JP3033991B2 - 燃料電池直流並列運転システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、燃料電池の直流出力を直流電源装置により
電圧変換して負荷に給電する燃料電池エネルギーシステ
ムに関し、特に負荷変動に応じて商用電源あるいはエン
ジン発電機等を入力とする整流器出力と負荷分担を行な
わせることにより、燃料電池エネルギーシステムの創設
費用の低減を図る燃料電池直流並列運転システムに関す
るものである。

［従来の技術］ 燃料電池は水素と酸素との電気化学反応により直流電
力を発生することから、直流負荷に対しては直接給電す
ることも可能である。しかし、一般的には燃料電池出力
の電圧変換が必要な場合が多く、その場合には、燃料電
池の直流出力を入力とする直流電源装置により電圧変換
して、負荷に対する給電を行なっている。このような燃
料電池と、この燃料電池の出力を入力とする直流電源装
置とからなる燃料電池電源において、負荷の消費電力が
時間とともに変化するとき、負荷消費電力のピーク値に
合わせてその出力容量を定めると、燃料電池電源は出力
にかなりの余力を残したままの部分負荷での運転時間が
長くなり、実質的な出力電力量に比べて燃料電池電源の
創設費用が高価になってしまうという問題がある。

そこで、燃料電池電源の出力容量を、変動する負荷の
消費電力のピーク値に合わせるのではなく、例えば消費
電力の最小値以下あるいはピーク値と最小値の間の値に
選び、即ち負荷の平均的な消費電力に適合した燃料電池
電源を選定して燃料電池電源は常時ほぼ定格出力で運転
し、燃料電池電源の出力を超える部分については別系統
の直流出力の電源、例えば商用電源あるいはエンジン発
電機を入力とする整流器の出力から給電し、これにより
燃料電池エネルギーシステムの創設費用の低減を図るこ
とが考えられ、本出願人は、先の出願（特願平１−2177
71号）にて、第７図および第８図に示す燃料電池直流並
列運転システムを提案した。

この従来例について第７図から発明すると、本システ
ムは、燃料電池１とその出力を入力とし直流電源装置主
回路２−１および出力電圧定電圧制御回路２−２を有す
る直流電源装置２からなる燃料電池電源３と、商用電源
４を整流する整流器５とを備えそれらの出力を並列接続
して負荷100に給電している。この従来例では、直流電
源装置２と整流器５との負荷分担制御を行なうために燃
料電池直流並列運転システムに負荷電流／電力検出手段
６を設置して負荷電流あるいは電力に対応する信号I_Lを
検出し、直流電源装置出力電流／電力設定手段８に送出
する。これを受けて直流電源装置出力電流／電力設定手
段８では、信号I_Lと燃料電池電源３の定格出力電流ある
いは電力に対応する値I_LMAXとを比較し、I_LがI_LMAXより
も大きければI_LMAXを、I_LがI_LMAXよりも小さければI_Lを
直流電源装置出力電圧制御用信号出力手段９に送出す
る。直流電源装置出力電圧制御用信号出力手段９では、
直流電源装置出力電流／電力検出手段７から送出されて
くる直流電源装置２の出力電流あるいは電力に対応する
信号I_dと直流電源装置出力電流／電力設定手段８から送
出される信号I_LあるいはI_LMAXとを比較し、その誤差に
応じた信号V_Qを出力電圧定電圧制御回路２−２に送出
し、直流電源装置主回路２−１の出力電圧を変化させ
る。

次に、第８図について説明する。この第８図は、上記
従来例の直流電源装置出力電圧制御用信号出力手段９の
出力信号V_Qにより直流電源装置２の出力電圧を変化させ
るための出力電圧定電圧制御回路２−２の一例を示して
いる。

この出力電圧定電圧制御回路２−２は、演算増幅器11
と抵抗12、13からなる誤差増幅器の入力の一方に、出力
電圧設定部を形成する抵抗14、ツェナーダイオード15か
らなる基準電圧を逆流阻止用ダイオード16を介して入力
し、他方の入力に直流電源装置２の出力電圧を抵抗17,1
8で分圧して入力し、誤差増幅器の出力をパルス幅変調
回路を含む駆動制御回路10に送出することにより直流電
源装置２の出力電圧の安定化を図っている。また、直流
電源装置出力電圧制御用信号出力手段９の出力信号V_Qを
逆流阻止用ダイオード19を介して出力電圧設定部に接続
することにより、出力信号V_Qにより直流電源装置２の出
力電圧を変化させる構成としている。従って、出力信号
V_Qのレベルを上げることにより直流電源装置主回路２−
２の出力電圧を上昇させることができ、これにより直流
電源装置２の負荷電流あるいは電力の分担の割合を増加
することができる。

さらに、直流電源装置出力電流／電力検出手段7,直流
電源装置出力電圧制御用信号出力手段9,出力電圧定電圧
制御回路２−2,直流電源装置主回路２−１からなるフィ
ードバックループが構成されているので、直流電源装置
出力電流／電力検出手段７から送出されてくる直流電源
装置２の出力電流あるいは電力に対応する信号I_dを、直
流電源装置出力電流／電力設定手段８から送出される信
号I_LあるいはI_LMAXと等しくすることが可能となる。即
ち、直流電源装置２の出力電流あるいは電力を、直流電
源装置出力電流／電力設定手段８で設定した値に対応す
る電流あるいは電力に合わせることができる。

以上のように構成され、動作することから、負荷電流
あるいは電力が燃料電池電源３の定格出力電流あるいは
電力以下の場合は、全ての負荷電流あるいは電力を燃料
電池電源３から供給し、負荷電流あるいは電力が燃料電
池電源３の定格出力電流あるいは電力を超える場合は、
燃料電池電源３からは少なくともその定格出力電流ある
いは電力で給電することができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の技術における燃料電池直流
並列運転システムにおいては、燃料電池電源が１台で構
成されているため、負荷の消費電力に応じた燃料電池電
源が必要となり、品種が多くなる問題がある。例えば消
費電力に対応して50KW,100KW,200KW,500KW,1MW等の出力
の燃料電池電源が必要となる。このため、燃料電池電源
の品種が多くなり、１品種当りの台数が少なくなって、
量産化によるコストの低減が図れないという欠点があっ
た。燃料電池電源の品種を少なくするためには、複数台
の燃料電池電源を並列接続することが考えられるが、単
に並列接続しただけでは燃料電池電源間での負荷分担が
不平衡となり、燃料電池電源の寿命に差が生じることに
なる。また、システムの据え付け時などには、各燃料電
池電源および整流器のそれぞれについて動作試験を定格
出力まで行う必要があるが、一般に試験用負荷の容量が
十分ではないことから、試験用負荷の容量に合わせて各
燃料電池電源および整流器を個別に運転停止するかある
いは各出力の給電線を個別に切り離すなどが必要とな
り、試験を効率よく迅速に行なうことができないという
問題があった。

本発明は、上記問題点や欠点を解決するために創案さ
れたもので、燃料電池電源の品種を統合し、量産化によ
りコストの低減を図るとともに、各燃料電池電源および
整流器それぞれの負荷分担を簡単に操作できる燃料電池
直流並列運転システムを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するための本発明の燃料電池直流並
列運転システムの構成は、 燃料電池とこの燃料電池の出力を入力とし出力電圧定
電圧制御回路を有するスイッチング電源装置とからなる
燃料電池電源を少なくとも２台以上と、 商用電源あるいは他の発電源より出力される交流電力
を整流する整流器と、 前記２台以上の燃料電池電源と前記整流器が負荷に供
給する電流あるいは電力を検出しこれに対応するディジ
タル信号を出力する電流／電力信号発生手段と、 前記燃料電池電源の各々が負荷に供給する電流あるい
は電力を検出しこれに対応するディジタル信号を出力す
る燃料電池電源出力電流／電力信号発生手段と、 前記電流／電力信号発生手段から出力されるディジタ
ル信号を受けて、このディジタル信号から前記燃料電池
電源の各々に所定の負荷電流あるいは電力を分担させる
ための負荷分担設定用ディジタル信号を形成し、この負
荷分担設定用ディジタル信号と、前記燃料電池電源出力
電流／電力信号発生手段から出力されるディジタル信号
とを比較して、あるいは、前記燃料電池電源出力電流／
電力信号発生手段から出力されるディジタル信号を受け
て、このディジタル信号から前記燃料電池電源の各々に
所定の負荷電流あるいは電力を分担させるための負荷分
担設定用ディジタル信号を形成し、この負荷分担設定用
ディジタル信号と、前記電流／電力信号発生手段から出
力されるディジタル信号とを比較して、その差に応じた
ディジタル信号を出力するディジタル信号比較手段と、 前記ディジタル信号比較手段から出力されるディジタ
ル信号をアナログ信号に変換するD/A変換手段とを備
え、 前記２台以上の燃料電池電源の各々の出力と前記整流
器の出力とを並列に接続して負荷に給電する構成とし、 前記D/A変換手段からのアナログ信号出力を、前記出
力電圧低電圧制御回路に設けた出力電圧設定部に加える
ように接続し、 前記スイッチング電源装置の出力電圧を、前記燃料電
池直流並例運転システムが負荷に供給する電流あるいは
電力の変動もしくは前記整流器の出力電圧の変動に応じ
て制御することにより前記燃料電池電源の出力の負荷分
担の割合を制御するように構成した燃料電池直流並列運
転システムであって、 電流／電力信号発生手段が、加算手段を備え、商用電
源あるいは他の発電源より出力される交流電力を整流す
る整流器が負荷に供給する電流あるいは電力と各燃料電
池電源が負荷に供給する電流あるいは電力とを検出し、
該整流器が負荷に供給する電流に前記各燃料電池電源が
負荷に供給する電流あるいは電力を加算して、前記各燃
料電池電源と整流器が負荷に供給する電流あるいは電力
に対応するディジタル信号を出力することを特徴とす
る。

［作用］ 本発明は、燃料電池と、この燃料電池の出力を入力と
し出力電圧の定電圧制御回路を有するスイッチング電源
装置とからなる燃料電池電源を、少なくとも２台以上並
列に接続して均等な負荷分担を行う構成としてその並列
運転を可能にし、これらの出力をさらに商用電源あるい
は他の発電源からの交流出力を整流する整流器の出力に
並列に接続して、燃料電池電源群が定格を超えるときな
どに商用電源あるいは他の発電源の間で負荷分担を行
い、高価な燃料電池電源の創設費用の低減を図るととも
に、各燃料電池電源の接続個数でその種々の規模の負荷
の消費電力に対応できるようにして、燃料電池電源の品
種を統合し、量産化によるコストの低減を可能にする。
また、出力電圧定電圧制御回路に対する制御にディジタ
ル信号処理の技術を取り入れることにより、負荷分担の
実現を容易にし、かつ負荷分担割合の設定の操作を簡単
にし、試験や保守を迅速・容易に行えるようにする。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図は本発明第１の参考例を説明する図であって、
並列接続した２台の燃料電池電源の出力電圧（スイッチ
ング電源装置の出力電圧と言い替えてもよい）の一制御
方法を示した燃料電池直流並列運動システムのブロック
図である。本参考例において、第７図の従来例と同符号
のものは同一機能のものである。同参考例は、燃料電池
（FC）1001とその出力を入力としスイッチング電源装置
主回路21−１および出力電圧定電圧制御回路21−２を有
するスイッチング電源装置21とからなる燃料電池電源30
1と、燃料電池（FC）1002とその出力を入力とするスイ
ッチング電源装置主回路22−１および出力電圧定電圧制
御回路22−２を有するスイッチング電源装置22とからな
る燃料電源302と、商用電源４を整流する整流器５とを
備え、それぞれの出力を並列接続して負荷100に供給す
る構成とする。ここで、本参考例では、燃料電池電源30
1,302と整流器５の負荷分担、即ちスイッチング電源装
置21,22と整流器５の負荷分担を行なうために、スイッ
チング電源装置21,22のの出力電圧を制御する手段とし
て、負荷100への給電線に接続され負荷電流あるいは電
力を検出してこれに対応するディジタル信号を出力する
電流／電力信号発生手段60と、燃料電池電源301,302の
出力線に接続され燃料電池電源301,302の各々が負荷100
に供給する電流あるいは電力を検出しこれに対応するデ
ィジタル信号を出力する燃料電池電源出力電流／電力信
号発生手段70,71と、電流／電力信号発生手段60から出
力されるディジタル信号を受けて、このディジタル信号
と前記燃料電池電源の台数（２台）とから前記燃料電池
電源の各々301,302に所定の負荷電流あるいは電力を分
担させるための負荷分担設定用ディジタル信号を形成
し、この負荷分担設定用ディジタル信号と前記燃料電源
電源出力電流／電力信号発生手段70,71から出力される
ディジタル信号とを比較してその差に応じたディジタル
信号を出力するディジタル信号比較手段91と、ディジタ
ル信号比較手段91から出力されるディジタル信号をアナ
ログ信号に変換するD/A変換手段92とを備え、D/A変換手
段92からのアナログ信号出力を、前記スイッチング電源
装置の出力電圧定電圧制御回路21−2,22−２に設けた出
力電圧設定部に加えるように接続する。この出力電圧定
電圧制御回路21−2,22−２は、第８図の従来例と同様に
構成することができるので、第８図と同一回路構成のも
のを用いるものとする。

以上のように構成した第１の参考例の動作および作用
を述べる。

本参考例は、２台の燃料電池電源301,302の出力を並
列に接続し、これらを常に均等の割合で負荷分担するよ
うに制御して、並列運転を可能にし、これらの出力と整
流器５の出力を並列に接続して、燃料電池電源301,302
群の定格を超える負荷への出力電流または電力を商用電
源４側に負荷分担させ、燃料電池1001,1002を常に定格
またはそれに近い状態で運転できるようにするものであ
る。ここで、燃料電池電源301,302群と整流器５側（商
用電源４側）の負荷分担の割合、および２台の燃料電池
電源301,302の間の均等な分担割合での並列運転は、各
スイッチング電源装置主回路21−1,22−１の出力電圧を
それぞれ出力電圧定電圧制御回路21−2,22−２で増減さ
せることにより、制御される。しかも、その出力電圧定
電圧制御回路21−2,22−２に対する制御の処理がディジ
タル制御技術を用いて行われる点に特徴がある。即ち、
その動作を述べると以下のようになる。

まず、電流／電力信号発生手段60において、負荷電流
あるいは電力を検出し、このアナログ信号をディジタル
信号にA/D変換して、負荷電流あるいは電力に対応する
ディジタル信号をディジタル信号比較手段91に送出す
る。燃料電池電源出力電流／電力信号発生手段70,71で
は、前記燃料電池電源301,302の各々の出力電流あるい
は電力を検出しディジタル信号に変換した後、このディ
ジタル信号をディジタル信号比較手段91に送出する。デ
ィジタル信号比較手段91では、前記電流／電力信号発生
手段60からのディジタル信号を受け、このディジタル信
号と前記燃料電池電源の台数とから前記燃料電池電源30
1,302の各々に所定の負荷電流あるいは電力を分担させ
る負荷分担設定用ディジタル信号を形成し、即ち、電流
／電力信号発生手段60からのディジタル信号をI₀とする
と（但し、I₀は燃料電池電源301と302が供給可能な電流
あるいは電力に対応したディジタル信号）とする、並列
接続された燃料電池電源が２台であることから負荷分担
設定用ディジタル信号I₀/2を形成し、この負荷分担設定
用ディジタル信号と、前記燃料電池電源出力電流／電力
信号発生手段70,71から出力されるディジタル信号とを
比較してその差に応じたディジタル信号を出力する。例
えば、燃料電池電源出力電流／電力信号発生手段70,71
から出力されるディジタル信号が負荷分担設定用ディジ
タル信号I₀/2よりも小さいときは、ディジタル信号比較
手段91の対応する出力のディジタル信号をそれぞれ１単
位増やし、その逆に大きいときは、それぞれ１単位減ら
してD/A変換手段92へ送出する。D/A変換手段92では、デ
ィジタル信号比較手段91から出力されたディジタル信号
をアナログ信号に変換し、このアナログ信号を対応する
それぞれのスイッチング電源装置21,22の出力電圧定電
圧制御回路21−2,22−２に設けた出力電圧設定部に加え
る。

次に、第８図に示す各スイッチング電源装置21,22、
出力電圧定電圧制御回路21−2,22−２の動作は、両方と
も同様であることから、始めにD/A変換手段92からアナ
ログ信号を受け、スイッチング電源装置21の出力電圧を
変化させる出力電圧定電圧制御回路21−２の動作につい
て述べる。演算増幅器11と抵抗12,13からなる誤差増幅
器の入力の一方に、出力電圧設定部を形成する抵抗14,
ツェナーダイオード15からなる基準電圧が逆流阻止用ダ
イオード16を介して入力され、他方の入力にスイッチン
グ電源装置主回路21−１の出力電圧が抵抗17,18で分圧
されて入力され、その誤差増幅器の出力がパルス幅変調
回路を含む駆動制御回路10に送出されることにより、ス
イッチング電源装置21の出力電圧の安定化が図られる。
また、D/A変換手段92の出力が逆流阻止用ダイオード19
を介して出力電圧定電圧制御回路21−２の出力電圧設定
部に接続されることにより、D/A変換手段92から送出さ
れるアナログ信号でスイッチング電源装置主回路21−１
の出力電圧を変化させることができ、このアナログ信号
のレベルを上下することによりスイッチング電源装置21
の出力電圧を上昇あるいは下降させ、これによってスイ
ッチング電源装置21の負荷電流あるいは電力の分担の割
合を増減することができる。

さらに、燃料電池電源出力電流／電力信号発生手段7
0,ディジタル信号比較手段91,D/A変換手段92,出力電圧
定電圧制御回路21−2,スイッチング電源装置主回路21−
１からなるフィードバックループが構成されているの
で、燃料電池電源出力電流／電力信号発生手段70から送
出されてくる燃料電池電源301,即ちスイッチング電源装
置21の出力電流あるいは電力に対応するディジタル信号
を、前述の負荷分担設定用ディジタル信号I₀/2に等しく
することが可能となる。即ち、燃料電池電源301（スイ
ッチング電源装置21）の出力電流あるいは電力を、負荷
電流あるいは電力の1/2に合わせることができる。

上述したのと同様の動作がスイッチング電源装置22に
おいても行なわれ、スイッチング電源装置22（燃料電池
電源302）の出力電流あるいは電力を、負荷電流あるい
は電力の1/2に合わせることができる。従って、負荷電
流あるいは電力が燃料電池電源301と302の供給可能な電
流あるいは電力以下の場合、燃料電池電源301と燃料電
池電源302で1/2ずつ負荷分担できる。

また、負荷電流が燃料電池電源301と302の供給可能な
電流あるいは電力を超える場合に対処するため、電流／
電力信号発生手段60からのディジタル信号あるいは負荷
分担設定用ディジタル信号に上限を設けておくことによ
り、燃料電池電源301と燃料電池電源302で均等に負荷分
担させ、燃料電池電源301,302の分担する負荷電流ある
いは電力を超える分は、整流器５に分担させることがで
きる。なお、D/A変換手段92の入力に上限を設定してお
くこと、あるいはD/A変換手段92のアナログ信号出力を
ツェナーダイオードでクランプすることなどによって
も、負荷電流が燃料電池電源301と302の供給可能な電流
あるいは電力を超えることに対処できる。

第１の参考例は、以上のように構成され動作すること
から、電流／電力信号発生手段60からのディジタル信号
に上限を設けその値を燃料電池電源301,302の定格出力
電流あるいは電力の和に対応するディジタル信号とする
ことなどにより、負荷電流あるいは電力が２台の燃料電
池電源301,302の定格出力電流あるいは電力の和以下の
場合は、全ての負荷電流あるいは電力を２台の燃料電池
電源301,302から1/2ずつ供給し、負荷電流あるいは電力
が２台の燃料電池電源301,302の定格出力電流あるいは
電力の和を超える場合は、燃料電池電源301,302からは
少なくともそれぞれの定格出力電流あるいは電力を供給
することができる。従って、創設費用の高価な燃料電池
1001,1002を定格運転またはそれに近い状態で稼働でき
る規模とすることができ、その有効利用を図ることがで
きる。

以上に加えて、本参考例ではディジタル制御技術を用
いて負荷100への出力電流の負荷分担を制御することか
ら、種々の設定や条件等を容易に変更することができる
ので、簡単にしかも迅速に負荷分担の割合を変更したり
負荷分担を商用電源４側へ移行したりすることができ、
動作試験の容易な負荷分担制御方法を提供することがで
きる。

また、上記説明では、負荷電流が変化したときだけ燃
料電池電源301,302が所定の負荷分担を行なうためにス
イッチング電源装置21,22の出力電圧を変えるように制
御するかのように見えるかもしれないが、もし仮に負荷
電流が一定であったとしても、商用電源４の電圧変動等
により整流器５の出力電圧が上昇し整流器５の出力電流
が増加しようとするときにも、燃料電池電源301,302が
所定の負荷分担を行なうためにスイッチング電源装置2
1,22の出力電圧を上げるように制御することも勿論行な
われる。

さらに、上記説明では燃料電池電源が２台の場合につ
いて述べたが、Ｎ個の燃料電池電源出力電流／電力信号
発生手段を設け、それぞれの出力をディジタル信号比較
手段91に送出すること、ディジタル信号比較手段91およ
びD/A変換手段92をそれぞれ燃料電池電源Ｎ台に対応し
た機能・構成とすることにより、燃料電池電源Ｎ台によ
る燃料電池直流並列運転システムとすることが可能とな
ることも明らかである。

なお、上記説明では電流／電力信号発生手段60と燃料
電池電源出力電流／電力信号発生手段70,71の検出対象
である電流あるいは電力を、同じものを検出する場合に
ついて示したが、必ずしも電流／電力信号発生手段60と
燃料電池電源出力電流／電力信号発生手段70,71との検
出対象を一致させる必要なない。例えば、電流／電力信
号発生手段60ではアナログの電力を検出しこれに対応す
るディジタル信号を出力し、ディジタル信号比較手段91
において、なんらかの方法（例えば、スイッチング電源
装置21あるいはスイッチング電源装置22の出力電圧を第
１図には図示されていない手段で検出してきて、この出
力電圧に対応するディジタル信号で電流／電力信号発生
手段60からのディジタル信号を割るなど）で電流に対応
するディジタル信号に変換すれば、燃料電池電源出力電
流／電力信号発生手段70,71では電流を検出しても問題
がないからである。

第２図は本発明の第２の参考例を説明する図であっ
て、第１図の第１の参考例と同符号のものは同一機能の
ものである。この第２の参考例が第１の参考例と異なる
のは、ディジタル信号比較手段において、負荷分担設定
用ディジタル信号を形成する方法が異なっている点であ
る。即ち、本参考例においては、燃料電池電源出力電流
／電力信号発生手段70,71から出力されるディジタル信
号を受けて、このディジタル信号と前記燃料電池電源の
台数とから燃料電池電源の各々301,302に所定の負荷電
流あるいは電力を分担させるための負荷分担設定用ディ
ジタル信号を形成し、この負荷分担設定用ディジタル信
号と電流／電力信号発生手段60から出力されるディジタ
ル信号を比較してその差に応じたディジタル信号を出力
するようにディジタル信号比較手段901を構成する。

このように構成した第２の参考例の動作および作用を
述べる。

まず、電流／電力信号発生手段60において、負荷電流
あるいは電力を検出し、このアナログ信号をディジタル
信号にA/D変換して、負荷電流あるいは電力に対応する
ディジタル信号をディジタル信号比較手段901に送出す
る。燃料電池電源出力電流／電力信号発生手段70,71で
は、前記燃料電池電源301,302の各々の出力電流あるい
は電力を検出しディジタル信号に変換した後、このディ
ジタル信号をディジタル信号比較手段901に送出する。
ディジタル信号比較手段901では、前記燃料電池電源出
力電流／電力信号発生手段70,71からのディジタル信号
を受け、このディジタル信号と前記燃料電池電源の台数
とから前記燃料電池電源301,302の各々に所定の負荷電
流あるいは電力を分担させる負荷分担設定用ディジタル
信号を形成し、即ち、燃料電池電源出力電流／電力信号
発生手段70,71からのディジタル信号をそれぞれＩD1,ID
2とすると、並列接続された燃料電池電源が２台である
ことから負荷分担設定用ディジタル信号2 ID1,2 ID2を
形成し、この負荷分担設定用ディジタル信号と前記電流
／電力信号発生手段60から出力されるディジタル信号I₀
とを比較してその差に応じたディジタル信号を出力す
る。こうすることにより、後述するフィードバックルー
プがあるため2 ID1＝I₀,2 ID2＝I₀となり、ＩD1＝ＩD2
＝I₀/2となる。但し、I₀は燃料電池電源301と302が供給
可能な電流あるいは電力に対応したディジタル信号とす
る。D/A変換手段92では、ディジタル信号比較手段901か
ら出力されたディジタル信号をアナログ信号に変換し、
このアナログ信号を対応するそれぞれのスイッチング電
源装置21,22の出力電圧定電圧制御回路21−2,22−２に
設けた出力電圧設定部に加える。

次に、第８図に示すスイッチング電源装置21,22、出
力電圧定電圧制御回路21−2,22−２の動作は、両方とも
同様であることから、始めに、D/A変換手段92からアナ
ログ信号を受け、スイッチング電源装置21の出力電圧を
変化させる出力電圧定電圧制御回路21−２の動作につい
て述べる。演算増幅器11と抵抗12,13からなる誤差増幅
器の入力の一方に、出力電圧設定部を形成する抵抗14,
ツェーナダイオード15からなる基準電圧が逆流阻止用ダ
イオード16を介して入力され、他方の入力にスイッチン
グ電源装置主回路21−１の出力電圧が抵抗17,18で分圧
されて入力され、その誤差増幅器の出力がパルス幅変調
回路を含む駆動制御回路10に送出されることにより、ス
イッチング電源装置21の出力電圧の安定化が図られる。
また、D/A変換手段92の出力が逆流阻止用ダイオード19
を介して出力電圧定電圧制御回路21−２の出力電圧設定
部に接続されることにより、D/A変換手段92から送出さ
れるアナログ信号でスイッチング電源装置主回路21−１
の出力電圧を変化させることができ、このアナログ信号
のレベルを上下することによりスイッチング電源装置21
の出力電圧を上昇あるいは下降させ、これによってスイ
ッチング電源装置21の負荷電流あるいは電力の分担の割
合を増減することができる。

さらに、燃料電池電源出力電流／電力信号発生手段7
0,ディジタル信号比較手段901,D/A変換手段92,出力電圧
定電圧制御回路21−2,スイッチング電源装置主回路21−
１からなるフィードバックループが構成されているの
で、燃料電池電源出力電流／電力信号発生手段70から送
出されてくる燃料電池電源301即ちスイッチング電源装
置21の出力電流あるいは電力に対応するディジタル信号
ＩD1,ID2を負荷分担設定用ディジタル信号I₀/2に等しく
することが可能となる。即ち、燃料電池電源301（スイ
ッチング電源装置21）の出力電流あるいは電力を、負荷
電流あるいは電力の1/2に合わせることができる。

上述したのと同様の動作がスイッチング電源装置22に
おいても行なわれ、スイッチング電源装置22（燃料電池
電源302）の出力電流あるいは電力を、負荷電流あるい
は電力の1/2に合わせることができる。従って、負荷電
流あるいは電力が燃料電池電源301と302の供給可能な電
流あるいは電力以下の場合、燃料電池電源301と燃料電
池電源302で1/2ずつ負荷分担することができる。

なお、電流／電力信号発生手段60からのディジタル信
号に上限を設けておくこと、D/A変換手段92の入力に上
限を設定しておくこと、あるいはD/A変換手段92のアナ
ログ信号出力をツェナーダイオードでクランプすること
などによっても、負荷電流が燃料電池電源301と302の供
給可能な電流あるいは電力を超えることに対処できる。
これらの対処により、燃料電池電源301と燃料電池電源3
02で均等に負荷分担させ、燃料電池電源301,302の分担
する負荷電流あるいは電力を超え分は、整流器５に分担
させることができる。

第２の参考例は、以上のように構成され、動作するこ
とから、電流／電力信号発生手段60からのディジタル信
号に上限を設けその値を燃料電池電源301,302の定格出
力電流あるいは電力の和に対応するディジタル信号とす
ることなどにより、負荷電流あるいは電力が２台の燃料
電池電源301,302の定格出力電流あるいは電力の和以下
の場合は、全ての負荷電流あるいは電力を２台の燃料電
池電源301,302から1/2ずつ供給し、負荷電流あるいは電
力を２台の燃料電池電源301,302の定格出力電流あるい
は電力の和を超える場合は、燃料電池電源301,302から
は少なくともそれぞれの定格出力電流あるいは電力で給
電することができる。従って、本参考例も第１の参考例
と同様に作用することができる。

また、上記説明では燃料電池電源301と302に負荷電流
あるいは電力の1/2ずつを分担させることとしたが、必
ずしも均等分担にこだわる必要はない。燃料電池電源30
1と302の出力容量が異なる場合、例えば燃料電池電源30
1が100KW、302が50KWとすると、燃料電池電源301に負荷
電流あるいは電力の2/3を、302に1/3を分担させるよう
に負荷分担設定用ディジタル信号を形成してもよい。

さらに、上述したディジタル信号比較手段91あるいは
901におけるディジタル信号の計算処理にパソコンを用
いて、負荷分担設定用ディジタル信号を形成する際にパ
ソコンのキーボードから必要な情報を入力することによ
り燃料電池電源301,302および整流器５の負荷分担を容
易に変えることができ、システムの据え付け時などに各
燃料電池電源および整流器それぞれの動作試験が迅速・
容易に実施できる。

なお、ディジタル信号比較手段91,901にパソコンを用
い、電流／電力信号発生手段60、燃料電池電源出力電流
／電力信号発生手段70,71にA/D変換ボードを、D/A変換
手段92にD/A変換ボードを用いれば上述したディジタル
制御を実現できることはいうまでもない。また、スイッ
チング電源装置21,22のレギュレーションが良すぎる
と、出力電流の変化に対する出力電圧の変化が小さくな
り負荷分担を行なうことが難しくなるので、その場合に
はD/A変換手段92の出力での変化量の最小単位を考慮し
てスイッチング電源装置21,22に出力電圧の出力電流依
存性をもたせた特性とする必要があることもいうまでも
ない。

第３図は本発明の第１の実施例を説明する図であっ
て、第１図の第１の参考例と同符号のものは同一機能の
ものである。第３図の第１の実施例が第１の参考例と異
なるのは、燃料電池直流並列運転システムが負荷100に
供給する電流あるいは電力の検出手段を燃料電池電源30
1,302の出力電流あるいは電力と整流器５の出力電流あ
るいは電力を個別に検出し、これらを加算して電流／電
力信号発生手段とした点にある。即ち、61は整流器５の
出力電流あるいは電力を検出しこれに対応するディジタ
ル信号を出力する手段であり、62はそのディジタル信号
と前述の燃料電池電源出力電流／電力信号発生手段70,7
1からのディジタル信号とを加算して負荷電流あるいは
負荷の消費電力を検出したディジタル信号として前述の
ディジタル信号比較手段91へ送出する加算器である。こ
のように構成しても、上述した第１図の第１の参考例と
同様の動作を行い、同様に作用することは明らかであ
る。また、前述の加算器62において加算するまでアナロ
グ信号により処理し、加算器出力においてA/D変換して
もよい。要は燃料電池直流並列運転システムが負荷に供
給する電流あるいは電力を検出しこれに対応するディジ
タル信号を出力することができる電流／電力信号発生手
段であればよい。但し、ディジタル信号比較手段91とし
てパソコンを用いるときは、加算器62の機能もパソコン
に持たせた方が構成は簡単である。

第４図は本発明の第２の実施例を説明する図であっ
て、第１図の第１の参考例と同符号のものは同一機能の
ものである。第２の実施例が第１の参考例と異なるの
は、２台の燃料電池電源301,302が各々運転中であるか
否かを判別し運転状態を示すディジタル信号を出力する
運転状態判別手段101を新たに設け、この運転状態判別
手段101からのディジタル信号と電流／電力信号発生手
段60から出力されるディジタル信号を受けて、このディ
ジタル信号と前記燃料電池電源の運転台数とから前記燃
料電池電源の各々301,302に所定の負荷電流あるいは電
力を分担させるための負荷分担設定用ディジタル信号を
形成しようとするものである。

このように構成しても、上述した第１の参考例と同様
の動作を行い、同様に作用するが、それを以下に簡単に
述べる。

電流／電力信号発生手段60において、負荷電流あるい
は電力を検出し、このアナログ信号をディジタル信号に
A/D変換して、負荷電流あるいは電力に対応するディジ
タル信号をディジタル信号比較手段91に送出する。燃料
電池電源出力電流／電力信号発生手段70,71では、前記
燃料電池電源各々の出力電流あるいは電力を検出しディ
ジタル信号に変換した後、このディジタル信号をディジ
タル信号比較手段91に送出する。運転状態判別手段101
では、燃料電池電源301,302が各々運転中か否かを判別
し運転状態を示すディジタル信号をディジタル信号比較
手段91に送出する。ディジタル信号比較手段91では、前
記電流／電力信号発生手段60からのディジタル信号を受
け、このディジタル信号と前記運転状態判別手段101か
ら出力されたディジタル信号により判別した燃料電池電
源の運転台数とから前記燃料電池電源301,302の各々に
所定の負荷電流あるいは電力を分担させる負荷分担設定
用ディジタル信号を形成し、この負荷分担設定用ディジ
タル信号と、前記燃料電池電源出力電流／電力信号発生
手段70,71から出力されるディジタル信号とを比較して
その差に応じたディジタル信号を出力する。D/A変換手
段92では、ディジタル信号比較手段91から出力されたデ
ィジタル信号をアナログ信号に変換し、このアナログ信
号を対応するそれぞれのスイッチング電源装置の出力電
圧定電圧制御回路21−2,22−２に設けた出力電圧設定部
に加える。以降は前述の第１図と同様に動作する。

なお、上述したディジタル信号の処理にパソコンを用
いて、燃料電池電源の運転台数の他、各燃料電池電源30
1,302の出力容量も考慮して、それぞれに所定の負荷を
分担させるように負荷分担設定用ディジタル信号を形成
することも勿論可能である。

第５図は本発明の第３の実施例を説明する図であっ
て、第４図の第２の実施例と同符号のものは同一機能の
ものである。第３の実施例が第２の実施例と異なるの
は、前記燃料電池直流並列運転システムが負荷に供給す
る電流あるいは電力を検出しこれに対応するディジタル
信号を出力する電流／電力信号発生手段と、前記燃料電
池電源が各々運転中であるか否かを判別し運転状態を示
すディジタル信号を出力する運転状態判別手段と、前記
電流／電力信号発生手段と前記運転状態判別手段と燃料
電池電源出力電流／電力信号発生手段とから出力される
ディジタル信号を受け前記燃料電池電源301,302の各々
に所定の負荷電流あるいは電力を分担させるための負荷
分担設定用ディジタル信号を形成し、この負荷分担設定
用ディジタル信号と前記燃料電池電源出力電流／電力信
号発生手段70,71から出力されるディジタル信号とを比
較してその差に応じたディジタル信号を出力するディジ
タル信号比較手段と、前記ディジタル信号比較手段から
出力されるディジタル信号をアナログ信号に変換するD/
A変換手段とを燃料電池電源毎に設けた点である。即
ち、燃料電池電源301の出力電圧制御用として電流／電
力信号発生手段60−１、運転状態判別手段101−１、燃
料電池電源出力電流／電力信号発生手段70、ディジタル
信号比較手段91−１、D/A変換手段92−１を設け、燃料
電池電源302の出力電圧制御用として電流／電力信号発
生手段60−２、運転状態判別手段101−２、燃料電池電
源出力電流／電力信号発生手段71、ディジタル信号比較
手段91−２、D/A変換手段92−２を設けたものである。
このように各スイッチング電源装置の出力電圧を制御す
る手段を燃料電池電源毎に設けた構成にしても、上述の
第２の実施例と同様の動作を行い、同様に作用すること
は明らかである。

第６図は本発明の第４の実施例を説明する図であっ
て、第１図の第１の参考例と同符号のものは同一機能の
ものである。第４の実施例が第１の参考例と異なるの
は、前記燃料電池直流並列運転システムが給電する負荷
を２システムとしたこと、それぞれの負荷に対応するた
めに商用電源を整流する整流器を２システム備えたこ
と、燃料電池直流並列運転システムが負荷に供給する電
流あるいは電力の検出手段を各負荷システムへの負荷電
流を個別に検出し、これらを加算して電流／電力信号発
生手段とした点にある。即ち、負荷として100−１と100
−２の２システムを対象とし、それぞれの負荷に対応し
て商用電源を整流する整流器を５−1,5−２の２システ
ム備え、これらの整流器と燃料電池電源301,302の２台
とを逆流防止のため（整流器５−１が負荷100−２に、
整流器５−２が負荷100−１に給電することを避けるた
め）のダイオード311,312を介して接続して燃料電池直
流並列運転システムを構成し、燃料電池直流並列運転シ
ステムが負荷に供給する電流あるいは電力を検出しこれ
らに対応するディジタル信号を出力する電流／電力信号
発生手段を、負荷100−1,100−２へのそれぞれの給電線
に接続した電流検出手段60−1,60−２とこれらの出力を
加算する加算器63とにより構成したものである。このよ
うに構成しても、前述した第１の参考例と同様の動作を
行い、同様に作用することは明らかである。なお、整流
器５−１と５−２の出力電圧特性と、整流器５−1,5−
２および燃料電池電源301,302を並列接続する給電線の
インピーダンスによる電圧降下配分の設計条件等によっ
ては逆流防止が図られるので、逆流防止用のダイオード
は省略することもでき、燃料電池直流並列運転システム
を構成する際に必ずしもダイオード311,312を必要とは
しない。

なお、以上の各参考例および各実施例における商用電
源４は、エンジン発電機等の他の発電源であってもよ
い。また、負荷と整流器を２システム設ける構成は、各
参考例および第１から第３の実施例にも同様に適用する
ことができる。このように、本発明はその主旨に沿って
種々に応用され、種々の実施態様を取り得るものであ
る。

［発明の効果］ 以上の説明で明らかなように、本発明の燃料電池直流
並列運転システムによれば、燃料電池の直流出力をスイ
ッチング電源装置により電圧変換して負荷に給電する燃
料電池電源を、変動する負荷の電源に適用する場合、負
荷電流あるいは電力が並列接続された複数台の燃料電池
電源の定格以内ならば複数台の燃料電池電源が全負荷を
分担し、総合の定格を超える場合は、複数台の燃料電池
電源は少なくともそれぞれの定格分を負荷分担すること
ができるため、負荷の消費電力に適合した燃料電池電源
を選定して燃料電池エネルギーシステムの創設費用を低
減することができるとともに、複数台の燃料電池電源を
並列接続した構成とすることができるため、燃料電池電
源の品種を統合し、量産化によりコストを低減すること
が可能となる。また、負荷分担をディジタル制御で行な
うことから制御手段としてパソコンなどのディジタル処
理手段を用いることができ、各燃料電池電源および整流
器の負荷分担の比率をディジタル操作で容易に変えるこ
とができるようになり、各燃料電池電源および整流器の
動作チェックをシステム据え付け時などいつでも容易・
迅速に実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の参考例を示すブロック図、第２
図は本発明の第２の参考例を示すブロック図、第３図は
本発明の第１の実施例を示すブロック図、第４図は本発
明の第２の実施例を示すブロック図、第５図は本発明の
第３の実施例を示すブロック図、第６図は本発明の第４
の実施例を示すブロック図、第７図は従来例の燃料電池
直流並列運転システムのブロック図、第８図は従来例の
直流電源装置あるいは本発明の実施例のスイッチング電
源装置の出力電圧定電圧制御回路の一例を示す回路構成
図である。 １……燃料電池、4,4−1,4−２……商用電源、5,5−1,5
−２……整流器、10……パルス幅変調回路を含む駆動制
御回路、11……演算増幅器、12,13,14,17,18……抵抗、
15……ツェナーダイオード、16,19……ダイオード、21,
22……スイッチング電源装置、21−1,22−１……スイッ
チング電源装置主回路、21−2,22−２……出力電圧定電
圧制御回路、60……電流／電力信号発生手段、60−1,60
−２……負荷システム一つの電流／電力信号発生手段、
61……整流器出力電流／電力信号発生手段、62,63……
加算器、70,71……燃料電池電源出力電流／電力信号発
生手段、91,91−1,91−2,901……ディジタル信号比較手
段、92,92−1,92−２……D/A変換手段、100,100−1,100
−２……負荷、101,101−1,101−２……運転状態判別手
段、301,302……燃料電池電源、311,312……ダイオー
ド、1001,1002……燃料電池。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 克彦 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−209924（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−254626（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−37673（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−80316（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02J 1/00 - 5/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池とこの燃料電池の出力を入力とし
   出力電圧定電圧制御回路を有するスイッチング電源装置
   とからなる燃料電池電源を少なくとも２台以上と、 商用電源あるいは他の発電源より出力される交流電力を
   整流する整流器と、 前記２台以上の燃料電池電源と前記整流器が負荷に供給
   する電流あるいは電力を検出しこれに対応するディジタ
   ル信号を出力する電流／電力信号発生手段と、 前記燃料電池電源の各々が負荷に供給する電流あるいは
   電力を検出しこれに対応するディジタル信号を出力する
   燃料電池電源出力電流／電力信号発生手段と、 前記電流／電力信号発生手段から出力されるディジタル
   信号を受けて、このディジタル信号から前記燃料電池電
   源の各々に所定の負荷電流あるいは電力を分担させるた
   めの負荷分担設定用ディジタル信号を形成し、この負荷
   分担設定用ディジタル信号と、前記燃料電池電源出力電
   流／電力信号発生手段から出力されるディジタル信号と
   を比較して、あるいは、前記燃料電池電源出力電流／電
   力信号発生手段から出力されるディジタル信号を受け
   て、このディジタル信号から前記燃料電池電源の各々に
   所定の負荷電流あるいは電力を分担させるための負荷分
   担設定用ディジタル信号を形成し、この負荷分担設定用
   ディジタル信号と、前記電流／電力信号発生手段から出
   力されるディジタル信号とを比較して、その差に応じた
   ディジタル信号を出力するディジタル信号比較手段と、 前記ディジタル信号比較手段から出力されるディジタル
   信号をアナログ信号に変換するD/A変換手段とを備え、 前記２台以上の燃料電池電源の各々の出力と前記整流器
   の出力とを並列に接続して負荷に給電する構成とし、 前記D/A変換手段からのアナログ信号出力を、前記出力
   電圧定電圧制御回路に設けた出力電圧設定部に加えるよ
   うに接続し、 前記スイッチング電源装置の出力電圧を、前記燃料電池
   直流並列運転システムが負荷に供給する電流あるいは電
   力の変動もしくは前記整流器の出力電圧の変動に応じて
   制御することにより前記燃料電池電源の出力の負荷分担
   の割合を制御するように構成した燃料電池直流並列運転
   システムであって、 電流／電力信号発生手段が、加算手段を備え、商用電源
   あるいは他の発電源より出力される交流電力を整流する
   整流器が負荷に供給する電流あるいは電力と各燃料電池
   電源が負荷に供給する電流あるいは電力とを検出し、該
   整流器が負荷に供給する電流に前記各燃料電池電源が負
   荷に供給する電流あるいは電力を加算して、前記各燃料
   電池電源と整流器が負荷に供給する電流あるいは電力に
   対応するディジタル信号を出力することを特徴とする燃
   料電池直流並列運転システム。
2. 【請求項２】請求項１に記載の燃料電池直流並列運転シ
   ステムにおいて、 ディジタル信号比較手段が、２台以上の燃料電池電源の
   各々について運転中か否かを判別し運転状態を示すディ
   ジタル信号を出力する運転状態判別手段を備え、このデ
   ィジタル信号で示される前記燃料電池電源の運転台数か
   ら該燃料電池電源の各々に所定の負荷電流あるいは電力
   を分担させるための負荷分担設定用ディジタル信号を形
   成することを特徴とする燃料電池直流並列運転システ
   ム。
3. 【請求項３】燃料電池とこの燃料電池の出力を入力とし
   出力電圧定電圧制御回路を有するスイッチング電源装置
   とからなる燃料電池電源を少なくとも２台以上と、 商用電源あるいは他の発電源より出力される交流電力を
   整流する整流器とを具備し、 前記２台以上の燃料電池電源の各々の出力と前記整流器
   の出力とを並列に接続して負荷に給電する構成とし、 前記２台以上の燃料電池電源と前記整流器が負荷に供給
   する電流あるいは電力を検出しこれに対応するディジタ
   ル信号を出力する電流／電力信号発生手段と、 前記燃料電池電源各々が負荷に供給する電流あるいは電
   力を検出しこれに対応するディジタル信号を出力する燃
   料電池電源出力電流／電力信号発生手段と、 前記２台以上の燃料電池電源の各々について運転中か否
   かを判別し運転状態を示すディジタル信号を出力する運
   転状態判別手段と、 前記電流／電力信号発生手段あるいは前記燃料電池電源
   出力電流／電力信号発生手段から出力されるディジタル
   信号を受けて、このディジタル信号と前記運転状態を示
   すディジタル信号で示される前記燃料電池電源の運転台
   数とから該燃料電池電源の各々に所定の負荷電流あるい
   は電力を分担させるための負荷分担設定用ディジタル信
   号を形成し、この負荷分担設定用ディジタル信号と、前
   記燃料電池電源出力電流／電力信号発生手段あるいは前
   記電流／電力信号発生手段から出力されるディジタル信
   号とを比較してその差に応じたディジタル信号を出力す
   るディジタル信号比較手段と、 前記ディジタル信号比較手段から出力されるディジタル
   信号をアナログ信号に変換するD/A変換手段とを前記各
   燃料電池電源毎に具備し、 前記D/A変換手段からのアナログ信号出力を、前記スイ
   ッチング電源装置の出力電圧定電圧制御回路に設けた出
   力電圧設定部に加えるように接続し、 前記スイッチング電源装置の出力電圧を、負荷に供給さ
   れる電流あるいは電力の変動もしくは前記整流器の出力
   電圧の変動に応じて制御することにより前記燃料電池電
   源の出力の負荷分担の割合を制御するように構成したこ
   とを特徴とする燃料電池直流並列運転システム。
4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載する燃
   料電池直流並列運転システムにおいて、 負荷が複数の系統に分かれており、 前記各負荷に対応して商用電源あるいはその他の発電源
   より出力される交流電力を整流する整流器が設けられ、 前記各負荷へ供給される電流または電力の検出に際して
   は加算手段を設けて前記各系統別の検出値を加算してそ
   の検出を行い、 少なくとも２台以上を並列に接続した燃料電池電源の出
   力は逆流阻止手段を介して前記各負荷へ供給することを
   特徴とする燃料電池直流並列運転システム。