(57)【要約】【課題】同期整流型のスイッチング電源を用いて電力損失を低減しつつ、燃料電池の劣化を低減することができる電源装置を提供する。【解決手段】負荷１３を接続するための接続端子２，３と、燃料電池４と、接続端子２，３間に接続された二次電池６と、燃料電池の発電電圧を二次電池６の出力電圧に変換して接続端子２，３間に出力する同期整流型のＤＣ−ＤＣコンバータ５と、燃料電池４の出力電流Ｉｉｎを検出する電流検出部７とを備えた。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２と、電流検出部７により検出された出力電流Ｉｉｎが、電流閾値Ｉｒｅｆ以下の場合、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２をオフさせる制御部８とを備えた。【選択図】図１
2008043146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷を接続するための第１及び第２接続端子と、
燃料電池と、
前記第１及び第２接続端子間に接続された蓄電素子と、
前記燃料電池の出力電圧を、前記蓄電素子の出力電圧に変換して前記第１及び第２接続端子間に出力する同期整流型のスイッチング電源部と、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部とを備え、
前記スイッチング電源部は、
前記蓄電素子と直列に接続された第１スイッチング素子と、
前記蓄電素子と並列に接続された第２スイッチング素子と、
前記電流検出部により検出された出力電流が、予め設定された閾値以下の場合、前記第１及び第２スイッチング素子を同時にオフさせる同時オフ制御を行う制御部とを備えること
を特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
前記制御部は、さらに、前記電圧検出部により検出された電圧が、予め設定された電圧閾値を超える場合、前記第１及び第２スイッチング素子を交互にオン、オフさせることにより、前記スイッチング電源部に、電圧変換動作を開始させること
を特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記スイッチング電源部に電圧変換動作を開始させる際に、前記電流検出部により検出された前記出力電流に基づく前記同時オフ制御を予め設定された時間禁止する禁止制御部を備えること
を特徴とする請求項１又は２記載の電源装置。
【請求項４】
前記スイッチング電源部は、前記燃料電池の出力電圧を所定の設定出力電圧に保持するように、前記第１及び第２スイッチング素子を交互にオン、オフさせるデューティ比を制御して、前記燃料電池から当該スイッチング電源部に流入する電流量を調節すること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池により生成された電力を、所定の電圧に変換して負荷に供給する電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータなどの携帯用電子機器や、電動工具などの電気機械においては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの二次電池が電源として広く使用されている。しかし、二次電池を用いてこのような機器類を動作させると、電池容量の制限から機器の連続動作可能な時間が十分に得られない。例えば、二次電池で携帯型のパーソナルコンピュータを動作させると、連続して電力供給可能な時間が例えば４時間程度になってしまう。
【０００３】
一方、近年、長時間連続して電力を供給することができる燃料電池が注目されている。例えば、パーソナルコンピュータに電力を供給する場合、２０〜４０時間連続して電力を供給できる燃料電池が考えられている。
【０００４】
燃料電池は、電解質層を燃料極（−）と空気極（＋）とで狭持した単セルを積層した構成を有し、燃料極に燃料を、空気極に空気をそれぞれ供給し、電気化学反応させることにより電力を生じさせる。燃料として、例えば水素やメタノール等が使用される。このような燃料電池の出力電圧は、必ずしも負荷装置が要求する動作用の電源電圧と一致しないため、燃料電池の出力電圧を、負荷装置の動作用電源電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータが用いられる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
図６は、このような背景技術に係るＤＣ−ＤＣコンバータを用いた電源装置の回路図である。図６に示す電源装置１０１は、燃料電池１０２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３と、二次電池１０４とを備えており、二次電池１０４の両端電圧が負荷１０５へ出力されるようになっている。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、燃料電池１０２の出力電圧を昇圧する昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータである。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、コイル１０６と、ダイオード１０７と、スイッチング素子１０８とを備えている。
【０００６】
そして、燃料電池１０２の正極端子が、コイル１０６、ダイオード１０７、及び二次電池１０４を介して燃料電池１０２の負極端子に接続されている。また、ダイオード１０７と二次電池１０４との直列回路と並列に、スイッチング素子１０８が接続されている。このように構成されたＤＣ−ＤＣコンバータ１０３では、負荷に供給される出力電流がダイオード１０７を流れる際に、ダイオード１０７の順方向電圧と、出力電流とを乗じた値の電力損失が発生する。
【０００７】
例えば、ダイオード１０７として順方向電圧の小さいショットキーバリアダイオードを用いた場合であっても、順方向電圧は少なくとも０．３Ｖとなる。そうすると、出力電流が例えば１０Ａであれば、ダイオード１０７における電力損失は、１０Ａ×０．３Ｖ＝３Ｗとなる。
【０００８】
そこで、近年、オン抵抗が小さいパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を、ダイオード１０７の代わりに用いた同期整流型のＤＣ−ＤＣコンバータが用いられるようになっている。図７は、このような同期整流型のＤＣ−ＤＣコンバータ１１２を用いた電源装置１１０の回路図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２は、図６に示すＤＣ−ＤＣコンバータ１０３とは、ダイオード１０７の代わりにスイッチング素子１１６を用いる点で異なる。また、電源装置１１０は、電源装置１０１における二次電池１０４の代わりに二次電池１１３を用いた例を示している。燃料電池１０２は、負荷電流の変動に対する応答性が低いので、二次電池１１３の充放電によって、負荷電流の変動を吸収するようになっている。
【０００９】
この場合、スイッチング素子１１６としてパワーＭＯＳＦＥＴ（例えばインターナショナルレクティファイアー社製ＩＲＦ７８０９）を用いると、オン抵抗が７ｍΩとなる。この場合、出力電流が例えば１０Ａであれば、スイッチング素子１１６における電力損失は、１０Ａ×１０Ａ×７ｍΩ＝０．７Ｗとなり、上述のＤＣ−ＤＣコンバータ１０３におけるダイオード１０７での電力損失より、電力損失が低減される。
【００１０】
このように構成されたＤＣ−ＤＣコンバータ１１２では、スイッチングコントローラ１１４から、所定のデューティ比を有する制御信号をスイッチング素子１０８とインバータ１１７とへ出力し、インバータ１１７で反転された信号をスイッチング素子１１６へ出力する。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２は、スイッチングコントローラ１１４によってスイッチング素子１０８とスイッチング素子１１６とを交互にオン、オフさせて、このオンオフデューティを調節することにより、前記燃料電池の出力電圧を一定に制御する。
【００１１】
ここで、燃料電池の出力電圧であり、かつＤＣ−ＤＣコンバータ１１２の入力電圧でもある電圧をＶｉ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２の出力電圧をＶｏ、スイッチング素子１０８のオンデューティ比をＤとすると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２の昇圧比（Ｖｏ／Ｖｉ）は、下記の式（１）で示される。
Ｖｏ／Ｖｉ＝１／（１−Ｄ）  ・・・（１）
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１２の出力端には、二次電池１１３が接続されているから、式（１）において、出力電圧Ｖｏは、二次電池１１３の出力電圧と等しい。このときＶｉが設定値になるようにオンデューティ比Ｄを制御する。
【特許文献１】特表２００６−５０１７９８号公報（図１Ａ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、電力損失を低減するために、同期整流型のＤＣ−ＤＣコンバータ１１２を用いると、例えば燃料が不足する等して燃料電池１０２の出力電力が低下したり、燃料電池１０２の出力インピーダンスが大きく増大したりすることにより、燃料電池１０２の出力電流が低下してくると、スイッチング素子１１６はダイオード１０７とは異なり逆方向に電流が流れ、燃料電池の出力電圧Ｖｉが設定値になるようにオンデューティ比Ｄが制御される。そうすると、二次電池１１３からスイッチング素子１１６とコイル１０６とを介して燃料電池１０２へ、逆方向に電流が流れて燃料電池１０２を劣化させるおそれがある。
【００１３】
以上のように、燃料電池を用いた電源装置では、負荷電流の変動に対する応答性が低いという燃料電池の特性上の必要から、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端に二次電池やコンデンサ等の蓄電素子が設けられる。また、燃料電池を用いた電源装置にこのような蓄電素子が設けられた場合に、電力損失の小さい同期整流型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いると、蓄電素子から燃料電池へ電流が逆流してしまうおそれがあり、一方で燃料電池は、電流が逆流すると劣化するという特性があるため、燃料電池を劣化させるおそれがあるという不都合があった。
【００１４】
本発明は、このような燃料電池を用いた電源装置に特有の事情に鑑みて為された発明であり、ダイオードを用いた非同期整流型のＤＣＤＣコンバータに比べて電力損失が小さい同期整流型のスイッチング電源を用いつつ、燃料電池への電流の逆流を抑制し、燃料電池の劣化を抑制することができる電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る電源装置は、負荷を接続するための第１及び第２接続端子と、燃料電池と、前記第１及び第２接続端子間に接続された蓄電素子と、前記燃料電池の出力電圧を、前記蓄電素子の出力電圧に変換して前記第１及び第２接続端子間に出力する同期整流型のスイッチング電源部と、前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部とを備え、前記スイッチング電源部は、前記蓄電素子と直列に接続された第１スイッチング素子と、前記蓄電素子と並列に接続された第２スイッチング素子と、前記電流検出部により検出された出力電流が、予め設定された閾値以下の場合、前記第１及び第２スイッチング素子を同時にオフさせる同時オフ制御を行う制御部とを備える。
【００１６】
この構成によれば、燃料電池の出力電力が、蓄電素子の出力電圧に変換されて、第１及び第２接続端子間に接続された蓄電素子に充電される。そして、燃料電池の出力電流が、電流検出部により検出される。さらに、電流検出部により検出された燃料電池の出力電流が、予め設定された閾値以下の場合、制御部によって、第１及び第２スイッチング素子がオフされるので、燃料電池の出力電流が低下した場合であっても、蓄電素子の出力電流が第１スイッチング素子や第２スイッチング素子を介して燃料電池に逆流し、燃料電池を劣化させることを防ぐことができる。
【００１７】
また、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、前記制御部は、さらに、前記電圧検出部により検出された電圧が、予め設定された電圧閾値を超える場合、前記第１及び第２スイッチング素子を交互にオン、オフさせることにより、前記スイッチング電源部に、電圧変換動作を開始させることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、電圧検出部によって、燃料電池の出力電圧が検出される。また、電圧検出部により検出された電圧が、予め設定された電圧閾値を超え、従って、第１及び第２スイッチング素子をオンさせても蓄電素子の出力電流が第１スイッチング素子や第２スイッチング素子を介して燃料電池に逆流して燃料電池を劣化させるおそれがない場合に、第１及び第２スイッチング素子が交互にオン、オフされ、スイッチング電源部の電圧変換動作を開始させることができる。
【００１９】
また、前記制御部は、前記スイッチング電源部に電圧変換動作を開始させる際に、前記電流検出部により検出された前記出力電流に基づく前記同時オフ制御を予め設定された時間禁止する禁止制御部を備えることが好ましい。この構成によれば、第１及び第２スイッチング素子が同時にオフされ、従って燃料電池からスイッチング電源部に流れる電流が遮断されている場合に、電流検出部により検出された出力電流レベルが閾値以下となったとしても、禁止制御部によって予め設定された時間同時オフ制御が禁止されるので、スイッチング電源部に電圧変換動作を開始させることができなくなることを回避することができる。
【００２０】
また、前記スイッチング電源部は、前記燃料電池の出力電圧を所定の設定出力電圧に保持するように、前記第１及び第２スイッチング素子を交互にオン、オフさせるデューティ比を制御して、前記燃料電池から当該スイッチング電源部に流入する電流量を調節するようにしてもよい。
【００２１】
燃料電池は、出力電圧によって発電効率が変化するので、スイッチング電源部によって、燃料電池の出力電圧が、良好な発電効率が得られる設定出力電圧に保持されることで、燃料電池の発電効率を向上させることが可能になる。そして、このようなスイッチング電源部は、例えば燃料が不足する等して燃料電池の出力電力が低下したり、燃料電池の出力インピーダンスが大きく増大したりすることにより、燃料電池から当該スイッチング電源部に流入する電流量がゼロになってもなお、蓄電素子の出力電流を燃料電池に逆流させることで燃料電池の出力電圧を設定出力電圧に上昇させようとする。そのため、蓄電素子の出力電流が燃料電池に逆流して燃料電池を劣化させるおそれが増大するが、このような場合であっても上述の制御部によって、電流検出部により検出された出力電流が閾値以下の場合、第１及び第２スイッチング素子が同時にオフされて電流の逆流が抑制されるので、燃料電池を劣化させるおそれが低減される。
【発明の効果】
【００２２】
このような構成の電源装置は、燃料電池の出力電力が、第１及び第２接続端子間に接続された負荷へ、同期整流型のスイッチング電源部により供給される。また、電流検出部により検出された燃料電池の出力電流が、予め設定された閾値以下の場合、制御部によって、第１及び第２スイッチング素子が同時にオフされるので、燃料電池の出力電流が低下した場合であっても、蓄電素子の出力電流が第１スイッチング素子や第２スイッチング素子を介して燃料電池に逆流し、燃料電池を劣化させることが低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００２４】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電源装置の構成の一例を示す回路図である。図１に示す電源装置１は、接続端子２（第１接続端子）、接続端子３（第２接続端子）、燃料電池４、ＤＣ−ＤＣコンバータ５、二次電池６（蓄電素子）、電流検出部７（電流検出部）、制御部８、アンドゲート９，１０、インバータ１１、及びスイッチングコントローラ１２を備えて構成されている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ５、制御部８、スイッチングコントローラ１２、アンドゲート９，１０、及びインバータ１１によって、同期整流型のスイッチング電源部の一例が構成されている。
【００２５】
ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、いわゆる同期整流型のＤＣ−ＤＣコンバータであり、コイルＬ１、スイッチング素子ＳＷ１（第１スイッチング素子）、及びスイッチング素子ＳＷ２（第２スイッチング素子）を備えている。なお、スイッチング電源部は、ＤＣ−ＤＣコンバータを備える例に限られず、例えば同期整流型のＡＣ−ＤＣコンバータを備えるものであってもよい。
【００２６】
また、接続端子２，３の間に負荷１３が接続されている。接続端子２，３は、負荷１３を接続するものであればよく、例えばコネクタであってもよく、ランドやパッド等の配線パターンであってもよい。負荷１３は、電源装置１から電力供給を受ける電気機器、例えば携帯型のパーソナルコンピュータや携帯電話端末装置等の本体部である。
【００２７】
燃料電池４は、図略の燃料供給装置から供給されたメタノールや水素等の燃料に基づき発電を行い、得られた電力を正極端子と負極端子との間に出力する。そして、燃料電池４の正極端子は、電流検出部７、コイルＬ１、及びスイッチング素子ＳＷ１を介して接続端子２に接続されている。また、燃料電池４の負極端子は、接続端子３に接続されている。
【００２８】
そして、二次電池６の正極端子が接続端子２に接続され、二次電池６の負極端子が接続端子３に接続されている。すなわち、スイッチング素子ＳＷ１と二次電池６とは、燃料電池４から見て直列に接続されている。さらに、コイルＬ１とスイッチング素子ＳＷ１との接続点と燃料供給装置の負極端子との間に、すなわちスイッチング素子ＳＷ１と二次電池６との直列回路と並列に、スイッチング素子ＳＷ２が接続されている。
【００２９】
これにより、二次電池６の両端電圧が電源装置１の出力電圧Ｖｏｕｔとして、接続端子２，３を介して負荷１３へ供給されるようになっている。
【００３０】
二次電池６は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等の蓄電素子が用いられる。この場合、二次電池６がリチウムイオン二次電池であれば、例えば出力電圧Ｖｏｕｔは４．２Ｖとなり、二次電池６がニッケル水素二次電池であれば、例えば出力電圧Ｖｏｕｔは１．２Ｖとなる。なお、二次電池６は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池の電池セルが、複数個、直列又は並列に接続されたものであってもよい。また、蓄電素子として、二次電池６の代わりにコンデンサを用いてもよい。
【００３１】
スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２としては、オン抵抗の小さいスイッチング素子、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ（例えばインターナショナルレクティファイアー社製ＩＲＦ７８０９）等のスイッチング素子を用いることができる。
【００３２】
スイッチングコントローラ１２は、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のオンオフデューティを調節することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電圧Ｖｏｕｔを制御するものである。そして、スイッチングコントローラ１２は、燃料電池４の出力電圧、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧をＶｉｎ、二次電池６の両端電圧、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電圧をＶｏｕｔとすると、以下の式（２）の条件を満たすデューティ比Ｄを有する制御信号Ｓ１を出力する。
【００３３】
Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ＝１／（１−Ｄ）  ・・・（２）
式（２）において、Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎは、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の昇圧比αを示している。
【００３４】
なお、スイッチングコントローラ１２は、デューティ比Ｄを調節することで、燃料電池４から出力される入力電圧Ｖｉｎを、予め設定された設定出力電圧に保持するように、燃料電池４からＤＣ−ＤＣコンバータ５へ流入する出力電流Ｉｉｎを調節することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を入力電圧一定型のＤＣ−ＤＣコンバータとして動作させるようにしてもよい。
【００３５】
燃料電池４は、出力電圧によって発電効率が変化するので、スイッチングコントローラ１２によって、ＤＣ−ＤＣコンバータ５を、燃料電池４の出力電圧が良好な発電効率が得られる設定出力電圧になるように制御することで、燃料電池の発電効率を向上させることが可能になる。そして、スイッチングコントローラ１２によってＤＣ−ＤＣコンバータ５が、入力電圧一定型のＤＣ−ＤＣコンバータとして制御されると、出力電流Ｉｉｎがゼロになってもなお燃料電池４の出力電圧が設定出力電圧より低下した場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、二次電池６の出力電流を燃料電池４に逆流させることで燃料電池４の出力電圧を設定出力電圧に上昇させようとする。
【００３６】
そのため、入力電圧一定型のＤＣ−ＤＣコンバータでは、二次電池６の出力電流が燃料電池４に逆流して燃料電池４を劣化させるおそれが増大するが、このような場合であっても制御部８によって、制御信号Ｓ２がローレベルにされてスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が同時にオフされ、電流の逆流を抑制することができるので、燃料電池４を劣化させるおそれを低減することができる。従って、電源装置１は、入力電圧一定型のＤＣ−ＤＣコンバータと好適に組み合わせることができる。
【００３７】
図２は、制御信号Ｓ１の一例を示す信号波形図である。図２に示すように、制御信号Ｓ１の周期をＴ、制御信号Ｓ１がハイレベル（Ｈ）の期間をＴｏｎとすると、デューティ比Ｄは、Ｔｏｎ／Ｔとなる。
【００３８】
そして、このようにして得られた制御信号Ｓ１が、スイッチングコントローラ１２からアンドゲート９を介してスイッチング素子ＳＷ２へ出力され、制御信号Ｓ１がハイレベルでスイッチング素子ＳＷ２がオン、制御信号Ｓ１がローレベルでスイッチング素子ＳＷ２がオフすることにより、スイッチング素子ＳＷ２のオンデューティがデューティ比Ｄになるように、スイッチング素子ＳＷ２がオンオフされる。また、スイッチングコントローラ１２から出力された制御信号Ｓ１は、インバータ１１により反転された後、アンドゲート１０を介してスイッチング素子ＳＷ１へ出力される。そうすると、スイッチング素子ＳＷ１は、スイッチング素子ＳＷ２がオンのときオフ、スイッチング素子ＳＷ２がオフのときオンすることとなり、すなわちスイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２が交互にオンオフされる。
【００３９】
このように、スイッチングコントローラ１２からの制御信号Ｓ１に応じてスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン、オフ動作が制御されることにより、式（２）に応じて得られた出力電圧Ｖｏｕｔが、ＤＣ−ＤＣコンバータ５から接続端子２，３を介して負荷１３へ出力される。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力が負荷１３の消費電力を上回ったときは、余剰電力が二次電池６に蓄えられ、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力が負荷１３の消費電力を下回ったときは、電力の不足分が二次電池６から負荷１３へ供給されることで、負荷１３における消費電力の変動が吸収されるようになっている。
【００４０】
電流検出部７は、燃料電池４からＤＣ−ＤＣコンバータ５へ流れる出力電流Ｉｉｎを検出し、その検出値を制御部８へ出力する。電流検出部７としては、例えばシャント抵抗やホール素子等の電流センサが用いられる。
【００４１】
制御部８は、例えばコンパレータを用いて構成されており、電流検出部７により検出された出力電流Ｉｉｎが、予め設定された電流閾値Ｉｒｅｆ以下の場合、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２をオフさせる制御回路である。電流閾値Ｉｒｅｆは、例えばゼロよりも僅かに大きい電流値が設定されている。図３は、制御部８の動作を説明するための信号波形図である。図３において、横軸は、電流検出部７により検出された出力電流Ｉｉｎの電流値を示している。そして、制御部８から出力される制御信号Ｓ２は、出力電流Ｉｉｎが電流閾値Ｉｒｅｆ以下の場合ローレベル（Ｌ）にされ、出力電流Ｉｉｎが電流閾値Ｉｒｅｆを超える場合ハイレベル（Ｈ）にされて、アンドゲート９，１０へ出力される。
【００４２】
この場合、燃料電池４の出力電流Ｉｉｎが電流閾値Ｉｒｅｆ以下に低下すると、制御部８によって制御信号Ｓ２がローレベルにされ、アンドゲート９，１０の出力信号が共にローレベルにされて、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が共にオフされる。
【００４３】
上述のように構成された電源装置１では、燃料電池４で生成された電力が、ＤＣ−ＤＣコンバータ５へ供給される。そして、スイッチングコントローラ１２から出力された制御信号Ｓ１に応じて、スイッチング素子ＳＷ２がデューティ比Ｄでオン、オフされる。また、スイッチング素子ＳＷ１は、インバータ１１で反転された制御信号Ｓ１に応じてスイッチング素子ＳＷ２がオンのときにオフ、スイッチング素子ＳＷ２がオフのときにオンされる。
【００４４】
このように、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２とがスイッチングコントローラ１２によって交互にオン、オフされることにより、燃料電池４で発電された電力が、ＤＣ−ＤＣコンバータ５によって出力電圧Ｖｏｕｔにされて、接続端子２，３を介して負荷１３へ供給される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力が負荷１３の消費電力を上回ったときは、余剰電力が二次電池６に蓄えられ、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力が負荷１３の消費電力を下回ったときは、電力の不足分が二次電池６から負荷１３へ供給されることで、負荷１３における消費電力の変動が吸収される。
【００４５】
そして、例えば燃料電池４の燃料が不足する等の理由により燃料電池４の出力電流Ｉｉｎが減少すると、電流検出部７により検出された出力電流Ｉｉｎに基づき、制御部８によって、出力電流Ｉｉｎの減少が進んで二次電池６から燃料電池４への電流の逆流が始まる前に、出力電流Ｉｉｎが電流閾値Ｉｒｅｆに達した際に、制御信号Ｓ２がローレベルにされ、アンドゲート９，１０によってスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフされて電流の逆流が阻止されるので、同期整流型のＤＣ−ＤＣコンバータ５を用いて電力損失を低減させつつ燃料電池４が電流の逆流によって劣化するおそれを低減することができる。
【００４６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る電源装置について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係る電源装置１ａの構成の一例を示す回路図である。図４に示す電源装置１ａは、図１に示す電源装置１とは、電圧検出部１４をさらに備える点、及び制御部８ａの構成が異なる点で異なる。その他の構成は図１に示す電源装置１と同様であるのでその説明を省略し、以下本実施形態の特徴的な点について説明する。
【００４７】
電圧検出部１４は、燃料電池４の出力電圧、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータ５の入力電圧Ｖｉｎを検出し、入力電圧Ｖｉｎの電圧値を制御部８ａへ出力する。電圧検出部１４は、例えば入力電圧Ｖｉｎを制御部８ａで取り扱い可能な電圧レベルに変換するための増幅器であってもよく、入力電圧Ｖｉｎをそのまま制御部８ａに印加する配線であってもよい。
【００４８】
制御部８ａは、電流検出部７により検出された出力電流Ｉｉｎの電流値が電流閾値Ｉｒｅｆ以下の場合と、電圧検出部１４により検出された入力電圧Ｖｉｎの電圧値が電圧閾値Ｖｒｅｆ１よりも低い電圧値に設定された電圧閾値Ｖｒｅｆ２以下の場合とに、制御信号Ｓ２をローレベルにして、アンドゲート９，１０の出力信号をローレベルにすることでスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２をオフさせる。
【００４９】
図５は、制御部８ａの構成の一例を説明するための概念図である。図５に示す制御部８ａは、例えば、電流比較部８１、電圧比較部８２、オアゲート８３、アンドゲート８４、及びマルチバイブレータ８５（禁止制御部）を備えている。
【００５０】
電流比較部８１は、電流検出部７により検出された出力電流Ｉｉｎを電流閾値Ｉｒｅｆと比較し、その比較結果を示す信号Ｓ２１をオアゲート８３へ出力する。電流比較部８１は、例えば電流閾値Ｉｒｅｆを示す基準電圧を生成する基準電圧源と、電流検出部７から出力された出力電流Ｉｉｎを示す電圧と電流閾値Ｉｒｅｆを示す基準電圧とを比較するコンパレータとを用いて構成されている。そして、電流比較部８１によって、出力電流Ｉｉｎの電流値が電流閾値Ｉｒｅｆを超えた場合に信号Ｓ２１はハイレベル（Ｈ）にされ、出力電流Ｉｉｎの電流値が電流閾値Ｉｒｅｆ以下の場合に信号Ｓ２１はローレベル（Ｌ）にされる。
【００５１】
電圧比較部８２は、電圧検出部１４により検出された入力電圧Ｖｉｎを電圧閾値Ｖｒｅｆ１と比較し、入力電圧Ｖｉｎが電圧閾値Ｖｒｅｆ１を超えた場合に、信号Ｓ２２をハイレベル（Ｈ）にしてアンドゲート８４とマルチバイブレータ８５のトリガ端子Ｂとに出力する。また、電圧比較部８２は、電圧検出部１４により検出された入力電圧Ｖｉｎを電圧閾値Ｖｒｅｆ２と比較し、入力電圧Ｖｉｎが電圧閾値Ｖｒｅｆ２以下となった場合に、信号Ｓ２２をローレベル（Ｌ）にしてアンドゲート８４とマルチバイブレータ８５のトリガ端子Ｂとに出力する。電圧比較部８２は、例えばヒステリシスを有するコンパレータと、例えば電圧閾値Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２を示す基準電圧を生成する基準電圧源とを用いて構成されている。
【００５２】
マルチバイブレータ８５は、禁止制御部の一例であって、電源装置１ａの起動時に、出力電流Ｉｉｎが流れていないために電流比較部８１によって出力電流Ｉｉｎの電流値が電流閾値Ｉｒｅｆ以下であると判定され、制御信号Ｓ２がローレベルにされてスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフされる結果、電源装置１ａを起動することができなくなってしまうことを避けるため、電源装置１ａの起動時において、出力電流Ｉｉｎに基づくスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の制御動作を禁止させる。
【００５３】
マルチバイブレータ８５は、信号Ｓ２２が立ち上がると、出力パルス設定用の抵抗Ｒ及びキャパシタＣによって設定された時間Ｔの間、Ｑ出力信号Ｓ２３をハイレベルにしてオアゲート８３へ出力する。抵抗Ｒ及びキャパシタＣの定数は、時間Ｔが、例えば１秒になるように、予め設定されている。
【００５４】
なお、禁止制御部は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作を開始させる際に、電流比較部８１によって出力電流Ｉｉｎの電流値が電流閾値Ｉｒｅｆ以下であると判定されて制御信号Ｓ２がローレベルにされることを、燃料電池の出力電流がＩｒｅｆ以上になる時間以上に予め設定された時間Ｔの間禁止するものであればよく、マルチバイブレータ８５に限らない。例えば、ソフトウエアで起動から時間Ｔの間、強制的に電源部を動作させるようにしてもよい。
【００５５】
オアゲート８３は、信号Ｓ２１と信号Ｓ２３とを論理和して得られた信号Ｓ２４を、アンドゲート８４へ出力する。アンドゲート８４は、信号Ｓ２２と信号Ｓ２４とを論理積することにより、制御信号Ｓ２を生成してアンドゲート９，１０へ出力する。
【００５６】
次に、上述のように構成された電源装置１ａの動作について説明する。まず、電源装置１ａが停止状態にされている場合、マルチバイブレータ８５のＱ出力信号Ｓ２３はローレベルになっている。また、燃料電池４も動作しておらず、入力電圧Ｖｉｎは０Ｖになっている。そうすると、電圧比較部８２の出力信号Ｓ２２はローレベルにされ、アンドゲート８４によって制御信号Ｓ２がローレベルにされて、アンドゲート９，１０の出力信号がローレベルにされ、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフされている。
【００５７】
次に、電源装置１ａの起動時に、例えば燃料電池４に燃料が供給されて燃料電池４の出力電圧Ｖｏｕｔが上昇する。ここで、出力電圧Ｖｏｕｔが上昇しても、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフされているから出力電流Ｉｉｎは増大せず、従って電流比較部８１の出力信号Ｓ２１はローレベルのままである。
【００５８】
そして、燃料電池４の出力電圧Ｖｏｕｔが、二次電池６からの電流の逆流が生じない電圧である電圧閾値Ｖｒｅｆ１を超えると、電圧比較部８２によって、信号Ｓ２２がハイレベルにされる。そうすると、信号Ｓ２２の立上りでマルチバイブレータ８５のＱ出力信号Ｓ２３が時間Ｔの間ハイレベルになり、オアゲート８３の出力信号Ｓ２４がハイレベルとなる。そうすると、信号Ｓ２２と信号Ｓ２４とは共にハイレベルになるので、アンドゲート８４から制御信号Ｓ２がアンドゲート９，１０へハイレベルで出力される。そして、アンドゲート９によって、スイッチングコントローラ１２から出力された制御信号Ｓ１がスイッチング素子ＳＷ２へ出力されて、スイッチング素子ＳＷ２がデューティ比Ｄでオン、オフされる。また、アンドゲート１０によって、インバータ１１により反転された制御信号Ｓ１がスイッチング素子ＳＷ１へ出力され、スイッチング素子ＳＷ１は、スイッチング素子ＳＷ２がオンのときオフ、スイッチング素子ＳＷ２がオフのときオンされて、スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２が交互にオンオフされる。
【００５９】
これにより、燃料電池４で発電された電力が、ＤＣ−ＤＣコンバータ５によって出力電圧Ｖｏｕｔにされて、接続端子２，３を介して負荷１３へ供給される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力が負荷１３の消費電力を上回ったときは、余剰電力が二次電池６に蓄えられ、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の出力電力が負荷１３の消費電力を下回ったときは、電力の不足分が二次電池６から負荷１３へ供給されることで、負荷１３における消費電力の変動が吸収される。
【００６０】
この場合、燃料電池４が、例えば燃料不足である等の理由により、燃料電池４の出力電流が減少し、ついには電流の向きが逆転しそうなときには、電流比較部８１の出力がローレベルになり、二次電池６の出力電流がスイッチング素子ＳＷ１、コイルＬ１、及び電流検出部７を逆流して燃料電池４へ流入することが抑制される結果、燃料電池４の劣化が低減される。
【００６１】
この場合、電圧閾値Ｖｒｅｆ２は、電圧閾値Ｖｒｅｆ１より低い電圧に設定されており、電圧閾値Ｖｒｅｆ１との間に差が設けられているので、入力電圧Ｖｉｎが電圧閾値Ｖｒｅｆ２より高い電圧閾値Ｖｒｅｆ１を超えることによりＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作が開始され、電圧閾値Ｖｒｅｆ１より低い電圧閾値Ｖｒｅｆ２以下の電圧まで低下したときにＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作が停止される結果、例えば燃料電池４が発電を開始した直後である場合等、燃料電池４の出力電圧である入力電圧Ｖｉｎが不安定な状態であっても、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の動作開始と停止とが繰り返されて動作が不安定になることが抑制される。
【００６２】
なお、電圧閾値Ｖｒｅｆ１と電圧閾値Ｖｒｅｆ２との間には、必ずしも差が設けられている必要はなく、電圧閾値Ｖｒｅｆ１と電圧閾値Ｖｒｅｆ２とは、同一の電圧にされていてもよい。
【００６３】
また、制御部８ａは、コンパレータや論理ゲートを用いて構成する例に限られず、例えば、電流検出部７や電圧検出部１４をＡＤコンバータを用いて構成し、制御部８ａをマイクロコンピュータを用いて構成するようにしてもよい。また、図４において、制御部８ａは、電流比較部８１と電圧比較部８２とを備える例を示したが、例えば電流比較部８１、マルチバイブレータ８５、オアゲート８３、及びアンドゲート８４を備えず、電圧比較部８２の出力信号Ｓ２２を、そのまま制御信号Ｓ２としてアンドゲート９，１０へ出力するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明に係る電源装置は、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）、携帯型パーソナルコンピュータ、ビデオカメラ等の携帯用小型電子機器へ燃料電池の電力を供給する際に有用である。また、電動車椅子、電動スクータ、ポータブル電源用等の燃料電池搭載に際しても適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電源装置の構成の一例を示す回路図である。
【図２】図１に示すスイッチングコントローラから出力される制御信号の一例を示す信号波形図である。
【図３】図１に示す制御部の動作を説明するための信号波形図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る電源装置の構成の一例を示す回路図である。
【図５】図４に示す制御部の構成の一例を説明するための概念図である。
【図６】背景技術に係る電源装置の回路図である。
【図７】背景技術に係る電源装置の回路図である。
【符号の説明】
【００６６】
１，１ａ  電源装置
２，３  接続端子
４  燃料電池
５  ＤＣ−ＤＣコンバータ
６  二次電池
７  電流検出部
８，８ａ  制御部
１２  スイッチングコントローラ
１３  負荷
１４  電圧検出部
Ｉｒｅｆ  電流閾値
ＳＷ１，ＳＷ２  スイッチング素子
Ｖｒｅｆ１  電圧閾値
Ｖｒｅｆ２  電圧閾値
【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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