(57)【要約】【課題】生産されたエネルギー損失を最小化し、安定的且つ効率的なエネルギー管理を行い、かかるエネルギー管理の面から移動型燃料電池装置内の部品の選択と配置を行なう移動型燃料電池装置及びその駆動方法を提供する。【解決手段】本発明は、ＯＣＶ値を用いた初期駆動後の安定化状態を決定する移動型燃料電池装置及びその駆動方法に関する。本発明によれば、初期駆動の検知、駆動電位の効率的変換、燃料電池における最小燃料濃度の使用と燃料電池の作動停止時における二次電池の使用の最大化などによって生産されたエネルギー損失を最小化し、安定的且つ効率的なエネルギー管理を行なうことができる。  また、かかるエネルギー管理の面から移動型燃料電池装置内の部品の選択と配置を行うことで装置の経済性及び商用性を高めることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位電池または単位電池のスタックから構成される燃料電池と、
充電及び放電が可能な二次電池と、
前記燃料電池から生産された電力を供給されて応用機器に供給し、前記二次電池と相互に接続されて電力を供給されまたは供給し、前記燃料電池の駆動のために電力を供給し、ＤＣ−ＤＣ変換器を含み、前記燃料電池の電圧を測定しそれに基づいて前記電力の供給をそれぞれ調節する電力調節装置と、
を含み、
前記電力調節装置は、前記燃料電池の初期駆動後、前記燃料電池から測定される電圧が所定の状態に達する安定化状態で前記燃料電池から電力を供給されるようにすることを特徴とする移動型燃料電池装置。
【請求項２】
前記電力調節装置は、前記燃料電池の単位電池またはそのスタックが示すＯＣＶに基づき、初期駆動時における前記燃料電池の電圧の立ち上がり時に該電圧が前記ＯＣＶ値を超えているか否かを測定し、
所定時間が経過してから前記燃料電池の電圧が前記ＯＣＶ値に達しているか否かを再度測定した後、
前記二回の測定後、前記燃料電池から電力を供給されるようにすることを特徴とする請求項１に記載の移動型燃料電池装置。
【請求項３】
前記所定時間が経過してから前記電圧がＯＣＶ値の±５％内に達している場合、ＯＣＶ値に達したとみて前記燃料電池から電力を供給されるようにすることを特徴とする請求項２に記載の移動型燃料電池装置。
【請求項４】
前記二次電池は、前記燃料電池の生産総電力の１０ないし１５％を初期燃料電池駆動電力として供給することを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の移動型燃料電池装置。
【請求項５】
前記二次電池は、初期燃料電池駆動電力として消耗された電力を前記電力調節装置から満充電時まで供給された後、前記電力調節装置と前記二次電池との接続が遮断されることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の移動型燃料電池装置。
【請求項６】
前記電力調節装置は、前記燃料電池が正常状態から性能減少段階に至りその電位が制限電位以下になった場合に前記燃料電池の駆動が停止されるように前記燃料電池への電力供給を中断し、このとき、前記二次電池から電力を供給されるようにすることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の移動型燃料電池装置。
【請求項７】
前記電力調節装置は、前記ＤＣ−ＤＣ変換器の効率を８５ないし９０％以上にすべく前記燃料電池の作動電位を応用機器使用電位の４０ないし６０％に保持することを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の移動型燃料電池装置。
【請求項８】
前記燃料電池は、前記作動電位が６０％を超えないようにセパレータの枚数またはＭＥＡの面積が調節されることを特徴とする請求項７に記載の移動型燃料電池装置。
【請求項９】
単位電池またはそのスタックから構成される燃料電池と、
充電及び放電が可能な二次電池と、
前記燃料電池から生産された電力を供給されて応用機器に供給し、前記二次電池と相互に接続されて電力を供給されまたは供給し、前記燃料電池の駆動のための駆動装置に電力を供給し、ＤＣ−ＤＣ変換器を含み、前記燃料電池の電圧を測定しそれに基づいて前記電力の供給をそれぞれ調節する電力調節装置と、を含む移動型燃料電池装置の駆動方法であって、
前記二次電池から前記燃料電池に初期駆動電力を供給する段階（Ｓ１）と、
前記燃料電池の初期駆動後、前記燃料電池から測定される電圧が所定の状態に達する安定化状態で前記燃料電池から前記電力調節装置に電力を供給する段階（Ｓ２）と、
前記電力を供給された前記電力調節装置から前記応用機器、前記燃料電池、前記二次電池にそれぞれ電力を供給する段階（Ｓ３）、及び
前記電力調節装置から前記燃料電池に電力が供給されると、前記二次電池から前記燃料電池への電力供給を中断する段階（Ｓ４）と、
を含むことを特徴とする移動型燃料電池装置の駆動方法。
【請求項１０】
前記Ｓ２段階では、前記燃料電池の単位電池またはそのスタックが示すＯＣＶに基づき、初期駆動時における前記燃料電池の電圧の立ち上がり時に該電圧が前記ＯＣＶ値を超えているか否かを測定し、所定時間が経過してから前記燃料電池の電圧が前記ＯＣＶ値に達しているか否かを再度測定した後、前記二回の測定後、前記燃料電池から前記電力調節装置に電力を供給することを特徴とする請求項９に記載の移動型燃料電池装置の駆動方法。
【請求項１１】
前記Ｓ２段階において、所定時間が経過してから前記電圧がＯＣＶ値の±５％内に達している場合、ＯＣＶ値に達したとみて前記燃料電池から前記電力調節装置に電力を供給することを特徴とする請求項１０に記載の移動型燃料電池装置の駆動方法。
【請求項１２】
前記Ｓ１段階では、前記二次電池が前記燃料電池総生産電力の１０ないし１５％を初期燃料電池駆動電力として供給することを特徴とする請求項９ないし１１の何れかに記載の移動型燃料電池装置の駆動方法。
【請求項１３】
前記Ｓ３段階では、前記応用機器、前記燃料電池に電力を供給し残った余剰電力で前記二次電池を充電することを特徴とする請求項９ないし１１の何れかに記載の移動型燃料電池装置の駆動方法。
【請求項１４】
前記方法では、前記電力調節装置の前記ＤＣ−ＤＣ変換器の効率を８５ないし９０％以上にすべく前記燃料電池の作動電位を応用機器使用電位の４０ないし６０％に保持することを特徴とする請求項９ないし１１の何れかに記載の移動型燃料電池装置の駆動方法。
【請求項１５】
前記方法では、前記作動電位が６０％を超えないように前記燃料電池内のセパレータの枚数またはＭＥＡの面積を調節することを特徴とする請求項１４に記載の移動型燃料電池装置の駆動方法。
【請求項１６】
前記方法は、前記二次電池が満充電されると、前記電力調節装置から前記二次電池への電力供給を中断する段階（Ｓ５）をさらに含むことを特徴とする請求項９ないし１１の何れかに記載の移動型燃料電池装置の駆動方法。
【請求項１７】
前記方法は、前記燃料電池が正常状態から性能減少段階に至りその電位が制限電位以下になった場合、前記燃料電池の駆動が停止されるように前記電力調節装置から前記燃料電池への電力供給を中断し、前記電力調節装置が前記二次電池から電力を供給されるようにする段階（Ｓ６）をさらに含むことを特徴とする請求項９ないし１１の何れかに記載の移動型燃料電池装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動用または携帯用電子機器の電源として使用される燃料電池装置一体、すなわち、二次電池と燃料電池及び電力調節装置を含む移動用または携帯用電子機器の電源供給装置（以下、「移動型燃料電池装置」という）及びその駆動方法に関する。
【０００２】
より詳しくは、本発明は、円滑な初期駆動とエネルギー損失を最小化し、安定的且つ効率的なエネルギー管理が可能な、移動型燃料電池装置及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
移動型燃料電池装置は、数Ｗないし数ｋＷ級（１Ｗないし５ｋＷ）の範囲の例えば、携帯電話、ノート・パソコン、ヒューマノイドなどのロボット（産業用、軍事用）、応急電源装置、電動車いす、軍事用通信機器などの各種の応用機器（以下、「応用機器」という）に電源として接続されて使用される。
【０００４】
この種の移動型燃料電池装置に適用可能な燃料電池として、改質水素（メタノール、ディーゼル、天然ガスなどを利用）燃料電池、直接液体（メタノール、ギ酸、エチルアルコール、ジメチルエテル、ギ酸メチル、ホウ素水素化物などを利用）燃料電池及び水素貯蔵タンクを利用した水素燃料電池などがある。
【０００５】
しかし、従来の移動型燃料電池装置の開発については、移動型燃料電池装置が電源として使用できる応用機器自体や移動型燃料電池装置の装着後の外観などについての開発に主な焦点が合わせられていた。
【０００６】
このように従来の研究では、移動型燃料電池装置自体についての研究よりは外的な部分に重点が置かれていた結果、実際に移動型燃料電池装置を商用化するために必要なエネルギー管理方法ないし対策に関する研究はほとんどなされていなかった。
【０００７】
特に、移動型燃料電池装置から生産されたエネルギー損失を最小化し、安定的且つ効率的なエネルギー管理を行い、かかるエネルギー管理の面から移動型燃料電池装置内の部品の選択と配置を行なうことに関する認識自体については今まではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第０６５９０３７０号明細書
【特許文献２】米国特許第０５１３９８９４号明細書
【特許文献３】米国特許第０４９６１１５１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、生産されたエネルギー損失を最小化し、安定的且つ効率的なエネルギー管理を行い、かかるエネルギー管理の面から移動型燃料電池装置内の部品の選択と配置を行なう移動型燃料電池装置及びその駆動方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記本発明の目的は、単位電池または単位電池のスタックから構成される燃料電池と、充電及び放電が可能な二次電池と、上記燃料電池から生産された電力を供給されて応用機器に供給し、上記二次電池と相互に接続されて電力を供給されまたは供給し、上記燃料電池の駆動のために電力を供給し、ＤＣ−ＤＣ変換器を含み、上記燃料電池の電圧を測定しそれに基づいて上記電力の供給をそれぞれ調節する電力調節装置と、を含み、上記電力調節装置は、上記燃料電池の初期駆動後、上記燃料電池から測定される電圧が所定の状態に達する安定化状態で上記燃料電池から電力を供給されるようにすることを特徴とする移動型燃料電池装置によって達成される。
【００１１】
本発明の一つの実施形態において、上記電力調節装置は、上記燃料電池の単位電池またはそのスタックが示すＯＣＶ（ｏｐｅｎ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｖｏｌｔａｇｅ；以下、「ＯＣＶ」という）に基づき、初期駆動時における上記燃料電池の電圧の立ち上がり時に該電圧が上記ＯＣＶ値を超えているか否かを測定し、所定時間が経過してから上記燃料電池の電圧が上記ＯＣＶ値に達しているか否かを再度測定した後、上記二回のＯＣＶ値の測定後、上記燃料電池から電力を供給されるようにすることが好ましい。
【００１２】
本発明の一つの実施形態において、上記所定時間が経過してから上記電圧がＯＣＶ値の±５％内に達している場合、ＯＣＶ値に達したとみて上記燃料電池から電力を供給されるようにすることが好ましい。
【００１３】
本発明の一つの実施形態において、上記二次電池は、上記燃料電池の生産総電力の１０ないし１５％を初期燃料電池駆動電力として供給することが好ましい。
【００１４】
本発明の一つの実施形態において、上記二次電池は、初期燃料電池駆動電力として消耗された電力を上記電力調節装置から満充電時まで供給された後、上記電力調節装置と上記二次電池との接続が遮断されることが好ましい。
【００１５】
本発明の一つの実施形態において、上記電力調節装置は、上記燃料電池が正常状態から性能減少段階に至りその電位が制限電位以下になった場合に上記燃料電池の駆動が停止されるように上記燃料電池への電力供給を中断し、このとき、上記二次電池から電力を供給されるようにすることが好ましい。
【００１６】
本発明の一つの実施形態において、上記電力調節装置は、上記ＤＣ−ＤＣ変換器の効率を８５ないし９０％以上にすべく上記燃料電池の作動電位を応用機器使用電位の４０ないし６０％に保持することが好ましい。
【００１７】
本発明の一つの実施形態において、上記燃料電池は、上記作動電位が６０％を超えないようにセパレータの枚数またはＭＥＡの面積が調節されることが好ましい。
【００１８】
また、上記本発明の目的は、単位電池またはそのスタックから構成される燃料電池と、充電及び放電が可能な二次電池と、上記燃料電池から生産された電力を供給されて応用機器に供給し、上記二次電池と相互に接続されて電力を供給されまたは供給し、上記燃料電池の駆動のための駆動装置に電力を供給し、ＤＣ−ＤＣ変換器を含み、上記燃料電池の電圧を測定しそれに基づいて上記電力の供給をそれぞれ調節する電力調節装置と、を含む移動型燃料電池装置の駆動方法であって、上記二次電池から上記燃料電池に初期駆動電力を供給する段階（Ｓ１）と、上記燃料電池の初期駆動後、上記燃料電池から測定される電圧が所定の状態に達する安定化状態で上記燃料電池から上記電力調節装置に電力を供給する段階（Ｓ２）と、上記電力を供給された上記電力調節装置から上記応用機器、上記燃料電池、上記二次電池にそれぞれ電力を供給する段階（Ｓ３）、及び上記電力調節装置から上記燃料電池に電力が供給されると、上記二次電池から上記燃料電池への電力供給を中断する段階（Ｓ４）と、を含むことを特徴とする移動型燃料電池装置の駆動方法によって達成される。
【００１９】
本発明の一つの実施形態において、上記Ｓ２段階では、上記燃料電池の単位電池またはそのスタックが示すＯＣＶに基づき、初期駆動時における上記燃料電池の電圧の立ち上がり時に該電圧が上記ＯＣＶ値を超えているか否かを測定し、所定時間が経過してから上記燃料電池の電圧が上記ＯＣＶ値に達しているか否かを再度測定した後、上記二回の測定後、上記燃料電池から上記電力調節装置に電力を供給することが好ましい。
【００２０】
本発明の一つの実施形態において、上記Ｓ２段階において、所定時間が経過してから上記電圧がＯＣＶ値の±５％内に達している場合、ＯＣＶ値に達したとみて上記燃料電池から上記電力調節装置に電力を供給することが好ましい。
【００２１】
本発明の一つの実施形態において、上記Ｓ１段階では、上記二次電池が上記燃料電池総生産電力の１０ないし１５％を初期燃料電池駆動電力として供給することが好ましい。
【００２２】
本発明の一つの実施形態において、上記Ｓ３段階では、上記応用機器、上記燃料電池に電力を供給し残った余剰電力で上記二次電池を充電することが好ましい。
【００２３】
本発明の一つの実施形態において、上記方法では、上記電力調節装置の上記ＤＣ−ＤＣ変換器の効率を８５ないし９０％以上にすべく上記燃料電池の作動電位を応用機器使用電位の４０ないし６０％に保持することが好ましい。
【００２４】
本発明の一つの実施形態において、上記方法では、上記作動電位が６０％を超えないように上記燃料電池内のセパレータの枚数またはＭＥＡの面積を調節することが好ましい。
【００２５】
本発明の一つの実施形態において、上記方法は、上記二次電池が満充電されると、上記電力調節装置から上記二次電池への電力供給を中断する段階（Ｓ５）をさらに含むことが好ましい。
【００２６】
本発明の一つの実施形態において、上記方法は、上記燃料電池が正常状態から性能減少段階に至りその電位が制限電位以下になった場合、上記燃料電池の駆動が停止されるように上記電力調節装置から上記燃料電池への電力供給を中断し、上記電力調節装置が上記二次電池から電力を供給されるようにする段階（Ｓ６）をさらに含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、初期駆動の検知、駆動電位の効率的変換、燃料電池における最小燃料濃度の使用と燃料電池の作動停止時における二次電池の使用の最大化などによって生産されたエネルギー損失を最小化し、安定的且つ効率的なエネルギー管理を行なうことができる。また、かかるエネルギー管理の面から移動型燃料電池装置内の部品の選択と配置を行うことで装置の経済性及び商用性を高めることができる。
【００２８】
とりわけ、本発明のように初期駆動をＯＣＶで判断することは９５％以上の信頼性を持つため、安定して最適の駆動電位とエネルギー損失の最小化を制御することで移動型燃料電池装置の性能を一定に保持することができる。
【００２９】
さらには、本発明による移動型燃料電池装置は、単に移動型燃料電池装置だけでなく、その他燃料電池システムにおいて最適の電源管理のために利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態による移動型燃料電池装置の構造を示す概路図である。
【図２】本発明の実施形態による移動型燃料電池装置における、初期駆動時及び正常状態段階での移動型燃料電池装置の作動を示す概路図である。
【図３】本発明の実施形態による移動型燃料電池装置における、初期駆動時及び正常状態段階での燃料電池の電位の駆動時間による変化を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態による移動型燃料電池装置における、初期駆動時及び正常状態段階での移動型燃料電池装置の検知応答時間の結果を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態による移動型燃料電池装置における、正常状態後の燃料電池性能減少段階での移動型燃料電池装置の作動（最小電力管理の実現）を示す概路図である。
【図６】本発明の実施形態による移動型燃料電池装置における、正常状態後の燃料電池性能減少段階での燃料電池の電位の駆動時間による変化を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態による移動型燃料電池装置における、正常状態後の燃料電池性能減少段階での移動型燃料電池装置の検知応答時間の結果を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態による移動型燃料電池装置における、ＤＣ−ＤＣ変換器の入力電位による効率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明による移動型燃料電池装置及びその駆動方法を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３２】
本発明における「燃料電池」とは、単位電池またはそのスタックからなるものを意味し、その他、通常に伴われる燃料供給部、燃料供給ポンプ、気体供給ポンプ、冷却ファン、ＢＯＰなどを含むものを意味する。
【００３３】
図１は、本発明の実施形態による移動型燃料電池装置の構造を示す概路図である。
【００３４】
図１に示すように、本発明の実施形態による移動型燃料電池装置は、単位電池または単位電池のスタックから構成される燃料電池１０と、充電及び放電が可能な二次電池３１と、上記燃料電池１０から生産された電力（電圧−電流）を供給されて応用機器４０に供給するか二次電池３１に流しあるいは二次電池３１から電力を供給され、ＤＣ−ＤＣ変換器（図示せず）を含み、また、上記燃料電池１０の電圧をリアルタイムで測定することができる電圧測定器（図示せず）を備え、装置内の上記電力供給をそれぞれ調節することができる電力調節装置（ｐｏｗｅｒ  ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  ｓｙｓｔｅｍ；以下、「ＰＭＳ」という）３０とを主な構成として備える。ここで、上記ＰＭＳ３０は、移動型燃料電池装置に接続される応用機器４０や移動型燃料電池装置内の部品（液体ポンプ１２、気体ポンプ２０、冷却ファン２１、ＢＯＰ２２など）の仕様を考慮して電圧値を調整する。上記ＰＭＳ３０内のＤＣ−ＤＣ変換器は、生成されたエネルギーを目的電圧に合わせて上げる役割を果たす。
【００３５】
上記燃料電池１０には、燃料電池に備えられる通常の装置などが組み込まれる。すなわち、燃料貯蔵部１１と、この貯蔵部から燃料を単位電池または単位電池のスタックから構成される燃料電池１０に供給するための燃料供給ポンプ１２と、空気を上記燃料電池１０に供給するための空気ポンプ２０と、燃料電池１０を冷却するための冷却ファン２１、及びその他燃料電池１０に接続されたＢＯＰ２２などが組み込まれる。
【００３６】
上記空気ポンプ２０、冷却ファン２１、ＢＯＰ２２は上記二次電池３１から供給された電力により初期駆動され、これにより燃料電池１０が作動することで電力が生産される。上記二次電池３１としては、例えば、５ＶＤＣ、１２ＶＤＣ、２１ＶＤＣなどの超小容量のものを使用するが、その容量は燃料電池の生産電力に応じて変わり得ることはいうまでもなく、通常、全体電力の約１０〜１５％に該当するものを使用することが好ましい。
【００３７】
例えば、３０Ｗｈｒ燃料電池１０を駆動するための部品（液体ポンプ１２、気体ポンプ２０など）の最適エネルギー要求量は約６Ｗであり、燃料電池１０の安定化時間を１０分以下とする場合、約１Ｗｈｒ（時間当り出力の約３％水準／全体出力の０．３％水準）の二次電池３１が必要である。参考として、最近開発されたノート・パソコン用燃料電池の場合、時間当り出力は２０ないし３０Ｗｈｒで、全体出力は約３００Ｗである。
【００３８】
上記二次電池３１で消耗された電力は、後述するような応用機器４０に使用される電力の余剰電力で充電され、満充電されると、接続されているだけで電力が消費されエネルギー効率を低くすることからその接続を遮断する。
【００３９】
上記燃料電池１０と二次電池３１及びＰＭＳ３０の相互間、または上記二次電池３１と上記空気ポンプ２０、冷却ファン２１、ＢＯＰ２２の相互間、さらには、上記空気ポンプ２０、冷却ファン２１、ＢＯＰ２２とＰＭＳ３０の相互間では、電流の流れをＯＮ／ＯＦＦするスイッチが介設され、これらスイッチは、ＰＭＳ３０によってそのＯＮ／ＯＦＦを制御すればよい。
【００４０】
一方、上記応用機器４０の動力学的エネルギー消費によるエネルギー供給を考慮するためにＰＭＳ３０にキャパシタ３３をさらに設けることができる。
【００４１】
図２は、本発明の実施形態における、初期駆動時及び正常状態段階での移動型燃料電池装置の作動を示す概路図である。
【００４２】
図２を参照すれば、上述したように、二次電池３１から部品１２、２０、２１、２２に初期電力が供給され駆動されることで燃料電池１０が駆動される。ここでの電力供給は、スイッチの「オン１」と示されている。このような初期電力の供給は、後述する「オン３」状態になると中断される（「オン１」が「オフ１」に切り替えられる）。
【００４３】
燃料電池１０の駆動によって電力が生成されると、該電力をＰＭＳ３０に供給するが、初期駆動時に直ぐ生成される電力を供給するのではなく、初期駆動後、燃料電池１０から測定される電圧が一定になる安定化状態（後で詳述する）に達した後に燃料電池１０からＰＭＳ３０に電力を供給するようにする。ここでの電力供給はスイッチの「オン２」と示されている。
【００４４】
一方、ＰＭＳ３０は、燃料電池１０から供給された電力を応用機器４０と二次電池３１及び部品１２、２０、２１、２２に供給する。ここでの電力供給はスイッチの「オン３」、「オン４」と示されている。二次電池３１が満充電されると、二次電池３１に供給される電力は遮断される（「オン４」が「オフ２」状態に切り替えられる）。二次電池３１が満充電された後もＰＭＳ３０が二次電池３１と接続されている場合（すなわち、「オフ２」とならない場合）、一定量のエネルギーが消費されるような現象によって移動型燃料電池装置全体のエネルギー効率が低下するようになる。
【００４５】
以上の駆動において重要なことは、初期安定化状態をどのように決定するかである。
【００４６】
図３は、本発明の実施形態における、初期駆動時及び正常状態段階での燃料電池の電位の駆動時間による変化を示すグラフである。
【００４７】
図３に示すように、燃料と空気が供給されることで燃料電池の出力電位が０Ｖから急峻に立ち上がり、ピーク（例えば、１５枚のバイポーラープレートセパレータを使用した直接液体燃料電池システムの場合、約１１Ｖ以下）に達してから徐々に安定化するようになる。
【００４８】
しかしながら、一般的に燃料電池１０内の単位電池またはそのスタックは、所定時間後に安定化し、上記安定化時間は、各単位電池またはそのスタックの仕様と出力範囲に応じて変わり得る。
【００４９】
したがって、時間概念にて燃料電池１０の駆動の安定化を決めることは適切ではなく、仮に実験経験値を考慮したとしても燃料電池１０の不安定状態が招かれることがあり、応用機器４０の動力学的運転にも問題を引き起こすことがある。
【００５０】
このため、燃料電池１０の単位電池またはそのスタックが示し得るＯＣＶを把握のうえ、安定化状態を決めるようにすることが好ましい。
【００５１】
具体的に、燃料電池１０の単位電池またはそのスタックが示し得るＯＣＶを予め測定し、ＰＭＳ３０に入力させておく。ＰＭＳ３０は、燃料電池１０の電圧をリアルタイムで検知しながら、該電圧が初期駆動時の０Ｖから立ち上がってＯＣＶ値を超えるか否かを測定（認識）し、また、所定時間が経過してから再度ＯＣＶ値に達しているか否かを測定（認識）し、このように二回にわたり測定（認識）した結果、該電圧がＯＣＶ値に達していると測定されると初めて燃料電池１０からＰＭＳ３０に電力が供給されるようにＰＭＳ３０を設定すればよい。
【００５２】
一方、本発明では、安定化状態の値であるＯＣＶ値を使用するため、上記二回目の測定の際に電圧がＯＣＶ値に達しているか否かを検知するための値として絶対値を使用することなく、測定された電圧がＯＣＶ値の約±５％の範囲内であればＯＣＶ値に達したとみて燃料電池１０が作動されるようにする。
【００５３】
なお、１５枚のバイポーラープレートセパレータを組み合わせてなる直接液体燃料電池の場合では、各セパレータにおけるＯＣＶは０．５〜０．７５Ｖであるため、１５枚を勘案すると７．５〜１１．２５Ｖの電位を二回にわたり測定（認識）すればよい。
【００５４】
このとき、上述したように燃料電池１０から出力された電力はＰＭＳ３０を介してＢＯＰ２２などの部品に供給されるとともに、放電された二次電池３１を充電するようになる。二次電池３１が満充電されると、接続された電源は遮断する。
【００５５】
図４は、本発明の実施形態による初期駆動時及び正常状態段階での移動型燃料電池装置の検知応答時間の結果（１５枚のセパレータを使用して製作した直接液体燃料電池の電圧の変化）を示すグラフである。
【００５６】
図４から分かるように、燃料と空気が供給されることで電圧が０Ｖから立ち上がって約１１．７Ｖに達し、約５分程度の時間内に安定化段階に達するようになる。
【００５７】
１５枚のセパレータを使用して開発された直接液体燃料電池のＯＣＶは、約８．０Ｖであり、図４に示すように実際の燃料電池１０のスタックでは、８Ｖに達した時に電流が出力されつつ運転が開始された。
【００５８】
このように本発明では、初期安定化有無を考慮して駆動するが、絶対的な時間に基づいて初期安定化を決めることは、燃料電池１０の単位電池またはそのスタックのそれぞれの状態と条件が考慮できず移動型燃料電池装置全体の安定性と燃料の効率的な使用及びエネルギー損失の最小化をいずれも満足することができないという問題が生じ得るため、特にＯＣＶを利用して初期安定化有無を決めるようにすることが好ましい。
【００５９】
図５は、本発明の実施形態における、正常状態後の燃料電池の性能減少段階での移動型燃料電池装置の作動（最小電力管理の実現）を示す概路図であり、図６は、本発明の実施形態における、正常状態後の燃料電池性能減少段階での燃料電池の電位の駆動時間による変化を示すグラフである。
【００６０】
先ず、図６を参照すれば、図６は、燃料電池の駆動電位が正常状態後に性能が減少していき、燃料電池出力制限電位Ｖｍｉｎに達することを示している。
【００６１】
これは、燃料供給部１１から適正濃度調節装置を介して供給された燃料が使用し続けられることで燃料が持っている初期化学的エネルギー（すなわち、エネルギー密度）の９０ないし９５％以上が消費され（物質伝達限界現象）、この結果、燃料電池１０の性能が減少するようになることを意味する。また、このような作動電位の急激な減少は、長期使用と動力学的駆動による触媒、高分子膜、セパレータ、電極の劣化現象からも起因することがある。
【００６２】
図５を参照すれば、上記のように燃料電池１０の出力電位が制限電位に達した場合、燃料電池１０からの電力出力は遮断される。ここでスイッチは「オフ４」と示されている。さらに、この場合、燃料電池１０の駆動は不要であるため、燃料電池１０の運転のために駆動中であったＢＯＰ２２も作動を止めるようにＰＭＳ３０が制御する。ここでスイッチは「オフ３」と示されている。制限電位以下で運転をするということは、低濃度の燃料供給であるかあるいは高電流密度でスタックを運転するということであって、燃料電池１０の安定性と耐久性に問題を引き起こし得る。
【００６３】
また、制限電位で燃料電池１０の駆動を管理するためのＢＯＰ２２の作動を停止させることは、二次電池３１のエネルギーの使用を極大化するためである。すなわち、燃料電池１０からさらなる電力の出力がない場合にもＢＯＰ２２が作動すると、初期駆動と燃料の入れ替えのために使用される二次電池３１の寿命を低減させ得る。
【００６４】
一方、燃料の再供給と燃料電池１０の点検のために運転を停止させるが、この際に応用機器４０を駆動するための電力は二次電池３１が担当する（「オン５」と示される）。単なる燃料の再供給に要される時間は５分以下であって装置全体の再稼動には何らの問題を引き起こさない。
【００６５】
図７は、本発明の実施形態における、正常状態後の燃料電池性能減少段階での移動型燃料電池装置の検知応答時間の結果を示すグラフである。
【００６６】
図７に示すように、５．３Ｖの駆動電位が、作動時間が長くなることで燃料の濃度が減少し、制限電位である４．０Ｖに達するようになる。その後、電位は再びピーク電位に達し、さらに、安定化段階、８．０Ｖに達するようになる。
【００６７】
図８は、本発明の実施形態における、ＤＣ−ＤＣ変換器の入力電位による効率を示すグラフである。
【００６８】
ＤＣ−ＤＣ変換器の効率を８５ないし９０％以上にするために、すなわちエネルギー損失を最小化するためには、燃料電池が応用機器の使用電位の４０ないし６０％水準の作動電位を確保する必要がある。例えば、大半の移動型燃料電池装置は、応用機器が１２ＶＤＣの状態で駆動されるが、このとき、１５枚のセパレータからなる直接液体燃料電池の作動電位は約４．８ないし７．２Ｖの範囲内とする。４０％未満の水準、例えば４Ｖ以下の駆動電位から１２Ｖまでその電圧を上げる効率は８０％以下である。一方、特に５．５Ｖ以上の駆動電位を有する燃料電池１０を使用する場合、エネルギーの損失は１０％程度と非常に小さいほうである。一方、６０％水準を超えて、例えば７．５Ｖ以上の電位を確保する場合、効率は増加するものの、積層すべきセパレータの枚数やＭＥＡ面積を増加させなければならないことから好ましくない。
【００６９】
したがって、上記のようなエネルギー損失度合いを考慮してセパレータの枚数及び／またはＭＥＡの面積を決めなければならない。例えば、改質水素を使用した水素燃料電池の場合、セパレータを１０枚程度使用すれば、駆動電位を６Ｖ以上に保持することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、移動用または携帯用電子機器の電源として使用される燃料電池装置一体、すなわち、二次電池と燃料電池及び電力調節装置を含む移動用または携帯用電子機器の電源供給装置及びその駆動方法に関する。
【符号の説明】
【００７１】
１０  燃料電池
１２  液体ポンプ
２０  気体ポンプ
２１  冷却ファン
２２  ＢＯＰ
３０  ＰＭＳ
３１  二次電池
４０  応用機器
【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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【国際調査報告】
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