JP2007244179A - ハイブリッド電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池が不安定動作領域で動作することを防止することができるハイブリッド電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池２と二次電池３をスイッチ６を介して並列接続したハイブリッド電源装置において、燃料電池２の出力電流Ｉ_FCに基づいてスイッチ６をオン／オフ制御する制御回路４を備える。制御回路４は、燃料電池２の出力電流Ｉ_FCが所定の下限電流以下となったとき、スイッチ６をオフとする。燃料電池２に燃料が補充されると、或いは、燃料電池２と燃料とから成る燃料電池ユニットが交換されると、制御回路４は、スイッチ６をオフからオンに切り替える
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と二次電池等の蓄電デバイスを併用したハイブリッド電源装置に関する。

燃料電池と二次電池を併用したハイブリッド電源装置においては、通常、燃料電池と二次電池との間に、燃料電池を保護すべく、逆流防止回路としてのダイオードが設けられる。しかしながら、ダイオードを設けると、当然にダイオードにて無駄な電力が消費され、電源装置としての高効率化が妨げられる。

これを考慮し、燃料電池をスイッチを介して二次電池と並列に接続する、という構成も提案されている（例えば、下記特許文献１及び２参照）。燃料電池をスイッチを介して二次電池と並列に接続することにより、ダイオードにおける電力消費が削減されると共に、ダイオードにおける電圧降下の分だけ燃料電池の出力電圧を低く抑えることができる。

特開２００４−３４２５５１号公報 特開平８−１６３７１１号公報

燃料電池を不安定動作領域で動作させると特性劣化等を招く。このため、燃料電池をスイッチを介して二次電池と並列に接続する場合においても、不安定動作領域での動作を防止する技術が必要となる。

また、燃料電池にて二次電池を充電することができるが、上記特許文献１等の構成のように、二次電池を（ヒステリシスを設けることなく）満充電付近で充放電すると、二次電池の寿命が短くなるという問題がある。

そこで本発明は、燃料電池が不安定動作領域で動作することを防止することができるハイブリッド電源装置を提供することを目的とする。また、二次電池等の蓄電デバイスの長寿命化に寄与するハイブリッド電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る第１のハイブリッド電源装置は、燃料電池と、前記燃料電池にスイッチを介して並列に接続された蓄電デバイスと、前記スイッチをオン／オフ制御することにより、前記燃料電池と前記蓄電デバイスの出力端子間の接続状態を制御する制御回路と、を備えたハイブリッド電源装置において、前記制御回路は、前記燃料電池の出力電流に基づいて、前記接続状態を制御する。

ことを特徴とする
具体的には例えば、前記制御回路は、前記出力端子間を接続している状態において、前記燃料電池の出力電流が所定の下限電流以下となったとき、前記出力端子間の接続を遮断する。

これにより、燃料電池が不安定動作領域で動作することを未然に防止することが可能となる。

また例えば、前記蓄電デバイスの出力電圧を検出する電圧検出器を更に備え、前記下限電流は、検出された前記蓄電デバイスの出力電圧に応じて定められる。

また例えば、前記燃料電池に対して燃料が補充されたか否かを検出するための補充検出手段を備え、前記制御回路は、前記燃料電池の出力電流が前記下限電流以下となったことに起因して前記出力端子間の接続を遮断した後、前記燃料の補充が検出されたとき、前記出力端子間の接続を復帰する。

また例えば、当該ハイブリッド電源装置は、前記燃料電池と前記燃料電池の燃料とから成る燃料電池ユニットを交換可能に構成されており、前記燃料電池ユニットが交換されたか否かを検出するための交換検出手段を備え、前記制御回路は、前記燃料電池の出力電流が前記下限電流以下となったことに起因して前記出力端子間の接続を遮断した後、前記燃料電池ユニットの交換が検出されたとき、前記出力端子間の接続を復帰する。

上記の補充検出手段または交換検出手段を設けることにより、燃料電池における燃料が補充または交換されるまで前記出力端子間の接続は遮断されたままとなる。このため、燃料電池は安全に保護される。

また例えば、前記蓄電デバイスの出力電圧を検出する電圧検出器を更に備え、前記制御回路は、前記出力端子間を接続している状態において検出された前記出力電圧が所定の第１電圧以上になったとき、前記出力端子間の接続を遮断する。

また例えば、前記蓄電デバイスの出力電圧を検出する電圧検出器を更に備え、前記制御回路は、前記出力端子間を接続している状態において検出された前記出力電圧が所定の第１電圧以上になったとき、前記出力端子間の接続を遮断し、その後、検出された前記出力電圧が前記第１電圧よりも小さい所定の第２電圧以下になったとき、前記出力端子間の接続を復帰する。

これにより、蓄電デバイスの充放電の繰り返しの頻度が低減されるため、蓄電デバイスの長寿命化を期待できる。

上記目的を達成するために本発明に係る第２のハイブリッド電源装置は、燃料電池と、前記燃料電池にスイッチを介して並列に接続された蓄電デバイスと、前記スイッチをオン／オフ制御することにより、前記燃料電池と前記蓄電デバイスの出力端子間の接続状態を制御する制御回路と、前記蓄電デバイスの出力電圧を検出する電圧検出器と、を備えたハイブリッド電源装置において、前記制御回路は、前記出力端子間を接続している状態において検出された前記出力電圧が所定の第１電圧以上になったとき、前記出力端子間の接続を遮断し、その後、検出された前記出力電圧が前記第１電圧よりも小さい所定の第２電圧以下になったとき、前記出力端子間の接続を復帰することを特徴とする。

第２のハイブリッド電源装置によれば、蓄電デバイスの充放電の繰り返しの頻度が低減されるため、蓄電デバイスの長寿命化を期待できる。

上述した通り、本発明に係るハイブリッド電源装置によれば、燃料電池が不安定動作領域で動作することを未然に防止することが可能となる。また、蓄電デバイスの長寿命化に寄与することができる。

以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。各図において、同一のものには同一の符号を付す。図１に、本発明の実施の形態に係るハイブリッド電源装置１（以下、単に「電源装置１」という）のブロック構成図を示す。

電源装置１は、燃料電池２と、蓄電デバイスとしての二次電池３と、制御回路４と、電流検出器５と、スイッチ６と、電圧検出器７と、補充／交換検出回路８と、を有して構成される。電源装置１には、負荷９が接続される。

燃料電池２は、メタノールを直接燃料として発電するダイレクトメタノール型燃料電池である。但し、ダイレクトメタノール型燃料電池以外の燃料電池を、燃料電池２として採用してもよい。

燃料電池２は、複数の単セルを直列接続して構成される。図２に、燃料電池２を構成する１つの単セルの概略構成図を示す。１つの単セルは、メタノールの酸化を促進するための電極触媒を担持した燃料極２１と、酸素の還元反応を促進するための電極触媒を担持した空気極２２と、燃料極２１と空気極２２との間に挟まれた固体高分子電解質膜２３と、を有して構成される。

燃料カートリッジ２０には、水にて希釈された、燃料としてのメタノールが蓄えられている。燃料カートリッジ２０内のメタノールは、直接、燃料極２１に供給される。空気極２２は、空気と接している。

燃料極２１において、メタノールは水と反応して二酸化炭素、水素イオン、電子になる（ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-）。水素イオンは固体高分子電解質膜２３を通って空気極２２に到達し、電子は外部回路（負荷など）を通って空気極２２に到達する。空気極２２では、水素イオンと空気中の酸素が出会い、電極表面から電子を奪う反応を経て水となる（３／２・Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ）。尚、燃料極２１にて発生する二酸化炭素及び空気極２２にて発生する水は、図示されない排出孔を介して外部に排出される。

図２に示す単セルを直列に接続して組電池を構成することにより、燃料電池２は形成される。最も低電圧側の単セルの負極（燃料極２１）は、基準電位（０Ｖ）を有するグランドラインＧＮＤに接続される。最も高電圧側の単セルの正極（空気極２２）の電圧が燃料電池２の出力電圧として負荷９側に出力される。以下、燃料電池２の出力電圧を電圧Ｖ_FCと呼び、燃料電池２の出力電流を電流Ｉ_FCと呼ぶ。

電圧Ｖ_FCが現れる燃料電池２の正側の出力端子２ａは、電流検出器５を介してスイッチ６の一端に接続される。スイッチ６の他端は、二次電池３の正側の出力端子（正極）３ａに接続されると共に負荷９に接続される。二次電池３の負側の出力端子（負極）は、グランドラインＧＮＤに接続されている。

電流検出器５は、電流Ｉ_FCの電流値を検出する。電流Ｉ_FC（厳密には、電流Ｉ_FCの電流値）の検出結果は、制御回路４に伝達される。電圧検出器７は、二次電池３の出力電圧（以下、電圧Ｖ_Bという）の電圧値を検出する。電圧Ｖ_B（厳密には、電圧Ｖ_Bの電圧値）の検出結果は、制御回路４に伝達される。

補充／交換検出回路８の検出内容については後述するが、制御回路４は、電流Ｉ_FCの検出結果と、電圧Ｖ_Bの検出結果と、補充／交換検出回路８の検出結果と、に基づいて、スイッチ６の導通を制御する。

スイッチ６は、例えば、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）からなり、一方の導通電極（例えばドレイン）は電流検出器５を介して燃料電池２の出力端子２ａに接続され、他方の導通電極（例えばソース）は二次電池３の出力端子３ａに接続される。そして、スイッチ６は、制御回路４の制御の下、出力端子２ａと出力端子３ａとの間を導通させる（接続する）、或いは、それらの間の導通を遮断する（未接続とする）。以下、出力端子２ａと出力端子３ａとの間を導通させるスイッチ６の状態を「オン」と呼び、それらの間の導通を遮断するスイッチ６の状態を「オフ」と呼ぶ。

二次電池３は、具体的には例えばリチウムイオン二次電池である。但し、それ以外の任意の二次電池を、二次電池３として採用することも可能である。

スイッチ６がオンとなっているとき、電圧Ｖ_FCと、電圧Ｖ_Bは、必然的に等しくなる。従って、燃料電池２の開放出力電圧を、電圧Ｖ_B以上にする必要がある。好ましくは、燃料電池２の所望の動作点において、電圧Ｖ_FCが電圧Ｖ_Bと等しくなるように（或いは略等しくなるように）、燃料電池２を構成する単セルの直列数を決めればよい。例えば、単セル当たりの発生電圧が０．４Ｖである場合、リチウムイオン二次電池の出力電圧は４Ｖ程度であるので、理想的には単セルの直列数を１０とする。

負荷９は、例えば、携帯電話機や携帯情報端末等の携帯機器などである。負荷９と電源装置１とを併せたものが携帯機器である、と考えることもできる。スイッチ６がオンとなっているときは、燃料電池２と二次電池３が協働して負荷９に電力を供給し、スイッチ６がオフとなっているときは、二次電池３単体にて負荷９に電力を供給する。

尚、通常、燃料電池と二次電池と用いたハイブリッド電源装置においては、燃料電池と二次電池の何れか一方が主となり他方が従となって負荷を駆動することになる。図１の電源装置１においては、負荷９に応じて、燃料電池２と二次電池３の主従関係が任意に変更されうる。

図３に、燃料電池２の出力特性を示す。曲線６１は、或る燃料濃度条件下における、電流Ｉ_FCと電圧Ｖ_FCとの関係を示している。曲線６２は、或る燃料濃度条件下における、電流Ｉ_FCと燃料電池２の出力電力Ｐ_FCとの関係を示している。本実施形態において、燃料濃度とは、燃料電池２の燃料極２１に供給される燃料の濃度を意味する。

曲線６１から分かるように、同一の燃料濃度において、電流Ｉ_FCが増加すれば電圧Ｖ_FCは減少する。一方、曲線６２から分かるように、同一の燃料濃度において、電流Ｉ_FCが増加すれば出力電力Ｐ_FCは増大する。但し、或る電流Ｉ_FCにおいて出力電力Ｐ_FCは極大値をとり、更に電流Ｉ_FCが増加すると出力電力Ｐ_FCは急激に減少していく。

スイッチ６がオンとなっている状態（即ち、Ｖ_FC＝Ｖ_Bの状態）において、二次電池３の容量が少なく電圧Ｖ_Bが比較的低くなると、燃料電池２の出力電力Ｐ_FCは比較的大きくなり（図３の符号６３及び６４を参照）、二次電池３の容量が多く電圧Ｖ_Bが比較的高くなると、燃料電池２の出力電力Ｐ_FCは比較的小さくなる（図３の符号６５及び６６を参照）。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を介在させることなく、図１のように燃料電池２と二次電池３を直接接続するようにすれば、特別な制御無しに合理的な出力を燃料電池２から得ることができる。

但し、燃料電池２を使用する際には、燃料電池２を不安定動作領域にて動作させないようにする必要がある。図４に、燃料電池２の安定動作領域６７と不安定動作領域６８を示す。電流Ｉ_FCの増加に従って出力電力Ｐ_FCが急激に減少していく動作領域が存在するが（図３参照）、その動作領域が不安定動作領域６８に対応する。

燃料電池２を不安定動作領域６８で動作させると、各単セルにおける性能劣化が促進されると共に、単セルを直列接続している場合には各単セルにおける発生電圧にばらつきが生じ、転極が発生する（電位が反転する）こともある。従って、電源装置１では、燃料電池２が不安定動作領域６８で動作することがないように適切な制御がなされる。

図５の曲線６１、７２及び７３は、それぞれ、燃料濃度がＤ１、Ｄ２及びＤ３の場合における、電流Ｉ_FCと電圧Ｖ_FCとの関係を表している。ここで、不等式：「Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３」が成立するものとする。

図５からも分かるように、電圧Ｖ_FCが一定に維持されている状態において、燃料電池２の発電に伴って燃料濃度が低下すると電流Ｉ_FCは減少していく。一方、スイッチ６をオンとしている状態では、電圧Ｖ_FCは自動的に電圧Ｖ_Bと同じとなる。このため、電流Ｉ_FCの減少を無条件に許容すれば、燃料電池２の動作点は不安定動作領域に入るおそれがある。

これを考慮し、制御回路４は、スイッチ６がオンとなっている状態において、検出された電流Ｉ_FC（厳密には、電流Ｉ_FCの電流値）が所定の下限電流Ｉ_LL（厳密には、下限電流値Ｉ_LL）以下となったとき、スイッチ６をオフにして出力端子２ａ−３ａ間の接続を遮断する。

例えば、燃料電池２における燃料濃度がＤ１またはＤ２であって燃料電池２の動作点が図６の動作点７５にある場合を考える。この動作点７５は、電源装置１における燃料電池２の通常の動作点と考えることができ、動作点７５は燃料電池の安定動作領域内にある。発電に伴い燃料濃度がＤ３にまで低下すると、燃料電池２の動作点は、電流Ｉ_FCの低下を伴いながら動作点７５から下限動作点７６に移行する。この下限動作点７６において、電流Ｉ_FCと下限電流Ｉ_LLは一致している。下限動作点７６は、安定動作領域と不安定動作領域（図６において、符号７７が付された領域）の境界付近の動作点である。但し、下限動作点７６は、燃料電池２の安定動作領域内の動作点である。

制御回路４は、電流Ｉ_FCが下限電流Ｉ_LL以下になったとき、燃料濃度が所定の下限濃度以下となった（或いは燃料がなくなった）と判断し、スイッチ６をオフとする。これにより、濃度低下（或いは燃料切れ）を濃度センサ等を特別に設けることなく検出することができ、燃料電池２が不安定動作領域で動作することを未然に防止することが可能となる。

下限電流Ｉ_LLの値は、例えば、予め設定された一定値である。二次電池３の電圧Ｖ_Bはある程度の幅をもって変動するが、その変動を考慮してもなお燃料電池２が安定動作領域にて動作するように、上記一定値は設定される。

また、下限電流Ｉ_LLの値を、検出された電圧Ｖ_Bに応じて変化させてもよい。電圧Ｖ_FC（＝Ｖ_B）が低ければ比較的大きな電流値でも燃料電池２の動作点は不安定動作領域に入ってくる。このため、検出された電圧Ｖ_Bが比較的低ければ下限電流Ｉ_LLは比較的大きな値に設定され、検出された電圧Ｖ_Bが比較的高ければ下限電流Ｉ_LLは比較的小さな値に設定される。

次に、電流Ｉ_FCが下限電流Ｉ_LL以下となったことに起因してスイッチ６がオフとされた後の復帰動作について説明する。上述の如く、電流Ｉ_FCが下限電流Ｉ_LL以下となった場合は燃料濃度が下限濃度まで低下している、と判断することができる。このため、燃料の補充が確認されるまでスイッチ６はオフにしておくべきである。

補充／交換検出回路８は、燃料電池２に対して燃料が補充されたか否かを検出する。この検出結果は、制御回路４に伝達される。電流Ｉ_FCが下限電流Ｉ_LL以下となったことに起因してスイッチ６をオフとしている状態において、補充／交換検出回路８から「燃料電池２に対して燃料が補充された」ことを表す検出信号が制御回路４に伝達された場合、制御回路４は、スイッチ６をオンにして、出力端子２ａ−３ａ間の接続を復帰する。

逆に言えば、燃料の補充が確認されるまで、出力端子２ａ−３ａ間の接続遮断は維持される。このため、燃料電池２を安全に保護することができる。

図７は、図１の電源装置１を用いて駆動する携帯機器の一部断面図である。該携帯機器の筐体３１には、燃料カートリッジ２０を収納するための空間３２が設けられている。燃料カートリッジ２０を、その空間３２に収めることにより、燃料カートリッジ２０内の燃料が燃料電池２の燃料極２１に供給される。スイッチ部８ａと信号発生器８ｂによって補充／交換検出回路８は構成される。

例えば、電流Ｉ_FCが下限電流Ｉ_LL以下となったことに起因してスイッチ６がオフとなったとき、そのことを表す情報が、携帯機器の表示部（不図示）における表示等によりユーザに報知される。ユーザは、この報知を受けると、使用していた燃料カートリッジ２０を空間３２から抜き取り、新たな燃料カートリッジ２０を空間３２に挿入する。燃料カートリッジ２０が空間３２に収められると、燃料カートリッジ２０の先端によって空間３２の端面に固定されたスイッチ部８ａに圧力が加えられ、スイッチ部８ａの状態がオフからオンに移行する。これと同時に（或いは略同時に）、新たに空間３２に収められた燃料カートリッジ２０から燃料が燃料極２１に補充される。

信号発生器８ｂは、スイッチ部８ａがオンとなった瞬間のエッジを検出する。信号発生器８ｂは、このエッジを検出した場合、一定時間だけ電位がハイレベルになるパルスを発生する。このパルスは、「燃料電池２に対して燃料が補充された」ことを表す上記検出信号に相当し、制御回路４に伝達される。尚、信号発生器８ｂの出力信号は、通常はローレベルに維持されている。上記のように補充／交換検出回路８を構成することにより、燃料カートリッジ２０が交換された時にのみ上記検出信号を発生することができる。

図８に、制御回路４の構成の一例を示す。制御回路４は、図８のフリップフロップ（ラッチ回路）３４を備えて構成される。フリップフロップ３４のセット端子（Ｓ）には、信号発生器８ｂの出力信号が与えられる。フリップフロップ３４のリセット端子（Ｒ）には、電流検出器５の検出結果に応じた信号が与えられる。通常、ローレベルの信号がリセット端子（Ｒ）に供給されており、Ｉ_FC≦Ｉ_LLとなった場合に、一定時間だけハイレベルの信号がリセット端子（Ｒ）に供給される。

セット端子（Ｓ）にハイレベルの信号が与えられると、フリップフロップ３４の出力端子（Ｑ）からの出力信号はハイレベルになる。この出力信号におけるハイレベルは、次回リセット端子（Ｒ）にハイレベルの信号が与えられるまで維持される。リセット端子（Ｒ）にハイレベルの信号が与えられると、フリップフロップ３４の出力端子（Ｑ）からの出力信号はローレベルになる。この出力信号におけるローレベルは、次回セット端子（Ｓ）にハイレベルの信号が与えられるまで維持される。フリップフロップ３４の出力端子（Ｑ）からの出力信号は、スイッチ６のオン／オフを制御するための信号としてスイッチ６（例えばＦＥＴ）のドライバ（例えばＦＥＴドライバ）に供給される。

出力端子（Ｑ）からの出力信号がハイレベルの場合、スイッチ６はオンとなり、出力端子（Ｑ）からの出力信号がローレベルの場合、スイッチ６はオフとなる（但し、これの例外も存在する。例外については図１０を参照して後述）。

尚、電源装置１内または電源装置１を用いて駆動する携帯機器に確認スイッチ（不図示）等を設けておくようにしてもよい。この場合、該確認スイッチによって補充／交換検出回路８は構成されることになる。ユーザは、燃料カートリッジ２０を交換した場合に、上記確認スイッチに所定の操作を施す。この操作に応じて発生する信号に基づいて、制御回路４は、「燃料電池２に対して燃料が補充された」ことを認知し、スイッチ６の状態をオフからオンに移行させる。

また、スイッチ６をオンにしておくと、負荷９の重さにも拠るが、燃料電池２にて二次電池３が充電される。一方において、二次電池３を過充電から保護する必要がある。このため、制御回路４は、スイッチ６をオンとしている状態において電圧Ｖ_Bが所定の上限電圧Ｖ₁（例えば４．１Ｖ）以上になった場合（厳密には、電圧Ｖ_Bの電圧値が所定の上限電圧値Ｖ₁以上になった場合）、スイッチ６をオフにして二次電池３の過充電から保護する。

また、二次電池３（例えば、リチウムイオン二次電池）は、満充電付近で充放電を繰り返すと、寿命が低下するという特性を有している。これを考慮し、図９に示す如く、制御回路４は、電圧Ｖ_Bが上限電圧Ｖ₁以上になったことに起因してスイッチ６をオフとした後は、電圧Ｖ_Bが下限電圧Ｖ₂（例えば３．８Ｖ）以下になるまで（厳密には、電圧Ｖ_Bの電圧値が下限電圧値Ｖ₂以下になるまで）スイッチ６をオフのまま維持する。そして、電圧Ｖ_Bが下限電圧Ｖ₂以下になった時点でスイッチ６をオフからオンに切り替える。これによって、燃料電池２による二次電池３の充電が再開される。スイッチ６のオン状態は、次に電圧Ｖ_Bが上限電圧Ｖ₁以上になるまで維持される。また、Ｖ₁＞Ｖ₂、が成立する。

上記のように二次電池３の充電制御にヒステリシスを持たせることで、満充電付近での充放電の繰り返しの頻度が低減されるため、二次電池３の長寿命化が図られる。また、電圧Ｖ_Bが低下すると、自動的にスイッチ６がオンとされるため、電源装置１として安定した電力供給が可能である。

電圧Ｖ_Bに応じたスイッチ６のオン／オフ制御をも加味した制御回路４の構成例を、図１０に示す。ヒステリシス回路３５は、電圧Ｖ_Bに応じ、スイッチ６をオンとすべき状態ではハイレベルの出力信号を出力する一方でスイッチ６をオフとすべき状態ではローレベルの出力信号を出力する。アンド回路３６は、フリップフロップ３４の出力端子（Ｑ）からの出力信号とヒステリシス回路３５からの出力信号の双方がハイレベルである場合にのみ、スイッチ６がオンとなるようにスイッチ６（例えばＦＥＴ）のドライバ（例えばＦＥＴドライバ）を制御する。フリップフロップ３４の出力端子（Ｑ）からの出力信号とヒステリシス回路３５の出力信号の少なくとも一方がローレベルとなっている場合は、スイッチ６はオフとされる。

＜＜変形等＞＞
また、燃料カートリッジ２０を燃料電池２に対して着脱自在とし、燃料濃度が低下した際に燃料カートリッジ２０を交換する構成を上述したが、燃料濃度を回復させることができる限りにおいて、様々な他の手法を採用することも可能である。

例えば、燃料カートリッジと燃料電池（燃料電池本体）を一体にして１つの燃料電池ユニットを構成し、燃料濃度が低下した際に燃料電池ユニット全体を交換する構成としてもよい。この場合、燃料電池ユニット（以下、燃料電池ユニット４０と呼ぶ）は、図２の燃料極２１、空気極２２及び固体高分子電解質膜２３から成る燃料電池２（燃料電池本体）と、燃料カートリッジ２０と、から構成されることになる。

そして、図１１に示す如く、燃料電池ユニット４０全体を筐体３１の空間３２に対して着脱自在に構成する。燃料電池ユニット４０を、その空間３２に収めることにより、燃料電池ユニット４０の燃料電池２は発電が可能な状態になると共に、燃料電池ユニット４０の燃料電池２は、上述の如く（図１参照）、グランドラインＧＮＤとスイッチ６との間に電気的に接続される。

例えば、電流Ｉ_FCが下限電流Ｉ_LL以下となったことに起因してスイッチ６をオフとなったとき、そのことを表す情報が、携帯機器の表示部（不図示）における表示等によりユーザに報知される。ユーザは、この報知を受けると、使用していた燃料電池ユニット４０を空間３２から抜き取り、新たな燃料電池ユニット４０を空間３２に挿入する。燃料電池ユニット４０が空間３２に収められると、燃料電池ユニット４０の先端によって空間３２の端面に固定されたスイッチ部８ａに圧力が加えられ、スイッチ部８ａの状態がオフからオンに移行する。これと同時に（或いは略同時に）、新たに空間３２に収められた燃料電池ユニット４０は発電が可能な状態になる。

制御回路４は、スイッチ部８ａ及び信号発生器８ｂを介して、燃料電池ユニット４０が交換されたことを認知すると、スイッチ６の状態をオフからオンに移行させる。また、上述した確認スイッチ（不図示）を設けておくようにしてもよい。ユーザは、燃料電池ユニット４０を交換した場合に、上記確認スイッチに所定の操作を施す。この操作に応じて発生する信号に基づいて、制御回路４は、「燃料電池ユニット４０が交換された」ことを認知し、スイッチ６の状態をオフからオンに移行させる。

また、燃料電池と並列接続される蓄電デバイスの例として二次電池を例に挙げたが、蓄電デバイスとしてコンデンサを採用してもかまわない。

本発明の実施の形態に係るハイブリッド電源装置（電源装置）のブロック構成図である。 図１の燃料電池を構成する１つの単セルの概略構成図である。 図１の燃料電池の出力特性を示す図である。 図１の燃料電池の安定動作領域と不安定動作領域を示す図である。 燃料濃度の変化に伴う、図１の燃料電池の出力特性の変化を示す図である。 図１の制御回路の動作を説明するための図である。 図２の燃料カートリッジの交換の様子を示す概略図である。 図１の制御回路の内部構成例を示す図である。 図１の制御回路の動作を説明するための図である。 図１の制御回路の内部構成例を示す図である。 図１の燃料電池の燃料濃度を回復させる手法を説明するための図である。

符号の説明

１ ハイブリッド電源装置（電源装置）
２ 燃料電池
２ａ 出力端子
３ 二次電池
３ａ 出力端子
４ 制御回路
５ 電流検出器
６ スイッチ
７ 電圧検出器
８ 補充／交換検出回路
９ 負荷
２０ 燃料カートリッジ
２１ 燃料極
２２ 空気極
２３ 固体高分子電解質膜

Claims (8)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池にスイッチを介して並列に接続された蓄電デバイスと、
   前記スイッチをオン／オフ制御することにより、前記燃料電池と前記蓄電デバイスの出力端子間の接続状態を制御する制御回路と、を備えたハイブリッド電源装置において、
   前記制御回路は、前記燃料電池の出力電流に基づいて、前記接続状態を制御する
   ことを特徴とするハイブリッド電源装置。
2. 前記制御回路は、前記出力端子間を接続している状態において、前記燃料電池の出力電流が所定の下限電流以下となったとき、前記出力端子間の接続を遮断する
   ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド電源装置。
3. 前記蓄電デバイスの出力電圧を検出する電圧検出器を更に備え、
   前記下限電流は、検出された前記蓄電デバイスの出力電圧に応じて定められる
   ことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド電源装置。
4. 前記燃料電池に対して燃料が補充されたか否かを検出するための補充検出手段を備え、
   前記制御回路は、前記燃料電池の出力電流が前記下限電流以下となったことに起因して前記出力端子間の接続を遮断した後、前記燃料の補充が検出されたとき、前記出力端子間の接続を復帰する
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のハイブリッド電源装置。
5. 当該ハイブリッド電源装置は、前記燃料電池と前記燃料電池の燃料とから成る燃料電池ユニットを交換可能に構成されており、
   前記燃料電池ユニットが交換されたか否かを検出するための交換検出手段を備え、
   前記制御回路は、前記燃料電池の出力電流が前記下限電流以下となったことに起因して前記出力端子間の接続を遮断した後、前記燃料電池ユニットの交換が検出されたとき、前記出力端子間の接続を復帰する
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のハイブリッド電源装置。
6. 前記蓄電デバイスの出力電圧を検出する電圧検出器を更に備え、
   前記制御回路は、前記出力端子間を接続している状態において検出された前記出力電圧が所定の第１電圧以上になったとき、前記出力端子間の接続を遮断する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載のハイブリッド電源装置。
7. 前記蓄電デバイスの出力電圧を検出する電圧検出器を更に備え、
   前記制御回路は、前記出力端子間を接続している状態において検出された前記出力電圧が所定の第１電圧以上になったとき、前記出力端子間の接続を遮断し、その後、検出された前記出力電圧が前記第１電圧よりも小さい所定の第２電圧以下になったとき、前記出力端子間の接続を復帰する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載のハイブリッド電源装置。
8. 燃料電池と、
   前記燃料電池にスイッチを介して並列に接続された蓄電デバイスと、
   前記スイッチをオン／オフ制御することにより、前記燃料電池と前記蓄電デバイスの出力端子間の接続状態を制御する制御回路と、
   前記蓄電デバイスの出力電圧を検出する電圧検出器と、を備えたハイブリッド電源装置において、
   前記制御回路は、前記出力端子間を接続している状態において検出された前記出力電圧が所定の第１電圧以上になったとき、前記出力端子間の接続を遮断し、その後、検出された前記出力電圧が前記第１電圧よりも小さい所定の第２電圧以下になったとき、前記出力端子間の接続を復帰する
   ことを特徴とするハイブリッド電源装置。

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