(57)【要約】【課題】  燃料電池と蓄電手段とのハイブリッド構成において、蓄電手段を小型化し機能不全を起こさない電源装置とその制御方法を提供する。【解決手段】  本発明では燃料電池と蓄電手段を備えた機器において、前記蓄電手段の小型化，システムの低価格化を図りつつ、燃料電池の高速起動，出力および残量判断，出力変動時の対策を可能とする電源装置およびその制御方法を提供する。【効果】  蓄電手段の小型軽量化を実現でき、従来の二次電池を搭載したものと同様に形態機器を即使用可能となるのに加え、燃料電池の昇温を促進する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と蓄電手段とを備えた電源装置において、前記蓄電手段と前記燃料電池とから並列に負荷へ電力を供給することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記燃料電池の出力電力と、前記蓄電手段の放電電力との和が前記負荷の要求電力を満たすことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記燃料電池の出力電力が、前記負荷の要求電力よりも低いとき、要求電力と前記燃料電池の出力の差が前記蓄電手段の放電電力であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項４】
前記燃料電池の出力電力が、前記負荷の要求電力よりも高いとき、要求電力と前記燃料電池の出力電力の差が前記蓄電手段の充電電力であることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項５】
燃料電池と蓄電手段とを備えた電源装置と、前記電源装置の出力電力によって機器の動作を行う情報機器において、前記燃料電池の出力電力は前記蓄電手段の放電電力と前記燃料電池の出力電力とからなることを特徴とする請求項１記載の電源装置を備えた情報機器。
【請求項６】
前記燃料電池の出力電力と、前記蓄電手段の放電電力との和が前記機器が要求する電力を満たすことを特徴とする請求項５記載の情報機器。
【請求項７】
前記燃料電池の出力電力が、前記機器が要求する電力よりも低いとき、前記電力と前記出力電力との差が前記蓄電手段の放電電力であることを特徴とする請求項５記載の情報機器。
【請求項８】
前記燃料電池の出力電力が、前記機器が要求する電力よりも高いとき、前記電力と前記出力電力の差が前記蓄電手段の充電電力であることを特徴とする請求項５記載の情報機器。
【請求項９】
前記燃料電池の出力電圧と前記蓄電手段の放電電圧とが等しくなった後、前記負荷へ電力を供給することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項１０】
燃料電池と蓄電手段を備え、負荷に電力を供給する携帯電子機器用電源装置において、前記燃料電池を起動して前記負荷駆動電力値に達するまでの期間に、前記蓄電手段と前記燃料電池から並列に前記負荷へ電力を供給することを特徴とする電源装置。
【請求項１１】
前記燃料電池の燃料残量から前記燃料電池が発電可能な発電量と前記蓄電手段の蓄電量の合計が、前記負荷に必要な電力量を下回らないように制御することを特徴とする請求項１０記載の電源装置。
【請求項１２】
燃料電池と蓄電手段を備え、負荷に電力を供給する携帯電子機器用電源装置において、前記携帯電子機器の電源投入後に、前記蓄電手段のみから前記負荷へ電力を供給する第１の期間と、前記蓄電手段と前記燃料電池から並列に前記負荷へ電力を供給する第２の期間を経て、前記燃料電池のみから前記負荷へ電力を供給することを特徴とする電源装置。
【請求項１３】
前記燃料電池の電圧値が前記蓄電手段の電圧値と等しくなったときに、前記第１の期間から前記第２の期間への移行を行うことを特徴とする請求項１２記載の電源装置。
【請求項１４】
前記第２の期間後に、前記燃料電池から前記負荷への給電と共に前記蓄電手段への充電を行う第３の期間をもつことを特徴とする請求項１２記載の電源装置。
【請求項１５】
前記第１，第２，第３の期間を経ることで燃料電池の温度を上昇させて所期の定常出力を出力可能な状態にすることを特徴とする請求項１２記載の電源装置。
【請求項１６】
前記燃料電池のみから前記負荷へ電力を供給時に前記負荷の出力が上昇した場合には、前記蓄電手段と前記燃料電池から並列に前記負荷へ電力を供給することを特徴とする請求項１２記載の電源装置。
【請求項１７】
前記機器に接続された前記燃料電池以外から前記機器に電力が供給された場合でもユーザの前記機器のＯＮ，ＯＦＦ操作に連動して燃料電池をＯＮ，ＯＦＦすることを特徴とする請求項５記載の電源装置。
【請求項１８】
燃料電池と蓄電手段を備えた携帯電子機器用電源装置において、燃料電池の設計下限電圧値が、前記蓄電手段の最大電圧値よりも高い電圧値となる燃料電池の直列セル数としたことを特徴とする電源装置。
【請求項１９】
前記蓄電手段がリチウム系２次電池であって、前記燃料電池の直列セル数を６〜２２セルとしたことを特徴とする請求項７記載の電源装置。
【請求項２０】
前記蓄電手段が電気２重層コンデンサであって、前記燃料電池の直列セル数を４〜２０セルとしたことを特徴とする請求項７記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いた電源装置及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般にディーゼルエンジンやガスタービンに比べ発電効率が高く、環境にもやさしい発電機として近年注目されている。
【０００３】
しかしながら、燃料電池は他の発電機と異なり、化学反応により電気を取り出すため燃料電池を起動するまでに時間がかかり、他の発電機に比べ起動性が劣る。
【０００４】
特許文献１には、固体酸化物型燃料電池の場合の起動性を解消する課題について記載があり、燃料電池と二次電池とを併用して燃料電池の余剰電力を二次電池に充電しておき、その電力を燃料電池の起動時に使用することにより、起動性の課題を解消することについて記載がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−６６９１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池は化学エネルギーを電力に変換する発電機であるため、燃料電池を起動させてから負荷（例えば電子機器）が要求する電力を安定して供給するためには時間がかかるという課題がある。
【０００７】
本発明の目的は、燃料電池が、負荷が要求する電力を発電できない期間であっても電源全体として安定して負荷が要求する電力を供給できる電源を提供することに有る。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
燃料電池と蓄電手段とを備えた電源装置において、前記蓄電手段と前記燃料電池とから並列に負荷へ電力を供給することを特徴とする電源装置。
【発明の効果】
【０００９】
燃料電池が、負荷が要求する電力を発電できない期間であっても電源全体として安定して負荷が要求する電力を供給できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本実施例では、燃料電池と蓄電手段を備えた機器において、前記蓄電手段の小型化，システムの低価格化を図りつつ、燃料電池の高速起動，出力および残量判断，出力変動時の対策を可能とする電源装置およびその制御方法を提供する。
【００１１】
以下、本発明の電源装置及びその制御方法の実施例について、図を用いて説明する。
【００１２】
（第１の実施例）
本発明の第１の実施例について、図１を用いて説明する。図１は、電源装置の構成や電力線，信号線の接続の概略を示すブロック図である。
【００１３】
本実施例の構成においては、燃料電池１と蓄電手段２の２つの電源を持ち、燃料電池１側には逆流防止用のダイオードと放電スイッチ８、蓄電手段側には放電用のダイオードと充電のＯＮ，ＯＦＦを制御する充電スイッチ４を備えている。なお、図１においてはダイオードと充電スイッチ４は蓄電手段２の＋側に接続されているが、蓄電手段２の−側でもよく、ＰチャネルＭＯＳ  ＦＥＴやＮチャネルＭＯＳ  ＦＥＴなどのスイッチング素子を使うこともでき、ダイオードのみの場合に比べて大電流を流す場合の効率改善が可能である。
【００１４】
また、スイッチング素子の制御は判別制御手段３により行うか、燃料電池電圧を検出し電圧値をもとに自動的にＯＮ，ＯＦＦされるよう接続しても良い。
【００１５】
本実施の形態に用いられるメタノールを燃料とする燃料電池１では、以下に示す電気化学反応でメタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。
【００１６】
アノード側では供給されたメタノール水溶液が（１）式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオンと電子に解離する。
【００１７】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-                             …（１）
生成された水素イオンは電解質膜中をアノードからカソード側に移動し、カソード電極上で空気中から拡散してきた酸素ガスと電極上の電子と（２）式に従って反応して水を生成する。
【００１８】
６Ｈ+＋３／２Ｏ2＋６ｅ- → ３Ｈ2Ｏ                                  …（２）
従って発電に伴う全化学反応は（３）式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水とを生成し、化学反応式はメタノールの火炎燃焼と同じになる。
【００１９】
ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2 → ＣＯ2＋３Ｈ2Ｏ                              …（３）
単位電池の開路電圧は概ね１.２Ｖで燃料が電解質膜を浸透する影響で実質的には0.85〜１.０Ｖであり、特に限定されるものではないが実用的な負荷運転の下での電圧は０.２〜０.６Ｖ 程度の領域が選ばれる。従って実際に電源として用いる場合には負荷機器の要求にしたがって所定の電圧が得られるように単位電池を直列接続して用いられる。単電池の出力電流密度は電極触媒，電極構造その他の影響で変化するが、実効的に単電池の発電部面積を選択して所定の電流が得られるように設計される。また、適宜、並列に接続することで電池容量を調整することが可能である。本実施例では、単位電池の定格電圧を0.3Ｖとした。
【００２０】
燃料電池は、燃料と酸素との酸化・還元反応により電力を取り出す発電機であるため、燃料が電極に到達してから実際に安定した電力を得るまで時間がかかる。
【００２１】
また、燃料電池は上述した通り発電機であるがゆえに発電には燃料が不可欠である。しかしながら燃料極に燃料をためたままであると燃料が膜を通り抜けるクロスオーバーと呼ばれる現象が起きるため、燃料電池を使用していないときにも燃料が消費されることになる。
【００２２】
一般的な電池の自己放電に相当する、機器を使用していないときの燃料消費を完全に０にするためには、使用するときのみ燃料を燃料電池に送り込めばよいが、使用開始時に燃料電池に燃料を送り込むための電力が必要になる。
【００２３】
次に燃料投入後の燃料電池の特性としては、出力の温度依存性が非常に高く、特に低温での出力は非常に低い。そのため、燃料電池で保証する定格出力はある温度（例えば４０℃）以上での設計にならざるをえない。そのために燃料電池を携帯機器用途に使うためにはなるべく速い昇温の工夫も必要ではあるが、燃料電池が前記設定温度に達するまでは機器の必要電力が不足してしまう課題がある。
【００２４】
また、燃料電池は電流に比例して、燃料極から二酸化炭素，空気極から水を排出するため、これらの生成物が詰まって電圧が低下することがある。このようなときに燃料電池から電力をとると、過剰に燃料電池から電流が流れて生成物がさらに増大するという事態の悪化をまねく。そのためこのようなときに燃料電池の出力を過剰にとらない工夫が必要である。
【００２５】
なお、蓄電手段２には電気２重層コンデンサをはじめとするキャパシタや２次電池としてＮｉ系２次電池やＬｉ系２次電池としてリチウムポリマー電池や通常のリチウムイオン電池を用いることができる。
【００２６】
しかし、後述する本実施例の制御方式を実現するために機器の必要電力を通常の２Ｃ放電まで可能なＬｉ系２次電池で出力する場合は実際に必要なエネルギー容量よりも余分な容量を搭載しなければならない場合がありえる。そのような場合、エネルギー密度は劣るが、高レート電流での充放電が可能なＨＥＶ，ＥＶ用に良く使われるリチウムイオン電池，Ｎｉ系２次電池，プロトンポリマー電池，電気２重層コンデンサを用いることが小型化のために望ましい。
【００２７】
本構成において、機器６へ最大電力を供給したときの燃料電池１の下限電圧を蓄電手段の上限電圧以上に設定する。４.３〜３.６Ｖをリチウム電池の上限電圧と設定した場合、燃料電池の単セル最大電圧（約１.２〜０.８Ｖ）から電圧降下した最大出力設計点における電圧（約０.８〜０.３Ｖ）から勘案して、リチウム電池単セルに対して燃料電池の直列セル数は５〜１６セルの範囲が適当である。
【００２８】
なお、異なる種類の蓄電手段を使っても設定電圧に応じて対応可能で、電気２重層コンデンサの単セルで上限電圧を４.０〜２.３Ｖと設定した場合では３〜２０セルの範囲、
Ｎｉ系２次電池やプロトンポリマー電池の単セルで上限電圧を１.４〜１.０Ｖと設定した場合では２〜６セルの範囲が適当である。蓄電手段２を直列にするときには、燃料電池セル数を蓄電手段の直列数倍にすればよい。
【００２９】
以上に述べたように燃料電池１と蓄電手段２の上限電圧の対応を燃料電池１の出力特性を考慮して上記の範囲とすることで、サイズ，コスト，発電効率の最適化を行うことができる。
【００３０】
以上の２種類の電源からの電力をＤＣ／ＤＣコンバータ５にて電圧変換して機器６に適合できる電圧で電力供給を行う。ＤＣ／ＤＣコンバータ５は絶縁型，チョッパ型の昇圧コンバータが電池セル数を少なくするうえで効果的であるが、機器６に応じて降圧コンバータ，多出力コンバータとしても良い。
【００３１】
また、機器６に応じてソフトスタート機能を追加しても良い。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の回路図の一例を図２に示す。
【００３２】
コンバータ入力のＶinから機器６用出力Ｖout１，判別制御手段３用出力Ｖout２，燃料電池補機（燃料選択手段１３，送液手段１４）用出力Ｖout３ にそれぞれ電圧変換する構成になっている。Ｖout１とＶout３は昇圧チョッパ型、Ｖout２ は降圧リニア式レギュレータ型になっている。Ｖout２ はＤＣ／ＤＣコンバータドライバー９に降圧レギュレータが内蔵されている場合は、それを使って出力しても良い。
【００３３】
機器６としては、ノートＰＣやＰＤＡ，携帯電話，ＤＶＤプレーヤー，ＭＰ３プレーヤー等の携帯機器や掃除機，アイロン，キャンプ用電源のようなコードレス機器，車載用のバッテリに適用可能である。
【００３４】
次に燃料電池の構成について説明する。
【００３５】
燃料貯蔵部としては燃料外部タンク１１と内部タンク１２の２種類を持っている。燃料外部タンク１１は、ユーザにより着脱可能で、燃料の残量によって変化する抵抗値や静電容量値を測定することで燃料の残量が検出できる残量検出手段がついている。内部タンク１２は、燃料外部タンク１１よりも小型で燃料電池システム内に組み込まれて取り外し不可能なタンクであり、燃料電池を通った後の燃料を貯蔵し、気液分離膜や弁などで反応後の二酸化炭素をタンク外に排出することができる。内部タンクにも、燃料残量の検出手段が設けられている。
【００３６】
燃料選択手段１３は燃料外部タンク１１と内部タンク１２の流路を切り替えて、両方使える状態、どれか１つが使える状態、全て使えない状態のいずれかに切り替え可能である。また、両方使える状態にすることで燃料の濃度調整手段にも使うことができる。
【００３７】
燃料選択手段１３の具体的例としては、ステップモータや電磁弁などを用いる。送液手段１４は、燃料選択手段１３により切り替えられた流路からの燃料を燃料電池１に送り込む手段であり、ダイヤフラム式ポンプやピストン式ポンプなどを用いる。
【００３８】
なお、これらの駆動電力は蓄電手段２や燃料電池１やＤＣ／ＤＣコンバータ５から供給される。また、図中に記載していないが燃料電池１の実装形態によって、燃料電池空気極側への送風手段として空気ポンプやファンを追加しても良い。特に積層型燃料電池の場合は必須である。
【００３９】
次に制御手段及び方法について説明する。
【００４０】
判別制御手段３としては、ワンチップマイコンやコンパレータなどを用いることとする。判別制御手段３の駆動電力は、蓄電手段２や燃料電池１やＤＣ／ＤＣコンバータ５から供給される。判別制御手段３への入力信号として、燃料外部タンク１１，内部タンク１２の燃料残量情報，送液手段１４の状態情報，蓄電手段２の状態情報，燃料電池１の状態情報，ＤＣ／ＤＣコンバータ５の状態情報，機器６からの制御信号を取得する。
【００４１】
判別制御手段３の出力信号として、燃料選択手段１３への制御信号，送液手段１４への制御信号，充電スイッチ４への制御信号，ＤＣ／ＤＣコンバータ５への制御信号，機器６への制御信号を送信する。特に判別制御手段３がマイコンの場合、一般的な入出力端子に加え、残量情報送信のための通信用端子（シリアル,Ｉ２ｃ,ＳＭＢｕｓなど）や電圧判別のためのＡ／Ｄコンバータ用端子，起動信号等の割り込みのための割り込み端子(ＩＮＴ)やタイマー機能を備えていることが望ましい。
【００４２】
本実施例は、１次電池，２次電池，キャパシタなどの蓄電手段を備えた構成をもっている。しかしながら小型軽量化を実現するためには前記蓄電手段は可能な限り小さいほうが望ましいため、小容量の蓄電手段で運用可能な構成および制御方法が必要である。
【００４３】
そこで、この構成を用いた制御方法の詳細について以下で説明する。
【００４４】
制御方法として、以下説明する９つのモードを持つ。
【００４５】
第１のモードは、装置が停止した状態から蓄電手段が機器６への給電を開始して燃料電池１が定格出力可能な状態までの立ち上がり判定を行う起動モードである。
【００４６】
第２のモードは、燃料電池１と機器駆動の状態で各種信号や状態変化を監視判定しつづける定常モードである。
【００４７】
第３のモードは、第１モード後に燃料電池１の異常時の電圧低下をサポートして出力回復判定をする異常時モードである。
【００４８】
第４のモードは、燃料残量が多く蓄電手段２の電力残量が少ないときに蓄電手段２の充電をする定常充電モードである。
【００４９】
第５のモードは、燃料残量が少なく蓄電手段２の残量が少ないときに高負荷を禁止して充電をする高負荷禁止モードである。
【００５０】
第６のモードは、燃料が０になったときに機器６の駆動をストップする燃料０モードである。
【００５１】
第７のモードは、第６のモード後またはユーザのシャットダウン処理後に燃料電池１の停止処理をする燃料電池停止モードである。
【００５２】
第８のモードは、機器６と燃料電池１とが停止中の状態で各種信号や状態変化を監視判定しつづける停止中監視モードである。
【００５３】
第９のモードは、ユーザが長期間放置したときに自己放電などで一定以上放電されたときに燃料電池１を起動して電池への充電をする停止中充電モードである。
【００５４】
９つのモードのつながりを示すフローチャートを図３に示す。以下、図を用いて各モードの詳細について説明する。
【００５５】
第１のモードは、燃料電池に燃料が供給されておらず燃料電池の出力がほとんど０になっているために、蓄電手段２と燃料電池が電気的に遮断されている状態からスタートする。
【００５６】
もちろん燃料電池の燃料供給を止めない場合は、後述する第２の起動期間からスタートする。
【００５７】
第１のモードの起動は、第８のモードか第９のモードにおいてユーザの操作による機器立ち上げ信号を判別制御手段３で検知したことにより始まる。第１のモードのフローチャートを図５に示す。第８のモードから第１のモードに移行した場合、まず第１番目の起動判断が行われる。
【００５８】
燃料外部タンク１１に十分な量の燃料がない場合(残量０も含む)や燃料外部タンク１１が接続されていない場合は、起動不可能と判断して起動を中止する。このときにＬＥＤなどの表示手段（図示せず）をつけてユーザが判断できる構成にする。燃料がある場合は充電スイッチ４をＯＮにするとともに補機を即座に動作開始させる。この場合の補機は、燃料選択手段と送液手段とに加えて燃料電池空気極側の送風機を加えてもよい。
【００５９】
次に、燃料外部タンク１１と内部タンク１２とを合わせた燃料残量の判断が行われる。内部タンク容量が、ある下限値以下である場合は燃料外部タンク１１の燃料を全て内部タンク１２に移送し、第９のモードに移る。前記下限値以上である場合はＤＣ／ＤＣコンバータ５を駆動開始し、機器６への電力供給を開始する。このときの電圧は図４に示すように蓄電手段（Ｌｉ出力）＞燃料電池（ＤＭＦＣ出力）であるため、機器６への供給電力は全て蓄電手段２である。
【００６０】
第２の起動期間は、図４に示すように蓄電手段の電圧値≒燃料電池の電圧値となる期間である。燃料電池１と蓄電手段２の両方から機器６に電力が供給されるシェアモードになり、このときに第２の起動判断が行われる。正常時は燃料電池１からの電力が徐々に大きくなり、燃料電池１の電力シェア割合が蓄電手段２よりも多くなり、無事に次の起動期間に移行できる。しかし燃料電池１が故障などの異常状態で電力が上がらない場合は蓄電手段２の電力シェア割合が大きいままとなり、判別制御手段３のＡ／ＤポートなどでＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力側の電圧、つまり蓄電手段２の電圧が設定値よりも下がったことを検知して、判別制御手段３は起動失敗と判断する。次に判別制御手段３は機器６にシャットダウン信号を送って機器６をシャットダウンさせて、ＤＣ／ＤＣコンバータ５からの負荷情報からシャットダウンを確認し、ＤＣ／ＤＣコンバータ５を止めてＬＥＤなどの表示手段（図示せず）でユーザに故障状態を知らせる。また、燃料外部タンク１１と内部タンク１２の合計燃料残量が下限値以下である場合は第８のモードに移行する。
【００６１】
第３の起動期間は、燃料電池の電圧が、蓄電手段の電流が０の時の電圧よりも高くなったとき、すなわち蓄電手段（電流０）＜燃料電池の期間である。なお、第２の起動期間から第３の起動期間への切り替わりは明確に分かれているわけではなく、切り替わり付近では逆の第３の起動期間から第２の起動期間への切り替わりも、機器６の要求負荷の増減によって起こりえる。燃料電池１から機器６に電力が供給されるとともに蓄電手段２への充電もなされる。このことにより蓄電手段２の電圧は燃料電池１の電圧とともに上昇する。ここで最後の起動判断である第３番目の起動判断が行われる。設定した上限電圧(４.２〜４.３Ｖ)に到達したことを判別制御手段３のＡ／Ｄポートなどで蓄電手段２の電圧を検出し、充電スイッチ４をＯＦＦにして蓄電手段２への充電を終了する。蓄電手段２の充電電力が０になった分、燃料電池１の電圧が上昇して燃料利用効率の良い定常状態へと移行し、燃料電池１の起動が終了する。なお、蓄電手段２の放電側はダイオードで接続されているため、燃料電池電圧の急降下時に瞬時のサポートが可能な状態になっている。
【００６２】
また、このときの特性の遷移を図１３に示す。この図に示すように燃料電池は温度Ｔ１のような低温時には所期の電流まで出力することができない。しかしながら、蓄電手段と並列に電力を出力させることで、燃料電池の発電反応に伴う発熱や燃料電池の内部抵抗による発熱により燃料電池の温度を上げることができ、温度がＴ１⇒Ｔ２⇒Ｔ３⇒Ｔ４になるほど大電流を出力可能になる。また、燃料電池１の温度変化による出力変化の特性を図１８に示す。燃料電池１は図中に示すような電圧・電流範囲で変移を続け、起動後は燃料利用効率の良い範囲にて電力供給ができるような設計とする。
【００６３】
なお本実施例では、蓄電手段２としてリチウム電池を中心に説明しているが、その他の２次電池や電気２重層コンデンサを始めとしたキャパシタを適用した場合でも設定する上限電圧を変更するだけで容易に適用可能である。
【００６４】
以上の起動モードを実行することにより、ユーザの燃料電池起動待ち時間０、燃料電池起動中における出力不安定期間の安定出力、多数のセンサの必要がない燃料電池の簡易な起動判断システムの提供を実現することができる。携帯機器用システムではできるだけ小さな蓄電手段を使いたいが、蓄電手段で出力する時間が長くなると放電に伴う蓄電手段の電圧低下のため安定した出力を出しづらくなるという課題がある。この課題に対しても、燃料電池が完全に出力可能な状態まで蓄電手段のみで機器や燃料電池の補機の電力を出力しつづけるのではなく、定格出力の出せない不完全な状態でも燃料電池の出力を加えた並列出力状態にすることで、内部抵抗によるロスを低減させてより蓄電手段の容量を小さくすることができる。なお、蓄電手段がリチウム電池である場合は本方式で定電流充電領域を充電することになるため、必要分の充電ができ、かつ充電時間も少なくなる。また、燃料電池の定常時電力範囲より過負荷の状態になることにより燃料電池起動時間の向上も図ることができる。
【００６５】
第２のモードのフローチャートを図６に示す。燃料電池電圧，蓄電手段電圧，燃料残量（外部タンクの残量と内部タンクの残量の両方），ユーザが機器シャットダウン操作をしたことを示す機器側端子の機器停止信号を監視し、必要に応じて各モードへ移行する。
【００６６】
第３のモードは、第２のモードにおいて燃料電池の電圧が何らかの原因で降下したことを電圧検出手段で検出して移行する。この場合の１つの原因としては、反応に伴い生じる２酸化炭素と水の少なくとも１つが反応に必要な水とメタノールや酸素のＭＥＡへの供給を妨げることであることが観測された。第３のモードのフローチャートを図７に示す。また、このモードにおける電力と電圧の変化を図４に示す。まず充電スイッチをＯＮにして充放電可能な状態にする。燃料電池１の出力が回復して機器６への電力供給と蓄電手段２への充電が両方可能な状態になった場合は、蓄電手段２の電圧が上昇して上限電圧以上になったことで異常状態の終了と判断し、充電スイッチをＯＦＦにして第２のモードに戻る。燃料電池１の出力が異常状態のままであった場合は、蓄電手段の下限電圧以下となったことを検知して燃料電池の故障と判断して終了する。第３のモードの途中に燃料外部タンク１１と内部タンク１２を総合した残量が０になった場合は第６のモードに移行する。
【００６７】
第４のモードのフローチャートを図８に示す。蓄電手段の電圧が、緊急充電の必要があると判断される緊急充電電圧の設定値より下回ったことを検出し、かつ燃料外部タンク
１１と内部タンク１２の合計燃料残量が設定値よりも多いことを検出して移行する。まず充電スイッチ４をＯＮにして充放電可能な状態にする。正常な場合は蓄電手段２の電圧が上昇して上限電圧以上になったことで異常状態の終了と判断し、充電スイッチ４をＯＦＦにして第２のモードに戻る。燃料電池１の出力が異常状態のままであった場合は、蓄電手段２の下限電圧以下となったことを検知して燃料電池１の故障と判断して終了する。第４のモードの途中に燃料外部タンク１１と内部タンク１２を総合した残量が０になった場合は、第６のモードに移行する。
【００６８】
第５のモードのフローチャートを図９に示す。蓄電手段２の電圧が、緊急充電の必要があると判断される緊急充電電圧の設定値より下回ったことを検出し、かつ燃料外部タンク１１と内部タンク１２の合計燃料残量が内部タンク１２の容量よりも少ないことを検出して移行する。まず機器６に高負荷禁止の信号を送り、高負荷アプリなどの使用を禁止した後、充電スイッチ４をＯＮにして充放電可能な状態にする。正常な場合は蓄電手段２の電圧が上昇して上限電圧以上になったことで異常状態の終了と判断し、充電スイッチ４を
ＯＦＦにして第２のモードに戻る。燃料電池１の出力が異常状態のままであった場合は、蓄電手段２の下限電圧以下となったことを検知して燃料電池１の故障と判断して終了する。第４のモードの途中に燃料外部タンク１１と内部タンク１２を総合した残量が０になった場合は第６のモードに移行する。
【００６９】
第６のモードは、燃料外部タンク１１と内部タンク１２を総合した残量が０になったことにより移行する。まず機器６にシャットダウン信号を送り、強制シャットダウンを開始させ、第７のモードに移行する。なお、シャットダウン信号の変わりに機器６のＯＳが残量情報から判断して強制シャットダウンをかけるようにしても良い。その場合は残量０のときは直接第７のモードに移行する。
【００７０】
第７のモードは、第６のモードの後か、ユーザによるシャットダウン処理を示すシャットダウン信号の検知後に移行する。充電スイッチ４をＯＮにして、ＤＣ／ＤＣコンバータ５からの出力情報もしくは機器６からの信号により機器６がシャットダウンしたことを検知し、ＤＣ／ＤＣコンバータ５をＯＦＦにする。その後、補機であるファンやポンプを一定時間動作させ、第８のモードに移行する。
【００７１】
第８のモードは、第１のモードか第７のモードから移行する。機器６と燃料電池１が停止した状態で、判別制御手段３が燃料の残量と蓄電手段の残量と機器からの立ち上げ信号を監視しつづけ、検出した信号に基づき他のモードに移行する。なお、判別制御手段３によって省電力動作に移行することが望ましい。
【００７２】
第９のモードは第８のモードにおいて蓄電手段２の残量検出結果、もしくは判別制御手段３が備えているタイマー機能の少なくとも１つの機能により移行する。燃料電池１に燃料を送り込み、燃料電池１を起動して蓄電手段２に充電する。上限電圧に達した回数や上限電圧から一定時間内に下限電圧に達しないことを確認して第８のモードに移行する。途中でユーザによる起動信号を検出した場合は第１のモードに移行する。
【００７３】
なお、以上で説明した各モードにおける制御を全て実装する必要はなく、それぞれのモードにおける対策内容の必要に応じて実装すればよい。
【００７４】
次に機器６とのインターフェースの仕様について説明する。
【００７５】
機器６へ送信する信号は燃料外部タンク１１の燃料残量情報と燃料電池１の状態情報の２種類である。
【００７６】
燃料残量情報は１端子以上（ＧＮＤと合わせて２端子以上）を使い１ビット以上の情報で送るか、２端子以上の端子を使った通信方式（ＳＭＢｕｓ，シリアル，パラレル等）で送る。もちろん１端子（ＧＮＤと合わせて２端子）を使った通信方式でもよい。また、アナログの電圧値や周波数を使って送っても良い。また、上記を組み合わせても構わない。
【００７７】
燃料電池の状態情報としては、蓄電手段の残量と燃料の残量が少ないときの高負荷可否信号，故障などの際に機器を強制シャットダウンさせるためのシャットダウン信号がある。なお、高負荷可否信号の代わりに、蓄電手段電圧などの蓄電手段残量情報を端子に出力し、機器側のＯＳで高負荷の可否を判断させても良い。また、上記信号の他に、燃料電池に設けた温度センサによる燃料電池温度や蓄電手段に設けた温度センサによる検出温度も必要に応じて加えても良い。また、燃料電池機器を従来のリチウム電池パックと置き換え可能な構成にするために燃料電池とリチウム電池パックとの識別信号を加えても良い。
【００７８】
機器から送信される信号は、ユーザの操作による機器立ち上げ信号と機器駆動情報信号の２種類である。
【００７９】
機器立ち上げ信号は、ユーザが機器６のスイッチをＯＮにすることで状態が変化し、判別制御手段３が、その状態変化を検知する。また、例えば機器立ち上げ信号を、ユーザのスイッチＯＮの動作で機器６がＬｏｗからＨｉｇｈに変化させて機器６の立ち上げ開始を通知した後、機器６の駆動中はＨｉｇｈの状態を維持することで機器駆動情報信号と兼ねることも可能である。従って、機器６がスタンバイなどで要求電力がほぼ０となったときでも、判別制御手段３は機器６がシャットダウンしたわけではないと判断することができる。また、機器駆動情報信号のための端子として、機器６がノートＰＣなどである場合、ＵＳＢ機器などが接続されて使用しているＵＳＢポート数に応じて判別用の端子を設けても良い（例えば３ポートの場合は２端子）。また、２端子以上の端子を使った通信方式で接続機器数，起動アプリケーション数などの負荷情報を機器６のＯＳ側から通知させるようにしても良い。もちろんこのときの通信端子は燃料電池の状態情報の通信端子と兼ねても良い。
【００８０】
また、上記に挙げた信号の中で特に緊急性が要求される信号（機器立ち上げ信号，シャットダウン信号，高負荷禁止信号など）は受け側の端子を割り込み端子（ＩＮＴ）にしてある方が望ましい。
【００８１】
上記に加えて、機器６との着脱を検出し、その検出結果に応じて判別制御手段がＯＮ，ＯＦＦを制御する負荷遮断スイッチ７を設けた構成を図１４に示す。負荷遮断スイッチ７は、ＮチャネルパワーＭＯＳ  ＦＥＴの使用や、負荷のプラス側に配置してＰチャネルパワーＭＯＳ  ＦＥＴを用いても良い。また、負荷遮断スイッチ７にかかる電圧にて負荷電流を検出しても良い。また、この構成においてＤＣ／ＤＣコンバータ５が絶縁型でない場合は未使用時にも電力端子の短絡の可能性があるため、負荷遮断スイッチ７にかかる電圧から短絡検出を行っても良い。また、図１５に示すように、破線で囲まれた以外の部分
（電池パック）の機器６からの脱着により、負荷遮断スイッチ７が遮断されてＯＦＦになるように端子を備えても良い。
【００８２】
本実施例によれば、蓄電手段の小型軽量化を実現でき、従来の２次電池を搭載したものと同様に携帯機器を即使用可能となるのに加え、燃料電池の昇温を促進できる。
【００８３】
（第２の実施例）
燃料外部タンク１１を２つ用いた場合の実施例について以下で説明する。
【００８４】
第１の実施例に対して大きく変わる部分は燃料関係の構成である。このときの構成を図
１０に示す。図１０の構成においては、２つの燃料外部タンク１１と内部タンク１２の２種類の燃料貯蔵部を持っている。燃料外部タンク１１は、ユーザにより着脱可能で燃料の残量を検出する残量検出手段を備えている。内部タンク１２は、燃料電池システム内に組み込まれて取り外しはできず、燃料外部タンク１１よりも小型のタンクであり、燃料電池１を通った後の燃料を貯蔵することができる。
【００８５】
燃料選択手段１３は、２つの燃料外部タンク１１と内部タンク１２の流路を切り替えて、２つ以上が使える状態、どれか１つが使える状態、全て使えない状態のいずれかに切り替え可能である。どれか１つを使う場合はもっとも残量の少ない燃料貯蔵部を使う。従って内部タンク１２に残量がある場合は、内部タンク１２の燃料を使い、内部タンク１２の残量がない場合は、燃料外部タンク１１の２つのうち残量が少ない方の燃料外部タンクを使う。なお、燃料外部タンク１１のうち１つが残量０もしくは接続されていない場合は、もう一方の燃料外部タンク１１を使う。また、燃料選択手段１３として、ステップモータや電磁弁などを用いる。送液手段１４は、燃料選択手段１３により切り替えられた流路からの燃料を燃料電池１に送り込む手段であり、ダイヤフラム式ポンプやピストン式ポンプなどを用いる。なお、これらの駆動電力は蓄電手段２や燃料電池１やＤＣ／ＤＣコンバータ５から供給される。
【００８６】
また、図中に記載していないが燃料電池１の実装形態によって、燃料電池空気極側への送風手段として空気ポンプやファンを追加しても良い。特に積層型燃料電池の場合は必須である。
【００８７】
構成以外の部分は第１の実施例と変わりはない。しかし、燃料外部タンクを２つ持つ方が燃料外部タンク１つの構成に比べて、残量０と検出された燃料外部タンクの交換時間をより長く設定することができるため、燃料が完全に０となる確率が減少するというメリットがある。
【００８８】
（第３の実施例）
本発明の第３の実施例を図１１に示す。本実施例の燃料電池システムは、破線で示した部分を機器本体に内蔵し、破線部分以外が電池パックという構成である。本実施例の特徴は、機器６と燃料電池１をつなぐインターフェースの仕様である。インターフェースは、燃料電池１の電力端子と補機の電力端子に加えて燃料外部タンク１１と内部タンク１２の残量信号端子，補機への制御信号端子，燃料電池１の温度等の状態信号端子，燃料電池１と蓄電手段２との識別信号端子を備えたものになる。
【００８９】
（第４の実施例）
本発明の第４の実施例を図１２に示す。本実施例の燃料電池システムは、破線で示した部分を機器本体に内蔵し、破線部分以外が電池パックという構成であるが、機器本体に内蔵する要素が図１１とは異なっている。本実施例の特徴は、機器６と燃料電池１をつなぐインターフェースの仕様である。インターフェースは、燃料電池１の電力端子と残量信号端子，ＤＣ／ＤＣコンバータ５との双方向信号端子，燃料電池１の温度等の状態信号端子，燃料電池１と蓄電手段２との識別信号端子を備えたものになる。
【００９０】
（第５の実施例）
本発明の第５の実施例を図１６に示す。本実施例の燃料電池システムは、家庭などでコンセントから機器駆動用の電力を供給する構成である。本実施例では機器にＡＣアダプタ２１が接続されたことを検出しても前記実施例１と制御方法は変わらず、ＡＣアダプタ
２１が接続された状態でユーザが機器のスイッチをＯＮにすると燃料電池１の起動を始める。ＡＣアダプタ２１の有無に関わらず前記実施例１と同様に燃料電池１の起動を行うことでＡＣアダプタ２１が突然未接続になった場合でも機器６への電力供給が止まることはない。
【００９１】
また、ＡＣアダプタの接続検出は機器側との通信やＤＣ／ＤＣコンバータ５の機器側にかかる電圧が高くなったことを検出することによって実現する。
【００９２】
また、ＡＣアダプタ２１の接続を検出して機器側から蓄電手段２の充電を行っても良い。そのときの構成を図１７に示す。蓄電手段充電回路２２は蓄電手段２の特性に応じた充電制御手段を備えていれば良い。降圧コンバータによって定電流・定電圧充電を行う構成、定電流ダイオードのみで電流制限を加えただけの構成、定電流ダイオードと定電圧ダイオードによる電流制限と電圧制限を加えたものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明における第１の実施例における構成である。
【図２】本発明における第１の実施例におけるＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成である。
【図３】本発明における全体フローチャートである。
【図４】本発明における第１のモードと第２のモードと第３のモードにおける電力と電圧と各種信号との関係を説明する図である。
【図５】本発明における第１のモードのフローチャートである。
【図６】本発明における第２のモードのフローチャートである。
【図７】本発明における第３のモードのフローチャートである。
【図８】本発明における第４のモードのフローチャートである。
【図９】本発明における第５のモードのフローチャートである。
【図１０】本発明における第２の実施例における構成である。
【図１１】本発明における第３の実施例における構成である。
【図１２】本発明における第４の実施例における構成である。
【図１３】本発明における第１のモードにおける燃料電池と蓄電手段の電流と電圧の関係を説明する図である。
【図１４】本発明における負荷遮断スイッチを追加した構成である。
【図１５】本発明における負荷遮断スイッチとインターフェース仕様を追加した構成である。
【図１６】本発明における第５の実施例における構成である。
【図１７】本発明における第５の実施例における蓄電手段充電回路を追加した構成である。
【符号の説明】
【００９４】
１…燃料電池、２…蓄電手段、３…判別制御手段、４…充電スイッチ、５…ＤＣ／ＤＣコンバータ、６…機器、７…負荷遮断スイッチ、８…放電スイッチ、９…ＤＣ／ＤＣコンバータドライバー、１１…燃料外部タンク、１２…内部タンク、１３…燃料選択手段、
１４…送液手段、２１…ＡＣアダプタ、２２…蓄電手段充電回路。
【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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【図１７】
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