JP4971773B2 - 燃料電池電源装置および燃料電池の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、簡易な構成で高出力を安定に維持できる燃料電池電源装置および燃料電池の制御方法に関する。

携帯型電子機器には、携帯電話機、ノート型コンピュータ、携帯型オーディオ・ビジュアル機器、モバイル端末機器など、多種があるが、二次電池を内蔵し、電源とするものが多い。携帯型電子機器は、一方では、小型の内蔵電源で長時間の動作を可能にするため、低消費電力化が求められてきたが、他方では、高機能化および多機能化が進み、消費電力が増大する傾向も見られている。

そのため、小型で大容量の電源、すなわち高密度の電源が求められ、二次電池は、シール鉛バッテリー、Ｎｉ−Ｃｄ電池、ニッケル水素電池、そしてリチウムイオン電池が実用化され、小型軽量化および高エネルギー密度化が図られてきた。

しかしながら、大容量の二次電池は、大型の充電器が必要であったり、充電時間が長くなったりしがちである。いずれにしても、二次電池は、使用するごとに充電する手間と時間がかかる。そこで、充電を必要としない小型の電源として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料を補給する限り、原理的には半永久的に使用できる利点がある。

燃料電池は、多様な方式のものが開発されてきたが、可燃性の水素ガスを用いるため取り扱いが不便であったり、改質によって水素ガスを得るための改質器が必要であるなどの理由で小型化が困難であったり、動作温度が室温より極端に高温であったりするものは、携帯型電子機器には一般に不向きである。

そこで、現在は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）の開発が進んでいる。ＰＥＦＣは、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いる燃料電池である。ＰＥＦＣの基本構造では、燃料極（負極）、固体高分子膜（電解質）、空気極（正極）を貼り合わせて一体化した膜電極接合体(ＭＥＡ, Membrane Electrode Assembly)を基本部品とし、１つの基本単位となる単セルを構成している。セルスタック (fuel cell stack)は、単セルを積層して直列接続し、所望の高電圧を得られるようにしたものである。

ＰＥＦＣの中でも、特に携帯型電子機器用として、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）が注目されている。ＤＭＦＣは、燃料から水素を取り出す改質器を介さず、燃料極へメタノール水溶液を直接供給し、空気極へ空気を供給することによって動作する。ＤＭＦＣ内の反応の概略を述べると、燃料極では、メタノールと水とが反応して水素イオン（プロトン）が発生し、この水素イオンのうち、固体高分子膜を透過したものは、空気極において空気中の酸素と反応する。このような過程を経て、ＤＭＦＣから電力が取り出される。ＤＭＦＣの利点は、室温程度の温度で反応が起こって動作するため取り扱いが容易であること、反応機構が単純であること、燃料効率が高いこと、運搬性や起動性がよいこと、ガスリークの心配がないことなどが挙げられる。

そこで、従来、電源入力端子を有するノート型パーソナルコンピュータと、この電源入力端子に接続される外付けの燃料電池を具備したコンピュータシステムが知られている(例えば、特許文献１参照）。

また、マイコンが、電流検出抵抗を用いて、ＤＭＦＣセルスタックから電子機器への出力電流を検出し、ファンを制御信号によって制御して、ＤＭＦＣセルスタックでの発電による温度上昇や水蒸気の発生による結露の防止を図った燃料電池ユニットが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−３２１５４号公報 特開２００４−１２７６１８号公報

しかしながら、前記従来のコンピュータシステムは、低い電力しか得られない燃料電池の使用を前提としている。このため、このコンピュータシステムは、燃料電池使用時の「燃料電池モード」では、消費電力が多いアプリケーションプログラム以外のアプリケーションプログラムだけが動作する。結局のところ、このノート型パーソナルコンピュータの機能を充分に発揮させるには、ＡＣアダプタを接続して、「通常モード」にしなければならない問題点があった。

また、前記従来の燃料電池ユニットでは、ファンの回転速度の制御は、ＤＭＦＣセルスタックの出力電流値に基づいて行われているので、必ずしもＤＭＦＣセルスタック内部の化学反応の現状を反映した通風が行われるとは限らない。このため、高出力が保てず、出力が不安定になることがある問題点があった。

すなわち、ＤＭＦＣは、ＭＥＡの燃料極（負極）にメタノール水溶液を供給し、ＭＥＡの空気極（正極）に酸素（空気）を供給することによって発電するが、ＭＥＡは、風量の大小や温度の上下に対して出力が大きく変化する。したがって、環境によっては、ＤＭＦＣの温度が低下して発電電力が低下したり、ＤＭＦＣの温度が上昇して故障したりする問題点があった。

なお、ＤＭＦＣは、体積エネルギー密度[W/L]および質量エネルギー密度[W/kg]の点で既存の二次電池よりも高密度化されることが期待できるが、出力密度の向上を図るため、ＭＥＡの単位面積あたりの出力向上が望まれていた。安定な高出力を得るには、ＭＥＡ自体の発電能力を増加させるほか、動作環境に応じて、ＤＭＦＣを適切な運転状態に保つための制御を行うことが必要である。

本発明は、前記した問題点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で高出力を安定に維持できる燃料電池電源装置および燃料電池の制御方法を提供することをその課題とする。

前記した課題を解決するため、本発明の燃料電池電源装置および燃料電池の制御方法は、燃料電池温度センサによって燃料電池の温度を検出し、判別制御部によって燃料電池の温度によって燃料電池の使用電圧範囲を決定し、この使用電圧範囲内で、燃料電池の電圧に応じて送風機の出力を変化させ、燃料電池の電圧が前記使用電圧範囲を下回ると、前記送風機の送風出力を低下させることを特徴とする。その具体的手段については、本発明による各実施形態の説明を通じ、その技術思想を表現するものとする。

本発明によれば、簡易な構成で高出力を安定に維持できる燃料電池電源装置および燃料電池の制御方法を提供できる。

次に、添付した各図を参照し、本発明による各実施形態について詳細に説明する。なお、以降の説明において、原則として、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明による第１実施形態の燃料電池電源装置１を示すブロック図である。
この燃料電池電源装置１は、ＤＭＦＣモジュール１０と、ＤＭＦＣ温度センサ１３と、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１７と、充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１８と、補機用昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１４と、補機（送風機）１５と、補機（燃料ポンプ）１６と、レギュレータ１１と、判別制御部１２と、を具備している。

ＤＭＦＣモジュール１０は、ＤＭＦＣの単セル（図示せず）を所定数積層したセルスタックから構成されている。ＤＭＦＣモジュール１０の発電による出力電圧ＤＭＦＣ＋は、後段の昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１７および補機用昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１４へ出力されるとともに、その値が判別制御部１２へ入力されている。

ＤＭＦＣ温度センサ１３は、ＤＭＦＣモジュール１０に付設され、ＤＭＦＣモジュール１０の温度を示す信号（ＤＭＦＣ温度信号）を取り出せるものであって、サーミスタ（図示せず）を含んで構成されている。サーミスタのほか、熱電対や温度測定用のＩＣパッケージ（いずれも図示せず）など、温度によって抵抗値や起電圧などの電気的物理量が定まる素子を含んで構成してもよい。

昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１７は、ＤＭＦＣモジュール１０の出力電圧ＤＭＦＣ＋を所定電圧まで昇圧する機能を有する。昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の出力電圧Ｖｏｕｔは、後段の充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１８へ出力され、また、ダイオードＤ１を介してレギュレータ１１へ出力される。

充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１８は、出力側の端子間電圧を監視するとともに、判別制御部１２の制御を受けて、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１７からの出力を昇降圧したり、電流値の調整を行ったりし、二次電池パック（図５を参照して後記）へ出力電圧Ｌｉ１＋を出力する。さらに、出力電圧Ｌｉ１＋は、ダイオードＤ２を介して、レギュレータ１１へも出力され、また、補機用昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１４へも出力される。

補機用昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１４は、判別制御部１２の制御に従って、ＤＭＦＣモジュール１０の出力、充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１８の出力を用いて、補機（送風機）１５に駆動電圧Ｍ１±を送って駆動し、また、補機（燃料ポンプ）１６に駆動電圧Ｍ２±を送って駆動する。

補機（送風機）１５は、補機用昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１４によって駆動され、駆動電圧Ｍ１±に応じた風量の空気（酸素）を、ＤＭＦＣモジュール１０の空気極（図示せず）へ送風する。
補機（燃料ポンプ）１６は、補機用昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１４によって駆動され、ＤＭＦＣモジュール１０の燃料極（図示せず）へ、燃料タンク（図示せず）から燃料であるメタノールを送出する。
ＤＭＦＣモジュール１０の代わりに、別のＰＥＦＣモジュール（図示せず）を備えた場合は、補機（燃料ポンプ）１６は、メタノール以外の燃料を送出し、補機（送風機）１５は、このメタノール以外の燃料に応じた酸化性ガスを送風するようにする。
また、補機（燃料ポンプ）１６を用いずに、燃料タンクをＰＥＦＣモジュールのＭＥＡ（いずれも図示せず）の近傍に設けるなどして、燃料がＭＥＡに補給されるようにしてもよい。

レギュレータ１１は、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の出力、充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１８の出力を用いて、判別制御部１２へ動作電力を供給する。

判別制御部１２は、レギュレータ１１から電力供給を受けて動作し、次の信号を受けて、燃料電池電源装置１の各部を制御する。
まず、判別制御部１２は、ＤＭＦＣモジュール１０からの出力電圧ＤＭＦＣ＋をＡ−Ｄ変換し、ＤＭＦＣモジュール１０の出力電圧データを取得する。ＤＭＦＣモジュール１０の出力電圧が高い場合は、抵抗器（図示せず）を付加して出力電圧ＤＭＦＣ＋を分圧し、分圧した値を基に出力電圧データを取得してもよい。
また、判別制御部１２は、ＤＭＦＣモジュール１０からＤＭＦＣ温度信号を受けて、ＤＭＦＣモジュール１０の温度データを取得する。
なお、図示しないが、判別制御部１２は、各コンバータ（１４，１７，１８）における動作情報や電圧情報などをさらに取得する構成としてもよい。また、補機（送風機）１５や補機（燃料ポンプ）１６の動作情報や電圧情報などをさらに取得する構成としてもよい。これ以外の情報で取得可能なものがあれば、さらに取得し、各部の制御を精密に行えるようにしてもよい。

判別制御部１２は、取得したデータまたは情報を基に、補機用昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１４への制御指令、充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１８への制御指令などの制御情報を出力する。
判別制御部１２から補機用昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１４への制御指令は、ＤＭＦＣモジュール１０が起動から定常状態に移行したことを示す補機用電力切替信号と、取得したＤＭＦＣモジュール１０の電圧データに基づく空気極側の補機（送風機）１５の出力指令値とを含む。
判別制御部１２から充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１８への制御指令は、取得したＤＭＦＣモジュール１０の出力電圧ＤＭＦＣ＋が設定した下限電圧であるとき出力される二次電池パック（図示せず）への充電電流低下指令値と、出力電圧ＤＭＦＣ＋が高いとき出力される二次電池パックへの充電電流上昇指令値とを含む。

また、判別制御部１２は、さらに、各コンバータ（補機用昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１４，昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１７，充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１８）へ動作指令などを出力し、これらを制御する構成としてもよい。また、判別制御部１２は、さらに、補機用昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１４を経ずに、直接、補機（送風機）１５または補機（燃料ポンプ）１６への動作指令値を出力し、これらを制御する構成としてもよい。さらに、あるいは、これ以外の出力をさらに行う構成としてもよい。
さらに、濃度センサや追加補機（いずれも図示せず）などを必要に応じて追加してもよい。

図２は、本発明による第１実施形態の燃料電池電源装置１における制御原理の第１例を示すグラフである。
ＤＭＦＣの単セルあたりの電圧は、理論上は１.２１[Ｖ]であるが、実際に電力を取り出しているときの電圧範囲は、０.５〜０.２[Ｖ]に低下する。また、図２（ａ）に示すように、ＤＭＦＣの特性上、ＤＭＦＣから取り出す電力を増加させるとＤＭＦＣ電圧（出力電圧）が低下し、電力を低下させるとＤＭＦＣ電圧が増加する傾向がある。ＤＭＦＣの出力電力に拘わらず、理論電圧に対する実使用電圧がＤＭＦＣの発電効率といえるため、ＤＭＦＣ電圧が低下するとＤＭＦＣの発熱が増加し、ＤＭＦＣ電圧が上昇するとＤＭＦＣの発熱が減少することになる。したがって、ＤＭＦＣ出力電力が同一であるとき、ＤＭＦＣ電圧が高いほうがより効率が高く（燃費がよく）、発熱が小さくて済む。

したがって、図２（ａ）に示すように、ＤＭＦＣ温度ごとに、ＤＭＦＣが動作する限界を示す下限電圧を設定してあるので、判別制御部１２（図１参照）は、この下限電圧よりＤＭＦＣ電圧が低くならないように充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１８（図１参照）を制御して、ＤＭＦＣ電流が調節されるようにする。なお、図２（ａ）に、下限電圧の温度設定が３段階である例を示したが、３段階より多くしても少なくしてもよい。

図２（ｂ）に示すように、判別制御部１２はさらに、ＤＭＦＣ電圧を基に、補機（送風機）１５を制御し、ＤＭＦＣの動作電圧に合わせて、ＤＭＦＣの空気極側に空気が適量に供給されるようにしている。すなわち、判別制御部１２は、ＤＭＦＣ電圧が高いときは、補機（送風機）１５の送風出力が小さくなるようにして、ＤＭＦＣ電圧が小さくなるようにし、また、ＤＭＦＣ電圧が低いときは、送風出力が大きくなるように制御を行う。これによって、ＤＭＦＣ電圧を所要範囲に保持でき、また、ＤＭＦＣモジュール１０を高効率で動作させることができる。

図３は、本発明による第１実施形態の燃料電池電源装置１における制御原理の第２例を示すグラフである。
図２（ｂ）に示すように、この制御原理の第１例では、送風出力をＤＭＦＣ電圧に対して線形に変化させているが、図３（ｂ）に示すように、この制御原理の第２例では、ＤＭＦＣ電圧の変化に対して、送風出力が段階的に変化するように構成した。すなわち、ＤＭＦＣ電圧を複数の領域に分け、この温度の領域に合わせて、送風出力が段階的に変化するようにした。この構成によれば、判別制御部１２（図１参照）などの演算および制御の負荷が減少し、構造を単純化できる。

（第２実施形態）
図４は、本発明による第２実施形態の燃料電池電源装置２を示すブロック図である。
この燃料電池電源装置２は、第１実施形態の燃料電池電源装置１において、２つの充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１８を、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１７に接続した構成を有する。また、ＤＭＦＣモジュール１０から取り出せる電力範囲をより広くし、２つの二次電池パック（後記）を充電するのに充分な出力が得られるようにした。

この構成によれば、仕様や状態が異なる二次電池パック（後記）を２個、同時に接続して充電できる。同様に、さらなる充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ（図示せず）を備え、３個以上の二次電池パックを充電可能にしてもよい。

（第３実施形態）
図５は、本発明による第３実施形態の燃料電池電源装置３を示すブロック図である。
第３実施形態の燃料電池電源装置３は、第１実施形態の燃料電池電源装置１において、二次電池パック２０と負荷とを並列接続し、ＤＭＦＣモジュール１０から取り出した電力が、二次電池パック２０の充電および負荷への給電の両方に使用できるようにした構成を有する。

二次電池パック２０を構成する各セルは、典型的にはリチウムイオン二次電池である。そのほか、二次電池パック２０を、シール鉛バッテリー、Ｎｉ−Ｃｄ電池、ニッケル水素電池など、繰り返し充放電可能な二次電池によって構成してもよい。

二次電池パック２０が４セル構成である場合について図示したが、二次電池パック２０を構成するセル数は、４セルより多くても少なくてもよい。二次電池パック２０は、その内部に、二次電池用保護回路（図示せず）を備えていることが望ましい。充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１８は、負荷への供給電力を考慮して出力電力が変化するよう構成する。また、二次電池パック２０への充放電電流経路のオン／オフ用スイッチング素子（図示せず）を設けて判別制御部１２で制御する構成としてもよいし、負荷への供給電流経路のオン／オフ用スイッチング素子（図示せず）を設けて判別制御部１２で制御する構成としてもよい。

（第４実施形態）
図６は、本発明による第４実施形態の燃料電池電源装置４を示すブロック図である。
この燃料電池電源装置４は、第１実施形態の燃料電池電源装置１において、充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ１８を備える代わりに、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１７に最大電力制限回路３０を組み込んだ構成である。この構成によれば、ＤＭＦＣモジュール１０から出力する電力をより連続的に供給できる。

図７は、最大電力制限回路３０の構成およびその組み込み状態の第１例を詳細に示す回路図である。
この回路では、ＤＭＦＣモジュール１０の電圧であるＤＭＦＣ＋と、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１７に組み込まれた最大電力制限回路３０のリミッタ３１の動作とが連動している。リミッタ３１が作動すると、ＰＷＭロジック３２が制限対象を制御し、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１７からの出力電力が制限される。リミッタ３１の制限対象は、例えば、スイッチングのピーク電流、スイッチングのデューティなどである。既存のＤＣ−ＤＣコンバータは、ソフトスタート機能や最大デューティ制限機能を有しているか、付加されていることが多いので、これらの機能を利用して、本実施形態のリミッタ機能を実現してもよい。

昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１７の動作について、詳細に述べる。第１の期間、ＦＥＴなどからなるスイッチング素子Ｑ２が遮断し、同様の構成のスイッチング素子Ｑ１が導通し、チョークコイルＬ１に電流が流れて電磁エネルギーが蓄えられる。次の第２の期間、スイッチング素子Ｑ１が遮断し、スイッチング素子Ｑ２が導通して、ＤＦＭＣ電圧ＤＭＦＣ＋にチョークコイルＬ１に蓄えられていた電磁エネルギーにあたる電流の電圧が重畳される。同様に、前記した第１の期間および第２の期間の動作が繰り返され、ＤＭＦＣ電圧が昇圧されて、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１７から出力される。

ここで、リミッタ３１が制限抵抗Ｒｉｎによって、最大電力（つまり、検出される電流と等価）を検出すると、ＰＷＭロジック３２は、スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２のゲート電圧（素子によっては、ベース電流）を変化させて、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ１７を流れるピーク電流またはスイッチングのデューティが小さくなるようにし、燃料電池電源装置４から実際に取り出される電力が、燃料電池電源装置５から実用上、取り出し可能な電力である最大電力を超えないように制御する。

図８は、最大電力制限回路３０の構成およびその組み込み状態の第２例を詳細に示す回路図である。
この回路は、図７に示す回路において、制限抵抗ＲｉｎをＤＭＦＣ温度センサ１３として用いる構成である。制限抵抗Ｒｉｎ（ＤＭＦＣ温度センサ１３）は、例えばサーミスタからなるが、温度に対して抵抗値が変化する他の素子を用いてもよい。
この構成によれば、より簡略化した構成によって、ＤＭＦＣモジュール１０の温度を加味し、第４実施形態の第１例と同様の制御が行える。

（第５実施形態）
第５実施形態の燃料電池電源装置５は、第１実施形態の燃料電池電源装置１での制御に加えて、外気温（ＤＭＦＣモジュール１０が配置される環境温度）を考慮して制御を行う構成である。
図９は、本発明による第５実施形態の燃料電池電源装置５を示すブロック図である。
この燃料電池電源装置５は、第１実施形態の燃料電池電源装置１において、環境温度センサ４０を追加した構成を有する。その他の構成については、第１実施形態の燃料電池電源装置１と実質的に同様である。

環境温度センサ４０は、ＤＭＦＣ温度センサ１３と同様の構成でよい。
判別制御部１２は、ＤＭＦＣ温度センサ１３から、環境温度信号を受けて、環境温度データを取得する。

図１０は、本発明による第５実施形態の燃料電池電源装置５における制御原理を示すグラフである。
第５実施形態の燃料電池電源装置５は、第１実施形態の燃料電池電源装置５と同様の制御を行うが、判別制御部１２はさらに、環境温度（気温）データを合わせて取得し、補機（送風機）１５を制御し、送風出力を決定する。

すなわち、ＤＭＦＣモジュール１０は、その構造によっては、環境温度の影響を受けるので、判別制御部１２は、環境温度が高いときは補機（送風機）１５の送風出力が大きくなるように制御し、環境温度が低いときは補機（送風機）１５の送風出力が小さくなるように制御する。
この制御によれば、環境温度による影響が軽減され、ＤＭＦＣモジュール１０の温度のより高い安定化が実現できる。

また、図１０（ｂ）に、環境温度を３段階に区分して、これに合わせて下限電圧も３段階から選ばれる場合について図示したが、環境温度の区分は、３段階より多くても少なくてもよい。

また、図１０（ｂ）に、送風出力がＤＭＦＣモジュール１０に対して線形に変化するよう制御する場合について図示したが、第１実施形態（図３）に示したのと同様に、温度領域の複数に区分して、送風出力を段階的に変化させてもよい。

（第６実施形態）
第６実施形態の燃料電池電源装置（図示せず）は、第１〜第５実施形態の燃料電池電源装置１〜５のいずれかに加えて、コールドスタートの状態の起動時の制御機能と、ＤＭＦＣモジュール１０が外的要因または内的要因で短絡したときに対処するための構成とを追加したものである。

つまり、ＤＭＦＣモジュール１０などの燃料電池は、その外部または内部に起因して短絡が生じ、異常な温度上昇などを招くおそれがある。燃料電池の外部に起因する短絡であれば、燃料電池にヒューズやポリスイッチなどの保安部品を付設することによって、異常な温度上昇などを防止できる。なお、この構成では、燃料電池の内部に起因する短絡が生じ、異常な温度上昇が生じたりすることに対処できない。そこで、ＤＭＦＣモジュール１０の外部または内部のいずれに起因する短絡にも対処できる構成について、次に述べる。

（第７実施形態）
図１１は、本発明による第７実施形態の燃料電池電源装置における制御原理を示すグラフである。
第７実施形態の燃料電池電源装置は、第１〜第５実施形態の燃料電池電源装置１〜５の制御に加えて、ＤＭＦＣモジュール１０の電圧が、設定した下限電圧を下回った場合に非線形に送風出力を低下させる。

前記した実施形態に述べたとおり、ＤＭＦＣモジュール１０の電圧が設定した下限電圧に到達したことを検出するとＤＭＦＣモジュール１０から取り出す電力を低下させる制御を行う。ちなみに、ＤＭＦＣモジュール１０から取り出す電力が低下したにも拘わらず、ＤＭＦＣモジュール１０の電圧が設定した下限電圧を下回る状況は、次の２つが考えられる。

（１）第１の状況は、ＤＭＦＣモジュール１０に供給すべき燃料が途絶して、限界よりも濃度が薄まった場合である。
この場合、判別制御部１２は、ＤＭＦＣモジュール１０の電圧の低下に合わせて急激に補機（送風機）１５の送風出力を絞って、ＤＭＦＣモジュール１０のセルが過負荷により転極を起こさないように、発電を終了させる。

（２）第２の状況は、ＤＭＦＣモジュール１０で短絡が起きた場合である。
ＤＭＦＣモジュール１０の外部（すなわち、外部接続端子間）で短絡が起きた場合、ヒューズやポリスイッチ（いずれも図示せず）などをあらかじめ備えておけば、過電流または高電流が一定時間流れると、短絡部分との高抵抗遮断がなされる。しかし、ＤＭＦＣモジュール１０の内部が短絡した場合、外付けの素子では、短絡部分を遮断できないため、本実施形態の燃料電池電源装置は、次のような構成とした。

すなわち、ＤＭＦＣモジュール１０は、原理上、発電した電流に比例して水を生成する。したがって、ＤＭＦＣモジュール１０を短絡すると、大量の水が発生することとなる。そこで、ＤＭＦＣモジュール１０の電圧の低下に合わせて急激に送風出力を絞ることにより、ＤＭＦＣモジュール１０自らが生成した水によって、空気極がふさがれる。ＤＭＦＣモジュール１０は空気極がふさがれたことによって窒息し、発電が継続できなくなり、その結果、短絡電流が減少してＤＭＦＣモジュール１０の異常温度上昇を防ぐことができる。

したがって、本制御方式は、ＤＭＦＣモジュール１０の短絡が、ＤＭＦＣモジュール１０の内部または外部のいずれに生じても、短絡による過熱を防ぐことができる。
第７実施形態の燃料電池電源装置の構成は、第１〜第５実施形態の燃料電池電源装置１〜５のうち、いずれの構成を利用して実現してもよい。

以上、７つの実施形態を挙げたが、用途などに応じて前記した各実施形態を適宜組み合わせて実施するとよい。

本発明による第１実施形態の燃料電池電源装置を示すブロック図である。 本発明による第１実施形態の燃料電池電源装置における制御原理の第１例を示すグラフである。 本発明による第１実施形態の燃料電池電源装置における制御原理の第２例を示すグラフである。 本発明による第２実施形態の燃料電池電源装置を示すブロック図である。 本発明による第３実施形態の燃料電池電源装置を示すブロック図である。 本発明による第４実施形態の燃料電池電源装置を示すブロック図である。 最大電力制限回路の構成およびその組み込み状態の第１例を詳細に示す回路図である。 最大電力制限回路の構成およびその組み込み状態の第２例を詳細に示す回路図である。 本発明による第５実施形態の燃料電池電源装置を示すブロック図である。 本発明による第５実施形態の燃料電池電源装置における制御原理を示すグラフである。 本発明による第７実施形態の燃料電池電源装置における制御原理を示すグラフである。

符号の説明

１ 燃料電池電源装置（第１実施形態）
２ 燃料電池電源装置（第２実施形態）
３ 燃料電池電源装置（第３実施形態）
４ 燃料電池電源装置（第４実施形態）
５ 燃料電池電源装置（第５実施形態）
１０ ＤＭＦＣモジュール（燃料電池）
１１ レギュレータ
１２ 判別制御部
１３ ＤＭＦＣ温度センサ
１４ 補機用昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ
１５ 補機（送風機）
１６ 補機（燃料ポンプ）
１７ 昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ
１８ 充電用ＤＣ−ＤＣコンバータ
２０ 二次電池パック
３０ 最大電力制限回路
４０ 環境温度センサ

Claims (6)

1. 燃料と空気とを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の空気極へ前記空気を送風する送風機と、を備えた燃料電池電源装置であって、
   前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度センサと、
   前記燃料電池の前記温度によって前記燃料電池の使用電圧範囲を決定し、当該使用電圧範囲内で、前記燃料電池の電圧に応じて前記送風機の出力を変化させる判別制御部と、を有し、
   前記判別制御部は、前記燃料電池の電圧が前記使用電圧範囲を下回ると、前記送風機の送風出力を低下させることを特徴とする燃料電池電源装置。
2. 前記判別制御部は、前記燃料電池の電圧が前記使用電圧範囲を下回った際の前記送風出力を非線形に低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池電源装置。
3. 前記判別制御部は、前記燃料電池の電圧が所定の下限電圧を下回った際に前記送風機を停止させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池電源装置。
4. 燃料と空気とを反応させて発電する燃料電池を用い、送風機によって前記燃料電池の空気極へ前記空気を送風する燃料電池の制御方法であって、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出ステップと、
   前記燃料電池の温度によって前記燃料電池の使用電圧範囲を決定し、当該使用電圧範囲内で、前記燃料電池の電圧に応じて前記送風機の出力を変化させる判別制御ステップと、を有し、
   前記判別制御ステップは、前記燃料電池の電圧が前記使用電圧範囲を下回ると、前記送風機の送風出力を低下させることを特徴とする燃料電池の制御方法。
5. 前記判別制御ステップは、前記燃料電池の電圧が前記使用電圧範囲を下回った際の前記送風出力を非線形に低下させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の制御方法。
6. 前記判別制御ステップは、前記燃料電池の電圧が所定の下限電圧を下回った際に前記送風機を停止させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の制御方法。

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