(57)【要約】【課題】燃料電池発電の効率化を図りつつ、二次電池の破損を防止する燃料電池システムを提供することである。【解決手段】燃料を化学反応させて発電可能な燃料電池１と、充放電可能なリチウムイオン電池３と、燃料電池１で発生された電力を昇圧してリチウムイオン電池３に充電させる昇圧充電回路２とを備えた燃料電池システムであって、昇圧充電回路２は、第１の充電回路２０１と、第２の充電回路２０２と、切換回路２０３と、リチウムイオン電池３の端子電圧を検出して燃料電池１からリチウムイオン電池３への経路を導通または遮断させる保護回路２０４とを備え、保護回路２０４はリチウムイオン電池３が過放電になった時に経路を遮断させる。【選択図】図１
2008004379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を化学反応させて発電する燃料電池と、
充放電可能な二次電池と、
前記燃料電池で発生された電力を、昇圧して前記二次電池に充電させる昇圧充電回路とを備えた燃料電池システムであって、
前記昇圧充電回路は、
前記二次電池の端子電圧が第１の充電電圧未満の場合、前記燃料電池の出力電圧が第１の設定電圧となるように前記燃料電池の出力電流の制御を行なう第１の充電回路と、
前記二次電池の端子電圧が第１の充電電圧以上の場合、前記燃料電池の出力電圧が第１の設定電圧以下へ低下することを防止するよう電流制御するとともに、前記二次電池への充電電圧を第１の充電電圧に保持する定電圧充電制御を行なう第２の充電回路と、
前記第１の充電回路と前記第２の充電回路のうちいずれか一方を選択して、前記二次電池の充電を行うよう制御する切換回路と、
前記二次電池の端子電圧を検出し、その検出出力に応じて前記燃料電池から前記二次電池への経路を導通または遮断させる保護回路とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記保護回路は、
前記二次電池の過放電状態を検出する電圧検出回路と、
前記経路を導通または遮断させるスイッチとを備え、
前記電圧検出回路は、前記二次電池の端子電圧に基づき過放電を検出した時、前記スイッチを遮断状態にするよう制御する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記スイッチは、電界効果トランジスタで構成されている請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記二次電池は、リチウムイオン電池で構成されている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の燃料は、アルミニウム粉と水とから発生させた水素で構成されている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記昇圧充電回路は、
前記第１の充電回路と、前記第２の充電回路と、前記第１の充電回路および前記第２の充電回路のうち一方を選択する切換回路とを備えた充電制御回路と、
前記充電制御回路から出力される誤差電圧によってデューティ比が可変されたパルスが出力されるＰＷＭ制御回路と、
前記ＰＷＭ制御回路から出力されるパルスによってオンまたはオフに切り換えられ、前記二次電池の充電電流を増減させる変換回路と、
前記変換回路と前記二次電池との間に接続されているスイッチと、
前記二次電池の端子電圧に基づいて前記スイッチを導通または遮断させる保護回路とを備えた請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記昇圧充電回路は、
前記第１の充電回路と、前記第２の充電回路と、前記第１の充電回路および前記第２の充電回路のうち一方を選択する切換回路とを備えた充電制御回路と、
前記充電制御回路から出力される誤差電圧によってデューティ比が可変されたパルスが出力されるＰＷＭ制御回路と、
前記ＰＷＭ制御回路から出力されるパルスによってオンまたはオフに切り換えられ、前記二次電池の充電電流を増減させる変換回路と、
前記燃料電池と前記変換回路との間に接続されているスイッチと、
前記二次電池の端子電圧に基づいて前記スイッチを導通または遮断させる保護回路とを備えた請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記スイッチは、
前記燃料電池から前記二次電池への経路を導通または遮断させる第１の電界効果トランジスタと、
前記第１の電界効果トランジスタのソース−ゲート間に接続されている抵抗と、
前記第１の電界効果トランジスタのゲートと接地との間に接続され、ゲートに前記保護回路から出力される制御信号が入力される第２の電界効果トランジスタとを備え、
前記第２の電界効果トランジスタは、前記保護回路から出力される制御信号により、前記第１の電界効果トランジスタを導通または遮断状態に切り換える請求項６または７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記スイッチは、
前記燃料電池から前記二次電池への経路を導通または遮断させる第１の電界効果トランジスタと、
前記第１の電界効果トランジスタのソース−ゲート間に接続されている抵抗と、
前記第１の電界効果トランジスタのゲートに接続され、ゲートに前記燃料電池の出力が接続されている第３の電界効果トランジスタと、
前記第３の電界効果トランジスタと接地との間に接続され、ゲートに前記保護回路から出力される制御信号が入力される第２の電界効果トランジスタとを備え、
前記第２の電界効果トランジスタは、前記保護回路から出力される制御信号により、前記第１の電界効果トランジスタを導通または遮断状態に切り換え、
前記第３の電界効果トランジスタは、前記燃料電池の出力電圧に基づき前記第１の電界効果トランジスタを導通状態にする請求項６または７記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水と水素発生物質とを反応させて水素を発生させて発電を行う燃料電池システムに関する。特に、燃料電池で発生した電力を蓄電装置（リチウムイオン電池）に蓄電させる燃料電池システムに好適である
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコン、携帯電話端末などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れるリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証するまでには至っていない。
【０００３】
このような状況の中で、上記要望に応え得る電池の一例として、固体高分子型燃料電池がある。固体高分子型燃料電池は、電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に燃料（水素、メタノール等）がそれぞれ用いられ、リチウムイオン電池よりも高エネルギー密度化が期待できる系として注目されている。このような燃料電池において、その水素供給源として、アルミニウム粉と水とを反応させて水素を発生させることが、特許文献１などで提案されている。この場合、アルミニウム粉に水を添加し加熱することにより、１００℃以下の低温で水素を発生させることができるので、携帯用燃料電池に好適である。実際には、燃料の供給、すなわち水素の生成量の迅速な加減制御が困難であるため、燃料電池出力を二次電池（リチウムイオン電池等）に蓄電させるように構成することで、小型の携帯用燃料電池システムとして利用が容易となる。一般的な燃料電池は、電解質とそれを挟む一対の電極とで構成される単位であるセル（基本電池）を、複数個直列接続してスタックを形成している。複数のセルを直列接続することで、出力電圧を高めている。
【０００４】
また、一般的に固体高分子型燃料電池の出力電圧は、１セル当たり１Ｖ以下となることが多く、それに対しリチウムイオン電池は３．６Ｖ程度の電圧である。リチウムイオン電池は、自己放電が少なく、重量当たりの蓄電量が大きい等の理由から、燃料電池で発電された電力を蓄積するバッファとして好適である。リチウムイオン電池を燃料電池システムのバッファとして利用する場合、複数のセルをシリーズ化して発生電圧を高電圧化するか、燃料電池で発生した電圧を昇圧回路により高電圧に変換した後に、リチウムイオン電池に充電させる必要がある。
【０００５】
ところで、このような燃料電池と二次電池とを組み合わせた燃料電池システムの一例は、特許文献２及び３に開示されている。特許文献２には、燃料電池の発電効率が最大になるように燃料電池出力電圧を制御しており、使用時間の長時間化が期待できる構成が開示されている。また、特許文献３には、二次電池の充電についての配慮がなされており、満充電判定を行って二次電池を充電することにより、電池の残容量等の管理を行う構成が開示されている。
【０００６】
しかしながら上記特許文献１から３に開示された構成では、燃料電池における発電、およびリチウムイオン電池に対する充電を、効率よく行うことができないという問題があった。
【０００７】
例えば、特許文献２には、発生させた水素を用いて燃料電池を如何に効率よく発電させるかについて記載されているが、リチウムイオン電池の残量や充電状況に応じて適切な充電を行う構成については開示されていない。
【０００８】
また、特許文献３には、外部負荷がオフとなった場合に満充電判定を行って充電を制御すること（すなわち二次電池の充電管理）が記載されているが、燃料電池は急速な水素発生制御が困難なため、外部負荷の有無によらず発生した水素とリチウムイオン電池の状態とに基づく充電管理を行なう必要があり、この点に関しての配慮が不十分である。
【０００９】
特許文献１〜３の課題を解消する構成として、ＰＷＭ制御回路を使ってリチウムイオン電池を昇圧充電させる構成がある。
【００１０】
図７は、従来の燃料電池システムの構成を示す回路図である。図７において、燃料電池システムは、燃料電池１，昇圧充電回路２，二次電池であるリチウムイオン電池３とを備えている。
【００１１】
燃料電池１は、水素発生部と固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと称する。ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）とを備えている。水素発生部は、アルミニウム粉に水を添加し加熱することにより、水素を発生させている。発生された水素は、ＰＥＦＣに供給されている。ＰＥＦＣは、電解質とそれを挟む一対の電極（正極・負極）とで構成されたセルを、複数個備えてスタックを形成している。電解質には、固体高分子電解質が使われている。また、正極には正極活物質である空気中の酸素が供給され、負極には負極活物質である燃料（水素、メタノール）が供給されている。負極には、水素発生部で発生した水素が供給される。この構成において、負極活物質の水素イオンが電解質を通って正極側へ移動し、酸素分子と結合する時に、外部回路中を電子が移動し発電される。なお、ＰＥＦＣにおいて使用される電解質、正極活物質、負極活物質の構成は、上記に限定されるものではない。
【００１２】
昇圧充電回路２は、燃料電池１とリチウムイオン電池３とに接続され、充電制御回路２１０、ＰＷＭ制御回路２５０、変換回路２６０を備えている。
【００１３】
図８は充電制御回路２１０の回路図を示しており、充電制御回路２１０は、第１の充電回路２２０、第２の充電回路２３０、切換回路２４０より構成されている。
【００１４】
第１の充電回路２２０は、端子２２１，２２２，２２３、基準電源２２４、誤差増幅回路２２５を備えている。第２の充電回路２３０は、端子２３１，２３２，２３３，２３４、基準電源２３５、誤差増幅回路２３６、ダイオード２３７、分圧抵抗２３８，２３９を備えている。切換回路２４０は、端子２４１，２４２，２４３，２４４，２４５、基準電源２４６、コンパレータ２４７、スイッチ２４８を備えている。
【００１５】
図９はＰＷＭ制御回路２５０の回路図を示しており、ＰＷＭ制御回路２５０は、端子２５１，２５２，２５３，基準電源２５４、誤差増幅回路２５５、スイッチ制御回路２５６を備えている。
【００１６】
以下、動作について説明する。
【００１７】
図７及び図８に示すように、燃料電池１において発電された電力は、昇圧充電回路２により昇圧され、リチウムイオン電池３に充電される。充電制御回路２１０は、リチウムイオン電池３を充電するにあたって、リチウムイオン電池３の両端端子３０１及び３０２において測定される電圧に基づき、充電制御回路２１０における切換回路２４０が切り替えられて、第１の充電回路２２０または第２の充電回路２３０によってリチウムイオン電池３の充電が行われる。
【００１８】
なお、図８に示す切換回路２４０は、予め設定されている基準電源２４６による第１の充電電圧と、リチウムイオン電池３の端子電圧とを比較し、第１の充電回路２２０と第２の充電回路２３０のうちいずれか一方を選択するよう切り替えられる。
【００１９】
すなわち、充電制御回路２１０において、リチウムイオン電池３の端子電圧が第１の充電電圧未満の場合は、第１の充電回路２２０が選択される。第１の充電回路２２０は、燃料電池１の出力電圧が基準電源２２４による第１の設定電圧となるように、燃料電池１から電流を取り出す電流制御を行ない、それを昇圧し、充電電流としてリチウムイオン電池３に充電する。
【００２０】
一方、リチウムイオン電池３の電圧が第１の充電電圧に達した場合は、第２の充電回路２３０が選択され、第１の充電電圧を維持するように充電制御回路２１０の出力電圧を制御し、リチウムイオン電池３の充電が行われる。その際、同時に、燃料電池１の出力電圧を監視し、燃料電池１の出力電圧が第１の設定電圧以下にならないように制御されている。すなわち、リチウムイオン電池３から出力端子３０１及び３０２に出力される電力が増加し、充電制御回路２１０が燃料電池１の出力電流を増加させようとした場合でも、第２の充電回路２３０によってそれが阻止されることにより、燃料電池１の出力電圧の低下を防止している。つまり、リチウムイオン電池３の充電電圧が、第１の充電電圧と一致あるいは近似する電圧になるように、定電圧充電制御（ＣＶ充電）を行なうとともに、過度に燃料電池１の出力電圧が低下することを防止することにより、セルの劣化を防いでいる。
【００２１】
このように、充電制御回路２１０は、充電時にリチウムイオン電池３の端子電圧を測定し、第１の充電電圧未満の場合は第１の充電回路２２０で充電が行われるように制御し、第１の充電電圧以上の場合は第２の充電回路２３０によって充電が行われるように制御している。また、第１の充電回路２２０で充電中に、端子電圧が第１の充電電圧に到達した時は、第２の充電回路２３０に切り替えられる。
【００２２】
次に、負荷接続時の動作を説明する。
【００２３】
図７及び図８において、負荷に給電を行う場合、まずリチウムイオン電池３から出力端子３０１及び３０２を介して、負荷に電流が流れる。この時、燃料電池１の水素発生部において、アルミニウム粉からの水素発生の開始や停止に時間を要するため、リチウムイオン電池３の端子電圧は低下する。リチウムイオン電池３の端子電圧が第１の充電電圧未満に低下すると、切換回路２４０は第１の充電回路２２０を選択するよう切り換えられ、第１の充電回路２２０は燃料電池１の出力電流を制御してリチウムイオン電池３の充電が行われる。充電中にリチウムイオン電池３の端子電圧が第１の充電電圧に到達したら、切換回路２４０は第２の充電回路２３０を選択するよう切り換えられ、リチウムイオン電池３は第２の充電回路２３０によって定電圧充電（ＣＶ充電）が行われる。
【００２４】
また、燃料電池１からの電力供給を停止させる際、水素発生部における水素発生動作を停止させる必要があるが、水素発生部の水素発生動作を停止させても、すぐにＰＥＦＣへの水素供給は停止されず、水素の供給がしばらく継続される。したがって、ＰＥＦＣにおいては発電動作が継続され、充電制御回路２１０の動作によりリチウムイオン電池３の充電が進んでしまう。
【００２５】
しかし、充電が進行し、リチウムイオン電池３が満充電状態近くになったとしても、切換回路２４０によって第１の充電回路２２０から第２の充電回路２３０に切り替えられることにより、定電圧充電によって充電電圧の上昇を抑えつつ、燃料電池１の出力電圧の低下を防止しながら充電が継続される。すなわち、充電動作による燃料電池１の出力電圧の過度の低下を防止しつつ、リチウムイオン電池３の過充電を防止している。
【００２６】
以上のような燃料電池システムによれば、燃料電池１において水素発生に時間を要する場合でも、負荷変動に対応した充電を行うことができる。また、効率的で、機器の保護を配慮した充電を行うことができる。
【００２７】
次に、ＰＷＭ制御回路２５０の動作について説明する。
【００２８】
図９に示すＰＷＭ制御回路２５０において、端子２５１には充電制御回路２１０から出力される電圧が入力されており、誤差増幅回路２５５の反転入力端子に入力されている。誤差増幅回路２５５の非反転入力端子には、基準電源２５４の基準電圧ＶR3が入力されている。誤差増幅回路２５５は、各々の電圧を比較し、その誤差分を増幅して出力している。誤差増幅回路２５５から出力される誤差電圧は、スイッチ制御回路２５６に入力される。スイッチ制御回路２５６は、入力される誤差電圧に基づき、所定のデューティ比を有するＰＷＭパルスを出力する。スイッチ制御回路２５６は、スイッチ２６３をオン／オフするよう切換制御する回路であり、スイッチ２６３がＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等で構成されている場合、通常、一定周期のパルスを出力し、そのデューティ比を誤差増幅回路２５５からの出力により変化させる回路である。本例では、誤差増幅回路２５５の出力が高くなった場合はオンの期間を長くし、より負荷に電力を供給する動作を行うように構成されている。
【００２９】
ＰＷＭ制御回路２５０から出力されるＰＷＭパルスは、変換回路２６０のスイッチ２６３に入力され、スイッチ２６３は一定の周期でオン／オフに切換え制御される。
【００３０】
次に、第１の充電回路２２０の具体的な動作について説明する。
【００３１】
図８において、燃料電池１で発生した電圧ＶINに基づく電圧Ｖ1は、端子２１１を介して充電制御回路２１０に入力される。入力される電圧は、端子２２１を介して誤差増幅回路２２５の反転入力端子に入力される。一方、基準電源２２４の基準電圧ＶR1は、誤差増幅回路２２５の非反転入力端子に入力される。誤差増幅回路２２５は、入力される電圧Ｖ1と基準電圧ＶR1とを比較し、両電圧の誤差分を増幅して出力する。誤差増幅回路２２５の出力電圧は、端子２２２から出力される。端子２２２から出力される電圧は、切換回路２４０を介して端子２１３から出力される。端子２１３から出力される電圧は、前述したＰＷＭ制御回路２５０へ入力される。
【００３２】
ＰＷＭ制御回路２５０は、電源回路に一般的に使用される周知のＰＷＭ制御回路で構成され、誤差増幅回路２２５から出力される電圧と基準電圧ＶR3とに基づき、所定のデューティ比を有するＰＷＭパルスを出力する。ＰＷＭ制御回路２５０から出力されるＰＷＭパルスは変換回路２６０のスイッチ２６３に入力され、スイッチ２６３は一定の周期でオン／オフに切換え制御される。
【００３３】
なお、ＰＷＭ制御回路２５０の出力パルスは、そのデューティ比が、誤差増幅回路２２５からの出力によって変化する。後ほど詳細に説明するが、本例では、ＰＷＭ制御回路２５０の出力が変換回路２６０に入力され、その変換動作により燃料電池１からリチウムイオン電池３に電圧が変換され電力が供給される。今、誤差増幅回路２２５の出力が低くなった場合（入力電圧Ｖ1が高い場合）は、スイッチ２６３のオン期間を長くし、変換回路２６０のインダクタ２６１に流れる電流を増加させエネルギーを蓄積することにより、燃料電池１からリチウムイオン電池３に、より大きな電力を供給している。また、誤差増幅回路２２５の出力が高い場合（入力電圧Ｖ1が低い場合）は、スイッチ２６３のオン期間を短くし、変換回路２６０のインダクタ２６１に流れる電流を減少させ、燃料電池１からリチウムイオン電池３への電力供給を低下させている。
【００３４】
このように制御動作を設定されていることにより、先ず、燃料電池１の電圧Ｖ1が下降すると、誤差増幅回路２２５から出力され、切換回路２４０を介して、ＰＷＭ制御回路２５０へ入力される電圧は上昇する。そのため、変換回路２６０におけるスイッチ２６３のオン期間が短くなり、スイッチング動作による電流供給、すなわち電力供給が低下するので、リチウムイオン電池３の充電電流、すなわち燃料電池１の出力電流が低下し、燃料電池１の電圧ＶIN及び電圧Ｖ1は上昇する。
【００３５】
燃料電池１の出力電圧Ｖ1が下降した場合も同様であり、基準電源２２４の設定に応じて、燃料電池１が一定の出力電圧となるように電流制御される。このように制御されるため、基準電源２２４の出力電圧ＶR1の設定を、燃料電池１の運転効率が高くなるように設定すれば、燃料電池システムの効率化が図れる。
【００３６】
以上のように、燃料電池１の出力電圧を一定に保ちつつ、リチウムイオン電池３への充電を行うことができる。
【００３７】
次に、第２の充電回路２３０の動作について説明する。
【００３８】
図８において、まず、燃料電池１の出力電圧ＶINが高い場合の動作について説明する。この場合、誤差増幅回路２３６の−端子側に燃料電池１の出力電圧ＶINが接続されており、その為、誤差増幅回路２３６の出力電圧は低下しているので、ＰＷＭ制御回路２５０の入力に対してダイオード２３７は逆極性となり、燃料電池１の出力電圧の影響は受けない。一方、リチウムイオン電池３の電圧ＶCGは、分圧抵抗２３８及び２３９により分圧され、ＰＷＭ制御回路２５０に入力される。従って、リチウムイオン電池３の電圧ＶCGの電圧が低下した場合、ＰＷＭ制御回路２５０の入力電圧が低下するので、ＰＷＭ制御回路２５０の出力によるスイッチ２６３のオン期間が長くなり、電力供給を増加させ、リチウムイオン電池３の電圧ＶCCの電圧を上昇させようとする。このように、リチウムイオン電池３の電圧ＶCCを一定電圧に保とうとする閉ループ制御が形成されるので、第２の充電回路２３０の系では、一定電圧出力を保とうとするＤＣ−ＤＣ変換動作を行なうことになり、変換回路２６０からは一定の電圧がリチウムイオン電池３に出力され、定電圧充電が行われる。
【００３９】
この場合に、分圧抵抗２３８及び２３９における分圧比の設定により、リチウムイオン電池３への充電電圧を、所望の電圧（第１の充電電圧）に設定することができる。よって、充電電圧をリチウムイオン電池３の充電の際に利用される終止電圧に設定しておくことにより、リチウムイオン電池３の過充電を防止することができる。
【００４０】
図８に示す充電制御回路は、上記のようにリチウムイオン電池３に対して定電圧充電を継続するが、端子３０１及び３０２は外部負荷に電力が供給されているので、外部負荷の状態によっては、リチウムイオン電池３が大きく放電する場合がある。このような場合、リチウムイオン電池３の両端の電圧ＶCGが低下する。電圧ＶCGが低下すると、分圧抵抗２３８及び２３９によって分圧される電圧が低下するため、ＰＷＭ制御回路２５０の入力電圧が低下する。よって、ＰＷＭ制御回路２５０は、デューティ比が高いＰＷＭパルスをスイッチ２６３へ出力し、スイッチ２６３はオン期間が長いスイッチング動作が行われる。これにより、燃料電池１は、出力電流が増大し、出力電圧が低下することになる。
【００４１】
過度の電流増加による燃料電池１の出力電圧の低下は、燃料電池１の劣化を招くため、これを防止する必要がある。このような状態が生じた場合、電圧Ｖ1が低下するため誤差増幅回路２３６の出力電圧が上昇し、ダイオード２３７が導通する。導通したダイオード２３７はその出力先の電圧を引き上げようとするので、これによりＰＷＭ制御回路２５０へ入力される電圧が上昇する。そのため、変換回路２６０の変換動作が低下（ＰＷＭ信号のデューティ比が低くなる）し、燃料電池１の出力電流が低下するので、燃料電池１の電圧ＶINの低下を防止できる。
【００４２】
このような動作により、第２の充電回路２３０は、燃料電池１の出力電圧ＶINが第１の設定電圧に対して低下することを防止しつつ、リチウムイオン電池３の充電電圧ＶCGを第１の充電電圧に保つように制御することにより、定電圧充電制御を継続できる。
【００４３】
なお、外部負荷が大きくなった場合、燃料電池１の出力による充電電流と、リチウムイオン電池３の放電電流との総和により負荷電流が供給され、負荷が低下した場合はリチウムイオン電池３に充電が再開される。このような動作により、リチウムイオン電池３はバッファとしての動作を実現している。
【００４４】
また、図面には示さなかったが、燃料電池１を動作させるため、例えばアルミニウム粉への水の供給、或いは、それを加熱する等の処置をする必要があり、そのためのポンプ等の機器、いわゆる補機を動作させる必要があるが、補機を動作させるための電源は、リチウムイオン電池３を利用することで、部品点数の削減などの効果がある。なお、補機へ給電するための構成や動作については、説明を省略する。
【００４５】
次に、切換回路２４０の動作について説明する。
【００４６】
図８に示すように、切換回路２４０は、リチウムイオン電池３の両端の電圧ＶCGを監視し、電圧ＶCGが第１の充電電圧に達するまでは第１の充電回路２２０からの出力をＰＷＭ制御回路２５０に伝え、電圧が第１の充電電圧に達した後は第２の充電回路２３０からの出力をＰＷＭ制御回路２５０に伝えることにより、２つの充電回路を切り替えて動作させている。なお、スイッチ２４８は、説明の都合上、コンパレータ２４７から出力される制御電圧が高い（Ｈｉ）の場合は、端子２４１側を選択し、コンパレータ２４７から出力される制御電圧が低い（Ｌｏ）の場合は、端子２４２側を選択するものとする。
【００４７】
このような回路構成において、端子２４１に入力される第１の充電回路２２０からの電圧がスイッチ２４８により選択されて、端子２４３を通じてＰＷＭ制御回路２５０に出力される場合には、第１の充電回路２２０によるリチウムイオン電池３の充電動作が行われる。一方、スイッチ２４８により端子２４２側が選択されて、端子２４３を通じてＰＷＭ制御回路２５０に出力される場合は、第２の充電回路２３０によるリチウムイオン電池３の充電動作が行われる。従って、基準電源２４６を第１の充電電圧に設定しておけば、端子２４４の電圧が基準電源２４６の基準電圧ＶR3より低い場合、すなわち、リチウムイオン電池３の電圧が第１の充電電圧より低い場合、コンパレータ２４７の出力はＨｉとなり、スイッチ２４８は端子２４１側を選択するので、第１の充電回路２２０による充電動作が行われることになる。
【００４８】
充電が進行し、リチウムイオン電池３の電圧が第１の充電電圧より上昇した場合、コンパレータ２４７の出力が反転するので、スイッチ２４８は端子２４２側を選択し、第２の充電回路２３０による充電動作が行われる。
【００４９】
次に、変換回路２６０の動作について説明する。
【００５０】
図７において、変換回路２６０では、スイッチ２６３がオンになっている期間、燃料電池１からインダクタ２６１に電流が流れて、インダクタ２６１において磁界エネルギーが蓄えられる。スイッチ２６３がオフとなった場合、インダクタ２６１に蓄積された磁界エネルギーにより、インダクタ２６１が電流の流れを継続させるようにインダクタ２６１の両端電圧が反転し増加するため、ダイオード２６２を通じてリチウムイオン電池３に電流が供給されるような動作が行なわれる。このような動作により、燃料電池１より高い電圧をリチウムイオン電池３に供給し、充電することができる（いわゆる昇圧形ＤＣ−ＤＣコンバータの基本動作）。
【特許文献１】特開２００４−２３１４６６号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４４４３号公報
【特許文献３】特開２００５−２９５７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００５１】
しかしながら、一般的なＰＷＭ−ＩＣを用いた簡単な構成の昇圧充電回路では、リチウムイオン電池３が過放電となり、燃料電池出力電圧Ｖ1が相対的に高くなった場合は、例えスイッチ２６３を開放し昇圧動作を中断していても、ダイオード２６２を通じて燃料電池１からリチウムイオン電池３に電流が流れ込むので、ＤＣ−ＤＣコンバータとしての動作が制御不能となり、リチウムイオン電池に過大な電流Ｉimpが流入し、リチウムイオン電池３を破損してしまう可能性があるという課題がある。
【００５２】
本発明は、上記課題に鑑み、燃料電池発電の効率化を図りつつ、二次電池の破損を防止する燃料電池システム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】
【００５３】
上記目的を達成するために本発明の燃料電池システムでは、燃料を化学反応させて発電する燃料電池と、充放電可能な二次電池と、前記燃料電池で発生された電力を、昇圧して前記二次電池に充電させる昇圧充電回路とを備えた燃料電池システムであって、前記昇圧充電回路は、前記二次電池の端子電圧が第１の充電電圧未満の場合、前記燃料電池の出力電圧が第１の設定電圧となるように前記燃料電池の出力電流の制御を行なう第１の充電回路と、前記二次電池の端子電圧が第１の充電電圧以上の場合、前記燃料電池の出力電圧が第１の設定電圧以下へ低下することを防止するよう電流制御するとともに、前記二次電池への充電電圧を第１の充電電圧に保持する定電圧充電制御を行なう第２の充電回路と、前記第１の充電回路と前記第２の充電回路のうちいずれか一方を選択して、前記二次電池の充電を行うよう制御する切換回路と、前記二次電池の端子電圧を検出し、その検出出力に応じて前記燃料電池から前記二次電池への経路を導通または遮断させる保護回路とを備えたものである。
【発明の効果】
【００５４】
本発明によれば、燃料電池発電の効率化を図りつつ、二次電池の破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
本発明の燃料電池システムは、前記保護回路は、前記二次電池の過放電状態を検出する電圧検出回路と、前記経路を導通または遮断させるスイッチとを備え、前記電圧検出回路は、前記二次電池の端子電圧に基づき過放電を検出した時、前記スイッチを遮断状態にするよう制御する構成とすることが好ましい。この構成にすることにより、二次電池が過放電状態になった時に、制御不能電流が二次電池へ流入されるのを防ぐことができる。
【００５６】
また、前記スイッチは、電界効果トランジスタで構成されていることが好ましい。この構成にすることにより、安価に実現することができるとともに、速くスイッチングさせることができる。
【００５７】
また、前記二次電池は、リチウムイオン電池で構成されていることが好ましい。
【００５８】
また、前記燃料電池の燃料は、アルミニウム粉と水とから発生させた水素で構成されていることが好ましい。
【００５９】
また、前記昇圧充電回路は、前記第１の充電回路と、前記第２の充電回路と、前記第１の充電回路および前記第２の充電回路のうち一方を選択する切換回路とを備えた充電制御回路と、前記充電制御回路から出力される誤差電圧によってデューティ比が可変されたパルスが出力されるＰＷＭ制御回路と、前記ＰＷＭ制御回路から出力されるパルスによってオンまたはオフに切り換えられ、前記二次電池の充電電流を増減させる変換回路と、前記変換回路と前記二次電池との間に接続されているスイッチと、前記二次電池の端子電圧に基づいて前記スイッチを導通または遮断させる保護回路とを備えたことが好ましい。この構成にすることにより、二次電池が過放電状態になった時に、制御不能電流が二次電池へ流入するのを防ぐことができる。
【００６０】
また、前記昇圧充電回路は、前記第１の充電回路と、前記第２の充電回路と、前記第１の充電回路および前記第２の充電回路のうち一方を選択する切換回路とを備えた充電制御回路と、前記充電制御回路から出力される誤差電圧によってデューティ比が可変されたパルスが出力されるＰＷＭ制御回路と、前記ＰＷＭ制御回路から出力されるパルスによってオンまたはオフに切り換えられ、前記二次電池の充電電流を増減させる変換回路と、前記燃料電池と前記変換回路との間に接続されているスイッチと、前記二次電池の端子電圧に基づいて前記スイッチを導通または遮断させる保護回路とを備えたことが好ましい。この構成にすることにより、二次電池が過放電状態になった時に、制御不能電流が二次電池へ流入するのを防ぐことができる。
【００６１】
また、前記スイッチは、前記燃料電池から前記二次電池への経路を導通または遮断させる第１の電界効果トランジスタと、前記第１の電界効果トランジスタのソース−ゲート間に接続されている抵抗と、前記第１の電界効果トランジスタのゲートと接地との間に接続され、ゲートに前記保護回路から出力される制御信号が入力される第２の電界効果トランジスタとを備え、前記第２の電界効果トランジスタは、前記保護回路から出力される制御信号により、前記第１の電界効果トランジスタを導通または遮断状態に切り換えることが好ましい。これは、通常保護回路は二次電池から回路動作用の電源の供給を受けて動作しているが、過放電により電池電圧が低下すると保護回路動作が不安定となり、十分な遮断動作が困難となることも想定される。そこで、この構成とすることにより、第１の電界効果トランジスタのゲート−ソース間を短絡する抵抗により十分な遮断効果を得るとともに、経路を導通させるように抵抗に電圧が印加されるのは二次電池の充電が開始される場合であり、その際に抵抗による電力消費が発生するので、充電待機中の消費電力を抑えることができる。
【００６２】
また、前記スイッチは、前記燃料電池から前記二次電池への経路を導通または遮断させる第１の電界効果トランジスタと、前記第１の電界効果トランジスタのソース−ゲート間に接続されている抵抗と、前記第１の電界効果トランジスタのゲートに接続され、ゲートに前記燃料電池の出力が接続されている第３の電界効果トランジスタと、前記第３の電界効果トランジスタと接地との間に接続され、ゲートに前記保護回路から出力される制御信号が入力される第２の電界効果トランジスタとを備え、前記第２の電界効果トランジスタは、前記保護回路から出力される制御信号により、前記第１の電界効果トランジスタを導通または遮断状態に切り換え、前記第３の電界効果トランジスタは、前記燃料電池の出力電圧に基づき前記第１の電界効果トランジスタを導通状態にすることが好ましい。これは、先の回路構成と同様に、通常保護回路は二次電池から回路動作用の電源の供給を受けて動作しているが、過放電により電池電圧が低下すると保護回路動作が不安定となり、十分な遮断動作が困難となることも想定される。そこで、このような構成とすることにより、第１の電界効果トランジスタのゲート−ソース間を短絡する抵抗により十分な遮断効果を得るとともに、経路を導通させるように抵抗に電圧が印加されるのは二次電池の充電が開始される場合であり、その際に抵抗による電力消費が発生するので、充電待機中の消費電力を抑えることができる。
【００６３】
（実施の形態１）
〔燃料電池システムの基本構成〕
図１は、実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００６４】
図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１と、昇圧充電回路２と、リチウムイオン電池３と、出力端子４とを備えている。
【００６５】
燃料電池１は、水素発生部１０１とＰＥＦＣ１０４とを備えている。昇圧充電回路２は、第１の充電回路２０１と第２の充電回路２０２と切換回路２０３と保護回路２０４とを備えている。
【００６６】
水素発生部１０１は、アルミニウム粉１０２に水を添加し加熱することにより、水素１０３を発生させている。発生された水素１０３は、ＰＥＦＣ１０４に供給されている。
【００６７】
ＰＥＦＣ１０４は、電解質とそれを挟む一対の電極（正極・負極）とで構成されたセルを、複数個備えてスタックを形成している。電解質には、固体高分子電解質が使われている。また、正極には正極活物質である空気中の酸素が供給され、負極には負極活物質である燃料（水素、メタノール）が供給されている。負極には、水素発生部１０１で発生した水素１０３が供給される。この構成において、負極活物質の水素イオンが電解質を通って正極側へ移動し、酸素分子と結合する時に、外部回路中を電子が移動し発電される。なお、ＰＥＦＣ１０４において使用される電解質、正極活物質、負極活物質の構成は、上記に限定されるものではない。
【００６８】
第１の充電回路２０１は、リチウムイオン電池３の電圧が第１の充電電圧未満の場合に、リチウムイオン電池３の充電を行う回路である。具体的な充電制御は、ＰＥＦＣ１０４の出力電圧が第１の設定電圧となるようにＰＥＦＣ１０４から電流を取り出す電流制御を行ない、それを昇圧し、充電電流としてリチウムイオン電池３に充電する。その際、第１の設定電圧は、燃料電池１の出力効率を高める電圧に設定されていることにより、効率化を図ることができる。
【００６９】
第２の充電回路２０２は、リチウムイオン電池３の電圧が第１の充電電圧に達した場合に切換回路２０３によって選択され、第１の充電電圧を維持するように昇圧充電回路２の出力電圧を制御し、リチウムイオン電池３の充電を行う回路である。その際、同時に、燃料電池１の出力電圧を監視し、出力電圧が第１の設定電圧以下とならないように昇圧動作を制限している。すなわち、リチウムイオン電池３の出力増加により昇圧充電回路２が燃料電池１の出力電流を増加させようとした場合でも、それを阻止することにより燃料電池１の出力電圧の低下を防止している。
【００７０】
切換回路２０３は、リチウムイオン電池３の両端端子電圧に基づき、第１の充電回路２０１と第２の充電回路２０２のうちいずれかを選択するよう切り替える回路である。本実施の形態では、リチウムイオン電池３の両端端子電圧が第１の充電電圧未満の時は第１の充電回路２０１を選択し、第１の充電電圧以上の時は第２の充電回路２０２を選択するように切り換えている。なお、切換回路２０３は、スイッチ素子の接点の接続／非接続で切り換える構成や、トランジスタやダイオードなどの半導体素子のオン／オフで切り換える構成などが考えられる。また、切換回路２０３は、リチウムイオン電池３の両端端子電圧と第１の充電電圧との比較に基づいて切り換えられている構成の他に、第１の充電電圧よりも低い第２の充電電圧を設定し、端子電圧が第１の充電電圧に到達した時は第２の充電回路２０２に切り換え、端子電圧が第２の充電電圧まで低下した時は第１の充電回路２０１に切り換えるように構成してもよい。
【００７１】
保護回路２０４は、リチウムイオン電池３に入力される電流を検出する保護回路と、保護回路における検出結果によってオン／オフ切り換えされるスイッチとから構成され、リチウムイオン電池３に対する過充電や、リチウムイオン電池３における過放電を防止している。なお、保護回路２０４の詳しい回路構成については後述する。
【００７２】
出力端子４は、負荷（携帯端末の電源回路など）が接続される端子であり、出力端子４に電源回路などを接続させることで、リチウムイオン電池３から電源回路へ給電が行われ、携帯端末を動作させることができる。
【００７３】
以下、基本的な充放電動作を簡単に説明する。
【００７４】
燃料電池１において、水素発生部１０１でアルミニウム粉１０２と水とによって発生された水素１０３は、ＰＥＦＣ１０４へ供給され、ＰＥＦＣ１０４において発電される。ＰＥＦＣ１０４から出力される電圧は、昇圧充電回路２により昇圧され、リチウムイオン電池３に充電される。昇圧充電回路２は、リチウムイオン電池３を充電するにあたって、リチウムイオン電池３の両端で測定される電圧に基づき切換回路２０３が切り替えられて、第１の充電回路２０１または第２の充電回路２０２で充電が行われる。
【００７５】
なお、切換回路２０３は、予め設定されている第１の充電電圧と、リチウムイオン電池３の端子電圧とを比較し、第１の充電回路２０１と第２の充電回路２０２のうちいずれか一方を選択するよう切り替えられている。
【００７６】
また、昇圧充電回路２において、リチウムイオン電池３の端子電圧が第１の充電電圧未満の場合は、第１の充電回路２０１が選択される。第１の充電回路２０１は、ＰＥＦＣ１０４の出力電圧が第１の設定電圧となるように、ＰＥＦＣ１０４から電流を取り出す電流制御を行ない、それを昇圧し、充電電流としてリチウムイオン電池３に充電する。
【００７７】
一方、リチウムイオン電池３の電圧が第１の充電電圧に達した場合は、第２の充電回路２０２が選択され、第１の充電電圧を維持するように昇圧充電回路２の出力電圧を制御し、リチウムイオン電池３の充電が行われる。その際、同時に、ＰＥＦＣ１０４の出力電圧を監視し、ＰＥＦＣ１０４の出力電圧が第１の設定電圧以下にならないように制御されている。すなわち、リチウムイオン電池３から出力端子４に出力される電力が増加し、昇圧充電回路２がＰＥＦＣ１０４の出力電流を増加させようとした場合でも、第２の充電回路２０２によってそれが阻止されることにより、ＰＥＦＣ１０４の出力電圧の低下を防止している。つまり、リチウムイオン電池３の充電電圧が、第１の充電電圧と一致あるいは近似する電圧になるように、定電圧充電制御（ＣＶ充電）が行われている。
【００７８】
このように、昇圧充電回路２は、充電時にリチウムイオン電池３の端子電圧を測定し、第１の充電電圧未満の場合は第１の充電回路２０１で充電が行われ、第１の充電電圧以上の場合は第２の充電回路２０２によって充電が行われる。また、第１の充電回路２０１で充電中に、端子電圧が第１の充電電圧に到達した時は、第２の充電回路２０２に切り替えられる。
【００７９】
次に、負荷接続時の動作を説明する。
【００８０】
負荷に給電を行う場合、まずリチウムイオン電池３から出力端子４を介して、負荷に電流が流れる。この時、燃料電池１の水素発生部１０１において、アルミニウム粉１０２からの水素発生の開始や停止に時間を要するため、リチウムイオン電池３の端子電圧は低下する。リチウムイオン電池３の端子電圧が第１の充電電圧未満に低下すると、切換回路２０３は第１の充電回路２０１を選択するよう切り換えられ、第１の充電回路２０１は燃料電池１の出力電流を制御してリチウムイオン電池３の充電が行われる。充電中にリチウムイオン電池３の端子電圧が第１の充電電圧に到達したら、切換回路２０３は第２の充電回路２０２を選択するよう切り換えられ、リチウムイオン電池３は第２の充電回路２０２によって定電圧充電（ＣＶ充電）が行われる。
【００８１】
また、燃料電池１からの電力供給を停止させる際、水素発生部１０１における水素発生動作を停止させる必要があるが、水素発生部１０１の水素発生動作を停止させても、すぐにＰＥＦＣ１０４への水素供給は停止されず、水素１０３の供給がしばらく継続される。したがって、ＰＥＦＣ１０４においては発電動作が継続され、昇圧充電回路２の動作によりリチウムイオン電池３の充電が進んでしまう。しかし、充電が進行し、リチウムイオン電池３が満充電状態近くになったとしても、切換回路２０３によって第１の充電回路２０１から第２の充電回路２０２に切り替えられることにより、定電圧充電によって充電電圧の上昇を抑えつつ、燃料電池１の出力電圧の低下を防止しながら充電が継続される。すなわち、充電動作による燃料電池１の出力電圧の過度の低下を防止しつつ、リチウムイオン電池３の過充電を防止している。
【００８２】
以上のような燃料電池システムによれば、燃料電池１において水素発生に時間を要する場合でも、負荷変動に対応した充電を行うことができる。また、効率的で、機器の保護を配慮した充電を行うことができる。
【００８３】
〔燃料電池システムの具体回路構成〕
図２は、本実施の形態の燃料電池システムの具体構成を示している。
【００８４】
図２において、昇圧充電回路２は、充電制御回路２１０、ＰＷＭ制御回路２５０、変換回路２６０、スイッチ２７０、電圧検出回路２８０を備えている。
【００８５】
充電制御回路２１０の具体回路構成は、前述した図８に示すように構成されている。よって、詳しい説明は省略する。
【００８６】
ＰＷＭ制御回路２５０は、前述の図９に示すように誤差増幅回路２５５、基準電圧源２５４、スイッチ制御回路２５６を備えている。動作としては、誤差増幅回路において、充電制御回路２１０から入力される電圧と基準電圧源からの基準電圧とを比較して、その誤差分を増幅して出力し、スイッチ制御回路において所定のデューティ比を有するＰＷＭパルスを出力する。ＰＷＭ制御回路２５０から出力されるＰＷＭパルスはスイッチ２６３に入力され、スイッチ２６３は一定の周期でオン／オフに切換え制御される。なお、ＰＷＭ制御回路２５０の出力パルスは、そのデューティ比が、充電制御回路２１０からの出力によって変化する。本例では、例えば燃料電池１の出力電圧を一定電圧に制御しつつ充電する制御動作では、先に説明したように充電制御回路２１０は反転増幅器である誤差増幅回路２２５が選択されているので、制御回路２１０の出力が低くなった場合（入力電圧Ｖ1が高い場合）は、スイッチ２６３のオン期間を長くし、リチウムイオン電池３に、より大きな電力を供給している。また、充電制御回路２１０の出力が高い場合（入力電圧Ｖ1が低い場合）は、スイッチ２６３のオン期間を短くし、リチウムイオン電池３に小さな電力を供給している。
【００８７】
また、ＰＷＭ制御回路２５０において、端子２１３を介して入力される電圧が上昇する場合、変換回路２６０の昇圧動作を低下（すなわち、スイッチ２６３のオン時間を縮小しダイオード２６２を通じて出力される電流を低下させる）させており、この動作を利用して第１の充電回路２０１（図１参照）を実現している。具体的な動作としては、燃料電池１の電圧Ｖ１が下降すると、充電制御回路２１０から端子２１３を介してＰＷＭ制御回路２５０へ入力される電圧は上昇する。そのため、ＰＷＭ制御回路２５０から出力されるＰＷＭパルスによるスイッチ２６３のオン期間が短くなり、変換回路２６０におけるスイッチ２６３のスイッチング動作による変換量が低下するので、リチウムイオン電池３の充電電流、すなわち燃料電池１の出力電流が低下し、燃料電池１の電圧ＶIN及び電圧Ｖ1は上昇する。一方、燃料電池１の電圧Ｖ1が上昇した場合は、ＰＷＭ制御回路２５０へ入力される電圧が下降し、ＰＷＭ制御回路２５０から出力されるＰＷＭパルスによるスイッチ２６３のオン期間が長くなり、変換回路２６０におけるスイッチ２６３のスイッチング動作による変換量が増大するので、リチウムイオン電池３の充電電流、すなわち燃料電池１の出力電流が増加し、燃料電池１の電圧ＶIN及び電圧Ｖ1は下降する。この動作を継続することにより、燃料電池１の出力電圧は一定電圧に保たれる。
【００８８】
変換回路２６０は、インダクタ２６１、ダイオード２６２、スイッチ２６３を備えている。変換スイッチ２６３がオンになっている期間、燃料電池１からインダクタ２６１に電流が流れて、インダクタ２６１において磁界エネルギーを蓄えられる。スイッチ２６３がオフとなった場合、インダクタ２６１に蓄積された磁界エネルギーにより、インダクタ２６１が電流の流れを継続させるようにインダクタ２６１の両端電圧が増加するため、ダイオード２６２を通じてリチウムイオン電池３側に電流が供給されるような動作が行なわれる。このような動作により、燃料電池１から高い電圧をリチウムイオン電池３に供給させることができる（ＤＣ−ＤＣコンバータの基本動作）。
【００８９】
スイッチ２７０は、電圧検出回路２８０からの制御によりオンまたはオフに切り換えられる。スイッチ２７０は、最も単純な構成として２接点スイッチがあるが、トランジスタやＦＥＴなどで構成してもよい。
【００９０】
電圧検出回路２８０は、リチウムイオン電池３から供給される電圧を監視し、所定値以上の電圧低下を検出した場合は、スイッチ２７０に対してオフするよう制御し、リチウムイオン電池３への電流経路を遮断させている。これにより、前述の制御不能電流Ｉimpがリチウムイオン電池３側へ流入するのを防いでいる。
【００９１】
以下、動作について説明する。
【００９２】
図２及び図８に示すように、燃料電池１において発電された電力は、昇圧充電回路２により昇圧され、リチウムイオン電池３に充電される。充電制御回路２は、リチウムイオン電池３を充電するにあたって、リチウムイオン電池３の両端端子３０１及び３０２において測定される電圧に基づき、充電制御回路２における切換回路２４０が切り替えられて、第１の充電回路２２０または第２の充電回路２３０によってリチウムイオン電池３の充電が行われる。
【００９３】
なお、図８に示す切換回路２４０は、予め設定されている第１の充電電圧と、リチウムイオン電池３の端子電圧とを比較し、第１の充電回路２２０と第２の充電回路２３０のうちいずれか一方を選択するよう切り替えられている。
【００９４】
また、図８に示すように、充電制御回路２１０において、リチウムイオン電池３の端子電圧が第１の充電電圧未満の場合は、第１の充電回路２２０が選択される。第１の充電回路２２０は、燃料電池１の出力電圧が第１の設定電圧となるように、燃料電池１から電流を取り出す電流制御を行ない、それを昇圧し、充電電流としてリチウムイオン電池３に充電する。
【００９５】
一方、リチウムイオン電池３の電圧が第１の充電電圧に達した場合は、第２の充電回路２３０が選択され、第１の充電電圧を維持するように充電制御回路２１０の出力電圧を制御し、リチウムイオン電池３の充電が行われる。その際、同時に、燃料電池１の出力電圧を監視し、燃料電池１の出力電圧が第１の設定電圧以下にならないように制御されている。すなわち、リチウムイオン電池３から出力端子３０１及び３０２に出力される電力が増加し、充電制御回路２１０が燃料電池１の出力電流を増加させようとした場合でも、第２の充電回路２３０によってそれが阻止されることにより、燃料電池１の出力電圧の低下を防止している。つまり、リチウムイオン電池３の充電電圧が、第１の充電電圧と一致あるいは近似する電圧になるように、定電圧充電制御（ＣＶ充電）が行われている。
【００９６】
このように、充電制御回路２１０は、充電時にリチウムイオン電池３の端子電圧を測定し、第１の充電電圧未満の場合は第１の充電回路２２０で充電が行われるように制御し、第１の充電電圧以上の場合は第２の充電回路２３０によって充電が行われるように制御している。また、第１の充電回路２２０で充電中に、端子電圧が第１の充電電圧に到達した時は、第２の充電回路２３０に切り替えられる。
【００９７】
次に、負荷接続時の動作を説明する。
【００９８】
図２及び図８において、負荷に給電を行う場合、まずリチウムイオン電池３から出力端子３０１及び３０２を介して、負荷に電流が流れる。この時、燃料電池１の水素発生部において、アルミニウム粉からの水素発生の開始や停止に時間を要するため、リチウムイオン電池３の端子電圧は低下する。リチウムイオン電池３の端子電圧が第１の充電電圧未満に低下すると、切換回路２４０は第１の充電回路２２０を選択するよう切り換えられ、第１の充電回路２２０は燃料電池１の出力電流を制御してリチウムイオン電池３の充電が行われる。充電中にリチウムイオン電池３の端子電圧が第１の充電電圧に到達したら、切換回路２４０は第２の充電回路２３０を選択するよう切り換えられ、リチウムイオン電池３は第２の充電回路２３０によって定電圧充電（ＣＶ充電）が行われる。
【００９９】
また、燃料電池１からの電力供給を停止させる際、水素発生部における水素発生動作を停止させる必要があるが、水素発生部の水素発生動作を停止させても、すぐにＰＥＦＣへの水素供給は停止されず、水素の供給がしばらく継続される。したがって、ＰＥＦＣにおいては発電動作が継続され、充電制御回路２１０の動作によりリチウムイオン電池３の充電が進んでしまう。
【０１００】
しかし、充電が進行し、リチウムイオン電池３が満充電状態近くになったとしても、切換回路２４０によって第１の充電回路２２０から第２の充電回路２３０に切り替えられることにより、定電圧充電によって充電電圧の上昇を抑えつつ、燃料電池１の出力電圧の低下を防止しながら充電が継続される。すなわち、充電動作による燃料電池１の出力電圧の過度の低下を防止しつつ、リチウムイオン電池３の過充電を防止している。
【０１０１】
〔リチウムイオン電池３の保護動作〕
リチウムイオン電池は、一般に特定の電圧（例えば４．２Ｖ等）を超える電圧での過充電や、端子電圧が特定の電圧（例えば２．７Ｖ等）より低下するような過剰な放電である過放電などを行なうと、リチウムイオン電池の容量の低下や、発熱による発火等を引き起こす可能性がある。そこで、通常リチウムイオン電池の電池パックには、通電経路を遮断するＦＥＴ等の電子スイッチを設け、その電子スイッチを保護回路（いわゆる保護ＩＣ）により切り換え制御することにより、過充電や過放電を防止する保護手段が搭載されいる。保護ＩＣは、既に市販されており、例えば２セル用としてセイコーインスツルメント製のＳ−８２４２Ｂシリーズがある。この保護ＩＣは、電池電圧における過充電や過放電を検出すると、制御出力を反転させて、ＦＥＴ（充電経路を遮断可能なスイッチ）を遮断させるように制御する。通常、このような保護ＩＣは、リチウムイオン電池に常に接続され、リチウムイオン電池を消耗させるので、ＩＣの消費電流を非常に小さく抑えていることが特徴である。
【０１０２】
次に、リチウムイオン電池３を保護するためのスイッチ２７０及び電圧検出回路２８０の具体構成について説明する。
【０１０３】
図３は、図２に示す構成において、スイッチ２７０及び電圧検出回路２８０の具体構成を追加した例を示している。図３に示すように、スイッチ２７０は、Ｐチャネル型ＦＥＴ（以下、簡単のためＰ型ＦＥＴと称する。Ｎチャネル型ＦＥＴも同様にＮ型ＦＥＴと称する）２７１で構成され、ゲート電圧が高い（Ｈｉ）場合は遮断状態となり、ゲート電圧が低い（Ｌｏｗ）の場合はオン状態となる。また、Ｐ型ＦＥＴ２７１は、ドレインが燃料電池１側に接続され、ソースがリチウムイオン電池３側に接続されている。また、ドレイン−ソース間にボディダイオードが接続されている状態になっている。また、電圧検出回路２８０は、抵抗２８１及び２８２、電圧源２８３、コンパレータ２８４で構成されている。コンパレータ２８４の＋端子には電圧源２８３が接続され、−端子には抵抗２８１及び２８２のノードが接続されている。また、コンパレータ２８４の出力端子は、Ｐ型ＦＥＴ２７１のゲートに接続されている。
【０１０４】
次に、保護動作を説明する。なお、消費電流を抑える回路設計については、内部の分圧抵抗を高くしたり動作電流を抑えたりする等の回路設計を行なうことで可能であるので、詳細は省略する。図３において、今、リチウムイオン電池３が放電され、それにより抵抗２８１と抵抗２８２とで分圧される電圧が、電圧源２８３における電圧より低下すると、コンパレータ２８４の出力はＨｉとなる。コンパレータ２８４の出力がＨｉになると、Ｐ型ＦＥＴ２７１は遮断され、燃料電池１の側からリチウムイオン電池３の側には電流が流れなくなる。これにより、リチウムイオン電池３は保護される。
【０１０５】
ここで、リチウムイオン電池３が過放電状態となり、Ｐ型ＦＥＴ２７１のゲートがオフ状態になっても、燃料電池１側が低電圧の場合、Ｐ型ＦＥＴ２７１にはボディダイオードが接続されている状態になっているため、リチウムイオン電池３から燃料電池１側へ電流が流出しようとする。しかし、切換回路２６０におけるダイオード２６２によって、リチウムイオン電池３から流出される電流を阻止することができるため、リチウムイオン電池３からの放電を阻止することができる。
【０１０６】
なお、このような保護回路は、スイッチ２７０に使う素子の種類や、過放電電圧の設定値により、コンパレータ２８４の入力の接続を変更したり、電圧源２８３や抵抗を変更することにより、様々な保護動作が可能であることは言うまでも無い。
【０１０７】
また、充電制御回路２１０の端子２１４を通じて放電される可能性があるが、充電制御回路２１０内の分圧抵抗２３８及び２３９の抵抗値を十分高くすることで、放電電流を抑圧することができる。また、前述の制御不能電流の遮断方法と同様に、端子２１４の経路にスイッチを接続し、そのスイッチをオン／オフさせることで放電を防止することもできる。
【０１０８】
また、上記説明では、スイッチ２７０を、ダイオード２６２とリチウムイオン電池３との間に接続しているが、図４に示すように、燃料電池１と変換回路２６０との間に接続する構成としてもよい。
【０１０９】
図４は、入力側である燃料電池１と変換回路２６０との間にＰ型ＦＥＴ２７１（スイッチ２７０）を接続した例を示す。図４に示すように、２７１のボディダイオードを、燃料電池１から変換回路２６０側への電流方向と逆方向になるように接続する。図４に示すような構成であっても、上記同様、リチウムイオン電池３の過放電状態を電圧検出回路２８０によって検出された時に、スイッチ２７０をオフにすることで、リチウムイオン電池３へ制御不能電流が流入されることを防ぐことができる。
【０１１０】
図５は、スイッチ２７０におけるＰ型ＦＥＴ２７１のゲート−ソース間を抵抗で接続し、Ｐ型ＦＥＴ２７１のゲート−グランド間にＮ型ＦＥＴ２７３を接続した構成を示している。
【０１１１】
通常、ＦＥＴで充電経路を遮断させる場合、ＦＥＴのゲート電圧をソース電圧以上に設定しておけばよいが、リチウムイオン電池の過放電により保護回路電圧が燃料電池電圧より低下することを想定して、ＦＥＴのゲート電圧を設定しておく必要がある。
【０１１２】
そのために、図５に示すように、Ｐ型ＦＥＴ２７１のゲートとソースとを高抵抗値を有する抵抗２７２で結線し、通常はＮ型ＦＥＴ２７３を非導通状態にしておく。その後、リチウムイオン電池３の充電を行う際に、Ｎ型ＦＥＴ２７３を導通状態にして、Ｐ型ＦＥＴ２７１のゲートを接地させる。これにより、Ｐ型ＦＥＴ２７１が導通状態になり、燃料電池１からリチウムイオン電池３への充電経路が導通状態となり、リチウムイオン電池３の充電を実行させることができる。
【０１１３】
なお、これらの制御を実施する際には、電圧検出回路２８０からＮ型ＦＥＴ２７３へ出力される制御信号の極性を適時設定しておけばよいが、図５に示す回路では、電圧検出回路２８０はリチウムイオン電池３の過放電を検出した場合、制御信号の極性をＬｏｗとしている。このような構成にしたことにより、燃料電池１から出力が発生（すなわち充電開始状態）した時に、初めて抵抗２７２に電圧が印加されて消費電力が発生するようになり、電力消費を抑えることができる。
【０１１４】
なお、先にリチウムイオン電池３の充電を行なう際に、Ｎ型ＦＥＴ２７３を導通状態にする等の動作を行なわせ、充電状態を検出しつつＮ型ＦＥＴ２７３を制御することとしたが、もちろん、リチウムイオン電池３の電圧のみに対応してＮ型ＦＥＴ２７３を制御してもよいことは言うまでも無い。リチウムイオン電池３が過放電に至っていない場合は、Ｎ型ＦＥＴ２７３を導通状態にするようにそのゲート−ソース間に電圧を印加すればよいが、この場合、ゲート−ソース間への電圧印加後、動作状態が確定すればＮ型ＦＥＴ２７３による電流消費は殆ど発生しなくなり、また、燃料電池１が発電を開始し電圧が出力されて初めて抵抗２７２に電流が流れて電力消費が生じるので、充電待機中の電力消費を抑圧することができる。
【０１１５】
また、図６に示すように構成してもよい。
【０１１６】
図６は、他の例での保護回路を含んだ燃料電池システムの構成を示している。図６において、Ｐ型ＦＥＴ２７１は、切換回路２６０とリチウムイオン電池３との間に接続されている。また、Ｐ型ＦＥＴ２７１のソース−ゲート間には抵抗２７２が接続されている。また、Ｐ型ＦＥＴ２７１のゲートには、Ｎ型ＦＥＴ２７４のドレインが接続されている。Ｎ型ＦＥＴ２７４は、ゲートが燃料電池１の出力に接続され、ソースがＮ型ＦＥＴ２７３のドレインに接続されている。Ｎ型ＦＥＴ２７３は、ゲートが電圧検出回路２８０に接続され、制御信号が入力される。また、Ｎ型ＦＥＴ２７３のソースは接地されている。
【０１１７】
図６において、リチウムイオン電池３が過放電となりリチウムイオン電池３の電圧が低下し、相対的に燃料電池１の出力電圧が高くなると、制御不能電流が切替回路２６０を介してリチウムイオン電池３へ流入されようとする。そこで、電圧検出回路２８０がこの過放電状態を検出し、制御信号（Ｌｏｗ）をＮ型ＦＥＴ２７３へ出力すると、Ｎ型ＦＥＴ２７３はゲート電圧が低下することにより非導通状態になる。Ｎ型ＦＥＴ２７３が非導通状態になると、Ｎ型ＦＥＴ２７４を経由してＰ型ＦＥＴ２７１のゲートが接地されることが無くなるので、Ｐ型ＦＥＴ２７１のゲート−ソース間の抵抗２７２はゲート−ソース間を短絡することになり電圧が低下し、Ｐ型ＦＥＴ２７１が遮断状態になる。これにより、燃料電池１からリチウムイオン電池３への充電経路が遮断されるため、リチウムイオン電池３に制御不能電流が流入されるのを防ぐことができる。
【０１１８】
次に、リチウムイオン電池３の充電を開始させる際、燃料電池１の出力電圧が上昇すると、Ｎ型ＦＥＴ２７４のゲート電圧が上昇し、Ｎ型ＦＥＴ２７４は導通状態になる。リチウムイオン電池３が過放電ではない場合は、電圧検出回路２８０からはＮ型ＦＥＴ２７３を導通とする制御信号（Ｈｉ）が出力されるので、Ｎ型ＦＥＴ２７３とＮ型ＦＥＴ２７４とが導通状態となり、Ｐ型ＦＥＴ２７１のゲートが接地され電圧が低下し、Ｐ型ＦＥＴ２７１は導通状態になる。これにより、燃料電池１からリチウムイオン電池３への充電経路が導通状態となるため、リチウムイオン電池３の充電を行なうことができる。
【０１１９】
よって、図６に示す構成では、リチウムイオン電池３が過放電状態になった時に、充電経路を遮断させ、制御不能電流がリチウムイオン電池３へ流入されることを防ぐことができるとともに、燃料電池１によるリチウムイオン電池３の充電開始時に、充電経路を導通させ、リチウムイオン電池３の充電を開始させることができる。
【０１２０】
以上のように本実施の形態によれば、リチウムイオン電池３が第１の充電電圧に達するまでは燃料電池１の出力電圧が第１の設定電圧となるように燃料電池１の出力電流を制御する第１の充電回路と、リチウムイオン電池３が第１の充電電圧に到達した後に燃料電池１の出力が第１の設定電圧以下へ低下することを防止するよう定電圧充電を行う第２の充電回路とを備え、それぞれの充電回路を選択的に切り換えてリチウムイオン電池３の充電を行う構成としたことにより、燃料電池運転の効率化を図ることができる。
【０１２１】
また、リチウムイオン電池３の過放電状態を検出する電圧検出部２８０と、電圧検出部２８０の制御により燃料電池１からリチウムイオン電池３への充電経路を遮断させるスイッチ２７０とを備え、電圧検出部２８０においてリチウムイオン電池３が過放電状態になったことを検出すると、スイッチ２７０において経路を遮断させるよう制御する。これにより、リチウムイオン電池３を保護することができる。
【０１２２】
また、充電経路を遮断または導通させるＰ型ＦＥＴ２７１と接地との間にＮ型ＦＥＴ２７３を接続し、Ｐ型ＦＥＴ２７１のソース−ゲート間に抵抗２７２を接続したことにより、充電待機時において抵抗２７２に電圧が印加されないため、消費電力を抑えることができる。
【０１２３】
なお、本実施の形態では、燃料電池１における発電の燃料は水素であるが、他の燃料であってもよい。
【０１２４】
また、本実施の形態では、燃料電池１で発生された電力をリチウムイオン電池３に充電させているが、充電させる二次電池はリチウムイオン電池に限らない。
【０１２５】
また、本実施の形態では、リチウムイオン電池３を一つのみ図示しているが、複数接続させてもよい。すなわち、燃料電池１のスタック構成などに応じて、複数のリチウムイオン電池３をシリーズ接続あるいはパラレル接続して構成することもできる。
【０１２６】
なお、充電制御回路２１０として図８等を示し説明してきたが、これに限らず構成できることは言うまでもない。例えば、第２の充電回路２３０は、燃料電池１の出力電圧の低下を防止しつつ、リチウムイオン電池３を定電圧充電するような動作を行なうように構成したものであるので、これ自体でも燃料電池１の定電圧出力制御とリチウムイオン電池３の定電圧充電制御は可能であるが、更に、この構成を積極的に利用することにより、リチウムイオン電池３の電圧が充電終止電圧になるまでは、燃料電池１の出力電流を制御し出力電圧を正確に一定電圧に保つように制御し、充電終止電圧に到達した後は、その充電終止電圧を正確に保つように一定電圧出力で充電するように構成することができる。
【０１２７】
その例を、図１０に示し、以下説明する。これは、第２の充電回路２３０におけるダイオード２３７のダイオード特性を誤差増幅回路２４０に付加することにより改善し、燃料電池１の定電圧出力制御とリチウムイオン電池３の定電圧充電制御での電圧設定精度を向上させ、切替回路２０３による切替え制御を行わなくても、所望の充電制御が可能となるように構成したものである。
【０１２８】
本構成において、端子２３３にはリチウムイオン電池３が接続され、抵抗２３８と抵抗２３９とによる分圧電圧が端子２３２に出力される。今、燃料電池１からの出力電流が増大すると燃料電池１の出力電圧が低下するが、端子２３１から入力されるその際の燃料電池１の電圧が基準電圧源２３５の電圧よりも低下しようとする場合は、誤差増幅回路２３６の出力が上昇する。その場合、誤差増幅回路２４０の出力電圧も増大し、ダイオード２３７を導通させるように動作するので、端子２３２の電圧も上昇する。端子２３２の電圧が上昇すると、ＰＷＭ制御回路２５０は変換回路２６０（図７等参照）のスイッチのオン期間を短縮し、燃料電池１からの出力電流を減少させ、出力電圧を上昇させるように動作する。
【０１２９】
一方、燃料電池１の出力電流が減少し燃料電池１の出力電圧が上昇した場合は、誤差増幅回路２３６の出力電圧が低下し、誤差増幅回路２４０の出力電圧も低下するのでダイオード２３７は非道通状態となる。この場合、リチウムイオン電池３の出力電圧が低い場合は、その分圧された電圧が出力される端子２３２の電圧も低下するので、ＰＷＭ制御回路２５０は変換回路２６０（図７等参照）のスイッチのオン期間を増加させ、燃料電池１からの出力電流を増大させ、燃料電池１の出力電圧を低下させるように動作する。
【０１３０】
このように、リチウムイオン電池３の電圧が低い場合は、燃料電池１の出力電圧が一定となるように、出力電流を制御する燃料電池１の一定電圧出力制御動作が継続する。
【０１３１】
リチウムイオン電池３の電圧が上昇してくると、燃料電池１の出力電圧が上昇してダイオード２３７が非道通状態となっても、抵抗による分圧電圧がＰＷＭ制御回路２５０の基準電源２５４（図９参照）よりも下降しない場合が生じてくる。このような場合には、ＰＷＭ制御回路２５０は変換回路２６０のスイッチのオン期間を増加させ、燃料電池１からの出力電流を増加させることはできないので、燃料電池１の出力電圧を低下させるような燃料電池１の一定電圧出力制御動作が継続できなくなる。
【０１３２】
このような場合、ＰＷＭ制御回路２５０の入力端子２５１には、端子２３３から入力されるリチウムイオン電池３の電圧を抵抗２３８と抵抗２３９とにより分圧された電圧が伝達されるようになり、変換回路２６０の出力電圧を一定電圧に保ち、リチウムイオン電池３を定電圧充電するような定電圧出力制御に変化する。
【０１３３】
なお、リチウムイオン電池３から端子４を通じて外部に電力が供給され、リチウムイオン電池３の電圧が低下してくると、再び燃料電池１の一定電圧出力制御に戻ることになるが、これらを継続することにより、リチウムイオン電池３の出力電圧の状態に応じた充電制御がなされることになるので、図１０に示した回路構成により、燃料電池１とリチウムイオン電池３の保護を配慮した充電制御が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本発明は、小型携帯機器用の燃料電池システムに有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概要を示すブロック図
【図２】燃料電池システムの具体構成を示す回路図
【図３】燃料電池システムの具体構成を示す回路図
【図４】燃料電池システムの具体構成を示す回路図
【図５】燃料電池システムの具体構成を示す回路図
【図６】燃料電池システムの具体構成を示す回路図
【図７】従来の燃料電池システムの構成を示す回路図
【図８】従来の燃料電池システムにおける充電制御回路の構成を示す回路図
【図９】従来の燃料電池システムの構成を示す回路図
【図１０】従来の燃料電池システムにおける第２の充電回路の他の構成を示す回路図
【符号の説明】
【０１３６】
１  燃料電池
１０１  水素発生部
１０２  アルミニウム粉
１０３  水素
１０４  ＰＥＦＣ
２  昇圧充電回路
２０１  第１の充電回路
２０２  第２の充電回路
２０３  切換回路
２０４  保護回路
２１０  充電制御回路
２５０  ＰＷＭ制御回路
２６０  切換回路
２７０  スイッチ
２７１  Ｐ型ＦＥＴ（第１の電界効果トランジスタ）
２７２  抵抗
２７３  Ｎ型ＦＥＴ（第２の電界効果トランジスタ）
２７４  Ｎ型ＦＥＴ（第３の電界効果トランジスタ）
２８０  保護回路
３  リチウムイオン電池（二次電池）
４  出力端子
【図１】
2008004379.tif 000003
【図２】
2008004379.tif 000004
【図３】
2008004379.tif 000005
【図４】
2008004379.tif 000006
【図５】
2008004379.tif 000007
【図６】
2008004379.tif 000008
【図７】
2008004379.tif 000009
【図８】
2008004379.tif 000010
【図９】
2008004379.tif 000011
【図１０】
2008004379.tif 000012