(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池が直流電圧変換器の入力端子に接続され、この直流電圧変換器の出力端子に負荷と電気エネルギー貯蔵手段とが並列に接続され、この並列回路において前記負荷と前記直流電圧変換器及び前記電気エネルギー貯蔵手段との間に前記並列回路に対して前記負荷をオン・オフするためのスイッチが設けられており、
前記電気エネルギー貯蔵手段の端子電圧を測定する測定手段と、この端子電圧に基づ  いて前記直流電圧変換器の目標出力電圧を設定する制御手段とを有し、
前記目標出力電圧は前記端子電圧より高く設定されるが、
前記燃料電池は所定の発電条件内で運転され、
前記スイッチのオフ状態で、前記燃料電池の発電電力によって前記直流電圧変換器か ら前記電気エネルギー貯蔵手段への充電が行われ、
前記直流電圧変換器を介して出力される前記燃料電池の発電電力が前記負荷の消費電  力よりも大きい場合には、前記スイッチのオン状態で、前記負荷へ供給される前記燃料 電池の発電電力の過剰分が前記直流電圧変換器から前記電気エネルギー貯蔵手段への充  電に自動的に用いられ、これによって前記直流電圧変換器の出力電圧が前記電気エネル  ギー貯蔵手段の充電電圧に保持され、
前記直流電圧変換器を介して出力される前記燃料電池の発電電力が前記負荷の消費電  力よりも小さい場合には、前記スイッチのオン状態で、前記負荷へ供給される前記燃料 電池の発電電力の不足分が前記電気エネルギー貯蔵手段からの前記負荷への放電によっ て自動的に補償され、これによって前記直流電圧変換器の出力電圧が前記電気エネルギ  ー貯蔵手段の放電電圧に保持され、
前記燃料電池の発電電力が前記負荷の消費電力と等しい場合には、前記スイッチのオ ン状態で、前記電気エネルギー貯蔵手段の充放電は行わずに、前記直流電圧変換器を介 して出力される前記燃料電池の発電電力が前記負荷の消費電力として用いられ、これに よって前記直流電圧変換器の出力電圧が前記電気エネルギー貯蔵手段の充電電圧と放電 電圧との中間レベルに保持される、
電源システム。
【請求項２】
前記直流電圧変換器の前記目標出力電圧が、前記電気エネルギー貯蔵手段の前記端子電圧よりわずかに高く設定される、請求項１に記載した電源システム。
【請求項３】
前記目標出力電圧が調整され、前記目標出力電圧と前記端子電圧との差によって、前記燃料電池による発電が制御される、請求項２に記載した電源システム。
【請求項４】
前記目標出力電圧と前記端子電圧との前記差を変更することによって、前記燃料電池の発電電圧が所定の範囲内にあるように制御される、請求項３に記載した電源システム。
【請求項５】
前記目標出力電圧と前記端子電圧との前記差を変更することによって、前記燃料電池の発電電流が所定の範囲内にあるように制御される、請求項３に記載した電源システム。
【請求項６】
前記目標出力電圧と前記端子電圧との前記差を変更することによって、前記燃料電池の発電電力が所定の範囲内にあるように制御される、請求項３に記載した電源システム。
【請求項７】
前記目標出力電圧と前記端子電圧との前記差を変更することによって、前記直流電圧変換器の出力電流が所定の範囲内にあるように制御される、請求項３に記載した電源システム。
【請求項８】
前記目標出力電圧と前記端子電圧との前記差を変更することによって、前記直流電圧変換器の出力電力が所定の範囲内にあるように制御される、請求項３に記載した電源システム。
【請求項９】
前記制御手段がマイクロコンピュータからなる、請求項１に記載した電源システム。
【請求項１０】
前記燃料電池がダイレクトメタノール燃料電池である、請求項１に記載した電源システム。
【請求項１１】
前記電気エネルギー貯蔵手段がリチウムイオン二次電池である、請求項１に記載した電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池をエネルギー源として備え、エネルギー密度が大きいばかりでなく、出力密度も大きい電源システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、カムコーダなどの携帯型電子機器では、その高機能化および多機能化にともない、消費電力が増加する傾向にある。これらの携帯型電子機器の電源としては、一般的に小型の一次電池および二次電池が用いられている。
【０００３】
電池の特性を示すものとして、エネルギー密度と出力密度とがある。エネルギー密度とは電池の単位質量あるいは単位体積あたりの供給可能な電気エネルギーであり、出力密度とは電池の単位質量あるいは単位体積あたりの出力である。携帯型電子機器に用いられる電池には、電子機器の更なる高機能化および多機能化に対応できるように、エネルギー密度および出力密度の向上が求められている。
【０００４】
例えば、現在、携帯型電子機器用の電源として広く普及しているリチウムイオン二次電池は、出力密度が大きいという優れた特性をもつ。また、エネルギー密度も比較的大きく、体積エネルギー密度は４００Ｗｈ／Ｌ以上に達している。しかし、リチウムイオン二次電池では、構成材料が大きく変わらない限り、これ以上大幅なエネルギー密度の向上を期待することはできない。
【０００５】
そのため、今後も更なる多機能化および高消費電力化が進むと予想される携帯型電子機器に対応していくために、次世代の携帯型電子機器用電源として期待されているものが、燃料電池である。
【０００６】
燃料電池では、アノード側に燃料が供給されて燃料が酸化され、カソード側に空気または酸素が供給されて酸素が還元され、燃料電池全体では燃料が酸素によって酸化される反応が起こる。この結果、燃料がもつ化学エネルギーが、効率よく電気エネルギーに変換されて取り出される。従って、燃料を補給し続ければ、故障しない限り、充電しなくても燃料電池を電源として使い続けることができる。
【０００７】
既に様々な燃料電池が試作され、一部は実用化されている。これらのうち、携帯型電子機器用電源として用いられる可能性が最も高いのは、プロトン伝導性高分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）であって、このうち、メタノールを改質することなく燃料としてアノードに供給するダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）である。
【０００８】
ＤＭＦＣでは、燃料のメタノールは、通常、低濃度または高濃度の水溶液としてアノード側に供給され、アノード側の触媒層で下記（１）式のように二酸化炭素に酸化される。    アノード：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-・・・・・（１）
このとき生じた水素イオンは、アノードとカソードの間に挟持されたプロトン伝導性高分子電解質膜を通ってカソード側へ移動し、カソード側の触媒層で酸素と下記（２）式のように反応して水を生成する。
カソード：６Ｈ+＋(３／２)Ｏ2＋６ｅ- → ３Ｈ2Ｏ・・・・・（２）
ＤＭＦＣ全体で起こる反応は、（１）式と（２）式を合わせた、下記の反応式（３）で示される。
ＤＭＦＣ全体：ＣＨ3ＯＨ＋(３／２)Ｏ2 → ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ・・・・・（３）
【０００９】
ＤＭＦＣの体積エネルギー密度は、リチウムイオン二次電池の体積エネルギー密度の数倍の大きさを実現できると期待されているが、ＤＭＦＣの問題点の１つとして、出力密度が小さいことが挙げられる。このため、携帯型電子機器を動作させる電力を燃料電池単独で発生させようとすると、燃料電池のサイズが大きくなりすぎてしまい、結果的に携帯型電子機器に内蔵できなくなることが懸念される。
【００１０】
また、理論的には高エネルギー密度であると期待される燃料電池であるが、燃料変換効率（燃料から実際に取り出すことのできる電気エネルギーの、理論値に対する割合）や出力は、発電電流や発電電圧の影響を受ける。このため、実際に負荷を駆動した場合に実現できるエネルギー密度（以下、実効的なエネルギー密度ということにする。）は、著しく低下してしまうことが懸念されている。以下、この点について説明する。
【００１１】
図５（ａ）は、ＤＭＦＣの発電時の一般的な電流−電圧特性を示すグラフである。図５（ａ）に示すように、ＤＭＦＣでは分極が大きいため、発電電流の増加につれて発電電圧が徐々に低下する。
【００１２】
図５（ｂ）は、ＤＭＦＣの出力および燃料変換効率と発電電圧との関係を示すグラフである。ＤＭＦＣからの出力は、発電電圧と発電電流との積で決まるから、発電電圧は大きいが発電電流が小さい領域と、発電電流が大きすぎ、分極によって発電電圧が低下してしまう領域で小さくなり、これらの領域の中間の領域で最大値をとる。また、ＤＭＦＣの燃料変換効率は、発電電流が小さい領域ではメタノールクロスオーバーなどによって低下し、発電電流が大きい領域では分極に起因して、熱発生によるエネルギー損失のために低下するので、これらの領域の中間の領域で最高になる。なお、メタノールクロスオーバーとは、メタノールがアノード側からカソード側へ電解質膜を透過して移動する現象のことである。
【００１３】
ＤＭＦＣの実効的なエネルギー密度を高めるためには、燃料変換効率が最も高くなる領域（図５（ｂ）に破線で示した発電電圧付近）でＤＭＦＣの発電を行わせ、燃料がもつ化学エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換することが望ましい。しかしながら、負荷である携帯型電子機器などの消費電力は時間とともに激しく変動するため、それに応じて燃料電池の出力も大幅に増減する。このため、ＤＭＦＣと負荷を単純に接続する場合には、燃料変換効率が最も高くなる領域でＤＭＦＣを発電させることのできる時間帯は、ほとんど存在しない。このため、ＤＭＦＣの燃料変換効率は著しく低下し、ＤＭＦＣから実際に取り出すことのできる電気エネルギーは著しく減少する。この結果、ＤＭＦＣの実効的なエネルギー密度は、既存のリチウムイオン電池と同等か、それ未満にまで低下することが危惧される。
【００１４】
従って、ＤＭＦＣの実効的なエネルギー密度を理論値に近い値まで向上させるには、負荷の消費電力の変動にかかわらず、常にＤＭＦＣを燃料変換効率が最も高くなる領域で発電させる工夫、例えば、ＤＭＦＣが一定発電電圧、または一定発電電流、あるいは一定発電出力を維持しながら動作できる状況を作り出す工夫が必須である。
【００１５】
これらの問題点を解決するために、後述の特許文献１などでは、燃料電池と二次電池とが負荷に対して並列に接続され、燃料電池および二次電池の少なくとも一方が負荷に対して電力を供給するハイブリッド型の電源システムが提案されている。特許文献１には、このような構成とするならば、負荷が所定量よりも小さく燃料電池の出力に余裕があるときには、燃料電池によって負荷を駆動するとともに二次電池の充電を行うことができ、また、負荷が増大したときには、燃料電池と二次電池との両方によって負荷を駆動することができるため、各々の電池の容量を抑えることができ、ひいては電源システムの大型化を抑えることができると、述べられている。
【００１６】
図６は、特許文献１に示されている、燃料電池および二次電池の電流−電圧特性に基づいて、上記電源システムの動作の一部を説明するためのグラフである。なお、図６に示した燃料電池および二次電池の動作電圧は、単電池のものではなく、それぞれ複数個の電池を直列に接続した電池スタックの動作電圧である。
【００１７】
燃料電池では、ＤＭＦＣを例として既述したように、発電電流が多くなると分極によって発電電圧が低下する。一方、リチウムイオン二次電池などの二次電池では、かなりの範囲で放電電流が変化しても放電電圧があまり変化しない領域が存在するが、このときの放電電圧の大きさＶcは充電状態によって変化する。負荷を駆動するためには、燃料電池および二次電池は、負荷の最小駆動電圧以上の駆動電圧を維持できる領域で動作させることが必要である。
【００１８】
負荷が小さい場合の駆動電圧をＶ1（＞Ｖc）とすると、このとき燃料電池および二次電池から供給される電流は、図６からそれぞれＩf1およびＩr1と求まる。Ｉf1≫Ｉr1であるから、この場合の電力は大部分が燃料電池から供給されている。これに対して、負荷が大きい場合の駆動電圧をＶ2（＜Ｖc）とすると、このとき燃料電池および二次電池から供給される電流は、図６からそれぞれＩf2およびＩr2と求まる。Ｉf2＜Ｉr2であるから、この場合には、二次電池から供給される電力が、燃料電池から供給される電力を上回っている。
【００１９】
負荷が増加して駆動電圧がＶcを間に挟んでＶ1からＶ2に減少する間に、燃料電池からの発電電流がＩf1からＩf2に増加するのにすぎないのに対して、二次電池からの放電電流はＩr1からＩr2に大きく増加しており、この間に増加する電力消費の大部分が二次電池から供給されることがわかる。また、この電力消費の増加分を燃料電池のみで負担すると、図６からわかるように、燃料電池の発電電圧は負荷の最小駆動電圧未満まで低下する。これは、燃料電池のみで電源を構成する場合には、最小駆動電圧以上の発電電圧を維持できるように燃料電池の大型化が必要であること、および、出力密度に優れた二次電池を燃料電池と並列に接続することで、燃料電池を小型化し、ひいては電源システム全体を小型化できることを示している。
【００２０】
また、後述の特許文献２では、燃料電池にＤＣ／ＤＣコンバータなどのコンバータ（電圧変換器）を直列に接続し、コンバータの出力電圧を二次電池などのエネルギー貯蔵装置の電圧と平衡させた上で、燃料電池とコンバータの全体をエネルギー貯蔵装置および負荷に対して並列に接続するハイブリッド型エネルギーシステムが提案されている。
【００２１】
表１は、このハイブリッド型エネルギーシステムの主たる動作モード１〜４をまとめたものである。表中、ＳＯＣはエネルギー貯蔵装置のエネルギー蓄積状態を示し、ＳＯＣＵは所定の高蓄積状態を示し、ＳＯＣＬは所定の低蓄積状態を示す。例えば、ＳＯＣＵは最大蓄積量の約７０〜９０％のエネルギーを蓄積した状態であり、ＳＯＣＬは約２０〜５０％のエネルギーを蓄積した状態である。ＰFCOPTは燃料電池が最適効率で動作する際の出力を示し、ＰREQは負荷が要求する出力量を示す。また、Ｅ貯蔵装置はエネルギー貯蔵装置の略である。
【００２２】
【表１】
0005441310.tif 000002
【００２３】
上記のハイブリッド型エネルギーシステムは、複数の動作原則にもとづいて動作する。第１に、エネルギー貯蔵装置のエネルギー蓄積状態ＳＯＣが高蓄積状態ＳＯＣＵよりも大きい限り（ＳＯＣ＞ＳＯＣＵ）、エネルギー貯蔵装置は負荷への電力の全てを供給し、燃料電池は作動しない（動作モード１）。第２に、ＳＯＣが高蓄積状態ＳＯＣＵよりも小さく、低蓄積状態ＳＯＣＬよりも大きい場合（ＳＯＣＵ＞ＳＯＣ＞ＳＯＣＬ）、燃料電池は最適効率で動作し、ＰFCOPTの電力を発電する。ここで、負荷が要求する出力量ＰREQがＰFCOPTを上回るときには（ＰREQ＞ＰFCOPT）、電力の不足分をエネルギー貯蔵装置が供給し（動作モード２）、逆に、ＰREQがＰFCOPTより小さいときには（ＰREQ＜ＰFCOPT）、余った電力をエネルギー貯蔵装置に蓄積する（動作モード３）。第３に、ＳＯＣが低蓄積状態ＳＯＣＬよりも小さい場合（ＳＯＣＬ＞ＳＯＣ）、燃料電池は高出力の発電を行い、負荷への電力の全てを供給するとともに、最大速度でエネルギー貯蔵装置に電力を蓄積する（動作モード４）。
【００２４】
このシステムの特徴は、動作モード１に見られるように、エネルギー貯蔵装置をできるだけ高蓄積状態に維持し、エネルギー貯蔵装置に十分なエネルギーが蓄積されている限り、負荷のエネルギー要求には、燃料電池ではなくエネルギー貯蔵装置によって対応する点である。特許文献２には、このような構成とすることによって、負荷の変動に関わりなく、燃料電池を最適効率で動作させることが可能になり、燃料電池を小型化でき、負荷によるエネルギー要求の変化に対して比較的迅速に応答できると、述べられている。
【００２５】
【特許文献１】特開平１０−４０９３１号公報（第２及び７頁、図１及び４）
【特許文献２】特開２００３−３３３７０８号公報（第３−５頁、図１及び２、表１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
図６を用いて行った説明から明らかなように、特許文献１の電源システムでは、用いる燃料電池および二次電池の特性によって、システムの特性が完全に決まる。例えば、二次電池からの放電電流は、駆動電圧がＶc以下に減少する近傍で大きく増加するが、このＶcは、二次電池の電流−電圧特性によって決まる。Ｖcの大きさは二次電池の充電状態によって変化するので、二次電池からの放電電流が増加し始める電圧は、二次電池の充電状態によって変動する。
【００２７】
また、この電源システムで燃料電池および二次電池がそれぞれの機能を効果的に発揮するには、図６に示したように、各電池の電流−電圧曲線が適当な領域で交わる必要がある。また、燃料電池の出力で二次電池を充電するためには、燃料電池の発電電圧が二次電池の充電電圧以上でなければならない。二次電池の充電電圧はその開放端子電圧Ｖroより大きく、燃料電池の発電電圧はその開放端子電圧Ｖfoより小さいから、少なくとも燃料電池の開放端子電圧Ｖfoは、二次電池の開放端子電圧Ｖroより大きいことが必要である。
【００２８】
上記のように、特許文献１の電源システムのように、燃料電池スタックと二次電池スタックとを並列に接続しただけの単純な電源システムでは、燃料電池の特性と二次電池の特性とが互いに制約し合い、システム性能や安定性の向上に限界がある。
【００２９】
特許文献２のエネルギーシステムでは、燃料電池はＤＣ／ＤＣコンバータなどのコンバータ（電圧変換器）を介して、エネルギー貯蔵装置および負荷に対して接続されるので、システム性能の向上を計る余地は大きい。しかしながら、特許文献２の図２からわかるように、制御工程が複雑で、制御システムが大型化し、コスト高になる。
【００３０】
本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、燃料電池をエネルギー源として備え、エネルギー密度が大きいばかりでなく、出力密度も大きく、簡易な手段で激しい消費電力の変動に対応できる電源システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
即ち、本発明は、燃料電池が直流電圧変換器の入力端子に接続され、この直流電圧変換器の出力端子に負荷と電気エネルギー貯蔵手段とが並列に接続されている電源システムにおいて、
前記電気エネルギー貯蔵手段の端子電圧を測定する測定手段と、この端子電圧に基づ  いて前記直流電圧変換器の目標出力電圧を設定する制御手段を有し、
前記目標出力電圧は前記端子電圧より高く設定されるが、
前記燃料電池は所定の発電条件内で運転され、
前記直流電圧変換器を介して出力される前記燃料電池の発電電力が、前記負荷の消費  電力よりも大きい場合には、前記直流電圧変換器から前記電気エネルギー貯蔵手段への  充電が自動的に行われ、前記直流電圧変換器の出力電圧は前記電気エネルギー貯蔵手段  の充電電圧に保持され、
前記直流電圧変換器を介して出力される前記燃料電池の発電電力が、前記負荷の消費  電力よりも小さい場合には、前記直流電圧変換器から前記負荷への放電が自動的に行わ  れ、前記直流電圧変換器の出力電圧は前記電気エネルギー貯蔵手段の放電電圧に保持さ  れる、
ことを特徴とする、電源システムに係るものである。
【発明の効果】
【００３２】
特許文献１に提案されている電源システムのように、燃料電池と二次電池とを直接に並列接続した電源システムでは、燃料電池の特性と二次電池の特性とが互いに制約し合い、システム性能や安定性の向上に限界があることは既述した通りである。これに対し、本発明の電源システムでは、前記燃料電池が、前記直流電圧変換器を介して、前記電気エネルギー貯蔵手段および前記負荷に接続されている。公知のように、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの前記直流電圧変換器は、入力端子側の入力電圧に依存せずに、出力端子側の出力電圧を設定することができる。このため、本発明の電源システムでは、前記燃料電池の特性と前記電気エネルギー貯蔵手段の特性とが互いに制約し合うことが少ない。従って、前記燃料電池および前記電気エネルギー貯蔵手段として、それぞれ最適な部材を選択し、それぞれの最適動作条件下でほぼ独立に動作させることができる。
【００３３】
この結果、前記直流電圧変換器の入力端子側では、出力端子側の前記負荷の大きさや前記電気エネルギー貯蔵手段の充電状態に関わりなく、前記燃料電池が所定の発電条件内で運転されることが可能になる。この所定の発電条件とは、例えば、前記燃料電池の燃料変換効率が最良となる燃料供給速度で燃料が供給され、一定の大きさの発電電力が生み出される条件である。このようにすれば、エネルギー密度の大きい電源システムを実現することができる。
【００３４】
一方、前記直流電圧変換器の出力端子側では、前記目標出力電圧が前記電気エネルギー貯蔵手段の前記端子電圧より高く設定される。しかし、前記直流電圧変換器の前記出力端子には前記電気エネルギー貯蔵手段が短絡状態、又は電流測定手段などを介して短絡に近い状態で接続されている。しかも、入力端子側では、前記燃料電池が所定の発電条件内で運転される。これらの結果、前記直流電圧変換器の前記出力電圧が前記目標出力電圧を達成することはない。
【００３５】
すなわち、もし前記出力端子に前記電気エネルギー貯蔵手段が接続されていなければ、前記直流電圧変換器を介して出力可能な前記燃料電池の発電電力が、消費電力よりも大きい場合には、前記直流電圧変換器の前記出力電圧は前記目標出力電圧を達成できるはずである。しかし、実際には、前記出力端子に前記電気エネルギー貯蔵手段が接続されているため、前記出力電圧が前記電気エネルギー貯蔵手段の充電電圧をこえようとすると、前記直流電圧変換器から前記電気エネルギー貯蔵手段への充電が自動的に開始され、前記燃料電池の発電電力の過剰分はすみやかに前記電気エネルギー貯蔵手段に取り込まれる。この結果、前記直流電圧変換器の前記出力電圧は、前記電気エネルギー貯蔵手段の充電電圧に等しい大きさに保持される。以下、この動作モードを充電駆動モードと呼ぶことにする。
【００３６】
また、もし前記出力端子に前記電気エネルギー貯蔵手段が接続されていなければ、前記直流電圧変換器を介して出力される前記燃料電池の発電電力が、消費電力よりも小さい場合には、発電電力は消費電力をまかないきれず、前記直流電圧変換器の前記出力電圧は０Ｖ近辺まで著しく低下するはずである。しかし、実際には、前記出力端子に前記電気エネルギー貯蔵手段が接続されているため、前記出力電圧が前記電気エネルギー貯蔵手段の放電電圧より小さくなろうとすると、前記電気エネルギー貯蔵手段から前記負荷への放電が自動的に開始され、前記燃料電池の発電電力の不足分は前記電気エネルギー貯蔵手段からの放電によって補われる。この結果、前記直流電圧変換器の前記出力電圧は、前記電気エネルギー貯蔵手段の放電電圧に等しい大きさに保持される。以下、この動作モードを放電モードと呼ぶことにする。放電モードでは、前記燃料電池の発電電力の不足分は前記電気エネルギー貯蔵手段からの放電によって補われるので、前記電気エネルギー貯蔵手段として出力密度の大きいリチウムイオン二次電池などを用いれば、出力密度の大きい電源システムを実現することができる。
【００３７】
また、充電駆動モードと放電モードとの中間で、前記直流電圧変換器を介して出力される前記燃料電池の発電電力が、前記負荷の消費電力とほぼ等しい場合には、充電も放電も行われず、前記燃料電池の発電電力による前記負荷の駆動のみが行われる。以下、この動作モードを駆動モードと呼ぶことにする。この駆動モードでも、前記直流電圧変換器の前記出力電圧が前記目標出力電圧を達成することはなく、前記電気エネルギー貯蔵手段の充電電圧と放電電圧の中間、開放端子電圧程度に保たれる。
【００３８】
特許文献２に提案されているハイブリッド型エネルギーシステムでは、システムが動作モード１〜４のどの動作モードで動作するのかは、制御器が指定する必要があり、制御系が複雑になる。特許文献２のエネルギーシステムに限らず、従来のハイブリッド型エネルギーシステムのほとんどが、制御系が複雑になるという問題を有している。これに対し、本発明の電源システムでは、便宜上、システムの動作の特徴を簡潔に表現するために充電駆動モード、駆動モード、及び放電モードと名づけたものの、これらの間に回路的な相違があるのではなく、これらのモードは、前記直流電圧変換器を介して出力される前記燃料電池の発電電力と、前記負荷の消費電力との大小関係に応じて、自動的かつ連続的に切り替わる。従って、簡易な前記制御手段よってエネルギー効率のよいハイブリッド型エネルギーシステムを構成することができる。
【００３９】
本発明の電源システムにおいて簡易でエネルギー効率のよい制御が可能になる理由の一つは、前記直流電圧変換器には前記目標出力電圧が設定されるものの、上述したように、実際には前記直流電圧変換器がこの前記目標出力電圧を達成することはないことにある。以下、この要点を補足する。
【００４０】
前記電気エネルギー貯蔵手段は、前記直流電圧変換器の前記出力端子に短絡状態、又は短絡に近い状態で接続されているので、前記直流電圧変換器の前記出力電圧は、前記電気エネルギー貯蔵手段の前記端子電圧に等しいか、ほぼ等しい。従って、前記電気エネルギー貯蔵手段は、前記出力電圧が前記電気エネルギー貯蔵手段の充電電圧をこえようとすると、自動的に充電を開始し、前記出力電圧を充電電圧に等しいか、ほぼ等しい大きさに保持する。また、前記出力電圧が前記電気エネルギー貯蔵手段の放電電圧より小さくなろうとすると、自動的に放電を開始し、前記出力電圧を放電電圧に等しいか、ほぼ等しい大きさに保持する。このように、前記出力電圧は前記電気エネルギー貯蔵手段によって実効的に支配され、前記電気エネルギー貯蔵手段の前記端子電圧に等しいか、ほぼ等しい大きさに保持される。
【００４１】
一方、前記直流電圧変換器は、前記電気エネルギー貯蔵手段の前記端子電圧より高い前記目標出力電圧が設定されると、これを達成しようとして、前記入力端子から前記燃料電池の発電電力を取り込み、前記出力端子へ出力する。しかしながら、前記出力電圧は前記端子電圧に等しいか、ほぼ等しい大きさに保持されているから、実際に前記目標出力電圧を達成することはできない。前記直流電圧変換器は、前記燃料電池の発電電力をできる限り多く前記入力端子から取り込み、前記出力端子へ出力しようとし、電力不足で出力電圧が低下し始めるfall-off領域で動作することになる。この結果、前記燃料電池と前記直流電圧変換器からなる系は、前記燃料電池の発電電力を、前記電気エネルギー貯蔵手段の前記端子電圧と等しい電圧で出力する定電圧電流源のように機能する。
【００４２】
このような電源システムの特徴が最もよく発揮されるのは、前記直流電圧変換器の前記出力電圧が、前記電気エネルギー貯蔵手段の前記端子電圧によって完全に支配されている場合、例えば、間欠的に大きな電力消費がパルス的に発生する負荷と、そのパルス的な電力消費に対応できる出力の大きな、リチウムイオン二次電池などの電気エネルギー貯蔵手段とに対し、出力は小さいがエネルギー密度の大きい燃料電池などのエネルギー源が設けられている場合である。これはハイブリッド型エネルギーシステムが最も効果的に適用される場合でもある。従って、本発明の電源システムは、ハイブリッド型エネルギーシステムを必要とする多くの場合に、効果的に適用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本発明の電源システムにおいて、前記直流電圧変換器の前記目標出力電圧が、前記電気エネルギー貯蔵手段の前記端子電圧よりわずかに高く設定されるのがよい。本発明の電源システムは、前記目標出力電圧が前記端子電圧より高く設定されていれば動作可能であるが、前記目標出力電圧をいたずらに高く設定すると、前記燃料電池の発電が前記所定の発電条件から逸脱した条件で行われたり、前記直流電圧変換器による電圧変換のエネルギー効率（以下、簡単に電圧変換効率と呼ぶ。）が低下したりして、電源システムとしてのエネルギー効率が低下する。
【００４４】
上記の理由は、次の通りである。既述したように、前記直流電圧変換器の前記出力電圧は、前記電気エネルギー貯蔵手段の前記端子電圧に等しいか、ほぼ等しい。従って、前記目標出力電圧と前記端子電圧との差は、前記目標出力電圧と、前記直流電圧変換器において実際に実現されている前記出力電圧との差に等しいか、ほぼ等しい。この差が大きいということは、前記直流電圧変換器がかなり深くfall-off領域に入り込んだ状態で動作しているということであるから、前記差を縮めようとして、前記直流電圧変換器は、前記燃料電池から前記所定の発電条件から逸脱した条件で発電電力を取り出そうとしたり、自身が電圧変換効率の低い条件下で動作したりするので、電源システムとしてのエネルギー効率が低下する。
【００４５】
この場合、前記目標出力電圧が調整され、前記目標出力電圧と前記端子電圧との差によって、前記燃料電池における発電が制御されるのがよい。上述したように、この差の大きさを変えることによって、前記直流電圧変換器の動作状態や、前記燃料電池から発電電力を取り出す際の条件を変更することができる。
【００４６】
この際、前記目標出力電圧と前記端子電圧との前記差を変更することによって、前記燃料電池の発電電圧が所定の範囲内にあるように制御されるか、前記燃料電池の発電電流が所定の範囲内にあるように制御されるか、又は、前記燃料電池の発電電力が所定の範囲内にあるように制御されるのがよい。
【００４７】
例えば、前記直流電圧変換器の入力電圧、すなわち、燃料電池の発電電圧が、所定値ａ以上で、所定値ｂ以下になるように、前記目標出力電圧を設定するのがよい。ここで、前記直流電圧変換器の入力電圧の所定値ａは、前記直流電圧変換器での高効率な電圧変換を可能とする十分大きな電圧値であり、燃料電池の発電電圧の所定値ａ〜所定値ｂは、燃料電池が高い燃料変換効率で発電することを可能とする電圧値である。
【００４８】
或いは、前記直流電圧変換器の入力電流、すなわち、燃料電池の発電電流が、所定値ｃ以上で、所定値ｄ以下になるように、前記目標出力電圧を設定するのがよい。ここで、所定値ｃ〜所定値ｄの電流値は、前記直流電圧変換器での高効率な電圧変換を可能とする十分大きな電流値であり、かつ、燃料電池が高い燃料変換効率で発電することを可能とする電流値である。
【００４９】
或いは、前記直流電圧変換器の入力電力、すなわち、燃料電池の発電電力が、所定値ｅ以上で、所定値ｆ以下になるように、前記目標出力電圧を設定するのがよい。ここで、所定値ｅ〜所定値ｆの電力値は、前記直流電圧変換器での高効率な電圧変換を可能とする十分大きな燃料電池電圧を可能とする電力値であり、かつ、燃料電池が高い燃料変換効率で発電することを可能とする電力値である。
【００５０】
または、この際、前記目標出力電圧と前記端子電圧との前記差を変更することによって、前記直流電圧変換器の出力電流が所定の範囲内にあるように制御されるか、或いは、前記直流電圧変換器の出力電力が所定の範囲内にあるように制御されるのがよい。
【００５１】
例えば、前記直流電圧変換器の出力電流が、所定値ｇ以上で、所定値ｈ以下になるように、前記目標出力電圧を設定するのがよい。ここで、前記直流電圧変換器の出力電流の所定値ｇ〜所定値ｈは、前記直流電圧変換器での高効率な電圧変換を可能とする十分大きな発電電圧を燃料電池が維持することを可能とする電流値であり、かつ、燃料電池が高い燃料変換効率で発電することを可能とする電流値である。
【００５２】
或いは、前記直流電圧変換器の出力電力が、所定値ｉ以上で、所定値ｊ以下になるように、前記目標出力電圧を設定するのがよい。ここで、所定値ｉ〜所定値ｊの電流値は、前記直流電圧変換器での高効率な電圧変換を可能とする十分大きな発電電圧を燃料電池が維持することを可能とする電力値であり、かつ、燃料電池が高い燃料変換効率で発電することを可能とする電力値である。
【００５３】
また、  前記直流電圧変換器を介して出力される前記燃料電池の発電電力によって、
前記電気エネルギー貯蔵手段への充電のみが行われる充電モードと、
前記電気エネルギー貯蔵手段への充電と前記負荷への電力供給とが行われる充電駆動  モードと、
前記負荷への電力供給のみが行われる駆動モードと
が実行され、更に、
前記直流電圧変換器を介して出力される前記燃料電池の発電電力と、前記電気エネルギー貯蔵手段の放電出力とによって、
前記負荷への電力供給が行われる放電モードと
が実行されるのがよい。前記充電モードは、前記負荷である電子機器などを使用していない空き時間帯などの間に前記電気エネルギー貯蔵手段を充電しておくためのモードである。この充電専用のモードを有することによって、より出力の小さい燃料電池を前記燃料電池として用いて、本発明の電源システムを構成できる。
【００５４】
また、前記制御手段がマイクロコンピュータからなるのがよい。簡易に制御を行うには、既製のマイクロコンピュータを利用するのが好都合である。ただし、前記制御手段は、これに限定されるものではなく、他のロジック回路や、スイッチング装置などから構成されるものであってもよい。
【００５５】
また、前記燃料電池がダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）であるのがよい。固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、電解質に固体高分子状のプロトン伝導膜を用いているため、電解質の飛散が無く、振動に強く、小型軽量化が可能で出力密度が大きい等、他の燃料電池にはない優れた特徴をもつ。そのうち、ＤＭＦＣは改質器を必要としないので、装置を小型化できる利点がある。
【００５６】
ただし、前記燃料電池は、これに限定されるものではなく、他の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、及びアルカリ電解質型燃料電池（ＡＦＣ）などの燃料電池の単一種又は複数種を含むことができ、複数個の燃料電池を直列又は並列にして用いることもできる。
【００５７】
また、前記電気エネルギー貯蔵手段がリチウムイオン二次電池であるのがよい。リチウムイオン二次電池は出力密度が大きいので、出力密度が小さい燃料電池の弱点を効果的に補うことができ、燃料電池を大型化することなく、負荷による大電力の要求に対応できる。すなわち、エネルギー密度が大きいばかりでなく、出力密度も大きい電源システムを実現することができる。
【００５８】
ただし、前記電気エネルギー貯蔵手段は、これに限定されるものではなく、リチウム電池、リチウムイオンポリマー電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、ウルトラキャパシターなどの電気エネルギー貯蔵装置を一種類又は複数種類含むことができ、複数個の電気エネルギー貯蔵手段を直列または並列にして使用することもできる。
【００５９】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に基づく電源システムについて詳細に説明する。この電源システムは、前記燃料電池がダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）１であり、前記直流電圧変換器がＤＣ／ＤＣコンバータ２であり、前記電気エネルギー貯蔵手段がリチウムイオン二次電池３であり、前記制御手段が制御用マイクロコンピュータ５である例である。
【００６０】
図１は、本発明の実施の形態に基づく電源システム１０の構成を示す説明図である。電源システム１０は、主として、燃料電池１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２、およびリチウムイオン二次電池３、および制御コンピュータ５で構成され、燃料電池１の出力がＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力端子に接続され、このＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子にリチウムイオン二次電池３と負荷４とが並列に接続されている。なお、燃料電池１およびリチウムイオン二次電池３としては、通常、単電池ではなく、それぞれ複数個の電池が直列に接続された電池スタックが用いられる。
【００６１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２は通常のＤＣ／ＤＣコンバータでよいが、誤差増幅器の基準電圧入力端子に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧に対応した基準電圧を印加できるように構成されていることが必要である。
【００６２】
負荷４は、例えば、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、カムコーダなどの携帯型電子機器である。なお、電源システム１０の測定手段や制御手段で消費される電力は、負荷４とは別に供給されるものとする。
【００６３】
電源システム１０には、リチウムイオン二次電池３の端子電圧を測定手段として電圧測定装置６が設けられ、充電モードにおいてリチウムイオン二次電池３と負荷４とを切り離すためのスイッチ７が設けられている。さらに、必要に応じて、燃料電池１の動作状態を測定する手段として、発電電流を測定する電流測定手段１１や発電電圧を測定する電圧測定装置１２を設けてもよい。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流を測定する電流測定手段１３や、負荷に流入する駆動電流を測定する電流測定手段１４を設けてもよい。リチウムイオン２次電池３を出入りする放電または充電電流は、これを測定する電流測定手段を別に設けてもよいが、上記両電流の電流値の差として求めることができる。これらの手段１１〜１４は、電源システム１０の動作を試験的に明らかにするためのもので、実用段階の電源システムでは、手段１１〜１４の全てが必要ということではない。
【００６４】
これらの測定データは制御コンピュータ５に入力される。制御コンピュータ５は予め定められている制御方法に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の動作およびスイッチ７の開閉を制御する。電源システム１０は、負荷４における消費電力の有無および大小の違いによって、４つの動作モードを有する。これを表２に示す。なお、表中、電源システムでの消費電力とは、電源システムの動作のために消費される電力のことで、制御手段や測定手段において消費される電力、ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて消費される電力、および燃料電池１への燃料供給手段において消費される電力などを合わせたものである。
【００６５】
【表２】
0005441310.tif 000003
【００６６】
充電モードは負荷４における消費電力がない場合で、燃料電池１が発電した電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を介して、リチウムイオン二次電池３の充電電力と、電源システム１０での消費電力として用いられる。このモードの場合のみ、リチウムイオン二次電池３から負荷４を切り離すために、スイッチ７をオフ状態にする。他のモードの場合は、スイッチ７はオン状態にする。充電モードは、負荷３である電子機器などを使用していない空き時間帯などの間に、リチウムイオン二次電池３を充電しておくためのモードである。このモードを有することによって、より出力の小さい燃料電池で電源システム１０を構成することができる。
【００６７】
充電駆動モードは負荷４における消費電力が小さい場合で、燃料電池１が発電した電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を介して、リチウムイオン二次電池３の充電電力と、負荷４および電源システム１０での消費電力として用いられる。
【００６８】
駆動モードは負荷４における消費電力がやや大きくなった場合で、燃料電池１が発電した電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を介して、負荷４および電源システム１０での消費電力として用いられ、リチウムイオン二次電池３の充放電は行われない。
【００６９】
放電モードは負荷４における消費電力が大きい場合で、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を介した燃料電池１の発電出力と、リチウムイオン二次電池３の放電出力とが、負荷４および電源システム１０での消費電力として用いられる。この動作モードでは、燃料電池１の発電電力の不足分はリチウムイオン二次電池３によって補われる。このため、負荷４によって短時間パルス的に発生する大きな電力消費に対し燃料電池１を大型化することなく対応することができ、出力密度の大きい電源システム１０を実現することができる。
【００７０】
図２は、電源システム１０の動作を示す説明図である。本発明に基づく電源システム１０の特徴は、充電駆動モード、駆動モード、および放電モードの３つの動作モードが、燃料電池１の発電電力と負荷４の消費電力との大小関係に応じて、自動的かつ連続的に切り替わることである。以下、図２を用いて、電源システム１０の動作を説明する。
【００７１】
図２（ａ）は、一定出力で発電する燃料電池１とＤＣ／ＤＣコンバータ２とからなる系が、リチウムイオン二次電池３と接続されずに、単独で負荷４を駆動する場合の電流−電圧特性を示すグラフである。ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧Ｖsはリチウムイオン二次電池３の開放端子電圧Ｖroより高く設定されているものとする。
【００７２】
出力電流が小さい場合、すなわち、負荷４の消費電力が小さく、燃料電池１の発電電力の方が大きい場合には、図２（ａ）の左側に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧は目標出力電圧Ｖsを達成する。一方、出力電流が大きい場合、すなわち、負荷４の消費電力が大きく、燃料電池１の発電電力の方が小さくて不足する場合には、図２（ａ）の右側に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧は、目標出力電圧Ｖsを達成できず、fall-off領域に入り、出力電流の増加とともに急速に０Ｖ近辺まで低下する。
【００７３】
図２（ｂ）は、一定出力で発電する燃料電池１とＤＣ／ＤＣコンバータ２からなる系が、リチウムイオン二次電池３と並列に接続され、負荷４を駆動する電源システム１０の場合の電流−電圧特性を示すグラフである。ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧Ｖsはリチウムイオン二次電池３の開放端子電圧Ｖroより高く設定されているものとする。
【００７４】
図２（ｂ）の左側に示す、電源システム１０が充電駆動モードで動作する場合、すなわち、負荷４の消費電力が小さく、燃料電池１の発電電力の方が大きい場合には、もし出力端子にリチウムイオン二次電池３が接続されていなければ、図２（ａ）に示したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧は目標出力電圧を達成しようとする。しかし、実際にはＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子には、電流測定手段１３を介して、ほぼ短絡状態でリチウムイオン二次電池３が接続されている。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧がリチウムイオン二次電池３の充電電圧Ｖrrをこえようとすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２からリチウムイオン二次電池３への充電が自動的に開始され、燃料電池１の発電電流の過剰分はすみやかにリチウムイオン二次電池３へ取り込まれる。この結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧は、リチウムイオン二次電池３の充電電圧Ｖrrに等しい大きさに保持され、燃料電池１とＤＣ／ＤＣコンバータ２からなる系は、燃料電池１の発電電力を充電電圧Ｖrrに等しい電圧で出力する定電圧電流源のように機能する。この場合、
（ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流）
＝（負荷４を駆動する駆動電流）＋（リチウムイオン二次電池３を充電する充電電流）
の関係がある。
【００７５】
図２（ｂ）の右側に示す、電源システム１０が放電モードで動作する場合、すなわち、負荷４の消費電力が大きく、燃料電池１の発電電力の方が小さい場合には、もし出力端子にリチウムイオン二次電池３が接続されていなければ、図２（ａ）に示したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧は、出力電流の増加とともに急速に０Ｖ近辺まで低下しようとする。しかし、実際にはＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子には、ほぼ短絡状態でリチウムイオン二次電池３が接続されている。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧がリチウムイオン二次電池３の放電電圧Ｖrdより小さくなろうとすると、リチウムイオン二次電池３から負荷４への放電が自動的に開始され、燃料電池１の発電電力の不足分はリチウムイオン二次電池３によって補われる。この結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧は、リチウムイオン二次電池３の放電電圧Ｖrdに等しい大きさに保持され、燃料電池１とＤＣ／ＤＣコンバータ２からなる系は、燃料電池１の発電電力を放電電圧Ｖrdに等しい電圧で出力する定電圧電流源のように機能する。この場合、
（負荷４を駆動する駆動電流）
＝（ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流）＋（リチウムイオン二次電池３からの放電電流）
の関係がある。放電モードでは、燃料電池１の発電電力の不足分はリチウムイオン二次電池３の放電によって補われるので、出力密度の大きい電源システムを実現することができる。
【００７６】
また、電源システム１０が、充電駆動モードと放電モードとの中間の駆動モードで動作する場合、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ２を介して出力される燃料電池１の発電電力が負荷４の消費電力とほぼ等しい場合にも、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧が目標出力電圧を達成することはない。これは、仮に充電電圧Ｖrrより高くなろうとしてもリチウムイオン二次電池３の充電が起こり、仮に放電電圧Ｖrdより低くなろうとしてもリチウムイオン二次電池３の放電が起こり、結局、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧は、リチウムイオン二次電池３の充電電圧Ｖrrと放電電圧Ｖrdとの中間、開放端子電圧Ｖro程度に保たれるからである。この場合、充電も放電も行われず、燃料電池１の発電電力による負荷４の駆動のみが行われる。すなわち、
（ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流）＝（負荷４を駆動する駆動電流）
の関係がある。
【００７７】
以上をまとめると次の通りである。電源システム１０の充電駆動モード、駆動モード、および放電モードの３つのすべての動作モードで、一定電力を発電する燃料電池１とＤＣ／ＤＣコンバータ２とからなる系は、ほぼ一定の出力電圧でほぼ一定の出力電流を与える定電圧定電流電源のように機能する。この出力電流と、負荷を駆動する駆動電流との過不足分は、リチウムイオン二次電池３の充電または放電によって自動的に調整される。
【００７８】
図３は、ＤＭＦＣとして構成された燃料電池１の構造を示す概略断面図（ａ）と膜−電極接合体(ＭＥＡ)３４の拡大断面図（ｂ）である。
【００７９】
燃料電池１では、Nafion(R)などのプロトン伝導性高分子電解質膜３１は両面に燃料電極（アノード）３２と酸素電極（カソ−ド）３３が接合され、膜−電極接合体（ＭＥＡ）３４が形成されている。図３（ｂ）に示すように、燃料電極３２では、カーボンシートやカーボンクロスなどの導電性多孔質支持体３２ａの表面に、触媒である白金もしくは白金合金などとNafion(R)などのプロトン伝導体との混合物からなる酸化触媒層３２ｂが形成されている。また、酸素電極３３では、カーボンシートやカーボンクロスなどの導電性多孔質支持体３３ａの表面に、触媒である白金もしくは白金合金などとNafion(R)などのプロトン伝導体との混合物からなる還元触媒層３３ｂが形成されている。
【００８０】
膜−電極接合体（ＭＥＡ）３４はセル上半部３７及びセル下半部３８の間に挟持され、燃料電池１に組み込まれる。セル上半部３７及びセル下半部３８には、それぞれ、燃料供給管３９及び酸素（空気）供給管４０が設けられており、燃料供給管３９からはメタノール水溶液が供給され、また酸素（空気）供給管４０からは酸素もしくは空気が供給される。
【００８１】
メタノール水溶液と酸素（もしくは空気）は、それぞれ、通気孔（図示省略）を有する燃料供給部３５及び酸素供給部３６を通過して燃料電極３２及び酸素電極３３に供給される。燃料供給部３５は燃料電極３２とセル上半部３７を電気的に接続し、酸素供給部３６は酸素電極３３とセル下半部３８を電気的に接続する役割もする。
【００８２】
燃料電池１では、燃料のメタノールは、通常、低濃度または高濃度の水溶液として燃料電極（アノード）３２側に供給され、アノード側の酸化触媒層３２ｂで下記（１）式のように二酸化炭素に酸化される。
アノード：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-・・・・・（１）
このとき生じた水素イオンは、アノード３２とカソード３３を隔てるプロトン伝導性高分子電解質膜３１を通ってカソード側へ移動し、酸素電極（カソード）１３側の還元触媒層で酸素と下記（２）式のように反応して水を生成する。
カソード：６Ｈ+＋(３／２)Ｏ2＋６ｅ- → ３Ｈ2Ｏ・・・・・（２）
燃料電池１全体で起こる反応は、（１）式と（２）式を合わせた、下記の反応式（３）で表される。
ＤＭＦＣ全体：ＣＨ3ＯＨ＋(３／２)Ｏ2 → ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ・・・・・（３）
【００８３】
一般的に、有機液体燃料を使用する燃料電池においては、電解質として固体高分子イオン交換樹脂からなる固体高分子電解質膜が用いられる。ここで、燃料電池が機能するためには、水素イオンがこの膜中を燃料電極（アノード）３２側から酸素電極（カソード）１３側へ移動することが必要であるが、この水素イオンの移動には水の移動がともなうことが知られており、この膜には一定量以上の水分が含まれていることが必要である。
【００８４】
しかし、水に対して親和性の高いメタノールなどの有機液体燃料を用いる場合、この有機液体燃料は水分を含んだ固体高分子電解質膜を拡散移動し、さらには、酸素電極（カソード）１３にまで到達する（クロスオーバー）という克服すべき課題を有していた。このクロスオーバーは、本来燃料電極（アノード）３２において電子を提供すべき有機液体燃料が酸素電極（カソード）１３側で酸化されてしまい、燃料として有効に使用されないことから、電圧や出力の低下、燃料変換効率の低下を引き起こす。従って、燃料電池の発電状態を制御し、燃料電極（アノード）３２での燃料の消費速度を最適なものにすることが重要となってくる。
【実施例】
【００８５】
以下、本発明を実施例に基づいてより詳細に説明する。ただし、本発明が下記の実施例に限られるものではないことは言うまでもない。
【００８６】
＜燃料電池の作製＞
燃料電池１を構成する単電池として、図３に示したＤＭＦＣを作製した。
【００８７】
燃料電極（アノード）３２は、次のようにして作製した。すなわち、まず、白金ＰtとルテニウムＲuの比が所定の比からなる合金触媒がカーボンに担持された触媒（田中貴金属工業株式会社製）と、ナフィオン（Nafion(登録商標)；デュポン社製）分散水溶液（株式会社ワコーケミカル製）とを、質量比で７：３となるように混合し、イオン交換水を加えて適当な粘度に調整して、ペースト状の混合物を作製した。導電性多孔質支持体３２ａであるカーボンペーパー（東レ株式会社製）上にこのペースト状の混合物をドクターブレード法で塗布した後、乾燥させて、酸化触媒層３２ｂを形成した。これを１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形に切断し、燃料電極（アノード）３２とした。
【００８８】
また、酸素電極（カソード）３３も、同様にして作製した。すなわち、まず、白金触媒がカーボンに担持された触媒（田中貴金属工業株式会社製）とナフィオン分散水溶液（株式会社ワコーケミカル製）とを、質量比で７対３となるように混合し、イオン交換水を加えて適当な粘度に調整して、ペースト状の混合物を作製した。導電性多孔質支持体３３ａであるカーボンペーパー（東レ株式会社製）上にこのペースト状の混合物をドクターブレード法で塗布した後、乾燥させて、還元触媒層３３ｂを形成した。これを１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形に切断し、酸素電極（カソード）３３とした。
【００８９】
プロトン伝導性高分子膜３１としてナフィオン１１２（商品名）膜（デュポン社製）を１２ｍｍ×１２ｍｍの正方形に切断し、これを燃料電極（アノード）３２と酸素電極（カソード）３３で挟持し、温度１５０℃、圧力１ＭＰａの条件下で１０分間熱圧着して、燃料電極（アノード）３２と酸素電極（カソード）３３の全面がプロトン伝導性高分子膜３１を間に挟んで対向している膜−電極接合体（ＭＥＡ）３４を作製した。
【００９０】
燃料供給部３５である、燃料供給口を有する金めっきずみステンレス製押さえ板と、酸素供給部３６である、空気取り入れ口を有する金めっきずみステンレス製押さえ板との間に膜−電極接合体（ＭＥＡ）３４を挟み込んで、燃料電池１の単電池を得た。この際、テフロン（登録商標）フィルムで燃料電極（アノード）３２と酸素電極（カソード）３３が短絡するのを防止した。
【００９１】
＜電源システム１０の作製＞
上記の燃料電池６個を直列に接続して燃料電池スタック１を形成した。燃料電池スタック１の最適発電電圧は１．８Ｖ程度である。リチウムイオン二次電池３には、２５０ｍＡｈ級のものを用いた。リチウムイオン二次電池３の放電電圧は３．０〜４．２Ｖ程度である。実験には、予め４．２Ｖまで満充電した状態から５０ｍＡで定電流放電し、放電電圧が３．５Ｖに達した時点で放電を終了した状態の電池を用いた。燃料電池１の出力端子をＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力端子に接続し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子には、リチウムイオン二次電池３と電子負荷装置４とを並列に接続して、電源システム１０の主要部を形成した。
【００９２】
また、電流測定手段１１、１３および１４として２０ｍΩの電流検出抵抗を配し、電流検出抵抗における電圧降下を検知することで各部を流れる電流値を測定した。
【００９３】
燃料電池１の発電は、アノード３２側に８０重量％の濃度のメタノール水溶液を一定の速度で供給しながら、室温で行った。また、電子負荷装置４での消費電力は、図４に示すように、５５秒間１００ｍＷの低消費電力期間が続いた後に５秒間１Ｗの高消費電力期間となるパターンが繰り返されるようにした。電源システム１０は、低消費電力期間では充電駆動モードで動作し、高消費電力期間では放電モードで動作する。
【００９４】
＜電源システム１０の性能評価＞
実施例１
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力電圧、即ち燃料電池１の発電電圧が１．８０±０．１５Ｖを維持できるようにマイクロコンピュータ５で制御しながら、電源システム１０を動作させた。
【００９５】
その結果、低消費電力期間では、電子負荷４で消費されない燃料電池１からの余剰電力によってリチウムイオン二次電池３が充電され、電源システム１０が充電駆動モードで動作することが確認された。また、高消費電力期間では、燃料電池１が発電した電力とリチウムイオン二次電池３が放電した電力とが電子負荷に供給され、電源システム１０が放電モードで動作することが確認された。また、燃料電池１からの電力は、低消費電力期間でも高消費電力期間でも、常に電子負荷４に供給されていたことも確認された。また、８０質量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬを用いて、５０４ｍＷｈの電気エネルギーを発生し、これを電子負荷４に供給することができた。
【００９６】
なお、試験は、燃料電池１の燃料がなくなり、燃料電池１から電子負荷４への電力供給がなくなった後も、リチウムイオン二次電池３から電子負荷４への電力供給を継続し、最終的にリチウムイオン二次電池３の電圧が３．５Ｖとなった時点で終了とした。この点は、後述する実施例２〜５および比較例２〜１１においても同様である。
【００９７】
実施例２
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２への入力電流、即ち燃料電池１の発電電流が１９５±１５ｍＡを維持できるようにマイクロコンピュータ５で制御しながら、電源システム１０を動作させた。この結果、８０質量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬを用いて、４４３ｍＷｈの電気エネルギーを発生し、これを電子負荷４に供給することができた。
【００９８】
実施例３
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２への入力電力、即ち燃料電池１の発電電力が３５０±３５ｍＷを維持できるようにマイクロコンピュータ５で制御しながら、電源システム１０を動作させた。この結果、８０質量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬを用いて、４８７ｍＷｈの電気エネルギーを発生し、これを電子負荷４に供給することができた。
【００９９】
実施例４
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流が９０±５ｍＡを維持できるようにマイクロコンピュータ５で制御しながら、電源システム１０を動作させた。この結果、８０質量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬを用いて、４５２ｍＷｈの電気エネルギーを発生し、これを電子負荷４に供給することができた。
【０１００】
実施例５
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電力が３３０±１０ｍＷを維持できるようにマイクロコンピュータ５で制御しながら、電源システム１０を動作させた。この結果、８０質量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬを用いて、４９６ｍＷｈの電気エネルギーを発生し、これを電子負荷４に供給することができた。
【０１０１】
比較例１
実施例１〜５で用いた燃料電池１を直接電子負荷装置４に接続し、実施例１と同様の電子負荷４による試験を行うことを試みたが、高消費電力時に必要な１Ｗの出力を燃料電池１から取り出すことができなかったため、試験を継続できなかった。
【０１０２】
比較例２
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力電圧、即ち燃料電池１の発電電圧が１．２０±０．１５Ｖを維持できるようにマイクロコンピュータ５で制御しながら、電源システム１０を動作させた。この結果、８０質量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬを用いて、１８４ｍＷｈの電気エネルギーしか電子負荷４に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池１で行われていなかったことと、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力電圧が低く、ＤＣ／ＤＣコンバータ２でのエネルギー損失が大きくなったことであると考えられる。
【０１０３】
比較例３
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力電圧、即ち燃料電池１の発電電圧が２．２０±０．１５Ｖを維持できるようにマイクロコンピュータ５で制御しながら、電源システム１０を動作させた。この結果、８０質量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬを用いて、２０７ｍＷｈの電気エネルギーしか電子負荷４に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池１で行われていなかったことであると考えられる。
【０１０４】
比較例４
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２への入力電流、即ち燃料電池１の発電電流が９０±２０ｍＡを維持できるようにマイクロコンピュータ５で制御しながら、電源システム１０を動作させた。この結果、８０質量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬを用いて、２６０ｍＷｈの電気エネルギーしか電子負荷４に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池１で行われていなかったことであると考えられる。
【０１０５】
比較例５
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２への入力電流、即ち燃料電池１の発電電流が２５０±２０ｍＡを維持できるようにマイクロコンピュータ５で制御しながら、電源システム１０を動作させた。この結果、８０質量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬを用いて、２１６ｍＷｈの電気エネルギーしか電子負荷４に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池１で行われていなかったことと、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力電圧が低くなってしまい、ＤＣ／ＤＣコンバータ２でのエネルギー損失が大きくなったことであると考えられる。
【０１０６】
比較例６
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２への入力電力、即ち燃料電池１の発電電力が２２０±２０ｍＷを維持できるようにマイクロコンピュータ５で制御しながら、電源システム１０を動作させた。この結果、８０質量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬを用いて、２２２ｍＷｈの電気エネルギーしか電子負荷４に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池１で行われていなかったことであると考えられる。
【０１０７】
比較例７
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２への入力電力、即ち燃料電池１の出力電力が４００±１５ｍＷを維持できるようにマイクロコンピュータ５で制御しながら、電源システム１０を動作させた。この結果、８０質量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬを用いて、１９３ｍＷｈの電気エネルギーしか電子負荷４に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池１で行われていなかったことであると考えられる。
【０１０８】
比較例８
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流が４０±１０ｍＡを維持できるようにマイクロコンピュータ５で制御しながら、電源システム１０を動作させた。この結果、８０質量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬを用いて、２３６ｍＷｈの電気エネルギーしか電子負荷４に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池１で行われていなかったことであると考えられる。
【０１０９】
比較例９
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電流が１２０±１０ｍＡを維持できるようにマイクロコンピュータ５で制御しながら、電源システム１０を動作させた。この結果、８０質量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬを用いて、１６３ｍＷｈの電気エネルギーしか電子負荷４に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池１で行われていなかったことと、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力電圧が低くなってしまい、ＤＣ／ＤＣコンバータ２でのエネルギー損失が大きくなったことであると考えられる。
【０１１０】
比較例１０
ＤＣ／ＤＣコンバータ２の目標出力電圧とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電力が２００±１０ｍＷを維持できるようにマイクロコンピュータ５で制御しながら、電源システム１０を動作させた。この結果、８０質量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬを用いて、２１６ｍＷｈの電気エネルギーしか電子負荷４に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池１で行われていなかったことであると考えられる。
【０１１１】
比較例１１
実施例１の燃料電池１とリチウムイオン二次電池３からなる電気エネルギー供給システムで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力端子の電圧の設定値とリチウムイオン二次電池３の端子電圧との差を変化させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電力が３７０±１０ｍＷを維持できるように制御しながら動作させ、実施例１と同様の電子負荷装置４による試験を行ったところ、８０重量％の濃度のメタノール水溶液１ｍＬで１８２ｍＷｈしか電子負荷４に供給することができなかった。この原因は、燃料変換効率の高い発電が燃料電池１で行われていなかったことと、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力電圧が低くなってしまい、ＤＣ／ＤＣコンバータ２でのエネルギー損失が大きくなったことであると考えられる。
【０１１２】
以上に記載したところから明らかなように、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力端子に燃料電池が、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子に負荷と電気エネルギー貯蔵手段が並列になるように接続し、燃料電池で発生した電気エネルギーはＤＣ／ＤＣコンバータに入力し、ＤＣ／ＤＣコンバータから出力された電気エネルギーが負荷と電気エネルギー貯蔵手段双方に対して供給されるようにすることにより、燃料電池から高エネルギー、電気エネルギー貯蔵手段から高出力を引き出すことができるため、高エネルギー密度と高出力密度を兼ね備えた電源システムを実現することができる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子電圧の設定値と電気エネルギー貯蔵手段の端子電圧との差を適切に制御し、燃料電池の発電状況を制御することでエネルギー密度を更に高めることができ、電力供給先の電子機器等の駆動時間を長くすることができる。
【０１１３】
以上、本発明を実施の形態および実施例に基づいて説明したが、上述の例は、本発明の技術的思想に基づき種々に変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明は、燃料電池を備え、エネルギー密度が大きいばかりでなく、出力密度も大きい電源システムを提供し、電源として携帯型電子機器の高機能化および多機能化を支援する。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の実施の形態に基づく電源システムの構成を示す説明図である。
【図２】同、電源システムの動作を示す説明図である。
【図３】同、電源システムを構成する燃料電池の構造を示す断面図（ａ）および膜−電極接合体(ＭＥＡ)の拡大断面図（ｂ）である。
【図４】本発明の実施例における負荷の変動と電源システムの動作モードを示す説明図である。
【図５】ＤＭＦＣの発電時の一般的な電圧−電流特性を示すグラフ（ａ）、およびＤＭＦＣの出力および燃料変換効率と発電電圧との関係を示すグラフ（ｂ）である。
【図６】特許文献１に示されている電源システムの動作の一部を説明するための、燃料電池および二次電池の電圧−電流特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１１６】
１…燃料電池、２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３…リチウムイオン二次電池、４…負荷、
５…制御コンピュータ、６…電圧測定装置、７…スイッチ、１０…電源システム、
１１、１３、１４…電流測定手段、１２…電圧測定装置、
３１…プロトン伝導性高分子膜、３２…燃料電極（アノード）、
３２ａ…導電性多孔質支持体、３２ｂ…酸化触媒層、３３…酸素電極（カソ−ド）、
３３ａ…導電性多孔質支持体、３３ｂ…還元触媒層、３４…膜−電極接合体（ＭＥＡ）、
３５…燃料供給部、３６…酸素供給部、３７…セル上半部、３８…セル下半部、
３９…燃料供給管、４０…酸素（空気）供給管、４１…端子
【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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【図６】
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