JP5113605B2 - 携帯型電源システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を備える携帯型電源システムに関する。

燃料電池は、水素と酸素を電気化学的に反応させて発電を行う一種の発電装置である。この燃料電池は、発電効率が高い、発電に伴う窒素酸化物（ＮＯ_x）や硫黄酸化物（ＳＯ_x）等の有害物質の発生が少ない、地球温暖化の原因とされる二酸化炭素（ＣＯ₂）の排出量が少ない、騒音や振動が小さい、といった利点を有しており、環境に優しい高効率な発電装置として、近年、社会的な注目が集まっている。

代表的な燃料電池の種類には、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）がある。

リン酸形燃料電池は、燃料電池の中でも最も早く商品化されたものであって、その動作温度は約２００℃である。例えば、都市ガスを主燃料とした５０〜２００ｋＷ級のシステムが、コージェネレーション（熱電併用）システムとして、学校やホテル、オフィスビル、病院、工場等に導入されている。

固体高分子形燃料電池は、実用化初期段階にあり、その動作温度は約８０℃と他の種類の燃料電池に比べて低いことから、起動時間を短くできる。また、起動、停止を繰り返す動作も、比較的容易に行うことができる。このような点から、住宅用のコージェネレーションシステムとしての用途や、自動車用、携帯電話やノートパソコン等の携帯機器用、商用電源のバックアップ用、道路工事や防災電源としての携帯電源用など、様々な用途での研究開発が進められており、一部は既に商用化されている。

固体酸化物形燃料電池は、動作温度が８００〜１０００℃と高いが、燃料電池の中でも特に高い発電効率が期待できることから、住宅やオフィスビル等への用途から発電所規模の用途に至るまで、幅広い容量での適用を目指した研究開発が行われている。溶融炭酸塩形燃料電池は、６００〜７００℃の高温で動作するものであり、発電所規模の用途を中心に研究開発が行われている。

このような燃料電池は、基本的に水素を燃料としており、一般的に、改質器を用いて炭化水素（メタンやエタン、プロパン、ブタン、メタノール、灯油等）から水素を製造し、これを燃料電池システムの発電部であるセルに供給して発電を行う場合が多い。改質器を用いて水素を製造する反応には、炭化水素と水蒸気を高温で反応させて水素を生成させる「水蒸気改質」が広く利用されている。改質器には、燃料電池に接続した負荷が要求する電力と、その電力を発電するために燃料電池で必要となる水素ガスとが、バランス（均衡）するように炭化水素と水蒸気が供給される。

燃料電池に接続された負荷の消費電力が増加または減少した場合、改質器に供給する炭化水素の量を加減させて、改質器における水素の製造量を加減させる必要がある。しかしながら、改質反応は、水素発生量を瞬時に加減できるほど速くはない（非特許文献１参照）。このため、負荷電力が急変した場合に、改質器における水素の製造量の加減制御を、その負荷電力の変化に追随させることは困難である。例えば、負荷電力が急増した場合は、セルで必要となる水素ガス量が不足するため、燃料電池が必要な電力を供給できなくなる。逆に、負荷電力が急減した場合は、改質器で製造した水素ガスが余ってしまい、改質器への炭化水素の供給量とのバランスが崩れる。

上記のような燃料電池を用いた電源システムにおいて、改質器が負荷変動に追随できなくなったり、製造した水素ガスが余ったりする状態で無理に運転を行うと、システムに搭載されている保護機能が働き、燃料電池による給電動作が停止する場合がある。したがって、電源システムにおいては、大きな負荷変動をそのまま燃料電池に負担させないような運転を行うことが重要である。

ところで、燃料電池を自立型電源として用いる場合、燃料電池を起動させるための電源が必要であり、また、燃料を電源システム内に備えている必要がある。最近では、蓄電池を起動用の電源として使用し、純水素やブタンガスなどの燃料を搭載する携帯型電源システムが開発されている。この携帯型電源システムでは、燃料電池セルや蓄電池、電力変換装置、制御装置、燃料ボンベ、燃料ガス供給配管、吸気・排気用ファン、冷却水・給水用配管等が筐体内に収納される。
平成１９年度電気関係学会吸収支部連合大会、講演予稿集、ｐｐ．３０７，０５−２Ａ−１０

しかしながら、上述の携帯型電源システムには、以下のような問題がある。

燃料ボンベとして水素ボンベを筐体内に収納した携帯型電源システムにおいては、純水素が水素ボンベから燃料電池へ直接供給されるため、改質器は必要ない。このように、改質器が必要ないため、起動時間が短く、起動時の電源となる蓄電池の容量を小さくできる。加えて、大きな負荷変動に対する燃料電池の追随性も比較的良好である。しかしながら、水素１分子は水素原子が２個しかなく、また、水素は圧縮しても常温では液化しにくいことから、水素ボンベから燃料電池へ供給される純水素の単位体積当たりのエネルギー密度は小さい。また、携帯性を考慮すると、大容量の水素ボンベをシステムに搭載することは好ましくない。このようなことから、燃料電池の発電能力および給電可能な時間に制限がある、という問題がある。例えば、商品化実績のある定格出力１ｋＷの電源システムを提供する場合で、１５０気圧に圧縮した容積１０ｌ（リットル）の水素ボンベ２本を搭載した場合は、１ｋＷの出力で、約３時間程度の運転しか行うことができない。

一方、炭化水素（プロパンガスやブタンガス、灯油等）を燃料として用いる場合、１分子当たりの水素原子は、例えば、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）で８個、ブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）で１０個であり、また圧縮により常温でも液化しやすいことから、単位体積当たりのエネルギー密度は大きい。灯油についても、液体燃料であることからエネルギー密度は大きい。したがって、このような炭化水素の燃料から改質反応により水素を生成して燃料電池に供給する携帯型電源システムにおいては、燃料電池へ供給される水素の単位体積当たりのエネルギー密度が大きいので、上記のような燃料電池の発電能力や給電可能時間の制限は緩和される。しかしながら、改質反応を利用するため、負荷変動への追随性があまりよくない、という問題がある。加えて、改質反応が吸熱反応であることから、改質器を数百度以上の温度に保つ必要があり、燃料電池の起動に時間がかかる、という問題がある。

なお、非特許文献１には、急激な負荷変動に燃料電池が追随できない問題の対策として、改質反応を伴わない蓄電池（電気二重層キャパシタ）と燃料電池とを併用する構成が開示されている。この構成によれば、蓄電池と燃料電池が並列に接続された並列回路により負荷への給電が行われ、負荷電力と燃料電池の出力との差分を蓄電池の充放電により相殺する。

しかし、非特許文献１に記載の構成では、蓄電池の残存容量によっては、負荷電力と燃料電池の出力との差分を相殺するための蓄電池の充放電動作を適正に実行できなくなる場合がある。

例えば、燃料電池の出力電力値が負荷電力値より小さい場合で、その差分を蓄電池の放電により相殺する場合において、蓄電池の残存容量が少ない場合（例えば、満充電容量に対する残存容量の比率が１０％である場合）は、蓄電池の放電開始後、短時間で残存容量が０％に達してしまい、放電による電力供給ができなくなってしまう。この場合は、燃料電池からの電力だけで給電を行うことになり、上述の負荷変動への追随性の問題を生じる。

また、燃料電池の出力電力値が負荷電力値より大きい場合は、その差分電力に応じた電流により蓄電池への充電が行われる。この場合、蓄電池が満充電状態になっていると、蓄電池への充電は行われず、電力が無駄に消費されることになる。

また、最近では、改質反応を用いることなく、メタノールを液体のまま燃料電池の燃料として用いるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）も研究されている。しかし、このＤＭＦＣにおいては、水素を用いる燃料電池と比べて、電気化学的な反応性が低いことから、出力密度が、水素を用いる燃料電池よりも小さい、という問題がある。

本発明の目的は、上記問題を解決し、負荷が大きく急変した場合でも円滑な運転が可能な携帯型電源システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、並列に接続された燃料電池および蓄電池と、これら燃料電池および蓄電池の動作を制御する制御装置とを有する携帯型電源システムにおいて、上記制御装置が、当該携帯型電源システムの起動後、上記燃料電池が給電可能な状態になるまでの間は、負荷への給電を上記蓄電池からの放電電力により行わせ、上記燃料電池が給電可能な状態となると、上記燃料電池の出力を増加させるとともに、該増加によって上記燃料電池の出力が上記負荷により消費される負荷電力に達する際の上記蓄電池の残存容量を予め演算により求め、上記残存容量が規定値より大きい場合は、増加させる上記燃料電池の出力の上限値を上記負荷電力よりも小さい値に設定し、上記残存容量が上記規定値より小さい場合は、増加させる上記燃料電池の出力の上限値を上記負荷電力よりも大きい値に設定し、上記燃料電池の出力が上記上限値に達すると、上記蓄電池の残存容量が上記規定値に達するまで、上記上限値で上記燃料電池の出力を維持する、ことを特徴とする。

本発明によれば、システム起動後、燃料電池が給電可能な状態になるまでの間は、蓄電池による負荷への給電が行われる。これにより、システム起動後、負荷への給電を直ぐに開始することができる。

また、改質反応を伴わない蓄電池と燃料電池とを並列に接続したことで、負荷電力と燃料電池の出力との差分が蓄電池の充放電により相殺される。これにより、負荷電力が急激に大きく変動した場合における燃料電池の追随性の問題を解決することができる。

さらに、蓄電池の残存容量が規定値となるように制御されるので、負荷電力と燃料電池の出力との差分を相殺する際の蓄電池の充放電動作を適正に実行することができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態である携帯型電源システムの構成を示すブロック図である。

図１を参照すると、携帯型電源システム１は筐体１６を備え、固体高分子形の燃料電池２、改質器３、プロパンガスボンベ４、水タンク５、蓄電装置７、電力変換装置１０、および制御装置１１が筐体１６内に格納されている。携帯型電源システム１の定格容量は、設計に応じて適宜に設定することが可能であるが、ここでは、１ｋＷと仮定する。なお、実際には、水循環用のポンプや、吸気、排気用のブロワ、安全装置等も筐体１６内に格納されるが、説明を簡略化するために、ここではその説明は省略する。

蓄電装置７は、ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）型の蓄電池８と充放電器９からなる。充放電器９は、蓄電池８への充電および蓄電池８からの放電を行わせるものであって、充放電電流を検出する機能を備えている。蓄電装置７の出力は、電力変換装置１０に供給されている。

改質器３は、ガスバルブ６を備えたガス配管を通じてプロパンガスボンベ４に接続され、配水管を通じて水タンク５に接続されている。改質器３においては、プロパンガスボンベ４から供給されたプロパンガスと水タンク５から供給された水を加熱することで得られる水蒸気との改質反応により、水素が生成される。この生成された水素は、改質器３から燃料電池２に供給される。

燃料電池２内への吸気を行うための吸気口１７および燃料電池２内からの排気を行うための排気口１８が、筐体１６に設けられている。燃料電池２では、改質器３から供給された水素が吸気口１７から取り込まれた空気中の酸素と反応する。この反応により、発電が行われる。燃料電池２で発電する電力は直流である。燃料電池２の出力は、電力変換装置１０に供給されている。

電力変換装置１０は、燃料電池２および蓄電装置７の各出力を、負荷に適合した直流または交流の電圧値や電力値に変換する。電力変換装置１０により負荷への給電を行う。ここでは、交流負荷である負荷１２、１３が電力変換装置１０に接続されており、電力変換装置１０は、直流を交流に変換するインバータよりなる。

燃料電池２は、蓄電池８に接続されており、燃料電池２の発電電力で蓄電池８を充電できる。蓄電池８の放電電力は、電力変換装置１０を介して負荷１２、１３に供給される。充放電器９により蓄電池８の充放電電流を計測し、その電流値の時間積分に基づいて、蓄電池８の残存容量を計算することができる。

制御装置１１は、信号・制御線１５を通じて、燃料電池２、改質器３、蓄電装置７、電力変換装置１０およびガスバルブ６のそれぞれと接続されている。制御装置１１は、燃料電池２、改質器３、蓄電装置７、電力変換装置１０およびガスバルブ６の各動作を制御し、それぞれの動作状態を監視する。

具体的には、制御装置１１は、ガスバルブ６の開閉量を制御することにより、プロパンガスボンベ４から改質器３へのプロパンガスの供給量を調整する。このプロパンガスの供給量調整により、改質反応による水素の生成量を制御することができ、改質器３から燃料電池２への水素の供給量を調整することができる。燃料電池２の出力電力の大きさと改質器３からの水素供給量とは比例関係にあるので、制御装置１１が水素供給量を制御することにより、燃料電池２の出力電力の大きさを制御することができる。

また、制御装置１１は、改質器３から燃料電池２への水素供給量や、燃料電池２の温度などに基づいて、燃料電池２が給電可能な状態になったか否かを判定する。温度センサが燃料電池２に取り付けられており、制御装置１１は、その温度センサの出力に基づいて燃料電池２の温度を測定する。また、圧力センサが改質器３の水素供給路に設けられており、制御装置１１は、その圧力センサの出力に基づいて水素供給量を計算する。

また、制御装置１１は、燃料電池２が起動してから給電可能な状態になるまでの間は、負荷１２、１３への給電を蓄電池８からの放電により行わせ、燃料電池２が給電可能な状態となった時点で、燃料電池２の出力を増加させるとともに、その燃料電池２の出力が負荷電力（平均値）に達する時点における蓄電池８の残存容量を予め演算により算出する。そして、制御装置１１は、残存容量の演算値（予測値）と規定値との大小関係に基づいて、増加させる燃料電池２の出力の上限値を設定する。具体的には、予測値が規定値よりも大きくなる場合は、制御装置１１は、上限値を負荷電力よりも小さい値に設定する。予測値が規定値以下の場合は、制御装置１１は、上限値を負荷電力よりも大きい値に設定する。

燃料電池２の出力が上限値に達した後は、制御装置１１は、蓄電池８の残存容量が規定値になるまで、燃料電池２の出力をその上限値で維持させる。この状態において、負荷電力値と燃料電池２の出力との差分が蓄電池８の充放電により相殺される。具体的には、燃料電池２の出力（上限値）が負荷電力より大きい場合は、その差分電力により蓄電池８への充電が行われる。反対に、燃料電池２の出力（上限値）が負荷電力より小さい場合は、その差分電力が蓄電池８からの放電により補われる。なお、燃料電池２の出力線には、電圧計および電流計が設けられており、制御装置１１は、それら電圧計および電流計を通じて燃料電池２の電圧・電流を測定し、その測定結果に基づいて燃料電池２の出力値を計算できる。

蓄電池８の残存容量が規定値に達した時点で、制御装置１１は、燃料電池２の出力値が負荷電力と同じ値となるように制御する。この後、制御装置１１は、単位時間当たりの負荷変動を監視し、その負荷変動値に応じて、燃料電池２および蓄電装置７の動作を制御する。負荷変動値は、例えば、電力変換装置１０の出力電圧を測定し、その測定結果に基づいて計算することができる。

具体的には、負荷変動値が閾値以下の場合は、制御装置１１は、燃料電池２からの出力のみで負荷１２、１３への給電を行わせる。この制御では、例えば、蓄電池８から電力変換装置１０への出力線に設けられたスイッチ回路をオフ状態とすることで、燃料電池２のみによる給電動作を行うことができる。

また、負荷変動値が閾値を超えた場合は、制御装置１１は、燃料電池２および蓄電池８を並列に接続した状態で負荷１２、１３への給電を行わせる。この制御では、上記のスイッチ回路をオン状態とすることで、燃料電池２および蓄電池８を併用した給電動作を行うことができる。この給電動作によれば、燃料電池２の出力と負荷電力の差分が、蓄電池８の充放電により相殺される。

なお、負荷変動値の閾値は、燃料電池からの出力のみで追随できる範囲を規定するための値であり、適宜に設定することができる。

また、予測値が規定値と同じ場合は、制御装置１１は、増加させる燃料電池２の出力の上限値を負荷電力値に設定してもよい。この場合は、上述した上限値での一定出力の制御は行われない。

次に、本実施形態の携帯型電源システムの動作について説明する。

図２は、図１に示した携帯型電源システム１の制御方法を説明するためのフローチャートである。この例では、蓄電池８の残存容量の規定値を６０％（満充電容量に対する残存容量の比率）としている。規定値を６０％に定めた理由は、単位時間当たりの負荷変動が大きくなった場合への備えとして、蓄電池８の充放電が可能な容量の幅を広くしておくためである。

図２を参照すると、ステップＳ１０１で、携帯型電源システム１は停止状態にある。ステップＳ１０２で、制御装置１１は、携帯型電源システム１の運転スイッチがオンされたことを検知すると、蓄電池８へ制御信号を送信する。蓄電池８は、制御装置１１からの制御信号に従って、携帯型電源システム１内の電力変換装置１０や制御装置１１等の装置類や、ポンプ、ブロワ等の補器類へ起動電力を供給する（ステップＳ１０３）。

次に、制御装置１１は、蓄電池８による負荷への給電が可能であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。このステップＳ１０４では、制御装置１１は、蓄電池８からの電力により各装置類が正常に稼動しているか否かを調べる。装置類のいずれか１つでも正常に起動されていない場合は、ステップＳ１０３の処理に戻る。

ステップＳ１０４で、全ての装置類が正常に起動されたことが確認されると、制御装置１１は、蓄電池８に対して負荷への給電動作を行わせる（ステップＳ１０５）。そして、制御装置１１は、燃料電池２が給電可能な状態になったか否かを判定する（ステップＳ１０６）。

燃料電池２が給電可能な状態になっていない場合は、ステップＳ１０５の処理に戻る。燃料電池２が給電可能な状態になった場合は、制御装置１１は、燃料電池２の出力を増加させ（ステップＳ１０７）、燃料電池２の出力が負荷電力（平均値）に達する時点における蓄電池８の残存容量を予測して、その予測値と規定値（６０％）との大小関係を調べる（ステップＳ１０８）。ここでは、燃料電池２の出力を直線的に増加させるものとするが、残存容量を予測できるのであれば、燃料電池２の出力はどのように増加してもよい。

ステップＳ１０８において、予測値が６０％よりも大きくなる場合は、制御装置１１は、上限値を負荷電力よりも小さい値に設定する（ステップＳ１０９）。予測値が６０％以下の場合は、制御装置１１は、上限値を負荷電力よりも大きい値に設定する（ステップＳ１１０）。

燃料電池２の出力がステップＳ１０９またはステップＳ１１０で設定した上限値に達した後は、制御装置１１は、燃料電池２の出力をその上限値で維持させる（ステップＳ１１１）。

次に、制御装置１１は、蓄電池８の残存容量が６０％に達したか否かを判定する（ステップＳ１１２）。蓄電池８の残存容量が６０％に達していない場合は、ステップＳ１１１の処理に戻る。蓄電池８の残存容量が６０％に達した場合は、制御装置１１は、燃料電池２の出力値が負荷電力と同じ値となるように制御するとともに、単位時間当たりの負荷変動を監視し、その負荷変動が燃料電池２からの出力のみで追随できる範囲である否かを判定する（ステップＳ１１３）。具体的には、負荷変動が閾値以下の場合は、燃料電池２からの出力のみで追随できると判定され、それ以外は、燃料電池２からの出力のみでは追随できないと判定される。

ステップＳ１１３で、燃料電池２からの出力のみで追随できると判定した場合は、制御装置１１は、燃料電池２のみよる負荷への給電動作を行わせる（ステップＳ１１４）。その後、制御装置１１は、負荷への給電を停止するための入力がなされた否かを確認する（ステップＳ１１５）。負荷への給電停止の入力がなされていない場合は、ステップＳ１１３の処理に戻る。負荷への給電停止の入力がなされた場合は、後述のステップＳ１２０の処理に移行する。

ステップＳ１１３で、燃料電池２からの出力のみでは追随できないと判定した場合は、制御装置１１は、燃料電池２および蓄電池８を並列に接続した状態で負荷への給電を行わせる（ステップＳ１１６）。そして、制御装置１１は、負荷の平均電力を監視し、その平均電力が増加または減少したか否かを判定する（ステップＳ１１７）。

ステップＳ１１７で、負荷の平均電力が増加または減少していないと判定した場合は、ステップＳ１１３の処理に戻る。ステップＳ１１７で、負荷の平均電力が増加または減少したと判定した場合は、制御装置１１は、変動する負荷の平均電力に応じて燃料電池２の出力を増加または減少させる（ステップＳ１１８）。その後、制御装置１１は、負荷への給電を停止するための入力がなされた否かを確認する（ステップＳ１１９）。

ステップＳ１１９で、負荷への給電停止の入力がなされていない場合は、ステップＳ１１３の処理に戻る。負荷への給電停止の入力がなされた場合は、以下のステップＳ１２０の処理に移行する。

ステップＳ１２０では、制御装置１１は、蓄電池８を充電するか否かを判定する（ステップＳ１２０）。この判定では、蓄電池８の残存容量が所定の容量に達しているか否かを調べる。蓄電池８の残存容量が所定の容量に達している場合は、充電不要と判定される。蓄電池８の残存容量が所定の容量に達していない場合は、充電を行う必要があると判定される。

充電を行う必要がある場合は、制御装置１１は、充放電器９を制御して充電池８への充電を行わせる（ステップＳ１２１）。そして、制御装置１１は、蓄電池８の残存容量が所定の容量に達しているか否かを調べる（ステップＳ１２２）。蓄電池８の残存容量が所定の容量に達していない場合は、ステップＳ１２１の処理に戻る。

ステップＳ１２０にて充電不要と判定された場合、または、ステップＳ１２２にて蓄電池８の残存容量が所定の容量に達していると判定された場合において、制御装置１１は、システムの運転スイッチがオフされたことを検知すると（ステップＳ１２３）、蓄電池８へ制御信号を送信する。蓄電池８は、制御装置１１からの制御信号に従って、携帯型電源システム１内の装置類への電力供給を停止する（ステップＳ１２４）。

なお、ステップＳ１０８、Ｓ１１０の処理において、予測値が規定値と同じ場合は、制御装置１１は、増加させる燃料電池２の出力の上限値を負荷電力値に設定してもよい。この場合は、ステップＳ１１１、Ｓ１１２の処理は行わずに、ステップＳ１１３の処理が行われる。

上述した制御方法によれば、システム起動後、燃料電池２が給電可能な状態になるまでの間は、蓄電池８による負荷への給電が行われる。よって、システム起動後、負荷への給電を直ぐに開始することができる。

また、ステップＳ１１３にて、負荷変動が燃料電池２からの出力のみでは追随できないと判定された場合は、ステップＳ１１６にて、改質反応を伴わない蓄電池８と燃料電池２とを併用して負荷への給電が行われ、負荷電力と燃料電池の出力との差分が蓄電池の充放電により相殺される。これにより、負荷電力が急激に大きく変動した場合における燃料電池２の追随性の問題を解決することができる。

加えて、ステップＳ１０８〜Ｓ１１３の処理により、蓄電池８の残存容量は規定値（６０％）に達する。このように蓄電池８の残存容量を規定値（６０％）とすることで、負荷電力と燃料電池の出力との差分を相殺するための蓄電池の充放電動作を適正に実行することができる。例えば、燃料電池の出力電力値が負荷電力値より小さい場合で、その差分を蓄電池の放電により相殺する場合において、蓄電池の残存容量が規定値（６０％）とされることで、蓄電池の放電による負荷への給電を十分に行うことができる。また、燃料電池の出力電力値が負荷電力値より大きい場合は、その差分電力に応じた電流により蓄電池への充電が行われる。この場合、蓄電池８の残存容量を規定値（６０％）とすることで、蓄電池８への充電が可能となり、その結果、電力を効率良く利用することができる。

このように本実施形態の携帯型電源システムによれば、負荷への給電を円滑に行うことが可能となっている。

次に、携帯型電源システム１の制御方法について、燃料電池２の出力が負荷電力の平均値に達した時点における蓄電池８の残存容量（予測値）が規定値（６０％）より大きな場合（第１の制御方法）と、蓄電池８の残存容量（予測値）が規定値（６０％）より小さな場合（第２の制御方法）を例に挙げて具体的に説明する。

（１）第１の制御方法：
図３は、第１の制御方法を説明するための図であって、（ａ）は負荷電力の変化を示すタイムチャート、（ｂ）は燃料電池からの供給電力の変化を示すタイムチャート、（ｃ）は蓄電池からの供給電力の変化を示すタイムチャートである。

時刻Ｔ１で、停止状態にある携帯型電源システム１を起動する。これにより、携帯型電源システム１内では、電力変換装置１０や制御装置１１等の装置類や、ポンプ、ブロワ等の補器類に蓄電装置７から電力が供給される。また、プロパンガスボンベ４から改質器３の外部燃焼器（不図示）にプロパンガスが送られ、外部燃焼器にてプロパンガスを燃焼することにより、改質器３を改質反応が可能な６００〜７００℃まで温める。改質器３が、改質反応が可能な温度まで達すると、改質器３の内部にプロパンガスを供給し、プロパンガスと水タンク５からの水を反応させて水素を生成する。生成した水素は、改質器３から燃料電池２に供給され、燃料電池２は発電を開始する。

時刻Ｔ２で、携帯型電源システム１が蓄電池８の放電による負荷への給電が可能な状態となり、蓄電池８からの放電電力による負荷への給電を開始する。この時の負荷電力は、０．７ｋＷである。

時刻Ｔ３で、携帯型電源システム１が燃料電池２による給電が可能な状態となり、蓄電装置７と燃料電池２とを並列に接続した状態とする。そして、燃料電池２の出力を直線的に増加させるとともに、蓄電池８の放電電力を、それに対応して減少させる。この時、燃料電池の出力が０．７ｋＷに達した時の蓄電池８の残存容量を、蓄電池の初期容量および放電電流から演算により求める。ここでは、蓄電池８の残存容量は７０％であると仮定する。この値は、規定値として定めた６０％よりも大きい。そこで、制御装置１１は、直線的に増加させる燃料電池の出力の上限値を、負荷電力よりも０．０５ｋＷ小さい０．６５ｋＷとする。

時刻Ｔ４で、燃料電池２の出力が０．６５ｋＷに達すると、燃料電池２では、０．６５ｋＷの一定出力での発電を続ける。これと同時に、蓄電池８は、０．０５ｋＷの一定出力の放電を開始する。

時刻Ｔ５で、蓄電池８の残存容量が６０％となると、燃料電池２の出力を負荷電力と同じ０．７ｋＷに増加させる。ここで、燃料電池２は、０．０５ｋＷの瞬間的な出力変化は問題なく行うことができる。燃料電池２の出力が０．７ｋＷに達すると、０．７ｋＷでの一定出力運転を行うとともに、蓄電池８の放電を停止する。

時刻Ｔ６で、負荷が燃料電池２では追随できない大きさでの変動を開始したことを検知し、この変動分を蓄電池８の充放電で吸収する。この時、燃料電池２の出力は０．７ｋＷのままで変化させない。

時刻Ｔ７で、変動している負荷電力の平均値が低下していることを検知し、燃料電池２の出力を徐々に低下させる。

時刻Ｔ８で、負荷変動が、燃料電池２が追随できる範囲まで小さくなり、負荷電力の大きさが０．６ｋＷであることを検知する。

時刻Ｔ９で、燃料電池２の出力が負荷電力と同じ０．６ｋＷとなるが、蓄電池８の残存容量が６０％を超えているため、燃料電池２の出力を更に減少させていく。

時刻Ｔ１０で、蓄電池８の残存容量が６０％となる。また、この時の燃料電池２の出力は０．５５ｋＷであり、燃料電池２の出力を瞬時に０．６ｋＷに増加できることから、燃料電池２の出力を負荷電力と同じ０．６ｋＷとして一定出力の運転を行う。

時刻Ｔ１１で、負荷１２、１３の使用が終了となり、携帯型電源システムを停止させる。

なお、携帯型電源システム１は、蓄電池充電用コンセント１９を備えており、携帯型電源システム１を使用していない間、商用電源等の外部電源から蓄電池８を満充電（残存容量１００％）まで充電できる。

（２）第２の制御方法：
図４は、第２の制御方法を説明するための図であって、（ａ）は負荷電力の変化を示すタイムチャート、（ｂ）は燃料電池からの供給電力の変化を示すタイムチャート、（ｃ）は蓄電池からの供給電力の変化を示すタイムチャートである。なお、蓄電池８の残存容量の規定値は６０％であるが、蓄電池８の定格容量は、第１の制御方法の場合に比べて小さい。

時刻Ｔ１で、停止状態にある携帯型電源システム１を起動する。起動後の携帯型電源システム１の動作は、第１の制御例で示した内容と同じである。

時刻Ｔ２で、携帯型電源システム１が蓄電池８の放電による負荷への給電が可能な状態となり、蓄電池８からの放電電力で負荷への給電を開始する。この時、単位時間当たりの負荷変動は、燃料電池２が追随できない大きさであり、負荷電力の平均値は０．７ｋＷである。

時刻Ｔ３で、携帯型電源システム１が燃料電池２による給電が可能な状態となり、蓄電装置７と燃料電池２とを並列に接続した状態とする。そして、燃料電池２の出力を直線的に増加させるとともに、蓄電池８の放電電力を、それに対応して減少させる。この時、燃料電池２の出力が０．７ｋＷに達した時の蓄電池８の残存容量を、蓄電池８の初期容量および放電電流から演算により求める。ここでは、蓄電池８の残存容量は４５％であると仮定する。この値は、規定値として定めた６０％よりも小さい。そこで、制御装置１１は、直線的に増加させる燃料電池の出力の上限値を、負荷電力よりも０．０５ｋＷ大きい０．７５ｋＷとする。

時刻Ｔ４で、燃料電池２の出力が０．７５ｋＷに達すると、燃料電池２は、０．７５ｋＷの一定出力での発電を開始する。これと同時に、蓄電池８では、燃料電池２の出力と負荷電力との差分の電力での充電が開始される。

時刻Ｔ５で、蓄電池８の残存容量が６０％に達する。ここで、負荷電力の平均値は０．８ｋＷに増加していることから、燃料電池２の出力を０．８ｋＷまで増加させる。

時刻Ｔ６で、燃料電池２の出力が０．８ｋＷに達し、その後は０．８ｋＷの一定出力で運転する。これにより、蓄電池８の残存容量は、その後、ほぼ一定値で推移する。

時刻Ｔ７で、負荷電力が、０．７ｋＷのほぼ一定値となり、燃料電池２の出力を０．７ｋＷまで徐々に減少させる。この時、燃料電池２からの出力の一部により蓄電池８が充電される。

時刻Ｔ８で、燃料電池２の出力が負荷電力と同じとなり、蓄電池８は、その残存容量が６０％となった状態で、充電が停止される。

時刻Ｔ９で、負荷１２、１３の使用が終了となり、負荷への給電を停止する。また、燃料電池２からの出力により、蓄電池８を充電する。

時刻Ｔ１０で、蓄電池８が満充電状態となり、携帯型電源システム１を停止させる。

以上、第１および第２の制御方法について述べた。いずれの場合も、負荷電力の大きさや負荷電力の変動状態、蓄電池８の残存容量に応じて、燃料電池２の出力および蓄電池８の充放電電力を制御するため、円滑に負荷へ給電を行うことができる。

なお、第１および第２の制御方法は、基本的には、図２に示したフローに従うが、一部の動作を変更している。具体的には、図２のステップＳ１１９の「Ｎ」の場合にステップＳ１１２に移行するように変更し、これにより、図３の時刻Ｔ９〜Ｔ１１の動作および図４の時刻Ｔ７〜Ｔ１０の動作を行う。

また、上述した実施形態において、燃料電池２の定格容量を１ｋＷとしているが、１ｋＷ以外の容量でも当然構わない。また、燃料電池２として、固体高分子形以外のリン酸形、固体酸化物形、溶融炭酸塩形等、いずれの種類の燃料電池を適用してもよい。蓄電池８も同様に、ニッケル水素蓄電池以外にも、ニッケルカドミウム蓄電池、鉛蓄電池、リチウムイオン蓄電池、ナトリウムイオウ蓄電池等、いずれの種類の蓄電池を適用してもよい。また、蓄電池８の代わりに、電気二重層という界面現象を利用する既存の電気二重層キャパシタ等を用いても構わない。電気二重層キャパシタは、２つの電極と電解液から構成される。いずれの構成においても、円滑な負荷への給電動作を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態である携帯型電源システムの構成を示すブロック図である。 図１に示す携帯型電源システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。 図１に示す携帯型電源システムの第１の制御方法を説明するための図であって、（ａ）は負荷電力の変化を示すタイムチャート、（ｂ）は燃料電池からの供給電力の変化を示すタイムチャート、（ｃ）は蓄電池からの供給電力の変化を示すタイムチャートである。 図１に示す携帯型電源システムの第２の制御方法を説明するための図であって、（ａ）は負荷電力の変化を示すタイムチャート、（ｂ）は燃料電池からの供給電力の変化を示すタイムチャート、（ｃ）は蓄電池からの供給電力の変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 携帯型電源システム
２ 燃料電池
３ 改質器
４ プロパンガスボンベ
５ 水タンク
６ ガスバルブ
７ 蓄電装置
８ 蓄電池
９ 充放電器
１０ 電力変換装置
１１ 制御装置
１２、１３ 負荷
１５ 信号・制御線
１６ 筐体
１７ 吸気口
１８ 排気口
１９ 蓄電池充電用コンセント
２０ 電力線

Claims (9)

1. 並列に接続された燃料電池および蓄電池と、これら燃料電池および蓄電池の動作を制御する制御装置とを有する携帯型電源システムであって、
   前記制御装置は、
   当該携帯型電源システムの起動後、前記燃料電池が給電可能な状態になるまでの間は、負荷への給電を前記蓄電池からの放電電力により行わせ、
   前記燃料電池が給電可能な状態となると、前記燃料電池の出力を増加させるとともに、該増加によって前記燃料電池の出力が前記負荷により消費される負荷電力に達する際の前記蓄電池の残存容量を予め前記蓄電池の初期容量および放電電流から演算により求め、
   前記残存容量が規定値より大きい場合は、増加させる前記燃料電池の出力の上限値を前記負荷電力よりも小さい値に設定し、前記残存容量が前記規定値より小さい場合は、増加させる前記燃料電池の出力の上限値を前記負荷電力よりも大きい値に設定し、
   前記燃料電池の出力が前記上限値に達すると、前記蓄電池の残存容量が前記規定値に達するまで、前記上限値で前記燃料電池の出力を維持する、携帯型電源システム。
2. 前記制御装置は、前記蓄電池の残存容量が前記規定値に達すると、前記燃料電池の出力を前記負荷電力に対応する値とし、前記燃料電池により前記負荷への給電を行わせる、請求項１に記載の携帯型電源システム。
3. 前記燃料電池による前記負荷への給電中に、単位時間当たりの負荷変動が閾値を越えると、前記燃料電池および蓄電池を併用して前記負荷への給電を行わせる、請求項１に記載の携帯型電源システム。
4. 前記燃料電池は、リン酸形燃料電池、固体高分子形燃料電池、固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池のいずれかである、請求項１から３のいずれかに記載の携帯型電源システム。
5. 前記蓄電池は、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、鉛蓄電池、リチウムイオン蓄電池およびナトリウムイオウ蓄電池のいずれかである、請求項１から３に記載の携帯型電源システム。
6. 前記蓄電池は、電気二重層キャパシタである、請求項１または２に記載の携帯型電源システム。
7. 並列に接続された燃料電池および蓄電池を備える携帯型電源システムの制御方法であって、
   当該携帯型電源システムの起動後、前記燃料電池が給電可能な状態になるまでの間は、負荷への給電を前記蓄電池からの放電電力により行わせるステップと、
   前記燃料電池が給電可能な状態となると、前記燃料電池の出力を増加させるとともに、該増加によって前記燃料電池の出力が前記負荷により消費される負荷電力に達する際の前記蓄電池の残存容量を予め前記蓄電池の初期容量および放電電流から演算により求めるステップと、
   前記残存容量が規定値より大きい場合は、増加させる前記燃料電池の出力の上限値を前記負荷電力よりも小さい値に設定するステップと、
   前記残存容量が前記規定値より小さい場合は、増加させる前記燃料電池の出力の上限値を前記負荷電力よりも大きい値に設定するステップと、
   前記燃料電池の出力が前記上限値に達すると、前記蓄電池の残存容量が前記規定値に達するまで、前記上限値で前記燃料電池の出力を維持するステップと、を含む、携帯型電源システムの制御方法。
8. 前記蓄電池の残存容量が前記規定値に達すると、前記燃料電池の出力を前記負荷電力に対応する値として、前記燃料電池により前記負荷への給電を行わせるステップをさらに含む、請求項７に記載の携帯型電源システムの制御方法。
9. 前記燃料電池による前記負荷への給電中に、単位時間当たりの負荷変動が閾値を越えると、前記燃料電池および蓄電池を併用して前記負荷への給電を行わせるステップをさらに含む、請求項７または８に記載の携帯型電源システムの制御方法。

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