JP2005135666A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 外部電源を用いずに、二次電池を充電した状態に維持することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 水素と酸素との化学反応により直流電力を発電する燃料電池２と、燃料電池の作動を補佐する補機３、４と、燃料電池の起動時、あるいは停止時に補機に電力を供給する二次電池７と、電力を二次電池に充電する充電手段１１とを備え、燃料電池２の発電時に、二次電池７の供給電圧が第一の所定の値未満になったときに、充電手段が、燃料電池２が発電した直流電源を二次電池７に充電する燃料電池システム１とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、制御部及び補機等に電力を供給する二次電池を備え、特にバックアップ電源として、または非常用電源として使用される燃料電池システムに関する。

図６に示すように、燃料電池１０２と、制御部１１５と、補機１１３、１１４等とを備える従来の燃料電池システム１０１は、商用電源等の外部電源がない場所で使用される場合は、制御部１１５および補機１１３、１１４等に電力を供給するバッテリー１０７を備え、燃料電池１０２の起動時には、バッテリー１０７を使用して、制御部１１５および補機１１３、１１４等を作動させ、燃料電池１０２が発電できる状態になった後に、燃料電池１０２が発電した電力を、電力変換器１０６（例えばＤＣ／ＤＣコンバータ、あるいはＤＣ／ＡＣインバータ）によって変換し、負荷（不図示）に供給していた。また、燃料電池１０２の発電運転時には、起動時と同様にバッテリー１０７を使用して、制御部１１５および補機１１３、１１４等を作動させ、さらに燃料電池１０２の停止時にも、バッテリー１０７を使用して、制御部１１５および補機１１３、１１４等を作動させていた。

従来の燃料電池システム１０１によれば、起動時、発電時、停止時に使用されるバッテリー１０７は、燃料電池システム１０１が特にバックアップ用電源、非常用電源として使用される場合は、常に、放電させず、充電状態にしておかねばならず、バッテリー１０７の管理が難しかった。例えば、バッテリー１０７を充電する一般的な充電器は、充電用電源がないと使用できないという問題があり、充電用の外部電源がない場合は、無人で長期間維持管理を行うことが困難である。または、自然放電しても長期間所定の電圧を維持できるだけの大容量のバッテリー１０７を用意するのも非合理的である。

そこで、本発明は、外部電源を用いずに、二次電池を充電した状態に維持することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による燃料電池システム１は、例えば図１に示すように、水素と酸素との化学反応により発電する燃料電池２と；燃料電池２の作動を補佐する補機３、４と；燃料電池２の起動時、あるいは停止時に補機３、４に電力を供給する二次電池７と；電力を二次電池７に充電する充電手段１１とを備え；燃料電池２の発電時に、二次電池７の供給電圧が第一の所定の値未満になったときに、充電手段１１が、燃料電池２が発電した電力を二次電池７に充電する。

このように構成すると、燃料電池２と、補機３、４と、二次電池７と、充電手段１１とを備えるので、二次電池７によって補機３、４に電力を提供して補機３、４が作動するようにして、燃料電池２を起動し、燃料電池２によって水素と酸素との化学反応により発電し、その後二次電池７によって補機３、４に電力を供給して補機３、４が作動するようにして、燃料電池２を停止させることができ、さらに燃料電池２の発電時に、二次電池７の供給電圧が第一の所定の値未満になったときに、充電手段１１が、燃料電池２が発電した電力を二次電池７に充電するので、外部電源を用いずに、二次電池７の供給電圧を二次電池７が使用できる状態に維持することができる。第一の所定の値とは、燃料電池２が発電した電力を充電手段１１によって二次電池７に充電することが必要となる二次電池７の供給電圧の値をいい、この値は満充電時の電圧値未満である。

請求項２に係る発明による燃料電池システム２１は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、例えば図４に示すように、充電手段１１が、外部電源に接続され、二次電池７の供給電圧が第二の所定の値未満になったときに、外部電源の電力を二次電池７に充電する。

このように構成すると、燃料電池システム２１が外部電源のある場所に設置された場合は、充電手段１１を外部電源に接続することができるので、充電手段１１が、二次電池７の供給電圧が第二の所定の値未満になったときに、外部電源の電力を二次電池７に充電する。第二の所定の値とは、充電手段１１によって外部電源の電力を充電することが必要となる二次電池７の供給電圧の値をいい、典型的には、第一の所定の値に等しい。

請求項３に係る発明による燃料電池システム１は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、例えば図１に示すように、二次電池７の供給電圧を測定し、測定した電圧の電圧信号ｉ６を発する電圧測定部１２と；電圧信号ｉ６を受け、二次電池７の供給電圧が第三の所定の値以下になったときに、警報信号ｉ７を発する警報部１５とを備える。

このように構成すると、警報部１５が、二次電池７の供給電圧が第三の所定の値以下になったときに、警報信号ｉ７を発するので、当該事実を認識することができる。このことにより、例えば、二次電池７の供給電圧が第三の所定の値以下になったときでも、二次電池７の充電が開始されていない場合は、二次電池７の充電の開始を手動で操作したり、燃料電池２の起動を手動で操作して、燃料電池２の運転による二次電池７の充電を行うことができる。第三の所定の値とは、燃料電池システム１の起動・停止ができる二次電池７の最小の供給電圧をいい、典型的には、第一の所定の値および第二の所定の値より小さい。

請求項４に係る発明による燃料電池システム１は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、例えば図１に示すように、二次電池７の供給電圧が第四の所定の値未満になったときに、燃料電池２を自動的に起動させ、二次電池７の供給電圧が第五の所定の値以上になり、かつ一定時間経過したときに、燃料電池２を自動的に停止させるよう制御する制御部１５を備える。

このように構成すると、二次電池７の供給電圧が第四の所定の値未満になったときに、制御部１５の制御によって燃料電池２を自動的に起動させることにより、燃料電池２が発電を行なうので、充電手段１１が、燃料電池２が発電した電力を二次電池７に充電することができる。第四の所定の値とは、燃料電池２を自動起動させて充電することが必要となる二次電池７の供給電圧の値をいい、典型的には、第一の所定の値あるいは第二の所定の値に等しい。

さらに、二次電池７の供給電圧が第五の所定の値以上になり、かつ一定時間経過したときに、燃料電池２を自動的に正常停止させ、二次電池７の過充電を防止することができる。第五の所定の値とは、二次電池７の充電の開始後、満充電となったときの二次電池７の供給電圧の値をいう。

請求項５に係る発明による燃料電池システム２１は、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、例えば図４に示すように、燃料電池２を自動的に起動させる制御部１５の動作を無効にする機能を有する。

このように構成すると、制御部１５の燃料電池２を自動的に起動させる動作を無効にする機能を有するので、二次電池７の供給電圧が第四の所定の値未満になったときに、燃料電池２を自動的に起動しないようにすることができる。燃料電池システム２１を保管する際に、自動的に起動させて運転してはいけない場所に保管されることも想定されるため、安全の観点から使用者が本機能を使用することができる。

以上のように本発明によれば、燃料電池と、補機と、二次電池と、充電手段とを設けたので、二次電池によって補機に電力を提供して補機が作動するようにして、燃料電池を起動し、燃料電池によって水素と酸素との化学反応により発電し、その後二次電池によって補機に電力を供給して補機が作動するようにして、燃料電池を停止させることができ、さらに燃料電池の発電時に、二次電池の供給電圧が第一の所定の値未満になったときに、燃料電池が発電した電力を充電手段が二次電池に充電するので、外部電源を用いずに、二次電池の供給電圧を二次電池が使用できる状態に維持することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明の第一の実施の形態に係る燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池２と、補機としての第一補機３と、補機としての第二補機４と、電力出力ライン５と、電力変換器６（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、あるいはＤＣ／ＡＣインバータ）と、二次電池としてのバッテリー７と、二次電力供給ライン８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９と、充電手段としての充放電回路１１と、電圧測定部としての第一電圧測定器１２と、ＤＣパワーリレー１３と、警報部としての制御部１５とを備える。

燃料電池２は、水素ｕ１と空気ｕ２との供給を受け、水素と酸素との化学的反応により直流電力を起こす。第一補機３は、ブロワ、ファン、バルブ等であり、第二補機４は、ファン用駆動モータＭ、電磁弁Ｄ、センサＳ（例えば水素ガス漏れセンサ、振動センサ）である。

第一補機３と、第二補機４は、燃料電池２の起動(起動運転）、発電(発電運転)、停止(停止運転)を補佐し、燃料電池２の起動、発電、停止を可能にする。第一補機３は、制御部１５からの指令信号ｉ１を受け燃料電池２の起動を補佐し、また指令信号ｉ１を受けて燃料電池２の発電を補佐し、さらに指令信号ｉ１を受けて燃料電池２の停止を補佐する。第二補機４は、制御部１５からの指令信号ｉ２を受け燃料電池２の起動を補佐し、また指令信号ｉ２を受けて燃料電池２の発電を補佐し、さらに指令信号ｉ２を受けて燃料電池２の停止を補佐する。センサＳからの測定信号ｉ３は、制御部１５に送られる。制御部１５は、測定信号ｉ３を受け、警報を発し、あるいは燃料電池システム１を停止する。

電力出力ライン５は、燃料電池２が発電した電力を負荷（不図示）に出力する。電力変換器６は、電力出力ライン５上に設けられ、燃料電池２が発電した直流電力を、負荷に適した電圧の直流あるいは交流に変換する。バッテリー７は、例えばＤＣ２４Ｖの直流電力を、燃料電池２の起動時、停止時に、第一補機３、第二補機４、および制御部１５に供給し、燃料電池２の完全停止時に、制御部１５に供給する。電力変換器６は、制御部１５からの指令信号ｉ４を受けて作動し、あるいは電力変換器６に故障（例えば、出力過電流）が発生した場合に、故障信号ｉ５を制御部１５に送る。故障信号ｉ５を受けた制御部１５は、燃料電池２を停止する。二次電力供給ライン８は、バッテリー７と、第一補機３、第二補機４、制御部１５とを繋ぎ、バッテリー７からの電力を、燃料電池２の起動時、停止時に、第一補機３、第二補機４、制御部１５に流し、ＤＣ／ＤＣコンバータ９からの出力電力を充放電回路１１を介して、燃料電池２の発電運転時に、第一補機３、第二補機４、制御部１５に流す。また、二次電力供給ライン８は、バッテリー７からの電力を燃料電池２の完全停止時にも制御部１５に供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、燃料電池２が発電した直流電力の電圧を、第一補機３、第二補機４、制御部１５に適した直流電圧、典型的にはバッテリー７の供給電圧(バッテリー電圧)より高い直流電圧（例えば、３３Ｖ）に変圧し、燃料電池２の発電時に電力源として第一補機３、第二補機４、制御部１５に供給する。したがって、燃料電池２の発電時には、バッテリー７から第一補機３、第二補機４、制御部１５へ電力は供給されない。第一電圧測定器１２は、バッテリー７と並列に設けられ、バッテリー７の供給電圧を測定し、電圧信号ｉ６を制御部１５に送る。

制御部１５は、バッテリー７の供給電圧が、警報オンレベル（第三の所定の値）（例えば、ＤＣ２１Ｖ）以下に下がったときに警報信号ｉ７をアナンシエータ（不図示）に出力する。供給電圧が回復し、警報オンレベルまで上昇したときに、制御部１５は、警報信号ｉ７の出力を停止する。供給電圧が回復し、警報オンレベルまで上昇しさらにある値だけ上昇したときに、制御部１５が、警報信号ｉ７の出力を停止するようにしてもよい。制御部１５は、燃料電池２の完全停止時にもバッテリー７から電力を供給されているので、燃料電池２の完全停止時であっても、バッテリー電圧が警報オンレベル以下に下がったときには、警報信号ｉ７をアナンシエータ（不図示）に出力する。

制御部１５は、バッテリー７の供給電圧が、満充電レベル（第五の所定の値）（例えば、ＤＣ２７Ｖ）以上に上がり、かつ一定時間（例えば、５分）経過したときに、燃料電池システム１を自動的に正常に停止させる（自動停止機能）。この停止に際し、第一補機３、第二補機４、制御部１５は、バッテリー７から二次電力の供給を受けるので、満充電レベルは、これを可能にするよう設定するとよい。

警報オンレベルとは、例えば燃料電池システム１を二回停止、一回起動させるために第一補機３、第二補機４を作動させることができる余力を残した二次電池の供給電圧とするとよい。満充電レベルを、例えば燃料電池システム１を外部電源無しで、ある回数（例えば、５回）以上起動・停止させることができるまでに回復した二次電池７の供給電圧とするとよい。

充放電回路１１は、燃料電池２の運転中に、第一電圧測定器１２により測定されたバッテリー７の供給電圧が充電レベル１（第一の所定の値）未満になったときに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９から出力された直流電力を大電流下でバッテリー７に充電し(充電モード１)、バッテリー７の供給電圧が充電レベル１以上になったとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ９から出力された直流電力を小電流下でバッテリー７に充電する(充電モード２)。充電レベル１とは、バッテリー７に充電が必要となるバッテリー７の供給電圧をいい、２７Ｖ未満の値である。

ＤＣパワーリレー１３は、電力出力ライン５上に設けられ、接点（不図示）を含んだ構造である。制御部１５が燃料電池２より発電許可指令信号ｉ８を受け、制御部１５が指令信号ｉ９をＤＣパワーリレー１３に送り、ＤＣパワーリレー１３は当該接点を閉とし、負荷（不図示）に電力が供給されるようにする。一方、ＤＣパワーリレー１３は、燃料電池２の停止や燃料電池２の故障により発電許可指令信号ｉ８が解除され、指令信号ｉ９が解除されたときに接点を開とし、負荷に電力が供給されないようにする。

次に、本実施の形態の作用を説明する。起動盤(不図示)から制御部１５に起動信号（不図示）が送られる。起動信号を受けた制御部１５は、第一補機３に指令信号ｉ１を送り、第二補機４に指令信号ｉ２を送る。指令信号ｉ1を受けた第一補機３、指令信号ｉ２を受けた第二補機４は、燃料電池２の起動を補佐し、燃料電池２の起動を可能にする。燃料電池２の起動時には、バッテリー７から充放電回路１１を介して第一補機３、第二補機４、制御部１５に電力が供給される。

第一補機３、第二補機４は、次に燃料電池２の発電を補佐し、燃料電池２の発電運転を可能にする。制御部１５は、引き続き第一補機３に指令信号ｉ１を送り、第二補機４に指令信号ｉ２を送る。指令信号ｉ1を受けた第一補機３、指令信号ｉ２を受けた第二補機４は、燃料電池２の発電を補佐し、燃料電池２の発電運転を可能にする。

燃料電池２は、水素ｕ1と空気ｕ2との供給を受け、水素と酸素との化学的反応により直流電力を発電する。燃料電池２から発電許可指令信号ｉ８が出力された場合、制御部１５は、ＤＣパワーリレー１３に指令信号ｉ９を送り接点を閉とし負荷に電力が供給される。同時に制御部１５は、電力変換器６に、指令信号ｉ４を送り作動させて、燃料電池２が発電した電力を、負荷（不図示）に適した電圧に変換する。発電許可指令信号ｉ８が出力される条件は、例えば、燃料電池２のスタック開放電圧が公称の８０％以上であり、かつその他のシステムのアラーム条件に該当しないことである。

燃料電池２が発電すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力側の電圧がバッテリー７の給電圧より高くなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ９から放充電回路１１を介して第一補機３、第二補機４、制御部１５に二次電力が供給される。燃料電池２の発電中に、バッテリー７の供給電圧が充電レベル１未満の場合には、充放電回路１１を介してＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力によってバッテリー７が大電流下で充電され(充電モード１)、バッテリー７の供給電圧が充電レベル１以上の場合には、同様にＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力によって小電流下で充電される(充電モード２)。

燃料電池システム１の運転を停止するときは、起動盤(不図示)から制御部１５に停止信号（不図示）が送られる。停止信号を受けた制御部１５は、第一補機３に指令信号ｉ１を送り、第二補機４に指令信号ｉ２を送る。指令信号ｉ１を受けた第一補機３、指令信号ｉ２を受けた第二補機４は、燃料電池２の停止を補佐し、燃料電池２の停止を可能にする。

燃料電池２からの発電許可指令信号ｉ８が出力されなくなった場合、制御部１５は、ＤＣパワーリレー１３に指令信号ｉ９を送り電力出力ライン５上の接点（不図示）を開とし負荷（不図示）への電力の供給を停止させる。このとき、バッテリー７から第一補機３、第二補機４、制御部１５に二次電力が供給される。バッテリー７は、第一補機３、第二補機４が、燃料電池２の停止を補佐している間、第一補機３、第二補機４、制御部１５に電力を供給する。

次に、図２、図３を参照し、適宜図１を参照して、燃料電池システム１の運転方法について具体的に説明する。
図２、図３において、横軸は時間を表し、縦軸の最上部は、充電方法、すなわち充放電回路１１によるバッテリー７の大電流下での充電が行われているか（充電モード１オン）、または小電流下での充電が行われているか（充電モード２オン）、充電が行われていないか（充電オフ）を表す。

縦軸の最上部から二番目は、警報信号ｉ７が制御部１５から出ているか（警報オン）、または出ていないか（警報オフ）を表す。バッテリー電圧が下降して警報オンレベルに達すると警報信号ｉ７が制御部１５から出る（警報オン）が、バッテリー電圧が上昇して警報オンレベルに達すると警報信号ｉ７が制御部１５から出なくなる（警報オフ）。

縦軸の最上部から三番目は、燃料電池の運転状態を表し、燃料電池２の発電が行われているか、燃料電池２の起動、停止が行われるか、完全停止状態にあるかを示す。典型的には、完全停止状態から起動が行われ次に発電が行われる。発電中の燃料電池を停止する場合は、停止が行われ完全停止状態に達する。

縦軸の最上部から四番目は、バッテリー７の供給電圧（バッテリー電圧）を表す。バッテリー電圧は、高いほうから低いほうへ、充電レベル２、充電レベル１、警報オンレベルと変化する。バッテリー電圧が充電レベル１未満のときは、燃料電池２が起動した場合に、充電モード１により大電流下でのバッテリー７の充電が行われる。バッテリー電圧が充電レベル１以上のときは、充電モード２により低電流下でのバッテリー７の充電が行われる。また、充電モード１により大電流下でのバッテリー７の充電が行われ(充電モード１)、バッテリー電圧が充電レベル１に達した場合、低電流下での充電(充電モード２)に切り替わる。充電モード２にて充電が行われる場合は、バッテリー電圧は充電レベル２を超えないように設定されている。

さらに縦軸の最下部は、外部充電が行われているか(外部充電オン)、外部充電が行われていないか(外部充電オフ)を表す。
なお、ここまでの図２、図３についての説明は、後述の図６にも適用する。

以下図２を参照し、適宜図１を参照してケース１の運転方法を具体的に説明する。
折れ線Ｃa1(図中実線)は、充放電回路１１の充電方法、折れ線Ｃa2(図中実線)は、警報信号ｉ７のオン（警報オン）／オフ（警報オフ）の時間的変化、折れ線Ｃa3(図中実線)は、燃料電池の起動、停止、発電、完全停止の時間的変化、折れ線Ｃa4(図中実線)は、バッテリー７の供給電圧の時間的変化、折れ線Ｃa5(図中実線)は、外部充電のオン／オフの時間的変化を表す。図２の場合は外部充電は行われず、常に外部充電オフの状態である。折れ線とは、直線の一部に曲線を含む線、直線を含む概念とする。

ケース１では、時間ｔ0において、燃料電池２の起動が開始される(折れ線Ｃa3)。時間ｔ0において、バッテリー電圧は、充電レベル１よりわずかに高い値である場合で説明する。起動によりバッテリー７の電力が、第一補機３、第二補機４、制御部１５に供給され、バッテリー電圧は徐々に減少する(折れ線Ｃa4)。この段階では、充放電回路１１によるバッテリー７の充電は行われておらず（充電オフ）（折れ線Ｃa1）、燃料電池の２の発電は行われておらず（折れ線Ｃa3）、制御部１５からの警報信号ｉ７も出されていない（警報オフ）（線折れ線Ｃa2）。

時間ｔ1において、燃料電池２の起動の進行により、バッテリー電圧が充電レベル１（第一の所定の値）（例えば、２２〜２６Ｖの間のある値）まで下降し、その後さらに下降して充電レベル１より小さくなる。時間ｔ1において、燃料電池２による発電が行われていないので、バッテリー７の充電は行われない。

時間ｔ2において、燃料電池２の発電運転が開始され、充放電回路１１によるバッテリー７の充電が開始され、このときバッテリー電圧は充電レベル１未満であるため、充電モード１による充電が開始され、バッテリー電圧が上昇し始める。バッテリー７の充電の電力源は、前述のように燃料電池２が発電する電力をＤＣ／ＤＣコンバータ９が変圧した電力である。

時間ｔ3において、バッテリー電圧が、充電レベル１まで上昇し、バッテリー７の充電方法が充電モード１から充電モード２に切り替わり、充電モード２でバッテリー７の充電が過充電にならない程度に充電が継続される。時間ｔ3aにバッテリー電圧が充電レベル２（例えば、ＤＣ２７Ｖ）まで上昇し、その後一定値を保つ。

時間ｔ4において、燃料電池２の発電運転が終了し、バッテリー７の充電(充電モード２)が終了し、燃料電池２の停止が開始される。燃料電池２の停止運転において、バッテリー７が第一補機３、第二補機４、制御部１５に電力を供給し、バッテリー７の供給電圧が下降する。

時間ｔ5において、バッテリー電圧が充電レベル１に達しさらに下降する。このとき、燃料電池２による発電が行われていないので、バッテリー７の充電は行われない。
時間ｔ6に燃料電池２の停止運転が終了し、燃料電池２は完全停止の状態になる。
ケース１では、バッテリー電圧が警報オンレベル以下に下がることはないので、制御部１５から警報信号ｉ７が出されることはない。

次に、時間ｔ0において、バッテリー電圧が充電レベル２よりわずかに高い値であるケース１−１の場合を説明する。この場合は、充電方法は時間ｔ2からｔ3までの間だけ、折れ線Ｃa11(図中破線)で示されたものとなり、バッテリー電圧は時間ｔ0から時間ｔ3aまでの間だけ、折れ線Ｃa41(図中破線)で示されたものとなる。以下前述のケース１との相違のみ説明する。

時間ｔ1a1において、下降中のバッテリー電圧は充電レベル２に達し、その後下降を続けるが、時間ｔ2においては、充電レベル１より大きい値である。よって、時間ｔ2に、燃料電池２が発電運転を開始したときは、充電モード２の充電が行われ、バッテリー電圧は上昇する。
時間ｔ3a1において、バッテリー電圧は、充電レベル２に達し、その後一定値を保つ。ケース１−１でも、バッテリー電圧が警報オンレベル以下に下がることはないので、制御部１５から警報信号ｉ７が出されることはない。

次に、時間ｔ0において、バッテリー電圧２が充電レベル１よりわずかに低い値であるケース１−２の場合を説明する。この場合は、充電方法は時間ｔ3からｔ3a2までの間だけ、折れ線Ｃa12（図中破線）で示されたものとなり、バッテリー電圧は時間ｔ0から時間ｔ3a2'までの間だけ、折れ線Ｃa42(図中破線)で示されたものとなる。以下前述のケース１との相違のみを説明する。

時間ｔ1a2において下降中のバッテリー電圧は警報オンレベルに達し、制御部１５から警報信号ｉ７が出され警報オンとなる。燃料電池２の発電運転の開始後の時間ｔ2a2において、バッテリー電圧は、回復して警報オンレベルに達し、制御部１５から警報信号ｉ７が出されることはなくなり警報オフとなる。時間ｔ3a2において、バッテリー電圧が充電レベル１に達し、バッテリー７の充電方法が充電モード１から充電モード２に切り替わり、充電モード２での充電が行われる。時間ｔ3a2'において、上昇中のバッテリー電圧は、充電レベル２に達し、その後一定値を保つ。

以下図３を参照し、適宜図１を参照してケース２の運転方法を具体的に説明する。
折れ線Ｃb1(図中実線)は、充放電回路１１による充電方法の時間的変化、折れ線Ｃb2(図中実線)は、警報信号ｉ７のオン（警報オン）／オフ（警報オフ）の時間的変化、折れ線Ｃb3(図中実線)は、燃料電池の起動運転、停止運転、発電、完全停止の時間的変化、折れ線Ｃb4(図中実線)は、バッテリー７の供給電圧の時間的変化、折れ線Ｃb5(図中実線)は、外部充電のオン／オフの時間的変化を表す。図３の場合は外部充電は行われず、常に外部充電オフの状態である。

ケース２では、時間ｔ10において、燃料電池２の起動運転が開始される（折れ線Ｃb3）。時間ｔ10において、バッテリー電圧は、警報オンレベルに等しい値であり、時間ｔ10より前に警報オンレベルに達している（折れ線Ｃb4）。よって、起動前から制御部１５からの警報信号ｉ７が出されている(警報オン)（折れ線Ｃb2）。この段階では、充放電回路１１によるバッテリー７の充電は行われていない（充電オフ）（折れ線Ｃb1）。典型的には、時間ｔ10よりほんのわずか前に、下降するバッテリー電圧が警報オンレベルに達し、制御部１５から警報信号ｉ７が出(警報オン)、時間ｔ10にオペレータにより燃料電池２の起動運転が開始される。燃料電池２が完全停止した状態でのバッテリー電圧の低下は、制御部１５への電力の供給、さらに、例えばバッテリー７の経年変化により生じる。

時間ｔ11において、燃料電池２の発電運転が開始される。この時点でバッテリー電圧が充電レベル１より低いので、充電モード１による充電が開始され、バッテリー電圧が上昇し始める。

時間ｔ12において、バッテリー電圧が警報オンレベルまで回復し、制御部１５から警報信号ｉ７が出されれなくなる(警報オフ)。
時間ｔ13において、バッテリー電圧が充電レベル１に達し、充電方法が充電モード１から充電モード２に切り替わる。時間ｔ13aにおいて、バッテリー電圧が、充電レベル２に達し、以後一定値を維持する。

時間ｔ14において、燃料電池２の発電運転が終了し、よってバッテリー７の充電(充電モード２)が終了し、さらに燃料電池２の停止運転が開始される。時間ｔ15において、下降中のバッテリー電圧が充電レベル１に達し、さらに下降する。停止運転中であるので時間ｔ15には充電が行われる等の変化は特に起こらない。時間ｔ16に燃料電池２の停止運転が終了し、燃料電池２は完全停止の状態になる。

以上のように本第一の実施の形態の燃料電池システム１によれば、第一補機３と、第二補機４と、バッテリー７と、充放電回路１１とを備えるので、バッテリー７によって第一補機３と、第二補機４とに電力供給して、第一補機３、第二補機４が燃料電池２の起動を補佐し、燃料電池２を起動し、燃料電池２によって水素と酸素との化学反応により直流電力を発電し、燃料電池２を停止する際には、バッテリー７によって第一補機３と、第二補機４とに電力を供給して、第一補機３、第二補機４が燃料電池２の停止を補佐し、燃料電池２を停止させることができる。さらに燃料電池２の発電時に、バッテリー７の供給電圧が充電レベル１未満になったときに、充放電回路１１によって、燃料電池２により発電されＤＣ／ＤＣコンバータ９により変圧された直流電力をバッテリー７に充電モード１で充電することができ、またバッテリー７の供給電圧が充電レベル１以上になったときに、充電モード２に切り替えて充電することができ、外部電源を用いずに、バッテリー７の供給電圧をバッテリー７が使用できる状態に維持することができる。よって、本燃料電池システム１を、バックアップ用電源、非常用電源として使用することができる。

本実施の形態において、制御部１５は、燃料電池２が完全停止して待機状態にあるときにも、第一電圧測定器１２がバッテリー７の供給電圧を測定し、電圧信号ｉ６を制御部１５に送るようにして、バッテリー７の供給電圧を常時監視するようにし、充電レベル１（第四の所定の値）未満になった場合に、燃料電池２を自動的に起動させるように制御するようにしてもよい（自動起動機能）。燃料電池２を起動することにより充放電回路１１によってバッテリー７を充電することができる。さらに、バッテリー７の供給電圧が充電レベル２になったときに、燃料電池２を自動的に停止させるように制御するようにしてもよい。このようにすると、燃料電池システム１をより信頼性の高いバックアップ用、非常用電源として使用することができる。

次に図４を参照し、本発明の第二の実施の形態に係る燃料電池システム２１について、第一の実施の形態に係る燃料電池システム１との相違を中心に説明する。

燃料電池システム２１は外部充電ライン１６を備え、燃料電池システム２１の充放電回路１１は外部充電端子１７を有し、外部充電端子１７は外部充電ライン１６を介して外部電源（ＡＣ１００Ｖ）（不図示）に接続されている。燃料電池システム２１は、さらに第二電圧測定器１８を外部充電ライン１６に備える。第二電圧測定器１８は、外部充電ライン１６に印加された電圧、すなわち外部電源（例えば、ＡＣ１００Ｖ）の電圧を測定し、電圧信号ｉ１０を制御部１５に送る。

充放電回路１１が、外部電源に接続されている場合は、充放電回路１１による燃料電池２の充電は、外部電源を電力源として行われる。バッテリー７の供給電圧が、充電レベル１（第二の所定の値）（例えば、ＤＣ２２Ｖ）未満の場合は、バッテリー７の充電モード１による大電流下での充電を行う。バッテリー７の充電によりバッテリー電圧が上昇し、充電レベル１に達した段階で充電モード１から充電モード２への切り替えを行い、低電流下での充電を行う。燃料電池２の運転状態のいかんに拘わらず、すなわち燃料電池が起動、発電、停止、完全停止の状態にあるときに、バッテリー７の外部電源による充電が行われる。

バッテリー７からの、第一補機３、第二補機４、制御部１５への、二次電力の供給は、燃料電池２の起動運転、停止運転に際し、行われる。燃料電池システム２１に（充放電回路１１に）外部電源の供給がない場合は、燃料電池２の発電運転中には、燃料電池が発電した電力の、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を介しての第一補機３、第二補機４、制御部１５への供給が行われる。

なお、本実施の形態において、燃料電池システム２１は、操作盤３１を備え、操作盤３１は、解除ボタン３２を有するようにしてもよい。

解除ボタン３２を押すことにより、操作盤３１から解除信号ｉ１１を制御部１５に送り、制御部１５の自動起動機能を解除して無効とし、バッテリー７の供給電圧が、充電レベル１未満に下がった場合でも、制御部１５が燃料電池システム２１を自動的に起動しないようにしてもよい。この場合、解除ボタン３２は、燃料電池２を自動的に起動させる制御部１５の動作を無効にする動作無効手段である。このようにすると、例えば密閉された場所に燃料電池システム２１を設置した場合には、燃料電池２が自動起動しないようにし、自動起動した場合に発生する可能性のある、水素等の爆発性物質が滞留する等の危険性を回避することができる。

解除ボタン３２をさらに押すことにより、操作盤３１から回復信号ｉ１１’を制御部１５に送り、制御部１５の自動起動機能が回復するようにしてもよい。操作盤３１が、起動ボタン３３と、バッテリー７の供給電圧が、警報オンレベル以下に下がったときに警報音を発し点滅するアナンシエータ３４とを備え、制御部１５の自動起動機能が解除されている場合であって、アナンシエータ３４が警報音を発し点滅しているときに、起動ボタン３３を手動で押すことにより燃料電池システム２１を起動できるようにしてもよい。

以下図５を参照し、適宜図４を参照してケース３の運転方法を具体的に説明する。なお、ケース３は、外部充電が行われる場合である。ケース３は、燃料電池２が起動したときのバッテリー電圧の値により、ケース３−１(図５(ａ))、ケース３−２(図５(ｂ))、ケース３−３(図５(ｃ))に分類して説明する。

折れ線Ｃc11、Ｃc12、Ｃc13(図中実線)は、充放電回路１１による充電方法の時間的変化、折れ線Ｃc21、Ｃc22、Ｃc23(図中実線)は、警報信号ｉ７のオン（警報オン）／オフ（警報オフ）の時間的変化、折れ線Ｃc31、Ｃc32、Ｃc33(図中実線)は、燃料電池の起動運転、停止運転、発電、完全停止の時間的変化、折れ線Ｃc41、Ｃc42、Ｃc43(図中実線)は、バッテリー７の供給電圧の時間的変化、折れ線Ｃc51、Ｃc52、Ｃc53(図中実線)は、外部充電のオン／オフの時間的変化を表す。

ケース３−１では、時間ｔ20において、燃料電池２の起動が開始される（折れ線Ｃｃ31）。時間ｔ20においてバッテリー電圧は警報オンレベルより低い（折れ線Ｃｃ41）。したがって、警報は時間ｔ20より前に発せられている（折れ線Ｃｃ21）。時間ｔ20より前から、外部充電が行われており(外部充電オン)（折れ線Ｃｃ51）、この外部充電は充電モード１で行われている（折れ線Ｃｃ11）。充電モード１による充電が行われているのでバッテリー電圧は上昇する（折れ線Ｃｃ41）。

時間ｔ21において、燃料電池２の発電運転が開始され、時間ｔ22において停止運転が開始され、時間ｔ23において燃料電池２が完全停止する。バッテリー電圧は時間ｔ20から時間ｔ24まで上昇し続け、時間ｔ24で警報オンレベルより低い状態にある。よって、警報は、時間ｔ20から時間ｔ24までオンとなり、時間ｔ20から時間ｔ24まで充電モード１による充電が行われる。

次に、ケース３−２について説明する。
ケース３−２では、時間ｔ20において、燃料電池２の起動が開始される（折れ線Ｃｃ32）。このケースでは、時間ｔ20においてバッテリー電圧は警報オンレベルより高い状態にある（折れ線Ｃｃ42）。したがって、時間ｔ20において警報は発せらていない（折れ線Ｃｃ22）。時間ｔ20より前から、外部充電が行われており(外部充電オン)（折れ線Ｃｃ52）、時間ｔ20より前から、バッテリー電圧は充電レベル１より低い（折れ線Ｃｃ42）ので、充電は時間ｔ20より前から充電モード１で行われている（折れ線Ｃｃ12）。外部充電で充電モード１による充電が行われているので、時間ｔ20より前からバッテリー電圧は上昇している。

時間ｔ21において、燃料電池２の発電運転が開始され、時間ｔ22において停止運転が開始され、時間ｔ23において燃料電池２が完全停止する。バッテリー電圧は時間ｔ20からｔ24まで上昇し続け、時間ｔ24で警報オンレベルより高いので、警報は、時間ｔ20から時間ｔ24までオフである。時間ｔ24でバッテリー電圧が充電レベル１より低いので、時間ｔ20から時間ｔ24まで充電モード１による充電が行われる。

次に、ケース３−３について、ケース３−２との相違を説明する。時間ｔ20において、バッテリー電圧は充電レベル１を超えており（折れ線Ｃｃ33）、時間ｔ20より前から、外部充電で充電モード２による充電が行われており（折れ線Ｃｃ13）、時間ｔ20より前からバッテリー電圧は上昇し、時間ｔ21aに充電レベル２に達する（折れ線Ｃｃ43）。時間ｔ21a以後はバッテリー電圧は上昇しない。バッテリー電圧は、燃料電池２の停止運転中に充電レベル２に達するものであっても、あるいは燃料電池２の完全停止後に充電レベル２に達するものであってもシステムの作動は同様である。バッテリー電圧が充電レベル２に達した後も、バテリー７は充電モード２による外部充電による充電状態にある。

以上のように本第二の実施の形態の燃料電池システム２１によれば、バッテリー７と、充放電回路と１１と、外部充電ライン１６とを備え、充放電回路１１は外部充電端子１７を有し、外部充電端子１７は外部充電ライン１６を介して外部電源（不図示）に接続されているので、燃料電池システム２１が、外部電源がある場所に設置された場合は、バッテリー７の供給電圧が充電レベル１未満に下がった場合は、燃料電池２を起動させることなく、外部電源にてバッテリー７を充電することができる。燃料電池システム２１は、外部電源がない箇所に設置された場合は、外部充電ライン１６が外部電源に接続されず、この場合は前述の第一の実施の形態と同様の運転をすることができる。

本発明の第一の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図１の燃料電池システムのバッテリーの充電方法（ケース１、ケース１−１、ケース１−２）を説明するチャートである。 図１の燃料電池システムのバッテリーの他の充電方法（ケース２）を説明するチャートである。 本発明の第二の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図４の燃料電池システムのバッテリーの充電方法（ケース３）を説明するチャートである。ケース３を分類し、図５（ａ）はケース３−１を、図５（ｂ）はケース３−２を、図５（ｃ）はケース３−３を表す。 従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、２１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 第一補機（補機）
４ 第二補機（補機）
５ 電力出力ライン
６ 電力変換器
７ バッテリー（二次電池）
８ 二次電力供給ライン
９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１ 充放電回路（充電手段）
１２ 第一電圧測定器（電圧測定部）
１３ ＤＣパワーリレー
１５ 制御部（警報部）
１６ 外部充電ライン
１７ 外部充電端子
１８ 第二電圧測定器
３１ 操作盤
３２ 解除ボタン
ｉ６ 電圧信号
ｉ７ 警報信号

Claims (5)

1. 水素と酸素との化学反応により発電する燃料電池と；
   前記燃料電池の作動を補佐する補機と；
   前記燃料電池の起動時、あるいは停止時に前記補機に電力を供給する二次電池と；
   電力を前記二次電池に充電する充電手段とを備え；
   前記燃料電池の発電時に、前記二次電池の供給電圧が第一の所定の値未満になったときに、前記充電手段が、前記燃料電池が発電した電力を前記二次電池に充電する；
   燃料電池システム。
2. 前記充電手段が、外部電源に接続され、前記二次電池の供給電圧が第二の所定の値未満になったときに、前記外部電源の電力を前記二次電池に充電する；
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記二次電池の供給電圧を測定し、測定した電圧の電圧信号を発する電圧測定部と；
   前記電圧信号を受け、前記二次電池の供給電圧が第三の所定の値以下になったときに、警報信号を発する警報部とを備える；
   請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記二次電池の供給電圧が第四の所定の値未満になったときに、前記燃料電池を自動的に起動させ、前記二次電池の供給電圧が第五の所定の値以上になり、かつ一定時間経過したときに、前記燃料電池を自動的に停止させるよう制御する制御部を備える；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池を自動的に起動させる前記制御部の動作を無効にする機能を有する；
   請求項４に記載の燃料電池システム。

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