JP2989353B2 - ハイブリッド燃料電池システム - Google Patents

ハイブリッド燃料電池システム

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はハイブリッド燃料電池シ
ステムに関し、特に燃料電池の出力電流の制御装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】リン酸型，溶融炭酸塩型，固体電解質型
等の燃料電池は、水素と空気（酸素）を反応させて水と
電気を発生するようにしたものである。この燃料電池に
供給される水素は、一般に、改質装置等を用いて天然ガ
ス，メタノール等の燃料から生成され、且つ、その利用
率は燃料電池での電池反応が十分進行するように通常８
０％程度以下に抑えられている。このような燃料電池を
外部負荷に接続して運転する場合、外部負荷の変動がゆ
るやかである限り、その変化に応じて燃料電池への供給
水素ガス量を増大又は減少させることにより、小さな外
部負荷の変動に対しては十分な電力供給を行うことがで
きるが、一方外部負荷の変化が急激であると、燃料電池
への水素ガスの供給が間に合わないために、燃料電池内
がガス欠状態となって漸時出力電圧を減少し、結果的に
負荷の変動に追従できなくなる。それと共に、このよう
な状態での使用においては燃料電池からの排ガスがほと
んどなくなるため、それを利用して燃料ガスの改質を行
う改質装置が改質処理を行えなくなり、その結果、安全
装置が作動して燃料電池が非常停止してしまうこととな
る。
【０００３】そこで、従来より、負荷の急変に対して必
要な電流を供給すると共に、燃料電池の過酷な使用を防
止するため、燃料電池の他に蓄電池を設け、両者によっ
て外部負荷に給電できるようにしたハイブリッド燃料電
池システムが採用されている。このシステムの基本構成
は燃料電池の出力電流路にＤＣ／ＤＣコンバータを挿入
し、この燃料電池とＤＣ／ＤＣコンバータの直列回路に
並列に蓄電池を接続したものである。このハイブリッド
燃料電池システムにおいては、燃料電池は常に略一定の
電力を出力するように設計されており、負荷が急激に変
化して増大した場合のみ、並設されている蓄電池により
不足分を補うようになっている。負荷が安定してくると
蓄電池からの出力はゼロとなり、燃料電池からの出力の
みとなる。
【０００４】つまり、例えば上記システムが電気自動車
等に利用された場合であると、平地を一定速度で走行中
は燃料電池からだけ電気が出力されているが、加速時又
は登坂時は燃料電池の出力だけでは不足するので、蓄電
池からの出力により不足分を補うようになっている。こ
の場合、燃料電池の出力は略一定に保持された状態のま
まである。蓄電池の充電は、この燃料電池の出力の範囲
内で行われる。燃料電池の出力を略一定に保持するよう
に制御しているのが、ＤＣ／ＤＣコンバータである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
ハイブリッド燃料電池システムにおいては、燃料電池の
出力は略一定に保たれているため、外部負荷が小さい場
合にはハイブリッドシステム内にヒーター等の内部負荷
を設けて燃料電池の出力を略一定に保持する必要があ
る。このため、外部出力に比べて余分の発電が必要とな
り、エネルギー効率が大幅に低下するという欠点があっ
た。
【０００６】本発明は上記課題に鑑み、ＤＣ／ＤＣコン
バータのもつリミッタ（電流制限手段）を工夫して、燃
料電池の出力をゼロ〜１００％の範囲で変化させると共
に、外部負荷の急変に対しても瞬時に応答し、負荷追従
発電ができるハイブリッド燃料電池システムを提供する
ことを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、燃料電池と該燃料電池の出力電流を制限
する電流制限手段との直列回路に蓄電池が並列接続さ
れ、前記燃料電池、及び蓄電池から外部負荷に対して電
力供給を行うようにされたハイブリッド燃料電池システ
ムにおいて、前記燃料電池の出力電流を検知する第１電
流検出手段と、前記蓄電池の充放電電流を検出する第２
電流検出手段と、前記第１及び第２電流検出手段の検出
値に基づいて、外部負荷が変動した場合における燃料電
池の出力電流の制限を、燃料電池が追従できる速度で変
化させるための制御信号を前記電流制御手段に与える制
御装置と、前記電流制限手段の出力電圧を検出する電圧
検出手段と、前記蓄電池の温度を検出する温度検出手段
と、を備え前記電流制限手段がゲート端子をもったＤＣ
／ＤＣコンバータであり、前記制御装置は、前記電圧検
出手段及び温度検出手段の検出値に基づく、前記電流制
限手段の出力電圧を制御するための制御信号を前記ゲー
ト端子に与えることにより前記蓄電池の過充電を防止す
ることを特徴とする。
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【作用】上記構成によれば、電流検出手段によって負荷
の変動量が検出されると共に、電流制限量可変手段によ
って燃料電池の出力電流の制限を、燃料電池が追従でき
る速度で変化させる。したがって、外部負荷が急変した
場合、燃料電池がしばらくの間は追従できないが、その
間、蓄電池の放電によって外部負荷に対して必要な電力
供給を行い、燃料電池の出力電流が電流制限量可変手段
の作用によって徐々に上昇してくると、蓄電池の放電量
を抑えて燃料電池による外部負荷への電流量を増加さ
せ、やがて燃料電池のみによって外部負荷に必要な電流
を供給する。
【００１１】
【実施例】図１は本発明にかかるハイブリッド燃料電池
システムの構成を示す図であり、燃料１から燃料電池４
までの実線はガス流路を示している。燃料１は燃料供給
バルブ２を通じて改質装置３に供給され、ここで水素ガ
スに改質された後燃料電池４に供給される。燃料電池４
は例えばリン酸型燃料電池が用いられ、上記改質装置３
から供給される水素ガスと空気供給ファン５から供給さ
れる空気とを反応させて発電を行う。燃料電池４の利用
率は通常８０％であり、この程度の利用率となるよう、
前記燃料供給バルブ２の開度が制御装置６によって制御
されている。燃料電池４が上記利用率で運転されている
際に生じる排ガスは、図示しない配管を通じて改質装置
３に還流され燃焼に供されている。
【００１２】燃料電池４から外部負荷１３までの実線は
電流路であり、燃料電池４の出力電流路には電流制限手
段の一例としてのＤＣ／ＤＣコンバータ８が挿入されて
いる。そして、燃料電池４とＤＣ／ＤＣコンバータ８の
直列回路に並列に蓄電池１０が接続され、この並列回路
に対して外部負荷１３がＤＣ／ＡＣインバータ１２を介
して接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ１２は外部
負荷１３が交流で駆動するものである関係から用いてい
るものであり、外部負荷１３が直流で駆動できるもので
あるときは不要であることはいうまでもない。
【００１３】前記ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、図示はし
ないが直流チョッパと変圧器と整流回路からなる公知の
回路であり、直流チョッパのゲート回路に加える制御信
号によって、燃料電池４の出力電流の上限値、ＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータ８の出力電圧の上限値を変更できる。燃料
電池４の出力電流路、蓄電池１０の電流路には夫々の電
流を検出するため電流検出手段として電流計ＩFC、Ｉ
BAT が設けられている。この電流計ＩFC、Ｉ BAT の検出
信号は制御装置６に入力され、後述する演算を行ってＤ
Ｃ／ＤＣコンバータ８のゲート回路に電流補正値ＩFRを
与え、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の電流制限量を可変して
いる。
【００１４】また、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力回路
には出力電圧を検出するため電圧計ＶB が設けられ、蓄
電池１０にはその温度Ｔを検出する温度センサ２１が設
けられていて、これらの検出信号は制御装置６に入力さ
れ、後述する演算によりＤＣ／ＤＣコンバータ８のゲー
ト回路に電圧補正値ＶBRを与え、ＤＣ／ＤＣコンバータ
８の出力電圧の制限量を可変している。
【００１５】制御装置６には上記の他にも入力信号とし
て改質装置３の温度センサ２２からの触媒温度検出信号
が、出力信号として燃料供給バルブ２の開度制御信号と
空気供給ファン５の回転数制御信号が適用されている。
図２〜図４は制御装置６の行う動作を示すフローチャー
トである。このうち、図２は燃料供給バルブ２の開度を
制御するフローを示している。＃１において、燃料電池
の出力電流ＩFCの値に対応したバルブ開度Ｖを求め内部
レジスタに記憶する。次いで、＃２において改質装置３
の触媒層温度を基準温度と比較し、基準温度より高い場
合はレジスタに記憶したバルブ開度Ｖの値を開方向に若
干量補正する（＃３）。逆に基準温度より低い場合は、
レジスタに記憶したバルブ開度Ｖの値を開方向に補正す
る（＃４）。触媒層温度と基準温度とが一致した場合は
補正は行わない。
【００１６】以上の処理が終わるとレジスタの値を読み
出し、バルブ２の開度をコントロールする（♯５）。こ
れによって、燃料電池４は常に規定の利用率で運転され
る。図３はＤＣ／ＤＣコンバータ８の電流補正値ＩFRを
生成するためのフローチャートである。♯１１において
判断しているフラグＦは、蓄電池１０の放電時と充電時
を識別するためのもので、後述するステップ♯１７と図
４の♯２１とにおいて０又は１に変更される。
【００１７】先ず、フラグＦが０であると、図３のフロ
ーチャートが実行可能となって、♯１２において燃料電
池４の出力電流ＩFCと蓄電池１０の充放電電流ＩBAT と
から負荷電流ＩL の大きさが演算される。前記ＩBAT は
蓄電池１０の放電時、正の値となり、充電時、負の値と
なる。但し、図３のフローチャートはフラグＦの値によ
って放電時のみ実行できるようになっているので、Ｉ
BAT はこの場合、正の値をとる。負荷電流ＩL はＩFCと
ＩBAT の和で与えられる。
【００１８】続いて、♯１３において、負荷電流ＩL が
変化したかどうか判定され、負荷電流ＩL が変化し、て
いると判断されると、ＩFRの値を次式に基づいて演算し
（♯１４）、演算後のＩFRを新たな補正値としてＤＣ／
ＤＣコンバータ８に加える（♯１５）。 ＩFR ＝ ＩFR’ ＋ ∫（ＩFC＋ＩBAT ）ｄｔ ・・・（１） 但し、ＩFR’は直前のＩFRの値である。
【００１９】（１）式はいわゆる１次遅れ補正として知
られた補正式であり、ＩFRは時間と共に（１）式右辺第
２項の積分値の大きさだけ徐々に増大する。このように
ＩFRが時間的に漸増すると、それだけＤＣ／ＤＣコンバ
ータ８のリミッタの制限電流が増大するので、燃料電池
４の出力電流ＩFCも増大し、やがて外部負荷の全てを燃
料電池の出力によって賄うことができるが、それまでの
間は蓄電池１０からの放電に頼らざるを得ない。＃１６
は蓄電池１０の充放電電流ＩBATを監視し、その値が零
になるまで（１）式の演算を続行するようにしている
（＃１６→＃１４→＃１５）。そして、蓄電池１０の充
放電電流ＩBATが零になると、フラグＦを１に設定し
（＃１７）、処理を終える。一方、＃１３において、負
荷電流が変化していないときは、 ＩFRの値を変更する
ことなく、直前のＩFRと同じ値をＤＣ／ＤＣコンバータ
８に加える（＃１８）。
【００２０】図５は外部負荷が急激に変化した場合にお
ける燃料電池４の出力電流ＩFC、及び蓄電池１０の充放
電電流ＩBAT の変化を示している。この図から図３のフ
ローチャートは時刻ｔ2 に至るまでの動作を制御してい
ることが理解される。図４はＤＣ／ＤＣコンバータ８の
電圧補正値ＶBRを生成するためのフローチャートであ
る。♯２１でフラグＦが１であることを確認した後、蓄
電池１０の温度センサ２１の検出温度Ｔが所定の温度Ｔ
1 より低いかどうか判定し（♯２２）、Ｔ≦Ｔ1 の場
合、電圧補正値ＶBRを第１の電圧値に設定する（♯２
３）。この第１の電圧値の大きさは、ＤＣ／ＤＣコンバ
ータ８の出力電圧ＶB が蓄電池１０の開放電圧よりも高
く、従って燃料電池４から外部負荷に対して全電流を供
給すると同時に蓄電池１０に充電電流を流すことのでき
る程度の電圧となるよう設定される。このようなＶBRに
設定されると、蓄電池１０に対して充電が開始する。そ
して、充電の進行と共に、蓄電池１０の温度Ｔが高ま
り、やがて所定の温度Ｔ1 に達すると、♯２４に進み、
蓄電池１０の温度Ｔを監視しつつ電圧補正値ＶBRを温度
Ｔと反比例的に徐々に下げて行く。これを蓄電池１０の
温度ＴがＴ2 に達するまで続行する。温度Ｔ2 は蓄電池
１０が充電可能な上限温度に達した時の温度が設定され
る。そして、Ｔ＝Ｔ2 になると（♯２５）、ＶBRとして
第２の電圧値を生成し、ＤＣ／ＤＣコンバータ８に入力
する（♯２６）。第２の電圧値としては、燃料電池から
外部負荷に対して全電流を供給している状態においてＤ
Ｃ／ＤＣコンバータ８の出力電圧ＶB が蓄電池１０の開
放電圧と同じになるようなＶBR値である。このため、Ｖ
BRが第２の電圧に設定されると、蓄電池１０にはもは
や、充電電流は流れない。もちろん、放電電流も流れな
い。以上の処理を完了するとフラグＦをリセットする
（♯２７）。図５の時刻ｔ2 以降の充電動作は、上記フ
ローチャートによって実行される。
【００２１】♯２７において、フラグＦがリセットされ
ると、図３に示したフローチャートが実行可能になり、
負荷が急変したことを条件に図３のフローが開始する。
このように、図３と図４は、図３の処理が実行されて
後、図４の処理が実行可能となるような関係となってい
る。尚、図３の処理で得られるＩFRと図４の処理で得ら
れるＶBRとはＤＣ／ＤＣコンバータ８のゲート回路に同
時に加えられているが、ゲート回路側が２者（ＩFR、Ｖ
BR）のうち、アクティブな方を選択することができるよ
うになっており、従って、図３のフローの処理中はＩFR
が、図４のフローの処理中はＶBRが選択される。
【００２２】図６は上記図４のフローチャートの動作の
下で蓄電池１０の温度によってＤＣ／ＤＣコンバータ８
の出力電圧がどのように変化しているかを示している。
但し、図はＴ1 として２０℃、Ｔ2 として６０℃に設定
し、ＶBRが第１の電圧値のときＤＣ／ＤＣコンバータ８
の出力電圧ＶB を１３０Ｖに、第２の電圧値のとき１０
０Ｖに夫々設定した例である。
【００２３】蓄電池１０の充電を上記のように温度によ
って制限しているのは、過充電を自動的に防止するため
である。単に放電後充電するだけなら、温度センサ２１
の検出温度を監視する必要はない。又、温度センサ２１
の検出温度ＴによってＤＣ／ＤＣコンバータ８の出力電
圧ＶB を可変する場合において、その特性曲線は図６に
限られるものではなく、例えば、図７に示す曲線を用い
ることもできる。
【００２４】更に、上記実施例では、ＤＣ／ＤＣコンバ
ータ８のリミッタの制限電流量を可変するために（１）
式に示した１次遅れ補正式を用いているが、これは燃料
電池が無理なく追従することのできる出力電流の変化の
一例であるので、他の任意の補正方法を用いることがで
きることはいうまでもない。他の補正方法としては、階
段状に増加する曲線に従って、ＩFRを増大する方法と
か、制御装置６内に、燃料電池の各瞬時の利用率、燃料
電池への水素ガス供給量の変化特性、外部負荷の変化
量、蓄電池１０の放電容量等必要な入力情報に基づいて
ＩFRをどのように可変するかを定めたプログラムを前も
って組み込んでおき、このプログラムによってＩFRを算
出する方法等がある。
【００２５】更に、実施例では、燃料電池の出力電流Ｉ
FCと蓄電池の充放電電流ＩBAT の２者を検出し、これか
ら負荷電流を算出し、最終的にＤＣ／ＤＣコンバータ８
の電流補正値ＩFRを求めているが、負荷電流ＩL と、上
記２つの電流の一方を検出するようにしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】本発明によれば、蓄電池の充電を上記の
ように温度によって制限しているので、蓄電池の過充電
を自動的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるハイブリッド燃料電池システム
の構成を示す図である。
【図２】燃料供給バルブの開度制御を示すフローチャー
トである。
【図３】ＤＣ／ＤＣコンバータの電流補正値を生成する
ためのフローチャートである。
【図４】ＤＣ／ＤＣコンバータの電圧補正値を生成する
ためのフローチャートである。
【図５】外部負荷が急激に変化した場合における燃料電
池の出力電流、及び蓄電池の充放電電流の変化を示す図
である。
【図６】図４のフローチャートの動作の下で蓄電池の温
度によってＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧がどのよう
に変化しているかを示す図である。
【図７】図４のフローチャートの動作の下で蓄電池の温
度によってＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧がどのよう
に変化しているかを示す図である。
【符号の説明】
４ 燃料電池 ７・１１ 電流計 ８ ＤＣ／ＤＣコンバータ １０ 蓄電池
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 聡史 守口市京阪本通２丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (72)発明者 米田 文生 守口市京阪本通２丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−214910（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−76639（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭60−5706（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24 H01M 10/44 H01M 12/08 H02J 7/34 H02M 3/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料電池と該燃料電池の出力電流を制限
    する電流制限手段との直列回路に蓄電池が並列接続さ
    れ、前記燃料電池、及び蓄電池から外部負荷に対して電
    力供給を行うようにされたハイブリッド燃料電池システ
    ムにおいて、前記燃料電池の出力電流を検知する第１電
    流検出手段と、 前記蓄電池の充放電電流を検出する第２電流検出手段
    と、前記第１及び第２電流検出手段の検出値に基づいて、 外
    部負荷が変動した場合における燃料電池の出力電流の制
    限を、燃料電池が追従できる速度で変化させるための制
    御信号を前記電流制御手段に与える制御装置と、前記電流制限手段の出力電圧を検出する電圧検出手段
    と、 前記蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、を備え 前記電流制限手段がゲート端子をもったＤＣ／ＤＣコン
    バータであり、前記制御装置は、前記電圧検出手段及び温度検出手段の
    検出値に基づく、前記電流制限手段の出力電圧を制御す
    るための制御信号を前記ゲート端子に与える ことにより
    前記蓄電池の過充電を防止することを特徴とするハイブ
    リッド燃料電池システム。
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