JP4629319B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料利用率が優れた電源装置を提供することを目的とする。
本発明は、負荷の電力変動に対して安定した電力を供給でき、且つ簡単な構成の電源装置を提供することを目的とする。
なお本装置は、従来のDC−DCコンバータのように、出力電圧が所定値になるように制御するのではなく、出力電圧は二次電池の電圧によって定まり、燃料電池の発電電力を二次電池に充電するもので、DC−DCコンバータの電力変換効率を1として、充電電流は燃料電池の発電電力を二次電池の電圧で割ったものになる。
本発明によれば、燃料電池に供給された燃料がほとんど使い切られるように制御するので、燃料利用率が優れた燃料電池を有する電源装置を実現できるという有利な効果が得られる。
本発明によれば、燃料電池をある程度一定の状態で駆動しながら、負荷の電力変動に対して安定した電力を供給できる燃料電池を有する電源装置を実現できるという有利な効果が得られる。
本発明によれば、燃料電池の経時変化等に応じて適応的に動作点を補正する電源装置を実現できるという有利な効果が得られる。
図1及び図2を用いて、本発明の実施の形態1の電源装置を説明する。図1は、本発明の実施の形態1の電源装置の構成を示すブロック図である。
図1において、100は電源装置、190は本体装置である。電源装置100は、燃料電池電源101、制御部120、DC−DCコンバータ(電力変換器)130、過電圧保護回路150及び二次電池180を有する。本体装置190は、負荷191を有する。
本体装置190は、パーソナルコンピュータである。二次電池180は、リチウムイオン二次電池である。
(DC−DCコンバータ130の出力電流)=(電力変換効率η)×(燃料電池102の出力電流)×(燃料電池102の出力電圧)/(二次電池180の出力電圧)
出力電流−出力電圧特性203において、出力電流が0〜A3の時は、出力電流の増加に伴い出力電圧はやや減少するが、安定した電圧が保たれる。出力電流がA3の時、出力電圧はV3である。出力電流がA3を超えると、出力電流の増加に伴い、出力電圧の減少率は増大する。
出力電圧−出力電力特性213において、出力電圧が0〜V3の時は、出力電圧の増加に伴い出力電力も増加する。出力電圧V3の時、出力電力は最大値となる。出力電圧がV3を超えると、出力電圧の増加に伴い出力電力は減少する。
燃料の供給量が0.3cc/minの場合、燃料電池102の出力電力が最大となる点の出力電圧はV3、出力電流はA3である。図2(a)及び(b)において、燃料電池102の出力電力が最大になる点より右側に動作点を設定した場合(燃料電池102の出力電圧を、最大出力電力での電圧V3以下になるように制御した場合)、燃料電池102は、微量のメタノールしか排出しない。
供給する燃料の供給量が0.1cc/min又は0.2cc/minの場合も、0.3cc/minの場合と同様である。
図3を用いて、本発明の実施の形態2の電源装置を説明する。図3は、本発明の実施の形態2の電源装置の構成を示すブロック図である。
図3において、300は電源装置、190は本体装置である。電源装置300は、燃料電池電源101、制御部120、DC−DCコンバータ330及び二次電池180を有する。本体装置190は、負荷191を有する。実施の形態2の電源装置300は、実施の形態1の電源装置100(図1)の、DC−DCコンバータ130をDC−DCコンバータ330に置き換えたものである。それ以外の点において、実施の形態2の電源装置300は実施の形態1と同一である(図3において、過電圧保護回路150の記載を省略している。)。図3において、実施の形態1と同一のブロックには同一の符号を付し、説明を省略する。図3において、燃料電池電源101の構成は図1と同様であるので、簡略化して表記する。
図4を用いて、本発明の実施の形態3の電源装置を説明する。図4は、本発明の実施の形態3の電源装置の構成を示すブロック図である。
図4において、400は電源装置、190は本体装置である。電源装置400は、燃料電池電源101、制御部120、DC−DCコンバータ430及び二次電池180を有する。本体装置190は、負荷191を有する。実施の形態3の電源装置300は、実施の形態1の電源装置100(図1)の、DC−DCコンバータ130をDC−DCコンバータ430に置き換え、過電圧保護回路150を除いたものである。それ以外の点において、実施の形態2の電源装置400は実施の形態1と同一である。図4において、実施の形態1と同一のブロックには同一の符号を付し、説明を省略する。図4において、燃料電池電源101の構成は図1と同様であるので、簡略化して表記する。
図5、図6及び図7を用いて、本発明の実施の形態4の電源装置を説明する。図5は、本発明の実施の形態4の電源装置の構成を示すブロック図である。
図5において、500は電源装置、190は本体装置である。電源装置500は、燃料電池電源101、制御部520、DC−DCコンバータ130、二次電池180、電圧検出部501及び電流検出部502を有する。本体装置190は、負荷191を有する。実施の形態4の電源装置500は、実施の形態1の電源装置100(図1)の、制御部120を制御部520に置き換え、過電圧保護回路150を除き、電圧検出部501及び電流検出部502を追加したものである。それ以外の点において、実施の形態4の電源装置500は実施の形態1と同一である。図5において、実施の形態1と同一のブロックには同一の符号を付し、説明を省略する。図5において、燃料電池電源101の構成は図1と同様であるので、簡略化して表記する。
図6は、本発明の実施の形態4の電源装置の制御方法を示すフローチャートである。制御部520は、二次電池180の出力電圧に基づいて発電モード(二次電池180及び負荷191へ出力する電力の目標値をW0とする。)を決定する。制御部520は、燃料の供給量をパラメータとする、燃料電池102の出力電流−出力電圧特性、出力電圧−出力電力特性(例えば、図2(a)及び図2(b))に基づき、各燃料の供給量と、それに対応する燃料電池102の目標出力電圧値(DC−DCコンバータ130の目標入力電圧値)及び出力電力の最大値と、を対応させて記憶している。制御部520は、燃料電池102の出力電力がW0となる燃料の供給量を、R0として設定する(ステップ601)。更に、燃料の供給量がR0の時の目標出力電圧値をV0と設定する(ステップ602)。説明の容易のため、目標出力電圧値V0は、燃料電池の出力電力が最大となる電圧であるとする(β1=0)。制御部520は、燃料供給装置110に、燃料電池102への燃料の供給量R0を指示すると共に、DC−DCコンバータ130の設定電圧(目標入力電圧)131をV0に設定する。燃料電池102が燃料の供給量R0、目標設定電圧値V0での発電を開始し、3分経過後、ステップ603からステップ604に進む。ステップ604で制御部520は、電圧検出部501が検出した電圧及び電流検出部502が検出した電流に基づき、所定時間内の平均電力P0を算出する。
目標出力電圧値V0が、燃料電池の出力電力が最大となる電圧から所定の電圧β1(0でない正値)を差し引いた電圧である場合、DC−DCコンバータ130は、通常動作モードと、最大電力検索モードとを有する。通常動作モードでは出力電力が最大となる電圧から所定の電圧β1(0でない正値)を差し引いた電圧を目標出力電圧値V0とする。最大電力検索モードでは、図6の方法で、燃料電池の出力電力が最大となる電圧を検索する。
なお、実施の形態1〜実施の形態3の電源装置に対して、実施例4の電源装置の制御方法を適用しても良い。実施例4の電源装置の制御方法を示すフローチャートは、図6に示したフローチャートに限られない。
上記の実施の形態において、過電圧保護回路に替え、リミッタ回路を設置しても良い。リミッタ回路は、DC−DCコンバータの出力電圧が、所定の上限電圧(例えば4.25V)以上にならないように制限する。
実施の形態1〜実施の形態4において本体装置190は、パーソナルコンピュータであったが、電源を必要とする他の装置であっても良い。
101 燃料電池電源
102 燃料電池
103 燃料ポンプ
104 空気ポンプ
105 リターンポンプ
106 希釈タンク
107 メタノールポンプ
108 メタノールタンク
109 浄化部
110 燃料供給装置
111 スタック
120、520 制御部
130、330、430 DC−DCコンバータ(電力変換器)
131 設定電圧
132 誤差増幅器
140、340、440 電流制御回路
141 定電流源
150 過電圧保護回路
151 遮断設定電圧
152 比較器
180 二次電池
190 本体装置
191 負荷
341、441 鋸歯状波発生器
342、442 比較器
343、443 コイル
344、444 第1のスイッチ
345、445 第2のスイッチ
346、446 コンデンサ
501 電圧検出部
502 電流検出部
Claims (11)
- メタノールを燃料とし、所定の供給量の燃料が供給されたときに、(a)出力電流の増加とともに出力電圧が減少する出力電流−出力電圧特性と、(b)出力電圧の増加とともに出力電力が増加して最大出力電力になった後、出力電圧の増加とともに出力電力が減少する出力電圧−出力電力特性と、(c)出力電流の増加とともに、排出されるメタノールの量が減少するメタノール排出率の特性とを有する燃料電池と、
負荷に電力を供給する二次電池とを備えた電源装置において、
前記燃料電池からの出力電圧が目標入力電圧になるように、前記燃料電池の出力電流を制御することにより、前記燃料電池からの出力電力に対して電力変換を行って前記負荷及び/又は前記二次電池に出力するDC−DCコンバータと、
前記燃料電池に供給する燃料の供給量及び前記DC−DCコンバータの目標入力電圧を設定する制御部とを備え、
前記制御部は、
それぞれ前記燃料の供給量をパラメータとする前記燃料電池の出力電流−出力電圧特性及び出力電圧−出力電力特性に基づいて、前記燃料電池の出力電力が最大出力電力となるときの前記燃料電池の出力電圧以下で、かつ当該出力電圧より所定の電圧だけ低い電圧以上の値に設定される前記燃料電池の目標出力電圧を、前記燃料の供給量に対応させて記憶し、
前記二次電池の残存容量に基づいて前記燃料の供給量を決定し、当該決定された供給量の燃料を前記燃料電池に供給するように制御し、
前記DC−DCコンバータの目標入力電圧を、前記決定された燃料の供給量に対応して記憶された前記燃料電池の目標出力電圧に設定することを特徴とする電源装置。 - 前記DC−DCコンバータは、前記燃料電池の出力端子に接続される入力端子と、前記入力端子間の電圧と前記目標入力電圧との間の誤差を増幅して誤差信号を出力する誤差増幅器と、入力電流制御回路とを有し、前記入力電流制御回路は前記誤差信号を入力し前記誤差信号の絶対値が所定の値以下になるように前記燃料電池の出力電流を調整することを特徴とする、請求項1に記載の電源装置。
- 前記DC−DCコンバータの出力電圧が、前記二次電池の電圧により定まり、入力電圧が前記目標入力電圧に近づくようにその入力電流を制御することを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
- 前記DC−DCコンバータは、
前記燃料電池が出力する電圧を入力する入力端子と、
前記二次電池の1端と接続された出力端子と、
入力電圧と前記目標入力電圧との差分を検出する差分検出器と、
前記差分に応じたデューティ比で、第1の期間に第1のレベルになり、前記第1の期間以外の期間である第2の期間に第2のレベルになるパルス信号を発生するパルス信号発生器と、
1端が前記入力端子に接続されたコイルと、
1端が前記コイルの他端に接続され、他端が接地され、前記第1の期間に導通し、前記第2の期間に非導通になる第1のスイッチ素子と、
1端が前記コイルの他端に接続され、他端が前記出力端子に接続され、前記第1の期間に非導通になり、前記第2の期間に導通する第2のスイッチ素子と、
を有することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の電源装置。 - 前記DC−DCコンバータは、
前記燃料電池が出力する電圧を入力する入力端子と、
前記二次電池の1端と接続された出力端子と、
入力電圧と前記目標入力電圧との差分を検出する差分検出器と、
前記差分に応じたデューティ比で、第1の期間に第1のレベルになり、前記第1の期間以外の期間である第2の期間に第2のレベルになるパルス信号を発生するパルス信号発生器と、
1端が前記入力端子に接続され、前記第1の期間に導通し、前記第2の期間に非導通になる第1のスイッチ素子と、
1端が前記第1のスイッチ素子の他端に接続され、他端が接地され、前記第1の期間に非導通になり、前記第2の期間に導通する第2のスイッチ素子と、
1端が前記第1のスイッチ素子の他端に接続され、他端が前記出力端子に接続されたコイルと、
を有することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の電源装置。 - 前記DC−DCコンバータは、
前記燃料電池が出力する電圧を入力する入力端子と、
前記二次電池の1端と接続された出力端子と、
入力電圧と前記目標入力電圧との差分を検出する差分検出器と、
前記差分に応じたデューティ比で、第1の期間に第1のレベルになり、前記第1の期間以外の期間である第2の期間に第2のレベルになるパルス信号を発生するパルス信号発生器と、
1端が前記入力端子に接続されたコイルと、
1端が前記コイルの他端に接続され、他端が接地され、前記第1の期間に導通し、前記第2の期間に非導通になる第1のスイッチ素子と、
1端が前記コイルの他端に接続され、他端が前記出力端子に接続された整流素子と、
を有することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の電源装置。 - 前記DC−DCコンバータは、
前記燃料電池が出力する電圧を入力する入力端子と、
前記二次電池の1端と接続された出力端子と、
入力電圧と前記目標入力電圧との差分を検出する差分検出器と、
前記差分に応じたデューティ比で、第1の期間に第1のレベルになり、前記第1の期間以外の期間である第2の期間に第2のレベルになるパルス信号を発生するパルス信号発生器と、
1端が前記入力端子に接続され、前記第1の期間に導通し、前記第2の期間に非導通になる第1のスイッチ素子と、
1端が前記第1のスイッチ素子の他端に接続され、他端が接地された整流素子と、
1端が前記第1のスイッチ素子の他端に接続され、他端が前記出力端子に接続されたコイルと、
を有することを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の電源装置。 - 前記DC−DCコンバータは、その出力電圧が一定の上限出力電圧値を超えるか否かを検出する過電圧検出器を更に有し、
前記DC−DCコンバータの出力電圧が前記上限出力電圧値を超えた場合、前記制御部は前記燃料電池への燃料供給を停止することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかの請求項に記載の電源装置。 - 前記DC−DCコンバータの出力電圧が一定の上限出力電圧値に制限されることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかの請求項に記載の電源装置。
- 前記燃料電池の出力電力を測定する電力測定部を更に有し、
前記制御部は、
前記DC−DCコンバータの目標入力電圧を、前記決定された燃料の供給量に対応して記憶された前記燃料電池の目標出力電圧を含む複数の互いに異なる目標出力電圧に順次設定して、前記燃料電池の出力電力を順次測定し、
前記DC−DCコンバータの目標入力電圧を、前記各測定された燃料電池の出力電力のうちの最大の出力電力を与える目標入力電圧に変更することを特徴とする請求項1から請求項9のいずれかの請求項に記載の電源装置。 - 前記制御部は、
前記燃料電池の最大出力電力を、前記燃料の供給量に対応させてさらに記憶し、
前記各測定された燃料電池の出力電力のうちの最大の出力電力と、前記決定された燃料の供給量に対応して記憶された前記燃料電池の最大出力電力との差に基づいて、前記燃料の供給量を変更することを特徴とする請求項10に記載の電源装置。
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