(57)【要約】【課題】  単セル、或いは低直列数の燃料電池であっても、システム内部の回路を駆動させることが可能であって、電力損失を低減して効率が高く、簡易な構成の形態が可能である小型の燃料電池電源システムを提供すること。【解決手段】  燃料電池からの入力電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータを有し、負荷へ電力を供給する燃料電池電源システムにおいて、ＤＣ−ＤＣコンバータの起動時の電力を得る為の起動用回路を有し、燃料電池の発電特性を利用して、起動用回路が燃料電池電源システム内部の回路の駆動電圧を得る。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、電池出力の電圧を変換するインダクタを用いるスイッチング・レギュレータ方式のＤＣ−ＤＣコンバータとを有する燃料電池電源システムにおいて、前記燃料電池は、単セル、或いは単セルの並列接続、或いは直列接続されており、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ自身を起動させるための起動用回路を有することを特徴とする燃料電池電源システム。
【請求項２】
前記起動用回路は、前記起動用回路の動作を切り換える動作スイッチと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータに入力された電圧を変換する為のスイッチから構成され、前記起動用回路が前記ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する素子を兼用し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータに入力された電圧を変換し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池電源システム。
【請求項３】
前記起動用回路は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを構成するインダクタを兼用し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池電源システム。
【請求項４】
前記起動用回路は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを構成するインダクタおよびスイッチング素子を兼用し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池電源システム。
【請求項５】
前記起動用回路は、ＳＯＩ技術を用いて作成された素子を含むことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の燃料電池電源システム。
【請求項６】
前記燃料電池電源システムは、繰り返し充放電が可能な蓄電要素を有し、負荷に対し前記蓄電要素の出力と前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力とを調整する手段を備えたことを特徴とする燃料電池電源システム。
【請求項７】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧は、少なくとも前記蓄電要素の定格電圧以上であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池電源システム。
【請求項８】
前記燃料電池電源システムは、前記蓄電要素の出力で前記ＤＣ−ＤＣコンバータを起動する事を特徴とする請求項６または７記載の燃料電池電源システム。
【請求項９】
前記燃料電池電源システムは、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータから前記負荷への入力電圧が前記蓄電要素の持つ電圧よりも低下した場合、
前記蓄電要素の出力のみを、前記負荷へ供給する手段を備えたことを特徴とする請求項６乃至８いずれか１項記載の燃料電池電源システム。
【請求項１０】
前記燃料電池電源システムは、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータから前記負荷への入力電圧が前記蓄電要素の持つ電圧よりも低下した場合、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧と前記蓄電要素の出力電圧を一致させ前記負荷へ電力を同時に供給する手段を備えたことを特徴とする
請求項６乃至８いずれか１項記載の燃料電池電源システム。
【請求項１１】
前記燃料電池への前記燃料の供給が、前記負荷の電力要求に対して必要とされる燃料量を上回り、余剰な燃料が燃料電池内部に存在する場合、前記余剰な燃料を前記燃料電池にて電気エネルギーに変換し、前記電気エネルギーを前記蓄電要素へ充電する手段を備えたことを特徴とする請求項６記載の燃料電池電源システム。
【請求項１２】
前記燃料電池電源システムの燃料電池が発電を行わない場合は、前記蓄電要素により、負荷を動作させることを特徴とする請求項６記載の燃料電池電源システム。
【請求項１３】
前記蓄電要素は、二次電池であることを特徴とする請求項６記載の燃料電池電源システム。
【請求項１４】
前記蓄電要素は、コンデンサであることを特徴とする請求項６記載の燃料電池電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源である燃料電池と、電圧の変換がなされるＤＣ−ＤＣコンバータとからなり、携帯機器等の小型電子機器向けの燃料電池電源システムに関する。
【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、一方の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。
【０００３】
燃料電池単セルの実用的な動作電圧が０．５Ｖ付近であるため、燃料電池単セルの電圧では、携帯機器などの電子機器類の動作や、ニッケル−水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池を充電することが出来ない。実用的な負荷に必要な電圧を得る為に、必要な数だけ燃料電池単セルを直列に接続し、出力電圧を高めることが必要である。
【０００４】
しかし、直列接続を行った燃料電池では、燃料電池を構成する単セル間の出力のバラツキが元で、出力性能の低いセルは抵抗成分となり燃料電池出力の低下につながる。さらに出力性能の低いセルは、負荷印加時に転極状態となりセルの劣化や腐食などにより、燃料電池出力が大幅に低下し、燃料電池システムが有する燃料に対して、燃料電池システムから電力として得られるエネルギーの効率が低下する課題がある。
【０００５】
この現象を回避する為に、燃料電池への燃料供給量を制御し、バラツキを抑える方法がある（例えば特許文献１参照。）。しかし、燃料供給によるバラツキの制御は、ポンプなどの補器類などが必要となり、補器類の使用電力によるエネルギー密度の低下や、システムが大型化するなど、携帯機器向けのなどの小型の電子機器類には適していない。
また、燃料電池が転極状態に陥った状態を回避する為のバイパスダイオードを直列接続された燃料電池単セルのそれぞれと並列に接続する方法が知られている。（例えば特許文献２参照。）。しかし、燃料電池の直列接続数が少ない場合は、出力が取り出せなくなる等の問題が生じる。
【特許文献１】特開２００１−２８３８９３号公報（第３頁、第１８図）
【特許文献２】特開２００３−０１８４１９号公報（第５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の方法によると、高出力の燃料電池が得られるが、複数の燃料電池単セルを積層し、直列接続するため、構造が複雑になる。また、セルの積層化により体積や重量が大きくなる為、燃料電池システム全体のエネルギー密度が低下し、出力密度が高い燃料電池の特徴を活かしきれない問題がある。
特に小型携帯機器の電源は、寸法が限られ軽量かつ小型、簡素である事が求められることから、燃料電池を積層化し直列接続することは不適当である。また、直列接続において用いられる各々のセル出力にはバラツキがある。そのバラツキによって、燃料電池全体の出力にロスが生じ、発電効率が低下する。その為、各々のセル出力のバラツキを抑えるための制御を行わなければならない。
【０００７】
このように、燃料電池システムから携帯機器などの電子機器類へ電力を効率良く供給する際の諸問題を解決する為に、燃料電池単セル、或いは燃料電池単セルの並列接続や低直列接続数の燃料電池を構成し、スイッチトキャパシタやチャージポンプなどの起動用のＤＣ−ＤＣコンバータを用いた多段の昇圧手段を用いず、簡素な構成で低電圧である燃料電池出力のみでシステム内部の回路を起動させ、システムを駆動させる。また、燃料電池が無負荷状態あるいは、無負荷状態に近い状態において燃料電池内部に残留する燃料を燃料電池において電力に変換し、システム内部に蓄積する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する為に、本発明は、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と、燃料電池出力の電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータとを有し、負荷へ電力を供給する燃料電池電源システムにおいて、前記燃料電池は、単セル、或いは単セルの並列接続、或いは直列接続されており、燃料電池出力の電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータはインダクタを用いるスイッチング・レギュレータ方式であり、またＤＣ−ＤＣコンバータは、ＤＣ−ＤＣコンバータ自身を起動させるための起動用回路を有することを特徴としている。
【０００９】
起動用回路は、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成するインダクタとコンバータへの入力電圧を昇圧するためのスイッチ素子と、起動用回路のＯＮ／ＯＦＦを切り替える動作スイッチから構成され、燃料電池から電流を取り出した際に出力電圧の低下が起こる燃料電池の発電特性を利用し動作する。
【００１０】
前記起動用回路は、ＳＯＩ技術を用いて作成された素子を含むことを特徴としており、単セルの燃料電池であってもＤＣ−ＤＣコンバータやシステム内部の電子回路が動作を開始する。ここで、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）とは、絶縁膜上に形成した単結晶シリコンを用い基板とした半導体や半導体技術のことであり、基板に絶縁層を形成していることから漏れ電流が少なく、消費電力を抑えることが可能となる。また、デバイスの寄生容量を低減できることから、回路の高速動作化が可能となる。
【００１１】
前記燃料電池電源システムは、繰り返し充放電が可能な蓄電要素を有することを特徴としている。これにより、燃料電池電源システムとして負荷応答性を高め負荷を安定的に動作させる。また、蓄電要素の電力を用いてＤＣ−ＤＣコンバータを駆動させる場合もある。
蓄電要素を使用し、燃料電池とのハイブリッド化を行う場合には、燃料電池出力と蓄電要素出力の切換を行う出力スイッチング回路を用い、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧は少なくとも蓄電要素の定格電圧以上とする。
【００１２】
負荷への電力供給がＤＣ−ＤＣコンバータの出力のみで行われているときに、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が蓄電要素の電圧以下となった場合は、出力スイッチング回路が負荷への電力供給を蓄電要素から行うように、出力のスイッチングを行う。または、負荷への電力供給がＤＣ−ＤＣコンバータの出力のみで行われているときに、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が蓄電要素の電圧以下となった場合に、出力スイッチング回路が、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を蓄電要素の電圧と一致するように出力を制御し、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力と蓄電要素の出力を同時に負荷へ供給する。
更に、燃料不足等によって燃料電池出力が低下した場合や、燃料電池が発電不可能な状態や、燃料電池を動作させない場合は、蓄電要素から負荷へ電力を供給し、負荷を動作させる。
【００１３】
また、燃料電池内部で負荷の要求電力に対して必要とされる燃料よりも過剰な燃料が燃料電池に供給された場合、余剰分の燃料を滞留することなく燃料電池によって電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーを蓄電要素に充電する。
蓄電要素は、二次電池、キャパシタ、コンデンサ等からなる群の少なくとも一つを任意に選択することが出来る。二次電池としては、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、金属リチウム二次電池、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池、ニッケル鉄二次電池、ニッケル亜鉛二次電池、酸化銀亜鉛二次電池、亜鉛ハロゲン二次電池、鉛蓄電池、レドックスフロー電池、ナトリウム硫黄電池等からなる群の少なくとも一つを任意に選択することが出来る。
【００１４】
燃料電池として、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。
【００１５】
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】
【００１６】
本発明によれば、簡素で小型化が可能な構成で、燃料電池が単セル、或いは低直列数であっても、ＤＣ−ＤＣコンバータやシステム内部の電子回路が駆動可能となり、負荷を動作させることが可能となるため、発電部分においてエネルギーロスを低く抑えることが可能となる。
【００１７】
起動用回路にＳＯＩ技術を用いて作成された素子を用いることにより、単セルの燃料電池出力であっても、ＤＣ−ＤＣコンバータやシステム内部の電子回路素子が動作可能であり、漏れ電流を低減し、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換効率が向上する。
【００１８】
余剰燃料分を用いて発電し蓄電要素を充電することによって、燃料電池の劣化や燃料の漏れや余計な燃料の消費を抑えることが可能となり、上述と併せ燃料電池システムは、システムのエネルギーの高効率利用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
電源として単セルの燃料電池発電セルを用いた。この実施例の他に、電源として太陽電池、熱電素子等、電流の取り出しと共に電源の電圧降下が起こる電源が利用可能である。
【実施例１】
【００２０】
図１は本発明にかかる燃料電池電源システムの主要構成を示す図である。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１と、燃料電池１からの出力を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ２から構成され、直流負荷３にＤＣ−ＤＣコンバータ２により昇圧された電力が供給される構成とした。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２には、自己の起動のための起動用回路６が搭載されている。図１における燃料電池１として、高分子固体電解質型の燃料電池を１つ用いた。燃料電池１の開回路電圧は１．０４Ｖであった。
【００２１】
図３にＤＣ−ＤＣコンバータ２の詳細を示す。ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、インダクタ２０２を用いたスイッチングレギュレータ方式のＤＣ−ＤＣコンバータである。ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧を４．５Ｖに設定した。出力電圧は、分圧抵抗器２０６と分圧抵抗器２０７の抵抗値の比によって設定可能である。分圧抵抗器２０６に可変抵抗器を用いると、出力電圧値の設定が容易となる。スイッチング素子には、低オン抵抗のＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴ２０３を使用した。入力コンデンサ２０１と出力コンデンサ２０５共に低いＥＳＲ値の電解質に有機半導体用いたコンデンサを使用した。
【００２２】
燃料電池１からの出力は低電圧である為、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の効率を高める為には、特に入力コンデンサ２０１、インダクタ２０２、Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２０３は低い抵抗値の素子を選択し、電圧降下を低減し、昇圧の倍率を最低限に低くしなければならない。
【００２３】
起動用回路６として、動作のスイッチの為の動作スイッチ２１３と、電圧の昇圧の為のスイッチング素子であるＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１と、Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１をドライブするためのドライバ２１２から構成される。また、起動用回路６は、燃料電池の出力電圧の昇圧を行うためにＤＣ−ＤＣコンバータ２を構成するインダクタ２０２を併用する構成とした。
【００２４】
Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１のゲートのシュレッショルド電圧は０．４５Ｖのものを使用した。動作スイッチ２１３およびドライバ２１２はＳＯＩ基板を用いてデバイスを作成した。
【００２５】
起動用回路６の動作を切り替える動作スイッチ２１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２が非動作時ではＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１をオン状態に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作したときにＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１をオフするように回路を組めば良い。ここでは、図３に示すように、コンパレータ３０１を用い、ＤＣ−ＤＣコンバータ２への燃料電池１からの入力電圧よりもＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が高いときにＦＥＴ３０２をターンオフするように構成した。動作スイッチ２１３の動作を安定化させるために、図３では省略したが、コンパレータ３０１にヒステリシスを持たせ、コンパレータ３０１の出力にＲＣ素子を用いて遅延動作をさせるとよい。
【００２６】
燃料電池１に燃料が供給され燃料電池１が発電を開始すると、燃料電池１から出力された電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２に供給される。ＤＣ−ＤＣコンバータ２の電源端子２１７には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の二次出力電力が供給される。
【００２７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２の内部のＰＷＭ制御回路２１０、コンパレータ２０９、基準電圧発生器２０８の駆動電圧は１．８Ｖ以上必要な素子で構成した。
【００２８】
燃料電池１の発電直後は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は動作していない。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧は、燃料電池１からの入力電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ２の内部の抵抗成分によって電圧降下した出力である。このときのＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧が、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の電源入力端子２１７に入力されても、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は駆動することは出来ない。図２において、起動用回路のない回路構成では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧は０．９４１Ｖであった。
【００２９】
一方、起動用回路６はＤＣ−ＤＣコンバータ２に使用されているインダクタ２０２を用いて昇圧を行う。ＤＣ−ＤＣコンバータ２の電源を得る為の昇圧プロセスは、図４に示す通りである。
【００３０】
燃料電池１に燃料が供給され、燃料電池１の発電直後は（図４−Ｓ１）、ＤＣ−ＤＣコンバータは駆動しておらず（図４−Ｓ２）、動作スイッチ２１３では、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧よりも燃料電池１の出力電圧の方が高いため、ＦＥＴ３０２はオン状態となっており（図４−Ｓ３）、起動用回路６が動作する（図４−Ｓ４）
燃料電池１からの出力は動作スイッチ２１３を通り抜け、Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１に達する。このとき、Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１のゲート端子には、動作スイッチ２１３とＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１のドレイン端子間の電圧がドライバ２１２を介して入力される。ドライバ２１２はＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１のゲートのしきい値電圧よりも高い電圧で出力が切り替わるように構成した。これにより、起動用回路６に燃料電池１の起電時などの開回路電圧に近い電圧が入力されると（図４−Ｓ５）、Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１はターンオンされ（図４−Ｓ６）、インダクタ２０２にエネルギーが蓄積される（図４−Ｓ７）。
【００３１】
ここで、燃料電池１の出力特性を示すグラフを図５に示す。グラフの横軸は出力電流値、グラフの縦軸は燃料電池電圧である。燃料電池１の出力電流の増加に伴って、燃料電池１の電圧が降下しているのがわかる。Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１はターンオンされると、燃料電池１の出力電流は、インダクタ２０２を通り、動作スイッチ２１３とＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１を抜け、燃料電池１へ戻る。この回路網は抵抗成分が低い為、燃料電池１は短絡に近い状態となり、回路網には大電流が流れ、燃料電池１の電圧は低下する（図４−Ｓ８）。燃料電池１の電圧がＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１のしきい値電圧よりも高い電圧値に設定されたドライバのしきい値電圧を下回ると（図４−Ｓ９）、ドライバ２１２の出力はＬレベルとなりＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１はターンオフされる（図４−Ｓ１０）。
【００３２】
Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１のスイッチングによってインダクタ２０２に発生した電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の電源端子２１７へ入力される（図４−Ｓ１１）。Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１のスイッチングはＤＣ−ＤＣコンバータ２の駆動電圧が得られるまで繰り返される（図４−Ｓ１２）。
【００３３】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２の駆動電圧が得られると、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は駆動を始め、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧は設定値の４．５Ｖを維持するように動作する。
このとき、動作スイッチ２１３は、燃料電池１からの入力電圧よりもＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧の方が高いため、ＦＥＴ３０２をターンオフし（図４−Ｓ１３）、起動用回路６の動作を停止する（図４−Ｓ１４）。
【実施例２】
【００３４】
実施の形態２は、実施の形態１におけるＤＣ−ＤＣコンバータ２と、蓄電要素を用いた。図６は本発明の第２の実施形態における燃料電池電源システムの構成を示すブロック図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧は４．５Ｖに設定した。
【００３５】
図７に第２の実施形態における燃料電池電源システムの詳細を示す。蓄電要素４として、満充電された３００ｍＡｈ、公称電圧３．７Ｖの単セルリチウムイオン二次電池４０１を使用した。リチウムイオン二次電池４０１の出力がダイオード４０３を介してＤＣ−ＤＣコンバータ２の電源端子に入力され、ＤＣ−ＤＣコンバータ２が起動する。
ＤＣ−ＤＣコンバータ２には起動用回路６が搭載されているが、ＤＣ−ＤＣコンバータ２はリチウムイオン二次電池４０１の電力によって起動した為、動作することがない。
【００３６】
燃料電池１の発電後、燃料電池１の出力はＤＣ−ＤＣコンバータ２に入力され、ＤＣ−ＤＣコンバータ２によって昇圧される。ＤＣ−ＤＣコンバータ２によって昇圧された電圧が、リチウムイオン二次電池４０１の電圧よりも上回った場合には、ダイオード４０４を介しＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力が入力される。
【００３７】
図８に出力スイッチングコントローラ５０１の構成を示す。コンパレータ５０９にリチウムイオン二次電池４０１出力電圧とＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧が入力され、その電位差を基にアナログコントローラ５１０が二つのゲートドライバの動作を制御し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２とリチウムイオン二次電池４０１の出力パスのスイッチングを行う。
【００３８】
電源端子５０２から入力されたリチウムイオン二次電池４０１の電圧が、電圧センス端子５０５から入力されたＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧よりも低い場合には、ゲートドライバ５１１を動作させ、Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ５０８をターンオフし、ゲート出力端子５０４はオープン状態でＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力が直流負荷３へ供給される。
【００３９】
急激な負荷変動や、パルス状の負荷など、燃料電池１の出力が負荷変動に追従しきれない場合等、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４０１の電池電圧を下回る状態を検出すると、アナログコントローラ５１０がゲートドライバ５１２を動作させ、Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ５０７をターンオフし、ゲート出力端子５０３はオープン状態でリチウムイオン二次電池４０１の出力が直流負荷３へ供給される。リチウムイオン二次電池４０１の出力が直流負荷３へ供給中に、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４０１の出力電圧より高くなれば、出力スイッチングコントローラ５０１により、ゲートドライバ５１１を動作させ、Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ５０８をターンオフし、ゲート出力端子５０４はオープン状態でＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力が直流負荷３へ供給される。
【００４０】
また、リチウムイオン二次電池４０１の出力電圧よりも、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧が完全に下回る以前に、直流負荷３への電力供給をリチウムイオン二次電池４０１の出力に切り換えたい場合や出力の切り替え時のばたつきや発振を抑え安定的に出力させるために、コンパレータ５０９の動作にヒステリシスを持たせたり、コンパレータの出力にＲＣ回路を構成し動作を遅延させることが有効である。
【実施例３】
【００４１】
図９に本発明の第３の実施形態における燃料電池電源システムの構成を示す。実施の形態２におけるスイッチングコントローラに電圧センス入力を１端子増設したスイッチングコントローラ５１５を使用した。スイッチングコントローラ５１５の構成を図１０に示す。直流負荷３に電力が入力される直前の電圧を出力スイッチングコントローラ５１５の電圧センス入力５０５へ入力し、接点５１４での電圧を電圧センス５１３へ入力するようにした。
【００４２】
これによって、リチウムイオン二次電池４０１の出力電圧よりも、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧が完全に下回ると、出力スイッチング回路５１５はＰｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ５０７をターンオフし、リチウムイオン二次電池４０１の出力が直流負荷３へ供給される。そのとき、電圧センス端子５０５への入力電圧は、電源端子５０２から入力されたリチウムイオン二次電池４０１の電圧と同等になる。このとき、出力スイッチング回路５内部のアナログコントローラ５１０は、電圧センス端子５０５へ入力される電圧を、電源端子５０２から入力される電圧と一致するように、ゲート出力端子５０４の出力電圧を制御する。これによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ２からの出力がＰｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ５０７のオン抵抗値によって制御され、ＤＣ−ＤＣコンバータ２からの出力電圧とリチウムイオン二次電池４０１の出力電圧が一致し、直流負荷３へＤＣ−ＤＣコンバータ２からの出力とリチウムイオン二次電池４０１の出力が同時に供給される。その後、電源端子５０２より入力されるリチウムイオン二次電池４０１の電圧よりも、接点５１４の電圧、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧が上回ると、Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ５０８をターンオフ、Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ５０７をオン状態にすることにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ２のみの出力に切り換える。
【実施例４】
【００４３】
図１１に本発明の第４の実施形態における燃料電池電源システムの構成を示す。燃料電池電源システムの構成の詳細を図１２に示す。図１３に示すスイッチングコントローラ５２２を使用した。燃料電池１への燃料の供給が、直流負荷３の電力要求に対して必要とされる燃料量を上回り、余剰の燃料が燃料電池１内部の燃料極キャビティー内に滞留するような状態において、燃料電池１から電力を取り出すことで余剰燃料を消費し、発電によって得られた電力をリチウムイオン二次電池４０１へ充電するように制御した。
【００４４】
直流負荷３の動作停止直後に燃料の供給動作を停止させても、燃料電池の燃料極キャビティー内部には余剰水素が残留する。燃料極キャビティー内部に余剰水素が残留していると、燃料電池１は正極と負極との間に電位差が生じており、この状態で放置すると、燃料電池が自己放電しシステムとしてエネルギーのロスに繋がる。これを避ける為に、直流負荷３に電力が入力される直前の電圧を出力スイッチングコントローラ５２２の電圧センス入力５０５へ入力し、接点５１４での電圧を電圧センス５１３へ入力するようにした。
【００４５】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２から直流負荷３へ電力を供給しているとき、Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ５０７には電流が流れ、オン抵抗値による電圧降下が起こる。その為、電圧センス５０５と電圧センス５１３との間には電位差が生じている。ここで直流負荷３の動作を停止すると、電流の流れはなくなり、電圧センス５０５と電圧センス５１３との間の電位差が非常に小さくなる。この状態で、接点５２７が０Vよりも高い電圧を持っているときには、Nｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ５１７をターンオンするように制御し、リチウムイオン二次電池４０１の充電を行う。
【実施例５】
【００４６】
本発明の第４の実施形態における燃料電池電源システムの構成において、スイッチングコントローラを図１５に示すスイッチングコントローラ５２４に取り替えた。直流負荷３へ電力供給を行っていない状態や直流負荷３への電力供給が微小である場合や、直流負荷３が燃料電池電源システムとの接続がたたれている場合において、リチウムイオン二次電池４０１が満充電状態ではないとき、リチウムイオン二次電池４０１を充電するように制御する。
【００４７】
直流負荷３へ電力を供給していない状態、すなわち電圧センス端子５０５の入力電圧と電圧センス端子５１３の入力電圧との電位差が小であって、直流負荷３へ電流が流れていない状態であり、尚かつ電源端子５０２へのリチウムイオン二次電池４０１の電圧の入力と基準電圧発生器５２６をコンパレータ５２５によって比較を行い、リチウムイオン二次電池４０１が充電電圧に達していない状態であることを検出すると、コントローラ５１０はゲートドライバ５２３を動作させてNｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ５１７をターンオンし、リチウムイオン二次電池４０１の充電を開始する。リチウムイオン二次電池が満充電電圧４．２Vに達すると、電源端子５０２から入力される電圧は、基準電圧発生器５２６から発生される電圧値を超える為、コントローラ５１０はリチウムイオン二次電池４０１の充電を停止させる為に、Nｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ５１７をオフする用にゲートドライバ５２３を動作させる。
【実施例６】
【００４８】
図１６に本発明の第７の実施形態における燃料電池電源システムの構成を示す。実施の形態４で使用したスイッチングコントローラ５２２を使用した。蓄電要素として電気二重層コンデンサ４０５を使用した。電気二重層コンデンサ４０５は耐圧７．２V、静電容量０．０４７Ｆであり、充電されていない状態で回路に組み込んだ。電気二重層コンデンサの充電制御として、充電電流の制御が可能なバッテリーチャージャー４０６を使用した。
【００４９】
電気二重層コンデンサ４０５は充電されていない為、電気二重層コンデンサ４０５ではＤＣ−ＤＣコンバータ２を起動できない。燃料電池１の発電後、起動用回路によってＤＣ−ＤＣコンバータ２に電力が供給され、ＤＣ−ＤＣコンバータ２が駆動する。状態入力端子５２０からは、直流負荷３の動作状態が入力される。状態入力端子５２０からの入力によって、スイッチングコントローラ５２２は、直流負荷３が動作状態の時、Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴをターンオフするようにデートドライバ５２３を動作させ、直流負荷３が非動作時ではゲート出力端子５２１はグランドに接続する。直流負荷３が非動作時にＰｃｈ−ＭＯＳＦＥＴはオン状態となり、電気二重層コンデンサ４０５が充電される。
電圧センス入力は実施の形態３と同じ接続を行っている為、直流負荷３への電力供給は実施の形態３と同様になる。
【実施例７】
【００５０】
本形態は、燃料電池単セルのみの出力を用いて、ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させる実施の形態１の別の例を示す。すなわち、図１に示す構成において、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の接続構成を変更した。図１６は本発明にかかるＤＣ−ＤＣコンバータ２の構成を示す図である。図１６にＤＣ−ＤＣコンバータ２の詳細を示す。ＤＣ−ＤＣコンバータ２の出力電圧を４．５Ｖに設定した。
【００５１】
起動用回路６は、動作のスイッチの為の動作スイッチ２１３と、Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２０３をドライブするためのドライバ２１２から構成され、Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２０３のゲートのシュレッショルド電圧は０．４５Ｖのものを使用した。ドライバ２１２および動作スイッチ２１３はＳＯＩ基板をもちいてデバイスを作成した。
【００５２】
実施の形態１と異なる点は、起動用回路６の接続関係と、起動用回路６がＤＣ−ＤＣコンバータ２の電源電圧を得るための手段として、ＤＣ−ＤＣコンバータ２を構成するインダクタ２０２、およびＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２０３が兼用されている点である。
【００５３】
インダクタ２０２の出力を動作スイッチ２１３の２１４端子に結線し、内部のＰｃｈ−ＦＥＴ３０２のソース端子と接続する。Ｐｃｈ−ＦＥＴ３０２のドレイン端子は、動作スイッチ２１３の２１６端子を介しドライバ２１２と接続を行った。
【００５４】
起動用回路６の動作を切り替える動作スイッチ２１３は、実施の形態１と同様に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２が非動作時ではＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１をオン状態に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２が動作したときにＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ２１１をオフするように回路を組めば良い。図３に示すように動作スイッチ２１３は、コンパレータ３０１を用い、ＤＣ−ＤＣコンバータ２への燃料電池１からの入力電圧よりもＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が高いときにＰｃｈ−ＦＥＴ３０２をターンオフするように構成した。
【００５５】
起動用回路６およびＤＣ−ＤＣコンバータ２の動作は実施の形態１と同様に、図４に示すフローに沿って動作した。
【００５６】
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。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】
【００５７】
本発明の燃料電池電源システムは、燃料電池の出力損失が低く小型化が可能であり、安定した電力の供給も可能なため、携帯機器の小型化に適応できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態１に係わる燃料電池電源システムの構成概要の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係わる燃料電池電源システムの構成概要の一例を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係わる起動用回路停止回路の構成概要の一例を示す概略図である。
【図４】本発明の昇圧方法のプロセスの一例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係わる燃料電池１の出力特性を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態２に係わる燃料電池電源システムの構成概要の一例を示す概略図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係わる燃料電池電源システムの構成概要の一例を示す概略図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係わる出力スイッチングコントローラの構成概要の一例を示す概略図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係わる燃料電池電源システムの構成概要の一例を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係わる出力スイッチングコントローラの構成概要の一例を示す概略図である。
【図１１】本発明の実施の形態４に係わる燃料電池電源システムの構成概要の一例を示す概略図である。
【図１２】本発明の実施の形態４に係わる燃料電池電源システムの構成概要の一例を示す概略図である。
【図１３】本発明の実施の形態４に係わる出力スイッチングコントローラの構成概要の一例を示す概略図である。
【図１４】本発明の実施の形態５に係わる出力スイッチングコントローラの構成概要の一例を示す概略図である。
【図１５】本発明の実施の形態６に係わる燃料電池電源システムの構成概要の一例を示す概略図である。
【図１６】本発明の実施の形態７に係わる燃料電池電源システムの構成概要の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  燃料電池
２  ＤＣ−ＤＣコンバータ
３  直流負荷
４  蓄電要素
５  出力スイッチング回路
６  起動用回路
２０１  入力コンデンサ
２０２  インダクタ
２０３，２１１，５１７  Ｎｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ
２０４  ショットキダイオード
２０５  出力コンデンサ
２０６，２０７  分割抵抗器
２０８，３０２，５２６  基準電圧発生器
２０９，３０１，５０９，５１６，５２５  コンパレータ
２１０  ＰＷＭ制御回路
２１２  ドライバ
２１３  動作スイッチ
２１７、５０２  電源端子
２２０，５０６  グランド端子
３０２，５０７，５０８  Ｐｃｈ−ＭＯＳＦＥＴ
４０１  リチウムイオン二次電池
４０２，４０６  バッテリーチャージャー回路
４０３，４０４，５１８，５１９  ダイオード
４０５  電気二重層コンデンサ
５０１，５１５，５２２、５２４  出力スイッチングコントローラ
５０３，５０４，５２１  ゲート出力端子
５０５，５１３  電圧センス端子
５１０  アナログコントローラ
５１１，５１２，５２３  ゲートドライバ
５１４，５２７  接点
５２０  状態入力端子
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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