JP2013118806A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源セルの異常な電圧低下を検知するとともに、この電圧低下が復旧している場合には発電を再開させ合理的で安定的な電力供給を実現し得る電源装置を提供する。
【解決手段】複数の電源セル２ａ〜２ｄを電気的に独立させて構成した組電源２と、電源セルの端子間を切換素子３１ａ〜３１ｋで選択的に接続することにより各電源セルを任意に接続する切換器３と、電源セルの端子間の電位差をそれぞれ検出する電圧検出器４と、電圧検出器が検出した前記電位差をそれぞれ表わす電圧信号に基づき電源セルの発電電圧が設定電圧以下になった場合には当該電源セルを切り離して電力の供給を休止させるとともに、切り離された電源セルにおける休止時間が所定時間以上となった場合に電力の供給を休止させていた電源セルからの電力の供給を再開させるように制御信号で切換器を制御して切換素子のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御する制御器５とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は電源装置に関し、特に電気的に独立している複数の電源セルの合理的な運転を継続しつつ転極防止を図ると同時に、負荷電力に適合する合理的な運転を行う場合に適用して有用なものである。

図７は従来技術に係る燃料電池装置（特許文献１）を示すブロック線図である。同図に示すように、当該燃料電池装置は、燃料電池スタック１００で発電した電力を、コントローラ１０８で指示した所定の出力電圧（目標電圧）になるように調整する電力変換器１０３を介して負荷１０９に供給するものである。

ここで、前記燃料電池スタック１００は直列に接続した複数の燃料電池セル１１０を有するとともに、各燃料電池セル１１０に燃料供給装置１０１及び空気供給装置１０２を介して燃料及び空気を供給するように構成してある。また、コントローラ１０８は、複数の燃料電池セル１１０の各電圧のバラツキが最小になるように、電圧計測器１０５で計測する複数の燃料電池セル１１０の各電圧に基づいて燃料供給量と空気供給量とを燃料電池セル１１０毎に設定し、燃料供給装置１０１を介して燃料電池セル１１０毎の燃料供給量に基づいて各燃料電池セル１１０に燃料を供給するとともに、空気供給装置１０２を介して燃料電池セル１１０毎の空気供給量に基づいて各燃料電池セル１１０に空気を供給する。

かくして、燃料電池セル１１０毎に燃料供給量を増減させて発電電力を安定化させ、各燃料電池セル１１０の特性のバラツキや、燃料供給のバラツキによって、燃料電池セル１１０の電圧が低下し各燃料電池セル１１０が劣化することを防いでいる。すなわち、燃料電池セル１１０の電圧のバラツキを低減して燃料電池スタック１００の発電電力の安定化を図っている。

特開２００６−７３３７９号公報 特開２００４−３０３６２１号公報

上記従来技術に係る燃料電池装置は、燃料電池セル１１０の電圧のバラツキを低減して燃料電池スタック１００の発電電力の安定化を図るものではあるが、各燃料電池セル１１０の発電電圧の異常な低下を検知することはできない。ちなみに、燃料電池セル１１０の発電電圧が異常に低下した状態で使用を継続するとその燃料電池セル１１０は転極を生起してしまい使用不能の状態となる。

これに対し、転極を未然に防止するため、各発電セルの発電電圧を検出して、異常な発電セルをスタックから切り離すという技術が提案されている（特許文献２）。ただ、当該技術では、一旦異常電圧となってしまうとその発電セルは継続的に切り離されてしまい合理的な運転ができないという問題がある。すなわち、特許文献２が開示する技術では、一旦発電電圧が低下した場合には、その後発電能力が回復しても切り離し状態が継続されてしまうが、燃料不足等の原因により、一旦発電電圧が異常低下しても、電力の供給を一時休止させることによりその後発電能力が回復する場合も多く、かかる場合には発電セルの切り離し状態を継続する必要はないからである。

一方、上記図７に示す燃料電池装置は、燃料電池セル１１０毎に燃料供給装置１０１を有しているため、その他にも１）燃料電池装置の構造が複雑となる、２）燃料電池装置が大型化する、３）燃料電池装置の重量が増大する等の問題を有している。

また、燃料供給の増減制御で各燃料電池セル１１０の電圧の低下を防げない場合（例えば、燃料供給経路が詰まってしまっている、セルが（物理的・化学的）ショートしている等）は、燃料供給の増減制御による発電電力の安定化の効果が得られず、無駄な燃料供給・燃料消費となるという問題もある。

本発明は、上記従来技術に鑑み、発電セルの異常な電圧低下を検知するとともに、この発電能力が復旧している場合には発電を再開させ、さらに負荷電力に応じて発電に必要なセルを選択し、長期発電信頼性を有して負荷への合理的で安定的な電力供給を実現し得る燃料電池装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の第１の態様は、
複数の電源セルを電気的に独立させて構成した組電源と、
前記組電源に接続し前記複数の電源セルの端子間を切換素子で選択的に接続することにより各前記電源セルの接続経路を任意に変更し、前記複数の電源セルの端子と同数の入力端子と２極の出力端子を有する切換器と、
前記複数の電源セルの端子間の電位差をそれぞれ検出する電圧検出器と、
前記各電源セルの継続出力時間が電源セルの連続発電による出力特性の経時変化を基に予め設定された時間以上となった場合、且つ、前記電圧検出器が検出した前記電位差をそれぞれ表わす電圧信号に基づき前記各電源セルの出力電圧が設定電圧以下になった場合には当該電源セルの電力の供給を休止させるとともに、電力供給を休止した電源セルにおける休止時間が所定時間以上となった場合に前記電力の供給を休止させていた電源セルからの電力の供給を再開させるように制御信号で前記切換器を制御して前記切換素子のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御する制御器と
を有することを特徴とする電源装置にある。

本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載する電源装置において、
前記切換器は、前記切換器の出力端の＋極と各前記電源セルの＋極との間に電源セルと同等数、前記切換器の出力端の−極と各前記電源セルの−極との間に電源セルと同等数、電源セルの直列方向に隣接する電源セル間に電源セルの個数から１つ少ない数の前記切換素子を有することを特徴とする電源装置にある。

本発明の第３の態様は、
第１又は第２の態様に記載する電源装置において、
前記切換器と負荷との間に接続して前記負荷へ供給する電圧を安定化させる電圧調整器と、前記負荷における消費電力及び／又は前記組電源の出力電力を検出する出力検出器とをさらに有するとともに、
前記制御器は、さらに前記電圧検出器が検出した前記電位差を表わす電圧信号、前記消費電力及び前記組電源の出力電力に基づき形成する制御信号により前記切換器を制御して前記切換素子のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御することを特徴とする電源装置にある。

本発明の第４の態様は、
第３の態様に記載する電源装置において、
前記制御器は、前記出力検出器が検出する電力値が、予め前記組電源の出力特性から設定した出力電力以下であることが検出されている場合において、出力電圧が最も低い電源セルからの電力の供給を休止させるように前記切換器を介して各電源セルの接続状態を制御する処理を含むことを特徴とする電源装置にある。

本発明の第５の態様は、
第３の態様に記載する電源装置において、
前記制御器は、前記出力検出器が検出する電力値が、予め前記組電源の出力特性から設定した出力電力以下であることが検出されている場合において、前記電源セルの継続発電時間が所定時間以上となった場合に出力電圧が最も低い電源セルからの電力の供給を休止させるように前記切換器を介して前記電源セルの接続状態を制御する処理を含むことを特徴とする電源装置にある。

本発明の第６の態様は、
第３の態様に記載する電源装置において、
前記制御器は、前記出力検出器が検出する電力値が、予め前記組電源の出力特性から設定した出力電力以下であることが検出されている場合において、前記電源セルの継続発電時間が所定時間以上となった場合に出力電圧が低い方から順に複数の電源セルからの電力の供給を休止させるように前記切換器を介して前記電源セルの接続状態を制御する処理を含むことを特徴とする電源装置にある。

本発明の第７の態様は、
第３の態様に記載する電源装置において、
前記制御器は、前記出力検出器が検出する電力値が、予め前記組電源の出力特性から設定した出力電力以下であることが検出されている場合において、前記電源セルの継続発電時間が所定時間以上となった場合に出力電圧が最も低い電源セルからの電力の供給を休止させるとともに、その時点まで電力の供給を休止させていた電源セルからの電力の供給を再開させるように前記切換器を介して前記電源セルの接続状態を制御する処理を含むことを特徴とする電源装置にある。

本発明の第８の態様は、
第３乃至第７の態様の何れか一つに記載する電源装置において、
前記出力検出器は、前記電圧調整器の出力電圧及び前記負荷に供給される負荷電流に基づき前記消費電力を検出するものであることを特徴とする電源装置にある。

本発明の第９の態様は、
第１乃至第８の態様の何れか一つに記載する電源装置において、
前記電圧検出器は、前記各電源セルの出力端をマルチプレクサに接続するとともに、電圧が検出される電源セルを前記制御器の制御信号によりスキャニングして順次切り換え、前記マルチプレクサの出力端に１台の電圧検出器を接続して前記各電源セルの電圧信号を逐次制御器に供給するように構成したことを特徴とする電源装置にある。

本発明によれば、各電源セルの継続出力時間が電源セルの連続発電による出力特性の経時変化を基に予め設定された時間以上となった場合であって、出力電圧が設定電圧以下になった場合には当該電源セルを切り離して電力の供給を休止させるとともに、切り離した電源セルの出力能力の回復が検知された場合には電力の供給を再開させるように制御しているので、電源セルの転極を未然に防止し得ると同時に、出力能力が回復している場合には出力を再開させることで各電源セルの転極を未然に防止しつつ合理的な電源装置の運転を実現することができる。

さらに、本発明によれば、電気的に独立させて構成した複数の電源セルの端子間をスイッチング素子である切換素子で選択的に接続することができるようにしたので、負荷に応じた電源セルの組み合わせが容易になり、１）電源装置の電力供給の安定化、２）電源セルの長期信頼性の向上、３）電源装置の長寿命化を同時に実現し得る。特に、休息セルを設けることで長期連続運転が可能となり、この点からも信頼性の向上を図ることができる。すなわち、複数の電源セル間での負荷分散、安定的な電力供給及び電源の長寿命化を図り得る。

本発明の第１の実施の形態にかかる電源装置を示すブロック線図である。 図１に示す電源装置の制御器における制御手順を示すフローチャートである。 図１に示す電源装置の制御器における制御手順を示すフローチャートである。 図１に示す電源装置の制御器における制御手順を示すフローチャートである。 図１に示す電源装置の制御器における制御手順を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態にかかる電源装置を示すブロック線図である。 従来技術に係る燃料電池装置を示すブロック線図である。

以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係る電源装置を示すブロック線図である。同図に示すように、本形態に係る電源装置１は、電源セルとして複数の発電セル２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを備えた燃料電池２と、各発電セル２ａ乃至２ｄの端子間を適宜切換えて接続する切換器３と、各発電セル２ａ乃至２ｄの端子間の電圧を計測する電圧検出器４と、電圧検出器４及び電流検出器９の出力信号等に基づき切換器３の接続経路の変更制御を行う制御器５と、負荷８に供給する電圧を安定化させる電圧調整器６と、電気的な充放電が可能な充放電装置７と、負荷電流を検出する電流検出アンプ１１で構成した電流検出器９とを有している。

さらに詳言すると、各発電セル２ａ乃至２ｄは燃料供給装置（図示せず）からの燃料の供給によってそれぞれ発電するとともに、発電セル２ａ乃至２ｄ毎にそれぞれ電気的に独立させて構成してある。ここで、「電気的に独立させて構成」とは、各発電セル２ａ乃至２ｄが直接的には相互に接続されることなく、必ず切換器３を介して接続されるような状態となっていることをいう。

本形態における各発電セル２ａ乃至２ｄは、燃料としての水素をアノード（−極）へ、酸素（空気）をカソード（＋極）へそれぞれ供給することにより発電する固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）で構成している。また、発電セル２ａ乃至２ｄは、その出力電圧が０．４５［Ｖ］のときに最大出力が１．０８［Ｗ］得られるものを４個用いた。なお、発電セル２ａ乃至２ｄの１個当たりの標準動作電圧を０．６Ｖとし、発電セル２ａ乃至２ｄの電圧はこの電圧を動作下限電圧とする。標準電圧は、発電セル２ａ乃至２ｄの発電特性において、顕著な拡散過電圧が認められない電圧範囲、ＰＥＦＣの場合で、およそ０．３乃至０．８Ｖの間で設定する。

本形態における発電セル２ａ乃至２ｄの１個当たりの標準出力電力は、０．７２［Ｗ］（以下、この出力電力を「Ｐ１」と略称する。）である。したがって、４個の発電セル２ａ乃至２ｄの出力時には、０．７２［Ｗ］×４＝２．８８［Ｗ］（以下、この出力電力を「Ｐ４」と略称する。）の出力が得られ、３個での出力時には、０．７２［Ｗ］×３＝２．１６［Ｗ］（以下、この出力電力を「Ｐ３」と略称する。）、２個での出力時には、０．７２［Ｗ］×２＝１．４４［Ｗ］（以下、この出力電力を「Ｐ２」と略称する。）の出力が得られる。ここで、本形態では、前記標準出力電力に発電セル２ａ乃至２ｄの個数を掛けた出力電力Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が、それぞれ「燃料電池２の発電特性から予め設定した出力電力」ということになる。

なお、発電セル２ａ乃至２ｄは、アノードへ供給する燃料としてメタノールを用いるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）又はその他の方式の燃料電池であっても良い。また、発電セル２ａ乃至２ｄの個数は４個に限るものではなく、必要に応じた個数とすることができる。

また、発電セルの替わりに、マンガン乾電池、アルカリマンガン乾電池、ニッケル乾電池、アルカリボタン電池、酸化銀電池、二酸化マンガンリチウム電池、塩化チオニルリチウム電池、空気亜鉛電池等の一次電池や、鉛蓄電池、ニッケル／水素二次電池、リチウムイオン二次電池やナトリウム硫黄電池等に代表される繰り返し充放電が可能な二次電池や、コンデンサ、キャパシタ及び電気二重層コンデンサ等の電圧の印加によって電荷・静電エネルギーを蓄えて電気容量を得る蓄電器や、太陽電池、熱起電力電池など異種、同種の複数の電源セルを直列乃至並列等、任意に接続して構成することもできる。

切換器３は、複数（本形態の場合、１１個）の切換素子３１ａ乃至３１ｋで構成してある。各切換素子３１ａ乃至３１ｋは、切換器３の＋側の出力端３２と各発電セル２ａ乃至２ｄの＋極間、切換器３の−側の出力端３３と各発電セル２ａ乃至２ｄの−極間及び直列方向で隣接する発電セル（２ａ、２ｂ）、（２ｂ、２ｃ）、（２ｃ、２ｄ）間にそれぞれ接続されている。すなわち、＋側の出力端３２と各発電セル２ａ乃至２ｄの＋極間に発電セル２ａ乃至２ｄと同等数の切換素子３１ａ乃至３１ｄ、−側の出力端３３と各発電セル２ａ乃至２ｄの−極間に発電セル２ａ乃至２ｄと同等数の切換素子３１ｅ乃至３１ｈ、直列方向で隣接する発電セル（２ａ、２ｂ）乃至（２ｃ、２ｄ）間に発電セル２ａ乃至２ｄの個数から１つ少ない数の切換素子３１i乃至３１ｋがそれぞれ接続されている。

この結果、各発電セル２ａ乃至２ｄは切換器３の切換素子３１ａ乃至３１ｋのＯＮ／ＯＦＦ状態により任意に接続することができる。すなわち、相互の直列接続、並列接続又は直列接続された発電セル２ａ乃至２ｄの並列接続等が可能になる。

本形態における切換素子３１ａ乃至３１ｋは、電界効果トランジスタであるＭＯＳ−ＦＥＴで構成した。チャンネルタイプはＯＮ／ＯＦＦ状態が切換えられるように各箇所に適切に配置した。切換素子３１ａ乃至３１ｋは、ＭＯＳ−ＦＥＴの他に、リレー素子や、トランジスタ素子、ＴＴＬ素子、Ｃ−ＭＯＳ素子、ＥＣＬ素子等でも構成することができる。すなわち、スイッチング機能を有する素子であれば特別な制限はない。

なお、切換素子３１ａ乃至３１ｋのＯＮ／ＯＦＦ状態は制御器５の出力信号である制御信号Ｓ０１で制御する。

電圧検出器４は、各発電セル２ａ乃至２ｄの両極間にそれぞれ接続した電圧検出アンプ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを有しており、各発電セル２ａ乃至２ｄからの差動入力電圧を充放電装置７の−端子の電位を基準にしたシングル・エンド信号の電圧信号Ｓ０２ａ、Ｓ０２ｂ、Ｓ０２ｃ、Ｓ０２ｄに変換して制御器５に供給している。

制御器５は、マイクロコンピュータ（マイコン）で構成している。マイコンには、電圧検出器４からの電圧信号Ｓ０２ａ乃至Ｓ０２ｄと電流検出器９からの負荷電流信号Ｓ０３とを取り込んで、内部クロックに基づき切換器３における切換素子３１ａ乃至３１ｋのＯＮ／ＯＦＦ状態の選択を制御するためのプログラムが書き込んである。この結果、本形態における制御器５は、後にその内容を詳細に説明するように、１）転極を未然に防止するとともに、発電能力を回復した発電セル２ａ乃至２ｄには電力の供給を再開させる第１の制御と、２）負荷電力に適合させて発電セル２ａ乃至２ｄの接続状態を変更するとともに、電力の供給を休止させる発電セル２ａ乃至２ｄを適宜選択して合理的な運転に資する第２の制御とを行なうものとなっている。

電圧調整器６は、切換器３を介して燃料電池２により出力された出力電圧を所定電圧に調整するものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータで好適に構成することができるが、一般的には、電圧調整器６に入力された直流電圧を調整し、安定化した直流電圧を出力する装置であれば良い。さらに、負荷８によっては交流電圧を出力する装置である場合もある。安定化した交流電圧を出力する電圧調整器としてはＤＣ／ＡＣコンバータ（インバータ）が知られている。

ＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池２の直流電圧を負荷８の動作に支障がない直流電圧に変換して負荷８に電力を供給することが可能であればよく、負荷８への供給電圧が安定化され、一定であるとより好ましい。ＤＣ／ＤＣコンバータの種類としては、シリーズレギュレータ、スイッチングレギュレータ、チャージポンプ又はスイッチドキャパシタ等が挙げられる。同様に、ＤＣ／ＡＣコンバータも、燃料電池２の直流電圧を負荷８の動作に支障がない交流電圧に変換し負荷８へ電力を供給することが可能であればよい。

本形態では、電圧調整器６として昇降圧型同期整流式スイッチングレギュレータを用いるとともに、その出力電圧は７．４Ｖに設定した。

充放電装置７は、鉛蓄電池、ニッケル／水素二次電池及びリチウムイオン二次電池等に代表される繰り返し充放電が可能な二次電池や、コンデンサ、キャパシタ及び電気二重層コンデンサ等の電圧の印加によって電荷・静電エネルギーを蓄えて電気容量を得る蓄電器で好適に構成することができる。二次電池は、ニッケル／カドミニウム二次電池のようにメモリー効果が発現しない電池が好ましい。また、負荷８の動作電圧、最低動作電圧及び負荷特性等によって適切な二次電池又は蓄電器の種類を選択し、必要に応じて二次電池あるいは蓄電器を直列接続することにより負荷８へ供給する電圧を調整することも可能である。本形態における充放電装置７は、直列接続の２個のリチウムイオン二次電池で構成した。容量は４００ｍＡｈである。

本形態にかかる電流検出器９は、燃料電池２の出力電力を検出するために、電圧調整器６を介して負荷８に供給される負荷電流が流れるシャント抵抗器１０と、シャント抵抗器１０の両端部の電圧を介して前記負荷電流を検出する電流検出アンプ１１とを有している。すなわち、負荷電流を表わす負荷電流信号Ｓ０３が制御器５に入力されることにより、電圧調整器６で設定されている出力電圧値又は電圧調整器６の出力端で検出した出力電圧値と負荷電流信号Ｓ０３が表わす負荷電流値とに基づく制御器５における所定の演算によって負荷８の消費電力を求める。

ここで、負荷８の消費電力（燃料電池２の出力値）の検出は、上述の如き制御器５における演算に限るものではない。一般的には、負荷８における消費電力を検出することができる出力検出器であれば良い。したがって、消費電力（出力電力）を直接検出する電力計も含まれる。また、燃料電池２の出力電力を検出するために、切換器３を介して電圧調整器６に供給される電流経路上に電流検出器９を配設しても良い。

当該電源装置１に接続する負荷８は、電気・電子機器類である。本形態では、任意に負荷８を変化させることができる電子負荷装置を接続している。

図２乃至図５は図１に示す電源装置１の制御器５における制御手順を示すフローチャートである（各図に跨る関連の処理は同一符合「＊Ａ」乃至「＊Ｆ」を対応させて付している）。本形態では、発電セル２ａ乃至２ｄの出力電圧の異常に伴うその発電セル２ａ乃至２ｄの切り離しと、発電能力の回復に伴う再接続とを行うとともに、発電セル２ａ乃至２ｄの出力状態に応じて切換素子３１ａ乃至３１ｋの接続状態を適宜変更して電力を供給させる発電セル２ａ乃至２ｄの数を変化させ、さらに発電経過時間によって発電セル２ａ乃至２ｄにおける電力の供給を適宜休止させるように制御している。具体的には次の通りである。

１） 発電セル２ａ乃至２ｄへ燃料が供給されていない状態では、切換器３の切換素子３１ａ乃至３１ｋはすべてＯＦＦ状態で電気は導通しない状態となっている（ステップＳ１参照）。

２） 燃料電池２へ燃料が供給され、発電セル２ａ乃至２ｄから起電力が得られたことを電圧検出器４が検出し、電圧信号Ｓ０２ａ乃至Ｓ０２ｄが制御器５に入力されると（ステップＳ２参照）、制御器５は発電セル２ａ乃至２ｄの全てを直列接続させるために切換器３の切換素子３１ｉ、３１ｊ、３１ｋと切換素子３１ａ、３１ｈをＯＮ状態にさせる制御信号Ｓ０１を切換器３に送出する（ステップＳ３参照）。

３） 各発電セル２ａ乃至２ｄの電圧信号Ｓ０２ａ乃至Ｓ０２ｄに基づき出力電圧が設定電圧Ｖｔｈ以下であるか否かを判定する（ステップＳ４参照）。ここで、設定電圧Ｖｔｈは発電セル２ａ乃至２ｄの出力電圧の低下に伴う発電セル２ａ乃至２ｄの出力特性の悪化を回避できる電圧値、例えば０．２Ｖ乃至０．４Ｖの範囲で設定するのが好適である。本形態ではＶｔｈ＝０．３Ｖとした。

４） ステップＳ４の処理で何れかの発電セル２ａ乃至２ｄの出力電圧が設定電圧Ｖｔｈ以下である場合には、制御信号Ｓ０１で切換器３を制御して直列接続経路から出力電圧が設定電圧Ｖｔｈ以下の発電セル２ａ乃至２ｄを切り離すとともに、切り離し時間を計測するタイマをセットして再度ステップＳ４の処理に戻る（ステップＳ５参照）。

５） ステップＳ４の処理で、全ての発電セル２ａ乃至２ｄの出力電圧が設定電圧Ｖｔｈを越える場合には、ステップＳ５の処理で、直列接続経路から切り離された発電セル２ａ乃至２ｄの休止時間（切り離し時間）が設定時間Ｔ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ６参照）。

６） ステップＳ６の判定結果で休止時間がＴ１以上となった発電セル２ａ乃至２ｄを、制御信号Ｓ０１で切換器３を制御することにより再度直列接続経路に接続するとともに、前記タイマＴ１をリセットして再度ステップＳ４の処理に戻る（ステップＳ７参照）。

７） ステップＳ６の判定結果で休止時間がＴ１未満（切り離し時間が零の場合を含む）の場合、制御器５が演算した負荷８の消費電力が、Ｐ３以下であるか、否かを判定する（ステップＳ８参照）。

８） ステップＳ８の処理でＰ３以下でなければ、ステップＳ４の処理に戻り、その後同様の処理を繰り返す。

９） ステップＳ８の処理で負荷８の消費電力がＰ３以下であれば、発電セル２ａ乃至２ｄの何れか１個は休止させて良いので、電圧信号Ｓ０２ａ乃至Ｓ０２ｄに基づき発電セル２ａ乃至２ｄのうち出力電圧が最も低い１個の発電セル２ａ乃至２ｄを直列接続経路から切り離す（ステップＳ９参照）。

１０） ステップＳ４乃至Ｓ７と同様の処理を行う（ステップＳ１０乃至Ｓ１３参照）。

１１） ステップＳ１２の判定結果で休止時間がＴ１未満（切り離し時間が零の場合を含む）の場合、制御器５が演算した負荷８の消費電力が、Ｐ３以上であるか、否かを判定する（ステップＳ１４参照）。

１２） ステップＳ１４の処理で負荷８の消費電力がＰ３未満であると判定された場合には、さらに制御器５が演算した負荷８の消費電力が、Ｐ２以下であるか、否かを判定する（ステップＳ１５参照）。

１３） ステップＳ１５の処理でＰ２以下でなければ、各発電セル２ａ乃至２ｄの継続発電時間が設定時間Ｔ２以上であるか、否かを判定し、設定時間Ｔ２以上でなければステップＳ１４の処理に戻す（ステップＳ１６参照）。ここで、設定時間Ｔ２は、発電セル２ａ乃至２ｄの連続発電による出力特性の経時変化を基に設定する。本形態では２０分に設定した。この設定時間Ｔ２は制御器５のタイマに予め設定してある。

１４） ステップＳ１６の処理で設定時間Ｔ２以上であると判定された発電セル２ａ乃至２ｄのうち出力電圧が最も低い１個の発電セル２ａ乃至２ｄを直列接続経路から切り離す。同時に発電を休止させていた発電セル２ａ乃至２ｄを直列接続経路に直列に接続するとともに、前記タイマの計時動作をリセットしてステップＳ１０の処理に戻す（ステップＳ１７参照）。

１５） ステップＳ１５の処理で負荷８の消費電力がＰ２以下であれば、発電セル２ａ乃至２ｄのさらにもう１個は休止させて良いので、電圧信号Ｓ０２ａ乃至Ｓ０２ｄに基づき発電セル２ａ乃至２ｄのうち出力電圧が最も低い１個の発電セル２ａ乃至２ｄを直列接続経路から切り離す（ステップＳ１８参照）。

１６） ステップＳ４乃至Ｓ７と同様の処理を行う（ステップＳ１９乃至Ｓ２２参照）。

１７） 制御器５が演算した負荷８の消費電力が、Ｐ２以上であるか、否かを判定し、Ｐ２以上である場合はステップＳ３の処理に戻す（ステップＳ２３参照）。

１８） ステップＳ２３の処理で負荷８の消費電力がＰ２未満であると判定された場合には、さらに制御器５が演算した負荷８の消費電力が、Ｐ１以下であるか、否かを判定する（ステップＳ２４参照）。

１９） ステップＳ２４の処理でＰ１以下でなければ、各発電セル２ａ乃至２ｄの継続発電時間が設定時間Ｔ２以上であるか、否かを判定し、設定時間Ｔ２以上でなければステップＳ２３の処理に戻す（ステップＳ２５参照）。

２０） ステップＳ２５の処理で設定時間Ｔ２以上であると判定された場合には全ての発電セル２ａ乃至２ｄを直列接続として出力電圧が低い二つの発電セル２ａ乃至２ｄを直列接続経路から切り離すとともに、前記タイマの計時動作をリセットしてステップＳ１９の処理に戻す（ステップＳ２６参照）。

２１） ステップＳ２４の処理で負荷８の消費電力がＰ１以下であれば、発電セル２ａ乃至２ｄのさらにもう１個（計３個）を休止させて良いので、電圧信号Ｓ０２ａ乃至Ｓ０２ｄに基づき発電セル２ａ乃至２ｄのうち出力電圧が最も低い発電セル２ａ乃至２ｄを直列接続経路から切り離す（ステップＳ２７参照）。

２２） ステップＳ４乃至Ｓ７と同様の処理を行う（ステップＳ２８乃至Ｓ３１参照）。

２３） 制御器５が演算した負荷８の消費電力が、Ｐ１以上であるか、否かを判定し、Ｐ１以上である場合はステップＳ３の処理に戻す（ステップＳ３２参照）。

２４） ステップＳ３２の処理で負荷８の消費電力がＰ１未満であると判定された場合には、各発電セル２ａ乃至２ｄの継続発電時間が設定時間Ｔ２以上であるか、否かを判定する（ステップＳ３３参照）。

２５） ステップＳ３３の処理で設定時間Ｔ２以上であると判定された場合には、制御器５は全ての発電セル２ａ乃至２ｄを直列接続として出力電圧が低い３つの発電セル２ａ乃至２ｄを直列接続経路から切り離すとともに、前記タイマの計時動作をリセットしてステップＳ２８の処理に戻す（ステップＳ３４参照）。

２６） ステップＳ３３の処理で設定時間Ｔ２未満であると判定された場合には、負荷８の消費電力がゼロであるか、否かを判定し（ステップＳ３５参照）、ゼロになるまでステップＳ２８の処理に戻してステップＳ２８以降の処理を繰り返すとともに、ゼロになった時点で切換器３をＯＦＦ状態にして電源装置１の動作を終了させる（ステップＳ３６参照）。

＜第２の実施の形態＞
図６は本発明の第２の実施の形態にかかる電源装置を示すブロック線図である。同図に示すように、本形態に係る電源装置２１は、電圧検出器４１の構成を変更したものである。すなわち、本形態における電圧検出器４１は、複数の発電セル２ａ乃至２ｄの出力端をアナログマルチプレクサ４２に入力して電圧を検出する発電セル２ａ乃至２ｄを経時的に変化（スキャニング）させ、アナログマルチプレクサ４２の出力端に電圧検出アンプ４３を接続して構成してある。電圧検出アンプ４３を介して発電セル２ａ乃至２ｄの電圧信号Ｓ０２ａ乃至Ｓ０２ｄを逐次制御器５１に供給する。このときのスキャニングの制御は、制御信号Ｓ０４を介して制御器５１により行う。制御器５１により電圧を検出する発電セル２ａ乃至２ｄのスキャニングは、２００ｍｓ周期で行い、電圧検出の遅延時間を５０ｍｓとした。また、制御器５１には、第１の実施の形態における制御器５のプログラムに加え、上述した電圧検出器４１のスキャニング動作を制御するプログラムを追加している。

他の構成は図１に示す第１の実施の形態に係る電源装置１と同様であるので同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

本形態においても、制御器５１では図２乃至図５に示す手順で切換器３の制御及び発電セル２ａ乃至２ｄの出力制御を行う。

＜他の実施の形態＞
なお、上記第１及び第２の実施の形態では制御器５、５１で、１）転極を未然に防止するとともに、発電能力を回復した発電セル２ａ乃至２ｄには電力の供給を再開させる第１の制御と、２）負荷電力に適合させて発電セル２ａ乃至２ｄの接続状態を変更するとともに、電力の供給を休止させる発電セル２ａ乃至２ｄを適宜選択して合理的な運転に資する第２の制御とを行なうものとしたが、必ずしもこのように構成する必要はない。前記第１の制御のみを行なうようなものとして構成しても構わない。

この場合でも、各発電セル２ａ乃至２ｄの電極間の発電電圧が設定電圧以下になった場合には当該発電セル２ａ乃至２ｄを切り離して電力の供給を休止させるとともに、切り離した発電セル２ａ乃至２ｄの発電能力の回復が検知された場合には電力の供給を再開させるように制御することができるので、発電セル２ａ乃至２ｄの転極を未然に防止し得ると同時に、発電能力が回復している場合には発電を再開させることで各発電セル２ａ乃至２ｄの転極を未然に防止しつつ合理的な電源装置１の運転を実現することができるという効果を奏する。

１，２１ 電源装置
２ 燃料電池
２ａ乃至２ｄ 発電セル
３ 切換器
４，４１ 電圧検出器
５，５１ 制御器
６ 電圧調整器
８ 負荷
９ 電流検出器
３１ａ乃至３１ｋ 切換素子
３２，３３ 出力端
４２ アナログマルチプレクサ
Ｓ０１，Ｓ０４ 制御信号
Ｓ０２ａ乃至Ｓ０２ｄ 電圧信号
Ｓ０３ 負荷電流信号

Claims (9)

1. 複数の電源セルを電気的に独立させて構成した組電源と、
   前記組電源に接続し前記複数の電源セルの端子間を切換素子で選択的に接続することにより各前記電源セルの接続経路を任意に変更し、前記複数の電源セルの端子と同数の入力端子と２極の出力端子を有する切換器と、
   前記複数の電源セルの端子間の電位差をそれぞれ検出する電圧検出器と、
   前記各電源セルの継続出力時間が電源セルの連続発電による出力特性の経時変化を基に予め設定された時間以上となった場合、且つ、前記電圧検出器が検出した前記電位差をそれぞれ表わす電圧信号に基づき前記各電源セルの出力電圧が設定電圧以下になった場合には当該電源セルの電力の供給を休止させるとともに、電力供給を休止した電源セルにおける休止時間が所定時間以上となった場合に前記電力の供給を休止させていた電源セルからの電力の供給を再開させるように制御信号で前記切換器を制御して前記切換素子のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御する制御器と
   を有することを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載する電源装置において、
   前記切換器は、前記切換器の出力端の＋極と各前記電源セルの＋極との間に電源セルと同等数、前記切換器の出力端の−極と各前記電源セルの−極との間に電源セルと同等数、電源セルの直列方向に隣接する電源セル間に電源セルの個数から１つ少ない数の前記切換素子を有することを特徴とする電源装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載する電源装置において、
   前記切換器と負荷との間に接続して前記負荷へ供給する電圧を安定化させる電圧調整器と、前記負荷における消費電力及び／又は前記組電源の出力電力を検出する出力検出器とをさらに有するとともに、
   前記制御器は、さらに前記電圧検出器が検出した前記電位差を表わす電圧信号、前記消費電力及び前記組電源の出力電力に基づき形成する制御信号により前記切換器を制御して前記切換素子のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御することを特徴とする電源装置。
4. 請求項３に記載する電源装置において、
   前記制御器は、前記出力検出器が検出する電力値が、予め前記組電源の出力特性から設定した出力電力以下であることが検出されている場合において、出力電圧が最も低い電源セルからの電力の供給を休止させるように前記切換器を介して各電源セルの接続状態を制御する処理を含むことを特徴とする電源装置。
5. 請求項３に記載する電源装置において、
   前記制御器は、前記出力検出器が検出する電力値が、予め前記組電源の出力特性から設定した出力電力以下であることが検出されている場合において、前記電源セルの継続発電時間が所定時間以上となった場合に出力電圧が最も低い電源セルからの電力の供給を休止させるように前記切換器を介して前記電源セルの接続状態を制御する処理を含むことを特徴とする電源装置。
6. 請求項３に記載する電源装置において、
   前記制御器は、前記出力検出器が検出する電力値が、予め前記組電源の出力特性から設定した出力電力以下であることが検出されている場合において、前記電源セルの継続発電時間が所定時間以上となった場合に出力電圧が低い方から順に複数の電源セルからの電力の供給を休止させるように前記切換器を介して前記電源セルの接続状態を制御する処理を含むことを特徴とする電源装置。
7. 請求項３に記載する電源装置において、
   前記制御器は、前記出力検出器が検出する電力値が、予め前記組電源の出力特性から設定した出力電力以下であることが検出されている場合において、前記電源セルの継続発電時間が所定時間以上となった場合に出力電圧が最も低い電源セルからの電力の供給を休止させるとともに、その時点まで電力の供給を休止させていた電源セルからの電力の供給を再開させるように前記切換器を介して前記電源セルの接続状態を制御する処理を含むことを特徴とする電源装置。
8. 請求項３乃至請求項７の何れか一つに記載する電源装置において、
   前記出力検出器は、前記電圧調整器の出力電圧及び前記負荷に供給される負荷電流に基づき前記消費電力を検出するものであることを特徴とする電源装置。
9. 請求項１乃至請求項８の何れか一つに記載する電源装置において、
   前記電圧検出器は、前記各電源セルの出力端をマルチプレクサに接続するとともに、電圧が検出される電源セルを前記制御器の制御信号によりスキャニングして順次切り換え、前記マルチプレクサの出力端に１台の電圧検出器を接続して前記各電源セルの電圧信号を逐次制御器に供給するように構成したことを特徴とする電源装置。

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