JPH11339833A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 負荷が大きい場合には２次電池の接続するセ
ル数を増やして最適な運転状態にし、効率良く２次電池
を充電するとともに、コスト高を抑えつつ、システムと
しての効率を高めること。 【解決手段】 燃料電池１と２次電池２とから成るハイ
ブリッド型の燃料電池発電装置において、出力端子が前
記燃料電池１に並列に接続され前記２次電池２の各セル
２ａ〜２ｖの前記燃料電池１との接続関係を接続および
遮断する遮断装置３と、電流負荷が大きい時には前記２
次電池２の接続関係にあるセル数を多くするとともに、
電流負荷が小さい時には前記２次電池２の接続関係にあ
るセル数を少なくして前記２次電池２が充電されるよう
に前記遮断装置３を制御する制御手段４とを備えている
燃料電池発電装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池と２次電
池とから成るハイブリッド型の燃料電池発電装置におい
て、電流負荷が大きい時には前記２次電池の接続関係に
あるセル数を多くするとともに、電流負荷が小さい時に
は前記２次電池の接続関係にあるセル数を少なくして前
記２次電池が充電されるように前記２次電池の各セルの
燃料電池との接続関係を接続および遮断する前記遮断装
置を制御する燃料電池発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池と蓄電池等の２次電池のように
放電特性が違う２種類の電池を併用するハイブリッドシ
ステムと呼ばれている燃料電池発電装置は、静粛で無公
害で高効率なエネルギー源である。しかしガス供給の遅
延により燃料電池は、急激な電気エネルギーの消費増に
は対処できない。その為に２次電池を併用することによ
り、電気エネルギーが過度に必要な時はその２次電池よ
り電気エネルギーを供給し、その逆の場合においては、
燃料電池の過剰なエネルギーを充電エネルギーとして２
次電池に蓄える。

【０００３】従来、このようなシステムには図９に示さ
れるように燃料電池Ｆと２次電池Ｓとの間にＤＣコンバ
ータＤＣを接続させたもの（特開平７−１５３４７４）
や、電流負荷が高すぎる時燃料電池又２次電池の電力供
給ラインを遮断する装置を有するものがあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記従来の前者
のＤＣコンバータを接続する場合、単純にＤＣコンバー
タを接続した時には、燃料電池の端子電圧の低下を防げ
ないとともに、又ＤＣコンバータに特殊な制御手段を付
加し、燃料電池の端子電圧を一定範囲内に納めれるよう
にした場合においても、ＤＣコンバータによる効率低下
分だけ燃料電池の出力が減ることになり、コスト高にな
るという問題があった。

【０００５】後者の遮断装置を用いる場合、燃料電池を
電力供給ラインから切り離してしまうと、効率よく燃料
電池を利用することができないとともに、又２次電池側
に複数個の遮断装置を開放し、２次電池側の電圧を低く
し、充電電流を流れやすくした場合でも、ある特定の２
次電池しか充電されず、２次電池のセルによって充電量
がアンバランスになってしまうという問題があった。

【０００６】そこで本発明者は、燃料電池と２次電池と
から成るハイブリッド型の燃料電池発電装置において、
電流負荷が大きい時には前記２次電池の接続関係にある
セル数を多くするとともに、電流負荷が小さい時には前
記２次電池の接続関係にあるセル数を少なくして前記２
次電池が充電されるように前記２次電池の各セルの前記
燃料電池との接続関係を接続および遮断する遮断装置を
制御するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究
開発を重ねた結果、負荷が大きい場合には２次電池の接
続するセル数を増やして最適な運転状態にし、効率良く
２次電池を充電するとともに、コスト高を抑えつつ、シ
ステムとしての効率を高めるという目的を達成する本発
明に到達した。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明（請求項１に記載
の第１発明）の燃料電池発電装置は、燃料電池と２次電
池とから成るハイブリッド型の燃料電池発電装置におい
て、前記２次電池のセルの燃料電池との接続関係を接続
および遮断する遮断装置と、電流負荷が大きい時には前
記２次電池の接続関係にあるセル数を多くするととも
に、電流負荷が小さい時には前記２次電池の接続関係に
あるセル数を少なくして前記２次電池が充電されるよう
に前記遮断装置を制御する制御手段とを備えているもの
である。

【０００８】本発明（請求項２に記載の第２発明）の燃
料電池発電装置は、前記第１発明において、前記遮断装
置の出力端子が、前記燃料電池に並列に接続されている
ものである。

【０００９】本発明（請求項３に記載の第３発明）の燃
料電池発電装置は、前記第２発明において、前記燃料電
池の電圧および２次電池の各電圧を検出する検出手段を
備えていることを特徴とする燃料電池発電装置。もので
ある。

【００１０】本発明（請求項４に記載の第４発明）の燃
料電池発電装置は、前記第３発明において、前記制御手
段が、検出された前記燃料電池の電圧および２次電池の
各電圧から電流負荷の大きさを判定するように構成され
ているものである。

【００１１】本発明（請求項５に記載の第５発明）の燃
料電池発電装置は、前記第４発明において、前記２次電
池の直列に接続された各セルの両端にそれぞれスイッチ
要素が接続され、前記制御手段が、電流負荷の大きさに
応じて前記スイッチ要素の接続関係を制御するように構
成されているものである。

【００１２】本発明（請求項６に記載の第６発明）の燃
料電池発電装置は、前記第４発明において、前記２次電
池の直列に接続された複数のセル群が互いに並列に接続
され、各セル群の一端にスイッチ要素が配設され、前記
制御手段が、電流負荷に対応して各セル群の一端に配設
した前記スイッチ要素の接続関係を制御することによ
り、前記２次電池の接続関係にあるセル数を制御するよ
うに構成されているものである。

【００１３】

【発明の作用および効果】上記構成より成る第１発明の
燃料電池発電装置は、前記制御手段が、電流負荷が大き
い時には前記２次電池の接続関係にあるセル数を多くす
るとともに、電流負荷が小さい時には前記２次電池の接
続関係にあるセル数を少なくして前記２次電池が充電さ
れるように、前記２次電池のセルの燃料電池との接続関
係を接続および遮断する前記遮断装置を制御するので、
電流負荷に対応した電気的入出力の供給を可能にして、
コスト高を抑制し、システムとしての効率を高めるとい
う効果を奏する。

【００１４】上記構成より成る第２発明の燃料電池発電
装置は、前記第１発明において、前記遮断装置の出力端
子が、前記燃料電池に並列に接続されているので、電流
負荷に対応した電気的入出力の供給を可能にするという
効果を奏する。

【００１５】上記構成より成る第３発明の燃料電池発電
装置は、前記第２発明において、前記検出手段が、前記
燃料電池の電圧および２次電池の各電圧を検出するの
で、電流負荷に応じた電気的入出力の供給を可能にする
という効果を奏する。

【００１６】上記構成より成る第４発明の燃料電池発電
装置は、前記第３発明において、前記制御手段が、検出
された前記燃料電池の電圧および２次電池の各電圧から
電流負荷の大きさを判定するので、電流負荷に応じたま
たは一定の電流負荷を基準にした電気的入出力の供給を
可能にするという効果を奏する。

【００１７】上記構成より成る第５発明の燃料電池発電
装置は、前記第４発明において、前記制御手段が、電流
負荷の大きさに応じて、前記２次電池の直列に接続され
た各セルの両端にそれぞれ接続された前記スイッチ要素
の接続関係を制御するので、電流負荷に応じた電気的入
出力の供給を実現するという効果を奏する。

【００１８】上記構成より成る第６発明の燃料電池発電
装置は、前記第４発明において、前記制御手段が、電流
負荷に対応して前記２次電池の直列に接続され互いに並
列に接続されたセル群の一端に配設されたスイッチ要素
の接続関係を制御することにより、前記２次電池の接続
関係にあるセル数を制御するので、一定の電流負荷を基
準にした電気的入出力の供給を実現するという効果を奏
する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態につき、
図面を用いて説明する。

【００２０】（第１実施形態）本第１実施形態の燃料電
池発電装置は、図１に示されるように燃料電池１と２次
電池２とから成るハイブリッド型の燃料電池発電装置に
おいて、出力端子が前記燃料電池１に並列に接続され前
記２次電池２の各セル２ａ〜２ｖの前記燃料電池１との
接続関係を接続および遮断する遮断装置３と、電流負荷
が大きい時には前記２次電池２の接続関係にあるセル数
を多くするとともに、電流負荷が小さい時には前記２次
電池２の接続関係にあるセル数を少なくして前記２次電
池２が充電されるように前記遮断装置３を制御する制御
手段４とを備えているものである。

【００２１】本第１実施形態の燃料電池発電装置は、前
記燃料電池１と２次電池２と多数の遮断装置３又は多チ
ャンネル機能を有する遮断装置３とを備え、前記２次電
池２の各セルの端子を前記遮断装置３に接続し、該遮断
装置３の出力端子を前記燃料電池１に並列に接続されて
なる燃料電池発電装置である。

【００２２】本第１実施形態においては、前記燃料電池
の電圧および２次電池の各電圧を検出する検出手段を構
成する電圧センサを備え、前記燃料電池１の電圧および
前記２次電池２の各電圧を各々検出するように構成され
ている。

【００２３】前記制御手段４が、検出された前記燃料電
池１の電圧および２次電池２の各電圧から電流負荷の大
きさを判定するように構成され、前記２次電池２の直列
に接続された各セルの両端にそれぞれ前記遮断装置３の
各スイッチ要素３ａないし３ｗが接続され、前記制御手
段４が、電流負荷の大きさに応じて前記スイッチ要素の
接続関係を制御するように構成されているものである。

【００２４】すなわち前記燃料電池１の電圧および前記
２次電池２の各電圧を各々検出し、電流負荷が大きい時
には前記２次電池２のセル数を多くし、負荷に対応でき
るようにするときともに、電流負荷が小さい時には、前
記２次電池のセル数を少なくし、該２次電池２への充電
電流がより多く流れるような前記多チャンネル遮断装置
３又は複数個の遮断装置３を制御する制御手段４を設け
たことである。

【００２５】前記燃料電池１は、図１に示されるように
アルカリ型または固体高分子型等の燃料電池１によって
構成され、該燃料電池１の出力端子および再充電可能な
２次電池の各セル２ａ〜２ｖの端子に多チャンネル遮断
装置３が接続されている。

【００２６】前記多チャンネル遮断装置３の出力端子
は、電動モータ等により構成される電流負荷５の端子に
直列に接続されている。制御手段４を構成するブロック
は、前記燃料電池１の出力端子および前記２次電池構成
ブロック２に並列に接続されている。

【００２７】また前記制御手段４を構成する制御ブロッ
クは、本第１実施形態に従った前記多チャンネル遮断装
置３をコントロールするとともに、一般に知られている
前記燃料電池１への水素供給および温度の制御等を行う
ものである。

【００２８】上記構成より成る第１実施形態の燃料電池
発電装置は、前記制御手段４がハイブリッドシステムと
しての電流負荷が所定値以上の時は、多チャンネル遮断
装置３の各スイッチ要素の切り換えによって、より多く
の２次電池２のセルを接続するようにし、所定値以下の
時は、同遮断装置３の切り換えによって、より少ない２
次電池２のセルに接続するようにする。

【００２９】この場合前記２次電池２の各セル２ａ〜２
ｖに接続された電圧センサからの情報を基にバランス良
く充電されるように前記多チャンネル遮断装置３によっ
て、任意の２次電池２のセル２ａ〜２ｖに充電電流が流
れるようにする。

【００３０】始動の際は、前記多チャンネル遮断装置３
によって前記２次電池２が最大のセル数となるように負
荷を接続する。この際、前記燃料電池１は、前記負荷５
とは接続されておらず、暖機運転が行われている。燃料
電池１が安定したとき、初めて負荷５と接続される。

【００３１】この後、アイドリング状態のような負荷が
小さい場合には、前記多チャンネル遮断装置３によって
前記負荷５に接続されている前記２次電池２のセル数を
減らすことにより、前記燃料電池１の電圧に比べて前記
２次電池２の電圧が低くなり、始動時等に大量に放電さ
れた前記２次電池に大きな充電電流が流れるようにな
る。

【００３２】この際、前記２次電池２の各セルに接続さ
れた２次電池電圧センサの情報を制御ブロック４に取り
込むことにより、どのセルを充電させるか演算する。

【００３３】図２および図３を用いて、本第１実施形態
における充放電制御動作について詳述する。前記２次電
池２のセルの個数を、図３に示されるように（１）、
（２）、（３）の３段階に切り換える場合について説明
する。

【００３４】図２（ａ）に示されるように時刻０ないし
時刻ｔ₁ においては、車両は停止しているが、ＦＣを発
電するためにＡ₁ ｋｗ必要なため、ＦＣからＡ₁ ｋｗ持
ち出される。必要な電力が小さいので（３）の特性にな
るように２次電池２のセルの個数を制御する。

【００３５】ＦＣと（３）の特性の差分だけ前記２次電
池２に充電される。したがって図２（ｃ）に示される斜
線と太実線の差分だけより多く充電される。

【００３６】時刻ｔ₁ ないし時刻ｔ₃ においては、車両
が加速しているため、（１）になるように前記２次電池
２のセルの個数を切り換える。このモードの場合特に前
記２次電池２のセルの個数を制御しない従来のシステム
と変わらない。

【００３７】時刻ｔ₃ ないし時刻ｔ₄ においては、定速
走行状態であり、必要な電力が減少するので、（２）の
ように切り換える図２（ｃ）に示される斜線と点線の差
分だけ従来のシステムよりも多く充電できる。

【００３８】時刻ｔ₄ ないし時刻ｔ₅ においては、減速
モードであり、定速走行モードと同様に図２（ｃ）に示
される斜線と点線の差分だけ多く充電出来る。

【００３９】時刻ｔ₅ ないし時刻ｔ₆ においては、停止
モードであり、アイドリング状態となる為（３）のよう
に切り換える。図２（ｃ）に示される斜線と太実線の差
分だけより多く充電できる。

【００４０】本第１実施形態における制御フローは、図
４に示されるものである。

【００４１】上記作用を奏する本第１実施形態の燃料電
池発電装置は、上述したように効率良く前記２次電池を
充電するとともに、又負荷が大きい場合には接続する前
記２次電池２にとって最適な運転状態となるようにし、
システムとしての効率を上げるという効果を奏する。

【００４２】また本第１実施形態の燃料電池発電装置
は、大きな電流負荷が必要な時においても前記燃料電池
１の出力電圧を一定値以上に保ち、効率の良い作動状態
を接続することが可能であるとともに、小さな電流負荷
の時には先述の方法により、効率よく前記２次電池２の
充電が行える為にシステムとしての効率も上がるという
効果を奏する。

【００４３】（第２実施形態）本第２実施形態の燃料電
池発電装置は、図５に示されるように上述した第１実施
形態における前記制御手段４を２次電池の充電効率に的
を絞って、より低コストで簡便な制御を目指した簡易型
の燃料電池発電装置ハイブリッドシステムに関するもの
である。

【００４４】本第２実施形態の燃料電池発電装置は、図
５に示されるように前記２次電池２の直列に接続された
複数のセル群が互いに並列に接続され、各セル群の一端
に遮断装置３のスイッチ要素が配設され、前記制御手段
４が、電流負荷に対応して各セル群の一端に配設した前
記スイッチ要素の接続関係を制御することにより、前記
２次電池の接続関係にあるセル数を制御するように構成
されているものである。

【００４５】すなわち図５に示されるように前記２次電
池２の出力端子と、前記燃料電池１の出力端子を並列に
接続し、前記２次電池のセルを半分ずつに分割する第２
のスイッチ要素３２とその各々の２次電池ブロック（セ
ル群２ａないし２ｊ、２ｋないし２ｖ）２１、２２を並
列に接続する為の遮断装置の第１および第２のスイッチ
要素３１、３２を備えた制御システムである。

【００４６】負荷が大きい場合には、第１のスイッチ要
素３１を開放し前記第２のスイッチ要素３２を前記２次
電池ブロック２Ｋ側へ接続することにより、前記２次電
池２全てが直列に接続することにより出力を上げる。逆
に負荷が小さい場合には２次電池の充電の為前記第１の
スイッチ要素３１を接続、前記第２のスイッチ要素３２
を２ｖ側へ接続することにより、前記２次電池２の電圧
が１／２となる。

【００４７】図２、図３、図６および図７を用いて、本
第２実施形態における充放電制御動作について詳述す
る。本第２実施形態においては、前記２次電池２のセル
の個数を、図２（ｅ）および図３に示されるように
（１）または（３）の２段階に切り換える場合について
説明する。

【００４８】図２（ａ）に示されるように時刻０ないし
時刻ｔ₁ においては、車両の停止モードであり、アイド
リング状態状態となるため充電モードと判断し、前記２
次電池２の半分のセルだけ接続し、そのため（３）のよ
うな特性となるので、図２（ｃ）に示される斜線と太実
線の差分だけより多く充電される。

【００４９】時刻ｔ₁ ないし時刻ｔ₃ においては、車両
の加速モードであり、電力が最大限必要となるので、
（１）の特性になるように前記２次電池２の全てのセル
を接続し、従来のシステムと充電効率は変わらない。

【００５０】時刻ｔ₃ ないし時刻ｔ₄ においては、定速
走行状態であり、２段階しか切り替わらないので、この
モードの場合も前記２次電池２の全てのセルを接続し、
従来のシステムと充電効率は変わらない。

【００５１】時刻ｔ₄ ないし時刻ｔ₅ においては、減速
モードであり、２段階しか切り替わらないので、このモ
ードの場合も前記２次電池２の全てのセルを接続し、従
来のシステムと充電効率は変わらない。

【００５２】時刻ｔ₅ ないし時刻ｔ₆ においては、停止
モードであり、アイドリング状態となる為（３）のよう
に切り換える。図２（ｃ）に示される斜線と太実線の差
分だけより多く充電できる。

【００５３】本第２実施形態における制御フローは、図
８に示されるものである。

【００５４】上記作用を奏する第２実施形態の燃料電池
発電装置は、前記制御手段４が、電流負荷に対応して前
記２次電池２の直列に接続され互いに並列に接続された
セル群の一端に配設されたスイッチ要素の接続関係を制
御することにより、前記２次電池の接続関係にあるセル
数を制御するので、一定の電流負荷を基準にした電気的
入出力の供給を実現するとともに、大きな充電電流が前
記２次電池２に流れるようになり、効率良く充電できる
という効果を奏する。

【００５５】また第２実施形態の燃料電池発電装置は、
前記制御手段４を２次電池の充電効率に的を絞って、よ
り低コストで簡便な制御を実現するという効果を奏す
る。

【００５６】上述の実施形態は、説明のために例示した
もので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無
く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記
載から当業者が認識することができる本発明の技術的思
想に反しない限り、変更および付加が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池発電装置を示
すブロック図である。

【図２】本第１実施形態および第２実施形態の燃料電池
発電装置における各部の波形を示すタイムチャート図で
ある。

【図３】本第１実施形態における電流−電圧特性を示す
線図である。

【図４】本第１実施形態における制御フローを示すチャ
ート図である。

【図５】本発明の第２実施形態の燃料電池発電装置を示
すブロック図である。

【図６】本第２実施形態における電流−電圧特性を示す
線図である。

【図７】本第２実施形態における負荷変動時の制御を示
す線図である。

【図８】本第２実施形態における制御フローを示すチャ
ート図である。

【図９】従来の燃料電池発電装置を示すブロック図であ
る。

【符号の説明】

１ 燃料電池 ２ ２次電池 ２ａ〜２ｖ セル ３ 遮断装置 ４ 制御手段

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池と２次電池とから成るハイブリ
   ッド型の燃料電池発電装置において、 前記２次電池のセルの燃料電池との接続関係を接続およ
   び遮断する遮断装置と、 電流負荷が大きい時には前記２次電池の接続関係にある
   セル数を多くするようにするとともに、電流負荷が小さ
   い時には前記２次電池の接続関係にあるセル数を少なく
   して前記２次電池が充電されるように前記遮断装置を制
   御する制御手段とを備えていることを特徴とする燃料電
   池発電装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記遮断装置の出力端子が、前記燃料電池に並列に接続
   されていることを特徴とする燃料電池発電装置。
3. 【請求項３】 請求項２において、 前記燃料電池の電圧および２次電池の各電圧を検出する
   検出手段を備えていることを特徴とする燃料電池発電装
   置。
4. 【請求項４】 請求項３において、 前記制御手段が、検出された前記燃料電池の電圧および
   ２次電池の各電圧から電流負荷の大きさを判定するよう
   に構成されていることを特徴とする燃料電池発電装置。
5. 【請求項５】 請求項４において、 前記２次電池の直列に接続された各セルの両端にそれぞ
   れスイッチ要素が接続され、 前記制御手段が、電流負荷の大きさに応じて前記スイッ
   チ要素の接続関係を制御するように構成されていること
   を特徴とする燃料電池発電装置。
6. 【請求項６】 請求項４において、 前記２次電池の直列に接続された複数のセル群が互いに
   並列に接続され、 各セル群の一端にスイッチ要素が配設され、 前記制御手段が、電流負荷に対応して各セル群の一端に
   配設した前記スイッチ要素の接続関係を制御することに
   より、前記２次電池の接続関係にあるセル数を制御する
   ように構成されていることを特徴とする燃料電池発電装
   置。