(57)【要約】【課題】  充放電装置が燃料電池に接続されても、燃料電池が発電した電力を効率的に負荷に供給することを目的とする。【解決手段】  燃料が供給されることにより発電する燃料電池と、燃料電池により出力された出力電圧を所定電圧に調整する電圧調整装置と、電圧調整装置に接続され、前記電圧調整装置から負荷に供給される電力の大きさに応じて充放電を行う充放電装置とを備え、所定電圧は、充放電装置の電圧に対応する充放電装置の出力インピーダンスにより定められる特性曲線において、最大の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンスに対応する電圧とする。【選択図】  図１
2008098017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料が供給されることにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池により出力された出力電圧を所定電圧に調整する電圧調整装置と、
前記電圧調整装置に接続され、前記電圧調整装置から負荷に供給される電力の大きさに応じて充放電を行う充放電装置とを備え、
前記所定電圧は、前記充放電装置の電圧に対応する前記充放電装置の出力インピーダンスにより定められる特性曲線において、最大の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンスに対応する電圧である燃料電池システム。
【請求項２】
前記所定電圧は、前記特性曲線において、最大の出力インピーダンスと最小の出力インピーダンスとの中間よりも低いインピーダンスに対応する電圧である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定電圧は、前記特性曲線において、最小の出力インピーダンスに対応する電圧である請求項２に記載の燃料電池システム。  
【請求項４】
燃料が供給されることにより発電する燃料電池と、前記燃料電池により出力された出力電圧を所定電圧に調整する電圧調整装置と、前記電圧調整装置に接続され、前記電圧調整装置から負荷に供給される電力の大きさに応じて充放電を行う充放電装置とを備える燃料電池システムに接続される電圧決定装置であって、
前記充放電装置の電圧に対応する前記充放電装置の出力インピーダンスにより定められる特性曲線を算出する算出部と、
算出された前記特性曲線において最大の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンスに対応する電圧を、前記所定電圧として決定する電圧決定部と
を備える電圧決定装置。
【請求項５】
前記電圧決定部は、前記特性曲線において最大の出力インピーダンスと最小の出力インピーダンスとの中間よりも低いインピーダンスに対応する電圧を、前記所定電圧として決定する請求項４に記載の電圧決定装置。
【請求項６】
前記電圧決定部は、前記特性曲線において最小の出力インピーダンスに対応する電圧を、前記所定電圧として決定する請求項５に記載の電圧決定装置。
【請求項７】
燃料が供給されることにより発電する燃料電池と、前記燃料電池により出力された出力電圧を所定電圧に調整する電圧調整装置と、前記電圧調整装置から負荷に供給される電力の大きさに応じて充放電を行う充放電装置とを備える燃料電池システムに接続される電圧決定装置において動作する電圧決定方法であって、
前記充放電装置の電圧に対応する前記充放電装置の出力インピーダンスにより定められる特性曲線を算出する算出ステップと、
算出された前記特性曲線において最大の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンスに対応する電圧を、前記所定電圧として決定する電圧決定ステップと
を備える電圧決定方法。
【請求項８】
前記電圧決定ステップでは、前記特性曲線において最大の出力インピーダンスと最小の出力インピーダンスとの中間よりも低いインピーダンスに対応する電圧を、前記所定電圧として決定する請求項７に記載の電圧決定方法。
【請求項９】
前記電圧決定ステップでは、前記特性曲線において最小の出力インピーダンスに対応する電圧を、前記所定電圧として決定する請求項８に記載の電圧決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料が供給されることにより発電する燃料電池と負荷に供給される電力の大きさに応じて充放電を行う充放電装置とを備える燃料電池システム、燃料電池システムに接続される電圧決定装置、及び電圧決定装置において動作する電圧決定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料が供給されることにより発電する燃料電池と、電気エネルギーの充放電を行う二次電池やキャパシタ等の充放電装置とを組合せた燃料電池システムが種々開発されている。燃料電池と充放電装置とを組み合わせる目的として、負荷に電力が供給されたときの過渡応答時において燃料電池の出力が低下しても、充放電装置が当該低下した出力を補うことにより、燃料電池システムとして安定した出力を得ることができる為である。
【０００３】
このような燃料電池システムに対して、電源としての燃料電池システムの利便性を高める為、充放電可能な充放電装置を完全充電（満充電）状態で維持、保管し、常に電力を取り出し可能な状態にする技術（例えば、特許文献１参照）が知られている。また、充放電装置として高い出力密度やエネルギー密度を得る為に充放電装置を満充電状態とする技術（例えば、特許文献２、特許文献３参照）も知られている。
【０００４】
このように、充放電装置を常に満充電の状態することによって、充放電装置から常に最大の電気量或いは静電容量が得られることとなり、電源としての利便性を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００６−５４９７６号公報
【特許文献２】特開２００５−１３５６６６号公報
【特許文献３】特開２００５−２６９８２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、充放電装置が燃料電池に接続されると、充放電装置において出力インピーダンス（内部インピーダンス）が存在するため、当該出力インピーダンスにより無駄に電力が消費される場合があった。
そこで、本発明は以上の点に鑑みて成されたものであり、充放電装置が燃料電池に接続されても、燃料電池が発電した電力を効率的に負荷に供給することができる燃料電池システム、電圧決定装置及び電圧決定方法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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る第１の特徴は、燃料が供給されることにより発電する燃料電池と、燃料電池により出力された出力電圧を所定電圧に調整する電圧調整装置と、電圧調整装置に接続され、電圧調整装置から負荷に供給される電力の大きさに応じて充放電を行う充放電装置とを備え、所定電圧は、充放電装置の電圧に対応する充放電装置の出力インピーダンスにより定められる特性曲線において、最大の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンスに対応する電圧であることを要旨とする。
【０００７】
かかる特徴によれば、充放電装置において最大の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンスに対応する電圧を、電圧調整装置が充放電装置に供給する。これにより、電圧調整装置が、充放電装置の出力インピーダンスを低減させる電圧を、充放電装置に供給することができるため、充放電装置の出力インピーダンスによって電力が無駄に消費され難くなり、燃料電池が発電した電力を効率的に負荷に供給することができる。
【０００８】
本願に係る第２の特徴は、所定電圧が、特性曲線において最大の出力インピーダンスと最小の出力インピーダンスとの中間よりも低いインピーダンスに対応する電圧であることを要旨とする。
【０００９】
本発明に係る第３の特徴は、所定電圧が、特性曲線において、最小の出力インピーダンスに対応する電圧であることを要旨とする。
【００１０】
本発明に係る第４の特徴は、燃料が供給されることにより発電する燃料電池と、燃料電池により出力された出力電圧を所定電圧に調整する電圧調整装置と、電圧調整装置に接続され、電圧調整装置から負荷に供給される電力の大きさに応じて充放電を行う充放電装置とを備える燃料電池システムに接続される電圧決定装置であって、充放電装置の電圧に対応する充放電装置の出力インピーダンスにより定められる特性曲線を算出する算出部と、算出された特性曲線において最大の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンスに対応する電圧を、所定電圧として決定する電圧決定部とを備えることを要旨とする。
【００１１】
本発明に係る第５の特徴は、電圧決定部が、特性曲線において最大の出力インピーダンスと最小の出力インピーダンスとの中間よりも低いインピーダンスに対応する電圧を、所定電圧として決定することを要旨とする。
【００１２】
本発明に係る第６の特徴は、電圧決定部が、特性曲線において最小の出力インピーダンスに対応する電圧を、所定電圧として決定することを要旨とする。  
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、充放電装置が燃料電池に接続されても、燃料電池が発電した電力を効率的に負荷に供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。
【００１５】
図１は、本発明による燃料電池システムの概略を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、電圧調整装置３と、充放電装置４を備え、外部の回路である負荷５に電力を供給する。燃料電池２の出力端は電圧調整装置３の入力に接続されており、電圧調整装置３の出力は、充放電装置４及び外部の回路である負荷５に接続されている。ここで、負荷５と充放電装置４は並列接続されている。
【００１７】
燃料電池２は、発電セル２１と、燃料供給器２２と、タンク２３とを備える。発電セル２１の種類によって、燃料供給器２２から発電セル２１に送られる燃料、及び燃料供給器２２の機構とタンク２３に収容される物質が異なる。
【００１８】
発電セル２１がＤＭＦＣ（Direct Methanol Fuel Cell）である場合は、燃料供給器２２から発電セル２１に送られる燃料はメタノールとなる。このため、タンク２３に収容される物質は、メタノールか燃料供給器２２でメタノールを生成可能な化合物となる。
【００１９】
タンク２３に収容される物質がメタノールやメタノール包摂化合物である場合は、燃料供給器２２は、ポンプやバルブなどを主として構成され、発電セル２１に燃料であるメタノールを供給する。
【００２０】
タンク２３に収容される物質が燃料供給器２２でメタノールを生成可能な化合物である場合は、燃料供給器２２は、メタノールを生成可能な化合物から化学的操作によってメタノールを取り出すことが可能な反応器を主として構成され、発電セル２１に燃料であるメタノールを供給する。
【００２１】
発電セル２１が、燃料として水素を必要とするＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）である場合は、燃料供給器２２から発電セル２１に送られる燃料が水素である。このため、タンク２３に収容される物質は、水素か燃料供給器２２で水素を生成可能な化合物となる。
【００２２】
タンク２３に収容される物質が水素である場合は、タンク２３は、液体水素ボンベや高圧水素ボンベや水素吸蔵合金タンク等であり、水素が貯蔵される。貯蔵された水素は、バルブやレギュレータ等の燃料供給器２２によって発電セル２１に供給される。
【００２３】
タンク２３に収容される物質が燃料供給器２２で水素を生成可能な化合物である場合は、燃料供給器２２は、水素を生成可能な化合物から加水分解や水蒸気改質等の化学的操作によって水素を取り出すことが可能な反応器や改質器等を主として構成され、発電セル２１に燃料である水素を供給する。
【００２４】
ここで、燃料供給器２２で水素を生成可能な化合物とは、メタノール等のアルコール類や、水素化ホウ素ナトリウムやなどの金属水素化物（無機ハイドライド）やシクロヘキサンやデカリン等の有機ハイドライド、アルミニウムやマグネシウムの金属粉末など、化学的操作によって水素を取り出しうる物質であれば良い。
【００２５】
電圧調整装置３は、燃料電池２により出力された出力電圧を所定電圧に調整する。例えば、電圧調整装置３には、電圧調整装置３に入力された直流電圧を調整し、安定化した直流電圧又は交流電圧を出力する装置が挙げられる。安定化した直流電圧を出力する電圧調整装置はＤＣ−ＤＣコンバータと呼ばれる。安定化した交流電圧を出力する電圧調整装置はＤＣ−ＡＣコンバータと呼ばれる。
【００２６】
ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の直流電圧を負荷の動作に支障がない直流電圧に変換し負荷へ電力を供給することが可能であればよく、負荷への供給電圧が安定化され、一定であるとより好ましい。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータには、シリーズレギュレータ、スイッチングレギュレータ、チャージポンプやスイッチドキャパシタ等が挙げられる。
【００２７】
同様にＤＣ−ＡＣコンバータも、燃料電池の直流電圧を負荷の動作に支障がない交流電圧に変換し負荷へ電力を供給することが可能であればよい。例えば、ＤＣ−ＡＣコンバータにはトランスなどが挙げられる。
【００２８】
電圧調整装置３の出力電圧（所定電圧）の設定値は、燃料電池システム１に搭載されている充放電装置４を構成する二次電池、あるいは蓄電器の種類によって異なる。
【００２９】
電圧調整装置３の出力電圧の設定値の下限値は、負荷５の動作下限電圧或いは充放電装置４を構成する二次電池の放電終止電圧のいずれか高い方の電圧値以上であることが望ましい。また、電圧調整装置３の出力電圧の設定値の上限値は、充放電装置４を構成する二次電池を完全充電状態としうる充電電圧或いは負荷５の最大耐電圧のいずれか低い方の電圧値以下であることが望ましい。
【００３０】
例えば、負荷５の動作下限電圧が３．３Ｖ、最大耐電圧が６．０Ｖであり、充放電装置４としてリチウムイオン二次電池を用いた場合は、充放電装置４の放電終止電圧が３．０Ｖ、充電電圧が４．２Ｖであるので、この場合の電圧調整装置３の出力電圧は、３．３Ｖ以上４．２Ｖ以下の範囲で設定される。なお、電圧調整装置３の出力電圧の設定値は、充放電装置４を構成する二次電池あるいは蓄電器の公称電圧付近の電圧値が好ましい場合が多く、充放電装置４としてリチウムイオン二次電池を用いた場合は、電圧調整装置３の出力電圧の設定値は、リチウムイオン二次電池１セルあたり３．６〜３．８Ｖとなる。
【００３１】
より効果的な電圧調整装置３の出力電圧の設定値は、充放電装置４を構成する二次電池をインピーダンスアナライザー等の測定器を用いた測定による直流や交流による直列内部抵抗値や、出力インピーダンス値を基に設定を行う。
具体的には、充放電装置４の出力インピーダンスと充放電装置４の出力電圧との関係を測定し、図２に示すように両者の関係を示す特性曲線を算出する。当該特性曲線において最大の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンス（又は直列内部抵抗値）の値に対応する出力電圧が、電圧調整装置３の出力電圧（所定電圧）として設定される。
【００３２】
ここで、充放電装置４としてリチウムイオン二次電池が用いられた場合の電圧調整装置３の出力電圧の設定方法の一例について説明する。負荷５で想定される最大消費電流や負荷５の定格電流値等の電流値をＩｏ、リチウムイオン二次電池からＩｏを出力させる直前のリチウムイオン二次電池の電圧である充放電装置電圧をＶｉ、リチウムイオン二次電池から電流を出力させたときにリチウムイオン二次電池の降下した分の電圧をＶｄｄとする。
【００３３】
本実施形態では、Ｖｄｄは次のような値として用いられている。図３に示すように、リチウムイオン二次電池からＩｏが出力され、リチウムイオン二次電池の充放電装置電圧が低下した後に、リチウムイオン二次電池の電圧降下の変化率が変わる変異点を特定する。そして、当該変異点に対応する電圧値をＶｉから減算した値がＶｄｄとして用いられている。
【００３４】
電圧調整装置３の出力電圧の設定方法では、先ず、リチウムイオン二次電池の充放電装置電圧がＶｉの時の出力インピーダンスＲｚをＲｚ＝Ｖｄｄ／Ｉｏより求める。そして、リチウムイオン二次電池の充放電装置電圧Ｖｉを変更し、上記と同様にして変更後の充放電装置電圧Ｖｉに対応する出力インピーダンスＲｚを算出する。充放電装置電圧Ｖｉの変化に対応する出力インピーダンスＲｚは、図２に示すような特性曲線となった。
【００３５】
本実施形態では、図２に示す特性曲線において、最大の出力インピーダンスよりも低いインピーダンスに対応するＶｉが電圧調整装置３の出力電圧として設定される。
【００３６】
なお、上記特性曲線において、最大の出力インピーダンスと最小の出力インピーダンスとの中間よりも低いインピーダンスに対応する出力電圧が、電圧調整装置３の出力電圧（所定電圧）として設定されるのが好ましい。また、上記特性曲線において、最小の出力インピーダンスに対応する電圧が、電圧調整装置３の出力電圧（所定電圧）として設定されるのが最も好ましい。
【００３７】
充放電装置４は、鉛蓄電池やニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池等に代表される繰り返し充放電が可能な二次電池や、コンデンサやキャパシタや電気二重層コンデンサ等の電圧の印加によって電荷・静電エネルギーを蓄え電気容量を得る蓄電器を用いることが可能である。二次電池は、ニッケルカドニウム二次電池のようにメモリー効果が発現しない電池が好ましい。また、負荷５の動作電圧や最低動作電圧や負荷特性等によって、適切な二次電池あるいは蓄電器の種類を選択し、必要に応じて二次電池あるいは蓄電器を直列接続し負荷５へ供給する電圧を調整することが可能である。
【００３８】
充放電装置の電気的な容量の設定は、燃料電池システム１が負荷５および燃料電池システム１の内部回路へ電力を供給する際に負荷５および燃料電池システム１の動作時に安定的に電力が供給可能である最小限の容量を有することが必要となる。
かかる特徴によれば、燃料電池が有する燃料のエネルギーから負荷への電力供給及び充放電装置の充放電に必要な電気エネルギーへ変換する際に生じるエネルギー損失を最小限に抑えることが可能となり、燃料電池の発電による無駄な電力の発生と燃料消費を低減し、燃料電池システムのエネルギー変換効率を向上させることが可能となる。
【００３９】
すなわち、充放電装置４において最大の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンスに対応する電圧を、電圧調整装置３が充放電装置４に供給する。これにより、電圧調整装置３が、充放電装置４の出力インピーダンスを低減させる電圧を、充放電装置４に供給することができるため、充放電装置４の出力インピーダンスによって電力が無駄に消費され難くなり、燃料電池２が発電した電力を効率的に負荷に供給することができる。
【００４０】
また、充放電装置４において最大の出力インピーダンスと最小の出力インピーダンスとの中間よりも低いインピーダンスに対応する電圧を、電圧調整装置３が充放電装置４に供給することができるため、充放電装置４の出力インピーダンスによって消費される無駄な電力を効果的に低減させることができ、燃料電池２が発電した電力を負荷に対して効率的に供給することができる。
【００４１】
さらに、充放電装置４において最小の出力インピーダンスに対応する電圧を電圧調整装置３が充放電装置４に供給するため、充放電装置４の出力インピーダンスによって消費される無駄な電力をより効果的に低減させることができ、燃料電池２が発電した電力を負荷に対してより効率的に供給することができる。
【００４２】
（実施例１）
図４は本実施例における本発明を適用した燃料電池の概略図を示す図である。本発明を適用する燃料電池２０は、燃料の供給によって発電し電力を発生しうる機構であれば良く、発電セルや燃料供給器やボンベを特別に限定することはないが、本実施例では、水素の供給によって発電を行うＰＥＦＣタイプの発電セル２４と、燃料供給器２５として圧力レギュレータと、燃料タンク２６として水素吸蔵合金ボンベによって、燃料電池２０を構成した。
【００４３】
燃料電池２０の出力を入力する電圧調整装置として、ＤＣ−ＤＣコンバータである昇降圧が可能なスイッチングレギュレータ方式の電圧調整装置３０を用いた。電圧調整装置３０の平均電圧変換効率は８５％である。
【００４４】
電圧調整装置３０の出力に電圧調整装置３０の出力と直列に切換器６を接続した。この切換器６は、先に接続される蓄電要素や負荷から電圧調整装置３０や燃料電池２０への電流の逆流や電圧の印加を防ぐ為に用いる。切換器６は、切換器６を流れる電流の経路を切換えたり、遮断したりすることが可能な回路素子であれば良い。例えば、切換器６には、ショットキダイオードなどのダイオード、電界効果型トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ)、バイポーラトランジスタ、リレー素子、トグルスイッチ等の回路素子が挙げられる。また、切換器６は、これらの回路素子の少なくとも１つ以上により構成されてもよい。本実施例においては、切換器６としてショットキダイオード６０を使用した。
【００４５】
ここで、負荷５０の消費電力は平均３Ｗ、入力電圧範囲が電圧の上限値である最大耐電圧が６．０Ｖ、電圧の下限値である動作下限電圧が３．０Ｖである。この負荷５０にはパルス負荷特性を有しており、最大消費電流が１．６Ａ（０．４秒以下）である。
【００４６】
燃料電池を構成する発電セルは、負荷５０の平均消費電力である３Ｗを供給することが可能である発電能力を要する為、電圧調整装置３０の電圧変換効率８５％を考慮し、３［Ｗ］÷８５％より導き出される約３．６Ｗを出力可能な構成とした。発電セルが３．６Ｗ出力時の発電セル、すなわち燃料電池２０の出力電圧は１．８Ｖであった。
【００４７】
負荷５０を動作させる為に燃料電池２０の出力のみではパルス負荷に対応できず、負荷５０は動作停止や誤作動をする恐れがある。そのため、負荷５０の入力電圧範囲において適応可能な充放電装置を選択する必要がある。本実施例においては、負荷５０の入力電圧範囲内に出力電圧を有するリチウムイオン二次電池を充放電装置４０として使用した。
【００４８】
リチウムイオン二次電池の使用可能な電圧範囲は、上限が完全充電状態とする為に必要な充電電圧である４．２Ｖ、下限電圧が放電終止電圧である３．０Ｖである。
【００４９】
ここで、電圧調整装置３０の出力電圧範囲が負荷５０の入力電圧範囲とリチウムイオン二次電池の使用可能な電圧範囲より、３．０〜４．２Ｖとなる。本実施例では、１０００ｍＡｈの充放電装置４０を用いた。
【００５０】
電圧調整装置３０の出力電圧は、充放電装置４０の出力インピーダンスの充放電装置４０電圧特性を示す特性曲線より決定する。特性曲線を求める出力インピーダンスの電圧特性の測定は、想定される充放電装置４０の最大電流値１．６Ａを出力させたときの充放電装置４０電池電圧の降下電圧値（Ｖｄｄ）から充放電装置４０の出力インピーダンスＲｚを、Ｖｄｄ÷１．６［Ａ］より求め、このＲｚを充放電装置４０から電流を出力させる前の電圧値Ｖｉのときの出力インピーダンスとする。この測定結果は、先に示した特性曲線図２である。なおＶｄｄは、同じく先に示した図３に示すように、充放電装置が電流を出力した後の電圧変化の経時変化に変異点がある場合は、その地点での電圧値からＶｄｄを得る。
【００５１】
電圧調整装置３０の出力電圧範囲３．０〜４．２Ｖにおいて、図２に示した特性曲線より充放電装置４０の出力インピーダンスが最も低い値をとる電圧値は３．８Ｖであるので、この電圧値（３．８Ｖ）を電圧調整装置３０の出力電圧値として設定した。
【００５２】
これによって、燃料電池システムの動作時のエネルギー損失が減少し、燃料電池の燃料が有する燃料から燃料電池システムから得られる電気エネルギーへの変換効率が向上した。
【００５３】
つまり、本実施例によれば、充放電装置４０において最大の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンスに対応する電圧を、電圧調整装置３０が充放電装置４０に供給している。これにより、電圧調整装置３０が、充放電装置４０の出力インピーダンスを低減させる電圧を、充放電装置４０に供給しているため、充放電装置４０の出力インピーダンスによって電力が無駄に消費され難くなり、燃料電池２０が発電した電力を効率的に負荷に供給することができた。
【００５４】
特に本実施例では、充放電装置４０において最小の出力インピーダンスに対応する電圧を電圧調整装置３０が充放電装置４０に供給しているため、充放電装置４０の出力インピーダンスによって消費される無駄な電力を効果的に低減させることができ、燃料電池２０が発電した電力を負荷に対して効率的に供給することができた。
【００５５】
（実施例２）
図５は本実施例における本発明を適用した燃料電池の概略図を示す図である。実施例１で示した図４と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００５６】
本発明を適用する燃料電池は、実施例１と同様に燃料の供給によって発電し電力を発生しうる機構であれば良く、発電セルや燃料供給器やボンベを特別に限定することはないが、本実施例では、メタノールの供給によって発電を行うＤＭＦＣの発電セル２７と、燃料供給器２８として送液ポンプと、燃料タンク２９としてメタノール溶液が充電されたカートリッジより、燃料電池２００を構成した。電圧変換回路は、実施例１で使用した回路を用い出力電圧のみ別途調整を行った電圧変換回路３１を使用した。
【００５７】
負荷は、パルス負荷電流が大きくない平均消費電流が３．２Ａ、入力電圧範囲が１０〜１５Ｖの負荷５１であり、燃料電池システム１１によって動作される。
【００５８】
負荷５１および燃料電池システム１１の内部回路へ電力を供給する際に、負荷５１および燃料電池システム１１の動作時に安定的に電力が供給可能である容量、且つ負荷５１が動作後、充放電装置から負荷５１へ電力が供給されてから燃料電池が出力可能な状態となるまで電力の供給が可能である充放電装置として、本実施例で用いた充放電装置は、容量が３６００ｍＡｈのリチウムイオン二次電池を３直列接続とした充放電装置４１を用いた。この充放電装置４１の電圧範囲は、上限が充電電圧である１２．６Ｖ、放電下限電圧９．０Ｖとなる。よって、電圧調整装置４１の出力電圧値は、１０Ｖ〜１２．６Ｖの範囲内となる。
【００５９】
図６に充放電装置４１の出力インピーダンスＲｚの電池電圧依存性の測定結果を示す。この結果から、電圧調整装置３１の出力電圧の範囲内で最小のＲｚをとるＶｉが１１．４Ｖであることから電圧調整装置３１の出力電圧を１１．４Ｖに設定した。
【００６０】
なお、燃料電池システム１１を動作させる都合上、詳細には図示しないが切換器６１はＮチャンネルのＭＯＳ―ＦＥＴ６２とタイマを使用し、ＭＯＳ―ＦＥＴ６２のドレインを電圧調整装置３１の出力と接続し、ＭＯＳ―ＦＥＴ６２のソースを充放電装置の出力に接続した。また、充放電装置４１と負荷５１との間に電流検出用の１０ｍΩの抵抗器７を直列に接続し、抵抗器７の両端を電圧増幅アンプ８に入力した。アンプ８は、入力される２つの電圧の電位差を１０００倍に増幅しその出力が、燃料電池２１を構成する燃料供給器２８と切換器６１を構成するタイマに入力される。燃料電池２１を構成する燃料供給器２８は１Ｖを超えるアンプからの入力があると動作を開始し、発電セルに燃料であるメタノールを供給する。切換器６１を構成するタイマは、１Ｖを超えるアンプからの入力があると動作を開始し、１Ｖを超えるアンプからの入力がされてから１０秒後にＭＯＳ―ＦＥＴ６２のゲートに充放電装置４１の電池電圧が印加されるように構成されている。このような構成とすることによって、負荷５１が起動後に充放電装置４１から負荷５１に１００ｍＡ以上の電流が出力されると、アンプ８からの出力が１Ｖ以上となり、ポンプが動作しその後１０秒後に燃料電池２１の出力が電圧調整装置３１を介して負荷５１及び充放電装置４１に供給される。
【００６１】
電圧調整装置３１の出力電圧を１１．４Ｖとすることによって、負荷５１への平均供給電力は、１１．４［Ｖ］×３．２［Ａ］＝３６．４８［Ｗ］となる。一方、従来技術のように電圧調整装置の出力電圧をリチウムイオン二次電池３直列の充電電圧１２．６Ｖに設定すると負荷５１への平均供給電力は、１２．６［Ｖ］×３．２［Ａ］＝４０．３２［Ｗ］となる。よって、本発明を適用することによって、約４Ｗに相当するエネルギー損失を低減し、燃料電池システムとしてのエネルギー変換効率を向上することが可能となった。
【００６２】
また、本実施例によれば、充放電装置４１において最大の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンスに対応する電圧を、電圧調整装置３１が充放電装置４１に供給している。これにより、電圧調整装置３１が、充放電装置４１の出力インピーダンスを低減させる電圧を、充放電装置４１に供給しているため、充放電装置４１の出力インピーダンスによって電力が無駄に消費され難くなり、燃料電池２００が発電した電力を効率的に負荷に供給することができた。
【００６３】
特に本実施例では、充放電装置４１において最小の出力インピーダンスに対応する電圧を電圧調整装置３１が充放電装置４１に供給しているため、充放電装置４１の出力インピーダンスによって消費される無駄な電力を効果的に低減させることができ、燃料電池２００が発電した電力を負荷に対して効率的に供給することができた。
【００６４】
（その他の実施形態）
なお、燃料電池システム１１が充放電装置４１に供給する所定電圧を決定してもよいし、図７にしめすように、燃料電池システム１１に接続される電圧決定装置３００が充放電装置４１に供給する所定電圧を決定してもよいのは勿論のことである。
【００６５】
具体的には、電圧決定装置３００は、充放電装置４１の電圧に対応する充放電装置４１の出力インピーダンスにより定められる特性曲線を算出する算出部３０１と、算出された特性曲線において最大の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンスに対応する電圧を、所定電圧として決定する電圧決定部３０２とを備える。なお、電圧決定装置３００の動作については上述した実施形態と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００６６】
なお、電圧決定部３０２は、特性曲線において最大の出力インピーダンスと最小の出力インピーダンスとの中間よりも低いインピーダンスに対応する電圧を、所定電圧として決定するのが好ましい。電圧決定部３０２は、特性曲線において最小の出力インピーダンスに対応する電圧を、所定電圧として決定するのが最も好ましい。
【００６７】
なお、電圧決定装置３００において動作する電圧決定方法は、充放電装置４１の電圧に対応する充放電装置４１の出力インピーダンスにより定められる特性曲線を算出する算出ステップと、算出された特性曲線において最大の出力インピーダンスよりも低い出力インピーダンスに対応する電圧を、所定電圧として決定する電圧決定ステップとを備えてもよい。
【００６８】
なお、電圧決定ステップでは、特性曲線において最大の出力インピーダンスと最小の出力インピーダンスとの中間よりも低いインピーダンスに対応する電圧が、所定電圧として決定されるのが好ましい。また、電圧決定ステップでは、特性曲線において最小の出力インピーダンスに対応する電圧が、所定電圧として決定されるのが最も好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】充放電装置の充放電装置電圧と出力インピーダンスとの関係を示す特性曲線である。
【図３】充放電装置の充放電装置電圧の時間変化を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図６】図５に示す充放電装置の充放電装置電圧と出力インピーダンスとの関係を示す特性曲線である。
【図７】その他の実施形態に係る燃料電池しすてむの概略構成図である。
【符号の説明】
【００７０】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…電圧調整装置、４…充放電装置、５…負荷、６…切換器、７…抵抗器、８…アンプ、１０…燃料電池システム、１１…燃料電池システム、２０…燃料電池、２１…発電セル、２２…燃料供給器、２３…燃料タンク、２４…発電セル、２５…燃料供給器、２６…燃料タンク、２７…発電セル、２８…燃料供給器、２９…燃料タンク、３０…電圧変換器、３１…電圧変換器、４０…充放電装置、４１…充放電装置、５０…負荷、５１…負荷、６１…切換器、２００…燃料電池、３００…電圧決定装置、３０１…算出部、３０２…電圧決定部
【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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