の発電効率が最も向上する電圧に燃料電池1の出力電圧を設定することにより、燃料電池システムの発電効率の向上を図ることができる。   With such an operation, the charging control circuit 21 performs constant voltage drive control that keeps the output voltage of the fuel cell 1 constant so as to be equal to the voltage of the reference power supply 22 connected to the + terminal of the error amplifier 23. Therefore, by setting the voltage of the reference power source 22 to an arbitrary value, the output voltage of the fuel cell 1 can be controlled to an arbitrary value. By using this, the voltage at which the power generation efficiency of the fuel cell 1 is most improved is obtained. By setting the output voltage of the fuel cell 1, the power generation efficiency of the fuel cell system can be improved.
以上のような燃料電池1の定電圧駆動制御によりリチウムイオン電池3は充電されていくが、その電圧が終止電圧に到達するようになるとDC−DCコンバータ動作としては平衡状態に近づくことになるので、変換動作が抑圧される。そのため、それまでの燃料電池1の定電圧駆動制御により燃料電池1から出力されていたの出力電流よりも電流が減少するので、燃料電池1の出力電圧が上昇し、ダイオード24はオフの状態を維持することとなり、DC−DCコンバータ動作のみが継続することになる。その為、充電制御回路21は、終止電圧でリチウムイオン電池3を充電する定電圧充電制御に切り替わり、リチウムイオン電池3の充電が継続する。   The lithium ion battery 3 is charged by the constant voltage drive control of the fuel cell 1 as described above, but when the voltage reaches the end voltage, the DC-DC converter operation approaches an equilibrium state. The conversion operation is suppressed. Therefore, the current decreases from the output current output from the fuel cell 1 by the constant voltage drive control of the fuel cell 1 so far, so that the output voltage of the fuel cell 1 rises and the diode 24 is turned off. Thus, only the DC-DC converter operation is continued. Therefore, the charging control circuit 21 is switched to constant voltage charging control for charging the lithium ion battery 3 at the end voltage, and the charging of the lithium ion battery 3 is continued.
なお、端子4aから負荷に対して電流が流れ、リチウムイオン電池3の電圧が低下した場合は、再び燃料電池1の定電圧駆動制御に切り替わりリチウムイオン電池3の充電を行ない、充電が継続していく。   In addition, when a current flows from the terminal 4a to the load and the voltage of the lithium ion battery 3 decreases, the lithium ion battery 3 is charged again by switching to the constant voltage drive control of the fuel cell 1 and the charging is continued. Go.
以上のように、リチウムイオン電池3の電圧が終止電圧に到達するまでは、燃料電池1の出力電圧を基準電源22で設定される電圧に固定しつつ充電する定電圧駆動制御を行い、リチウムイオン電池3の電圧が終止電圧に到達すると、出力電圧を終止電圧に制御する定電圧充電制御を行うので、燃料電池3の発電効率の向上を図りつつ、リチウムイオン電池3の充電保護に適した充電動作を行うことができる。   As described above, until the voltage of the lithium ion battery 3 reaches the end voltage, the constant voltage drive control is performed in which charging is performed while the output voltage of the fuel cell 1 is fixed to the voltage set by the reference power source 22. When the voltage of the battery 3 reaches the end voltage, constant voltage charge control is performed to control the output voltage to the end voltage, so that charging suitable for charge protection of the lithium ion battery 3 is achieved while improving the power generation efficiency of the fuel cell 3. The action can be performed.
なお、ダイオード24を通じてDC−DCコンバータの分圧抵抗の電圧を変化させているので、ダイオード24の電流電圧特性や温度特性により制御特性が変化する。そこで、ダイオード24とコンパレータとを組み合わせて、ダイオード24のオン/オフの切り換え特性をシャープにする回路を組み込むことにより、充電特性の向上を図ってもよく、図3A、図3Bにその回路例を示す。   Since the voltage of the voltage dividing resistor of the DC-DC converter is changed through the diode 24, the control characteristics change depending on the current-voltage characteristics and the temperature characteristics of the diode 24. Therefore, the charging characteristics may be improved by combining a diode 24 and a comparator to incorporate a circuit that sharpens the on / off switching characteristics of the diode 24. FIGS. 3A and 3B show circuit examples. Show.
図3Aは、図2におけるダイオード24を抜粋した図である。図3Bは、図3Aに示すダイオード24の代りに、ダイオード24dとコンパレータ24cとで構成した切替え回路の例である。以下、図3Bに示す回路を、図2に示す回路に組み込んだ場合の動作について説明する。   FIG. 3A is an excerpt of the diode 24 in FIG. FIG. 3B shows an example of a switching circuit configured by a diode 24d and a comparator 24c instead of the diode 24 shown in FIG. 3A. The operation when the circuit shown in FIG. 3B is incorporated in the circuit shown in FIG. 2 will be described below.
図3Bに示す構成では、図2における燃料電池1の出力電圧が低下すると、誤差増
幅器23によって、端子24aが端子24bよりも高電位となる。したがって、コンパレータ24cの出力が高電位となり、ダイオード24dが順方向のバイアスとなるため、端子24bを高電位に保とうとする。しかし、端子24bは、コンパレータ24cの−端子に接続されているので、コンパレータ24cの出力を低電位に引き下げようとする。このような帰還ループによって、端子24aと端子24bとはほぼ同電位となり、端子24aの電位が上昇するとそれに伴って端子24bも上昇する。したがって、端子24bに接続されているPWM制御回路25の入力電圧が上昇し、DC−DCコンバータの変換動作が低下する。
3B, when the output voltage of the fuel cell 1 in FIG. 2 decreases, the error amplifier 23 causes the terminal 24a to have a higher potential than the terminal 24b. Accordingly, the output of the comparator 24c becomes a high potential and the diode 24d becomes a forward bias, so that the terminal 24b is kept at a high potential. However, since the terminal 24b is connected to the negative terminal of the comparator 24c, the terminal 24b tries to lower the output of the comparator 24c to a low potential. By such a feedback loop, the terminal 24a and the terminal 24b have substantially the same potential, and when the potential of the terminal 24a rises, the terminal 24b rises accordingly. Therefore, the input voltage of the PWM control circuit 25 connected to the terminal 24b increases, and the conversion operation of the DC-DC converter decreases.
一方、燃料電池1の出力電圧が上昇し、端子24aの電位が端子24bの電位よりも低下した場合、すなわち、リチウムイオン電池3の出力が分圧抵抗29と分圧抵抗30で分圧された電圧より低下した場合は、コンパレータ24cの+端子の電位が−端子より低下するので、コンパレータ24cの出力電圧は低下する。しかし、この場合はダイオード24dが逆方向のバイアスとなるので、ダイオード24dはオフとなり、端子24bとコンパレータ24cの出力との導通は無くなる。そのため、端子24bは、端子24aの電位の影響を受けなくなり、PWM制御回路25にはリチウムイオン電池3の出力電圧を分圧した電圧が加わり、DC−DCコンバータ動作が開始される。   On the other hand, when the output voltage of the fuel cell 1 is increased and the potential of the terminal 24a is lower than the potential of the terminal 24b, that is, the output of the lithium ion battery 3 is divided by the voltage dividing resistor 29 and the voltage dividing resistor 30. When the voltage is lower than the voltage, the potential at the + terminal of the comparator 24c is lower than that at the − terminal, and the output voltage of the comparator 24c is decreased. However, in this case, since the diode 24d is biased in the reverse direction, the diode 24d is turned off, and conduction between the terminal 24b and the output of the comparator 24c is lost. Therefore, the terminal 24b is not affected by the potential of the terminal 24a, the voltage obtained by dividing the output voltage of the lithium ion battery 3 is applied to the PWM control circuit 25, and the DC-DC converter operation is started.
このような回路構成より、ダイオード24dのオン/オフ制御するための切り替わり電圧の差は、コンパレータ24cの入力端子間に生じるオフセット電圧程度の誤差に収まり、また温度特性も同様の範囲に入るので、安定した昇圧充電回路を構成できる。   With such a circuit configuration, the difference in switching voltage for ON / OFF control of the diode 24d falls within the error of the offset voltage generated between the input terminals of the comparator 24c, and the temperature characteristics fall within the same range. A stable boost charging circuit can be configured.
〔ウォブリング制御による動作点検出方法〕
前述した第1の動作点電圧、第2の動作点電圧の検出方法には、ウォブリング制御により検出する方法がある。この制御方法に関して、燃料電池出力特性を元に説明し、実施の形態の望ましい制御方法として示す。
[Operating point detection method by wobbling control]
As a method of detecting the first operating point voltage and the second operating point voltage described above, there is a method of detecting by wobbling control. This control method will be described based on the fuel cell output characteristics and shown as a desirable control method of the embodiment.
燃料電池1の動作点を検出し、それを燃料電池の運転に使用することを述べたが、この動作点が燃料電池1の出力特性のどのような部分に相当し、どのように検出するかについて、図5から図7を参照して説明する。   It has been described that the operating point of the fuel cell 1 is detected and used for the operation of the fuel cell. This operating point corresponds to what part of the output characteristics of the fuel cell 1 and how to detect it. Will be described with reference to FIGS.
図5(a)は、燃料電池1に水素供給を行って発電をした場合の、燃料電池1の出力電流IOUTに対する出力電圧VOUTの特性や挙動を示す。図5(a)に示すように、燃料電池1の発電中は、電解質中を水素イオンが移動しており、拡散抵抗等により出力電流IOUTの増加に伴って出力電圧VOUTが低下する。しかし、燃料電池1は、負極に供給されている水素以上には水素イオンが増加しないので、水素供給量で決まる所定の電流値以上の電流を流した場合、急速に出力電圧VOUTが低下する。このように、急速に出力電圧VOUTが低下するので、出力電流により水素供給量を推定することができるので、水素供給量に応じた燃料電池出力電圧を設定することが可能となる。 FIG. 5A shows the characteristics and behavior of the output voltage V OUT with respect to the output current I OUT of the fuel cell 1 when power is generated by supplying hydrogen to the fuel cell 1. As shown in FIG. 5A, during the power generation of the fuel cell 1, hydrogen ions move in the electrolyte, and the output voltage V OUT decreases as the output current I OUT increases due to diffusion resistance or the like. However, in the fuel cell 1, since hydrogen ions do not increase beyond the hydrogen supplied to the negative electrode, the output voltage VOUT decreases rapidly when a current exceeding a predetermined current value determined by the hydrogen supply amount flows. . As described above, since the output voltage VOUT decreases rapidly, the hydrogen supply amount can be estimated from the output current, so that it is possible to set the fuel cell output voltage according to the hydrogen supply amount.
通常の水素供給量の場合は、第1の特性403aに示すように出力電流IOUTの増加に伴って出力電圧VOUTが低下する。また、水素供給量を増やした場合は、第2の特性403bに示すように出力電圧VOUTが低下する。すなわち、水素供給量を増やせば、急速に出力電圧VOUTが低下する時の出力電流IOUTは高くなる。 In the case of a normal hydrogen supply amount, as indicated by the first characteristic 403a, the output voltage V OUT decreases as the output current I OUT increases. Further, when the hydrogen supply amount is increased, the output voltage VOUT decreases as shown by the second characteristic 403b. That is, if the hydrogen supply amount is increased, the output current I OUT when the output voltage V OUT rapidly decreases increases.
また、図5(b)及び図5(c)は、燃料電池1の出力電圧を微小変動させた場合の、出力電流における微小変動の振幅の挙動や、微小変動の位相の挙動を示している。図5(b)は、燃料電池1の平均出力電圧VAVEに対する出力電流IOUTの振幅特性を示している。また、図5(c)は、電池1の平均出力電圧VAVEに対する出力電流IOUTの位相特性を示している。 5B and 5C show the behavior of the amplitude of the minute fluctuation in the output current and the behavior of the phase of the minute fluctuation when the output voltage of the fuel cell 1 is slightly changed. . FIG. 5B shows the amplitude characteristic of the output current I OUT with respect to the average output voltage V AVE of the fuel cell 1. FIG. 5C shows the phase characteristic of the output current I OUT with respect to the average output voltage V AVE of the battery 1.
図6は、PEFC104に水素供給を行って発電をした場合の、出力電流IOUTに対する出力電力WOUTの特性を示す。図6に示すように、水素供給が十分な場合は、出力電流IOUTの増加に伴って出力電力WOUTが増加するが、前述したように出力電流IOUTが増加すると出力電圧VOUTが低下していくので、出力電力WOUTは最大電力W1となった後に減少していく。しかし、水素供給が不十分であると、特性403cに示すように、出力電流IOUTの増加に対して急速な出力電圧の低下が起こるため、電力W1よりも低い電力W2を最大値として、急速に出力電力WOUTが低下する。 FIG. 6 shows the characteristics of the output power W OUT with respect to the output current I OUT when power is generated by supplying hydrogen to the PEFC 104. As shown in FIG. 6, when the hydrogen supply is sufficient, the output power W OUT is increased with an increase in the output current I OUT, decreases the output voltage V OUT and the output current I OUT as described above is increased Therefore, the output power W OUT decreases after reaching the maximum power W 1 . However, if the hydrogen supply is insufficient, as shown in the characteristic 403c, the output voltage rapidly decreases as the output current I OUT increases. Therefore, the power W 2 lower than the power W 1 is set to the maximum value. The output power W OUT rapidly decreases.
図7(a)は、燃料電池1の出力電圧VOUTと出力電力WOUTとの関係を示している。図7(a)において、十分な水素供給の下で燃料電池1の出力電流を増加させると、第3の特性403dに示すように出力電圧VOUTが下がってくるが、出力電力WOUTは最大電力W3で最大値を取る。一方、水素供給が不十分な場合は、第4の特性403eに示すように、出力電圧VOUTの減少に伴って電流が増加しなくなるため、出力電力WOUTは最大電力W1よりも低い電力W4を最大値にして、以降急速に低下する。 FIG. 7A shows the relationship between the output voltage V OUT of the fuel cell 1 and the output power W OUT . In FIG. 7A, when the output current of the fuel cell 1 is increased under sufficient hydrogen supply, the output voltage V OUT decreases as shown by the third characteristic 403d, but the output power W OUT is the maximum. The maximum value is obtained with the power W 3 . On the other hand, when the hydrogen supply is insufficient, the current does not increase with a decrease in the output voltage V OUT as shown in the fourth characteristic 403e, so the output power W OUT is lower than the maximum power W 1. W 4 is maximized and then decreases rapidly.
また、図7(b)や図7(c)には、燃料電池1の出力電圧VOUTを微小変動させた場合の、出力電力WOUTにおける微小変動の振幅の挙動や、微小変動の位相の挙動を示している。図7(b)は、平均出力電圧VAVEと出力電力WOUTの振幅Aとの関係を示している。図7(c)は、平均出力電圧VAVEと出力電力WOUTの位相Pとの関係を示している。 7B and 7C show the behavior of the amplitude of the minute fluctuation in the output power W OUT and the phase of the minute fluctuation when the output voltage V OUT of the fuel cell 1 is slightly changed. The behavior is shown. FIG. 7B shows the relationship between the average output voltage V AVE and the amplitude A of the output power W OUT . FIG. 7C shows the relationship between the average output voltage V AVE and the phase P of the output power W OUT .
なお、図6に示した出力電力WOUTの特性曲線は、燃料電池1からの出力電流IOUTが零の場合を基点としており、出力電流IOUTの増加に伴い出力電力WOUTが増加する。また、図7は、出力電流IOUTが零の場合、即ちOCV(Open Circuit Voltage)の電圧が基点となり、出力電圧VOUTの低下に伴って出力電力WOUTが増加する。 The characteristic curve of the output power W OUT shown in FIG. 6 is based on the case where the output current I OUT from the fuel cell 1 is zero, and the output power W OUT increases as the output current I OUT increases. Further, in FIG. 7, when the output current I OUT is zero, that is, the voltage of OCV (Open Circuit Voltage) becomes a base point, the output power W OUT increases as the output voltage V OUT decreases.
図5(a)と図7(a)とを参照して、本発明の構成での望ましい動作点検出方法を説明する。   A desirable operating point detection method in the configuration of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 (a) and 7 (a).
アルミニウム粉の反応によって水素の供給がされる場合、迅速な供給量の増減制御が困難であるので、供給量に応じた、最適な燃料電池1の発電を行う必要がある。そこで、燃料電池1の出力電圧を低下させた場合に、その出力電流が増加しなくなる点(すなわち、急速に電圧が低下する点)を検出し、その点を供給された水素を全て消費する「第1の動作点」と定義する。図5(a)において、第1の動作点404aにおける出力電圧を、第1の動作点電圧V1とする。 When hydrogen is supplied by the reaction of aluminum powder, it is difficult to quickly control increase / decrease in the supply amount. Therefore, it is necessary to perform optimal power generation of the fuel cell 1 according to the supply amount. Therefore, when the output voltage of the fuel cell 1 is lowered, the point at which the output current does not increase (that is, the point at which the voltage drops rapidly) is detected, and all the supplied hydrogen is consumed at that point. The first operating point is defined. In FIG. 5 (a), the output voltage at the first operating point 404a, the first operating point voltage V 1.
入力電圧設定部201により、燃料電池1の出力電圧を、第1の動作点電圧V1に一致させるように設定して発電させれば、水素発生部101において発生した水素を全て燃料電池1の発電に利用できる。よって、水素の余剰分を排出させる必要がなくなり、効率的な燃料電池システムを構築できる。 If the output voltage of the fuel cell 1 is set to coincide with the first operating point voltage V 1 by the input voltage setting unit 201 and power is generated, all the hydrogen generated in the hydrogen generation unit 101 is stored in the fuel cell 1. Can be used for power generation. Therefore, it is not necessary to discharge surplus hydrogen, and an efficient fuel cell system can be constructed.
なお、このような動作点の検出方法として、燃料電池1の出力電圧を微小に変動させ、その出力電圧に対する出力電流や出力電力の振幅や位相の挙動に基づき動作点を検出する方法(いわゆるウォブリング制御)がある。ウォブリング制御自体は、磁気記録のヘッド制御や、カメラのオートフォーカス制御等に利用されているが、制御対象や制御方法がそれぞれの対象によって異なってくる。本発明では制御対象を燃料電池1の出力電圧にしている。   As a method for detecting such an operating point, the output voltage of the fuel cell 1 is slightly changed, and the operating point is detected based on the behavior of the output current and the amplitude and phase of the output power with respect to the output voltage (so-called wobbling). Control). The wobbling control itself is used for magnetic recording head control, camera autofocus control, and the like, but the control target and control method differ depending on the target. In the present invention, the control target is the output voltage of the fuel cell 1.
図5(a)に示すように、時間tの経過に従って、燃料電池1の出力電圧VOUTを波形410aに示すように変動させると、それに対する燃料電池1の出力電流IOUTが波形411aに示すように表れる。このように出力電圧VOUTを変動させながらその平均電圧を下げていくと、波形410bに示す出力電圧VOUTにおいては、出力電流IOUTが波形411bに示すように表れる。波形411bは、波形411aに対して位相は同じであるが、振幅が大幅に低下している。このように、大幅な振幅低下が開始される時の出力電圧が、第1の動作点電圧V1である。 As shown in FIG. 5A, when the output voltage V OUT of the fuel cell 1 is changed as shown by the waveform 410a as time t passes, the output current I OUT of the fuel cell 1 corresponding thereto is shown by the waveform 411a. It appears as follows. When the average voltage is lowered while changing the output voltage V OUT in this way, the output current I OUT appears as shown in the waveform 411b in the output voltage V OUT shown in the waveform 410b. The waveform 411b has the same phase as the waveform 411a, but has a greatly reduced amplitude. Thus, the output voltage when the significant amplitude reduction is started is the first operating point voltage V 1 .
もちろん、第1の動作点電圧V1を検出する際、出力電流IOUTを増加させていき、出力電圧VOUTが急速に低下する時の電圧を検出することで、第1の動作点電圧V1を検出することもできる。 Of course, when the first operating point voltage V 1 is detected, the output current I OUT is increased, and the first operating point voltage V 1 is detected by detecting the voltage when the output voltage V OUT rapidly decreases. 1 can also be detected.
検出された第1の動作点電圧V1で燃料電池1を運転させることにより、供給された水素を全て消費するような効率が良い発電ができる。 By operating the fuel cell 1 with the detected first operating point voltage V 1 , efficient power generation that consumes all of the supplied hydrogen can be performed.
なお、出力電流IOUTの波形411aまたは411bの振幅は、図5(b)に示すように平均出力電圧VAVEが第1の動作点電圧V1以上では一定であるが、第1の動作点電圧V1未満になると急速に低下する。一方、出力電流IOUTの波形411aまたは411bの位相は、図5(c)に示すように平均出力電圧VAVEに関係なく、一定であるので、通常のウォブリング制御のように位相まで観測して動作点を検出する必要は無いことはいうまでも無い。 The amplitude of the waveform 411a or 411b of the output current I OUT is constant when the average output voltage V AVE is equal to or higher than the first operating point voltage V 1 as shown in FIG. rapidly decreases when less than the voltage V 1. On the other hand, the phase of the waveform 411a or 411b of the output current I OUT is constant regardless of the average output voltage V AVE as shown in FIG. 5C, so that the phase is observed as in normal wobbling control. Needless to say, it is not necessary to detect the operating point.
次に、図7(a)を参照して、出力電圧が最大となる第2の動作点電圧の、ウォブリング制御による検出方法について説明する。   Next, with reference to FIG. 7A, a detection method by wobbling control of the second operating point voltage at which the output voltage becomes maximum will be described.
図7(a)における特性(実線)は、水素供給が十分である場合の出力電圧VOUTと出力電力WOUTとの関係を示している。出力電力WOUTは、出力電圧VOUTの低下に伴って増加するが、最大電力W3(最大点404fにおける電力)以降は低下していく。この最大電力W3の時の出力電圧を電圧V2とする。 The characteristic (solid line) in FIG. 7A shows the relationship between the output voltage V OUT and the output power W OUT when hydrogen supply is sufficient. The output power W OUT increases as the output voltage V OUT decreases, but decreases after the maximum power W 3 (the power at the maximum point 404f). The output voltage at the maximum power W 3 is defined as voltage V 2 .
図7(a)において、波形312aで示すように出力電圧VOUTを変動させると、出力電力WOUTは波形413aに示すように変動する。波形312aと波形413aとは逆位相である。変動させている出力電圧VOUTの平均電圧を低下させ、出力電圧VOUTを波形312bに示すように変動させると、出力電力WOUTは波形413bのように変動する。波形413bは、波形312bに対して同位相であるが、振幅は低下している。このような出力電力WOUTにおける位相の逆転は、最大電力である電力W3の時(動作点404f)に現れる。したがって、電力W3を出力させることが可能な第2の動作点電圧V2で燃料電池1を運転させることにより、最大出力電力を得ることができる。 In FIG. 7A, when the output voltage V OUT is changed as indicated by the waveform 312a, the output power W OUT changes as indicated by the waveform 413a. The waveform 312a and the waveform 413a are in opposite phases. When the average voltage of the output voltage V OUT being changed is lowered and the output voltage V OUT is changed as indicated by the waveform 312b, the output power W OUT changes as indicated by the waveform 413b. The waveform 413b is in phase with the waveform 312b, but the amplitude is reduced. Such a phase inversion in the output power W OUT appears at the power W 3 that is the maximum power (operating point 404f). Therefore, the maximum output power can be obtained by operating the fuel cell 1 at the second operating point voltage V 2 that can output the power W3.
この第2の動作点電圧V2を検出するには、出力電圧を変動させつつその平均値をOCVから低下させていき、出力電力の最小振幅(図7(b)参照)と、位相の逆転(図7(c)参照)とを検出することで、第2の動作点電圧V2を検出することができる。すなわち、図7(c)に示すように、出力電力WOUTの最大点である第2の動作点404f(出力電圧V2)を境に、波形413aと波形413bとは位相が逆転する。したがって、出力電圧VOUTを低下させていき、位相の変化を検出すれば、第2の動作点404fの方向が分かり、最大電力である第2の動作点404fに到達させることができるのである。また、図7(b)に示すように、出力電力の波形の振幅は、第2の動作点404fにおいて最小となる。したがって、出力電力の波形の振幅が最小となるポイントを検出することで、最大電力である第2の動作点404fに到達させることができるのである。 In order to detect the second operating point voltage V 2 , the average value is decreased from the OCV while changing the output voltage, the minimum amplitude of the output power (see FIG. 7B), and the phase inversion. (See FIG. 7C), the second operating point voltage V 2 can be detected. That is, as shown in FIG. 7C, the phases of the waveform 413a and the waveform 413b are reversed at the second operating point 404f (output voltage V 2 ) that is the maximum point of the output power W OUT . Therefore, if the output voltage V OUT is decreased and a change in phase is detected, the direction of the second operating point 404f can be determined, and the second operating point 404f, which is the maximum power, can be reached. Further, as shown in FIG. 7B, the amplitude of the waveform of the output power is minimum at the second operating point 404f. Therefore, by detecting the point where the amplitude of the waveform of the output power is minimum, the second operating point 404f that is the maximum power can be reached.
しかし、水素の供給量が足りず、水素供給量が特性403eに示すような場合は、最大電力である第2の動作点404fに到達する前に供給された水素を全て消費する第1の動作点404dが検出される。そこで、燃料電池1の動作点としては、第1の動作点404dの出力電圧(第1の動作点電圧V1)に設定すれば、効率的な発電ができる。この場合、最大電力W3を得るまでには水素供給量に余裕があるので、アルミニウム粉への水の供給を増加することが望ましい。 However, when the hydrogen supply amount is insufficient and the hydrogen supply amount is indicated by the characteristic 403e, the first operation that consumes all of the hydrogen supplied before reaching the second operating point 404f, which is the maximum power, is performed. A point 404d is detected. Thus, if the operating point of the fuel cell 1 is set to the output voltage (first operating point voltage V 1 ) of the first operating point 404d, efficient power generation can be performed. In this case, it is desirable to increase the supply of water to the aluminum powder because there is a surplus in the hydrogen supply amount until the maximum power W 3 is obtained.
一方、水素供給が過剰な場合の特性403dに示すような場合は、燃料電池1の出力電圧が、第2の動作点電圧V2より低い電圧に到達して初めて、供給された水素を全て消費する動作点404eを検出することができる。このような場合は、水素供給が過剰であるため、アルミニウム粉への水の供給を減少させることが望ましい。 On the other hand, if, as shown in the characteristic 403d when the hydrogen supply is excessive, the output voltage of the fuel cell 1, the first time reached the second voltage lower than the operating point voltage V 2 of the consumption of all the supplied hydrogen The operating point 404e to be detected can be detected. In such a case, since the hydrogen supply is excessive, it is desirable to reduce the supply of water to the aluminum powder.
このように、水の供給制御は、全ての水素を消費する第1の動作点404dと、最大電力が得られる第2の動作点404fの検出を継続しておき、出力電圧VOUTを低下させて、最大電力W3が得られる第2の動作点404fを検出する前に第1の動作点404dを検出した場合は水の供給を増加させ、最大電力W3が得られる第2の動作点404dを検出した場合は水の供給を減少させる制御とすることが望ましい。 In this way, the water supply control continues to detect the first operating point 404d that consumes all the hydrogen and the second operating point 404f that obtains the maximum power, and lowers the output voltage VOUT. Te, when detecting the first operating point 404d prior to detecting the second operating point 404f of the maximum power W 3 obtained by increasing the supply of water, a second operating point the maximum power W 3 obtained When 404d is detected, it is desirable to control to reduce the supply of water.
しかし、昇圧充電回路2が取り扱える燃料電池1の出力電流の変換許容値や、水素発生の単位時間あたりの目標発生量等から、まずは水の供給量を設定し、その後、第1の動作点の検出等を行う制御とすることが望ましい。   However, first, the amount of water supply is set from the allowable conversion value of the output current of the fuel cell 1 that can be handled by the booster charging circuit 2, the target generation amount per unit time of hydrogen generation, and then the first operating point. It is desirable to perform control that performs detection and the like.
また、第2の動作点404fで最大電力を得る動作点を、燃料電池1の出力の挙動のみから求めたが、燃料電池システムでは水を供給するためのポンプ等のいわゆる補機による電力消費がその電源である二次電池の電圧によって変化したり、或いは、入出力電圧によって昇圧充電回路2の効率が変化し昇圧充電回路2によって消費される電力が変化したりする。従って、燃料電池1の出力電力から、補機の電力や昇圧充電回路2の電力等を減算した総合電力を算出し、その電力が最大となるように第2の動作点404fの検出を行うことが望ましい。   In addition, the operating point for obtaining the maximum power at the second operating point 404f is obtained only from the output behavior of the fuel cell 1, but in the fuel cell system, power consumption by so-called auxiliary equipment such as a pump for supplying water is consumed. Depending on the voltage of the secondary battery as the power source, or the efficiency of the boost charging circuit 2 is changed by the input / output voltage, and the power consumed by the boost charging circuit 2 is changed. Accordingly, the total power obtained by subtracting the power of the auxiliary machine, the power of the booster charging circuit 2 and the like from the output power of the fuel cell 1 is calculated, and the second operating point 404f is detected so that the power becomes maximum. Is desirable.
なお、第1の動作点404d、第2の動作点404fの検出方法は、燃料電池1の出力電圧の制御部があれば検出可能であり、昇圧充電に限らないことは言うまでも無い。   Needless to say, the detection method of the first operating point 404d and the second operating point 404f can be detected if there is a control unit for the output voltage of the fuel cell 1, and is not limited to step-up charging.
しかし、燃料電池のセルを多数個使用する場合、形態的に大きなものとなり、可搬性に支障をきたすため、燃料電池とリチウムイオン電池と昇圧充電回路を有する燃料電池システムが、アルミニウム粉を用いた燃料電池システムとして好適であるとして提案する。   However, when a large number of fuel cell cells are used, the fuel cell system having a fuel cell, a lithium-ion battery, and a booster charging circuit uses aluminum powder because the size of the cell becomes large and the portability is hindered. It is proposed as being suitable as a fuel cell system.
〔制御部を含む構成〕
図4は、図2の燃料電池システムの構成に、制御部を含んだ構成を示している。したがって、図2と同様の構成要素には、同一番号を付与している。
[Configuration including control unit]
FIG. 4 shows a configuration in which the control unit is included in the configuration of the fuel cell system of FIG. Therefore, the same number is given to the same component as FIG.
図4において、電流検知部31は、燃料電池1の出力電流を検知する。   In FIG. 4, the current detector 31 detects the output current of the fuel cell 1.
動作点検出部202aは、端子203bを介して燃料電池1の出力電圧が入力され、電流検知部31から端子203cを介して燃料電池1の出力電流が入力される。さらに、動作点検出部202aは、基準電源23の電圧を制御することにより、燃料電池1の出力電圧を制御するように構成されている。また、動作点検出部202aは、基準電源23の電圧設定を変更することで生じる燃料電池1の出力電圧と出力電流の変動を検知し、図5で説明した検出方法に基づき、第1の動作点および第2の動作点を検出する。その後、制御部203により検出された動作点に合わせるように、燃料電池1の出力電圧を制御することにより、効率的な発電が可能となる。   The operating point detector 202a receives the output voltage of the fuel cell 1 via the terminal 203b, and receives the output current of the fuel cell 1 from the current detector 31 via the terminal 203c. Furthermore, the operating point detection unit 202a is configured to control the output voltage of the fuel cell 1 by controlling the voltage of the reference power source 23. Further, the operating point detection unit 202a detects fluctuations in the output voltage and output current of the fuel cell 1 caused by changing the voltage setting of the reference power source 23, and the first operation based on the detection method described in FIG. A point and a second operating point are detected. Thereafter, efficient power generation is possible by controlling the output voltage of the fuel cell 1 so as to match the operating point detected by the control unit 203.
なお、動作点検出を行う際に、燃料電池1の出力電圧の制御方法として、例えば基準電源23の代わりにマイコンのD/A出力を与えることにより、マイコンで制御可能となり、また、出力電流と出力電圧はマイコンのA/D入力により検知できる。   When the operating point is detected, the control method of the output voltage of the fuel cell 1 can be controlled by the microcomputer by giving the D / A output of the microcomputer instead of the reference power source 23, and the output current and The output voltage can be detected by the A / D input of the microcomputer.
このように、電流と電圧を取り込んだ後は、図5で示した動作点検出方法に従い演算することにより、容易に第1の動作点と第2の動作点とを検出できるが、燃料電池の出力電圧の制御や電圧/電流の取り込み方法、および検出のアルゴリズムが判明すれば、その後の動作点検出の具体的な回路構成は当業者にとっては単なる設計事項であるので省略する。   Thus, after taking in the current and voltage, the first operating point and the second operating point can be easily detected by calculating according to the operating point detection method shown in FIG. Once the output voltage control, voltage / current capturing method, and detection algorithm are known, the specific circuit configuration for subsequent operation point detection is merely a design matter for those skilled in the art, and is omitted.
以上のように本実施の形態によれば、低い出力電圧で急速な出力制御の困難な燃料電池1を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池1の出力電圧の可変による燃料電池出力電流の挙動から水素供給量に応じて、最適な燃料電池出力電圧を検出できるので、燃料電池1の特性や水素供給量のバラツキや変動が生じていても、効率化が図られた燃料電池システムを実現することができる。   As described above, according to the present embodiment, in the fuel cell system having the fuel cell 1 that is difficult to control rapidly with a low output voltage, hydrogen is detected from the behavior of the fuel cell output current due to the variable output voltage of the fuel cell 1. Since the optimum fuel cell output voltage can be detected according to the supply amount, it is possible to realize a fuel cell system with improved efficiency even if the characteristics of the fuel cell 1 and the hydrogen supply amount vary or fluctuate. it can.
なお、第2の動作点を検出するための位相を求めるには、出力電力を演算により求めてその位相を検出してもよいが、出力電流との位相から求めてよいことはいうまでもない。   In order to obtain the phase for detecting the second operating point, the output power may be obtained by calculation and the phase may be detected, but it goes without saying that the phase may be obtained from the phase with the output current. .
以上、動作点の検出と、動作点の設定について述べたが、動作点の検出に際してのウォブリング制御は常に行う必要は無く、状態検出部32からの動作点検出開始信号を待ってから検出を開始してもよい。この場合、状態検出部32は、一定の時間が経過した場合、温度が変化した場合、燃料電池1の出力電力が変化した場合、リチウムイオン電池3の電圧が変化した場合等の変化が生じた場合に、再度動作点を検出し、燃料電池1の発電条件を変更するよう、制御部203を制御する。   As described above, the detection of the operating point and the setting of the operating point have been described. However, it is not always necessary to perform the wobbling control when detecting the operating point, and the detection is started after waiting for the operating point detection start signal from the state detection unit 32. May be. In this case, the state detection unit 32 has changed such as when a certain time has elapsed, when the temperature changes, when the output power of the fuel cell 1 changes, or when the voltage of the lithium ion battery 3 changes. In this case, the control unit 203 is controlled so that the operating point is detected again and the power generation condition of the fuel cell 1 is changed.
また、燃料電池1の定電圧出力制御において、出力電圧を微小変動させるウォブリング制御を行うことにより最適な制御が実現できるが、その微小変動の電圧や周期については燃料電池1の電気2重層容量等からなるインピーダンス特性やセルのスタック方法による出力電圧等から求める必要がある。その為、セル設計等に依存し、それぞれの場合の設計事項によるところであるので、詳細説明は省く。   Further, in the constant voltage output control of the fuel cell 1, optimal control can be realized by performing wobbling control that minutely varies the output voltage. Regarding the voltage and period of the minute variation, the electric double layer capacity of the fuel cell 1, etc. It is necessary to obtain it from the impedance characteristics consisting of, the output voltage by the cell stacking method, and the like. For this reason, it depends on the cell design and the like, and depends on the design matters in each case, so detailed description will be omitted.
本発明により、燃料電池の発電効率や水素発生量のバラツキ等が生じても、それに応じた燃料電池の動作点を検出して運転させることにより、効率が良い発電を行うことができるので、小型携帯機器用の燃料電池システムに幅広く利用可能である。   According to the present invention, even if the power generation efficiency of the fuel cell, the variation in the amount of hydrogen generation, etc. occur, it is possible to perform efficient power generation by detecting the operating point of the fuel cell corresponding to the fuel cell and operating it. It can be widely used in fuel cell systems for portable devices.
本発明の実施の形態1における燃料電池システムの構成を示すブロック図1 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. 燃料電池システムを実現するための回路例を示す回路図Circuit diagram showing a circuit example for realizing a fuel cell system 燃料電池システムにおけるダイオードの構成を示す回路図Circuit diagram showing configuration of diode in fuel cell system 燃料電池システムにおけるダイオードの構成を示す回路図Circuit diagram showing configuration of diode in fuel cell system 燃料電池システムを実現するための構成を示すブロック図Block diagram showing a configuration for realizing a fuel cell system 燃料電池システムを実現するための制御方法を説明するための波形図Waveform diagram for explaining a control method for realizing a fuel cell system 燃料電池システムを実現するための制御方法を説明するための波形図Waveform diagram for explaining a control method for realizing a fuel cell system 燃料電池システムを実現するための制御方法を説明するための波形図Waveform diagram for explaining a control method for realizing a fuel cell system
符号の説明Explanation of symbols
1 燃料電池
101 水素発生部
102 アルミニウム粉
103 水素
104 PEFC
2 昇圧充電回路
201 入力電圧設定部
202 動作点検出部
203 制御部
3 リチウムイオン電池
4 出力端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 101 Hydrogen generating part 102 Aluminum powder 103 Hydrogen 104 PEFC
2 Boost Charge Circuit 201 Input Voltage Setting Unit 202 Operating Point Detection Unit 203 Control Unit 3 Lithium Ion Battery 4 Output Terminal

Claims (10)

  1. 燃料を化学反応させて発電可能な燃料電池と、
    前記燃料電池の出力電流を増減させて出力電圧を制御する燃料電池制御部とを備えた燃料電池システムであって、
    前記燃料電池制御部は、
    前記燃料電池の出力電圧を監視し、前記燃料電池の出力電圧を増減させ、前記燃料電池の出力電流の振幅が減少を開始する時の電圧を第1の動作点として、前記燃料電池が出力できる最大電力時の電圧を第2の動作点として、検出可能な動作点検出部と、
    前記燃料電池の出力電圧を、前記動作点検出部で検出された前記第1の動作点の電圧または前記第2の動作点の電圧に一致させるよう、前記燃料電池の出力電流を制御可能な電圧設定部とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
    A fuel cell capable of generating electricity by chemically reacting fuel;
    A fuel cell system comprising a fuel cell control unit for controlling an output voltage by increasing or decreasing an output current of the fuel cell,
    The fuel cell controller is
    Monitoring the output voltage of the fuel cell, the output voltage of the fuel cell is increased or decreased, the voltage when the amplitude of the output current of the fuel cell starts to decrease as the first operating point, said fuel cell the voltage at the maximum power output can be as a second operating point, and detectable operating point detecting unit,
    Voltage that can control the output current of the fuel cell so that the output voltage of the fuel cell matches the voltage at the first operating point or the voltage at the second operating point detected by the operating point detector A fuel cell system comprising a setting unit.
  2. 前記燃料電池制御部は、
    前記燃料電池の出力電圧を微小に変動させつつ低下させ、
    前記燃料電池の出力電流の微小な変化が減少する時の、前記燃料電池の平均出力電圧を、前記第1の動作点の電圧として検出する請求項1記載の燃料電池システム。
    The fuel cell controller is
    Decreasing the output voltage of the fuel cell while fluctuating slightly,
    2. The fuel cell system according to claim 1, wherein an average output voltage of the fuel cell when a minute change in an output current of the fuel cell decreases is detected as a voltage of the first operating point.
  3. 前記燃料電池制御部は、
    前記燃料電池の出力電圧を微小に変動させつつ低下させ、
    前記燃料電池の出力電力の微小な変化に対して位相が逆転する時の、前記燃料電池の平均出力電圧を、前記第2の動作点の電圧として検出する請求項1記載の燃料電池システム。
    The fuel cell controller is
    Decreasing the output voltage of the fuel cell while fluctuating slightly,
    2. The fuel cell system according to claim 1, wherein an average output voltage of the fuel cell when a phase is reversed with respect to a minute change in the output power of the fuel cell is detected as a voltage at the second operating point.
  4. 前記燃料電池は、
    燃料供給部と、
    前記燃料供給部から供給される燃料を消費して発電を行う発電部とを備え、
    前記燃料電池制御部は、
    前記第2の動作点を検出した後に前記第1の動作点を検出した場合、前記燃料供給部による燃料の供給量を減少させるよう制御する制御部を備える請求項2または3記載の燃料電池システム。
    The fuel cell
    A fuel supply unit;
    A power generation unit that generates power by consuming fuel supplied from the fuel supply unit,
    The fuel cell controller is
    4. The fuel cell system according to claim 2, further comprising a control unit that controls to reduce the amount of fuel supplied by the fuel supply unit when the first operating point is detected after the second operating point is detected. 5. .
  5. 前記燃料電池は、
    燃料供給部と、
    前記燃料供給部から供給される燃料を消費して発電を行う発電部とを備え、
    前記燃料電池制御部は、
    前記第2の動作点を検出する以前に前記第1の動作点を検出した場合、前記燃料供給部による燃料の供給量を増加させるよう制御する制御部を備える請求項2または3記載の燃料電池システム。
    The fuel cell
    A fuel supply unit;
    A power generation unit that generates power by consuming fuel supplied from the fuel supply unit,
    The fuel cell controller is
    4. The fuel cell according to claim 2, further comprising a control unit that controls to increase the amount of fuel supplied by the fuel supply unit when the first operating point is detected before detecting the second operating point. 5. system.
  6. 前記燃料電池制御部は、
    前記燃料電池の温度変化、時間経過のいずれかの変化を検出する状態検出部を、さらに備え、
    前記状態検出部により前記いずれかの変化が検出された場合は、再度、前記動作点検出部を動作させて新たに第1の動作点または第2の動作点を検出した後、前記新たな第1の動作点または第2の動作点の電圧を前記燃料電池の出力電圧に設定するよう前記電圧設定部を制御する請求項1記載の燃料電池システム。
    The fuel cell controller is
    The fuel cell further includes a state detection unit that detects a change in temperature of the fuel cell or a change in time,
    When any one of the changes is detected by the state detection unit, the operation point detection unit is operated again to detect the first operation point or the second operation point, and then the new operation point is detected. 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the voltage setting unit is controlled to set the voltage at the first operating point or the second operating point to the output voltage of the fuel cell.
  7. 燃料を化学反応させて発電可能な燃料電池と、
    充放電可能な二次電池と、
    前記燃料電池で発生された電力を、昇圧して前記二次電池に充電させる昇圧充電回路とを備えた燃料電池システムであって、
    前記昇圧充電回路は、
    前記燃料電池の出力電流の増減により前記燃料電池の出力電圧を第1の設定値に保つように制御する出力電圧制御部と、
    前記燃料電池の出力電流を検出しつつ前記出力電圧制御部の前記第1の設定値を増減させ、前記燃料電池の出力電流の振幅が減少を開始する時の電圧を第1の動作点電圧として検出する動作点検出部と、
    前記動作点検出部で前記第1の動作点電圧が検出された後に、前記第1の設定値に前記第1の動作点電圧を設定するよう前記出力電圧制御部を制御する制御部とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
    A fuel cell capable of generating electricity by chemically reacting fuel;
    A rechargeable secondary battery;
    A fuel cell system comprising a boosting charging circuit that boosts the electric power generated in the fuel cell to charge the secondary battery;
    The step-up charging circuit includes:
    An output voltage controller that controls the output voltage of the fuel cell to be maintained at a first set value by increasing or decreasing the output current of the fuel cell;
    While detecting the output current of the fuel cell, the first set value of the output voltage control unit is increased or decreased, and the voltage when the amplitude of the output current of the fuel cell starts to decrease is defined as the first operating point voltage. An operating point detector to detect;
    A control unit that controls the output voltage control unit to set the first operating point voltage to the first set value after the first operating point voltage is detected by the operating point detection unit; A fuel cell system.
  8. 前記二次電池は、リチウムイオン電池で構成されている請求項7記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 7, wherein the secondary battery is a lithium ion battery.
  9. 前記燃料電池の燃料は、アルミニウム粉と水とから発生させた水素で構成されている請求項1または7記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 1 or 7, wherein the fuel of the fuel cell is composed of hydrogen generated from aluminum powder and water.
  10. 前記制御部は、
    前記燃料電池の温度変化、時間経過、前記二次電池の電圧変化のいずれかの変化を検出する状態検出部を備え、
    前記第1の動作点電圧を前記第1の設定値に保持されるように制御するとともに、
    前記状態検出部により前記いずれかの変化が検出された場合は、再度、前記動作点検出部を動作させて新たに第1の動作点電圧を検出した後、前記新たな第1の動作点電圧を前記第1の設定値に設定するよう前記出力電圧制御部を制御する請求項7記載の燃料電池システム。
    The controller is
    A state detection unit for detecting any one of temperature change of the fuel cell, time passage, voltage change of the secondary battery,
    Controlling the first operating point voltage to be held at the first set value;
    When any one of the changes is detected by the state detection unit, the operation point detection unit is operated again to newly detect the first operation point voltage, and then the new first operation point voltage is detected. The fuel cell system according to claim 7, wherein the output voltage control unit is controlled to set the value to the first set value.
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