(57)【要約】      （修正有）【課題】小型で、高効率な発電を行い、安定な電力を供給する携帯機器向け携帯機器向けの発電システムを提供すること。【解決手段】電源１から入力される電圧を昇圧させる昇圧回路２と、電源１の出力特性に基づき昇圧回路２を制御する制御回路３とを備え、前記制御回路３は、電源１から取り出せる最大電力以内に昇圧回路２を制御し、電力を供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源からの入力電圧を昇圧する昇圧回路と、
前記電源の出力を検出し、前記電源の最大電力時の電流値以下の電流値が前記昇圧回路に入力されるように前記昇圧回路を制御する制御回路と、
を有することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
電源からの入力電圧を昇圧する昇圧回路と、前記電源の出力を検出する電力検出手段と、
前記電源の出力特性に基づき前記昇圧回路の動作を制御する制御回路と、
を有し、前記制御回路は、前記昇圧回路に入力される電力が、前記電源の前記出力特性の最大電力点での電流値以下で前記昇圧回路の動作を制御し、前記昇圧回路により昇圧された電力が直流負荷へ供給されることを特徴とする発電システム。
【請求項３】
前記制御回路は、前記直流負荷に変動が生じた場合、前記電源が出力する電力が、前記最大電力出力点での電流値以下となるように前記昇圧回路を制御することを特徴とする請求項２記載の発電システム。
【請求項４】
前記電源は、
電力を出力する燃料電池発電セルと、
前記燃料電池発電セルに燃料を供給する燃料供給機構と、
を備えた燃料電池であることを特徴とする請求項２〜３記載の発電システム。
【請求項５】
前記燃料供給機構は、少なくとも、燃料前駆体を貯蔵する燃料貯蔵部、及び燃料前駆体から燃料を取り出す改質部からなる事を特徴とする請求項２〜４記載の発電システム。
【請求項６】
前記燃料供給機構は、燃料前駆体及び／または燃料の送り機構、弁を有する事を特徴とする請求項２〜５記載の発電システム。
【請求項７】
前記燃料電池発電セル
が複数の場合は並列、または直列に前記燃料電池発電セルを接続し、出力された電力を前記昇圧回路へ入力する事を特徴とする請求項２〜６の何れかに記載の発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電デバイスと昇圧回路と出力制御回路からなる発電システムに関する。特に、発電デバイスとして固体高分子型の燃料電池の発電単位セルの最適化を行う事で、システムの小型化を図った携帯機器向けの発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、太陽光発電や熱電発電のように、光エネルギーや熱エネルギーを直接的に変換を行う素子、あるいは装置による発電は、発電時における環境負荷が少なく、環境保全に有利な発電機構として注目されている。
【０００３】
しかしながら、このような自然のエネルギーを直接的に電気エネルギーに変換するような発電は、発電機構内部の等価的な内部抵抗が大きいため、十分な出力を得るためには大きな反応面積を必要とし、発電機構が大型化してしまう傾向にある。
【０００４】
そのような環境保全に有利な発電機構において、燃料の有する化学エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換する発電機構が燃料電池である。燃料電池は、高エネルギー密度を得られる発電機構として研究が盛んに行われている。この燃料電池は、通常電解質を保持した電解質層を挟んで、アノード極とカソード極とからなる一対の電極を対向させて燃料電池発電セルを形成する。両極のそれぞれに、燃料と酸化剤を接触させることにより生じる電気化学反応を利用して、前記の両極から電気エネルギーを取り出すようにしたものである。燃料電池によれば、燃料と酸化剤が供給されている限り、高い変換効率で電気エネルギーを取り出すことができる。そのため省エネルギー、環境保全等に有利な発電システムとして実用化研究が活発に行われている。この燃料電池は、電解質の種類によりアルカリ型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体電解質型（ＳＯＦＣ）、そして固体高分子型（ＰＥＦＣ）などに大きく分類される。
【０００５】
中でも近年、次世代の小型エネルギー源として、固体高分子型燃料電池が注目されている。この固体高分子型燃料電池は、電解質が固体高分子膜であり、二種類の電極を有している。アノード極で水素、或いはメタノールなどの燃料を酸化し、カソード極で大気中の酸素を還元することにより、電気を発生させる。室温付近での発電が可能であることと、出力密度が高く小型化が可能であることから、携帯機器用電源として応用が期待されている。
【０００６】
この燃料電池に於いては、発電特性として、負荷応答が遅く、急激な負荷変動に弱いことや、活性化分極や抵抗分極や拡散分極により、出力電流の増加に伴い出力電圧が低下することが知られている。すなわち、図２に示す燃料電池発電セルのＩ−Ｖ特性から分かるように、電流を多く取り出した場合、等価的な内部抵抗の増大により、出力電圧の低下がみられる。この状態で燃料電池を直接負荷に接続すると、負荷は必要な電流を得るために、燃料電池の発電能力が低い場合には、燃料電池の出力電圧が低下を引き起こす。場合によっては、燃料電池の出力電圧が負荷の動作電圧を下回り、負荷は動作することが出来なくなる。
【０００７】
このような問題を解決するためには、外部負荷に必要な電圧を得る為に、必要な数だけ燃料電池単セルを複数重ね合わせ直列に繋ぎ、積層体として用いることにより、出力電圧を高めることが可能である。
【０００８】
しかし、燃料電池単セルを複数重ね合わせ直列に繋ぎ、積層体としたセルスタックを構築すると、発電システム全体が大型化してしまい、燃料電池の高エネルギー密度という特徴を活かしきれない。また、セルスタックを構築した場合、各燃料電池単セルの出力特性のばらつきが生じると、発電性能の低いセルは抵抗成分となり、セルスタック全体での発電効率が低下する。そこで、セルスタックのマニホールド内のガス流れの均一性を高めることによって、各単位セルに均一に反応ガスを供給し、各単位セルの特性のバラツキを少なくするという方法が用いられている（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平８−２９３３１８号公報（第２−３頁、第８〜１１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来の方法によると、高出力の燃料電池が得られるものの、複数の燃料電池単セルを積層するため、構造が複雑となってしまう。また、体積・重量が大きく、燃料電池システムとしてのエネルギー密度が低くなり、出力密度が高いという燃料電池の特徴を活かしきれていない。特に小型携帯機器の電源は、寸法が限られ、軽量である必要があり、不適である。
【００１０】
前記電源の負荷応答、特に燃料電池における負荷応答は、負荷変動に追従して幅広い電流域において発電電力を供給することが可能であるが、取り出すことの出来る最大の電力値を越えた出力領域においては、等価的な内部抵抗が増大し、出力電流の増大とともに電圧降下も増大し、結果的に出力される電力が低下する。その結果、負荷の動作停止、或いは負荷の誤動作を引き起こす。この発電機構から取り出すことの出来る最大電力を越えた領域での発電は、燃料を多く消費しているにもかかわらず出力が得られない。その為、この領域で発電を行うと高効率な発電システムは得られなかった。
【００１１】
本発明は上記課題を解決し、携帯機器向けの小型且つ高効率な発電システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前記の目的を達成する一手段として、以下の構成を備える。
【００１３】
本発明にかかる発電システムは、電源からの入力電圧を昇圧する昇圧回路と、電源の出力を検出し、電源の最大電力時の電流値以下の電流値が昇圧回路に入力されるように昇圧回路を制御する制御回路と、を有する。
【００１４】
本発明にかかる発電システムは、電源から入力される電圧を昇圧させる昇圧回路と、前記電源の出力特性に基づき前記昇圧回路を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記電源からの出力を最大出力電力点での電流値以下となるように前記昇圧回路を制御する。
【００１５】
電源は、太陽光発電、熱電発電、燃料電池などが用いられる。特に高エネルギー密度である燃料電池が好ましい。
【００１６】
電源として燃料電池は、電力を出力する燃料電池発電セルと、燃料電池発電セルに燃料を供給する燃料供給機構と、燃料を貯蔵する燃料タンク、或いは燃料カートリッジと、燃料改質部を備えた事を特徴としている。これにより、燃料から、水素が８０％、より好ましくは９５％以上含有された水素リッチなガスを効率的に燃料電池発電セルへ供給することにより、安定した電力を出力する事が可能である。また、燃料電池発電セル内の電極触媒の被毒、劣化防止のためにも、燃料改質部により得られる水素リッチなガスには一酸化炭素が含まれない事が望ましい。
【００１７】
また、燃料電池のセルは、１つ以上の燃料電池発電セルを並列に接続した構成、若しくは１つ以上の燃料電池発電セルを直列に接続した構成でも良く、燃料電池発電セルの最適化を行い、昇圧回路部を介して負荷へ電力を供給する事を特徴とする。
【００１８】
単セルの燃料電池の出力電圧はおおよそ１Ｖ以下であり、携帯電話やデジタルカメラなどの携帯機器を駆動するためには、直列に複数セルを接続する必要があるが、昇圧回路を用いることで、高い電圧の電力を単セルもしくは最小限のセル数で得る事が可能となり、発電システムの小型化、軽量化が可能となる。
【００１９】
制御回路は、電源からの出力が最大電力点の電流値以下になるように昇圧回路の動作を制御することを特徴とする。
【００２０】
最大出力を越えた負荷要求があった場合、昇圧回路の動作を制御することで、負荷の誤作動、或いは負荷の停止を防ぎ、安定な動作を可能としている。制御方式としては例えばＰＦＭ制御等がある。  負荷側で想定される電流値以上の電流が燃料電池発電部から流れた場合は、制御回路でＰＦＭ制御により昇圧回路の動作を制御する。これにより、燃料電池システムの過電流防止が可能となる。また、過剰な燃料を使わず、電源の出力特性の最大電力値を過ぎた非効率な燃料電池の発電を抑制し、発電システムの高効率運転が可能となる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、電源からの入力電圧を昇圧する昇圧回路と、前記電源の出力を検出する電力検出手段と、前記電源の出力特性に基づき前記昇圧回路の動作を制御する制御回路とを有し、前記制御回路は、前記昇圧回路に入力される電力が、前記電源の前記出力特性の最大電力点での電流値以下で前記昇圧回路の動作を制御することで、前記昇圧回路により昇圧された電力が直流負荷へ供給する事が可能で、小型で高効率な給電が可能な発電システムを提供することができる。また、電源からの出力を最大電力点での電流値を越えないように制御することにより、非効率な発電の防止、負荷の誤作動や負荷の動作停止を回避する事も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
電源として、単セルの燃料電池発電セルを用いた。この実施例の他に、太陽電池、熱電素子、二次電池など、電力を発生するものが電源として利用可能である。
【００２３】
図１は本発明にかかる発電システムの主要構成を示す図である。電源１からの出力を昇圧する昇圧回路部２、電源の出力を検出する電力検出部３、電源１の出力に基づき昇圧回路部２の動作を制御する制御回路部４から構成され、直流負荷５に昇圧された電力が供給される構成とした。これにより、電源から最も効率よく出力が得られ、昇圧した後負荷へ電力を供給することが可能となる。
図５に昇圧回路部２の詳細を示す。昇圧回路部２には、インダクタ２１を用いたスイッチングレギュレータ方式での昇圧を行った。出力電圧は５Ｖとした。スイッチング素子２２には、ＭＯＳＦＥＴを使用した。
【実施例１】
【００２４】
図１における電源１として、高分子固体電解質型の燃料電池を用いた場合の本発電システムの構成を図５に示す。燃料電池から出力された電力は、電力検出部３を通り昇圧回路部２に供給され、昇圧された後、直流負荷５へ出力される。電力検出部３において燃料電池発電セル１１の出力電力を検出し、最大発電電力が得られる電流値よりも出力が大きくなった場合には、最大発電電力が得られる電流値になるように昇圧回路部２を制御する。
燃料電池発電セルの出力電流／出力電力特性は一般に図４で示されるとおりであり、このときの制御回路部３が昇圧回路を制御するアルゴリズムは図６の通りである。
電力検出部３から得られる燃料電池発電セル１１の時間ｎの時の出力電圧をＶｎ、出力電流をＩｎとすると、制御回路部４はステップＳ１により出力電圧Ｖｎ，出力電流Ｉｎをサンプリングする。
【００２５】
さらに、ステップＳ２によりサンプリング結果を乗算してＰｎ＝Ｖｎ×Ｉｎの演算を実行し、燃料電池発電セル１のｎの時の出力電力 Ｐｎを求める。
そして、前回ｎ−１の時の出力電圧Ｖｎ−１、出力電力Ｐｎ−１と今回ｎの時の出力電圧Ｖｎ、出力電力Ｐｎとを比較し、出力電流の昇降変化、出力電力 の増減変化を求め、比較する。
【００２６】
このとき図４に示したとおり、燃料電池発電セル１の電力値のピーク値である最大電力 Ｐｍａｘの出力電流をＩｍａｘとすると、出力電流Ｉｎが電圧Ｉｍａｘ以下のときは、出力電流Ｉｎの昇降に比例してその出力電力 Ｐｎが増減変化し、出力電流Ｉｎが電流Ｉｍａｘより高いときは、出力電流Ｉｎの昇降の逆にその出力電力 Ｐｎが増減変化する。
そのため、出力電流Ｉｎが前回電流Ｉｎ−１より低下したときはステップＳ３からステップＳ７ に移行し、このとき出力電力 Ｐｎが増大変化すれば、出力電流Ｉｎが電流Ｉｍａｘ以上であるため、制御回路部４にて燃料電池発電セル１１の出力電流を低下方向に決定してステップＳ９に移行し、出力電力 Ｐｎが減少変化すれば、出力電流Ｉｎが電流Ｉｍａｘより低いため、制御回路部４にて燃料電池発電セル１の出力電流を上昇方向に決定してステップＳ８ に移行する。
【００２７】
また、出力電流Ｉｎが前回電流Ｉｎ−１以上に上昇したときは、ステップＳ３からステップＳ４に移行し、このとき、出力電力 Ｐｎが減少変化すれば、出力電流Ｉｎが電流Ｉｍａｘより高いため、制御回路部４にて燃料電池発電セル１１の出力電流を低下方向に決定してステップＳ６に移行し、出力電力 Ｐｎが増大変化すれば、出力電流Ｉｎが電流Ｉｍａｘ以下であるため、制御回路部４にて燃料電池発電セル１１の出力電流を上昇方向に決定してステップＳ５に移行する。
【００２８】
そして、ステップＳ５、Ｓ６、Ｓ８、Ｓ９により制御回路部４にてスイッチング素子２２のオン・オフのタイミング制御、又はこのタイミング制御と振幅制御を実行し、ステップＳ５，Ｓ９では燃料電池発電セル１の出力電流が、一定量ΔＩ又は電流Ｉｎに応じた設定量上昇するように制御し、ステップＳ６、Ｓ８では燃料電池発電セル１の出力電流が前記の一定量又は設定量低下するように制御する。
この運転のくり返しにより、燃料電池発電セル１の出力電流が常に最大電力点Ｐｍａｘになるように、制御回路部４により最大電力点を追従制御で運転させ、燃料電池発電セル１から最大電力Ｐｍａｘが取出される。
【実施例２】
【００２９】
実施例２において、燃料電池発電セル１１として、出力特性が図２に示すような燃料電池セルを、また直流負荷として最大出力２．５Wのデジタルカメラを用いた。昇圧回路部２は、デジタルカメラ駆動用のため、出力を４．２Vに設定し、このときの変換効率が約８０％であった。必要最大出力及び昇圧回路部２の変換効率から燃料電池発電セルは、最低３．２W必要であり、図２及び図３から発電部面積を１６cm2とした。  
【００３０】
デジタルカメラを駆動したところ、通常通りの動作が確認できた。燃料電池発電セルが単セルであることから本発電システムは小型化が可能であった。
【実施例３】
【００３１】
実施例３において、燃料電池発電セル１１の発電部面積を１０cm2にした以外は同様にしてデジタルカメラの動作テストを行った。
【００３２】
その結果、ストロボ撮影などの消費電力が最大に必要な場合には、デジタルカメラがダウンした。燃料電池発電セル１１の最大出力よりも大きな電力を得ようとしたため、結果的に昇圧回路部２からの出力電圧が低下し、デジタルカメラがダウンしたと考えられる。
【００３３】
以上のように、制御回路部３を用いることにより、昇圧回路部２の動作を制御し、常に燃料電池の出力特性の最大出力が得られるまでの領域の電力においてのみ、発電電力を前記発電電力よりも高い電圧の昇圧電力に変換し、安定した電力を供給することが可能となり、負荷を安定的に動作させることが可能となる。また、発電機構から取り出すことの出来る最大電力を越えた発電を制御することにより、非効率的な電流域での発電を無くし、燃料の無駄な消費を防ぎ、高効率な発電を行うことが可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の発電システムは小型軽量化が可能であり、高電圧の出力と安定した電力の供給も可能なため、携帯機器の小型化に適応できる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係わる発電システムの構成概要の一例を示す図である。
【図２】本発明に係わる燃料電池発電セルの出力特性の一例を示す、電流−電圧特性図である。
【図３】本発明に係わる燃料電池発電セルの出力特性の一例を示す、電流−電力特性図である。
【図４】本発明に関わる燃料電池の出力特性の一例を示す概略図である。
【図５】燃料電池を電源として用いた場合の本発明に関わる発電システムの概要図である。
【図６】制御回路部４の制御のアルゴリズムを示す一例である。
【符号の説明】
【００３６】
１  電源
２  昇圧回路部
３  電力検出部
４  制御回路部
５  直流負荷
１１  燃料電池発電セル
２１  インダクタ
２２  スイッチング素子
２３  スイッチト・キャパシタ
２４ａ，２４ｂ  コンデンサ
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ  ダイオード
２６  イネーブル端子
【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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