JP2007250359A - Power supply unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は主電源の異常に対して負荷へ継続して電力を供給する電源装置に関するものである。 The present invention relates to a power supply apparatus that continuously supplies power to a load in response to an abnormality of a main power supply.
従来、停電等による主電源(例えば交流電源)の異常が発生した場合、非常灯や重要なデータを扱うコンピュータシステム等の電気的負荷(以下、負荷と略す)に対し継続して電力を供給するために、無停電電源システムといわれる定置型の電源装置が市販されている。これにより、暗がりでの安全確保や、データ消失による経済的損失等の防止が可能となり、特に近年のコンピュータの目覚ましい普及に伴って、後者に対する無停電電源システムの重要性は極めて大きくなってきている。 Conventionally, when an abnormality occurs in the main power source (for example, AC power source) due to a power failure or the like, power is continuously supplied to an electrical load (hereinafter abbreviated as a load) such as an emergency light or a computer system that handles important data. Therefore, a stationary power supply device called an uninterruptible power supply system is commercially available. This makes it possible to ensure safety in the dark and to prevent economic loss due to data loss. Especially with the remarkable spread of computers in recent years, the importance of the uninterruptible power supply system for the latter has become extremely large. .
また近年、低燃費で低公害なハイブリッド車やアイドリングストップ車の開発が急速に進められているが、いずれも車両制動エネルギーを回生して蓄電部に蓄え、車両駆動用モーターやスターターモーターに供給することにより、従来捨てていた制動エネルギーを有効活用している。このような車両の制動は従来の機械的な油圧制御から電気的な油圧制御へ各種提案がなされている。 In recent years, the development of fuel-efficient and low-pollution hybrid vehicles and idling stop vehicles has been rapidly progressing. In both cases, vehicle braking energy is regenerated and stored in the power storage unit, and supplied to vehicle drive motors and starter motors. This effectively utilizes the braking energy that has been discarded. Various proposals have been made for such braking of vehicles from conventional mechanical hydraulic control to electrical hydraulic control.
しかし、一般に車両の油圧制御を電気的に行うための電源(バッテリ)が何らかの原因で電力供給できなくなると車両の制動が不可能になる可能性がある。また、アイドリングストップ車に対してはアイドリングストップ中にバッテリから各種電装品の負荷に供給される電力が断たれると、夜間時の灯火類など安全に不可欠な負荷が停止してしまう可能性がある。 However, generally, if the power source (battery) for electrically controlling the hydraulic pressure of the vehicle cannot supply power for some reason, there is a possibility that the vehicle cannot be braked. Also, for idling stop vehicles, if the power supplied from the battery to the loads of various electrical components is cut off during idling stop, there is a possibility that loads indispensable for safety such as lights at night will stop. is there.
そこで、例えばバッテリとは別に補助電源として大容量キャパシタ等を搭載することにより、バッテリの非常時に電気的な油圧制御部等の重要な負荷に対し駆動電力を供給する非常用の電源バックアップユニットが提案されている。 Therefore, for example, an emergency power backup unit that supplies driving power to an important load such as an electrical hydraulic control unit in the event of a battery by installing a large-capacity capacitor as an auxiliary power source separately from the battery is proposed. Has been.
以上のように、近年は定置用の無停電電源システムや自動車用の非常用電源バックアップユニットに代表される電源装置が極めて重要視されるようになってきている。 As described above, in recent years, a power supply device represented by a stationary uninterruptible power supply system and an emergency power backup unit for automobiles has come to be regarded as extremely important.
このような電源装置として、特許文献1に示したような定置用の無停電電源システムの例を説明する。図10は従来の電源装置におけるブロック構成図である。なお、太線で示した部分は電力系の配線を、細線で示した部分は制御系の配線を、点線矢印で示した部分は配管をそれぞれ示す。
As such a power supply device, an example of a stationary uninterruptible power supply system as shown in
図10において、主電源1は交流電源2と整流装置3からなり、ここで直流電源を生成している。これを負荷4に供給している。
In FIG. 10, a
通常時は以上のようにして電力が供給されているが、これに対し停電が発生すると、補助電源5に内蔵された停電検出部6が停電したことを制御部7(補助電源5全体の制御を司る)に知らせる。あるいは、整流装置3が故障することによる電力供給の断絶も考えられるため、この場合は整流装置故障検出部8が整流装置3の故障を制御部7に知らせる。
Normally, power is supplied as described above. However, when a power failure occurs, the power
いずれにしても、負荷4への電力供給が断たれると、瞬時に補助電源5から電力が供給される。具体的には、補助電源5に内蔵された二次電池からなる蓄電部9が整流装置3の出力に接続されているので、蓄電部9から負荷4に電力が供給されることになる。これにより、負荷4は継続的に使用できる。
In any case, when the power supply to the
しかし、蓄電部9は二次電池で構成されるため、その電力残量が無くなれば負荷4への電力供給が停止してしまう。この可能性を低減するには二次電池を多く使用すればよいが、この場合、電源装置全体の大型化が避けられない。
However, since the
そこで従来、蓄電部9に加え燃料電池10を併用した電源装置が提案されている。これにより、停電が始まり蓄電部9から負荷4へ電力が供給されると同時に燃料電池10が起動し、起動完了とともに燃料電池10から負荷4へ長時間電力を供給し続けることができる。
In view of this, a power supply device has been proposed in which a
停電が回復すると、停電中に燃料電池10が使用した燃料の水素を水素タンク11に補充する。補充量は水素タンク11に取り付けた圧力センサ12の出力を制御部7が監視しながら適正に制御される。水素の補充は水素発生部13により発生した水素を用いるので、水素タンク11の交換を行う必要がなく、メンテナンスが容易な電源装置が実現できる。
以上のような電源装置によって、確かに主電源1の異常時にも負荷4を長時間駆動し続けられ、しかもメンテナンスが容易で扱いやすくなるのであるが、このような電源装置は特に燃料電池10における信頼性が重要である。この観点で図10の電源装置の構成を検討すると、停電検出に加え、整流装置3の故障検出も行っているので、整流装置3が故障した場合にも燃料電池10からの電力を供給するように構成して信頼性を高めていることがわかる。
The power supply apparatus as described above can certainly drive the
しかし、燃料電池10自身の故障や異常については何ら検出する構成とはなっていない。従って、停電のように頻度は低いものの突発的な主電源1の異常が発生した時、万一燃料電池10が異常状態であれば、燃料電池10による発電ができなくなる可能性があるという課題があった。
However, it is not configured to detect any failure or abnormality of the
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、燃料電池10の異常を検出できる信頼性の高い電源装置を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and to provide a highly reliable power supply device capable of detecting an abnormality of the
前記従来の課題を解決するために、本発明の電源装置は主電源が正常で、かつ既定条件時に、燃料電池に水素を供給し、前記燃料電池を既定条件で発電させることにより、前記燃料電池の異常判断を行うものである。 In order to solve the above-described conventional problems, the power supply apparatus of the present invention supplies the hydrogen to the fuel cell when the main power supply is normal and the predetermined condition is satisfied, and causes the fuel cell to generate power under the predetermined condition, thereby The abnormal judgment is performed.
本構成によって、燃料電池を実際に動作させて正常に発電できるかを監視することで異常判断を行う。その結果、前記目的を達成することができる。 According to this configuration, the abnormality is determined by monitoring whether the fuel cell can be actually operated to generate power normally. As a result, the object can be achieved.
本発明の電源装置によれば、主電源が正常な間に燃料電池の異常を判断するので、主電源の異常時にも確実に燃料電池で発電することができ、極めて信頼性の高い電源装置を実現することが可能となる。 According to the power supply device of the present invention, the abnormality of the fuel cell is judged while the main power supply is normal, so that it is possible to reliably generate power with the fuel cell even when the main power supply is abnormal, and an extremely reliable power supply device is provided. It can be realized.
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1における電源装置のブロック構成図である。図2は本発明の実施の形態1における電源装置の水素発生部の断面図である。図3は本発明の実施の形態1における電源装置の動作を示すフローチャートである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block configuration diagram of a power supply device according to
なお、本実施の形態1では定置型の無停電電源システムとしての電源装置の例について説明する。また、図1において、図10と同様に太線で示した部分は電力系の配線を、細線で示した部分は制御系の配線を、点線矢印で示した部分は配管をそれぞれ示す。 In the first embodiment, an example of a power supply device as a stationary uninterruptible power supply system will be described. In FIG. 1, as shown in FIG. 10, a portion indicated by a thick line indicates a power system wiring, a portion indicated by a thin line indicates a control system wiring, and a portion indicated by a dotted arrow indicates a pipe.
本実施の形態1の電源装置における構成の中で、従来の構成(図10)と同じものには同じ番号を付して説明する。 In the configuration of the power supply device according to the first embodiment, the same components as those in the conventional configuration (FIG. 10) are denoted by the same reference numerals.
図1において、主電源1は商用電力である交流電源2を整流装置3により直流に整流して、停電時等に継続して電力を供給し続ける必要のある非常灯やコンピュータ機器等の負荷4に電力を供給している。なお、負荷4は直流電源で駆動するものに限られるものではなく、交流電源で駆動する負荷4に対しては、整流装置3の出力を図示しないインバータで交流に戻して供給すればよい。また、整流装置3には負荷4の必要な電圧を生成するようにDCDCコンバータを内蔵してもよい。
In FIG. 1, a
通常時においては、上記の配線系統で主電源1から負荷4に電力が供給されている。
In normal times, power is supplied from the
これに対し、主電源1が停電や整流装置3の故障などにより既定電圧以下になった時には補助電源5から負荷4に電力が供給される構成としている。すなわち、停電については補助電源5に内蔵した停電検出部6が検出している。停電検出部6は例えば電圧計で構成され、停電による電圧低下を検出すると、補助電源5全体を制御する制御部7に停電を知らせる。
On the other hand, when the
また、整流装置3の故障についても、整流装置故障検出部8が整流装置3の出力電圧を監視し、負荷4を駆動し続けられない既定電圧以下に下がれば、故障信号を制御部7に知らせる構成としている。
As for the failure of the rectifier 3, the
停電、または整流装置3の故障が起こると、制御部7は直ちに補助電源5に内蔵された例えば二次電池で構成される蓄電部9から負荷4に電力を供給する。なお、蓄電部9には充放電回路(図示せず)が内蔵されているので、制御部7は充放電回路に対し放電するよう指示を行う構成としている。それと同時に制御部7は燃料電池10の起動を行う。従って、蓄電部9は燃料電池10が起動するまでの間、負荷4に電力を供給する役割と、燃料電池10を起動するための後述するブロア等の補機類を駆動する役割を担う。
When a power failure or a failure of the rectifier 3 occurs, the
燃料電池10は燃料に水素を用いる水素直接供給型であり、その構造は例えば燃料電池自動車用のものと同等である。すなわち、いずれも図示はしないが、空気が流れる空気流路と水素が流れる水素流路を形成したそれぞれの板状セパレータ間に、前記各流路が対向するように、貴金属系触媒を担持した電極が両面に形成されたプロトン伝導性高分子膜をガス漏れ防止用のシール材とともに挟持した構成の単セルを、負荷4が必要とする電圧、電流特性が得られる枚数分、積層した構造を有する。
The
このような燃料電池10を起動するために、制御部7は蓄電部9の電力を一部使用して水素タンク11から水素を、ブロア14から空気を、それぞれ供給する。
In order to start up such a
燃料電池10が起動したか否かは電圧検出部15で検出している。すなわち、燃料電池10の電力出力に接続した燃料電池スイッチ16は燃料電池10が起動完了するまではオフなので、負荷4が接続されていない状態である。この時の燃料電池10の起電圧を電圧検出部15で検出し、既定電圧に至れば起動が完了したとして、制御部7は燃料電池スイッチ16をオンにする。これにより燃料電池10の電力が負荷4に供給される。
Whether or not the
停電が回復したり、整流装置3が修理されると、再び主電源1から負荷4に電力が供給される。この時は主電源1から蓄電部9に充電が行われるとともに、燃料電池10が消費した水素を水素タンク11に充填するために、制御部7は水素タンク11に取り付けた内部圧力を検出する圧力センサ12の出力をモニターしながら水素発生部13で発生した水素を適正量になるまで充填する。なお、水素の充填は、水素発生部13の動作電力が主電源1の電力に基づいて供給されるので、主電源1が正常な時に実施される。
When the power failure is recovered or the rectifier 3 is repaired, power is again supplied from the
水素発生部13の断面構造を図2に示す。水素発生部13の本体部分はステンレス製の密閉箱17から構成されている。密閉箱17には水素発生部13で発生した酸素を排出するための酸素管18と水素を排出するための水素管19が接続されている。なお、両者ともステンレス製チューブからなるため、密閉箱17に溶接により接続されている。水素管19は図1の点線矢印で示したように水素タンク11に接続されるが、酸素管18は酸素を特に必要としないので、空気中に開口してもよいし、ブロア14に接続して空気とともに燃料電池10に供給するようにしてもよい。
A cross-sectional structure of the
水素発生部13の内部には純水20が貯蔵されている。純水20は電気分解により水素と酸素を発生することで、その貯蔵量が減っていく。そこで、常に純水20の量を満水状態にするために、水素発生部13には水量上限センサ21が設けられている。これにより、常に水量上限センサ21の位置まで水位が至るように純水20が供給されるようになっている。なお、純水20はイオン交換樹脂等により通常の水道水から純水を作る純水製造装置から供給してもよいし、市販の蒸留水を別途設けた純水タンク(図示せず)から供給するなどしてもよい。
ここで、酸素管18、および水素管19は、それぞれ純水20の水面と接しない位置までの長さとしたので、発生した酸素、および水素は必ず空間22を経由して排出される。従って、純水20が酸素管18や水素管19に入り込むことがなくなり、詰まりを防止できる。
Here, since the
水素発生部13の内部には2枚の樹脂製の仕切り板23に挟持され、一体形成された水電解素子24が配置されている。従って、水素発生部13の内部は仕切り板23によって仕切られ、その両側に純水20が貯蔵される構造となる。仕切り板23の両側に純水20を供給、貯蔵するために、図2では省略しているが酸素管18側の密閉箱17の底部と水素管19側の密閉箱17の底部を管で接続してある。従って、純水20を酸素管18側の密閉箱17に供給すると、前記管を通して水素管19側にも純水20が供給される。
Inside the
水電解素子24の詳細構成については後述する。また、図2ではわかりやすくするために、仕切り板23と水電解素子24の厚みを実際より大きく示した。
The detailed configuration of the
仕切り板23の内、水素発生部13の底部近傍には格子状の開口部25を設けているので、水電解素子24が仕切り板23に確実に挟持されるとともに、開口部25でのみ純水20が接する構成となる。さらに、開口部25が底部近傍に配されるため、純水20の貯蔵残量が少なくなっても電気分解を継続できる。
Since the lattice-shaped
また、水素管19側の純水20の量は酸素管18側の純水20の量より少なくしている。これは電気分解する際に、主に酸素管18側の純水20が電気分解されるためである。なお、水素管19側にも純水20を貯蔵し、水電解素子24を純水20中に水没させているのは、水電解素子24が乾燥するのを防ぐためである。
The amount of
以上の構造とすることにより、仕切り板23で酸素管18側と水素管19側が仕切られるので、発生した水素と酸素が混合することがなくなる。
With the above structure, the
水電解素子24の構造は単セルの燃料電池とほぼ同様の構造である。すなわち、いずれも図示しないが、プロトン伝導性高分子膜の両側に貴金属系触媒(本実施の形態1では白金微粒子を用いた)を担持したカーボン紙からなる電極を熱圧着するとともに、電極が存在しない部分にはガスシール用樹脂を配置した構造を有する。電極には外部から電力を供給するための網目状金属電極が配置され、仕切り板23とともに一体形成される。なお、網目状金属電極は密閉箱17と電気的に絶縁され、かつ気密を保った状態で外部配線と接続されている。外部配線は水素管19側が負極(グランド)に、酸素管18側が正極になるように配線されている。
The structure of the
水素発生部13による純水20の電気分解の概略動作は以下の通りである。
The schematic operation of the electrolysis of
外部配線を通して電力が網目状金属電極間に供給されると、正極の触媒上で純水20が酸素とプロトンと電子に分解される。この内、酸素はそのままガス化し、空間22を経由して酸素管18から排出される。
When electric power is supplied between the mesh metal electrodes through the external wiring, the
一方、プロトンはプロトン伝導性高分子膜を通って、電子は外部回路を通って、それぞれ負極に達する。負極では両者が触媒上で反応し水素が生成する。水素は空間22を経由して水素管19から排出される。
On the other hand, protons pass through the proton conducting polymer membrane and electrons pass through the external circuit to reach the negative electrode. In the negative electrode, both react on the catalyst to generate hydrogen. Hydrogen is discharged from the
以上のようにして純水20の電気分解が行われる。
The
なお、水素発生部13の底部近傍内には温度センサ26が設けられている。これにより、純水20の凍結をモニターしている。すなわち、温度センサ26の出力が既定温度(本実施の形態1では5℃とした)以下であれば凍結の可能性があるので、純水20の電気分解ができない。従って、水素タンク11への水素補充は行わないよう制御するとともに、できるだけ早く水素発生部13が昇温できるように、水素発生部13の外表面には図示しない発熱回路部品(FET等)が接触するように配置されている。これにより、水素発生部13の昇温だけでなく発熱回路部品の熱を大熱容量の水素発生部13が吸収するので発熱が抑えられ、安定した回路駆動が可能となり高信頼性に寄与する。
A
ここで、既定温度を5℃としたのは、純水20の密度が4℃の時に最も大きくなるためである。すなわち、水素発生部13内で凍結した純水20が溶けて液体になると密度が上がり、水素発生部13の底部に至る。従って、純水20が解氷している間は必ず水素発生部13の底部は4℃近傍となる。やがて全ての純水20が解氷すると、水素発生部13の底部の水温が上昇していく。これらの点から、水素発生部13の底部近傍に配置した温度センサ26の出力が例えば5℃より高ければ、純水20は全て液体であることがわかる。よって、既定温度を5℃に設定した。
Here, the predetermined temperature is set to 5 ° C. because the density of the
以上の構成とすることにより信頼性の高い水素発生部13を構成できる。
With the above configuration, a highly reliable
水素発生部13には純水20を電気分解するために定電流源27が接続されている。定電流源27は水素発生部スイッチ28により動作が制御されている。なお、定電流源27は交流電源2から電源を供給されているが、これは内部で直流電源に変換して直流の定電流を水素発生部13に供給している。
A constant
次に、本実施の形態1の最も特徴となる部分について説明する。 Next, the most characteristic part of the first embodiment will be described.
本実施の形態1の電源装置は、主電源1が正常で、かつ既定条件時(例えば1日1回等の既定時間間隔毎)に、制御部7が燃料電池10に水素タンク11から水素を、ブロア14から空気をそれぞれ供給することにより、燃料電池10を実際に既定条件で発電させる。この時、正常に発電できているか否かを電圧検出部15で出力電圧を検出することにより燃料電池10の異常の有無を判断している。異常であれば制御部7は警告を発する。
In the power supply device according to the first embodiment, when the
具体的な構成は、燃料電池10の出力に定電流負荷29を接続することにより、燃料電池10で発電した電力を既定の定電流で消費するようにしている。また、両者の間には定電流負荷スイッチ30が設けられているので、前記した燃料電池10の異常判断既定条件になると、定電流負荷スイッチ30をオンにするよう制御している。このような構成により、突発的な停電等が発生しても燃料電池10が正常に動作できるので、極めて高信頼の電源装置が実現できる。
In a specific configuration, a constant
次に、図3のフローチャートを用いて、本実施の形態1の電源装置における動作例について具体的に説明する。なお、図3の動作は制御部7によって実行される。
Next, an operation example of the power supply device according to the first embodiment will be specifically described with reference to the flowchart of FIG. 3 is executed by the
まず、整流装置3の故障判断を整流装置故障検出部8の出力により行う(ステップ番号S1)。もし故障していたら(S1のYes)、制御部7から整流装置異常警告を発し(S2)、使用者に知らせる。使用者はこの警告に従って整流装置3の修理などの処理を行う。警告を発した後は後述するS18にジャンプする。
First, the failure determination of the rectifier 3 is performed based on the output of the rectifier failure detector 8 (step number S1). If there is a failure (Yes in S1), the
一方、整流装置3が正常であれば(S1のNo)、停電検出部6の出力により停電の有無を判断する(S3)。もし、停電していたら(S3のYes)、後述する蓄電部9や燃料電池10による電力供給に切り替えるルーチン(S18以降)にジャンプする。
On the other hand, if the rectifier 3 is normal (No in S1), the presence / absence of a power failure is determined based on the output of the power failure detection unit 6 (S3). If a power failure has occurred (Yes in S3), the routine jumps to a routine (after S18) for switching to power supply by the
停電していなければ(S3のNo)、主電源1が正常であるので、次に水素発生部13の温度センサ26の出力を読み込み、既定温度(ここでは前記したように5℃とした)以下であるか、すなわち純水20の凍結可能性を判断する(S4)。もし、既定温度以下であれば(S4のYes)凍結している可能性があるので、燃料電池10の異常判断に使用した水素を判断後に補充できなくなる。従って、万一の主電源1の異常時に燃料電池10で発電できる時間が短くなる可能性があるので、この場合は燃料電池10の異常判断を行わず、S1に戻る。こうしてS1に戻る動作を繰り返すことで、純水20の温度が上がるのを待ち、既定温度より高くなった時点で初めて異常判断を行うようにしている。
If there is no power failure (No in S3), the
一方、既定温度より高ければ(S4のNo)、次に燃料電池10の異常判断を行う。すなわち、まず燃料電池10の異常判断を行う既定時間(ここでは1日毎とした)が経過したかを判断する(S5)。もし、経過していなければ(S5のNo)、再びS1に戻って整流装置3の故障判断以降の動作を繰り返す。
On the other hand, if the temperature is higher than the predetermined temperature (No in S4), the abnormality determination of the
既定時間が経過すれば(S5のYes)、次に水素タンク11の図示しないバルブを開けて水素を燃料電池10に供給するとともに、ブロア14をオンにして空気も供給し、定電流負荷スイッチ30をオンにする(S6)。これにより、燃料電池10が発電を開始し、定電流負荷29が発電した電力を消費する。
When the predetermined time has elapsed (Yes in S5), the valve (not shown) of the
次に、定電流負荷29が発電電力を消費している時の燃料電池10の出力電圧を電圧検出部15で検出する。なお、定電流負荷29は負荷4が消費する平均電力や最大電力など事前に決定した電力を消費するように設定されている。従って、主電源1の異常時に実際に燃料電池10が発電動作している状態と同じ条件で燃料電池10の出力電圧を検出することで、より正確な異常判断が可能となり、さらなる高信頼性が得られる。
Next, the
燃料電池10の電圧が異常であれば(S7のNo)、燃料電池10に異常があることになる。この場合は、まず定電流負荷スイッチ30をオフにして燃料電池10の電力消費を停止するとともに、燃料電池異常警告を発する(S8)。これにより、使用者は燃料電池10の修理等の対処を行うことができる。
If the voltage of the
さらに、燃料電池10に対する水素供給を停止するとともに(ここでは水素タンク11のバルブを閉じる)、ブロア14をオフにして空気供給も停止する(S9)。また、このままでは補助電源5として正常に機能できないので、フローチャートを終了するが、前記警告は発し続けて修理を促す。
Further, the hydrogen supply to the
一方、S7に戻って、燃料電池10の電圧が正常であれば(S7のYes)、燃料電池10は正常に動作していることがわかったので、これ以上無駄に水素を消費しないために、定電流負荷スイッチ30をオフにするとともに、燃料電池10への水素供給を停止し、ブロア14をオフにして空気供給も停止する(S10)。これにより、燃料電池10の発電動作が停止する。
On the other hand, returning to S7, if the voltage of the
次に、燃料電池10の異常判断に伴って水素タンク11の水素を消費したので、水素タンク11の圧力が既定圧力(例えば一般的な水素ボンベの満充填圧力である10MPa程度)以下になっていれば(S11のYes)、既定圧力になるまで水素を充填する。
Next, since the hydrogen in the
すなわち、まず水素発生部13の温度センサ26の出力が既定温度(5℃)以下であれば(S12のYes)、純水20が凍結している可能性があるので水素補充ができない。この場合は、補充せずにS1に戻る。
That is, first, if the output of the
一方、既定温度より高ければ(S12のNo)、水素発生部スイッチ28をオンにする(S13)。これにより、定電流源27に交流電源2が供給され、直流の定電流に変換して水素発生部13に定電流を供給する。これにより、水素が発生する。
On the other hand, if the temperature is higher than the predetermined temperature (No in S12), the
発生した水素は水素タンク11に充填させるが、その方法は特に図示していないがコンプレッサやリザーバータンク等を組み合わせて、水素タンク11の圧力より高い圧力を発生させて充填する一般的な方法で構わない。
Although the generated hydrogen is filled in the
この後、S11に戻り、水素タンク11の圧力が既定圧力に至ったかの判断以降の動作を行う。
Then, it returns to S11 and performs the operation | movement after the judgment whether the pressure of the
もし、水素タンク11の圧力が既定圧力に至っていれば(S11のNo)、水素発生部スイッチ28をオフにして(S14)、水素の補充を停止する。その後、水素発生部13に設けた水量上限センサ21がオンであるか否かを判断する(S15)。なお、水量上限センサ21は純水20が水量上限センサ21に至った時にオン、至っていなければオフになる特性を有する。従って、もし水量上限センサ21がオフであれば(S15のNo)、図示しない純水バルブを開けて水素発生部13に対して純水を供給する(S16)。その後、S15に戻って満水になるまで給水を続ける。
If the pressure in the
もし、水量上限センサ21がオンになれば(S15のYes)、水素発生部13には純水20が満水状態になっているので、純水20の供給を停止し(S17)、S1に戻る。
If the water amount
以上が主電源1の正常時における動作であるが、次に、異常時の動作について説明する。
The above is the operation when the
S2で整流装置3の異常警告を発した後やS3のYesで停電を検出した時は、まず負荷4へ蓄電部9の電力を出力するとともに、水素タンク11から燃料電池10に水素を供給し、同時にブロア14をオンにして空気も供給する(S18)。これにより、燃料電池10の起動を行う。なお、蓄電部9の電力をまず負荷4に供給するのは、燃料電池10が直接水素供給型であり、毎日1回異常判断を行って予め起動確認をしているにもかかわらず、再起動するまでに数秒程度の時間がかかるためである。
When a power failure is detected in S3 after issuing an abnormality warning of the rectifier 3 in S2, first, the power of the
次に、電圧検出部15により燃料電池10の起電圧を検出する(S19)。なお、この場合は燃料電池スイッチ16がオフなので、燃料電池10は無負荷状態である。従って、異常判断時の判断基準である発電時の電圧ではなく、起動完了時の起電圧を既定電圧として起動したか否かを判断している。
Next, the electromotive voltage of the
もし、燃料電池10の起電圧が既定電圧に至っていなければ(S19のNo)、再びS19に戻って既定電圧になるのを待つ。既定電圧に至れば(S19のYes)、蓄電部9から燃料電池10に電力を切り替えるために燃料電池スイッチ16をオンにする(S20)。
If the electromotive voltage of the
その後、停電検出部6の出力により停電が回復したか否かを判断する(S21)。まだ停電が回復していなければ(S21のNo)、引き続き負荷4に燃料電池10から電力を供給し続けながら、水素タンク11の圧力をモニターする。もし、既定圧力(ここでは水素タンク11の残圧がほとんど無い状態である例えば2kPa)まで低下していなければ(S22のNo)、まだ水素は水素タンク11内に残っているので、S21に戻り引き続き停電回復判断以降の動作を行う。なお、既定圧力を0としてしまうと、水素タンク11の内部に水素以外のガスが混入してしまう可能性があるので、残圧を僅かに残すために既定電圧を2kPa程度とした。
Thereafter, it is determined whether or not the power failure has been recovered by the output of the power failure detection unit 6 (S21). If the power failure has not yet recovered (No in S21), the pressure in the
一方、水素タンク11の圧力が既定圧力以下となり、水素が水素タンク11内にほとんど無い状態になれば(S22のYes)、これ以上燃料電池10による発電ができないので、燃料電池スイッチ16をオフにして水素不足警告を発する(S23)。その後、S9にジャンプして水素や空気の供給を停止してフローチャートを終了する。
On the other hand, if the pressure in the
このような動作を行うことにより、負荷4には電力が供給できなくなる。しかし、主電源1が異常時に、常に水素タンク11に水素が満充填された状態の燃料電池10で電力の大部分を供給しているので、本実施の形態1と同体積で、蓄電部9のみで負荷4に電力を供給する電源装置に比べると、長時間の供給が可能となり、主電源1の異常時の信頼性が向上する。
By performing such an operation, power cannot be supplied to the
さて、S21に戻って、主電源1の停電が回復したら(S21のYes)、整流装置3の故障を判断し(S24)、もし故障していたら(S24のYes)、停電が回復しても主電源1から負荷4に電力を供給できないので、引き続き燃料電池10から負荷4に電力を供給し続けるために、S22にジャンプし、水素タンク11の圧力判定以降の動作を行う。なお、この動作は整流装置3の故障と停電が同時に発生した場合に対応したものであり、この場合はたとえ停電が回復しても整流装置3は故障したままなので、燃料電池10から継続して電力を供給し続ける。
Now, returning to S21, if the power failure of the
一方、整流装置3が正常であれば(S24のNo)、主電源1からの電力供給が可能となり、燃料電池10による発電は不要になるので、直ちに水素タンク11からの水素供給を停止するとともに、ブロア14をオフにして空気供給も止め、燃料電池スイッチ16をオフにして、負荷4への電力供給を停止する(S25)。その後、停電中に消費した水素を水素タンク11に補充するためにS11以降の動作を行う。
On the other hand, if the rectifier 3 is normal (No in S24), power can be supplied from the
以上が本実施の形態1の電源装置の基本的な動作である。実際にはさらに細かい動作(例えば蓄電部9を放電した後の充電動作や、図示していない各種バルブの制御など)も行っているが、ここでは割愛している。また、図3のフローチャートでは省略しているが、図3とは別に停電や整流装置3の故障監視といった主電源1の異常判断を常時行う割り込みルーチンを実行させておき、例えば図3のS6以降の燃料電池異常判断中などに主電源1の異常を検出すれば、直ちに燃料電池10の異常判断などの処理を中止し、S18以降の補助電源5の動作ルーチンにジャンプするようにしている。これにより、制御部7がどのような処理を実行していても、主電源1の異常に対し迅速に対応できるので、極めて信頼性の高い電源装置が実現できる。
The above is the basic operation of the power supply device according to the first embodiment. Actually, more detailed operations (for example, charging operation after discharging the
以上の構成、動作により、既定条件時に燃料電池10を実際に動作させて正常に発電できるかを監視することで異常判断(起動確認)を行っているので、主電源1の異常時にも確実に燃料電池10で発電することが可能となり、極めて信頼性の高い電源装置を実現できた。
With the above-described configuration and operation, abnormality determination (startup confirmation) is performed by monitoring whether the
なお、本実施の形態1では水素発生部13を純水20の電気分解式で構成したが、これに限定されるものではなく、例えば都市ガスやプロパンガス、灯油等を改質器で改質した後、水素のみをパラジウム膜等により抽出、精製する構成としてもよい。
In the first embodiment, the
(実施の形態2)
図4は本発明の実施の形態2における電源装置のブロック構成図である。図5は本発明の実施の形態2における電源装置の動作を示すフローチャートである。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a block configuration diagram of a power supply device according to
なお、本実施の形態2でも定置型の無停電電源システムとしての電源装置の例について説明する。また、図4の太線、細線、および点線矢印の意味は実施の形態1と同じである。 In the second embodiment, an example of a power supply device as a stationary uninterruptible power supply system will be described. In addition, the meanings of thick lines, thin lines, and dotted arrows in FIG. 4 are the same as those in the first embodiment.
また、図4において、図1と同じ構成要素については同じ符号を用いて詳細な説明を省略する。すなわち、本実施の形態2の構成上の特徴は図4において水素発生部13と水素タンク11の間の配管に電動式の切替弁31を設けたことである。切替弁31は三方弁構造をしており、内蔵モーターによって水素発生部13から発生した水素を水素タンク11に供給するか、水素タンク11をバイパスして燃料電池10に直接供給するか、または弁の角度によって水素発生部13の水素をどちらにも流さないように閉状態にすることができる。
In FIG. 4, the same components as those in FIG. That is, the structural feature of the second embodiment is that an
このような構成とすることで、水素発生部13で生成した水素は水素タンク11へも燃料電池10へも供給することができる。従って、燃料電池10の異常判断時には発電により消費される水素量が少ないので、水素発生部13で生成した水素を使って異常判断し、主電源1が異常になって燃料電池10を長時間動作させたことによる水素消費分を水素タンク11に補充する時は、実施の形態1と同様に水素発生部13で生成した水素を水素タンク11に充填している。
With such a configuration, the hydrogen generated by the
これにより、実施の形態1では燃料電池10の異常判断時に水素タンク11から水素を供給していたので、異常判断毎に水素タンク11へ水素を補充していたが、本実施の形態2では異常判断時に水素タンク11の水素を一切使用しないので、異常判断後の水素補充が不要となる。その結果、水素補充中に主電源1が異常となった時に、必ず水素タンク11は水素が満充填の状態であるため、負荷4への最長の電力供給がいつでも可能となり、さらに信頼性が高まる。
As a result, in the first embodiment, hydrogen is supplied from the
次に、この電源装置の基本動作について図5のフローチャートを参照しながら説明する。なお、図5において、図3と同じ動作をする部分には同一のステップ番号を付して詳細な説明は省略する。 Next, the basic operation of this power supply apparatus will be described with reference to the flowchart of FIG. In FIG. 5, the same step numbers are assigned to parts that perform the same operations as those in FIG. 3, and detailed descriptions thereof are omitted.
図5において図3と異なる部分は、まず主電源1が正常時に燃料電池10の異常判断を行うルーチン(S26以降)である。すなわち、S1、S3、S4、S5で燃料電池10の異常判断を行う条件が揃うと、まず制御部7は切替弁31を燃料電池10側に切り替える。次に水素発生部スイッチ28をオンにする。これにより定電流源27から水素発生部13に直流の定電流が供給され、水素が発生する。この水素は切替弁31によりバイパスを通って燃料電池10に直接供給される。同時にブロア14をオンにして空気も供給する。これにより、燃料電池10の発電準備が整ったので、定電流負荷スイッチ30をオンにして燃料電池10を発電させる(以上、S26)。この時の発電条件(負荷消費条件)は実施の形態1と同じである。
5 differs from FIG. 3 in a routine (S26 and subsequent steps) for determining abnormality of the
次に、燃料電池10の両端電圧が正常であるか否かを判断し(S7)、異常であれば(S7のNo)、直ちに切替弁31を水素タンク11側に切り替えて燃料電池10への水素供給を止め、同時に水素発生部スイッチ28をオフにして水素発生も止める。さらに、定電流負荷スイッチ30をオフにして燃料電池10による発電を停止させ、燃料電池異常警告を発する(以上、S27)。その後ブロア14をオフにして空気供給も止め(S28)、フローチャートを終了する。
Next, it is determined whether or not the voltage across the
一方、S7で燃料電池10が正常であれば(S7のYes)、これ以上発電を継続する必要がないので、直ちに切替弁31を水素タンク11側に切り替えて燃料電池10への水素供給を止め、同時に水素発生部スイッチ28をオフにして水素発生も止める。さらに、ブロア14をオフにして空気供給も止め、定電流負荷スイッチ30をオフにする(以上、S29)。これにより、燃料電池10による発電を停止させる。
On the other hand, if the
後は、実施の形態1と同様に、水素タンク11の圧力判断以下の動作(S11以降)を行う。なお、本実施の形態2では、上記した燃料電池10の異常判断時に水素タンク11に水素を一切使っていないが、それでも水素タンク11の圧力判断を行っているのは、水素タンク11から長期間の内に僅かずつ水素が減少していく可能性があり、それによる圧力低下を監視するためである。従って、既定圧力に達しなければ、たとえ燃料電池10の異常判断で水素タンク11の水素を使用していなくても、既定圧力になるまで水素を充填するようにしている。これにより、いつでも水素タンク11には水素が満充填状態となり、極めて信頼性の高い電源装置が実現できる。
After that, as in the first embodiment, the operation after the pressure determination of the hydrogen tank 11 (S11 and subsequent steps) is performed. In the second embodiment, no hydrogen is used in the
次に、実施の形態1と異なる部分は、主電源1が異常で燃料電池10から負荷4に電力を供給している時に水素タンク11の水素がなくなった場合(S22のYes以降)であるが、ここではS27が図3のS8と異なる動作のため、フローチャートの表記上、違いが現れただけであり、動作(S30→S28)自体は実施の形態1と全く同じである。
Next, the difference from the first embodiment is when the hydrogen in the
上記以外の動作フローチャートは図3と同一である。 The operation flowchart other than the above is the same as FIG.
以上の構成、動作により、燃料電池10の異常判断時に水素発生部13で水素を生成して発電の異常判断を行うことから、水素タンク11の水素を減らすことなく異常判断ができるので、主電源1の異常時に負荷4へ長時間の電力供給がいつでも可能となり、さらに信頼性の高い電源装置を実現できた。
With the above configuration and operation, when the abnormality of the
(実施の形態3)
図6は本発明の実施の形態3における電源装置のブロック構成図である。図7は本発明の実施の形態3における電源装置の水素発生部の断面図である。図8は本発明の実施の形態3における電源装置の動作を示すフローチャートである。図9は本発明の実施の形態3における電源装置の燃料電池異常判断用駆動条件としての水素発生部の温度に対する水素発生部に供給する電流の相関図である。
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a block configuration diagram of a power supply device according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view of the hydrogen generation part of the power supply device according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the power supply apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 9 is a correlation diagram of the current supplied to the hydrogen generator with respect to the temperature of the hydrogen generator as the drive condition for determining the fuel cell abnormality of the power supply device according to Embodiment 3 of the present invention.
なお、本実施の形態3では車載時の例として、車両制動時の非常用の電源装置について説明する。また、図6の太線、細線、および点線矢印の意味は実施の形態1と同じである。 In the third embodiment, an emergency power supply apparatus during vehicle braking will be described as an example of in-vehicle use. The meanings of the thick line, thin line, and dotted line arrow in FIG. 6 are the same as those in the first embodiment.
また、図6、図7において、それぞれ図4、図2と同じ構成要素については同じ符号を用いて詳細な説明を省略する。すなわち、本実施の形態3は基本的には実施の形態2と同様の構造であるが、車載するにあたって以下の構成上の特徴を図6、図7を参照しながら説明する。 6 and 7, the same components as those in FIGS. 4 and 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. That is, the third embodiment basically has the same structure as that of the second embodiment, but the following structural features will be described with reference to FIGS.
1)主電源1はバッテリに相当し、元々直流であるので、整流装置3はない。
1) Since the
2)それに伴い、整流装置故障検出部8もなく、さらに停電検出部6の替わりに、ほぼ同じ構成の主電源電圧検出部32を設けた。
2) Accordingly, the rectifier
3)純水の供給源(水道水など)がないため、水素発生部13への純水供給を自動的に行わず、水不足警告の発生時や車両の定期点検時等に手動で水素発生部13へ純水20を供給するようにした。
3) Since there is no supply source of pure water (such as tap water), the pure water supply to the
4)それに伴い、水量上限センサ21を廃した。
4) Along with this, the water amount
5)純水20の残量を検出するために、水素発生時の水電解素子24に流れる電流を求めるようにした。そのため、定電流源27に図示しない電流センサを内蔵した。
5) In order to detect the remaining amount of the
6)水素発生部13に貯蔵する純水20は車両の振動による液面の変動を避けるために、図7に示すようにスポンジ状樹脂33に含浸させるようにした。
6) The
7)水素タンク11の内部には希土類を含む合金からなる水素吸蔵合金(例えばLaNi5)を内蔵した。これにより、水素の満充填時の圧力を約2MPaに低くできるので、高耐圧設計が不要となり水素タンク11の小型化が可能となる上、コンプレッサやリザーバータンク等が不要となるため、それらの故障を考慮する必要がなくなり信頼性が向上する。
7) A hydrogen storage alloy (for example, LaNi 5 ) made of an alloy containing a rare earth was built in the
8)主電源1の異常時にできるだけ速やかに水素を放出するために、図6に示すように水素タンク11を燃料電池10の近傍に配置し、発電時の燃料電池10の熱を水素タンク11に伝達するようにした。
8) In order to release hydrogen as quickly as possible when the
9)燃料電池10の異常判断は車両の起動毎に行う。
9) The abnormality determination of the
10)搭載した燃料電池10の大きさは主電源1が異常時に車両制動用の負荷4を駆動して安全に停車させることができるだけの電力が供給できる大きさとした。
10) The size of the mounted
11)それに伴い、水素タンク11に貯蔵される水素量も最低限、上記電力を発電できるだけが必要であるので、安全係数を5倍とした水素量を貯蔵できるだけの大きさ、および水素吸蔵合金量とした。
11) Accordingly, since the amount of hydrogen stored in the
12)車両使用中に水素タンク11への水素充填を行わないようにした。従って、図6に示すように水素発生部13から水素タンク11に至る配管を廃し、切替弁31は水素の供給、停止のみ行う水素弁31aに変更した。水素弁31aは燃料電池10の異常判断時以外は常に閉じているので、主電源1の異常時に水素タンク11から水素発生部13への水素の逆流を防止している。
12) The
以上が主要な構成上の変更点であるが、これらの内、電流センサ関連と水素発生部13の構造関連について以下に詳しく説明する。
The above are the main structural changes. Among these, the current sensor and the structure of the
まず、電流センサ関連について述べる。 First, the current sensor related will be described.
水素発生部13内の純水20の有無については、純水20を電気分解するために水素発生部13に電力を供給する定電流源27に内蔵された図示しない電流センサによってモニターしている。すなわち、純水20が無くなれば水電解素子24をプロトンが伝導できなくなるため水素を生成することができず、そのため電流も流れなくなる。
The presence or absence of
従って、電流センサの出力が既定電流に達しなければ純水20が無いと判断している。この場合、運転者に対して水不足警告を行い、純水20の給水を促す。
Therefore, if the output of the current sensor does not reach the predetermined current, it is determined that there is no
次に、水素発生部13の構造関連について図7を参照しながら説明する。
Next, the structural relationship of the
実施の形態1で説明した水素発生部13との最大の相違点は純水20をスポンジ状樹脂33に含浸させた点である。具体的には、水素発生部13の内部には2つのスポンジ状樹脂33、すなわち水素管19側に配置したスポンジ状樹脂(以下、水素管側スポンジ状樹脂33aと呼ぶ)と酸素管18側に配置したスポンジ状樹脂(以下、酸素管側スポンジ状樹脂33bと呼ぶ)が配されている。両者のスポンジ状樹脂33の空隙率は80%とし、その空隙に純水20が含浸された状態で貯蔵されている。このように純水20を貯蔵することにより、車両の振動による水の飛散で酸素管18や水素管19が詰まるのを防止している。
The greatest difference from the
なお、実施の形態1で説明したのと同様に、電気分解時には酸素管18側の純水20が主に消費されるので、図2のように水素管側スポンジ状樹脂33aは酸素管側スポンジ状樹脂33bより小さくしている。また、水電解素子24が乾燥するのを防ぐため水素管側スポンジ状樹脂33aにも純水20を含浸させている。
As described in the first embodiment, since
ここで、酸素管18、および水素管19は、それぞれ酸素管側スポンジ状樹脂33b、および水素管側スポンジ状樹脂33aと接しない位置までの長さとした。これにより、発生した酸素、および水素は必ず空間22を経由して排出されるので、スポンジ状樹脂33に含まれる純水20の酸素管18や水素管19の内部での詰まりを防止できる。
Here, the
なお、開口部25は水素発生部13の底部近傍に設けてあり、開口部25に位置する水電解素子24のみがスポンジ状樹脂33と接する構成としているので、純水20の残量が少なくなっても、底部近傍はスポンジ状樹脂33に純水20が含まれており電気分解が継続できる。
The
また、車両寿命を15年とし、毎日2回車両を起動する条件で、1回の燃料電池10の異常判断に使用する水素量を生成できるだけの純水量を求めた結果から、水素発生部13の大きさは余裕をみて約1L(リットル)とした。なお、その他の特に説明していない部分については実施の形態1と同じ構造である。
Further, from the result of obtaining the amount of pure water that can be used to determine the amount of hydrogen used for one abnormality determination of the
以上のような構成上の特徴に基づいて、本実施の形態3の電源装置の動作を図8のフローチャートに従って説明する。 Based on the above structural features, the operation of the power supply apparatus according to the third embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
まず、車両を起動すると制御部7に電力が供給され、図8のフローチャートが実行される。これにより、最初に異常判断フラグをオフにする(S51)。なお、異常判断フラグは車両を起動してから燃料電池10の異常判断が行われたか否かを示すフラグで、フラグがオンになれば異常判断を行ったことになる。この異常判断フラグを使用する理由は、低温時などで車両起動時に燃料電池10の異常判断ができなかったことを示すためである。
First, when the vehicle is started, power is supplied to the
次に、温度センサ26の出力が既定温度(5℃)以下であるか否かを判断する(S52)。これは水素発生部13の凍結可能性を検出するためであり、低温時には温度が既定温度より高くなるまで燃料電池10の異常判断を行わない。
Next, it is determined whether or not the output of the
もし、既定温度以下であれば(S52のYes)、異常判断を行わず、主電源1の異常監視以降の動作(S61以降)を行う。これについては後述する。 If the temperature is equal to or lower than the predetermined temperature (Yes in S52), the abnormality determination is not performed and the operation after the abnormality monitoring of the main power source 1 (S61 and after) is performed. This will be described later.
一方、既定温度より高ければ(S52のNo)、燃料電池10の異常判断ルーチンを実行する。すなわち、まず異常判断を行う条件が整ったので、異常判断フラグをオンにする。次に、現在の温度に応じた定電流源27の出力定電流値を設定する。さらに、水素弁31aを開き水素発生部スイッチ28をオンにする(以上、S53)。これにより、定電流源27から設定された定電流が水素発生部13の水電解素子24に供給され、水素と酸素が生成する。
On the other hand, if the temperature is higher than the predetermined temperature (No in S52), an abnormality determination routine for the
ここで、温度に応じて定電流値を変える理由について説明する。 Here, the reason why the constant current value is changed according to the temperature will be described.
発生した水素は気体であるので、一定電流で電気分解すると、一定時間内に発生する水素量が環境温度によって大きく変化してしまう。発生させたい水素量は燃料電池10の大きさで決まっているので、単に一定電流で電気分解すると、必要水素量を得る時間が温度により大きく変化してしまい、特に低温時に時間がかかることになる。従って、一定時間内に同量の水素を発生させるためには温度に応じて電流値を変化させる必要がある。
Since the generated hydrogen is a gas, the amount of hydrogen generated within a predetermined time greatly varies depending on the environmental temperature when electrolyzed with a constant current. Since the amount of hydrogen to be generated is determined by the size of the
ここで、電解時間を1分と設定した。これは、水電解素子24に流せる電流値と大きさから発生できる水素量を求めた結果、1分程度に設定しないと水電解素子24の大型化や大電流化が不可避となることがわかったからである。なお、電解中(1分間)等に主電源1が異常となる可能性があるが、これに対しては実施の形態1の動作で説明したように、主電源1の異常を割り込みルーチンが監視するようにしている。従って、主電源1が異常になれば直ちに燃料電池10の異常判断等の処理を中止し負荷4に電力を供給できるので、高信頼性が得られる。
Here, the electrolysis time was set to 1 minute. This is because, as a result of obtaining the amount of hydrogen that can be generated from the current value and the magnitude that can be passed through the
上記の電解条件で環境温度による電解電流を求めた結果が図9に示すグラフである。図9において、横軸は環境温度、すなわち水素発生部13の温度(温度センサ26で求める)を、縦軸は水電解素子24に流す電解電流を示す。図9より温度が低いほど発生する水素量が減るので、その分多く電流を流す必要があることがわかる。しかし、使用温度範囲内(5℃〜85℃)において最大電流は約10Aであるので、大電流に対応した配線系統とする必要がなくなる。
FIG. 9 is a graph showing the results of obtaining the electrolysis current depending on the environmental temperature under the above electrolysis conditions. In FIG. 9, the horizontal axis indicates the environmental temperature, that is, the temperature of the hydrogen generator 13 (obtained by the temperature sensor 26), and the vertical axis indicates the electrolytic current that flows through the
なお、図9の電流範囲で水電解素子24にかかる電圧は最低でも約3Vであったので、水の電気分解に要する電圧(約2V)を上回っており、どんな温度でも水の電気分解が可能であることがわかった。
In addition, since the voltage applied to the
以上より、制御部7は図9のグラフに基づくデータを記憶しているので、現在の温度に対応する電解のための既定電流を求めて定電流源27に送信している。
As described above, since the
ここで、図8のフローチャートに戻って、設定された既定の定電流が流れているかを定電流源27に内蔵した電流センサで検出する。もし、既定電流が流れていなければ、水素発生部13の純水20が不足していることになるので水不足の警告を行うルーチン(後述するS60以降)にジャンプする。
Here, returning to the flowchart of FIG. 8, it is detected by the current sensor built in the constant
一方、既定電流が流れていれば(S54のYes)、水素は正常に発生して燃料電池10に供給されているので、ブロア14をオンにして空気も供給するとともに、定電流負荷スイッチ30をオンにして燃料電池10の発電を開始する(以上、S55)。なお、この時の定電流負荷29の負荷電流条件(燃料電池10の発電条件)は実施の形態1で述べたように負荷4が実際に消費する平均や最大の電力条件になるように設定してある。
On the other hand, if the predetermined current is flowing (Yes in S54), hydrogen is normally generated and supplied to the
次に、電圧検出部15で燃料電池10の両端電圧を検出する。これが既定電圧に至らず異常値であれば(S56のNo)、燃料電池10は異常であると判断できる。この場合は直ちに水素弁31aを閉じ、水素発生部スイッチ28、および定電流負荷スイッチ30をいずれもオフにするとともに、運転者に対して燃料電池10の異常警告を行う(S57)。その後、ブロア14もオフにすることにより(S58)、燃料電池10を停止させ、フローチャートを終了する。この時の警告は継続して発し続けられるので、運転者に対し燃料電池10の修理を促すことができる。
Next, the
なお、この場合は主電源1が異常になっても燃料電池10から電力が供給できなくなるので、車両側の制御装置(図示せず)は電気的な油圧制御から機械的な油圧制御に切り替える。これにより、万一走行中に主電源1が異常になっても、ブレーキペダルが重くなるものの踏力により発生した油圧で車両を停止することができる。
In this case, since the electric power cannot be supplied from the
さて、フローチャートのS56に戻って、もし燃料電池10が正常であることがわかれば(S56のYes)、これ以上純水20を無駄にする必要はないので、直ちに水素発生部スイッチ28をオフにして水素の発生を止めるとともに、ブロア14をオフにして空気供給を止め、定電流負荷スイッチ30をオフにし、さらに水素弁31aを閉じて燃料電池10の発電を停止する(S59)。その後、主電源1の異常判断以降のルーチン(S61)にジャンプする。
Now, returning to S56 of the flowchart, if it is found that the
ここでS54に戻って、もし既定電流に至らなければ(S54のNo)、純水20が不足していることになるので、直ちに水素弁31aを閉じ、水素発生部スイッチ28をオフにすることで水素発生部13の動作を停止し、運転者に純水不足を警告する(S60)。これにより、運転者に水素発生部13への純水20の供給を促す。この後は純水20が不足しているものの、燃料電池10は正常であり、水素タンク11の水素は使われていないので、主電源1が異常になっても負荷4に電力を供給できる。従って、次に通常の主電源1の異常監視ルーチンに入る(S61以降)。
Returning to S54, if the predetermined current is not reached (No in S54), the
まず、主電源1の電圧を主電源電圧検出部32で検出し、異常であるか判断する(S61)。ここで、主電源1は本実施の形態3ではバッテリなので、バッテリの最低出力電圧である9.5Vを既定電圧とし、断線などでそれ以下になると異常と判断している。
First, the voltage of the
もし、異常が無ければ(S61のNo)、温度センサ26の出力が既定温度(5℃)以下であるかを判断する(S62)。これは、低温時で燃料電池10の異常判断ができなかった時、現時点では異常判断ができる温度に達したか否かを判断していることになる。もし、まだ既定温度以下であれば(S62のYes)、再びS61に戻って主電源1の監視以降の動作を繰り返す。
If there is no abnormality (No in S61), it is determined whether the output of the
一方、既定温度より高ければ(S62のNo)、次に異常判断フラグの状態を調べる(S63)。もし、異常判断フラグがオンならば(S63のNo)、すでに燃料電池10の異常判断は終了しているので、再びS61に戻って主電源1の監視以降の動作を繰り返す。
On the other hand, if the temperature is higher than the predetermined temperature (No in S62), then the state of the abnormality determination flag is examined (S63). If the abnormality determination flag is on (No in S63), the abnormality determination of the
一方、異常判断フラグがオフであれば(S63のYes)、まだ燃料電池10の異常判断が行われていないものの、S62で既定温度より高いことがわかっているので、この時点で初めて異常判断を行うことができる。従って、S53にジャンプし、異常判断ルーチンを実行する。
On the other hand, if the abnormality determination flag is off (Yes in S63), the abnormality determination of the
ここでS61に戻って、主電源1の電圧が異常であった場合は(S61のYes)、直ちに負荷4へ蓄電部9の電力を出力すると同時に、燃料電池10の起動を開始する。具体的には水素タンク11の高圧水素が水素発生部13に逆流しないように水素弁31aを閉じ、水素タンク11から燃料電池10に水素を供給するとともに、ブロア14をオンにして空気も供給する(以上、S64)。この状態で電圧検出部15により燃料電池10の起電圧を検出する。もし、起電圧が負荷4を駆動するための既定電圧に達していなければ(S65のNo)、再びS65に戻り、既定電圧に達するまで待つ。
Here, returning to S61, if the voltage of the
既定電圧に達すれば(S65のYes)、燃料電池10の発電準備が整ったので、負荷4に対して電力を供給するために燃料電池スイッチ16をオンにする(S66)。次に、主電源1の電圧を主電源電圧検出部32で監視する。もし、何らかの理由で主電源1の電圧が回復したら(S67のYes)、直ちに燃料電池10への水素供給を停止するとともにブロア14をオフにし、さらに燃料電池スイッチ16をオフにするとともに、これまでに水素タンク11から使用した水素を満量まで補充するために水素充填警告を運転者に発する(S68)。これにより燃料電池10が停止し、無駄な水素の消費を抑制できる。さらに、水素充填警告に従って運転者が水素タンク11に水素を満充填することで、再度主電源1の異常が発生しても燃料電池10を十分起動でき、信頼性が高まる。
When the predetermined voltage is reached (Yes in S65), the
一方、S67で主電源1が回復していなければ、圧力センサ12の出力を読み込み、水素タンク11の圧力が既定圧力(水素タンク11に空気などのガスが流入しないための下限圧力である2kPa)以下か否かを判断する(S69)。もし、既定圧力より高ければ(S69のNo)水素はまだあるので、燃料電池10の発電を続けながらS67に戻り、主電源回復判断以降の動作を行う。
On the other hand, if the
一方、既定圧力以下になれば(S69のYes)水素がなくなったので、直ちに燃料電池スイッチ16をオフにするとともに、運転者に対し水素不足を警告し、燃料電池10への水素供給を停止する(以上、S70)。さらに、S58にジャンプしブロア14をオフにすることによって燃料電池10の発電を停止し、フローチャートを終了する。この場合も主電源1が異常のまま燃料電池10の発電もできなくなったため、車両の制御装置(図示せず)は前記したように機械的な油圧制御に切り替えて、ブレーキペダル踏力による油圧で車両を停止できるようにする。
On the other hand, if the pressure is equal to or lower than the predetermined pressure (Yes in S69), the hydrogen has disappeared, so the
以上が本実施の形態3の電源装置の基本的な動作であるが、実際には実施の形態1と同様のさらに細かい動作も行っている。 The above is the basic operation of the power supply device according to the third embodiment, but actually, the same detailed operation as in the first embodiment is also performed.
以上の構成、動作により、車載用の補助電源5においても既定条件時に燃料電池10を実際に動作させて正常に発電できるかを監視しているので、主電源1の異常時にも確実に燃料電池10で発電することが可能となり、極めて信頼性の高い電源装置を実現できた。
With the above-described configuration and operation, the in-vehicle
なお、本実施の形態3では負荷4として車両制動時の非常用の電源装置を例に説明したが、これはアイドリングストップ車のアイドリングストップ中における電装品駆動用バッテリの異常に対する補助電源など、他の車載システムの補助電源としての電源装置に適用してもよい。
In the third embodiment, the emergency power supply device for braking the vehicle is described as an example of the
また、水素吸蔵合金を内蔵した水素タンク11は実施の形態1や2で用いてもよい。但し、水素発生部13で発生した水素には純水20からの水蒸気が含まれるので、このまま水素吸蔵合金を内蔵した水素タンク11に充填すると、水素中に含まれる水蒸気が水素吸蔵合金の表面と反応し、水素吸蔵能力が劣化してしまう。従って、この場合は充填配管経路の途中に除湿器を設ける必要がある。また、改質器を使用する場合は、上記と同様の理由により改質ガス中の水素のみを抽出するパラジウム膜等で構成された水素精製器も必要になる。
Further, the
本発明にかかる電源装置は、主電源の異常時に確実に動作できるように燃料電池の異常判断を行う高信頼な電源装置の構成としたので、特に無停電電源システムや車両用負荷に対する非常時の電源バックアップ用等に有用である。 Since the power supply device according to the present invention has a highly reliable power supply device configuration for determining the abnormality of the fuel cell so that it can be reliably operated when the main power supply is abnormal, it is particularly suitable for an uninterruptible power supply system or a vehicle load. Useful for power backup.
1 主電源
4 負荷
5 補助電源
7 制御部
9 蓄電部
10 燃料電池
11 水素タンク
12 圧力センサ
13 水素発生部
18 酸素管
19 水素管
20 純水
21 水量上限センサ
23 仕切り板
24 水電解素子
25 開口部
26 温度センサ
27 定電流源
29 定電流負荷
33 スポンジ状樹脂
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記負荷に電力を供給する主電源と、
前記主電源が既定電圧以下になる異常が発生した時に、前記負荷に対して補助的に電力を供給する補助電源とからなり、
前記補助電源は、
前記主電源が既定電圧以下の時に前記負荷に電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池が起動するまでの間、前記負荷に電力を供給する蓄電部と、
前記補助電源全体を制御する制御部と、
前記燃料電池に水素を供給する水素タンクと、
水素を発生する水素発生部とを有し、
前記制御部は前記主電源が正常で、かつ既定条件時に、前記燃料電池に前記水素を供給し、
前記燃料電池を既定条件で発電させることにより、
前記燃料電池の異常を判断する電源装置。 Load,
A main power supply for supplying power to the load;
When an abnormality occurs in which the main power supply becomes a predetermined voltage or less, an auxiliary power supply that supplementarily supplies power to the load is formed.
The auxiliary power is
A fuel cell for supplying power to the load when the main power source is below a predetermined voltage;
A power storage unit that supplies power to the load until the fuel cell is started,
A control unit for controlling the entire auxiliary power source;
A hydrogen tank for supplying hydrogen to the fuel cell;
A hydrogen generation part for generating hydrogen,
The control unit supplies the hydrogen to the fuel cell when the main power supply is normal and at a predetermined condition,
By generating the fuel cell under predetermined conditions,
A power supply apparatus for determining an abnormality of the fuel cell.
前記制御部は、燃料電池の異常判断時に前記電流センサの出力が既定電流に達しなければ前記燃料電池の異常判断を行わない請求項6に記載の電源装置。 The constant current source has a built-in current sensor, and the output of the current sensor is connected to the control unit,
The power supply device according to claim 6, wherein the control unit does not determine the abnormality of the fuel cell unless the output of the current sensor reaches a predetermined current when determining the abnormality of the fuel cell.
水が前記スポンジ状樹脂に含浸された状態で貯蔵されるとともに、
前記水電解素子で仕切られた部分にそれぞれ取り付けた水素管、および酸素管は前記スポンジ状樹脂と接しない位置までの長さとした請求項6に記載の電源装置。 Inside the hydrogen generation part has a sponge-like resin arranged on both sides partitioned by a water electrolysis element,
And stored in a state where water is impregnated in the sponge-like resin,
The power supply device according to claim 6, wherein a hydrogen pipe and an oxygen pipe respectively attached to portions partitioned by the water electrolysis element have a length up to a position not in contact with the sponge-like resin.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006072331A JP2007250359A (en) | 2006-03-16 | 2006-03-16 | Power supply unit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007250359A true JP2007250359A (en) | 2007-09-27 |
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ID=38594415
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JP (1) | JP2007250359A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014132823A (en) * | 2009-11-06 | 2014-07-17 | Panasonic Corp | Power distribution system |
WO2017149561A1 (en) * | 2016-03-01 | 2017-09-08 | 株式会社 東芝 | Electrochemical device and hydrogen power storage system |
-
2006
- 2006-03-16 JP JP2006072331A patent/JP2007250359A/en active Pending
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WO2017149561A1 (en) * | 2016-03-01 | 2017-09-08 | 株式会社 東芝 | Electrochemical device and hydrogen power storage system |
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