JP5099992B2 - Fuel cell control device - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の出力制御を行う燃料電池制御装置に関し、特に発電によって燃料電池内の燃料濃度が低下していく電源システムにおける燃料電池制御装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell control device that performs output control of a fuel cell, and more particularly to a fuel cell control device in a power supply system in which a fuel concentration in a fuel cell is reduced by power generation.
燃料電池は、図14に示すような非線形の出力特性を有している。図14において、曲線161、162及び163は、燃料電池の出力電流(横軸)と出力電圧(縦軸)との関係を表しており、曲線171、172及び173は、燃料電池の出力電流(横軸)と発電電力(出力電力)(縦軸)との関係を表している。
The fuel cell has nonlinear output characteristics as shown in FIG. In FIG. 14,
図14に示す如く、出力電流がゼロから増大すると発電電力も増大していく。そして、出力電流が或る電流になると発電電力は最大となり、更に出力電流が増加すると出力電圧の急激な低下を伴って発電電力も急激に減少していく。 As shown in FIG. 14, the generated power increases as the output current increases from zero. When the output current becomes a certain current, the generated power becomes maximum, and when the output current further increases, the generated power decreases rapidly with a rapid decrease in the output voltage.
一般に、発電電力に最大値を与える出力電流よりも大きな電流を燃料電池から引き出すと、燃料電池の劣化や破損を招く。従って、燃料電池を安全に使用するためには、動作電圧が発電電力に最大値を与える電圧を下回らないように制御することが重要である。 Generally, when a current larger than the output current that gives the maximum value to the generated power is drawn from the fuel cell, the fuel cell is deteriorated or damaged. Therefore, in order to use the fuel cell safely, it is important to control so that the operating voltage does not fall below the voltage that gives the maximum value to the generated power.
燃料電池の安全な動作を確保しつつ燃料電池から最大電力を取り出すために、山登り法などの探索手法を用いて最大電力を与える動作電圧(動作点)を割り出す技術が提案されている。但し、そのような技術を実現するためには、多大なデータ処理が必要となり、また、それに起因して高速な制御が困難である。 In order to extract the maximum power from the fuel cell while ensuring the safe operation of the fuel cell, a technique for determining an operating voltage (operating point) that gives the maximum power using a search method such as a hill-climbing method has been proposed. However, in order to realize such a technique, a large amount of data processing is required, and high-speed control is difficult due to this.
ところで、近年、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の開発が盛んである。この種の燃料電池に関し、燃料電池内の燃料濃度を所望の濃度とするべく、循環ポンプ等を用いつつメタノールと水を混合する方式(このような方式は、所謂アクティブ方式の一種である)も提案されている。しかしながら、循環ポンプ等が必要な分、システムの規模が大きくなり、特に携帯機器への搭載は難しくなる。 By the way, in recent years, development of direct methanol fuel cells that generate electricity using methanol as a direct fuel has been actively developed. With respect to this type of fuel cell, there is also a method of mixing methanol and water using a circulation pump or the like (such a method is a kind of so-called active method) in order to obtain a desired fuel concentration in the fuel cell. Proposed. However, since a circulation pump or the like is necessary, the scale of the system increases, and it becomes difficult to mount it on a portable device.
携帯機器への搭載等を目指すべく、メタノールの濃度制御するための循環ポンプ等を用いない、所謂パッシブ方式も提案されている。パッシブ方式を採用した場合、発電によって燃料電池内の燃料濃度が低下していくことになる。燃料濃度が低下すると、出力電流−出力電圧特性は曲線161から162、163のように変化すると共に出力電流−出力電力特性は曲線171から172、173のように変化する。つまり、燃料濃度の変化によって、燃料電池の出力特性が変化し、燃料電池を安全に使用できる電圧領域(電流領域)も変化することになる。
A so-called passive system that does not use a circulation pump or the like for controlling the concentration of methanol has been proposed in order to be mounted on a portable device. When the passive method is adopted, the fuel concentration in the fuel cell is reduced by power generation. When the fuel concentration decreases, the output current-output voltage characteristics change from
パッシブ方式を採用した場合でも、勿論、燃料電池の安全な動作を確保する制御が必要となるが、燃料電池内の燃料濃度を検出するべく濃度センサーなどを搭載すると、コスト面及びサイズ面でデメリットが生じ、特に携帯機器には不適当である。 Even when the passive method is adopted, of course, control to ensure the safe operation of the fuel cell is necessary. However, if a concentration sensor or the like is installed to detect the fuel concentration in the fuel cell, it is disadvantageous in terms of cost and size. This is particularly unsuitable for portable devices.
尚、下記特許文献1には、燃料電池の出力電流/電圧特性を内部データを用いて推定し、推定した出力電流/電圧特性に基づいて要求出力電圧と要求出力電流を決定する技術が開示されている。
発電によって燃料電池内の燃料濃度が低下していく電源システムに用いられる、適切な(例えば、簡素な構成を有する)燃料電池制御装置は提案されていないのが実情である。尚、説明の具体化ため、パッシブ方式に着目して従来技術の問題を説明したが、パッシブ方式という方式上の分類に関係なく、燃料電池の動作の安全性の確保は重要である。 The actual situation is that an appropriate fuel cell control device (for example, having a simple configuration) used for a power supply system in which the fuel concentration in the fuel cell is reduced by power generation has not been proposed. For the sake of specific explanation, the problems of the prior art have been described focusing on the passive method, but it is important to ensure the safety of the operation of the fuel cell regardless of the classification of the passive method.
そこで本発明は、簡素な構成で安全に燃料電池を動作させることができる燃料電池制御装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell control device that can operate a fuel cell safely with a simple configuration.
上記の目的を実現するために本発明に係る第1の燃料電池制御装置は、燃料電池の総発電電力量を検出する総発電電力量検出部と、検出された総発電電力量に基づいて前記燃料電池の出力電圧の下限電圧を設定する下限電圧設定部と、前記燃料電池の出力側に設けられた電圧変換器と、前記出力電圧が前記下限電圧を下回らないように前記電圧変換器を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first fuel cell control device according to the present invention includes a total generated power amount detecting unit that detects a total generated power amount of a fuel cell, and the detected total generated power amount based on the detected total generated power amount. A lower limit voltage setting unit for setting a lower limit voltage of the output voltage of the fuel cell; a voltage converter provided on the output side of the fuel cell; and controlling the voltage converter so that the output voltage does not fall below the lower limit voltage And a control unit.
そして具体的には例えば、第1の燃料電池制御装置は、発電によって燃料電池内の燃料濃度が低下していく電源システムにおいて用いられる。発電で燃料濃度が低下していく電源システムにおいては、総発電電力量の増加に伴って燃料濃度は低下していく。一方、燃料電池の特性から、燃料濃度の変化に伴って燃料電池を安全に使用できる出力電圧の下限は変化する。これを考慮し、総発電電力量に基づいて燃料電池の出力電圧の下限電圧を設定し、出力電圧が下限電圧を下回らないように制御する。つまり、上記の構成によれば、簡素な構成で安全に燃料電池を動作させることが可能となる。 Specifically, for example, the first fuel cell control device is used in a power supply system in which the fuel concentration in the fuel cell is reduced by power generation. In a power supply system in which the fuel concentration decreases with power generation, the fuel concentration decreases as the total power generation amount increases. On the other hand, the lower limit of the output voltage at which the fuel cell can be safely used varies with the change in the fuel concentration due to the characteristics of the fuel cell. Considering this, the lower limit voltage of the output voltage of the fuel cell is set based on the total amount of generated power, and control is performed so that the output voltage does not fall below the lower limit voltage. That is, according to said structure, it becomes possible to operate a fuel cell safely with a simple structure.
具体的には例えば、前記下限電圧設定部は、検出された総発電電力量が増加するに従って、設定する前記下限電圧を増加させる。 Specifically, for example, the lower limit voltage setting unit increases the lower limit voltage to be set as the detected total amount of generated power increases.
また例えば、前記下限電圧設定部は、検出された総発電電力量と設定されるべき前記下限電圧との関係を表す、予め定められた第1の関数を用いて、前記下限電圧を設定する。 Further, for example, the lower limit voltage setting unit sets the lower limit voltage using a predetermined first function that represents a relationship between the detected total generated power amount and the lower limit voltage to be set.
関数を用いて下限電圧を設定するようにすれば、処理の高速化及び簡素化を期待することができる。 If the lower limit voltage is set using a function, it is possible to expect speeding up and simplification of processing.
また例えば、前記下限電圧は、前記燃料電池に最大電力を出力させる時における前記燃料電池の出力電圧を下回らない電圧に設定される。 For example, the lower limit voltage is set to a voltage that does not fall below the output voltage of the fuel cell when the maximum electric power is output from the fuel cell.
また例えば、前記燃料電池の出力電圧が追従すべき設定電圧と総発電電力量との関係を表す第2の関数が予め定められており、同一の総発電電力量において、前記設定電圧は常に前記下限電圧以上となっており、前記制御部は、前記第2の関数にて特定される前記設定電圧に従って前記電圧変換器を制御する。 In addition, for example, a second function representing a relationship between a set voltage to be followed by the output voltage of the fuel cell and the total generated power amount is determined in advance, and the set voltage is always the same for the same total generated power amount. The control unit controls the voltage converter in accordance with the set voltage specified by the second function.
第2の関数を燃料電池の特性等に応じて適切に設定すれば、総発電電力量との関係において最も望ましい電力(例えば、取り出せる最大電力或いはそれに近似した電力)を燃料電池に発電させる、といった制御が可能となり、燃料電池の高エネルギー効率動作も期待できる。また、同一の総発電電力量において、上記設定電圧は常に上記下限電圧以上となるため、燃料電池の安全な動作は確保される。また更に、関数を用いて設定電圧を定めるようにすれば、処理の高速化及び簡素化を期待することができる。 If the second function is appropriately set according to the characteristics of the fuel cell, etc., the most desirable power in relation to the total power generation amount (for example, the maximum power that can be extracted or power approximate to it) is generated by the fuel cell. Control becomes possible, and high energy efficient operation of the fuel cell can be expected. In addition, since the set voltage is always equal to or higher than the lower limit voltage at the same total generated electric energy, safe operation of the fuel cell is ensured. Furthermore, if the set voltage is determined using a function, it is possible to expect speeding up and simplification of processing.
そして例えば、前記電圧変換器の出力側において、負荷と二次電池を並列接続させてもよい。 For example, a load and a secondary battery may be connected in parallel on the output side of the voltage converter.
燃料電池の出力電圧を所望の設定電圧に追従させると、該設定電圧に応じた所定の電力の発電がなされる。この場合において、負荷で消費されない余剰電力が生じたときは、その余剰電力によって二次電池が充電され、また、負荷に対する不足電力分は、二次電池の放電によってまかなわれる。このように、負荷に二次電池を並列接続することにより、負荷の軽重に応じた電力の有効利用が可能となる。 When the output voltage of the fuel cell is made to follow a desired set voltage, a predetermined power is generated according to the set voltage. In this case, when surplus power that is not consumed by the load is generated, the secondary battery is charged by the surplus power, and the insufficient power for the load is covered by the discharge of the secondary battery. As described above, by connecting the secondary batteries in parallel to the load, it is possible to effectively use the electric power according to the light weight of the load.
また例えば、前記燃料電池の温度または前記燃料電池の周辺の温度を検出する温度検出部を更に備え、前記下限電圧設定部は、総発電電力量だけでなく検出された前記温度にも基づいて前記下限電圧を設定する。 Further, for example, a temperature detection unit that detects a temperature of the fuel cell or a temperature around the fuel cell is further provided, and the lower limit voltage setting unit is based not only on the total amount of generated power but also on the detected temperature. Set the lower limit voltage.
燃料電池は化学反応に起因する自己発熱や周辺温度の影響を受けて出力特性が変化し、これに伴って安全動作領域も変化するが、上記のように燃料電池の温度または周辺温度にも基づいて下限電圧を設定するようにすれば、燃料電池をより安全に動作させることが可能となる。 Fuel cells change their output characteristics due to the effects of self-heating due to chemical reactions and ambient temperature, and the safe operating area changes accordingly, but also based on the fuel cell temperature or ambient temperature as described above. If the lower limit voltage is set, the fuel cell can be operated more safely.
また例えば、前記燃料電池の温度または前記燃料電池の周辺の温度を検出する温度検出部を更に備え、前記第2の関数と総発電電力量にて特定される前記設定電圧は、検出された前記温度に基づいて補正され、前記制御部は、補正後の設定電圧に従って前記電圧変換器を制御する。 In addition, for example, a temperature detection unit that detects a temperature of the fuel cell or a temperature around the fuel cell is further provided, and the set voltage specified by the second function and the total generated power amount is detected. Correction is performed based on the temperature, and the control unit controls the voltage converter according to the corrected set voltage.
これによっても、燃料電池のより安全な動作を実現可能である。 This also enables safer operation of the fuel cell.
また例えば、前記制御部による前記電圧変換器に対する制御にも拘らず、前記出力電圧が前記下限電圧を下回った場合、前記制御部は、負荷と燃料電池を切り離すとよい。 In addition, for example, when the output voltage falls below the lower limit voltage despite the control of the voltage converter by the control unit, the control unit may disconnect the load and the fuel cell.
また例えば、前記制御部による前記電圧変換器に対する制御にも拘らず、前記出力電圧が前記下限電圧を下回った場合、前記制御部は、前記燃料電池の発電が停止するように前記電圧変換器を制御してもよい。 In addition, for example, when the output voltage falls below the lower limit voltage despite the control of the voltage converter by the control unit, the control unit causes the voltage converter to stop the power generation of the fuel cell. You may control.
負荷と燃料電池を切り離すことにより、または発電を停止させることにより、燃料電池の予期せぬ劣化や破損を防止することができる。 Unexpected deterioration or breakage of the fuel cell can be prevented by disconnecting the load and the fuel cell or by stopping power generation.
また例えば、検出された総発電電力量が所定の設定電力量に達したときに、燃料の残量に関する報知を行うための制御信号を出力する制御信号出力部を更に備えるとよい。 Further, for example, a control signal output unit that outputs a control signal for notifying the remaining amount of fuel when the detected total generated power amount reaches a predetermined set power amount may be further provided.
また、上記の目的を実現するために本発明に係る第2の燃料電池制御装置は、所定の基準時点からの経過時間に応じて燃料電池の出力電圧を変化させる制御部を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the second fuel cell control device according to the present invention includes a control unit that changes the output voltage of the fuel cell in accordance with an elapsed time from a predetermined reference time point. And
具体的には例えば、前記制御部は、前記経過時間が増加するに従って前記出力電圧を増加させる。 Specifically, for example, the control unit increases the output voltage as the elapsed time increases.
また、上記の目的を実現するために本発明に係る第3の燃料電池制御装置は、燃料電池の発電時間に応じて前記燃料電池の出力電圧を変化させる制御部を備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a third fuel cell control device according to the present invention includes a control unit that changes the output voltage of the fuel cell according to the power generation time of the fuel cell. .
具体的には例えば、前記制御部は、前記発電時間が増加するに従って前記出力電圧を増加させる。 Specifically, for example, the control unit increases the output voltage as the power generation time increases.
そして具体的には例えば、第2又は第3の燃料電池制御装置は、発電によって燃料電池内の燃料濃度が低下していく電源システムにおいて用いられる。第2又は第3の燃料電池制御装置によれば、より簡素な構成で安全に燃料電池を動作させることが可能となる。 Specifically, for example, the second or third fuel cell control device is used in a power supply system in which the fuel concentration in the fuel cell is reduced by power generation. According to the second or third fuel cell control device, the fuel cell can be safely operated with a simpler configuration.
上述した通り、本発明に係る燃料電池制御装置によれば、簡素な構成で安全に燃料電池を動作させることが可能となる。 As described above, according to the fuel cell control device of the present invention, the fuel cell can be safely operated with a simple configuration.
<<第1実施形態>>
以下、本発明の第1実施形態に係る燃料電池電源システムについて説明する。図1は、本発明の各実施形態に用いられる燃料電池(燃料電池本体)1のセル構造を示す模式図である。
<< First Embodiment >>
Hereinafter, a fuel cell power supply system according to a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic diagram showing a cell structure of a fuel cell (fuel cell main body) 1 used in each embodiment of the present invention.
燃料電池1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り、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31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32と、燃料極31と空気極32との間に挟まれた固体高分子電解質膜33と、を有して構成される。
The
燃料カートリッジ30には、水にて希釈されたメタノールが蓄えられている。燃料カートリッジ30内のメタノールは、直接、燃料極31に供給される。空気極32は、空気と接している。
The
燃料極31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33を通って空気極32に到達し、電子は外部回路(負荷など)を通って空気極32に到達する。空気極32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31にて発生する二酸化炭素及び空気極32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。燃料極31を負極とし空気極32の正極とした両極間の電圧が、燃料電池1の出力電圧VFCとして外部回路(負荷など)に出力される。
In the
燃料カートリッジ30は、燃料電池1に対して着脱自在となっており、燃料カートリッジ30を装着した際にメタノール(希釈メタノール)が燃料極31に供給される。未使用の燃料カートリッジ30内のメタノールの濃度(即ち、初期濃度)は、例えば重量比で60%である。また、未使用の燃料カートリッジ30を装着し、未だ発電を行っていない状態を初期状態と呼ぶことにする。
The
燃料極31に供給されるメタノールの濃度(燃料濃度)を所望の濃度とするべく、循環ポンプ等を用いつつメタノールと水を混合する方式も提案されているが、本実施形態では、メタノールの濃度制御するための循環ポンプ等を用いない、所謂パッシブ方式を採用している。また、空気極32には自然対流にて空気(酸素)が供給されるが、ポンプ等を用いて空気(酸素)を空気極32に供給する方式を採用しても構わない。
In order to obtain a desired concentration of methanol (fuel concentration) supplied to the
上記のように構成した場合、燃料電池1の燃料極31における燃料濃度は、発電によって初期濃度から低下していく。燃料濃度が変化すると、燃料電池1の発電特性(出力特性)も変化する。
When configured as described above, the fuel concentration in the
図2の曲線61、62及び63は、それぞれ、燃料濃度がD1、D2及びD3の場合における、燃料電池1の出力電流IFC(横軸)と出力電圧VFC(縦軸)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2から分かるように、燃料濃度の低下に伴って燃料電池1が出力可能な電流は減少していく。また、同一の燃料濃度において、出力電流IFCが増加すれば出力電圧VFCは減少する。
図2の曲線71、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、燃料電池1の出力電流IFC(横軸)と発電電力(出力電力)PFC(縦軸)との関係を表している。同一の燃料濃度において、出力電流IFCがゼロから増大すると発電電力PFCも増大していく。そして、出力電流IFCが各燃料濃度に対応する或る電流になると発電電力PFCは最大となり、更に出力電流IFCが増加すると出力電圧VFCの急激な低下を伴って発電電力PFCも急激に減少していく。
燃料濃度がD1の場合において、発電電力PFCの最大値(最大電力)をP1とし、発電電力PFCに最大値P1を与える出力電流IFC及び出力電圧VFCを、それぞれI1及びV1とする。燃料濃度がD2の場合において、発電電力PFCの最大値(最大電力)をP2とし、発電電力PFCに最大値P2を与える出力電流IFC及び出力電圧VFCを、それぞれI2及びV2とする。燃料濃度がD3の場合において、発電電力PFCの最大値(最大電力)をP3とし、発電電力PFCに最大値P3を与える出力電流IFC及び出力電圧VFCを、それぞれI3及びV3とする。燃料濃度が決まれば、発電電力PFCの最大値、並びに発電電力PFCに最大値を与える出力電流IFC及び出力電圧VFCは定まる。 In the case where the fuel concentration is D1, the maximum value of the generated power P FC (maximum power) and P1, the output current I FC and output voltage V FC gives the maximum value P1 in the generated power P FC, respectively and I1 and V1 . In the case where the fuel concentration is D2, the maximum value of the generated power P FC (maximum power) and P2, the output current I FC and output voltage V FC gives the maximum value P2 in generated power P FC, respectively and I2 and V2 . In the case where the fuel concentration is D3, the maximum value of the generated power P FC (maximum power) and P3, the output current I FC and output voltage V FC gives the maximum value P3 in the generated power P FC, respectively and I3 and V3 . Once the fuel concentration, the maximum value of the generated power P FC, and the output current I FC and output voltage V FC gives the maximum value in the generated power P FC is determined.
上述の如く不等式:「D1>D2>D3」が成立する場合、燃料電池1の特性から、3つの不等式:「I1>I2>I3」、「V1<V2<V3」、「P1>P2>P3」が成立することになる。
When the inequality: “D1> D2> D3” is satisfied as described above, the three inequalities: “I1> I2> I3”, “V1 <V2 <V3”, “P1> P2> P3” are obtained from the characteristics of the
一般に、発電電力PFCに最大値を与える出力電流IFC(例えば、燃料濃度D1においてI1)よりも大きな電流を燃料電池1から引き出すと、燃料電池1の劣化や破損を招く。従って、燃料電池1を安全に使用するためには、例えば燃料濃度D1において出力電圧VFCがV1を下回らないようにする必要がある(そのような条件を満たす安全動作領域にて動作させる必要がある)。
Generally, when a current larger than the output current I FC (for example, I1 at the fuel concentration D1) that gives the maximum value to the generated power P FC is drawn from the
ところで、燃料極31と空気極32における化学反応の反応式は分かっているため、或る値の電力が発電された場合に、どれだけのメタノールが消費されたかは算出可能である。そして、未使用の燃料カートリッジ30に含まれるメタノールの含有量(またはメタノールの重量)と上記初期濃度が分かっていれば、初期状態からの総発電電力量に基づいてその時々の燃料濃度を推定することが可能である。
By the way, since the reaction formula of the chemical reaction in the
そこで、本実施形態では、上記含有量及び初期濃度を参照の上、初期状態からの総発電電力量に基づいて燃料濃度を推定する。この推定は、例えば、後述する下限電圧設定部22及び/又は設定電圧制御部23によって行われる。ここで、初期状態からの総発電電力量とは、初期状態をゼロとした場合の燃料電池1の発電電力の積算値である。以下、初期状態からの総発電電力量を、(原則として)単に総発電電力量Ptと称する。設計段階における実験にて、総発電電力量Ptとの関係における燃料濃度を濃度センサーを用いて測定し、その測定結果に基づいて総発電電力量Ptと燃料濃度との関係を推定するようにしてもよい。
Therefore, in the present embodiment, the fuel concentration is estimated based on the total power generation amount from the initial state with reference to the content and the initial concentration. This estimation is performed by, for example, a lower limit
総発電電力量Pt(横軸)と燃料濃度(縦軸)との関係を、図3の実線65に示す。当然のことではあるが、総発電電力量Ptが増加するにつれて燃料濃度は減少してゆく。Pt=0における燃料濃度は上記初期濃度と一致する。
The relationship between the total power generation amount Pt (horizontal axis) and the fuel concentration (vertical axis) is shown by a
総発電電力量PtがPt1、Pt2、Pt3の時に推定された燃料濃度が、それぞれ上記のD1、D2、D3であるとする。この推定が誤差なく理想的になされているならば、総発電電力量PtがPt1、Pt2及びPt3の時において、発電電力PFCに最大値を与える出力電圧VFCは、それぞれV1、V2及びV3となる。 Assume that the fuel concentrations estimated when the total power generation amount Pt is Pt1, Pt2, and Pt3 are D1, D2, and D3, respectively. If this estimation is ideally performed without error, when the total generated power amount Pt is Pt1, Pt2, and Pt3, the output voltages V FC that give the maximum value to the generated power P FC are V1, V2, and V3, respectively. It becomes.
発電電力PFCに最大値を与える出力電圧VFCは、総発電電力量Ptの関数(以下、「最大電力関数」と呼ぶ)として表すことができる。図3の実線66は、この最大電力関数のグラフ、即ち、総発電電力量Pt(横軸)と発電電力PFCに最大値を与える出力電圧VFC(縦軸)との関係を表すグラフである。(Pt1、V1)、(Pt2、V2)及び(Pt3、V3)は実線66上にのる。尚、実線67については後に説明する。
The output voltage V FC giving the maximum value to the generated power P FC can be expressed as a function of the total generated power amount Pt (hereinafter referred to as “maximum power function”). The
本実施形態では、任意の総発電電力量Ptにおいて燃料電池1の出力電圧VFCが最大電力関数にて特定される電圧を下回らないように、制御がなされる。図4は、第1実施形態に係る燃料電池電源システムの電気的な全体構成図である。
In the present embodiment, control is performed so that the output voltage V FC of the
燃料電池1の正極(空気極32)は電解コンデンサ2の正極に接続され、燃料電池1の負極(燃料極31)は電解コンデンサ2の負極に接続されている。燃料電池1の負極は、例えば基準電位を有するグランドラインに接続されている。燃料電池1の両極間には、燃料電池1の出力電圧VFCを検出するための電圧検出器4が設けられている。燃料電池1の正極は、燃料電池1の出力電流IFCを検出するための電流検出器3(例えば、シャント抵抗)を介して誤差増幅器5の非反転入力端子(+)とコイル6の一端に接続されている。
The positive electrode (air electrode 32) of the
コイル6の他端は、Nチャンネルの電界効果トランジスタ7(以下、FET7と呼ぶ)のドレイン、ダイオード8のカソード及びダイオード9のアノードに共通接続されている。ダイオード9のカソードは、電解コンデンサ10の正極とスイッチ11の一端に共通接続されている。スイッチ11の他端は負荷12を介してグランドラインに接続され、FET7のソース、ダイオード8のアノード及び電解コンデンサ10の負極もグランドラインに接続されている。
The other end of the
誤差増幅器5の反転入力端子(−)には、設定電圧制御部23からの設定電圧Vrefが印加されている。PWM比較器13の非反転入力端子(+)及び反転入力端子(−)には、それぞれ誤差増幅器5の出力電圧及び三角波発生回路14が出力する三角波状の電圧が与えられており、PWM比較器13は、パルス幅変調された信号を、FET7のゲートに供給する。
The set voltage Vref from the set
誤差増幅器5において、燃料電池1の出力電圧VFCと設定電圧Vrefが比較され、定常状態においては、それら2つの電圧が等しくなるようにFET7はオン/オフ制御される。コイル6、FET7、ダイオード8及び9は、燃料電池1の出力電圧VFCを昇圧して出力する昇圧コンバータ(電圧変換器)を構成している。
The
総発電電力量検出部21は、電流検出器3による出力電流IFCの検出結果と電圧検出器4による出力電圧VFCの検出結果を逐次受け取り、出力電流IFCと出力電圧VFCとの積の積算値から総発電電力量Ptを逐次算出する。総発電電力量検出部21は、所定の間隔をおいて次々と出力する総発電電力量Ptを更新する。
The total generated
下限電圧設定部22は、総発電電力量検出部21が算出した総発電電力量Ptに基づいて出力電圧VFCの下限である下限電圧VLLを設定して出力する。この際、総発電電力量Ptに基づいて燃料濃度を推定し、推定した燃料濃度に基づいて下限電圧VLLを設定するようにしてもよい。下限電圧VLLは、総発電電力量Ptの更新に併せて逐次更新される。
The lower limit
下限電圧VLLは、例えば上記の最大電力関数(第1の関数)に従って決定される。つまり、或るタイミングにおける下限電圧VLLは、そのタイミングの総発電電力量Ptにおいて発電電力PFCに最大値を与える出力電圧VFCと等しい、とされる。例えば、与えられた総発電電力量Ptの値がPt1、Pt2及びPt3である場合、VLLは、それぞれV1、V2及びV3とされる。また、上記説明から明らかなように、総発電電力量Ptが大きくなるに従って下限電圧VLLは大きくなる。これにより、燃料電池1を確実に安全動作領域で動作させることができる。
The lower limit voltage V LL is determined, for example, according to the above maximum power function (first function). That is, the lower limit voltage V LL at a certain timing is equal to the output voltage V FC that gives the maximum value to the generated power P FC at the total generated power amount Pt at that timing. For example, if the value of a given total power generation amount Pt is Pt1, Pt2, and Pt3, V LL is respectively V1, V2 and V3. Further, as is clear from the above description, the lower limit voltage V LL increases as the total generated power amount Pt increases. Thereby, the
設定電圧制御部23は、総発電電力量検出部21が算出した総発電電力量Ptに基づいて出力電圧VFCが追従すべき設定電圧Vrefを設定し、設定した設定電圧Vrefを誤差増幅器5に出力する。この際、総発電電力量Ptに基づいて燃料濃度を推定し、推定した燃料濃度に基づいて設定電圧Vrefを設定するようにしてもよい。設定電圧Vrefは、総発電電力量Ptの更新に併せて逐次更新される。
The set
設定電圧Vrefは、図3の実線67にて表される設定電圧関数(動作電圧関数;第2の関数)に従って決定される。実線67は、総発電電力量Ptと出力電圧VFCが追従すべき設定電圧Vref(動作電圧)との関係を表すグラフである。設定電圧Vrefは、任意の同一の総発電電力量Ptにおける下限電圧VLL(発電電力PFCに最大値を与える出力電圧VFC)よりも、例えば、常にΔVaだけ高い(但し、ΔVa>0)。与えられた総発電電力量Ptの値がPt1、Pt2及びPt3である場合、Vrefは、例えば、それぞれ(V1+ΔVa)、(V2+ΔVa)及び(V3+ΔVa)とされる。勿論、与えられた総発電電力量Ptの値がPt1、Pt2及びPt3である場合におけるVrefを、それぞれ(V1+ΔVa1)、(V2+ΔVa2)及び(V3+ΔVa3)としても構わない(ΔVa1、ΔVa2及びΔVa3は互いに異なるが、全てゼロよりも大きい)。
The set voltage Vref is determined according to a set voltage function (operating voltage function; second function) represented by a
このように設定電圧Vrefを下限電圧VLLよりも高くするのは、燃料電池1のより安全な動作を確保するためである。ΔVaやΔVa1、ΔVa2及びΔVa3を決定する上で考慮すべき事項を、図5を用いて説明する。図5は、燃料電池1が或る一定電力の発電を継続していると仮定した場合における、下限電圧VLL、設定電圧Vref及び総発電電力量Ptを、時間を横軸として表したグラフである。
The reason why the set voltage Vref is set higher than the lower limit voltage V LL in this way is to ensure safer operation of the
実線66aは、図3の実線66に対応する、横軸を時間に変更した最大電力関数のグラフを表している。実線67aは、図3の実線67に対応する、横軸を時間に変更した設定電圧関数のグラフを表している。実線68は、時間を横軸とした総発電電力量Ptを表している。階段状の折れ線69は、実際の出力電圧VFCを表している。設定電圧Vrefの更新は、タイミングT1、T2及びT3において行われるものとする。
A
本来、出力電圧VFCが常に実線67a上にのることが望ましいのではあるが、例えば、タイミングT2の直前では、実際の出力電圧VFCは実線67a上の電圧よりも低くなる。つまり、実際の出力電圧VFCが安全動作領域の限界を示す実線66aに接近する。これは、タイミングT1とT2の間においても総発電電力量Ptが増加しているにも拘らず、タイミングT2の直前において、誤差増幅器5に与えられる設定電圧VrefがタイミングT1におけるものに維持されていることに起因する。このような、設定電圧Vrefの更新タイミング間に発生する、実際の出力電圧VFCと実線67a上の電圧との乖離量を考慮して、上記のΔVaやΔVa1、ΔVa2及びΔVa3を決定すべきである。
Originally, it is desirable that the output voltage V FC always be on the
但し、総発電電力量Ptの増加を反映した設定電圧Vrefの更新タイミングの間隔が十分に短い場合は、ΔVa=0(又はΔVa1=ΔVa2=ΔVa3=0)、とすることも可能である。この場合、設定電圧Vrefと下限電圧VLLは一致することになる。しかしながら、より高い安全性の確保の観点からΔVa>0とすることが望ましい。 However, ΔVa = 0 (or ΔVa1 = ΔVa2 = ΔVa3 = 0) can be set when the interval of the update timing of the set voltage Vref reflecting the increase in the total power generation amount Pt is sufficiently short. In this case, the set voltage Vref and the lower limit voltage V LL coincide. However, ΔVa> 0 is desirable from the viewpoint of ensuring higher safety.
設定電圧制御部23によって電圧値が決定された設定電圧Vrefは、上述したように誤差増幅器5に与えられる。PWM比較器13が誤差増幅器5における比較結果に基づいてFET7のオン/オフのデューティ比を制御することによって、出力電流IFCが制御され、これによって出力電圧VFCが制御される(なぜならば、出力電流IFCが決まれば出力電圧VFCも決まるため)。
The set voltage Vref whose voltage value is determined by the
定常状態において、出力電圧VFCと設定電圧Vrefは原則として一致することになる。但し、図4の構成では、負荷12が軽すぎる場合等において、出力電圧VFCと設定電圧Vrefは一致しない。負荷12が軽すぎる場合、負荷12が電流を少量しか引き込まないため、出力電圧VFCは設定電圧Vrefよりも高くなり得る。出力電圧VFCと設定電圧Vrefとの乖離を抑制すべく、負荷12の消費電力を考慮して、ΔVaやΔVa1、ΔVa2及びΔVa3を適宜決定するようにしてもよい。
In a steady state, the output voltage V FC and the set voltage Vref basically coincide with each other. However, in the configuration of FIG. 4, when the
上述のように設定電圧Vrefを設定することにより、図6の動作点75に示す如く、濃度D1において、出力電圧VFCはV1よりも高くなり、これに伴って出力電流IFCがI1よりも小さくなると共に発電電力PFCが最大値P1よりも小さくなる。濃度D2及びD3に対応する動作点76及び77についても同様である。尚、図6において、図2と同一の部分には同一の符号を付してある。
By setting the set voltage Vref as described above, the output voltage V FC becomes higher than V1 at the concentration D1, as shown by the
状態監視部24は、下限電圧設定部22から出力された下限電圧VLLと電圧検出器4が検出した出力電圧VFCとを比較する。設定電圧制御部23による設定電圧Vrefの出力にも拘らず、負荷12の短絡等の異常発生に起因して出力電圧VFCが下限電圧VLLを下回った場合(或いは出力電圧VFCが下限電圧VLL以下となった場合)、状態監視部24は、スイッチ11をオフとすることにより負荷12と燃料電池1を切り離す(具体的には、ダイオード9のカソードと負荷12との接続を切断する)。これにより、燃料電池1が保護される。
The
また、出力電圧VFCが下限電圧VLLを下回った場合(或いは出力電圧VFCが下限電圧VLL以下となった場合)、スイッチ11をオフとすることに代えてFET7を強制的にオフに維持するようにしてもよい。この場合、スイッチ11を省略することができる。コイル6、FET7、ダイオード8及び9より構成される電圧変換器は昇圧コンバータであるため、FET7を強制的にオフとすれば、燃料電池1による発電は停止することになる(但し、負荷12の動作電圧が十分に高いことを想定)。
When the output voltage V FC falls below the lower limit voltage V LL (or when the output voltage V FC becomes lower than the lower limit voltage V LL ), the FET 7 is forcibly turned off instead of turning off the
また、状態監視部24は、総発電電力量Ptの上限をも監視している。この監視を含めた燃料電池電源システム全体の動作の流れを図7に示す。まず、燃料カートリッジ30が燃料電池1に装着されると、燃料電池1に燃料が充填され、初期状態になる。初期状態において、総発電電力量Ptがリセットされる(ステップS1)。即ち、ゼロとされる。次いで、総発電電力量Ptがゼロになったことに対応して、設定電圧Vrefは、上記の設定電圧関数に従った初期値とされる(ステップS2)。
The
発電が開始されると、上述の如く、総発電電力量Ptが算出され(ステップS3)、算出された総発電電力量Ptに応じた設定電圧Vrefと下限電圧VLLが設定される(ステップS4)。そして、ステップS5において、出力電圧VFCが下限電圧VLL以上となっているかが判断される(或いは、VFC>VLLが成立するかが判断される)。通常、出力電圧VFCは下限電圧VLL以上となっており(或いは、VFC>VLLとなっており)、この場合(ステップS5のY)、ステップS6に移行する。 When power generation is started, the total generated power amount Pt is calculated as described above (step S3), and the set voltage Vref and the lower limit voltage V LL corresponding to the calculated total generated power amount Pt are set (step S4). ). In step S5, it is determined whether the output voltage V FC is equal to or higher than the lower limit voltage V LL (or it is determined whether V FC > V LL is satisfied). Usually, the output voltage V FC is equal to or higher than the lower limit voltage V LL (or V FC > V LL ). In this case (Y in step S5), the process proceeds to step S6.
ステップS6では、状態監視部24が、総発電電力量Ptが設定電力量PTH以上となっているかを判断する。設定電力量PTHは、燃料濃度が燃料カートリッジ30の交換を必要とする所定濃度まで低下したと推定される総発電電力量Ptに対応しており、その値は、燃料電池電源システムの設計段階において予め設定される。総発電電力量Ptが設定電力量PTHに達していない場合(ステップS6のN)、ステップS3に戻り、ステップS3以降の動作が繰り返される。総発電電力量Ptが設定電力量PTHに達すると(ステップS6のY)、ステップS7に移行し、状態監視部24は、燃料カードリッジ30の交換を促すための制御信号を出力する。
In step S6, the
該制御信号は、例えば、当該燃料電池電源システムが搭載された機器内の図示されないCPU(Central Processing Unit)に伝達される。そのCPUは、上記制御信号を受けると、機器に備えられた報知部(不図示)を用いて燃料の残量に関する報知を行う。報知部として、表示パネル、LED(Light Emitting Diode)、スピーカ、ブザー等、機器に備えられた様々な部位を適用可能である。「燃料の残量に関する報知」とは、燃料カートリッジ30を交換することをユーザーに促す、或いは、燃料カートリッジ30の残量が少なくなっていることをユーザーに知らしめる、映像の出力や音の出力である。
The control signal is transmitted, for example, to a CPU (Central Processing Unit) (not shown) in a device on which the fuel cell power supply system is mounted. When the CPU receives the control signal, it notifies the remaining amount of fuel using a notifying unit (not shown) provided in the device. As the notification unit, various parts provided in the device such as a display panel, an LED (Light Emitting Diode), a speaker, and a buzzer can be applied. “Informing about the remaining amount of fuel” means that the user is prompted to replace the
上記の報知に従って、燃料カートリッジ30が交換されると、燃料電池1に燃料が充填或いは補充され、ステップS1に戻って、上述の動作が繰り返される。初めてステップS1に至った状態も2回目以降にステップS1に至った状態も、燃料電池1に燃料を充填或いは補充した直後の基準状態と総称することができる。
When the
また、ステップS5において、出力電圧VFCが下限電圧VLLを下回っていると判断されると(或いは、VFC≦VLLが成立すると)、ステップS9に移行する(ステップS5のN)。ステップS9では、状態監視部24によってスイッチ11がオフされ、負荷12と燃料電池1が切断される。或いは、燃料電池1による発電が停止するように昇圧コンバータが制御される。
If it is determined in step S5 that the output voltage V FC is lower than the lower limit voltage V LL (or if V FC ≦ V LL is established), the process proceeds to step S9 (N in step S5). In step S9, the
尚、ステップS6の処理を以下の処理に変更してもよい。ステップS6において、状態監視部24が、出力電圧VFCが上限電圧VUL以上となっているか(或いは、VFC>VULが成立するか)を判断する。VFC≧VUL(或いは、VFC>VUL)が成立する場合、ステップS7に移行し、VFC≧VUL(或いは、VFC>VUL)が成立しない場合、ステップS3に戻るようにする。上限電圧VULは、燃料電池電源システムの設計段階において予め設定される電圧である。総発電電力量Ptが設定電力量PTHに達すると出力電圧VFCが上限電圧VULに達するように上記の設定電圧関数は定められているため、不等式:VFC≧VULの成立と、不等式:Pt≧PTHの成立は、等価である。
Note that the processing in step S6 may be changed to the following processing. In step S6, the
また、下限電圧VLLを、上記の最大電力関数(第1の関数)に従って決定される電圧、即ち、発電電力PFCに最大値を与える出力電圧VFCと一致させる例を上述したが、上記の最大電力関数(第1の関数)に従って決定される電圧に若干のマージンを加えた電圧を下限電圧VLLとするようにしても構わない。例えば、総発電電力量Ptの値がPt1、Pt2及びPt3である場合、VLLを、それぞれ(V1+ΔVb)、(V2+ΔVb)及び(V3+ΔVb)としても構わない(但し、ΔVb>0)。つまり、上記下限電圧VLLは、燃料電池1に最大電力を出力させる時における出力電圧VFCを下回らない電圧とされる。
Further, the example in which the lower limit voltage V LL is matched with the voltage determined according to the maximum power function (first function), that is, the output voltage V FC giving the maximum value to the generated power P FC has been described above. A voltage obtained by adding a slight margin to a voltage determined according to the maximum power function (first function) may be used as the lower limit voltage V LL . For example, if the value of the total power generation amount Pt is Pt1, Pt2, and Pt3, the V LL, respectively (V1 + .DELTA.Vb), may be used as (V2 + .DELTA.Vb) and (V3 + ΔVb) (where, .DELTA.Vb> 0). That is, the lower limit voltage V LL is a voltage that does not fall below the output voltage V FC when the
また、燃料電池1の温度または燃料電池1の周辺温度を検出する温度検出部(不図示)を更に備えるようにしてもよい。具体的には例えば、燃料電池1の筐体(不図示)の表面にサーミスタを燃料電池1の筐体に熱結合させて配置し、そのサーミスタの抵抗値を検出することにより燃料電池1の温度(厳密には、上記筐体の表面の温度或いは該温度から推定される燃料電池1の温度)を検出する。この際、燃料電池1の燃料極31の温度を検出するべく、サーミスタを筐体の燃料極31に近い部分に接触させるとよい。また例えば、燃料電池1の上記筐体の表面近傍にサーミスタを配置し、そのサーミスタの抵抗値を検出することにより燃料電池1の周辺温度を検出する。
Moreover, you may make it further provide the temperature detection part (not shown) which detects the temperature of the
後に説明するように、燃料電池1のような燃料電池の単セルを直列接続した組電池の燃料電池を(燃料電池1として)採用する場合には、上記温度検出部によって、1又は複数の単セルの温度或いは周辺温度が検出されるようにしてもよい。複数の単セルの各温度(または各周辺温度)を検出する場合は、例えば、検出した各温度(または各周辺温度)の平均、最大または最小温度を燃料電池の温度(または周辺温度)として採用することもできる。単セルを積み上げてスタック構造の組電池を構成する場合は、例えば、単セル同士を分離するセパレータの表面上にサーミスタを配置する。
As will be described later, when a fuel cell of an assembled battery in which single cells of a fuel cell such as the
また、組電池を構成する各単セルを同一平面上に配列する平面配列構造を採用する場合は、燃料電池を1つの単セルで構成した場合と同様に(即ち、図1の燃料電池1の場合と同様に)、各単セルの燃料極の温度または周辺温度を検出するべく、サーミスタを筐体の燃料極に近い部分に接触させるとよい。また、組電池の周辺温度を検出する場合には、組電池の筐体(上記セパレータを含む)の表面近傍にサーミスタを配置し、そのサーミスタの抵抗値を検出すればよい。
Further, when adopting a planar arrangement structure in which the unit cells constituting the assembled battery are arranged on the same plane, the same as when the fuel cell is configured by one unit cell (that is, the
そして、下限電圧設定部22は、総発電電力量Ptに基づいて設定した下限電圧VLLを上記温度検出部によって検出された温度(燃料電池1の温度または燃料電池1の周辺温度)に応じて補正し、その補正後の下限電圧VLLを出力するようにする。状態監視部24は、補正後の下限電圧VLLと出力電圧VFCを比較することになる。
Then, the lower limit
燃料電池1は化学反応に起因する自己発熱や周辺温度の影響を受けて出力特性が変化する。出力特性が変化すると、安全動作領域も変化するため、燃料電池1をより安全に使用するべく、下限電圧VLLを検出された温度に応じて補正することが望ましい。
The output characteristics of the
例えば、任意の或る総発電電力量Ptにおいて、検出された温度が所定の基準温度よりも高い場合は、下限電圧VLLを基準温度におけるそれよりも低くする。これは、最大電力関数のグラフである実線66を図8の実線66bのように補正することに相当する。一方、任意の或る総発電電力量Ptにおいて、検出された温度が所定の基準温度よりも低い場合は、下限電圧VLLを基準温度におけるそれよりも高くする。これは、最大電力関数のグラフである実線66を図8の実線66cのように補正することに相当する。
For example, when the detected temperature is higher than a predetermined reference temperature at any given total generated power amount Pt, the lower limit voltage V LL is set lower than that at the reference temperature. This corresponds to correcting the
尚、検出された温度に応じて、下限電圧VLLをどのように補正するかは、燃料電池1の特性に応じ、実験等を用いつつ予め定めておけばよい。
It should be noted that how to correct the lower limit voltage V LL according to the detected temperature may be determined in advance according to the characteristics of the
また、燃料電池1の温度等に応じて下限電圧VLLを補正したのと同様の観点から、燃料電池1をより安全に使用するべく、設定電圧Vrefも検出された温度に応じて補正するようにしても良い。つまり、総発電電力量Ptに基づいて設定した設定電圧Vrefを上記温度検出部によって検出された温度(燃料電池1の温度または燃料電池1の周辺温度)に応じて補正し、その補正後の設定電圧Vrefを設定電圧制御部23が出力するようにする。誤差増幅器5は、補正後の設定電圧Vrefと出力電圧VFCを比較することになる。
Further, from the same point of view that the lower limit voltage VLL is corrected according to the temperature of the
例えば、任意の或る総発電電力量Ptにおいて、検出された温度が所定の基準温度よりも高い場合は、設定電圧Vrefを基準温度におけるそれよりも低くする。これは、設定電圧関数のグラフである実線67を図9の実線67bのように補正することに相当する。一方、任意の或る総発電電力量Ptにおいて、検出された温度が所定の基準温度よりも低い場合は、設定電圧Vrefを基準温度におけるそれよりも高くする。これは、設定電圧関数のグラフである実線67を図9の実線67cのように補正することに相当する。
For example, when the detected temperature is higher than a predetermined reference temperature at any given total generated electric energy Pt, the set voltage Vref is set lower than that at the reference temperature. This corresponds to correcting the
尚、検出された温度に応じて、設定電圧Vrefをどのように補正するかは、燃料電池1の特性に応じ、実験等を用いつつ予め定めておけばよい。
Note that how to correct the set voltage Vref according to the detected temperature may be determined in advance according to the characteristics of the
<<第2実施形態>>
次に、本発明の第2実施形態に係る燃料電池電源システムについて説明する。図10は、第2実施形態に係る燃料電池電源システムの電気的な全体構成図である。第2実施形態に係る燃料電池電源システムは、負荷12と並列に接続された二次電池15が新たに設けられている点で、第1実施形態における燃料電池電源システムと相違しており、その他の点において、第1及び第2実施形態における燃料電池電源システムは一致している。図10において、図4と同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分の重複する説明を省略する。
<< Second Embodiment >>
Next, a fuel cell power supply system according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is an overall electrical configuration diagram of the fuel cell power supply system according to the second embodiment. The fuel cell power supply system according to the second embodiment is different from the fuel cell power supply system according to the first embodiment in that a
二次電池15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、それ以外の如何なる二次電池を、二次電池15として採用しても構わないのは勿論である。二次電池15の正電圧出力端子(正極)は、スイッチ11と負荷12との接続点に接続され、二次電池15の負電圧出力端子(負極)は、グランドラインに接続されている。
The
第2実施形態に係る燃料電池電源システムの動作は、第1実施形態における動作と同様である。但し、負荷12に二次電池15を並列接続していることにより、二次電池15の充放電が行われる。
The operation of the fuel cell power supply system according to the second embodiment is the same as the operation in the first embodiment. However, charging / discharging of the
図11に、負荷12の消費電力が時間と共に変化する場合における、燃料電池1の発電と二次電池15の充放電との関係を表す図を示す。折れ線78に示す如く、負荷12の消費電力が或る時点を基準としてゼロから単調増加する場合を考える。尚、説明の簡略化上、昇圧コンバータ等における電力損失は無視する。
FIG. 11 illustrates a relationship between the power generation of the
燃料電池1による発電電力は、負荷12の消費電力に関係なく、上記の設定電圧Vrefに応じた電力に維持される。このため、燃料電池1の発電電力が負荷12の消費電力を上回っている期間において、発電電力から消費電力を差し引いた電力に相当する余剰電力(図11の斜線部79に対応)によって二次電池15が充電される。一方、燃料電池1の発電電力が負荷12の消費電力を下回っている期間では、消費電力から発電電力を差し引いた電力に相当する不足電力(図11の斜線部80に対応)は、二次電池15の放電によってまかなわれる。このように、負荷12に二次電池15を並列接続することにより、負荷12の軽重に応じた電力の有効利用が可能となる。
The power generated by the
勿論、第1実施形態で説明した温度検出部を第2実施形態における燃料電池電源システムに設けるようにしてもよい。この場合、第2実施形態においても、燃料電池1の温度または燃料電池1の周辺温度に応じて下限電圧VLLや設定電圧Vrefが補正される。
Of course, the temperature detection unit described in the first embodiment may be provided in the fuel cell power supply system in the second embodiment. In this case, also in the second embodiment, the lower limit voltage VLL and the set voltage Vref are corrected according to the temperature of the
また、リチウムイオン二次電池等の二次電池15を設ける場合、通常、二次電池15の温度を検出するための、充電制御保護用のサーミスタ等が二次電池15と併せて備えられる。この充電制御保護用のサーミスタは、充電時における二次電池15の異常発熱を監視するために、二次電池15の表面或いは該表面近傍に設けられる。二次電池15と燃料電池1を近接して配置する場合、この充電制御保護用のサーミスタを燃料電池1の温度または燃料電池1の周辺温度を検出する温度検出部として用いてもよい。これにより、部品点数の削減が図られる。例えば、二次電池15と燃料電池1を同一の筐体内に配置して1つの燃料電池ユニットを構成する場合には、1つのサーミスタによって二次電池15の温度と燃料電池1の温度または燃料電池1の周辺温度を検出することが可能である。
When the
<<第3実施形態>>
次に、本発明の第3実施形態に係る燃料電池電源システムについて説明する。図12は、第3実施形態に係る燃料電池電源システムの電気的な全体構成図である。第3実施形態に係る燃料電池電源システムは、第1実施形態の燃料電池電源システムにおける電流検出器3、電圧検出器4、総発電電力量検出部21、下限電圧検出部22、設定電圧制御部23及び状態監視部24を、タイマー26及び主制御部27に置換した構成となっている。その置換に関する部分以外、第1及び第3実施形態における燃料電池電源システムは同じである。図12において、図4と同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分の重複する説明を省略する。尚、電流検出器3の削除に伴い、燃料電池1の正極(空気極32)はコイル6の一端に直接接続される。
<< Third Embodiment >>
Next, a fuel cell power supply system according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 12 is an overall electrical configuration diagram of the fuel cell power supply system according to the third embodiment. The fuel cell power supply system according to the third embodiment includes a
燃料カートリッジ30が燃料電池1に装着されることにより、燃料電池1に燃料が充填若しくは補充された直後、又は、その充填若しくは補充の後、実際に燃料電池1による発電が開始した時点を基準時点とする。タイマー26は、一定時間が経過する毎にパルスを主制御部27に対して出力する。主制御部27は、タイマー26からのパルスの数をカウントすることにより、基準時点からの経過時間を認識し、その経過時間に応じて出力する設定電圧Vrefを変化させる。具体的には例えば、タイマー26からパルスが与えられる度に出力する設定電圧Vrefを所定電圧だけ増加させる。
When the
発電の開始後、発電の中断がなかった場合、上記経過時間と発電時間(実際に発電がなされている時間)は一致する。仮に、発電が中断された場合は、その中断時間を経過時間から差し引いた時間(即ち、発電時間)に応じて設定電圧Vrefを変化させるようにしてもよい。 If there is no interruption in power generation after the start of power generation, the elapsed time and the power generation time (the time during which power generation is actually performed) match. If power generation is interrupted, the set voltage Vref may be changed according to the time obtained by subtracting the interruption time from the elapsed time (that is, the power generation time).
負荷12の消費電力が一定であるとすると、電圧検出器等を用いることなく上記経過時間又は発電時間から総発電電力量を推定することができる。主制御部27は、「推定した総発電電力量」を第1及び第2実施形態における「検出した総発電電力量Pt」とみなし、上記の設定電圧関数に従って設定電圧Vrefを設定する。これにより、上記の経過時間又は発電時間が増加するに従って設定電圧Vrefは増大することになる。燃料電池1の出力電圧VFCは、(原則として)設定電圧Vrefに追従する。総発電電力量の推定が理想的になされている場合、推定した総発電電力量と燃料電池1の出力電圧VFCとの関係を表すグラフは、図3の実線67と一致することになる。
If the power consumption of the
このように、経過時間又は発電時間の増大に従って設定電圧Vrefを増大させることにより、燃料電池1を常に安全動作領域で動作させることが可能である。また、電流検出器3や電圧検出器4等が不要となるため構成が簡素となる。第3実施形態は、特に、負荷12の消費電力が比較的安定した燃料電池電源システムに適している。このような負荷12としては、例えば、非常灯や外灯などの照明機器がある。
As described above, by increasing the set voltage Vref according to an increase in elapsed time or power generation time, the
そして、上記の経過時間又は発電時間が所定の第1設定時間に達した場合、主制御部27は、スイッチ11をオフとすることにより負荷12と燃料電池1を切り離す。或いは、FET7を強制的にオフとすることにより燃料電池1による発電を停止させる。
When the elapsed time or the power generation time reaches a predetermined first set time, the
また、経過時間又は発電時間が所定の第2設定時間に達した場合、主制御部27は燃料カードリッジ30の交換を促すための制御信号を出力する。この制御信号は、図4又は図10の状態監視部24が出力する制御信号と同様のものであり、主制御部27による制御信号の出力によって第1実施形態と同様の燃料の残量に関する報知が行われる。尚、第2設定時間は第1設定時間と等しいか、或いは第1設定時間より短く設定される。
Further, when the elapsed time or the power generation time reaches a predetermined second set time, the
また、第1実施形態を第2実施形態に変形したのと同様に、第3実施形態においても、二次電池15を負荷12に並列に設けてもよい。
Similarly to the modification of the first embodiment to the second embodiment, the
また、第1実施形態で説明した温度検出部を第3実施形態においても備えるようにしてもよい。そして、経過時間又は発電時間だけでなく、検出された燃料電池1の温度または周辺温度にも応じて設定電圧Vrefを変化させるようにしてもよい。
In addition, the temperature detection unit described in the first embodiment may be provided in the third embodiment. The set voltage Vref may be changed according to not only the elapsed time or the power generation time but also the detected temperature of the
例えば、検出された温度が所定の基準温度である状態において、経過時間又は発電時間がΔT(但し、ΔT>0)だけ増加した時に、設定電圧VrefをΔVref1(但し、ΔVref1>0)だけ増大させる場合を考える。この場合、検出された温度が該基準温度より高ければ、経過時間又は発電時間がΔTだけ増加した時に、設定電圧VrefをΔVref2(但し、ΔVref2>0)だけ増大させるようにする。ここで、ΔVref1>ΔVref2が成立するようにする。ΔVref1とΔVref2との差をどのように設定するかは、燃料電池1の特性に応じ、実験等を用いつつ予め定めておけばよい。
For example, when the detected temperature is a predetermined reference temperature and the elapsed time or power generation time increases by ΔT (where ΔT> 0), the set voltage Vref is increased by ΔVref1 (where ΔVref1> 0). Think about the case. In this case, if the detected temperature is higher than the reference temperature, the set voltage Vref is increased by ΔVref2 (where ΔVref2> 0) when the elapsed time or power generation time increases by ΔT. Here, ΔVref1> ΔVref2 is established. How to set the difference between ΔVref1 and ΔVref2 may be determined in advance according to the characteristics of the
<<変形等>>
上述の各実施形態は、矛盾なき限り、任意に組み合わせることができる。上述の各実施形態では、燃料カートリッジ30が燃料電池1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30を交換する構成を例示した。しかしながら、燃料カートリッジと燃料電池(燃料電池本体)との関係は、様々に変形可能である。
<< Deformation, etc. >>
The above-described embodiments can be arbitrarily combined as long as there is no contradiction. In each of the above-described embodiments, the configuration in which the
例えば、燃料カートリッジと燃料電池(燃料電池本体)を一体として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。 For example, the fuel cartridge and the fuel cell (fuel cell main body) may be integrated into one fuel cell unit, and the entire fuel cell unit may be replaced when the fuel concentration decreases.
また例えば、図13に示す如く、燃料としてのメタノール(希釈メタノール)を燃料カートリッジ36から一旦バッファタンク35に供給する構成としてもよい。図13において、図1と同一の部分には同一の符号を付してある。燃料カートリッジ36からバッファタンク35内の移された燃料が燃料極31内にて反応して発電が行われる。この場合、燃料極31、空気極32、固体高分子電解質膜33及びバッファタンク35から成る燃料電池(燃料電池本体)に対して燃料カートリッジ36を着脱可能としておき、バッファタンク35に供給すべき燃料が燃料カートリッジ36内になくなった場合に燃料カートリッジ36のみを交換する構成とすればよい。バッファタンク35を設ける構成を採用した場合、図7のステップS7の処理を、「燃料カートリッジ36からバッファタンク35への燃料の供給」とする(但し、燃料カートリッジ36に燃料が十分にある場合)。
Further, for example, as shown in FIG. 13, methanol (diluted methanol) as fuel may be temporarily supplied from the
但し、図13に示す燃料電池を採用した場合、ステップS7の処理を経てステップS1に至った直後の燃料極31内の燃料濃度は、前回にステップS1に至った直後のそれと異なりうる。つまり、ステップS1に至るごとに、その直後の燃料濃度は異なりうる(例えば、ステップS1に至るごとに低下していく)。これは、反応によって水が生成されることに起因してバッファタンク35内に存在している水の量がステップS7に至るごとに増加するためである。
However, when the fuel cell shown in FIG. 13 is adopted, the fuel concentration in the
これを考慮し、ステップS7に至った回数をカウントしておき、その回数に応じて下限電圧VLLや設定電圧Vrefを補正するようにしても良い。具体的には、ステップS7に至った回数が増加するに従って下限電圧VLLと設定電圧Vrefを増加させる。また、ステップS7からステップS1に至る間に、「バッファタンク35内の水を排除する」という処理を挿入するようにしても良い。そうすれば、上記回数に応じた下限電圧VLL及び設定電圧Vrefの補正を省略することも可能である。
Considering this, the number of times that the process has reached step S7 may be counted, and the lower limit voltage VLL and the set voltage Vref may be corrected according to the number of times. Specifically, the lower limit voltage VLL and the set voltage Vref are increased as the number of times reaching step S7 increases. Further, during the period from step S7 to step S1, a process of “excluding water in the
燃料カートリッジ36を交換する際にバッファタンク35内の水が排除されるように構成する場合は、燃料カートリッジ36を交換したときに、カウントした上記回数をリセットする(ゼロにする)とよい。
In the case where the water in the
また、図示及び説明の簡略化のため、図1のような燃料電池の単セルを燃料電池1として採用した場合を示しているが、上述の各実施形態においては、通常、そのような単セルを直列接続した組電池の燃料電池が燃料電池1に代えて採用される。組電池の燃料電池を採用した場合、最も高電圧側の単セルの正極(空気極32)が電解コンデンサ2の正極に接続されると共に最も低電圧側の単セルの負極(燃料極31)が電解コンデンサ2の負極に接続され、最も低電圧側の単セルの負極と最も高電圧側の単セルの正極との間の電圧が出力電圧VFCとなる。
Further, for the sake of simplicity of illustration and description, the case where a single cell of a fuel cell as shown in FIG. 1 is adopted as the
上述したように、各実施形態において、コイル6、FET7、ダイオード8及び9は、昇圧コンバータ(電圧変換器)を構成している。第1及び第2実施形態において、設定電圧制御部23、状態監視部24、誤差増幅器5、PWM比較器13及び三角波発生回路14は、昇圧コンバータ(電圧変換器)を制御する制御部を構成する。また、第1及び第2実施形態において、燃料電池1の出力制御を行う燃料電池制御装置は、例えば、上記の制御部、総発電電力量検出部21、下限電圧設定部22及び昇圧コンバータ(電圧変換器)を含む。また、第1及び第2実施形態において、状態監視部24は、燃料の残量に関する報知を行うための制御信号を出力する制御信号出力部として機能する。
As described above, in each embodiment, the
第3実施形態において、タイマー26、主制御部27、誤差増幅器5、PWM比較器13及び三角波発生回路14は、昇圧コンバータ(電圧変換器)を制御する制御部を構成する。また、第3実施形態において、燃料電池1の出力制御を行う燃料電池制御装置は、例えば、上記の制御部及び昇圧コンバータ(電圧変換器)を含む。また、第3実施形態において、主制御部27は、燃料の残量に関する報知を行うための制御信号を出力する制御信号出力部として機能する。
In the third embodiment, the
また、上述の各実施形態は、メタノールの濃度制御するための循環ポンプ等を用いない、所謂パッシブ方式を採用することを前提としているが、本発明は、循環ポンプ等を用いた方式の電源システムに対しても適用可能である。この種の方式の中には、バッファタンク(不図示)内の燃料を循環させつつ燃料電池の燃料極の燃料濃度を略一定に保とうとするものがある(この方式を、以下、「方式A」と呼ぶ。)。しかしながら、発電によって燃料が消費されていくのはパッシブ方式と同じであるので、バッファタンクに新たな燃料を追加しない限り、発電によって徐々に燃料電池の燃料極の燃料濃度は低下していく。 Each of the above embodiments is based on the premise that a so-called passive system that does not use a circulation pump or the like for controlling the concentration of methanol is used, but the present invention is a power supply system using a circulation pump or the like. It is applicable to. In this type of system, there is one that attempts to keep the fuel concentration of the fuel electrode of the fuel cell substantially constant while circulating the fuel in a buffer tank (not shown) (this system is hereinafter referred to as “system A”). "). However, since fuel is consumed by power generation in the same manner as in the passive system, the fuel concentration in the fuel electrode of the fuel cell gradually decreases by power generation unless new fuel is added to the buffer tank.
そして、方式Aでは、例えば燃料濃度を検出するための燃料センサ(不図示)を設けるようにし、燃料濃度が所定の閾値を下回った場合に、メインタンク(不図示)からバッファタンクに燃料をつぎ足すようにする。メインタンクからバッファタンクに燃料を供給する時点を「燃料供給時点」と呼んだ場合、方式Aを採用した場合では、或る燃料供給時点から次回の燃料供給時点までの期間において、燃料電池の燃料極の燃料濃度は発電によって低下していくことになる。 In the system A, for example, a fuel sensor (not shown) for detecting the fuel concentration is provided, and when the fuel concentration falls below a predetermined threshold, fuel is supplied from the main tank (not shown) to the buffer tank. Add. When the time point at which fuel is supplied from the main tank to the buffer tank is referred to as “fuel supply time point”, when the method A is adopted, the fuel of the fuel cell in a period from a certain fuel supply time point to the next fuel supply time point is used. The fuel concentration at the pole will be reduced by power generation.
このため、方式Aを採用した場合でも、燃料供給時点からの燃料電池の総発電電力量を第1及び第2実施形態のように検出し、検出した総発電電力量に応じて下限電圧等を設定するようにすれば、燃料電池を安全に動作させることが可能となる。第1及び第2実施形態に方式Aを採用する場合、上記の「総発電電力量Pt」を、燃料供給時点からの燃料電池の総発電電力量と読み替えればよい。 For this reason, even when the method A is adopted, the total generated power amount of the fuel cell from the fuel supply time point is detected as in the first and second embodiments, and the lower limit voltage or the like is set according to the detected total generated power amount. If set, the fuel cell can be operated safely. When the method A is adopted in the first and second embodiments, the above-mentioned “total generated power amount Pt” may be read as the total generated power amount of the fuel cell from the fuel supply time point.
同様の理由から、第3実施形態に方式Aを採用することも可能である。この場合、上記の「経過時間」を燃料供給時点からの経過時間と読み替え、上記の「発電時間」を燃料供給時点からの発電時間と読み替えればよい。尚、上記の方式Aは、所謂アクティブ方式の一種と考えることができる。 For the same reason, it is possible to adopt the method A in the third embodiment. In this case, the “elapsed time” may be read as the elapsed time from the fuel supply time, and the “power generation time” may be read as the power generation time from the fuel supply time. The method A can be considered as a kind of so-called active method.
本発明は、携帯電話機や携帯型パーソナルコンピュータ、携帯型ゲーム機等の携帯機器の駆動用電源に好適であり、該携帯機器を含むあらゆる電気機器の駆動用電源に好適である。 The present invention is suitable for a driving power source for portable devices such as a mobile phone, a portable personal computer, and a portable game machine, and is suitable for a driving power source for all electrical devices including the portable device.
1 燃料電池
3 電流検出器
4 電圧検出器
5 誤差増幅器
6 コイル
7 FET
9 ダイオード
11 スイッチ
12 負荷
13 PWM比較器
14 三角波発生回路
15 二次電池
21 総発電電力量検出部
22 下限電圧設定部
23 設定電圧制御部
24 状態監視部
26 タイマー
27 主制御部
30 燃料カートリッジ
31 燃料極
32 空気極
33 固体高分子電解質膜
35 バッファタンク
36 燃料カートリッジ
1
DESCRIPTION OF
Claims (10)
推定された前記燃料濃度に基づいて前記燃料電池の出力電圧の下限電圧を設定する下限電圧設定部と、
前記燃料電池の出力側に設けられた電圧変換器と、
前記出力電圧が前記下限電圧を下回らないように前記電圧変換器を制御する制御部と、を備え、
前記燃料電池に燃料が充填された初期状態からの前記燃料電池の発電電力の積算値である総発電電力量を検出する総発電電力量検出部を備え、
検出された前記総発電電力量に基づいて前記燃料濃度を推定する
ことを特徴とする燃料電池制御装置。 A fuel concentration estimator for estimating the fuel concentration in the fuel cell in which the fuel concentration decreases from the initial state ;
A lower limit voltage setting unit for setting a lower limit voltage of the output voltage of the fuel cell based on the estimated fuel concentration;
A voltage converter provided on the output side of the fuel cell;
E Bei and a control unit for the output voltage to control the voltage converter so as not to fall below the lower limit voltage,
A total generated power detection unit that detects a total generated power that is an integrated value of the generated power of the fuel cell from an initial state in which the fuel cell is filled with fuel;
The fuel cell control device, wherein the fuel concentration is estimated based on the detected total generated power amount .
推定された前記燃料濃度に基づいて前記燃料電池の出力電圧の下限電圧を設定する下限電圧設定部と、
前記燃料電池の出力側に設けられた電圧変換器と、
前記出力電圧が前記下限電圧を下回らないように前記電圧変換器を制御する制御部と、を備え、
所定の基準時点からの経過時間に応じて前記燃料濃度を推定する
ことを特徴とする燃料電池制御装置。 A fuel concentration estimator for estimating the fuel concentration in the fuel cell in which the fuel concentration decreases from the initial state;
A lower limit voltage setting unit for setting a lower limit voltage of the output voltage of the fuel cell based on the estimated fuel concentration;
A voltage converter provided on the output side of the fuel cell;
A controller that controls the voltage converter so that the output voltage does not fall below the lower limit voltage, and
The fuel concentration is estimated according to the elapsed time from a predetermined reference time.
A fuel cell control device.
推定された前記燃料濃度に基づいて前記燃料電池の出力電圧の下限電圧を設定する下限電圧設定部と、
前記燃料電池の出力側に設けられた電圧変換器と、
前記出力電圧が前記下限電圧を下回らないように前記電圧変換器を制御する制御部と、を備え、
燃料電池の発電時間に応じて前記燃料濃度を推定する
ことを特徴とする燃料電池制御装置。 A fuel concentration estimator for estimating the fuel concentration in the fuel cell in which the fuel concentration decreases from the initial state;
A lower limit voltage setting unit for setting a lower limit voltage of the output voltage of the fuel cell based on the estimated fuel concentration;
A voltage converter provided on the output side of the fuel cell;
A controller that controls the voltage converter so that the output voltage does not fall below the lower limit voltage, and
Estimating the fuel concentration according to the power generation time of the fuel cell
A fuel cell control device.
前記下限電圧設定部は、前記燃料濃度だけでなく検出された前記温度にも基づいて前記下限電圧を設定することを特徴とする請求項1〜請求項6の何れかに記載の燃料電池制御装置。 A temperature detection unit for detecting a temperature of the fuel cell or a temperature around the fuel cell;
The fuel cell control device according to any one of claims 1 to 6, wherein the lower limit voltage setting unit sets the lower limit voltage based on not only the fuel concentration but also the detected temperature. .
ことを特徴とする請求項1〜請求項7の何れかに記載の燃料電池制御装置。 The control unit disconnects a load and a fuel cell when the output voltage falls below the lower limit voltage despite the control of the voltage converter by the control unit. The fuel cell control device according to claim 7.
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池制御装置。 When the total generated power amount detected has reached a predetermined set amount of power, according to claim 1, wherein, further comprising a control signal output unit for outputting a control signal for performing notification relating to the remaining amount of fuel the fuel cell control system according to.
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