(57)【要約】【課題】電力供給時間の増大と出力電圧の安定性の向上とを両立しつつ、出力電圧値の設定自由度を向上させることができる電源装置を提供する。【解決手段】燃料電池２と、電力を蓄える二次電池４と、負荷を接続するための接続端子７，８と、燃料電池２の出力電圧Ｖｉｎ１を、二次電池４を充電するための電圧である電圧Ｖｏｕｔ１に変換して二次電池４を充電するＤＣ−ＤＣコンバータ３と、二次電池４の出力電圧Ｖｉｎ２を、電圧設定部６により設定された設定出力電圧Ｖｏｕｔ２に変換して接続端子７，８へ出力するＤＣ−ＤＣコンバータ５とを備えた。【選択図】図１
2007328955.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
電力を蓄える蓄電素子と、
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、前記蓄電素子を充電するための電圧である充電電圧に変換して前記蓄電素子を充電する充電用電圧コンバータと、
前記蓄電素子の出力電圧を、予め設定された設定出力電圧に変換して前記接続端子へ出力する出力用電圧コンバータと
を備えることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記充電用電圧コンバータは、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部により検出された前記燃料電池の出力電圧と前記燃料電池の出力電圧の目標値として予め設定された基準電圧との差を減少させるように、前記燃料電池から当該充電用電圧コンバータへ流入する電流を調節する制御部とをさらに備えること
を特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記設定出力電圧の設定を受け付ける設定部をさらに備えること
を特徴とする請求項１又は２記載の電源装置。
【請求項４】
前記蓄電素子は、二次電池であること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項５】
前記蓄電素子は、コンデンサであること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置。
【請求項６】
前記蓄電素子の充放電電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部により検出された充放電電流に基づき、当該充放電電流を減少させるように、前記基準電圧を設定する目標電圧設定処理部とをさらに備えること
を特徴とする請求項２記載の電源装置。
【請求項７】
前記蓄電素子の充放電電流を検出する電流検出部と、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給部と、
前記電流検出部により検出された充放電電流に基づき、当該充放電電流を減少させるように、前記燃料供給部による前記燃料電池への燃料供給量を設定する燃料供給量設定処理部とをさらに備えること
を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を有する電源装置に関する。
【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。燃料電池は、燃料の供給量が一定であれば発電電力も原則的にはほぼ一定であるため、負荷電流が増大すると、出力電圧が低下する。また、負荷電流の変化に応じて燃料供給量を変化させたとしても、燃料供給量が変化してから発電量が変化するまで時間遅延が生じるため、発電電力を急激に変化させることが困難であり、負荷電流が急激に変動すると出力電圧が変動する。このため、燃料電池を用いて負荷電流の変動が大きい機器へ電力供給を行うと、負荷電流の変動に応じて出力電圧が変動してしまい、出力電圧が安定しないという不都合があった。
【０００５】
そこで、負荷電流の変動に対する応答性に優れた蓄電素子、例えば二次電池と、燃料電池とを組み合わせたハイブリッド型の電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。図８は、このようなハイブリッド型の電源装置の構成を示すブロック図である。図８に示す電源装置１０１は、燃料電池１０２と、燃料電池１０２から出力された電力を、負荷装置１０５の動作用電源電圧に変換して供給するＤＣ−ＤＣコンバータ１０３と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３から出力された電源電圧により充電される二次電池１０４とを備えて構成されている。
【０００６】
そして、電源装置１０１は、燃料電池１０２から出力された電力を、一旦二次電池１０４に蓄えておき、二次電池１０４から負荷装置１０５へ電力を供給することで、負荷電流の変動に対する応答性に優れた二次電池１０４によって、負荷電流の変動を吸収し、電源装置１０１の出力電圧を安定させるようになっている。これにより、電源装置１０１は、長時間連続して電力を供給することができる燃料電池１０２によって二次電池１０４が充電される結果、電力供給を行うことのできる時間が増大すると共に、出力電圧の安定性が向上するようになっている。
【特許文献１】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】
【０００７】
ところで、上述のように構成された電源装置１０１では、二次電池１０４の出力電圧がそのまま負荷装置１０５への出力電圧ＶＬとなる。二次電池１０４の出力電圧は、二次電池の種類毎に固有の電圧となり、例えばニッケル水素二次電池であれは、１セル当たり約１．２Ｖ、リチウムイオン二次電池であれば、燃料電池１０２によって満充電された状態で１セル当たり約４．２Ｖとなる。
【０００８】
負荷装置１０５が必要とする動作用電源電圧が、このような二次電池１０４の種類毎に固有の電圧と異なっている場合、二次電池１０４を複数個直列接続して、出力電圧ＶＬを所望の電圧値に設定する必要がある。
【０００９】
しかし、二次電池の１セル当たりの出力電圧は、上述のように二次電池の種類毎に固有の電圧となるため、出力電圧ＶＬは、二次電池に固有の出力電圧値の倍数しか設定することができない。そうすると、負荷装置１０５の必要とする動作用電源電圧が、二次電池に固有の出力電圧値の倍数とは異なる電圧値であった場合には、電源装置１０１のようなハイブリッド型の電源装置を負荷装置１０５の電源として用いることができないという不都合があった。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みて為された発明であり、電力供給時間の増大と出力電圧の安定性の向上とを両立しつつ、出力電圧値の設定自由度を向上させることができる電源装置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】
【００１１】
本発明に係る電源装置は、燃料電池と、電力を蓄える蓄電素子と、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、前記蓄電素子を充電するための電圧である充電電圧に変換して前記蓄電素子を充電する充電用電圧コンバータと、前記蓄電素子の出力電圧を、予め設定された設定出力電圧に変換して前記接続端子へ出力する出力用電圧コンバータとを備えている。
【００１２】
この構成によれば、充電用電圧コンバータによって、燃料電池から出力された電圧が、蓄電素子を充電するための電圧である充電電圧に変換される。そして、その充電電圧によって、蓄電素子が充電され、電力が蓄えられる。また、出力用電圧コンバータによって、蓄電素子の出力電圧が、予め設定された設定出力電圧に変換されて接続端子に印加される。この場合、燃料電池によって得られた電力が、負荷に供給されるので、負荷への電力供給時間を増大させることができる。また、燃料電池によって得られた電力は、負荷電流の変動に対する応答性に優れた蓄電素子に蓄えられ、蓄電素子から負荷へ供給されるので、出力電圧の安定性を向上させることができる。さらに、蓄電素子の出力電圧は、出力用電圧コンバータによって、予め設定された設定出力電圧に変換されて接続端子に印加され、接続端子に接続された負荷へ出力されるので、設定出力電圧を、蓄電素子の出力電圧に制約されることなく設定することができ、出力電圧値の設定自由度を向上させることができる。
【００１３】
また、前記充電用電圧コンバータは、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部により検出された前記燃料電池の出力電圧と前記燃料電池の出力電圧の目標値として予め設定された基準電圧との差を減少させるように、前記燃料電池から当該充電用電圧コンバータへ流入する電流を調節する制御部とをさらに備えることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、電圧検出部により燃料電池の出力電圧が検出される。そして、制御部によって、電圧検出部により検出された燃料電池の出力電圧と燃料電池の出力電圧の目標値として予め設定された基準電圧との差が減少するように、燃料電池から当該充電用電圧コンバータへ流入する電流が調節されて燃料電池の出力電圧が目標値に設定されるので、燃料電池を所定の目標出力電圧で動作させることができる。
【００１５】
また、前記設定出力電圧の設定を受け付ける設定部をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、設定部により受け付けられた設定電圧が設定出力電圧として接続端子から負荷へ出力されるので、ユーザーは、設定部を用いて設定出力電圧を設定することにより、動作電源電圧が異なる種々の負荷を、当該電源装置の接続端子に接続して用いることができる。
【００１６】
また、前記蓄電素子は、二次電池であることが好ましい。この構成によれば、蓄電素子により蓄えられる電力量を増大させて、蓄電素子により吸収することができる負荷電流の変動量を増大させることが容易となる。
【００１７】
また、前記蓄電素子は、コンデンサであってもよい。この構成によれば、コンデンサには、二次電池のようなサイクル寿命がないので、電源装置の寿命を延ばすことが容易となる。
【００１８】
また、前記蓄電素子の充放電電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部により検出された充放電電流に基づき、当該充放電電流を減少させるように、前記基準電圧を設定する目標電圧設定処理部とをさらに備えることが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、蓄電素子の充放電電流を減少させるように、燃料電池から当該充電用電圧コンバータへ流入する電流が調節されて燃料電池の出力電圧が設定されるので、蓄電素子の充放電電力の変動幅を小さくすることができる。また、その結果、蓄電素子の容量を小さくでき、蓄電素子を小型化することができる。
【００２０】
また、前記蓄電素子の充放電電流を検出する電流検出部と、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給部と、前記電流検出部により検出された充放電電流に基づき、当該充放電電流を減少させるように、前記燃料供給部による前記燃料電池への燃料供給量を設定する燃料供給量設定処理部とをさらに備えることが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、蓄電素子の充放電電流を減少させるように、燃料供給部による燃料電池への燃料供給量が設定されて燃料電池の発電量が調節されるので、蓄電素子の充放電電力の変動幅を小さくすることができる。また、その結果、蓄電素子の容量を小さくでき、蓄電素子を小型化することができる。
【００２２】
なお、充放電電流を減少させるとは、その絶対値を０の方向に向かわせることを意味する。
【発明の効果】
【００２３】
このような構成の電源装置では、燃料電池によって得られた電力が負荷に供給されるので、負荷への電力供給時間を増大させることができる。また、燃料電池によって得られた電力が、負荷電流の変動に対する応答性に優れた蓄電素子に蓄えられ、蓄電素子から負荷へ供給されるので、出力電圧の安定性を向上させることができる。さらに、蓄電素子の出力電圧は、出力用電圧コンバータによって、予め設定された設定出力電圧に変換されて接続端子に印加され、接続端子に接続された負荷へ出力されるので、設定出力電圧を、蓄電素子の出力電圧に制約されることなく設定することができ、出力電圧値の設定自由度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る電源装置の構成の一例を示すブロック図である。
【００２５】
図１に示す電源装置１は、燃料電池２と、電力を蓄える二次電池４と、電源装置１の外部に負荷装置９を接続するための接続端子７，８と、燃料電池２から出力された電圧Ｖｉｎ１を、二次電池４を充電するための電圧である電圧Ｖｏｕｔ１（充電電圧）に変換して二次電池４に印加するＤＣ−ＤＣコンバータ３（充電用電圧コンバータ）と、二次電池４から出力された電圧Ｖｉｎ２を、電圧設定部６により受け付けられた設定に応じた設定出力電圧Ｖｏｕｔ２に変換して接続端子７，８へ出力するＤＣ−ＤＣコンバータ５（出力用電圧コンバータ）とを備えて構成されている。
【００２６】
負荷装置９は、例えば携帯型のパーソナルコンピュータや携帯電話機、携帯型音楽再生機、携帯ゲーム機等の携帯型電子機器である。また、電源装置１は、ハイブリッド電気自動車、電気自動車、電気バイク、電気アシスト自転車等の移動体に搭載され、これら移動体の動力回路や制御回路等の負荷装置９に電力を供給するものであってもよい。また、電源装置１は、これらの携帯型電子機器や移動体の電源として用いられる二次電池を充電するための据え置き型の充電装置として用いられるものであってもよく、非常用電源装置やアウトドア用品として利用されるものであってもよい。
【００２７】
接続端子７，８は、電源装置１の設定出力電圧Ｖｏｕｔ２を負荷装置９へ出力するための接続端子で、負荷装置９の電源入力端子と接続可能に構成されている。接続端子７，８は、例えばコネクタであってもよく、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ５を構成する配線基板に設けられたランドやスルーホールであってもよい。
【００２８】
燃料電池２は、例えば複数の燃料電池セル２１が直列接続されて構成されている。燃料電池セル２１としては、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。また、各燃料電池セル２１には、図略の燃料タンクから、燃料、例えばメタノールが、例えば負荷装置９の平均的な消費電力に応じて予め設定された供給速度で供給されるようになっている。
【００２９】
なお、燃料電池２は、複数の燃料電池セル２１が直列接続されて構成される例に限られず、例えば複数の燃料電池セル２１が並列接続されてもよく、一つの燃料電池セル２１をそのまま燃料電池２として用いてもよい。
【００３０】
二次電池４としては、例えばニッケル水素二次電池やリチウムイオン二次電池等、種々の二次電池を用いることができる。二次電池４は、例えば複数の二次電池セルが直列、あるいは並列接続されて構成されていてもよい。
【００３１】
図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の構成の一例を示す回路図である。図２に示すＤＣ−ＤＣコンバータ３は、例えば昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータである。ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、例えばコイルＬ１、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、コンデンサＣ１、インバータ３１、差動増幅器３２、スイッチングコントローラ３３、及び基準電圧源Ｅ１を備えて構成されている。
【００３２】
そして、燃料電池２の正極が、コイルＬ１とスイッチング素子Ｑ１とを介して燃料電池２の負極に接続されている。また、スイッチング素子Ｑ１と並列に、スイッチング素子Ｑ２とコンデンサＣ１との直列回路が接続され、コンデンサＣ１の両端電圧が電圧Ｖｏｕｔ１として二次電池４に印加されるようになっている。
【００３３】
スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、それぞれ例えばトランジスタにより構成されている。スイッチングコントローラ３３は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン、オフ動作を制御することにより、燃料電池２からＤＣ−ＤＣコンバータ３へ流れ込む電流Ｉｉｎ１、及びＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧Ｖｏｕｔ１を調節する制御回路である。スイッチングコントローラ３３は、例えばＰＷＭ制御によりデューティ比Ｄが設定された制御信号Ｓ３１を、スイッチング素子Ｑ１とインバータ３１とへ出力する。インバータ３１は、制御信号Ｓ３１をレベル反転させてスイッチング素子Ｑ２へ出力する。
【００３４】
基準電圧源Ｅ１は、燃料電池２の出力電圧である電圧Ｖｉｎ１の目標値として予め設定された基準電圧Ｖｒｅｆ１を、差動増幅器３２へ出力する定電圧回路である。差動増幅器３２は、燃料電池２の出力電圧である電圧Ｖｉｎ１と、基準電圧源Ｅ１から出力された基準電圧Ｖｒｅｆ１との差を表す誤差電圧信号Ｓ３２をスイッチングコントローラ３３へ出力する。
【００３５】
上述したように、燃料電池は、燃料の供給量が一定であれば、原則的に、ほぼ一定の発電電力が得られるが、出力電圧によって発電効率に差異が生じる。そのため、電圧Ｖｉｎ１が、燃料電池２の発電効率のよい電圧となることが望ましい。
【００３６】
一方、燃料電池２の出力電圧Ｖｉｎ１は、燃料電池２の出力電流、すなわち燃料電池２からＤＣ−ＤＣコンバータ３へ流れ込む電流Ｉｉｎ１の増大に応じて低下し、電流Ｉｉｎ１の減少に応じて増大する。そこで、スイッチングコントローラ３３は、制御信号Ｓ３１のデューティ比Ｄを適宜設定することにより燃料電池２から流入する電流Ｉｉｎ１の電流量を制御し、燃料電池２の発電効率が良好となるような電圧Ｖｉｎ１が得られるようにされている。
【００３７】
具体的には、基準電圧源Ｅ１は、燃料電池２の発電効率が良好となる出力電圧、例えば発電効率が最大となる出力電圧が、基準電圧Ｖｒｅｆ１として設定されている。そして、スイッチングコントローラ３３は、誤差電圧信号Ｓ３２が、負の値を示し、電圧Ｖｉｎ１が基準電圧Ｖｒｅｆ１を超えている場合には、制御信号Ｓ３１のデューティ比Ｄを増大させて電流Ｉｉｎ１を増大させることで、燃料電池２の出力電圧である電圧Ｖｉｎ１を減少させ、基準電圧Ｖｒｅｆ１に近づける。一方、スイッチングコントローラ３３は、誤差電圧信号Ｓ３２が、正の値を示し、電圧Ｖｉｎ１が基準電圧Ｖｒｅｆ１に満たない場合には、制御信号Ｓ３１のデューティ比Ｄを減少させて電流Ｉｉｎ１を減少させることで、燃料電池２の出力電圧である電圧Ｖｉｎ１を増大させ、基準電圧Ｖｒｅｆ１に近づける。これにより、燃料電池２の出力電圧である電圧Ｖｉｎ１が、基準電圧Ｖｒｅｆ１と一致するように調節され、燃料電池２の動作点が定められる。
【００３８】
この場合、差動増幅器３２が電圧検出部の一例に相当し、差動増幅器３２とスイッチングコントローラ３３とが制御部として機能する。
【００３９】
電圧設定部６は、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２の設定を受け付けて、当該設定された電圧を設定電圧Ｖｒｅｆ２として差動増幅器５２へ出力する設定部である。電圧設定部６は、例えば作業者が操作して抵抗値を設定することのできる可変抵抗器、いわゆるボリュウムスイッチと、ボリュウムスイッチの抵抗値に応じた電圧を設定電圧Ｖｒｅｆ２として出力する定電圧回路とを用いて構成されている。なお、電圧設定部６は、作業者の設定に応じた電圧を設定電圧Ｖｒｅｆ２として出力するものであればよく、例えばディップスイッチやロータリスイッチにより設定出力電圧Ｖｏｕｔ２の設定を受け付けて、当該設定された電圧を設定電圧Ｖｒｅｆ２として差動増幅器５２へ出力するものであってもよい。
【００４０】
図３に示すＤＣ−ＤＣコンバータ５は、例えば昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータである。ＤＣ−ＤＣコンバータ５は、例えばコイルＬ２、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４、コンデンサＣ２、インバータ５１、差動増幅器５２、及びスイッチングコントローラ５３を備えて構成されている。
【００４１】
そして、二次電池４の正極が、コイルＬ２とスイッチング素子Ｑ３とを介して二次電池４の負極に接続されている。また、スイッチング素子Ｑ３と並列に、スイッチング素子Ｑ４とコンデンサＣ２との直列回路が接続され、コンデンサＣ２の両端電圧が設定出力電圧Ｖｏｕｔ２として接続端子７，８に印加されるようになっている。
【００４２】
スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４は、それぞれ例えばトランジスタにより構成されている。スイッチングコントローラ５３は、ＰＷＭ制御によって、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４のオン、オフ動作を制御することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の設定出力電圧Ｖｏｕｔ２を調節する制御回路である。スイッチングコントローラ５３は、例えばＰＷＭ制御によりデューティ比Ｄが設定された制御信号Ｓ５１を、スイッチング素子Ｑ３とインバータ５１とへ出力する。インバータ５１は、制御信号Ｓ５１をレベル反転させてスイッチング素子Ｑ４へ出力する。
【００４３】
差動増幅器５２は、スイッチング素子Ｑ４とコンデンサＣ２との接続点の電圧、すなわち設定出力電圧Ｖｏｕｔ２と、電圧設定部６から出力された設定電圧Ｖｒｅｆ２との差を表す誤差電圧信号Ｓ５２を、スイッチングコントローラ５３へ出力する。
【００４４】
そして、スイッチングコントローラ５３は、誤差電圧信号Ｓ５２が、負の値を示し、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２が設定電圧Ｖｒｅｆ２を超えている場合には、制御信号Ｓ５１のデューティ比Ｄを減少させて、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２を減少させ、設定電圧Ｖｒｅｆ２に近づける。一方、スイッチングコントローラ３３は、誤差電圧信号Ｓ３２が、正の値を示し、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２が設定電圧Ｖｒｅｆ２に満たない場合には、制御信号Ｓ５１のデューティ比Ｄを増大させて設定出力電圧Ｖｏｕｔ２を増大させ、設定電圧Ｖｒｅｆ２に近づける。これにより、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２が、作業者が電圧設定部６を用いて設定した設定電圧Ｖｒｅｆ２と一致するようにされている。
【００４５】
なお、出力用電圧コンバータの一例としてＤＣ−ＤＣコンバータ５を示したが、例えば負荷装置９が、交流電源電圧により駆動される場合には、出力用電圧コンバータとして、二次電池４の直流出力電圧を交流電圧に変換して設定出力電圧Ｖｏｕｔ２として出力するＤＣ−ＡＣコンバータを用いてもよい。
【００４６】
次に、上述のように構成された電源装置１の動作について説明する。まず、例えば電源装置１を負荷装置９の電源として使用する場合、作業者が、電圧設定部６を用いて負荷装置９の動作用電源電圧を設定する。そうすると、電圧設定部６から負荷装置９の動作用電源電圧が、設定電圧Ｖｒｅｆ２として差動増幅器５２へ出力される。
【００４７】
次に、差動増幅器３２によって、燃料電池２から出力された電圧Ｖｉｎ１と基準電圧源Ｅ１から出力された基準電圧Ｖｒｅｆ１との誤差電圧信号Ｓ３２がスイッチングコントローラ３３へ出力される。そして、誤差電圧信号Ｓ３２が、負の値を示し、電圧Ｖｉｎ１が基準電圧Ｖｒｅｆ１を超えている場合には、スイッチングコントローラ３３によって、制御信号Ｓ３１のデューティ比Ｄが増大されて電流Ｉｉｎ１が増大され、燃料電池２の出力電圧である電圧Ｖｉｎ１が減少し、基準電圧Ｖｒｅｆ１に近づけられる。一方、誤差電圧信号Ｓ３２が、正の値を示し、電圧Ｖｉｎ１が基準電圧Ｖｒｅｆ１に満たない場合には、スイッチングコントローラ３３によって、制御信号Ｓ３１のデューティ比Ｄが減少されて電流Ｉｉｎ１が減少され、燃料電池２の出力電圧である電圧Ｖｉｎ１が増大し、基準電圧Ｖｒｅｆ１に近づけられる。これにより、燃料電池２の出力電圧である電圧Ｖｉｎ１が、基準電圧Ｖｒｅｆ１と一致するように調節され、燃料電池２の動作点が定められる。
【００４８】
そうすると、燃料電池２は、良好な発電効率が得られる電圧Ｖｉｎ１をＤＣ−ＤＣコンバータ３へ出力するので、燃料電池２の発電効率を高めることができる。
【００４９】
図４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３における制御信号Ｓ３１のデューティ比Ｄ、及びＤＣ−ＤＣコンバータ５における制御信号Ｓ５１のデューティ比Ｄを説明するための説明図である。図４に示す信号波形図において、制御信号Ｓ３１，Ｓ５１の周期をＴ、周期Ｔにおける制御信号Ｓ３１，Ｓ５１がハイレベルＨとなっている期間をＴｏｎとすると、デューティ比Ｄは、Ｔｏｎ／Ｔで示される。
【００５０】
そして、図２に示すＤＣ−ＤＣコンバータ３において、制御信号Ｓ３１がハイレベルＨとなると、スイッチング素子Ｑ１がオンし、スイッチング素子Ｑ２がオフする。一方、制御信号Ｓ３１がローレベルＬとなると、スイッチング素子Ｑ１がオフし、スイッチング素子Ｑ２がオンする。ここで、スイッチングコントローラ３３により設定された制御信号Ｓ３１のデューティ比をＤ１とすると、ＤＣ−ＤＣコンバータ３において、以下の式（１）の関係が成立する。
【００５１】
Ｖｏｕｔ１／Ｖｉｎ１＝１／（１−Ｄ１）・・・（１）
すなわち、式（１）により得られた電圧Ｖｏｕｔ１がＤＣ−ＤＣコンバータ３から二次電池４及びＤＣ−ＤＣコンバータ５へ出力される。
【００５２】
なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、必ずしも燃料電池２の出力電圧である電圧Ｖｉｎ１を基準電圧Ｖｒｅｆ１で一定にするようにＰＷＭ制御を行う例に限られず、電圧Ｖｏｕｔ１を所望の電圧値、例えば二次電池４の充電に適した電圧値にするように、ＰＷＭ制御を行う構成としてもよい。
【００５３】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電流Ｉｏｕｔ１は、二次電池４の出力電圧Ｖｂにより決定され、燃料電池２の発電電力をＰ、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の変換効率をαとすると、出力電流Ｉｏｕｔ１は、以下の式（２）により与えられる。
【００５４】
Ｉｏｕｔ１＝Ｐ×α／Ｖｂ  ・・・（２）
ここで、負荷装置９の負荷電流が減少し、ＤＣ−ＤＣコンバータ３から出力される出力電流Ｉｏｕｔ１よりもＤＣ−ＤＣコンバータ５に流れ込む電流の方が少なくなった場合、その余剰分の電流が二次電池４へ供給されて、二次電池４が充電される。一方、負荷装置９の負荷電流が増大し、ＤＣ−ＤＣコンバータ３から出力される出力電流Ｉｏｕｔ１よりもＤＣ−ＤＣコンバータ５に流れ込む電流の方が多くなった場合、その不足分の電流が、二次電池４からＤＣ−ＤＣコンバータ５へ供給される。
【００５５】
そうすると、負荷装置９の負荷電流が変動したことにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電流Ｉｏｕｔ１が過剰になった場合には二次電池４が充電され、出力電流Ｉｏｕｔ１が不足した場合には二次電池４から不足分の電流が供給されて負荷電流の変動が吸収されるので、負荷電流の変動に対して安定して電力供給を継続することができる。
【００５６】
次に、図３に示すＤＣ−ＤＣコンバータ５において、スイッチングコントローラ５３により、制御信号Ｓ５１が出力されて、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４のオン、オフ動作が行われ、電圧Ｖｉｎ２が設定出力電圧Ｖｏｕｔ２に変換されて接続端子７，８へ出力される。そうすると、差動増幅器５２によって、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２と、電圧設定部６から出力された設定電圧Ｖｒｅｆ２との誤差電圧信号Ｓ５２がスイッチングコントローラ５３へ出力される。
【００５７】
そして、誤差電圧信号Ｓ５２が、負の値を示し、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２が設定電圧Ｖｒｅｆ２を超えている場合には、スイッチングコントローラ５３によって、制御信号Ｓ５１のデューティ比Ｄが減少されて設定出力電圧Ｖｏｕｔ２が減少し、設定電圧Ｖｒｅｆ２に近づけられる。一方、誤差電圧信号Ｓ５２が、正の値を示し、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２が設定電圧Ｖｒｅｆ２に満たない場合には、スイッチングコントローラ５３によって、制御信号Ｓ５１のデューティ比Ｄが増大されて設定出力電圧Ｖｏｕｔ２が増大され、設定電圧Ｖｒｅｆ２に近づけられる。そうすると、電源装置１の出力電圧である設定出力電圧Ｖｏｕｔ２が、負荷装置９の動作用電源電圧である設定電圧Ｖｒｅｆ２と一致するように調節される。
【００５８】
スイッチングコントローラ５３による制御信号Ｓ５１のデューティ比Ｄの設定動作についてより詳細に説明すると、図４に示す信号波形図において、制御信号Ｓ５１の周期をＴ、周期Ｔにおける制御信号Ｓ５１がハイレベルＨとなっている期間をＴｏｎとすると、デューティ比Ｄは、Ｔｏｎ／Ｔで示される。
【００５９】
そして、図３に示すＤＣ−ＤＣコンバータ５において、制御信号Ｓ５１がハイレベルＨとなると、スイッチング素子Ｑ３がオンし、スイッチング素子Ｑ４がオフする。一方、制御信号Ｓ５１がローレベルＬとなると、スイッチング素子Ｑ３がオフし、スイッチング素子Ｑ４がオンする。ここで、制御信号Ｓ５１のデューティ比をＤ２とすると、ＤＣ−ＤＣコンバータ５において、以下の式（３）で示す関係が成立する。
【００６０】
Ｖｏｕｔ２／Ｖｉｎ２＝１／（１−Ｄ２）・・・（３）
式（３）において、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２を、負荷装置９の動作用電源電圧である設定電圧Ｖｒｅｆ２と一致させるのであるから、Ｖｒｅｆ２／Ｖｉｎ２＝１／（１−Ｄ２）を満たすデューティ比Ｄ２とすることにより、電源装置１の出力電圧である設定出力電圧Ｖｏｕｔ２が、負荷装置９の動作用電源電圧である設定電圧Ｖｒｅｆ２と一致するように調節される。この場合、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２は、二次電池４に固有の電圧値に依存せず、作業者が電圧設定部６を用いて設定した設定電圧Ｖｒｅｆ２にされるので、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２の設定自由度が向上する。また、作業者は、電圧設定部６を用いて設定電圧Ｖｒｅｆ２を負荷装置９の動作用電源電圧に設定することにより、所望の電源電圧を電源装置１から出力させることができるので、電源装置１は、動作用電源電圧が異なる種々の負荷装置９に対して電力を供給することができる。
【００６１】
なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ３，５について、昇圧型の例を示したが、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータに限定されるものではなく、燃料電池２の発電動作により得られる有効な出力電圧、負荷装置９の必要とする電圧値に応じて、各々のＤＣ−ＤＣコンバータは降圧型、昇降圧型、反転型などの構成をとることも可能である。
【００６２】
また、図５に示す電源装置１ａのように、二次電池４の代わりにコンデンサ４ａを蓄電素子として用いてもよい。コンデンサ４ａは、二次電池４のようなサイクル寿命がなく、二次電池４よりも低価格であるため、二次電池４の代わりにコンデンサ４ａを蓄電素子として用いることにより、電源装置１の長寿命化とコストの低減とを図ることが容易となる。
【００６３】
ここで、コンデンサ４ａを蓄電素子として用いた場合には、コンデンサ４ａの両端電圧、すなわち電圧Ｖｉｎ２は、以下の式（４）で示される。
【００６４】
Ｖｉｎ２＝Ｑ／Ｃ  ・・・（４）
但し、Ｑ：コンデンサ４ａの蓄電量（クーロン）
Ｃ：コンデンサ４ａの静電容量（Ｆ）
式（４）によれば、コンデンサ４ａの蓄電量に比例してコンデンサ４ａの両端電圧、すなわち電圧Ｖｉｎ２が変化するので、蓄電素子として二次電池４を用いた場合に比べて電圧Ｖｉｎ２の変動が増大する。電圧Ｖｉｎ２が変動すると、上記式（３）に従ってＤＣ−ＤＣコンバータ５の設定出力電圧Ｖｏｕｔ２が変動する。そして、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２の変動が差動増幅器５２及びスイッチングコントローラ５３によって、制御信号Ｓ５１のデューティ比Ｄ２にフィードバックされるので、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２は、設定電圧Ｖｒｅｆ２のまま維持されることとなる。しかし、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２の変動が差動増幅器５２及びスイッチングコントローラ５３によってデューティ比Ｄ２にフィードバックされるまでに遅延時間が生じるため、電圧Ｖｉｎ２の変動は、一時的ではあるものの設定出力電圧Ｖｏｕｔ２の変動として現れる。
【００６５】
従って、設定出力電圧Ｖｏｕｔ２を安定化させるためには、電圧Ｖｉｎ２の変動を低減することが望ましい。コンデンサ４ａを蓄電素子として用いた場合、式（４）から、コンデンサ４ａの静電容量Ｃを増大させることにより、単位電荷当たりの蓄電量の変化に対する電圧Ｖｉｎ２の変化量を低減することができる。
【００６６】
また、例えば図６に示すように、電流検出部１０と、燃料供給量設定処理部１１と、燃料供給部１２とをさらに備えてもよい。電流検出部１０は、例えば二次電池やコンデンサ等からなる蓄電素子４ｂへの充放電電流を示す信号を燃料供給量設定処理部１１へ出力する電流検出回路である。この場合、電流検出部１０は、例えば所定時間内における蓄電素子４ｂの充電電流と蓄電素子４ｂからの放電電流との平均値や積算値等を、蓄電素子４ｂの充放電電流として検出する構成としてもよい。
【００６７】
燃料供給部１２は、例えば燃料を収容する燃料タンクと、燃料タンクに収容された燃料を燃料電池２へ供給するポンプとを備えて構成されている。また、蓄電素子４の容量は、負荷電力の変動幅、燃料電池２の発電電力の制御応答性を鑑みて決定される。
【００６８】
燃料供給量設定処理部１１は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成され、電流検出部１０により検出された充放電電流に基づき、蓄電素子４ｂの充放電電流を減少させ、ゼロに近づけるように、燃料供給部１１による燃料電池２への燃料供給量を調節することで、燃料電池２の発電量を設定する。蓄電素子４ｂの充放電電流をゼロに近づけるように燃料電池２の発電量を調節する技術としては、特許文献１に記載の技術を用いることができる。
【００６９】
ここで、負荷装置９の消費電力が増大し、負荷装置９の消費電力とこの電源装置１ｂの電力損失を加算したものが燃料電池２の発電電力よりも大きい場合には、燃料電池２に加えて、蓄電素子４ｂからＤＣ−ＤＣコンバータ５を通じて負荷装置９に電力が供給され、蓄電素子４ｂから放電電流が流れる。一方、負荷装置９の消費電力が減少し、負荷装置９の消費電力とこの電源装置１ｂの電力損失を加算したものが燃料電池２の発電電力よりも小さい場合には、燃料電池２の発電電力の余剰電力は、蓄電素子４ｂに充電され、蓄電素子４ｂに充電電流が流れる。
【００７０】
従って、燃料電池２の発電電力から電源装置１ｂの電力損失を減じた電力と、負荷装置９の消費電力との差が大きいほど、蓄電素子４ｂの充放電電流は増大することとなる。ここで、電源装置１ｂによれば、蓄電素子４ｂの充放電電流をゼロに近づけるように燃料電池の発電電力が制御されるので、蓄電素子の充放電電力の変動幅を減少させることができ、その結果、蓄電素子の容量を小さくできて、蓄電素子４を小型化することができる。
【００７１】
なお、長時間における発電電力制御には燃料供給量を制御することが有効であるが、短時間で燃料電池２の発電電力を変化させるには、燃料電池２の出力電圧を制御することが適している。
【００７２】
そこで、図７に示す電源装置１ｃのように、燃料供給量設定処理部１１の代わりに目標電圧設定処理部１３を備えてもよい。目標電圧設定処理部１３は、例えばマイクロコンピュータを用いて構成され、電流検出部１０により検出された充放電電流に基づき、蓄電素子４ｂの充放電電流を減少させ、ゼロに近づけるように、基準電圧Ｖｒｅｆ１を設定して差動増幅器３２へ出力する。ここで、電源装置１ｃによれば、蓄電素子４ｂの充放電電流をゼロに近づけるように、燃料電池２の出力電圧が設定されて電力燃料電池２の発電電力が制御されるので、蓄電素子の充放電電力の変動幅を減少させることができ、その結果、蓄電素子の容量を小さくできて、蓄電素子４を小型化することができる。
【００７３】
なお、燃料供給量設定処理部１１と目標電圧設定処理部１３とを両方備えてもよい。この構成によれば、長時間に渡る負荷装置９の消費電力の変動には、燃料供給量の調節により、燃料電池２の発電電力を制御することができ、瞬時的な負荷装置９の消費電力の変動には、燃料電池２の出力電圧を制御することにより、電力燃料電池２の発電電力を制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の電源装置は、携帯用電子機器用だけに限らず、ハイブリッド電気自動車、電気自動車、電気バイク、電動アシスト自転車などの移動体搭載用並びに、これらの据え置き型の充電器に利用することができる。また、非常用電源、アウトドア用品などにも利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施形態に係る電源装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示すＤＣ−ＤＣコンバータの構成の一例を示す回路図である。
【図３】図１に示すＤＣ−ＤＣコンバータの構成の一例を示す回路図である。
【図４】図１に示すＤＣ−ＤＣコンバータにおける制御信号のデューティ比を説明するための説明図である。
【図５】図１に示す電源装置の変形例を示すブロック図である。
【図６】図１に示す電源装置の変形例を示すブロック図である。
【図７】図１に示す電源装置の変形例を示すブロック図である。
【図８】背景技術に係る電源装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７６】
１，１ａ  電源装置
２  燃料電池
３，５  ＤＣ−ＤＣコンバータ
４  二次電池
４ａ  コンデンサ
６  電圧設定部
７，８  接続端子
９  負荷装置
１０  電流検出部
１１  燃料供給量設定処理部
１２  燃料供給部
１３  目標電圧設定処理部
２１  燃料電池セル
３１，５１  インバータ
３２  差動増幅器
３３，５３  スイッチングコントローラ
５２  差動増幅器
Ｃ１，Ｃ２  コンデンサ
Ｅ１  基準電圧源
Ｌ１，Ｌ２  コイル
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４  スイッチング素子
【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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【図７】
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【図８】
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