JP5114265B2 - 燃料電池システムおよびバックアップ電源システムとその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、商用交流電源の異常時に停電を起こすことなく負荷へ電力を供給できる燃料電池システムおよびバックアップ電源システムとその制御方法に関する。

固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）は、水素を主成分とする燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて起電力を得る装置であり、家庭用のコージェネシステム、車載用の電源システムなどへの適用が検討されている。さらに、特許文献１に開示されたように、交通信号管理システムへの適用が期待されている。

ＰＥＦＣは、単セルでは０．７から１．０Ｖ程度の起電力しか得られないため、一般には、単セルを複数枚積層したセルスタックの構造で用いられる。セルスタックの内部では発電の際に水素ガスと酸素ガスの反応により水を生じ、水滴の発生がガスの通流を阻害し発電性能を衰えさせる可能性があるため、発電時にはセルスタック内部から水を排出する必要がある。この排出方法として、一般には燃料ガスをセルスタックに通流させる流速の勢いで生成水を排出する方法が用いられている。この場合、ガスの流速を確保するため、水素ガス、酸素ガスともにポンプやブロア等の補機を使用することになり、ＰＥＦＣ発電システムには補機の駆動を行う制御装置を備えることになる。

ここで、停電など系統電力の異常時に用いるバックアップ電源にＰＥＦＣ発電システムを適用することを考える。ＰＥＦＣ発電システムは、その非発電時においては待機電力を消費し、その発電開始時には補機の起動電力を必要とする。例えば、自立型の発電システムにおいては、システム内部に起動用のバッテリを用いる方法がある。しかし、例えば通信基地局などバッテリを内包する無停電電源装置（ＵＰＳ：Uninterruptible Power Supply）とともに、ＰＥＦＣ発電システムを併設する場合は、停電時に、ＵＰＳ装置から、ＰＥＦＣ発電システムの待機電力および起動電力を供給することもできる。

特開２００６−２７８１７４号公報

しかし、ＰＥＦＣ発電システムへの待機電力の供給に伴い、ＵＰＳ装置内のバッテリの放電量が増加し、ＵＰＳ装置が負荷をバックアップできるバックアップ時間が短くなるという課題がある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、ＵＰＳ装置とＰＥＦＣシステムを併用するバックアップ電源において、ＵＰＳ装置によるバックアップ時間を延長することを目的とする。

本発明はその一面において、商用電源から給電される電力負荷と、この電力負荷へのバックアップ電源を形成するようにバッテリを含んで構成された無停電電源装置と、この無停電電源装置に併設されて前記電力負荷に発電電力を供給するように接続された燃料電池システムを備え、前記燃料電池システムは、燃料電池スタックと、この燃料電池スタックへの燃料の供給を助勢する補機と、前記無停電電源装置と前記燃料電池システムの電力出力部から電力を受け取り、前記補機への駆動電力の供給およびその制御を担う制御装置とを備え、前記燃料電池の燃料残量を監視し、この燃料残量が所定量未満になったとき、前記制御装置での消費電力を抑制することを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様においては、前記制御装置での消費電力の抑制は、前記制御装置をスリープモードに移行させることを特徴とする。

ここで、スリープモードとは、完全停止状態か、または、一般に節電モードやスタンバイモード等と呼ばれ「微弱電力で動作する制御回路部のみが、外部指令や信号に対する判断・処理能力を保った状態であり、パワー回路部は、動作していない状態」を含むものとする。

また、本発明の望ましい実施態様においては、前記電力抑制手段は、前記補機への電力供給を停止する手段を備えたことを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様によれば、ＵＰＳ装置と燃料電池システムを併用するバックアップ電源におけるバックアップ時間を延長することができる。

本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。

（実施の形態１）
本発明に係わるバックアップ電源システムの実施の形態１について、図１および図２を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１によるバックアップ電源システムの全体を示す概略構成図である。通常、商用電源２０から整流装置２１を通して、電力負荷２３に給電されているが、この電力負荷２３は、バックアップ電源を必要とする重要な設備である。そこで、電力負荷２３に対するバックアップ電源を形成するように、バッテリを含んで構成された無停電電源（ＵＰＳ）装置２２と、この無停電電源装置２２に併設されて前記電力負荷２３に発電電力を供給するように燃料電池システムが接続される。この燃料電池システムは、大きくシステム本体１４および水素貯蔵装置１５で構成される。

整流装置２１は、商用交流電源２０が正常の場合に、商用交流電源２０の電力を変圧および整流し、所定のＤＣ電圧を負荷２３へ供給する。また、商用交流電源２０が異常の場合は、整流装置２１からは電力を供給できないため、ＵＰＳ装置２２から負荷２３に電力を供給することで無停電電源システムを構成する。

一般に、ＵＰＳ装置２２が負荷２３に供給する電力は、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などの二次電池に予め充電した電力を放電する方式が用いられる。燃料電池システムは、システム本体１４に設けられたシステム出力端子３を整流装置２１のＤＣ出力またはＵＰＳ装置２２に対し並列に接続し、システム本体１４の内部で発電した電力を負荷２３へ供給できるよう構成されている。

システム本体１４には、燃料電池スタック１、補機２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、システム出力端子３、制御装置４が納められている。燃料電池スタック１は、補機２を用いた燃料供給操作により起電力を得ることができる。燃料電池スタック１に発生した電力は、燃料電池スタック１に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１２において、電圧指令値Ｖｏ^＊に従い電圧を制御されたＤＣ電力に変換された後、システム出力端子３へ供給される。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力とシステム出力端子３の間には整流器１３ａを接続しており、システム出力端子３からＤＣ／ＤＣコンバータ１２へは電力の流入が無い構成となっている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧には、ＤＣ２４ＶまたはＤＣ４８Ｖ相当の電圧などが用いられる。

補機２は、図示を省略するが、燃料電池スタック１へ水素ガス、酸素ガス、冷媒などを注入または循環するポンプ・ブロア・ファン類、ガスまたは冷媒の通流する配管を開閉する電磁弁などを含んでいる。ここで、水素ガスは、システム本体１４の外部から供給される水素供給配管７から、一方、酸素ガスは、システム本体１４内部の空気から得ることができる。また、冷媒には、水冷のための水や不凍液のほか、強制空冷のための冷却風を用いてもよい。

水素貯蔵装置１５は、システム本体１４の外部に備えられ、水素ボンベ６、電磁弁９、充填監視装置８、減圧弁１０が収められ、これらは水素供給配管７上に接続されている。水素ボンベ６は、例えば１０メガパスカル程度に圧縮した水素ガスボンベを用いる。電磁弁９は、水素ボンベ６および水素供給配管７の開閉操作を行う。充填監視装置８は、水素ボンベ６内部の水素ガスの充填量を監視する装置であり、例えば、圧力を監視する、または、ガス流量を監視し時間積算を行いボンベ交換時の値との差分を求めるなどの方法で、水素ボンベ６内部の充填量を推定する。減圧弁１０は、水素ボンベ６の充填圧力に対して、補機２および燃料電池スタック１の許容圧力が例えば１〜３気圧など著しく低い場合に、ガス圧力を減圧する役割がある。減圧弁１０にて減圧された水素ガスは、水素供給配管７を通じてシステム本体１４内部の補機２に接続される。

詳細な回路構成は省略するが、水素貯蔵装置１５内部の電磁弁９、充填監視装置８などの機器は、水素貯蔵装置１５に設けられた電力端子１１に電気的に接続されており、電力端子１１に外部から電力を供給することで駆動することが出来る。また、電磁弁９には、例えば水素ボンベ６の交換作業中に電源異常が発生した場合などにガスが漏洩しないように、電力端子１１に入力された電力が喪失した場合に弁を閉じるノーマルクローズ型を用いることが望ましい。

制御装置４は、システム出力端子３の電圧を用いて駆動される。また、制御装置４は、水素ボンベ６の充填残量Ｒｇ、外部スリープ指令Ｓｅ、燃料電池スタック１の状態ＭＦなどを監視する一方、補機２への電源供給や、補器情報ＩＡの送受信、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の電圧指令値Ｖｏ^＊の出力等を行う。また、制御装置４には、外部通信コネクタＩＦが接続されており、外部の機器と通信を行うことができる。

図２は、図１における制御装置４の詳細制御機能ブロック図である。

制御装置４は補助電源４Ａを備えており、補助電源４Ａはシステム出力端子３より得た電力を、５Ｖおよび１２Ｖ、２４Ｖといった燃料電池システムの内部で用いられる制御電圧および補機２や水素貯蔵装置１５等を制御操作するための電圧を供給する。補助電源４Ａは、ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどのパワー半導体のスイッチング動作により出力電圧を制御する回路となっており、ダイオード等による整流回路、コンデンサ、リアクトルなどの平滑回路、高周波トランス等の変圧回路を含んでも良い。ここで、補助電源４Ａの出力電力は、補機２、水素貯蔵装置１５の電力端子１１（図１）、および制御装置４内部の演算部４Ｂなどの微弱な電子制御回路の電源として用いられる。ここで、電力端子１１（図１）への電力供給線上には、システム本体１４の外部への配線となるため、誤結線などに備え逆流防止用のダイオード４Ｌを設けても良い。

演算部４Ｂには、次のような制御回路が備えられている。すなわち、まず、不揮発性メモリ４Ｄ、燃料電池スタック１および補機２に関する制御処理を行う補機制御部４Ｆ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の制御を行うＤＣ／ＤＣ制御部４Ｅがある。次に、水素ボンベ６の充填残量Ｒｇを監視するガス欠判定部４Ｇ、外部との通信を行う通信部４Ｈ、条件に応じて燃料電池スタック１の停止操作を行う停止制御部４Ｋが備えられている。ここで、補機制御部４Ｆは、燃料電池スタック１の内部セルの電圧や温度、補機２に含まれるセンサ類の情報を読み出し、補機２に含まれる駆動機器への電力供給のＯＮ／ＯＦＦ制御や、ポンプの回転数などアナログ通信を介して機器の動作量を制御する。また、ＤＣ／ＤＣ制御部４Ｅは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力する制御電圧を所望の値に変更することができる。ガス欠判定部４Ｇは、充填残量Ｒｇが所定の判定閾値Ｒ１に対する大小関係を判定し、ＲｇがＲ１よりも小である場合には停止制御部４Ｋへ停止指令Ｓ^＊を送信する。停止制御部４Ｋは、停止指令Ｓ＊および外部停止指令Ｓｅのいずれかが停止を指示している場合に燃料電池スタック１の発電操作を停止するよう補機制御部４Ｆに指示を与える。同時に、演算部４Ｂの情報を不揮発性メモリ４Ｄに保存した後、燃料電池システムをスリープモードに移行させるスリープ指令Ｓｄを送信する。

スリープモードとは、完全な停止状態のほか、一般に、節電モードあるいはスタンバイモードなどと呼ばれ、制御論理部のみが外部からの指令や信号に対する判断能力を保った状態で、パワー出力はしない状態、すなわち殆ど電力を消費しない待機状態を含む。この実施例においては、補助電源４Ａの出力をゼロもしくは最小値とし、したがって、補機２および制御装置４の電源が落とされ、完全な停止状態とするものとする。

スリープ指令Ｓｄは、リセット手段４Ｃを介し、補助電源４Ａへ送信される。補助電源４Ａは、スリープ指令Ｓｄがスリープ実行を指示している場合は、補助電源４Ａの入力電力がゼロまたは最小値になるような状態へ遷移する。このために、ＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体のスイッチング動作を止める、制御出力電圧をゼロに低下させる、あるいは出力電流に制限をかける等の方法を用いても良い。もちろん、前述したように、微弱な電力しか消費しない電子制御回路部のみを活かして置くこともできる。

補助電源４Ａがスリープ状態にある場合、リセット手段４Ｃは、システム出力端子３の電圧Ｖｏを監視している。そして、電圧Ｖｏが所定の電圧閾値Ｖ１に対して大であり、かつ外部スリープ信号Ｓｅがスリープ実行を指示していない場合に、補助電源４Ａへ送信しているスリープ指令Ｓｄをリセットし、補助電源４Ａをスリープ状態から非スリープ状態へ遷移させる。したがって、ガス欠でなければ、補機２が起動されて、ＰＥＦＣスタック１が発電を再開するが、ガス欠のままであれば、補機制御部４Ｆが接点４Ｍを解放したままなので、補機２へのパワー供給はしない。

燃料電池スタック１は、燃料ガス、特に水素の供給が発電量に対し不足すると、燃料電池スタック１の寿命に影響を与える恐れがある。このため、燃料電池で発電中に、水素ボンベ６の充填残量Ｒｇが所定値Ｒ１を下回った場合には、燃料電池スタック１の発電継続が不可能と判断し、燃料電池システムの運転を停止する。ここで、所定値Ｒ１としては、水素ボンベ６の最大充填レベルの１％から５％レベルに設定するのが良い。

充填残量Ｒｇの低下に基づき燃料電池スタック１の発電を停止した後も、商用交流電源２０が異常の場合は、負荷２３への電力供給はＵＰＳ装置２２より行うことになる。

このとき、従来のシステム本体１４は、システム出力端子３を通じて制御装置４に電力を受電することになり、ＵＰＳ装置２２は、負荷２３に加え、補助電源４Ａを含む制御装置４の消費電力を供給することになる。このため、ＵＰＳ装置の負荷２３に対するバックアップ可能時間が減る可能性があった。

これに対して、本実施例のように、補助電源４Ａをスリープ状態とすれば、制御装置４の消費電力をゼロあるいは最小限まで絞り込み、ＵＰＳ装置のバックアップ可能時間を長期化することができる。

このとき、補助電源４Ａがスリープ状態となった場合は、スリープ遷移前の演算部４Ｂの各種パラメータの設定状態が失われる恐れがある。そこで、停止制御部４Ｋの指示に基づき、不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）４Ｄへ演算部４Ｂのパラメータを保存することにより、スリープ移行の前後でパラメータの設定状態を維持することができる。

なお、リセット手段４Ｃにおいて、スリープ状態のリセット条件として、電圧Ｖｏが所定の電圧閾値Ｖ１に対し大きい条件を設けている。これは、商用交流電源２０が停電から復帰したことを判定するために設けている。もし、燃料電池システムの外部で停電および停電復帰を判定している場合には、閾値Ｖ１に対する判定を無視し、外部スリープ信号Ｓｅの操作のみでスリープ状態の管理を行っても良い。

以上の実施例によれば、商用電源が停電し、燃料電池システムとＵＰＳでの電源バックアップ時間を、「ＰＥＦＣ発電によるそのガス欠までのバックアップ時間＋ＵＰＳでのバックアップ時間＝従来よりも長時間」となるよう、できる限り延ばすことができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施形態２によるバックアップ電源システムの全体概略構成図である。

実施の形態１で既に述べた内容については詳細を省略する。図３は、２台のシステム本体１４および１４’に設けられたそれぞれの出力端子３、３’を負荷２３に対し並列接続したシステム構成となっている。また、負荷２３は負荷２３Ａと負荷２３Ｂに分けられており、負荷２３Ｂには開閉器２３Ｃが接続され、システム出力３、整流装置２１、ＵＰＳ装置２２および負荷２３Ａの全てと、負荷２３Ｂとの接続を切り離し可能なように構成している。ここで、例えば通信基地局などの負荷には、基地局本体のほか監視装置、空調などが備わっており、その重要度は監視装置、基地局本体、空調の順のように優先順位をつけることができる。負荷２３Ａと負荷２３Ｂの関係では、より優先度の高い負荷を２３Ａに、優先度の低い負荷を２３Ｂに接続する。また、開閉器２３Ｃは、システム本体１４’上のＳｄ’信号が接続されており、Ｓｄ’信号により開閉が可能となっている。

水素貯蔵手段１５の水素供給配管７、水素ボンベ６の充填残量Ｒｇ信号、および電力端子は、全て並列に２台のシステム本体１４、１４’に接続されている。さらに、２台のシステム本体１４、１４’の通信端子ＩＦ、ＩＦ’を接続し、相互に通信が可能な構成となっている。

このような構成によれば、２台のシステム出力３、３’から負荷２３に電力を供給できるため１台の場合に比べより多い瞬時電力のバックアップが可能となる。ここで、２台のシステム本体１４、１４’において、ガス欠判定部４Ｇで用いる閾値Ｒ１、およびＲ１’をＲ１’＞Ｒ１の関係に設定する。このようにすれば、燃料電池スタック１の発電に伴い水素ボンベ６の充填残量Ｒｇ信号が低下した場合に、まずシステム本体１４’がスリープ動作に入り、システム本体１４は運転を継続する。このとき、システム本体１４’のＳｄ’信号の操作により、開閉器２３Ｃを開放する。２台のうち１台の発電を停止すれば、水素ボンベ６の時間当たりの消費量を低減できるため、バックアップ時間を延長でき、かつ開閉器２３Ｃの開放により重要度の低い負荷を切り離すことで、重要度の高い負荷に対して更なるバックアップ時間の延長が可能となる。

本発明の実施形態１によるバックアップ電源システムの全体を示す概略構成図である。 本発明の実施形態１によるバックアップ電源システムにおける制御装置４の詳細制御機能ブロック図である。 本発明の実施形態２によるバックアップ電源システムの全体概略構成図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック、２…補機、３…システム出力端子、４…制御装置、６…水素ボンベ、８…充填監視装置、Ｒｇ…充填残量、１４…システム本体、１５…水素貯蔵装置、２０…商用交流電源、２１…整流装置、２２…ＵＰＳ装置、２３…電力負荷。

Claims (8)

1. 商用電源から給電される電力負荷と、この電力負荷へのバックアップ電源を形成するようにバッテリを含んで構成された無停電電源装置と、この無停電電源装置に併設されて前記電力負荷に発電電力を供給するように接続するための燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、この燃料電池スタックへの燃料の供給を助勢する補機と、前記無停電電源装置と前記燃料電池システムの電力出力部から電力を受け取り、前記補機への駆動電力の供給およびその制御を担う制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の燃料残量を監視する燃料残量監視手段と、この燃料残量が所定量未満になったとき、前記制御装置をスリープモードに移行させ、前記制御装置での消費電力を抑制する電力抑制手段を有し、
   前記制御装置は不揮発性メモリを備え、前記燃料電池の燃料が所定量未満になったとき、前記電力抑制手段による電力抑制に先立ち、前記制御装置のパラメータを前記不揮発性メモリに記録する手段を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記電力抑制手段は、前記補機への電力供給を停止する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２において、前記無停電電源装置と前記燃料電池システムの前記電力出力部から前記制御装置へ電力を取り込む補助電源装置を備え、前記電力抑制手段は、前記補助電源装置が取り込む電力を所定値以下に抑制する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、商用交流電源に接続され、前記無停電電源装置と前記燃料電池システムの電力出力部にＤＣ電力を供給する整流装置を備え、前記電力抑制手段は、前記商用交流電源が停電状態であり、かつ前記燃料電池の燃料が所定量未満になったとき、前記制御装置での消費電力を抑制するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜３のいずれかにおいて、商用交流電源に接続され、前記無停電電源装置と前記燃料電池システムの電力出力部にＤＣ電力を供給する整流装置を備え、前記電力抑制手段は、前記商用交流電源が停電状態であり、かつ前記燃料電池の燃料が所定量未満になったとき、前記制御装置での消費電力を抑制するとともに、この電力抑制状態で、前記商用交流電源が回復したとき、前記電力抑制を解除するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
6. 商用電源から給電される電力負荷と、この電力負荷へのバックアップ電源を形成するようにバッテリを含んで構成された無停電電源装置と、この無停電電源装置に併設されて前記電力負荷に発電電力を供給するように接続された燃料電池システムとを備え、
   前記燃料電池システムは、燃料電池スタックと、この燃料電池スタックへの燃料の供給を助勢する補機と、前記無停電電源装置と前記燃料電池システムの電力出力部から電力を受け取り、前記補機への駆動電力の供給およびその制御を担う制御装置とを備えたバックアップ電源システムにおいて、
   前記燃料電池の燃料残量を監視する燃料残量監視手段と、この燃料残量が所定量未満になったとき、前記制御装置をスリープモードに移行させ、前記制御装置での消費電力を抑制する電力抑制手段を有し、
   前記制御装置は不揮発性メモリを備え、前記燃料電池の燃料が所定量未満になったとき、前記電力抑制手段による電力抑制に先立ち、前記制御装置のパラメータを前記不揮発性メモリに記録する手段を備えていることを特徴とするバックアップ電源システム。
7. 請求項６において、前記無停電電源装置と前記燃料電池システムの前記電力出力部に並列に接続された複数の電力負荷と、これらの少なくとも１つの電力負荷を前記電力出力部から切り離し可能な開閉器と、前記電力抑制手段の動作に連係して前記開閉器を開放する手段とを備えたことを特徴とするバックアップ電源システム。
8. 商用電源から給電される電力負荷と、この電力負荷へのバックアップ電源を形成するようにバッテリを含んで構成された無停電電源装置と、この無停電電源装置に併設されて前記電力負荷に発電電力を供給するように接続された燃料電池システムとを備え、
   前記燃料電池システムは、燃料電池スタックと、この燃料電池スタックへの燃料の供給を助勢する補機と、前記無停電電源装置と前記燃料電池システムの電力出力部から電力を受け取り、前記補機への駆動電力の供給およびその制御を担う制御装置とを備えたバックアップ電源システムの制御方法において、
   前記燃料電池の燃料残量を監視する燃料残量監視ステップと、この燃料残量が所定量未満になったとき、前記制御装置をスリープモードに移行させ、前記制御装置での消費電力を抑制する電力抑制ステップと、前記燃料電池の燃料が所定量未満になったとき、前記電力抑制ステップに先立ち、前記制御装置のパラメータを不揮発性メモリに記録するステップとを備えたことを特徴とするバックアップ電源システムの制御方法。

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