(57)【要約】【課題】燃料電池システム及び燃料電池の電力管理方法を提供する。【解決手段】燃料電池から出力された電流値を測定する測定部と、測定された電流値と目標定電流値との差によって燃料電池の目標電圧値を調整することによって、燃料電池の電流出力を制御する制御部と、燃料電池から出力された電圧を制御部の制御による電圧に変更するコンバータと、を備える燃料電池システムが提供される。これにより、燃料電池から安定的にさらに一定の定電流を出力させうる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から出力された電流値を測定する測定部と、
前記測定された電流値と目標定電流値との差によって前記燃料電池の目標電圧値を調整することによって、前記燃料電池の電流出力を制御する制御部と、
前記燃料電池から出力された電圧を前記制御部の制御による電圧に変更するコンバータと、
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記測定された電流値と前記目標定電流値との差に比例して、前記燃料電池の目標電圧値を調整する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記測定された電流値が前記目標定電流値より大きければ、前記目標電圧値を増加させ、前記測定された電流値が前記目標定電流値より小さければ、前記目標電圧値を減少させる、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記目標定電流値は、前記燃料電池の運転条件を考慮して設定される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記コンバータから出力された電力のうち一部を保存するか、または前記コンバータから出力された電力を補充する電力を供給するバッテリをさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記燃料電池の現在電圧値と目標電圧値との差、及び前記バッテリの出力電圧に基づいて前記燃料電池の電流出力を制御するための信号を生成し、
前記コンバータは、前記制御部によって生成された制御信号による電圧に変更する、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記バッテリは、前記燃料電池の初期始動のための電力を供給する、請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御部は、
前記燃料電池の現在電圧値と前記目標電圧値との差を積分する積分器と、
前記積分器の出力電圧と負荷にかかる電圧とに基づいて、前記コンバータのスイッチングを制御するスイッチング制御部と、を備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池から出力された電流値と電圧値とを測定するステップと、
前記測定された電流値と目標定電流値との差によって、前記燃料電池の目標電圧値を調整するステップと、
前記測定された電圧値と前記目標電圧値との差に基づいて、前記燃料電池の電流出力を制御するための信号を生成するステップと、
前記燃料電池から出力された電圧を前記生成された信号による電圧に変更するステップと、
を含む、燃料電池の電力管理方法。
【請求項１０】
前記調整するステップは、前記測定された電流値と前記目標定電流値との差に比例して、前記燃料電池の目標電圧値を調整する、請求項９に記載の燃料電池の電力管理方法。
【請求項１１】
前記調整するステップは、前記測定された電流値が前記目標定電流値より大きければ、前記目標電圧値を増加させ、前記測定された電流値が前記目標定電流値より小さければ、前記目標電圧値を減少させる、請求項９または１０に記載の燃料電池の電力管理方法。
【請求項１２】
前記調整するステップは、前記目標電圧値を所定単位ほど増減させるか、または維持し、
前記ステップは、前記燃料電池から出力された電流が目標定電流値に達するまで反復される、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池の電力管理方法。
【請求項１３】
前記目標定電流値は、前記燃料電池の運転条件及びユーザの電力消費パターンのうち少なくとも一つを考慮して設定される、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池の電力管理方法。
【請求項１４】
前記変更された電圧として出力された電力のうち一部を保存するか、または前記電力を補充する電力を供給するステップをさらに含む、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池の電力管理方法。
【請求項１５】
前記生成するステップは、
前記測定された電圧値と前記目標電圧値との差を積分するステップと、
前記積分の結果に該当する電圧と負荷にかかる電圧とに基づいて、前記燃料電池の電流出力を制御するための信号を生成するステップと、を含む、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池の電力管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の少なくとも一つの実施形態は、燃料電池システム及び燃料電池の電力管理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素のように地球上に豊富に存在する物質から電気エネルギーを発生させる環境にやさしい代替エネルギー技術であって、太陽電池と共に注目されている。しかし、燃料電池は、一般的に、インピーダンスが大きくて負荷の変化に対する応答速度が遅いという特性を有している。これを補完するために、現在開発されている燃料電池システムは、充電可能な２次電池を燃料電池システム内に設置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００６−５０１７９８号公報
【特許文献２】特開２００５−１１５５５３号公報
【特許文献３】特開２００５−１２３１１０号公報
【特許文献４】特開２００７−２８０７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在開発されている燃料電池システムは、燃料電池の定電圧運転のためのシステム、燃料電池の定電流運転のためのシステム、燃料電池の定電力運転のためのシステムに区分されうる。特に、燃料電池の定電流運転のためのシステムは、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）／ＤＣコンバータに電流制限装置を置いて、燃料電池の出力電流を所定の電流以下に落とさないことが一般的であった。
【０００５】
本発明の少なくとも一つの実施形態が解決しようとする課題は、燃料電池から安定的にさらに一定の定電流を出力させる燃料電池システム及び燃料電池の電力管理方法を提供することである。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、前記課題に限定されず、さらに他の課題が存在できる。これは、当業者ならば、下記から明確に分かるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための一実施形態による燃料電池システムは、燃料電池から出力された電流値を測定する測定部と、前記測定された電流値と目標定電流値との差によって、前記燃料電池の目標電圧値を調整することによって前記燃料電池の電流出力を制御する制御部と、前記燃料電池から出力された電圧を前記制御部の制御による電圧に変更するコンバータと、を備える。
【０００８】
前記他の課題を解決するための一実施形態による燃料電池の電力管理方法は、燃料電池から出力された電流値及び電圧値を測定するステップと、前記測定された電流値と目標定電流値との差によって前記燃料電池の目標電圧値を調整するステップと、前記測定された電圧値と前記目標電圧値との差に基づいて、前記燃料電池の電流出力を制御するための信号を生成するステップと、前記燃料電池から出力された電圧を前記生成された信号による電圧に変更するステップと、を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池から出力された電流値と目標定電流値との差によって燃料電池の目標電圧値を調整することによって、燃料電池から安定的にさらに一定の定電流を出力させうる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に適用される電流−電圧曲線を示す図面である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池システムの構成図である。
【図３】図２に示された制御部の詳細回路図である。
【図４】図３に示されたマイクロコントローラの内部動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池の電力管理方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１２】
本実施形態は、燃料電池システム及び燃料電池の電力管理方法に関する。本実施形態の特徴をさらに明確にするために、燃料電池を構成するスタック、ＢＯＰ（Ｂａｌａｎｃｅ  Ｏｆ  Ｐｌａｎｔｓ）など、当業者に周知の事項については、詳細な説明を省略する。また、燃料電池から出力される電流及び電圧は、さらに厳密には、燃料電池のスタックから出力される電流及び電圧を意味するが、以下では、簡単に燃料電池から出力される電流及び電圧と記載する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に適用される電流−電圧曲線を示す図面である。図１に示されたように、燃料電池は、運転条件及び運転時間によって、その性能が低下する。厳密には、燃料電池の運転時間の経過によってその性能が低下するというのも、燃料電池の運転条件が変化したと見られる。燃料電池の初期駆動時の性能が、図１に示された第１性能曲線と同一であれば、以後の運転条件及び運転時間の変化によって、第２性能曲線または第３性能曲線のようにその性能が低下しうる。したがって、本実施形態では、燃料電池から定電流を出力させるために、燃料電池の出力電圧を、その電圧が出力される時点での性能曲線に合う出力電圧に変換する。
【００１４】
例えば、燃料電池の性能が第１性能曲線から第２性能曲線に低下した時、燃料電池の出力電圧が１０Ｖならば、燃料電池から定電流を出力させるためには、燃料電池の出力電圧を９．９５Ｖに変更せねばならない。次いで、燃料電池の性能が第２性能曲線から第３性能曲線に低下したとすれば、燃料電池から定電流を出力させるためには、燃料電池の出力電圧を再び９．９Ｖに変更せねばならない。
【００１５】
図２は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの構成図である。図２を参照すれば、本実施形態による燃料電池システムは、燃料電池２１、Ｉ／Ｖ（Ｃｕｒｒｅｎｔ／Ｖｏｌｔａｇｅ）測定部２２、制御部２３、及びバッテリ２５で構成される。
【００１６】
燃料電池２１は、燃料が有している化学エネルギーを、電気化学的反応を利用して直接電気エネルギーに変換することによって、ＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）電力を生成する発電装置である。このような燃料電池の例としては、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）、高分子電解質燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ
Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）が挙げられる。但し、当業者ならば、上記燃料電池の代りに、太陽電池のように、ＤＣ電力を生成する類似した形態の電池が適用されうるということが理解できる。
【００１７】
Ｉ／Ｖ測定部２２は、燃料電池２１から出力された電流値Ｉｆｃと電圧値Ｖｆｃとを測定する。本実施形態で、燃料電池２１の電流値または電圧値とは、さらに厳密には、燃料電池２１のスタックの正極（アノード）と負極（カソード）とから出力される電流値または電圧値を意味する。
【００１８】
制御部２３は、Ｉ／Ｖ測定部２２によって測定された燃料電池２１の電流値Ｉｆｃと目標定電流値Ｉｔとの差によって、燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔを調整することによって燃料電池２１の電流出力を制御する。さらに詳細に説明すれば、制御部２３は、燃料電池２１から目標定電流値Ｉｔに該当する電流値が一定に出力されるように、Ｉ／Ｖ測定部２２によって測定された電流値Ｉｆｃと目標定電流値Ｉｔとの差に比例して、燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔを調整する。
【００１９】
特に、本実施形態によれば、燃料電池２１の運転条件、例えば、燃料電池２１の温度、周辺温度、燃料供給環境、負荷を考慮して、燃料電池２１の目標定電流値Ｉｔが設定されうる。燃料電池２１の目標定電流値Ｉｔは、ユーザによって手動で設定され、燃料電池システムに燃料電池２１の運転条件を検出できる要素を追加することによって自動に設定させることもできる。すなわち、制御部２３は、Ｉ／Ｖ測定部２２によって測定された燃料電池２１の電流値Ｉｆｃと燃料電池の運転条件を考慮して設定された目標定電流値Ｉｔとの差によって、燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔを調整する。また、制御部２３は、ユーザ特有の負荷電力消費パターンを考慮して、ユーザによって設定された目標定電流値Ｉｔの差によって燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔを調整することもできる。
【００２０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、燃料電池２１から出力された電圧を制御部２３の制御による電圧に変更する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の出力電圧とバッテリ２５の出力電圧との電位差によって、負荷２６及びバッテリ２５にいずれも供給されることもでき、負荷２６にのみ供給されることもできる。
【００２１】
バッテリ２５は、燃料電池２１の初期始動のための電力を燃料電池２１に供給する。また、バッテリ２５は、燃料電池２１の始動後にはＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力された電力のうち、負荷２６に供給された電力以外の剰余電力を保存するか、またはＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力された電力を補充するための電力を負荷２６に供給する。前者は、負荷２６が必要とする電力に対して燃料電池２１から出力された電力が多過ぎる場合であって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力された電力は、負荷２６及びバッテリ２５にいずれも供給される。この場合、バッテリ２５の充電が進められる。一方、後者は、負荷２６が必要とする電力に対して燃料電池２１から出力された電力が足りない場合であって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力された電力は、負荷２６にのみ供給され、その不足分は、バッテリ２５から供給される。この場合、バッテリ２５の放電が進められる。本実施形態におけるバッテリ２５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力された電力によって充電可能な２次バッテリであって、エネルギー密度の高いリチウムイオンバッテリが使われうる。
【００２２】
上記のように、本実施形態は、バッテリ２５の充放電を通じて燃料電池２１の定電流出力による剰余電力と不足電力とを補償可能にする。このために、制御部２３は、燃料電池２１の現在電圧値Ｖｆｃと目標電圧値Ｖｔとの差、及びバッテリ２５の出力電圧に基づいて、燃料電池２１の電流出力を制御するための信号を生成する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、燃料電池２１から出力された電圧を、制御部２３によって生成された制御信号による電圧に変更する。以下では、このような制御部２３の回路構成を説明する。特に、バッテリ２５に対する別の充電回路が要求されない簡単な回路で制御部２３が具現されうるということが分かる。
【００２３】
図３は、図２に示された制御部２３の詳細回路図である。図３を参照すれば、制御部２３は、電圧決定部３１、積分器３２、差増幅器３３、スイッチング制御部３４、抵抗Ｒｏ１、及び抵抗Ｒｏ２で構成される。
【００２４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、トランジスタＴｃ、インダクタＬｃ、キャパシタＣｃ、ダイオードＤｃが図３に示された形態に配されたバック／ブースタコンバータで具現されうる。バック／ブースタコンバータは、入力電圧を下降／上昇させうるコンバータであって、当業者には周知の事項であるので、これについての詳細な説明は省略する。理想的なバック／ブースタコンバータの入力電圧対出力電圧の比は、次の数式１の通りである。
【数１】
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【００２５】
数式１で、入力電圧Ｖｆｃは、燃料電池２１から出力された電圧を意味し、出力電圧Ｖｌは、負荷２６にかかる電圧を意味する。また、Ｄは、トランジスタＴｃがオン／オフとなる全体期間に対するトランジスタＴｃがオンとなる期間の比率を意味し、一般的にデューティサイクルと呼ばれる。すなわち、トランジスタＴｃが常にオフである状態では、Ｄは０となり、常にオンである状態では、Ｄは、１となる。それ以外の状態では、Ｄは、０と１との間に存在する。トランジスタＴｃは、そのベースの電圧値が臨界値に達すれば、すなわち、トランジスタＴｃが飽和されれば、トランジスタＴｃのコレクタとエミッタとの間の線路に電流が流れるか、または流れない特性を有する。このようなトランジスタＴｃの特性を利用して、トランジスタＴｃのベースに入力される電圧値を調整することによって、数式１におけるＤを変化させ、結果的に、バック／ブースタコンバータに入力される電圧を下降／上昇させうる。
【００２６】
数式１における入力電圧と出力電圧との極性は、逆転される。したがって、本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の極性と燃料電池２１の極性とを互いに逆になるように連結することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の出力電圧の極性を正常にすることができる。そうでなければ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の出力電圧の極性が逆転されるように回路を設計することもできる。それ以外に多様な方式でＤＣ／ＤＣコンバータ２４が設計されうるということを、当業者ならば、理解できる。
【００２７】
電圧決定部３１は、Ｉ／Ｖ測定部２２によって測定された燃料電池２１の電流値Ｉｆｃと目標定電流値Ｉｔとを比較し、その比較結果に基づいて、燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔを決定する。さらに詳細に説明すれば、電圧決定部３１は、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）３１１、マイクロコントローラ３１２、及びＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｎａｌｏｇ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）３１３で構成される。ＡＤＣ３１１は、Ｉ／Ｖ測定部２２によって測定された燃料電池２１の電流値Ｉｆｃの形態を、アナログ信号からデジタル信号に変換する。マイクロコントローラ３１２は、デジタル素子であるため、アナログ信号を認識できない。すなわち、ＡＤＣ３１１は、Ｉ／Ｖ測定部２２によって測定された燃料電池２１の電流値Ｉｆｃの形態を、マイクロコントローラ３１２が認識できるデジタル信号に変換する役割を行う。
【００２８】
図４は、図３に示されたマイクロコントローラ３１２の内部動作を示すフローチャートである。図４を参照すれば、４１ステップで、マイクロコントローラ３１２は、Ｉ／Ｖ測定部２２によって測定された燃料電池２１の電流値Ｉｆｃと目標定電流値Ｉｔとを比較する。４２ステップで、マイクロコントローラ３１２は、４１ステップでの比較結果、燃料電池２１の電流値Ｉｆｃが目標定電流値Ｉｔより大きければ、４３ステップに進む。４３ステップで、マイクロコントローラ３１２は、燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔを所定単位ａほど増大させる。４４ステップで、マイクロコントローラ３１２は、４１ステップでの比較結果、燃料電池２１の電流値Ｉｆｃと目標定電流値Ｉｔとが同一であれば、４５ステップに進む。４５ステップで、マイクロコントローラ３１２は、燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔを維持する。４６ステップで、マイクロコントローラ３１２は、４１ステップでの比較結果、燃料電池２１の電流値Ｉｆｃが目標定電流値Ｉｔより小さければ、４７ステップに進む。４７ステップで、マイクロコントローラ３１２は、燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔを所定単位ａほど減少させる。
【００２９】
ＤＡＣ３１３は、マイクロコントローラ３１２によって計算された燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔの形態を、デジタル信号から本来のアナログ信号に変換する。本実施形態で、所定単位ａは、ＡＤＣ３１１及びＤＡＣ３１３の分解能によって決定される。ＡＤＣ３１１及びＤＡＣ３１３の分解能が高い場合、すなわち、ＡＤＣ３１１及びＤＡＣ３１３がアナログ信号をさらに精密にデジタル信号に変換でき、このデジタル信号をさらに精密にアナログ信号に変換できる場合ならば、所定単位ａは、小さくなる。逆に、ＡＤＣ３１１及びＤＡＣ３１３の分解能が低い場合ならば、所定単位ａは、大きくなる。
【００３０】
積分器３２は、Ｉ／Ｖ測定部２２によって測定された燃料電池２１の電圧値Ｖｆｃと電圧決定部３１によって決定された目標電圧値Ｖｔとの差を積分する。さらに詳細に説明すれば、積分器３２のＯＰアンプ（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の負極としては、燃料電池２１の現在電圧値Ｖｆｃが入力され、正極としては、ＤＡＣ３１３から出力された信号、すなわち、電圧決定部３１によって決定された目標電圧値Ｖｔが入力される。積分器３２のＯＰアンプを理想的なＯＰアンプとすれば、積分器３２は、理想的な反転積分器として動作し、積分器３２のＯＰアンプから出力されるＶｉ（ｔ）は、次の数式１の通りである。
【数２】
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【００３１】
数式２で、Ｖｓ（ｓ）は、積分器３２のＯＰアンプの正極及び負極として入力される値の差、すなわち、燃料電池２１の現在電圧値Ｖｆｃと電圧決定部３１によって決定された目標電圧値Ｖｔとの差を意味する。また、Ｖｉ（０）は、積分器３２のキャパシタＣｉに蓄積された初期電圧値である。このように、積分器３２は、燃料電池２１の現在電圧値Ｖｆｃと電圧決定部３１によって決定された目標電圧値Ｖｔとの差を積分することによって、燃料電池２１の現在電圧値Ｖｆｃが電圧決定部３１によって決定された目標電圧値Ｖｔより大きい区間が続けば、その値の大きさが上昇する形態の値を出力する。また、積分器３２は、燃料電池２１の現在電圧値Ｖｆｃが電圧決定部３１によって決定された目標電圧値Ｖｔより小さな区間が続けば、その値の大きさが下降する形態の値を出力する。
【００３２】
本実施形態では、積分器３２のＯＰアンプの限界電圧として＋Ｖｓと０とが入力されるため、燃料電池２１の現在電圧値Ｖｆｃが電圧決定部３１によって決定された目標電圧値Ｖｔより小さな積分器３２のＯＰアンプの出力値は、＋Ｖｓを超えることができない。また、燃料電池２１の現在電圧値Ｖｆｃが電圧決定部３１によって決定された目標電圧値Ｖｔと同一か、または大きいときは、積分器３２のＯＰアンプの出力値は、０、すなわち、接地と同一になる。
【００３３】
図３に示されたように、負荷２６にかかる電圧をＶｌ、積分器３２の出力電圧をＶｉとし、差増幅器３３を理想的なＯＰアンプとすれば、差増幅器３３に流入される電流は、０となるので、抵抗Ｒｏ１と抵抗Ｒｏ２との間にかかる電圧Ｖｒは、次の数式３の通りである。
【数３】
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【００３４】
差増幅器３３は、抵抗Ｒｏ１と抵抗Ｒｏ２との間の電圧Ｖｒと基準電圧Ｖｒｅｆとの差を増幅する。さらに詳細に説明すれば、差増幅器３３の負極には、抵抗Ｒｏ１と抵抗Ｒｏ２との間の電圧Ｖｒが入力され、正極には、基準電圧Ｖｒｅｆが入力される。差増幅器を理想的なＯＰアンプとすれば、差増幅器３３から出力されるＶｅは、次の数式４の通りである。
【数４】
2010161073.tif 000006
【００３５】
数式４で、電圧Ｖｒｅｆは、電圧Ｖｒを差増幅器３３に入力可能な電圧範囲に合わせるための基準電圧であり、Ａは、電圧利得を表す。すなわち、差増幅器３３は、抵抗Ｒｏ１と抵抗Ｒｏ２との間の電圧Ｖｒと基準電圧Ｖｒｅｆとの差のＡ倍に該当する大きさの電圧Ｖｅを出力する。
【００３６】
スイッチング制御部３４は、差増幅器３３の出力電圧ＶｅによってＤＣ／ＤＣコンバータ２４のトランジスタＴｃのオン／オフスイッチングを制御する。スイッチング制御部３４から出力された制御信号は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４のトランジスタＴｃのベースに入力され、スイッチング制御部３４から出力された制御信号によって、トランジスタＴｃのデューティサイクルＤは変化する。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、スイッチング制御部３４の制御によってＤＣ／ＤＣコンバータ２４に入力される電圧を下降／上昇させる。
【００３７】
図１に示された例のように、燃料電池２１の目標定電流値ＩｔをＩｔとし、目標電圧値Ｖｔを１０Ｖとすれば、燃料電池２１の運転条件及び運転時間によって、本実施形態による燃料電池システムは、次のように動作する。
【００３８】
負荷２６で消費される電力が減少して、燃料電池２１の電圧が図１に示された第１性能曲線における目標定電流Ｉｔの対応電圧１０Ｖを超える場合に、燃料電池２１の現在電圧値Ｖｆｃが電圧決定部３１によって決定された目標電圧値Ｖｔより大きくなって、積分器３２のＯＰアンプの出力は、０、すなわち、接地と同一になる。この場合、制御部２３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力された電圧がバッテリ２５の電圧より若干高くなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４を制御する。これにより、燃料電池２１の現在電圧値Ｖｆｃが電圧決定部３１によって決定された目標電圧値Ｖｔより大きくなる場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力される電圧値は、バッテリ２５の電圧値より若干高い所定の値に固定される。すなわち、燃料電池２１の電力のみが負荷２６に供給され、これと同時に、バッテリ２５が充電される。
【００３９】
負荷２６で消費される電力が増加するか、または運転時間が経過することによって、燃料電池２１の性能が図１に示された第２性能曲線に低下した場合に、１０Ｖ以下に落ちなければならない。このとき、燃料電池２１の現在電圧値Ｖｆｃが電圧決定部３１によって決定された目標電圧値Ｖｔより小さくなって、積分器３２のＯＰアンプから０、すなわち、接地より若干高い電圧が出力される。この場合、制御部２３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力された電圧がバッテリ２５の電圧と同一になるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４を制御する。これにより、燃料電池２１の現在電圧値Ｖｆｃが電圧決定部３１によって決定された目標電圧値Ｖｔより小さくなる場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力される電圧値とバッテリ２５の電圧値とは、常に同一になる。すなわち、燃料電池２１の電力とバッテリ２５の電力とが同時に負荷２６に供給される。
【００４０】
このように、本実施形態によれば、負荷の突然な変動など、燃料電池２１の運転条件が変動されるか、または運転時間が経過する場合にも、負荷２６に定電流を供給できる。これにより、燃料電池の短所である負荷追従性が解決されうる。
【００４１】
特に、本実施形態では、燃料電池２１の目標定電流値Ｉｔを維持するために、燃料電池２１の運転条件及び運転時間によって燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔを１０Ｖ以上に上昇させるか、または１０Ｖ以下に下降させる。例えば、燃料電池２１の電流値Ｉｆｃが目標定電流値Ｉｔより大きければ、燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔを所定単位ａほど増加させる。その結果、積分器３２のＯＰアンプの正極に入力される目標電圧値Ｖｔが増加し、燃料電池２１の現在電圧値Ｖｆｃが電圧決定部３１によって決定された目標電圧値Ｖｔより小さくなって、積分器３２のＯＰアンプから０、すなわち、接地より若干高い電圧が出力される。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力された電圧がバッテリ２５の電圧と同一になるように、制御部２３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４を制御する。これにより、燃料電池２１の電力とバッテリ２５の電力とが同時に負荷２６に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４とバッテリ２５との電位差がないため、負荷２６に流入される燃料電池２１の電流が制限されて、燃料電池２１の動作電圧は、上昇する。上記過程は、燃料電池２１から出力された電流が目標定電流値Ｉｔに達するまで反復される。
【００４２】
また、燃料電池２１の電流値Ｉｆｃと目標定電流値Ｉｔとが同一であれば、燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔを維持し、燃料電池２１の電流値Ｉｆｃが目標定電流値Ｉｔより小さければ、燃料電池２１から出力された電流が目標定電流値Ｉｔに達するまで、燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔを減少させる。例えば、燃料電池２１の電流値Ｉｆｃが目標定電流値Ｉｔより小さければ、燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔを所定単位ａほど減少させる。その結果、積分器３２のＯＰアンプの正極に入力される目標電圧値Ｖｔが増加し、燃料電池２１の現在電圧値Ｖｆｃが電圧決定部３１によって決定された目標電圧値Ｖｔより大きくなって、積分器３２のＯＰアンプから０、すなわち、接地と同一になる。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から出力された電圧がバッテリ２５の電圧より若干高まるように、制御部２３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４を制御する。これにより、燃料電池２１の電力のみが負荷２６に供給され、これと同時に、バッテリ２５が充電される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４とバッテリ２５との電位差によって、負荷２６及びバッテリ２５に流入される燃料電池２１の電流が増加し、燃料電池２１の動作電圧は、落ちる。上記過程は、燃料電池２１から出力された電流が目標定電流値Ｉｔに達するまで反復される。
【００４３】
図５は、本発明の一実施形態による燃料電池の電力管理方法を示すフローチャートである。図５を参照すれば、本実施形態による燃料電池の電力管理方法は、図２に示された燃料電池システムにおいて、時系列的に処理されるステップで構成される。したがって、以下省略された内容であっても、図２に示された燃料電池システムについて前述された内容は、本実施形態による燃料電池の電力管理方法にも適用される。
【００４４】
５１ステップで、燃料電池システムは、燃料電池２１から出力された電流値Ｉｆｃと電圧値Ｖｆｃとを測定する。
【００４５】
５２ステップで、燃料電池システムは、５１ステップで測定された燃料電池２１の電流値Ｉｆｃと目標定電流値Ｉｔとの差によって、燃料電池２１の目標電圧値Ｖｔを所定単位ａほど増減させるか、または維持する。
【００４６】
５３ステップで、燃料電池システムは、５１ステップで測定された燃料電池２１の電圧値Ｖｆｃと５２ステップで調整された目標電圧値Ｖｔとの差を積分する。
【００４７】
５４ステップで、燃料電池システムは、５３ステップでの積分結果に該当する電圧とＤＣ／ＤＣコンバータ２４、バッテリ２５及び負荷２６の共通連結点の電圧とによって決定された電圧Ｖｒと基準電圧値Ｖｒｅｆとの差を増幅する。
【００４８】
５５ステップで、燃料電池システムは、５４ステップで増幅された電圧値Ｖｅによって燃料電池２１の電流出力を制御するための信号を生成する。
【００４９】
５６ステップで、燃料電池システムは、燃料電池２１から出力された電圧を５５ステップで生成された信号による電圧に変更する。
【００５０】
５７ステップで、燃料電池システムは、負荷２６の状態によって５６ステップで変更された電圧として出力された電力のうち一部を保存するか、またはその電力を補充する電力を供給する。
【００５１】
５７ステップが終了すれば、再び５１ステップに戻り、５１ステップから５７ステップまでの過程は、燃料電池２１から出力された電流が目標定電流値Ｉｔに達するまで反復される。
【００５２】
上記実施形態によれば、燃料電池２１から出力された電流値Ｉｆｃと目標定電流値Ｉｔとの差によって燃料電池２１の目標電圧値を調整することによって、燃料電池２１から安定的にさらに一定の定電流を出力させうる。一般的に、燃料電池２１は、定電圧運転を行う場合より定電流運転を行う場合にさらに一定の電力を出力すると知られている。このように、燃料電池２１の安定的な定電流出力を可能にすることによって、燃料電池２１の性能低下率を下げ、燃料電池２１に対する燃料供給の安定性を確保できる。
【００５３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、燃料電池関連の技術分野に好適に適用可能である。
【符号の説明】
【００５５】
２１    燃料電池
２２    Ｉ／Ｖ測定部
２３    制御部
２４    ＤＣ／ＤＣコンバータ
２５    バッテリ
２６    負荷
３１    電圧決定部
３２    積分器
３３    差増幅器
３４    スイッチング制御部
３１１    ＡＤＣ
３１２    マイクロコントローラ
３１３    ＤＡＣ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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