(57)【要約】【課題】  燃料電池発電セルへの負荷を軽減させると同時にパルス負荷などの急激な負荷変動への応答性を高め負荷への電力供給を安定化し、燃料電池の劣化モードでの発電を防止し燃料電池の初期発電能力の維持が可能な燃料電池保護回路を提供すること。【解決手段】  燃料電池出力がパルス負荷等の急激な負荷変動に追従しきれず燃料電池出力が低下し過渡的な過電圧による燃料電池発電セルのダメージを回避する為に、燃料電池の出力容量を増加し、燃料電池発電セルへの負荷を軽減させる。更に、燃料電池の劣化モードの状態を防ぐ為に、燃料電池から出力されるラッシュカレントを防止する為の機能と、外部回路や電気二重層キャパシタから燃料電池へ逆流する電流を防止する手段を備える。【選択図】  図１
2006210240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部回路に電力を供給する燃料電池に接続する燃料電池保護回路であって、
前記燃料電池の出力容量を増加させ、前記燃料電池への負荷を軽減させる電気二重層キャパシタと、
前記電気二重層キャパシタに直列に接続され、前記電気二重層キャパシタから前記燃料電池発電セルへの電流の逆流を防ぐ放電回路と、
前記燃料電池に直列に接続され、前記電気二重層キャパシタ及び前記放電回路に並列に接続されたラッシュカレント防止手段と、
を有する燃料電池保護回路。
【請求項２】
前記放電回路は、少なくともコンパレータと抵抗器とスイッチから構成され、前記電気二重層キャパシタの持つ電圧が前記燃料電池発電セルの有する電圧より上回ることがないように、前記燃料電池発電セルの電圧を基に前記電気二重層キャパシタの放電量を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池保護回路。
【請求項３】
ラッシュカレント防止手段は、少なくとも電流制限素子と前記燃料電池発電セルからの出力電流のバイパス回路から構成され、前記電流制限素子の電圧降下を基に前記燃料電池出力電流を制御する請求項１または２に記載の燃料電池保護回路。
【請求項４】
前記電流制限素子は抵抗器であり、前記抵抗器の抵抗値は、前記燃料電池発電セルの開回路電圧値を前記燃料電池発電セルが０Ｖとなる最大の電流値で除した値と、前記燃料電池発電セルの開回路電圧を前記燃料電池発電セルに対してステップ負荷を印加した際に前記燃料電池発電セルの電圧のアンダーシュートが起きない電流値で除した値の間で設定される請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池保護回路。
【請求項５】
前記燃料電池保護回路は、半導体スイッチ素子から構成されるラッシュカレント防止回路を有し、前記ラッシュカレント防止回路は燃料電池発電セルからの出力電流のバイパス回路を有している請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池保護回路。
【請求項６】
前記電流制限素子が半導体スイッチ素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池保護回路。
【請求項７】
前記ラッシュカレント防止回路は、前記半導体スイッチ素子のゲート印加電圧を制御することにより前記半導体スイッチ素子のオン抵抗値を変化させる手段を有しており、前記燃料電池からのラッシュカレントを防止する為の前記半導体スイッチ素子のオン抵抗値は、前記半導体スイッチ素子から得られる最大の抵抗値と、燃料電池の開回路電圧値を燃料電池発電セルが０Ｖとなる最大の電流値で除した値との間に設定されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池保護回路。
【請求項８】
前記半導体スイッチ素子は、前記半導体スイッチ素子のみで前記燃料電池からのラッシュカレントを防止する為の機能と、燃料電池発電セルからの出力電流のバイパス回路の機能の両方の機能を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池保護回路。
【請求項９】
前記バイパス回路は、バイパス用トランジスタによって構成され、前記バイパス用トランジスタへのバイアス電圧を変化させることによって、前記電気二重層キャパシタへの充電電流を制御する手段を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池保護回路。
【請求項１０】
前記電気二重層キャパシタの等価直列抵抗（ＥＳＲ）値は、前記燃料電池発電セルが有する内部抵抗値の最大値以下であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池保護回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池向けの回路に係り、特に小型携帯機器向け電源としての燃料電池の保護回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話に代表される携帯機器の消費電力は、機器の高機能化に伴い増加の一途をたどっており、電源の容量の向上が大きな課題となっている。
最近、高エネルギー密度である小型エネルギー源として、燃料電池が注目されている。この燃料電池は、電解質を二種類の電極が挟持している。燃料極で水素、或いはメタノールなどの燃料を酸化し、酸素極で大気中の酸素を還元することにより、電気を発生させる。燃料電池の中でも固体高分子型燃料電池は、室温付近での発電が可能であることと、出力密度が高く小型化が可能であることから、携帯機器用の電源として応用が期待されている。
しかし、燃料電池は、一次電池や二次電池などに比べて負荷応答性が低いことが知られている。これは、燃料ガスの拡散の低応答性が原因の一つである。
従来、燃料電池とキャパシタを並列に接続し、負荷電流の急増による燃料電池の応答の遅れによる燃料電池出力が低下した場合にキャパシタからの放電電流により不足分の電流を補う燃料電池発電装置が知られている（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平６−２７５２９６号公報（第１０頁、第５図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の方法によると、キャパシタを用いた負荷応答に対する電流の補償は、事前に策定された燃料電池の電圧−電流特性デ−タとの照合によって制御されている。しかし、この方法は制御方法が複雑であることと、電圧−電流特性デ−タとの照合によるキャパシタからの不足電流の放出では制御の遅延などにより、特に急激なパルス負荷に対して燃料電池出力が負荷要求に追従しきれず燃料電池出力が低下し過渡的な過電圧による燃料電池発電セルのダメージを回避することができない。
【０００４】
また、燃料電池の出力の停止や燃料電池のトラブル等による急激な燃料電池電圧の低下が起きた場合、キャパシタからの電流の逆流による燃料電池へのダメージを回避する為の措置が考慮されていない。これは、パルス負荷等の急激な負荷変動に対応する為に電気二重層キャパシタ等の大容量かつ等価直列抵抗値が低いキャパシタを用いている場合は、燃料電池に大電流が流れ致命的なダメージを与える恐れがある。
【０００５】
さらに、大容量かつ等価直列抵抗値が低いキャパシタの充電時等に生じるラッシュカレントによる燃料電池への過負荷の対策がなされていない。
【０００６】
燃料電池への過負荷や電流の逆流は、燃料電池の転極が起こり、燃料電池発電セル内の電解質膜や導電材などの触媒金属の溶出、凝集等による性能劣化などにより、燃料電池の出力の低下と、寿命の短縮につながり、必ず回避しなければならない。
【０００７】
従来の方法においては燃料の供給制御だけでなく空気供給制御も行っており、小型携帯機器に搭載するなど、小型化する為に必要な構成が考慮されていなかった。
【０００８】
小型携帯機器の電源は寸法が限られており、特に小型かつ軽量である事が求められる。よって、本発明は、体積を要する補機類を用いず、燃料電池の出力容量を増加し燃料電池発電セルへの負荷を軽減させると同時にパルス応答などの負荷への電力供給を安定化させ、燃料電池の劣化モードでの発電や燃料電池への電流の逆流を防止し、燃料電池の初期発電能力の維持が可能となる燃料電池保護回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を達成する為に、本発明は、燃料電池出力が負荷要求に追従しきれず燃料電池出力が低下し過渡的な過電圧の発生による燃料電池発電セルのダメージを回避する為に、燃料電池の出力容量を増加し、燃料電池発電セルへの負荷を軽減させる。
【００１０】
外部回路に電力を供給する燃料電池に接続する燃料電池保護回路であって、燃料電池の出力容量を増加させ、燃料電池への負荷を軽減させる電気二重層キャパシタと、電気二重層キャパシタに直列に接続され、電気二重層キャパシタから燃料電池発電セルへの電流の逆流を防ぐ放電回路と、電気二重層キャパシタ及び放電回路に並列に接続されたラッシュカレント防止手段とを有する。
【００１１】
燃料から化学反応により電力の取り出しが可能な燃料電池発電セルと、燃料電池発電セルへの負荷を軽減させると同時に負荷への電力供給を安定化させる燃料電池保護回路からなり、外部回路へ電力を供給する燃料電池において、燃料電池保護回路は、燃料電池の出力容量を増加させ、燃料電池への負荷を軽減させる為に電気二重層キャパシタを有している。電気二重層キャパシタの等価直列抵抗（ＥＳＲ）値は、前記燃料電池発電セルが有する内部抵抗値の最大値以下とする。電気二重層キャパシタの容量は、燃料電池発電セルの過渡応答測定により、適切な容量を選択する。特にパルス負荷などの急激な負荷変動に対して電源として安定的に電力を供給する為に、燃料電池が有する等価的な内部抵抗値よりも低いＥＳＲ値の電気二重層キャパシタを選択する事が望ましい。
【００１２】
また、燃料電池保護回路は、ラッシュカレント防止手段を有しており、燃料電池発電セルから出力されるラッシュカレントを防止するラッシュカレント防止回路と、外部回路や電気二重層キャパシタから燃料電池発電セルへ逆流する電流を防止する逆電流防止手段とを備え、燃料電池の劣化モードでの発電を防止する。更に燃料電池保護回路は、燃料電池出力を切り替えるスイッチと、ラッシュカレント防止手段をバイパスする為のバイパス回路と電気二重層キャパシタの放電回路を備え、燃料電池へのダメージを回避する。
【００１３】
前記放電回路は、少なくともコンパレータと抵抗器とスイッチから構成され、電気二重層キャパシタの持つ電圧が燃料電池発電セルの有する電圧よりも上回ることがないように、燃料電池発電セルの電圧を基に電気二重層キャパシタの放電量を制御する。
【００１４】
ラッシュカレント防止手段は、少なくとも電流制限素子と燃料電池発電セルからの出力電流のバイパス回路から構成され、電流制限素子の電圧降下を基に燃料電池出力電流を制御する。
【００１５】
燃料電池保護回路は、燃料電池発電セルから出力されるラッシュカレントを防止する為に、抵抗器、或いは半導体スイッチ素子、或いは抵抗器と半導体スイッチ素子の両方から構成されるラッシュカレント防止回路を有している。
【００１６】
ラッシュカレント防止回路の抵抗器の抵抗値や、ラッシュカレント防止手段を有する半導体スイッチ素子のオン抵抗値や、抵抗器と半導体スイッチ素子で構成されるラッシュカレント防止手段の合成抵抗値は、確実にラッシュカレントを防止できる抵抗値を設定する。すなわち、ラッシュカレント防止手段の抵抗値は、燃料電池発電セルの開回路電圧値を燃料電池発電セルが０Ｖとなる最大の電流値で除した値と、燃料電池発電セルの開回路電圧を燃料電池発電セルに対して負荷を電子負荷装置における最大のスルーレートで印加した際に燃料電池発電セルの電圧のアンダーシュートが起きない電流値で除した値との間で設定する。ラッシュカレント防止手段を有する半導体スイッチ素子を用いる場合、ラッシュカレント防止手段の抵抗値は、半導体スイッチ素子から得られる最大の抵抗値と、燃料電池の開回路電圧値を燃料電池発電セルが０Ｖとなる最大の電流値で除した値の間に設定される。
【００１７】
バイパス回路は、燃料電池から外部負荷へ電力を供給する際に、燃料電池出力がラッシュカレント防止回路によって電圧降下することを回避する為に、バイパス用トランジスタによって構成される。電気二重層キャパシタの充電が完了すると、燃料電池から外部回路へ電力を供給する際に、燃料電池出力はラッシュカレント防止回路をバイパスする。
更にバイパス回路は、バイパス用トランジスタへのバイアス電圧を制御することによって、前記電気二重層キャパシタの充電電流を制御させる機能を有する。また、バイパス回路の両端の電圧を検出していることから、バイパス機能だけでなく電流検出の機能も有する。バイパス回路の検出電圧が設定値よりも高くなった場合は、バイパス素子のゲート電圧を引き下げ、抵抗を上昇させることにより、電流を制限することが可能である。
【００１８】
電源として用いる燃料電池の直列数が少なく、燃料電池保護回路の内部の電子素子類の電源の確保が困難である場合は、前記燃料電池保護回路に昇圧コンバータを搭載し、前記燃料電池保護回路の内部の電子素子の電源は前記昇圧コンバータから得る。
【００１９】
燃料電池出力を切り替えるスイッチは、燃料電池の開回路電圧近傍になるとスイッチがオンとなり導通が取れるように設定する。例えば、燃料電池出力を切り替えるスイッチが、燃料電池の開回路電圧の８０％以上の電圧を検出すると燃料電池出力が燃料電池保護回路内部へ入力される。更に、燃料電池出力を切り替えるスイッチは、燃料電池出力電圧の電圧検出に対してスイッチ動作にヒステリシスを持たせる。すなわち、燃料電池の開回路電圧の８０％以上の電圧を検出するとスイッチがオンとなり、燃料電池出力電圧がある設定値、例えば燃料電池から得られる最大出力点における電圧値を検出するとスイッチがオフとなり、燃料電池出力が遮断される。
【００２０】
電源として用いる燃料電池として、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いる場合、水素は、液体水素、或いは水素ガス、或いは水素原子のいずれかの状態で、高圧ボンベ、水素吸蔵合金、カーボンナノチューブやフラーレンなどの炭素材料等からなる群の少なくとも１種類以上の手段により貯蔵する。或いは、アルコールや無機ケミカルハイドライドや有機ケミカルハイドライドなどの水素を含む化学物質を改質することにより水素を取り出す事も可能である。
【００２１】
ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）に代表される燃料直接型の燃料電池を用いる場合は、燃料としてメタノールを使用する。また、メタノールの代わりに、燃料としてジメチルエーテル（ＤＭＥ）、２−プロパノール、エタノール等のアルコール類等を用いることも可能である。更に、燃料直接型の燃料電池の燃料として、水素化ホウ素ナトリウム等の金属水素錯化合物の水溶液を使用することが出来る。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、外部回路の起動時や、パルス負荷時等の急激な負荷変動に対応可能であり、負荷変動が起きた際の燃料電池発電セルへの負荷を軽減させると同時に負荷への電力供給を安定化させることが可能となる。
また本発明によれば、放電回路によりダイオード等の電圧降下特性を有する整流素子を用いない為、給電効率が高くなるだけでなく燃料電池への電流の逆流を防止することが可能である。
【００２３】
更に本発明によれば、燃料電池からのラッシュカレントを阻止すると共に劣化モードでの発電を防止することが可能であり、燃料電池単セルの初期の発電能力が維持され、その結果、燃料電池の長寿命化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。
３つの燃料電池発電セルを直列接続し電源として用いた。この実施例の他に、電源として太陽電池、熱電素子等、一次電池や二次電池などの電源が利用可能である。
【実施例１】
【００２５】
本発明にかかる燃料電池の実施例１を図１を参照して以下に説明する。
燃料電池は、電源として燃料から化学反応により電力の取り出しが可能な水素を燃料とするＰＥＦＣの燃料電池１と、燃料電池１への負荷を軽減させると同時に負荷への電力供給を安定化させる燃料電池保護回路２から構成され、外部回路３へ電力を供給する。燃料電池保護回路２は、電気二重層キャパシタ４と、燃料電池出力を切り替えるスイッチ５と、ラッシュカレント防止回路６と、電気二重層キャパシタ４や外部回路３から燃料電池１へ逆流する電流を防止する為のショットキダイオード７により構成した。更に、スイッチ５には、燃料電池電圧を基に動作する劣化モードの発電防止機能を付加した。外部回路３へ燃料電池１の出力を供給する際に、燃料電池１出力がラッシュカレント防止用の抵抗をバイパス出来るように、電流検出用アンプ８とコンパレータ９と電圧リファレンス１０を用いて回路を構成した。
【００２６】
スイッチ５は、スイッチ用Ｎｃｈ−ＦＥＴ１１とＮｃｈ−ＦＥＴ１１を動作させるＦＥＴドライバ１２より構成し、ドライバ１２により燃料電池出力電圧の電圧検出に対してスイッチ動作にヒステリシスを持せた。ラッシュカレント防止回路６はラッシュカレント防止抵抗１３と、バイパス用Ｎｃｈ−ＦＥＴ１４と、Ｎｃｈ−ＦＥＴ１４を動作させるドライバ１５より構成した。
【００２７】
燃料電池保護回路２には更に、燃料電池出力電流値出力端子１６を設けた。
燃料電池１は燃料電池発電セル１ａ、１ｂ、１ｃの３つのセルから構成され、燃料電池１の開回路電圧は２．９４Ｖであった。電気二重層キャパシタ４として公称静電容量が０．０４７Ｆ、最大使用電圧３．６ＶのＮＥＣトーキン製の「スーパーキャパシタEDL473Z3R6-1」を使用した。燃料電池保護回路２内部の電子素子の電源電圧は全て燃料電池１の出力を入力した。
【００２８】
図２は燃料電池１の出力特性を示した図であり、横軸に燃料電池の出力電流を、左側縦軸に燃料電池１の電圧をとり菱形のプロットを、右側の縦軸に燃料電池の出力をとり丸印でプロット行った。燃料電池１の最大出力は２．４２Wであり、そのときの電流値と電圧値はそれぞれ２．４A、１．０１Vであった。燃料電池１から取り出すことが可能な最大電流値は図２における燃料電池電圧が０Vのときの電流値である。しかし、燃料電池電圧が０Vでの測定は燃料電池１にダメージを与えてしまう恐れがある為測定を行っていないが、最大電流値は５．０Aであると推測される。
【００２９】
ラッシュカレント防止抵抗１３の抵抗値は、燃料電池１の開回路電圧の２．９４Ｖを燃料電池から取り出すことが可能な最大電流値５．０Aで除した値０．５８８Ωと燃料電池１の開回路電圧の２．９４Ｖを燃料電池に対して負荷をスルーレートが２Ａ／μｓｅｃで印加した際に燃料電池電圧のアンダーシュートが起きない電流値で除した値３０．０Ωの間で設定される。今回は、ラッシュカレント防止抵抗１３には３．０Ωの抵抗器を使用した。負荷を印加する際のスルーレートは、電子負荷装置が時間あたりの負荷電流増加が最大となる様に設定した。
【００３０】
スイッチ５において、ドライバ１２は燃料電池１の出力電圧が開回路電圧の８０％電圧、今回は２．４Ｖ以上の電圧が検出されると、スイッチ用Ｎｃｈ−ＦＥＴ１１をターンオンするように動作する。
【００３１】
また、図２に示す燃料電池出力特性において、出力電流値が４．３A以上における発電領域は、拡散過電圧による電圧降下が大きい為、燃料電池出力が著しく低下しているのがわかる。出力電流値が４．３Aのときの燃料電池１の電圧は０．７７Vであり、劣化モードでの発電を防ぐ為に、ドライバ１２は燃料電池出力電圧が０．７７Ｖ以下になったことを検出すると、Ｎｃｈ−ＦＥＴ１１をオフし、燃料電池出力を遮断するように調整した。さらに、燃料電池出力を遮断すると、ドライバ１５に信号を発信し、ドライバ１５の動作をリセットさせる。ドライバ１５はドライバ１２からの信号を受けると、Ｎｃｈ−ＦＥＴ１４をターンオフさせる。
【００３２】
電流検出用アンプ８の出力は、コンパレータ９の反転入力端子に入力する。コンパレータ９の非反転入力端子には電圧リファレンス１０から発生される電圧を入力する。コンパレータ９の出力はラッシュカレント防止抵抗１３を流れる電流が減少するとＨレベルの出力を行う。今回は、ラッシュカレント防止抵抗１３を流れる電流が０．５Ａ以下になるとコンパレータ９の出力がＨレベルになるように調整した。
【００３３】
バイパス用Ｎｃｈ−ＦＥＴ１４を動作させるドライバ１４は、コンパレータ９からＨレベルの信号が入力されると、バイパス用Ｎｃｈ−ＦＥＴ１４をターンオンさせ燃料電池１の出力がラッシュカレント防止抵抗１３をバイパスする。
【実施例２】
【００３４】
本発明にかかる燃料電池システムの実施例２を図３を参照して以下に説明する。
実施例１に示した燃料電池１及び燃料電池保護回路２を用い、燃料電池保護回路２の出力端を昇圧タイプのＤＣ−ＤＣコンバータ１７に接続し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の出力端を電子負荷装置１８に入力した。
【００３５】
ここで、図には示さないが実施例１で示した燃料電池保護回路２には、外部電源入力端子を設け、ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の出力を入力できるようにした。燃料電池保護回路２の内部に使用されている電子素子類の電源は、この外部電源入力端子から得られるように構成した。これにより、例えば、ＦＥＴ１１やＦＥＴ１４のゲート印加電圧を高めることが可能となり、それぞれのＦＥＴのオン抵抗が減少し、燃料電池保護回路２での抵抗成分による電力ロスを低減することが可能である。
【００３６】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１７は、スイッチングレギュレータ方式の昇圧回路で出力電圧値は５Ｖに固定した。ＤＣ−ＤＣコンバータ１５から取り出せる最大の電力は、電圧値５．０Ｖ、電流値０．６３６Ａであり、そのときの出力電力は３．１８Ｗであった。
【実施例３】
【００３７】
本発明にかかる燃料電池システムの実施例３を図４を参照して以下に説明する。
【００３８】
実施例１に示した燃料電池１を用い、燃料電池保護回路２を使用せずに燃料電池１の出力端をＤＣ−ＤＣコンバータ１７の入力端に接続し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の出力端を電子負荷装置１８に入力した。
【００３９】
実施例２と同様に、図には示さないが、燃料電池保護回路２には外部電源入力端子を設け、ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の出力を入力可能とした。燃料電池保護回路２の内部に使用されている電子素子類の電源は、この外部電源入力端子から得た。ＤＣ−ＤＣコンバータ１７から取り出せる最大の電力は、電圧値５．０Ｖ、電流値０．６３０Ａであり、そのときの出力電力は３．１５Ｗであった。
【実施例４】
【００４０】
本発明にかかる燃料電池システムの実施例４を図５を参照して以下に説明する。
【００４１】
実施例３に示した構成において、電子負荷装置１８の替わりに通信方式がＰＤＣタイプの携帯電話機１９を使用し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の出力端を携帯電話機１９の充電コネクタに接続した。携帯電話機１９付属のリチウムイオン二次電池は取り外し、携帯電話機１９の電源を投入した。待ち受け状態や、カメラの撮影とデータの保存の動作を確認した。しかし、電話の発信と着信、及びデータ通信を行うと、電話とデータの発信時には携帯電話の電源が落ち、着信時では電源は切れないものの着信不能であり、通話やデータ通信を行うことは不可能であった。携帯電話機１９の待ち受け時間は２３時間であった。
【実施例５】
【００４２】
本発明にかかる燃料電池システムの実施例５を図６を参照して以下に説明する。
【００４３】
実施例４に示した構成において、図５に示すように燃料電池１とＤＣ−ＤＣコンバータ１７との間に、実施例１で示した燃料電池保護回路２を挿入する形で、燃料電池１の出力端を燃料電池保護回路２の入力端子に、燃料電池保護回路２の出力端をＤＣ−ＤＣコンバータ１７の入力端にそれぞれ接続した。
実施例４では、動作が確認できなかった携帯電話機１９の電話の発信と着信と通話、及びデータ通信が動作可能となった。実施例４に示したものと同一の燃料を用いたときの携帯電話機１９の待ち受け時間は２５時間であった。
【実施例６】
【００４４】
本発明にかかる燃料電池システムの実施例６を図７を参照して以下に説明する。
【００４５】
実施例１に示した構成において、ラッシュカレント防止回路６を次のように構成を変更した。実施例１におけるラッシュカレント防止抵抗１３の替わりに、ラッシュカレント防止用Ｎｃｈ−ＦＥＴ２０を用いた。実施例１においてアンプ８とコンパレータ９と電圧リファレンス１０で構成されたバイパス機能は、ラッシュカレント防止用Ｎｃｈ−ＦＥＴ２０ドライバ２１の内部に集約した。
【００４６】
スイッチ５において燃料電池１の開回路電圧の８０％以上の電圧を検出すると、スイッチ５はＦＥＴ１１をターンオンし、燃料電池保護回路２へ電力を入力可能とする。オペアンプ２２の反転入力端子には燃料電池の開回路電圧が印加され非反転入力端子の電圧はほぼ０Ｖである為、オペアンプ２２の出力は飽和状態である。この状態を検出するとドライバ２１は、ＦＥＴ２０のゲート端子に徐々にバイアスを印加しＦＥＴ２０のオン抵抗値を低下させてゆく。ドライバ２１は、ＦＥＴ２０のゲート端子に印加する電圧を１０秒間でドライバ２１の入力電圧に引き上げるように調整した。
【実施例７】
【００４７】
本発明にかかる燃料電池システムの実施例７を図８を参照して以下に説明する。
【００４８】
実施例６に示した構成において、燃料電池１を構成する燃料電池発電セルを１つのみ使用した。図８に示す燃料電池発電セル１ａの開回路電圧は０．９９Ｖであった。燃料電池保護回路２内部での消費電流に伴う燃料電池発電セル１ａの電圧降下によって、燃料電池保護回路２の内部の電子素子類の動作可能電圧を確保できない為、チャージポンプ式の昇圧コンバータ２３を図８に示すように、燃料電池保護回路２内部に実装した。昇圧コンバータ２３の出力電圧は３Ｖに設定し、燃料電池保護回路２の内部の電子素子類の電源へ電力を供給するようにした。
【実施例８】
【００４９】
本発明にかかる燃料電池システムの実施例８を図９を参照して以下に説明する。
実施例１に示した構成において、燃料電池保護回路２の電流の逆流防止の為のダイオード７と、スイッチ５を省き、放電回路２４を用いた。放電回路２４は、燃料電池への電流の逆流を防止する機能を有し、Ｐｃｈ−ＥＦＴ２５と、Ｎｃｈ−ＦＥＴ２６とコンパレータ２７を用い構成した。
【００５０】
コンパレータ２７の反転入力端子には、燃料電池出力の正極の出力端の電圧を入力する。コンパレータの非反転入力端子には、電気二重層キャパシタ４の正極端子の電圧を入力する。コンパレータ２７にはヒステリシスを持たせた。ヒステリシスバンドは５０ｍＶになるように設定した。
【００５１】
通常は、電気二重層キャパシタ４の電圧よりも燃料電池１の出力電圧の方が高く、そのときはＰｃｈ−ＦＥＴ２６がＯＮ状態、Ｎｃｈ−ＦＥＴ２７はＯＦＦ状態となり、電気二重層キャパシタ４の充放電が正常に行われる。
【００５２】
外部回路３の急激な負荷変動や、燃料電池１への燃料の供給の過不足などによって、電気二重層キャパシタ４の電圧よりも燃料電池１の出力電圧の方が低くなった場合は、Ｐｃｈ−ＦＥＴ２６がＯＦＦ状態、Ｎｃｈ−ＦＥＴ２７はＯＮ状態となり、燃料電池１と電気二重層キャパシタ４の電気的パスが遮断され電気二重層キャパシタ４の放電が行われる。
【００５３】
これにより、電流の逆流防止の為のダイオードや燃料電池の出力スイッチ等を用いずに外部回路側から燃料電池１への電流の逆流等を防ぐことが可能である。また、燃料電池１から外部回路３までの電気的パスの間の抵抗成分を除くことが可能となり、燃料電池１から出力される電力を効率よく使用することが可能となる。
【００５４】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない限り、変更が可能である。更に、前記実施形態にはそれぞれの段階の発明が含まれている。特許請求の範囲内において、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせによる構成が発明として抽出され得る。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の燃料電池は、燃料電池の負荷応答性を高めることが出来、電子機器類を安定的に動作させることが可能である。また、燃料電池の過負荷状態での運転を防止する為、燃料電池の長寿命化が可能である。補機類を用いず簡易な構成で燃料電池の短所を補うことが可能であるので、携帯機器用の電源としての燃料電池に適応できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施例１に係わる燃料電池の構成の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例１に係わる燃料電池発電セルの出力特性の一例を示すグラフである。
【図３】本発明の実施例２に係わる燃料電池の構成の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の実施例３に係わる燃料電池の構成の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の実施例４に係わる燃料電池の構成の一例を示す概略図である。
【図６】本発明の実施例５に係わる燃料電池の構成の一例を示す概略図である。
【図７】本発明の実施例６に係わる燃料電池の構成の一例を示す概略図である。
【図８】本発明の実施例７に係わる燃料電池の構成の一例を示す概略図である。
【図９】本発明の実施例８に係わる燃料電池の構成の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  燃料電池
１ａ，１ｂ，１ｃ  燃料電池発電セル
２  燃料電池保護回路
３  外部回路
４  電気二重層キャパシタ
５  スイッチ
６  ラッシュカレント防止回路
７  ショットキダイオード
８  電流検出用アンプ
９  コンパレータ
１０  電圧リファレンス
１１  Ｎｃｈ−ＦＥＴ
１２  ＦＥＴドライバ
１３  ラッシュカレント防止抵抗
１４  Ｎｃｈ−ＦＥＴ
１５  ＦＥＴドライバ
１６  燃料電池出力電流値出力端子
１７  ＤＣ−ＤＣコンバータ
１８  電子負荷装置
１９  携帯電話機
２０  Ｎｃｈ−ＦＥＴ
２１  ＦＥＴドライバ
２２  オペアンプ
２３  昇圧コンバータ
２４  放電回路
２５  Ｐｃｈ−ＦＥＴ
２６  Ｎｃｈ−ＦＥＴ
２７  コンパレータ
２８  抵抗器
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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