JP2010140761A - 燃料電池制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの挿抜時に過大な電流が流れるのを防止しつつ、必要とされる出力の規模に応じて複数の燃料電池システムの出力を合成して出力電力を増大可能な燃料電池制御システムを提供する。
【解決手段】複数の燃料電池システム１１、１２の蓄電手段１１２と、出力合成手段２の合成蓄電手段４の電位差を調整手段３によって監視し、電位差に基づいて、燃料電池システム１１、１２と出力合成手段２との間の電気的な接続を、抵抗体あるいはインダクタを用いて調整し、過大な電流が流れることを防止する。また、燃料電池システムの挿抜時には挿抜ＳＷ７を押すと、制御回路５が、燃料電池システム１１、１２と出力合成手段２との間の電気的な接続を、抵抗体を介して調整するよう調整手段３を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の燃料電池システムで発生した電力を合成し出力する燃料電池制御システムに関する。

近年、パソコン、携帯電話等のコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れる電池として、リチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源としての需要が増大している。しかし、リチウム二次電池の出力電力や容量には限界があり、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証するまでには至っていない。

このような状況の中で、上記要望に応え得る電池の一例として、固体高分子型燃料電池が提案されている。固体高分子型燃料電池は、電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に燃料(水素、メタノール等)をそれぞれ用い、リチウムイオン電池よりもエネルギー密度が高い電池として注目されている。このような燃料電池において、その水素供給源として、アルミニウム粉と水とを反応させて水素を発生させることが提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。この場合、アルミニウム粉に水を添加し加熱することにより、１００℃以下の低温で動作させることができるので、携帯用燃料電池に好適である。実際には、燃料の供給、すなわち水素の生成量の迅速な加減制御が困難であるため、燃料電池出力を二次電池（リチウムイオン電池等）に蓄電させるように構成することで、小型の携帯用燃料電池システムとして利用が容易となる。一般的な燃料電池は、電解質とそれを挟む一対の電極とで構成される単位であるセル（基本電池）を、複数個直列接続してスタックを形成し、複数のセルを直列接続することで、出力電圧を高めている。

また、リチウムイオン電池は、自己放電が少なく、重量当たりの蓄電量が大きい等の理由から、燃料電池で発電された電力を蓄積するバッファとして好適である。一般的に固体高分子型燃料電池の出力電圧は、１セル当たり１Ｖ以下となることが多く、それに対しリチウムイオン電池は３．６Ｖ程度の電圧である。このため、リチウムイオン電池を燃料電池システムのバッファとして利用する場合、複数のセルをシリーズ化して発生電圧を高電圧化するか、燃料電池で発生した電圧を昇圧回路により高電圧に変換した後に、リチウムイオン電池に充電する必要がある。しかし、このような構成にすることにより、比較的容易に、水素を燃料源とする燃料電池システムを構築できる（たとえば、特許文献２を参照）。

ところで、近年では、燃料電池を種々の場面で利用しようとするニーズが高まっており、それに応じて、出力電力や発電時間等についての多様な要求がなされている。しかし、出力電力を増加させるためには、通常、燃料電池の発電部のセル自体の出力増加や、燃料の供給量の増加を行う必要があり、これに応じて、固体高分子型燃料電池の大型化や、内部のアルミニウム粉による水素発生装置の大型化が必要となり、早急な対応は困難である。

このような要望に対応する方法の一つに、燃料電池等の複数の直流電源を用意し、それら複数の直流電源からの出力を加算する方法が知られている。たとえば、特許文献３では、複数の直流電源から取り出した電力をそれぞれ各直流−直流変換部によって発電量を増やし、各直流−直流変換部の出力を加算し、さらに、直流−交流変換部を介して商用電源系統に連系して電力を注入するインバータ装置が提案されている。また、特許文献３には、太陽電池や燃料電池を想定した複数個の直流電源を用意し、それぞれの出力を合成するだけでなく、直流電源をモジュール化しておき必要に応じて増設することにより様々な容量に対応できることも述べられている。
特開２００４−２３１４６６号公報 特開２００２−１８４４４３号公報 特開２００２−８４７６３号公報

しかし、特許文献３に開示されている燃料電池システムは商用電源系統に接続することを想定しており、また、太陽光発電システムを例に取り上げて説明されているように、取り扱い電力がＫＷオーダーであるため、発電中の直流電源を自在に挿抜することは難しく、複数の直流電源を接続して出力を合成し出力電力を増加できるものの、複数の直流電源の接続や切り離しを如何に制御するかに関しては全く配慮されていない。

また、燃料電池システムが蓄電手段を有する場合、燃料電池システムによっては蓄電手段の充電率も異なるため、必要とされる出力の規模に応じて複数の燃料電池システムを並列接続して該各燃料電池システムの出力を合成しようとすると、過大な電流が流れる危険がある。そのため、複数個の燃料電池システムをどのように接続するかも課題となるが、特許文献３では、燃料電池システムの蓄電手段については何ら考慮されておらず、このような課題の解決方法も開示していない。

本発明は、上記課題に鑑み、出力電力等の種々の顧客要求に対して迅速に対応可能で、かつ、出力電力の増大、あるいは発電時間の長時間化を図ることができる燃料電池制御システムを提供する。

上記課題を解決するために、本発明の第１の燃料電池制御システムは、燃料電池と、前記燃料電池で発電された電力を蓄積する蓄電手段と、前記蓄電手段に蓄積された前記電力を出力する出力手段とを有する複数の燃料電池システムと、前記複数の燃料電池システムからの出力を合成し出力する出力合成手段と、を備えた燃料電池制御システムであって、前記出力合成手段は、前記各燃料電池システムの前記出力手段と機械的及び電気的に接続され、前記各燃料電池システムからの出力をそれぞれ受け入れる複数の入力手段と、前記複数の入力手段を介して受け取った前記複数の燃料電池システムからの出力を合成し蓄積する合成蓄電手段と、前記合成蓄電手段と前記各燃料電池システムの前記蓄電手段との間の電気的な接続を調整し、過大な電流が流れることを防止する調整手段とを含み、前記各燃料電池システム内の前記蓄電手段の電位と、前記出力合成手段内の前記合成蓄電手段の電位は、前記調整手段によって同一に保たれることを特徴とする。

また、本発明の第２の燃料電池制御システムは、燃料電池と、前記燃料電池で発電された電力を蓄積する蓄電手段と、前記蓄電手段に蓄積された前記電力を出力する出力手段とを有する複数の燃料電池システムと、前記複数の燃料電池システムからの出力を合成し出力する出力合成手段と、を備えた燃料電池制御システムであって、前記出力合成手段は、前記各燃料電池システムの前記出力手段と機械的及び電気的に接続され、前記各燃料電池システムからの出力をそれぞれ受け入れる複数の入力手段と、前記複数の入力手段と前記各燃料電池システムの前記出力手段との機械的な接続状態を検出する検出手段と、前記各入力手段と前記各燃料電池システムの前記蓄電手段との間の電気的な接続を調整し、過大な電流が流れることを防止する調整手段とを含み、前記調整手段は、前記検出手段によって前記出力合成手段の前記入力手段と前記燃料電池システムの前記出力手段との間の機械的な接続あるいは該機械的な接続の切り離しが検出されたとき、前記出力合成手段の前記入力手段と前記燃料電池システムの前記蓄電手段との間の電気的な接続を、過大な電流が流れないように調整することを特徴とする。

本発明によれば、過大な電流が流れることを防止でき、かつ、複数の燃料電池システムからの出力を途中の電流経路で損失することなく合成して外部への出力電力を増大可能な燃料電池制御システムを実現できる。また、燃料電池システムの増設が容易で、必要とされる出力電力以上の電力を出力可能なように燃料電池システムを増設すれば、それぞれの燃料電池システムの出力電力を低下でき、各燃料電池システムの発電量を減少させて運転させることができる。これにより、燃料を節約でき、かつ発電時間の長時間化が図れる燃料電池制御システムを実現できる。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１に係る燃料電池制御システムについて説明する。

図１は、本実施形態１における燃料電池制御システムの構成例を示す図である。本実施形態１の燃料電池制御システムは、燃料電池システム１１、１２と、燃料電池システム１１、１２からの出力を合成する出力合成手段２とを備えている。ここでは、出力合成手段２に蓄電手段を設けた構成を示す。

燃料電池システム１１は、燃料電池１１１と、燃料電池１１１で発電された電力を一時蓄積する蓄電手段１１２と、蓄電手段１１２に蓄積された電力を出力合成手段２に出力する出力手段としての出力端子１１ａと、出力合成手段２から出力された信号を受け取る入力手段としての入力端子１１ｂとを備えている。

同様に、燃料電池システム１２は、燃料電池１１１と、燃料電池１１１で発電された電力を一時蓄積する蓄電手段１１２と、蓄電手段１１２に蓄積された電力を出力合成手段２に出力する出力手段としての出力端子１２ａと、出力合成手段２から出力された信号を受け取る入力手段としての入力端子１２ｂとを備えている。

燃料電池１１１は、例えば、アルミニウム粉に水を添加し加熱することにより水素を発生させ、その水素を燃料として発電を行う。また、蓄電手段１１２は、例えば、リチウムイオン電池で実現される。

出力合成手段２は、入力手段としての入力端子２１ａ、２２ａ、２Ｎａ（Ｎは、３以上の整数）と、出力手段としての出力端子２１ｂ、２２ｂ、２Ｎｂと、調整手段３と、合成蓄電手段４と、制御回路５と、出力回路６とを備えている。

入力端子２１ａ、２２ａ、２Ｎａは、各燃料電池システムの出力端子と機械的及び電気的に接続され、該各燃料電池システムからの出力を受け入れる。図１では、入力端子２１ａは、燃料電池システム１１の出力端子１１ａに機械的に接続され、入力端子２２ａは、燃料電池システム１２の出力端子１２ａに機械的に接続されている。入力端子２Ｎａは、Ｎ個目の燃料電池システムの出力端子と機械的に接続される端子である。入力端子の数は、出力合成手段２と機械的及び電気的に接続しようとする燃料電池システムの数に応じて増設可能である。

出力端子２１ｂ、２２ｂ、２Ｎｂは、制御回路５で生成される、各燃料電池システム内の燃料電池１１１を制御するための信号を出力する。図１では、出力端子２１ｂは、燃料電池システム１１の入力端子１１ｂに機械的に接続され、出力端子２２ｂは、燃料電池システム１２の入力端子１２ｂに機械的に接続されている。出力端子２Ｎｂは、Ｎ個目の燃料電池システムの入力端子と機械的に接続される端子である。入力端子の数は、出力合成手段２と機械的及び電気的に接続しようとする燃料電池システムの数に応じて増設可能である。

ここで、以下の説明において、燃料電池システムの入出力端子と出力合成手段２の入出力端子とが機械的に接続されることを「挿入」と呼び、該機械的な接続を切り離すことを「抜去」と呼ぶ。

調整手段３は、合成蓄電手段４と燃料電池システムの蓄電手段１１２との間の電気的な接続を調整し、過大な電流が流れるのを防止する。この調整手段３は、複数の調整回路３１、３２、３Ｎで構成される。調整回路３１は、合成蓄電手段４と燃料電池システム１１の蓄電手段１１２との間の電気的な接続を調整し、調整回路３２は、合成蓄電手段４と燃料電池システム１２の蓄電手段１１２との間の電気的な接続を調整し、調整回路３Ｎは、合成蓄電手段４とＮ個目の燃料電池システムの蓄電手段１１２との間の電気的な接続を調整する。調整手段３を構成する調整回路の数は、出力合成手段２と機械的及び電気的に接続しようとする燃料電池システムの数に応じて増設可能である。

合成蓄電手段４は、入力端子２１ａ、２２ａ、２Ｎａを介して受け取った複数の燃料電池システムからの出力を合成し蓄積する。

制御回路５は、出力合成手段２に挿入されている各燃料電池システムの燃料電池１１１の制御、及び、調整手段３の制御を行う。

出力回路６は、外部とのインターフェースであり、必要に応じ出力電圧を調整するコンバータにより実現される。この出力回路６は、出力合成手段２に挿入された複数の燃料電池システムからの出力を合成し外部に出力する。

また、本実施形態１の燃料電池システムの出力合成手段２は、さらに検出手段を備えている。この検出手段は、燃料電池システムの出力手段と出力合成手段２の入力手段との機械的な接続状態を検出するものであり、例えば、挿抜スイッチ（以下、挿抜ＳＷと略す。）７で実現される。この挿抜ＳＷ７を燃料電池システムの挿抜時に押すと、挿抜ＳＷ７から制御回路５に対し、新たな燃料電池システムが挿入される状態、あるいは、既に挿入されている燃料電池システムが抜去される状態であることが通知される。この通知を受けた制御回路５による調整手段３の制御については後述する。

このような構成の本実施形態１の燃料電池制御システムの動作について図１を参照しながら説明する。

まず、調整手段３の動作について説明する。調整手段３では、出力合成手段２に挿入されている各燃料電池システム１１、１２の蓄電手段１１２の電圧と、出力合成手段２の合成蓄電手段４の電圧との差異を監視し、電位差に基づいて、各燃料電池システムとの間の電気的な接続を調整する。

具体的には、燃料電池システム１１の蓄電手段１１２と、出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の電位差を、調整回路３１により監視し、電位差が予め設定された値よりも大きい場合には、上記２つの蓄電手段間を抵抗体を介して電気的に接続し、互いに充放電するように動作させる。そして、上記２つの蓄電手段間の電圧がほぼ一致すると、上記２つの蓄電手段間を電気的に直結する。このように上記２つの蓄電手段間の通電状態を切り替えることにより、過大な電流が流れるのを防止し、燃料電池システム１１の蓄電手段１１２、出力合成手段２の合成蓄電手段４、出力端子１１ａ等にダメージが発生するのを防止できる。

同様に、燃料電池システム１２の蓄電手段１１２と出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の電位差を、調整回路３２により監視し、この電位差に基づいて、蓄電手段１１２と合成蓄電手段４との間の通電状態を切り替える。これにより、過大な電流が流れるのを防止し、燃料電池システム１２の蓄電手段１１２、出力合成手段２の合成蓄電手段４、出力端子１２ａ等にダメージが発生するのを防止できる。

上記各調整回路３１、３２の動作により、最終的には、出力合成手段２に挿入されている全ての燃料電池システム１１、１２の蓄電手段１１２の電位と、出力合成手段２の合成蓄電手段４の電位とがほぼ同一に保たれるため、各燃料電池システム１１、１２からの出力を、途中の電流経路において損失することなく合成蓄電手段４及び出力回路６に接続できる。

なお、図１では、２つの燃料電池システムの出力を合成して出力する場合について示したが、必要とされる出力電力に応じて燃料電池システムの数を増やすことが可能で、３つ以上の燃料電池システムの出力を合成する場合にも同様に制御すれば良い。たとえば、出力合成手段２の入力端子２Ｎａに、新たな燃料電池システム１Ｎが接続された場合、調整回路３Ｎにより、当該燃料電池システム１Ｎの蓄電手段１１２と出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の通電状態を、蓄電手段１１２と合成蓄電手段４との間の電位差に基づいて切り替えれば良い。

以下、制御回路５の動作について説明する。

まず、燃料電池システム内の燃料電池１１１の制御について説明する。出力合成手段２の端子２０からの出力電力と各燃料電池システム１１、１２の発電量との差異により、出力合成手段２の合成蓄電手段４の電圧が変化すると、制御回路５は、燃料電池システム１１、１２の発電量の増大あるいは抑制を指示する制御信号を生成し、出力端子２１ｂ、２２ｂを介して燃料電池システム１１、１２に出力する。たとえば、合成蓄電手段４がリチウムイオン電池で構成されている場合は過充電とならないように、あるいは、合成蓄電手段４がキャパシタで構成されている場合は定格電圧以上とならないように、燃料電池システム１１、１２に対し、発電量の抑制を指示する制御信号を出力する。また、合成蓄電手段４の放電が進行した場合には、制御回路５は、燃料電池システム１１、１２に対し、発電量の増大を指示する制御信号を出力する。

次に、燃料電池システムの挿抜時における制御について説明する。燃料電池システムを挿抜する際に挿抜ＳＷ７が押されると、挿抜ＳＷ７から制御回路５に対し、新たな燃料電池システムが挿入される状態、あるいは既に挿入されている燃料電池システムが抜去される状態であることが通知される。通知を受けた制御回路５は、燃料電池システムの蓄電手段１１２と出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の通電状態を切り替えるための制御信号を生成し、調整手段３を構成する各調整回路に出力する。上記制御信号を受け取った各調整回路は、出力合成手段２の合成蓄電手段４と燃料電池システムの蓄電手段１１２との間の接続を、過大な電流が流れないように調整する。

ここで、燃料電池システムの挿抜時に上記制御を行う理由を以下に示す。既に挿入されている燃料電池システムの蓄電手段１１２と出力合成手段２の合成蓄電手段４との電位が同一に保たれた状態で、新たな燃料電池システムを出力合成手段２に挿入した場合、新たな燃料電池システムの蓄電手段１１２と出力合成手段２の合成蓄電手段４との間に電位差があれば、新たな燃料電池システムと出力合成手段２とを電気的に接続したときに過大な電流が流れ、電流経路が破損する恐れがある。このような問題を解決する従来の方法として、既に接続されている燃料電池システムと出力合成手段との電気的な接続を遮断してから新たな燃料電池システムを増設する方法が提案されている。しかし、この従来の方法では、全ての燃料電池システムと出力合成手段２との通電状態を遮断するため、新たな燃料電池システムを増設した後、全ての燃料電池システムと出力合成手段２との通電を再開してから、全ての燃料電池システムの蓄電手段１１２と出力合成手段２の合成蓄電手段４との電位が同一に保たれるまでに時間がかかる。その他にも、新たな燃料電池システムの蓄電手段１１２の充電状態に応じて、燃料電池システムと出力合成手段２との通電状態を制御する方法も考えられるが、予め新たな燃料電池システムの充電状態を調べるための他の装置が必要となり、コストがかかるだけでなく、手間がかかる。

これに対し、本発明では、出力合成手段２に挿抜ＳＷ７を設け、燃料電池システムの挿入時に挿抜ＳＷ７を押すと、調整手段３が、新たな燃料電池システムの蓄電手段１１２と出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の電位差が大きいと仮定して、既に接続されている燃料電池システムと出力合成手段２との間の電気的な接続を、過大な電流が流れないように調整する。これにより、複数の燃料電池システムと出力合成手段とが電気的に接続されている状態、つまり、活線状態であっても、これらの電気的な接続を遮断することなく、新たな燃料電池システムを出力合成手段２に挿入することができ、上記問題を回避できる。

一方、出力合成手段２に挿入されている燃料電池システムを抜去する場合、抜去しようとする燃料電池システムの蓄電手段１１２と出力合成手段２の合成蓄電手段４とが通電中であれば、該燃料電池システムと出力合成手段２との接点で過大なアークが発生し、電極を損耗する可能性がある。しかし、本発明では、燃料電池システムの抜去時にも挿抜ＳＷ７を押すだけで、抜去する燃料電池システムの蓄電手段１１２と出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の電気的な接続を、過大な電流が流れないように調整することができる。これにより、活線状態であっても、これらの電気的な接続を遮断することなく、出力合成手段２に挿入されている燃料電池システムを抜去することができ、上記問題を回避できる。

このような本実施形態１の燃料電池制御システムによれば、燃料電池システムの蓄電手段１１２と出力合成手段２の合成蓄電手段４との電位差に基づいて、蓄電手段１１２と合成蓄電手段４との間の通電状態を切り替えることにより、燃料電池システムと出力合成手段との間の電気的な接続を調整して過大な電流が流れるのを防止するとともに、複数の燃料電池システムからの出力を途中の電流経路で損失することなく合成し、燃料電池制御システムからの出力電力を増大できる。

また、本実施形態１の燃料電池制御システムによれば、出力合成手段２に挿抜ＳＷ７を備えたことにより、活線挿抜に対応可能な燃料電池制御システムを構築できる。そのため、燃料電池システムの増設が容易で、必要とされる出力電力以上の電力を出力可能なように燃料電池システムを増設すれば、それぞれの燃料電池システムの出力電力を低下でき、各燃料電池システムの発電量を減少させて運転させることができる。これにより、燃料を節約でき、かつ発電時間の長時間化が図れる燃料電池制御システムを実現できる。

なお、本実施形態１では、各燃料電池システムを挿抜する際に、挿抜ＳＷ７を使用して制御する場合について説明したが、もちろん他の方法も可能である。

燃料電池システムの挿入時における他の制御方法としては、例えば、制御の信号線等の応答により各燃料電池システムの挿入を検出するように構成し、未挿入である場合は、出力合成手段２の合成蓄電手段４と各燃料電池システム内の蓄電手段１１２との電位差が大きいと判定し、燃料電池システムの挿入を検出した場合は、実際の電位差を判定し、上述したような制御を実施してもよい。

燃料電池システムの抜去時における他の制御方法として、例えば、抜去検出用の信号線を設け、出力用の接続が解除される前に抜去検出用の信号線の接続が解除された場合には直ちに過大な電流が流れないように、例えば、抵抗体を介した接続に変更することにより、過大なアークの発生を防止し、電極の損耗を抑制する。

アークは、回路系のインダクタ成分により電流を流し続けようとすることから生じる。そのため、高電圧となる前にツェナーダイオードやバリスタ等を経由して電流を逃がすように構成し、アークの発生を抑えてもよい。ただし、効果的にアークの発生を抑える為には電流容量の大きい素子を選択する必要があるため、上述した抜去検出用の信号線を利用した構成の方が小型化には適していると考えられる。

また、出力合成手段２と各燃料電池システムとの間に制御ラインを設け、各燃料電池システムの発電量を制御することが望ましい。通常、燃料電池システム１１や燃料電池システム１２は単独で使用することも想定されており、このような燃料電池システムを出力合成手段２に接続した場合に、個別の燃料電池システムの挙動が、それぞれの燃料電池システムの燃料消費にアンバランスを生じさせることもあるが、出力合成手段２と各燃料電池システムとの間に制御ラインを設けることで、これを防止できる。

より詳細に説明すると、これまで図示や説明はしていないが、本発明は、単独で発電できる複数の燃料電池システムを接続して出力電力を増大させることを目的としており、このような燃料電池システムは、通常、発電を自立的に調整できるように構成される。例えば、発電中に負荷が低下し、燃料電池システムの出力端子からの出力が減少した場合、蓄電手段への充電が促進され充電電圧が上昇するが、これを抑えるために、発電量を減少させるように調整可能な発電調整手段を備えることによって、発電を自立的に調整できる燃料電池システムが実現される。

このような発電調整手段を有する燃料電池システム１１及び燃料電池システム１２を、そのまま出力合成手段２に接続し発電させた場合、出力合成手段２の出力回路６からの出力が減少して合成蓄電手段４の電圧が上昇すると、その上昇を燃料電池システム１１あるいは燃料電池システム１２の何れかの発電調整手段が検知し、先に検知した方の燃料電池システムの発電量が減少する。この結果、発電量が減少しない方の燃料電池システムの発電が継続することになり燃料の消費が多くなってしまう。これを防止するためには、それぞれの燃料電池システムが有する発電調整手段の検出電圧の設定値を同一にする必要があるが、このような設定を行うことは通常、困難である。また、上述した各燃料電池システムの挙動はしばしば発生することが予想され、出力合成手段２を含む燃料電池制御システム全体の挙動としては好ましくない。

出力合成手段２としては、接続された燃料電池システムの燃料消費が同じように進行することが、出力電力を維持しつつ、且つ最も効率よく長時間動作させるためには望ましい。これを実現するための最も簡便な方法としては、出力合成手段２の制御回路５により、各蓄電手段の充電状態を判断し、あるいは、各燃料電池システムを接続後は出力合成手段２の蓄電手段を含めて同一の状態に移行するのでこれを判断し、判断の結果に基づいて、出力合成手段２に接続された全ての燃料電池システムの発電量を制御することが考えられる。具体的には、出力合成手段２と各燃料電池システムとの間に制御ラインを設け、各燃料電池システムの発電量を制御する構成をとることが望ましい。

更には、燃料電池システムの展開を考えると、幾種類かの燃料電池システムの出力を合成する場合も想定されるので、例えば、燃料電池システム１１のトータル発電量と燃料電池システム１２のトータル発電量が、出力電力や積み込む燃料によって異なる場合、各々の燃料電池システムの出力電力やトータル発電量のデータを制御ラインを介して制御回路５が検知し、それらのデータや現在の蓄電量に応じて、個別に各燃料電池システムの発電を制御することが望ましい。

（実施形態２）
本実施形態２では、本発明の燃料電池制御システムを構成する出力合成手段の調整回路について図２を用いて説明する。

図２は、図１における出力合成手段２の調整回路３１の構成例を示す図である。図２に示す調整回路３１は、端子３１ａ、３１ｂ及び３１ｃと、抵抗体３１１と、インダクタ３１２と、スイッチ回路（以下、ＳＷ回路と略す。）３１３と、調整制御回路３１５とを備えている。

端子３１ａは、図１の燃料電池システム１１の蓄電手段１１２に電気的に接続されている。端子３１ｂは、図１の合成蓄電手段４に電気的に接続されている。端子３１ｃは、図１の制御回路５に電気的に接続されている。

ＳＷ回路３１３は、調整制御回路３１５からの制御により、端子３１ａと端子３１ｂとの間をインダクタ３１２を介して電気的に接続する。

調整制御回路３１５は、図１の燃料電池システム１１の蓄電手段１１２と、図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の電位差が大きいと判定するための尺度となる第１の閾値を有し、ＳＷ回路３１３を制御して端子３１ａと端子３１ｂとの間の通電状態を切り替える。

次に、本実施形態２における調整回路３１の動作について説明する。調整回路３１では、調整制御回路３１５により、端子３１ａに電気的に接続されている図１の燃料電池システム１１の蓄電手段１１２と、端子３１ｂに電気的に接続されている図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の電位差を監視する。

上記電位差が第１の閾値より小さい場合は、上記２つの蓄電手段間の電位差は小さいと判定し、ＳＷ回路３１３を導通させ、端子３１ａと端子３１ｂとの間を抵抗体３１１及びインダクタ３１２を介して通電させる。

上記電位差が第１の閾値以上の場合、上記２つの蓄電手段間の電位差は大きいと判定し、ＳＷ回路３１３を遮断し、端子３１ａと端子３１ｂとの間を抵抗体３１１のみを介して通電させる。その後、上記電位差が第１の閾値より小さくなると、ＳＷ回路３１３を導通させ、端子３１ａと端子３１ｂとの間を、インダクタ３１２を介しても通電させる。

燃料電池システムの挿抜時に図１の挿抜ＳＷ７が押され、図１の制御回路５から端子３１ｃを介して制御信号を受け取った場合、ＳＷ回路３１３を遮断し、端子３１ａと端子３１ｂとの間の通電状態を、抵抗体３１１のみを介して通電させる。その後、電位差が第１の閾値より小さくなると、ＳＷ回路３１３を導通させ、端子３１ａと端子３１ｂとの間を、インダクタ３１２を介しても導通させる。

図２から分かるように、端子３１ａと端子３１ｂとは、少なくとも抵抗体３１１を介して電気的に接続されている。従って、端子３１ａが燃料電池システム１１と電気的に接続されていない場合も、両端子３１ａ、３１ｂの電圧はほぼ同電位となり、ＳＷ回路３１３が導通して端子３１ａと端子３１ｂは電気的にほぼ直結している状態となる。このときに、新たな燃料電池システムが図１の出力合成手段２に挿入されると、端子３１ａと端子３１ｂとの間に過大な電流が流れる恐れがあるが、これを防止するために、図１に示す挿抜ＳＷ７が設けられている。

以上のようにして、調整回路３１により、図１における燃料電池システム１１と出力合成手段２との間の電気的な接続を調整するとともに、他の調整回路３２、３Ｎも同様の動作を行うことにより、最終的には図１の出力合成手段２に挿入されている全ての燃料電池システムの蓄電手段１１２の電位と、出力合成手段２の合成蓄電手段４の電位を同一に保つことができる。

このような本実施形態２の調整回路によれば、燃料電池システム１１の蓄電手段１１２と図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の電位差に基づいて、端子３１ａ及び端子３１ｂ間の通電状態を、抵抗体３１１を介する抵抗接続、あるいは、インダクタ３１２を介して電気的にほぼ直結するインダクタ接続に切り替えることにより、過大な電流が流れるのを防止できるとともに、燃料電池システム１１の出力を、途中の電流経路で損失させることなく図１の合成蓄電手段４及び出力回路６に接続でき、出力電力の増大の要望に応じた燃料電池制御システムを構築できる。また、図１に示す挿抜ＳＷ７が押された場合には、端子３１ａ及び３１ｂ間の通電状態を、抵抗接続に切り替えることにより、活線挿抜に対応可能な燃料電池制御システムを構築できる。

なお、本実施形態２では、インダクタ接続を遮断可能なＳＷ回路３１３を備えた場合について説明したが、抵抗体３１１を介する抵抗接続を遮断可能なＳＷ回路をさらに設け、燃料電池システムが未挿入の場合は、端子３１ａと端子３１ｂとの間を遮断しておき、制御信号等を元に燃料電池システムの挿抜を検出すると、調整制御回路３１５により端子３１ａと端子３１ｂとの間の電位差を検出し、上述したような制御を実施してもよい。

（実施形態３）
本実施形態３では、本発明の燃料電池制御システムを構成する出力合成手段の調整回路について図３を用いて説明する。図３は、図１における出力合成手段２の調整回路３１の構成例を示す図である。図３において、図２と同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

図３に示す調整回路３１は、端子３１ａ、３１ｂ及び３１ｃと、抵抗体３１１と、インダクタ３１２と、ＳＷ回路３１３及び３１４と、調整制御回路３２０とを備えている。

ＳＷ回路３１４は、調整制御回路３２０からの制御により、端子３１ａと端子３１ｂとの間を電気的に直結する。

調整制御回路３２０は、図１の燃料電池システム１１の蓄電手段１１２と、図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の電位差が大きいと判定するための尺度となる第１の閾値と、該第１の閾値よりも小さく、上記電位差が極めて小さいと判定するための尺度となる第２の閾値とを有し、ＳＷ回路３１３及び３１４を制御して端子３１ａと端子３１ｂとの間の通電状態を切り替える。

次に、本実施形態３における調整回路３１の動作について説明する。調整回路３１では、調整制御回路３２０により、端子３１ａに電気的に接続されている図１の燃料電池システム１１の蓄電手段１１２と、端子３１ｂに電気的に接続されている図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の電位差を監視する。

上記電位差が第１の閾値以上の場合、上記２つの蓄電手段間の電位差は大きいと判定し、ＳＷ回路３１３及び３１４を遮断し、端子３１ａと端子３１ｂとの間を抵抗体３１１のみを介して通電させる。

上記電位差が第１の閾値よりも小さく、第２の閾値以上の場合、上記２つの蓄電手段間の電位差は小さいと判定し、ＳＷ回路３１４のみを遮断して、端子３１ａと端子３１ｂとの間を、抵抗体３１１及びインダクタ３１２を介して通電させる。

上記電位差が第２の閾値よりも小さい場合、上記２つの蓄電手段間の電位差は極めて小さいと判定し、ＳＷ回路３１４を導通させ、端子３１ａと端子３１ｂとを電気的に直結する。

燃料電池システムの挿抜時に図１の挿抜ＳＷ７が押され、図１の制御回路５から端子３１ｃを介して制御信号を受け取った場合、ＳＷ回路３１３及びＳＷ回路３１４を遮断し、端子３１ａと端子３１ｂとの間の通電状態を、抵抗体３１１のみを介して通電させる。そして、その後の電位差の変化に基づいて、端子３１ａと端子３１ｂとの間の通電状態を、インダクタ３１２を介するインダクタ接続、あるいは電気的に直結する直結接続に切り替える。

以上のようにして、調整回路３１により、図１における燃料電池システム１１と出力合成手段２との間の電気的な接続を調整するとともに、他の調整回路３２、３Ｎも同様の動作を行うことにより、最終的には図１の出力合成手段２に挿入されている全ての燃料電池システムの蓄電手段１１２の電位と、出力合成手段２の合成蓄電手段４の電位を同一に保つことができる。

このような本実施形態３の調整回路によれば、燃料電池システム１１の蓄電手段１１２と図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の電位差に基づいて、端子３１ａ及び端子３１ｂ間の通電状態を、抵抗体３１１を介する抵抗接続、インダクタ３１２を介するインダクタ接続、あるいは、電気的に直結させる直結接続に切り替えることにより、過大な電流が流れるのを防止できるとともに、燃料電池システム１１の出力を、途中の電流経路で損失させることなく図１の合成蓄電手段４及び出力回路６に接続でき、出力電力の増大の要望に応じた燃料電池制御システムを構築できる。また、図１に示す挿抜ＳＷ７が押された場合には、端子３１ａ及び３１ｂ間の通電状態を、抵抗接続に切り替えることにより、活線挿抜に対応可能な燃料電池制御システムを構築できる。

なお、本実施形態３では、インダクタ接続を遮断可能なＳＷ回路３１３と、直結接続を遮断可能なＳＷ回路３１４とを備えた場合について説明したが、抵抗体３１１を介する抵抗接続を遮断可能なＳＷ回路をさらに設け、燃料電池システムが未挿入の場合は、端子３１ａと端子３１ｂとの間を遮断しておき、制御信号等を元に燃料電池システムの挿抜を検出すると、調整制御回路３２０により端子３１ａと端子３１ｂとの間の電位差を検出し、上述したような制御を実施してもよい。

（実施形態４）
本実施形態４では、本発明の燃料電池制御システムを構成する出力合成手段の調整回路について図４を用いて説明する。図４は、図１における出力合成手段２の調整回路３１の構成例を示す図である。図４において、図２と同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

図４に示す調整回路３１は、端子３１ａ、３１ｂ及び３１ｃと、抵抗体３１１と、インダクタ３１２と、ＳＷ回路３１３と、調整制御回路３１６とを備えている。

ＳＷ回路３１３は、スイッチ用のＰチャネルエンハンスメント形の電解効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと略す。）３１３ａ、３１３ｂを有する。なお、ゲート制御電圧を変更すればディプリーション形のＦＥＴも利用可能であるが、本実施形態４では説明を簡略化するため、スイッチング素子としてエンハンスメント形のＦＥＴを使用する場合について説明する。

調整制御回路３１６は、端子３１６ａ及び３１６ｂと、スイッチ３１６５ａ及び３１６６ａと、オフセット用電圧源３１６１及び３１６４と、コンパレータ３１６２及び３１６３とを有する。

端子３１６ａは、オフセット用電圧源３１６１の出力をコンパレータ３１６２の＋入力側に入力する。端子３１６ｂは、オフセット用電圧源３１６４の出力をコンパレータ３１６３の＋入力側に入力する。

スイッチ３１６５ａは、端子３１ｂあるいはグランド３１６５ｂのいずれかを、コンパレータ３１６２の−入力に電気的に接続する。スイッチ３１６６ａは、端子３１ａあるいはグランド３１６６ｂのいずれかを、コンパレータ３１６３の−入力に電気的に接続する。なお、グランド３１６５ｂ及びグランド３１６６ｂは、コンパレータ３１６２の不図示の電源のグランドと共通である。

オフセット電圧源３１６１は、端子３１ａと端子３１ｂとの間の電位差をコンパレータ３１６２でオフセットを持たせて比較するための第１のオフセット電圧を、端子３１６ａを介してコンパレータ３１６２の＋入力側に供給する。オフセット電圧源３１６４は、端子３１ａと端子３１ｂとの間の電位差をコンパレータ３１６３でオフセットを持たせて比較するための第１のオフセット電圧を、端子３１６ｂを介してコンパレータ３１６３の＋入力側に供給する。

不図示であるが、コンパレータ３１６２等の電源を、ダイオード等を経由して端子３１ａあるいは端子３１ｂから供給するように構成すれば、コンパレータの電源の電位は、端子３１ａあるいは端子３１ｂのうち、電位が高い方のレベルと同じになる。例えば、コンパレータ３１６２の＋入力側の電位が−入力側より高電位の場合は、コンパレータ３１６２の出力がＨｉｇｈとなり、そのレベルは電源の電位にまで上昇する。

コンパレータ３１６２の電源として端子３１ａと端子３１ｂのどちらか高いほうの電位がダイオード等を介して供給されるので、コンパレータ３１６２の出力がＨｉｇｈの場合は、ＦＥＴ３１３ａのゲートの電位はソースと同等かそれ以上となり、ＦＥＴ３１３ａは必ず遮断される。また、コンパレータ３１６３も同様に、その電源として端子３１ａと端子３１ｂのどちらか高いほうの電位がダイオード等を介して供給され、コンパレータ３１６３の出力がＨｉｇｈの場合は、ＦＥＴ３１３ｂのゲートの電位はソースと同等かそれ以上となり、ＦＥＴ３１３ｂは必ず遮断される。

通常、スイッチ３１６５ａは、端子３１ｂをコンパレータ３１６２の−入力側に電気的に接続し、スイッチ３１６６ａは、端子３１ａをコンパレータ３１６３の−入力側に電気的に接続している。しかし、図１の挿抜ＳＷ７が押された場合、スイッチ３１６５ａ及び３１６６ａはそれぞれ、図１の制御回路５からの制御信号を端子３１ｃを介して受け取り、スイッチ３１６５ａは、グランド３１６５ｂをコンパレータ３１６２の−入力側に接続するように切り替え、スイッチ３１６６ａは、グランド３１６６ｂをコンパレータ３１６３の−入力側に電気的に接続するように切り替える。従って、コンパレータ３１６２，３１６３は共に−入力側に最低電位であるグランドレベルの電位が入力されるので、コンパレータ３１６２及びコンパレータ３１６３の出力はＨｉｇｈとなり、ＦＥＴ３１３ａ及びＦＥＴ３１３ｂが遮断される。

第１のオフセット電圧としては、端子３１ａ及び端子３１ｂ間がインダクタ３１２を介して接続されたとしても、端子３１ａ及び端子３１ｂ間の電位差が燃料電池制御システム内の電流経路や部品等にダメージが出ない程度の値にまで低下したことを検出可能な電圧とするのが望ましい。これは、オフセット電圧が低すぎると、抵抗体３１２のみによる接続時間が増加し、電力損失が増加するからである。

なお、図１の挿抜ＳＷ７が押されたときのＦＥＴ３１３ａ及び３１３ｂを遮断する方法としては、上記以外にも、直接ＦＥＴのゲートを制御する方法等、様々な構成があることは言うまでも無い。

以上の説明のように、図１の挿抜ＳＷ７が押された場合は、ＦＥＴ３１３ａ及び３１３ｂが遮断され、端子３１ａ及び３１ｂ間は、抵抗体３１１のみを介して電気的に接続される。なお、図示していないが、図１の調整手段を構成する他の調整回路も、図４に示す調整回路３１と同一構成であり、上記調整回路３１と同様の動作を同時に行う。たとえば、調整回路３２の場合、図１の挿抜ＳＷ７が押されると、調整回路３２の２つの端子３１ａ、３１ｂ間が、抵抗体３１１のみを介して電気的に接続されることになる。

端子３１ａ及び端子３１ｂ間が抵抗体３１１のみを介して接続されている状態で、たとえば、燃料電池システム１１と同様の構成を有するＮ番目の燃料電池システム１Ｎ（図示していない）が、図１の出力合成手段２に挿入された場合、図１の調整回路３Ｎの端子３１ａには、燃料電池システム１Ｎの蓄電手段の電圧が印加され、図１の調整回路３Ｎの端子３１ｂには、図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４の電圧が印加される。

ところで、図１の燃料電池システム１１の蓄電手段１１２の電位と、図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４の電位とが平衡状態となり、端子３１ａと端子３１ｂが同電位となった場合、コンパレータ３１６２あるいはコンパレータ３１６３の＋入力側は、−入力側に比べて第１のオフセット電圧の分だけ電位が低下するため、常にコンパレータ出力がＬｏｗとなり、スイッチ回路３１３は導通状態となる。

新たな燃料電池システムを増設する場合には、先ず、図１の挿抜ＳＷ７を押してインダクタ３１２を介する電流経路を遮断した後、上記新たな燃料電池システムを出力合成手段２に挿入し、その後、挿抜ＳＷ７を解除して、調整手段３１による調整動作を開始させるようにする。

例えば、増設しようとする燃料電池システム１Ｎの蓄電手段の電圧が、図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４の電圧より大きく低下し、燃料電池システム１Ｎの蓄電手段と図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４との電位差が第１のスレッショルド電圧以上となっている場合、コンパレータ３１６２の＋入力側より−入力側の方が高電位となり、コンパレータ３１６２の出力がＬｏｗとなるため、ＦＥＴ３１３ａのゲート電位が低下し、Ｐチャネル形であるＦＥＴ３１３ａが導通する。一方、コンパレータ３１６３の＋入力側にはオフセット用電圧源３１６４から第１のオフセット電圧が供給されるため、コンパレータ３１６３の＋入力側は、第１のスレッショルド電圧の分だけ電位が低下しているにもかかわらず、コンパレータ３１６３の−入力側より＋入力側の方が高電位となり、コンパレータ３１６３の出力がＨｉｇｈとなるため、ＦＥＴ３１３ｂのゲート電位が高くなり、Ｐチャネル形であるＦＥＴ３１３ｂが遮断する。よって、ＳＷ回路３１３は遮断され、端子３１ａと端子３１ｂとの間にはインダクタ３１２を介して電流は流れず、端子３１ａと端子３１ｂとの間は、抵抗体３１１のみを介して通電されることになる。従って、抵抗体３１１で規制された電流のみが端子３１ａ及び３１ｂ間を流れ、蓄電手段等を保護しつつ、燃料電池システム１Ｎの蓄電手段を充電できる。

燃料電池システム１Ｎの蓄電手段の充電が進むと、燃料電池システム１Ｎの蓄電手段の電圧が上昇し、端子３１ａ及び３１ｂ間の電位差が第１のスレッショルド電圧より小さくなると、コンパレータ３１６３の＋入力側より−入力側の方が高電位となり、コンパレータ３１６３の出力がＬｏｗになるため、ＦＥＴ３１３ｂのゲート電位が低下し、Ｐチャネル形であるＦＥＴ３１３ｂが導通する。これにより、ＳＷ回路３１３が導通し、端子３１ａ及び３１ｂ間にはインダクタ３１２を介しても電流が流れるようになる。このように、端子３１ａ及び３１ｂ間は、低い直流抵抗を有するインダクタ３１２を介して通電されるため、燃料電池システム１Ｎの出力を途中の電流経路でほぼ損失させること無く、燃料電池システム１Ｎの蓄電手段が図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４に電気的に接続され、更に、両蓄電手段の電圧が平衡化される。

一方、燃料電池システム１Ｎの蓄電手段の電圧が、図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４の電圧より大きく上昇し、燃料電池システム１Ｎの蓄電手段と図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４との電位差が第１のスレッショルド電圧以上となっている場合には、上述したように調整回路３１を動作させることにより、燃料電池システム１Ｎの蓄電手段が放電し、最終的には端子３１ａ及び３１ｂ間がインダクタ３１２を介して通電することになる。

このような本実施形態４の調整回路によれば、端子３１ａと端子３１ｂとの間の電位差に基づいて、両端子３１ａ、３１ｂ間の通電状態を、抵抗体３１１のみを介して接続する抵抗接続、あるいは、抵抗体３１１及びインダクタ３１２を介して電気的にほぼ直結するインダクタ接続のいずれかに切り替えることにより、燃料電池システム１１と出力合成手段２とを通電させたときに過大な電流が流れるのを防止でき、燃料電池システム１１の出力を、途中の電流経路で損失させることなく図１の合成蓄電手段４及び出力回路６に接続でき、出力電力の増大の要望に応じた燃料電池制御システムを構築できる。また、図１に示す挿抜ＳＷ７が押された場合には、端子３１ａ及び３１ｂ間の通電状態を、抵抗接続に切り替えることにより、活線挿抜に対応可能な燃料電池制御システムを構築できる。

（実施形態５）
本実施形態５では、本発明の燃料電池制御システムを構成する出力合成手段の調整回路について図５を用いて説明する。

上記実施形態１〜４では、燃料電池システムの蓄電手段と出力合成手段の合成蓄電手段との間の電位差が大きいと判断したとき、上記２つの蓄電手段の間を抵抗体を介して電気的に接続する場合について説明したが、本実施形態５では、抵抗体を介する接続の代わりに、インダクタにスイッチを設けて電流を制限する場合について説明する。

図５は、図１における出力合成手段２の調整回路３１の構成例を示す図である。図５において、図４と同一構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。また、同図において矢印は信号の流れを示している。

図５に示す調整回路３１は、端子３１ａ、３１ｂ、３１ｄ及び３１ｅと、インダクタ３１２と、ＦＥＴ３１３ａ及び３１３ｂと、調整制御回路３１７とを備えている。

端子３１ｄは、抵抗体３１７ｄを介して端子３１ｅに接続される。また、抵抗体３１７ｄの一端は、グランド３１９ａに接続されている。ここでは、電流を制限する例について説明するが、その電流は抵抗体３１７ｄの両端電圧を検出することにより行うので、高電圧側の配線に加えて、グランド側の配線を新たに示している。そのため、不図示であるが、調整回路３１の外部において、端子３１ａと端子３１ｄはそれぞれ、燃料電池システム１１の出力の正極端子と負極端子に、端子３１ｂと端子３１ｅはそれぞれ、合成蓄電手段４の正極端子と負極端子に接続されている。

インダクタ３１２は、端子３１ａ側をフライホイールダイオード３１８ａを介して端子３１ｄに電気的に接続し、端子３１ｂ側をフライホイールダイオード３１８ｂを介して端子３１ｅに電気的に接続している。

調整制御回路３１７は、定電流制御回路３１７ａ及び３１７ｂと、状態制御回路３１７ｃと、電流検出用の抵抗体３１７ｄに流れる電流を検出する電流検出回路３１７ｅとを有する。

定電流制御回路３１７ａ、３１７ｂは、電流検出用の抵抗体３１７ｄに流れる電流を電流検出回路３１７ｅにより検出しつつ、これが一定となるよう、インダクタ３１２と、ＦＥＴ３１３ａ又は３１３ｂ、フライホイールダイオード３１８ａ又は３１８ｂを用いて定電流制御を行う。

なお、図５では制御回路等の電源ライン等が不図示であるが、上記実施形態４と同様、電源は端子３１ａ又は端子３１ｂからダイオード接続により給電する。一方、抵抗体３１７ｄは電流検出用のため低い抵抗を用いており電圧降下が少ないので、グランドとしては抵抗体３１７ｄの一端から給電すれば、制御回路動作のための電源ラインを確保できる。図５ではグランド３１９ａからグランドラインを取ることにしているが、端子３１ｄ側から給電するようにしてもよい。更には、抵抗体３１７ｄの中点をグランドラインとして端子３１９ａを接続しても良い。

状態制御回路３１７ｃは、図１の燃料電池システム１１の蓄電手段１１２と図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の電位差が大きいと判定するための尺度となる第３の閾値を有し、端子３１ａ及び３１ｂ間の電位差が第３の閾値以上の場合、端子３１ａに電気的に接続されている図１の燃料電池システム１１の蓄電手段１１２と、端子３１ｂに電気的に接続されている図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４との間で充放電を行わせ、上記電位差が第３の閾値より小さい場合、端子３１ａ及び３１ｂ間を、インダクタ３１２を介して電気的に接続させる。

具体的には、端子３１ａ及び３１ｂ間の電位差が第３の閾値以上の場合、端子３１ａの電位が端子３１ｂの電位以上のときは、端子３１ａから端子３１ｂへの定電流充電制御を行い、端子３１ｂの電位が端子３１ａの電位よりも高いときは、端子３１ｂから端子３１ａへの定電流充電制御を行うよう定電流制御回路３１７ａ及び３１７ｂを制御する。そして、上記端子３１ａ及び３１ｂ間の電位差が第３の閾値より小さくなると、ＦＥＴ３１３ａ及びＦＥＴ３１３ｂを導通させて、端子３１ａ及び３１ｂ間をインダクタ３１２のみを介して通電させる。

ここで、定電流制御についてさらに詳細に説明する。端子３１ｂに対して端子３１ａが高電位であり、端子３１ａから端子３１ｂへの定電流充電制御を行う場合、ＦＥＴ３１３ｂは導通のまま保持し、ＦＥＴ３１３ａをスイッチング動作させることにより、インダクタ３１２を介して流れる電流を制御する。

ＦＥＴ３１３ａ、インダクタ３１２とフライホイールダイオード３１８ａにより降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの回路を構成しており、電流検出回路３１７ｅで検出した抵抗体３１７ｄに流れる電流を元にＦＥＴ３１３ａのスイッチング動作制御により定電流の充電制御を行う。

定電流制御回路３１７ａでは、ＦＥＴ３１３ａをスイッチングさせるためのスイッチング駆動パルスを発生させ、そのオン（導通）時間を変更することにより電流量を制御する。本実施形態５では、ＦＥＴ３１３ａはＰチャネル形のＦＥＴであるので、スイッチング駆動パルスがＬｏｗのときオン（導通）し、Ｈｉｇｈのときオフ（遮断）する。先ず、電流の往路は、スイッチング駆動パルスがＬｏｗでＦＥＴ３１３ａがオンの状態では、燃料電池システム１１の出力の正極端子が接続される高電位の端子３１ａから端子３１ｂに向かう電流がインダクタ３１２に流れ、インダクタ３１２に磁気エネルギーが蓄えられる。一方、電流の帰路は、端子３１ｅから端子３１ｄを経由して燃料電池システムの出力の負極端子に帰る。次に、スイッチング駆動パルスによりＦＥＴ３１３ａがオフの状態となると、インダクタ３１２に蓄えられた磁気エネルギーがインダクタ３１２に電流を流し続けようとしてインダクタ３１２の両端に高電圧が生じるので、オフとなったＦＥＴ３１３ａのドレインに代わり、端子３１ｅから、フライホイールダイオード３１８ａ、インダクタ３１２を介して端子３１ｂに電流が流れ続ける。これにより、端子３１ａから供給された電力が、端子３１ｂに供給されることになりＤＣ−ＤＣコンバータ動作となる。この動作中に抵抗体３１７ｄに電流が流れ電圧が生じるので、電流検出回路３１７ｅにより抵抗体３１７ｄに流れる電流を検出する。そして、定電流制御回路３１７ａは、抵抗体３１７ｄに流れる電流量が設定値以上である場合はスイッチング制御パルスのオン時間を短縮して電流量を低下させ、抵抗体３１７ｄに流れる電流量が設定値以下にまで低下している場合はスイッチング制御パルスのオン時間を延長して電流量を増加させるように制御することにより、定電流制御回路を構成する。なお、この制御動作自体は一般的なものであり、詳細な説明を省略する。

なお、本実施形態５では、図１の挿抜ＳＷ７が押された場合の調整回路の動作については説明していないが、上記実施形態２〜４と同様に、挿抜ＳＷ７が押された場合は定電流の電流値を低下させ、あるいは、遮断させることで、端子３１ａと端子３１ｂとの間の電位差を、接続されていない場合の電位差に近い状態にセットしてリセット動作を行わせるように構成すればよい。

ただし、本実施形態５の通電制御方式は、端子３１ａと端子３１ｂとの間の電位差に基づいてインダクタを接続するかどうかを決定する上記実施形態２〜４の通電制御方式とは異なり、本実施形態５の調整回路は、端子３１ａと端子３１ｂとの間の電位差によらずインダクタとＦＥＴスイッチの制御により一定電流を流す回路構成としているので、上記リセット動作をさせることなく接続しても過大電流が流れることは無い。従って、本実施形態５ではリセット動作が特に必要ではないため、使い勝手が向上するという利点がある。

ここで、過大電流が流れることが無い理由について説明する。燃料電池システム１１が接続されておらず、且つ、ＦＥＴ３１３ａとＦＥＴ３１３ｂが導通状態になっている状態で、燃料電池システム１１を接続した場合、燃料電池システム１１の蓄電手段１１２と出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の電位差に応じ、インダクタ３１２を介して電流が低電位の蓄電手段の方に流れようとする。しかし、インダクタ３１２の電流は、インダクタ３１２のインダクタンスの大きさと電位差に応じて徐々に増加する。燃料電池システム１１が接続された瞬間はインダクタ３１２に流れる電流は０なので、図５に示した調整回路３１の端子３１ａと端子３１ｂ間の電位差は蓄電手段１１２と合成蓄電手段４との間の電位差に等しく、これを状態制御回路３１７ｃが検出することにより、電位差に応じた定電流制御、又は、インダクタ接続が開始される。

このように、調整回路３１の調整動作が開始されるが、図５の電流検出回路３１７ｅを用いて、過大な電流が流れないように制御することもできる。これは、電流検出回路３１７ｅにより過大な電流を検出した場合は、ＦＥＴ３１３ａとＦＥＴ３１３ｂを遮断し、その後、定電流制御回路を動作させるように構成すれば実現できる。もちろん、過大電流の程度に応じて、遮断を継続するか、定電流制御回路を動作させるかを判定し制御してもよい。ただ、ここではインダクタとＦＥＴスイッチ等を利用した調整回路３１の説明が主であるので詳細は省略する。

なお、インダクタとＦＥＴスイッチ等を利用した調整回路に対し、図２〜図４に示した調整回路では、端子３１ａ及び３１ｂ間が常に抵抗体３１１で接続されているため、燃料電池システム１１が電気的に接続された直後から、抵抗値と電位差に応じて抵抗体３１１には電流が流れる。この為、正確な電位差を検出することは困難であり、調整回路での切り替え制御の判定に困難さが生じる。そこで、抵抗体を用いた調整回路では、挿抜ＳＷにより確実に切り替え判定が出来るように構成している。

このような本実施形態５の調整回路によれば、インダクタ３１２とＦＥＴ３１３ａ、３１３ｂを用いて、燃料電池システム１１の蓄電手段１１２と出力合成手段２の合成蓄電手段４との間の電位差が大きい場合は上記２つの蓄電手段間を定電流充電制御して互いに充放電させ、上記電位差が小さくなると、ＦＥＴ３１３ａ、３１３ｂを導通させて、上記２つの蓄電手段間を、インダクタ３１２を介して電気的に接続することにより、過大な電流が流れるのを防止できるとともに、燃料電池システム１１の出力を、途中の電流経路で損失させることなく図１の合成蓄電手段４及び出力回路６に接続でき、出力電力の増大の要望に応じた燃料電池制御システムを構築できる。特に、本実施形態５では、１つのインダクタ３１２だけを用いて充放電制御を行うため、上記実施形態２〜４で説明した抵抗接続を行う場合に比べて、定電流制御回路等の回路規模は大きくなるが、抵抗体による損失が無いので、より効率良く複数の燃料電池システムの出力を合成し外部に出力可能である。

（実施形態６）
本実施形態６では、本発明の燃料電池制御システムにおける、燃料電池システムについて詳細に説明する。

背景技術でも述べたように、固体高分子型燃料電池を構成するセルで発生する電圧は、通常１．２Ｖ未満である。高電圧を得るためには、セルを直列接続し、スタックを構成すればよいが、多数のセルを使用すると、コストが増加するという問題が生じる。そこで、少ないセル数で発電部を構成し、発電された出力を昇圧回路で必要な電圧まで昇圧して利用することにより、合理的に高電圧を得ることができる。このような特徴を有する燃料電池システムとして、図６に示すようなものが考えられる。

図６に示す燃料電池システム１０は、出力手段としての出力端子１０ａと、入力手段としての入力端子１０ｂと、水素発生手段１０１と、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、以下、ＰＥＦＣと略す。）１０４と、昇圧充電用直流電圧変換器（以下、昇圧充電用ＤＤコンバータと略す。）１０５と、蓄電手段１０６とを備える。

出力端子１０ａは、蓄電手段１０６で蓄積されている電力を図１の出力合成手段２に出力する。入力端子１０ｂは、図１の出力合成手段２から、ＰＥＦＣ１０４を制御するための制御信号を受け取る。

水素発生手段１０１は、アルミニウム粉１０２を水と反応させて水素１０３を発生させる。ＰＥＦＣ１０４は、水素１０３と空気中の酸素とを用いて発電を行う。昇圧充電用ＤＤコンバータ１０５は、ＰＥＦＣ１０４からの出力を昇圧し蓄電手段１０６を充電する。

蓄電手段１０６は、たとえば、リチウムイオン電池で実現できる。この場合、昇圧充電用ＤＤコンバータ１０５は、リチウムイオン電池の充電が進行し、電池電圧が上昇した場合、リチウムイオン電池で設定された過充電電圧、例えば１セル当り４．３Ｖより下に設定した充電電圧で定電圧充電する等の機能を備える必要がある。

また、蓄電手段１０６は、上記リチウムイオン電池以外にも、キャパシタで実現できる。この場合、定格電圧以下になるように充電する等の配慮が必要となるが、これらは蓄電手段１０６にどのようなものを使用するかにより設定すればよい。

ここでは、このように昇圧充電された蓄電手段１０６であっても、先に述べたように、図６の燃料電池システム１０が図１の出力合成手段２に挿入され、図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４と電気的に接続された場合、実施形態１〜５で説明したような出力合成手段２内の調整手段３の制御により、互いの電位に応じて充電あるいは放電され、最終的には、図６の燃料電池システム１０の蓄電手段１０６と図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４の電圧はほぼ同一の電位に到達する。

このような動作は、図６の燃料電池システム１０を複数、図１の出力合成手段２に挿入した場合も同じであり、図１の出力合成手段２内の調整手段３によって、上記複数の燃料電池システム１０と図１の出力合成手段２との間の通電状態を、抵抗接続やインダクタ接続に切り替えることにより、全ての燃料電池システムの蓄電手段１０６の電位と図１の出力合成手段２の合成蓄電手段４の電位とが最終的にほぼ同一となるように充放電させる。これにより、挿入されている燃料電池システム１０が発電中あるいは休止中、更には蓄電手段１０６の蓄電状態に関わらず、複数の燃料電池システム１０からの出力を途中の電流経路で損失することなく合成可能で、かつ活線挿抜に対応可能な燃料電池制御システムを構築できる。

（実施形態７）
上記実施形態１〜６では、図１の出力合成手段２により、蓄電手段を持つ複数台の燃料電池システムの出力を、活線挿抜を行いつつ合成することが可能な燃料電池制御システムについて説明したが、燃料電池システムは蓄電手段を有しているため、図１の出力合成手段２が合成蓄電手段４を有することが構成上必須である必要はない。

本実施形態７では、図１の出力合成手段２が合成蓄電手段４を有さない場合の燃料電池制御システムについて説明する。

本実施形態７の燃料電池システムにおける出力合成手段の構成は、例えば、図１において、合成蓄電手段４の代わりに通常のキャパシタを載せた構成の出力合成手段２とする。

出力合成手段２に燃料電池システム１１を接続する場合、上記実施形態４、５では、調整手段の電源として端子３１ａ又は端子３１ｂからダイオード接続により電源を供給することを述べたが、本実施形態７では、上記電源供給を出力合成手段２の調整回路全てに行うことにより、燃料電池システム１１が接続された状態で出力合成手段２の調整回路が動作し、特に合成蓄電手段４からの電源供給を受けなくても調整動作が可能となる。従って、本実施形態７では、出力合成手段２に燃料電池システム１１を接続すると、直ちに調整回路３１の端子３１ａ及び端子３１ｂ間の通電状態がほぼ直結接続となり、合成蓄電手段４の代わりに燃料電池システムの蓄電手段１１２から得られる電力が出力回路６を介して出力合成手段２の端子２０から得られることになる。

上記燃料電池システム１１を接続した状態で、燃料電池システム１２をさらに接続する場合、すでに合成蓄電手段４の代わりに燃料電池システム１１の蓄電手段１１２を元に出力合成手段２が動作しているため、調整手段３を介して燃料電池システム１１の蓄電手段１１２と燃料電池システム１２の蓄電手段１１２との充放電が開始される。最終的には双方の電圧が平衡状態に達して、調整手段３を介してほぼ直結接続される状態となる。このような状態となった後は、燃料電池システム１１と燃料電池システム１２との出力を合成した電力が、途中の電流経路で損失すること無く、出力合成手段２から得られる。

ただし、挿抜ＳＷ７を押しつつ新たな燃料電池システム１２を接続する場合は、燃料電池システム１１が接続されている調整回路３１の端子３１ａ及び端子３１ｂ間の通電状態は直結接続となっているが、たとえば、上記実施形態４で説明した図４に示す調整回路３１の場合、挿抜ＳＷ７を押した段階で、端子３１ａ及び端子３１ｂ間の通電状態が抵抗体３１１を介する接続となるので、抵抗体３１３により蓄電手段１１２の出力の電圧降下が生じ、出力回路６から外部への出力電力が減少することになる。従って、上記実施形態４のように出力合成手段２が合成蓄電手段４を有する場合と同様の出力電力を得るためには、燃料電池システムの挿抜を行う間だけ出力を補償する必要がある。そこで、本実施形態７では、合成蓄電手段４の代わりに、燃料電池システムの挿抜の間だけ出力を補償するキャパシタを接続するようにする。よって、合成蓄電手段４は不要である。

もちろん、調整回路３１に、図５に示す電流検出回路３１７ｅを設けるようにすれば、電流が流れている場合は直結状態を維持するように制御可能であるため、合成蓄電手段４だけでなく、出力を補償するキャパシタも不要となる。

また、本実施形態７の出力合成手段２の調整回路として、図５に示す調整回路３１を用いる場合、図５の調整回路３１はインダクタのみを用いて充放電制御を行うものであるため、特に図１の挿抜ＳＷ７の信号により調整回路３１の制御を変更する必要が無く、合成蓄電手段４を設ける必要はない。従って、出力合成手段２を単独で利用して合成蓄電手段４の出力を使用しない限り、特に合成蓄電手段４を備える必要はない。

なお、本実施形態７における出力合成手段２が、図４に示す調整回路３１を装備している場合、挿抜ＳＷ７を押すことにより全ての調整回路３１が抵抗接続に切り替わり活線挿抜に対応可能となるが、それぞれの調整回路３１、調整回路３２等に個別に挿抜ＳＷ７を設けてもよいことは言うまでもない。このようにすれば、挿抜する燃料電池システムのみが調整手段３１により抵抗接続等で接続され、すでに接続されている他の燃料電池システムは直結接続が維持されるので、特に合成蓄電手段４を備える必要はない。

本発明の燃料電池制御システムは、出力合成手段に挿入されている複数の燃料電池システムが通電中であっても、他の燃料電池システムを挿入したり、通電中の燃料電池システムを抜去したりすることが可能であり、用途に応じて出力を増大可能であるので、運用の簡便な燃料電池制御システムとして幅広く利用可能である。

本発明の実施形態１における燃料電池制御システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態２の燃料電池制御システムにおける、出力合成手段内の調整回路の内部構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態３の燃料電池制御システムにおける、出力合成手段内の調整回路の内部構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態４の燃料電池制御システムにおける、出力合成手段内の調整回路の内部構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態５の燃料電池制御システムにおける、出力合成手段内の調整回路の内部構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態６の燃料電池制御システムにおける、燃料電池システムの内部構成の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１０ａ 出力端子
１０ｂ 入力端子
１０１ 水素発生手段
１０２ アルミニウム粉
１０３ 水素
１０４ ＰＥＦＣ
１０５ 昇圧充電用ＤＤコンバータ
１０６ 蓄電手段
１１ 燃料電池システム
１１ａ 出力端子
１１ｂ 入力端子
１１１ 燃料電池
１１２ 蓄電手段
１２ 燃料電池システム
１２ａ 出力端子
１２ｂ 入力端子
２ 出力合成手段
２０ 出力端子
２１ａ、２２ａ、２Ｎａ 入力端子
２１ｂ、２２ｂ、２Ｎｂ 出力端子
３ 調整手段
３１、３２、３Ｎ 調整回路
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ 端子
３１１ 抵抗体
３１２ インダクタ
３１３、３１４ スイッチ回路（ＳＷ回路）
３１３ａ、３１３ｂ Ｐチャネルエンハンスメント形ＦＥＴ
３１５ 調整制御回路
３１６ 調整制御回路
３１６ａ、３１６ｂ 端子
３１６１ オフセット用電圧源
３１６２、３１６３ コンパレータ
３１６４ オフセット用電圧源
３１６５ａ、３１６６ａ スイッチ
３１６５ｂ、３１６６ｂ グランド
３１７ 調整制御回路
３１７ａ、３１７ｂ 定電流制御回路
３１７ｃ 状態制御回路
３１７ｄ 抵抗体
３１７ｅ 電流検出回路
３１８ａ、３１８ｂ フライホイールダイオード
３１９ａ グランド
３２０ 調整制御回路
４ 蓄電手段
５ 制御回路
６ 出力回路
７ 挿抜スイッチ（挿抜ＳＷ）

Claims (7)

1. 燃料電池と、前記燃料電池で発電された電力を蓄積する蓄電手段と、前記蓄電手段に蓄積された前記電力を出力する出力手段とを有する複数の燃料電池システムと、
   前記複数の燃料電池システムからの出力を合成し出力する出力合成手段と、を備えた燃料電池制御システムであって、
   前記出力合成手段は、
   前記各燃料電池システムの前記出力手段と機械的及び電気的に接続され、前記各燃料電池システムからの出力をそれぞれ受け入れる複数の入力手段と、
   前記複数の入力手段を介して受け取った前記複数の燃料電池システムからの出力を合成し蓄積する合成蓄電手段と、
   前記合成蓄電手段と前記各燃料電池システムの前記蓄電手段との間の電気的な接続を調整し、過大な電流が流れることを防止する調整手段とを含み、
   前記各燃料電池システム内の前記蓄電手段の電位と、前記出力合成手段内の前記合成蓄電手段の電位は、前記調整手段によって同一に保たれることを特徴とする燃料電池制御システム。
2. 前記調整手段は、
   抵抗体と、インダクタとを含み、
   前記燃料電池システムの前記蓄電手段と前記出力合成手段の前記合成蓄電手段との間の電位差が大きいと判定するための尺度となる第１の閾値を有し、
   前記蓄電手段と前記合成蓄電手段との間の電位差を監視し、
   前記電位差が前記第１の閾値以上の場合、前記電位差が大きいと判定し、前記蓄電手段と前記合成蓄電手段とを前記抵抗体を介して電気的に接続し、
   前記電位差が前記第１の閾値より小さい場合、前記電位差が小さいと判定し、前記蓄電手段と前記合成蓄電手段とを前記インダクタを介して電気的に接続する請求項１に記載の燃料電池制御システム。
3. 前記調整手段は、
   抵抗体と、インダクタとを含み、
   前記燃料電池システムの前記蓄電手段と前記出力合成手段の前記合成蓄電手段との間の電位差が大きいと判定するための尺度となる第１の閾値と、前記第１の閾値よりも小さく、前記電位差が極めて小さいと判定するための尺度となる第２の閾値とを有し、
   前記蓄電手段と前記合成蓄電手段との間の電位差を監視し、
   前記電位差が前記第１の閾値以上の場合、前記電位差が大きいと判定し、前記蓄電手段と前記合成蓄電手段とを前記抵抗体を介して電気的に接続し、
   前記電位差が前記第１の閾値より小さく、前記第２の閾値以上の場合、前記電位差が小さいと判定し、前記蓄電手段と前記合成蓄電手段とを前記インダクタを介して電気的に接続し、
   前記電位差が前記第２の閾値よりも小さい場合、前記電位差は極めて小さいと判定し、前記蓄電手段と前記合成蓄電手段とを電気的に直結する請求項１に記載の燃料電池制御システム。
4. 前記出力合成手段は、前記各入力手段と前記各燃料電池システムの前記出力手段との機械的な接続状態を検出する検出手段をさらに含み、
   前記調整手段は、前記検出手段によって前記出力合成手段の前記入力手段と前記燃料電池システムの前記出力手段との間の機械的な接続あるいは該機械的な接続の切り離しが検出されたとき、前記出力合成手段の前記合成蓄電手段と前記燃料電池システムの前記蓄電手段との電位差が大きいと仮定し、前記合成蓄電手段と前記蓄電手段との間の電気的な接続を、過大な電流が流れないように調整する請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池制御システム。
5. 燃料電池と、前記燃料電池で発電された電力を蓄積する蓄電手段と、前記蓄電手段に蓄積された前記電力を出力する出力手段とを有する複数の燃料電池システムと、
   前記複数の燃料電池システムからの出力を合成し出力する出力合成手段と、を備えた燃料電池制御システムであって、
   前記出力合成手段は、
   前記各燃料電池システムの前記出力手段と機械的及び電気的に接続され、前記各燃料電池システムからの出力をそれぞれ受け入れる複数の入力手段と、
   前記複数の入力手段と前記各燃料電池システムの前記出力手段との機械的な接続状態を検出する検出手段と、
   前記各入力手段と前記各燃料電池システムの前記蓄電手段との間の電気的な接続を調整し、過大な電流が流れることを防止する調整手段とを含み、
   前記調整手段は、前記検出手段によって前記出力合成手段の前記入力手段と前記燃料電池システムの前記出力手段との間の機械的な接続あるいは該機械的な接続の切り離しが検出されたとき、前記出力合成手段の前記入力手段と前記燃料電池システムの前記蓄電手段との間の電気的な接続を、過大な電流が流れないように調整することを特徴とする燃料電池制御システム。
6. 前記出力合成手段は、前記出力合成手段の前記合成蓄電手段の電圧の変化に基づいて、前記複数の燃料電池システムに対し、発電量の増加あるいは抑制を指示する制御信号を出力する制御回路をさらに含む請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池制御システム。
7. 前記調整手段は、
   インダクタと、
   前記合成蓄電手段と前記燃料電池システムの前記蓄電手段との間を、前記インダクタを介して電気的に接続、あるいは遮断するためのスイッチと、
   前記合成蓄電手段と前記各燃料電池システムの前記蓄電手段との間に流れる電流が一定になるように制御する定電流制御回路と、
   前記合成蓄電手段と前記蓄電手段との間の電位差に基づいて、前記スイッチ及び前記定電流制御回路を制御する状態制御回路とを備え、
   前記状態制御回路は、
   前記出力合成手段の前記入力手段と前記燃料電池システムの前記出力手段との間の電位差の大きさを判定するための尺度となる第３の閾値を有し、
   前記電位差が前記第３の閾値以上の場合、前記合成蓄電手段と前記燃料電池システムの前記蓄電手段との間で定電流充電制御を行うように前記定電流制御回路を制御し、
   前記電位差が前記第３の閾値より小さい場合、前記スイッチを導通状態に保つよう制御し、前記合成蓄電手段と前記燃料電池システムの前記蓄電手段との間を前記インダクタを介して通電させる請求項１に記載の燃料電池制御システム。

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