JP2007109609A - 燃料電池システムの充放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】急に軽負荷の状態になっても、燃料電池の余剰電力を電気二重層コンデンサに蓄えて回生電力として有効利用を図るとともに、燃料電池出力の追従性の悪さをカバーして最適な電力を迅速に発生する燃料電池システムの充放電装置を提供する。
【解決手段】充放電装置３は、燃料電池２から供給される出力電力（燃料電池出力電力（直流）ＰB）を軽負荷に対応した低い目標電力（パワーコンディショナ供給電力（直流）ＰO）に変換して出力し、燃料電池２の余剰電力を充電して蓄えるとともに、蓄えられた余剰電力を放電しながら重負荷に対応した高い目標電力に変換して出力し、燃料電池４の出力電力が高い目標電力に達するまで継続する電力変換手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は家庭用燃料電池システムの出力電力を系統側から供給される系統電力よりも低く保ち、系統側への逆潮流を防止する家庭用燃料電池システムの充放電装置に係り、特に、軽負荷になった場合に、燃料電池の余剰電力を電気二重層コンデンサに充電し、電気二重層コンデンサに蓄えた余剰電力を回生し、電力の有効利用を図る家庭用燃料電池システムの充放電装置に関する。

従来の電力システム（例えば、コージェネレーションシステム）において、負荷が小さく定格電力出力を行うと、逆潮流が発生するような場合、電力出力を調整することなく、余剰電力をヒータで消費させて湯を作るように構成したものが「特許文献１」に開示されている。

また、従来の燃料電池システムは、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に、充放電可能な蓄電池と電気二重層コンデンサを並列接続した出力を接続し、負荷が重くなって、負荷の消費電力に比べてＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力が低い場合、蓄電池および電気二重層コンデンサに蓄積している電力を出力するように構成されたものが「特許文献２」（ハイブリッド燃料電池システム）に開示されている。

なお、負荷がモータのように突入電流を流す場合、電気二重層コンデンサから突入電流に対応した放電を先に開始し、続いて蓄電池から放電を開始することにより、突入電流の放電に伴う蓄電池の寿命低下を防止することができる。
特開２００２−２３８１６６号公報（請求項２、図１１参照） 特開２００２−１１０２１０号公報（請求項１、図１参照）

従来の電力システムは、軽負荷時の余剰電力をヒータで消費する（湯を沸かす）ため、システムの電力効率の低下を招く課題がある。

また、従来の燃料電池システム（ハイブリッド燃料電池システム）は、蓄電池と電気二重層コンデンサを並列接続した蓄電装置を用いるため、部品点数が多く、規模が大きくなってコストアップを招く課題がある。

電気二重層コンデンサに、充放電が早く、容量の大きなものを採用することにより、蓄電池を削除することができる。

なお、燃料電池は、化学反応で電池出力を発生するため、発電量のコントロールに時間が掛り、目標値への追従性に劣る課題がある。

この発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は急に軽負荷の状態になっても、燃料電池の余剰電力を電気二重層コンデンサに蓄えて回生電力として有効利用を図るとともに、燃料電池出力の追従性の悪さをカバーして最適な電力を迅速に発生する燃料電池システムの充放電装置を提供することにある。

前記課題を解決するためこの発明に係る燃料電池システムの充放電装置は、負荷変動に伴い、燃料電池の出力電力を潮流側電力に追従して変更する燃料電池システムの充放電装置であって、燃料電池から供給される出力電力を、軽負荷に対応した目標電力にて変換して出力している際に発生する余剰電力を充電して蓄えるとともに、蓄えられた余剰電力を、重負荷に対応した目標電力の必要時に、放電しながら重負荷に対応した目標電力に変換して出力するようにして、燃料電池の出力電力を重負荷時における目標電力に維持する電力変換手段を備えたことを特徴とする。

この発明に係る充放電装置は、燃料電池から供給される出力電力を、軽負荷に対応した目標電力にて変換して出力している際に発生する余剰電力を充電して蓄えるとともに、蓄えられた余剰電力を、重負荷に対応した目標電力の必要時に、放電しながら重負荷に対応した目標電力に変換して出力するようにして、燃料電池の出力電力を重負荷時における目標電力に維持する電力変換手段を備えたので、負荷が急激に変動して系統側電力の変化に、燃料電池の出力電力が追従できない場合でも、燃料電池の出力電力を目標電力に変換して出力することができる。特に、低い目標電力に変換された場合には、燃料電池の出力電力と低い目標電力の偏差である余剰電力を蓄えておき、燃料電池の出力電力が高い目標電力に達するまで、余剰電力を高い目標電力に再利用することができる。

また、この発明に係る電力変換手段は、燃料電池から供給される出力電力を降圧して低い目標電力にするとともに、余剰電力を電気二重層コンデンサに充電する降圧コンバータと、電気二重層コンデンサから余剰電力を放電させ、低い目標電力から高い目標電力に昇圧する昇圧コンバータと、電荷を蓄積する電気二重層コンデンサとを備えたことを特徴とする。

この発明に係る電力変換手段は、燃料電池から供給される出力電力を降圧して低い目標電力にするとともに、余剰電力を電気二重層コンデンサに充電する降圧コンバータと、電気二重層コンデンサから余剰電力を放電させ、低い目標電力から高い目標電力に昇圧する昇圧コンバータと、電荷を蓄積する電気二重層コンデンサとを備えたので、負荷変動に対応して目標電力を迅速に出力するとともに、余剰電力を蓄えて再利用することができる。

さらに、この発明に係る降圧コンバータおよび昇圧コンバータは、それぞれ定電流タイプのスイッチング素子、チョークコイル、平滑コンデンサを備えたことを特徴とする。

この発明に係る降圧コンバータおよび昇圧コンバータは、それぞれ定電流タイプのスイッチング素子、チョークコイル、平滑コンデンサを備えたので、余剰電力を速やかに充電し、充電した余剰電力を速やかに放電して燃料電池の出力電力を目標電力にして出力することができる。

また、この発明に係る電力変換手段は、直列接続した２個の定電流タイプのスイッチング素子、１個のチョークコイルを備えた双方向昇降圧コンバータと、電気二重層コンデンサとで構成したことを特徴とする。

この発明に係る電力変換手段は、直列接続した２個の定電流タイプのスイッチング素子、１個のチョークコイルを備えた双方向昇降圧コンバータと、電気二重層コンデンサとで構成したので、少ない部品点数で、燃料電池の出力電力を速やかに目標電力にして出力することができる。

さらに、この発明に係る充放電装置は、コントローラの指令に基づいて、降圧コンバータおよび昇圧コンバータ、または双方向昇降圧コンバータの動作、動作停止を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。

この発明に係る充放電装置は、コントローラの指令に基づいて、降圧コンバータおよび昇圧コンバータ、または双方向昇降圧コンバータの動作、動作停止を制御する制御手段を備えたので、降圧コンバータおよび昇圧コンバータ、または双方向昇降圧コンバータに流す電流を監視しながら降圧コンバータおよび昇圧コンバータ、または双方向昇降圧コンバータの駆動を制御し、負荷変動に応じた出力電力を出力させることができる。

また、この発明に係る制御手段は、中央演算処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）、降圧コントロールＩＣ、昇圧コントロールＩＣ、スイッチング駆動回路を備え、アナログ信号で降圧コンバータおよび昇圧コンバータの動作、動作停止を制御することを特徴とする。

この発明に係る制御手段は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、降圧コントロールＩＣ、昇圧コントロールＩＣ、スイッチング駆動回路を備え、アナログ信号で降圧コンバータおよび昇圧コンバータの動作、動作停止を制御するので、負荷変動に伴う燃料電池の出力電力の変動を調節することができる。

さらに、この発明に係る制御手段は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、スイッチング駆動回路を備え、ディジタル信号で降圧コンバータおよび昇圧コンバータ、または双方向昇降圧コンバータの動作、動作停止を制御することを特徴とする。

この発明に係る制御手段は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、スイッチング駆動回路を備え、ディジタル信号で降圧コンバータおよび昇圧コンバータ、または双方向昇降圧コンバータの動作、動作停止を制御するので、温度やインバータのスイッチングノイズの制御量への影響を回避して正確な制御を実行することができる。

また、この発明に係る電気二重層コンデンサは、充電時間および放電時間が短く、容量の大きなコンデンサであることを特徴とする。

この発明に係る電気二重層コンデンサは、充電時間および放電時間が短く、容量の大きなコンデンサであるので、蓄電池などの二次電池を用いることなく、十分な電荷を蓄積することができる。

この発明に係る充放電装置は、燃料電池から供給される出力電力を、軽負荷に対応した目標電力にて変換して出力している際に発生する余剰電力を充電して蓄えるとともに、蓄えられた余剰電力を、重負荷に対応した目標電力の必要時に、放電しながら重負荷に対応した目標電力に変換して出力するようにして、燃料電池の出力電力を前記重負荷時における目標電力に維持する電力変換手段を備えたので、負荷が急激に変動して系統側電力の変化に、燃料電池の出力電力が追従できない場合でも、燃料電池の出力電力を目標電力に変換して出力することができる。特に、低い目標電力に変換された場合には、燃料電池の出力電力と低い目標電力の偏差である余剰電力を蓄えておき、燃料電池の出力電力が高い目標電力に達するまで、余剰電力を高い目標電力に再利用することができ、燃料電池の出力電力を有効に利用してシステムの電力効率を高めることができる。

また、この発明に係る電力変換手段は、燃料電池から供給される出力電力を降圧して低い目標電力にするとともに、余剰電力を電気二重層コンデンサに充電する降圧コンバータと、電気二重層コンデンサから余剰電力を放電させ、低い目標電力から高い目標電力に昇圧する昇圧コンバータと、電荷を蓄積する電気二重層コンデンサとを備えたので、負荷変動に対応して目標電力を迅速に出力するとともに、余剰電力を蓄えて再利用することができ、利便性の向上をアピールすることができる。

さらに、この発明に係る降圧コンバータおよび昇圧コンバータは、それぞれ定電流タイプのスイッチング素子、チョークコイル、平滑コンデンサを備えたので、余剰電力を速やかに充電し、充電した余剰電力を速やかに放電して燃料電池の出力電力を目標電力にして出力することができ、負荷の変動に対して出力電力の追従性の向上を実現することができる。

また、この発明に係る電力変換手段は、直列接続した２個の定電流タイプのスイッチング素子、１個のチョークコイルを備えた双方向昇降圧コンバータと、電気二重層コンデンサとで構成したので、少ない部品点数で、燃料電池の出力電力を速やかに目標電力にして出力することができ、装置の性能アップとコストダウンをアピールすることができる。

さらに、この発明に係る充放電装置は、コントローラの指令に基づいて、降圧コンバータおよび昇圧コンバータ、または双方向昇降圧コンバータの動作、動作停止を制御する制御手段を備えたので、降圧コンバータおよび昇圧コンバータ、または双方向昇降圧コンバータに流す電流を監視しながら降圧コンバータおよび昇圧コンバータ、または双方向昇降圧コンバータの駆動を制御し、負荷変動に応じた出力電力を出力させることができ、負荷変動に対して正確で、かつ追従性に優れた出力電力を出力することができる。

また、この発明に係る制御手段は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、降圧コントロールＩＣ、昇圧コントロールＩＣ、スイッチング駆動回路を備え、アナログ信号で降圧コンバータおよび昇圧コンバータの動作、動作停止を制御するので、負荷変動に伴う燃料電池の出力電力の変動を調節することができ、システムの出力電力を最適にし、システムから系統側への逆潮流を確実に防止することができる。

さらに、この発明に係る制御手段は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、スイッチング駆動回路を備え、ディジタル信号で降圧コンバータおよび昇圧コンバータ、または双方向昇降圧コンバータの動作、動作停止を制御するので、温度やインバータのスイッチングノイズの制御量への影響を回避して正確な制御を実行することができ、充放電装置の動作を保障して、安定性の向上を図ることができる。

また、この発明に係る電気二重層コンデンサは、充電時間および放電時間が短く、容量の大きなコンデンサであるので、蓄電池などの二次電池を用いることなく、十分な電荷を蓄積することができ、負荷減少時の余剰電力を蓄積し、負荷増大時に余剰電力を放電して、回生電力として再利用することができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１はこの発明に係る充放電装置が適用される燃料電池システムの実施の形態システム構成図である。図１において、燃料電池システム１は、天然ガスやメタノールなどの燃料から水素を発生させ、水素と酸素を化学反応させて直流の燃料電池出力電力（直流）ＰBを発生する燃料電池２と、燃料電池出力電力（直流）ＰBを目標とするパワーコンディショナ供給電力（直流）ＰOへの電力変換をする充放電装置３と、パワーコンディショナ供給電力（直流）ＰOを交流に変換し、商用電源に同期させたシステム出力電力（交流）ＰSを出力するパワーコンディショナ４と、系統側（商用電源）６の系統側電力（交流）ＰAC（負荷消費電力）とシステム出力電力（交流）ＰSの偏差電力に基づいて、燃料電池２に燃料調整の指令をするとともに、システム出力電力（交流）ＰSが系統側電力（交流）ＰACを超えて、パワーコンディショナ４から系統側（商用電源）６への逆潮流が発生しないように、充放電装置３に電力変換の指令をするコントローラ５から構成する。

燃料電池２は、燃料の増減に対して燃料電池出力電力（直流）ＰBの増減する追従が遅く、特に、負荷の急激な減少に伴い、系統側（商用電源）６の系統側電力（交流）ＰACは、追従して減少するが、燃料電池出力電力（直流）ＰBは、時間経過とともに減少し、系統側電力（交流）ＰACに追従することができないため、パワーコンディショナ４のシステム出力電力（交流）ＰSの減少も遅くなり、系統側電力（交流）ＰACを上回ってしまう虞がある。

充放電装置３は、燃料電池出力電力（直流）ＰBの減少の遅れをカバーし、系統側電力（交流）ＰACの減少に追従して燃料電池出力電力（直流）ＰBの減少の遅れを補償するため、燃料電池出力電力（直流）ＰBを目標のパワーコンディショナ供給電力（直流）ＰOに変換するためのもので、パワーコンディショナ４から出力されるシステム出力電力（交流）ＰSを系統側電力（交流）ＰACの減少に追従させて減少させ、負荷の増減に追従させてシステム出力電力（交流）ＰSを速やかに増減することによって、燃料電池システム１から系統側（商用電源）６への逆潮流を防止し、システム出力電力（交流）ＰSを有効に利用する。

充放電装置３は、燃料電池２から供給される出力電力（燃料電池出力電力（直流）ＰB）を、軽負荷に対応した目標電力（パワーコンディショナ供給電力（直流）ＰO）にて変換して出力している際に発生する余剰電力を充電して蓄えるとともに、蓄えられた余剰電力を、重負荷に対応した目標電力の必要時に、放電しながら重負荷に対応した目標電力に変換して出力するようにして、燃料電池２の出力電力を重負荷時における目標電力に維持する電力変換手段を備える。

これにより、負荷が急激に変動して系統側電力（系統側電力（交流）ＰAC）の変化に、燃料電池２の出力電力（燃料電池出力電力（直流）ＰB）が追従できない場合でも、燃料電池２の出力電力（燃料電池出力電力（直流）ＰB）を目標電力（パワーコンディショナ供給電力（直流）ＰO）に変換して出力することができる。特に、低い目標電力に変換された場合には、燃料電池２の出力電力（燃料電池出力電力（直流）ＰB）と低い目標電力（パワーコンディショナ供給電力（直流）ＰO）の偏差である余剰電力（＝ＰB−ＰO）を蓄えておき、燃料電池２の出力電力が高い目標電力に達するまで、余剰電力を高い目標電力に再利用することができる。

図２はこの発明に係る充放電装置の一実施の形態ブロック構成図である。図２において、充放電装置３は、制御手段８ａ，８ｂからの駆動制御により、燃料電池出力電力（直流）ＰBを降圧または昇圧してパワーコンディショナ供給電力（直流）ＰOに変換する電力変換手段７と、コントローラ５からの制御指令情報ＪS（電流指令値）に基づいて電力変換手段７の動作を制御する制御手段８ａ，８ｂとから構成する。

電力変換手段７は、降圧コンバータ９、昇圧コンバータ１０、電気二重層コンデンサ１１を備える。

降圧コンバータ９は、定電流タイプのスイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）などで構成し、制御手段８ａ，８ｂから供給される降圧コンバータ制御信号ＣDで駆動制御され、燃料電池２から供給される燃料電池出力電力（直流）ＰBを降圧して低い目標電力であるパワーコンディショナ供給電力（直流）ＰOにする。

また、降圧コンバータ９は、燃料電池出力電力（直流）ＰBと降圧した低い目標電力のパワーコンディショナ供給電力（直流）ＰOとの偏差（＝ＰB−ＰO）である余剰電力を電気二重層コンデンサ１１に充電して蓄える。なお、降圧コンバータ検出電流ＩDが制御手段８ａ，８ｂに提供される。

昇圧コンバータ１０は、定電流タイプのスイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）などで構成し、制御手段８ａ，８ｂから供給される昇圧コンバータ制御信号ＣUで駆動制御され、電気二重層コンデンサ１１に蓄えられた余剰電力を放電させ、低い目標電力から高い目標電力のパワーコンディショナ供給電力（直流）ＰOに昇圧する。なお、昇圧コンバータ検出電流ＩUが制御手段８ａ，８ｂに提供される。

電気二重層コンデンサ１１は、充電時間および放電時間が短く、容量の大きなコンデンサで構成し、降圧コンバータ９の動作により余剰電力を蓄え、昇圧コンバータ１０の動作により、蓄えた余剰電力を放電する。なお、電気二重層コンデンサ検出電圧ＶCが制御手段８ａ，８ｂに供給される。

これにより、蓄電池などの二次電池を用いることなく、十分な電荷を蓄積することができ、負荷減少時の余剰電力（電荷）を蓄積し、負荷増大時に余剰電力を放電して、回生電力として再利用することができる。

なお、電気二重層コンデンサ１１に蓄える電荷量Ｑは、容量をＣｘ、コンデンサ両端の電圧をＶｃとすると、Ｑ＝Ｃｘ×Ｖｃで表される。また、電気二重層コンデンサ１１に蓄えられるエネルギーＰは、Ｐ＝Ｃｘ×Ｖｃ^２／２で表される。

このように、この発明に係る電気二重層コンデンサ１１は、充電時間および放電時間が短く、容量の大きなコンデンサであるので、蓄電池などの二次電池を用いることなく、十分な電荷を蓄積することができ、負荷減少時の余剰電力を蓄積し、負荷増大時に余剰電力を放電して、回生電力として再利用することができる。

制御手段８ａ，８ｂは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を基本に構成し、コントローラ５の指令（電流指令情報ＪS）に基づいて、降圧コンバータ９および昇圧コンバータ１０の動作、動作停止を制御し、降圧コンバータ９および昇圧コンバータ１０に流す電流を監視しながら降圧コンバータ９および昇圧コンバータ１０の駆動を制御し、負荷変動に応じた出力電力（パワーコンディショナ供給電力（直流）ＰO）を出力させる。

制御手段８ａは、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、降圧コントロールＩＣ、昇圧コントロールＩＣ、スイッチング駆動回路を備え、コントローラ５から供給されるディジタルの電流指令情報ＪSをアナログの降圧コンバータ制御信号ＣDまたは昇圧コンバータ制御信号ＣUに変換し、降圧コンバータ９または昇圧コンバータ１０のスイッチング素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号で、降圧コンバータ検出電流ＩDまたは昇圧コンバータ検出電流ＩUを監視しながら定電流となるように駆動制御する。

これにより、制御手段８ａは、負荷変動に伴う燃料電池２の出力電力（燃料電池出力電力（直流）ＰB）の変動を目標電力（パワーコンディショナ供給電力（直流）ＰO）に調節することができる。

また、制御手段８ｂは、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、スイッチング駆動回路を備え、コントローラ５から供給されるディジタルの電流指令情報ＪSをディジタルの降圧コンバータ制御信号ＣDまたは昇圧コンバータ制御信号ＣUに変換し、降圧コンバータ９または昇圧コンバータ１０のスイッチング素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号で、降圧コンバータ検出電流ＩDまたは昇圧コンバータ検出電流ＩUを監視しながら定電流となるように駆動制御する。

これにより、制御手段８ｂは、負荷変動に伴う燃料電池２の出力電力（燃料電池出力電力（直流）ＰB）の変動を目標電力（パワーコンディショナ供給電力（直流）ＰO）に調節するとともに、温度やインバータのスイッチングノイズの制御量への影響を回避して正確な制御を実行することができる。

ここで、図１および図２を用いて動作を説明する。負荷が減少し、系統側（商用電源）６の消費電力が減少すると、コントローラ５は、消費電力に見合った発電量になるように燃料電池２に指令を与えると同時に、充放電装置３に、燃料電池２の目標とする発電量と実際の発電量との差の余剰電力を充電するように指令する。

燃料電池２は、コントローラ５からの指令に追従して直ちに発電量を低下することはできないが、充放電装置３は、コントローラ５からの指令に瞬時に応答してパワーコンディショナ供給電力（直流）ＰOを低下し、出力することができるため、燃料電池２が瞬時に燃料電池出力電力（直流）ＰBを目標値に下げたのと同じになる。

電気二重層コンデンサ１１は、常に電荷が蓄積されていない状態が望ましいため、燃料電池２の発電量が目標値に到達したら、更に目標値を下げ、充放電装置３から不足分を放電し、電気二重層コンデンサ１１の電荷量を見ながら、燃料電池２の発電量をコントロールし、常に目標の発電量になるようにする。充放電装置３は、定電流の充放電コンバータで構成するため、燃料電池２の出力電圧によらず、一定電流の入出力が可能になる。

図３はこの発明に係る充放電装置の別実施の形態ブロック構成図である。図３において、充放電装置１２は、制御手段８ｃからの駆動制御により、燃料電池出力電力（直流）ＰBを降圧または昇圧してパワーコンディショナ供給電力（直流）ＰOに変換する電力変換手段１３と、コントローラ５からの制御指令情報ＪS（電流指令値）に基づいて電力変換手段１３の動作を制御する制御手段８ｃとから構成する。

電力変換手段１３は、双方向昇降圧コンバータ１４、電気二重層コンデンサ１１を備える。

双方向昇降圧コンバータ１４は、直列接続した２個の定電流タイプのスイッチング素子、１個のチョークコイルで構成し、制御手段８ｃから供給される降圧コンバータ制御信号ＣDで駆動制御され、燃料電池２から供給される燃料電池出力電力（直流）ＰBを降圧して低い目標電力であるパワーコンディショナ供給電力（直流）ＰOに変換する。

また、双方向昇降圧コンバータ１４は、燃料電池出力電力（直流）ＰBと降圧した低い目標電力のパワーコンディショナ供給電力（直流）ＰOとの偏差（＝ＰB−ＰO）である余剰電力を電気二重層コンデンサ１１に充電して蓄える。なお、降圧コンバータ検出電流ＩDが制御手段８ｃに提供される。

さらに、双方向昇降圧コンバータ１４は、制御手段８ｃから供給される昇圧コンバータ制御信号ＣUで駆動制御され、電気二重層コンデンサ１１に蓄えられた余剰電力を放電させ、低い目標電力から高い目標電力のパワーコンディショナ供給電力（直流）ＰOに変換する。なお、昇圧コンバータ検出電流ＩUが制御手段８ｃに提供される。

電気二重層コンデンサ１１は、充電時間および放電時間が短く、容量の大きなコンデンサで構成し、双方向昇降圧コンバータ１４の動作により余剰電力を蓄え、蓄えた余剰電力を放電する。なお、電気二重層コンデンサ検出電圧ＶCが制御手段８ｃに供給される。

制御手段８ｃは、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、スイッチング駆動回路を備え、コントローラ５から供給されるディジタルの電流指令情報ＪSをディジタルの降圧コンバータ制御信号ＣDまたは昇圧コンバータ制御信号ＣUに変換し、双方向昇降圧コンバータ１４のスイッチング素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号で、降圧コンバータ検出電流ＩDまたは昇圧コンバータ検出電流ＩUを監視しながら定電流となるように駆動制御する。

これにより、制御手段８ｃは、負荷変動に伴う燃料電池２の出力電力（燃料電池出力電力（直流）ＰB）の変動を目標電力（パワーコンディショナ供給電力（直流）ＰO）に調節するとともに、温度やインバータのスイッチングノイズの制御量への影響を回避して正確な制御を実行することができる。

次に、この発明に係る充放電装置の具体的な構成について説明する。図４はこの発明に係る充放電装置の第一実施の形態回路図である。なお、本実施の形態は、図２に示す電力変換手段７と制御手段８ａで構成するものである。図４の充放電装置１５において、電力変換手段７は、降圧ならびに電気二重層コンデンサＣｘへの充電を受け持つスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１と、チョークコイルＬ１と、平滑コンデンサＣ１と、降圧コンバータ検出電流ＩDを検出するための抵抗器Ｒ１で降圧コンバータ９を構成し、昇圧ならびに電気二重層コンデンサＣｘからの放電を受け持つスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２と、チョークコイルＬ２と、平滑コンデンサＣ２と、昇圧コンバータ検出電流ＩUを検出するための抵抗器Ｒ２で昇圧コンバータ１０を構成する。なお、電気二重層コンデンサＣｘは、電気二重層コンデンサ１１を構成する。

制御手段８ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、降圧コントロールＩＣと、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１駆動用のＦＥＴドライバと、昇圧コントロールＩＣと、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２駆動用のＦＥＴドライバで構成する。降圧コントロールＩＣおよび昇圧コントロールＩＣはアナログＩＣで構成する。

ＣＰＵ（Central Processing Unit）は、通信ポートを介してコントローラ５からディジタル信号の電流指令情報ＪSを受信すると、Ｄ／Ａ（ディジタル／アナログ）変換した充電電流指令値および放電電流指令値をそれぞれ降圧コントロールＩＣおよび昇圧コントロールＩＣに供給する。

また、ＣＰＵ（Central Processing Unit）は、抵抗器Ｒ１で検出されたアナログの降圧コンバータ検出電流ＩD、抵抗器Ｒ２で検出されたアナログの昇圧コンバータ検出電流ＩUにＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換を施し、変換したディジタル電流値と電流指令情報ＪSを比較し、ディジタル電流値と電流指令情報ＪSが一致するように充電電流指令値および放電電流指令値を変更して出力する帰還ループを形成する。

降圧コントロールＩＣは、ＣＰＵから供給される充電電流指令値に対応したＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号をＦＥＴドライバを介してＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１のゲートに供給し、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１の降圧、充電動作を制御する。

昇圧コントロールＩＣは、ＣＰＵから供給される放電電流指令値に対応したＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号をＦＥＴドライバを介してＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２のゲートに供給し、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２の昇圧、放電動作を制御する。なお、降圧コントロールＩＣおよび昇圧コントロールＩＣは、それぞれＣＰＵから供給されるシャットダウン信号により、動作を停止する。

降圧コントロールＩＣおよび昇圧コントロールＩＣは、それぞれ抵抗器Ｒ１で検出されたアナログの降圧コンバータ検出電流ＩD、抵抗器Ｒ２で検出されたアナログの昇圧コンバータ検出電流ＩUを受信し、ＣＰＵから供給される充電電流指令値、放電電流指令値と比較し、降圧コンバータ検出電流ＩDと充電電流指令値、昇圧コンバータ検出電流ＩUと放電電流指令値が一致するように制御する帰還ループを形成する。

降圧コントロールＩＣおよび昇圧コントロールＩＣは、アナログ部品であり、基本的に温度の影響を受け易い。また、降圧コントロールＩＣおよび昇圧コントロールＩＣは、ＣＰＵから供給される充電電流指令値、放電電流指令値、およびＦＥＴドライバを介してＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２に供給するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号がアナログ信号のため、スイッチングノイズなどの外乱の影響も受け易い。

温度の影響ならびに外乱の影響を極力抑制するため、降圧コントロールＩＣおよび昇圧コントロールＩＣは、降圧コンバータ検出電流ＩDおよび昇圧コンバータ検出電流ＩUの帰還ループを設けるとともに、ＣＰＵにも降圧コンバータ検出電流ＩDおよび昇圧コンバータ検出電流ＩUの帰還ループを設け、それぞれ２重ループで正確に制御する。

このように、この発明に係る制御手段８ａは、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、降圧コントロールＩＣ、昇圧コントロールＩＣ、スイッチング駆動回路を備え、アナログ信号で降圧コンバータ９および昇圧コンバータ１０の動作、動作停止を制御するので、負荷変動に伴う燃料電池２の出力電力（燃料電池出力電力（直流）ＰB）の変動を調節することができ、システムの出力電力（システム出力電力（交流）ＰS）を最適にし、システムから系統側への逆潮流を確実に防止することができる。

制御手段８ａは、アナログ制御のため、降圧コントロールＩＣおよび昇圧コントロールＩＣが必要になって部品点数が多く、２重ループ制御によって制御系が複雑になるため、ディジタル制御で、部品点数が少なく、ループ制御が単純な制御手段８ｂを用いた場合について説明する。

図５はこの発明に係る充放電装置の第二実施の形態回路図である。なお、本実施の形態は、図２に示す電力変換手段７と制御手段８ｂで構成するものである。図５の充放電装置１６において、電力変換手段７は図４に示すものと同じなので、説明を省略する。

制御手段８ｂは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１駆動用のＦＥＴドライバと、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２駆動用のＦＥＴドライバで、ディジタル制御系を構成する。

ＣＰＵ（Central Processing Unit）は、通信ポートを介してコントローラ５からディジタル信号の電流指令情報ＪSを受信すると、ディジタルのゲートパルスをそれぞれＦＥＴドライバを介してＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１およびＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２に供給する。

また、ＣＰＵは、抵抗器Ｒ１で検出されたアナログの降圧コンバータ検出電流ＩD、抵抗器Ｒ２で検出されたアナログの昇圧コンバータ検出電流ＩUにＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換を施し、変換したディジタル電流値と電流指令情報ＪSを比較し、ディジタル電流値と電流指令情報ＪSが一致するようにゲートパルスを演算し、演算したゲートパルス出力する帰還ループを形成する。

制御手段８ｂは、ディジタルの電流指令情報ＪSを受信し、ディジタルのゲートパルスでＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１およびＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２を駆動制御し、降圧コンバータ検出電流ＩDまたは昇圧コンバータ検出電流ＩUの帰還ループをそれぞれ１系統にするので、温度の影響や外乱の影響を受けない安定した制御を実現することができる。

このように、この発明に係る制御手段８ｂは、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、スイッチング駆動回路を備え、ディジタル信号で降圧コンバータ９および昇圧コンバータ１０の動作、動作停止を制御するので、温度やインバータのスイッチングノイズの制御量への影響を回避して正確な制御を実行することができ、充放電装置１６の動作を保障して、安定性の向上を図ることができる。

次に、この発明に係る降圧コンバータ９および昇圧コンバータ１０の動作を図４、図５の各部波形図で説明する。図７はこの発明に係る降圧コンバータの一実施の形態動作波形図である。波形図は、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１のゲート電圧ＶG1、チョークコイルＬ１の誘起電圧ＶL1、抵抗器Ｒ１に流れる降圧コンバータ電流ＩL1、電気二重層コンデンサ検出電圧ＶCを表す。なお、ゲート電圧ＶG1のデューティを５０％、制御手段８ａまたは制御手段８ｂで制御した場合について説明する。

ゲート電圧ＶG1がＨレベルになると、チョークコイルＬ１の電圧ＶL1は、Ｖ１−ＶG1となり、降圧コンバータ電流（充電電流）ＩL1が直線的に増加する。この時のＩL1の傾きは、Ｖ１−ＶG1に比例する。

ゲート電圧ＶG1がＬレベルになると、チョークコイルＬ１の電圧ＶL1は、−ＶCと極性が反転してチョークコイルＬ１に蓄えられたエネルギーが直線的に減少する電流として放出される。この時の電流の傾きは、−ＶCに比例する。

この電流で、電気二重層コンデンサＣｘが充電され、時間経過とともに、電気二重層コンデンサ検出電圧ＶCは、増加するが、デューティが５０％のため、降圧コンバータ電流ＩL1（充電電流）は、減少していく。

図８はこの発明に係る降圧コンバータの別実施の形態動作波形図である。図７に示す降圧コンバータ電流ＩL1を一定に保つために、ゲート電圧ＶG1のＯＮデューティを徐々に増加し、抵抗器Ｒ１の電圧降下が一定になる（コンバータ検出電流ＩD＝一定）ようにＯＮデューティを制御する。

降圧コンバータ電流ＩL1を一定に保つことにより、定電流タイプの降圧コンバータ９を構成することができるため、急激に軽負荷になり、燃料電池２の燃料電池出力電力（直流）ＰBが緩やかに時間をかけて低下しても、降圧コンバータ９の動作が速くパワーコンディショナ供給電力（直流）ＰOを目標電力に瞬時に低下させることができる。

また、燃料電池２の燃料電池出力電力（直流）ＰBの余剰電力を電気二重層コンデンサＣｘに充電することができる。電気二重層コンデンサＣｘの電圧ＶCは、充電とともに増加し、電気二重層コンデンサＣｘに蓄えられる電荷Ｑは、Ｑ＝Ｃｘ×ＶC（ファラッド）となり、エネルギーＥは、Ｅ＝Ｃｘ×ＶC^２／２となる。

図９はこの発明に係る昇圧コンバータの一実施の形態動作波形図である。波形図は、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２のゲート電圧ＶG2、チョークコイルＬ２の誘起電圧ＶL2、抵抗器Ｒ２に流れる昇圧コンバータ電流（放電電流）ＩL2、昇圧コンバータ１０の出力電圧Ｖ２を表す。なお、昇圧コンバータ電流（放電電流）ＩL2が一定の場合について説明する。

ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２のゲート電圧ＶG2がＨレベルになると、チョークコイルＬ２の両端の誘起電圧ＶL2は、電気二重層コンデンサＣｘの電圧ＶCとなり、昇圧コンバータ電流（放電電流）ＩL2は、直線的に増加してチョークコイルＬ２に励磁エネルギーを蓄える。

ゲート電圧ＶG2がＬレベルになると、誘起電圧ＶL2は、ＯＦＦデューティの比率をＤoffとすると、−ＶC／（１／Ｄoff−１）となって、平滑コンデンサＣ２は、ＶC＋ＶC／（１／Ｄoff−１）＝ＶC／Ｄoffで充電され、出力電圧Ｖ２＝ＶC／Ｄoffとなる。放電電流Ｉ２は抵抗器Ｒ２で検出される。

放電電流Ｉ２を増加させるためには、ゲート電圧ＶG2のＯＮデューティを増加するとＤoffが減少するため、Ｖ２＝ＶC／Ｄoffが増加することにより、増加させることができる。

一方、放電電流Ｉ２を減少させるためには、ゲート電圧ＶG2のＯＮデューティを減少するとＤoffが増加するため、Ｖ２＝ＶC／Ｄoffが減少することにより、減少させることができる。

このように、この発明に係る電力変換手段７は、燃料電池２から供給される出力電力（燃料電池出力電力（直流）ＰB）を降圧して低い目標電力にするとともに、余剰電力を電気二重層コンデンサ１１に充電する降圧コンバータ９と、電気二重層コンデンサ１１から余剰電力を放電させ、低い目標電力から高い目標電力に昇圧する昇圧コンバータ１０と、電荷を蓄積する電気二重層コンデンサ１１とを備えたので、負荷変動に対応して目標電力を迅速に出力するとともに、余剰電力を蓄えて再利用することができ、利便性の向上をアピールすることができる。

また、この発明に係る降圧コンバータ９および昇圧コンバータ１０は、それぞれ定電流タイプのスイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，Ｑ２）、チョークコイルＬ１，Ｌ２、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２を備えたので、余剰電力を速やかに充電し、充電した余剰電力を速やかに放電して燃料電池２の出力電力（燃料電池出力電力（直流）ＰB）を目標電力（パワーコンディショナ供給電力（直流）ＰO）にして出力することができ、負荷の変動に対して出力電力の追従性の向上を実現することができる。

続いて、この発明に係る双方向昇降圧コンバータを用いた充放電装置の具体的な構成について説明する。図６はこの発明に係る充放電装置の第三実施の形態回路図である。なお、本実施の形態は、図３に示す電力変換手段１３と制御手段８ｃで構成するものである。

図６の充放電装置１７において、電力変換手段１３は、降圧ならびに電気二重層コンデンサＣｘへの充電を受け持つスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１と、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１に直列に接続された昇圧ならびに電気二重層コンデンサＣｘからの放電を受け持つスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２と、降圧ならびに昇圧に兼用のチョークコイルＬと、降圧コンバータ検出電流ＩDおよび昇圧コンバータ検出電流ＩUを検出する抵抗器Ｒで構成する。

制御手段８ｃは、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１駆動用およびＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２駆動用の２個のＦＥＴドライバを備え、コントローラ５から供給されるディジタルの電流指令情報ＪSをディジタルの降圧コンバータ制御信号ＣDまたは昇圧コンバータ制御信号ＣUに変換し、双方向昇降圧コンバータ１４のＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号で、降圧コンバータ検出電流ＩDまたは昇圧コンバータ検出電流ＩUを監視しながら定電流となるように駆動制御する。

電力変換手段１３は、降圧ならびに充電時には、制御手段８ｃからＦＥＴドライバを介してＯＦＦ情報をＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２に供給するとともに、制御手段８ｃからＦＥＴドライバを介してＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号のゲートパルスをＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１に供給する。

ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２は、ＯＦＦであるが、ボディダイオード（フライバックダイオード）があるため、ソース側からドレイン側に充電電流（降圧コンバータ検出電流ＩDに相当）が流れ、図５に示す降圧コンバータ９と同等になり、図８に示す動作波形と同じになる。

一方、電力変換手段１３は、昇圧ならび放電時には、制御手段８ｃからＦＥＴドライバを介してＯＦＦ情報をＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１に供給するとともに、制御手段８ｃからＦＥＴドライバを介してＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号のゲートパルスをＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２に供給する。

ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１は、ＯＦＦであるが、ボディダイオード（フライバックダイオード）があるため、ソース側からドレイン側に放電電流（昇圧コンバータ検出電流ＩUに相当）が流れ、図５に示す昇圧コンバータ１０と同等になり、図９に示す動作波形と同じになる。

このように、この発明に係る電力変換手段１３は、直列接続した２個の定電流タイプのスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２）、１個のチョークコイルＬを備えた双方向昇降圧コンバータ１４と、電気二重層コンデンサＣｘとで構成したので、少ない部品点数で、燃料電池２の出力電力（燃料電池出力電力（直流）ＰB）を速やかに目標電力（パワーコンディショナ供給電力（直流）ＰO）にして出力することができ、装置の性能アップとコストダウンをアピールすることができる。

また、この発明に係る充放電装置３、１２は、コントローラ５の指令に基づいて、降圧コンバータ９および昇圧コンバータ１０、または双方向昇降圧コンバータ１４の動作、動作停止を制御する制御手段８ａ，８ｂ，８ｃを備えたので、降圧コンバータ９および昇圧コンバータ１０、または双方向昇降圧コンバータ１４に流す電流を監視しながら降圧コンバータ９および昇圧コンバータ１０、または双方向昇降圧コンバータ１４の駆動を制御し、負荷変動に応じた出力電力を出力させることができ、負荷変動に対して正確で、かつ追従性に優れた出力電力を出力することができる。

図１０はこの発明に係る燃料電池システムの実施の形態電力タイムチャート図である。図１０において、負荷が軽減した場合における本考案の装置（燃料電池システム１）の電力、系統消費電力、燃料電池の出力電力の時間変化を表す。

燃料電池の出力電力は、系統消費電力より少し低くされているが、急激に系統消費電力が低下した場合、燃料電池の反応が遅いため、出力電力を低下させるのに時間がかかるため、燃料電池の出力電力の一部を本発明の充放電装置に蓄えることで、系統消費電力に追従させて燃料電池の出力電力を調整することができる。

燃料電池の出力電力が低下し、燃料電池システムに対応した電力より低くなった場合には、充放電装置に蓄えられた電力を放出し、系統消費電力に合わせて出力電力を維持することができる。

本発明の充放電装置は、余剰電力を蓄えることが目的になるので、蓄えた電力は、速やかに放電し、放電後には燃料電池の出力電力のみとなる。

以上説明したように、この発明に係る充放電装置３，１２は、燃料電池２から供給される出力電力（燃料電池出力電力（直流）ＰB）を、軽負荷に対応した目標電力（パワーコンディショナ供給電力（直流）ＰO）にて変換して出力している際に発生する余剰電力を充電して蓄えるとともに、蓄えられた余剰電力を、重負荷に対応した目標電力の必要時に、放電しながら重負荷に対応した目標電力に変換して出力するようにして、燃料電池の出力電力を前記重負荷時における目標電力に維持する電力変換手段７，１３を備えたので、負荷が急激に変動して系統側電力の変化に、燃料電池の出力電力が追従できない場合でも、燃料電池の出力電力（燃料電池出力電力（直流）ＰB）を目標電力（パワーコンディショナ供給電力（直流）ＰO）に変換して出力することができる。特に、低い目標電力に変換された場合には、燃料電池２の出力電力と低い目標電力の偏差である余剰電力を蓄えておき、燃料電池２の出力電力が高い目標電力に達するまで、余剰電力を高い目標電力に再利用することができ、燃料電池の出力電力を有効に利用してシステムの電力効率を高めることができる。

本発明に係る充放電装置は、急に軽負荷の状態になっても、燃料電池の余剰電力を電気二重層コンデンサに蓄えて回生電力として有効利用を図るとともに、燃料電池出力の追従性の悪さをカバーして最適な電力を迅速に発生するもので、反応の遅い燃料電池を使用するあらゆる燃料電池システムに適用することができる。

この発明に係る充放電装置が適用される燃料電池システムの実施の形態システム構成図 この発明に係る充放電装置の一実施の形態ブロック構成図 この発明に係る充放電装置の別実施の形態ブロック構成図 この発明に係る充放電装置の第一実施の形態回路図 この発明に係る充放電装置の第二実施の形態回路図 この発明に係る充放電装置の第三実施の形態回路図 この発明に係る降圧コンバータの一実施の形態動作波形図 この発明に係る降圧コンバータの別実施の形態動作波形図 この発明に係る昇圧コンバータの一実施の形態動作波形図 この発明に係る燃料電池システムの実施の形態電力タイムチャート図

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３，１２，１５，１６，１７ 充放電装置
４ パワーコンディショナ
５ コントローラ
６ 系統側（商用電源）
７，１３ 電力変換手段
８ａ，８ｂ，８ｃ 制御手段
９ 降圧コンバータ
１０ 昇圧コンバータ
１１，Ｃｘ 電気二重層コンデンサ
１４ 双方向昇降圧コンバータ
ＰB 燃料電池出力電力（直流）
ＰO パワーコンディショナ供給電力（直流）
ＰS システム出力電力（交流）
ＰAC 系統側電力（交流）
ＶC 電気二重層コンデンサ検出電圧
ＩD 降圧コンバータ検出電流
ＩU 昇圧コンバータ検出電流
ＣD 降圧コンバータ制御信号
ＣU 昇圧コンバータ制御信号
ＪS 電流指令情報
Ｑ１，Ｑ２ ＭＯＳＦＥＴ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ チョークコイル
Ｃ１，Ｃ２ 平滑コンデンサ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ 抵抗器

Claims (8)

1. 負荷変動に伴い、燃料電池の出力電力を潮流側電力に追従して変更する燃料電池システムの充放電装置であって、
   前記燃料電池から供給される出力電力を、軽負荷に対応した目標電力にて変換して出力している際に発生する余剰電力を充電して蓄えるとともに、蓄えられた余剰電力を、重負荷に対応した目標電力の必要時に、放電しながら前記重負荷に対応した目標電力に変換して出力するようにして、前記燃料電池の出力電力を前記重負荷時における目標電力に維持する電力変換手段を備えたことを特徴とする充放電装置。
2. 前記電力変換手段は、前記燃料電池から供給される出力電力を降圧して低い目標電力にするとともに、余剰電力を電気二重層コンデンサに充電する降圧コンバータと、前記電気二重層コンデンサから余剰電力を放電させ、低い目標電力から高い目標電力に昇圧する昇圧コンバータと、電荷を蓄積する前記電気二重層コンデンサと、を備えたことを特徴とする請求項１記載の充放電装置。
3. 前記降圧コンバータおよび前記昇圧コンバータは、それぞれ定電流タイプのスイッチング素子、チョークコイル、平滑コンデンサを備えたことを特徴とする請求項２記載の充放電装置。
4. 前記電力変換手段は、直列接続した２個の定電流タイプのスイッチング素子、１個のチョークコイルを備えた双方向昇降圧コンバータと、電気二重層コンデンサと、で構成したことを特徴とする請求項１記載の充放電装置。
5. コントローラの指令に基づいて、前記降圧コンバータおよび前記昇圧コンバータ、または前記双方向昇降圧コンバータの動作、動作停止を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の充放電装置。
6. 前記制御手段は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、降圧コントロールＩＣ、昇圧コントロールＩＣ、スイッチング駆動回路を備え、アナログ信号で前記降圧コンバータおよび前記昇圧コンバータの動作、動作停止を制御することを特徴とする請求項５記載の充放電装置。
7. 前記制御手段は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、スイッチング駆動回路を備え、ディジタル信号で前記降圧コンバータおよび前記昇圧コンバータ、または前記双方向昇降圧コンバータの動作、動作停止を制御することを特徴とする請求項５記載の充放電装置。
8. 前記電気二重層コンデンサは、充電時間および放電時間が短く、容量の大きなコンデンサであることを特徴とする請求項２または請求項４記載の充放電装置。
   

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