WO2006090818A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2006090818A1
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power
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cell system
auxiliary
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Kazumasa Ohya
Kazuya Mori
Kazuhisa Nagase
Tsuyoshi Takemoto
Toshiaki Nakazawa
Takahisa Kitaguchi
Takashi Manako
Osamu Yamashita
Hidekazu Kimura
Hiroshi Kajitani
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Nec Corporation
Nec Tokin Corporation
Nec Personal Products, Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell.
  • Fuel cells are expected to be applied to automobiles and portable devices as portable power sources that do not require charging.
  • the internal resistance of the fuel cell is high, and it is not possible to supply the necessary large power instantaneously. Therefore, assist power supplies such as electric double layer capacitors are also used.
  • an auxiliary power source such as a secondary battery is used to supply power during the initial operation of the fuel transfer device and until the output of the fuel cell is stabilized. Therefore, a control device for combining the fuel cell with the assist power source and the auxiliary power source is required, and various control methods for these are being studied!
  • No. 454 proposes to provide an auxiliary power source for the fuel cell system! RU
  • the battery unit In the field of portable devices, in consideration of portability, the battery unit should be as small and light as possible. Therefore, it is desirable that an assist power source for peak power and an auxiliary power source that supplies initial power at startup are shared, and that no complicated operation is required from the user.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2004-152741 discloses an external device for a direct methanol fuel cell. Techniques for controlling power supply to a load have been proposed. Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2004-265787 proposes a technique for stably supplying power to a load in a direct methanol fuel cell.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a conventional fuel cell system in which an auxiliary power source can be replaced.
  • the main components of the conventional fuel cell system are the fuel cell 101, the auxiliary power pack 150, the control circuit drive unit 105, the control circuit 110, the auxiliary device 108, and the charging.
  • the connector 6 is a split type connector, and the auxiliary power pack 150 can be freely attached and detached.
  • the auxiliary power pack 150 includes a secondary battery 102 and a protection circuit 107, and supplies power that is insufficient for the fuel cell 101 alone via the connector 106. Since the secondary battery 102 used as an auxiliary power source has a lifetime, the auxiliary power pack 150 needs to be replaceable. In consideration of safety in the event of an abnormality, a protection circuit 107 is provided in the knock 150.
  • the protection circuit 107 when the secondary battery 102 does not have one power supply line, the protection circuit 107 is activated due to some abnormality, and the output of the secondary battery 102 is cut off.
  • the following problems occur. That is, if the protection circuit 107 is activated and the fuel cell 101 cannot supply power, for example, during the start-up of the fuel cell 101, the control circuit 110 may be completely stopped.
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of performing optimal control according to the state of the fuel cell when an auxiliary machine is disposed and an auxiliary power source is required. .
  • Another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of always supplying power from an auxiliary power source in addition to the fuel cell so that the control circuit is not interrupted.
  • a fuel cell system includes a fuel cell that generates power using fuel, a first auxiliary power source, a protection circuit that is connected to the first auxiliary power source and detects an abnormality of the first auxiliary power source.
  • An auxiliary machine for supplying fuel to the fuel cell, a control circuit for controlling the operation of the fuel cell and the auxiliary machine, a first power converter for driving the control circuit by the electric power of the first auxiliary power supply, and the fuel cell The first power supplied to the load by combining the first power of the power and the second power of the first auxiliary power And a signal composition unit.
  • the first auxiliary power source is a secondary battery, and is further provided with a charging circuit that is provided between the fuel cell and the protection circuit and charges the secondary battery based on the electric power from the fuel cell. It's okay.
  • the control circuit controls the charging circuit based on the output of the fuel cell.
  • the first auxiliary power source may be a primary battery.
  • the fuel cell system may further include a dummy load circuit connected to the output of the fuel cell and a first switch circuit connected to the output of the fuel cell.
  • the control circuit turns on the first switch circuit.
  • the dummy load circuit may include a heater for heating the fuel cell, and a second switch circuit connected between the output of the fuel cell and the heater.
  • the control circuit controls on / off of the second switch circuit according to the temperature of the fuel cell.
  • the fuel cell system is provided in parallel with the second power converter, the second power converter for converting the power of the first auxiliary power and supplying the second power to the first combiner, and the first power converter.
  • a third switch circuit that supplies the power from the auxiliary power source as the second power to the first combining unit may be further provided.
  • the control circuit turns on the third switch circuit to turn off the second power converter in the first predetermined period, and turns off the third switch circuit in the period other than the first predetermined period to turn on the second power Turn on the converter.
  • the control circuit may supply power to the auxiliary machine.
  • the fuel cell system may further include a third power converter connected to the output of the first combining unit and supplying power to the auxiliary machine by power conversion.
  • the first auxiliary power supply, the protection circuit, and the first power conversion constitute a power pack, and the power pack is preferably detachably connected via a connector.
  • the fuel cell system is provided between the DC power source, the fuel cell and the protection circuit, charging the secondary battery based on the power from the fuel cell, and the first combining unit.
  • a third combining unit that combines the power from the battery and the power of the DC power supply and supplies the combined power to the third power converter.
  • the fuel cell system includes a DC power source, a third power converter connected to the output of the first synthesis unit and supplying power to the auxiliary machine by power conversion, and an output of the first synthesis unit and a DC power source.
  • a third combining unit that is connected and combines the power from the fuel cell and the power from the DC power source and supplies the combined power to the third power converter may be further included.
  • a method for controlling a fuel cell system includes turning on a control circuit by a first auxiliary power source and supplying power from the first auxiliary power source to a load under the control of the control circuit.
  • Supply turn on the fuel cell in response to the fuel cell on instruction, drive the auxiliary machine to supply fuel to the fuel cell, check whether the fuel cell is operating normally, and operate the fuel cell May be achieved by stopping the power supply from the first auxiliary power supply and supplying the power from the fuel cell to the load.
  • the first fuel cell is a secondary battery
  • the control method of the fuel cell system is further determined by the charging circuit when it is determined by the control circuit that the power supplied to the fuel cell power load is sufficient. It may be achieved by charging the first auxiliary power source.
  • the control method of the fuel cell system determines whether or not the first auxiliary power supply is fully charged in response to the fuel cell off instruction. If not, the first auxiliary power supply is fully charged. However, this may be achieved by disconnecting the fuel cell from the load and stopping the fuel supply to the fuel cell.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a conventional fuel cell system.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system of the first embodiment has a fuel cell 1, a secondary battery 2, and a DC power source 3 as power sources.
  • the output of the fuel cell 1 is connected to the dummy load circuit 6, and is connected to the information device from the output terminal via the first switch circuit 11, the distribution circuit 12, and the first synthesis circuit 13. Further, it is connected to the third synthesis circuit 17 via the first synthesis circuit.
  • the distribution circuit 12 supplies a part of the output of the fuel cell 1 to the second synthesis circuit 14.
  • the output of the DC power source 3 is connected to the second synthesis circuit 14 and the third synthesis circuit 17.
  • the output of the third synthesis circuit 17 is connected to the auxiliary machine 8 via the second DCZDC converter circuit 18.
  • the output of the second synthesis circuit 14 is connected to the charging circuit 4.
  • the output of the secondary battery 2 is connected to the third DCZDC converter 19, and the output of the third DCZDC converter 19 is connected to the control circuit 10. Further, the output of the secondary battery 2 is output via the protection circuit 7.
  • Both the output of the charging circuit 4 and the output of the protection circuit 7 are connected to the first synthesis circuit 13 via the second switch circuit 15 and the first DC / DC converter circuit 16 connected in parallel.
  • the fuel cell 1 is a direct methanol fuel cell.
  • the secondary battery 2 is not necessarily limited to a force that is, for example, a lithium ion secondary battery.
  • the DC power supply 3 does not have to be normal, but when using an AC adapter for a personal computer as a load as the DC power supply 3, it functions to assist the secondary battery 2, and the AC adapter can Charging and auxiliary equipment 8 can be operated.
  • Each of the first to third synthesis circuits 13, 14, and 17 is a circuit that synthesizes and outputs two inputs. It is.
  • Each of the first DCZDC converter circuit 16, the second DCZDC converter circuit 17, and the third DCZDC converter circuit 119 is a circuit that converts an input voltage and supplies an output voltage.
  • the auxiliary machine 8 is, for example, an electric fan for sending fuel to the fuel cell 1.
  • the third DCZDC converter circuit 19 Based on the output from the secondary battery 2, the third DCZDC converter circuit 19 generates a converted voltage and outputs it to the control circuit 10. As a result, the control circuit 10 becomes operable. That is, the control circuit 15 is always in an operating state regardless of the operating state of the fuel cell.
  • the control circuit 10 controls the operation of each part in the fuel cell system. For this purpose, the control circuit 10 should store information on the voltage and current values of each part and information on the operation of the auxiliary machine 8.
  • auxiliary machine 8 is, for example, a fan, which causes the fuel to spread throughout the fuel cell 1.
  • the fuel cell 1 starts power generation using fuel and an oxidant.
  • the dummy load circuit 6 is a pseudo load, and power is supplied from the fuel cell 1 to the dummy load circuit 6 on a trial basis before actually driving a normal load such as an information device.
  • the current value flowing through the dummy load circuit 6 and the output voltage value of the fuel cell 1 are supplied to the control circuit 10.
  • the control circuit 10 controls on / off of the first switch circuit 11 based on these values.
  • the control circuit 10 operates the dummy load circuit 6 with the first switch circuit 11 turned off, and determines the state of the fuel cell 1 from information on the output voltage and output current of the fuel cell 1.
  • the control circuit 10 turns on the first switch circuit 11 and supplies it from the fuel cell 1 to the first synthesis circuit 13.
  • the second switch circuit 15 and the first DC / DC converter circuit 16 are connected in parallel and connected to the first synthesis circuit 5.
  • the combined power of the power from the secondary battery 2 and the power from the fuel cell 1 is supplied to a load such as an information device.
  • the dummy load circuit 6 may function as a constant current circuit that acts to make the output current of the fuel cell 1 constant. In this case, the dummy load circuit 6 is used to determine whether or not the fuel cell 1 has normally started up.
  • the dummy load circuit 6 is a simple resistive load field. In other cases, a circuit that is thermally connected to the fuel cell 1 may be used.
  • the dummy load circuit 6 may be a heater for heating the fuel cell, but is not limited to the heater.
  • the control circuit 10 may detect data indicating the temperature of the fuel cell 1 from the output current value of the dummy load circuit 6, and control the output current value of the fuel cell 1 according to the temperature data. Thus, when the dummy load circuit 6 is a constant current circuit, it is easy to control the output current of the fuel cell 1.
  • the control circuit 10 turns on the second switch circuit 15 to substantially reduce the voltage of the secondary battery 1. 100% supplied to the first synthesis circuit 13.
  • the control circuit 10 turns off the second switch circuit 9 and operates the first DCZDC converter circuit 16 to reduce the voltage of the secondary battery 1 through the conversion. The supplied voltage is supplied to the first synthesis circuit 5.
  • the fuel cell system of the present invention further includes a charging circuit 4 that supplies a charging current for the secondary battery 2 based on the output voltage and output current of the fuel cell 1 in response to an instruction from the control circuit 10. ing. If there is a margin in the output power of the fuel cell 1, the control circuit 10 controls the charging circuit 4 to charge the secondary battery 2 via the protection circuit 7. The control circuit 10 determines whether the fuel cell 1 has sufficient power based on the output voltage and output current of the fuel cell 1. In accordance with the instruction from the control circuit 10, the charging circuit 4 generates charging power from the output of the second combining circuit 14, that is, the combined output of the output from the fuel cell 1 and the output from the DC power source 3, and the secondary battery.
  • the control circuit 10 detects the output voltage and output current of the fuel cell 1 and controls the charging current of the charging circuit 4. That is, when the output voltage of the fuel cell 1 becomes a certain value or less (eg, 4.0 V or less), the charging circuit 4 is controlled so as to reduce the charging current. Further, when the output current to the information device (external load) of the fuel cell 1 exceeds a certain value, the charging circuit 6 is controlled so as to decrease the charging current.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention.
  • the configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment. Therefore, only the differences will be explained.
  • dummy load circuit 6 is replaced with switch 21 and load 22.
  • the load 22 is a heater for heating the fuel cell.
  • the control circuit 10 detects data indicating the temperature of the fuel cell 1 from the output current value of the load 22 and controls the output current value of the fuel cell 1 according to the temperature data.
  • the distribution circuit 12 is omitted.
  • Each of the first synthesis circuit 13, the second synthesis circuit 14, and the third synthesis circuit 17 is realized by OR-coupling the outputs of the two diodes.
  • the diode may be composed of a Schottky barrier diode, a transistor, or an FET depending on the applied load and application field.
  • any rectifier circuit that limits the direction of current flow may be used.
  • Schottky barrier diodes, transistors, and FETs are used in this way is to reduce the loss associated with current because the forward voltage drop is small.
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining the operation of the fuel cell system according to the present invention.
  • a personal computer is used as a load, and the output terminal of the fuel cell system is connected to the personal computer.
  • a startup procedure of the fuel cell system of the present invention will be described. First, at the start of the fuel cell system, the first switch circuit 11 is off, the third DC / DC converter circuit 19 is on, and the control circuit 10 is in an operating state.
  • step S2 the second switch circuit 15 is turned on, the first DCZDC converter circuit 16 is turned off, and the electric power from the secondary battery 2 passes through the protection circuit 7 and the second switch circuit 15 for the first synthesis. It is supplied to the circuit 13 and further supplied to a personal computer as a load.
  • step S4 a battery-on instruction for turning on the power of the fuel cell system of the present invention is sent to the control circuit 10 from the keyboard of the personal computer or the like.
  • step S6 in response to the battery on instruction, the control circuit 10 turns on the second DCZDC converter circuit 18 and starts the operation of the auxiliary machine 8.
  • fuel supply to the fuel cell 1 is started, The operation of the fuel cell 1 starts.
  • the dummy load circuit 6 is also operated in step S8.
  • power is supplied from the fuel cell 1 to the dummy load circuit 6.
  • control circuit 10 determines that there is a problem with the fuel cell 1 based on the information from the dummy load circuit 6 in step S8, it outputs an alarm (not shown) in step S10 and Stop the function. If there is no problem in power supply from the fuel cell 1 to the dummy load circuit 6, in step S12, the control circuit 10 turns off the second switch circuit 15, turns on the first DC / DC converter circuit 16, and turns on the secondary. Stop part of the power supply from battery 2 to the personal computer. Thereby, only a part of the electric power is supplied to the personal computer. At the same time, in step S14, the control circuit 10 turns on the first switch circuit 11. Thereby, the supply of power from the fuel cell 1 to the personal computer is started.
  • step S16 the control circuit 10 determines whether there is a margin in the output of the fuel cell. If there is a margin, the control circuit 10 controls the charging circuit 4 and charges the secondary battery 2 via the distribution circuit 12, the second synthesis circuit 14, and the charging circuit 4.
  • step S18 an instruction to turn off the fuel cell system of the present invention is given to the control circuit 10 in the keyboard computer power of the personal computer.
  • the control circuit 10 determines whether or not the secondary battery 2 is fully charged in step S20. If the secondary battery 2 is not fully charged, the control circuit 10 continues to charge the secondary battery 2 through the distribution circuit 12, the second synthesis circuit 14, and the charging circuit 4 in step S22. Do.
  • step S24 when the secondary battery 2 becomes fully charged, the control circuit 10 turns off the first switch circuit 11 and puts the operation of the fuel cell 1 into a cool-down state.
  • step S26 the control circuit 10 turns off the second DCZDC converter circuit 18 at the end of the cool-down state of the fuel cell 1. At the same time, the control circuit 10 also turns off the auxiliary machine 8. Subsequently, in step S28, the control circuit 10 turns off the second switch circuit 15 and turns off the first DC / DC converter circuit 16.
  • control circuit 10 is always operable regardless of the operation of the fuel cell 1, and normally controls the system.
  • the fuel cell system of the third embodiment includes a fuel cell 1, a synthesis circuit 30, an auxiliary machine 8, and a control circuit 10.
  • the auxiliary power pack 50 is connected to the fuel cell system via the connector 60.
  • the combining circuit 30 is formed of a diode, combines the power from the fuel cell 1 and the power from the auxiliary power pack 50 and supplies the combined power to a load such as a personal computer.
  • the auxiliary power pack 50 includes a primary battery 5, a protection circuit 7, and a DCZDC converter 13.
  • the fuel cell system of the present embodiment is a power supply system that uses a fuel cell as a power source.
  • Fuel cell 1 is not necessarily limited to the power for which a direct methanol fuel cell is suitable.
  • the auxiliary power pack 50 is detachably connected via the connector 60.
  • the auxiliary power pack 50 determines whether or not the output voltage is lower than a predetermined threshold and performs on / off control of the output voltage. Also, the result of the on-Z off control is transmitted to the control circuit 10. Further, the control circuit 10 can perform ON / OFF control of the output of the auxiliary power pack 50.
  • the temporary battery 5 provided with the protection circuit 7 is used as the auxiliary power pack 50.
  • an auxiliary machine 8 such as a pump
  • electric power for the control is supplied from the DCZDC converter 13 of the auxiliary power pack 50 to the control circuit 10.
  • the control circuit 10 can operate, and appropriate processing can be performed even with abnormal values. Become.
  • the power from the fuel cell 1 and the power from the primary battery 5 are combined by the combining circuit 30 and supplied to a load such as a personal computer. Also, converted power is supplied from the DCZDC converter 13 to the control circuit 10 via the connector 60. According to the configuration shown in FIG. 5, even if the protection circuit 7 is activated due to overcurrent or the like, the control circuit 10 will be It can be operated by the DC converter 13 and appropriate processing can be performed.
  • FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system of the fourth embodiment.
  • the fuel cell system according to the fourth embodiment has the same configuration as the fuel cell system according to the third embodiment. Therefore, different points will be described.
  • an auxiliary power pack 50 ′ is used instead of the auxiliary power pack 50.
  • a lithium ion secondary battery 2 ′ is used instead of the primary battery 5.
  • Other configurations are the same as those of the auxiliary power pack 50.
  • a charging circuit is provided between the output of the fuel cell 1 and the input on the auxiliary power pack 50 ′ side of the synthesis circuit 30. 4 is provided.
  • the charging circuit 4 is controlled by the control circuit 10.
  • the power of the auxiliary machine 8 is supplied from the output of the synthesis circuit 30 via the DCZDC converter circuit 18.
  • DCZDC converter circuit 18 is also controlled by control circuit 10
  • the power from fuel cell 1 and the power from secondary battery 2 are combined by combining circuit 30 and supplied to a load such as a personal computer.
  • the secondary battery 2 can always be charged from the fuel cell 1 via the charging circuit 11 and the protection circuit 7. Since the auxiliary machine 8 such as a pump is considered to have relatively large power consumption, power for controlling the auxiliary machine 8 is supplied from the fuel cell 1 through the DCZDC converter 13.
  • Power is supplied from the secondary battery 2 to the combining circuit 30 via the protection circuit 7 and the connector 60, and conversion power is supplied from the DCZDC converter 13 to the control circuit 10 via the connector 60.
  • the control circuit 10 operates with the power from the DCZDC converter 13. It is possible to perform appropriate processing even in the event of an abnormality.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the fuel cell system of the fifth embodiment.
  • the fuel cell system of the example has a circuit configuration similar to that of the fourth example. That is, the fuel cell system of the fifth embodiment includes a fuel cell 1, a charging circuit 4, a synthesis circuit 30, a DC / DC converter circuit 18, an auxiliary machine 8, a switch circuit 32, and a control circuit 10. I have.
  • the auxiliary power pack 50 "is connected to the fuel cell system via a connector 60.
  • the synthesis circuit 30 is formed by a diode, and combines the power from the fuel cell 1 and the power from the auxiliary power pack 50.
  • the auxiliary power pack 50 "includes a lithium ion secondary battery 2, a protection circuit 7, a DCZDC converter 13, and a DC / DC converter circuit 33.
  • the secondary battery 2 ′ is connected to the synthesis circuit 30 via the protection circuit 7 and the connector 60.
  • the output of the synthesis circuit 30 is connected to the DCZDC converter circuit 18 in addition to the load.
  • the DCZDC converter circuit 18 converts the power output from the synthesis circuit 30 and supplies it to the auxiliary machine 8.
  • a charging circuit 4 is provided between the output of the fuel cell 1 and the input on the auxiliary power pack 50 "side of the synthesis circuit 30 to always charge the secondary battery 2 '.
  • DCZDC converter circuit 19 Converts the power from the secondary battery 2 'and supplies it to the control circuit 10.
  • the control circuit 10 is in an operating state.
  • the control circuit 10 is connected from the protection circuit 7 to the auxiliary power pack 50 ". Data on the presence or absence of output is received, and an instruction to control the output of the auxiliary power pack 50 "power is output to the protection circuit 7.
  • the DCZDC converter circuit 33 receives power from the secondary battery 2 '. This is converted and supplied to the switch circuit 32.
  • the switch circuit 32 is operated to control the on / off of the DCZDC converter circuit 19. As a result, the operation of the auxiliary machine 8 by the control circuit 10 is controlled. Can be controlled.
  • the fuel cell system switch circuit 32 when the user does not use the power supply, the fuel cell system switch circuit 32 is provided so that the power consumption of the secondary battery 2 ′ can be kept as low as possible.
  • the operation of the DCZDC converter circuit 13 is controlled by turning on and off the switch circuit 32, whereby the operation Z stop of the control circuit 10 can be controlled.
  • a DCZDC converter circuit 33 with a low power consumption design for operating the switch circuit 32 of the fuel cell system is required.
  • a DCZ DC converter circuit 33 is provided in the auxiliary power pack 50 "so that this power can also be taken from the auxiliary power pack 50".
  • the auxiliary power pack 50 may need to be safely shut off. For example, if there is a high risk that the charging circuit 4 is abnormal and overcharged and the auxiliary power pack 50 "generates heat, a circuit that cuts off the output from the auxiliary power pack 50" is required. .
  • ON / OFF of the protection circuit 7 can be controlled by the control circuit 10.
  • the control circuit 10 and the charging circuit 4 operate. In this case, the control circuit 10 cannot distinguish whether the protection circuit 7 is turned off or not, and the control circuit 10 is turned on by the signal from the protection circuit 7! /, Or turn it off! /
  • auxiliary machine when an auxiliary machine is arranged and an auxiliary power source is required, optimal control can be performed according to the state of the fuel cell.
  • auxiliary power can be supplied constantly so that the control circuit is not shut off.

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Abstract

　本発明の観点では、燃料電池システムは、燃料を用いて発電する燃料電池と、第１補助電源と、第１補助電源に接続され、第１補助電源の異常を検出する保護回路と、燃料電池に燃料を供給するための補機と、燃料電池と補機の動作を制御する制御回路と、第１補助電源からの電力により制御回路を駆動する第１電力変換器と、燃料電池からの第１電力と第１補助電源からの第２電力とを合成して負荷に供給する第１号合成部とを具備する。

Description

明 細 書
燃料電池システム
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
背景技術
[0002] 燃料電池は、充電不要な可搬型電源として、自動車や携帯機器への応用が期待さ れている。し力しながら、現状の技術では燃料電池の内部抵抗は高ぐ瞬間的に必 要とされる大電力を供給することができない。そのため、電気二重層キャパシタなど のアシスト電源も使用されている。また、燃料を搬送する装置の初期動作や燃料電池 の出力が安定するまでの間に電力を供給するための二次電池などの補助電源が使 用されている。従って、燃料電池とアシスト電源や補助電源を組合わせるための制御 装置が必要となり、それらの制御方法が種々検討されて!、る。
[0003] 例えば、メタノールを直接酸ィ匕するタイプの燃料電池を使用するパーソナルコンビ ユータでは、燃料電池電源の小型化が必要である力 小型燃料電池のみではパーソ ナルコンピュータが必要とするピーク電力が出力できない場合がある。そのような問 題の対策として、特開 2002— 32154号公報には、燃料電池システムの燃料電池の 出力段に大容量キャパシタを設けることが提案されている。
[0004] また、燃料電池では、起動時に燃料が燃料電池の全体に行き渡るまで電力を供給 することができない。また、燃料電池本体が温まらないと所定の電力を出力することが できない。そこで、ダイレクトメタノール型燃料電池は、燃料を搬送するためのポンプ やファン等のための電源が必要とされる。そのような問題に対して、特開平 11— 176
454号公報では、燃料電池システムに補助電源を備えることが提案されて！、る。
[0005] 携帯機器の分野では、可搬性を考慮して、電池部はできる限り小型軽量されるべき である。そこで、ピーク電力のためのアシスト電源や起動時の初期電力を供給する補 助電源を共通化し、また、そのためにユーザに複雑な操作を求めることがないことが 望まれる。
特開 2004— 152741号公報には、ダイレクトメタノール型燃料電池における外部 負荷への電力供給を制御する技術が提案されている。また、特開 2004— 265787 号公報には、ダイレクトメタノール型燃料電池において、負荷に安定的に電力を供給 する技術が提案されている。
[0006] 図 1は、補助電源が交換可能な従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図 である。図 1に示されるように、従来の燃料電池システムの主要構成要素は、燃料電 池 101と、補助電源パック 150と、制御回路駆動部 105と、制御回路 110と、補機 10 8と、充電回路 104と、コネクタ 106である。コネクタ 6は、分割型コネクタであって補助 電源パック 150は、任意に着脱可能である。補助電源パック 150は、二次電池 102と 、保護回路 107とで構成され、燃料電池 101だけでは不足する電力をコネクタ 106を 介して供給する。補助電源として用いられる二次電池 102は、寿命があるので、補助 電源パック 150は交換可能な構造にする必要がある。異常時における安全性を考慮 して、ノック 150内に保護回路 107を備えている。
[0007] 図 1に示されるように、二次電池 102が電力供給線を 1つし力持たない場合は、何ら かの異常で保護回路 107が働き、二次電池 102の出力が遮断されたとき、以下のよ うな不具合が発生する。即ち、保護回路 107が働き、かつ燃料電池 101が電力を供 給できない状況、例えば、燃料電池 101の立上げ途中であれば、制御回路 110が完 全に停止する可能性がある。
発明の開示
[0008] 従って、本発明の課題は、補機が配置され、補助電源を必要とする場合に、燃料 電池の状態に応じて最適な制御を行うことができる燃料電池システムを提供すること である。
また、本発明の他の課題は、制御回路が遮断されないように燃料電池のほかに補 助電源カゝら電力を常時供給できる燃料電池システムを提供することである。
[0009] 本発明の観点では、燃料電池システムは、燃料を用いて発電する燃料電池と、第 1 補助電源と、第 1補助電源に接続され、第 1補助電源の異常を検出する保護回路と、 燃料電池に燃料を供給するための補機と、燃料電池と補機の動作を制御する制御 回路と、第 1補助電源力 の電力により制御回路を駆動する第 1電力変換器と、燃料 電池力 の第 1電力と第 1補助電源力 の第 2電力とを合成して負荷に供給する第 1 号合成部とを具備する。
ここで、第 1補助電源は、二次電池であり、燃料電池と保護回路の間に設けられ、 燃料電池からの電力に基づ!/、て二次電池を充電する充電回路を更に具備してもよ い。制御回路は、燃料電池の出力に基づいて充電回路を制御する。
また、第 1補助電源は、一次電池であってもよい。
また、燃料電池システムは、燃料電池の出力に接続されたダミー負荷回路と、燃料 電池の出力に接続された第 1スィッチ回路とを更に具備してもよい。ダミー負荷に基 づいて、燃料電池の出力が所定の範囲にあると判断されるとき、制御回路は、第 1ス イッチ回路をオンする。
また、ダミー負荷回路は、燃料電池を暖めるヒーターと、燃料電池の出力とヒーター の間に接続された第 2スィッチ回路とを具備してもよい。制御回路は、燃料電池の温 度に応じて第 2スィッチ回路のオン/オフを制御する。
また、燃料電池システムは、第 1補助電源力もの電力を電力変換して第 2電力を第 1合成部に供給する第 2電力変換器と、第 2電力変換器に並列に設けられ、第 1補助 電源からの電力を第 2電力として第 1合成部に供給する第 3スィッチ回路とを更に具 備してもよい。制御回路は、第 1の所定の期間において第 3スィッチ回路をオンして 第 2電力変換部をオフし、第 1の所定の期間以外の期間において、第 3スィッチ回路 をオフして第 2電力変換部をオンする。
また、制御回路は、補機に電力を供給してもよい。あるいは、燃料電池システムは、 第 1合成部の出力に接続され、電力変換により補機に電力を供給する第 3電力変換 器を更に具備してもよい。
また、第 1補助電源と、保護回路と、第 1電力変翻とは電源パックを構成し、電源 パックはコネクタを介して着脱自在に接続されて 、ることが好ま 、。
また、燃料電池システムは、直流電源と、燃料電池と保護回路の間に設けられ、燃 料電池からの電力に基づ!/、て二次電池を充電する充電回路と、第 1合成部の出力 に接続され、電力変換により補機に電力を供給する第 3電力変換器と、第 1合成部の 入力と直流電源とに接続され、燃料電池からの電力と直流電源からの電力を合成し て充電回路に供給する第 2合成部と、第 1合成部の出力と直流電源とに接続され、燃 料電池からの電力と直流電源力 の電力を合成して第 3電力変^^に供給する第 3 合成部とを更に具備してもよい。あるいは、燃料電池システムは、直流電源と、第 1合 成部の出力に接続され、電力変換により補機に電力を供給する第 3電力変換器と、 第 1合成部の出力と直流電源とに接続され、燃料電池からの電力と直流電源からの 電力を合成して第 3電力変 に供給する第 3合成部とを更に具備してもよい。
[0010] また、本発明の他の観点では、燃料電池システムの制御方法は、第 1補助電源によ り制御回路をオンし、制御回路の制御の下、第 1補助電源から負荷に電力を供給し、 燃料電池オン指示に応答して燃料電池をオンし、補機を駆動して燃料電池に燃料を 供給し、燃料電池の動作が正常であるか否かを確認し、燃料電池の動作が正常であ ると判断されたとき、第 1補助電源からの電力供給を止め、燃料電池から電力を負荷 に供給することにより、達成されてもよい。
ここで、第 1燃料電池は、二次電池であり、燃料電池システムの制御方法は、更に、 燃料電池力 負荷へ供給される電力に余裕があると制御回路により判断されたとき、 充電回路により第 1補助電源を充電することにより達成されてもよい。
また、燃料電池システムの制御方法は、燃料電池オフ指示に応答して、第 1補助電 源が満充電であるカゝ否かを判定し、満充電ではないとき、第 1補助電源を満充電し、 燃料電池を負荷から切り離し、燃料電池への燃料の供給を止めることにより、達成さ れてもよい。
図面の簡単な説明
[0011] [図 1]図 1は、従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
[図 2]図 2は、本発明の第 1実施例による燃料電池システムの構成を示すブロック図で ある。
[図 3]図 3は、本発明の第 2実施例による燃料電池システムの構成を示すブロック図で ある。
[図 4]図 4は、本発明の第 1実施例による燃料電池システムの動作を示すフローチヤ ートである。
[図 5]図 5は、本発明の第 3実施例による燃料電池システムの構成を示すブロック図で ある。 [図 6]図 6は、本発明の第 4実施例による燃料電池システムの構成を示すブロック図で ある。
[図 7]図 7は、本発明の第 5実施例による燃料電池システムの構成を示すブロック図で ある。
発明を実施するための最良の形態
[0012] 以下に添付図面を参照して、本発明の燃料電池システムについて詳細に説明する
[0013] [第 1実施例]
図 2は、本発明の第 1実施例による燃料電池システムの構成を示すブロック図であ る。図 2を参照して、第 1実施例の燃料電池システムは、電源として、燃料電池 1、二 次電池 2、直流電源 3を有している。燃料電池 1の出力は、ダミー負荷回路 6に接続さ れ、また、第 1スィッチ回路 11,分配回路 12,第 1合成回路 13を介して、出力端子か ら情報機器に接続されている。また、第 1合成回路を介して第 3合成回路 17に接続さ れている。分配回路 12は、燃料電池 1の出力の一部を第 2合成回路 14に供給して いる。直流電源 3の出力は、第 2合成回路 14と第 3合成回路 17に接続されている。 第 3合成回路 17の出力は第 2DCZDCコンバータ回路 18を介して補機 8に接続さ れている。第 2合成回路 14の出力は充電回路 4に接続されている。二次電池 2の出 力は、第 3DCZDCコンバータ 19に接続され、第 3DCZDCコンバータ 19の出力は 制御回路 10に接続されている。また、二次電池 2の出力は、保護回路 7を介して出 力される。充電回路 4の出力と保護回路 7の出力とはともに、並列に接続された第 2ス イッチ回路 15と第 1DC/DCコンバータ回路 16を介して第 1合成回路 13に接続され ている。
[0014] 第 1実施例の燃料電池システムにおいて、燃料電池 1は、ダイレクトメタノール型燃 料電池である。また、二次電池 2は、例えばリチウムイオン二次電池である力 必ずし もこれに限らない。直流電源 3は、通常無くとも構わないが、負荷であるパーソナルコ ンピュータ用の ACアダプタを直流電源 3として用いるとき、二次電池 2を補助するよう に機能し、 ACアダプタにより二次電池 2の充電及び補機 8を動作させることができる 。第 1から第 3合成回路 13, 14, 17の各々は、 2つの入力を合成して出力する回路 である。第 1DCZDCコンバータ回路 16、第 2DCZDCコンバータ回路 17、第 3DC ZDCコンバータ回路 119の各々は、入力電圧を変換して出力電圧を供給する回路 である。補機 8は、例えば、燃料電池 1に燃料を送るための電動ファンである。
[0015] 二次電池 2からの出力に基づいて、第 3DCZDCコンバータ回路 19は変換電圧を 生成し、制御回路 10に出力する。これにより、制御回路 10は動作可能となる。即ち、 燃料電池の稼動状況にかかわらず、制御回路 15は常に動作状態となっている。制 御回路 10は、燃料電池システム内の各部の動作を制御する。そのために、制御回路 10は、各部の電圧、電流の値に関する情報と補機 8の動作に関する情報を記憶して ちょい。
[0016] このとき、制御回路 10の制御の下、第 3合成回路 17、第 2DC/DCコンバータ回路 18を介して燃料電池 1及び直流電源 3から補機 8に電力が供給され、補機 8が動作 を開始する。補機 8は、例えばファンであり、これにより燃料が燃料電池 1内に行き渡 ること〖こなる。燃料電池 1は、燃料と酸化剤とを用いて発電を開始する。
[0017] 燃料が供給され、燃料電池 1が発電を開始すると、電力が供給される。ダミー負荷 回路 6は、擬似的負荷であって、情報機器などの正規の負荷を実際に駆動する前に 、ダミー負荷回路 6に試験的に燃料電池 1から電力が供給される。このときのダミー負 荷回路 6に流れる電流値及び燃料電池 1の出力電圧値が制御回路 10に供給される 。制御回路 10は、それらの値に基づいて第 1スィッチ回路 11のオン Zオフを制御す る。制御回路 10は、第 1スィッチ回路 11をオフの状態でダミー負荷回路 6を動作させ 、燃料電池 1の出力電圧および出力電流の情報から燃料電池 1の状態を判断する。 燃料電池 1がダミー負荷回路 6に対して十分に電力を供給できれば、制御回路 10は 、第 1スィッチ回路 11をオンして、燃料電池 1から第 1合成回路 13に供給する。第 2ス イッチ回路 15と第 1DC/DCコンバータ回路 16とは並列接続されて、第 1合成回路 5に接続されている。こうして、二次電池 2からの電力と燃料電池 1からの電力の合成 電力が情報機器等の負荷に供給される。
[0018] ダミー負荷回路 6は、燃料電池 1の出力電流を一定にするように作用する定電流回 路として機能してもよい。この場合、ダミー負荷回路 6は、燃料電池 1が正常に立上が つた力否かを判定するために用いられる。ダミー負荷回路 6は、単なる抵抗負荷の場 合もあるし、燃料電池 1と熱的に接続されている回路であってもよい。例えば、ダミー 負荷回路 6は、燃料電池を暖めるためのヒーターであってもよいが、ヒーターには限ら れない。また、制御回路 10は、ダミー負荷回路 6の出力電流値から燃料電池 1の温 度を示すデータを検出し、温度データに従って、燃料電池 1の出力電流値を制御し てもよい。このように、ダミー負荷回路 6が定電流回路であると、燃料電池 1の出力電 流の制御が容易である。
[0019] ここで、燃料電池 1が未だ立ち上げの途中で、十分な電圧を発生できない期間に は、制御回路 10は、第 2スィッチ回路 15をオンして、二次電池 1の電圧をほぼ 100% 第 1合成回路 13に供給する。一方、燃料電池 1の動作が安定した場合には、制御回 路 10は、第 2スィッチ回路 9をオフし、第 1DCZDCコンバータ回路 16を動作させて 、二次電池 1の電圧を変換を通して低下させた電圧を第 1合成回路 5に供給する。
[0020] また、本発明の燃料電池システムは、制御回路 10からの指示に応答して燃料電池 1の出力電圧及び出力電流に基づいて二次電池 2の充電電流を供給する充電回路 4を備えている。燃料電池 1の出力電力に余裕があれば、制御回路 10は、充電回路 4を制御して、保護回路 7を介して二次電池 2を充電する。制御回路 10は、燃料電池 1に余裕がある力否かを、燃料電池 1の出力電圧及び出力電流に基づいて判断する 。制御回路 10の指示に従って、充電回路 4は、第 2合成回路 14の出力、即ち燃料電 池 1からの出力と直流電源 3からの出力との合成出力から充電電力を生成し、二次電 池 2を充電する。また、例えば、燃料電池 1の出力電流が一定値以上になると、情報 機器等の正規の負荷が電力を必要とするので、外部負荷への電力の供給を優先す るように、制御回路 10は、二次電池 2の充電のための充電電流を小さくするように充 電回路 4を制御する。このとき、制御回路 10は、燃料電池 1の出力電圧及び出力電 流を検出して、充電回路 4の充電電流を制御する。即ち、燃料電池 1の出力電圧が 一定値以下 (例えば 4. 0V以下）になると充電電流を減少するように充電回路 4を制 御する。また、燃料電池 1の情報機器 (外部負荷)への出力電流が一定値以上にな ると、充電電流を減少させるように充電回路 6を制御する。
[0021] [第 2実施例]
図 3は、本発明の第 2実施例による燃料電池システムの構成を示すブロック図であ る。第 2実施例の構成は、第 1実施例と同様である。従って、異なる点のみを説明す る。
図 3を参照して、第 2実施例の燃料電池システムでは、ダミー負荷回路 6は、スイツ チ 21と負荷 22に置換されている。負荷 22は、燃料電池を暖めるためのヒーターであ る。制御回路 10は、負荷 22の出力電流値から燃料電池 1の温度を示すデータを検 出し、温度データに従って、燃料電池 1の出力電流値を制御する。第 2実施例では、 分配回路 12は省略されている。また、第 1合成回路 13、第 2合成回路 14、第 3合成 回路 17の各々は、 2つのダイオードの出力を OR結合することにより実現されている。 ダイオードは、適用する負荷や応用分野に応じてショットキーバリアダイオード、トラ ンジスタ、 FETによって構成されてもよい。また、ダイオードに代えて、電流の流れる 方向を限定する整流回路であれば何を用いてもよい。このように、ショットキーバリア ダイオード、トランジスタ、 FETが使用されるのは、順方向電圧降下が小さいので、電 流に伴う損失を低減するためである。
このように、第 2実施例の燃料電池システムの動作も第 1実施例と同様になる。
[0022] 図 4は、本発明による燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。本 発明の燃料電池システムでは、パーソナルコンピュータを負荷としており、燃料電池 システムの出力端子がパーソナルコンピュータに接続されている。
本発明の燃料電池システムの立ち上げ手順について説明する。まず、燃料電池シ ステムのスタート時には、第 1スィッチ回路 11はオフであり、また第 3DC/DCコンパ ータ回路 19はオンであり、制御回路 10は動作状態にある。
先ず、ステップ S2で第 2スィッチ回路 15がオンにされ、第 1DCZDCコンバータ回 路 16はオフとされ、二次電池 2からの電力は保護回路 7、第 2スィッチ回路 15をかい して第 1合成回路 13に供給され、さらに負荷としてのパーソナルコンピュータに供給 される。
[0023] 次に、ステップ S4で、パーソナルコンピュータのキーボード等から、本発明の燃料 電池システムの電源をオンする電池オン指示が制御回路 10に送られる。ステップ S6 で、電池オン指示に応答して、制御回路 10は、第 2DCZDCコンバータ回路 18をォ ンし、補機 8の動作を開始させる。こうして、燃料電池 1には燃料の供給が開始され、 燃料電池 1の動作が開始する。同時に、ステップ S8で、ダミー負荷回路 6も動作する ここで、ダミー負荷回路 6へ燃料電池 1から電力の供給が行われる。ステップ S8で、 制御回路 10は、ダミー負荷回路 6からの情報に基づいて燃料電池 1に問題があると 判断したときは、ステップ S10で、アラーム（図示せず)を出力し、補機 8の機能を停 止させる。燃料電池 1からダミー負荷回路 6への電力供給に問題が無ければ、ステツ プ S12で、制御回路 10は、第 2スィッチ回路 15をオフとし、第 1DC/DCコンバータ 回路 16をオンとして、二次電池 2からのパーソナルコンピュータへの電力の供給の一 部を停止する。これにより、一部の電力のみがパーソナルコンピュータへ供給される。 同時に、ステップ S 14で、制御回路 10は、第 1スィッチ回路 11をオンする。これにより 、燃料電池 1からパーソナルコンピュータへの電力の供給が開始される。
[0024] 以上の過程によって、燃料電池システムが通常の動作を行う。ステップ S 16で、制 御回路 10は、燃料電池の出力に余裕があるか否かを判断する。余裕があれば、制 御回路 10は、充電回路 4を制御し、分配回路 12、第 2合成回路 14、充電回路 4を経 由して二次電池 2を充電する。
[0025] 次に、燃料電池システムの停止の動作を説明する。先ず、ステップ S18で、パーソ ナルコンピュータのキーボード等力 本発明の燃料電池システムをオフする指示を制 御回路 10におくる。この電池オフ指示に応答して、制御回路 10は、ステップ S20で、 二次電池 2が満充電状態である力否かを判断する。二次電池 2が満充電状態ではな い場合は、制御回路 10は、ステップ S22で、分配回路 12、第 2合成回路 14、充電回 路 4して、継続して二次電池 2の充電を行う。ステップ S 24で、二次電池 2が満充電状 態となつた時点で、制御回路 10は、第 1スィッチ回路 11をオフし、燃料電池 1の動作 をクールダウン状態とする。ステップ S26で、制御回路 10は、燃料電池 1のクールダ ゥン状態の終了時に、第 2DCZDCコンバータ回路 18をオフする。同時に、制御回 路 10は、補機 8もオフとする。続いて、ステップ S28で、制御回路 10は、第 2スィッチ 回路 15をオフし、また第 1DC/DCコンバータ回路 16をオフする。
[0026] 以上の説明から明らかなように、制御回路 10は、燃料電池 1の動作に関係なく常に 動作可能状態にあり、システムを正常に制御している。 [0027] [第 3実施例]
次に、本発明の第 3実施例による燃料電池システムについて説明する。図 5を参照 して、第 3実施例の燃料電池システムは、燃料電池 1と、合成回路 30と、補機 8と、制 御回路 10とを備えている。補助電源パック 50はコネクタ 60を介して燃料電池システ ムに接続されている。合成回路 30は、ダイオードにより形成されており、燃料電池 1か らの電力と補助電源パック 50からの電力を合成してパーソナルコンピュータのような 負荷に供給する。補助電源パック 50は、一次電池 5と、保護回路 7と、 DCZDCコン バータ 13を備えている。
[0028] 本実施例の燃料電池システムは、燃料電池を電力源とする電源システムである。燃 料電池 1は、ダイレクトメタノール型燃料電池が適している力 必ずしもこれに限らな い。補助電源パック 50は、コネクタ 60を介して着脱可能に接続されている。保護回 路 7としては、過電流を検出する電流センサ或いは温度センサが用いられる。燃料電 池 1の出力が要求される電力に満たない場合、補助電源パック 50の一次電池 5から 不足分の電力が供給される。また、補助電源パック 50は、出力電圧が所定の閾値よ り低いか否かを、自ら判断して出力電圧のオン Zオフ制御を行う。また、そのオン Z オフ制御の結果を制御回路 10に送信する。また、制御回路 10は、補助電源パック 5 0の出力をオン Zオフ制御することができる。
[0029] 本発明の第 3実施例による燃料電池システムでは、補助電源パック 50として保護回 路 7を備えた一時電池 5を用いている。ダイレクトメタノール型燃料電池 1の場合には 、ポンプなどの補機 8を動作させる必要があり、その制御のための電力は補助電源パ ック 50の DCZDCコンバータ 13から制御回路 10に供給される。こうして、過電流な どで保護回路 7が動作し、補助電源パック 50からの出力がオフされても、制御回路 1 0は動作することができ、異常値でも適切な処理を行うことが可能となる。
また、本発明の第 3実施例による燃料電池システムでは、燃料電池 1からの電力と 一次電池 5からの電力が合成回路 30で合成され、パーソナルコンピュータのような負 荷に供給されている。また、コネクタ 60を介して DCZDCコンバータ 13から制御回路 10へ変換電力が供給される。図 5の構成によれば、過電流などで保護回路 7が働き 補助電源パック 50から合成回路 30への電力がオフされても、制御回路 10は DCZ DCコンバータ 13によって動作することができ、適切な処理をおこなうことができる。
[0030] [第 4実施例]
次に本発明の第 4実施例による燃料電池システムについて説明する。図 6は、第 4 実施例の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図 6を参照して、第 4実 施例による燃料電池システムは、第 3実施例の燃料電池システムと同様の構成を有 している。従って、異なる点を説明する。第 4実施例では、補助電源パック 50に代え て、補助電源パック 50'が使用される。補助電源パック 50'内では、一次電池 5に代 えて、リチウムイオン二次電池 2'が使用されている。その他の構成は、補助電源パッ ク 50と同じである。また、第 4実施例では、補助電源パック 50'内の二次電池 2を充電 するために、燃料電池 1の出力と、合成回路 30の補助電源パック 50'側の入力との 間に充電回路 4が設けられている。充電回路 4は、制御回路 10により制御されている 。更に、補機 8の電力は、合成回路 30の出力から DCZDCコンバータ回路 18を介し て供給されている。 DCZDCコンバータ回路 18も制御回路 10により制御されている
[0031] 図 6を参照して、燃料電池 1からの電力と二次電池 2からの電力が合成回路 30で合 成され、パーソナルコンピュータのような負荷に供給されている。また、第 4実施例の 燃料電池システムでは、燃料電池 1から充電回路 11,保護回路 7を介して常に二次 電池 2を充電することができる。ポンプなどの補機 8は、比較的消費電力が大きいと考 えられるので、補機 8の制御のための電力は、燃料電池 1から DCZDCコンバータ 1 3を介して供給される。
保護回路 7とコネクタ 60を介して二次電池 2から合成回路 30へ電力が供給され、ま たコネクタ 60を介して DCZDCコンバータ 13から制御回路 10へ変換電力が供給さ れる。図 6の構成によれば、過電流などで保護回路 7が働き、補助電源パック 50'か ら合成回路 30への出力がオフされても、制御回路 10は DCZDCコンバータ 13から の電力によって動作することができ、異常時でも適切な処理を行うことができる。
[0032] [第 5実施例]
次に、本発明の第 5実施例による燃料電池システムについて説明する。図 7は、第 5実施例の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図 7を参照して、第 5実 施例の燃料電池システムは、第 4実施例と同様の回路構成を有している。即ち、第 5 実施例の燃料電池システムは、燃料電池 1と、充電回路 4と、合成回路 30と、 DC/ DCコンバータ回路 18と、補機 8と、スィッチ回路 32と、制御回路 10とを備えている。 補助電源パック 50"はコネクタ 60を介して燃料電池システムに接続されて 、る。合成 回路 30は、ダイオードにより形成されており、燃料電池 1からの電力と補助電源パッ ク 50からの電力を合成してパーソナルコンピュータのような負荷に供給する。補助電 源パック 50"は、リチウムイオン二次電池 2，と、保護回路 7と、 DCZDCコンバータ 13 と、 DC/DCコンバータ回路 33を備えている。
[0033] 二次電池 2'は、保護回路 7、コネクタ 60を介して合成回路 30に接続されている。
合成回路 30の出力は、負荷に加えて、 DCZDCコンバータ回路 18に接続されてい る。 DCZDCコンバータ回路 18は、合成回路 30から出力される電力を変換して補機 8に供給する。また、燃料電池 1の出力と、合成回路 30の補助電源パック 50"側の入 力との間に充電回路 4が設けられ、常に二次電池 2'を充電している。 DCZDCコン バータ回路 19は、二次電池 2'からの電力を変換して制御回路 10に供給している。 こうして、制御回路 10は動作状態にある。制御回路 10は、保護回路 7から補助電源 パック 50"からの出力の有無についてのデータを受信し、また、補助電源パック 50" 力 の出力を制御するための指示を保護回路 7に出力する。 DCZDCコンバータ回 路 33は、二次電池 2'からの電力を変換してスィッチ回路 32に供給している。スイツ チ回路 32は、操作されることにより、 DCZDCコンバータ回路 19のオン Zオフを制 御する。これにより、制御回路 10による補機 8の動作を制御することができる。
[0034] 図 7を参照して、ユーザーが電源を使用しないときには、二次電池 2'の消費電力を できる限り低く抑えることができるように、燃料電池システムのスィッチ回路 32が設け られている。スィッチ回路 32のオン Zオフにより DCZDCコンバータ回路 13の動作 を制御し、これにより制御回路 10の動作 Z停止を制御できる。但し、燃料電池システ ムのスィッチ回路 32を動作させるための低消費電力設計の DCZDCコンバータ回 路 33が必要となる。この電力も補助電源パック 50"から取ることができるように DCZ DCコンバータ回路 33が補助電源パック 50"に設けられている。
[0035] 燃料電池システムの状態によって補助電源パック 50"を安全に遮断する必要のあ る場合、例えば充電回路 4に異常が生じ過充電となり、補助電源パック 50"が発熱す るなどの危険性が高い場合には、補助電源パック 50"からの出力を遮断する回路を 必要とする。第 5実施例では、補助電源パック 50"内に保護回路 7があるので、保護 回路 7のオン Zオフを制御回路 10により制御できる。また、例えば、制御回路 10と充 電回路 4が動作している場合には、制御回路 10は保護回路 7がオンしている力オフ しているか区別がつかない。制御回路 10は、保護回路 7からの信号により、保護回 路 7がオンして!/、るかオフして!/、る力を知ることができる。
[0036] なお、上記の第 1から第 5実施例は、矛盾のない範囲で組み合わせることが可能で ある。
[0037] 上述のように、本発明の燃料電池システムによれば、補機が配置され、補助電源を 必要とする場合に、燃料電池の状態に応じて最適な制御を行うことができる。また、ま た、制御回路が遮断されないように燃料電池のほかに補助電源力 電力を常時供給 できる。

Claims

請求の範囲
[1] 燃料を用いて発電する燃料電池と、
第 1補助電源と、
前記第 1補助電源に接続され、前記第 1補助電源の異常を検出する保護回路と、 前記燃料電池に前記燃料を供給するための補機と、
前記燃料電池と前記補機の動作を制御する制御回路と、
前記第 1補助電源からの電力により前記制御回路を駆動する第 1電力変換器と、 前記燃料電池からの第 1電力と前記第 1補助電源からの第 2電力とを合成して負荷 に供給する第 1号合成部と
を具備する燃料電池システム。
[2] 請求の範囲 1に記載の燃料電池システムにお 、て、
前記第 1補助電源は、二次電池であり、
前記燃料電池と前記保護回路の間に設けられ、前記燃料電池からの電力に基づ いて前記二次電池を充電する充電回路を更に具備し、
前記制御回路は、前記燃料電池の出力に基づ!、て前記充電回路を制御する 燃料電池システム。
[3] 請求の範囲 1に記載の燃料電池システムにお 、て、
前記第 1補助電源は、一次電池である
燃料電池システム。
[4] 請求の範囲 1乃至 3のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の出力に接続されたダミー負荷回路と、
前記燃料電池の出力に接続された第 1スィッチ回路と
を更に具備し、
前記ダミー負荷に基づいて、前記燃料電池の出力が所定の範囲にあると判断され るとき、前記制御回路は、前記第 1スィッチ回路をオンする
燃料電池システム。
[5] 請求の範囲 4に記載の燃料電池システムにお 、て、
前記ダミー負荷回路は 前記燃料電池を暖めるヒーターと、
前記燃料電池の出力と前記ヒーターの間に接続された第 2スィッチ回路と を具備し、
前記制御回路は、前記燃料電池の温度に応じて前記第 2スィッチ回路のオン/オフ を制御する
燃料電池システム。
[6] 請求の範囲 1乃至 5のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記第 1補助電源からの電力を電力変換して前記第 2電力を前記第 1合成部に供 給する第 2電力変換器と、
前記第 2電力変換器に並列に設けられ、前記第 1補助電源からの電力を前記第 2 電力として前記第 1合成部に供給する第 3スィッチ回路と
を更に具備し、
前記制御回路は、第 1の所定の期間において前記第 3スィッチ回路をオンして前記 第 2電力変換部をオフし、前記第 1の所定の期間以外の期間において、前記第 3スィ ツチ回路をオフして前記第 2電力変換部をオンする
燃料電池システム。
[7] 請求の範囲 1乃至 6のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御回路は、前記補機に電力を供給する
燃料電池システム。
[8] 請求の範囲 1乃至 6のいずれか記載の燃料電池システムにおいて、
前記第 1合成部の出力に接続され、電力変換により前記補機に電力を供給する第 3電力変換器
を更に具備する燃料電池システム。
[9] 請求の範囲 1乃至 8のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記第 1補助電源と、前記保護回路と、前記第 1電力変換器とは電源パックを構成 し、前記電源パックはコネクタを介して着脱自在に接続されて ヽる
燃料電池システム。
[10] 請求の範囲 1に記載の燃料電池システムにお 、て、 直流電源と、
前記燃料電池と前記保護回路の間に設けられ、前記燃料電池からの電力に基づ V、て前記二次電池を充電する充電回路と、
前記第 1合成部の出力に接続され、電力変換により前記補機に電力を供給する第 3電力変換器と、
前記第 1合成部の入力と前記直流電源とに接続され、前記燃料電池力ゝらの電力と 前記直流電源からの電力を合成して前記充電回路に供給する第 2合成部と、 前記第 1合成部の出力と前記直流電源とに接続され、前記燃料電池からの電力と 前記直流電源力 の電力を合成して前記第 3電力変 に供給する第 3合成部と を更に具備する燃料電池システム。
[11] 請求の範囲 1に記載の燃料電池システムにお 、て、
直流電源と、
前記第 1合成部の出力に接続され、電力変換により前記補機に電力を供給する第 3電力変換器と、
前記第 1合成部の出力と前記直流電源とに接続され、前記燃料電池からの電力と 前記直流電源力 の電力を合成して前記第 3電力変 に供給する第 3合成部と を更に具備する燃料電池システム。
[12] 第 1補助電源により制御回路をオンするステップと、
前記制御回路の制御の下、前記第 1補助電源から負荷に電力を供給するステップ と、
燃料電池オン指示に応答して燃料電池をオンするステップと、
補機を駆動して前記燃料電池に燃料を供給するステップと、
前記燃料電池の動作が正常であるか否かを確認するステップと、
前記燃料電池の動作が正常であると判断されたとき、前記第 1補助電源からの電 力供給を止め、前記燃料電池力 電力を前記負荷に供給するステップと を具備する燃料電池システムの制御方法。
[13] 請求の範囲 12に記載の燃料電池システムの制御方法において、
前記第 1燃料電池は、二次電池であり、 前記燃料電池から前記負荷へ供給される前記電力に余裕があると前記制御回路 により判断されたとき、充電回路により前記第 1補助電源を充電するステップを更に 具備する
燃料電池システムの制御方法。
請求の範囲 13に記載の燃料電池システムの制御方法において、
燃料電池オフ指示に応答して、前記第 1補助電源が満充電である力否かを判定す るステップと、
満充電ではないとき、前記第 1補助電源を満充電するステップと、
前記燃料電池を前記負荷から切り離すステップと、
前記燃料電池への前記燃料の供給を止めるステップと
を更に具備する燃料電池システムの制御方法。
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