电源装置及其控制方法转让专利
申请号 : CN200510054119.8
文献号 : CN1738087B
文献日 : 2010-07-28
发明人 : 乘松泰明 , 叶田玲彦 , 菊地睦
申请人 : 株式会社日立制作所
摘要 :
提供一种电源装置及其控制方法，在燃料电池和蓄电单元的混合结构中，使蓄电单元小型化而不会引起功能不全。在本发明中，可以提供在具有燃料电池和蓄电单元的机器中，在取得上述蓄电单元的小型化和系统低价化的同时，可以实现燃料电池的高速启动、输出及余量判断及在输出变动时采取对策的电源装置及其控制方法。可实现蓄电单元的小型轻量化，除了可以与装载现有的二次电池一样地可在便携式机器上立即使用之外，还可以促进燃料电池的升温。
权利要求 :
1.一种具有将甲醇作为燃料的燃料电池和蓄电单元的电源装置，其特征在于包括：DC/DC变换器，连接于将上述蓄电单元和上述燃料电池并联连接的电路，从该DC/DC变换器向作为负载的机器供给电力，在接通上述机器的电源之后，经由仅由上述蓄电单元向上述负载供电的第1期间、由上述蓄电单元和上述燃料电池并联地向上述负载供电的第2期间之后，具有仅由上述燃料电池向上述负载供电、由上述燃料电池向上述负载供电并且向上述蓄电单元充电的第3期间，在上述燃料电池的电压值和上述蓄电单元的电压值相等时，从上述第1期间向上述第2期间转移，把从启动上述燃料电池直到上述燃料电池达到上述负载驱动电力值的期间作为上述第2期间，通过经过上述第1、第2、第3期间，使燃料电池的温度上升成为可输出预期的稳定输出的状态。
2.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
上述燃料电池的输出电力和上述蓄电单元的放电电力之和满足上述负载的要求电力。
3.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
在上述燃料电池的输出电力比上述负载的要求电力低时，要求电力和上述燃料电池的输出电力的差是上述蓄电单元的放电电力。
4.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
在上述燃料电池的输出电力比上述负载的要求电力高时，要求电力和上述燃料电池的输出电力的差是上述蓄电单元的充电电力。
5.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
根据上述燃料电池的燃料余量，控制成使上述燃料电池可发电的发电量和上述蓄电单元的蓄电量的总和不低于上述负载必需的电力量。
6.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
在只由上述燃料电池向上述负载供电时，上述负载的输出上升时，由上述蓄电单元和上述燃料电池并联地向上述负载供电。
7.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于：
设置燃料电池的串联电池单元数使得上述燃料电池的设计下限电压值比上述蓄电单元的最大电压值高的电压值。
8.一种信息机器，具有如权利要求1所述的具有燃料电池和蓄电单元的电源装置，利用上述电源装置的输出电力进行机器的动作，所述信息机器的特征在于：上述DC/DC变换器的输入电力是由上述蓄电单元的放电电力和上述燃料电池的输出电力构成的。
9.如权利要求8所述的信息机器，其特征在于：
上述燃料电池的输出电力和上述蓄电单元的放电电力之和满足上述机器要求的电力。
10.如权利要求8所述的信息机器，其特征在于：在上述燃料电池的输出电力比上述机器要求的电力低时，上述机器要求的电力和上述燃料电池的输出电力的差是上述蓄电单元的放电电力。
11.如权利要求8所述的信息机器，其特征在于：在上述燃料电池的输出电力比上述机器要求的电力高时，上述机器要求的电力和上述燃料电池的输出电力的差是上述蓄电单元的充电电力。
12.如权利要求8所述的信息机器，其特征在于：在从与上述机器相连接的上述燃料电池以外向上述机器供电时，还与用户的上述机器的ON、OFF操作连动地使燃料电池ON、OFF。
13.如权利要求10所述的信息机器，其特征在于：上述蓄电单元是锂系二次电池，上述燃料电池的串联电池单元数为6～22个。
14.如权利要求10所述的信息机器，其特征在于：上述蓄电单元是电气双层电容器，上述燃料电池的串联电池单元数为4～20个。
说明书 :
技术领域
本发明涉及使用燃料电池的电源装置及其控制方法。
燃料电池，一般与柴油机和燃气轮机相比发电效率高，作为对环境有利的发电机近年来受到注目。
然而，燃料电池与其他发电机不同，为了通过化学反应取用电力，启动电池需要时间，所以与其他发电机相比启动性差。
在专利文献1中，记述了关于解决固体氧化物型燃料电池的启动性的问题的内容，记述了并用燃料电池和二次电池使用剩余电力对二次电池进行充电，通过在燃料电池启动时使用该电力，解决启动性的问题的内容。
专利文献1：日本专利特开2004-66917号公报。
根据本发明，提供了一种具有将甲醇作为燃料的燃料电池和蓄电单元的电源装置，其特征在于包括：DC/DC变换器，连接于将上述蓄电单元和上述燃料电池并联连接的电路，从该DC/DC变换器向作为负载的机器供给电力，在接通上述机器的电源之后，经由仅由上述蓄电单元向上述负载供电的第1期间、由上述蓄电单元和上述燃料电池并联地向上述负载供电的第2期间之后，具有仅由上述燃料电池向上述负载供电、由上述燃料电池向上述负载供电并且向上述蓄电单元充电的第3期间，在上述燃料电池的电压值和上述蓄电单元的电压值相等时，从上述第1期间向上述第2期间转移，把从启动上述燃料电池直到上述燃料电池达到上述负载驱动电力值的期间作为上述第2期间，通过经过上述第1、第2、第3期间，使燃料电池的温度上升成为可输出预期的稳定输出的状态。
根据本发明，提供了一种信息机器，具有如技术方案1所述的具有燃料电池和蓄电单元的电源装置，利用上述电源装置的输出电力进行机器的动作，所述信息机器的特征在于：上述DC/DC变换器的输入电力是由上述蓄电单元的放电电力和上述燃料电池的输出电力构成的。
根据本发明，提供了一种电源装置，是具有燃料电池和蓄电单元，向负载供电的便携式电子机器用电源装置，其特征在于：在从启动上述燃料电池直到达到上述负载驱动电力值的期间，从上述蓄电单元和上述燃料电池以并联方式向上述负载供电。
根据本发明，提供了一种电源装置，是具有燃料电池和蓄电单元，向负载供电的便携式电子机器用电源装置，其特征在于：在接通上述便携式电子机器的电源之后，经过只由上述蓄电单元向上述负载供电的第1期间和由上述蓄电单元和上述燃料电池并联向上述负载供电的第2期间，只由上述燃料电池向上述负载供电。
根据本发明，提供了一种电源装置，是具有燃料电池和蓄电单元的便携式电子机器用电源装置，其特征在于：燃料电池的串联电池单元数使得燃料电池的设计下限电压值比上述蓄电单元的最大电压值高的电压值。
由于燃料电池是将化学能变换为电力的发电机，存在为了使燃料电池启动之后稳定供给负载(比如电子机器)所要求的电力，需要时间的问题。
本发明的目的在于提供一种即使是在燃料电池不能发出负载所要求的电力的期间，电源整体也可以稳定地供给负载所要求的电力的电源。
此电源装置的特征在于，在具有燃料电池和蓄电单元的电源装置中，从上述蓄电单元和上述燃料电池以并联方式向负载供给电力。
燃料电池，即使是在不能发出负载所要求的电力的期间，作为电源整体也可以稳定地供给负载所要求的电力。
附图说明
图1为本发明的实施例1中的构成。
图2为本发明的实施例1中的DC/DC变换器的电路构成。
图3为本发明的整体流程图。
图4为说明本发明的第一模式、第二模式和第三模式中的电力、电压和各种信号的关系的示图。
图5为本发明的第一模式的流程图。
图6为本发明的第二模式的流程图。
图7为本发明的第三模式的流程图。
图8为本发明的第四模式的流程图。
图9为本发明的第五模式的流程图。
图10为本发明的实施例2中的构成。
图11为本发明的实施例3中的构成。
图12为本发明的实施例4中的构成。
图13为说明本发明的第1模式的燃料电池和蓄电单元的电流和电压的关系的示图。
图14为本发明的增加了负载断路开关的构成。
图15为本发明的增加了负载断路开关和接口规格的构成。
图16为本发明的实施例5中的构成。
图17为本发明的增加了实施例5中的蓄电单元充电电路的构成。
图2为本发明的实施例1中的DC/DC变换器的电路构成。
图3为本发明的整体流程图。
图4为说明本发明的第一模式、第二模式和第三模式中的电力、电压和各种信号的关系的示图。
图5为本发明的第一模式的流程图。
图6为本发明的第二模式的流程图。
图7为本发明的第三模式的流程图。
图8为本发明的第四模式的流程图。
图9为本发明的第五模式的流程图。
图10为本发明的实施例2中的构成。
图11为本发明的实施例3中的构成。
图12为本发明的实施例4中的构成。
图13为说明本发明的第1模式的燃料电池和蓄电单元的电流和电压的关系的示图。
图14为本发明的增加了负载断路开关的构成。
图15为本发明的增加了负载断路开关和接口规格的构成。
图16为本发明的实施例5中的构成。
图17为本发明的增加了实施例5中的蓄电单元充电电路的构成。
具体实施方式
在本实施例中，提供在具有燃料电池和蓄电单元的机器中，在实现上述蓄电单元小型化和系统低价化的同时，使燃料电池的高速启动、输出及余量判断、输出变动时的对策成为可能的电源装置及其控制方法。
下面，利用附图对本发明的电源装置及其控制方法的实施例进行说明。
(实施例1)
下面，利用图1对本发明的实施例1进行说明。图1为示出电源装置的构成及电力线、信号线的连接的概略的框图。
在本实施例的构成中，燃料电池1和蓄电单元2具有两个电源，在燃料电池1侧具有防止逆流用的二极管和放电开关8，在蓄电单元侧具有放电用的二极管和控制充电的ON、OFF的充电开关4。另外，在图1中，二极管和充电开关4与蓄电单元2的“+”侧相连接，但也可以与蓄电单元2的“-”侧相连接，也可以使用P沟道MOSFET及N沟道MOSFET等的开关元件，与只使用二极管的场合相比可以改善大电流流过时的效率。
另外，开关元件的控制由判别控制单元3进行或者也可以连接成对燃料电池进行检测并根据电压值自动地进行ON、OFF。
在以本实施方式中使用的甲醇作为燃料的燃料电池1中，在以下所示的电化学反应中通过使甲醇具有的化学能直接变换为电能的形式发电。
在阳极侧，被供给的甲醇水溶液按照(1)式反应分解为二氧化碳气体、氢离子及电子。
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e- (1)
生成的氢离子在电解质膜中从阳极移动到阴极侧，在阴电极上从空气中扩散来的氧气和电极上的电子按照(2)式发生反应而生成水。
6H++3/2O2+6e-→3H2O (2)
因此，伴随发电的全化学反应式，如(3)式所示，甲醇受到氧气的氧化而生成二氧化碳和水，化学反应式与甲醇着火燃烧一样。
CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O (3)
电池单元的开路电压约为1.2V，但由于燃料浸透电解质膜的影响实质上为0.85～1.0V，虽然没有特别的限定，但在实用负载运行下的电压选择为在0.2～0.6V左右的区域。所以，在作为实际电源使用时，按照负载机器的要求，将电池单元串联使用而得到规定的电压。电池单元的输出电流密度因电极催化剂、电极构造及其他影响而改变，在实际效果上是通过设计适当选择电池单元的发电部的面积而得到规定的电流。另外，在合适时也可以通过并联调整电池容量。在本实施方式中，电池单元的额定电压为0.3V。
燃料电池，由于是通过燃料和氧气的氧化还原反应取出电力的发电机，在燃料到达电极之后一直到得到实际上稳定的电力为止需要时间。
另外，燃料电池如上所述是发电机，所以，对于发电而言燃料是不可欠缺的。然而，在燃料极上积蓄燃料的状态下，由于发生燃料穿过膜的称为跨越(crossover)的现象，即使是不使用燃料电池时，也消耗燃料。
为了使与一般的电池自身放电相当的不使用机器时的燃料消耗完全等于0，可以只在使用时将燃料送入燃料电池，但需要在使用开始时用来向燃料电池送入燃料的电力。
其次，作为燃料投入后的燃料电池的特性，输出与温度的依赖关系非常密切，特别是在低温下的输出非常低。因此，利用燃料电池保证的额定输出必须设计为大于等于某一温度(比如40℃)。因此，为了将燃料电池使用于便携式机器，必须下工夫尽量快地升温，在燃料电池达到上述设定温度之前，存在机器的必需电力不足的问题。
另外，由于燃料电池是与电流成比例地从燃料极排出二氧化碳，而从空气极排出水，这些生成物聚集时电压就会降低。在这种时候从燃料电池取用电力时，从燃料电池流出过剩电流而导致生成物更增多使事态恶化。因此，在这种时候，必须下工夫使燃料电池的输出不会过剩。
另外，对蓄电单元2而言，作为包括电气双层电容器在内的电容器及二次电池，可以采用锂聚合物电池及通常的锂离子电池作为Ni系二次电池及Li系二次电池。
然而，有时为实现后述的本实施例的控制方式，必须装载使机器的必需电力可能达到相对于在以通常的2C放电的Li系二次电池输出的场合实际上必需的能量容量具有多余容量。在该种场合，能量密度差，但使用可在高比率电流下进行充放电的在HEV、EV中广泛使用的锂离子电池、Ni系二次电池、质子聚合物电池、电气双层电容器，对于小型化是优选。
在本构成中，将供给机器6的最大电力时的燃料电池1的下限电压设定为大于等于蓄电单元的上限电压。在将4.3～6.3V设定为锂电池的上限电压时，考虑到从燃料电池的电池单元最大电压(约1.2～0.8V)下降的最大输出设计点的电压(约0.8～0.3V)，对于锂电池电池单元，燃料电池的串联电池单元数在5～16个范围内是合适的。
另外，即使是使用不同种类的蓄电单元，也可以根据设定电压进行对应，在将电气双层电容器的电池单元的上限电压设定为4.0～2.3V时，电池单元的个数设定在3～20个的范围内，在将Ni系二次电池及质子聚合物电池的电池单元的上限电压设定为1.4～1.0V时，电池单元的个数设定在2～6个的范围内是合适的。在将蓄电单元2串联时，也可使燃料电池的电池数为蓄电单元的串联数的一倍。
如上所述，在考虑到燃料电池1的输出特性而使燃料电池1和蓄电单元2的上限电压的对应关系处于上述范围内时，就可以进行尺寸、成本、发电效率的最优化。
将以上两种电源的电力由DC/DC变换器5进行电压变换以可适合机器6的电压进行供电。作为DC/DC变换器5，绝缘型、斩波型的升压变换器在减少电池单元数目方面是有效的，也可以相应于机器6为降压变换器、多输出变换器。
另外，也可以相应于机器6增加软件开动功能。另外，DC/DC变换器5的电路图的一例示于图2。
其构成为，从变换器输入Vin分别进行电压变换成为机器6用输出Vout1，判别控制单元用输出Vout2及燃料电池辅机(燃料选择单元13，送液单元14)用输出Vout3。Vout1和Vout2是升压斩波型，Vout2是降压线性调节器型。在Vout2是在DC/DC变换器驱动器9中内置降压调节器时，也可以使用它进行输出。
作为机器6，可以应用于笔记本PC和PDA、便携式电话、DVD播放器、MP3播放器等便携式机器及清扫机、电熨斗、野营用电源这样的无绳机器、车载用的电池。
下面对燃料电池的构成进行说明。
作为燃料贮藏部有两种：燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12。燃料外部贮藏器11，可由用户装卸，并附带可以通过测定根据燃料的余量而变化的电阻值及静电容量值检测燃料余量的余量检测单元。内部贮藏器12，是比燃料外部贮藏器11小型的组装于燃料电池系统内不能取出的贮藏器，贮藏通过燃料电池后的燃料，可利用气液分离膜及阀门等将反应后的二氧化碳排出到贮藏器外。内部贮藏器上也设置有燃料余量检测单元。
燃料选择单元13，可通过切换燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的流路而切换为使用两者的状态、使用两者中任何一种的状态、全都不使用的状态中的任何一个。另外，在成为两者都使用的状态方面也可以使用燃料的浓度调整单元。
作为燃料选择单元13的具体示例，使用步进电机及电磁阀等。送液单元14，是将来自由燃料选择单元13所切换的流路的燃料送入燃料电池1的单元，可使用隔膜式泵及活塞泵。
另外，这些驱动电力由蓄电单元2及燃料电池1及DC/DC变换器5供给。另外，图中虽然未记述，但根据燃料电池1的实际安装形态，也可以增加空气泵及风扇作为向燃料电池空气极一侧的送风单元。特别是，在层叠型燃料电池的场合是必需的。
下面对控制单元及控制方法进行说明。
作为判别控制单元3，使用单片微处理器及比较器等。判别控制单元3的驱动电力，由蓄电单元及燃料电池1及DC/DC变换器5供给。作为判别控制单元3的输入信号，取得燃料外部贮藏器11、内部贮藏器12的燃料余量信息，送液单元14的状态信息，蓄电单元2的状态信息，燃料电池1的状态信息，DC/DC变换器5的状态信息以及来自机器6的控制信号。
作为判别控制单元3的输出信号，是发送到燃料选择单元13的控制信号，发送到DC/DC变换器5的控制信号以及发送到机器6的控制信号。特别是，在判别控制单元3是微处理器时，除了一般输入输出端子之外，具有用于余量信息发送的通信用端子(串联、I2C、SMBus等)，用于电压判别的A/D变换用端子，用于启动信号等中断的中断端子(INT)以及计时器功能。
本实施例，是具有一次电池、二次电池、电容器等蓄电单元的结构。不过，由于为实现小型轻量化，上述蓄电单元尽可能小是优选的，所以必须是可以运用小容量的蓄电单元的结构及控制方法。
下面对采用此种结构的控制方法进行详细说明。
作为控制方法，具有以下说明的9种模式。
第一模式是对从装置停止状态起一直到蓄电单元开始向机器6供电使燃料电池1成为可进行额定输出的状态为止的上升进行判定的启动模式。
第二模式是对燃料电池1及在机器驱动状态下对各种信号及状态变化进行持续监视判定的稳定模式。
第三模式是在第一种模式后对燃料电池1的异常时的电压降低进行支持和输出恢复判定的异常时模式。
第四模式是在燃料余量多而蓄电单元2的电力余量少时对蓄电单元2进行稳定充电的模式。
第五模式是在燃料余量少且蓄电单元2的电力余量少时禁止高负载进行充电的高负载禁止模式。
第六模式是在燃料变为零时停止机器6的驱动的燃料零模式。
第七模式是在第六模式后或在用户的关闭处理后对燃料电池1进行停止处理的燃料电池停止处理模式。
第八模式是机器6和燃料电池1在停止中的状态下对各种信号及状态变化进行持续监视判定的停止中监视模式。
第九模式是在用户长期放置时由于自身放电等等放电大于等于一定程度时启动燃料电池1对电池进行充电的停止中充电模式。
表示九种模式的关系的流程图如图3所示。下面利用附图对各模式进行详细说明。
第一模式，由于不向燃料电池供给燃料而使燃料电池的输出几乎为零，蓄电单元2和燃料电池从断电状态开动。
当然，在燃料电池的燃料供给不停止时，从后述的第2启动期间开动。
第一模式的启动，通过在第八模式或第九模式中，由判别控制单元3检测由用户的操作产生的机器调机信号而开始。第一模式的流程图示于图5。在从第八模式转移到第一模式时，首先进行第1次启动判断。
在燃料外部贮藏器11中没有足够量的燃料时(也包含余量为零)及不连接燃料外部贮藏器11时，判断为不可能启动而中止启动。此时，附加LED等显示单元(未图示)成为用户可以判断的结构。在有燃料时，在使充电开关4处于ON的同时，使辅机即时开始动作。此时的辅机，除了燃料选择单元和送液单元之外，也可以增加燃料电池空气极一侧的送风机。
之后，进行燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12相加的燃料余量的判断。在内部贮藏器12容量小于等于一定的下限值时将燃料外部贮藏器11的燃料全部移送到内部贮藏器12，转移到第九模式。在大于等于上述下限值时，对DC/DC变换器5的驱动开始，开始向机器6供电。此时的电压，如图4所示，由于蓄电单元(Li输出)>燃料电池(DMFC输出)，对机器6的供电全部是蓄电单元2。
第二启动期间，如图4所示，是成为蓄电单元的电压值≈燃料电池的电压值的期间。成为从燃料电池1和蓄电单元2两者向机器6供电的共享(share)模式，此时进行第2次启动判断。正常时从燃料电池1发出的电力慢慢变大，燃料电池1的电力共享比例变得比蓄电单元2多，顺利地转移到下一个启动期间。然而，在燃料电池1发生故障等的异常状态下电力不能提高时，蓄电单元2的电力共享比例变得依旧很大，通过判别控制单元3的A/D端口等检测到DC/DC变换器5的输入侧的电压，即蓄电单元2的电压低于设定值时判别控制单元3就判断启动失败。之后，判别控制单元3向机器6发送关闭信号使机器6关闭，根据来自DC/DC变换器5的负载信息确认关闭，使DC/DC变换器5停止并在LED等的显示单元(未图示)上将故障状态通知用户。另外，在燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的合计燃料余量小于等于下限值时，转移到第八模式。
第三启动期间是燃料电池的电压变得高于蓄电单元的电流为零时的电压时，即蓄电单元(电流0)＜燃料电池的期间。另外，从第二启动期间向第三启动期间的切换，并不能明确划分，在切换附近从相反的第三启动期间向第二启动期间的切换也通过机器6的要求负载的增减发生。在从燃料电池1向机器6供电的同时也对蓄电单元2进行充电。由此，蓄电单元2的电压与燃料电池1的电压一起上升。于是，进行作为最后的启动判断的第3次启动判断。通过判别控制单元3的A/D端口等检测蓄电单元2的电压已达到设定的上限电压(4.2～4.3V)，就使充电开关4变为OFF而终止对蓄电单元2的充电。在蓄电单元2的充电电力变为零时，燃料电池1的电压上升而转移到燃料电池利用效率良好的稳定状态，燃料电池1的启动结束。另外，由于蓄电单元2的放电一侧是通过二极管相连接，在燃料电池电压急剧下降时成为可瞬时支持的状态。
另外，此时的特性的迁移如图13所示。如此图所示，燃料电池，在像温度T1这样的低温时，不能输出达到预期的电流。然而，通过与蓄电单元并联使电力输出，由于伴随燃料电池的发电反应的发热及燃料电池的内部电阻引起的发热可使燃料电池的温度上升，在温度T1→T2→T3→T4的范围内可输出大电流。另外，由于燃料电池1的温度变化引起的输出变化的特性示于图18。燃料电池1设计成为在图中所示的电压电流范围内继续改变移动，在启动后处于燃料利用效率良好的范围内可以供电的状态。
另外，在本实施例中，作为蓄电单元2是以锂电池为中心进行说明的，但应用于其他二次电池及包括电气双层电容器在内的电容器的场合也可以，只改变上限电压就可以很容易应用。
通过执行以上的启动模式，可以实现提供用户的燃料电池启动等待时间为零，燃料电池启动中的输出不稳定期间的稳定输出，不需要大量传感器的燃料电池的简易的启动判断系统。在便携式机器用系统中希望使用尽可能小的蓄电单元，但当蓄电单元的输出时间变长时，就存在由于随着放电蓄电单元的电压降低，就难以产生稳定的输出的问题。对于这一问题，不是只利用蓄电单元持续输出机器及燃料电池的辅机的电力一直到燃料电池可以完全输出的状态，即使是在不能产生额定输出的不完全的状态下，通过成为增加燃料电池的输出的并联输出状态，可以使内部电阻造成的损耗降低而可以进一步减小蓄电单元的容量。另外，由于在蓄电单元为锂电池时利用本方式对电流充电区域进行充电，可以进行必需程度的充电，并且充电时间也减小。另外，由于成为与燃料电池的稳定时的电力范围相比的过载状态，也可以做到改善燃料电池的启动时间。
第二模式的流程图如图6所示。对燃料电池电压、蓄电单元电压、燃料余量(外部贮藏器的余量和内部贮藏器的余量这两者)及表示用户进行机器关闭操作的机器侧端子的机器停止信号进行监视并根据需要转移到各个模式。
第三模式是在第二模式中在电压检测单元检测到燃料电池的电压因某种原因下降时转移到其中的模式。作为这种场合的一个原因，是观察到伴随反应而产生的二氧化碳和水至少一个妨碍了反应所必需的水和甲醇及氧气对MEA(膜/电极组合体)的供给。第三模式的流程图如图7所示。另外，此模式的电力和电压的变化示于图4。首先，将充电开关置于ON成为可以进行充放电的状态。在燃料电池1的输出恢复并变成向机器6供电和对蓄电单元2充电这两者都可能的状态时，在蓄电单元2的电压上升变成大于等于上限电压而判断异常状态结束，使充电开关变为OFF而返回到第二模式。在燃料电池1的输出保持异常状态不变时，在检测到小于等于蓄电单元的下限电压时判断为燃料电池的故障而结束。在第三模式过程中间，当燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的总和余量变为零时转移到第六模式。
第四模式的流程图示于图8。在检测到蓄电单元的电压小于判断为必须紧急充电的紧急充电电压的设定值并且检测到燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的合计燃料余量大于设定值时就进行转移。首先，将充电开关4置于ON成为可充放电的状态。在正常的场合，在蓄电单元2的电压上升变成大于等于上限电压而判断异常状态结束，使充电开关变为OFF而返回到第二模式。在燃料电池1的输出保持异常状态不变时，在检测到小于等于蓄电单元2的下限电压时判断为燃料电池的故障而结束。在第四模式过程中间，当燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的总和余量变为零时转移到第六模式。
第五模式的流程图示于图9。在检测到蓄电单元2的电压小于判断为必须紧急充电的紧急充电电压的设定值并且检测到燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的合计燃料余量小于内部贮藏器12的容量时就进行转移。首先，向机器6发送高负载禁止的信号，在禁止高负载应用等的使用之后，将充电开关4置于ON成为可充放电的状态。在正常的场合，在蓄电单元2的电压上升变成大于等于上限电压而判断异常状态结束，使充电开关变为OFF而返回到第二模式。在燃料电池1的输出保持异常状态不变时，在检测到小于等于蓄电单元2的下限电压时判断为燃料电池的故障而结束。在第四模式过程中间，当燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的总和余量变为零时转移到第六模式。
第六模式是由于料外部贮藏器11和内部贮藏器12的总和余量变为零时转移到的模式。首先，向机器6发送关闭信号，使其开始强制关闭，转移到第七模式。另外，也可以代替关闭信号，机器6的OS根据余量信息判断实施强制关闭。此时，在余量为零时，直接转移到第七模式。
第七模式是在第六模式后或在检测到表示由用户进行关闭处理的关闭信号后进行转移。将充电开关4置于ON，利用DC/DC变换器5发出的输出信号或机器6发出的信号检测到机器6关闭，使DC/DC变换器5变为OFF。之后，使作为辅机的风扇及泵动作一定时间，转移到第八模式。
第八模式是从第一模式或第七模式转移的模式。在机器6和燃料电池1停止的状态下，判别控制单元3对燃料的余量和蓄电单元的余量及来自机器的调机信号进行持续监视的同时，根据检测到的信号转移到其他模式。另外，优选地，利用判别控制单元3转移到省电动作。
第九模式是在第八模式中利用蓄电单元2的余量检测结果或判别控制单元3具有的计时器功能中的至少一个功能进行转移。将燃料发送到燃料电池1，启动燃料电池1并对蓄电单元2进行充电。在确认到达上限电压的次数及在一定时间内从上限电压未达到下限电压时就转移到第八模式。在中途检测到了来自用户的启动信号时就转换到第一模式。
另外，以上说明的各模式的控制并不需要全部安装，可以根据对各个模式的对策内容的需要而进行安装。
下面对与机器6的接口的规格进行说明。
向机器6发送的信号为燃料外部贮藏器11的燃料余量信息和燃料电池1的状态信息这两种。
燃料余量信息由使用大于等于一个端子(包括GND在内为大于等于两个端子)发送大于等于1位的信息或使用大于等于两个端子的端子的通信方式(SMBus、串行、并行等)进行发送。当然，也可以是使用一端子(包括GND在内为两个端子)的通信方式。另外，将上述进行组合也可以。
作为燃料电池的状态信息，有在蓄电单元的余量和燃料的余量少时的高负载可否信号及在故障等等时用来使机器强制关闭的关闭信号。另外，也可以取代高负载可否信号，将蓄电单元电压等的蓄电单元余量信息输出到端子，由机器侧的OS判断高负载可否。另外，除了上述信号之外，也可以根据需要增加设置于燃料电池上的温度传感器产生的燃料电池温度及设置于蓄电单元上的温度传感器产生的检测温度。另外，为了形成可以将燃料电池机器与现有的电池组调换的结构，也可以增加燃料电池和锂电池组的识别信号。
从机器发送的信号有通过用户操作产生的机器调机信号和机器驱动信息信号这两种。
机器调机信号，是用户通过使机器6的开关成为ON使状态改变而判别控制单元3检测该状态改变的信号。另外，比如，机器调机信号，在利用用户的开关ON的动作使机器6从Low改变为High并通知机器6的调机开始之后，在机器6的驱动中，通过维持High的状态可兼作机器驱动信息信号使用。因此，机器6即使是处于备用等要求电力几乎为零时，判别控制单元3可以判断机器6未关闭。另外，作为用于机器驱动信息信号的端子，在机器6为笔记本PC等之时，也可以根据用于连接USB机器等而使用的USB端口数设置判别用的端子(比如，在三端口时为两个端子)。另外，在使用大于等于两个端子的通信方式中，也可将连接机器数、启动应用程序数等负载信息从机器6的OS一侧进行通知。当然，此时的通信端子也可兼作燃料电池的状态信息的通信端子使用。
另外，对于上面举出的信号中要求特别紧急的信号(机器调机信号、关闭信号、高负载禁止信号等)，优选是将接收侧的端子变成中断端子(INT)。
在上述之外，在图14中示出设置有检测和机器6的拆装，根据该检测结果控制判别控制单元的ON和OFF的负载断路开关7的结构。负载断路开关7也可以使用N沟道功率MOSFET，在负载的正侧配置使用P沟道功率MOSFET。另外，在此结构中，在DC/DC变换器5不是绝缘型时，由于在不使用时电力端子也可能短路，所以也可以从施加于负载断路开关7的电压进行短路检测。另外，如图15所示，也可以设置有通过将机器6从由虚线围出的以外的部分(电池组)上拆装，使负载断路开关7断路成为OFF的端子。
根据本实施例，可实现蓄电单元的小型轻量化，除了可以与装载现有的二次电池一样地可在便携式机器上立即使用之外，还可以促进燃料电池的升温。
(实施例2)
下面对采用两个燃料外部贮藏器11的实施例1进行说明。
相对于实施例1大的改变部分是有关燃料方面的结构。图10示出此时的结构。在图10的结构中，具有两个燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12这两种燃料贮藏部。燃料外部贮藏器11，具有可由用户拆装并可以侧燃料的余量的余量检测单元。内部贮藏器12，是比组装于燃料电池系统内不能取出的贮藏器小型的贮藏器，可贮藏通过燃料电池1后的燃料。
燃料选择单元13，可通过切换两个燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的流路而切换为使用两者的状态、使用两者中任何一种的状态、全都不使用的状态中的任何一个。在使用任何一种时，使用余量最少的燃料贮藏部。所以，在内部贮藏器12中有余量时，使用内部贮藏器12的燃料，而在内部贮藏器12的没有余量时，使用两个燃料外部贮藏器11中的余量少的那一个燃料外部贮藏器。另外，在燃料外部贮藏器11中的一个的余量为零或未连接时，就使用另一个燃料外部贮藏器11。另外，作为燃料选择单元13，可使用步进电机及电磁阀等。送液单元14，是将来自由燃料选择单元13所切换的流路的燃料送入燃料电池1的单元，可使用隔膜式泵及活塞泵。另外，这些驱动电力由蓄电单元2及燃料电池1及DC/DC变换器5供给。
另外，图中虽然未记述，但根据燃料电池1的实际安装形态，也可以增加空气泵及风扇作为向燃料电池空气极一侧的送风单元。特别是，在层叠型燃料电池的场合是必需的。
结构以外的部分与实施例1相比无变化。不过，具有两个燃料外部贮藏器11与具有一个燃料外部贮藏器11的构成相比，由于可以将检测到余量为零的燃料外部贮藏器的交换时间设定为更长，所以具有燃料完全为零的几率减小的优点。
(实施例3)
本发明的实施例3示于图11。在本实施例的燃料电池系统中，虚线所示的部分内置于机器主体内，虚线部分以外是称为电池组的结构。本实施例的特征在于联系机器6和燃料电池1的接口规格。除了燃料电池1的电力端子和辅机的电力端子之外，接口还具有燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的余量信号端子、通到辅机的控制信号端子、燃料电池1的温度等的状态信号端子以及燃料电池1和蓄电单元2的识别信号端子。
(实施例4)
本发明的实施例4示于图12。在本实施例的燃料电池系统中，虚线所示的部分内置于机器主体内，虚线部分以外是称为电池组的结构，但内置于机器主体的主要部分与图11的不同。本实施例的特征在于联系机器6和燃料电池1的接口规格。接口具有燃料电池1的电力端子和余量信号端子、DC/DC变换器5的双向信号端子、燃料电池1的温度等的状态信号端子、以及燃料电池1和蓄电单元2的识别信号端子。
(实施例5)
本发明的实施例5示于图16。本实施例的燃料电池系统是在家庭等中从插座供给机器驱动用的电力的结构。在本实施例中，在检测出AC适配器21与机器相连接时，控制方法与上述实施例1相比没有改变，在连接了AC适配器21的状态下，在用户将机器的开关置于ON时，燃料电池1开始启动。不管有无AC适配器21，与上述实施例1一样，通过使燃料电池1启动，即使是在AC适配器21突然未连接的场合，对机器的供电也不会停止。
另外，AC适配器的连接检测，可以通过与机器侧的通信及对DC/DC变换器5的机器侧施加的电压变高而实现。
另外，也可以检测AC适配器21的连接而从机器侧进行蓄电单元2的充电。此时的结构如图17所示。蓄电单元充电电路22也可具有与蓄电单元2的特性相应的充电控制单元。可以是利用降压变换器进行恒流恒压充电的结构，也可以是只以恒流二极管只施加电流限制的结构、利用恒流二极管和恒压二极管施加电流限制和电压限制的结构。
下面，利用附图对本发明的电源装置及其控制方法的实施例进行说明。
(实施例1)
下面，利用图1对本发明的实施例1进行说明。图1为示出电源装置的构成及电力线、信号线的连接的概略的框图。
在本实施例的构成中，燃料电池1和蓄电单元2具有两个电源，在燃料电池1侧具有防止逆流用的二极管和放电开关8，在蓄电单元侧具有放电用的二极管和控制充电的ON、OFF的充电开关4。另外，在图1中，二极管和充电开关4与蓄电单元2的“+”侧相连接，但也可以与蓄电单元2的“-”侧相连接，也可以使用P沟道MOSFET及N沟道MOSFET等的开关元件，与只使用二极管的场合相比可以改善大电流流过时的效率。
另外，开关元件的控制由判别控制单元3进行或者也可以连接成对燃料电池进行检测并根据电压值自动地进行ON、OFF。
在以本实施方式中使用的甲醇作为燃料的燃料电池1中，在以下所示的电化学反应中通过使甲醇具有的化学能直接变换为电能的形式发电。
在阳极侧，被供给的甲醇水溶液按照(1)式反应分解为二氧化碳气体、氢离子及电子。
CH3OH+H2O→CO2+6H++6e- (1)
生成的氢离子在电解质膜中从阳极移动到阴极侧，在阴电极上从空气中扩散来的氧气和电极上的电子按照(2)式发生反应而生成水。
6H++3/2O2+6e-→3H2O (2)
因此，伴随发电的全化学反应式，如(3)式所示，甲醇受到氧气的氧化而生成二氧化碳和水，化学反应式与甲醇着火燃烧一样。
CH3OH+3/2O2→CO2+3H2O (3)
电池单元的开路电压约为1.2V，但由于燃料浸透电解质膜的影响实质上为0.85～1.0V，虽然没有特别的限定，但在实用负载运行下的电压选择为在0.2～0.6V左右的区域。所以，在作为实际电源使用时，按照负载机器的要求，将电池单元串联使用而得到规定的电压。电池单元的输出电流密度因电极催化剂、电极构造及其他影响而改变，在实际效果上是通过设计适当选择电池单元的发电部的面积而得到规定的电流。另外，在合适时也可以通过并联调整电池容量。在本实施方式中，电池单元的额定电压为0.3V。
燃料电池，由于是通过燃料和氧气的氧化还原反应取出电力的发电机，在燃料到达电极之后一直到得到实际上稳定的电力为止需要时间。
另外，燃料电池如上所述是发电机，所以，对于发电而言燃料是不可欠缺的。然而，在燃料极上积蓄燃料的状态下，由于发生燃料穿过膜的称为跨越(crossover)的现象，即使是不使用燃料电池时，也消耗燃料。
为了使与一般的电池自身放电相当的不使用机器时的燃料消耗完全等于0，可以只在使用时将燃料送入燃料电池，但需要在使用开始时用来向燃料电池送入燃料的电力。
其次，作为燃料投入后的燃料电池的特性，输出与温度的依赖关系非常密切，特别是在低温下的输出非常低。因此，利用燃料电池保证的额定输出必须设计为大于等于某一温度(比如40℃)。因此，为了将燃料电池使用于便携式机器，必须下工夫尽量快地升温，在燃料电池达到上述设定温度之前，存在机器的必需电力不足的问题。
另外，由于燃料电池是与电流成比例地从燃料极排出二氧化碳，而从空气极排出水，这些生成物聚集时电压就会降低。在这种时候从燃料电池取用电力时，从燃料电池流出过剩电流而导致生成物更增多使事态恶化。因此，在这种时候，必须下工夫使燃料电池的输出不会过剩。
另外，对蓄电单元2而言，作为包括电气双层电容器在内的电容器及二次电池，可以采用锂聚合物电池及通常的锂离子电池作为Ni系二次电池及Li系二次电池。
然而，有时为实现后述的本实施例的控制方式，必须装载使机器的必需电力可能达到相对于在以通常的2C放电的Li系二次电池输出的场合实际上必需的能量容量具有多余容量。在该种场合，能量密度差，但使用可在高比率电流下进行充放电的在HEV、EV中广泛使用的锂离子电池、Ni系二次电池、质子聚合物电池、电气双层电容器，对于小型化是优选。
在本构成中，将供给机器6的最大电力时的燃料电池1的下限电压设定为大于等于蓄电单元的上限电压。在将4.3～6.3V设定为锂电池的上限电压时，考虑到从燃料电池的电池单元最大电压(约1.2～0.8V)下降的最大输出设计点的电压(约0.8～0.3V)，对于锂电池电池单元，燃料电池的串联电池单元数在5～16个范围内是合适的。
另外，即使是使用不同种类的蓄电单元，也可以根据设定电压进行对应，在将电气双层电容器的电池单元的上限电压设定为4.0～2.3V时，电池单元的个数设定在3～20个的范围内，在将Ni系二次电池及质子聚合物电池的电池单元的上限电压设定为1.4～1.0V时，电池单元的个数设定在2～6个的范围内是合适的。在将蓄电单元2串联时，也可使燃料电池的电池数为蓄电单元的串联数的一倍。
如上所述，在考虑到燃料电池1的输出特性而使燃料电池1和蓄电单元2的上限电压的对应关系处于上述范围内时，就可以进行尺寸、成本、发电效率的最优化。
将以上两种电源的电力由DC/DC变换器5进行电压变换以可适合机器6的电压进行供电。作为DC/DC变换器5，绝缘型、斩波型的升压变换器在减少电池单元数目方面是有效的，也可以相应于机器6为降压变换器、多输出变换器。
另外，也可以相应于机器6增加软件开动功能。另外，DC/DC变换器5的电路图的一例示于图2。
其构成为，从变换器输入Vin分别进行电压变换成为机器6用输出Vout1，判别控制单元用输出Vout2及燃料电池辅机(燃料选择单元13，送液单元14)用输出Vout3。Vout1和Vout2是升压斩波型，Vout2是降压线性调节器型。在Vout2是在DC/DC变换器驱动器9中内置降压调节器时，也可以使用它进行输出。
作为机器6，可以应用于笔记本PC和PDA、便携式电话、DVD播放器、MP3播放器等便携式机器及清扫机、电熨斗、野营用电源这样的无绳机器、车载用的电池。
下面对燃料电池的构成进行说明。
作为燃料贮藏部有两种：燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12。燃料外部贮藏器11，可由用户装卸，并附带可以通过测定根据燃料的余量而变化的电阻值及静电容量值检测燃料余量的余量检测单元。内部贮藏器12，是比燃料外部贮藏器11小型的组装于燃料电池系统内不能取出的贮藏器，贮藏通过燃料电池后的燃料，可利用气液分离膜及阀门等将反应后的二氧化碳排出到贮藏器外。内部贮藏器上也设置有燃料余量检测单元。
燃料选择单元13，可通过切换燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的流路而切换为使用两者的状态、使用两者中任何一种的状态、全都不使用的状态中的任何一个。另外，在成为两者都使用的状态方面也可以使用燃料的浓度调整单元。
作为燃料选择单元13的具体示例，使用步进电机及电磁阀等。送液单元14，是将来自由燃料选择单元13所切换的流路的燃料送入燃料电池1的单元，可使用隔膜式泵及活塞泵。
另外，这些驱动电力由蓄电单元2及燃料电池1及DC/DC变换器5供给。另外，图中虽然未记述，但根据燃料电池1的实际安装形态，也可以增加空气泵及风扇作为向燃料电池空气极一侧的送风单元。特别是，在层叠型燃料电池的场合是必需的。
下面对控制单元及控制方法进行说明。
作为判别控制单元3，使用单片微处理器及比较器等。判别控制单元3的驱动电力，由蓄电单元及燃料电池1及DC/DC变换器5供给。作为判别控制单元3的输入信号，取得燃料外部贮藏器11、内部贮藏器12的燃料余量信息，送液单元14的状态信息，蓄电单元2的状态信息，燃料电池1的状态信息，DC/DC变换器5的状态信息以及来自机器6的控制信号。
作为判别控制单元3的输出信号，是发送到燃料选择单元13的控制信号，发送到DC/DC变换器5的控制信号以及发送到机器6的控制信号。特别是，在判别控制单元3是微处理器时，除了一般输入输出端子之外，具有用于余量信息发送的通信用端子(串联、I2C、SMBus等)，用于电压判别的A/D变换用端子，用于启动信号等中断的中断端子(INT)以及计时器功能。
本实施例，是具有一次电池、二次电池、电容器等蓄电单元的结构。不过，由于为实现小型轻量化，上述蓄电单元尽可能小是优选的，所以必须是可以运用小容量的蓄电单元的结构及控制方法。
下面对采用此种结构的控制方法进行详细说明。
作为控制方法，具有以下说明的9种模式。
第一模式是对从装置停止状态起一直到蓄电单元开始向机器6供电使燃料电池1成为可进行额定输出的状态为止的上升进行判定的启动模式。
第二模式是对燃料电池1及在机器驱动状态下对各种信号及状态变化进行持续监视判定的稳定模式。
第三模式是在第一种模式后对燃料电池1的异常时的电压降低进行支持和输出恢复判定的异常时模式。
第四模式是在燃料余量多而蓄电单元2的电力余量少时对蓄电单元2进行稳定充电的模式。
第五模式是在燃料余量少且蓄电单元2的电力余量少时禁止高负载进行充电的高负载禁止模式。
第六模式是在燃料变为零时停止机器6的驱动的燃料零模式。
第七模式是在第六模式后或在用户的关闭处理后对燃料电池1进行停止处理的燃料电池停止处理模式。
第八模式是机器6和燃料电池1在停止中的状态下对各种信号及状态变化进行持续监视判定的停止中监视模式。
第九模式是在用户长期放置时由于自身放电等等放电大于等于一定程度时启动燃料电池1对电池进行充电的停止中充电模式。
表示九种模式的关系的流程图如图3所示。下面利用附图对各模式进行详细说明。
第一模式，由于不向燃料电池供给燃料而使燃料电池的输出几乎为零，蓄电单元2和燃料电池从断电状态开动。
当然，在燃料电池的燃料供给不停止时，从后述的第2启动期间开动。
第一模式的启动，通过在第八模式或第九模式中，由判别控制单元3检测由用户的操作产生的机器调机信号而开始。第一模式的流程图示于图5。在从第八模式转移到第一模式时，首先进行第1次启动判断。
在燃料外部贮藏器11中没有足够量的燃料时(也包含余量为零)及不连接燃料外部贮藏器11时，判断为不可能启动而中止启动。此时，附加LED等显示单元(未图示)成为用户可以判断的结构。在有燃料时，在使充电开关4处于ON的同时，使辅机即时开始动作。此时的辅机，除了燃料选择单元和送液单元之外，也可以增加燃料电池空气极一侧的送风机。
之后，进行燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12相加的燃料余量的判断。在内部贮藏器12容量小于等于一定的下限值时将燃料外部贮藏器11的燃料全部移送到内部贮藏器12，转移到第九模式。在大于等于上述下限值时，对DC/DC变换器5的驱动开始，开始向机器6供电。此时的电压，如图4所示，由于蓄电单元(Li输出)>燃料电池(DMFC输出)，对机器6的供电全部是蓄电单元2。
第二启动期间，如图4所示，是成为蓄电单元的电压值≈燃料电池的电压值的期间。成为从燃料电池1和蓄电单元2两者向机器6供电的共享(share)模式，此时进行第2次启动判断。正常时从燃料电池1发出的电力慢慢变大，燃料电池1的电力共享比例变得比蓄电单元2多，顺利地转移到下一个启动期间。然而，在燃料电池1发生故障等的异常状态下电力不能提高时，蓄电单元2的电力共享比例变得依旧很大，通过判别控制单元3的A/D端口等检测到DC/DC变换器5的输入侧的电压，即蓄电单元2的电压低于设定值时判别控制单元3就判断启动失败。之后，判别控制单元3向机器6发送关闭信号使机器6关闭，根据来自DC/DC变换器5的负载信息确认关闭，使DC/DC变换器5停止并在LED等的显示单元(未图示)上将故障状态通知用户。另外，在燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的合计燃料余量小于等于下限值时，转移到第八模式。
第三启动期间是燃料电池的电压变得高于蓄电单元的电流为零时的电压时，即蓄电单元(电流0)＜燃料电池的期间。另外，从第二启动期间向第三启动期间的切换，并不能明确划分，在切换附近从相反的第三启动期间向第二启动期间的切换也通过机器6的要求负载的增减发生。在从燃料电池1向机器6供电的同时也对蓄电单元2进行充电。由此，蓄电单元2的电压与燃料电池1的电压一起上升。于是，进行作为最后的启动判断的第3次启动判断。通过判别控制单元3的A/D端口等检测蓄电单元2的电压已达到设定的上限电压(4.2～4.3V)，就使充电开关4变为OFF而终止对蓄电单元2的充电。在蓄电单元2的充电电力变为零时，燃料电池1的电压上升而转移到燃料电池利用效率良好的稳定状态，燃料电池1的启动结束。另外，由于蓄电单元2的放电一侧是通过二极管相连接，在燃料电池电压急剧下降时成为可瞬时支持的状态。
另外，此时的特性的迁移如图13所示。如此图所示，燃料电池，在像温度T1这样的低温时，不能输出达到预期的电流。然而，通过与蓄电单元并联使电力输出，由于伴随燃料电池的发电反应的发热及燃料电池的内部电阻引起的发热可使燃料电池的温度上升，在温度T1→T2→T3→T4的范围内可输出大电流。另外，由于燃料电池1的温度变化引起的输出变化的特性示于图18。燃料电池1设计成为在图中所示的电压电流范围内继续改变移动，在启动后处于燃料利用效率良好的范围内可以供电的状态。
另外，在本实施例中，作为蓄电单元2是以锂电池为中心进行说明的，但应用于其他二次电池及包括电气双层电容器在内的电容器的场合也可以，只改变上限电压就可以很容易应用。
通过执行以上的启动模式，可以实现提供用户的燃料电池启动等待时间为零，燃料电池启动中的输出不稳定期间的稳定输出，不需要大量传感器的燃料电池的简易的启动判断系统。在便携式机器用系统中希望使用尽可能小的蓄电单元，但当蓄电单元的输出时间变长时，就存在由于随着放电蓄电单元的电压降低，就难以产生稳定的输出的问题。对于这一问题，不是只利用蓄电单元持续输出机器及燃料电池的辅机的电力一直到燃料电池可以完全输出的状态，即使是在不能产生额定输出的不完全的状态下，通过成为增加燃料电池的输出的并联输出状态，可以使内部电阻造成的损耗降低而可以进一步减小蓄电单元的容量。另外，由于在蓄电单元为锂电池时利用本方式对电流充电区域进行充电，可以进行必需程度的充电，并且充电时间也减小。另外，由于成为与燃料电池的稳定时的电力范围相比的过载状态，也可以做到改善燃料电池的启动时间。
第二模式的流程图如图6所示。对燃料电池电压、蓄电单元电压、燃料余量(外部贮藏器的余量和内部贮藏器的余量这两者)及表示用户进行机器关闭操作的机器侧端子的机器停止信号进行监视并根据需要转移到各个模式。
第三模式是在第二模式中在电压检测单元检测到燃料电池的电压因某种原因下降时转移到其中的模式。作为这种场合的一个原因，是观察到伴随反应而产生的二氧化碳和水至少一个妨碍了反应所必需的水和甲醇及氧气对MEA(膜/电极组合体)的供给。第三模式的流程图如图7所示。另外，此模式的电力和电压的变化示于图4。首先，将充电开关置于ON成为可以进行充放电的状态。在燃料电池1的输出恢复并变成向机器6供电和对蓄电单元2充电这两者都可能的状态时，在蓄电单元2的电压上升变成大于等于上限电压而判断异常状态结束，使充电开关变为OFF而返回到第二模式。在燃料电池1的输出保持异常状态不变时，在检测到小于等于蓄电单元的下限电压时判断为燃料电池的故障而结束。在第三模式过程中间，当燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的总和余量变为零时转移到第六模式。
第四模式的流程图示于图8。在检测到蓄电单元的电压小于判断为必须紧急充电的紧急充电电压的设定值并且检测到燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的合计燃料余量大于设定值时就进行转移。首先，将充电开关4置于ON成为可充放电的状态。在正常的场合，在蓄电单元2的电压上升变成大于等于上限电压而判断异常状态结束，使充电开关变为OFF而返回到第二模式。在燃料电池1的输出保持异常状态不变时，在检测到小于等于蓄电单元2的下限电压时判断为燃料电池的故障而结束。在第四模式过程中间，当燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的总和余量变为零时转移到第六模式。
第五模式的流程图示于图9。在检测到蓄电单元2的电压小于判断为必须紧急充电的紧急充电电压的设定值并且检测到燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的合计燃料余量小于内部贮藏器12的容量时就进行转移。首先，向机器6发送高负载禁止的信号，在禁止高负载应用等的使用之后，将充电开关4置于ON成为可充放电的状态。在正常的场合，在蓄电单元2的电压上升变成大于等于上限电压而判断异常状态结束，使充电开关变为OFF而返回到第二模式。在燃料电池1的输出保持异常状态不变时，在检测到小于等于蓄电单元2的下限电压时判断为燃料电池的故障而结束。在第四模式过程中间，当燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的总和余量变为零时转移到第六模式。
第六模式是由于料外部贮藏器11和内部贮藏器12的总和余量变为零时转移到的模式。首先，向机器6发送关闭信号，使其开始强制关闭，转移到第七模式。另外，也可以代替关闭信号，机器6的OS根据余量信息判断实施强制关闭。此时，在余量为零时，直接转移到第七模式。
第七模式是在第六模式后或在检测到表示由用户进行关闭处理的关闭信号后进行转移。将充电开关4置于ON，利用DC/DC变换器5发出的输出信号或机器6发出的信号检测到机器6关闭，使DC/DC变换器5变为OFF。之后，使作为辅机的风扇及泵动作一定时间，转移到第八模式。
第八模式是从第一模式或第七模式转移的模式。在机器6和燃料电池1停止的状态下，判别控制单元3对燃料的余量和蓄电单元的余量及来自机器的调机信号进行持续监视的同时，根据检测到的信号转移到其他模式。另外，优选地，利用判别控制单元3转移到省电动作。
第九模式是在第八模式中利用蓄电单元2的余量检测结果或判别控制单元3具有的计时器功能中的至少一个功能进行转移。将燃料发送到燃料电池1，启动燃料电池1并对蓄电单元2进行充电。在确认到达上限电压的次数及在一定时间内从上限电压未达到下限电压时就转移到第八模式。在中途检测到了来自用户的启动信号时就转换到第一模式。
另外，以上说明的各模式的控制并不需要全部安装，可以根据对各个模式的对策内容的需要而进行安装。
下面对与机器6的接口的规格进行说明。
向机器6发送的信号为燃料外部贮藏器11的燃料余量信息和燃料电池1的状态信息这两种。
燃料余量信息由使用大于等于一个端子(包括GND在内为大于等于两个端子)发送大于等于1位的信息或使用大于等于两个端子的端子的通信方式(SMBus、串行、并行等)进行发送。当然，也可以是使用一端子(包括GND在内为两个端子)的通信方式。另外，将上述进行组合也可以。
作为燃料电池的状态信息，有在蓄电单元的余量和燃料的余量少时的高负载可否信号及在故障等等时用来使机器强制关闭的关闭信号。另外，也可以取代高负载可否信号，将蓄电单元电压等的蓄电单元余量信息输出到端子，由机器侧的OS判断高负载可否。另外，除了上述信号之外，也可以根据需要增加设置于燃料电池上的温度传感器产生的燃料电池温度及设置于蓄电单元上的温度传感器产生的检测温度。另外，为了形成可以将燃料电池机器与现有的电池组调换的结构，也可以增加燃料电池和锂电池组的识别信号。
从机器发送的信号有通过用户操作产生的机器调机信号和机器驱动信息信号这两种。
机器调机信号，是用户通过使机器6的开关成为ON使状态改变而判别控制单元3检测该状态改变的信号。另外，比如，机器调机信号，在利用用户的开关ON的动作使机器6从Low改变为High并通知机器6的调机开始之后，在机器6的驱动中，通过维持High的状态可兼作机器驱动信息信号使用。因此，机器6即使是处于备用等要求电力几乎为零时，判别控制单元3可以判断机器6未关闭。另外，作为用于机器驱动信息信号的端子，在机器6为笔记本PC等之时，也可以根据用于连接USB机器等而使用的USB端口数设置判别用的端子(比如，在三端口时为两个端子)。另外，在使用大于等于两个端子的通信方式中，也可将连接机器数、启动应用程序数等负载信息从机器6的OS一侧进行通知。当然，此时的通信端子也可兼作燃料电池的状态信息的通信端子使用。
另外，对于上面举出的信号中要求特别紧急的信号(机器调机信号、关闭信号、高负载禁止信号等)，优选是将接收侧的端子变成中断端子(INT)。
在上述之外，在图14中示出设置有检测和机器6的拆装，根据该检测结果控制判别控制单元的ON和OFF的负载断路开关7的结构。负载断路开关7也可以使用N沟道功率MOSFET，在负载的正侧配置使用P沟道功率MOSFET。另外，在此结构中，在DC/DC变换器5不是绝缘型时，由于在不使用时电力端子也可能短路，所以也可以从施加于负载断路开关7的电压进行短路检测。另外，如图15所示，也可以设置有通过将机器6从由虚线围出的以外的部分(电池组)上拆装，使负载断路开关7断路成为OFF的端子。
根据本实施例，可实现蓄电单元的小型轻量化，除了可以与装载现有的二次电池一样地可在便携式机器上立即使用之外，还可以促进燃料电池的升温。
(实施例2)
下面对采用两个燃料外部贮藏器11的实施例1进行说明。
相对于实施例1大的改变部分是有关燃料方面的结构。图10示出此时的结构。在图10的结构中，具有两个燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12这两种燃料贮藏部。燃料外部贮藏器11，具有可由用户拆装并可以侧燃料的余量的余量检测单元。内部贮藏器12，是比组装于燃料电池系统内不能取出的贮藏器小型的贮藏器，可贮藏通过燃料电池1后的燃料。
燃料选择单元13，可通过切换两个燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的流路而切换为使用两者的状态、使用两者中任何一种的状态、全都不使用的状态中的任何一个。在使用任何一种时，使用余量最少的燃料贮藏部。所以，在内部贮藏器12中有余量时，使用内部贮藏器12的燃料，而在内部贮藏器12的没有余量时，使用两个燃料外部贮藏器11中的余量少的那一个燃料外部贮藏器。另外，在燃料外部贮藏器11中的一个的余量为零或未连接时，就使用另一个燃料外部贮藏器11。另外，作为燃料选择单元13，可使用步进电机及电磁阀等。送液单元14，是将来自由燃料选择单元13所切换的流路的燃料送入燃料电池1的单元，可使用隔膜式泵及活塞泵。另外，这些驱动电力由蓄电单元2及燃料电池1及DC/DC变换器5供给。
另外，图中虽然未记述，但根据燃料电池1的实际安装形态，也可以增加空气泵及风扇作为向燃料电池空气极一侧的送风单元。特别是，在层叠型燃料电池的场合是必需的。
结构以外的部分与实施例1相比无变化。不过，具有两个燃料外部贮藏器11与具有一个燃料外部贮藏器11的构成相比，由于可以将检测到余量为零的燃料外部贮藏器的交换时间设定为更长，所以具有燃料完全为零的几率减小的优点。
(实施例3)
本发明的实施例3示于图11。在本实施例的燃料电池系统中，虚线所示的部分内置于机器主体内，虚线部分以外是称为电池组的结构。本实施例的特征在于联系机器6和燃料电池1的接口规格。除了燃料电池1的电力端子和辅机的电力端子之外，接口还具有燃料外部贮藏器11和内部贮藏器12的余量信号端子、通到辅机的控制信号端子、燃料电池1的温度等的状态信号端子以及燃料电池1和蓄电单元2的识别信号端子。
(实施例4)
本发明的实施例4示于图12。在本实施例的燃料电池系统中，虚线所示的部分内置于机器主体内，虚线部分以外是称为电池组的结构，但内置于机器主体的主要部分与图11的不同。本实施例的特征在于联系机器6和燃料电池1的接口规格。接口具有燃料电池1的电力端子和余量信号端子、DC/DC变换器5的双向信号端子、燃料电池1的温度等的状态信号端子、以及燃料电池1和蓄电单元2的识别信号端子。
(实施例5)
本发明的实施例5示于图16。本实施例的燃料电池系统是在家庭等中从插座供给机器驱动用的电力的结构。在本实施例中，在检测出AC适配器21与机器相连接时，控制方法与上述实施例1相比没有改变，在连接了AC适配器21的状态下，在用户将机器的开关置于ON时，燃料电池1开始启动。不管有无AC适配器21，与上述实施例1一样，通过使燃料电池1启动，即使是在AC适配器21突然未连接的场合，对机器的供电也不会停止。
另外，AC适配器的连接检测，可以通过与机器侧的通信及对DC/DC变换器5的机器侧施加的电压变高而实现。
另外，也可以检测AC适配器21的连接而从机器侧进行蓄电单元2的充电。此时的结构如图17所示。蓄电单元充电电路22也可具有与蓄电单元2的特性相应的充电控制单元。可以是利用降压变换器进行恒流恒压充电的结构，也可以是只以恒流二极管只施加电流限制的结构、利用恒流二极管和恒压二极管施加电流限制和电压限制的结构。