(57)【要約】【課題】燃料電池からの出力と補助電源の蓄電デバイスを搭載する燃料電池システムにおいて、燃料電池および蓄電デバイスの電圧を外部機器の電圧に合わせて変換できる安価で汎用性の高い、燃料電池システムを提供する。【解決手段】複数のセルが直列に接続されスタックされた燃料電池と、前記燃料電池にて発電した電力を蓄える蓄電部と、前記燃料電池の発電電圧を前記蓄電部の電圧に変換する第一電圧変換部と前記第一電圧変換部および前記蓄電部に接続され、前記第一電圧変換部および前記蓄電部と異なる電圧に変換する第二電圧変換部を備え、前記燃料電池の発電電力から変換された前記第一電圧変換部の電力と蓄電部に蓄電された電力の少なくとも一方の電力により、前記第二電圧変換部が駆動する燃料電池システム。【選択図】図２
2013239281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルが直列に接続されスタックされた燃料電池と、
前記燃料電池にて発電した電力を蓄える蓄電部と、
前記燃料電池２の出力電力の少なくとも一部を前記蓄電部に蓄電する第一電圧変換部と、
前記第一電圧変換部および前記蓄電部に接続され、前記第一電圧変換部および前記蓄電部と異なる電圧に変換する第二電圧変換部を備え、
前記燃料電池の発電電力から変換された前記第一電圧変換部からの電力と蓄電部に蓄電された電力の少なくとも一方の電力により、前記第二電圧変換部が駆動することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
出力電圧を切り替えるスイッチ部を備え、前記第二電圧変換部が前記スイッチ部の切替により少なくとも２種類以上の電圧に変換す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】
前記第一電圧変換部および前記第二電圧変換部は昇圧または降圧あるいは昇降圧の少なくともいずれか一つの機能を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記スイッチ部の状態を検出するスイッチ検出部と出力電圧を表示する表示部を備え、前記スイッチ部の状態により予め定めた出力電圧を前記表示部に表示す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、燃料電池システムに関し、具体的には、燃料電池と蓄電デバイスを搭載するシステムにおいて燃料電池で発電した電力と蓄電デバイスに蓄電した電力を外部に出力するための電圧変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池を、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、および携帯情報端末（ＰＤＡ）などの携帯小型電子機器における電源として用いることが検討されている。燃料電池は、燃料の補充によって連続発電が可能であることから、充電が必要な二次電池の代わりに燃料電池を用いることで、携帯小型電子機器の利便性をさらに向上できるものと期待されている。
【０００３】
燃料電池には、使用される電解質の種類によって種々のタイプの燃料電池がある。なかでも高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、作動温度が低くかつ出力密度が高いことから、車載用電源および家庭用コージェネレーションシステム用電源などとして実用化されつつある。また、モバイル機器用の電源やポータブル用の電源としても有望視されている。
【０００４】
ＰＥＦＣのなかでも直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）は、常温で液体の燃料を使用し、この燃料を水素に改質することなく、直接的に酸化して電気エネルギを取り出す。このため、直接酸化型燃料電池は、改質器を備える必要がなく小型化が容易である。また、直接酸化型燃料電池のなかでも、燃料としてメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、エネルギ効率および発電出力が他の直接酸化型燃料電池よりも優れていることから、モバイル機器用の電源やアウトドアなどで使用するポータブル用の電源としても最も有望視されている。
【０００５】
ＤＭＦＣ等の燃料電池を携帯電子機器の電源とする場合には、燃料電池からの出力電圧を昇圧または降圧して機器の使用電圧に合わせることが必要である。
【０００６】
しかし、ポータブル機器の電圧は機器により様々で、目的に合わせて出力電圧を変更する必要があり、汎用性を高めるためには、使用機器の電圧に合わせて可変できる電圧変換装置が必要となる。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献１では、燃料電池の出力をＤＣ／ＤＣコンバータで使用する機器の電圧に変換し出力するシステムが、携帯機器の電圧に合わせた出力端子を準備し、燃料電池システムと携帯機器が接続された端子にあわせて出力電圧を変換することが開示されている。また、特許文献２では、燃料電池用ＤＣ／ＤＣコンバータと蓄電デバイス用のＤＣ／ＤＣコンバータを備え、各々のＤＣ／ＤＣコンバータが出力電圧に合わせて変換することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４-３１９３６７号公報
【特許文献２】特開２００６-３１０２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１では、起動停止用の蓄電装置は搭載されているが、燃料電池の出力を超える負荷の場合には蓄電デバイス等の補助電源がないため、燃料電池の出力電力以上の出力が得られず、負荷変動への対応が困難となる。
【００１０】
また、特許文献２では、燃料電池からの出力電圧を変換する第一のＤＣ／ＤＣコンバータと、蓄電デバイスからの出力電圧を変換する第二のＤＣ／ＤＣコンバータとが各々可変可能なＤＣ／ＤＣコンバータが必要である。そして、さらに蓄電デバイスに充電する充電制御部にも第一のＤＣ／ＤＣコンバータから出力する出力電圧を電池の電圧に合わせた電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータが必要となり、３種類のＤＣ／ＤＣコンバータが必要となって、制御が複雑化すると共に制御回路の部品コストが高くなる。
【００１１】
そこで、本発明は、燃料電池からの出力と補助電源の蓄電デバイスを搭載するシステムにおいて、燃料電池および蓄電デバイスの電圧を外部機器の電圧に合わせて変換できる安価で汎用性の高い、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】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、燃料電池システムにおいて、複数のセルが直列に接続されスタックされた燃料電池と、前記燃料電池にて発電した電力を蓄える蓄電部と、前記燃料電池の発電電圧を前記蓄電部の電圧に変換する第一電圧変換部と前記第一電圧変換部および前記蓄電部に接続され、前記第一電圧変換部および前記蓄電部と異なる電圧に変換する第二電圧変換部を備え、前記燃料電池の発電電力から変換された前記第一電圧変換部の電力と蓄電部に蓄電された電力の少なくとも一方の電力により、前記第二電圧変換部が駆動することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池で発電した電力と蓄電部に蓄電した電力を外部接続機器の電圧に変換するシステムを安価に構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図
【図２】本発明の一実施形態に係る出力制御システムの概略構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下に記載の実施形態に限定されるものではない。
【００１６】
図１に、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を、ブロック図により示す。
【００１７】
燃料電池システム１は、燃料電池２と、液状燃料（メタノール）を貯蔵する燃料タンク３と、燃料タンク３に貯蔵された液状の燃料を燃料電池２に送る燃料ポンプ４と、燃料電池２に酸化剤（空気）を供給する酸化剤ポンプ８と、燃料電池２の排出物を回収する回収部５と、を有している。燃料電池２は、発電した電気を出力するための正極外部端子６および負極外部端子７を有している。
【００１８】
酸化剤ポンプ８により送られる酸化剤は、酸化剤入口５２を通じて、燃料電池２の各単位セルに供給される。そして、燃料電池２の各単位セルでの反応により生成した水と、未消費酸化剤とを含む流体は、酸化剤出口１４から排出され、排出管１９を通じて、回収部５に送られる。
【００１９】
回収部５で回収された燃料電池２からの排出物は、未反応の燃料および水を含むため、燃料として再利用される。未反応の燃料および水は、燃料タンク３からの燃料と合流されて、燃料ポンプ４に供給することができる。
【００２０】
回収部５には、未反応の燃料および水と、ガス（Ｏ２、水蒸気など）とを分離する気液分離機構を備えさせることができる。
【００２１】
酸化剤ポンプ８は、燃料電池２を収容する図示しないケースの内部に設けてもよく、外部に設けてもよい。同様に、燃料ポンプ４も、燃料電池２のケースの内部及び外部のいずれに設けてもよい。
【００２２】
制御装置１１は、燃料ポンプ４および酸化剤ポンプ８を制御して、燃料電池２への燃料供給量および酸化剤供給量を制御する燃料供給量制御機能および酸化剤供給量制御機能を有する。これらの機能を有することで、制御装置１１は、燃料電池２の運転を制御する。すなわち、制御装置１１は、運転制御部として機能する。制御装置１１による燃料供給量および酸化剤供給量の制御は、例えば、燃料電池２から出力される電流を電流センサ１１０、および電圧センサ１１３の検出信号に基づいて実行することができる。
【００２３】
電力制御部２０は、燃料電池２で発電された電力を所望の電圧に変換し、外部機器に電力を供給する。
【００２４】
次に図２を参照して図１の燃料電池システムの搭載される、出力制御システムについて説明する。
【００２５】
電力制御部２０は、第一電圧変換部として、燃料電池２の出力電圧を所望の第一電圧に変換して出力する第一のＤＣ／ＤＣコンバータ９と、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して出力される燃料電池２の出力電力の少なくとも一部を蓄電する蓄電部１０と、制御装置１１とを備える。
【００２６】
また、第二電圧変換部として、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ９および蓄電部１０に接続され、少なくともいずれか一方のもしくは両方からの出力電圧を所望の第二の電圧に変換して出力する第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１３を備えている。
【００２７】
第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１３には出力電圧を切り替える、電圧設定スイッチ１７を有しており、電圧設定スイッチ１７の切替により少なくとも２種類の出力電圧に切替られる電圧変換部２１を有している。
【００２８】
また、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力には外部機器に電力を供給する外部機器接続端子１６を備えてある。
【００２９】
第一のＤＣ／ＤＣコンバータ９は、燃料電池２の出力電圧を蓄電部１０の電圧値に応じて変換する、昇圧または降圧あるいは昇降圧が可能なＤＣ／ＤＣコンバータである。
【００３０】
第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ９および蓄電部１０の電圧を電圧設定スイッチ１７の状態に応じて変換する、昇圧または降圧あるいは昇降圧が可能なＤＣ／ＤＣコンバータである。
【００３１】
第一のＤＣ／ＤＣコンバータ９は蓄電部１０の充電容量（以下ＳＯＣ）に応じて出力電力を切替えられるように制御装置１１で制御され、外部機器の出力電力が増加すると、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電力が大きくなり蓄電部１０のＳＯＣが減少する。
【００３２】
蓄電部１０のＳＯＣが低下すると制御装置１１により燃料電池２の発電電力を増加し、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ９からの出力電力が増加する。外部機器の電力が第一のＤＣ／ＤＣコンバータ９の最大出力電力以上の場合は、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ９および蓄電部１０から第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１３に電力が供給され、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の電圧設定スイッチ１７の設定により電圧変換部２１にて所望の電圧に変換され外部機器に電力が供給される。
【００３３】
外部機器の消費電力が減少し、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ９からの出力電力が、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力電力を上回ると、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ９を介した燃料電池２の余剰電力は蓄電部１０のＳＯＣが所望の値となるまで充電される。
【００３４】
第二のＤＣ／ＤＣコンバータ１３の電圧設定は、例えば、電圧設定スイッチ１７の操作によりＤＣ／ＤＣコンンバータの出力電圧をフィードバックする分圧抵抗値を切り替えることや、ＣＰＵのＰＷＭ制御によりＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチングのＤｕｔｙ比を変更することや、あるいはＤ／Ａ変換機能を持つＣＰＵの出力値を切り替えることのよりＤＣ／ＤＣコンバータのフィードバック制御電圧を切り替えたりすることができる。
【００３５】
電圧設定スイッチ１７は、スライドスイッチにより、接続回路を切り替えたり、ボリュームにより分圧する抵抗を切り替えたりする構成や、タクトスイッチにより制御装置１１にスイッチ操作信号を送る構成のものでもよい。
【００３６】
電圧設定スイッチ１７により設定された電圧は、制御装置１１に出力設定信号が送られ、制御装置１１により、電圧設定に応じた表示に表示部１８の表示内容を切り替える。
【００３７】
表示部１８は、ＬＣＤにより出力電圧を数値で表示することや、あるいはＬＥＤにより出力電圧に対応した指定のＬＥＤを点灯させることで、ユーザーに出力電圧状態を知らせることができる。
【００３８】
以上のように本発明に示す燃料電池システムによれば、第一のＤＣ／ＤＣコンバータおよび第二のＤＣ／ＤＣコンバータの二つのＤＣ／ＤＣコンバータにより蓄電部への充電と、燃料電池の発電電力と蓄電部からの出力を所望の電圧に変換し、外部機器への電力供給が可能となり、外部機器の電力が燃料電池の出力電力以上となる場合には、蓄電部から電力を補助することで、負荷変動への対応が可能な燃料電池システムを２つのＤＣ／ＤＣコンバータで構成することができ、制御回路のコストダウンが可能となる。また、電圧設定がスイッチ操作で任意に設定できるため、ユーザーの使用目的に合わせた汎用性が高い燃料電池システムを得ることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の燃料電池システムは、携帯型機器用電源、ホームユースの発電装置、工事用発電機、車載用アシスト電源などの用途として利用することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１      燃料電池システム
２      燃料電池
３      燃料タンク
４      燃料ポンプ
５      回収部
８      酸化剤ポンプ
９      第一のＤＣ／ＤＣコンバータ
１０    蓄電部
１１    制御装置
１３    第二のＤＣ／ＤＣコンバータ
１６    外部機器接続端子
１７    電圧設定スイッチ
１８    表示部
２０    電力制御部
２１    電圧変換部
【図１】
2013239281.tif 000003
【図２】
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