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JP4990573B2 - Fuel cell system - Google Patents

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JP4990573B2
JP4990573B2 JP2006190871A JP2006190871A JP4990573B2 JP 4990573 B2 JP4990573 B2 JP 4990573B2 JP 2006190871 A JP2006190871 A JP 2006190871A JP 2006190871 A JP2006190871 A JP 2006190871A JP 4990573 B2 JP4990573 B2 JP 4990573B2
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Description

本発明は、燃料電池により生成された電力を負荷に供給する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that supplies electric power generated by a fuel cell to a load.

現在、パーソナルコンピュータなどの携帯用電子機器や、電動工具などの電気機械においては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの二次電池が電源として広く使用されている。しかし、二次電池を用いてこのような機器類を動作させると、電池容量の制限から機器の連続動作可能な時間が十分に得られない。例えば、二次電池で携帯型のパーソナルコンピュータを動作させると、連続して電力供給可能な時間が例えば4時間程度になってしまう。   At present, secondary batteries such as lithium ion batteries and nickel metal hydride batteries are widely used as power sources in portable electronic devices such as personal computers and electric machines such as electric tools. However, when such devices are operated using a secondary battery, sufficient time for continuous operation of the device cannot be obtained due to the limitation of the battery capacity. For example, if a portable personal computer is operated with a secondary battery, the time during which power can be continuously supplied is, for example, about 4 hours.

一方、近年、長時間連続して電力を供給することができる燃料電池が注目されている。例えば、パーソナルコンピュータに電力を供給する場合、20〜40時間連続して電力を供給できる燃料電池が考えられている。   On the other hand, in recent years, fuel cells that can supply power continuously for a long time have attracted attention. For example, when power is supplied to a personal computer, a fuel cell that can supply power continuously for 20 to 40 hours is considered.

燃料電池は、電解質層を燃料極(−)と空気極(+)とで狭持した単セルを積層した構成を有し、燃料極に燃料を、空気極に空気をそれぞれ供給し、電気化学反応させることにより電力を生じさせる。燃料として、例えば水素やメタノール等が使用される。このような燃料電池の出力電圧は、必ずしも負荷装置が要求する動作用の電源電圧と一致しないため、燃料電池の出力電圧を、負荷装置の動作用電源電圧に変換するDC−DCコンバータが用いられる。   A fuel cell has a structure in which a single cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode (−) and an air electrode (+) is laminated. Fuel is supplied to the fuel electrode and air is supplied to the air electrode. Electric power is generated by reacting. For example, hydrogen or methanol is used as the fuel. Since the output voltage of such a fuel cell does not necessarily match the power supply voltage for operation required by the load device, a DC-DC converter that converts the output voltage of the fuel cell into the power supply voltage for operation of the load device is used. .

このようなDC−DCコンバータとして、燃料電池の出力電圧をオン、オフするスイッチング素子のオンオフデューティ比を制御することにより、所望の動作用電源電圧を得るようにした、いわゆるスイッチング電源方式のDC−DCコンバータが広く用いられている。このようなDC−DCコンバータでは、例えばDC−DCコンバータの出力電圧をマイクロコンピュータを用いた制御回路で監視し、マイクロコンピュータのソフトウェア処理によって、DC−DCコンバータの出力電圧を所望の動作用電源電圧と一致させるように、スイッチング素子のオンオフデューティ比を制御するものが知られている。   As such a DC-DC converter, a DC-DC of a so-called switching power supply system in which a desired operation power supply voltage is obtained by controlling an on / off duty ratio of a switching element for turning on / off an output voltage of a fuel cell. DC converters are widely used. In such a DC-DC converter, for example, the output voltage of the DC-DC converter is monitored by a control circuit using a microcomputer, and the output voltage of the DC-DC converter is set to a desired power supply voltage for operation by software processing of the microcomputer. A device that controls the on / off duty ratio of the switching element so as to match the above is known.

ところで、例えば負荷装置が突然、DC−DCコンバータから外れてしまうなどして負荷が急激に軽くなった場合、電力の行き場がなくなりDC−DCコンバータの出力電圧が急激に上昇する。そうすると、マイクロコンピュータを用いた制御回路で出力電圧を制御するDC−DCコンバータでは、マイクロコンピュータのソフトウェア処理に必要な処理時間がこのような急激な出力電圧の上昇に間に合わないため、過電圧が負荷装置やDC−DCコンバータの内部回路に印加されて、損傷を与えるおそれがある。   By the way, for example, when the load is abruptly reduced because the load device is suddenly disconnected from the DC-DC converter, there is no place for power and the output voltage of the DC-DC converter rapidly increases. Then, in the DC-DC converter that controls the output voltage by the control circuit using the microcomputer, the processing time required for the software processing of the microcomputer is not in time for such a sudden increase in the output voltage. Or applied to the internal circuit of the DC-DC converter, which may cause damage.

また、燃料電池は、出力電流を増大させると出力電圧が低下し、出力電流を減少させると出力電圧が上昇する性質がある。また、燃料電池には、出力電圧によって発電効率が変化する性質もある。そこで、近年、燃料電池の出力電圧を、高発電効率が得られる電圧に一定に保つように、燃料電池からDC−DCコンバータへの吸い込み電流を調節するようにしたものが知られている。   Further, the fuel cell has a property that the output voltage decreases when the output current is increased, and the output voltage increases when the output current is decreased. Fuel cells also have the property that power generation efficiency varies depending on the output voltage. Therefore, in recent years, there has been known a technique in which the current drawn from the fuel cell to the DC-DC converter is adjusted so that the output voltage of the fuel cell is kept constant at a voltage at which high power generation efficiency can be obtained.

このように、燃料電池の出力電圧、すなわちDC−DCコンバータの入力電圧を一定に制御するようにしたDC−DCコンバータでは、例えば負荷が急激に軽くなるなどしてDC−DCコンバータの出力電圧が上昇した場合であっても、DC−DCコンバータの出力電圧に無関係に燃料電池からの吸い込み電流を維持しようとして出力電圧を低下させる制御動作を行わないため、DC−DCコンバータの出力電圧が上昇し続ける結果、なおさら過電圧により負荷装置やDC−DCコンバータの内部回路に損傷を与えるおそれが増大する。   As described above, in the DC-DC converter in which the output voltage of the fuel cell, that is, the input voltage of the DC-DC converter is controlled to be constant, for example, the output voltage of the DC-DC converter is reduced due to, for example, a drastically light load. Even if the voltage rises, the control operation for lowering the output voltage is not performed to maintain the current drawn from the fuel cell regardless of the output voltage of the DC-DC converter, so the output voltage of the DC-DC converter rises. As a result, the risk of damaging the load circuit and the internal circuit of the DC-DC converter is further increased by the overvoltage.

そこで、負荷装置と並列に過電圧保護回路を設けることにより、出力電圧が上昇した場合には、DC−DCコンバータの出力電流を過電圧保護回路にバイパスさせることにより、過電圧から負荷装置やDC−DCコンバータの内部回路を保護するようにした燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1参照。)。   Therefore, by providing an overvoltage protection circuit in parallel with the load device, when the output voltage rises, by bypassing the output current of the DC-DC converter to the overvoltage protection circuit, the load device and the DC-DC converter are detected from the overvoltage. There is known a fuel cell system that protects the internal circuit (see, for example, Patent Document 1).

また、DC−DCコンバータの出力電圧と基準電圧とを比較するコンパレータを設け、DC−DCコンバータの出力電圧が基準電圧を超えた場合に、コンパレータの出力信号によって、燃料電池への燃料供給を停止したりDC−DCコンバータの動作を停止させたりすることで、過電圧の発生を抑制するようにした燃料電池システムも提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
特表2006−501798号公報 特開2005−56764号公報
In addition, a comparator that compares the output voltage of the DC-DC converter and the reference voltage is provided, and when the output voltage of the DC-DC converter exceeds the reference voltage, the fuel supply to the fuel cell is stopped by the output signal of the comparator. A fuel cell system has also been proposed that suppresses the occurrence of overvoltage by stopping the operation of the DC-DC converter (see, for example, Patent Document 2).
JP-T-2006-501798 JP 2005-56764 A

しかしながら、特許文献1のように過電圧保護回路を設けて、DC−DCコンバータの出力電流を過電圧保護回路にバイパスさせる場合には、燃料電池の出力電力を過電圧保護回路で消費することになるので、過電圧保護回路は、燃料電池の出力電力以上の電力定格を有する必要がある。例えば20Wの燃料電池を用いる場合には、20W以上の電力定格を有する過電圧保護回路が必要である。このように、電力定格の大きな過電圧保護回路を構成するためには、トランジスタや抵抗器等、過電圧保護回路の部品に、電力定格の大きな部品を使用する必要がある。しかし、電力定格の大きい部品は外形寸法が大きいため、このような過電圧保護回路を用いると、回路が大型化するという不都合があった。   However, when the overvoltage protection circuit is provided as in Patent Document 1 and the output current of the DC-DC converter is bypassed to the overvoltage protection circuit, the output power of the fuel cell is consumed by the overvoltage protection circuit. The overvoltage protection circuit needs to have a power rating equal to or higher than the output power of the fuel cell. For example, when a 20 W fuel cell is used, an overvoltage protection circuit having a power rating of 20 W or more is necessary. Thus, in order to construct an overvoltage protection circuit with a large power rating, it is necessary to use components with a large power rating as components of the overvoltage protection circuit, such as transistors and resistors. However, since parts having a large power rating have large external dimensions, the use of such an overvoltage protection circuit has the disadvantage that the circuit becomes large.

また、特許文献2のように、コンパレータを用いてDC−DCコンバータの出力電圧を監視し、DC−DCコンバータの出力電圧が一定の基準電圧を超えた場合に、コンパレータのオン信号によって、燃料電池への燃料供給を停止する技術では、負荷が急に軽くなった場合には、燃料供給を停止しても燃料電池の出力電力はすぐに低下しないため、過剰となった燃料電池の出力電力によって、DC−DCコンバータの出力電圧が上昇する不都合があった。また、コンパレータを用いてDC−DCコンバータの出力電圧を監視し、DC−DCコンバータの出力電圧が一定の基準電圧を超えた場合に、DC−DCコンバータの動作を停止する場合には、DC−DCコンバータを停止して出力電圧が基準電圧以下に低下すると、コンパレータがオフして再びDC−DCコンバータが動作を開始するため、DC−DCコンバータが動作と停止とを繰り返して安定的にDC−DCコンバータを停止することができず、過電圧の発生を十分に抑制することができないという不都合があった。   Further, as in Patent Document 2, the output voltage of the DC-DC converter is monitored using a comparator, and when the output voltage of the DC-DC converter exceeds a certain reference voltage, a fuel cell is detected by an ON signal of the comparator. In the technology that stops the fuel supply to the fuel cell, if the load suddenly decreases, the output power of the fuel cell does not decrease immediately even if the fuel supply is stopped. There is a disadvantage that the output voltage of the DC-DC converter increases. In addition, when the output voltage of the DC-DC converter is monitored using a comparator and the operation of the DC-DC converter is stopped when the output voltage of the DC-DC converter exceeds a certain reference voltage, the DC-DC converter When the DC converter is stopped and the output voltage falls below the reference voltage, the comparator is turned off and the DC-DC converter starts to operate again. Therefore, the DC-DC converter repeats the operation and the stop to stably perform the DC- There is a disadvantage that the DC converter cannot be stopped and the occurrence of overvoltage cannot be sufficiently suppressed.

本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、回路の大型化を抑制しつつ、負荷の急変が生じた場合における過電圧の発生を低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a fuel cell system capable of reducing the occurrence of overvoltage when a sudden change in load occurs while suppressing an increase in circuit size. For the purpose.

本発明に係る燃料電池システムは、燃料と酸素とに基づき電力を生成する燃料電池と、負荷を接続するための接続端子と、前記燃料電池の出力電圧を、所定の電圧に変換して前記接続端子へ出力する電圧コンバータと、前記電圧コンバータの出力電圧が予め設定された設定電圧以上となった場合、前記電圧コンバータの出力電圧を低下させるための制御信号を生成する出力電圧低下処理を実行する第1制御部と、前記電圧コンバータの出力電圧を検出すると共に当該検出された電圧が前記設定電圧以上となった場合、前記電圧コンバータの動作を停止させ、前記第1制御部による前記出力電圧低下処理の実行後に前記電圧コンバータを、前記制御信号に応じて動作させる第2制御部とを備える。   The fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates electric power based on fuel and oxygen, a connection terminal for connecting a load, and an output voltage of the fuel cell that is converted into a predetermined voltage to perform the connection. When the output voltage of the voltage converter to the terminal and the output voltage of the voltage converter are equal to or higher than a preset voltage, an output voltage reduction process is performed to generate a control signal for reducing the output voltage of the voltage converter. When the output voltage of the first control unit and the voltage converter is detected and the detected voltage becomes equal to or higher than the set voltage, the operation of the voltage converter is stopped, and the output voltage drop by the first control unit A second control unit that operates the voltage converter in accordance with the control signal after the process is executed.

この構成によれば、燃料電池によって、燃料と酸素とに基づき電力が生成される。また、電圧コンバータによって、燃料電池の出力電圧が所定の電圧に変換されて負荷を接続するための接続端子へ出力される。そして、電圧コンバータの出力電圧が予め設定された設定電圧以上となった場合、第1制御部により生成された制御信号により電圧コンバータの出力電圧が低下される前に、第2制御部によって速やかに電圧コンバータの動作が停止されるので、負荷の急変により電圧コンバータの出力電圧が急激に上昇した場合であっても、過電圧の発生を低減することができる。また、第2制御部は、電圧コンバータの出力電圧が低下しても、直ちに電圧コンバータの動作を開始することなく、第1制御部により電圧コンバータの出力電圧を低下させる制御信号が生成された後に、当該制御信号に応じて電圧コンバータを動作させるので、電圧コンバータの出力電圧が低下して直ちに電圧コンバータの動作が開始される場合のように電圧コンバータの動作状態と停止状態とが繰り返されることが低減される。さらに、過電圧の発生を低減するために電流をバイパスする過電圧保護回路を用いないので、電力定格が大きく、従って外形寸法が大きい部品を用いる必要が無く、回路の大型化を抑制することができる。   According to this configuration, electric power is generated by the fuel cell based on the fuel and oxygen. Further, the output voltage of the fuel cell is converted into a predetermined voltage by the voltage converter and output to the connection terminal for connecting the load. When the output voltage of the voltage converter becomes equal to or higher than a preset voltage, the second control unit promptly reduces the output voltage of the voltage converter by the control signal generated by the first control unit. Since the operation of the voltage converter is stopped, the occurrence of overvoltage can be reduced even when the output voltage of the voltage converter suddenly increases due to a sudden change in the load. In addition, even if the output voltage of the voltage converter decreases, the second control unit does not immediately start the operation of the voltage converter, but after the control signal for reducing the output voltage of the voltage converter is generated by the first control unit. Since the voltage converter is operated according to the control signal, the operation state and the stop state of the voltage converter may be repeated as in the case where the output voltage of the voltage converter decreases and the operation of the voltage converter starts immediately. Reduced. Furthermore, since an overvoltage protection circuit that bypasses the current is not used in order to reduce the occurrence of overvoltage, it is not necessary to use a component having a large power rating and therefore a large external dimension, and the size of the circuit can be suppressed.

また、前記電圧コンバータの出力電圧により充電されると共に、当該充電された電力を前記接続端子へ出力する蓄電素子をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、負荷に流れる負荷電流が減少すると、余った電力は蓄電素子に蓄えられ、負荷電流が増大すると蓄電素子に蓄えられた電力が負荷へ供給されるので、蓄電素子によって負荷変動が吸収される結果、電圧コンバータの出力電圧が安定化される。   In addition, it is preferable to further include a storage element that is charged by the output voltage of the voltage converter and outputs the charged power to the connection terminal. According to this configuration, when the load current flowing through the load decreases, the surplus power is stored in the storage element, and when the load current increases, the power stored in the storage element is supplied to the load. As a result, the output voltage of the voltage converter is stabilized.

また、前記第2制御部は、前記電圧コンバータの出力電圧と前記設定電圧とを比較し、前記電圧コンバータの出力電圧が前記設定電圧以上となった場合に前記電圧コンバータの動作を停止させる旨の停止信号を出力する比較器と、前記停止信号を、前記出力電圧低下処理のための処理時間以上の間、保持する保持回路とを備えることが好ましい。   The second control unit compares the output voltage of the voltage converter with the set voltage, and stops the operation of the voltage converter when the output voltage of the voltage converter becomes equal to or higher than the set voltage. It is preferable to include a comparator that outputs a stop signal and a holding circuit that holds the stop signal for a time longer than the processing time for the output voltage reduction process.

この構成によれば、比較器によって、電圧コンバータの出力電圧と設定電圧とが比較され、電圧コンバータの出力電圧が設定電圧以上となった場合に比較器の出力信号に応じて電圧コンバータの動作が停止されるので、電圧コンバータの出力電圧が設定電圧以上となった場合に速やかに電圧コンバータの動作を停止させることができる。また、比較器の電圧コンバータの動作を停止させる旨の停止信号は、保持回路によって、出力電圧低下処理のための処理時間以上の間、保持されるので、電圧コンバータの出力電圧が低下して直ちに電圧コンバータの動作が開始される場合のように、電圧コンバータの動作状態と停止状態とが繰り返されることが低減される。   According to this configuration, the output voltage of the voltage converter is compared with the set voltage by the comparator, and when the output voltage of the voltage converter exceeds the set voltage, the operation of the voltage converter is performed according to the output signal of the comparator. Since the operation is stopped, the operation of the voltage converter can be quickly stopped when the output voltage of the voltage converter becomes equal to or higher than the set voltage. In addition, the stop signal for stopping the operation of the voltage converter of the comparator is held by the holding circuit for a time longer than the processing time for the output voltage reduction processing, so that the output voltage of the voltage converter immediately decreases. As in the case where the operation of the voltage converter is started, the repetition of the operation state and the stop state of the voltage converter is reduced.

また、前記第1制御部は、前記比較器から前記停止信号が出力された場合に、前記電圧コンバータの出力電圧が予め設定された設定電圧以上となったと判定することが好ましい。   The first control unit preferably determines that the output voltage of the voltage converter is equal to or higher than a preset voltage when the stop signal is output from the comparator.

この構成によれば、第1制御部は、比較器から停止信号が出力された場合に、電圧コンバータの出力電圧が設定電圧以上となったと判定することで、出力電圧低下処理を実行するので、比較器の他に別途電圧検出部を設ける必要がなく、回路を簡素化することができる。   According to this configuration, the first control unit executes the output voltage reduction process by determining that the output voltage of the voltage converter is equal to or higher than the set voltage when the stop signal is output from the comparator. There is no need to provide a separate voltage detection unit in addition to the comparator, and the circuit can be simplified.

また、前記電圧コンバータは、前記制御信号のデューティ比に応じて前記燃料電池の出力電圧をオン、オフするスイッチング素子を備え、前記制御信号のデューティ比の減少に応じて、前記接続端子への出力電圧を低下させ、前記第1制御部は、前記出力電圧低下処理として、前記制御信号のデューティ比を減少させることが好ましい。   The voltage converter includes a switching element that turns on and off the output voltage of the fuel cell according to a duty ratio of the control signal, and outputs to the connection terminal according to a decrease in the duty ratio of the control signal. It is preferable that the voltage is decreased and the first control unit decreases the duty ratio of the control signal as the output voltage reduction process.

この構成によれば、電圧コンバータが、スイッチング素子のオンデューティ比の減少に応じて接続端子への出力電圧が低下するいわゆるスイッチング電源方式の電源回路により構成された場合に、第1制御部は、出力電圧低下処理としてスイッチング素子をオンオフさせる制御信号のデューティ比を減少させることにより、電圧コンバータの出力電圧を低下させることができる。   According to this configuration, when the voltage converter is configured by a so-called switching power supply type power supply circuit in which the output voltage to the connection terminal decreases in accordance with a decrease in the on-duty ratio of the switching element, the first control unit The output voltage of the voltage converter can be reduced by reducing the duty ratio of the control signal for turning on / off the switching element as the output voltage reduction process.

また、前記第1制御部は、前記出力電圧低下処理において、さらに、前記燃料電池への燃料及び酸素の供給量のうち、少なくとも一方を減少させることが好ましい。この構成によれば、電圧コンバータの出力電圧を低下させる際に、燃料電池への燃料及び酸素の供給量のうち、少なくとも一方を減少させることで、燃料電池による発電電力を減少させ、余剰電力を低減させて、燃料電池における発電効率の低下を低減することができる。   In the output voltage reduction process, the first controller preferably further reduces at least one of the amount of fuel and oxygen supplied to the fuel cell. According to this configuration, when reducing the output voltage of the voltage converter, by reducing at least one of the amount of fuel and oxygen supplied to the fuel cell, the power generated by the fuel cell is reduced, and surplus power is reduced. It is possible to reduce the reduction in power generation efficiency in the fuel cell.

このような構成の燃料電池システムは、電圧コンバータの出力電圧が予め設定された設定電圧以上となった場合、第1制御部により生成された制御信号により電圧コンバータの出力電圧が低下される前に、第2制御部によって速やかに電圧コンバータの動作が停止されるので、負荷の急変により電圧コンバータの出力電圧が急激に上昇した場合であっても、過電圧の発生を低減することができる。また、第2制御部は、電圧コンバータの出力電圧が低下しても、直ちに電圧コンバータの動作を開始することなく、第1制御部により電圧コンバータの出力電圧を低下させる制御信号が生成された後に、当該制御信号に応じて電圧コンバータを動作させるので、電圧コンバータの出力電圧が低下して直ちに電圧コンバータの動作が開始される場合のように電圧コンバータの動作状態と停止状態とが繰り返されることが低減される。さらに、過電圧の発生を低減するために電流をバイパスする過電圧保護回路を用いないので、電力定格が大きく、従って外形寸法が大きい部品を用いる必要が無く、回路の大型化を抑制することができる。   In the fuel cell system having such a configuration, when the output voltage of the voltage converter becomes equal to or higher than a preset setting voltage, the output voltage of the voltage converter is reduced by the control signal generated by the first control unit. Since the operation of the voltage converter is promptly stopped by the second control unit, the occurrence of overvoltage can be reduced even when the output voltage of the voltage converter suddenly increases due to a sudden change in the load. In addition, even if the output voltage of the voltage converter decreases, the second control unit does not immediately start the operation of the voltage converter, but after the control signal for reducing the output voltage of the voltage converter is generated by the first control unit. Since the voltage converter is operated according to the control signal, the operation state and the stop state of the voltage converter may be repeated as in the case where the output voltage of the voltage converter decreases and the operation of the voltage converter starts immediately. Reduced. Furthermore, since an overvoltage protection circuit that bypasses the current is not used in order to reduce the occurrence of overvoltage, it is not necessary to use a component having a large power rating and therefore a large external dimension, and the size of the circuit can be suppressed.

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。図1に示す燃料電池システム1は、負荷2に電力を供給する燃料電池システムであって、負荷2を接続するための接続端子3と、燃料と酸素の供給を受けて化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池4と、燃料電池4の出力側に接続され、内蔵されたスイッチング素子Q1をオン、オフさせることにより燃料電池4の出力電圧Vtを昇圧し、電圧Voutとして接続端子3を介して負荷2へ供給する電圧コンバータ5と、電圧コンバータ5の出力電圧Voutを検出する例えばADコンバータを用いて構成された電圧検出部7と、電圧検出部7により検出された電圧Voutに基づきスイッチング素子Q1のオン、オフデューティ比を制御するための制御信号S1を、アンドゲート9へ出力する制御部8(第1制御部)と、電圧コンバータ5及び接続端子3の接続点とグラウンドとの間に接続された二次電池6(蓄電素子)とを備えている。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. A fuel cell system 1 shown in FIG. 1 is a fuel cell system that supplies electric power to a load 2, and includes a connection terminal 3 for connecting the load 2, and supply of fuel and oxygen to generate electric energy by a chemical reaction. The generated fuel cell 4 is connected to the output side of the fuel cell 4, and the built-in switching element Q1 is turned on and off to boost the output voltage Vt of the fuel cell 4, and as a voltage Vout via the connection terminal 3 A voltage converter 5 supplied to the load 2, a voltage detection unit 7 configured to detect an output voltage Vout of the voltage converter 5, for example, an AD converter, and a switching element Q1 based on the voltage Vout detected by the voltage detection unit 7 A control signal S1 for controlling the on / off duty ratio of the output signal to the AND gate 9, and a voltage controller. It has connected the secondary battery 6 (electric storage device) between the connection point and the ground over motor 5 and the connection terminal 3.

さらに、設定電圧Vrefを出力する例えば定電圧回路を用いて構成された基準電圧源10と、電圧コンバータ5の出力電圧Voutと基準電圧源10から出力される設定電圧Vrefとを比較し、出力電圧Voutが設定電圧Vref以上となった場合にスイッチング素子Q1をオフさせて電圧コンバータ5の動作を停止させるべくローレベルの信号を出力するコンパレータ11(比較器)と、コンパレータ11の出力信号を、予め設定された時間twの間保持し、制御信号S2として制御部8及びアンドゲート9へ出力する保持回路12と、制御信号S1と制御信号S2との論理積により得られた信号S3をスイッチング素子Q1のゲートへ出力するアンドゲート9とを備えている。この場合、基準電圧源10、コンパレータ11、及び保持回路12が、第2制御部の一例に相当している。   Furthermore, the reference voltage source 10 configured using, for example, a constant voltage circuit that outputs the set voltage Vref, the output voltage Vout of the voltage converter 5 and the set voltage Vref output from the reference voltage source 10 are compared, and the output voltage A comparator 11 (comparator) that outputs a low level signal to turn off the switching element Q1 and stop the operation of the voltage converter 5 when Vout becomes equal to or higher than the set voltage Vref, and an output signal of the comparator 11 in advance. The holding circuit 12 that holds the set time tw and outputs the control signal S2 to the control unit 8 and the AND gate 9 and the signal S3 obtained by the logical product of the control signal S1 and the control signal S2 And an AND gate 9 for outputting to the gate. In this case, the reference voltage source 10, the comparator 11, and the holding circuit 12 correspond to an example of a second control unit.

基準電圧源10の設定電圧Vrefは、例えば負荷2や二次電池6が過電圧によって破壊することのない定格電圧範囲の上限値に設定されている。   The set voltage Vref of the reference voltage source 10 is set to an upper limit value of a rated voltage range in which the load 2 and the secondary battery 6 are not destroyed by overvoltage, for example.

電圧コンバータ5は、いわゆるスイッチング電源方式のDC−DCコンバータである。電圧コンバータ5は、燃料電池4の出力端子がコイルLの一端に接続され、コイルLの他端にダイオードD1のアノードが接続され、ダイオードD1のカソードがキャパシタC2を介してグラウンドに接続されている。そして、燃料電池4とコイルLとの接続点が、キャパシタC1を介してグラウンドに接続され、コイルLとダイオードD1との接続点が、例えばFET(Field Effect Transistor)等のトランジスタを用いて構成されたスイッチング素子Q1を介してグラウンドに接続されている。そして、電圧コンバータ5は、スイッチング素子Q1のオンデューティ比が増大すると出力電圧Voutが上昇し、スイッチング素子Q1のオンデューティ比が減少すると出力電圧Voutが低下するようになっている。なお、電圧コンバータ5は、DC−DCコンバータに限らず、DC−ACコンバータであってもよい。   The voltage converter 5 is a so-called switching power supply type DC-DC converter. In the voltage converter 5, the output terminal of the fuel cell 4 is connected to one end of the coil L, the anode of the diode D1 is connected to the other end of the coil L, and the cathode of the diode D1 is connected to the ground via the capacitor C2. . The connection point between the fuel cell 4 and the coil L is connected to the ground via the capacitor C1, and the connection point between the coil L and the diode D1 is configured using a transistor such as an FET (Field Effect Transistor). The switching element Q1 is connected to the ground. In the voltage converter 5, the output voltage Vout increases when the on-duty ratio of the switching element Q1 increases, and the output voltage Vout decreases when the on-duty ratio of the switching element Q1 decreases. The voltage converter 5 is not limited to a DC-DC converter, and may be a DC-AC converter.

負荷2は、例えばパーソナルコンピュータの本体等、燃料電池システム1から供給された電力を消費する負荷である。燃料電池4は、図略の燃料供給装置から供給されるメタノール燃料と、空気中に含まれる酸素とから電力を生成する。燃料電池4は、例えば複数の燃料電池セルを直列に積層したスタック構造にされている。この燃料電池セルは、例えば1セルあたりの発電電圧が0.4V程度のダイレクトメタノール型燃料電池であり、この燃料電池セルを10個直列に接続してスタックとしている。したがって、燃料電池4の出力電圧は例えば4Vとなる。   The load 2 is a load that consumes electric power supplied from the fuel cell system 1 such as a main body of a personal computer, for example. The fuel cell 4 generates electric power from methanol fuel supplied from a fuel supply device (not shown) and oxygen contained in the air. The fuel cell 4 has, for example, a stack structure in which a plurality of fuel cells are stacked in series. This fuel cell is, for example, a direct methanol fuel cell having a power generation voltage of about 0.4 V per cell, and 10 fuel cells are connected in series to form a stack. Therefore, the output voltage of the fuel cell 4 is 4V, for example.

なお、燃料電池4は、複数の燃料電池セルを直列に積層したものに限らず、一つの燃料電池セルにより構成されていてもよい。また、燃料電池セルは、例えばアクティブ型DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)や、パッシブ型DMFC、DDFC(Direct DME Fuel Cell)、RMFC(Reformed Methanol Fuel Cell)等、種々の燃料電池セルを用いることができる。   Note that the fuel cell 4 is not limited to a plurality of fuel cells stacked in series, and may be configured by one fuel cell. Further, as the fuel cell, various fuel cells such as an active DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), a passive DMFC, a DDFC (Direct DME Fuel Cell), and an RMFC (Reformed Methanol Fuel Cell) can be used. .

二次電池6は、例えばリチウムイオン二次電池を2個直列接続にして構成されており、出力電圧は6V〜8V程度にされている。なお、二次電池6は、リチウムイオン二次電池に限らず、例えばニッケル水素二次電池やニッケルカドミウム二次電池等、種々の二次電池を用いることができる。また、二次電池6の代わりに、例えば電気二重層コンデンサ等のキャパシタを、蓄電素子として用いてもよい。   The secondary battery 6 is configured by connecting, for example, two lithium ion secondary batteries in series, and the output voltage is about 6V to 8V. The secondary battery 6 is not limited to a lithium ion secondary battery, and various secondary batteries such as a nickel hydride secondary battery and a nickel cadmium secondary battery can be used. Further, instead of the secondary battery 6, a capacitor such as an electric double layer capacitor may be used as the power storage element.

制御部8は、例えば所定の演算処理を実行するCPU(Central Processing Unit)と、所定の制御プログラムが記憶されたROM(Read Only Memory)と、データを一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)と、これらの周辺回路等とを備えて構成されている。そして、制御部8は、ROMに記憶された制御プログラムを実行することによって、電圧検出部7により検出された電圧Voutに基づき、制御信号S1のデューティ比を制御する。   The control unit 8 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) that executes predetermined arithmetic processing, a ROM (Read Only Memory) that stores a predetermined control program, and a RAM (Random Access Memory) that temporarily stores data. And these peripheral circuits and the like. And the control part 8 controls the duty ratio of control signal S1 based on the voltage Vout detected by the voltage detection part 7 by running the control program memorize | stored in ROM.

また、制御部8は、保持回路12から出力された制御信号S2がローレベルになった場合、すなわち出力電圧Voutが設定電圧Vref以上となって、電圧コンバータ5の動作を停止させて出力電圧Voutを低下させるべくコンパレータ11の出力信号がローレベルにされた場合に、ROMに予め記憶されたプログラムを実行することによって、制御信号S1のオンデューティ比を減少させると共に図略の燃料供給装置から燃料電池4へ供給されるメタノール燃料の供給量を減少させて燃料電池4の発電量を低下させる出力電圧低下処理を実行する。   Further, the control unit 8 stops the operation of the voltage converter 5 when the control signal S2 output from the holding circuit 12 becomes low level, that is, the output voltage Vout becomes equal to or higher than the set voltage Vref, and outputs the output voltage Vout. When the output signal of the comparator 11 is set to a low level in order to decrease the on-duty ratio, the on-duty ratio of the control signal S1 is reduced by executing a program stored in advance in the ROM, and the fuel supply device (not shown) An output voltage lowering process is performed in which the amount of methanol fuel supplied to the battery 4 is decreased to reduce the power generation amount of the fuel cell 4.

なお、燃料電池システム1は、燃料電池4に供給される酸素の量を調節する酸素量調節装置を備え、制御部8は、出力電圧低下処理において、燃料の供給量を減少させる代わりに酸素量調節装置により燃料電池4へ供給される酸素の供給量を減少させて燃料電池4の発電量を低下させるようにしてもよく、燃料供給量と酸素供給量とを両方減少させるようにしてもよい。   The fuel cell system 1 includes an oxygen amount adjusting device that adjusts the amount of oxygen supplied to the fuel cell 4, and the control unit 8 uses an oxygen amount instead of decreasing the fuel supply amount in the output voltage reduction process. The amount of oxygen supplied to the fuel cell 4 by the adjusting device may be reduced to reduce the power generation amount of the fuel cell 4, or both the fuel supply amount and the oxygen supply amount may be reduced. .

次に、上述のように構成された燃料電池システム1の動作について説明する。燃料電池システム1におけるスイッチング素子Q1のデューティ比Dと、電圧コンバータ5の昇圧比Vaとの関係は、以下の式(1)〜(3)で示される。   Next, the operation of the fuel cell system 1 configured as described above will be described. The relationship between the duty ratio D of the switching element Q1 in the fuel cell system 1 and the boost ratio Va of the voltage converter 5 is expressed by the following equations (1) to (3).

D=Fon/(Fon+Foff) ・・・(1)
D=(1−Vt/Vout) ・・・(2)
Va=Vout/Vt
=1/(1−D) ・・・(3)
但し、Fonは、スイッチング素子Q1がオンの時間、Foffは、スイッチング素子Q1がオフの時間、Vtは、電圧コンバータ5の入力電圧(燃料電池4の出力電圧)、Voutは、電圧コンバータ5の出力電圧を示している。
D = Fon / (Fon + Foff) (1)
D = (1−Vt / Vout) (2)
Va = Vout / Vt
= 1 / (1-D) (3)
However, Fon is the time when the switching element Q1 is on, Foff is the time when the switching element Q1 is off, Vt is the input voltage of the voltage converter 5 (output voltage of the fuel cell 4), and Vout is the output of the voltage converter 5. The voltage is shown.

ここで、電圧コンバータ5の出力電圧Voutは、正常な動作状態では二次電池6の出力電圧に等しく、6V〜8V程度の電圧となる。また、燃料電池4は、発電効率が出力電圧Vtに応じて変化するので、燃料電池4の発電効率が良好となるように、予め電圧Vtが設定される。   Here, the output voltage Vout of the voltage converter 5 is equal to the output voltage of the secondary battery 6 in a normal operation state, and is about 6V to 8V. Further, since the power generation efficiency of the fuel cell 4 changes according to the output voltage Vt, the voltage Vt is set in advance so that the power generation efficiency of the fuel cell 4 is good.

そして、制御部8によって、このようにして設定された電圧Vt、例えば4Vに基づき、電圧検出部7により検出された電圧Voutが二次電池6の出力電圧、例えば8Vになるように、式(2)からデューティ比Dが算出され、デューティ比Dの制御信号S1がアンドゲート9を介してスイッチング素子Q1のゲートに印加される結果、スイッチング素子Q1がデューティ比Dでオン、オフされて4Vの電圧Vtが8Vの電圧Voutに昇圧される。そして、このようにして得られた電圧Voutが二次電池6に印加されると共に、接続端子3を介して負荷2に印加される。   Then, based on the voltage Vt set in this way, for example, 4 V, by the control unit 8, the voltage Vout detected by the voltage detection unit 7 becomes an output voltage of the secondary battery 6, for example, 8 V, for example ( 2), the duty ratio D is calculated, and the control signal S1 having the duty ratio D is applied to the gate of the switching element Q1 via the AND gate 9. As a result, the switching element Q1 is turned on and off at the duty ratio D to 4V. The voltage Vt is boosted to a voltage Vout of 8V. The voltage Vout thus obtained is applied to the secondary battery 6 and is applied to the load 2 via the connection terminal 3.

このようにして、燃料電池4から出力された電力が、所定の電圧で負荷2に供給される。ここで、負荷2を流れる負荷電流Irが変動すると、燃料電池4の発電量は、負荷電流Irの変化に応じて急激に変化できないため、燃料電池4の出力電圧Vtの変動となって現れる。例えば、負荷電流Irが減少すると、燃料電池4の出力電圧Vtが上昇し、式(2)から負荷2に印加される電圧Voutが上昇する。一方、例えば、負荷電流Irが増大すると、燃料電池4の出力電圧Vtが低下し、式(2)から負荷2に印加される電圧Voutが低下するため、負荷2に供給される電圧Voutが不安定になる。   In this way, the electric power output from the fuel cell 4 is supplied to the load 2 at a predetermined voltage. Here, when the load current Ir flowing through the load 2 fluctuates, the power generation amount of the fuel cell 4 cannot be changed rapidly according to the change of the load current Ir, and thus appears as a fluctuation of the output voltage Vt of the fuel cell 4. For example, when the load current Ir decreases, the output voltage Vt of the fuel cell 4 increases, and the voltage Vout applied to the load 2 increases from Equation (2). On the other hand, for example, when the load current Ir increases, the output voltage Vt of the fuel cell 4 decreases and the voltage Vout applied to the load 2 decreases from the equation (2). Become stable.

そこで、燃料電池システム1では、二次電池6によって負荷2の負荷電流Irの変動、すなわち消費電力の変動を吸収し、電圧Voutを安定化するようになっている。具体的には、負荷2に電力を供給しても電圧コンバータ5から出力された電力が余る場合、余りの電力で二次電池6が充電される。一方、負荷2に供給する電力が燃料電池4から出力された電力だけでは足りない場合、二次電池6は不足分の電力を放電し、接続端子3から負荷2へ、燃料電池4が出力した電力と二次電池6が放電した電力とを合わせた電力が供給される。このように二次電池6は、負荷2に供給される電力の急激な変化を吸収する役割を担う。   Therefore, in the fuel cell system 1, the secondary battery 6 absorbs fluctuations in the load current Ir of the load 2, that is, fluctuations in power consumption, and stabilizes the voltage Vout. Specifically, when the power output from the voltage converter 5 remains even if power is supplied to the load 2, the secondary battery 6 is charged with the surplus power. On the other hand, when the power supplied to the load 2 is not enough for the power output from the fuel cell 4, the secondary battery 6 discharges the insufficient power and the fuel cell 4 outputs from the connection terminal 3 to the load 2. Power that is a combination of the power and the power discharged from the secondary battery 6 is supplied. Thus, the secondary battery 6 plays a role of absorbing a sudden change in the power supplied to the load 2.

次に、負荷2の負荷電流Irの変動が、二次電池6により吸収可能な変動量を超えて減少した場合における燃料電池システム1の動作について説明する。図2は、燃料電池システム1の動作を説明するためのタイミングチャートである。まず、図2における通常動作状態を示しているタイミングt1において、燃料電池4の発電効率を高めるように、制御部8によってデューティ比Dの制御信号S1が、アンドゲート9へ出力され、アンドゲート9からスイッチング素子Q1のゲートへ出力される。そうすると、スイッチング素子Q1がデューティ比Dでオンされる。   Next, the operation of the fuel cell system 1 when the fluctuation of the load current Ir of the load 2 decreases beyond the fluctuation amount that can be absorbed by the secondary battery 6 will be described. FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the fuel cell system 1. First, at the timing t1 indicating the normal operation state in FIG. 2, the control unit 8 outputs the control signal S1 having the duty ratio D to the AND gate 9 so as to increase the power generation efficiency of the fuel cell 4. To the gate of the switching element Q1. Then, switching element Q1 is turned on with duty ratio D.

図3は、燃料及び酸素の供給量が一定の条件における燃料電池4の動作を説明するための説明図である。グラフG1は、燃料電池4の出力電流(横軸)と出力電力(縦軸)との関係を示し、グラフG2は、燃料電池4の出力電流(横軸)と出力電圧Vt(縦軸)との関係を示している。グラフG1に示すように、燃料電池4の出力電流がAiのとき、出力電力がAwで最大となる。そして、グラフG2に示すように、出力電流がAiとなる燃料電池4の出力電圧Vtは、Avである。従って、タイミングt1において、制御部8によって、式(2)における電圧VtがAv、電圧Voutが例えば8Vになるように、デューティ比Dが設定される。この場合、燃料電池4は、図3に示す動作点P1で動作している。   FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the operation of the fuel cell 4 under conditions where the supply amounts of fuel and oxygen are constant. The graph G1 shows the relationship between the output current (horizontal axis) and the output power (vertical axis) of the fuel cell 4, and the graph G2 shows the output current (horizontal axis) and the output voltage Vt (vertical axis) of the fuel cell 4. Shows the relationship. As shown in the graph G1, when the output current of the fuel cell 4 is Ai, the output power is maximum at Aw. As shown in the graph G2, the output voltage Vt of the fuel cell 4 at which the output current is Ai is Av. Therefore, at the timing t1, the control unit 8 sets the duty ratio D so that the voltage Vt in Expression (2) is Av and the voltage Vout is, for example, 8V. In this case, the fuel cell 4 is operating at the operating point P1 shown in FIG.

次に、タイミングt2において、負荷電流Irが、二次電池6により吸収可能な変動量を超えて急激に減少した場合、例えば負荷2の図略の電源スイッチがオフされて負荷電流Irが急激にゼロになった場合、それまで負荷2に供給されていた負荷電流Irを含む電圧コンバータ5のすべての出力電流が、二次電池6に電流Ibatとして流れ込み、二次電池6の端子電圧である電圧Voutが急上昇する。   Next, at time t2, when the load current Ir suddenly decreases beyond the amount of fluctuation that can be absorbed by the secondary battery 6, for example, the unillustrated power switch of the load 2 is turned off and the load current Ir suddenly increases. When it becomes zero, all output currents of the voltage converter 5 including the load current Ir that has been supplied to the load 2 so far flow into the secondary battery 6 as the current Ibat, and the voltage that is the terminal voltage of the secondary battery 6 Vout rises rapidly.

そして、電圧Voutが設定電圧Vrefに達すると、コンパレータ11の出力信号がローレベルにされ、保持回路12により時間twの間、制御信号S2がローレベルに保持されて制御部8及びアンドゲート9へ出力される。時間twは、制御部8による出力電圧低下処理の処理時間tc以上に設定されている。   When the voltage Vout reaches the set voltage Vref, the output signal of the comparator 11 is set to a low level, and the control circuit S2 is held at a low level for a time tw by the holding circuit 12 to the control unit 8 and the AND gate 9. Is output. The time tw is set to be equal to or longer than the processing time tc of the output voltage reduction process by the control unit 8.

そうすると、アンドゲート9の出力信号S3は、制御信号S1に関わらず強制的にローレベルにされてスイッチング素子Q1のゲートへ出力され、スイッチング素子Q1がオフ状態にされ、電圧コンバータ5の動作が停止する。この場合、電圧Voutが設定電圧Vrefに達してから電圧コンバータ5の動作が停止するまでの時間は、コンパレータ11、保持回路12、及びアンドゲート9の動作遅延時間だけなので、例えば10nsec以下程度の極めて短時間となる。   Then, the output signal S3 of the AND gate 9 is forcibly set to the low level regardless of the control signal S1 and is output to the gate of the switching element Q1, the switching element Q1 is turned off, and the operation of the voltage converter 5 is stopped. To do. In this case, the time from when the voltage Vout reaches the set voltage Vref until the operation of the voltage converter 5 is stopped is only the operation delay time of the comparator 11, the holding circuit 12, and the AND gate 9, so that it is extremely low, for example, about 10 nsec or less. It will be a short time.

次に、タイミングt3において、スイッチング素子Q1がオフして電圧コンバータ5の動作が停止すると、燃料電池4と二次電池6とは、コイルLおよびダイオードD1を介して接続される。このとき、燃料電池4の開回路電圧が二次電池6の端子電圧より高ければ、ダイオードD1による電圧降下を無視すれば、昇圧比Vaが1となる。また、燃料電池4の開回路電圧は、通常作動電圧よりは、かなり上昇する一方、燃料電池4の出力電流は、出力電圧の上昇に応じて減少する結果、極めて小さい電流値となる。逆に、燃料電池4の開回路電圧が二次電池6の端子電圧より低ければ、ダイオードD1により電流は流れない。   Next, when the switching element Q1 is turned off and the operation of the voltage converter 5 is stopped at timing t3, the fuel cell 4 and the secondary battery 6 are connected via the coil L and the diode D1. At this time, if the open circuit voltage of the fuel cell 4 is higher than the terminal voltage of the secondary battery 6, the step-up ratio Va is 1 if the voltage drop due to the diode D1 is ignored. In addition, the open circuit voltage of the fuel cell 4 is considerably higher than the normal operating voltage, while the output current of the fuel cell 4 is decreased as the output voltage is increased, resulting in an extremely small current value. Conversely, if the open circuit voltage of the fuel cell 4 is lower than the terminal voltage of the secondary battery 6, no current flows through the diode D1.

これにより、負荷2の負荷電流Irの変動が、二次電池6により吸収可能な変動量を超えて減少した場合において、電圧Voutが一時的に急上昇した場合であっても、電圧Voutが例えば負荷2や二次電池6が過電圧によって破壊することのない定格電圧範囲の上限値に設定されている設定電圧Vrefに達すると、コンパレータ11、保持回路12、及びアンドゲート9によって、例えば10nsec以下といった極めて短時間でスイッチング素子Q1がオフされ、電圧Voutが二次電池6の出力電圧値まで低下されるので、負荷の急変が生じた場合における過電圧の発生を低減し、負荷2や二次電池6が過電圧により損傷することを抑制することができる。   As a result, when the fluctuation of the load current Ir of the load 2 decreases beyond the fluctuation amount that can be absorbed by the secondary battery 6, even if the voltage Vout suddenly rises, the voltage Vout is, for example, the load 2 and when the secondary battery 6 reaches the set voltage Vref set to the upper limit value of the rated voltage range that is not destroyed by the overvoltage, the comparator 11, the holding circuit 12, and the AND gate 9 cause an extremely low value of, for example, 10 nsec or less. Since the switching element Q1 is turned off in a short time and the voltage Vout is lowered to the output voltage value of the secondary battery 6, the occurrence of overvoltage when the load suddenly changes is reduced, and the load 2 and the secondary battery 6 are Damage due to overvoltage can be suppressed.

この場合、例えば電圧検出部7によって過電圧を検出し、制御部8によるCPUのプログラム実行処理によってスイッチング素子Q1をオフさせる場合には、プログラム実行処理に数msec程度の時間が必要となり、このような処理時間の間に過電圧が生じて負荷2や二次電池6が損傷するおそれがある。しかし、燃料電池システム1においては、コンパレータ11、保持回路12、及びアンドゲート9によって、例えば10nsec以下といった極めて短時間でスイッチング素子Q1をオフすることができるので、過電圧から負荷2や二次電池6を保護する確実性を向上させることができる。   In this case, for example, when the overvoltage is detected by the voltage detection unit 7 and the switching element Q1 is turned off by the CPU program execution process by the control unit 8, a time of about several milliseconds is required for the program execution process. There is a possibility that an overvoltage is generated during the processing time and the load 2 and the secondary battery 6 are damaged. However, in the fuel cell system 1, since the switching element Q1 can be turned off in an extremely short time, for example, 10 nsec or less, by the comparator 11, the holding circuit 12, and the AND gate 9, the load 2 and the secondary battery 6 can be prevented from overvoltage. The certainty of protecting can be improved.

ここで、例えば燃料電池4の開回路電圧は、8V〜10V程度にされており、二次電池6の端子電圧より高いので、電圧コンバータ5の昇圧比が1となる。そうすると、燃料電池4の出力電圧Vtは、二次電池6の端子電圧と等しいBv(例えば6V〜8V)になる。そうすると、図3に示すように、燃料電池4の動作点はP2に移動し、燃料電池4の発電特性から、燃料電池4の出力電流はほとんどゼロに近い電流値Biとなる。   Here, for example, the open circuit voltage of the fuel cell 4 is set to about 8 V to 10 V, which is higher than the terminal voltage of the secondary battery 6, so that the step-up ratio of the voltage converter 5 is 1. Then, the output voltage Vt of the fuel cell 4 becomes Bv (for example, 6V to 8V) equal to the terminal voltage of the secondary battery 6. Then, as shown in FIG. 3, the operating point of the fuel cell 4 moves to P2, and from the power generation characteristics of the fuel cell 4, the output current of the fuel cell 4 becomes a current value Bi that is almost zero.

一方、制御部8は、保持回路12からローレベルの制御信号S2を受信すると、CPUによるプログラム実行により、出力電圧低下処理を実行する。そうすると、制御信号S2の立下りから、制御部8による出力電圧低下処理にかかる処理時間tc、例えば数msec程度の時間経過後、制御部8によって制御信号S1のデューティ比Dが減少される。この場合、制御部8によって、電圧コンバータ5の出力電流が二次電池6で吸収可能な範囲の電流値になるように、デューティ比Dが設定される。   On the other hand, when the control unit 8 receives the low-level control signal S2 from the holding circuit 12, the control unit 8 executes an output voltage reduction process by executing a program by the CPU. Then, after the processing time tc required for the output voltage reduction processing by the control unit 8 from the falling edge of the control signal S2, for example, about several milliseconds, the control unit 8 decreases the duty ratio D of the control signal S1. In this case, the duty ratio D is set by the control unit 8 so that the output current of the voltage converter 5 becomes a current value in a range that can be absorbed by the secondary battery 6.

この場合、保持回路12により制御信号S2がローレベルに保持される時間twは、処理時間tc以上に設定されているので、制御部8による出力電圧低下処理時間中は、スイッチング素子Q1がオフ状態に維持される結果、制御部8によって制御信号S1のデューティ比Dが減少される前に電圧コンバータ5が動作を開始し電圧Voutが上昇して過電圧が生じ、負荷2や二次電池6が損傷することが抑制される。   In this case, since the time tw during which the control signal S2 is held at the low level by the holding circuit 12 is set to be longer than the processing time tc, the switching element Q1 is in the OFF state during the output voltage reduction processing time by the control unit 8. As a result, the voltage converter 5 starts operating before the control unit 8 reduces the duty ratio D of the control signal S1, and the voltage Vout rises to cause an overvoltage, which damages the load 2 and the secondary battery 6. Is suppressed.

次いで、処理時間tcが経過したタイミングt4において、コンパレータ11の出力信号が、そのまま制御信号S2として制御部8とアンドゲート9とへ出力される。そうすると、タイミングt4においては既に電圧Voutは設定電圧Vrefに満たない電圧に低下しているから、制御信号S2は、保持回路12からハイレベルで制御部8とアンドゲート9とへ出力される。   Next, at timing t4 when the processing time tc has elapsed, the output signal of the comparator 11 is output as it is to the control unit 8 and the AND gate 9 as the control signal S2. Then, since the voltage Vout has already dropped to a voltage less than the set voltage Vref at the timing t4, the control signal S2 is output from the holding circuit 12 to the control unit 8 and the AND gate 9 at a high level.

そうすると、アンドゲート9によって、制御部8によりデューティ比Dが減少されて出力された制御信号S1がスイッチング素子Q1のベースへ出力され、スイッチング素子Q1が小さなオンデューティ比でオン、オフ動作を開始するので、電圧コンバータ5の出力電流、すなわち二次電池6に流れる電流Ibatは二次電池6で吸収可能な小さな電流値に抑えられる結果、電圧Voutは二次電池6の出力電圧にされて安定する。   Then, the control signal S1 output by the AND gate 9 with the duty ratio D decreased by the control unit 8 is output to the base of the switching element Q1, and the switching element Q1 starts on / off operation with a small on-duty ratio. Therefore, the output current of the voltage converter 5, that is, the current Ibat flowing through the secondary battery 6 is suppressed to a small current value that can be absorbed by the secondary battery 6. As a result, the voltage Vout is stabilized by being the output voltage of the secondary battery 6. .

また、タイミングt4において、電圧コンバータ5が動作を開始すると、燃料電池4の出力電流がBiからCiに増大し、燃料電池4の出力電圧VtがBvからCvに低下して、燃料電池4の動作点はP3に移動する。このとき、電流Ciは、例えば電流Aiの1/2になるように、制御部8によりデューティ比Dが設定されている。   Further, when the voltage converter 5 starts operating at the timing t4, the output current of the fuel cell 4 increases from Bi to Ci, and the output voltage Vt of the fuel cell 4 decreases from Bv to Cv. The point moves to P3. At this time, the duty ratio D is set by the control unit 8 so that the current Ci becomes, for example, ½ of the current Ai.

ここで、燃料電池4の動作点がP1からP3に変化すると、図3に示すように、出力電力もAwの約1/2程度のCwに減少する。そうすると、動作点P3においても燃料電池4への燃料供給量は同じであるから、同じ燃料供給量で燃料電池4から取り出せる電力料が約1/2となり、燃料電池4の発電効率も約1/2に低下する。   Here, when the operating point of the fuel cell 4 changes from P1 to P3, as shown in FIG. 3, the output power also decreases to Cw which is about ½ of Aw. Then, since the fuel supply amount to the fuel cell 4 is the same at the operating point P3, the power charge that can be taken out from the fuel cell 4 with the same fuel supply amount is about ½, and the power generation efficiency of the fuel cell 4 is also about 1 / Decrease to 2.

そこで、タイミングt5において、制御部8によって、発電効率を向上させるべく図略の燃料供給装置から燃料電池4へ供給される燃料の供給量が減少される。図4は、燃料の供給量を変化させた場合における燃料電池4の動作を説明するための説明図である。説明を簡略化するため、燃料供給量を「大」「中」「小」の三段階で表し、燃料供給量が「大」の場合を太線で、燃料供給量が「中」の場合を細線で、燃料供給量が「小」の場合を波線で示している。   Therefore, at the timing t5, the supply amount of the fuel supplied from the fuel supply device (not shown) to the fuel cell 4 is reduced by the control unit 8 to improve the power generation efficiency. FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the operation of the fuel cell 4 when the fuel supply amount is changed. In order to simplify the explanation, the fuel supply amount is expressed in three stages of “Large”, “Medium”, and “Small”. The wavy line indicates the case where the fuel supply amount is “small”.

太線で示す燃料供給量「大」のグラフG1,G2は、図3に示すグラフG1,G2と同様である。細線で示す燃料供給量「中」のグラフG3,G4は、グラフG1,G2よりも燃料供給量を減少させた場合における、燃料電池4の出力電流(横軸)と出力電力(縦軸)との関係、及び燃料電池4の出力電流(横軸)と出力電圧Vt(縦軸)との関係をそれぞれ示している。破線で示す燃料供給量「小」のグラフG5,G6は、グラフG3,G4よりもさらに燃料供給量を減少させた場合における、燃料電池4の出力電流(横軸)と出力電力(縦軸)との関係、及び燃料電池4の出力電流(横軸)と出力電圧Vt(縦軸)との関係をそれぞれ示している。   The graphs G1 and G2 of the fuel supply amount “large” indicated by bold lines are the same as the graphs G1 and G2 shown in FIG. The fuel supply amount “medium” graphs G3 and G4 indicated by thin lines indicate the output current (horizontal axis) and the output power (vertical axis) of the fuel cell 4 when the fuel supply amount is decreased as compared with the graphs G1 and G2. And the relationship between the output current (horizontal axis) of the fuel cell 4 and the output voltage Vt (vertical axis). The fuel supply amount “small” graphs G5 and G6 indicated by the broken line indicate the output current (horizontal axis) and output power (vertical axis) of the fuel cell 4 when the fuel supply amount is further decreased than the graphs G3 and G4. And the relationship between the output current (horizontal axis) of the fuel cell 4 and the output voltage Vt (vertical axis).

図4に示すように、燃料電池4は、燃料供給量が減少すると、出力電力が最大、すなわち発電効率が最大になる出力電流も減少する。図4では、動作点P3では、燃料供給量「小」のグラフG5で最大の発電効率が得られる。そこで、制御部8によって、燃料電池4への燃料供給量が減少され、タイミングt6において燃料供給量が「小」になると、グラフG5に示すように動作点P3において、燃料電池4の発電効率が最大となるので、過電圧の発生を低減することによる燃料電池4の発電効率の低下を低減することができる。   As shown in FIG. 4, when the fuel supply amount decreases, the fuel cell 4 also decreases the output current at which the output power is maximized, that is, the power generation efficiency is maximized. In FIG. 4, at the operating point P3, the maximum power generation efficiency is obtained in the graph G5 of the fuel supply amount “small”. Therefore, when the fuel supply amount to the fuel cell 4 is decreased by the control unit 8 and the fuel supply amount becomes “small” at the timing t6, the power generation efficiency of the fuel cell 4 is reduced at the operating point P3 as shown in the graph G5. Thus, the reduction in power generation efficiency of the fuel cell 4 due to the reduction in the occurrence of overvoltage can be reduced.

なお、負荷が急変して電圧Voutが上昇する場合としては、例えば燃料電池システム1が携帯型パーソナルコンピュータに接続されている場合であって、ユーザが突然携帯型パーソナルコンピュータから燃料電池システム1を取り外した場合のように、負荷2が燃料電池システム1から取り外されてしまう場合などが想定される。   The case where the load suddenly changes and the voltage Vout increases is, for example, when the fuel cell system 1 is connected to a portable personal computer, and the user suddenly removes the fuel cell system 1 from the portable personal computer. A case where the load 2 is removed from the fuel cell system 1 as in the case of the case is assumed.

また、電圧コンバータ5から見ると、二次電池6も負荷である。そうすると、タイミングt2において、例えば電圧コンバータ5に二次電池6を接続している接続配線が断線したり、例えば二次電池6が電池パックのように取り外し可能にされている場合に、ユーザが二次電池6を取り外す等して、二次電池6が回路から切り離されると、それまで二次電池6に流れ込んでいた電流Ibatが負荷2へ流れて負荷電流Irが増大し、電圧Voutが上昇する。このような負荷変動の場合にも、上述のタイミングt3〜t6における処理により、負荷の急変が生じた場合における過電圧の発生を低減し、負荷2が過電圧により損傷することを抑制することができると共に、過電圧の発生を低減することによる燃料電池4の発電効率の低下を低減することができる。   Further, when viewed from the voltage converter 5, the secondary battery 6 is also a load. Then, at timing t2, for example, when the connection wiring connecting the secondary battery 6 to the voltage converter 5 is disconnected, or when the secondary battery 6 is detachable like a battery pack, for example, When the secondary battery 6 is disconnected from the circuit by removing the secondary battery 6 or the like, the current Ibat that has flown into the secondary battery 6 until then flows to the load 2, the load current Ir increases, and the voltage Vout increases. . Even in the case of such a load change, the processing at the timings t3 to t6 described above can reduce the occurrence of overvoltage when the load suddenly changes, and can suppress the load 2 from being damaged by the overvoltage. The reduction in power generation efficiency of the fuel cell 4 due to the reduction in the occurrence of overvoltage can be reduced.

また、二次電池6が電池パックとして構成されている場合には、電池パック内に、過電圧が印加された場合に二次電池6を回路から切り離す過電圧保護回路が内蔵されている場合がある。このような電池パックの過電圧保護回路が働いた場合も、二次電池6が回路から切り離されて負荷変動が生じる結果、過電圧を生じるおそれがあるが、設定電圧Vrefを電池パックの過電圧保護回路が働く電圧よりも低い電圧にしておけば、過電圧保護回路が働く前に電圧Voutを低下させ、過電圧が生じるおそれを低減することができる。   When the secondary battery 6 is configured as a battery pack, an overvoltage protection circuit that disconnects the secondary battery 6 from the circuit when an overvoltage is applied may be incorporated in the battery pack. Even when such an overvoltage protection circuit for the battery pack is activated, the secondary battery 6 may be disconnected from the circuit, resulting in a load fluctuation. As a result, an overvoltage may occur, but the overvoltage protection circuit for the battery pack uses the set voltage Vref. If the voltage is lower than the working voltage, the voltage Vout is lowered before the overvoltage protection circuit works, and the possibility of overvoltage can be reduced.

また、制御部8によって、燃料電池4への燃料供給量を減少させることで、燃料電池4の発電効率を向上させる例を示したが、燃料供給量を減少させる代わりに燃料電池4への酸素供給量を減少させたり、燃料供給量及び酸素供給量の両方を減少させたりすることにより、燃料電池4の発電量を低下させて発電効率を向上させるようにしてもよい。   Moreover, although the example which improves the electric power generation efficiency of the fuel cell 4 by reducing the fuel supply amount to the fuel cell 4 by the control part 8 was shown, instead of reducing the fuel supply amount, oxygen to the fuel cell 4 is shown. The power generation efficiency may be improved by reducing the power generation amount of the fuel cell 4 by decreasing the supply amount or by reducing both the fuel supply amount and the oxygen supply amount.

本発明に係る燃料電池システムは、携帯電話、携帯情報端末(PDA)、携帯型パーソナルコンピュータ、ビデオカメラ等の携帯用小型電子機器へ燃料電池を接続する際に特に有用である。また、電動車椅子、電動スクータ、ポータブル電源用等の燃料電池搭載に際しても適用できる。   The fuel cell system according to the present invention is particularly useful when a fuel cell is connected to a portable small electronic device such as a mobile phone, a personal digital assistant (PDA), a portable personal computer, a video camera or the like. The present invention can also be applied when a fuel cell such as an electric wheelchair, an electric scooter, or a portable power source is mounted.

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of the fuel cell system which concerns on one Embodiment of this invention. 図1に示す燃料電池システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。2 is a timing chart for explaining the operation of the fuel cell system shown in FIG. 1. 燃料及び酸素の供給量が一定の条件における燃料電池の動作を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating operation | movement of the fuel cell in the conditions with the supply amount of a fuel and oxygen constant. 燃料の供給量を変化させた場合における燃料電池の動作を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating operation | movement of a fuel cell when changing the supply_amount | feed_rate of fuel.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池システム
2 負荷
3 接続端子
4 燃料電池
5 電圧コンバータ
6 二次電池
7 電圧検出部
8 制御部
9 アンドゲート
10 基準電圧源
11 コンパレータ
12 保持回路
C1,C2 キャパシタ
D1 ダイオード
L コイル
Q1 スイッチング素子
D デューティ比
Vref 設定電圧
tc 処理時間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 2 Load 3 Connection terminal 4 Fuel cell 5 Voltage converter 6 Secondary battery 7 Voltage detection part 8 Control part 9 And gate 10 Reference voltage source 11 Comparator 12 Holding circuit C1, C2 Capacitor D1 Diode L Coil Q1 Switching element D Duty ratio Vref Setting voltage tc Processing time

Claims (6)

燃料と酸素とに基づき電力を生成する燃料電池と、
負荷を接続するための接続端子と、
前記燃料電池の出力電圧を、所定の電圧に変換して前記接続端子へ出力する電圧コンバータと、
前記電圧コンバータの出力電圧が予め設定された設定電圧以上となった場合、前記電圧コンバータの出力電圧を低下させるための制御信号を生成する出力電圧低下処理を実行する第1制御部と、
前記電圧コンバータの出力電圧を検出すると共に当該検出された電圧が前記設定電圧以上となった場合、前記電圧コンバータの動作を停止させ、前記第1制御部による前記出力電圧低下処理の実行後に前記電圧コンバータを、前記制御信号に応じて動作させる第2制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity based on fuel and oxygen;
A connection terminal for connecting a load;
A voltage converter that converts the output voltage of the fuel cell into a predetermined voltage and outputs the voltage to the connection terminal;
A first control unit that executes an output voltage lowering process for generating a control signal for lowering the output voltage of the voltage converter when the output voltage of the voltage converter is equal to or higher than a preset setting voltage;
When the output voltage of the voltage converter is detected and the detected voltage becomes equal to or higher than the set voltage, the operation of the voltage converter is stopped, and the voltage is reduced after the output voltage reduction process is performed by the first control unit. A fuel cell system comprising: a second control unit that operates a converter in response to the control signal.
前記電圧コンバータの出力電圧により充電されると共に、当該充電された電力を前記接続端子へ出力する蓄電素子をさらに備えること
を特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, further comprising a power storage element that is charged by an output voltage of the voltage converter and outputs the charged power to the connection terminal.
前記第2制御部は、
前記電圧コンバータの出力電圧と前記設定電圧とを比較し、前記電圧コンバータの出力電圧が前記設定電圧以上となった場合に前記電圧コンバータの動作を停止させる旨の停止信号を出力する比較器と、
前記停止信号を、前記出力電圧低下処理のための処理時間以上の間、保持する保持回路と
を備えることを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池システム。
The second controller is
A comparator that compares the output voltage of the voltage converter with the set voltage, and outputs a stop signal to stop the operation of the voltage converter when the output voltage of the voltage converter becomes equal to or higher than the set voltage;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising: a holding circuit that holds the stop signal for a time equal to or longer than a processing time for the output voltage reduction process.
前記第1制御部は、前記比較器から前記停止信号が出力された場合に、前記電圧コンバータの出力電圧が予め設定された設定電圧以上となったと判定すること
を特徴とする請求項3記載の燃料電池システム。
The said 1st control part determines with the output voltage of the said voltage converter becoming more than the preset setting voltage, when the said stop signal is output from the said comparator. Fuel cell system.
前記電圧コンバータは、前記制御信号のデューティ比に応じて前記燃料電池の出力電圧をオン、オフするスイッチング素子を備え、前記制御信号のデューティ比の減少に応じて、前記接続端子への出力電圧を低下させ、
前記第1制御部は、前記出力電圧低下処理として、前記制御信号のデューティ比を減少させること
を特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
The voltage converter includes a switching element that turns on and off the output voltage of the fuel cell according to a duty ratio of the control signal, and outputs an output voltage to the connection terminal according to a decrease in the duty ratio of the control signal. Lower,
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the first control unit reduces a duty ratio of the control signal as the output voltage reduction process.
前記第1制御部は、前記出力電圧低下処理において、さらに、前記燃料電池への燃料及び酸素の供給量のうち、少なくとも一方を減少させること
を特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
The said 1st control part further reduces at least one among the supply amount of the fuel and oxygen to the said fuel cell in the said output voltage fall process. The fuel cell system described in 1.
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