燃料電池システム及びその発電制御方法
【課題】負荷への電流の大きさに関わらず、二次電池の蓄電量を必要量以上にすることができる燃料電池システム及びその発電制御方法を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、水素を発生させる水素発生部１と、水素発生部１で発生した水素を燃料として発電する燃料電池２と、二次電池５と、燃料電池２からの出力によって二次電池５を充電する充電部３と、二次電池５の電圧を検出する電圧検出部７１と、二次電池５の充放電電流を検出する電流検出部７２と、電圧検出部７１により検出された電圧値と電流検出部７２により検出された充放電電流値に基づいて、水素発生部１の水素発生量を制御する制御部６とを備え、二次電池５の電圧値及び充放電電流値に基づいて水素発生部１の水素発生量を増加または減少させることにより、二次電池５の蓄電量が必要量以上になるように燃料電池２の発電量を制御する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、水素を発生させる水素発生部１と、水素発生部１で発生した水素を燃料として発電する燃料電池２と、二次電池５と、燃料電池２からの出力によって二次電池５を充電する充電部３と、二次電池５の電圧を検出する電圧検出部７１と、二次電池５の充放電電流を検出する電流検出部７２と、電圧検出部７１により検出された電圧値と電流検出部７２により検出された充放電電流値に基づいて、水素発生部１の水素発生量を制御する制御部６とを備え、二次電池５の電圧値及び充放電電流値に基づいて水素発生部１の水素発生量を増加または減少させることにより、二次電池５の蓄電量が必要量以上になるように燃料電池２の発電量を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を燃料として発電する燃料電池と二次電池とを有する燃料電池システム及びその発電制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムには、燃料電池に接続される負荷が急変した場合に、この急変による出力低下などを抑圧するために、バッファとして二次電池やキャパシタを内蔵するものがある。このような燃料電池システムでは、通常、出力を補うために一定量の蓄電量を確保するように燃料電池の出力を制御している。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃料電池から昇圧充電回路を介して二次電池を充電し、二次電池から負荷に電力を供給する燃料電池システムが記載されている。特に、二次電池の過充電を防止するために昇圧充電回路をＣＣＣＶ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ：定電流定電圧）充電を行う燃料電池システムが示されている。このように燃料電池を用いて二次電池を充電する燃料電池システムでは、二次電池を保護しつつ充電を行う必要がある。
【０００４】
また、二次電池の蓄電量を一定量に保つ制御を行う例として、例えば、特許文献２がある。特許文献２には、二次電池である電気化学素子の充放電特性に少なくとも一つの段差を設け、その段差を基準に電流積算を組み合わせて電気化学素子の残存容量を求め、その残存容量に基づいて充放電量を制御することにより、電気化学素子の充電量を一定の範囲に維持する管理方法が記載されている。しかし、この管理方法では、電気化学素子の充放電特性に段差を設けたり、電流積算部などを用いる必要があり、電池自体の特殊化や制御回路の複雑化を招くという問題がある。
【０００５】
そこで、より簡単に二次電池に蓄電量を残す方法として、二次電池の電圧に基づいて、燃料電池の発電量を制御する方法が考えられる。この方法について以下、図５を用いて詳細に説明する。
【０００６】
図５は、従来の燃料電池システムにおける二次電池の充放電特性を模式的に示す図である。ここでは、二次電池としてリチウムイオン電池を選択した場合の充放電特性を示している。図５において、縦軸９０１は二次電池の電圧を示し、横軸９０２は二次電池に蓄積されている容量を示す。図５の容量は、横軸９０２の矢印方向に沿って減少する。
【０００７】
充電は、特許文献１にも示されているように、リチウムイオン電池で一般に採用されているＣＣＣＶ充電を行うものとする。
【０００８】
図５において、電圧レベル９０３はＣＣＣＶ充電をする場合の定電圧充電の電圧レベル（ＣＶ充電レベル）、電圧レベル９０４は二次電池の電圧が上昇してきて燃料電池の発電量を減少させ始める第１の設定電圧レベル、電圧レベル９０５は二次電池の電圧が下降してきて燃料電池の発電量を増加させ始める第２の設定電圧レベル、電圧レベル９０６は二次電池の電圧が低下して燃料電池システムの動作を停止させる停止電圧レベルである。
【０００９】
また、図５において、放電特性９０７は微小電流放電などで求めたＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ：開回路）特性（実質的に０Ｃ放電特性）、放電特性９０８は１Ｃ放電特性、放電特性９０９は２Ｃ放電特性を示している。充電特性９１０は１Ｃ充電特性を示し、ＣＶ充電レベル９０３まで電圧が上昇した後は一定の電圧で充電が進行する定電圧充電の状態を示している。充電特性９１１は２Ｃ充電特性を示し、充電特性９１０より早い段階でＣＶ充電レベル９０３に電圧が上昇して定電圧充電が進行する状態を示している。なお、これらの特性は、分極が電流にほぼ比例していると仮定して示しており、通常のリチウムイオン電池の特性を模して示している。また、充放電の進行を示すため、各充放電特性に矢印を付けている。
【００１０】
以下、第１の設定電圧レベル９０４、第２の設定電圧レベル９０５で燃料電池の発電量を変更する制御をした場合の充放電状態の推移について図５を参照しながら説明する。
【００１１】
燃料電池の発電量の制御としては、燃料電池の発電量を増加させる場合は３Ｃの充電が可能な発電量を得るための制御を行うものとし、燃料電池の発電量を減少させる場合は燃料電池の発電を停止して発電量をゼロとする制御を行うものとする。また、実際には、燃料電池の発電を瞬時に停止することは難しい場合が多いが、説明を簡略化するため、燃料電池の発電量の増加や減少の制御は瞬時に行われるものとし、燃料電池の発電量も瞬時に変化するものとして説明する。
【００１２】
まず、負荷に１Ｃの電流が流れる場合について説明する。ここでは、燃料電池の発電量を増加させる制御を行う場合は３Ｃ充電を行うものとし、燃料電池の発電量を減少させる制御を行う場合は燃料電池の発電量をゼロとし充電しないものとする。
【００１３】
例えば、今、負荷への通電を開始したが、電池の残量が殆ど残っていない状態、つまり、二次電池の電圧レベルが図５における１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ａの状態とする。この場合、二次電池の電圧レベルは第２の設定電圧レベル９０５以下の電圧であるので、発電量を増加させる制御を行う。これにより、負荷への１Ｃ放電に対して３Ｃ充電が開始され、二次電池には２Ｃ充電が行われることになる。つまり、二次電池の電圧レベルは、１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ａから２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｂに変化し、その後、２Ｃ充電特性９１１に従って充電が進行する。
【００１４】
電圧レベルが第１の設定電圧レベル９０４に達すると、つまり、２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｃに達すると、燃料電池の発電量を減少させる制御を開始する。この制御は、上述したように、燃料電池の発電を停止して発電量をゼロとする制御であるので、負荷への１Ｃ電流の分だけが二次電池から放電され、１Ｃ放電特性９０８に従って放電を開始することになる。つまり、二次電池の電圧レベルは、２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｃから１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｄに変化し、その後、１Ｃ放電特性９０８に従って放電が進行する。
【００１５】
二次電池の電圧レベルが１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｅに達すると、つまり、第２の設定電圧レベル９０５に達すると、上述した燃料電池の発電量の増加制御が行われる。これにより、二次電池の電圧レベルが１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｅから２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｆに変化し、２Ｃ充電特性９１１に従って充電が進行する。
【００１６】
二次電池の電圧レベルが２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｃに達すると、つまり、第１の設定電圧レベル９０４に達すると、再度、上述した燃料電池の発電量の減少制御が行われ、１Ｃ放電特性９０８に従って放電が進行する。
【００１７】
以上の動作を繰り返すことで、最終的には、ポイント９１２ｅ、ポイント９１２ｆ、ポイント９１２ｃ、ポイント９１２ｄのループで示される充放電制御が繰り返され、二次電池には容量９１４で示す蓄電量が残ることになる。
【００１８】
同様に、負荷に２Ｃの電流が流れる場合は、１Ｃ充電特性９１０と、２Ｃ放電特性９０９に従って充放電が行なわれる。そして、最終的には、ポイント９１３ｅ、ポイント９１３ｆ、ポイント９１３ｃ、ポイント９１３ｄのループで示される充放電制御が繰り返され、二次電池には容量９１５で示す蓄電量が残ることになる。
【００１９】
このように簡単な方法で、二次電池を完全に放電または充電させることがなくなるため、常に二次電池に蓄電量を残すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００７−２９９５３２号公報
【特許文献２】特開２００６−３３８８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかし、図５を用いて説明した制御方法では、制御自体は簡単であるが、負荷電流の大きさにより二次電池に蓄えられる電力の残量に差が生じる場合がある。具体的には、図５における二次電池の蓄電量は、負荷電流が１Ｃの場合は容量９１４、負荷電流が２Ｃの場合は容量９１５であり、負荷電流の大きさによって蓄電量が大きく異なることは明らかである。上述したように、二次電池に蓄電量を残すことにより、例えば、燃料電池の燃料容器を交換する場合、交換する間は二次電池の蓄電量で負荷をまかなうことができ、燃料電池システムとしての使い勝手が向上し便利であるが、負荷電流の大きさによっては蓄電量が小さくなり、負荷への電力の供給が出来なくなることも考えられる。
【００２２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、簡単な制御で、負荷への電流の大きさに関わらず、二次電池の蓄電量を必要量以上にすることができる燃料電池システム及びその発電制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の燃料電池システムは、水素を発生させる水素発生部と、上記水素発生部で発生した水素を燃料として発電する燃料電池と、二次電池と、上記燃料電池の出力によって上記二次電池を充電する充電部と、上記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、上記二次電池の充放電電流を検出する電流検出部と、上記電圧検出部により検出された電圧値と上記電流検出部により検出された充放電電流値に基づいて、上記水素発生部の水素発生量を制御する制御部とを含み、上記二次電池の電圧値及び充放電電流値に基づいて上記水素発生部の水素発生量を増加または減少させることにより、上記二次電池の蓄電量が必要量以上になるように上記燃料電池の発電量を制御することを特徴とする。
【００２４】
本発明の燃料電池システムの発電制御方法は、水素を発生させる水素発生部と、上記水素発生部で発生した水素を燃料として発電する燃料電池と、二次電池と、上記燃料電池の出力によって上記二次電池を充電する充電部と、上記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、上記二次電池の充放電電流を検出する電流検出部と、上記電圧検出部により検出された電圧値と上記電流検出部により検出された充放電電流値に基づいて、上記水素発生部の水素発生量を制御する制御部とを含む燃料電池システムの発電制御方法であって、上記二次電池の電圧値及び充放電電流値に基づいて上記水素発生部の水素発生量を増加または減少させることにより、上記二次電池の蓄電量が必要量以上になるように上記燃料電池の発電量を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、簡単な制御で負荷への電流の大きさに関わらず二次電池の蓄電量を必要量以上にすることができるため、一時的に燃料電池の発電が不可能な場合でも、負荷に電力を供給でき、使い勝手の優れた燃料電池システム及びその発電制御方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の燃料電池システムにおける二次電池の充放電特性の一例を模式的に示す図である。
【図３】本発明の燃料電池システムにおける二次電池の充放電特性の他の例を模式的に示す図である。
【図４】放電電流と電池電圧との関係の例を示す放電電流−電圧特性図である。
【図５】従来の燃料電池システムにおける二次電池の充放電特性を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の燃料電池システムは、水素を発生させる水素発生部と、上記水素発生部で発生した水素を燃料として発電する燃料電池と、二次電池と、上記燃料電池の出力によって上記二次電池を充電する充電部と、上記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、上記二次電池の充放電電流を検出する電流検出部と、上記電圧検出部により検出された電圧値と上記電流検出部により検出された充放電電流値に基づいて、上記水素発生部の水素発生量を制御する制御部とを備え、上記二次電池の電圧値及び充放電電流値に基づいて上記水素発生部の水素発生量を増加または減少させることにより、上記二次電池の蓄電量が必要量以上になるように上記燃料電池の発電量を制御することを特徴とする。これにより、簡単な制御で、負荷への電流の大きさに関わらず二次電池の蓄電量を必要量以上にすることができるので、一時的に燃料電池の発電が不可能な場合でも負荷に電力を供給でき、使い勝手の優れた燃料電池システムを提供できる。
【００２８】
上記二次電池の蓄電量は、上記水素発生部の水素発生材料の交換により上記燃料電池の発電が停止している間、負荷に電力を供給するに足りる蓄電量以上であることが好ましい。これにより、燃料電池の燃料を交換する際に燃料電池の発電が一時的に停止していても負荷への給電が可能である。
【００２９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３０】
まず、本発明の燃料電池システムについて図１を用いて説明する。図１は、本発明の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
【００３１】
本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、水素を発生させる水素発生部１と、水素を燃料として発電する燃料電池２と、充電部３と、出力端子４と、二次電池５と、制御部６と、二次電池５の電圧を検出する電圧検出部７１と、二次電池５の充放電電流を検出する電流検出部７２とを備えている。
【００３２】
水素発生部１は、例えば、水との反応により水素を発生する水素発生材料を用いて水素を発生させる。水素発生材料としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム及びそれらの合金よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属材料を用いることができる。
【００３３】
充電部３は、燃料電池２の出力を昇圧し二次電池５を充電する。ここでは、ＣＣＣＶ充電を行うものとする。
【００３４】
制御部６は、電圧検出部７１によって検出された二次電池５の電圧値及び電流検出部７２によって検出された二次電池５の充放電電流値に基づいて水素発生部１を制御し、水素発生部１で発生する水素量を可変させる。これにより、二次電池５の蓄電量が必要量以上になるように燃料電池２の発電量を制御できる。
【００３５】
出力端子４は、携帯端末の電源回路などの負荷が接続される端子である。
【００３６】
次に、本発明の燃料電池システムにおける二次電池の充放電特性について図２を用いて説明する。図２は、本発明の燃料電池システムにおける二次電池の充放電特性の一例を模式的に示す図である。図２において、図５と同一要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３７】
本実施形態では、発電制御に関与する電圧レベルとして、図５に示す従来の燃料電池システムにおける発電制御に関与する電圧レベル９０３〜９０６に加え、第２の設定電圧レベルとしてさらに電圧レベル９１７、電圧レベル９１８を設定している。
【００３８】
第１の設定電圧レベル９０４については、ＣＶ充電レベル９０３より低く設定する。特に、下記の条件（３）に従って一定の充電を継続してもＣＶ充電レベル９０３に達しないようなレベルに設定する。
【００３９】
第２の設定電圧レベルについては、二次電池５に必要とされる蓄電量と放電特性とに基づいて設定する。例えば、図２において二次電池５に必要とされる蓄電量を容量９１６と想定すると、実質的に０Ｃ放電特性９０７の場合、電圧レベル９１８のとき容量９１６となるため、電圧レベル９１８を第２の設定電圧レベルと設定する。また、１Ｃ放電特性９０８の場合、ポイント９１２ｋで示す電圧レベル９１７のとき容量９１６となるため、電圧レベル９１７を第２の設定電圧レベルと設定する。また、２Ｃ放電特性９０９の場合、電圧レベル９０５（図３に示すポイント９１３ｅにおける電圧レベル）のときに容量９１６となるため、電圧レベル９０５を第２の設定電圧レベルと設定する。すなわち、図２、図３において、必要とされる蓄電量を示す縦線と各放電特性とが交わる点における電圧を第２の設定電圧レベルとする。
【００４０】
次に、上記放電特性（実質的０Ｃ、１Ｃ、２Ｃ）以外における第２の設定電圧レベルの決定方法について図１及び図４を用いて説明する。
【００４１】
図４は、図２における放電電流と電池電圧との関係の例を示す放電電流−電圧特性図である。図４において、図２と同一要素について同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。横軸９２０は放電電流、縦軸９３０は電池電圧を示す。電流値９２１は２Ｃの放電電流の電流値、電流値９２２は１Ｃの放電電流の電流値、電流値９２３は実質的に０Ｃの放電電流の電流値を示す。放電電流−電圧特性線９４０は、図２における放電電流と各放電電流に対応する第２の設定電圧レベルとの関係をプロットしたものであり、第２の設定電圧レベルが二次電池５の放電電流の増減に反比例する様子を示している。
【００４２】
制御部６は、まず、電流検出部７２により検出した二次電池５の放電電流に対応する第２の設定電圧レベルを、図４に示す特性線９４０から求める。電圧検出部７１により検出された二次電池５の電圧値が、特性線９４０から求めた第２の設定電圧レベル以下の場合は、放電が進み過ぎたものと判定し、燃料電池２の発電量を増加させるように制御部７により水素発生部１を制御する。このように、制御部６は、種々の放電電流に対して適正な第２の設定電圧レベルを決定しながら、燃料電池２の発電量を制御できる。
【００４３】
本実施形態では、制御部６は、以下の条件（１）〜（３）を元に水素発生部１の水素発生量を制御することで、燃料電池２の発電量を増加あるいは減少させる。
【００４４】
（１）二次電池５の放電電流が２Ｃ以上で、二次電池５の電圧レベルが第２の設定電圧レベル９０５以下の場合、二次電池５の放電電流が１Ｃ以上２Ｃ未満で、二次電池５の電圧レベルが第２の設定電圧レベル９１７以下の場合、二次電池５の放電電流が０Ｃ以上１Ｃ未満で、二次電池５の電圧レベルが第２の設定電圧レベル９１８以下の場合、燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う。
【００４５】
（２）二次電池５の電圧レベルが第１の設定電圧レベル９０４以上の場合、燃料電池２の発電量を減少させる制御を行う。
【００４６】
（３）放電開始時の二次電池５の電圧レベルが、各放電電流に対応して定められる第２の設定電圧レベル以下である場合、燃料電池２の発電量を所定量増加させる制御を行った後、上記条件（２）に従って燃料電池２の発電量を減少させる制御を行う。
【００４７】
上記条件（３）における燃料電池２の発電量を所定量増加させる制御は、例えば、次のようにして実現される。例えば、水素発生部１において、燃料源となるアルミニウム粉が収容されている燃料容器に水を供給し、水とアルミニウム粉との発熱反応により水素を発生させる場合、実際には水の供給を停止しても水素の発生は急に停止しないので、これを利用することで、燃料電池２の発電を制御する特別な操作を行うことなく、燃料電池２の発電量を一定量増加させることができる。
【００４８】
次に、本実施形態の燃料電池システムによる発電制御方法について図１〜図３を参照しながら説明する。ここでは、実際には、燃料電池２の発電を瞬時に停止することは難しい場合が多いが、説明を簡略化するため、燃料電池２の発電量の増加や減少の制御は瞬時に行われるものとし、燃料電池２の発電量も瞬時に変化するものとして説明する。
【００４９】
まず、負荷に１Ｃの電流が流れると想定した場合の発電制御方法について図１及び図２を用いて具体的に説明する。ここでは、燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う場合は３Ｃ充電を行うものとし、燃料電池２の発電量を減少させる制御を行う場合は燃料電池２の発電量をゼロとし二次電池５を充電しないものとする。つまり、二次電池５の充電は２Ｃ充電特性９１１に従って行われ、二次電池５の放電は１Ｃ放電特性９０８に従って行われる。この場合、二次電池５の放電電流は１Ｃ以上２Ｃ未満であるため、図４から第２の設定電圧レベルは電圧レベル９１７に設定される。
【００５０】
今、負荷への通電を開始したが、電池の残量が少なく、二次電池５の電圧レベルが図２における１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ａの状態とする。この場合、二次電池５の電圧レベルは第２の設定電圧レベル９１７以下であるため、条件（１）に従って燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う。これにより、負荷への１Ｃ放電に対して３Ｃ充電が開始され、二次電池５には２Ｃ充電が行われることになる。つまり、二次電池５の電圧レベルは、１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ａから２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｂに変化し、その後、２Ｃ充電特性９１１上に従って充電が進行する。
【００５１】
二次電池５の電圧レベルが２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｃで示す第１の設定電圧レベル９０４に達すると、条件（２）に従って燃料電池２の発電量を減少させる制御を行う。この制御は、上述したように、燃料電池の発電量をゼロとする制御であるので、負荷への１Ｃ電流の分だけ二次電池５から放電され、１Ｃ放電を開始する。つまり、二次電池５の電圧レベルは２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｃから１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｄに変化し、放電を開始する。
【００５２】
しかし、放電開始時の二次電池５の電圧レベルは第２の設定電圧レベル９１７以下であるので、条件（１）に当てはまり、燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルが第１の設定電圧レベル９０４に再び達する。この場合、通常であれば条件（２）に従って制御することになるが、上記のとおり、放電開始時の二次電池５の電圧レベルが第２の設定電圧レベル９１７以下となるため、条件（３）が優先して適用される。そして、矢印９１９で示す一定の充電量だけ２Ｃ充電を強制的に継続する制御を行い、この充電期間が終了するポイント９１２ｇに二次電池５の電圧レベルが達すると、条件（２）に従って燃料電池２の発電量を減少させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルが２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｇから１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｈに変化し、１Ｃ放電特性９０８に従って放電を開始する。
【００５３】
しかし、放電開始時の二次電池５の電圧レベルは第２の設定電圧レベル９１７以下であるため、再び条件（１）に当てはまり、燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルが１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｈから２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｇに変化する。この場合も、上記のとおり、放電開始時の二次電池５の電圧レベルが第２の設定電圧レベル９１７以下となるため、条件（３）が優先して適用される。そして、一定の充電量だけ２Ｃ充電を強制的に継続する制御を行い、この充電期間が終了するポイント９１２ｉに達すると、条件（２）に従って燃料電池
２の発電量を減少させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルは１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｊに変化する。ポイント９１２ｊにおける電圧レベルは第２の設定電圧レベル９１７以上であるため、条件（１）に当てはまらず、１Ｃ放電特性９０８に従って放電が進行する。その後、二次電池５の電圧レベルが１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｋで示す第２の設定電圧レベル９１７に達すると、条件（１）に当てはまるため、燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルは２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｌに変化する。この場合も、放電開始時の二次電池５の電圧レベルが第２の設定電圧レベル９１７以下となるため、条件（３）が優先して適用される。そして、一定の充電量だけ２Ｃ充電を強制的に継続する制御を行い、この充電期間が終了するポイント９１２ｍに達すると、条件（２）に従って燃料電池２の発電量を減少させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルが１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｎに変化する。ポイント９１２ｎにおける電圧レベル、つまり、放電開始時の電圧レベルは、第２の設定電圧レベル９１７を超えているため、条件（１）に当てはまらず、１Ｃ放電特性９０８に従って放電が進行する。その後は、ポイント９１２ｋ、ポイント９１２ｌ、ポイント９１２ｍ、ポイント９１２ｎで示すループに従って充放電が継続する。これにより、二次電池５の蓄電量は常に容量９１５以上とすることができる。
【００５４】
次に、負荷に２Ｃの電流が流れると想定した場合の発電制御方法について図１及び図３を用いて具体的に説明する。図３は、本発明の燃料電池システムにおける二次電池の充放電特性の他の例を模式的に示す図である。図３において、図２及び図５と同一要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。ここでは、二次電池５の充電は１Ｃ充電特性９１０に従って行われ、二次電池５の放電は２Ｃ放電特性９０９に従って行われる。この場合、二次電池５の放電電流は２Ｃ以上であるため、図４から第２の設定電圧レベルは電圧レベル９０５に設定される。
【００５５】
本例では、ポイント９１３ａから制御が開始されるものとする。この場合、電圧レベルは第２の設定電圧レベル９０５以下であるため、条件（１）に従って燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルが１Ｃ充電特性９１０上のポイント９１３ｂに変化し、その後、１Ｃ充電特性９１０に従って充電が進行する。二次電池５の電圧レベルが１Ｃ充電特性９１０のポイント９１３ｃで示す第１の設定電圧レベル９０４に達すると、条件（２）に従って燃料電池２の発電量を減少させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルは１Ｃ充電特性９１０上のポイント９１３ｃから２Ｃ放電特性９０９上のポイント９１３ｄに変化する。ポイント９１３ｄにおける電圧レベル、つまり、放電開始時の電圧レベルは、第２の設定電圧レベル９０５を超えているため、条件（１）に当てはまらず、２Ｃ放電特性９０９に従って放電が進行する。その後、二次電池５の電圧レベルが２Ｃ放電特性９０９上のポイント９１３ｅで示す第２の設定電圧レベル９０５に達すると、条件（１）に当てはまり、燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルが１Ｃ充電特性９１０上のポイント９１３ｆに変化し、１Ｃ充電特性９１０に従って充電が進行する。そして、二次電池５の電圧レベルが再びポイント９１３ｃで示す第１の設定電圧レベル９０４に達すると、条件（２）に従って燃料電池２の発電量を減少させる制御を行い、２Ｃ放電特性９０９に従って放電が進行する。その後は、ポイント９１３ｅ、ポイント９１３ｆ、ポイント９１３ｃ、ポイント９１３ｄで示すループに従って充放電が継続する。これにより、二次電池５の蓄電量は、負荷が１Ｃの場合と同様、常に容量９１５以上とすることができる。
【００５６】
以上のように、負荷への電流の大きさに関わらず二次電池５の蓄電量を必要量以上にすることができる。そのため、負荷の大きさが変化した場合でも二次電池５には必要量以上の蓄電量が残ることになり、使い勝手の優れた燃料電池システムを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、負荷への電流の大きさに関わらずに二次電池の蓄電量を必要量以上とすることができ、一時的に燃料電池の発電が不可能な場合にも負荷に給電可能な燃料電池システムとして利用可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 水素発生部
２ 燃料電池
３ 充電部
４ 出力端子
５ 二次電池
６ 制御部
７１ 電圧検出部
７２ 電流検出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を燃料として発電する燃料電池と二次電池とを有する燃料電池システム及びその発電制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムには、燃料電池に接続される負荷が急変した場合に、この急変による出力低下などを抑圧するために、バッファとして二次電池やキャパシタを内蔵するものがある。このような燃料電池システムでは、通常、出力を補うために一定量の蓄電量を確保するように燃料電池の出力を制御している。
【０００３】
例えば、特許文献１には、燃料電池から昇圧充電回路を介して二次電池を充電し、二次電池から負荷に電力を供給する燃料電池システムが記載されている。特に、二次電池の過充電を防止するために昇圧充電回路をＣＣＣＶ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ：定電流定電圧）充電を行う燃料電池システムが示されている。このように燃料電池を用いて二次電池を充電する燃料電池システムでは、二次電池を保護しつつ充電を行う必要がある。
【０００４】
また、二次電池の蓄電量を一定量に保つ制御を行う例として、例えば、特許文献２がある。特許文献２には、二次電池である電気化学素子の充放電特性に少なくとも一つの段差を設け、その段差を基準に電流積算を組み合わせて電気化学素子の残存容量を求め、その残存容量に基づいて充放電量を制御することにより、電気化学素子の充電量を一定の範囲に維持する管理方法が記載されている。しかし、この管理方法では、電気化学素子の充放電特性に段差を設けたり、電流積算部などを用いる必要があり、電池自体の特殊化や制御回路の複雑化を招くという問題がある。
【０００５】
そこで、より簡単に二次電池に蓄電量を残す方法として、二次電池の電圧に基づいて、燃料電池の発電量を制御する方法が考えられる。この方法について以下、図５を用いて詳細に説明する。
【０００６】
図５は、従来の燃料電池システムにおける二次電池の充放電特性を模式的に示す図である。ここでは、二次電池としてリチウムイオン電池を選択した場合の充放電特性を示している。図５において、縦軸９０１は二次電池の電圧を示し、横軸９０２は二次電池に蓄積されている容量を示す。図５の容量は、横軸９０２の矢印方向に沿って減少する。
【０００７】
充電は、特許文献１にも示されているように、リチウムイオン電池で一般に採用されているＣＣＣＶ充電を行うものとする。
【０００８】
図５において、電圧レベル９０３はＣＣＣＶ充電をする場合の定電圧充電の電圧レベル（ＣＶ充電レベル）、電圧レベル９０４は二次電池の電圧が上昇してきて燃料電池の発電量を減少させ始める第１の設定電圧レベル、電圧レベル９０５は二次電池の電圧が下降してきて燃料電池の発電量を増加させ始める第２の設定電圧レベル、電圧レベル９０６は二次電池の電圧が低下して燃料電池システムの動作を停止させる停止電圧レベルである。
【０００９】
また、図５において、放電特性９０７は微小電流放電などで求めたＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ：開回路）特性（実質的に０Ｃ放電特性）、放電特性９０８は１Ｃ放電特性、放電特性９０９は２Ｃ放電特性を示している。充電特性９１０は１Ｃ充電特性を示し、ＣＶ充電レベル９０３まで電圧が上昇した後は一定の電圧で充電が進行する定電圧充電の状態を示している。充電特性９１１は２Ｃ充電特性を示し、充電特性９１０より早い段階でＣＶ充電レベル９０３に電圧が上昇して定電圧充電が進行する状態を示している。なお、これらの特性は、分極が電流にほぼ比例していると仮定して示しており、通常のリチウムイオン電池の特性を模して示している。また、充放電の進行を示すため、各充放電特性に矢印を付けている。
【００１０】
以下、第１の設定電圧レベル９０４、第２の設定電圧レベル９０５で燃料電池の発電量を変更する制御をした場合の充放電状態の推移について図５を参照しながら説明する。
【００１１】
燃料電池の発電量の制御としては、燃料電池の発電量を増加させる場合は３Ｃの充電が可能な発電量を得るための制御を行うものとし、燃料電池の発電量を減少させる場合は燃料電池の発電を停止して発電量をゼロとする制御を行うものとする。また、実際には、燃料電池の発電を瞬時に停止することは難しい場合が多いが、説明を簡略化するため、燃料電池の発電量の増加や減少の制御は瞬時に行われるものとし、燃料電池の発電量も瞬時に変化するものとして説明する。
【００１２】
まず、負荷に１Ｃの電流が流れる場合について説明する。ここでは、燃料電池の発電量を増加させる制御を行う場合は３Ｃ充電を行うものとし、燃料電池の発電量を減少させる制御を行う場合は燃料電池の発電量をゼロとし充電しないものとする。
【００１３】
例えば、今、負荷への通電を開始したが、電池の残量が殆ど残っていない状態、つまり、二次電池の電圧レベルが図５における１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ａの状態とする。この場合、二次電池の電圧レベルは第２の設定電圧レベル９０５以下の電圧であるので、発電量を増加させる制御を行う。これにより、負荷への１Ｃ放電に対して３Ｃ充電が開始され、二次電池には２Ｃ充電が行われることになる。つまり、二次電池の電圧レベルは、１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ａから２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｂに変化し、その後、２Ｃ充電特性９１１に従って充電が進行する。
【００１４】
電圧レベルが第１の設定電圧レベル９０４に達すると、つまり、２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｃに達すると、燃料電池の発電量を減少させる制御を開始する。この制御は、上述したように、燃料電池の発電を停止して発電量をゼロとする制御であるので、負荷への１Ｃ電流の分だけが二次電池から放電され、１Ｃ放電特性９０８に従って放電を開始することになる。つまり、二次電池の電圧レベルは、２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｃから１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｄに変化し、その後、１Ｃ放電特性９０８に従って放電が進行する。
【００１５】
二次電池の電圧レベルが１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｅに達すると、つまり、第２の設定電圧レベル９０５に達すると、上述した燃料電池の発電量の増加制御が行われる。これにより、二次電池の電圧レベルが１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｅから２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｆに変化し、２Ｃ充電特性９１１に従って充電が進行する。
【００１６】
二次電池の電圧レベルが２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｃに達すると、つまり、第１の設定電圧レベル９０４に達すると、再度、上述した燃料電池の発電量の減少制御が行われ、１Ｃ放電特性９０８に従って放電が進行する。
【００１７】
以上の動作を繰り返すことで、最終的には、ポイント９１２ｅ、ポイント９１２ｆ、ポイント９１２ｃ、ポイント９１２ｄのループで示される充放電制御が繰り返され、二次電池には容量９１４で示す蓄電量が残ることになる。
【００１８】
同様に、負荷に２Ｃの電流が流れる場合は、１Ｃ充電特性９１０と、２Ｃ放電特性９０９に従って充放電が行なわれる。そして、最終的には、ポイント９１３ｅ、ポイント９１３ｆ、ポイント９１３ｃ、ポイント９１３ｄのループで示される充放電制御が繰り返され、二次電池には容量９１５で示す蓄電量が残ることになる。
【００１９】
このように簡単な方法で、二次電池を完全に放電または充電させることがなくなるため、常に二次電池に蓄電量を残すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００７−２９９５３２号公報
【特許文献２】特開２００６−３３８８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかし、図５を用いて説明した制御方法では、制御自体は簡単であるが、負荷電流の大きさにより二次電池に蓄えられる電力の残量に差が生じる場合がある。具体的には、図５における二次電池の蓄電量は、負荷電流が１Ｃの場合は容量９１４、負荷電流が２Ｃの場合は容量９１５であり、負荷電流の大きさによって蓄電量が大きく異なることは明らかである。上述したように、二次電池に蓄電量を残すことにより、例えば、燃料電池の燃料容器を交換する場合、交換する間は二次電池の蓄電量で負荷をまかなうことができ、燃料電池システムとしての使い勝手が向上し便利であるが、負荷電流の大きさによっては蓄電量が小さくなり、負荷への電力の供給が出来なくなることも考えられる。
【００２２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、簡単な制御で、負荷への電流の大きさに関わらず、二次電池の蓄電量を必要量以上にすることができる燃料電池システム及びその発電制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の燃料電池システムは、水素を発生させる水素発生部と、上記水素発生部で発生した水素を燃料として発電する燃料電池と、二次電池と、上記燃料電池の出力によって上記二次電池を充電する充電部と、上記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、上記二次電池の充放電電流を検出する電流検出部と、上記電圧検出部により検出された電圧値と上記電流検出部により検出された充放電電流値に基づいて、上記水素発生部の水素発生量を制御する制御部とを含み、上記二次電池の電圧値及び充放電電流値に基づいて上記水素発生部の水素発生量を増加または減少させることにより、上記二次電池の蓄電量が必要量以上になるように上記燃料電池の発電量を制御することを特徴とする。
【００２４】
本発明の燃料電池システムの発電制御方法は、水素を発生させる水素発生部と、上記水素発生部で発生した水素を燃料として発電する燃料電池と、二次電池と、上記燃料電池の出力によって上記二次電池を充電する充電部と、上記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、上記二次電池の充放電電流を検出する電流検出部と、上記電圧検出部により検出された電圧値と上記電流検出部により検出された充放電電流値に基づいて、上記水素発生部の水素発生量を制御する制御部とを含む燃料電池システムの発電制御方法であって、上記二次電池の電圧値及び充放電電流値に基づいて上記水素発生部の水素発生量を増加または減少させることにより、上記二次電池の蓄電量が必要量以上になるように上記燃料電池の発電量を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、簡単な制御で負荷への電流の大きさに関わらず二次電池の蓄電量を必要量以上にすることができるため、一時的に燃料電池の発電が不可能な場合でも、負荷に電力を供給でき、使い勝手の優れた燃料電池システム及びその発電制御方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の燃料電池システムにおける二次電池の充放電特性の一例を模式的に示す図である。
【図３】本発明の燃料電池システムにおける二次電池の充放電特性の他の例を模式的に示す図である。
【図４】放電電流と電池電圧との関係の例を示す放電電流−電圧特性図である。
【図５】従来の燃料電池システムにおける二次電池の充放電特性を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の燃料電池システムは、水素を発生させる水素発生部と、上記水素発生部で発生した水素を燃料として発電する燃料電池と、二次電池と、上記燃料電池の出力によって上記二次電池を充電する充電部と、上記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、上記二次電池の充放電電流を検出する電流検出部と、上記電圧検出部により検出された電圧値と上記電流検出部により検出された充放電電流値に基づいて、上記水素発生部の水素発生量を制御する制御部とを備え、上記二次電池の電圧値及び充放電電流値に基づいて上記水素発生部の水素発生量を増加または減少させることにより、上記二次電池の蓄電量が必要量以上になるように上記燃料電池の発電量を制御することを特徴とする。これにより、簡単な制御で、負荷への電流の大きさに関わらず二次電池の蓄電量を必要量以上にすることができるので、一時的に燃料電池の発電が不可能な場合でも負荷に電力を供給でき、使い勝手の優れた燃料電池システムを提供できる。
【００２８】
上記二次電池の蓄電量は、上記水素発生部の水素発生材料の交換により上記燃料電池の発電が停止している間、負荷に電力を供給するに足りる蓄電量以上であることが好ましい。これにより、燃料電池の燃料を交換する際に燃料電池の発電が一時的に停止していても負荷への給電が可能である。
【００２９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３０】
まず、本発明の燃料電池システムについて図１を用いて説明する。図１は、本発明の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
【００３１】
本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、水素を発生させる水素発生部１と、水素を燃料として発電する燃料電池２と、充電部３と、出力端子４と、二次電池５と、制御部６と、二次電池５の電圧を検出する電圧検出部７１と、二次電池５の充放電電流を検出する電流検出部７２とを備えている。
【００３２】
水素発生部１は、例えば、水との反応により水素を発生する水素発生材料を用いて水素を発生させる。水素発生材料としては、例えば、アルミニウム、マグネシウム及びそれらの合金よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属材料を用いることができる。
【００３３】
充電部３は、燃料電池２の出力を昇圧し二次電池５を充電する。ここでは、ＣＣＣＶ充電を行うものとする。
【００３４】
制御部６は、電圧検出部７１によって検出された二次電池５の電圧値及び電流検出部７２によって検出された二次電池５の充放電電流値に基づいて水素発生部１を制御し、水素発生部１で発生する水素量を可変させる。これにより、二次電池５の蓄電量が必要量以上になるように燃料電池２の発電量を制御できる。
【００３５】
出力端子４は、携帯端末の電源回路などの負荷が接続される端子である。
【００３６】
次に、本発明の燃料電池システムにおける二次電池の充放電特性について図２を用いて説明する。図２は、本発明の燃料電池システムにおける二次電池の充放電特性の一例を模式的に示す図である。図２において、図５と同一要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３７】
本実施形態では、発電制御に関与する電圧レベルとして、図５に示す従来の燃料電池システムにおける発電制御に関与する電圧レベル９０３〜９０６に加え、第２の設定電圧レベルとしてさらに電圧レベル９１７、電圧レベル９１８を設定している。
【００３８】
第１の設定電圧レベル９０４については、ＣＶ充電レベル９０３より低く設定する。特に、下記の条件（３）に従って一定の充電を継続してもＣＶ充電レベル９０３に達しないようなレベルに設定する。
【００３９】
第２の設定電圧レベルについては、二次電池５に必要とされる蓄電量と放電特性とに基づいて設定する。例えば、図２において二次電池５に必要とされる蓄電量を容量９１６と想定すると、実質的に０Ｃ放電特性９０７の場合、電圧レベル９１８のとき容量９１６となるため、電圧レベル９１８を第２の設定電圧レベルと設定する。また、１Ｃ放電特性９０８の場合、ポイント９１２ｋで示す電圧レベル９１７のとき容量９１６となるため、電圧レベル９１７を第２の設定電圧レベルと設定する。また、２Ｃ放電特性９０９の場合、電圧レベル９０５（図３に示すポイント９１３ｅにおける電圧レベル）のときに容量９１６となるため、電圧レベル９０５を第２の設定電圧レベルと設定する。すなわち、図２、図３において、必要とされる蓄電量を示す縦線と各放電特性とが交わる点における電圧を第２の設定電圧レベルとする。
【００４０】
次に、上記放電特性（実質的０Ｃ、１Ｃ、２Ｃ）以外における第２の設定電圧レベルの決定方法について図１及び図４を用いて説明する。
【００４１】
図４は、図２における放電電流と電池電圧との関係の例を示す放電電流−電圧特性図である。図４において、図２と同一要素について同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。横軸９２０は放電電流、縦軸９３０は電池電圧を示す。電流値９２１は２Ｃの放電電流の電流値、電流値９２２は１Ｃの放電電流の電流値、電流値９２３は実質的に０Ｃの放電電流の電流値を示す。放電電流−電圧特性線９４０は、図２における放電電流と各放電電流に対応する第２の設定電圧レベルとの関係をプロットしたものであり、第２の設定電圧レベルが二次電池５の放電電流の増減に反比例する様子を示している。
【００４２】
制御部６は、まず、電流検出部７２により検出した二次電池５の放電電流に対応する第２の設定電圧レベルを、図４に示す特性線９４０から求める。電圧検出部７１により検出された二次電池５の電圧値が、特性線９４０から求めた第２の設定電圧レベル以下の場合は、放電が進み過ぎたものと判定し、燃料電池２の発電量を増加させるように制御部７により水素発生部１を制御する。このように、制御部６は、種々の放電電流に対して適正な第２の設定電圧レベルを決定しながら、燃料電池２の発電量を制御できる。
【００４３】
本実施形態では、制御部６は、以下の条件（１）〜（３）を元に水素発生部１の水素発生量を制御することで、燃料電池２の発電量を増加あるいは減少させる。
【００４４】
（１）二次電池５の放電電流が２Ｃ以上で、二次電池５の電圧レベルが第２の設定電圧レベル９０５以下の場合、二次電池５の放電電流が１Ｃ以上２Ｃ未満で、二次電池５の電圧レベルが第２の設定電圧レベル９１７以下の場合、二次電池５の放電電流が０Ｃ以上１Ｃ未満で、二次電池５の電圧レベルが第２の設定電圧レベル９１８以下の場合、燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う。
【００４５】
（２）二次電池５の電圧レベルが第１の設定電圧レベル９０４以上の場合、燃料電池２の発電量を減少させる制御を行う。
【００４６】
（３）放電開始時の二次電池５の電圧レベルが、各放電電流に対応して定められる第２の設定電圧レベル以下である場合、燃料電池２の発電量を所定量増加させる制御を行った後、上記条件（２）に従って燃料電池２の発電量を減少させる制御を行う。
【００４７】
上記条件（３）における燃料電池２の発電量を所定量増加させる制御は、例えば、次のようにして実現される。例えば、水素発生部１において、燃料源となるアルミニウム粉が収容されている燃料容器に水を供給し、水とアルミニウム粉との発熱反応により水素を発生させる場合、実際には水の供給を停止しても水素の発生は急に停止しないので、これを利用することで、燃料電池２の発電を制御する特別な操作を行うことなく、燃料電池２の発電量を一定量増加させることができる。
【００４８】
次に、本実施形態の燃料電池システムによる発電制御方法について図１〜図３を参照しながら説明する。ここでは、実際には、燃料電池２の発電を瞬時に停止することは難しい場合が多いが、説明を簡略化するため、燃料電池２の発電量の増加や減少の制御は瞬時に行われるものとし、燃料電池２の発電量も瞬時に変化するものとして説明する。
【００４９】
まず、負荷に１Ｃの電流が流れると想定した場合の発電制御方法について図１及び図２を用いて具体的に説明する。ここでは、燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う場合は３Ｃ充電を行うものとし、燃料電池２の発電量を減少させる制御を行う場合は燃料電池２の発電量をゼロとし二次電池５を充電しないものとする。つまり、二次電池５の充電は２Ｃ充電特性９１１に従って行われ、二次電池５の放電は１Ｃ放電特性９０８に従って行われる。この場合、二次電池５の放電電流は１Ｃ以上２Ｃ未満であるため、図４から第２の設定電圧レベルは電圧レベル９１７に設定される。
【００５０】
今、負荷への通電を開始したが、電池の残量が少なく、二次電池５の電圧レベルが図２における１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ａの状態とする。この場合、二次電池５の電圧レベルは第２の設定電圧レベル９１７以下であるため、条件（１）に従って燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う。これにより、負荷への１Ｃ放電に対して３Ｃ充電が開始され、二次電池５には２Ｃ充電が行われることになる。つまり、二次電池５の電圧レベルは、１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ａから２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｂに変化し、その後、２Ｃ充電特性９１１上に従って充電が進行する。
【００５１】
二次電池５の電圧レベルが２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｃで示す第１の設定電圧レベル９０４に達すると、条件（２）に従って燃料電池２の発電量を減少させる制御を行う。この制御は、上述したように、燃料電池の発電量をゼロとする制御であるので、負荷への１Ｃ電流の分だけ二次電池５から放電され、１Ｃ放電を開始する。つまり、二次電池５の電圧レベルは２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｃから１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｄに変化し、放電を開始する。
【００５２】
しかし、放電開始時の二次電池５の電圧レベルは第２の設定電圧レベル９１７以下であるので、条件（１）に当てはまり、燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルが第１の設定電圧レベル９０４に再び達する。この場合、通常であれば条件（２）に従って制御することになるが、上記のとおり、放電開始時の二次電池５の電圧レベルが第２の設定電圧レベル９１７以下となるため、条件（３）が優先して適用される。そして、矢印９１９で示す一定の充電量だけ２Ｃ充電を強制的に継続する制御を行い、この充電期間が終了するポイント９１２ｇに二次電池５の電圧レベルが達すると、条件（２）に従って燃料電池２の発電量を減少させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルが２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｇから１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｈに変化し、１Ｃ放電特性９０８に従って放電を開始する。
【００５３】
しかし、放電開始時の二次電池５の電圧レベルは第２の設定電圧レベル９１７以下であるため、再び条件（１）に当てはまり、燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルが１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｈから２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｇに変化する。この場合も、上記のとおり、放電開始時の二次電池５の電圧レベルが第２の設定電圧レベル９１７以下となるため、条件（３）が優先して適用される。そして、一定の充電量だけ２Ｃ充電を強制的に継続する制御を行い、この充電期間が終了するポイント９１２ｉに達すると、条件（２）に従って燃料電池
２の発電量を減少させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルは１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｊに変化する。ポイント９１２ｊにおける電圧レベルは第２の設定電圧レベル９１７以上であるため、条件（１）に当てはまらず、１Ｃ放電特性９０８に従って放電が進行する。その後、二次電池５の電圧レベルが１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｋで示す第２の設定電圧レベル９１７に達すると、条件（１）に当てはまるため、燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルは２Ｃ充電特性９１１上のポイント９１２ｌに変化する。この場合も、放電開始時の二次電池５の電圧レベルが第２の設定電圧レベル９１７以下となるため、条件（３）が優先して適用される。そして、一定の充電量だけ２Ｃ充電を強制的に継続する制御を行い、この充電期間が終了するポイント９１２ｍに達すると、条件（２）に従って燃料電池２の発電量を減少させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルが１Ｃ放電特性９０８上のポイント９１２ｎに変化する。ポイント９１２ｎにおける電圧レベル、つまり、放電開始時の電圧レベルは、第２の設定電圧レベル９１７を超えているため、条件（１）に当てはまらず、１Ｃ放電特性９０８に従って放電が進行する。その後は、ポイント９１２ｋ、ポイント９１２ｌ、ポイント９１２ｍ、ポイント９１２ｎで示すループに従って充放電が継続する。これにより、二次電池５の蓄電量は常に容量９１５以上とすることができる。
【００５４】
次に、負荷に２Ｃの電流が流れると想定した場合の発電制御方法について図１及び図３を用いて具体的に説明する。図３は、本発明の燃料電池システムにおける二次電池の充放電特性の他の例を模式的に示す図である。図３において、図２及び図５と同一要素については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。ここでは、二次電池５の充電は１Ｃ充電特性９１０に従って行われ、二次電池５の放電は２Ｃ放電特性９０９に従って行われる。この場合、二次電池５の放電電流は２Ｃ以上であるため、図４から第２の設定電圧レベルは電圧レベル９０５に設定される。
【００５５】
本例では、ポイント９１３ａから制御が開始されるものとする。この場合、電圧レベルは第２の設定電圧レベル９０５以下であるため、条件（１）に従って燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルが１Ｃ充電特性９１０上のポイント９１３ｂに変化し、その後、１Ｃ充電特性９１０に従って充電が進行する。二次電池５の電圧レベルが１Ｃ充電特性９１０のポイント９１３ｃで示す第１の設定電圧レベル９０４に達すると、条件（２）に従って燃料電池２の発電量を減少させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルは１Ｃ充電特性９１０上のポイント９１３ｃから２Ｃ放電特性９０９上のポイント９１３ｄに変化する。ポイント９１３ｄにおける電圧レベル、つまり、放電開始時の電圧レベルは、第２の設定電圧レベル９０５を超えているため、条件（１）に当てはまらず、２Ｃ放電特性９０９に従って放電が進行する。その後、二次電池５の電圧レベルが２Ｃ放電特性９０９上のポイント９１３ｅで示す第２の設定電圧レベル９０５に達すると、条件（１）に当てはまり、燃料電池２の発電量を増加させる制御を行う。これにより、二次電池５の電圧レベルが１Ｃ充電特性９１０上のポイント９１３ｆに変化し、１Ｃ充電特性９１０に従って充電が進行する。そして、二次電池５の電圧レベルが再びポイント９１３ｃで示す第１の設定電圧レベル９０４に達すると、条件（２）に従って燃料電池２の発電量を減少させる制御を行い、２Ｃ放電特性９０９に従って放電が進行する。その後は、ポイント９１３ｅ、ポイント９１３ｆ、ポイント９１３ｃ、ポイント９１３ｄで示すループに従って充放電が継続する。これにより、二次電池５の蓄電量は、負荷が１Ｃの場合と同様、常に容量９１５以上とすることができる。
【００５６】
以上のように、負荷への電流の大きさに関わらず二次電池５の蓄電量を必要量以上にすることができる。そのため、負荷の大きさが変化した場合でも二次電池５には必要量以上の蓄電量が残ることになり、使い勝手の優れた燃料電池システムを実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、負荷への電流の大きさに関わらずに二次電池の蓄電量を必要量以上とすることができ、一時的に燃料電池の発電が不可能な場合にも負荷に給電可能な燃料電池システムとして利用可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 水素発生部
２ 燃料電池
３ 充電部
４ 出力端子
５ 二次電池
６ 制御部
７１ 電圧検出部
７２ 電流検出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を発生させる水素発生部と、
前記水素発生部で発生した水素を燃料として発電する燃料電池と、
二次電池と、
前記燃料電池の出力によって前記二次電池を充電する充電部と、
前記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、
前記二次電池の充放電電流を検出する電流検出部と、
前記電圧検出部により検出された電圧値と前記電流検出部により検出された充放電電流値に基づいて、前記水素発生部の水素発生量を制御する制御部とを含み、
前記二次電池の電圧値及び充放電電流値に基づいて前記水素発生部の水素発生量を増加または減少させることにより、前記二次電池の蓄電量が必要量以上になるように前記燃料電池の発電量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記二次電池の蓄電量は、前記水素発生部の水素発生材料の交換により前記燃料電池の発電が停止している間、負荷に電力を供給するに足りる蓄電量以上である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
水素を発生させる水素発生部と、
前記水素発生部で発生した水素を燃料として発電する燃料電池と、
二次電池と、
前記燃料電池の出力によって前記二次電池を充電する充電部と、
前記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、
前記二次電池の充放電電流を検出する電流検出部と、
前記電圧検出部により検出された電圧値と前記電流検出部により検出された充放電電流値に基づいて、前記水素発生部の水素発生量を制御する制御部とを含む燃料電池システムの発電制御方法であって、
前記二次電池の電圧値及び充放電電流値に基づいて前記水素発生部の水素発生量を増加または減少させることにより、前記二次電池の蓄電量が必要量以上になるように前記燃料電池の発電量を制御することを特徴とする燃料電池システムの発電制御方法。
【請求項４】
前記二次電池の電圧値が、第１の設定電圧レベル以上である場合、前記燃料電池の発電量を減少させる制御を行って前記二次電池の放電を行い、
前記二次電池の電圧値が、前記第１の設定電圧レベルよりも低く、前記二次電池に必要とされる蓄電量と前記二次電池の放電特性により定まる第２の設定電圧レベル以下である場合、前記燃料電池の発電量を増加させる制御を行って前記二次電池の充電を行い、
前記二次電池の放電開始時の電圧値が、前記第２の設定電圧レベル以下である場合、前記燃料電池の発電量を所定量増加させる制御を行って前記二次電池の充電を行った後、前記燃料電池の発電量を減少させる制御を行って前記二次電池の放電を行う請求項３に記載の燃料電池システムの発電制御方法。
【請求項５】
前記第１の設定電圧レベルは、定電圧充電レベルより低いレベルで、かつ、前記燃料電池の発電量を所定量増加させる制御を行っても前記定電圧充電レベルに達しないレベルに設定される請求項４に記載の燃料電池システムの発電制御方法。
【請求項６】
前記第２の設定電圧レベルは、前記二次電池の放電電流の増減に反比例する請求項４に記載の燃料電池システムの発電制御方法。
【請求項７】
前記二次電池の蓄電量は、前記水素発生部の水素発生材料の交換により前記燃料電池の発電が停止している間、負荷に電力を供給するに足りる蓄電量以上である請求項３に記載の燃料電池システムの発電制御方法。
【請求項１】
水素を発生させる水素発生部と、
前記水素発生部で発生した水素を燃料として発電する燃料電池と、
二次電池と、
前記燃料電池の出力によって前記二次電池を充電する充電部と、
前記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、
前記二次電池の充放電電流を検出する電流検出部と、
前記電圧検出部により検出された電圧値と前記電流検出部により検出された充放電電流値に基づいて、前記水素発生部の水素発生量を制御する制御部とを含み、
前記二次電池の電圧値及び充放電電流値に基づいて前記水素発生部の水素発生量を増加または減少させることにより、前記二次電池の蓄電量が必要量以上になるように前記燃料電池の発電量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記二次電池の蓄電量は、前記水素発生部の水素発生材料の交換により前記燃料電池の発電が停止している間、負荷に電力を供給するに足りる蓄電量以上である請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
水素を発生させる水素発生部と、
前記水素発生部で発生した水素を燃料として発電する燃料電池と、
二次電池と、
前記燃料電池の出力によって前記二次電池を充電する充電部と、
前記二次電池の電圧を検出する電圧検出部と、
前記二次電池の充放電電流を検出する電流検出部と、
前記電圧検出部により検出された電圧値と前記電流検出部により検出された充放電電流値に基づいて、前記水素発生部の水素発生量を制御する制御部とを含む燃料電池システムの発電制御方法であって、
前記二次電池の電圧値及び充放電電流値に基づいて前記水素発生部の水素発生量を増加または減少させることにより、前記二次電池の蓄電量が必要量以上になるように前記燃料電池の発電量を制御することを特徴とする燃料電池システムの発電制御方法。
【請求項４】
前記二次電池の電圧値が、第１の設定電圧レベル以上である場合、前記燃料電池の発電量を減少させる制御を行って前記二次電池の放電を行い、
前記二次電池の電圧値が、前記第１の設定電圧レベルよりも低く、前記二次電池に必要とされる蓄電量と前記二次電池の放電特性により定まる第２の設定電圧レベル以下である場合、前記燃料電池の発電量を増加させる制御を行って前記二次電池の充電を行い、
前記二次電池の放電開始時の電圧値が、前記第２の設定電圧レベル以下である場合、前記燃料電池の発電量を所定量増加させる制御を行って前記二次電池の充電を行った後、前記燃料電池の発電量を減少させる制御を行って前記二次電池の放電を行う請求項３に記載の燃料電池システムの発電制御方法。
【請求項５】
前記第１の設定電圧レベルは、定電圧充電レベルより低いレベルで、かつ、前記燃料電池の発電量を所定量増加させる制御を行っても前記定電圧充電レベルに達しないレベルに設定される請求項４に記載の燃料電池システムの発電制御方法。
【請求項６】
前記第２の設定電圧レベルは、前記二次電池の放電電流の増減に反比例する請求項４に記載の燃料電池システムの発電制御方法。
【請求項７】
前記二次電池の蓄電量は、前記水素発生部の水素発生材料の交換により前記燃料電池の発電が停止している間、負荷に電力を供給するに足りる蓄電量以上である請求項３に記載の燃料電池システムの発電制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−６５８３２（Ｐ２０１１−６５８３２Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１４８０１（Ｐ２００９−２１４８０１）
【出願日】平成２１年９月１６日（２００９．９．１６）
【出願人】（０００００５８１０）日立マクセル株式会社 (2,366)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１６日（２００９．９．１６）
【出願人】（０００００５８１０）日立マクセル株式会社 (2,366)
【Ｆターム（参考）】
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