JP2019003749A - 活物質再生型燃料電池インターフェース及び活物質再生型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電源を制限せずに蓄電することができる活物質再生型燃料電池インターフェース及び活物質再生型燃料電池システムを提供すること。【解決手段】電源に接続される入力部41と、活物質再生型燃料電池の複数の単セル毎に対応した端子に接続される電池接続部42と、入力部41に入力された出力特性を検出する検出部44と、入力部41と電池接続部42の接続端子との電気的接続を切り替えるスイッチング機構43と、検出部44で検出された出力特性に基づき、スイッチ動作信号を生成し、該スイッチ動作信号をスイッチング機構43に入力する制御部45とを備え、スイッチング機構43は、制御部45からスイッチ動作信号が入力されたら、入力部41と電池接続部42との間の電気的接続を切り替えることを特徴とする活物質再生型燃料電池インターフェース4及び電源と活物質再生型燃料電池とが活物質再生型燃料電池インターフェースを介して接続された活物質再生型燃料電池システム。【選択図】図３

Description

本発明は、活物質再生型燃料電池インターフェース及び活物質再生型燃料電池システムに関し、より詳しくは、電源を制限せずに蓄電することができる活物質再生型燃料電池インターフェース及び活物質再生型燃料電池システムに関する。

活物質再生型燃料電池は、電源からの電力を受電することによって充電可能である。

電力貯蔵システムは、出力変動平滑化、余剰電力貯蓄、負荷平準化等を図ることが知られている（特許文献１）。

特許文献１には、電力貯蔵システムによる電力の平滑化を行う蓄電システムに、自然エネルギーを使用した不安定な発電電力を常に最大の効率で引き出すためのＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）コンバータを適用することが開示されている。

特開２０１１−１５１９６１号公報

特許文献１では、自然エネルギーによる電力の供給に伴い、電力需要の要請に応える技術であり、供給が多い場合は、蓄電池に蓄電し、需要が多くなったら、蓄電池から放電することで、電力の需要と供給のバランスをＭＰＰＴコンバータを用いることで実現している。
しかし、電源は自然エネルギーに限らず様々な種類があり、特許文献１では、これらの電源を制限せずに蓄電する要請を満たせないという課題があった。

そこで本発明の課題は、電源を制限せずに蓄電することができる活物質再生型燃料電池インターフェース及び活物質再生型燃料電池システムを提供することにある。

また本発明の更なる他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

（請求項１）
出力電圧を少なくとも含む電力情報を発生する１又は複数の電源と、
複数の単セルと、該単セル毎に設けられる端子とを備える活物質再生型燃料電池と、
複数の前記電源と前記活物質再生型燃料電池とが、活物質再生型燃料電池インターフェースを介して接続され、
前記活物質再生型燃料電池インターフェースは、複数の前記電源からの電力情報を入力する入力部と、
前記入力部に入力された電力情報に含まれる前記出力電圧を検出する検出部と、
前記活物質再生型燃料電池の前記端子と接続する電池接続部と、
前記入力部と前記電池接続部との接続を切り替えるスイッチング機構と、
前記検出部で検出された前記出力電圧に基づいて、スイッチ動作信号を生成し、該スイッチ動作信号を前記スイッチング機構に入力する制御部とを備え、
前記制御部は、前記検出部で検出された前記出力電圧に基づき、前記単セルのセル数の開路電圧が、前記出力電圧と対比して小さくなるように、前記単セルのセル数を算出し、
該算出された単セルのセル数に基づき、接続対象となる単セル群を決定し、
該決定した単セル群に基づき、スイッチ動作信号を生成し、
前記スイッチング機構は、前記制御部から前記スイッチング動作信号が入力されたら、前記入力部と前記電池接続部との間の電気的接続を前記入力部と前記電池接続部との間の電気的接続を切り替えることを特徴とする活物質再生型燃料電池システム。
（請求項２）
負荷電圧を少なくとも含む負荷情報を発生する１又は複数の負荷と、
複数の単セルと、該単セル毎に設けられる端子とを備える活物質再生型燃料電池と、
複数の前記負荷と前記活物質再生型燃料電池とが、活物質再生型燃料電池インターフェースを介して接続され、
前記活物質再生型燃料電池インターフェースは、複数の前記負荷からの負荷情報を入力する入力部と、
前記入力部に入力された負荷情報に含まれる負荷電圧を検出する検出部と、
前記活物質再生型燃料電池の前記端子と接続する電池接続部と、
前記入力部と前記電池接続部との接続を切り替えるスイッチング機構と、
前記検出部で検出された前記負荷電圧に基づいて、スイッチ動作信号を生成し、該スイッチ動作信号を前記スイッチング機構に入力する制御部とを備え、
前記制御部は、前記検出部で検出された前記出力電圧に基づき、前記単セルのセル数の開路電圧が、前記負荷電圧と対比して大きくなるように、前記単セルのセル数を算出し、
該算出された単セルのセル数に基づき、接続対象となる単セル群を決定し、
該決定した単セル群に基づき、スイッチ動作信号を生成し、
前記スイッチング機構は、前記制御部から前記スイッチング動作信号が入力されたら、前記入力部と前記電池接続部との間の電気的接続を前記入力部と前記電池接続部との間の電気的接続を切り替えることを特徴とする活物質再生型燃料電池システム。

本発明によれば、電源を制限せずに蓄電することができる活物質再生型燃料電池インターフェース及び活物質再生型燃料電池システムを提供することができる。

本発明の活物質再生型燃料電池システムの一例を示すブロック図 本発明の活物質再生型燃料電池の一例を示すブロック図 本発明の活物質再生型燃料電池インターフェースの一例を示すブロック図 風力発電設備を電源とした場合の活物質再生型燃料電池システムの一例を示す図 活物質再生型燃料電池システムの接続切替の概念図 本発明の制御部の一例を示す機能ブロック図 本発明の活物質再生型燃料電池インターフェースの処理フローを示す図 単セルのセル数選択の一例を示すデータテーブル （ａ）スイッチ動作信号による接続切替前の一例を示す図、（ｂ）スイッチ動作信号による接続切替後の一例を示す図 出力特性の変化した場合の接続切替を行う制御フローを示す図 タンク切替え処理の一例を示す制御フロー図 リバランス決定処理の一例を示す制御フロー図 本発明の活物質再生型燃料電池システムの他の例を示すブロック図 本発明の活物質再生型燃料電池システムの他の例を示す図

以下に、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳しく説明する。

図１は、本発明の活物質再生型燃料電池システムの一例を示すブロック図であり、図２は、活物質再生型燃料電池の一例を示すブロック図であり、図３は、本発明の活物質再生型燃料電池インターフェースの一例を示すブロック図である。

図１に示すように、本発明の活物質再生型燃料電池システム１は、電源２及び活物質再生型燃料電池３を、活物質再生型燃料電池インターフェース４を介して接続することで使用することができる。この接続は、電気通信回線を介した接続でもよく、無線通信回線を介した接続でもよい。

電源２は、主に、電力を発生するものを用いることができる。電源２は、直流電源と交流電源を用いることができる。

電源２としては、例えば、太陽電池モジュール、風力発電設備、バイオマス発電設備、系統電力、電動機を有する機器の回生出力等、種々の電源を汎用性高く選択することができる。本発明の効果を顕著に発揮する観点で、これらの電源は互いに出力特性が異なるものであることが好ましい。

これらの電源からの受電は、継続的に、あるいは必要に応じて任意の時間、行うことができる。特に、太陽電池モジュール、風力発電設備、バイオマス発電設備、電動機を有する機器の回生出力等の電源からの受電は、継続的に行われることが好ましい。一方。系統電力からの受電は、必要に応じて任意の時間、行われることが好ましい。

通常、太陽電池モジュール等の直流出力は、半波整流器や全波整流器等の整流回路や平滑回路を介することなく、活物質再生型燃料電池インターフェース４を介して活物質再生型燃料電池３に入力することができる。一方、通常は交流である風力発電設備、バイオマス発電設備、系統電力、電動機を有する機器の回生出力等の出力は、整流回路や平滑回路を備えた活物質再生型燃料電池インターフェース４を介して、活物質再生型燃料電池３に入力することができる。

活物質再生型燃料電池３の構成の一例を、図２を参照して説明する。
図２に示すように、活物質再生型燃料電池３は、複数の単セルＢ_１〜Ｂ_ｎ（ｎは整数を表す。以下同じ。）、端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎ＋１、双極板３１、バイポーラプレート３２、充電深度測定手段３３、タンク切替手段３４、リバランス手段３５を備えている。充電深度測定手段３３、タンク切替手段３４、リバランス手段３５については、後述する。

また、活物質再生型燃料電池３は、充電可能な二次電子（蓄電池ともいう）である。活物質再生型燃料電池３としては、充放電による活物質の再生が可能な電池であれば格別限定されず、例えばレドックスフロー電池等が挙げられ、具体的には、例えば、バナジウム−バナジウム電池等、正負極ともにレドックス系を用いる無機系活物質あるいは有機系活物質の電池、またバナジウム−空気電池等のように正極側を空気極（酸素カソード）にした電池等が挙げられる。

各単セルＢ_１〜Ｂ_ｎは、それぞれが図示しない正極及び負極を備えている。１つの単セル内において、正極と負極と、例えば隔膜等によって隔離されている。

また、複数の単セルＢ_１〜Ｂ_ｎは、一つのセルスタックを形成する。セルスタックは、例えば、複数の単セルＢ_１〜Ｂ_ｎを双極板（複極仕切板、バイポーラプレートともいう）３１を介して直列に積層して構成することができる。

また、活物質再生型燃料電池３には、図示しない活物質タンクを備えている。活物質タンクは、複数の単セルＢ_１〜Ｂ_ｎに活物質を供給するタンクである。
例えば、充電時において、活物質タンクから各単セルＢ_１〜Ｂ_ｎに、活物質が供給されると、各単セルＢ_１〜Ｂ_ｎの正極側では、活物質は酸化され、負極側では、活物質は還元され、放電に再使用可能な活物質として再生することができる。一方、放電時において、各単セルＢ_１〜Ｂ_ｎの正極側では、活物質が還元され、負極側では、活物質が酸化され、電力を取り出すことができる。

したがって、図示しない活物質タンクと各単セルＢ_１〜Ｂ_ｎとの間で、活物質循環系が形成されている。

活物質循環系としては、正極活物質循環系と負極活物質循環系の両方を有してもよいし、何れか一方を有してもよい。例えば、正極活物質循環系と負極活物質循環系の両方を有するバナジウム−バナジウム電池は、正極活物質循環系として４価／５価バナジウムを用い、負極活物質循環系として２価／３価バナジウムを用いることができる。また、負極活物質循環系の一方だけを有するバナジウム−空気電池は、正極活物質循環系に代えて、正極に空気を用いる。

端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎ＋１は、活物質再生型燃料電池３側の端子である。ここで、端子Ｔ_１、Ｔ_ｎ＋１は、それぞれセルスタックの一端及び他端に設けられた末端端子である。端子Ｔ_２〜Ｔ_ｎは、それぞれセルスタック内の隣り合う単セル間に設けられた中間端子である。

中間端子である端子Ｔ_２〜Ｔ_ｎは、それぞれセルスタック内の隣り合う単セルＢ_２〜Ｂ_ｎ−１間に設けられた双極板３１により構成することができる。

末端端子である端子Ｔ_１、Ｔ_ｎ＋１は、セルスタックの一端及び他端の単セルＢ_１、Ｂ_ｎに隣接して設けられたエンドプレート３２、３２により構成することができる。

活物質再生型燃料電池インターフェース４を、図３を参照して説明する。
図３に示すように、活物質再生型燃料電池インターフェース４は、入力部４１、電池接続部４２、スイッチング機構４３、検出部４４、制御部４５、記憶部４６を備えている。

入力部４１は、電源２に接続し、電源２からの電力情報を入力することができる。電力情報は、電力そのものでもよいが、例えば、受電量、出力特性等が挙げられる。これらを受電前に受信することができる。また、電源２が交流電源の場合、入力部４１は、整流回路、平滑回路、逆流防止回路等を備えていることが好ましい。これにより、スムーズに受電が可能になる。

図４は、風力発電設備を電源とした場合の活物質再生型燃料電池システムの一例を示す図である。なお、図４では、逆流防止回路を備えた例を説明する。

図４に示すように、電源２は風力発電設備である。そして活物質再生型燃料電池インターフェース４の入力部４１には、逆流防止ダイオード４１０、４１０，４１０が設けられている。また、入力部４１には、コンデンサ４１１が設けられている。そして、図示しない電池接続部を介して活物質再生型燃料電池３に接続している。この逆流防止ダイオード４１０、４１０、４１０及びコンデンサ４１１を備えた逆流防止回路が入力部４１に設けられていることにより、逆流による故障等を防止することができる。なお、電池側の単セル自身が大きな静電容量を持ち、コンデンサとしての役割を果たすため、入力部４１の逆流防止回路には、コンデンサ４１１を設けなくても良い。

電池接続部４２は、活物質再生型燃料電池３の複数の単セルＢ_１〜Ｂ_ｎの単セル間に設けられた端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎ＋１に対応した端子が設けられている。これにより、入力部４１と電池接続部４２とが電気的に接続されることにより、電源２と活物質再生型燃料電池３とを電気的に接続することができる。

スイッチング機構４３は、スイッチ素子を備え、このスイッチ素子を用いることによって、入力部４１と電池接続部４２との間の電気的接続を切り替えることができる。これによって、入力部と複数の単セル間との電気的接続を間接的に接続することができる。

スイッチング機構４３のスイッチ素子としては、例えば、パワー半導体を用いることができる。

スイッチング素子に用いるパワー半導体としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧａＮ素子の何れかを用いることができ、またこれらを組み合わせた回路を構成しても良い。これらのパワー半導体は耐高電圧性がある。

本発明に係る活物質再生型燃料電池システム１は、高耐圧性が高いことが好ましいため、耐高電圧性に優れたＩＧＢＴ、ＧａＮ素子を用いることが好ましい。更に、高入出力に対応するために、低導通抵抗、高速スイッチ機能に優れ、電気自動車、燃料電池車に用いられるようになったＧａＮ素子がより好ましい。

図５は、活物質再生型燃料電池システムの接続切替の概念図である。図５には、活物質再生型燃料電池３の単セルＢ_１〜Ｂ_ｎと入力部４１との間を接続するスイッチング機構の回路概念図が示されている。

図５に示すように、活物質再生型燃料電池３の単セルＢ_１〜Ｂ_ｎの間に、図示しない活物質再生型燃料電池３の端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎ＋１が設けられ、これらの端子に対応して設けられた電池接続部４２と入力部４１との間に、スイッチＳ_１〜Ｓ_ｎが設けられ、入力部４１と電池接続部４２との間の正極側スイッチＳ_Ｐ００〜Ｓ_Ｐ０ｎ、負極側スイッチＳ_Ｎ０１〜Ｓ_{Ｎ０ｎ−１}が設けられている。ここで、Ｐ_００〜Ｐ_０ｎ、Ｎ_０１〜Ｎ_０ｎ−１は、一つの入力部４１に対応する電池接続部４２との間のスイッチの番号であり、電池接続部４２の端子とそれぞれ対応して設けられている。

また、入力部４１が複数ある時は、これに併せて、スイッチング機構４３には、各々の入力部４１に対応するように、正極側スイッチＳ_Ｐｉ０〜Ｓ_Ｐｉｎと、負極側スイッチＳ_Ｎｉ０〜Ｓ_{Ｎｉｎ−１}が、スイッチＳ_１〜Ｓ_ｎとスイッチＳ_Ｐ００〜Ｓ_Ｐ０ｎ及びスイッチＳ_Ｎ０１〜Ｓ_{Ｎ０ｎ−１}との間に設けられることによって、電気的接続を切替ることができる。ここで、ｉは、各々の入力部４１に対応する記号であり、複数の入力部４１に対応して変動する。

これらのスイッチをＯＮ、ＯＦＦの切替をすることによって、入力部４１と電池接続部４２との間の電気的接続を切り替えることができ、入力部４１にスイッチング機構４３のスイッチでＯＮになったスイッチ素子を介して接続された電池接続部４２と、端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎ＋１とが接続されていることによって、活物質再生型燃料電池３の単セルＢ_１〜Ｂ_ｎと入力部４１とを接続することができ、該単セルＢ_１〜Ｂ_ｎのうちスイッチでＯＮになり電気的な接続がなされた単セルに対して受電をすることができる。

検出部４４は、前記電源２に接続される前記入力部４１の出力特性を検出することができる。出力特性を検出できるものであれば、特に限定されない。検出する出力特性としては、例えば、出力電圧、接地有無情報等を含むことができる。

接地有無情報は、電源２が接地されているか否か、及び活物質再生型燃料電池３が接地されている否かの情報を含むことができる。この情報により、後述する単セル群を選択する際に、活物質再生型燃料電池３の電位と適合する単セル群を選択することができる。

制御部４５は、検出部４４の検出された出力特性に基づいて、スイッチ動作信号を生成し、スイッチング機構４３に入力することができる。そして、スイッチング機構４３に生成したスイッチ動作信号を入力する。スイッチング機構は、制御部４５から入力されるスイッチ動作信号によって、入力部４１と電池接続部４２との間の電気的接続を切り替えることができる。

さらに、制御部４５は、例えば、ＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ）対応ＳＣＡＤＡ（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｎｄ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）等のコンピュータによるシステム監視、プロセス制御を行うプログラム（システム）を用いることができる。

記憶部４６は、制御部４５の制御に要する情報を予め記憶することができ、入力部４１からの情報、検出部４４で検出された情報を記憶することもできる。また、記憶部４６としては、ＲＡＭ，ＲＯＭ等のメモリを用いることができ、外部記憶装置でもよい。

また、記憶部４６は、活物質再生型燃料電池３の総セル数、単セル当たりの受電容量等の活物質再生型燃料電池３に関する情報、また電源２の種類や最大発電量等の電源２に関する情報を予め記憶させてもよい。この記憶された情報により、後述する制御を容易に行える。また、例えば、制御部４５は、活物質再生型燃料電池３と電源２とが活物質再生型燃料電池インターフェース４と接続されたときに読み込めるようなプログラムを備えていても良い。このプログラムの実行により、容易に接続する対象の情報を入手することができる。

図６は、本発明の制御部４５の一例を示す機能ブロック図であり、図７は、活物質再生型燃料電池インターフェース４の処理フロー図であり、図８は、電圧測定値と単セル数との対応関係を示す図である。

図６において、制御部４５は、単セル数算出部５１、単セル群決定部５２、動作信号生成部５３を備えている。以下、本発明の活物質再生型燃料電池インターフェースの処理フローを示す図７に基づいて説明する。

まず、活物質再生型燃料電池インターフェース４は、電源２から入力される電力情報を入力部４１に入力する（Ｓ１０）。

次に、検出部４４は、入力部に入力された電力情報に含まれる出力特性を検出する（Ｓ１１）。出力特性は、例えば、出力電圧を用いることができる。以下、出力特性が出力電圧の場合で説明する。検出部４４は、検出した出力電圧を制御部４５に出力する。

次に、制御部４５は、入力した出力電圧に基づいて、単セル数算出部５１において、単セルの数を算出する（Ｓ１２）。

例えば、活物質再生型燃料電池３の単セル当たりの受電容量をメモリ等で記憶している場合、検出された出力電圧と単セル当たりの受電容量とに基づいて、単セルのセル数を算出することが好ましい。これにより、充電の効率を向上することができる。単セル当たりの受電容量としては、例えば、単セル当たりの開路電圧を用いることができる。この場合、制御部は、開路電圧（単セル当たりの開路電圧とセル数の積とすることができる）が前記出力電圧よりも小さくなるように単セルのセル数を算出する。このとき、単セルのセル数の開路電圧が前記出力電圧よりも小さくなる範囲で、単セルのセル数の開路電圧と前記出力電圧との差が小さくなるようにセル数を算出することで、充電の効率を更に向上することができる。単セル当たりの開路電圧は、例えば、充放電に供されていない状態のセルについて測定された値を用いることができる。

また、記憶部４６に、例えば、図８に示すような、検出された出力電圧を検出電圧とし、この検出電圧と対応する単セルのセル数情報を「検出電圧‐セル数対応情報」として記憶させておくこともできる。

図８において、検出部４４で検出された出力電圧が例えば、３Ｖの場合、「検出電圧‐セル数対応情報」において、検出電圧は〜４Ｖの範囲であるため、この範囲に対応する単セルの数は、「２」である。したがって、単セルのセル数を「２」と算出することができる。

ここで、図８は、検出電圧と単セルのセル数を対応させて記憶する情報の一例であり、例えば、検出部４４において、検出する出力特性が電圧以外を検出する場合、検出対象となる情報と、単セルのセル数を対応させて記憶させることもできる。

更に、検出電圧の範囲についても、どの程度の範囲で区切るかは、セルスタックの総セル数、セルスタック数等により適宜設計可能である。また、単セル数についても、適宜設計可能である。

この時、制御部４５は、出力電圧が最大受電の電圧を超えた場合に、出力電圧を抑えるような制御信号を電源２に送信するようにしても良い。これにより、電圧調整を行うことができる。また、逆流防止回路を入力部４１に設けることで、逆流防止対策を施すこともできる。

次に、制御部４５は、選択された単セル数に基づき、単セル群決定部５２において活物質再生型燃料電池３の単セル群を決定する（Ｓ１３）。

ここで、具体的には、活物質再生型燃料電池３の単セル群の端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎ＋１に対応する電池接続部４２の端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎ＋１を決定すればよい。この場合、単セル群の端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎ＋１に対応する単セル群Ｂ_１〜Ｂ_ｎの情報を、図示しないメモリ等で記憶させておくことで、活物質再生型燃料電池３の単セル群の端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎ＋１に対応する電池接続部４２の端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎ＋１を決定することができる。

例えば、活物質再生型燃料電池３のバイポーラプレート３２に設けられる端子を単セル群の接続する端子を最初の端子Ｔ_１とする場合は、端子Ｔ_１〜Ｔ_ｎ＋１のｎ＝単セル数を代入することで、電池接続部４２の接続する端子が決定される。つまり、ステップ（Ｓ１２）において、単セル数「２」が算出された場合、ｎ＝２になり、単セル群は、電池接続部４２の端子Ｔ_１、Ｔ_３に対応する単セル群Ｂ_１〜Ｂ_２が決定されることになる。

したがって、単セル群の接続される電池接続部の正の端子をＴ_Ｍとし、算出される単セルのセル数をＸとする場合は、負の端子は、Ｔ_Ｍ+Ｘとなる。Ｔ_ＭとＴ_Ｍ+Ｘに対応する単セルＢ_Ｍ、Ｂ_{Ｍ+Ｘ−１}間の単セル群Ｂ_Ｍ〜Ｂ_{Ｍ+Ｘ−１}を使用して受電をすることができる。

ここで、最初の端子Ｔ_Ｍの番号であるＭを決定する判断としては、制御部４５が活物質再生型燃料電池システム１を構成する装置等の使用頻度や使用状況等の情報を記憶部４６に記憶しておき、それらを参照することによって、適宜決定することができる。

次に、制御部４５は、決定された単セル群に基づき、動作信号生成部５３において、スイッチ動作信号を生成する（Ｓ１４）。

このスイッチ動作信号は、入力部４１と電池接続部４２との間を接続するためのスイッチを切り替える信号である。制御部４５は、動作信号生成部５３で生成されたスイッチ動作信号を、スイッチング機構４３に出力する。したがって、生成されるスイッチ動作信号としては、入力部４１と、決定した単セル群に対応する電池接続部４２の最初の端子Ｔ_Ｍと最後の端子Ｔ_Ｍ+Ｘとを接続する信号である。

スイッチング機構４３は、制御部４５から入力されたスイッチ動作信号に基づいて、入力部４１と電池接続部４２との間の電気的接続を行う（Ｓ１５）。

入力されたスイッチ動作信号に基づいて、入力部４１と電池接続部４２との間の電気的接続を行う動作の一例を図９に基づいて説明する。

図９（ａ）は、スイッチ動作による単セル群が未選択時の図であり、図８（ｂ）は、スイッチ動作による単セル群が選択時の図である。

図９（ａ）において、まだ制御部４５で、スイッチ動作信号が生成されていないため、単セル群の決定がなされていない。
そして、検出部４４から制御部４５への点線矢印で示すように、検出部４４で検出された出力電圧が制御部４５に入力される。

出力電圧が制御部４５へ入力されると、図９（ｂ）に示すように、例えば、制御部４５で、単セルのセル数Ｘ＝２が算出され、接続する最初の端子Ｔ_Ｍにおいて、使用状況等から最初の端子の番号Ｍ＝２とした場合、接続する最後の端子Ｔ_Ｍ+Ｘは、Ｍ+Ｘ＝４となる。そして、接続する端子は、Ｔ_２、Ｔ_４と対応する単セル群Ｂ_２、Ｂ_３が決定される。
次に、単セル群Ｂ_２、Ｂ_３が決定されると、これに対応するＴ_２、Ｔ_４に接続するようにスイッチ動作信号が生成され、制御部４５からスイッチング機構４３への点線矢印で示すように、スイッチ動作信号が入力される。

スイッチ動作信号が生成されると、スイッチング機構４３は、活物質再生型燃料電池３側の端子Ｔ_２、Ｔ_４に対応する電池接続部４２の端子Ｔ_２、Ｔ_４と、入力部４１との間の電気的接続がＯＮになるようにスイッチを切り替える。

このスイッチの切替により、活物質再生型燃料電池３側の端子Ｔ_２、Ｔ_４と接続されている電池接続部４２の端子Ｔ_２、Ｔ_４が入力部４１と電気的に接続され導通状態となる。これによって、２つの単セルＢ_２、Ｂ_３からなる単セル群に対して、電源２からの電力を受電させることができる。

図７のＳ１０において、制御部４５は、入力部４１に入力した電力情報を受信し、受電量を受信し、受電量と電池の総容量とを比較し、受電量が電池の総容量を超えている場合には、最大で受電できる量に抑えるような制御信号を、電源２に送信することで、電源２と活物質再生型燃料電池３との受電をスムーズに処理することができる。

図１０は、活物質再生型燃料電池インターフェース４の処理フローの他の例を示す図であり、活物質再生型燃料電池インターフェース４の処理を継続的に行う場合の処理フロー図である。したがって、図７に示した処理が終了し、この処理に引き続き監視を行うことができる。また、この処理は、入力部４１から入力される電力情報において、出力電圧が変化した場合に適用できる。

まず、電源２から入力される電力情報を入力部４１に入力する（Ｓ２０）。この場合、電力情報は、常時入力されるようにしてもよい。

次に、検出部４４は、入力部４１に入力された電力情報に含まれる出力電圧の変化量を検出する（Ｓ２１）。例えば、入力部４１に入力された電力情報を、所定時間ごとに検出し、記憶部４６で記憶することで、所定時間ごとに電力情報のうちの出力電圧の変化がわかる。これにより入力される出力電圧の変動を検出することができる。

次に、制御部４５は、出力電圧の変化量が所定範囲か否を判断する（Ｓ２２）。具体的には、出力電圧の変化量が、所定範囲内である場合（Ｓ２２のＹＥＳ）は、継続的に出力電圧を検出し、監視を継続する。

一方で、出力電圧の変化量が最小値Ｃ_ｍｉｎより小さい場合若しくは、最大値Ｃ_ｍａｘより大きい場合（Ｓ２２のＮＯ）は、受電する出力電圧の変動が大きすぎると判断し、制御部４５は、変化量に基づいて、単セル数算出部５１において、単セルのセル数を算出する（Ｓ２３）。つまり、変化量が大きい場合は、出力電圧が決定した単セルのセル数を変えなければ受電が効率的に行えないことになる。このため、単セルのセル数を変更することで、効率的な受電が行える。この時変化量が所定値を超えた時の出力電圧に基づいて、単セル数算出部５１において、単セルのセル数を算出しても良い。

次に、図７のＳ１２で算出された単セルのセル数を読み込む（Ｓ２４）。したがって、この処理を行う場合には、事前にＳ１２で算出された単セルのセル数を記憶部４６に記憶させておく必要がある。Ｓ２３で算出された単セルのセル数と図７のＳ１２で算出された単セルのセル数との差を算出することで、電池接続部４２の端子を何個ずらすかを算出することができる。

なお、図７のＳ１３で決定された単セル群を読み込む場合には、決定された単セル群を記憶部４６に記憶させる。制御部４５では、上述の端子を単純にずらすことができない場合等に単セル群を記憶しておくことで、使用状況の単セル群、セルスタック等を確認でき、未使用状態の単セル群を改めて決定することができるようになる。つまり、制御部４５が常に監視コントロールをすることができる。

次に、制御部４５は、動作信号生成部５３において、スイッチ動作変更信号を生成する（Ｓ２５）。このスイッチ動作変更信号は、前記スイッチ動作信号からどれだけ変更させるかの情報である。この時、スイッチ動作変動信号でなく、改めてスイッチ動作信号を生成しても良い。この場合は、スイッチング機構に以前に送ったスイッチ動作信号を上書きするようにすることができる。

次に、スイッチング機構４３は、スイッチ動作変更信号に基づいて、入力部４１と電池接続部４２との間の電気的接続を切替る（Ｓ２６）。

制御部４５が実行するタンク切替処理フローを図１１に基づいて説明する。
図１１に示すように、まず、活物質再生型燃料電池３の充電深度測定部３３が測定した活物質液の充電深度を測定する（Ｓ３０）。

充電深度は、正極活物質液及び負極活物質液の各々について測定された測定値を含むことができる。例えば、活物質液の充電深度としては、正極活物質液及び負極活物質液のうち充電深度が大きい方の充電深度を選択することができる。充電深度測定部３３で測定された充電深度は、活物質再生型燃料電池インターフェース４の制御部４５に送信される。

次に、制御部４５は、受信した活物質液の充電深度が所望深度以上であるか否かを判断する（Ｓ３１）。かかる所望深度は、予め記憶部４６に記憶された情報でもよいし、図示しない入力手段によって、入力しても良い。

活物質液の充電深度が所望深度未満である場合（Ｓ３１のＮＯ）、処理を終了する。

活物質液の充電深度が所望深度以上である場合（Ｓ３１のＹＥＳ）、制御部４５は、動作信号生成部５３において、タンク切替信号を生成する（Ｓ３２）。この場合、タンク毎の充電深度を記憶させておくことが好ましい。これにより、タンク切替信号を生成する際に、充電深度の低いタンクを優先的に切り替えられるようにできる。このタンク切替信号をタンク切替部３４に送信する。

次に、タンク切替部３４は、受信したタンク切替信号に基づいて、タンクの切替えを実行する（Ｓ３３）。これにより、タンク切替部３４によって、活物質再生型燃料電池３の活物質液循環系に接続される活物質液タンクの切替えが実行される。活物質液タンクは、正負活物質液共に切替えることができる。

制御部４５が実行するリバランス処理フローを図１２に基づいて説明する。
図１２に示すように、まず、活物質再生型燃料電池３の充電深度測定部３３は、正極活物質液及び負極活物質液の各々の充電深度を測定する（Ｓ４０）。充電深度測定部３３で測定された正極負極の活物質液各々の充電深度は、活物質再生型燃料電池インターフェース４の制御部４５に送信される。

次に、制御部４５は、受信した正極及び負極の活物質液各々の充電深度の差を算出し、その充電深度の差が設定値以上であるか否かを判断する（Ｓ４１）。かかる設定値は、図示しない入力手段により入力し、記憶部４６に記憶させても良いし、予め記憶部４６に記憶させた情報でもよい。

正負活物質液間の充電深度の差が設定値以上である場合、制御部４５は、動作信号生成部５３において、リバランス信号を生成する（Ｓ４２）。生成されたリバランス信号は、活物質再生型燃料電池３のリバランス処理部３５に送信される。

次に、リバランス処理部３５は、受信したリバランス信号に基づいて、リバランス処理を実行する（Ｓ４３）。これにより、リバランス処理部３５によって、正極活物質液及び負極活物質液間の充電深度差を縮小又はゼロにするリバランス処理が実行される。

上述の実施形態は、電源２が単数の場合で説明したが、電源２が複数であっても、本発明の活物質再生型燃料電池インターフェース４を介することで、活物質再生型燃料電池３に受電をすることが可能になる。

この場合、活物質再生型燃料電池インターフェース４は、複数の電源２の各々に入力部４１を備え、更に各々の入力部４１に対応する検出部４４を備えている。

そして、制御部４５は、単セル数算出部５１及び単セル群決定部５２において、夫々の検出部４４で検出された出力電圧に基づいて、単セルのセル数を算出し、決定した単セル群を入力部４１に入力があった順に記憶させておくことで、単セル群をかぶらないようにすることもできるし、被らせる範囲を決めることもできる。

更に、一つの入力部と電池接続部との間を接続する端子を決定した場合に、他の入力部と電池接続部との間を接続する端子は、端子を一つ又は複数開けて（単セル１つ又は複数分開けて）、接続することもできる。例えば、１つの入力部から入力により決定された単セル群があり、他の入力部からの入力により、単セル群を決定する場合、これらの単セル群の間を１又は複数セル開けて、単セル群を決定することもできる。単セルそのものがコンデンサとしての役割を持つため、受電を効率よく行うことができる。

以上の説明では、活物質再生型燃料電池３が備える複数の双極板３１の全てを端子として電池接続部に接続する場合について主に示したが、これに限定されない。例えば、活物質再生型燃料電池３が備える複数の双極板３１のうちの一部の双極板３１を端子として電池接続部に接続することもできる。例えば、２つの単セルを１単位とするように、端子として用いる双極板３１を構成してもよい。このような構成は、例えば、活物質再生型燃料電池３が備える複数の双極板３１から、端子として用いる双極板３１を一つおきに選択する等により実現できる。更に、１つの活物質再生型燃料電池３の中で、端子間に配置される単セルの数は同じでも異なってもよい。

また、双極板を端子として用いる場合について主に説明したが、これに限定されない。例えば、双極板に接続された何れかの導体を端子として用いてもよい。かかる導体は、例えば電極等であってもよい。

更に、活物質再生型燃料電池システム１は、活物質再生型燃料電池インターフェース４に接続される活物質再生型燃料電池３を負荷に接続する負荷接続部を備えることができる。

また、入力部４１を負荷接続部としても使用することもできる。負荷接続部は、電源側の電力情報ではなく、負荷情報を入力することができる。また、検出部４４は、負荷情報に含まれる負荷特性を検出する。これにより、電源に接続する単セル群の選択と同様に、負荷に接続する単セル群の選択を行うことができる。

負荷に接続する単セル群の選択に際して、制御部は、例えば、検出部で検出された負荷特性に基づき、単セルのセル数を算出し、該算出された単セルのセル数に基づき、接続対象となる単セル群を決定し、該決定した単セル群に基づき、スイッチ動作信号を生成する。

負荷特性としては、例えば、負荷電圧を含むことができる。負荷特性が負荷電圧を含む場合は、制御部は、例えば、負荷電圧に基づき、単セルのセル数の開路電圧が前記負荷電圧よりも大きくなるように単セルのセル数を算出する。このようにして、負荷への放電を好適化することができる。

入力部４１に電源２の接続がない場合、この入力部４１を負荷接続部として使用することができる。

また、入力部４１に電源２の接続がある場合、制御部は、電源に接続する単セル群の選択と、負荷に接続する単セル群の選択とを、並行して行うことができる。この場合、制御部は、検出部で検出された出力特性及び負荷特性に基づき、電源及び負荷の各々の接続対象となる単セルのセル数を算出し、該算出された単セルのセル数に基づき、電源及び負荷の各々の接続対象となる単セル群を決定し、該決定した単セル群に基づき、出力特性と負荷特性の各々に対してスイッチ動作信号を生成する。

検出部によって検出される出力特性及び負荷特性が、それぞれ出力電圧及び負荷電圧を含む場合は、制御部は、検出された出力電圧に基づき、単セルのセル数の開路電圧が出力電圧よりも小さくなるように、単セルのセル数を算出すると共に、制御部は、検出された負荷電圧に基づき、単セルのセル数の開路電圧が負荷電圧よりも大きくなるように、単セルのセル数を算出する。このようにして、充電の効率を向上すると共に、負荷への放電を好適化することができる。

また、入力部４１に電源２の接続がある場合、本発明の活物質再生型燃料電池システム１は、活物質再生型燃料電池インターフェース４を介してＤＣ負荷に接続することができる。この場合の説明を図１３、図１４に基づいて説明する。

図１３に示すように、活物質再生型燃料電池システム１は、活物質再生型燃料電池インターフェース４を介して、電源２、活物質再生型燃料電池３及びＤＣ負荷が接続されている。これによって、電源２と負荷とを同時に接続し、スイッチング機構４３を介して、電源２と負荷を単セル群単位で同時に充放電することができる。

更に、図１４に示すように、電源２から入力する電力（ＡＣ入力、ＤＣ入力）が変動なく安定して入力される場合は、逆流防止回路を活物質再生型燃料電池インターフェース４の入力部４１に設けてもよい。これにより逆流を防止できる。なお、複数のＤＣ負荷に接続される負荷接続部４１（入力部）にも、同様に逆流防止回路を設けることもできる。

なお、ＤＣ負荷を、活物質再生型燃料電池インターフェース４ではなく、活物質再生型燃料電池３に接続することも可能である。更に、ＤＣ負荷を、活物質再生型燃料電池インターフェース４と同等の機能を持つ負荷インターフェースとして機能させ、この負荷インターフェースを介して、活物質再生型燃料電池３に接続することもできる。

上述の入力部４１が負荷接続部として使用できる場合には、活物質再生型燃料電池インターフェース４の制御部４５に、ＭＰＰＴ制御機能を備えることによって、受電と負荷のバランスに最適な点を取りつつ受電と負荷を同時に行うように実現できる。この場合、ＭＰＰＴ制御機能により、受電と負荷との最適バランスを算出により求めることができる。

インターフェースの入力部は、１つの電源に接続されてもよいし、複数の電源にそれぞれ接続されてもよい。入力部を複数の電源にそれぞれ接続する場合、各電源に接続される入力部に対して複数の検出部を備え、制御部は、複数の検出部から検出されるそれぞれの出力特性に基づき、それぞれスイッチ動作信号を生成することができる。

インターフェースの負荷接続部は、１つの負荷に接続されてもよいし、複数の負荷にそれぞれ接続されてもよい。負荷接続部を複数の負荷にそれぞれ接続する場合、各負荷に接続される負荷接続部に対して複数の検出部を備え、複数の検出部から検出されるそれぞれの負荷特性に基づき、それぞれスイッチ動作信号を生成することができる。

更に、インターフェースには、１又は複数の電源と１又は複数の負荷とが同時に接続されてもよい。

以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はかかる実施例により限定されない。

（実施例１）
電源であるマイクロ風車から出力される電力によって、図２に示したものと同様のレドックス電池（ここでは試験用として３つの単セルを積層したセルスタックを用いた）の充電を行った。
このとき、マイクロ風車からの変動する出力特性（出力電圧）を常に監視し、レドックス電池における接続対象となる単セル群の開路電圧が前記出力電圧よりも小さくなるように単セルのセル数を算出し、このセル数で単セル群を選択するようにセルスタック端子（双極板からなる中間端子）の位置を切り換えて充電を行った。その際、開路電圧が前記出力電圧よりも小さくなる範囲で、開路電圧と出力電圧との差が小さくなるように、セル数を算出した。
ここで、開路電圧は、充放電に供されていない状態のセルについて測定された値である。
充電の効率を評価するために、電池に入力された入力クーロン数に対する放電電気量（クーロン効率）、及び、電池に入力された入力電力に対する出力電力（エネルギー効率）を測定した。結果を表１に示す。

（実施例２）
実施例１において、マイクロ風車からの変動する出力特性（出力電圧）に対して、常時、セル数を２個に固定して充電を行った。実施例１と同様に評価した結果を表１に示す。

（実施例３）
実施例１において、マイクロ風車からの変動する出力特性（出力電圧）に対して、常時、セル数を３個に固定して充電を行った。実施例１と同様に評価した結果を表１に示す。

〔評価〕
接続対象となる単セル群の開路電圧が出力電圧よりも小さくなるように単セル群を構成する単セルのセル数を切り換えた実施例１では、切り換えを行っていない実施例２、３との対比で、充電の効率を更に向上できることがわかる。

更に、追加の試験によって、放電時においては、接続対象となる単セル群の開路電圧が負荷電圧よりも大きくなるように単セル群を構成する単セルのセル数を切り換えることによって、負荷への放電が好適化されることが確認された。

１：活物質再生型燃料電池システム
２：電源
３：活物質再生型燃料電池
３１：双極板
３２：エンドプレート
３３：充電深度測定部
３４：タンク切替部
３５：リバランス処理部
４：活物質再生型燃料電池インターフェース
４１：入力部
４２：電池接続部
４３：スイッチング機構
４４：検出部
４５：制御部
５１：単セル数算出部
５２：単セル群決定部
５３：動作信号生成部
４６：記憶部

Claims (2)

1. 出力電圧を少なくとも含む電力情報を発生する１又は複数の電源と、
   複数の単セルと、該単セル毎に設けられる端子とを備える活物質再生型燃料電池と、
   複数の前記電源と前記活物質再生型燃料電池とが、活物質再生型燃料電池インターフェースを介して接続され、
   前記活物質再生型燃料電池インターフェースは、複数の前記電源からの電力情報を入力する入力部と、
   前記入力部に入力された電力情報に含まれる前記出力電圧を検出する検出部と、
   前記活物質再生型燃料電池の前記端子と接続する電池接続部と、
   前記入力部と前記電池接続部との接続を切り替えるスイッチング機構と、
   前記検出部で検出された前記出力電圧に基づいて、スイッチ動作信号を生成し、該スイッチ動作信号を前記スイッチング機構に入力する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記検出部で検出された前記出力電圧に基づき、前記単セルのセル数の開路電圧が、前記出力電圧と対比して小さくなるように、前記単セルのセル数を算出し、
   該算出された単セルのセル数に基づき、接続対象となる単セル群を決定し、
   該決定した単セル群に基づき、スイッチ動作信号を生成し、
   前記スイッチング機構は、前記制御部から前記スイッチング動作信号が入力されたら、前記入力部と前記電池接続部との間の電気的接続を前記入力部と前記電池接続部との間の電気的接続を切り替えることを特徴とする活物質再生型燃料電池システム。
   
2. 負荷電圧を少なくとも含む負荷情報を発生する１又は複数の負荷と、
   複数の単セルと、該単セル毎に設けられる端子とを備える活物質再生型燃料電池と、
   複数の前記負荷と前記活物質再生型燃料電池とが、活物質再生型燃料電池インターフェースを介して接続され、
   前記活物質再生型燃料電池インターフェースは、複数の前記負荷からの負荷情報を入力する入力部と、
   前記入力部に入力された負荷情報に含まれる負荷電圧を検出する検出部と、
   前記活物質再生型燃料電池の前記端子と接続する電池接続部と、
   前記入力部と前記電池接続部との接続を切り替えるスイッチング機構と、
   前記検出部で検出された前記負荷電圧に基づいて、スイッチ動作信号を生成し、該スイッチ動作信号を前記スイッチング機構に入力する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記検出部で検出された前記出力電圧に基づき、前記単セルのセル数の開路電圧が、前記負荷電圧と対比して大きくなるように、前記単セルのセル数を算出し、
   該算出された単セルのセル数に基づき、接続対象となる単セル群を決定し、
   該決定した単セル群に基づき、スイッチ動作信号を生成し、
   前記スイッチング機構は、前記制御部から前記スイッチング動作信号が入力されたら、前記入力部と前記電池接続部との間の電気的接続を前記入力部と前記電池接続部との間の電気的接続を切り替えることを特徴とする活物質再生型燃料電池システム。

Images