JP2004139810A - 燃料電池の給電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池を過負荷から保護し得る一方、蓄電装置の保護もできる燃料電池の給電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１からＤＣ／ＤＣ変換器２およびＤＣ／ＡＣ変換器３とを介して負荷４に電力を供給する第１の電力線部Ｌ１と、この第１の電力線部Ｌ１上の燃料電池１と、ＤＣ／ＡＣ変換器３との間から分岐して蓄電装置６へ充電電力を供給する第２の電力線部Ｌ２と、蓄電装置６からＤＣ／ＡＣ変換器３の手前で第１の電力線部Ｌ１と交わる第３の電力線部Ｌ３を有する燃料電池の給電システムにおいて、第２の電力線部Ｌ２上に、燃料電池１から第２の電力線部Ｌ２を経由して供給する電流量を制御する制御手段５を具備するので、この制御手段５により、燃料電池１から蓄電装置６へ供給すべき所定の充電電流に制御しながら充電を行うことができ、蓄電装置６の劣化、破損を防ぐことが出来る。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料電池１からＤＣ／ＤＣ変換器２およびＤＣ／ＡＣ変換器３とを介して負荷４に電力を供給する第１の電力線部Ｌ１と、この第１の電力線部Ｌ１上の燃料電池１と、ＤＣ／ＡＣ変換器３との間から分岐して蓄電装置６へ充電電力を供給する第２の電力線部Ｌ２と、蓄電装置６からＤＣ／ＡＣ変換器３の手前で第１の電力線部Ｌ１と交わる第３の電力線部Ｌ３を有する燃料電池の給電システムにおいて、第２の電力線部Ｌ２上に、燃料電池１から第２の電力線部Ｌ２を経由して供給する電流量を制御する制御手段５を具備するので、この制御手段５により、燃料電池１から蓄電装置６へ供給すべき所定の充電電流に制御しながら充電を行うことができ、蓄電装置６の劣化、破損を防ぐことが出来る。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を一次電源とする燃料電池の給電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池を一次電源とする燃料電池の給電システムにおいては、図５に示すように、燃料電池１により生成した電力をＤＣ／ＤＣ変換器２で所定電圧に変換した後、さらにＤＣ／ＡＣ変換器３により交流に変換して、負荷４に供給する一方、過負荷時に不足電力を補助するための蓄電装置６である鉛蓄電池等に充電を行っていた。
【０００３】
ところが、かかる燃料電池の給電システムの構成においては、充電電流の制限がなされないため、ある程度、蓄電装置６の容量が低下した状態から充電をはじめると、過大電流が蓄電装置６へ流れ込むようになり、蓄電装置６の充電電流の上限を超えて、定格以上の充電を継続した場合には、蓄電装置６の劣化、破損を招来するという問題があった。
【０００４】
また、燃料電池１自身の発電量においても、相当程度の余裕を持たせたシステム設計にしておかなければ、蓄電装置６への充電に大半の電力が使用され、負荷４に供給すべき電力が不足してしまうという問題もあった。例えば、蓄電装置６として、１２Ｖ２４ＡＨ鉛蓄電池を使用する場合、蓄電装置６である鉛蓄電池の１２Ｖ時の内部抵抗を１０ｍΩ、浮動充電電圧が１３．５Ｖであった場合、この時の充電電流は、
（１３．５−１２．０）Ｖ／１０・１０−３Ω＝１５０ ［Ａ］
となる。
【０００５】
その一方で、１２Ｖ２４ＡＨ鉛蓄電池の充電に際しては、３ＣＡ程度の充電が限度とされていることから、この場合の充電電流の上限は、２４ＡＨ×３ＣＡ＝７２Ａとなり、上記充電電流（１５０Ａ）は、この上限を超えてしまうこととなる。これは、蓄電装置６が、鉛蓄電池である場合に限らず、他の蓄電装置を用いても同様であり、充電時の発熱の問題等を考慮して、使用する蓄電装置の仕様内で充電できるように、充電電流は、その上限値を制限することが必要とされる。
【０００６】
一方、図５に示すような従来例に係る燃料電池の給電システムにおいて、負荷４の変動に対応して、ＤＣ／ＤＣ変換器２の電流制限を制御する電流制限量可変手段を設けることにより、負荷量に追従した発電を行なうシステムについては、特開平５−１５１９８３号公報等に開示されているが、蓄電装置６の充電電流の制御については、依然として、充分な解決が図られているとは言い難い。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−１５１９８３号公報 （第２頁 ［特許請求の範囲］、第２頁 段落［０００７］〜第３頁 段落［０００８］）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事由に鑑み、なされたもので、本発明の目的は、燃料電池を過負荷から保護し得る一方、併せて、燃料電池から蓄電装置に供給する充電電流を所定の電流値以下に制御して、蓄電装置の保護もできる燃料電池の給電システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、燃料電池と、ＤＣ／ＤＣ変換器と、ＤＣ／ＡＣ変換器と、負荷とを直列的に接続し燃料電池の電力を負荷へ供給する第１の電力線部と、燃料電池の電力を補助する蓄電装置と、ＤＣ／ＤＣ変換器の後段と蓄電装置を接続する第２の電力線部と、第２の電力線部とは別に設けたＤＣ／ＡＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第３の電力線部とを有する給電システムであって、前記第２の電力線部に、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧を所定の充電電圧に変換するとともに、充電電流に応じて所定の出力電流を供給する制御手段を介装したことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記蓄電装置の前段に充電電流を検出する電流検出手段を介装したことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１または請求項２記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第１の電力線部は、前記第３の電力線部が接続された個所の電圧値を、その第３の電力線部の電圧より大きく設定したことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第１の電力線部のＤＣ／ＤＣ変換器とＤＣ／ＡＣ変換器との間に、第１の逆流防止手段を介装したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項５記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第３の電力線部に、第２の逆流防止手段を介装したことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項６記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第２の電力線部に、回路開閉手段を介装したことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項７記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、燃料電池と、ＤＣ／ＤＣ変換器と、ＤＣ／ＡＣ変換器と、負荷とを直列的に接続し燃料電池の電力を負荷へ供給する第１の電力線部と、燃料電池の電力を補助する蓄電装置と、ＤＣ／ＤＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第２の電力線部と、第２の電力線部とは別に設けたＤＣ／ＡＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第３の電力線部とを有する給電システムであって、前記第２の電力線部に、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧を所定の充電電圧に変換するとともに、充電電流に応じて所定の出力電流を供給する制御手段を介装したことを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【００１７】
［第１の実施形態］
図１により本発明の第１の実施形態について説明する。すなわち、燃料電池１からＤＣ／ＤＣ変換器２、ダイオード７ａ、ＤＣ／ＡＣ変換器３を介して負荷４に電力を供給する第１の電力線部Ｌ１があり、この第１の電力線部Ｌ１のＤＣ／ＤＣ変換器２から、分岐して制御手段５、ダイオード７ｂを介して蓄電装置６の充電電力を供給する第２の電力線部Ｌ２が延びており、この蓄電装置６から分岐してダイオード７ｃを介して、ＤＣ／ＡＣ変換器３の手前で第１の電力線部Ｌ１と交わり、さらに、第１の電力線部Ｌ１と第２の電力線部Ｌ２の接点から分岐して各補機８へ電力供給ができる構成になっている。
【００１８】
この場合、燃料電池１は固体高分子型で、そのＩＶ特性が、図２に示すように、出力電圧が、出力電流（供給電力）に依存して、使用範囲内（ここでは、１３Ｖ〜１７Ｖ）ではほぼ直線的に変動する特性を示すものが好適である。すなわち、燃料電池１からの電力はＤＣ／ＤＣ変換器２で一定電圧にされた後、第１の電力線部Ｌ１から負荷への電力供給と第２の電力線部Ｌ２を経由する充電電力供給とに分割される。一方、蓄電装置６としては、通常の鉛蓄電池が好適であるが、これのみに限定されるものではなく、他の２次電池は、勿論のこと、電気二重層、キャパシタ等の他の充電装置も使用可能である。さらに、本実施形態では過負荷時にも対応可能とするため、燃料電池１と、ＤＣ／ＡＣ変換器３との間に、ＤＣ／ＤＣ変換器２を介在させ、ＤＣ／ＡＣ変換器３に入力する電力を電圧一定とする構成とした。
【００１９】
ここで、過負荷時の動作は、ＤＣ／ＤＣ変換器２の出力電圧をＶＤＣ、ダイオード７ａの順方向電圧降下をＶＦＤ１とした時にダイオード７ａ後の電圧ＶＤ１は、ＶＤ１＝ＶＤＣ−ＶＦＤ１（１）となり、制御手段５の出力電圧をＶＣＧ、ダイオード７ｂの順方向電圧降下をＶＦＤ２、ダイオード７ｃの順方向電圧降下をＶＦＤ３、充電電圧ＶＢ＝ＶＣＧ−ＶＦＤ２とすると、ダイオード７ｃ後の電圧ＶＤ３は、ＶＤ３＝ＶＣＧ−ＶＦＤ２−ＶＦＤ３＝ＶＢ−ＶＦＤ３（２）となる。この場合、ＶＤ１≧ＶＤ３（３）の条件を充足するように、それぞれの電圧を設定するとともに、燃料電池１の発電量の設定値ＰＦＣＳ以上の電力が燃料電池１から取り出されないようにＤＣ／ＤＣ変換器２では電流制限の機能を付加しており、その電流制限の設定値ＩＤＣＳを超えるとＤＣ／ＤＣ変換器２の出力電圧ＶＤＣが降下するようになっている。すなわち、過負荷になると、ＤＣ／ＤＣ変換器２の電流制限が掛かり、出力電圧ＶＤＣが降下すると共にＶＤ１も降下し、さらに過負荷が進むと、ＶＤ１がさらに下がり、ＶＤ３より下回ると、制御手段５から電力が負荷に対して供給され始める。
【００２０】
一方、制御手段５は、出力電圧を充電電圧ＶＢに変換する機能と電流制限の機能を有し、これにより、蓄電装置６の充電を制御することとなるが、この際の充電電圧ＶＢは蓄電装置６の浮動充電電圧に設定されており、蓄電装置６への充電電流ＩＢはＶＢと蓄電装置６の開放電圧ＶＢｏとの電位差、及び、蓄電装置６の内部抵抗分ＲＢＴからＩＢ＝（ＶＢ−ＶＢｏ）／ＲＢＴ（４）となる。
【００２１】
すなわち、蓄電装置６の充電量が少ない場合、制御手段５の電流制限が掛かり、制御手段５の出力電圧ＶＣＧが下がり、これに対応する充電電流ＩＢは、最終的には、上記（４）の関係で示される値となり、結果として、充電電流ＩＢが過大になるのを防止でき、充電電流ＩＢが蓄電装置６の定格充電電流値を超えたり、充電のために過負荷状態に陥る場合を回避できる。
【００２２】
かかる場合において、蓄電装置６に流れ込む充電電流ＩＢを検出する電流検出手段９を配置して、上記制御手段５の電流制限の設定値ＩＣＧＳを該電流検出手段９により逐次、検出した充電電流ＩＢの電流値に対応した値に書き替える構成とすることで、常に、蓄電装置６に必要な電力のみ、蓄電装置６に供給するようにすることができる。この際、具体的には、以下のような経過を辿る。
【００２３】
▲１▼過負荷時にＶＤ１の電圧が下がり、ＶＤ３より下回ると、制御手段５から電流が第３の電力線部Ｌ３へ流れ出し、負荷側へ電力を供給しようとするが、制御手段５の電流制限は充電電流分しかないために、直ぐに電流制限がかかり、制御手段５の出力電圧ＶＣＧが下がり出す。
【００２４】
▲２▼さらに、過負荷が進むと、ＶＣＧがさらに下がり、これに伴い充電電流が減少し、逐次、制御手段５の電流制限値が書き換えられ、最終的に充電電流が０Ａ、すなわち、ＶＢとＶＢｏとの電位差が０Ｖになり、制御手段５からの電力供給は無くなる。
【００２５】
▲３▼さらに、過負荷が進むと、蓄電装置６の開放電圧ＶＢｏよりＶＢが下回るようになり、蓄電装置６から負荷へ電力が供給される。
【００２６】
このように、本実施形態においては、燃料電池１から蓄電装置６に供給する電力の電流値を検出する電流検出手段９を有し、その検出した電流値に応じて、制御手段５で制御する電流値を調整し得るので、制御手段５からは、蓄電装置６の充電に必要な電力のみを供給することが出来る。
【００２７】
また、本実施形態では、このような過負荷時にも対応できるように、各経路には、それぞれダイオード７ａとダイオード７ｃを配設し、電流の逆流を防止するとともに、さらに、ダイオード７ａとダイオード７ｃ後の電圧バランスを取れるように構成されている。すなわち、第１の電力線部Ｌ１上において、ＤＣ／ＤＣ変換器２と、前記ＤＣ／ＡＣ変換器３との間に、第１の逆流防止手段であるダイオード７ａをを有するので、蓄電装置６から燃料電池１への電流の逆流を防止することが出来る。
【００２８】
さらには、上記第３の電力線部Ｌ３上において、蓄電装置６と、前記第１の電力線部Ｌ１との交点との間に、第２の逆流防止手段であるダイオード７ｃを配置することにより、蓄電装置６から負荷４へ電力を供給できるようになるとともに燃料電池１から蓄電装置６への電流の逆流を防止することが出来る。
【００２９】
一方、本実施形態においては、常に、制御手段５の出力電圧の方が蓄電装置６より大きくなる構成であることから、蓄電装置６から第２の電力線部Ｌ２を介して燃料電池１への電流の逆流は、通常の使用状態では、起こり難いと考えれれるが、第２の電力線部Ｌ２の蓄電装置６と、制御手段５との間に第３の逆流防止手段であるダイオード７ｂを配置することにより、蓄電装置６から第２の電力線部Ｌ２を介して燃料電池１への電流の逆流を確実に防ぐことができる。
【００３０】
このように、本実施形態においては、第２の電力線部Ｌ２上に、燃料電池１から蓄電装置６に供給する充電電流の電流量を制御する制御手段５を有するので、この制御手段５により、燃料電池１から蓄電装置６へ供給すべき所定の充電電流に制御しながら充電を行うことが可能であるため、蓄電装置６の劣化、破損を防ぐことが出来る。
【００３１】
一方、本実施形態においては、第１の電力線部Ｌ１の第２の電力線部Ｌ２との分岐点以降の部分に配置するＤＣ／ＤＣ変換器２において、その出力電圧ＶＤＣの設定を行なうことにより、前記第１の電力線部Ｌ１と前記第３の電力線部Ｌ３の交点における前記第１の電力線部Ｌ１の通常運転時の電圧値であるＶＤ１の設定を行なう。
【００３２】
具体的には、燃料電池１の発電量を１．４ｋＷとした場合、発電された電力はそれぞれ外部負荷、蓄電装置６、各補機８に１．１ｋＷ、２００Ｗ、１００Ｗ供給する場合を例示できる（但し、分配分には変換器の損失を含んでいるものとする。）。蓄電装置６としては、端子電圧１２Ｖの鉛蓄電池を使用し、その充電電圧ＶＢは浮動充電電圧の１３．５Ｖに設定する。さらに、逆流防止用ダイオードの順方向降下電圧は０．５Ｖのものを使用する。この場合、上記ＶＤ３は式（２）より、ＶＤ３＝１３Ｖ、制御手段５の出力電圧ＶＣＧは１４Ｖとなる。ここで、式（３）よりＶＤ１はＶＤ３以上であることが必要とされるが、これをあまりに高く設定しすぎると、ＤＣ／ＤＣ変換器２の電流制限が掛かり難くなるため、適正な値に設定する必要がある。
【００３３】
一方、燃料電池１は負荷の変動に対して、対応可能な一定の許容範囲を持った設計が可能であり、本実施形態では、燃料電池１の発電電力値に対して、１０％程度の過負荷に関しては、対応可能な設計とした。この場合、ＤＣ／ＤＣ変換器２の電流制限のＶ−Ｉ特性が、負荷の定格電力１．１ｋＷに対し１０％過負荷における出力電圧降下が１０％程度に設定した場合、ＶＤ１を１３Ｖ〜１４．４Ｖの範囲になるようにＤＣ／ＤＣ変換器２の出力電圧ＶＤＣを設定する。したがって、ＶＤＣの設定は式（１）よりＶＤＣ＝ＶＤ１＋ＶＦＤ１となり、１３．５Ｖ〜１４．９Ｖの間で設定する。
【００３４】
このように、本実施形態においては、前記第１の電力線部Ｌ１と前記第３の電力線部Ｌ３との交点において、通常運転時における前記第１の電力線部Ｌ１の電圧値ＶＤ１を、前記第３の電力線部Ｌ３の電圧値ＶＤ３以上に設定するので、通常運転時は、第３の電力線部Ｌ３を経由して、負荷４に電力が供給されることはない一方、前記第１の電力線部Ｌ１が、過負荷になることにより、ＤＣ／ＤＣ変換器２の電流制限がかかり、ＤＣ／ＤＣ変換器２の出力電圧ＶＤＣが降下して、ＶＤ１も降下し、ＶＤ３より下回ると、第３の電力線部Ｌ３を経由して、電力が負荷に対して供給されることとなり、制御手段５が蓄電装置６の充電のみならず、燃料電池１から負荷４への電力供給をも担うことができる。但し、ここでいう通常運転時とは、過負荷時でないときをいう（以下、同じ。）。
【００３５】
ここで、ＶＤＣをＶＣＧの出力電圧と同じく、１４Ｖの固定値に設定すれば、制御手段５で電圧変換する必要は無く、電流制限のみ行うようにすることができる。その一方、制御手段５の蓄電池に供給する電圧を変更可能に構成し、蓄電池の充電電圧を制御することにより、必要に応じて、急速充電をすることができる。例えば、充電電圧の設定値を通常の浮動充電時の浮動充電電圧値である１３．５Ｖ（鉛蓄電池の標準仕様）から急速充電電圧値である１４．７Ｖ（鉛蓄電池の標準仕様）に切り替え可能とし、急速充電にも対応可能な構成とすることにより、充電量が減少しても、急速充電により短時間にその充電量を回復可能とすることができる。
【００３６】
［第２の実施形態］
一方、上記第１の実施形態において、制御手段５の電流制限設定値ＩＣＧＳの値を、蓄電装置６の定格充電電流より低い値に固定することのみにおいて、上記と異なる第２の実施形態も可能である。この場合、蓄電装置６の充電量が少なく、電流制限に掛かる場合の動作は、上記の第１の実施形態と同様になり、逆に、蓄電装置６の充電量が充分で、電流制限に掛からない場合には、過負荷時にＶＤ１の電圧がＶＤ３より下がり、制御手段５から電力が負荷に供給される。
【００３７】
この場合でも、さらに過負荷になり、制御手段５からの電力供給が増えると、制御手段５の電流制限が掛かるようになり、ＶＣＧが下がり始める。すなわち、かかる過負荷の場合には、制御手段５が供給可能な電力と充電に使われている電力の差に対応する電力を負荷に供給する。
【００３８】
［第３の実施形態］
図３は、本発明の燃料電池の給電システムの第３の実施形態を示す図である。すなわち、上記の第１および第２の実施形態においては、過負荷になったときに、制御手段５から電力が供給される構成となっているが、制御手段５における電流制限が０Ａになり蓄電装置６から電力が供給されるようになっても、第２の電力線部Ｌ２の制御手段５は依然として、相当程度、電力を消費する。これに対して本実施形態では図３に示すように第２の電力線部Ｌ２の制御手段５の手前に、電力線部を遮断する回路開閉手段１０であるスイッチがあり、充電電流ＩＢが負になったとき、すなわち、蓄電装置６から負荷へ電力が供給し始めたときに、第２の電力線部Ｌ２を遮断する制御を行うものである。この結果、第２の電力線部Ｌ２の制御手段５は、回路から切り離され、制御手段５に起因する電力損失を回避することができる。このように、本実施形態においては、第２の電力線部Ｌ２に回路開閉手段１０を備えているので、必要に応じて制御手段５への電力供給を遮断することができ、制御手段５での電力損失を抑えることができる。
【００３９】
［第４の実施形態］
本実施形態では、上記した各実施形態と異なり、図４に示すように、第２の電力線部Ｌ２が燃料電池１とＤＣ／ＤＣ変換器２とを結ぶ電力線部から分岐して、制御手段５に電力を供給するようになっている。例えば、本実施形態では、燃料電池１の発電量１．４ｋＷを、ＤＣ／ＤＣ変換器２に７００Ｗ，制御手段５に７００Ｗに分配するように、ＤＣ／ＤＣ変換器２、制御手段５の電流制限設定値ＩＤＣＳ、ＩＣＧＳを設定することができる。
ＩＤＣＳ＝７００Ｗ×［ＤＣ／ＤＣ変換器２の変換効率］÷ＶＤＣ 式（５）
ＩＣＧＳ＝７００Ｗ×［制御手段５の変換効率］÷ＶＣＧ 式（６）
【００４０】
ここで、ＤＣ／ＤＣ変換器２の変換効率、制御手段５の変換効率を、ともに９０％であるとし、ＶＤＣ、ＶＣＧは、ダイオード７ａ、ダイオード７ｃ後の電圧が同じになるように設定する。すなわち、本実施形態においても、充電電圧ＶＢは、通常は浮動充電値１３．５Ｖに設定するものとした場合、その電圧ＶＤ１は、
ＶＤ１＝ＶＤ３＝ＶＢ−ＶＤＦ３＝１３．５−０．５＝１３．０ ［Ｖ］
となる。
【００４１】
したがって、ＶＤＣ、ＶＣＧは、
ＶＤＣ＝ＶＤ１＋ＶＦＤ１＝１３＋０．５＝１３．５［Ｖ］
ＶＣＧ＝ＶＤ１＋ＶＦＤ２＋ＶＦＤ３＝１３＋０．５＋０．５＝１４．０［Ｖ］
にする。この結果、式（５）、式（６）により、この場合の電流制限値は、ＩＤＣＳ＝４６．７［Ａ］、ＩＣＧＳ＝４５．０［Ａ］となる。
【００４２】
この場合、蓄電池の充電電流の定格値が制御手段５の供給する充電電流より大きい蓄電装置６を使用することが必要とされる。すなわち、蓄電装置６の充電電流の定格値以上で充電電流を設計する場合には、蓄電装置６の手前に更なる電流制限の手段を配置する必要があるからである。
【００４３】
本実施形態においては、負荷４（補機８も含む）が６３０Ｗの場合は、ＤＣ／ＤＣ変換器２から電力が供給されて、制御手段５は６３０Ｗ分の充電を蓄電装置６に供給する。一方、負荷が、６３０Ｗを超えると、ＤＣ／ＤＣ変換器２の電流制限が掛かり、ダイオード７ａ後の電圧ＶＤ１が下がり、ダイオード７ｃ後の電圧ＶＤ３を下回るために、制御手段５から電力が供給され始める。
【００４４】
このとき、蓄電装置６の充電に使われている電力が制御手段５の供給電力以下の場合は、両者の差異に対応する電力が制御手段５から負荷へ回ることになるが、蓄電装置６の充電に使われている電力と負荷に要する電力の和が制御手段５の供給電力を超える場合は、制御手段５も電流制限に掛かるため、出力電圧が下がり、ＶＤ３が連動して下がり、ＶＤ１とで平衡状態になろうとする。
【００４５】
このように、本実施形態においては、制御手段５が供給する電力量を、蓄電装置６に充電する電力量より多くできるので、第１の電力線部Ｌ１による負荷への電力供給の一部を制御手段５に負担させることが可能となり、第１の電力線部Ｌ１による負荷への電力供給の負担を軽減し得る。
【００４６】
一方、この場合において、さらに負荷が増えると、この平衡状態点の電圧がさらに下がり、最終的に蓄電装置６の開放電圧と充電電圧ＶＢが同じになった時点で、蓄電装置６から負荷へ電力が供給される。また、ＤＣ／ＤＣ変換器２と制御手段５の分配比率は１：１である必要はなく、特に、これに限定されるものではない。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、燃料電池と、ＤＣ／ＤＣ変換器と、ＤＣ／ＡＣ変換器と、負荷とを直列的に接続し燃料電池の電力を負荷へ供給する第１の電力線部と、燃料電池の電力を補助する蓄電装置と、ＤＣ／ＤＣ変換器の後段と蓄電装置を接続する第２の電力線部と、第２の電力線部とは別に設けたＤＣ／ＡＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第３の電力線部とを有する給電システムであって、前記第２の電力線部に、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧を所定の充電電圧に変換するとともに、充電電流に応じて所定の出力電流を供給する制御手段を介装したことを特徴とするので、この制御手段により、燃料電池から蓄電装置へ供給すべき所定の充電電流に制御しながら充電を行うことが可能であるため、蓄電装置の劣化、破損を防ぐことが出来るという優れた効果を奏する。
【００４８】
請求項２記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記蓄電装置の前段に充電電流を検出する電流検出手段を介装したことを特徴とするので、請求項１記載の発明の効果に加えて、制御手段からは、蓄電装置の充電に必要な電力のみを供給することが出来るようになるという優れた効果を奏する。
【００４９】
請求項３記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１または請求項２記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第１の電力線部は、前記第３の電力線部が接続された個所の電圧値を、その第３の電力線部の電圧より大きく設定したことを特徴とするので、請求項１または請求項２記載の発明の効果に加えて、通常運転（過負荷時でない）時は、第３の電力線部を経由して、負荷に電力が供給されることがない一方、前記第１の電力線部が、過負荷になることにより、ＤＣ／ＤＣ変換器の電流制限により、その出力電圧が降下して、第１の電力線部と前記第３の電力線部との交点における第１の電力線部の電圧値が、第１の電力線部と前記第３の電力線部との交点における第３の電力線部の電圧値を下回ると、第３の電力線部を経由して、電力が負荷に対して供給されることとなり、制御手段が充電装置の充電のみならず、燃料電池から負荷への電力供給をも担うことができるという優れた効果を奏する。
【００５０】
請求項４記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第１の電力線部のＤＣ／ＤＣ変換器とＤＣ／ＡＣ変換器との間に、第１の逆流防止手段を介装したことを特徴とするので、請求項１記載乃至請求項３のいずれかに記載の発明の効果に加えて、蓄電装置から燃料電池への電流の逆流を防げるという優れた効果を奏する。
【００５１】
請求項５記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第３の電力線部に、第２の逆流防止手段を介装したことを特徴とするので、請求項１〜請求項４記載の発明の効果に加えて、蓄電装置から負荷へ電力を供給できるようになるとともに燃料電池から蓄電装置への電流の逆流を防止することが出来るという優れた効果を奏する。
【００５２】
請求項６記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第２の電力線部に、回路開閉手段を介装したことを特徴とするので、請求項１〜請求項５に記載の発明の効果に加えて、必要に応じて制御手段への電力供給を遮断することができ、制御手段での電力損失を抑えることができるようになるという優れた効果を奏する。
【００５３】
請求項７記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、燃料電池と、ＤＣ／ＤＣ変換器と、ＤＣ／ＡＣ変換器と、負荷とを直列的に接続し燃料電池の電力を負荷へ供給する第１の電力線部と、燃料電池の電力を補助する蓄電装置と、ＤＣ／ＤＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第２の電力線部と、第２の電力線部とは別に設けたＤＣ／ＡＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第３の電力線部とを有する給電システムであって、前記第２の電力線部に、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧を所定の充電電圧に変換するとともに、充電電流に応じて所定の出力電流を供給する制御手段を介装したことを特徴とするので、第１の電力線部による負荷への電力供給の一部を制御手段に負担させることで第１の電力線部による負荷への電力供給の負担を減らせるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の給電システムの第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の燃料電池の給電システムにおいて、使用し得る燃料電池の典型的ＩＶ特性を示す図である。
【図３】本発明の燃料電池の給電システムの第３の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の燃料電池の給電システムの第４の実施形態を示す図である。
【図５】従来例に係る燃料電池の給電システムの概略を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ ＤＣ／ＤＣ変換器
３ ＤＣ／ＡＣ変換器
４ 負荷
５ 制御手段
６ 蓄電装置
７ ダイオード
７ａ〜ｃダイオード
８ 補機
９ 電流検出手段（蓄電装置６）
１０ 回路開閉手段
Ｌ１ 第１の電力線部
Ｌ２ 第２の電力線部
Ｌ３ 第３の電力線部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を一次電源とする燃料電池の給電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池を一次電源とする燃料電池の給電システムにおいては、図５に示すように、燃料電池１により生成した電力をＤＣ／ＤＣ変換器２で所定電圧に変換した後、さらにＤＣ／ＡＣ変換器３により交流に変換して、負荷４に供給する一方、過負荷時に不足電力を補助するための蓄電装置６である鉛蓄電池等に充電を行っていた。
【０００３】
ところが、かかる燃料電池の給電システムの構成においては、充電電流の制限がなされないため、ある程度、蓄電装置６の容量が低下した状態から充電をはじめると、過大電流が蓄電装置６へ流れ込むようになり、蓄電装置６の充電電流の上限を超えて、定格以上の充電を継続した場合には、蓄電装置６の劣化、破損を招来するという問題があった。
【０００４】
また、燃料電池１自身の発電量においても、相当程度の余裕を持たせたシステム設計にしておかなければ、蓄電装置６への充電に大半の電力が使用され、負荷４に供給すべき電力が不足してしまうという問題もあった。例えば、蓄電装置６として、１２Ｖ２４ＡＨ鉛蓄電池を使用する場合、蓄電装置６である鉛蓄電池の１２Ｖ時の内部抵抗を１０ｍΩ、浮動充電電圧が１３．５Ｖであった場合、この時の充電電流は、
（１３．５−１２．０）Ｖ／１０・１０−３Ω＝１５０ ［Ａ］
となる。
【０００５】
その一方で、１２Ｖ２４ＡＨ鉛蓄電池の充電に際しては、３ＣＡ程度の充電が限度とされていることから、この場合の充電電流の上限は、２４ＡＨ×３ＣＡ＝７２Ａとなり、上記充電電流（１５０Ａ）は、この上限を超えてしまうこととなる。これは、蓄電装置６が、鉛蓄電池である場合に限らず、他の蓄電装置を用いても同様であり、充電時の発熱の問題等を考慮して、使用する蓄電装置の仕様内で充電できるように、充電電流は、その上限値を制限することが必要とされる。
【０００６】
一方、図５に示すような従来例に係る燃料電池の給電システムにおいて、負荷４の変動に対応して、ＤＣ／ＤＣ変換器２の電流制限を制御する電流制限量可変手段を設けることにより、負荷量に追従した発電を行なうシステムについては、特開平５−１５１９８３号公報等に開示されているが、蓄電装置６の充電電流の制御については、依然として、充分な解決が図られているとは言い難い。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−１５１９８３号公報 （第２頁 ［特許請求の範囲］、第２頁 段落［０００７］〜第３頁 段落［０００８］）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる事由に鑑み、なされたもので、本発明の目的は、燃料電池を過負荷から保護し得る一方、併せて、燃料電池から蓄電装置に供給する充電電流を所定の電流値以下に制御して、蓄電装置の保護もできる燃料電池の給電システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、燃料電池と、ＤＣ／ＤＣ変換器と、ＤＣ／ＡＣ変換器と、負荷とを直列的に接続し燃料電池の電力を負荷へ供給する第１の電力線部と、燃料電池の電力を補助する蓄電装置と、ＤＣ／ＤＣ変換器の後段と蓄電装置を接続する第２の電力線部と、第２の電力線部とは別に設けたＤＣ／ＡＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第３の電力線部とを有する給電システムであって、前記第２の電力線部に、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧を所定の充電電圧に変換するとともに、充電電流に応じて所定の出力電流を供給する制御手段を介装したことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記蓄電装置の前段に充電電流を検出する電流検出手段を介装したことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項３記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１または請求項２記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第１の電力線部は、前記第３の電力線部が接続された個所の電圧値を、その第３の電力線部の電圧より大きく設定したことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第１の電力線部のＤＣ／ＤＣ変換器とＤＣ／ＡＣ変換器との間に、第１の逆流防止手段を介装したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項５記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第３の電力線部に、第２の逆流防止手段を介装したことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項６記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第２の電力線部に、回路開閉手段を介装したことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項７記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、燃料電池と、ＤＣ／ＤＣ変換器と、ＤＣ／ＡＣ変換器と、負荷とを直列的に接続し燃料電池の電力を負荷へ供給する第１の電力線部と、燃料電池の電力を補助する蓄電装置と、ＤＣ／ＤＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第２の電力線部と、第２の電力線部とは別に設けたＤＣ／ＡＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第３の電力線部とを有する給電システムであって、前記第２の電力線部に、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧を所定の充電電圧に変換するとともに、充電電流に応じて所定の出力電流を供給する制御手段を介装したことを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【００１７】
［第１の実施形態］
図１により本発明の第１の実施形態について説明する。すなわち、燃料電池１からＤＣ／ＤＣ変換器２、ダイオード７ａ、ＤＣ／ＡＣ変換器３を介して負荷４に電力を供給する第１の電力線部Ｌ１があり、この第１の電力線部Ｌ１のＤＣ／ＤＣ変換器２から、分岐して制御手段５、ダイオード７ｂを介して蓄電装置６の充電電力を供給する第２の電力線部Ｌ２が延びており、この蓄電装置６から分岐してダイオード７ｃを介して、ＤＣ／ＡＣ変換器３の手前で第１の電力線部Ｌ１と交わり、さらに、第１の電力線部Ｌ１と第２の電力線部Ｌ２の接点から分岐して各補機８へ電力供給ができる構成になっている。
【００１８】
この場合、燃料電池１は固体高分子型で、そのＩＶ特性が、図２に示すように、出力電圧が、出力電流（供給電力）に依存して、使用範囲内（ここでは、１３Ｖ〜１７Ｖ）ではほぼ直線的に変動する特性を示すものが好適である。すなわち、燃料電池１からの電力はＤＣ／ＤＣ変換器２で一定電圧にされた後、第１の電力線部Ｌ１から負荷への電力供給と第２の電力線部Ｌ２を経由する充電電力供給とに分割される。一方、蓄電装置６としては、通常の鉛蓄電池が好適であるが、これのみに限定されるものではなく、他の２次電池は、勿論のこと、電気二重層、キャパシタ等の他の充電装置も使用可能である。さらに、本実施形態では過負荷時にも対応可能とするため、燃料電池１と、ＤＣ／ＡＣ変換器３との間に、ＤＣ／ＤＣ変換器２を介在させ、ＤＣ／ＡＣ変換器３に入力する電力を電圧一定とする構成とした。
【００１９】
ここで、過負荷時の動作は、ＤＣ／ＤＣ変換器２の出力電圧をＶＤＣ、ダイオード７ａの順方向電圧降下をＶＦＤ１とした時にダイオード７ａ後の電圧ＶＤ１は、ＶＤ１＝ＶＤＣ−ＶＦＤ１（１）となり、制御手段５の出力電圧をＶＣＧ、ダイオード７ｂの順方向電圧降下をＶＦＤ２、ダイオード７ｃの順方向電圧降下をＶＦＤ３、充電電圧ＶＢ＝ＶＣＧ−ＶＦＤ２とすると、ダイオード７ｃ後の電圧ＶＤ３は、ＶＤ３＝ＶＣＧ−ＶＦＤ２−ＶＦＤ３＝ＶＢ−ＶＦＤ３（２）となる。この場合、ＶＤ１≧ＶＤ３（３）の条件を充足するように、それぞれの電圧を設定するとともに、燃料電池１の発電量の設定値ＰＦＣＳ以上の電力が燃料電池１から取り出されないようにＤＣ／ＤＣ変換器２では電流制限の機能を付加しており、その電流制限の設定値ＩＤＣＳを超えるとＤＣ／ＤＣ変換器２の出力電圧ＶＤＣが降下するようになっている。すなわち、過負荷になると、ＤＣ／ＤＣ変換器２の電流制限が掛かり、出力電圧ＶＤＣが降下すると共にＶＤ１も降下し、さらに過負荷が進むと、ＶＤ１がさらに下がり、ＶＤ３より下回ると、制御手段５から電力が負荷に対して供給され始める。
【００２０】
一方、制御手段５は、出力電圧を充電電圧ＶＢに変換する機能と電流制限の機能を有し、これにより、蓄電装置６の充電を制御することとなるが、この際の充電電圧ＶＢは蓄電装置６の浮動充電電圧に設定されており、蓄電装置６への充電電流ＩＢはＶＢと蓄電装置６の開放電圧ＶＢｏとの電位差、及び、蓄電装置６の内部抵抗分ＲＢＴからＩＢ＝（ＶＢ−ＶＢｏ）／ＲＢＴ（４）となる。
【００２１】
すなわち、蓄電装置６の充電量が少ない場合、制御手段５の電流制限が掛かり、制御手段５の出力電圧ＶＣＧが下がり、これに対応する充電電流ＩＢは、最終的には、上記（４）の関係で示される値となり、結果として、充電電流ＩＢが過大になるのを防止でき、充電電流ＩＢが蓄電装置６の定格充電電流値を超えたり、充電のために過負荷状態に陥る場合を回避できる。
【００２２】
かかる場合において、蓄電装置６に流れ込む充電電流ＩＢを検出する電流検出手段９を配置して、上記制御手段５の電流制限の設定値ＩＣＧＳを該電流検出手段９により逐次、検出した充電電流ＩＢの電流値に対応した値に書き替える構成とすることで、常に、蓄電装置６に必要な電力のみ、蓄電装置６に供給するようにすることができる。この際、具体的には、以下のような経過を辿る。
【００２３】
▲１▼過負荷時にＶＤ１の電圧が下がり、ＶＤ３より下回ると、制御手段５から電流が第３の電力線部Ｌ３へ流れ出し、負荷側へ電力を供給しようとするが、制御手段５の電流制限は充電電流分しかないために、直ぐに電流制限がかかり、制御手段５の出力電圧ＶＣＧが下がり出す。
【００２４】
▲２▼さらに、過負荷が進むと、ＶＣＧがさらに下がり、これに伴い充電電流が減少し、逐次、制御手段５の電流制限値が書き換えられ、最終的に充電電流が０Ａ、すなわち、ＶＢとＶＢｏとの電位差が０Ｖになり、制御手段５からの電力供給は無くなる。
【００２５】
▲３▼さらに、過負荷が進むと、蓄電装置６の開放電圧ＶＢｏよりＶＢが下回るようになり、蓄電装置６から負荷へ電力が供給される。
【００２６】
このように、本実施形態においては、燃料電池１から蓄電装置６に供給する電力の電流値を検出する電流検出手段９を有し、その検出した電流値に応じて、制御手段５で制御する電流値を調整し得るので、制御手段５からは、蓄電装置６の充電に必要な電力のみを供給することが出来る。
【００２７】
また、本実施形態では、このような過負荷時にも対応できるように、各経路には、それぞれダイオード７ａとダイオード７ｃを配設し、電流の逆流を防止するとともに、さらに、ダイオード７ａとダイオード７ｃ後の電圧バランスを取れるように構成されている。すなわち、第１の電力線部Ｌ１上において、ＤＣ／ＤＣ変換器２と、前記ＤＣ／ＡＣ変換器３との間に、第１の逆流防止手段であるダイオード７ａをを有するので、蓄電装置６から燃料電池１への電流の逆流を防止することが出来る。
【００２８】
さらには、上記第３の電力線部Ｌ３上において、蓄電装置６と、前記第１の電力線部Ｌ１との交点との間に、第２の逆流防止手段であるダイオード７ｃを配置することにより、蓄電装置６から負荷４へ電力を供給できるようになるとともに燃料電池１から蓄電装置６への電流の逆流を防止することが出来る。
【００２９】
一方、本実施形態においては、常に、制御手段５の出力電圧の方が蓄電装置６より大きくなる構成であることから、蓄電装置６から第２の電力線部Ｌ２を介して燃料電池１への電流の逆流は、通常の使用状態では、起こり難いと考えれれるが、第２の電力線部Ｌ２の蓄電装置６と、制御手段５との間に第３の逆流防止手段であるダイオード７ｂを配置することにより、蓄電装置６から第２の電力線部Ｌ２を介して燃料電池１への電流の逆流を確実に防ぐことができる。
【００３０】
このように、本実施形態においては、第２の電力線部Ｌ２上に、燃料電池１から蓄電装置６に供給する充電電流の電流量を制御する制御手段５を有するので、この制御手段５により、燃料電池１から蓄電装置６へ供給すべき所定の充電電流に制御しながら充電を行うことが可能であるため、蓄電装置６の劣化、破損を防ぐことが出来る。
【００３１】
一方、本実施形態においては、第１の電力線部Ｌ１の第２の電力線部Ｌ２との分岐点以降の部分に配置するＤＣ／ＤＣ変換器２において、その出力電圧ＶＤＣの設定を行なうことにより、前記第１の電力線部Ｌ１と前記第３の電力線部Ｌ３の交点における前記第１の電力線部Ｌ１の通常運転時の電圧値であるＶＤ１の設定を行なう。
【００３２】
具体的には、燃料電池１の発電量を１．４ｋＷとした場合、発電された電力はそれぞれ外部負荷、蓄電装置６、各補機８に１．１ｋＷ、２００Ｗ、１００Ｗ供給する場合を例示できる（但し、分配分には変換器の損失を含んでいるものとする。）。蓄電装置６としては、端子電圧１２Ｖの鉛蓄電池を使用し、その充電電圧ＶＢは浮動充電電圧の１３．５Ｖに設定する。さらに、逆流防止用ダイオードの順方向降下電圧は０．５Ｖのものを使用する。この場合、上記ＶＤ３は式（２）より、ＶＤ３＝１３Ｖ、制御手段５の出力電圧ＶＣＧは１４Ｖとなる。ここで、式（３）よりＶＤ１はＶＤ３以上であることが必要とされるが、これをあまりに高く設定しすぎると、ＤＣ／ＤＣ変換器２の電流制限が掛かり難くなるため、適正な値に設定する必要がある。
【００３３】
一方、燃料電池１は負荷の変動に対して、対応可能な一定の許容範囲を持った設計が可能であり、本実施形態では、燃料電池１の発電電力値に対して、１０％程度の過負荷に関しては、対応可能な設計とした。この場合、ＤＣ／ＤＣ変換器２の電流制限のＶ−Ｉ特性が、負荷の定格電力１．１ｋＷに対し１０％過負荷における出力電圧降下が１０％程度に設定した場合、ＶＤ１を１３Ｖ〜１４．４Ｖの範囲になるようにＤＣ／ＤＣ変換器２の出力電圧ＶＤＣを設定する。したがって、ＶＤＣの設定は式（１）よりＶＤＣ＝ＶＤ１＋ＶＦＤ１となり、１３．５Ｖ〜１４．９Ｖの間で設定する。
【００３４】
このように、本実施形態においては、前記第１の電力線部Ｌ１と前記第３の電力線部Ｌ３との交点において、通常運転時における前記第１の電力線部Ｌ１の電圧値ＶＤ１を、前記第３の電力線部Ｌ３の電圧値ＶＤ３以上に設定するので、通常運転時は、第３の電力線部Ｌ３を経由して、負荷４に電力が供給されることはない一方、前記第１の電力線部Ｌ１が、過負荷になることにより、ＤＣ／ＤＣ変換器２の電流制限がかかり、ＤＣ／ＤＣ変換器２の出力電圧ＶＤＣが降下して、ＶＤ１も降下し、ＶＤ３より下回ると、第３の電力線部Ｌ３を経由して、電力が負荷に対して供給されることとなり、制御手段５が蓄電装置６の充電のみならず、燃料電池１から負荷４への電力供給をも担うことができる。但し、ここでいう通常運転時とは、過負荷時でないときをいう（以下、同じ。）。
【００３５】
ここで、ＶＤＣをＶＣＧの出力電圧と同じく、１４Ｖの固定値に設定すれば、制御手段５で電圧変換する必要は無く、電流制限のみ行うようにすることができる。その一方、制御手段５の蓄電池に供給する電圧を変更可能に構成し、蓄電池の充電電圧を制御することにより、必要に応じて、急速充電をすることができる。例えば、充電電圧の設定値を通常の浮動充電時の浮動充電電圧値である１３．５Ｖ（鉛蓄電池の標準仕様）から急速充電電圧値である１４．７Ｖ（鉛蓄電池の標準仕様）に切り替え可能とし、急速充電にも対応可能な構成とすることにより、充電量が減少しても、急速充電により短時間にその充電量を回復可能とすることができる。
【００３６】
［第２の実施形態］
一方、上記第１の実施形態において、制御手段５の電流制限設定値ＩＣＧＳの値を、蓄電装置６の定格充電電流より低い値に固定することのみにおいて、上記と異なる第２の実施形態も可能である。この場合、蓄電装置６の充電量が少なく、電流制限に掛かる場合の動作は、上記の第１の実施形態と同様になり、逆に、蓄電装置６の充電量が充分で、電流制限に掛からない場合には、過負荷時にＶＤ１の電圧がＶＤ３より下がり、制御手段５から電力が負荷に供給される。
【００３７】
この場合でも、さらに過負荷になり、制御手段５からの電力供給が増えると、制御手段５の電流制限が掛かるようになり、ＶＣＧが下がり始める。すなわち、かかる過負荷の場合には、制御手段５が供給可能な電力と充電に使われている電力の差に対応する電力を負荷に供給する。
【００３８】
［第３の実施形態］
図３は、本発明の燃料電池の給電システムの第３の実施形態を示す図である。すなわち、上記の第１および第２の実施形態においては、過負荷になったときに、制御手段５から電力が供給される構成となっているが、制御手段５における電流制限が０Ａになり蓄電装置６から電力が供給されるようになっても、第２の電力線部Ｌ２の制御手段５は依然として、相当程度、電力を消費する。これに対して本実施形態では図３に示すように第２の電力線部Ｌ２の制御手段５の手前に、電力線部を遮断する回路開閉手段１０であるスイッチがあり、充電電流ＩＢが負になったとき、すなわち、蓄電装置６から負荷へ電力が供給し始めたときに、第２の電力線部Ｌ２を遮断する制御を行うものである。この結果、第２の電力線部Ｌ２の制御手段５は、回路から切り離され、制御手段５に起因する電力損失を回避することができる。このように、本実施形態においては、第２の電力線部Ｌ２に回路開閉手段１０を備えているので、必要に応じて制御手段５への電力供給を遮断することができ、制御手段５での電力損失を抑えることができる。
【００３９】
［第４の実施形態］
本実施形態では、上記した各実施形態と異なり、図４に示すように、第２の電力線部Ｌ２が燃料電池１とＤＣ／ＤＣ変換器２とを結ぶ電力線部から分岐して、制御手段５に電力を供給するようになっている。例えば、本実施形態では、燃料電池１の発電量１．４ｋＷを、ＤＣ／ＤＣ変換器２に７００Ｗ，制御手段５に７００Ｗに分配するように、ＤＣ／ＤＣ変換器２、制御手段５の電流制限設定値ＩＤＣＳ、ＩＣＧＳを設定することができる。
ＩＤＣＳ＝７００Ｗ×［ＤＣ／ＤＣ変換器２の変換効率］÷ＶＤＣ 式（５）
ＩＣＧＳ＝７００Ｗ×［制御手段５の変換効率］÷ＶＣＧ 式（６）
【００４０】
ここで、ＤＣ／ＤＣ変換器２の変換効率、制御手段５の変換効率を、ともに９０％であるとし、ＶＤＣ、ＶＣＧは、ダイオード７ａ、ダイオード７ｃ後の電圧が同じになるように設定する。すなわち、本実施形態においても、充電電圧ＶＢは、通常は浮動充電値１３．５Ｖに設定するものとした場合、その電圧ＶＤ１は、
ＶＤ１＝ＶＤ３＝ＶＢ−ＶＤＦ３＝１３．５−０．５＝１３．０ ［Ｖ］
となる。
【００４１】
したがって、ＶＤＣ、ＶＣＧは、
ＶＤＣ＝ＶＤ１＋ＶＦＤ１＝１３＋０．５＝１３．５［Ｖ］
ＶＣＧ＝ＶＤ１＋ＶＦＤ２＋ＶＦＤ３＝１３＋０．５＋０．５＝１４．０［Ｖ］
にする。この結果、式（５）、式（６）により、この場合の電流制限値は、ＩＤＣＳ＝４６．７［Ａ］、ＩＣＧＳ＝４５．０［Ａ］となる。
【００４２】
この場合、蓄電池の充電電流の定格値が制御手段５の供給する充電電流より大きい蓄電装置６を使用することが必要とされる。すなわち、蓄電装置６の充電電流の定格値以上で充電電流を設計する場合には、蓄電装置６の手前に更なる電流制限の手段を配置する必要があるからである。
【００４３】
本実施形態においては、負荷４（補機８も含む）が６３０Ｗの場合は、ＤＣ／ＤＣ変換器２から電力が供給されて、制御手段５は６３０Ｗ分の充電を蓄電装置６に供給する。一方、負荷が、６３０Ｗを超えると、ＤＣ／ＤＣ変換器２の電流制限が掛かり、ダイオード７ａ後の電圧ＶＤ１が下がり、ダイオード７ｃ後の電圧ＶＤ３を下回るために、制御手段５から電力が供給され始める。
【００４４】
このとき、蓄電装置６の充電に使われている電力が制御手段５の供給電力以下の場合は、両者の差異に対応する電力が制御手段５から負荷へ回ることになるが、蓄電装置６の充電に使われている電力と負荷に要する電力の和が制御手段５の供給電力を超える場合は、制御手段５も電流制限に掛かるため、出力電圧が下がり、ＶＤ３が連動して下がり、ＶＤ１とで平衡状態になろうとする。
【００４５】
このように、本実施形態においては、制御手段５が供給する電力量を、蓄電装置６に充電する電力量より多くできるので、第１の電力線部Ｌ１による負荷への電力供給の一部を制御手段５に負担させることが可能となり、第１の電力線部Ｌ１による負荷への電力供給の負担を軽減し得る。
【００４６】
一方、この場合において、さらに負荷が増えると、この平衡状態点の電圧がさらに下がり、最終的に蓄電装置６の開放電圧と充電電圧ＶＢが同じになった時点で、蓄電装置６から負荷へ電力が供給される。また、ＤＣ／ＤＣ変換器２と制御手段５の分配比率は１：１である必要はなく、特に、これに限定されるものではない。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、燃料電池と、ＤＣ／ＤＣ変換器と、ＤＣ／ＡＣ変換器と、負荷とを直列的に接続し燃料電池の電力を負荷へ供給する第１の電力線部と、燃料電池の電力を補助する蓄電装置と、ＤＣ／ＤＣ変換器の後段と蓄電装置を接続する第２の電力線部と、第２の電力線部とは別に設けたＤＣ／ＡＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第３の電力線部とを有する給電システムであって、前記第２の電力線部に、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧を所定の充電電圧に変換するとともに、充電電流に応じて所定の出力電流を供給する制御手段を介装したことを特徴とするので、この制御手段により、燃料電池から蓄電装置へ供給すべき所定の充電電流に制御しながら充電を行うことが可能であるため、蓄電装置の劣化、破損を防ぐことが出来るという優れた効果を奏する。
【００４８】
請求項２記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記蓄電装置の前段に充電電流を検出する電流検出手段を介装したことを特徴とするので、請求項１記載の発明の効果に加えて、制御手段からは、蓄電装置の充電に必要な電力のみを供給することが出来るようになるという優れた効果を奏する。
【００４９】
請求項３記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１または請求項２記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第１の電力線部は、前記第３の電力線部が接続された個所の電圧値を、その第３の電力線部の電圧より大きく設定したことを特徴とするので、請求項１または請求項２記載の発明の効果に加えて、通常運転（過負荷時でない）時は、第３の電力線部を経由して、負荷に電力が供給されることがない一方、前記第１の電力線部が、過負荷になることにより、ＤＣ／ＤＣ変換器の電流制限により、その出力電圧が降下して、第１の電力線部と前記第３の電力線部との交点における第１の電力線部の電圧値が、第１の電力線部と前記第３の電力線部との交点における第３の電力線部の電圧値を下回ると、第３の電力線部を経由して、電力が負荷に対して供給されることとなり、制御手段が充電装置の充電のみならず、燃料電池から負荷への電力供給をも担うことができるという優れた効果を奏する。
【００５０】
請求項４記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第１の電力線部のＤＣ／ＤＣ変換器とＤＣ／ＡＣ変換器との間に、第１の逆流防止手段を介装したことを特徴とするので、請求項１記載乃至請求項３のいずれかに記載の発明の効果に加えて、蓄電装置から燃料電池への電流の逆流を防げるという優れた効果を奏する。
【００５１】
請求項５記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第３の電力線部に、第２の逆流防止手段を介装したことを特徴とするので、請求項１〜請求項４記載の発明の効果に加えて、蓄電装置から負荷へ電力を供給できるようになるとともに燃料電池から蓄電装置への電流の逆流を防止することが出来るという優れた効果を奏する。
【００５２】
請求項６記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、請求項１記載乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池の給電システムにおいて、前記第２の電力線部に、回路開閉手段を介装したことを特徴とするので、請求項１〜請求項５に記載の発明の効果に加えて、必要に応じて制御手段への電力供給を遮断することができ、制御手段での電力損失を抑えることができるようになるという優れた効果を奏する。
【００５３】
請求項７記載の燃料電池の給電システムの発明にあっては、燃料電池と、ＤＣ／ＤＣ変換器と、ＤＣ／ＡＣ変換器と、負荷とを直列的に接続し燃料電池の電力を負荷へ供給する第１の電力線部と、燃料電池の電力を補助する蓄電装置と、ＤＣ／ＤＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第２の電力線部と、第２の電力線部とは別に設けたＤＣ／ＡＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第３の電力線部とを有する給電システムであって、前記第２の電力線部に、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧を所定の充電電圧に変換するとともに、充電電流に応じて所定の出力電流を供給する制御手段を介装したことを特徴とするので、第１の電力線部による負荷への電力供給の一部を制御手段に負担させることで第１の電力線部による負荷への電力供給の負担を減らせるようになるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の給電システムの第１の実施形態を示す図である。
【図２】本発明の燃料電池の給電システムにおいて、使用し得る燃料電池の典型的ＩＶ特性を示す図である。
【図３】本発明の燃料電池の給電システムの第３の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の燃料電池の給電システムの第４の実施形態を示す図である。
【図５】従来例に係る燃料電池の給電システムの概略を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ ＤＣ／ＤＣ変換器
３ ＤＣ／ＡＣ変換器
４ 負荷
５ 制御手段
６ 蓄電装置
７ ダイオード
７ａ〜ｃダイオード
８ 補機
９ 電流検出手段（蓄電装置６）
１０ 回路開閉手段
Ｌ１ 第１の電力線部
Ｌ２ 第２の電力線部
Ｌ３ 第３の電力線部
Claims (7)
- 燃料電池と、ＤＣ／ＤＣ変換器と、ＤＣ／ＡＣ変換器と、負荷とを直列的に接続し燃料電池の電力を負荷へ供給する第１の電力線部と、燃料電池の電力を補助する蓄電装置と、ＤＣ／ＤＣ変換器の後段と蓄電装置を接続する第２の電力線部と、第２の電力線部とは別に設けたＤＣ／ＡＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第３の電力線部とを有する給電システムであって、前記第２の電力線部に、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧を所定の充電電圧に変換するとともに、充電電流に応じて所定の出力電流を供給する制御手段を介装したことを特徴とする燃料電池の給電システム。
- 前記蓄電装置の前段に充電電流を検出する電流検出手段を介装したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の給電システム。
- 前記第１の電力線部は、前記第３の電力線部が接続された個所の電圧値を、その第３の電力線部の電圧より大きく設定したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池の給電システム。
- 前記第１の電力線部のＤＣ／ＤＣ変換器とＤＣ／ＡＣ変換器との間に、第１の逆流防止手段を介装したことを特徴とする請求項１記載乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池の給電システム。
- 前記第３の電力線部に、第２の逆流防止手段を介装したことを特徴とする請求項１または請求項４記載のいずれかに記載の燃料電池の給電システム。
- 前記第２の電力線部に、回路開閉手段を介装したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池の給電システム。
- 燃料電池と、ＤＣ／ＤＣ変換器と、ＤＣ／ＡＣ変換器と、負荷とを直列的に接続し燃料電池の電力を負荷へ供給する第１の電力線部と、燃料電池の電力を補助する蓄電装置と、ＤＣ／ＤＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第２の電力線部と、第２の電力線部とは別に設けたＤＣ／ＡＣ変換器の前段と蓄電装置を接続する第３の電力線部とを有する給電システムであって、前記第２の電力線部に、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧を所定の充電電圧に変換するとともに、充電電流に応じて所定の出力電流を供給する制御手段を介装したことを特徴とする燃料電池の給電システム。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011154926A (ja) * | 2010-01-28 | 2011-08-11 | Gs Yuasa Corp | 燃料電池システム |
| JP2011238618A (ja) * | 2005-09-27 | 2011-11-24 | Rosemount Inc | プロセス装置のための改良された発電 |
| JP2015211520A (ja) * | 2014-04-25 | 2015-11-24 | 東洋紡株式会社 | 遠隔計測装置 |
| JP2016146686A (ja) * | 2015-02-06 | 2016-08-12 | アイシン精機株式会社 | 分散型電源装置 |
| JP2021118063A (ja) * | 2020-01-23 | 2021-08-10 | 株式会社豊田自動織機 | 燃料電池システム |
-
2002
- 2002-10-17 JP JP2002302601A patent/JP2004139810A/ja active Pending
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| JP7291085B2 (ja) | 2020-01-23 | 2023-06-14 | 株式会社豊田自動織機 | 燃料電池システム |
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