JP2002315224A - 燃料電池電源システムとその燃料電池電源システムが備えている二次電池の充電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二次電池の充放電電力効率が高く、経済性に
優れた安価な燃料電池電源システムを提供する。 【解決手段】 燃料電池１からの出力を電力変換装置２
を介して負荷３に供給するとともに、燃料電池１の出力
の一部で充電される二次電池４を備えて、負荷３の電力
よりも燃料電池の出力が少ない場合は二次電池４からの
出力を負荷３に供給する燃料電池電源システムにおい
て、燃料電池１と二次電池４とが接続される第１の充電
系統と燃料電池１と二次電池４とが充電制御手段８を介
して接続される第２の充電系統とを備えた燃料電池電源
システムとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池を用いて
負荷に電力を供給する電源システムであり、特に出力平
準化用の二次電池を備えた電源システムに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムは例えば、特開昭５０
−１１６９２５号公報や特開平１１−１５５２４４号公
報に開示されたものや、また図２に示すように、燃料電
池２０の直流電力は逆流防止手段２１を経由して電力変
換装置２２によって交流出力に変換され、負荷２３に必
要な電力を供給する構成になっているものが知られてい
た。そして、二次電池２４を燃料電池２０に接続し、燃
料電池停止時や電力負荷が増大した時に、燃料電池２０
の出力が上昇する迄の間、逆流防止手段２５によって逆
流することなく、放電スイッチ２６を閉じ二次電池２４
より電力を負荷２３に供給したり、余剰電力を生じた時
には充電スイッチ２７を閉じ、二次電池２４に蓄電する
構成とすることより、発電効率を向上させている。

【０００３】上記した図２に示す燃料電池発電システム
（以下従来例１という）では、燃料電池２０の出力と二
次電池２４をスイッチング制御素子等による充電スイッ
チ２７を通じて直結しているので、二次電池２４の充電
電圧が燃料電池２０の出力電圧によって決定され、電力
負荷変動等による燃料電池出力電圧変動がそのまま充電
電圧の変動になる。

【０００４】このため、二次電池の充放電制御が困難に
なり、充電状態（以下ＳＯＣという）を制御しにくく余
剰電力を効率的に蓄電することができない。また、充電
電圧を高くして二次電池２４を完全充電するためには、
燃料電池２０のセル数を増やす必要がありコストが高く
なる。

【０００５】また、二次電池の充電を制御しやすくする
ために、図３に示すように燃料電池３０の出力と二次電
池３１の間にＤＣ−ＤＣコンバータ等で構成され出力の
電圧や電流が制御される充電制御手段３２を設ける燃料
電池発電システム（以下従来例２という）が知られてい
る。

【０００６】この図３に示すような二次電池３１を充電
する充電制御手段３２すなわちＤＣ−ＤＣコンバータで
昇圧チョッパ回路等による充電電圧や充電電流制御が設
けられていると、電力変換時の損失が大きく、二次電池
３１の充放電電力効率が低下するとともに、燃料電池３
０の出力を制御するための大容量の充電制御手段３２が
必要になるのでシステムのコストが高くなるという課題
があった。なお、従来例２の電力変換装置３３，負荷３
４，逆流防止手段３５，放電スイッチ３６はそれぞれ従
来例１における電力変換装置２２，負荷２３，逆流防止
手段２５，放電スイッチ２６と同じ機能を果たすもので
あるから詳細な説明は省略する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記従来例
１と２の問題点を解消して燃料電池の出力に接続される
二次電池の充放電制御を、高効率で精度よく、かつ二次
電池の寿命特性を確保できるように行うとともに、より
安価な燃料電池発電システムを提供することを目的とす
るものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記した課題を解決する
ために本発明の請求項１に係る発明は、燃料電池からの
出力を電力変換装置を介して負荷に供給するとともに、
前記燃料電池の出力の一部で充電される二次電池を備え
ていて、前記負荷の電力よりも燃料電池の出力が少ない
場合は前記二次電池からの出力を前記負荷に供給する燃
料電池電源システムにおいて、前記燃料電池と前記二次
電池とが接続される第１の充電系統と前記燃料電池と前
記二次電池とが充電制御手段を介して接続される第２の
充電系統とを備えた燃料電池電源システムを示すもので
ある。

【０００９】本発明の請求項２に係る発明は、請求項１
の構成を備えた燃料電池電源システムにおいて商用電源
からの電力を前記充電制御手段に供給する構成としたも
のである。

【００１０】本発明の請求項３に係る発明は、請求項１
もしくは請求項２の構成を備えた燃料電池電源システム
において、二次電池のＳＯＣを１００％未満とする設定
ＳＯＣ値以下に制御する第１の充電を行い、所定期間毎
に第２の充電を行うことによりＳＯＣを設定ＳＯＣ値以
上に制御し、少なくとも第２の充電を前記第２の充電系
統により行う燃料電池電源システムが備えている二次電
池の充電方法を示すものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を、図面
に基づいて説明する。

【００１２】図１は本発明の実施の形態における燃料電
池電源システムの構成を示す図である。燃料電池１の直
流出力は電力変換装置２によって交流出力に変換され、
負荷３に必要な電力を供給する構成になっている。

【００１３】また、二次電池４の出力が開閉手段５を介
して電力変換装置２に入力されており、燃料電池１の出
力が負荷３に対して不足する場合には二次電池４からの
出力が電力変換装置２により交流に変換して負荷３に供
給される構成を備えている。

【００１４】二次電池４は、燃料電池１の出力にダイオ
ード等の逆流防止手段６および充電制御用の第１の開閉
手段７を通して接続されて第１の充電系統を構成してい
る。さらに本発明の実施の形態において二次電池４は、
燃料電池１の出力に充電制御手段８と充電制御用の第２
の開閉手段９を介して接続されて第２の充電系統を構成
している。

【００１５】燃料電池１の出力が負荷３に対して余剰が
ある場合にはその余剰電力は第１の充電系統もしくは第
２の充電系統を介して二次電池４に供給され、二次電池
４は充電される。

【００１６】二次電池４は燃料電池１からの余剰電力を
受け入れるためにそのＳＯＣを１００％未満の部分充電
状態、例えばＳＯＣを９０〜６０％に設定する必要があ
る。しかしながら、二次電池４として鉛蓄電池を用いる
場合に、ＳＯＣを１００％未満に保持しつづけると鉛蓄
電池の寿命が低下するために、ある所定間隔をもってＳ
ＯＣを設定されたＳＯＣすなわち設定ＳＯＣ、前記に例
示した９０％に対応するＳＯＣ以上に上昇させて、二次
電池４をほぼ完全充電状態とする、さらにはある所定量
の電気量分だけ過充電を行う、いわゆるリフレッシュ充
電を行う必要がある。また、燃料電池電源システムとい
うシステムの性質上、例えば夜間等の電力消費量がつね
に燃料電池の出力電力よりも大幅に下回る場合には燃料
電池の運転を停止させ、この間の電力供給を二次電池か
ら行うことも可能である。

【００１７】本発明においては二次電池４のＳＯＣを前
記したような部分充電状態である設定ＳＯＣ以下に制御
する場合には、二次電池４の充電を第１の充電系統を介
して充電する。第１の充電系統は燃料電池１の出力電圧
が二次電池４に印加される。

【００１８】二次電池４として制御弁式鉛蓄電池を用い
る場合を例示すれば制御弁式鉛蓄電池が１２セル直列配
列された公称電圧２４Ｖ電池であり、設定ＳＯＣを９０
％とする場合、二次電池の充電電圧を２６Ｖとすればよ
い。したがって、この２６Ｖ出力が得られるように燃料
電池のスタック数，容量を選択することになる。

【００１９】第１の充電系統は図１に示す例では本質的
に燃料電池１と二次電池４とが直接接続されているので
電力損失を最小限にすることができる。第１の充電系統
による充電はＳＯＣを設定ＳＯＣ（１００％未満の値）
以下に保持するために行われるが、例えば負荷３がなん
らかの理由により停止した場合には燃料電池１の出力電
圧が急上昇して二次電池４に過電流が流れる場合がある
ので、このような状態を避けるために抵抗等の降圧手段
を第１の充電系統に含ませることができる。

【００２０】二次電池４のＳＯＣを部分充電状態である
設定ＳＯＣ以下に制御する第１の充電系統による充電が
所定期間続いた場合に、ＳＯＣを設定ＳＯＣ以上に高く
する充電を行う。

【００２１】第２の充電系統は燃料電池１が充電制御用
の第２の開閉手段１０，充電制御手段８を介して二次電
池４に接続される。充電制御手段８としてはその出力が
定電圧・定電流化されたＤＣ−ＤＣコンバータを用いる
ことができる。充電制御手段８により二次電池のＳＯＣ
を設定ＳＯＣよりも高くする必要があることから、充電
制御手段８は燃料電池１の出力を昇圧する動作を行う。

【００２２】このような本発明の構成によればＳＯＣが
設定ＳＯＣ以下に制御される通常運転時においてはＤＣ
−ＤＣコンバータ等の充電制御回路を介さないので、従
来この部分で発生させていた電力損失を制御できるとと
もに、回路構成をより単純なものとすることができるの
でシステム価格をより安価にすることができる。

【００２３】さらに本発明においては商用電源１０から
の入力をＡＣ−ＤＣ変換手段１１で直流に変換し、充電
制御手段８に入力する系統を追加することもできる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の効果を実施例によって説明す
る。

【００２５】１セル当り１０Ｗ出力の個体高分子型の燃
料電池１（以下ＰＥＦＣという）と、１２Ｖ，２０Ａｈ
の制御弁式鉛蓄電池（以下ＶＲＬＡという）２個を直列
にした二次電池４を用い、従来例１のシステムならびに
従来例２のシステムと、図１に示す本発明の実施例のシ
ステムで、規定の負荷パターンでの二次電池の充放電電
力効率を比較した。なお、ＰＥＦＣのセル数は、ＶＲＬ
Ａの充電最大電圧により決定され、従来例１の図２のシ
ステムでは３０Ｖ程度の充電電圧に必要な４０セル、図
３に示した従来例２のシステムと図１に示した本発明の
一実施例のシステムではＶＲＬＡのＳＯＣを９０％程度
まで充電できる２６Ｖ程度の充電電圧に必要な３５セル
とした。

【００２６】従来例２のシステムの充電制御手段３２
は、出力が３０Ｖに定電圧化され効率９０％，最大出力
３００Ｗの昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを用い、図１の
本発明による実施例のシステムの充電制御手段８も、従
来例２に用いたものと比較して最大出力を３００Ｗから
１００Ｗと小型化したものを用いている。

【００２７】このシステムで、従来例２と本発明の実施
例での二次電池の充放電電力効率を比較した。ここで二
次電池の充放電電力効率として所定の負荷パターンにお
ける所定時間内の放電時の出力電力（Ｗｈ）を充電時の
入力電力（Ｗｈ）を除して１００をかけた値とした。

【００２８】実際には本発明の実施例においては図１の
Ｗ２およびＷ１の電力量の総和が入力電力に相当し、Ｗ
３での電力量が出力電力量に相当する。従来例１および
従来例２においては図２および図３のＷ４における電力
量が入力電力量、Ｗ５における電力量が出力電力量に相
当する。

【００２９】この充放電電力効率を同一の充放電パター
ンで本発明の実施例と従来例とで測定した結果、表１に
示すように本発明の実施例での充放電電力効率が９２％
であるのに対して、従来例１では８４％、従来例２では
７６％の充電電力効率であり本発明の実施例では、大幅
な充電電力効率が可能となった。

【００３０】

【表１】

【００３１】従来例１のシステムでは、燃料電池２０の
出力のみで二次電池２４を充電するために、二次電池２
４を完全充電するために必要な最大充電電圧に合わせた
セル数の多い燃料電池が必要になり、また充電電圧を高
く設定するので充電と放電の電圧差が大きく充放電電力
効率が向上しない。

【００３２】従来例２のシステムでは、充電制御手段３
２（ＤＣ−ＤＣコンバータ）で充電電圧を昇圧できるの
で、燃料電池３０のセル数は少なくできるが、常時充電
制御手段３２を通して二次電池３１を充電しており、充
電制御手段３２の変換効率ロスや充放電圧差が大きいこ
とによる充放電電力効率の低下はさけられない。

【００３３】本発明の実施例では、通常の充電での充電
電圧を２６Ｖ程度に抑えているので、燃料電池１のセル
数を少なくでき、また充電電圧と放電電圧の差も小さい
ので、充放電電力効率の低下も少ない。

【００３４】二次電池１の容量を維持するため等で、一
定期間毎にＳＯＣを１００％近くまで上昇させる時に
は、充電制御手段８を用いるが、充電時間が短いので充
放電電力効率への影響は小さく、またＳＯＣを１００％
近くに上昇させるだけなので大きな充電電流も必要がな
く充電制御手段８を小型化，低価格化できる。

【００３５】なお、充電制御手段８は商用電源１０から
の入力電力で二次電池４を充電可能とすることもでき
る。この場合には変動の大きい燃料電池の出力に頼るこ
となく安定的に充電でき、また電気料金の安い夜間電力
を用いて充電し、負荷の大きい昼間に二次電池４より放
電させる等により、燃料電池発電システムの経済性も大
幅に向上させることが可能である。

【００３６】

【発明の効果】本発明の構成によれば、二次電池を充電
する燃料電池のセル数を少なくでき、また二次電池の充
放電電力効率も高い安価で経済性に優れた燃料電池発電
システムを提供できることから、工業上極めて有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における実施例の燃料電
池電源システムのブロック図

【図２】従来例１による燃料電池電源システムのブロッ
ク図

【図３】従来例２による燃料電池発電システムのブロッ
ク図

【符号の説明】

１，２０，３０ 燃料電池 ２，２２，３３ 電力変換装置 ３，２３，３４ 負荷 ４，２４，３１ 二次電池 ５ 開閉手段 ６，２１，２５，３５ 逆流防止手段 ７ 充電制御用の第１の開閉手段 ８，３２ 充電制御手段 ９ 充電制御用の第２の開閉手段 １０ 商用電源 １１ ＡＣ−ＤＣ変換手段 ２６，３６ 放電スイッチ ２７ 充電スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 有坂 伸一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5G003 AA05 BA01 CA06 CC02 DA04 DA16 GB03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池からの出力を電力変換装置を介
   して負荷に供給するとともに、前記燃料電池の出力の一
   部で充電される二次電池を備えていて、前記負荷の電力
   よりも燃料電池の出力が少ない場合は前記二次電池から
   の出力を前記負荷に供給する燃料電池電源システムにお
   いて、前記燃料電池と前記二次電池とが接続される第１
   の充電系統と前記燃料電池と前記二次電池とが充電制御
   手段を介して接続される第２の充電系統とを備えた燃料
   電池電源システム。
2. 【請求項２】 商用電源からの電力を前記充電制御手段
   に供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池
   電源システム。
3. 【請求項３】 請求項１もしくは請求項２に記載の燃料
   電池電源システムにおいて、前記二次電池の充電状態を
   １００％未満とする設定充電値以下に制御する第１の充
   電を行い、所定期間毎に第２の充電を行うことにより前
   記充電状態を前記設定充電値以上に制御し、少なくとも
   前記第２の充電を前記第２の充電系統により行うことを
   特徴とする燃料電池電源システムが備えている二次電池
   の充電方法。