(57)【要約】【課題】回路の大型化を抑制しつつ、負荷の急変が生じた場合における過電圧の発生を低減することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池４と、燃料電池４の出力電圧を、所定の電圧に変換して接続端子３へ出力する電圧コンバータ５と、電圧コンバータ５の出力電圧を検出するコンパレータ１１と、コンパレータ１１により検出された電圧が設定電圧Ｖｒｅｆ以上となった場合、プログラムを実行することにより、電圧コンバータ５の出力電圧を低下させる制御部８とを備えた。そして、コンパレータ１１により電圧コンバータ５の出力電圧が設定電圧Ｖｒｅｆ以上となったことが検出された場合、電圧コンバータ５の動作を停止させ、制御部８によって電圧コンバータ５の出力電圧が低下された後に電圧コンバータ５を、制御部８による制御動作に応じて動作させるようにした。【選択図】図１
2008021464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸素とに基づき電力を生成する燃料電池と、
負荷を接続するための接続端子と、
前記燃料電池の出力電圧を、所定の電圧に変換して前記接続端子へ出力する電圧コンバータと、
前記電圧コンバータの出力電圧が予め設定された設定電圧以上となった場合、前記電圧コンバータの出力電圧を低下させるための制御信号を生成する出力電圧低下処理を実行する第１制御部と、
前記電圧コンバータの出力電圧を検出すると共に当該検出された電圧が前記設定電圧以上となった場合、前記電圧コンバータの動作を停止させ、前記第１制御部による前記出力電圧低下処理の実行後に前記電圧コンバータを、前記制御信号に応じて動作させる第２制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電圧コンバータの出力電圧により充電されると共に、当該充電された電力を前記接続端子へ出力する蓄電素子をさらに備えること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２制御部は、
前記電圧コンバータの出力電圧と前記設定電圧とを比較し、前記電圧コンバータの出力電圧が前記設定電圧以上となった場合に前記電圧コンバータの動作を停止させる旨の停止信号を出力する比較器と、
前記停止信号を、前記出力電圧低下処理のための処理時間以上の間、保持する保持回路と
を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１制御部は、前記比較器から前記停止信号が出力された場合に、前記電圧コンバータの出力電圧が予め設定された設定電圧以上となったと判定すること
を特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記電圧コンバータは、前記制御信号のデューティ比に応じて前記燃料電池の出力電圧をオン、オフするスイッチング素子を備え、前記制御信号のデューティ比の減少に応じて、前記接続端子への出力電圧を低下させ、
前記第１制御部は、前記出力電圧低下処理として、前記制御信号のデューティ比を減少させること
を特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１制御部は、前記出力電圧低下処理において、さらに、前記燃料電池への燃料及び酸素の供給量のうち、少なくとも一方を減少させること
を特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に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、燃料電池により生成された電力を負荷に供給する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、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。
【０００５】
このようなＤＣ−ＤＣコンバータとして、燃料電池の出力電圧をオン、オフするスイッチング素子のオンオフデューティ比を制御することにより、所望の動作用電源電圧を得るようにした、いわゆるスイッチング電源方式のＤＣ−ＤＣコンバータが広く用いられている。このようなＤＣ−ＤＣコンバータでは、例えばＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧をマイクロコンピュータを用いた制御回路で監視し、マイクロコンピュータのソフトウェア処理によって、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を所望の動作用電源電圧と一致させるように、スイッチング素子のオンオフデューティ比を制御するものが知られている。
【０００６】
ところで、例えば負荷装置が突然、ＤＣ−ＤＣコンバータから外れてしまうなどして負荷が急激に軽くなった場合、電力の行き場がなくなりＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が急激に上昇する。そうすると、マイクロコンピュータを用いた制御回路で出力電圧を制御するＤＣ−ＤＣコンバータでは、マイクロコンピュータのソフトウェア処理に必要な処理時間がこのような急激な出力電圧の上昇に間に合わないため、過電圧が負荷装置やＤＣ−ＤＣコンバータの内部回路に印加されて、損傷を与えるおそれがある。
【０００７】
また、燃料電池は、出力電流を増大させると出力電圧が低下し、出力電流を減少させると出力電圧が上昇する性質がある。また、燃料電池には、出力電圧によって発電効率が変化する性質もある。そこで、近年、燃料電池の出力電圧を、高発電効率が得られる電圧に一定に保つように、燃料電池からＤＣ−ＤＣコンバータへの吸い込み電流を調節するようにしたものが知られている。
【０００８】
このように、燃料電池の出力電圧、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧を一定に制御するようにしたＤＣ−ＤＣコンバータでは、例えば負荷が急激に軽くなるなどしてＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が上昇した場合であっても、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧に無関係に燃料電池からの吸い込み電流を維持しようとして出力電圧を低下させる制御動作を行わないため、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が上昇し続ける結果、なおさら過電圧により負荷装置やＤＣ−ＤＣコンバータの内部回路に損傷を与えるおそれが増大する。
【０００９】
そこで、負荷装置と並列に過電圧保護回路を設けることにより、出力電圧が上昇した場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流を過電圧保護回路にバイパスさせることにより、過電圧から負荷装置やＤＣ−ＤＣコンバータの内部回路を保護するようにした燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧と基準電圧とを比較するコンパレータを設け、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が基準電圧を超えた場合に、コンパレータの出力信号によって、燃料電池への燃料供給を停止したりＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させたりすることで、過電圧の発生を抑制するようにした燃料電池システムも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特表２００６−５０１７９８号公報
【特許文献２】特開２００５−５６７６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１のように過電圧保護回路を設けて、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流を過電圧保護回路にバイパスさせる場合には、燃料電池の出力電力を過電圧保護回路で消費することになるので、過電圧保護回路は、燃料電池の出力電力以上の電力定格を有する必要がある。例えば２０Ｗの燃料電池を用いる場合には、２０Ｗ以上の電力定格を有する過電圧保護回路が必要である。このように、電力定格の大きな過電圧保護回路を構成するためには、トランジスタや抵抗器等、過電圧保護回路の部品に、電力定格の大きな部品を使用する必要がある。しかし、電力定格の大きい部品は外形寸法が大きいため、このような過電圧保護回路を用いると、回路が大型化するという不都合があった。
【００１２】
また、特許文献２のように、コンパレータを用いてＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を監視し、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が一定の基準電圧を超えた場合に、コンパレータのオン信号によって、燃料電池への燃料供給を停止する技術では、負荷が急に軽くなった場合には、燃料供給を停止しても燃料電池の出力電力はすぐに低下しないため、過剰となった燃料電池の出力電力によって、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が上昇する不都合があった。また、コンパレータを用いてＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を監視し、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が一定の基準電圧を超えた場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止する場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータを停止して出力電圧が基準電圧以下に低下すると、コンパレータがオフして再びＤＣ−ＤＣコンバータが動作を開始するため、ＤＣ−ＤＣコンバータが動作と停止とを繰り返して安定的にＤＣ−ＤＣコンバータを停止することができず、過電圧の発生を十分に抑制することができないという不都合があった。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、回路の大型化を抑制しつつ、負荷の急変が生じた場合における過電圧の発生を低減することができ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】
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料と酸素とに基づき電力を生成する燃料電池と、負荷を接続するための接続端子と、前記燃料電池の出力電圧を、所定の電圧に変換して前記接続端子へ出力する電圧コンバータと、前記電圧コンバータの出力電圧が予め設定された設定電圧以上となった場合、前記電圧コンバータの出力電圧を低下させるための制御信号を生成する出力電圧低下処理を実行する第１制御部と、前記電圧コンバータの出力電圧を検出すると共に当該検出された電圧が前記設定電圧以上となった場合、前記電圧コンバータの動作を停止させ、前記第１制御部による前記出力電圧低下処理の実行後に前記電圧コンバータを、前記制御信号に応じて動作させる第２制御部とを備える。
【００１５】
この構成によれば、燃料電池によって、燃料と酸素とに基づき電力が生成される。また、電圧コンバータによって、燃料電池の出力電圧が所定の電圧に変換されて負荷を接続するための接続端子へ出力される。そして、電圧コンバータの出力電圧が予め設定された設定電圧以上となった場合、第１制御部により生成された制御信号により電圧コンバータの出力電圧が低下される前に、第２制御部によって速やかに電圧コンバータの動作が停止されるので、負荷の急変により電圧コンバータの出力電圧が急激に上昇した場合であっても、過電圧の発生を低減することができる。また、第２制御部は、電圧コンバータの出力電圧が低下しても、直ちに電圧コンバータの動作を開始することなく、第１制御部により電圧コンバータの出力電圧を低下させる制御信号が生成された後に、当該制御信号に応じて電圧コンバータを動作させるので、電圧コンバータの出力電圧が低下して直ちに電圧コンバータの動作が開始される場合のように電圧コンバータの動作状態と停止状態とが繰り返されることが低減される。さらに、過電圧の発生を低減するために電流をバイパスする過電圧保護回路を用いないので、電力定格が大きく、従って外形寸法が大きい部品を用いる必要が無く、回路の大型化を抑制することができる。
【００１６】
また、前記電圧コンバータの出力電圧により充電されると共に、当該充電された電力を前記接続端子へ出力する蓄電素子をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、負荷に流れる負荷電流が減少すると、余った電力は蓄電素子に蓄えられ、負荷電流が増大すると蓄電素子に蓄えられた電力が負荷へ供給されるので、蓄電素子によって負荷変動が吸収される結果、電圧コンバータの出力電圧が安定化される。
【００１７】
また、前記第２制御部は、前記電圧コンバータの出力電圧と前記設定電圧とを比較し、前記電圧コンバータの出力電圧が前記設定電圧以上となった場合に前記電圧コンバータの動作を停止させる旨の停止信号を出力する比較器と、前記停止信号を、前記出力電圧低下処理のための処理時間以上の間、保持する保持回路とを備えることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、比較器によって、電圧コンバータの出力電圧と設定電圧とが比較され、電圧コンバータの出力電圧が設定電圧以上となった場合に比較器の出力信号に応じて電圧コンバータの動作が停止されるので、電圧コンバータの出力電圧が設定電圧以上となった場合に速やかに電圧コンバータの動作を停止させることができる。また、比較器の電圧コンバータの動作を停止させる旨の停止信号は、保持回路によって、出力電圧低下処理のための処理時間以上の間、保持されるので、電圧コンバータの出力電圧が低下して直ちに電圧コンバータの動作が開始される場合のように、電圧コンバータの動作状態と停止状態とが繰り返されることが低減される。
【００１９】
また、前記第１制御部は、前記比較器から前記停止信号が出力された場合に、前記電圧コンバータの出力電圧が予め設定された設定電圧以上となったと判定することが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、第１制御部は、比較器から停止信号が出力された場合に、電圧コンバータの出力電圧が設定電圧以上となったと判定することで、出力電圧低下処理を実行するので、比較器の他に別途電圧検出部を設ける必要がなく、回路を簡素化することができる。
【００２１】
また、前記電圧コンバータは、前記制御信号のデューティ比に応じて前記燃料電池の出力電圧をオン、オフするスイッチング素子を備え、前記制御信号のデューティ比の減少に応じて、前記接続端子への出力電圧を低下させ、前記第１制御部は、前記出力電圧低下処理として、前記制御信号のデューティ比を減少させることが好ましい。
【００２２】
この構成によれば、電圧コンバータが、スイッチング素子のオンデューティ比の減少に応じて接続端子への出力電圧が低下するいわゆるスイッチング電源方式の電源回路により構成された場合に、第１制御部は、出力電圧低下処理としてスイッチング素子をオンオフさせる制御信号のデューティ比を減少させることにより、電圧コンバータの出力電圧を低下させることができる。
【００２３】
また、前記第１制御部は、前記出力電圧低下処理において、さらに、前記燃料電池への燃料及び酸素の供給量のうち、少なくとも一方を減少させることが好ましい。この構成によれば、電圧コンバータの出力電圧を低下させる際に、燃料電池への燃料及び酸素の供給量のうち、少なくとも一方を減少させることで、燃料電池による発電電力を減少させ、余剰電力を低減させて、燃料電池における発電効率の低下を低減することができる。
【発明の効果】
【００２４】
このような構成の燃料電池システムは、電圧コンバータの出力電圧が予め設定された設定電圧以上となった場合、第１制御部により生成された制御信号により電圧コンバータの出力電圧が低下される前に、第２制御部によって速やかに電圧コンバータの動作が停止されるので、負荷の急変により電圧コンバータの出力電圧が急激に上昇した場合であっても、過電圧の発生を低減することができる。また、第２制御部は、電圧コンバータの出力電圧が低下しても、直ちに電圧コンバータの動作を開始することなく、第１制御部により電圧コンバータの出力電圧を低下させる制御信号が生成された後に、当該制御信号に応じて電圧コンバータを動作させるので、電圧コンバータの出力電圧が低下して直ちに電圧コンバータの動作が開始される場合のように電圧コンバータの動作状態と停止状態とが繰り返されることが低減される。さらに、過電圧の発生を低減するために電流をバイパスする過電圧保護回路を用いないので、電力定格が大きく、従って外形寸法が大きい部品を用いる必要が無く、回路の大型化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す燃料電池システム１は、負荷２に電力を供給する燃料電池システムであって、負荷２を接続するための接続端子３と、燃料と酸素の供給を受けて化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池４と、燃料電池４の出力側に接続され、内蔵されたスイッチング素子Ｑ１をオン、オフさせることにより燃料電池４の出力電圧Ｖｔを昇圧し、電圧Ｖｏｕｔとして接続端子３を介して負荷２へ供給する電圧コンバータ５と、電圧コンバータ５の出力電圧Ｖｏｕｔを検出する例えばＡＤコンバータを用いて構成された電圧検出部７と、電圧検出部７により検出された電圧Ｖｏｕｔに基づきスイッチング素子Ｑ１のオン、オフデューティ比を制御するための制御信号Ｓ１を、アンドゲート９へ出力する制御部８（第１制御部）と、電圧コンバータ５及び接続端子３の接続点とグラウンドとの間に接続された二次電池６（蓄電素子）とを備えている。
【００２６】
さらに、設定電圧Ｖｒｅｆを出力する例えば定電圧回路を用いて構成された基準電圧源１０と、電圧コンバータ５の出力電圧Ｖｏｕｔと基準電圧源１０から出力される設定電圧Ｖｒｅｆとを比較し、出力電圧Ｖｏｕｔが設定電圧Ｖｒｅｆ以上となった場合にスイッチング素子Ｑ１をオフさせて電圧コンバータ５の動作を停止させるべくローレベルの信号を出力するコンパレータ１１（比較器）と、コンパレータ１１の出力信号を、予め設定された時間ｔｗの間保持し、制御信号Ｓ２として制御部８及びアンドゲート９へ出力する保持回路１２と、制御信号Ｓ１と制御信号Ｓ２との論理積により得られた信号Ｓ３をスイッチング素子Ｑ１のゲートへ出力するアンドゲート９とを備えている。この場合、基準電圧源１０、コンパレータ１１、及び保持回路１２が、第２制御部の一例に相当している。
【００２７】
基準電圧源１０の設定電圧Ｖｒｅｆは、例えば負荷２や二次電池６が過電圧によって破壊することのない定格電圧範囲の上限値に設定されている。
【００２８】
電圧コンバータ５は、いわゆるスイッチング電源方式のＤＣ−ＤＣコンバータである。電圧コンバータ５は、燃料電池４の出力端子がコイルＬの一端に接続され、コイルＬの他端にダイオードＤ１のアノードが接続され、ダイオードＤ１のカソードがキャパシタＣ２を介してグラウンドに接続されている。そして、燃料電池４とコイルＬとの接続点が、キャパシタＣ１を介してグラウンドに接続され、コイルＬとダイオードＤ１との接続点が、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）等のトランジスタを用いて構成されたスイッチング素子Ｑ１を介してグラウンドに接続されている。そして、電圧コンバータ５は、スイッチング素子Ｑ１のオンデューティ比が増大すると出力電圧Ｖｏｕｔが上昇し、スイッチング素子Ｑ１のオンデューティ比が減少すると出力電圧Ｖｏｕｔが低下するようになっている。なお、電圧コンバータ５は、ＤＣ−ＤＣコンバータに限らず、ＤＣ−ＡＣコンバータであってもよい。
【００２９】
負荷２は、例えばパーソナルコンピュータの本体等、燃料電池システム１から供給された電力を消費する負荷である。燃料電池４は、図略の燃料供給装置から供給されるメタノール燃料と、空気中に含まれる酸素とから電力を生成する。燃料電池４は、例えば複数の燃料電池セルを直列に積層したスタック構造にされている。この燃料電池セルは、例えば１セルあたりの発電電圧が０．４Ｖ程度のダイレクトメタノール型燃料電池であり、この燃料電池セルを１０個直列に接続してスタックとしている。したがって、燃料電池４の出力電圧は例えば４Ｖとなる。
【００３０】
なお、燃料電池４は、複数の燃料電池セルを直列に積層したものに限らず、一つの燃料電池セルにより構成されていてもよい。また、燃料電池セルは、例えばアクティブ型ＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）や、パッシブ型ＤＭＦＣ、ＤＤＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  ＤＭＥ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）、ＲＭＦＣ（Ｒｅｆｏｒｍｅｄ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）等、種々の燃料電池セルを用いることができる。
【００３１】
二次電池６は、例えばリチウムイオン二次電池を２個直列接続にして構成されており、出力電圧は６Ｖ〜８Ｖ程度にされている。なお、二次電池６は、リチウムイオン二次電池に限らず、例えばニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池等、種々の二次電池を用いることができる。また、二次電池６の代わりに、例えば電気二重層コンデンサ等のキャパシタを、蓄電素子として用いてもよい。
【００３２】
制御部８は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、これらの周辺回路等とを備えて構成されている。そして、制御部８は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することによって、電圧検出部７により検出された電圧Ｖｏｕｔに基づき、制御信号Ｓ１のデューティ比を制御する。
【００３３】
また、制御部８は、保持回路１２から出力された制御信号Ｓ２がローレベルになった場合、すなわち出力電圧Ｖｏｕｔが設定電圧Ｖｒｅｆ以上となって、電圧コンバータ５の動作を停止させて出力電圧Ｖｏｕｔを低下させるべくコンパレータ１１の出力信号がローレベルにされた場合に、ＲＯＭに予め記憶されたプログラムを実行することによって、制御信号Ｓ１のオンデューティ比を減少させると共に図略の燃料供給装置から燃料電池４へ供給されるメタノール燃料の供給量を減少させて燃料電池４の発電量を低下させる出力電圧低下処理を実行する。
【００３４】
なお、燃料電池システム１は、燃料電池４に供給される酸素の量を調節する酸素量調節装置を備え、制御部８は、出力電圧低下処理において、燃料の供給量を減少させる代わりに酸素量調節装置により燃料電池４へ供給される酸素の供給量を減少させて燃料電池４の発電量を低下させるようにしてもよく、燃料供給量と酸素供給量とを両方減少させるようにしてもよい。
【００３５】
次に、上述のように構成された燃料電池システム１の動作について説明する。燃料電池システム１におけるスイッチング素子Ｑ１のデューティ比Ｄと、電圧コンバータ５の昇圧比Ｖａとの関係は、以下の式（１）〜（３）で示される。
【００３６】
Ｄ＝Ｆｏｎ／（Ｆｏｎ＋Ｆｏｆｆ）  ・・・（１）
Ｄ＝（１−Ｖｔ／Ｖｏｕｔ）        ・・・（２）
Ｖａ＝Ｖｏｕｔ／Ｖｔ
＝１／（１−Ｄ）              ・・・（３）
但し、Ｆｏｎは、スイッチング素子Ｑ１がオンの時間、Ｆｏｆｆは、スイッチング素子Ｑ１がオフの時間、Ｖｔは、電圧コンバータ５の入力電圧（燃料電池４の出力電圧）、Ｖｏｕｔは、電圧コンバータ５の出力電圧を示している。
【００３７】
ここで、電圧コンバータ５の出力電圧Ｖｏｕｔは、正常な動作状態では二次電池６の出力電圧に等しく、６Ｖ〜８Ｖ程度の電圧となる。また、燃料電池４は、発電効率が出力電圧Ｖｔに応じて変化するので、燃料電池４の発電効率が良好となるように、予め電圧Ｖｔが設定される。
【００３８】
そして、制御部８によって、このようにして設定された電圧Ｖｔ、例えば４Ｖに基づき、電圧検出部７により検出された電圧Ｖｏｕｔが二次電池６の出力電圧、例えば８Ｖになるように、式（２）からデューティ比Ｄが算出され、デューティ比Ｄの制御信号Ｓ１がアンドゲート９を介してスイッチング素子Ｑ１のゲートに印加される結果、スイッチング素子Ｑ１がデューティ比Ｄでオン、オフされて４Ｖの電圧Ｖｔが８Ｖの電圧Ｖｏｕｔに昇圧される。そして、このようにして得られた電圧Ｖｏｕｔが二次電池６に印加されると共に、接続端子３を介して負荷２に印加される。
【００３９】
このようにして、燃料電池４から出力された電力が、所定の電圧で負荷２に供給される。ここで、負荷２を流れる負荷電流Ｉｒが変動すると、燃料電池４の発電量は、負荷電流Ｉｒの変化に応じて急激に変化できないため、燃料電池４の出力電圧Ｖｔの変動となって現れる。例えば、負荷電流Ｉｒが減少すると、燃料電池４の出力電圧Ｖｔが上昇し、式（２）から負荷２に印加される電圧Ｖｏｕｔが上昇する。一方、例えば、負荷電流Ｉｒが増大すると、燃料電池４の出力電圧Ｖｔが低下し、式（２）から負荷２に印加される電圧Ｖｏｕｔが低下するため、負荷２に供給される電圧Ｖｏｕｔが不安定になる。
【００４０】
そこで、燃料電池システム１では、二次電池６によって負荷２の負荷電流Ｉｒの変動、すなわち消費電力の変動を吸収し、電圧Ｖｏｕｔを安定化するようになっている。具体的には、負荷２に電力を供給しても電圧コンバータ５から出力された電力が余る場合、余りの電力で二次電池６が充電される。一方、負荷２に供給する電力が燃料電池４から出力された電力だけでは足りない場合、二次電池６は不足分の電力を放電し、接続端子３から負荷２へ、燃料電池４が出力した電力と二次電池６が放電した電力とを合わせた電力が供給される。このように二次電池６は、負荷２に供給される電力の急激な変化を吸収する役割を担う。
【００４１】
次に、負荷２の負荷電流Ｉｒの変動が、二次電池６により吸収可能な変動量を超えて減少した場合における燃料電池システム１の動作について説明する。図２は、燃料電池システム１の動作を説明するためのタイミングチャートである。まず、図２における通常動作状態を示しているタイミングｔ１において、燃料電池４の発電効率を高めるように、制御部８によってデューティ比Ｄの制御信号Ｓ１が、アンドゲート９へ出力され、アンドゲート９からスイッチング素子Ｑ１のゲートへ出力される。そうすると、スイッチング素子Ｑ１がデューティ比Ｄでオンされる。
【００４２】
図３は、燃料及び酸素の供給量が一定の条件における燃料電池４の動作を説明するための説明図である。グラフＧ１は、燃料電池４の出力電流（横軸）と出力電力（縦軸）との関係を示し、グラフＧ２は、燃料電池４の出力電流（横軸）と出力電圧Ｖｔ（縦軸）との関係を示している。グラフＧ１に示すように、燃料電池４の出力電流がＡｉのとき、出力電力がＡｗで最大となる。そして、グラフＧ２に示すように、出力電流がＡｉとなる燃料電池４の出力電圧Ｖｔは、Ａｖである。従って、タイミングｔ１において、制御部８によって、式（２）における電圧ＶｔがＡｖ、電圧Ｖｏｕｔが例えば８Ｖになるように、デューティ比Ｄが設定される。この場合、燃料電池４は、図３に示す動作点Ｐ１で動作している。
【００４３】
次に、タイミングｔ２において、負荷電流Ｉｒが、二次電池６により吸収可能な変動量を超えて急激に減少した場合、例えば負荷２の図略の電源スイッチがオフされて負荷電流Ｉｒが急激にゼロになった場合、それまで負荷２に供給されていた負荷電流Ｉｒを含む電圧コンバータ５のすべての出力電流が、二次電池６に電流Ｉｂａｔとして流れ込み、二次電池６の端子電圧である電圧Ｖｏｕｔが急上昇する。
【００４４】
そして、電圧Ｖｏｕｔが設定電圧Ｖｒｅｆに達すると、コンパレータ１１の出力信号がローレベルにされ、保持回路１２により時間ｔｗの間、制御信号Ｓ２がローレベルに保持されて制御部８及びアンドゲート９へ出力される。時間ｔｗは、制御部８による出力電圧低下処理の処理時間ｔｃ以上に設定されている。
【００４５】
そうすると、アンドゲート９の出力信号Ｓ３は、制御信号Ｓ１に関わらず強制的にローレベルにされてスイッチング素子Ｑ１のゲートへ出力され、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態にされ、電圧コンバータ５の動作が停止する。この場合、電圧Ｖｏｕｔが設定電圧Ｖｒｅｆに達してから電圧コンバータ５の動作が停止するまでの時間は、コンパレータ１１、保持回路１２、及びアンドゲート９の動作遅延時間だけなので、例えば１０ｎｓｅｃ以下程度の極めて短時間となる。
【００４６】
次に、タイミングｔ３において、スイッチング素子Ｑ１がオフして電圧コンバータ５の動作が停止すると、燃料電池４と二次電池６とは、コイルＬおよびダイオードＤ１を介して接続される。このとき、燃料電池４の開回路電圧が二次電池６の端子電圧より高ければ、ダイオードＤ１による電圧降下を無視すれば、昇圧比Ｖａが１となる。また、燃料電池４の開回路電圧は、通常作動電圧よりは、かなり上昇する一方、燃料電池４の出力電流は、出力電圧の上昇に応じて減少する結果、極めて小さい電流値となる。逆に、燃料電池４の開回路電圧が二次電池６の端子電圧より低ければ、ダイオードＤ１により電流は流れない。
【００４７】
これにより、負荷２の負荷電流Ｉｒの変動が、二次電池６により吸収可能な変動量を超えて減少した場合において、電圧Ｖｏｕｔが一時的に急上昇した場合であっても、電圧Ｖｏｕｔが例えば負荷２や二次電池６が過電圧によって破壊することのない定格電圧範囲の上限値に設定されている設定電圧Ｖｒｅｆに達すると、コンパレータ１１、保持回路１２、及びアンドゲート９によって、例えば１０ｎｓｅｃ以下といった極めて短時間でスイッチング素子Ｑ１がオフされ、電圧Ｖｏｕｔが二次電池６の出力電圧値まで低下されるので、負荷の急変が生じた場合における過電圧の発生を低減し、負荷２や二次電池６が過電圧により損傷することを抑制することができる。
【００４８】
この場合、例えば電圧検出部７によって過電圧を検出し、制御部８によるＣＰＵのプログラム実行処理によってスイッチング素子Ｑ１をオフさせる場合には、プログラム実行処理に数ｍｓｅｃ程度の時間が必要となり、このような処理時間の間に過電圧が生じて負荷２や二次電池６が損傷するおそれがある。しかし、燃料電池システム１においては、コンパレータ１１、保持回路１２、及びアンドゲート９によって、例えば１０ｎｓｅｃ以下といった極めて短時間でスイッチング素子Ｑ１をオフすることができるので、過電圧から負荷２や二次電池６を保護する確実性を向上させることができる。
【００４９】
ここで、例えば燃料電池４の開回路電圧は、８Ｖ〜１０Ｖ程度にされており、二次電池６の端子電圧より高いので、電圧コンバータ５の昇圧比が１となる。そうすると、燃料電池４の出力電圧Ｖｔは、二次電池６の端子電圧と等しいＢｖ（例えば６Ｖ〜８Ｖ）になる。そうすると、図３に示すように、燃料電池４の動作点はＰ２に移動し、燃料電池４の発電特性から、燃料電池４の出力電流はほとんどゼロに近い電流値Ｂｉとなる。
【００５０】
一方、制御部８は、保持回路１２からローレベルの制御信号Ｓ２を受信すると、ＣＰＵによるプログラム実行により、出力電圧低下処理を実行する。そうすると、制御信号Ｓ２の立下りから、制御部８による出力電圧低下処理にかかる処理時間ｔｃ、例えば数ｍｓｅｃ程度の時間経過後、制御部８によって制御信号Ｓ１のデューティ比Ｄが減少される。この場合、制御部８によって、電圧コンバータ５の出力電流が二次電池６で吸収可能な範囲の電流値になるように、デューティ比Ｄが設定される。
【００５１】
この場合、保持回路１２により制御信号Ｓ２がローレベルに保持される時間ｔｗは、処理時間ｔｃ以上に設定されているので、制御部８による出力電圧低下処理時間中は、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態に維持される結果、制御部８によって制御信号Ｓ１のデューティ比Ｄが減少される前に電圧コンバータ５が動作を開始し電圧Ｖｏｕｔが上昇して過電圧が生じ、負荷２や二次電池６が損傷することが抑制される。
【００５２】
次いで、処理時間ｔｃが経過したタイミングｔ４において、コンパレータ１１の出力信号が、そのまま制御信号Ｓ２として制御部８とアンドゲート９とへ出力される。そうすると、タイミングｔ４においては既に電圧Ｖｏｕｔは設定電圧Ｖｒｅｆに満たない電圧に低下しているから、制御信号Ｓ２は、保持回路１２からハイレベルで制御部８とアンドゲート９とへ出力される。
【００５３】
そうすると、アンドゲート９によって、制御部８によりデューティ比Ｄが減少されて出力された制御信号Ｓ１がスイッチング素子Ｑ１のベースへ出力され、スイッチング素子Ｑ１が小さなオンデューティ比でオン、オフ動作を開始するので、電圧コンバータ５の出力電流、すなわち二次電池６に流れる電流Ｉｂａｔは二次電池６で吸収可能な小さな電流値に抑えられる結果、電圧Ｖｏｕｔは二次電池６の出力電圧にされて安定する。
【００５４】
また、タイミングｔ４において、電圧コンバータ５が動作を開始すると、燃料電池４の出力電流がＢｉからＣｉに増大し、燃料電池４の出力電圧ＶｔがＢｖからＣｖに低下して、燃料電池４の動作点はＰ３に移動する。このとき、電流Ｃｉは、例えば電流Ａｉの１／２になるように、制御部８によりデューティ比Ｄが設定されている。
【００５５】
ここで、燃料電池４の動作点がＰ１からＰ３に変化すると、図３に示すように、出力電力もＡｗの約１／２程度のＣｗに減少する。そうすると、動作点Ｐ３においても燃料電池４への燃料供給量は同じであるから、同じ燃料供給量で燃料電池４から取り出せる電力料が約１／２となり、燃料電池４の発電効率も約１／２に低下する。
【００５６】
そこで、タイミングｔ５において、制御部８によって、発電効率を向上させるべく図略の燃料供給装置から燃料電池４へ供給される燃料の供給量が減少される。図４は、燃料の供給量を変化させた場合における燃料電池４の動作を説明するための説明図である。説明を簡略化するため、燃料供給量を「大」「中」「小」の三段階で表し、燃料供給量が「大」の場合を太線で、燃料供給量が「中」の場合を細線で、燃料供給量が「小」の場合を波線で示している。
【００５７】
太線で示す燃料供給量「大」のグラフＧ１，Ｇ２は、図３に示すグラフＧ１，Ｇ２と同様である。細線で示す燃料供給量「中」のグラフＧ３，Ｇ４は、グラフＧ１，Ｇ２よりも燃料供給量を減少させた場合における、燃料電池４の出力電流（横軸）と出力電力（縦軸）との関係、及び燃料電池４の出力電流（横軸）と出力電圧Ｖｔ（縦軸）との関係をそれぞれ示している。破線で示す燃料供給量「小」のグラフＧ５，Ｇ６は、グラフＧ３，Ｇ４よりもさらに燃料供給量を減少させた場合における、燃料電池４の出力電流（横軸）と出力電力（縦軸）との関係、及び燃料電池４の出力電流（横軸）と出力電圧Ｖｔ（縦軸）との関係をそれぞれ示している。
【００５８】
図４に示すように、燃料電池４は、燃料供給量が減少すると、出力電力が最大、すなわち発電効率が最大になる出力電流も減少する。図４では、動作点Ｐ３では、燃料供給量「小」のグラフＧ５で最大の発電効率が得られる。そこで、制御部８によって、燃料電池４への燃料供給量が減少され、タイミングｔ６において燃料供給量が「小」になると、グラフＧ５に示すように動作点Ｐ３において、燃料電池４の発電効率が最大となるので、過電圧の発生を低減することによる燃料電池４の発電効率の低下を低減することができる。
【００５９】
なお、負荷が急変して電圧Ｖｏｕｔが上昇する場合としては、例えば燃料電池システム１が携帯型パーソナルコンピュータに接続されている場合であって、ユーザが突然携帯型パーソナルコンピュータから燃料電池システム１を取り外した場合のように、負荷２が燃料電池システム１から取り外されてしまう場合などが想定される。
【００６０】
また、電圧コンバータ５から見ると、二次電池６も負荷である。そうすると、タイミングｔ２において、例えば電圧コンバータ５に二次電池６を接続している接続配線が断線したり、例えば二次電池６が電池パックのように取り外し可能にされている場合に、ユーザが二次電池６を取り外す等して、二次電池６が回路から切り離されると、それまで二次電池６に流れ込んでいた電流Ｉｂａｔが負荷２へ流れて負荷電流Ｉｒが増大し、電圧Ｖｏｕｔが上昇する。このような負荷変動の場合にも、上述のタイミングｔ３〜ｔ６における処理により、負荷の急変が生じた場合における過電圧の発生を低減し、負荷２が過電圧により損傷することを抑制することができると共に、過電圧の発生を低減することによる燃料電池４の発電効率の低下を低減することができる。
【００６１】
また、二次電池６が電池パックとして構成されている場合には、電池パック内に、過電圧が印加された場合に二次電池６を回路から切り離す過電圧保護回路が内蔵されている場合がある。このような電池パックの過電圧保護回路が働いた場合も、二次電池６が回路から切り離されて負荷変動が生じる結果、過電圧を生じるおそれがあるが、設定電圧Ｖｒｅｆを電池パックの過電圧保護回路が働く電圧よりも低い電圧にしておけば、過電圧保護回路が働く前に電圧Ｖｏｕｔを低下させ、過電圧が生じるおそれを低減することができる。
【００６２】
また、制御部８によって、燃料電池４への燃料供給量を減少させることで、燃料電池４の発電効率を向上させる例を示したが、燃料供給量を減少させる代わりに燃料電池４への酸素供給量を減少させたり、燃料供給量及び酸素供給量の両方を減少させたりすることにより、燃料電池４の発電量を低下させて発電効率を向上させるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明に係る燃料電池システムは、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を接続する際に特に有用である。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】
【００６４】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】燃料及び酸素の供給量が一定の条件における燃料電池の動作を説明するための説明図である。
【図４】燃料の供給量を変化させた場合における燃料電池の動作を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  燃料電池システム
２  負荷
３  接続端子
４  燃料電池
５  電圧コンバータ
６  二次電池
７  電圧検出部
８  制御部
９  アンドゲート
１０  基準電圧源
１１  コンパレータ
１２  保持回路
Ｃ１，Ｃ２  キャパシタ
Ｄ１  ダイオード
Ｌ  コイル
Ｑ１  スイッチング素子
Ｄ  デューティ比
Ｖｒｅｆ  設定電圧
ｔｃ  処理時間
【図１】
2008021464.tif 000003
【図２】
2008021464.tif 000004
【図３】
2008021464.tif 000005
【図４】
2008021464.tif 000006