JP5344219B2

JP5344219B2 - 燃料電池システムおよび電子機器

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Publication number: JP5344219B2
Application number: JP2008233116A
Authority: JP
Inventors: 芳明井上; 重輔志村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2028-09-11
Also published as: JP2010067473A

Description

本発明は、メタノール等と酸化剤ガス（酸素）との反応により発電を行う燃料電池システムおよびそのような燃料電池システムを備えた電子機器に関する。

従来、燃料電池は、発電効率が高く、有害物質を排出しないため、産業用や家庭用の発電装置として、あるいは人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきた。また、近年では、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源としての開発が進んでいる。このような燃料電池は、アルカリ水溶液型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型および直接型メタノールなどの種類に分類される。中でも、ダイレクトメタノール固体高分子電解質型燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）は、燃料水素源としてメタノールを用いることによって高エネルギー密度化することができ、また改質器が不要であり小型化が可能であることから、小型携帯用燃料電池向けに研究が進められている。

ＤＭＦＣでは、固体高分子電解質膜を２枚の電極で挟み、一体化させて接合した単位セルであるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜電極接合体）が使用される。そしてガス拡散電極の一方を燃料電極（負極）とすると共に、その表面に燃料としてのメタノールを供給すると、メタノールが分解されて水素イオン（プロトン）と電子とが生じ、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、ガス拡散電極の他方を酸素電極（正極）とすると共に、その表面に酸化剤ガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と上記水素イオンおよび電子とが結合し、水が生成される。このような電気化学反応により、ＤＭＦＣから起電力が生じるようになっている。

ところで、このような燃料電池を備えた燃料電池システムでは、燃料電池による発電電圧および発電電流（発電電力）を２次電池に充電させ、負荷を駆動するようにしたものがある。したがって、このような燃料電池システムでは、燃料電池による発電電力を、できるだけ効率的に２次電池へ充電させることが望まれる。

そこで、例えば特許文献１には、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて、燃料電池の発電電圧値が一定に保たれるように制御するようにしたものが提案されている。

特表２００６−５０１７９８号公報

ところが、上記特許文献１には、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた詳細な制御方法については記載されていないため、より効率的な制御方法の実現が望まれる。

また、上述したＤＭＦＣでは、燃料電極へメタノールを供給する方法として、液体供給型（液体燃料（メタノール水溶液）を、そのまま燃料電極へ供給するもの）と、気化供給型（液体燃料を気化した状態で、燃料電極へ供給するもの）とが提案されている。これらのうち、気化供給型では、液体供給型のような燃料の濃度に応じた燃料供給制御を行うことができず、燃料供給周期に応じた断続的な燃料供給制御となっている。そのため、特に気化供給型のＤＭＦＣでは、断続的な燃料供給制御に起因して、発電電圧や発電電流を制御するのが困難であり、安定した発電動作を実現することが望まれていた。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、気化供給型の燃料電池において従来よりも安定した発電を行うことが可能な燃料電池システム、およびそのような燃料電池システムを備えた電子機器を提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料および酸化剤ガスの供給により発電を行う発電部と、この発電部側へ液体燃料を供給すると共にこの液体燃料の供給量を調節可能な燃料供給部と、この燃料供給部により供給された液体燃料を気化させることによって、気体燃料を発電部へ供給する燃料気化部と、発電部から供給される発電電圧を昇圧する昇圧回路と、燃料供給周期に応じた断続的な燃料供給が行われるように、燃料供給部における液体燃料の供給量を制御すると共に、所定の制御用テーブルを用いて昇圧回路の動作を制御することにより、この昇圧回路から負荷へ供給される負荷電圧および負荷電流に対する制御を行う制御部とを備えたものである。この制御部は、負荷電圧が一定となる定電圧動作がなされるように昇圧回路の動作制御を行うと共に、定電圧動作および断続的な燃料供給に伴って、負荷電流および発電部における燃料変換効率がそれぞれ燃料供給周期に同期して周期的に増減する際に、燃料変換効率がより高い状態で維持されるように、液体燃料の供給量を制御する。

本発明の電子機器は、上記燃料電池システムを備えたものである。

本発明の燃料電池システムおよび電子機器では、燃料気化部において、燃料供給部により供給された液体燃料が気化されることにより、気体燃料が発電部に供給される。そして発電部では、この気体燃料と酸化剤ガスとの供給により、発電が行われる。また、このような発電により発電部から供給される発電電圧は、昇圧回路により昇圧され、負荷電圧として負荷へ供給される。その際、所定の制御用テーブルを用いて昇圧回路の動作が制御されることにより、この昇圧回路から負荷へ供給される負荷電圧および負荷電流が制御される。

本発明の燃料電池システムまたは電子機器によれば、発電部から供給される発電電圧を昇圧回路によって昇圧すると共に、所定の制御用テーブルを用いて昇圧回路の動作を制御することにより、この昇圧回路から負荷へ供給される負荷電圧および負荷電流に対する制御を行うようにしたので、気化供給型の燃料電池において断続的な燃料供給がなされている場合であっても、負荷電圧や負荷電流に対する効率的な制御が実現される。よって、気化供給型の燃料電池において、従来よりも安定した発電を行うことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システム（燃料電池システム５）の全体構成を表すものである。燃料電池システム５は、負荷６を駆動するための電力を出力端子Ｔ２，Ｔ３を介して供給するものである。この燃料供給システム５は、燃料電池１と、電流検出部３１と、電圧検出部３２と、昇圧回路３３と、分圧回路３６と、二次電池３４と、制御部３５とから構成されている。

燃料電池１は、発電部１０と、燃料タンク４０と、燃料ポンプ４２とを含んで構成されている。なお、この燃料電池１の詳細構成については、後述する。

発電部１０は、メタノールと酸化剤ガス（例えば、酸素）との反応により発電を行う直接メタノール型の発電部であり、正極（酸素電極）および負極（燃料電極）を有する複数の単位セルを含んで構成されている。なお、この発電部１０の詳細構成については、後述する。

燃料タンク４０は、発電に必要な液体燃料（例えば、メタノールまたはメタノール水溶液）を内蔵するものである。なお、この燃料タンク４０の詳細構成については、後述する。

燃料ポンプ４２は、燃料タンク４０に収容された液体燃料を汲み上げて、発電部１０側へ供給（輸送）するためのポンプであり、燃料の供給量を調節することができるようになっている。また、このような燃料供給ポンプ４２の動作（液体燃料の供給動作）は、後述する制御部３５によって制御されるようになっている。なお、燃料ポンプ４２の詳細構成については、後述する。

電流検出部３１は、接続ラインＬ１Ｈ上において、発電部１０の正極側と接続点Ｐ１との間に配置されており、発電部１０の発電電流Ｉ１を検出するものである。この電流検出部３１は、例えば抵抗器を含んで構成されている。なお、このような電流検出部３１を、接続ラインＬ１Ｌ上（発電部１０の負極側と接続点Ｐ２との間）に配置するようにしてもよい。

電圧検出部３２は、接続ラインＬ１Ｈ上の接続点Ｐ１と、接続ラインＬ１Ｌ上の接続点Ｐ２との間に配置されており、発電部１０の発電電圧Ｖ１（昇圧回路３３の入力電圧Ｖin）を検出するものである。この電圧検出部３２は、例えば抵抗器を含んで構成されている。

昇圧回路３３は、接続ラインＬ１Ｈ上の接続点Ｐ１と、出力ラインＬＯ上の接続点Ｐ３との間に配置されており、発電部１０の発電電圧Ｖ１（直流入力電圧Ｖin）を昇圧して、直流出力電圧Ｖoutを生成する電圧変換部である。この昇圧回路３３は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータを含んで構成されており、後述する分圧回路３６により生成される分圧電圧Ｖ_ＦＢと所定の基準電圧（後述する基準電圧Ｖref）との電位比較結果に応じて、昇圧動作を行うようになっている。このような昇圧回路３３の昇圧動作により、例えば図２に示したように、出力電圧Ｖoutを二次電池３４の端子電圧ＬｉＶよりも大きくして電位差Δを生じさせることができ、二次電池３４に対する充電動作が可能となっている。また、このときの昇圧回路３３からの出力電流Ｉoutの値は、上記電位差Δと、二次電池３４の内部抵抗値とによって定まるようになっている。なお、昇圧回路３３の詳細構成および詳細動作については、後述する。

分圧回路３６は、出力ラインＬＯ上の接続点Ｐ３と、接地ラインＬＧ上の接続点Ｐ４との間に配置され、抵抗器Ｒ３，Ｒ４と、可変抵抗器Ｒｖとにより構成されている。抵抗器Ｒ３の一端は接続点Ｐ３に接続され、他端は可変抵抗器Ｒｖの一端に接続されている。また、可変抵抗器Ｒｖの他端は、接続点Ｐ５において抵抗器Ｒ４の一端に接続されている。また、抵抗器Ｒ４の他端は接続点Ｐ４に接続されている。このような構成により分圧回路３６では、接続点Ｐ５，Ｐ４間に生ずる、昇圧回路３３からの出力電圧Ｖoutの分圧電圧Ｖ_ＦＢ（フィードバック電圧）を、昇圧回路３３へフィードバックするようになっている。なお、このフィードバック動作の詳細については、後述する。

二次電池３４は、出力ラインＬＯ上の接続点Ｐ６と、接地ラインＬＧ上の接続点Ｐ７との間に配置されており、昇圧回路３３により生成された直流出力電圧Ｖout（負荷電圧）と、昇圧回路３３からの出力電流Ｉout（負荷電流）とに基づいて蓄電を行うものである。この二次電池３４は、例えばリチウムイオン二次電池などにより構成されている。

制御部３５は、電流検出部３１により検出された発電電流（検出電流）Ｉ１と、電圧検出部３２により検出された発電電圧（検出電圧）Ｖ１（入力電圧Ｖin）とに基づいて、燃料ポンプ４２による液体燃料の供給量を調整するものである。また、制御部３５は、後述する所定の制御用テーブルを用いて昇圧回路３３の昇圧動作を制御することにより、この昇圧回路３３から負荷（二次電池３４および負荷６）へ供給される出力電圧Ｖout（負荷電圧）および出力電流Ｉout（負荷電流）に対する制御を行うようになっている。このような制御部３５は、例えばマイクロコンピュータなどにより構成されている。なお、制御部３５による出力電圧Ｖoutおよび出力電流Ｉoutの制御動作の詳細については、後述する。

次に、図３〜図５を参照して、燃料電池１の詳細構成について説明する。図３および図４は、燃料電池１内の発電部１０における単位セル１０Ａ〜１０Ｆの構成例を表すものであり、図３は、図４におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面構成に対応する。単位セル１０Ａ〜１０Ｆは、面内方向に例えば３行×２列に配置されると共に、複数の接続部材２０により電気的に直列に接続された平面積層構造とされている。単位セル１０Ｃ，１０Ｆには、接続部材２０の延長部分である端子２０Ａが取り付けられている。また、単位セル１０Ａ〜１０Ｆの下方には、燃料タンク４０と、燃料ポンプ４２と、ノズル４３と、燃料気化部４４とが設けられている。

単位セル１０Ａ〜１０Ｆは、それぞれ、電解質膜１１を間にして対向配置された燃料電極（負極、アノード電極）１２と酸素電極１３（正極、カソード電極）とを有している。

電解質膜１１は、例えば、スルホン酸基（−ＳＯ₃Ｈ）を有するプロトン伝導材料により構成されている。プロトン伝導材料としては、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料（例えば、デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）、ポリイミドスルホン酸などの炭化水素系プロトン伝導材料、またはフラーレン系プロトン伝導材料などが挙げられる。

燃料電極１２および酸素電極１３は、例えば、カーボンペーパーなどよりなる集電体に、白金（Ｐｔ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの触媒を含む触媒層が形成された構成を有している。触媒層は、例えば、触媒を担持させたカーボンブラックなどの担持体をポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料などに分散させたものにより構成されている。なお、酸素電極１３には図示しない空気供給ポンプが接続されていてもよいし、接続部材２０に設けられた開口（図示せず）を介して外部と連通し、自然換気により空気すなわち酸素が供給されるようになっていてもよい。

接続部材２０は、二つの平坦部２１，２２の間に屈曲部２３を有し、一方の平坦部２１において一つの単位セル（例えば、１０Ａ）の燃料電極１２に接し、他方の平坦部２２において隣接する単位セル（例えば、１０Ｂ）の酸素電極１３に接しており、隣接する二つの単位セル（例えば、１０Ａ，１０Ｂ）を電気的に直列に接続すると共に、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆで発生した電気を集電する集電体としての機能も有している。このような接続部材２０は、例えば、厚みが１５０μｍであり、銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ）またはステンレス鋼（ＳＵＳ）により構成され、金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）等でめっきされていてもよい。また、接続部材２０は、燃料電極１２および酸素電極１３に燃料および空気をそれぞれ供給するための開口（図示せず）を有しており、例えば、エキスパンドメタルなどのメッシュ類や、パンチングメタルなどにより構成されている。なお、屈曲部２３は、予め単位セル１０Ａ〜１０Ｆの厚みに合わせて折曲加工されていてもよいし、接続部材２０が厚み２００μｍ以下のメッシュなど柔軟性を有している場合は製造工程においてたわむことにより形成されるようにしてもよい。このような接続部材２０は、例えば、電解質膜１１の周辺部に設けられたＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）あるいはシリコーンゴム等の封止材（図示せず）が接続部材２０にネジ締めされることにより、単位セル１０Ａ〜１０Ｆに接合されている。

燃料タンク４０は、例えば、液体燃料４１の増減によっても内部に気泡などが入らずに体積が変化する容器（例えばビニール袋など）と、この容器を覆う直方体形状のケース（構造体）とにより構成されている。この燃料タンク４０には、その中央付近の上方に、燃料タンク４０内の液体燃料４１を吸引してノズル４３から排出させるための燃料ポンプ４２が設けられている。

燃料ポンプ４２は、例えば、圧電体（図示せず）と、この圧電体を支持するための圧電体支持樹脂部（図示せず）と、燃料タンク４０からノズル４３までを接続する配管としての流路（図示せず）とを含んで構成されている。この燃料ポンプ４２は、例えば図５（Ａ），（Ｂ）に示したように、１回の動作当りの燃料供給量または燃料供給周期Δｔの変化に応じて、燃料の供給量を調節することができるようになっている。なお、この燃料ポンプ４２が、本発明における「燃料供給部」の一具体例に対応する。

燃料気化部４４は、燃料ポンプ４２により供給された液体燃料を気化させることによって、気体燃料を発電部１０（各単位セル１０Ａ〜１０Ｆ）へ供給するものである。この燃料気化部４４は、例えばステンレス鋼、アルミニウムなどを含む金属や合金、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）などの剛性の高い樹脂材料よりなるプレート（図示せず）上に、燃料の拡散を促進するための拡散部（図示せず）が設けられたものである。拡散部としては、アルミナ、シリカ、酸化チタンなどの無機多孔質材料や樹脂多孔質材料を用いることができる。

ノズル４３は、燃料ポンプ４２の流路（図示せず）によって輸送される燃料の噴出口であり、燃料気化部４４の表面に設けられた拡散部に向けて、燃料を噴出するようになっている。これにより、燃料気化部４４へ輸送された燃料が拡散気化され、発電部１０（各単位セル１０Ａ〜１０Ｆ）に向けて供給される。このノズル４３は、例えば直径０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの口径を有している。

次に、図６および図７を参照して、昇圧回路３３および分圧回路３６の詳細構成について説明する。図６は、昇圧回路３３および分圧回路３６の詳細な回路構成を表したものである。

昇圧回路３３は、インダクタ３３Ｌ、コンデンサ３３Ｃおよび２つのスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２からなるＤＣ／ＤＣコンバータと、リファレンス電源（基準電源）３３１と、エラーアンプ３３２と、発振回路３３３と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation；パルス幅変調）信号生成部３３４とから構成されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータは、発電部１０の発電電圧Ｖ１（直流入力電圧Ｖin）を昇圧して、直流出力電圧Ｖoutを生成する電圧変換部である。このＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、インダクタ３３Ｌは、接続ラインＬ１Ｈ上に挿入配置されている。また、スイッチング素子Ｔｒ１は、接続ラインＬ１Ｈと接続ラインＬ１Ｌとの間に配置されている。スイッチング素子Ｔｒ２は、接続ラインＬ１Ｈおよび出力ラインＬＯ上に挿入配置されている。コンデンサ３３Ｃは、出力ラインＬＯと接地ラインＬＧとの間に配置されている。

ここで、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２はそれぞれ、例えばＮチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor−Field Effect Transistor；電界効果型トランジスタ）により構成されている。これらスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔ２のゲート端子には、後述するＰＷＭ信号生成部３３４から出力される制御信号（ＰＷＭ信号）Ｓ１，Ｓ２が供給されており、各々のスイッチング動作が制御されるようになっている。

リファレンス電源（基準電源）３３１は、エラーアンプ３３２のリファレンス電圧（基準電圧）Ｖrefを供給する電源である。

エラーアンプ３３２は、分圧回路３６により供給される分圧電圧Ｖ_ＦＢと、基準電源３３１から供給される基準電圧Ｖrefとの電位差の大小を比較し、その比較結果（「Ｈ（ハイ）」または「Ｌ（ロー）」の信号）をＰＷＭ信号生成部３３４へ出力するものである。

発振回路３３３は、ＰＷＭ信号生成部３３４においてＰＷＭ信号を生成する際に用いるパルス信号を生成し、ＰＷＭ信号生成部３３４へ供給するものである。

ＰＷＭ信号生成部３３４は、エラーアンプ３３２における比較結果と、発振回路３３３から供給されるパルス信号とに基づいて、ＰＷＭ信号からなるスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２の制御信号Ｓ１，Ｓ２を生成するものである。具体的には、例えば図７（Ａ），（Ｂ）に示したように、のこぎり波からなる基準電圧Ｖrefよりも分圧電圧Ｖ_ＦＢのほうが電位が大きい場合に、その期間にパルス幅を有するＰＷＭ信号（制御信号Ｓ１）が生成されるようになっている。また、この際、図中のパルス幅Δｔ１〜Δｔ３で示したように、分圧電圧Ｖ_ＦＢの電位がより大きくなるのに応じて制御信号Ｓ１のパルス幅がより小さくなる一方、逆に分圧電圧Ｖ_ＦＢの電位がより小さくなるのに応じて制御信号Ｓ１のパルス幅がより大きくなるようになっている。

本実施の形態の燃料電池システム５は、例えば次のようにして製造することができる。

まず、上述した材料よりなる電解質膜１１を、上述した材料よりなる燃料電極１２および酸素電極１３の間に挟んで熱圧着することにより、電解質膜１１に燃料電極１２および酸素電極１３を接合し、単位セル１０Ａ〜１０Ｆを形成する。

次いで、上述した材料よりなる接続部材２０を用意し、図８および図９に示したように、６個の単位セル１０Ａ〜１０Ｆを３行×２列に配置し、接続部材２０により電気的に直列に接続する。なお、電解質膜１１の周辺部には上述した材料よりなる封止材（図示せず）を設け、この封止材を接続部材２０の屈曲部２３にネジ締めにより固定する。

そののち、連結された単位セル１０Ａ〜１０Ｆの燃料電極１２側に、液体燃料４１が収容されると共に燃料ポンプ４２およびノズル４３等が設けられた燃料タンク４０を配設することにより、燃料電池１を形成する。そしてこの燃料電池１に対し、上述した電流検出部３１、電圧検出部３２、昇圧回路３３、分圧回路３６、二次電池３４および制御部３５をそれぞれ、図１に示したように電気的に接続して取り付ける。以上により、図１〜図４に示した燃料電池システム５が完成する。

次に、本実施の形態の燃料電池システム５の作用および効果について詳細に説明する。

この燃料電池システム５では、燃料タンク４０に収容される液体燃料４１が燃料ポンプ４２によって汲み上げられることにより、液体燃料４１が、流路４２３ａ、逆止弁４２５ａ、ポンプ室４２０、逆止弁４２５ｂおよび流路４２３ｂをこの順に通り、燃料気化部４４に到達する。また、燃料気化部４４では、ノズル４３によって液体燃料が噴出すると、その表面に設けられた拡散部（図示せず）によって広範囲に拡散される。これにより、液体燃料４１が自然気化され、気体燃料が発電部１０（具体的には、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆの燃料電極１２）に供給される。

一方、発電部１０の酸素電極１３へは、自然換気あるいは空気供給ポンプ（図示せず）によって空気（酸素）が供給される。すると、酸素電極１３では、以下の（１）式に示した反応が起こり、水素イオンと電子とが生成される。この水素イオンは電解質膜１１を通って燃料電極１２へ到達し、燃料電極１２では、以下の（２）式に示した反応が起こり、水と二酸化炭素が生成される。よって、燃料電池１全体としては、以下の（３）式に示した反応が生じ、発電が行われる。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ ……（１）
６Ｈ^＋＋(３／２)Ｏ₂＋６ｅ^-→ ３Ｈ₂Ｏ ……（２）
ＣＨ₃ＯＨ＋(３／２)Ｏ₂→ ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ ……（３）

これにより、液体燃料４１すなわちメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換され、接続部材２０により集電されて、発電部１０から電流（発電電流Ｉ１）として取り出される。この発電電流Ｉ１に基づく発電電圧（直流電圧）Ｖ１（入力電圧Ｖin）は、昇圧回路３３によって昇圧（電圧変換）され、直流電圧（出力電圧）Ｖoutとなる。この出力電圧Ｖout（負荷電圧）および昇圧回路３３からの出力電流Ｉout（負荷電流）は、二次電池３４または負荷（例えば、電子機器本体）へ供給される。そして、二次電池３４へ出力電圧Ｖoutおよび出力電流Ｉoutが供給された場合、これらの電圧および電流に基づいて二次電池３４に蓄電がなされる一方、出力端子Ｔ２，Ｔ３を介して負荷６へ出力電圧Ｖoutおよび出力電流Ｉoutが供給された場合、負荷６が駆動され、所定の動作がなされる。

このとき、燃料ポンプ４２では、制御部３５によって、１回の動作当りの燃料供給量または燃料供給周期Δｔが制御され、それに応じて燃料の供給量が調節される。

また、この際、本実施の形態の昇圧回路３３では、より具体的には、例えば図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）に示したような昇圧動作がなされる。図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、昇圧回路３３の昇圧動作を回路状態図を用いて表したものであり、昇圧回路３３内の前述したＤＣ／ＤＣコンバータの部分を取り出して表している。ただし、入力電圧Ｖinを便宜的に電源として図示していると共に、出力側に接続される負荷を便宜的に負荷抵抗Ｒ_Ｌとして図示している。また、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２のオン・オフ状態を分かりやすくするため、これらスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔ２を便宜的にスイッチの形状で図示している。

この昇圧回路３３内のＤＣ／ＤＣコンバータでは、まず、図１０（Ａ）に示したように、入力電圧Ｖinが供給されると、インダクタ３３Ｌに対し、図中に示した電流経路からなる電流Ｉａが流れる。なお、このとき、スイッチング素子Ｔｒ１はオフ状態であると共に、スイッチング素子Ｔｒ２はオン状態となっている。

次に、図１０（Ｂ）に示したように、スイッチング素子Ｔｒ１がオン状態になると、インダクタ３３Ｌおよびスイッチング素子Ｔｒ１に流れる電流ＩＬが、負荷抵抗Ｒ_Ｌに流れる出力電流Ｉoutよりも大きくなる。このように電流ＩＬが増加することにより、インダクタ３３Ｌには大きなエネルギーが蓄積される。

次に、図１０（Ｃ）に示したように、再びスイッチング素子Ｔｒ１がオフ状態になると、図中に示した電流経路からなる電流Ｉａが流れる。このとき、この電流Ｉａには、インダクタ３３Ｌに蓄積されたエネルギーによる電流も重畳されるため、負荷抵抗Ｒ_Ｌに供給される出力電圧Ｖoutは、インダクタ３３Ｌで発生する電圧をＶＬとすると、以下の（４）式により表される。また、このとき同時にコンデンサ３３Ｃには、両端間の電圧が出力電圧Ｖoutとなるまで充電される。
Ｖout＝Ｖin＋ＶＬ ……（４）

そして、その後は図１０（Ｂ）および図１０（Ｃ）の動作が繰り返されることにより、入力電圧Ｖinよりも高い電圧である出力電圧Ｖoutが生成され（昇圧動作がなされ）、負荷抵抗Ｒ_Ｌへ供給されることになる。

また、このとき、分圧回路３６によって、例えば図７（Ａ）に示したような出力電圧Ｖoutの分圧電圧Ｖ_ＦＢが、昇圧回路３３へフィードバックされる。そして、ＰＷＭ信号生成部３３４において、エラーアンプ３３２における比較結果と、発振回路３３３から供給されるパルス信号とに基づき、例えば図７（Ｂ）に示したような、ＰＷＭ信号からなるスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２の制御信号Ｓ１，Ｓ２が生成される。また、この際、分圧電圧Ｖ_ＦＢの電位がより大きくなるのに応じて制御信号Ｓ１のパルス幅がより小さくなる一方、逆に分圧電圧Ｖ_ＦＢの電位がより小さくなるのに応じて制御信号Ｓ１のパルス幅がより大きくなる。

したがって、出力電圧Ｖoutが低いときには、制御信号Ｓ１のパルス幅が大きくなって出力電圧Ｖoutを増加させる動作となる一方、出力電圧Ｖoutが高いときには、制御信号Ｓ１のパルス幅が小さくなって出力電圧Ｖoutを低下させる動作となる。このようにして、分圧電圧Ｖ_ＦＢが基準電圧Ｖrefと等しくなるように制御されることにより、出力電圧Ｖout（負荷電圧）が一定となるように制御される（定電圧動作）。

具体的には、例えば図１１（Ａ）〜（Ｄ）および図１２に示したようにして、定電圧動作がなされる。すなわち、出力電圧Ｖout（ＦＣ電圧、発電電圧）が一定値に固定されている状態において、燃料ポンプ４２によって液体燃料４１が供給された直後から出力電流Ｉout（ＦＣ電流、発電電流）が増加し、液体燃料４１の減少に伴ってＦＣ電流は徐々に減少する。これは、一定量の液体燃料４１により発電部１０が発電可能な電力量も、一定の値になることによる。そのため、断続的に供給された液体燃料４１が発電部１０における発電によって消費されるにしたがって、発電部１０からのＦＣ電流が減少することになる。

また、本実施の形態では、例えば発電電流（入力電流）Ｉ１に対応する電圧を昇圧回路３３に対してフィードバックすることにより、出力電流Ｉout（負荷電流）が一定となるように、昇圧回路３３の動作制御を行う（定電流動作）も可能である。

この場合、具体的には例えば図１３（Ａ）〜（Ｄ）および図１４に示したようにして、定電流動作がなされる。すなわち、この場合、燃料ポンプ４２によって液体燃料４１が供給された直後から、液体燃料４１が増加する。したがって、出力電流Ｉout（ＦＣ電流、発電電流）が一定値で固定されている状態では、液体燃料４１の供給量に応じて出力電圧Ｖout（ＦＣ電圧、発電電圧）が上昇する一方、液体燃料４１が減少するのに従い、ＦＣ電圧は減少することになる。

ここで、本実施の形態では、このような定電圧動作や定電流動作の際に、制御部３５において、例えば図１５（Ａ）〜（Ｃ）に示したような制御用テーブルを用いることにより、昇圧回路３３の昇圧動作が制御される。

具体的には、例えば図１５（Ａ）に示した制御用テーブルを用いた場合、出力電圧Ｖout（ＦＣ電圧、負荷電圧）の設定値が大きくなるのに応じて、基準電圧Ｖrefの設定値が大きくなるように、昇圧回路３３の動作制御がなされる。これにより、ＦＣ電圧の設定値に応じた定電圧動作や定電流動作が可能となる。

また、例えば図１５（Ｂ）に示した制御用テーブルを用いた場合、燃料ポンプ４２による液体燃料４１の供給量が一定であるときに、負荷６の大きさに応じて出力電圧Ｖout（ＦＣ電圧、負荷電圧）および出力電流Ｉout（ＦＣ電流、負荷電流）の大きさの調整がなされる。これにより、単位時間あたりの燃料供給量を一定にした状態で、負荷状況に応じたＦＣ電圧およびＦＣ電流の設定が可能となる。

また、例えば図１５（Ｃ）に示した制御用テーブルを用いた場合、発電部１０における燃料変換効率の設定値が大きくなるのに応じて、出力電流Ｉout（ＦＣ電流、負荷電流）が小さくなるように、昇圧回路３３の動作制御がなされる。これにより、定電圧動作を行う場合において、燃料供給量および燃料変換効率を最適な状態にすることが可能となる。

このようにして本実施の形態では、発電部１０から供給される発電電圧Ｖ１（入力電圧Ｖin）は、昇圧回路３３により昇圧され、出力電圧Ｖout（負荷電圧）として負荷（二次電池３４および負荷６）へ供給される。その際、所定の制御用テーブルを用いて昇圧回路３３の動作が制御されることにより、この昇圧回路３３から負荷へ供給される出力電圧Ｖout（負荷電圧）および出力電流Ｉout（負荷電流）が制御される。

また、本実施の形態では、以下説明するように、定電流制御よりも定電圧制御を用いるようにするのが好ましい。

最初に、図１６を参照して、発電電力と定電圧動作または定電流動作との関係について説明する。

まず、図１６（Ａ）に示した定電流動作の場合、図中の符号Ｐ１１で示したように、単位時間あたりの燃料供給量（ｃｃ／ｈ）を増加させても、出力電力（ＦＣ電力）は燃料増加に応じて増加せず、ほぼ一定値となっている。

一方、図１６（Ｂ）に示した定電圧動作の場合、図中の矢印Ｐ１２で示したように、単位時間あたりの燃料供給量（ｃｃ／ｈ）を増加させることにより、出力電力（ＦＣ電力）を増加させることができる。また、最大電力を得ることが可能なＦＣ電圧の幅（電圧領域）ΔＶ１にも、ある程度の大きさがあることがわかった。この結果、ＦＣ電圧を一定値とした状態で発電させることにより、ＦＣ電力と燃料供給量との間で比例関係が成り立つ状態での発電が可能となる。

次に、図１７を参照して、燃料変換効率と定電圧動作または定電流動作との関係について説明する。

まず、図１７（Ａ）に示した定電流動作の場合、図中の矢印Ｐ１３で示したように、０．３０２（ｃｃ／ｈ）の割合で燃料供給したとき（図示した中で最も燃料供給量が小さいとき）が、最も燃料変換効率が高くなっている。ただし、燃料変換効率が最も高い値となるときの電流値幅ΔＩ２が狭く、また、それを超えた場合、急激に燃料変換効率が悪化してしまっている。

一方、図１７（Ｂ）に示した定電圧動作の場合、燃料変換効率が最も高い値となる電圧値幅ΔＶ２が広くなっている。なお、この場合も、図中の矢印Ｐ１４で示したように、０．３０２（ｃｃ／ｈ）の割合で燃料供給したとき（図示した中で最も燃料供給量が小さいとき）が、最も燃料変換効率が高くなっている。また、前述したように、単位時間あたりの燃料供給量に応じてＦＣ電力も変化させることができるため、ＦＣ電圧を一定値とした状態で発電させることにより、ＦＣ電力と燃料供給量との間の比例関係が成り立つ状態での発電と同時に、燃料変換効率が高い状態での発電が可能となる。

このようにして、出力電圧Ｖout（負荷電圧、ＦＣ電圧）が一定となるように昇圧回路３３の動作制御を行うようにした場合（定電圧動作を行うように制御した場合）には、特に燃料電池１の発電状態を良好にすることができる。

以上のように本実施の形態では、発電部１０から供給される発電電圧Ｖ１（入力電圧Ｖin）を昇圧回路３３によって昇圧すると共に、制御部３５において、所定の制御用テーブルを用いて昇圧回路３３の動作を制御することにより、この昇圧回路３３から負荷（二次電池３４および負荷６）へ供給される出力電圧Ｖout（負荷電圧）および出力電流Ｉout（負荷電流）に対する制御を行うようにしたので、気化供給型の燃料電池１において断続的な燃料供給がなされている場合であっても、出力電圧Ｖoutや出力電流Ｉoutに対する効率的な制御が実現される。よって、気化供給型の燃料電池において、従来よりも安定した発電を行うことが可能となる。

また、出力電圧Ｖout（負荷電圧）が一定となるように昇圧回路３３の動作制御を行うようにした場合（定電圧動作を行うように制御した場合）には、特に燃料電池１の発電状態を良好にすることができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、昇圧回路３３および分圧回路３４の回路構成は、上記実施の形態で説明したものには限られず、他の方式を用いた回路構成としてもよい。また、制御用テーブルについても、上記実施の形態で説明したもの（図１５（Ａ）〜（Ｃ））には限られず、他の構成のものを用いるようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、発電部１０が、互いに電気的に直列接続された６つの単位セルを含む場合について説明したが、単位セルの数はこれには限られない。例えば、発電部１０が１つの単位セルにより構成されていてもよく、また、２以上の任意の複数の単位セルにより構成されていてもよい。

また、上記実施の形態では、酸素電極１３への空気の供給を自然換気とするようにしたが、ポンプなどを利用して強制的に供給するようにしてもよい。その場合、空気に代えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、液体燃料４１を収容する燃料タンク４０を燃料電池システム５内に内蔵させる場合で説明したが、そのような燃料タンクが、燃料電池システムに対して着脱可能な構成としてもよい。

また、上記実施の形態では、ダイレクトメタノール型の燃料電池システムについて説明したが、本発明は、これ以外の種類の燃料電池システムについても適用することが可能である。

本発明の燃料電池システムは、例えば、携帯電話、電子写真機、電子手帳またはＰＤＡ（Personal Digital Assistants）等の携帯型の電子機器に好適に用いることが可能であ
る。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表す図である。図１に示した昇圧回路の動作について説明するための模式図である。図１に示した発電部の構成例を表す断面図である。図１に示した発電部の構成例を表す平面図である。気化型の燃料供給方式の概要を説明するためのタイミング波形図である。図１に示した昇圧回路および分圧回路の構成を表す回路図である。ＰＷＭ信号の生成動作について説明するためのタイミング波形図である。図１に示した発電部の製造方法を説明するための断面図である。図１に示した発電部の製造方法を説明するための平面図である。図６に示した昇圧回路の動作を説明するための回路図である。実施の形態に係る定電圧動作について説明するためのタイミング波形図である。実施の形態に係る定電圧動作の一例を表す特性図である。実施の形態に係る定電流動作について説明するためのタイミング波形図である。実施の形態に係る定電流動作の一例を表す特性図である。定電圧動作または定電流動作の際に用いる制御用テーブルの一例を表す図である。発電電力と定電圧動作または定電流動作との関係の一例を表す特性図である。燃料変換効率と定電圧動作または定電流動作との関係の一例を表す特性図である。

符号の説明

１…燃料電池、１０…発電部、１０Ａ〜１０Ｆ…単位セル、１１…電解質膜、１２…燃料電極、１３…酸素電極、２０…接続部材、２０Ａ…端子、３１…電流検出部、３２…電圧検出部、３３…昇圧回路、３３Ｌ…インダクタ、３３Ｃ…コンデンサ、３３１…リファレンス電源（基準電源）、３３２…エラーアンプ、３３３…発振回路、３３４…ＰＷＭ信号生成部、３４…二次電池、３５…制御部、３６…分圧回路、４０…燃料タンク、４１…液体燃料、４２…燃料ポンプ、４３…ノズル、４４…燃料気化部、５…燃料電池システム、６…負荷、Ｖ１，Ｖin…発電電圧（検出電圧、入力電圧）、Ｖout…出力電圧（直流電圧）、Ｖ_ＦＢ…分圧電圧（フィードバック電圧）、Ｖref…リファレンス電圧（基準電圧）、ΔＶ１，ΔＶ２…電圧領域（電圧幅）、Ｉ１…発電電流（検出電流）、Ｉａ，ＩＬ，Ｉout…電流、ΔＩ２…電流領域（電流幅）、Ｒ３，Ｒ４…抵抗器、Ｒｖ…可変抵抗器、Ｒ_Ｌ…負荷抵抗、Ｔｒ１，Ｔｒ２…スイッチング素子、Ｓ１，Ｓ２…制御信号（ＰＷＭ信号）、Ｐ１〜Ｐ７…接続点、Ｔ２，Ｔ３…出力端子、Ｌ１Ｌ，Ｌ１Ｈ…接続ライン、ＬＯ…出力ライン、ＬＧ…接地ライン、ｔ１〜ｔ６…タイミング、Δｔ１〜Δｔ３…パルス幅、Δｔ…燃料供給周期。

Claims

燃料および酸化剤ガスの供給により発電を行う発電部と、
前記発電部側へ液体燃料を供給すると共に、この液体燃料の供給量を調節可能な燃料供給部と、
前記燃料供給部により供給された液体燃料を気化させることによって、気体燃料を前記発電部へ供給する燃料気化部と、
前記発電部から供給される発電電圧を昇圧する昇圧回路と、
燃料供給周期に応じた断続的な燃料供給が行われるように、前記燃料供給部における前記液体燃料の供給量を制御すると共に、所定の制御用テーブルを用いて前記昇圧回路の動作を制御することにより、この昇圧回路から負荷へ供給される負荷電圧および負荷電流に対する制御を行う制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記負荷電圧が一定となる定電圧動作がなされるように、前記昇圧回路の動作制御を行うと共に、
前記定電圧動作および前記断続的な燃料供給に伴って、前記負荷電流および前記発電部における燃料変換効率がそれぞれ前記燃料供給周期に同期して周期的に増減する際に、前記燃料変換効率がより高い状態で維持されるように、前記液体燃料の供給量を制御する
燃料電池システム。
前記制御部は、前記定電圧動作がなされている場合において、前記発電部からの出力電力と前記液体燃料の供給量との間で比例関係が成り立つように制御する
請求項１に記載の燃料電池システム。
前記昇圧回路は、前記負荷電圧に基づく電圧と所定の基準電圧との電位比較結果に応じて昇圧動作を行うものであり、
前記制御部は、前記負荷電圧の設定値が大きくなるのに応じて前記基準電圧の設定値が大きくなるように、前記昇圧回路の動作制御を行う
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記昇圧回路が、ＤＣ／ＤＣコンバータを含んで構成されている
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記液体燃料を収容する燃料タンクを備えた
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
燃料電池システムを備え、
前記燃料電池システムは、
燃料および酸化剤ガスの供給により発電を行う発電部と、
前記発電部側へ液体燃料を供給すると共に、この液体燃料の供給量を調節可能な燃料供給部と、
前記燃料供給部により供給された液体燃料を気化させることによって、気体燃料を前記発電部へ供給する燃料気化部と、
前記発電部から供給される発電電圧を昇圧する昇圧回路と、
燃料供給周期に応じた断続的な燃料供給が行われるように、前記燃料供給部における前記液体燃料の供給量を制御すると共に、所定の制御用テーブルを用いて前記昇圧回路の動作を制御することにより、この昇圧回路から負荷へ供給される負荷電圧および負荷電流に対する制御を行う制御部と
を有し、
前記制御部は、
前記負荷電圧が一定となる定電圧動作がなされるように、前記昇圧回路の動作制御を行うと共に、
前記定電圧動作および前記断続的な燃料供給に伴って、前記負荷電流および前記発電部における燃料変換効率がそれぞれ前記燃料供給周期に同期して周期的に増減する際に、前記燃料変換効率がより高い状態で維持されるように、前記液体燃料の供給量を制御する
電子機器。