JP2004235049A - 燃料電池の給電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】負荷変動に対応しつつ、これと併せて、電力貯蔵手段を過放電から保護し得る燃料電池の給電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池1と開閉自在に接続し、負荷4と開閉自在に接続する2つの電力貯蔵手段10、12と、一方の電力貯蔵手段と燃料電池1を接続し、負荷4とは非接続とすると共に、他方の電力貯蔵手段と燃料電池1とを非接続とし、負荷4と接続する状態と、その逆に一方の電力貯蔵手段と燃料電池1を非接続とし、負荷4と接続状態とすると共に、他方の電力貯蔵手段と燃料電池1とを接続し、負荷とは非接続とする状態を回路開閉手段13〜16で切替え可能なので、燃料電池1で発電した電力は、専ら電力貯蔵手段10、12の充電に供給され、燃料電池1の負荷変動に対する負担を軽減でき、また、負荷への電力供給は電力貯蔵手段からなされ、電力貯蔵手段の能力範囲内で負荷変動に対応し得る。
【選択図】 図1
【解決手段】燃料電池1と開閉自在に接続し、負荷4と開閉自在に接続する2つの電力貯蔵手段10、12と、一方の電力貯蔵手段と燃料電池1を接続し、負荷4とは非接続とすると共に、他方の電力貯蔵手段と燃料電池1とを非接続とし、負荷4と接続する状態と、その逆に一方の電力貯蔵手段と燃料電池1を非接続とし、負荷4と接続状態とすると共に、他方の電力貯蔵手段と燃料電池1とを接続し、負荷とは非接続とする状態を回路開閉手段13〜16で切替え可能なので、燃料電池1で発電した電力は、専ら電力貯蔵手段10、12の充電に供給され、燃料電池1の負荷変動に対する負担を軽減でき、また、負荷への電力供給は電力貯蔵手段からなされ、電力貯蔵手段の能力範囲内で負荷変動に対応し得る。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を一次電源とする燃料電池の給電システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、燃料電池を一次電源とする燃料電池の給電システムにおいては、図15に示すように、燃料電池1により生成した電力をDC/DC変換器28で所定電圧に変換した後、さらにDC/AC変換器3により交流に変換して、負荷4に供給する一方、過負荷時に不足電力を補助するための電力貯蔵手段27である鉛蓄電池等に充電を行っていた。
【0003】
すなわち、特に、改質器19を用いた燃料電池1を有するかかる構成の給電システムにおいては、燃料電池1の発電量の制御は、主として、燃料電池1へ供給する改質ガス量を、負荷変動に対応して制御することにより行われることとなる。この場合、比較的、緩やかな負荷変動に対しては、ある程度、これに対応した発電量の制御が可能であるが、激しい負荷変動には充分迅速に追随でき難いと言う問題があった。例えば、通常、過負荷時には、負荷の増加に対応して発電量を上げる過程、つまり改質ガス供給量を増加する過程での発電に係る反応速度が追いつかないため、急激な負荷増加に対応した発電量の増加が応答出来ず、電力貯蔵手段5から不足電力を供給することにより対応することとなる。
【0004】
しかし、一度低負荷になり発電量を下げてしまうと、再度負荷が上昇した時に再び発電量を上げるために時間を要するため、この間、電力貯蔵手段5で不足電力を補わなければならず、大容量の電力貯蔵手段5が必要となり、また、かかる負荷変動が、頻繁に起きる場合は、過放電により電力貯蔵手段27の充電不足が生じるおそれがあった。
【0005】
一方、図15に示すような従来例に係る燃料電池の給電システムにおいて、負荷4の変動に対応して、DC/DC変換器28の電流制限を制御する電流制限量可変手段を設けることにより、負荷量に追従した発電を行なうシステムについては、特開平5−151983号公報等に開示されているが、かかる給電システムの負荷変動は、予測困難な側面も多く、電力貯蔵手段27の保護を含めた給電システム全体の負担の軽減については、依然として、充分な解決が図られているとは言い難い。
【0006】
【特許文献1】
特開平5−151983号公報 (第二頁 [特許請求の範囲]、第二頁 段落[0007]〜第3頁 段落[0010])
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事由に鑑み、なされたもので、本発明の目的は、負荷変動に対応しつつ、これと併せて、電力貯蔵手段を過放電から保護し得る燃料電池の給電システムを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、燃料電池で発生した電力を負荷に供給する給電システムであって、燃料電池と開閉自在に接続するとともに負荷と開閉自在に接続する2つの電力貯蔵手段と、一方の電力貯蔵手段と燃料電池を接続し、負荷とは非接続とするとともに、他方の電力貯蔵手段と燃料電池とを非接続とし、負荷と接続する状態と、その逆に一方の電力貯蔵手段と燃料電池を非接続とし、負荷と接続状態とするとともに、他方の電力貯蔵手段と燃料電池とを接続し、負荷とは非接続とする状態を切替え可能に形成された切替手段を備えてなることを特徴とするものである。
【0009】
請求項2に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、燃料電池と、負荷とを直列的に接続し、燃料電池の電力を負荷へ供給する燃料電池給電システムであって、燃料電池と、第一の電力線分岐部とを接続する第一の電力線部と、前記第一の電力線分岐部と第二の電力線分岐部とを接続する第二の電力線部と、前記第二の電力線分岐部と第三の電力線分岐部とを接続する第三の電力線部と、前記第三の電力線分岐部と前記負荷とを接続する第四の電力線部と、前記第一の電力線分岐部と第四の電力線分岐部とを接続する第五の電力線部と、前記第四の電力線分岐部と、前記第三の電力線分岐部とを接続する第六の電力線部と、第一の充電電力量検出手段を介して前記第二の電力線分岐部と第一の電力貯蔵手段を接続する第七の電力線部と、第二の充電電力量検出手段を介して前記第四の電力線分岐部と第二の電力貯蔵手段を接続する第八の電力線部とを有する一方、前記第二の電力線部に第一の回路開閉手段を、前記第五の電力線部に第二の回路開閉手段を、前記第三の電力線部に第三の回路開閉手段を、前記第六の電力線部に第四の回路開閉手段を、それぞれ介装してなることを特徴とするものである。
【0010】
請求項3に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を閉じる一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を開き、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より大きく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開く一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を閉じ、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開くことを特徴とするものである。
【0011】
請求項4に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量より小さい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を閉じる一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を開き、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開く一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を閉じることを特徴とするものである。
【0012】
請求項5に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項4記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開くことを特徴とするものである。
【0013】
請求項6に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2乃至請求項5のいずれかに記載の燃料電池給電システムにおいて、前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量に対応して、燃料電池における発電量を制御することを特徴とするものである。
【0014】
請求項7に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2乃至請求項6のいずれかに記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第三の電力線部に第一の電力検出手段を、前記第六の電力線部に第二の電力検出手段を、それぞれ備える一方、前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、すべて所定の設定値より大きいとき、前記第一の電力検出手段あるいは前記第二の電力検出手段で検出した負荷への供給電力量が、予め設定した設定値より大きい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段をすべて閉じることを特徴とするものである。
【0015】
請求項8に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項7記載の燃料電池給電システムにおいて、前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、すべて所定の設定値より大きいとき、前記第一の電力検出手段あるいは前記第二の電力検出手段で検出した負荷への供給電力量が、予め設定した設定値より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第二の回路開閉手段をすべて開くことを特徴とするものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【0017】
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態においては、図1に示すように、改質器19より改質ガスを供給して発電する燃料電池1と、充電装置2と、DC/AC変換器3と、負荷4とを直列的に接続し、燃料電池1の電力を負荷4へ供給する燃料電池給電システムであって、燃料電池1と、第一の電力線分岐部5とを接続する第一の電力線部L1と、前記第一の電力線分岐部5と第二の電力線分岐部6とを接続する第二の電力線部L2と、前記第二の電力線分岐部6と第三の電力線分岐部7とを接続する第三の電力線部L3と、前記第三の電力線分岐部7と前記負荷4とを接続する第四の電力線部L4と、前記第一の電力線分岐部5と第四の電力線分岐部8とを接続する第五の電力線部L5と、前記第四の電力線分岐部8と、前記第三の電力線分岐部7とを接続する第六の電力線部L6と、第一の充電電力量検出手段9を介して前記第二の電力線分岐部6と第一の電力貯蔵手段10を接続する第七の電力線部L7と、第二の充電電力量検出手段11を介して前記第四の電力線分岐部と第二の電力貯蔵手段12を接続する第八の電力線部L8とを有する一方、前記第二の電力線部L2に第一の回路開閉手段13を、前記第五の電力線部L5に第二の回路開閉手段14を、前記第三の電力線部L3に第三の回路開閉手段15を、前記第六の電力線部L6に第四の回路開閉手段16をそれぞれ介装し、さらには、前記第3の電力線部L3の第三の回路開閉手段15の後段に第一の逆流防止ダイオード17、前記第6の電力線部L6の第四の回路開閉手段16の後段に第二の逆流防止ダイオード18をそれぞれ介装するものである。
【0018】
すなわち、燃料電池1で発電された電力は充電装置2により第一の電力貯蔵手段10と第二の電力貯蔵手段12の充電に使用され、充電装置2からの第一の電力貯蔵手段10、第一の電力貯蔵手段12への充電径路は第一の回路開閉手段13、第二の回路開閉手段14により切り替えることができる。
【0019】
一方、第一の電力貯蔵手段10の充電電力量は第一の充電電力量検出手段9、第二の電力貯蔵手段12の充電電力量は第二の充電電力量検出手段11により検出することができ、かつ、この第一の充電電力量検出手段9、第一の充電電力量検出手段11は第一の電力貯蔵手段10、第一の電力貯蔵手段12の充電電圧及び充電電流の検出手段も兼ねている。負荷4への電力供給は第一の電力貯蔵手段10、第二の電力貯蔵手段12から逆流防止ダイオード17、18を介してDC/AC変換器3により交流変換して供給されるが、電力貯蔵手段10、12を過放電から保護するため、第一の電力貯蔵手段10については、第三の回路開閉手段15、第二の電力貯蔵手段12については、第四の回路開閉手段16により負荷4への電力供給経路を開閉できるようにしている。
【0020】
電力貯蔵手段10、12については、本実施形態ではエネルギー密度が大きく、充電電力量のモニタリングが容易なリチウムイオン二次電池10a、12aを使用したが、電気二重層キャパシタ等の他の電力貯蔵手段も使用可能であり、限定されない。一方、燃料電池1については、固体高分子型で、そのIV特性が、図2に示すように、出力電圧が、出力電流(供給電力)に依存して、使用範囲内(ここでは、13V〜17V)ではほぼ直線的に変動する特性を示すものが好適である。
【0021】
つぎに、本実施形態における制御プロセスを図6の[フローチャート1]により具体的に説明する。すなわち、運転開始直後に、第一の電力貯蔵手段10であるリチウムイオン二次電池10aと第二の電力貯蔵手段12であるリチウムイオン二次電池12aの開放電圧値のデータを取り込む。ただし、使用している二次電池がリチウムイオン電池であり単セル毎にその開放電圧値にばらつきがあるため、この開放電圧はリチウムイオン二次電池10a、12a内の単セルの中で最小の開放電圧値のデータをそれぞれVB1、VB2として取り込むこととした。
【0022】
ここで、使用したリチウムイオン二次電池の放電特性は図3に示すとおりであり、充電電圧の上限が、4.2Vであることから、充電電圧の上限設定値Vbを4.15Vにする一方、放電電圧の下限値Vaを4.0Vに設定した。すなわち、過放電にならないように、放電深度(DOD)20%程度を放電時の下限とした場合、このときの開放電圧が4.0V程度となるからである。
【0023】
上記開放電圧値VB1、VB2のデータをVB1検出処理([フローチャート2]、図7(a)参照)、VB2検出処理([フローチャート3]、図7(b)参照)により、取り込んだ後、第一の電力貯蔵手段10から負荷4へ電力供給を始めるが、電力貯蔵手段10、12の充電状態は前回の運転終了時の状態により異なるため、まずは第一の電力貯蔵手段10の開放電圧VB1がVaより大きいかどうかの判定をする。この際のVB1がVaより大きい場合、各回路開閉手段を第一の電力貯蔵手段10が負荷4へ電力を供給する状態([フローチャート4]、図8(a)参照)に、燃料電池1が第二の電力貯蔵手段12を充電できる状態([フローチャート7]、図9(b)参照)とする。
【0024】
具体的には、第一の回路開閉手段13(以下、フローチャート上では、「回路開閉手段13」という。)及び第四の回路開閉手段16(以下、フローチャート上では、「回路開閉手段16」という。)を開く(OFFとする)一方、第二の回路開閉手段14(以下、フローチャート上では、「回路開閉手段14」という。)及び第三の回路開閉手段15(以下、フローチャート上では、「回路開閉手段15」という。)を閉じる(ONとする)こととなる。これに続いて、第二の電力貯蔵手段12の開放電圧VB2がVbより大きいかどうかの判定をする。この際のVB2がVb以下であれば、その回路開閉状態を、所定時間(1分程度)維持する。
【0025】
当該所定時間経過後、再度開放電圧VB1、VB2のデータを取り込み、、第一の電力貯蔵手段10の充電電圧である開放電圧VB1がVaより大きいかどうかの判定をする。以下、上記一連の操作を繰り返しつつ、第二の電力貯蔵手段12の充電電圧である開放電圧VB2がVb以上になった段階で、一旦、第二の電力貯蔵手段12の充電を停止する。すなわち、第二の回路開閉手段14をOFFとする([フローチャート7]、図9(b)参照)。
【0026】
一方、上記制御プロセスの中で、VB1がVa以下となった場合には、VB2がVaより大きいかどうか比較する。このとき、VB2がVaよりも大きければ各回路開閉手段を第二の電力貯蔵手段12が負荷4へ電力を供給する状態([フローチャート5]、図8(b)参照)に、燃料電池1が第一の電力貯蔵手段10を充電できる状態([フローチャート6]、図9(a)参照)になるようにする。
【0027】
このとき、VB2がVa以下となった場合には、第一の電力貯蔵手段10、第二の電力貯蔵手段12が共に充電不足ということになり、かかる場合に、負荷4への供給を継続すると、電力貯蔵手段10、12が、過放電となるおそれがあるため、負荷4への電力供給を停止して、第一の電力貯蔵手段10を充電する([フローチャート8]、図10参照)。(なお、[フローチャート1]においては、再確認のため、再度VB1がVaより大きいかどうかの判定をする操作を挿入しているが、これは必須ではない。)この結果、第一の電力貯蔵手段10の充電電圧である開放電圧VB1がVbより大きくになった時点で、[フローチャート1]の最初の操作に戻ることとなる。
【0028】
このように、本実施形態においては、第一の充電電力量検出手段9で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ第二の充電電力量検出手段11で検出した充電電力量が、所定の設定値より大きい場合に、第一の回路開閉手段13及び第四の回路開閉手段16を閉じる(ONとする)一方、第二の回路開閉手段14及び第三の回路開閉手段15を開き、第一の充電電力量検出手段9で検出した充電電力量が、所定の設定値より大きく、かつ第二の充電電力量検出手段11で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、第一の回路開閉手段13及び前記第四の回路開閉手段16を開く(OFFとする)一方、第二の回路開閉手段14及び第三の回路開閉手段15を閉じ、第一の充電電力量検出手段9で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開く(OFFとする)こととなるので、この所定の値を、各電力貯蔵手段が過放電を起こさない安全領域内に設定することにより、電力貯蔵手段が過放電領域に入る前に、もう一方の電力貯蔵手段と交代して、これを負荷への電力供給源とすることで、電力貯蔵手段の過放電を防止し得ることとなる。
【0029】
さらに、本実施形態では、上記したように、一方の電力貯蔵手段を開放にすることが出来るため電力貯蔵手段の開放電圧を測定することが可能になり充電状態の検出が容易になるという利点もある。
【0030】
以上の制御プロセスは一方の電力貯蔵手段からある程度まで電力を供給している間に、他方の電力貯蔵手段を充電しておき、一方の充電量がある一定量以下になると供給、充電を交互に交替するというものである。ここでは、電力貯蔵手段10、12としてリチウムイオン二次電池を用いたため充電量の検出に単セルの開放電圧を用いた。これに対して、鉛蓄電池、ニッケル水素電池等を電力貯蔵手段10、12として使用することは、当然可能であるが、かかる場合は、これらの二次電池の放電特性が図3に示したリチウムイオン二次電池のものと異なり、放電深度が浅い領域では、放電深度と開放電圧の比例定数が0に近く、放電深度の変化に対する開放電圧値の変化が、小さく、放電特性図が、略平坦になるため、事実上、これを電圧値のみで簡便に管理することが困難となる。すなわち、鉛蓄電池、ニッケル水素電池等を電力貯蔵手段10、12とする場合には、別途、充放電電流、或いは、電力積算値等により管理する必要がある。
【0031】
このように、本発明の給電システムでは、燃料電池1と開閉自在に接続するとともに負荷4と開閉自在に接続する2つの電力貯蔵手段と、一方の電力貯蔵手段と燃料電池1を接続し、負荷4とは非接続とするとともに、他方の電力貯蔵手段と燃料電池1とを非接続とし、負荷4と接続する状態と、その逆に一方の電力貯蔵手段と燃料電池1を非接続とし、負荷4と接続状態とするとともに、他方の電力貯蔵手段と燃料電池1とを接続し、負荷4とは非接続とする状態を切替え可能に形成された切替手段である回路開閉手段を備えているので、燃料電池1で発電した電力は、専ら電力貯蔵手段の充電のみに供給され、燃料電池1の急激な負荷変動に対する負担を軽減し得る一方、負荷4への電力供給は電力貯蔵手段からなされるため、電力貯蔵手段の能力範囲内で負荷変動に対応することが可能となるというものである。
【0032】
[第2の実施形態]
本実施形態の配線の構成等は上記第1の実施形態と同様、図1に示すとおりであるが、本実施形態における制御プロセスは、図11のフローチャート9に示すとおりである。すなわち、上記第1の実施形態と同様に、まず、運転開始直後に、第一の電力貯蔵手段10であるリチウムイオン二次電池10aの開放電圧値のデータVB1と第二の電力貯蔵手段12であるリチウムイオン二次電池12aの開放電圧値のデータVB2を取り込む。その後、本実施形態においては、まず、このVB1とVB2を相互に比較する。この際、開放電圧値VB1、VB2の内、より高い方の開放電圧値とVaとを比較して、この開放電圧値がVaよりも大きければ、より高い方の開放電圧値を有する電力貯蔵手段から負荷4へ電力を供給する一方、他方の電力貯蔵手段を充電装置2と接続して、充電できるようにする。この回路開閉状態を、所定時間(1分程度)維持した後に、フローチャート2の最初に戻ることとする。その後、充電中の電力貯蔵手段の開放電圧VB1またはVB2がVbを上回った時点で充電を一旦停止する。
【0033】
この結果、本実施形態においては、第一の充電電力量検出手段9で検出した充電電力量が、第二の充電電力量検出手段11で検出した充電電力量より小さい場合に、第一の回路開閉手段13及び第四の回路開閉手段16を閉じる(ONとする)一方、第二の回路開閉手段14及び前記第三の回路開閉手段15を開き、第一の充電電力量検出手段9で検出した充電電力量が、第二の充電電力量検出手段11で検出した充電電力量より大きい場合に、第一の回路開閉手段13及び第四の回路開閉手段16を開く(OFFとする)一方、第二の回路開閉手段14及び前記第三の回路開閉手段15を閉じる(ONとする)こととなるので、より充電電力量が大きい電力貯蔵手段から優先的に負荷に電力が供給され、しかも、定常的に比較的浅い放電深度の状態で電力供給を担う電力貯蔵手段の切替が起きるので、電力貯蔵手段の過放電による劣化を効果的に抑制し得ることとなる。
【0034】
一方、より高い方の開放電圧VB1またはVB2とVaとを比較して、この開放電圧がVa以下である場合は、第一の電力貯蔵手段10及び第二の電力貯蔵手段12がともに充電不足ということになり、実施形態1同様に、負荷4への供給を継続すると、電力貯蔵手段10、12が、過放電となるおそれがあるため、負荷4への電力供給を停止して再度第一の電力貯蔵手段10を充電する。この結果、充電中の電力貯蔵手段の開放電圧VB1またはVB2がVbを上回った時点で、フローチャート9の最初の操作に戻ることとなる。
【0035】
この場合、本実施形態においては、第一の充電電力量検出手段9で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ第二の充電電力量検出手段11で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、第三の回路開閉手段15及び第四の回路開閉手段16を開く(OFFとする)こととなるので、双方の電力貯蔵手段の充電電力量が所定の設定値より小さくなったとき、当該電力貯蔵手段の保護のため負荷への電力供給を停止して、電力貯蔵手段の過放電を防止し得ることとなる。
【0036】
[第3の実施形態]
本実施形態の配線の構成等は、図4に示すように上記各実施形態と共通するものであるが、第一の充電電力量検出手段9、第二の充電電力量検出手段11が、おのおの、各電力貯蔵手段に供給される充電電力の検出手段を兼ねるようにする一方、該検出手段で検出した充電電力を基礎として燃料電池1の発電量の設定値を得るものである。すなわち、本実施形態では、充電時に検出した電圧値と電流値を基礎として、充電電力を演算部20における演算により得ることができるというものである。この結果、本実施形態では、演算部20により設定された発電量に基づき、必要な燃料21、空気22、水23の流量を算出して、改質ガス調整手段24により燃料21、空気22、水23の流量の制御を行うことで、発電量を制御し得ることとなる。
【0037】
本実施形態では電力貯蔵手段の充電量が上がるにつれて充電に必要な電力が減少することで生じる燃料電池1の余剰電力に対し、充電電力の変動に応じて燃料電池1の発電量を制御するものである。
【0038】
本実施形態における制御プロセスは、図12の[フローチャート10]、[フローチャート11]に示すとおりであり、原則として、実施形態1、2における充電処理ルーティン内で行うこととなる。すなわち、第一の電力貯蔵手段10が充電されている時は第一の充電電力量検出手段9で充電時の電圧と電流を検出して演算部20にて充電電力値PB1を求め、この充電電力値を燃料電池1の発電量PFCと設定して、燃料流量、空気流量、水流量を算出し、改質ガス調整手段24により改質ガス量を制御することで発電量の制御を行なうというものである([フローチャート10]、図12(a)参照)。
【0039】
一方、第二の電力貯蔵手段12が充電されている時は第二の充電電力量検出手段11で充電時の電圧と電流を検出して演算部20にて充電電力PB2を求め、この充電電力を燃料電池1の発電量PFCと設定して、燃料流量、空気流量、水流量を算出して、改質ガス調整手段24により改質ガス量を制御することで発電量の制御を実施することとなる([フローチャート11]、図12(b)参照)。
【0040】
このように、本実施形態においては、充電電力量検出手段で検出した充電電力量に対応して、燃料電池1における発電量を制御するので、低負荷時における余剰電力の生成を抑制し得ることとなる。また、この場合においても、燃料電池1は充電のみに使用されるので、燃料電池1、さらには、改質器19の負担をも軽減し得るからである。すなわち、燃料電池1が、電力貯蔵手段10、12に充電のみ行なっている限りにおいては、電力貯蔵手段10、12が、通常の二次電池や電気二重層キャパシタのような電力貯蔵手段であることを前提とした場合、充電電力の変化は緩やかであり、急激な変化に対応した制御を要求されないからである。
【0041】
[第4の実施形態]
本実施形態の配線の構成等は、図5に示すように、上記第3の実施形態と共通するものであるが、本実施形態では、これに加えて、さらに、各電力貯蔵手段10、12から負荷4に供給する負荷電力を検出する第一の電力検出手段25、第二の電力検出手段26を有するものとなっている。すなわち、かかる電力検出手段25、26で検出した電力が設定閾値を超えた場合に過負荷と判断して、充電を行なっている側の電力貯蔵手段からも負荷4へ電力供給するように回路開閉手段を切り換えるというものである。本実施形態における制御プロセスは、図13の[フローチャート12]、[フローチャート13]に示すような割り込み処理によるものである。
【0042】
まず、第一の電力貯蔵手段10が負荷4へ電力供給をしているとき、第一の電力検出手段25により負荷電力PL1を検出して、このPL1が過負荷閾値Paを超えた時に過負荷と判断して、第四の回路開閉手段16をONにすることで充電中の第二の電力貯蔵手段12からも電力を供給する。次に、第3の実施形態で実施したように第二の充電電力量検出手段11にて充電電力PB2を検出して、この時の負荷電力PL1と合わせた電力を燃料電池の発電量PFCに設定する。
【0043】
次に、このようにして設定された発電量に基づき、演算部20で、燃料21、空気22、水23の流量を算出して、改質ガス調整手段24により改質ガス量を制御することで発電量の制御を実施することとなる([フローチャート12]、図13(a)参照)。
【0044】
一方、第二の電力貯蔵手段12が負荷4へ電力供給をしているときは、第二の電力検出手段26により負荷電力PL2を検出して、このPL2が過負荷閾値Paを超えた時に過負荷と判断して、第三の回路開閉手段15をONにすることで充電中の第一の電力貯蔵手段10からも電力を供給する。さらに、充電電力PB1を検出して、この時の負荷電力PL2と合わせた電力を燃料電池の発電量PFCに設定する。演算部20で設定された発電量に基づき、燃料21、空気22、水23の流量を算出して、改質ガス調整手段24により改質ガス量を制御することで発電量の制御を実施することとなる([フローチャート13]、図13(b)参照)。本実施形態では過負荷閾値Paは定格出力1kWの2割増しの1.2kW、過負荷上限Pbは2kWと設定して実施することができた。
【0045】
この結果、本実施形態においては、第三の電力線部L3に第一の電力検出手段25を、前記第六の電力線部L6に第二の電力検出手段26を、それぞれ備える一方、充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、すべて所定の設定値より大きいとき、第一の電力検出手段25あるいは第二の電力検出手段26で検出した負荷への供給電力量が、予め設定した設定値より大きい場合に、第三の回路開閉手段15及び第四の回路開閉手段16をすべて閉じる(ONとする)こととなるので、充電されていた電力貯蔵手段側の電力線からも負荷4への電力供給がなされ、電力供給を担っていた電力貯蔵手段の過放電を抑制し得ることとなる。
【0046】
[第5の実施形態]
本実施形態の配線の構成等は上記第4の実施形態と同様、図5に示すとおりであるが、本実施形態は、第4の実施形態における過負荷時に、充電中の、もう一方の電力貯蔵手段からも電力を供給する際に、燃料電池1からの電力貯蔵手段への充電を中断して、電力貯蔵手段のみから負荷電力を供給するものである。
【0047】
すなわち、本実施形態における制御プロセスは、図14の[フローチャート14]、[フローチャート15]に示すような割り込み処理によるものである。まず、第一の電力貯蔵手段10が負荷4に電力供給をしているとき、第一の電力検出手段25により負荷電力PL1を検出して、このPL1が過負荷閾値Paを超えた時に過負荷と判断して、第二の回路開閉手段14をOFFにして燃料電池1から第一の電力貯蔵手段12への充電を切り、第四の回路開閉手段16をONにすることで第二の電力貯蔵手段12からも電力を供給することとなる([フローチャート14]、図14(a)参照)。
【0048】
一方、第二の電力貯蔵手段12が負荷4へ電力供給をしているときは、第二の電力検出手段26により負荷電力PL2を検出して、このPL2が過負荷閾値Paを超えた時に過負荷と判断して、第一の回路開閉手段13をOFFにして燃料電池1から第一の電力貯蔵手段10への充電を切り、第三の回路開閉手段15をONにすることで第一の電力貯蔵手段10からも電力を供給することとなる([フローチャート15]、図14(b)参照)。また、本実施形態においても、上記第4の実施形態と同様に、過負荷閾値Paは定格出力1kWの2割増しの1.2kW、過負荷上限Pbは2kWと設定して実施することができた。
【0049】
すなわち、本実施形態は、上記第4の実施形態と略同様の実施形態であるが、充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、すべて所定の設定値より大きいとき、第一の電力検出手段25あるいは前記第二の電力検出手段26で検出した負荷への供給電力量が、予め設定した設定値より大きい場合に、第一の回路開閉手段13及び第二の回路開閉手段14をすべて開く(OFFとする)こととなるので、燃料電池1からの負荷4への直接の電力供給が無く、改質器19や燃料電池1の負担を軽減し得ることとなる。
【0050】
【発明の効果】
以上のように、請求項1及び請求項2に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、燃料電池で発生した電力を負荷に供給する給電システムであって、燃料電池と開閉自在に接続するとともに負荷と開閉自在に接続する2つの電力貯蔵手段と、一方の電力貯蔵手段と燃料電池を接続し、負荷とは非接続とするとともに、他方の電力貯蔵手段と燃料電池とを非接続とし、負荷と接続する状態と、その逆に一方の電力貯蔵手段と燃料電池を非接続とし、負荷と接続状態とするとともに、他方の電力貯蔵手段と燃料電池とを接続し、負荷とは非接続とする状態を切替え可能に形成された切替手段を備えてなることを特徴とするものであり、具体的には、燃料電池と、負荷とを直列的に接続し、燃料電池の電力を負荷へ供給する燃料電池給電システムであって、燃料電池と、第一の電力線分岐部とを接続する第一の電力線部と、前記第一の電力線分岐部と第二の電力線分岐部とを接続する第二の電力線部と、前記第二の電力線分岐部と第三の電力線分岐部とを接続する第三の電力線部と、前記第三の電力線分岐部と前記負荷とを接続する第四の電力線部と、前記第一の電力線分岐部と第四の電力線分岐部とを接続する第五の電力線部と、前記第四の電力線分岐部と、前記第三の電力線分岐部とを接続する第六の電力線部と、第一の充電電力量検出手段を介して前記第二の電力線分岐部と第一の電力貯蔵手段を接続する第七の電力線部と、第二の充電電力量検出手段を介して前記第四の電力線分岐部と第二の電力貯蔵手段を接続する第八の電力線部とを有する一方、前記第二の電力線部に第一の回路開閉手段を、前記第五の電力線部に第二の回路開閉手段を、前記第三の電力線部に第三の回路開閉手段を、前記第六の電力線部に第四の回路開閉手段を、それぞれ介装してなることを特徴とするので、燃料電池で発電した電力は、専ら電力貯蔵手段の充電のみに供給され、燃料電池の急激な負荷変動に対する負担を軽減し得る一方、負荷への電力供給は電力貯蔵手段からなされるため、電力貯蔵手段の能力範囲内で負荷変動に対応することが可能となるという優れた効果を奏する。
【0051】
請求項3に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を閉じる一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を開き、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より大きく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開く一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を閉じ、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開くことを特徴とするので、請求項2記載の燃料電池給電システムの効果に加えて、この所定の値を、各電力貯蔵手段が過放電を起こさない安全領域内に設定することにより、電力貯蔵手段が過放電領域に入る前に、もう一方の電力貯蔵手段と交代して、これを負荷への電力供給源とすることで、電力貯蔵手段の過放電を防止できるようになるという優れた効果を奏する。
【0052】
請求項4に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量より小さい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を閉じる一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を開き、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開く一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を閉じることを特徴とするので、請求項2記載の燃料電池給電システムの効果に加えて、より充電電力量が大きい電力貯蔵手段から優先的に負荷に電力が供給され、しかも、定常的に比較的浅い放電深度の状態で電力供給を担う電力貯蔵手段の切替が起きるので、電力貯蔵手段の過放電による劣化を効果的に抑制し得るという優れた効果を奏する。
【0053】
請求項5に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項4記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開くことを特徴とするので、請求項4記載の燃料電池給電システムの効果に加えて、双方の電力貯蔵手段の充電電力量が所定の設定値より小さくなったとき、当該電力貯蔵手段の保護のため負荷への電力供給を停止して、電力貯蔵手段の過放電を防止し得るという優れた効果を奏する。
【0054】
請求項6に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2乃至請求項5のいずれかに記載の燃料電池給電システムにおいて、前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量に対応して、燃料電池における発電量を制御することを特徴とするので、請求項2乃至請求項5のいずれかに記載の燃料電池給電システムの効果に加えて、低負荷時における余剰電力の生成を抑制し得るという優れた効果を奏する。
【0055】
請求項7に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2乃至請求項6のいずれかに記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第三の電力線部に第一の電力検出手段を、前記第六の電力線部に第二の電力検出手段を、それぞれ備える一方、前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、すべて所定の設定値より大きいとき、前記第一の電力検出手段あるいは前記第二の電力検出手段で検出した負荷への供給電力量が、予め設定した設定値より大きい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段をすべて閉じることを特徴とするので、請求項2乃至請求項6のいずれかに記載の燃料電池給電システムの効果に加えて、充電されていた電力貯蔵手段側の電力線からも負荷への電力供給がなされ、電力供給を担っていた電力貯蔵手段の過放電を抑制し得るという優れた効果を奏する。
【0056】
請求項8に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項7記載の燃料電池給電システムにおいて、前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、すべて所定の設定値より大きいとき、前記第一の電力検出手段あるいは前記第二の電力検出手段で検出した負荷への供給電力量が、予め設定した設定値より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第二の回路開閉手段をすべて開くことを特徴とするので、請求項7記載の燃料電池給電システムの効果に加えて、燃料電池からの負荷への直接の電力供給が無く、改質器や燃料電池の負担を軽減し得るという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池の給電システムの第1及び第2の実施形態を示す図である。
【図2】本発明の燃料電池の給電システムにおいて、使用し得る燃料電池の典型的IV特性を示す図である。
【図3】本発明の燃料電池の給電システムにおいて、電力貯蔵手段として、好適に使用し得るリチウムイオン二次電池の典型的放電特性を示す図である。
【図4】本発明の燃料電池の給電システムの第3の実施形態を示す図である。
【図5】本発明の燃料電池の給電システムの第4及び第5の実施形態を示す図である。
【図6】第1の実施形態における制御プロセスに関するフローチャート1を示す図である。
【図7】VB(開放電圧値)検出処理に関するフローチャートを示すもので、(a)は、VB1(第一の電力貯蔵手段の開放電圧値)検出処理に関するフローチャート2を示す図、(b)は、VB2(第二の電力貯蔵手段の開放電圧値)検出処理に関するフローチャート3を示す図である。
【図8】電力貯蔵手段負荷電力供給処理に関するフローチャートを示すもので、(a)は、第一の電力貯蔵手段負荷電力供給処理に関するフローチャート4を示す図、(b)は、第二の電力貯蔵手段負荷電力供給処理に関するフローチャート5を示す図である。
【図9】電力貯蔵手段充電処理に関するフローチャートを示すもので、(a)は、第一の電力貯蔵手段充電処理に関するフローチャート6を示す図、(b)は、第二の電力貯蔵手段充電処理に関するフローチャート7を示す図である。
【図10】負荷電力供給停止処理に関するフローチャート8を示す図である。
【図11】第2の実施形態における制御プロセスに関するフローチャート9を示す図である。
【図12】第3の実施形態における電力貯蔵手段充電処理に関するフローチャートを示すもので、(a)は、第一の電力貯蔵手段充電処理に関するフローチャート10を示す図、(b)は、第二の電力貯蔵手段充電処理に関するフローチャート11を示す図である。
【図13】第4の実施形態における電力貯蔵手段過負荷割り込み処理に関するフローチャートを示すもので、(a)は、第一の電力貯蔵手段過負荷割り込み処理に関するフローチャート12を示す図、(b)は、第二の電力貯蔵手段過負荷割り込み処理に関するフローチャート13を示す図である。
【図14】第5の実施形態における電力貯蔵手段過負荷割り込み処理に関するフローチャートを示すもので、(a)は、第一の電力貯蔵手段過負荷割り込み処理に関するフローチャート14を示す図、(b)は、第二の電力貯蔵手段過負荷割り込み処理に関するフローチャート15を示す図である。
【図15】従来例に係る燃料電池の給電システムの概略を示す図である。
【符号の説明】
1 燃料電池
2 充電装置
3 DC/AC変換器
4 負荷
5 第一の電力線分岐部
6 第二の電力線分岐部
7 第三の電力線分岐部
8 第四の電力線分岐部
9 第一の充電電力量検出手段
10 第一の電力貯蔵手段
11 第二の充電電力量検出手段
12 第二の電力貯蔵手段
13 第一の回路開閉手段
14 第二の回路開閉手段
15 第三の回路開閉手段
16 第四の回路開閉手段
17 第一の逆流防止ダイオード
18 第二の逆流防止ダイオード
19 改質器
20 演算部
21 燃料
22 空気
23 水
24 改質ガス調整手段
25 第一の電力検出手段
26 第二の電力検出手段
27 電力貯蔵手段
28 DC/DC変換器
L1 第一の電力線部
L2 第二の電力線部
L3 第三の電力線部
L4 第四の電力線部
L5 第五の電力線部
L6 第六の電力線部
L7 第七の電力線部
L8 第八の電力線部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を一次電源とする燃料電池の給電システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、燃料電池を一次電源とする燃料電池の給電システムにおいては、図15に示すように、燃料電池1により生成した電力をDC/DC変換器28で所定電圧に変換した後、さらにDC/AC変換器3により交流に変換して、負荷4に供給する一方、過負荷時に不足電力を補助するための電力貯蔵手段27である鉛蓄電池等に充電を行っていた。
【0003】
すなわち、特に、改質器19を用いた燃料電池1を有するかかる構成の給電システムにおいては、燃料電池1の発電量の制御は、主として、燃料電池1へ供給する改質ガス量を、負荷変動に対応して制御することにより行われることとなる。この場合、比較的、緩やかな負荷変動に対しては、ある程度、これに対応した発電量の制御が可能であるが、激しい負荷変動には充分迅速に追随でき難いと言う問題があった。例えば、通常、過負荷時には、負荷の増加に対応して発電量を上げる過程、つまり改質ガス供給量を増加する過程での発電に係る反応速度が追いつかないため、急激な負荷増加に対応した発電量の増加が応答出来ず、電力貯蔵手段5から不足電力を供給することにより対応することとなる。
【0004】
しかし、一度低負荷になり発電量を下げてしまうと、再度負荷が上昇した時に再び発電量を上げるために時間を要するため、この間、電力貯蔵手段5で不足電力を補わなければならず、大容量の電力貯蔵手段5が必要となり、また、かかる負荷変動が、頻繁に起きる場合は、過放電により電力貯蔵手段27の充電不足が生じるおそれがあった。
【0005】
一方、図15に示すような従来例に係る燃料電池の給電システムにおいて、負荷4の変動に対応して、DC/DC変換器28の電流制限を制御する電流制限量可変手段を設けることにより、負荷量に追従した発電を行なうシステムについては、特開平5−151983号公報等に開示されているが、かかる給電システムの負荷変動は、予測困難な側面も多く、電力貯蔵手段27の保護を含めた給電システム全体の負担の軽減については、依然として、充分な解決が図られているとは言い難い。
【0006】
【特許文献1】
特開平5−151983号公報 (第二頁 [特許請求の範囲]、第二頁 段落[0007]〜第3頁 段落[0010])
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事由に鑑み、なされたもので、本発明の目的は、負荷変動に対応しつつ、これと併せて、電力貯蔵手段を過放電から保護し得る燃料電池の給電システムを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、燃料電池で発生した電力を負荷に供給する給電システムであって、燃料電池と開閉自在に接続するとともに負荷と開閉自在に接続する2つの電力貯蔵手段と、一方の電力貯蔵手段と燃料電池を接続し、負荷とは非接続とするとともに、他方の電力貯蔵手段と燃料電池とを非接続とし、負荷と接続する状態と、その逆に一方の電力貯蔵手段と燃料電池を非接続とし、負荷と接続状態とするとともに、他方の電力貯蔵手段と燃料電池とを接続し、負荷とは非接続とする状態を切替え可能に形成された切替手段を備えてなることを特徴とするものである。
【0009】
請求項2に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、燃料電池と、負荷とを直列的に接続し、燃料電池の電力を負荷へ供給する燃料電池給電システムであって、燃料電池と、第一の電力線分岐部とを接続する第一の電力線部と、前記第一の電力線分岐部と第二の電力線分岐部とを接続する第二の電力線部と、前記第二の電力線分岐部と第三の電力線分岐部とを接続する第三の電力線部と、前記第三の電力線分岐部と前記負荷とを接続する第四の電力線部と、前記第一の電力線分岐部と第四の電力線分岐部とを接続する第五の電力線部と、前記第四の電力線分岐部と、前記第三の電力線分岐部とを接続する第六の電力線部と、第一の充電電力量検出手段を介して前記第二の電力線分岐部と第一の電力貯蔵手段を接続する第七の電力線部と、第二の充電電力量検出手段を介して前記第四の電力線分岐部と第二の電力貯蔵手段を接続する第八の電力線部とを有する一方、前記第二の電力線部に第一の回路開閉手段を、前記第五の電力線部に第二の回路開閉手段を、前記第三の電力線部に第三の回路開閉手段を、前記第六の電力線部に第四の回路開閉手段を、それぞれ介装してなることを特徴とするものである。
【0010】
請求項3に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を閉じる一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を開き、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より大きく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開く一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を閉じ、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開くことを特徴とするものである。
【0011】
請求項4に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量より小さい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を閉じる一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を開き、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開く一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を閉じることを特徴とするものである。
【0012】
請求項5に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項4記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開くことを特徴とするものである。
【0013】
請求項6に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2乃至請求項5のいずれかに記載の燃料電池給電システムにおいて、前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量に対応して、燃料電池における発電量を制御することを特徴とするものである。
【0014】
請求項7に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2乃至請求項6のいずれかに記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第三の電力線部に第一の電力検出手段を、前記第六の電力線部に第二の電力検出手段を、それぞれ備える一方、前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、すべて所定の設定値より大きいとき、前記第一の電力検出手段あるいは前記第二の電力検出手段で検出した負荷への供給電力量が、予め設定した設定値より大きい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段をすべて閉じることを特徴とするものである。
【0015】
請求項8に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項7記載の燃料電池給電システムにおいて、前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、すべて所定の設定値より大きいとき、前記第一の電力検出手段あるいは前記第二の電力検出手段で検出した負荷への供給電力量が、予め設定した設定値より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第二の回路開閉手段をすべて開くことを特徴とするものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【0017】
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態においては、図1に示すように、改質器19より改質ガスを供給して発電する燃料電池1と、充電装置2と、DC/AC変換器3と、負荷4とを直列的に接続し、燃料電池1の電力を負荷4へ供給する燃料電池給電システムであって、燃料電池1と、第一の電力線分岐部5とを接続する第一の電力線部L1と、前記第一の電力線分岐部5と第二の電力線分岐部6とを接続する第二の電力線部L2と、前記第二の電力線分岐部6と第三の電力線分岐部7とを接続する第三の電力線部L3と、前記第三の電力線分岐部7と前記負荷4とを接続する第四の電力線部L4と、前記第一の電力線分岐部5と第四の電力線分岐部8とを接続する第五の電力線部L5と、前記第四の電力線分岐部8と、前記第三の電力線分岐部7とを接続する第六の電力線部L6と、第一の充電電力量検出手段9を介して前記第二の電力線分岐部6と第一の電力貯蔵手段10を接続する第七の電力線部L7と、第二の充電電力量検出手段11を介して前記第四の電力線分岐部と第二の電力貯蔵手段12を接続する第八の電力線部L8とを有する一方、前記第二の電力線部L2に第一の回路開閉手段13を、前記第五の電力線部L5に第二の回路開閉手段14を、前記第三の電力線部L3に第三の回路開閉手段15を、前記第六の電力線部L6に第四の回路開閉手段16をそれぞれ介装し、さらには、前記第3の電力線部L3の第三の回路開閉手段15の後段に第一の逆流防止ダイオード17、前記第6の電力線部L6の第四の回路開閉手段16の後段に第二の逆流防止ダイオード18をそれぞれ介装するものである。
【0018】
すなわち、燃料電池1で発電された電力は充電装置2により第一の電力貯蔵手段10と第二の電力貯蔵手段12の充電に使用され、充電装置2からの第一の電力貯蔵手段10、第一の電力貯蔵手段12への充電径路は第一の回路開閉手段13、第二の回路開閉手段14により切り替えることができる。
【0019】
一方、第一の電力貯蔵手段10の充電電力量は第一の充電電力量検出手段9、第二の電力貯蔵手段12の充電電力量は第二の充電電力量検出手段11により検出することができ、かつ、この第一の充電電力量検出手段9、第一の充電電力量検出手段11は第一の電力貯蔵手段10、第一の電力貯蔵手段12の充電電圧及び充電電流の検出手段も兼ねている。負荷4への電力供給は第一の電力貯蔵手段10、第二の電力貯蔵手段12から逆流防止ダイオード17、18を介してDC/AC変換器3により交流変換して供給されるが、電力貯蔵手段10、12を過放電から保護するため、第一の電力貯蔵手段10については、第三の回路開閉手段15、第二の電力貯蔵手段12については、第四の回路開閉手段16により負荷4への電力供給経路を開閉できるようにしている。
【0020】
電力貯蔵手段10、12については、本実施形態ではエネルギー密度が大きく、充電電力量のモニタリングが容易なリチウムイオン二次電池10a、12aを使用したが、電気二重層キャパシタ等の他の電力貯蔵手段も使用可能であり、限定されない。一方、燃料電池1については、固体高分子型で、そのIV特性が、図2に示すように、出力電圧が、出力電流(供給電力)に依存して、使用範囲内(ここでは、13V〜17V)ではほぼ直線的に変動する特性を示すものが好適である。
【0021】
つぎに、本実施形態における制御プロセスを図6の[フローチャート1]により具体的に説明する。すなわち、運転開始直後に、第一の電力貯蔵手段10であるリチウムイオン二次電池10aと第二の電力貯蔵手段12であるリチウムイオン二次電池12aの開放電圧値のデータを取り込む。ただし、使用している二次電池がリチウムイオン電池であり単セル毎にその開放電圧値にばらつきがあるため、この開放電圧はリチウムイオン二次電池10a、12a内の単セルの中で最小の開放電圧値のデータをそれぞれVB1、VB2として取り込むこととした。
【0022】
ここで、使用したリチウムイオン二次電池の放電特性は図3に示すとおりであり、充電電圧の上限が、4.2Vであることから、充電電圧の上限設定値Vbを4.15Vにする一方、放電電圧の下限値Vaを4.0Vに設定した。すなわち、過放電にならないように、放電深度(DOD)20%程度を放電時の下限とした場合、このときの開放電圧が4.0V程度となるからである。
【0023】
上記開放電圧値VB1、VB2のデータをVB1検出処理([フローチャート2]、図7(a)参照)、VB2検出処理([フローチャート3]、図7(b)参照)により、取り込んだ後、第一の電力貯蔵手段10から負荷4へ電力供給を始めるが、電力貯蔵手段10、12の充電状態は前回の運転終了時の状態により異なるため、まずは第一の電力貯蔵手段10の開放電圧VB1がVaより大きいかどうかの判定をする。この際のVB1がVaより大きい場合、各回路開閉手段を第一の電力貯蔵手段10が負荷4へ電力を供給する状態([フローチャート4]、図8(a)参照)に、燃料電池1が第二の電力貯蔵手段12を充電できる状態([フローチャート7]、図9(b)参照)とする。
【0024】
具体的には、第一の回路開閉手段13(以下、フローチャート上では、「回路開閉手段13」という。)及び第四の回路開閉手段16(以下、フローチャート上では、「回路開閉手段16」という。)を開く(OFFとする)一方、第二の回路開閉手段14(以下、フローチャート上では、「回路開閉手段14」という。)及び第三の回路開閉手段15(以下、フローチャート上では、「回路開閉手段15」という。)を閉じる(ONとする)こととなる。これに続いて、第二の電力貯蔵手段12の開放電圧VB2がVbより大きいかどうかの判定をする。この際のVB2がVb以下であれば、その回路開閉状態を、所定時間(1分程度)維持する。
【0025】
当該所定時間経過後、再度開放電圧VB1、VB2のデータを取り込み、、第一の電力貯蔵手段10の充電電圧である開放電圧VB1がVaより大きいかどうかの判定をする。以下、上記一連の操作を繰り返しつつ、第二の電力貯蔵手段12の充電電圧である開放電圧VB2がVb以上になった段階で、一旦、第二の電力貯蔵手段12の充電を停止する。すなわち、第二の回路開閉手段14をOFFとする([フローチャート7]、図9(b)参照)。
【0026】
一方、上記制御プロセスの中で、VB1がVa以下となった場合には、VB2がVaより大きいかどうか比較する。このとき、VB2がVaよりも大きければ各回路開閉手段を第二の電力貯蔵手段12が負荷4へ電力を供給する状態([フローチャート5]、図8(b)参照)に、燃料電池1が第一の電力貯蔵手段10を充電できる状態([フローチャート6]、図9(a)参照)になるようにする。
【0027】
このとき、VB2がVa以下となった場合には、第一の電力貯蔵手段10、第二の電力貯蔵手段12が共に充電不足ということになり、かかる場合に、負荷4への供給を継続すると、電力貯蔵手段10、12が、過放電となるおそれがあるため、負荷4への電力供給を停止して、第一の電力貯蔵手段10を充電する([フローチャート8]、図10参照)。(なお、[フローチャート1]においては、再確認のため、再度VB1がVaより大きいかどうかの判定をする操作を挿入しているが、これは必須ではない。)この結果、第一の電力貯蔵手段10の充電電圧である開放電圧VB1がVbより大きくになった時点で、[フローチャート1]の最初の操作に戻ることとなる。
【0028】
このように、本実施形態においては、第一の充電電力量検出手段9で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ第二の充電電力量検出手段11で検出した充電電力量が、所定の設定値より大きい場合に、第一の回路開閉手段13及び第四の回路開閉手段16を閉じる(ONとする)一方、第二の回路開閉手段14及び第三の回路開閉手段15を開き、第一の充電電力量検出手段9で検出した充電電力量が、所定の設定値より大きく、かつ第二の充電電力量検出手段11で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、第一の回路開閉手段13及び前記第四の回路開閉手段16を開く(OFFとする)一方、第二の回路開閉手段14及び第三の回路開閉手段15を閉じ、第一の充電電力量検出手段9で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開く(OFFとする)こととなるので、この所定の値を、各電力貯蔵手段が過放電を起こさない安全領域内に設定することにより、電力貯蔵手段が過放電領域に入る前に、もう一方の電力貯蔵手段と交代して、これを負荷への電力供給源とすることで、電力貯蔵手段の過放電を防止し得ることとなる。
【0029】
さらに、本実施形態では、上記したように、一方の電力貯蔵手段を開放にすることが出来るため電力貯蔵手段の開放電圧を測定することが可能になり充電状態の検出が容易になるという利点もある。
【0030】
以上の制御プロセスは一方の電力貯蔵手段からある程度まで電力を供給している間に、他方の電力貯蔵手段を充電しておき、一方の充電量がある一定量以下になると供給、充電を交互に交替するというものである。ここでは、電力貯蔵手段10、12としてリチウムイオン二次電池を用いたため充電量の検出に単セルの開放電圧を用いた。これに対して、鉛蓄電池、ニッケル水素電池等を電力貯蔵手段10、12として使用することは、当然可能であるが、かかる場合は、これらの二次電池の放電特性が図3に示したリチウムイオン二次電池のものと異なり、放電深度が浅い領域では、放電深度と開放電圧の比例定数が0に近く、放電深度の変化に対する開放電圧値の変化が、小さく、放電特性図が、略平坦になるため、事実上、これを電圧値のみで簡便に管理することが困難となる。すなわち、鉛蓄電池、ニッケル水素電池等を電力貯蔵手段10、12とする場合には、別途、充放電電流、或いは、電力積算値等により管理する必要がある。
【0031】
このように、本発明の給電システムでは、燃料電池1と開閉自在に接続するとともに負荷4と開閉自在に接続する2つの電力貯蔵手段と、一方の電力貯蔵手段と燃料電池1を接続し、負荷4とは非接続とするとともに、他方の電力貯蔵手段と燃料電池1とを非接続とし、負荷4と接続する状態と、その逆に一方の電力貯蔵手段と燃料電池1を非接続とし、負荷4と接続状態とするとともに、他方の電力貯蔵手段と燃料電池1とを接続し、負荷4とは非接続とする状態を切替え可能に形成された切替手段である回路開閉手段を備えているので、燃料電池1で発電した電力は、専ら電力貯蔵手段の充電のみに供給され、燃料電池1の急激な負荷変動に対する負担を軽減し得る一方、負荷4への電力供給は電力貯蔵手段からなされるため、電力貯蔵手段の能力範囲内で負荷変動に対応することが可能となるというものである。
【0032】
[第2の実施形態]
本実施形態の配線の構成等は上記第1の実施形態と同様、図1に示すとおりであるが、本実施形態における制御プロセスは、図11のフローチャート9に示すとおりである。すなわち、上記第1の実施形態と同様に、まず、運転開始直後に、第一の電力貯蔵手段10であるリチウムイオン二次電池10aの開放電圧値のデータVB1と第二の電力貯蔵手段12であるリチウムイオン二次電池12aの開放電圧値のデータVB2を取り込む。その後、本実施形態においては、まず、このVB1とVB2を相互に比較する。この際、開放電圧値VB1、VB2の内、より高い方の開放電圧値とVaとを比較して、この開放電圧値がVaよりも大きければ、より高い方の開放電圧値を有する電力貯蔵手段から負荷4へ電力を供給する一方、他方の電力貯蔵手段を充電装置2と接続して、充電できるようにする。この回路開閉状態を、所定時間(1分程度)維持した後に、フローチャート2の最初に戻ることとする。その後、充電中の電力貯蔵手段の開放電圧VB1またはVB2がVbを上回った時点で充電を一旦停止する。
【0033】
この結果、本実施形態においては、第一の充電電力量検出手段9で検出した充電電力量が、第二の充電電力量検出手段11で検出した充電電力量より小さい場合に、第一の回路開閉手段13及び第四の回路開閉手段16を閉じる(ONとする)一方、第二の回路開閉手段14及び前記第三の回路開閉手段15を開き、第一の充電電力量検出手段9で検出した充電電力量が、第二の充電電力量検出手段11で検出した充電電力量より大きい場合に、第一の回路開閉手段13及び第四の回路開閉手段16を開く(OFFとする)一方、第二の回路開閉手段14及び前記第三の回路開閉手段15を閉じる(ONとする)こととなるので、より充電電力量が大きい電力貯蔵手段から優先的に負荷に電力が供給され、しかも、定常的に比較的浅い放電深度の状態で電力供給を担う電力貯蔵手段の切替が起きるので、電力貯蔵手段の過放電による劣化を効果的に抑制し得ることとなる。
【0034】
一方、より高い方の開放電圧VB1またはVB2とVaとを比較して、この開放電圧がVa以下である場合は、第一の電力貯蔵手段10及び第二の電力貯蔵手段12がともに充電不足ということになり、実施形態1同様に、負荷4への供給を継続すると、電力貯蔵手段10、12が、過放電となるおそれがあるため、負荷4への電力供給を停止して再度第一の電力貯蔵手段10を充電する。この結果、充電中の電力貯蔵手段の開放電圧VB1またはVB2がVbを上回った時点で、フローチャート9の最初の操作に戻ることとなる。
【0035】
この場合、本実施形態においては、第一の充電電力量検出手段9で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ第二の充電電力量検出手段11で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、第三の回路開閉手段15及び第四の回路開閉手段16を開く(OFFとする)こととなるので、双方の電力貯蔵手段の充電電力量が所定の設定値より小さくなったとき、当該電力貯蔵手段の保護のため負荷への電力供給を停止して、電力貯蔵手段の過放電を防止し得ることとなる。
【0036】
[第3の実施形態]
本実施形態の配線の構成等は、図4に示すように上記各実施形態と共通するものであるが、第一の充電電力量検出手段9、第二の充電電力量検出手段11が、おのおの、各電力貯蔵手段に供給される充電電力の検出手段を兼ねるようにする一方、該検出手段で検出した充電電力を基礎として燃料電池1の発電量の設定値を得るものである。すなわち、本実施形態では、充電時に検出した電圧値と電流値を基礎として、充電電力を演算部20における演算により得ることができるというものである。この結果、本実施形態では、演算部20により設定された発電量に基づき、必要な燃料21、空気22、水23の流量を算出して、改質ガス調整手段24により燃料21、空気22、水23の流量の制御を行うことで、発電量を制御し得ることとなる。
【0037】
本実施形態では電力貯蔵手段の充電量が上がるにつれて充電に必要な電力が減少することで生じる燃料電池1の余剰電力に対し、充電電力の変動に応じて燃料電池1の発電量を制御するものである。
【0038】
本実施形態における制御プロセスは、図12の[フローチャート10]、[フローチャート11]に示すとおりであり、原則として、実施形態1、2における充電処理ルーティン内で行うこととなる。すなわち、第一の電力貯蔵手段10が充電されている時は第一の充電電力量検出手段9で充電時の電圧と電流を検出して演算部20にて充電電力値PB1を求め、この充電電力値を燃料電池1の発電量PFCと設定して、燃料流量、空気流量、水流量を算出し、改質ガス調整手段24により改質ガス量を制御することで発電量の制御を行なうというものである([フローチャート10]、図12(a)参照)。
【0039】
一方、第二の電力貯蔵手段12が充電されている時は第二の充電電力量検出手段11で充電時の電圧と電流を検出して演算部20にて充電電力PB2を求め、この充電電力を燃料電池1の発電量PFCと設定して、燃料流量、空気流量、水流量を算出して、改質ガス調整手段24により改質ガス量を制御することで発電量の制御を実施することとなる([フローチャート11]、図12(b)参照)。
【0040】
このように、本実施形態においては、充電電力量検出手段で検出した充電電力量に対応して、燃料電池1における発電量を制御するので、低負荷時における余剰電力の生成を抑制し得ることとなる。また、この場合においても、燃料電池1は充電のみに使用されるので、燃料電池1、さらには、改質器19の負担をも軽減し得るからである。すなわち、燃料電池1が、電力貯蔵手段10、12に充電のみ行なっている限りにおいては、電力貯蔵手段10、12が、通常の二次電池や電気二重層キャパシタのような電力貯蔵手段であることを前提とした場合、充電電力の変化は緩やかであり、急激な変化に対応した制御を要求されないからである。
【0041】
[第4の実施形態]
本実施形態の配線の構成等は、図5に示すように、上記第3の実施形態と共通するものであるが、本実施形態では、これに加えて、さらに、各電力貯蔵手段10、12から負荷4に供給する負荷電力を検出する第一の電力検出手段25、第二の電力検出手段26を有するものとなっている。すなわち、かかる電力検出手段25、26で検出した電力が設定閾値を超えた場合に過負荷と判断して、充電を行なっている側の電力貯蔵手段からも負荷4へ電力供給するように回路開閉手段を切り換えるというものである。本実施形態における制御プロセスは、図13の[フローチャート12]、[フローチャート13]に示すような割り込み処理によるものである。
【0042】
まず、第一の電力貯蔵手段10が負荷4へ電力供給をしているとき、第一の電力検出手段25により負荷電力PL1を検出して、このPL1が過負荷閾値Paを超えた時に過負荷と判断して、第四の回路開閉手段16をONにすることで充電中の第二の電力貯蔵手段12からも電力を供給する。次に、第3の実施形態で実施したように第二の充電電力量検出手段11にて充電電力PB2を検出して、この時の負荷電力PL1と合わせた電力を燃料電池の発電量PFCに設定する。
【0043】
次に、このようにして設定された発電量に基づき、演算部20で、燃料21、空気22、水23の流量を算出して、改質ガス調整手段24により改質ガス量を制御することで発電量の制御を実施することとなる([フローチャート12]、図13(a)参照)。
【0044】
一方、第二の電力貯蔵手段12が負荷4へ電力供給をしているときは、第二の電力検出手段26により負荷電力PL2を検出して、このPL2が過負荷閾値Paを超えた時に過負荷と判断して、第三の回路開閉手段15をONにすることで充電中の第一の電力貯蔵手段10からも電力を供給する。さらに、充電電力PB1を検出して、この時の負荷電力PL2と合わせた電力を燃料電池の発電量PFCに設定する。演算部20で設定された発電量に基づき、燃料21、空気22、水23の流量を算出して、改質ガス調整手段24により改質ガス量を制御することで発電量の制御を実施することとなる([フローチャート13]、図13(b)参照)。本実施形態では過負荷閾値Paは定格出力1kWの2割増しの1.2kW、過負荷上限Pbは2kWと設定して実施することができた。
【0045】
この結果、本実施形態においては、第三の電力線部L3に第一の電力検出手段25を、前記第六の電力線部L6に第二の電力検出手段26を、それぞれ備える一方、充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、すべて所定の設定値より大きいとき、第一の電力検出手段25あるいは第二の電力検出手段26で検出した負荷への供給電力量が、予め設定した設定値より大きい場合に、第三の回路開閉手段15及び第四の回路開閉手段16をすべて閉じる(ONとする)こととなるので、充電されていた電力貯蔵手段側の電力線からも負荷4への電力供給がなされ、電力供給を担っていた電力貯蔵手段の過放電を抑制し得ることとなる。
【0046】
[第5の実施形態]
本実施形態の配線の構成等は上記第4の実施形態と同様、図5に示すとおりであるが、本実施形態は、第4の実施形態における過負荷時に、充電中の、もう一方の電力貯蔵手段からも電力を供給する際に、燃料電池1からの電力貯蔵手段への充電を中断して、電力貯蔵手段のみから負荷電力を供給するものである。
【0047】
すなわち、本実施形態における制御プロセスは、図14の[フローチャート14]、[フローチャート15]に示すような割り込み処理によるものである。まず、第一の電力貯蔵手段10が負荷4に電力供給をしているとき、第一の電力検出手段25により負荷電力PL1を検出して、このPL1が過負荷閾値Paを超えた時に過負荷と判断して、第二の回路開閉手段14をOFFにして燃料電池1から第一の電力貯蔵手段12への充電を切り、第四の回路開閉手段16をONにすることで第二の電力貯蔵手段12からも電力を供給することとなる([フローチャート14]、図14(a)参照)。
【0048】
一方、第二の電力貯蔵手段12が負荷4へ電力供給をしているときは、第二の電力検出手段26により負荷電力PL2を検出して、このPL2が過負荷閾値Paを超えた時に過負荷と判断して、第一の回路開閉手段13をOFFにして燃料電池1から第一の電力貯蔵手段10への充電を切り、第三の回路開閉手段15をONにすることで第一の電力貯蔵手段10からも電力を供給することとなる([フローチャート15]、図14(b)参照)。また、本実施形態においても、上記第4の実施形態と同様に、過負荷閾値Paは定格出力1kWの2割増しの1.2kW、過負荷上限Pbは2kWと設定して実施することができた。
【0049】
すなわち、本実施形態は、上記第4の実施形態と略同様の実施形態であるが、充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、すべて所定の設定値より大きいとき、第一の電力検出手段25あるいは前記第二の電力検出手段26で検出した負荷への供給電力量が、予め設定した設定値より大きい場合に、第一の回路開閉手段13及び第二の回路開閉手段14をすべて開く(OFFとする)こととなるので、燃料電池1からの負荷4への直接の電力供給が無く、改質器19や燃料電池1の負担を軽減し得ることとなる。
【0050】
【発明の効果】
以上のように、請求項1及び請求項2に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、燃料電池で発生した電力を負荷に供給する給電システムであって、燃料電池と開閉自在に接続するとともに負荷と開閉自在に接続する2つの電力貯蔵手段と、一方の電力貯蔵手段と燃料電池を接続し、負荷とは非接続とするとともに、他方の電力貯蔵手段と燃料電池とを非接続とし、負荷と接続する状態と、その逆に一方の電力貯蔵手段と燃料電池を非接続とし、負荷と接続状態とするとともに、他方の電力貯蔵手段と燃料電池とを接続し、負荷とは非接続とする状態を切替え可能に形成された切替手段を備えてなることを特徴とするものであり、具体的には、燃料電池と、負荷とを直列的に接続し、燃料電池の電力を負荷へ供給する燃料電池給電システムであって、燃料電池と、第一の電力線分岐部とを接続する第一の電力線部と、前記第一の電力線分岐部と第二の電力線分岐部とを接続する第二の電力線部と、前記第二の電力線分岐部と第三の電力線分岐部とを接続する第三の電力線部と、前記第三の電力線分岐部と前記負荷とを接続する第四の電力線部と、前記第一の電力線分岐部と第四の電力線分岐部とを接続する第五の電力線部と、前記第四の電力線分岐部と、前記第三の電力線分岐部とを接続する第六の電力線部と、第一の充電電力量検出手段を介して前記第二の電力線分岐部と第一の電力貯蔵手段を接続する第七の電力線部と、第二の充電電力量検出手段を介して前記第四の電力線分岐部と第二の電力貯蔵手段を接続する第八の電力線部とを有する一方、前記第二の電力線部に第一の回路開閉手段を、前記第五の電力線部に第二の回路開閉手段を、前記第三の電力線部に第三の回路開閉手段を、前記第六の電力線部に第四の回路開閉手段を、それぞれ介装してなることを特徴とするので、燃料電池で発電した電力は、専ら電力貯蔵手段の充電のみに供給され、燃料電池の急激な負荷変動に対する負担を軽減し得る一方、負荷への電力供給は電力貯蔵手段からなされるため、電力貯蔵手段の能力範囲内で負荷変動に対応することが可能となるという優れた効果を奏する。
【0051】
請求項3に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を閉じる一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を開き、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より大きく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開く一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を閉じ、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開くことを特徴とするので、請求項2記載の燃料電池給電システムの効果に加えて、この所定の値を、各電力貯蔵手段が過放電を起こさない安全領域内に設定することにより、電力貯蔵手段が過放電領域に入る前に、もう一方の電力貯蔵手段と交代して、これを負荷への電力供給源とすることで、電力貯蔵手段の過放電を防止できるようになるという優れた効果を奏する。
【0052】
請求項4に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量より小さい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を閉じる一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を開き、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開く一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を閉じることを特徴とするので、請求項2記載の燃料電池給電システムの効果に加えて、より充電電力量が大きい電力貯蔵手段から優先的に負荷に電力が供給され、しかも、定常的に比較的浅い放電深度の状態で電力供給を担う電力貯蔵手段の切替が起きるので、電力貯蔵手段の過放電による劣化を効果的に抑制し得るという優れた効果を奏する。
【0053】
請求項5に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項4記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開くことを特徴とするので、請求項4記載の燃料電池給電システムの効果に加えて、双方の電力貯蔵手段の充電電力量が所定の設定値より小さくなったとき、当該電力貯蔵手段の保護のため負荷への電力供給を停止して、電力貯蔵手段の過放電を防止し得るという優れた効果を奏する。
【0054】
請求項6に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2乃至請求項5のいずれかに記載の燃料電池給電システムにおいて、前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量に対応して、燃料電池における発電量を制御することを特徴とするので、請求項2乃至請求項5のいずれかに記載の燃料電池給電システムの効果に加えて、低負荷時における余剰電力の生成を抑制し得るという優れた効果を奏する。
【0055】
請求項7に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項2乃至請求項6のいずれかに記載の燃料電池給電システムにおいて、前記第三の電力線部に第一の電力検出手段を、前記第六の電力線部に第二の電力検出手段を、それぞれ備える一方、前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、すべて所定の設定値より大きいとき、前記第一の電力検出手段あるいは前記第二の電力検出手段で検出した負荷への供給電力量が、予め設定した設定値より大きい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段をすべて閉じることを特徴とするので、請求項2乃至請求項6のいずれかに記載の燃料電池給電システムの効果に加えて、充電されていた電力貯蔵手段側の電力線からも負荷への電力供給がなされ、電力供給を担っていた電力貯蔵手段の過放電を抑制し得るという優れた効果を奏する。
【0056】
請求項8に係る燃料電池給電システムの発明にあっては、請求項7記載の燃料電池給電システムにおいて、前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、すべて所定の設定値より大きいとき、前記第一の電力検出手段あるいは前記第二の電力検出手段で検出した負荷への供給電力量が、予め設定した設定値より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第二の回路開閉手段をすべて開くことを特徴とするので、請求項7記載の燃料電池給電システムの効果に加えて、燃料電池からの負荷への直接の電力供給が無く、改質器や燃料電池の負担を軽減し得るという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池の給電システムの第1及び第2の実施形態を示す図である。
【図2】本発明の燃料電池の給電システムにおいて、使用し得る燃料電池の典型的IV特性を示す図である。
【図3】本発明の燃料電池の給電システムにおいて、電力貯蔵手段として、好適に使用し得るリチウムイオン二次電池の典型的放電特性を示す図である。
【図4】本発明の燃料電池の給電システムの第3の実施形態を示す図である。
【図5】本発明の燃料電池の給電システムの第4及び第5の実施形態を示す図である。
【図6】第1の実施形態における制御プロセスに関するフローチャート1を示す図である。
【図7】VB(開放電圧値)検出処理に関するフローチャートを示すもので、(a)は、VB1(第一の電力貯蔵手段の開放電圧値)検出処理に関するフローチャート2を示す図、(b)は、VB2(第二の電力貯蔵手段の開放電圧値)検出処理に関するフローチャート3を示す図である。
【図8】電力貯蔵手段負荷電力供給処理に関するフローチャートを示すもので、(a)は、第一の電力貯蔵手段負荷電力供給処理に関するフローチャート4を示す図、(b)は、第二の電力貯蔵手段負荷電力供給処理に関するフローチャート5を示す図である。
【図9】電力貯蔵手段充電処理に関するフローチャートを示すもので、(a)は、第一の電力貯蔵手段充電処理に関するフローチャート6を示す図、(b)は、第二の電力貯蔵手段充電処理に関するフローチャート7を示す図である。
【図10】負荷電力供給停止処理に関するフローチャート8を示す図である。
【図11】第2の実施形態における制御プロセスに関するフローチャート9を示す図である。
【図12】第3の実施形態における電力貯蔵手段充電処理に関するフローチャートを示すもので、(a)は、第一の電力貯蔵手段充電処理に関するフローチャート10を示す図、(b)は、第二の電力貯蔵手段充電処理に関するフローチャート11を示す図である。
【図13】第4の実施形態における電力貯蔵手段過負荷割り込み処理に関するフローチャートを示すもので、(a)は、第一の電力貯蔵手段過負荷割り込み処理に関するフローチャート12を示す図、(b)は、第二の電力貯蔵手段過負荷割り込み処理に関するフローチャート13を示す図である。
【図14】第5の実施形態における電力貯蔵手段過負荷割り込み処理に関するフローチャートを示すもので、(a)は、第一の電力貯蔵手段過負荷割り込み処理に関するフローチャート14を示す図、(b)は、第二の電力貯蔵手段過負荷割り込み処理に関するフローチャート15を示す図である。
【図15】従来例に係る燃料電池の給電システムの概略を示す図である。
【符号の説明】
1 燃料電池
2 充電装置
3 DC/AC変換器
4 負荷
5 第一の電力線分岐部
6 第二の電力線分岐部
7 第三の電力線分岐部
8 第四の電力線分岐部
9 第一の充電電力量検出手段
10 第一の電力貯蔵手段
11 第二の充電電力量検出手段
12 第二の電力貯蔵手段
13 第一の回路開閉手段
14 第二の回路開閉手段
15 第三の回路開閉手段
16 第四の回路開閉手段
17 第一の逆流防止ダイオード
18 第二の逆流防止ダイオード
19 改質器
20 演算部
21 燃料
22 空気
23 水
24 改質ガス調整手段
25 第一の電力検出手段
26 第二の電力検出手段
27 電力貯蔵手段
28 DC/DC変換器
L1 第一の電力線部
L2 第二の電力線部
L3 第三の電力線部
L4 第四の電力線部
L5 第五の電力線部
L6 第六の電力線部
L7 第七の電力線部
L8 第八の電力線部
Claims (8)
- 燃料電池で発生した電力を負荷に供給する給電システムであって、燃料電池と開閉自在に接続するとともに負荷と開閉自在に接続する2つの電力貯蔵手段と、一方の電力貯蔵手段と燃料電池を接続し、負荷とは非接続とするとともに、他方の電力貯蔵手段と燃料電池とを非接続とし、負荷と接続する状態と、その逆に一方の電力貯蔵手段と燃料電池を非接続とし、負荷と接続状態ととするとともに、他方の電力貯蔵手段と燃料電池とを接続し、負荷とは非接続とする状態を切替え可能に形成された切替手段を備えてなることを特徴とする燃料電池給電システム。
- 燃料電池と、負荷とを直列的に接続し、燃料電池の電力を負荷へ供給する燃料電池給電システムであって、燃料電池と、第一の電力線分岐部とを接続する第一の電力線部と、前記第一の電力線分岐部と第二の電力線分岐部とを接続する第二の電力線部と、前記第二の電力線分岐部と第三の電力線分岐部とを接続する第三の電力線部と、前記第三の電力線分岐部と前記負荷とを接続する第四の電力線部と、前記第一の電力線分岐部と第四の電力線分岐部とを接続する第五の電力線部と、前記第四の電力線分岐部と、前記第三の電力線分岐部とを接続する第六の電力線部と、第一の充電電力量検出手段を介して前記第二の電力線分岐部と第一の電力貯蔵手段を接続する第七の電力線部と、第二の充電電力量検出手段を介して前記第四の電力線分岐部と第二の電力貯蔵手段を接続する第八の電力線部とを有する一方、前記第二の電力線部に第一の回路開閉手段を、前記第五の電力線部に第二の回路開閉手段を、前記第三の電力線部に第三の回路開閉手段を、前記第六の電力線部に第四の回路開閉手段を、それぞれ介装してなることを特徴とする燃料電池給電システム。
- 前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を閉じる一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を開き、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より大きく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開く一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を閉じ、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開くことを特徴とする請求項2記載の燃料電池給電システム。
- 前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量より小さい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を閉じる一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を開き、前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開く一方、前記第二の回路開閉手段及び前記第三の回路開閉手段を閉じることを特徴とする請求項2記載の燃料電池給電システム。
- 前記第一の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さく、かつ前記第二の充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、所定の設定値より小さい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段を開くことを特徴とする請求項4記載の燃料電池給電システム。
- 前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量に対応して、燃料電池における発電量を制御することを特徴とする請求項2乃至請求項5のいずれかに記載の燃料電池給電システム。
- 前記第三の電力線部に第一の電力検出手段を、前記第六の電力線部に第二の電力検出手段を、それぞれ備える一方、前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、すべて所定の設定値より大きいとき、前記第一の電力検出手段あるいは前記第二の電力検出手段で検出した負荷への供給電力量が、予め設定した設定値より大きい場合に、前記第三の回路開閉手段及び前記第四の回路開閉手段をすべて閉じることを特徴とする請求項2乃至請求項6のいずれかに記載の燃料電池給電システム。
- 前記充電電力量検出手段で検出した充電電力量が、すべて所定の設定値より大きいとき、前記第一の電力検出手段あるいは前記第二の電力検出手段で検出した負荷への供給電力量が、予め設定した設定値より大きい場合に、前記第一の回路開閉手段及び前記第二の回路開閉手段をすべて開くことを特徴とする請求項7記載の燃料電池給電システム。
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2003
- 2003-01-31 JP JP2003023167A patent/JP2004235049A/ja active Pending
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